TOF 技术详解
一、原理
TOF是Time of flight的简写,直译为飞行时间的意思。所谓飞行时间法3D成像,是通过给目标连续发送光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。
图1:3D TOF成像原理
通常,固态激光或者 LED 的发射光源是近红外波段(~850nm),对人眼不可见。图像传感器需要能够响应相同的波段,接收光,将光能量转化为电流。注意,进入传感器的光同时包括了环境光和反射光。距离(深度)信息只存在于反射光中。因此,过多的环境光会降低信噪比(SNR)。为了检测发射光和发射光之间的相位移动,光源是脉冲波或是调制过的连续波, 光源通常是正弦波或方波。方波调制更通用,可以通过数字电路很容易实现。
通过集成的光电转换器从反射光中获取脉冲调制,或在反射的第一个检测中启动快速计数 器。快速计数器需要一个快速光检测器,通常是一个单光子雪崩二极管(SPAD)。这种计数 方法需要快速电子脉冲,1 毫米的精度需要的时钟脉冲间隔是 6.6 皮秒。这种级别的精度在室 温下的芯片上是无法获得的。
图 2: 两种飞行时间方法:脉冲(上)和连续波(下)
脉冲方法是比较直观的。在一个比较短的时间内,光源照射时间为(Δt),采用两个异相 窗口,C1和 C2,在相同的时间间隔Δt 内,同时并行对每个像素点的反射能量进行采样。在这些采样时间内,电流持续充电,测量 Q1 和 Q2 用下面公式计算距离:
连续波方法每次测量获取多个样本,每个样本相位差 90 度,共 4 个样本。使用这种技术,发射光和反射光之前的相位角为,φ,距离 d 可以通过下式计算:
接着,待测量像素的亮度(A)和偏移(B),计算为:
在所有的公式中,c 是光速 30 万千米每小时。 第一眼看,相比脉冲波,连续波方法的复杂度看似不合理,但仔细看连续波的公式, 就会发现(Q3 − Q4)和(Q1 − Q2)减少了测量中的偏移常量。还有就是,相位角公式中的商值可减少 距离测量中的增益常量的影响,比如,系统中的放大或衰减,或者反射的强度。
反射亮度(A)和偏移(B)会影响深度测量的精度。深度值方差可以用以下公式估计:
调制常量 cd 描述了飞行时间传感器分离和收集光电信号的好坏程度。反射光强,A,是光 强的函数。偏移,B,是环境光和系统内部偏移的函数。可以从公式 6 得到结论是高幅度,高调 制频率和高调制对比度,可以增加精度;但高偏移会导致相机饱和从而降低精度。
高频情况下,由于芯片硅半导体的特性,调制对比度会衰减。这是调制频率的实际上线。具有快速下降沿频率的飞行时间相机精度更高。
连续波测量基于相位,每 2π重复一次,意味着距离就会产生锯齿。产生锯齿的距离,称为 模糊距离,damb,用公式 7 表示:
离出现循环,damb 就是最大的观测距离。如果需要增加观测距离,就需要减小调制频 率,根据公式 6,就会减小精度。
如果不想妥协,高级飞行时间系统就会采用多频技术增加距离而不减小调制频率。增加一个或多个调制频率混合可以生成多频技术。每个调制频率都有一个不同的模糊距离,但真正的位置是多个频率相交的地方。两个调制频率相交,称为差(分)频(率),通常很低,对应一个较长的模糊距离。双频技术方法如下所示。
图 3: 用多频技术增加距离
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2019-7-25 16:25:25
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