Notícias - Princípio básico e aplicação do Sistema de TOF (Hora do Vôo)

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Esta série pretende fornecer aos leitores um entendimento aprofundado e progressivo do sistema de tempo de voo (TOF). O conteúdo abrange uma visão geral abrangente dos sistemas TOF, incluindo explicações detalhadas do TOF indireto (ITOF) e do TOF direto (DTOF). Essas seções se aprofundam nos parâmetros do sistema, suas vantagens e desvantagens e vários algoritmos. O artigo também explora os diferentes componentes dos sistemas TOF, como lasers emissor de superfície da cavidade vertical (VCSELs), lentes de transmissão e recepção, sensores de recebimento como CIS, APD, SPAD, SIPM e circuitos de motorista como ASICs.

Introdução ao TOF (hora do voo)

Princípios básicos

O TOF, em tempo de fuga, é um método usado para medir a distância, calculando o tempo que leva para que a luz perca uma certa distância em um meio. Esse princípio é aplicado principalmente em cenários ópticos de TOF e é relativamente direto. O processo envolve uma fonte de luz emitindo um feixe de luz, com o tempo de emissão registrado. Essa luz reflete em um alvo, é capturada por um receptor e o tempo de recepção é observado. A diferença nesses tempos, indicada como t, determina a distância (d = velocidade da luz (c) × t / 2).

Tipos de sensores TOF

Existem dois tipos principais de sensores de TOF: óptico e eletromagnético. Sensores ópticos de TOF, que são mais comuns, utilizam pulsos de luz, normalmente na faixa de infravermelho, para medição da distância. Esses pulsos são emitidos pelo sensor, refletem um objeto e retornam ao sensor, onde o tempo de viagem é medido e usado para calcular a distância. Por outro lado, os sensores eletromagnéticos de TOF usam ondas eletromagnéticas, como radar ou lidar, para medir a distância. Eles operam com um princípio semelhante, mas usam um meio diferente paramedição da distância.

Aplicações de sensores de TOF

Os sensores de TOF são versáteis e foram integrados a vários campos:

Robótica:Usado para detecção e navegação de obstáculos. Por exemplo, robôs como Roomba e Boston Dynamics, da Dynamics, empregam câmeras de profundidade para mapear o ambiente e os movimentos de planejamento.

Sistemas de segurança:Sensores comuns de movimento para detectar intrusos, desencadear alarmes ou ativar sistemas de câmera.

Indústria automotiva:Incorporado em sistemas de assistência ao motorista para controle de cruzeiro adaptável e prevenção de colisões, tornando-se cada vez mais prevalecendo em novos modelos de veículos.

Campo médico: Empregado em imagens e diagnósticos não invasivos, como a tomografia óptica de coerência (OCT), produzindo imagens de tecido de alta resolução.

Eletrônica de consumo: Integrado em smartphones, tablets e laptops para recursos como reconhecimento facial, autenticação biométrica e reconhecimento de gestos.

Drones:Utilizado para navegação, prevenção de colisões e preocupações de privacidade e aviação

TOF Arquitetura do sistema

Um sistema TOF típico consiste em vários componentes -chave para alcançar a medição da distância, conforme descrito:

· Transmissor (TX):Isso inclui uma fonte de luz a laser, principalmente umVcsel, um circuito de driver ASIC para acionar o laser e componentes ópticos para controle de feixe, como lentes de colimação ou elementos ópticos difrativos e filtros.
· Receptor (RX):Isso consiste em lentes e filtros na extremidade receptora, sensores como CIS, SPAD ou SIPM, dependendo do sistema TOF e um processador de sinal de imagem (ISP) para processar grandes quantidades de dados do chip receptor.
·Gerenciamento de energia:Gerenciando estávelO controle atual de VCSELs e alta tensão para SPADs é crucial, exigindo um gerenciamento robusto de energia.
· Camada de software:Isso inclui firmware, SDK, SO e camada de aplicativo.

A arquitetura demonstra como um feixe de laser, originário do VCSEL e modificado por componentes ópticos, viaja pelo espaço, reflete um objeto e retorna ao receptor. O cálculo do lapso de tempo nesse processo revela informações de distância ou profundidade. No entanto, essa arquitetura não cobre caminhos de ruído, como ruído induzido pela luz solar ou ruído de vários caminhos das reflexões, que são discutidas mais adiante na série.

Classificação de sistemas TOF

Os sistemas TOF são categorizados principalmente por suas técnicas de medição de distância: TOF direto (DTOF) e TOF indiretos (ITOF), cada um com abordagens distintas de hardware e algorítmico. A série descreve inicialmente seus princípios antes de se aprofundar em uma análise comparativa de suas vantagens, desafios e parâmetros do sistema.

Apesar do princípio aparentemente simples de TOF - emitir um pulso de luz e detectar seu retorno para calcular a distância - a complexidade está na diferenciação da luz que retorna da luz ambiente. Isso é abordado emitindo luz suficientemente brilhante para obter uma alta relação sinal / ruído e selecionando comprimentos de onda apropriados para minimizar a interferência da luz ambiental. Outra abordagem é codificar a luz emitida para torná -la distinguível no retorno, semelhante aos sinais SOS com uma lanterna.

A série passa a comparar o DTOF e o ITOF, discutindo suas diferenças, vantagens e desafios em detalhes e categoriza ainda mais os sistemas TOF com base na complexidade das informações que eles fornecem, variando de 1D TOF a 3D TOF.

dtof

O TOF direto mede diretamente o tempo de voo do fóton. Seu componente -chave, o diodo de avalanche de fóton único (SPAD), é sensível o suficiente para detectar fótons únicos. O DTOF emprega o tempo correlacionou a contagem de fótons únicos (TCSPC) para medir o tempo das chegadas de fótons, construindo um histograma para deduzir a distância mais provável com base na frequência mais alta de uma diferença de tempo específica.

ITOF

O TOF indireto calcula o tempo de voo com base na diferença de fase entre formas de onda emitidas e recebidas, geralmente usando sinais de modulação de onda ou pulso contínuos. O ITOF pode usar arquiteturas de sensores de imagem padrão, medindo a intensidade da luz ao longo do tempo.

O ITOF é ainda mais subdividido na modulação de onda contínua (CW-ITOF) e na modulação do pulso (pulsado-ITOF). O CW-ITOF mede a mudança de fase entre ondas sinusoidais emitidas e recebidas, enquanto o pulsado calcula a mudança de fase usando sinais de onda quadrada.

Futher Reading:

Wikipedia. (ND). Hora do voo. Recuperado dehttps://en.wikipedia.org/wiki/time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (ND). TOF (hora do vôo) | Tecnologia comum de sensores de imagem. Recuperado dehttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4 de fevereiro). Introdução ao Microsoft Time of Flight (TOF) - Plataforma de profundidade do Azure. Recuperado dehttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-pllight-tof
Escatec. (2023, 2 de março). Sensores de tempo de voo (TOF): uma visão geral detalhada e aplicativos. Recuperado dehttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

Na página da webhttps://faster-than-light.net/tofsystem_c1/

pelo autor: Chao Guang

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