برای دریافت سریع پست‌ها در شبکه‌های اجتماعی ما عضو شوید
این مجموعه با هدف ارائه درک عمیق و پیشرفته از سیستم زمان پرواز (TOF) به خوانندگان ارائه شده است. محتوا، مروری جامع بر سیستم‌های TOF، از جمله توضیحات مفصل در مورد TOF غیرمستقیم (iTOF) و TOF مستقیم (dTOF) را پوشش می‌دهد. این بخش‌ها به پارامترهای سیستم، مزایا و معایب آنها و الگوریتم‌های مختلف می‌پردازند. این مقاله همچنین اجزای مختلف سیستم‌های TOF، مانند لیزرهای ساطع کننده سطح حفره عمودی (VCSELs)، لنزهای انتقال و دریافت، سنسورهای دریافت مانند CIS، APD، SPAD، SiPM و مدارهای درایور مانند ASIC را بررسی می‌کند.
مقدمه‌ای بر TOF (زمان پرواز)
اصول اساسی
TOF، مخفف عبارت Time of Flight، روشی است که برای اندازه‌گیری فاصله با محاسبه زمان لازم برای طی کردن مسافت مشخصی توسط نور در یک محیط استفاده می‌شود. این اصل در درجه اول در سناریوهای TOF نوری اعمال می‌شود و نسبتاً ساده است. این فرآیند شامل یک منبع نور است که پرتوی از نور را ساطع می‌کند و زمان انتشار آن ثبت می‌شود. سپس این نور از یک هدف منعکس می‌شود، توسط یک گیرنده دریافت می‌شود و زمان دریافت ثبت می‌شود. تفاوت در این زمان‌ها، که با t نشان داده می‌شود، فاصله را تعیین می‌کند (d = سرعت نور (c) × t / 2).
انواع حسگرهای ToF
دو نوع اصلی از حسگرهای ToF وجود دارد: نوری و الکترومغناطیسی. حسگرهای ToF نوری که رایج‌تر هستند، از پالس‌های نوری، معمولاً در محدوده مادون قرمز، برای اندازه‌گیری فاصله استفاده می‌کنند. این پالس‌ها از حسگر ساطع می‌شوند، از یک جسم منعکس می‌شوند و به حسگر بازمی‌گردند، جایی که زمان سفر اندازه‌گیری شده و برای محاسبه فاصله استفاده می‌شود. در مقابل، حسگرهای ToF الکترومغناطیسی از امواج الکترومغناطیسی، مانند رادار یا لیدار، برای اندازه‌گیری فاصله استفاده می‌کنند. آنها بر اساس یک اصل مشابه عمل می‌کنند اما از یک محیط متفاوت برایاندازه‌گیری فاصله.
کاربردهای حسگرهای ToF
حسگرهای ToF همه‌کاره هستند و در زمینه‌های مختلفی به کار گرفته شده‌اند:
رباتیک:برای تشخیص مانع و ناوبری استفاده می‌شود. به عنوان مثال، ربات‌هایی مانند Roomba و Atlas از Boston Dynamics از دوربین‌های عمق ToF برای نقشه‌برداری از محیط اطراف و برنامه‌ریزی حرکات خود استفاده می‌کنند.
سیستم‌های امنیتی:در حسگرهای حرکتی برای تشخیص مزاحمان، فعال کردن آلارم یا فعال کردن سیستم‌های دوربین رایج است.
صنعت خودرو:در سیستم‌های کمک راننده برای کنترل کروز تطبیقی و جلوگیری از برخورد گنجانده شده است و به طور فزاینده‌ای در مدل‌های جدید خودرو رایج می‌شود.
رشته پزشکیدر تصویربرداری و تشخیص غیرتهاجمی، مانند توموگرافی انسجام نوری (OCT)، که تصاویر بافتی با وضوح بالا تولید می‌کند، به کار می‌رود.
لوازم الکترونیکی مصرفی: یکپارچه شده با گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها و لپ‌تاپ‌ها برای ویژگی‌هایی مانند تشخیص چهره، احراز هویت بیومتریک و تشخیص حرکت.
پهپادها:برای ناوبری، جلوگیری از برخورد و در پرداختن به نگرانی‌های مربوط به حریم خصوصی و هوانوردی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
معماری سیستم TOF
یک سیستم TOF معمولی از چندین جزء کلیدی برای دستیابی به اندازه‌گیری فاصله تشکیل شده است که شرح آنها آمده است:
· فرستنده (Tx):این شامل یک منبع نور لیزر، عمدتاً یکوی‌سی‌سل، یک مدار راه‌انداز ASIC برای راه‌اندازی لیزر، و اجزای نوری برای کنترل پرتو مانند لنزهای موازی‌کننده یا عناصر نوری پراشنده، و فیلترها.
· گیرنده (Rx):این شامل لنزها و فیلترها در سمت گیرنده، حسگرهایی مانند CIS، SPAD یا SiPM بسته به سیستم TOF و یک پردازنده سیگنال تصویر (ISP) برای پردازش حجم زیادی از داده‌ها از تراشه گیرنده است.
·مدیریت برق:مدیریت پایدارکنترل جریان برای VCSELها و ولتاژ بالا برای SPADها بسیار مهم است و نیاز به مدیریت توان قوی دارد.
· لایه نرم‌افزار:این شامل میان‌افزار، SDK، سیستم‌عامل و لایه برنامه می‌شود.
این معماری نشان می‌دهد که چگونه یک پرتو لیزر، که از VCSEL سرچشمه گرفته و توسط اجزای نوری اصلاح شده است، در فضا حرکت می‌کند، از یک جسم بازتاب می‌شود و به گیرنده بازمی‌گردد. محاسبه‌ی گذر زمان در این فرآیند، اطلاعات فاصله یا عمق را آشکار می‌کند. با این حال، این معماری مسیرهای نویز، مانند نویز ناشی از نور خورشید یا نویز چند مسیری ناشی از بازتاب‌ها را که بعداً در این مجموعه مورد بحث قرار می‌گیرند، پوشش نمی‌دهد.
طبقه‌بندی سیستم‌های TOF
سیستم‌های TOF در درجه اول بر اساس تکنیک‌های اندازه‌گیری فاصله خود طبقه‌بندی می‌شوند: TOF مستقیم (dTOF) و TOF غیرمستقیم (iTOF)، که هر کدام رویکردهای سخت‌افزاری و الگوریتمی متمایزی دارند. این مجموعه ابتدا اصول آنها را شرح می‌دهد و سپس به تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای مزایا، چالش‌ها و پارامترهای سیستم آنها می‌پردازد.
علیرغم اصل به ظاهر ساده TOF - انتشار یک پالس نوری و تشخیص بازگشت آن برای محاسبه فاصله - پیچیدگی در تمایز نور بازگشتی از نور محیط نهفته است. این مشکل با انتشار نور به اندازه کافی روشن برای دستیابی به نسبت سیگنال به نویز بالا و انتخاب طول موج‌های مناسب برای به حداقل رساندن تداخل نور محیطی برطرف می‌شود. رویکرد دیگر، کدگذاری نور ساطع شده برای قابل تشخیص بودن آن در هنگام بازگشت است، مشابه سیگنال‌های SOS با چراغ قوه.
این مجموعه در ادامه به مقایسه dTOF و iTOF می‌پردازد، تفاوت‌ها، مزایا و چالش‌های آنها را به تفصیل مورد بحث قرار می‌دهد و سیستم‌های TOF را بر اساس پیچیدگی اطلاعاتی که ارائه می‌دهند، از TOF یک بعدی تا TOF سه‌بعدی دسته‌بندی می‌کند.
دی‌تی‌او‌اف
TOF مستقیم، زمان پرواز فوتون را مستقیماً اندازه‌گیری می‌کند. جزء کلیدی آن، دیود بهمنی تک فوتون (SPAD)، به اندازه کافی حساس است تا فوتون‌های تک را تشخیص دهد. dTOF از شمارش تک فوتون همبسته با زمان (TCSPC) برای اندازه‌گیری زمان ورود فوتون‌ها استفاده می‌کند و یک هیستوگرام می‌سازد تا محتمل‌ترین فاصله را بر اساس بالاترین فرکانس یک اختلاف زمانی خاص استنباط کند.
آی‌تی‌او‌اف
TOF غیرمستقیم زمان پرواز را بر اساس اختلاف فاز بین شکل موج‌های ساطع شده و دریافتی محاسبه می‌کند، که معمولاً از سیگنال‌های مدولاسیون موج پیوسته یا پالس استفاده می‌کند. iTOF می‌تواند از معماری‌های استاندارد حسگر تصویر استفاده کند و شدت نور را در طول زمان اندازه‌گیری کند.
مدولاسیون iTOF خود به دو دسته مدولاسیون موج پیوسته (CW-iTOF) و مدولاسیون پالس (Pulsed-iTOF) تقسیم می‌شود. CW-iTOF تغییر فاز بین امواج سینوسی ساطع شده و دریافتی را اندازه‌گیری می‌کند، در حالی که Pulsed-iTOF تغییر فاز را با استفاده از سیگنال‌های موج مربعی محاسبه می‌کند.
خواندن بیشتر:
- ویکی‌پدیا. (nd). زمان پرواز. برگرفته ازhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- گروه راهکارهای نیمه‌هادی سونی. (nd). ToF (زمان پرواز) | فناوری رایج حسگرهای تصویر. برگرفته ازhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- مایکروسافت. (۴ فوریه ۲۰۲۱). معرفی Microsoft Time Of Flight (ToF) - پلتفرم Azure Depth. برگرفته ازhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2 مارس 2023). حسگرهای زمان پرواز (TOF): مروری عمیق و کاربردها. برگرفته ازhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
از صفحه وبhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
نویسنده: چائو گوانگ
سلب مسئولیت:
بدینوسیله اعلام می‌کنیم که برخی از تصاویر نمایش داده شده در وب‌سایت ما از اینترنت و ویکی‌پدیا جمع‌آوری شده‌اند و هدف آنها ارتقای آموزش و اشتراک‌گذاری اطلاعات است. ما به حقوق مالکیت معنوی همه خالقان احترام می‌گذاریم. استفاده از این تصاویر برای اهداف تجاری نیست.
اگر معتقدید که هر یک از محتوای استفاده شده، حق چاپ شما را نقض می‌کند، لطفاً با ما تماس بگیرید. ما مشتاقانه آماده‌ایم تا اقدامات لازم، از جمله حذف تصاویر یا ارائه منابع مناسب، را برای اطمینان از رعایت قوانین و مقررات مالکیت معنوی انجام دهیم. هدف ما حفظ پلتفرمی غنی از محتوا، منصفانه و با احترام به حقوق مالکیت معنوی دیگران است.
لطفا با آدرس ایمیل زیر با ما تماس بگیرید:sales@lumispot.cnما متعهد می‌شویم که به محض دریافت هرگونه اعلان، فوراً اقدام کنیم و همکاری ۱۰۰٪ را در حل هرگونه مشکلی از این دست تضمین می‌کنیم.
زمان ارسال: ۱۸ دسامبر ۲۰۲۳