飛行時(shí)間傳感器的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)分析

飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器是一種通用設(shè)備，具有檢測(cè)/分類物體、深度估算等多種功能， 適用于庫(kù)存管理/清點(diǎn)、人員跟蹤和停車監(jiān)控等應(yīng)用。除了這些有用但看似普通的應(yīng)用之外，ToF傳感器還可以集成并擴(kuò)展到更獨(dú)特的應(yīng)用中。

智能自動(dòng)暗門便是這些令人興奮的應(yīng)用之一。想象一下，一部間諜電影中的主人公在走廊里，站在一個(gè)沒(méi)有描述的花瓶旁邊，做著一系列手勢(shì)，試圖打開(kāi)一扇秘密的門。突然，打開(kāi)了一扇隱藏的房門，里面裝滿了秘密情報(bào)。智能自動(dòng)暗門僅使用一個(gè)ToF傳感器，只允許知道站在那里（房間的特定部分）和秘密手勢(shì)（如果需要，可以多個(gè)）的人進(jìn)入，從而保持安全。ToF傳感器的另一個(gè)應(yīng)用是運(yùn)動(dòng)中的姿勢(shì)或技術(shù)監(jiān)測(cè)。例如，ToF傳感器可以通過(guò)監(jiān)測(cè)高爾夫球手的姿勢(shì)來(lái)幫助完善技術(shù)。

我們要如何集成ToF傳感器，而這些令人興奮的應(yīng)用需要什么呢？ 請(qǐng)繼續(xù)閱讀，以了解ToF傳感器的工作原理、集成到特定應(yīng)用中的方法，以及使用ToF傳感器時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。

ToF傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

顧名思義，ToF傳感器通過(guò)計(jì)算光（通常為紅外，波長(zhǎng)約為850nm）或發(fā)出的聲音（超聲波）“飛向”物體并反射回來(lái)所需的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。這些傳感器的工作原理非常簡(jiǎn)單。為了便于理解，我們將重點(diǎn)討論光學(xué)ToF傳感器。

ToF傳感器可以根據(jù)測(cè)量距離的方式分為兩類：直接和間接。直接ToF傳感器直接測(cè)量給定光脈沖被傳感器傳輸、被目標(biāo)反射并被探測(cè)器接收所需的時(shí)間。直接ToF傳感器通常采用脈沖調(diào)制來(lái)測(cè)量距離。直接ToF傳感器使用以下公式來(lái)計(jì)算距離：

d = (c ? Δt) / 2

其中，Δt表示時(shí)間差，

c表示光速。

而間接ToF傳感器測(cè)量的是脈沖之間的相對(duì)相位差。因此，借助經(jīng)傳感器發(fā)射、目標(biāo)反射以及探測(cè)器接收的一系列脈沖，可以通過(guò)觀察返回信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位差來(lái)測(cè)量距離。間接ToF傳感器通常采用連續(xù)波 (CW) 調(diào)制來(lái)測(cè)量距離。間接ToF傳感器使用以下公式來(lái)計(jì)算距離：

d = (c / 2?_m) ? (Δθ / 2π)

其中，Δθ表示相位差，

?_m表示調(diào)制頻率，

c表示光速。

表1總結(jié)了直接和間接ToF傳感器之間的差異，但也有例外情況。

表1：直接和間接ToF傳感器對(duì)比（來(lái)源：作者）

間接傳感器適合用于手勢(shì)識(shí)別等3D應(yīng)用，而直接ToF傳感器則更適合于快速測(cè)距應(yīng)用。這些傳感器的具體應(yīng)用場(chǎng)合與工作原理息息相關(guān)。因此，了解ToF傳感器如何工作有助于為應(yīng)用選擇合適的傳感器。

ToF傳感器的光子壽命

工作條件和環(huán)境是了解ToF傳感器工作原理的關(guān)鍵。圖1顯示了ToF傳感器光子的“壽命”，以及可能產(chǎn)生噪聲的理論位置。紅色表示可能產(chǎn)生噪聲和/或影響系統(tǒng)最終性能的位置。在接收器處，由于光子“正確地”通過(guò)這一事件鏈時(shí)存在一個(gè)概率問(wèn)題，因此只能收集到一小部分傳輸?shù)墓庾印?/span>

圖1：該圖顯示了光子如何與ToF傳感器相互作用。（圖源：作者）

光子散射與相互作用

傳輸信號(hào)（光子）與目標(biāo)的相互作用對(duì)于ToF傳感器來(lái)說(shuō)極其重要，因?yàn)楣庾涌赡芫哂新瓷?、鏡面反射和/或擴(kuò)散反射的特性，并會(huì)被某些物體吸收或散射（圖2）。例如，如果被測(cè)物表面粗糙（不規(guī)則的晶格排列），并且處于波長(zhǎng)范圍內(nèi)，則主要會(huì)發(fā)生漫散射。 光子與物體相互作用的方式將影響ToF傳感器的實(shí)際工作效果。

圖2：當(dāng)與目標(biāo)交互時(shí)，光可以幾種不同的方式散射。（圖源：Terabee）

ToF與3D光學(xué)傳感系統(tǒng)對(duì)比

ToF傳感器與結(jié)構(gòu)光和立體視覺(jué)兩種3D光學(xué)傳感系統(tǒng)相比各有優(yōu)勢(shì)。表2和表3顯示了ToF傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。

表2：ToF傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)（來(lái)源：作者）

表3：使用ToF傳感器時(shí)需要考慮的事項(xiàng)（來(lái)源：作者）

ToF傳感器與3D光學(xué)傳感系統(tǒng)相比有很多明顯的優(yōu)勢(shì)，但設(shè)計(jì)工程師在做決定時(shí)應(yīng)考慮所有的可能性。表4顯示了3D光學(xué)傳感系統(tǒng)與ToF傳感器相比，存在的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) （注意，存在例外情況）。

表4：ToF傳感器與其他3D傳感光學(xué)系統(tǒng)的全面對(duì)比（來(lái)源：作者）

ToF傳感器集成注意事項(xiàng)和誤差

對(duì)于愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，集成ToF傳感器是一項(xiàng)相對(duì)簡(jiǎn)單的工作，因?yàn)榇蠖鄶?shù)ToF傳感器同時(shí)包含了所需的所有器件（發(fā)射器、接收器和處理器）。但是，對(duì)于不同的用途和應(yīng)用場(chǎng)景，仍應(yīng)謹(jǐn)慎操作。ToF傳感器具有多種不同的配置，包括發(fā)射器設(shè)計(jì)、接收器設(shè)計(jì)和/或運(yùn)行特性（如轉(zhuǎn)向、旋轉(zhuǎn)）。每個(gè)ToF傳感器的設(shè)計(jì)和制造對(duì)其運(yùn)行方式和性能起著極其重要的作用。

校準(zhǔn)是將ToF傳感器集成到應(yīng)用中時(shí)需要特別考慮的因素之一。對(duì)于最簡(jiǎn)單的距離測(cè)量，ToF傳感器會(huì)出現(xiàn)的四類誤差如圖3所示：恒定偏移量、比例因子、測(cè)量精度/方差和飽和度。接下來(lái)，我們將重點(diǎn)介紹單個(gè)發(fā)射器和接收器（像素）。

圖3：使用ToF傳感器時(shí)出現(xiàn)的誤差。（圖源：作者）

ToF誤差和噪聲詳解

在工程和科學(xué)應(yīng)用中，理解和校準(zhǔn)誤差源至關(guān)重要。首先，因?yàn)?/span>ToF傳感器是光學(xué)傳感器，所以其中也存在光學(xué)傳感器常見(jiàn)的噪聲源。我們必須考慮固定模式噪聲和ToF傳感器焦平面陣列 (FPA)   內(nèi)像素間的響應(yīng)偏差。陣列中每個(gè)像素的響應(yīng)靈敏性必須補(bǔ)償?shù)狡骄健Ａ硪环N類型的固定模式噪聲是暗電流及相應(yīng)的散粒噪聲。ToF傳感器即使未啟動(dòng)，仍然會(huì)出現(xiàn)噪聲， 必須對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，以減少FPA讀數(shù)出現(xiàn)偏差。通常，傳感器的帶隙與暗電流噪聲成反比。隨著帶隙減小，暗電流噪聲通常會(huì)增大。

為了補(bǔ)償固定模式噪聲，可以執(zhí)行非均勻性校正 (NUC)。該過(guò)程需要在不同的積分時(shí)間測(cè)量陣列，并將響應(yīng)擬合到已知模型中。必須對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行校正和對(duì)齊，以便為固定輸入提供均勻的輸出。以其他傳感器為例，如果正確執(zhí)行NUC，將產(chǎn)生類似于圖4所示的結(jié)果。

圖4：此圖顯示了校正紅外傳感器的NUC過(guò)程示例。對(duì)于3D傳感應(yīng)用來(lái)說(shuō)，校準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)良好效果所必需的操作。（圖源：https://sites.google.com/a/udayton.edu/rhardie1/research/nonuniformity-correction）

此外，還需考慮其他系統(tǒng)噪聲，包括熱噪聲、量化噪聲（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、閃爍噪聲、KTC噪聲和串?dāng)_。由于探測(cè)器的響應(yīng)也受溫度影響，所以應(yīng)特別注意熱噪聲。測(cè)距結(jié)果將隨溫度變化而漂移，并產(chǎn)生偏移。 這種溫度漂移不是物體的特性，而是與延遲鎖定環(huán)的相位測(cè)量有關(guān)。

影響ToF傳感器性能的環(huán)境噪聲包括雜散光、光波陣面誤差、多徑以及由于物體反射率不均而產(chǎn)生的常規(guī)照明噪聲。如在ToF傳感器缺點(diǎn)的討論中所述，ToF傳感器存在應(yīng)校正的偽影，例如運(yùn)動(dòng)偽影。運(yùn)動(dòng)偽影發(fā)生在物體邊界和不均勻反射處，這些位置不匹配的原始相位值可能會(huì)發(fā)生波動(dòng)。隨著給定積分時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度的增加，運(yùn)動(dòng)偽影也會(huì)變得更加嚴(yán)重。為了補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)偽影，可以采用流補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。這種補(bǔ)償必須在傳感器運(yùn)行時(shí)進(jìn)行，不能視為校準(zhǔn)。

ToF傳感器應(yīng)用實(shí)例

在對(duì)ToF傳感器有了一定認(rèn)知后，我們可以從更高的角度來(lái)了解如何使用ToF傳感器進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。

使用ToF傳感器，首先要通過(guò)測(cè)量物體或場(chǎng)景多個(gè)點(diǎn)的范圍來(lái)生成點(diǎn)云。根據(jù)ToF傳感器返回或點(diǎn)云的密度和距離測(cè)量的精度，可以對(duì)傳感器及其感測(cè)到的世界生成精確的3D視圖。如果傳感器視圖里只有一個(gè)對(duì)象，則可以通過(guò)查看與場(chǎng)景其他部分的返回結(jié)果，即可輕松地跟蹤對(duì)象。另一方面，如果場(chǎng)景雜亂，應(yīng)用一些圖像處理，便可以基于對(duì)象特征和深度的附加信息來(lái)跟蹤對(duì)象。合適的ToF傳感器可以提供類似相機(jī)的“圖像”，但具有額外的深度信息。

對(duì)于相機(jī)分辨率過(guò)低且無(wú)法生成精確點(diǎn)云等類似情況，ToF傳感器的分辨率非常關(guān)鍵。如果范圍不具有代表性，且ToF傳感器未經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，則物體會(huì)相互重疊，或墻壁等平坦表面看起來(lái)粗糙變形。

結(jié)語(yǔ)

ToF傳感器不僅功能豐富，如果仔細(xì)檢查，還會(huì)發(fā)現(xiàn)其擁有難以置信的深度。ToF傳感器的使用和設(shè)計(jì)因發(fā)射器、探測(cè)器、光學(xué)陣列、處理技術(shù)和封裝不同而異。在任何應(yīng)用中都應(yīng)考慮ToF傳感器的噪聲和誤差；傳感器用途不同，也會(huì)導(dǎo)致校準(zhǔn)和誤差校正的復(fù)雜度不同。歸根結(jié)底，ToF傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，性能驚人，功能豐富，是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可以幫你解決很多問(wèn)題。

作者簡(jiǎn)介

Tenner Lee是機(jī)器學(xué)習(xí)/人工智能研發(fā)項(xiàng)目的技術(shù)負(fù)責(zé)人，在算法開(kāi)發(fā)/設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化和算法測(cè)試/驗(yàn)證方面擁有15年的領(lǐng)導(dǎo)、開(kāi)發(fā)、項(xiàng)目管理和咨詢經(jīng)驗(yàn)。他擁有電氣工程研究生學(xué)位，在信號(hào)處理和電磁方面有一定的基礎(chǔ)。