اخبار - اصل اساسی و کاربرد سیستم TOF (زمان پرواز).

برای ارسال سریع در رسانه های اجتماعی ما مشترک شوید

این مجموعه با هدف ارائه درک عمیق و پیشرونده از سیستم زمان پرواز (TOF) در اختیار خوانندگان است. این محتوا یک نمای کلی از سیستم‌های TOF را پوشش می‌دهد، از جمله توضیحات مفصل TOF غیرمستقیم (iTOF) و TOF مستقیم (dTOF). این بخش ها به بررسی پارامترهای سیستم، مزایا و معایب آنها و الگوریتم های مختلف می پردازند. این مقاله همچنین اجزای مختلف سیستم‌های TOF را بررسی می‌کند، مانند لیزرهای ساطع کننده سطح حفره عمودی (VCSEL)، لنزهای انتقال و دریافت، سنسورهای دریافتی مانند CIS، APD، SPAD، SiPM، و مدارهای درایور مانند ASIC.

مقدمه ای بر TOF (زمان پرواز)

اصول اولیه

TOF که مخفف Time of Flight است، روشی است که برای اندازه‌گیری فاصله با محاسبه مدت زمانی که طول می‌کشد تا نور یک مسافت معین را در یک محیط بپیماید، استفاده می‌شود. این اصل در درجه اول در سناریوهای TOF نوری اعمال می شود و نسبتاً ساده است. این فرآیند شامل یک منبع نور است که یک پرتو نور را ساطع می کند و زمان انتشار ثبت می شود. سپس این نور از یک هدف منعکس می شود، توسط گیرنده گرفته می شود و زمان دریافت آن یادداشت می شود. تفاوت در این زمان ها که با t نشان داده می شود، فاصله را تعیین می کند (d = سرعت نور (c) × t / 2).

انواع سنسورهای ToF

دو نوع اصلی سنسور ToF وجود دارد: نوری و الکترومغناطیسی. حسگرهای نوری ToF، که رایج‌تر هستند، از پالس‌های نور، 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 می‌شود و برای محاسبه مسافت 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 می کنند اما از یک رسانه متفاوت استفاده می کننداندازه گیری فاصله.

کاربردهای سنسورهای ToF

حسگرهای ToF همه کاره هستند و در زمینه های مختلف ادغام شده اند:

رباتیک:برای تشخیص موانع و ناوبری استفاده می شود. برای مثال، روبات‌هایی مانند Roomba و Boston Dynamics' Atlas از دوربین‌های عمقی ToF برای نقشه‌برداری از محیط اطراف و برنامه‌ریزی حرکات استفاده می‌کنند.

سیستم های امنیتی:در سنسورهای حرکتی رایج برای تشخیص مزاحمان، ایجاد زنگ هشدار، یا فعال کردن سیستم های دوربین.

صنعت خودرو:در سیستم‌های کمک راننده برای کروز کنترل تطبیقی و جلوگیری از برخورد گنجانده شده است و به طور فزاینده‌ای در مدل‌های خودروهای جدید رایج می‌شود.

رشته پزشکی: در تصویربرداری و تشخیص غیر تهاجمی، مانند توموگرافی انسجام نوری (OCT)، برای تولید تصاویر بافتی با وضوح بالا استفاده می شود.

لوازم الکترونیکی مصرفی: برای ویژگی‌هایی مانند تشخیص چهره، احراز هویت بیومتریک و تشخیص ژست‌ها در گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها و لپ‌تاپ‌ها یکپارچه شده است.

هواپیماهای بدون سرنشین:مورد استفاده برای ناوبری، جلوگیری از برخورد، و در رسیدگی به نگرانی های حریم خصوصی و حمل و نقل هوایی

معماری سیستم TOF

یک سیستم TOF معمولی از چندین جزء کلیدی برای دستیابی به اندازه گیری فاصله تشکیل شده است که شرح داده شد:

· فرستنده (Tx):این شامل یک منبع نور لیزر، عمدتاً aVCSELیک مدار ASIC برای هدایت لیزر و اجزای نوری برای کنترل پرتو مانند عدسی‌های موازی یا عناصر نوری پراش و فیلترها.
· گیرنده (Rx):این شامل لنزها و فیلترها در انتهای گیرنده، حسگرهایی مانند CIS، SPAD، یا SiPM بسته به سیستم TOF، و یک پردازشگر سیگنال تصویر (ISP) برای پردازش مقادیر زیادی داده از تراشه گیرنده است.
·مدیریت انرژی:مدیریت پایدارکنترل جریان برای VCSEL ها و ولتاژ بالا برای SPAD ها بسیار مهم است و نیاز به مدیریت توان قوی دارد.
· لایه نرم افزار:این شامل سیستم عامل، SDK، سیستم عامل و لایه برنامه است.

این معماری نشان می‌دهد که چگونه یک پرتو لیزر، که از VCSEL سرچشمه می‌گیرد و توسط اجزای نوری اصلاح شده است، در فضا حرکت می‌کند، از یک شی منعکس می‌شود و به گیرنده بازمی‌گردد. محاسبه تایم لپس در این فرآیند اطلاعات فاصله یا عمق را نشان می دهد. با این حال، این معماری مسیرهای نویز مانند نویز ناشی از نور خورشید یا نویز چند مسیری ناشی از انعکاس را پوشش نمی‌دهد، که بعداً در این مجموعه مورد بحث قرار خواهند گرفت.

طبقه بندی سیستم های TOF

سیستم‌های TOF عمدتاً با تکنیک‌های اندازه‌گیری فاصله طبقه‌بندی می‌شوند: TOF مستقیم (dTOF) و TOF غیرمستقیم (iTOF)، که هر کدام دارای سخت‌افزار و رویکردهای الگوریتمی متمایز هستند. این مجموعه در ابتدا اصول خود را قبل از پرداختن به تجزیه و تحلیل مقایسه ای مزایا، چالش ها و پارامترهای سیستم ترسیم می کند.

علیرغم اصل به ظاهر ساده TOF - انتشار یک پالس نور و تشخیص بازگشت آن برای محاسبه فاصله - پیچیدگی در تمایز نور برگشتی از نور محیط است. این امر با انتشار نور کافی روشن برای دستیابی به نسبت سیگنال به نویز بالا و انتخاب طول موج های مناسب برای به حداقل رساندن تداخل نور محیطی برطرف می شود. روش دیگر این است که نور ساطع شده را رمزگذاری کنید تا در هنگام بازگشت قابل تشخیص باشد، مشابه سیگنال های SOS با چراغ قوه.

این مجموعه به مقایسه dTOF و iTOF ادامه می‌دهد، تفاوت‌ها، مزایا و چالش‌های آنها را به تفصیل مورد بحث قرار می‌دهد و سیستم‌های TOF را بر اساس پیچیدگی اطلاعاتی که ارائه می‌کنند، از 1D TOF تا 3D TOF طبقه‌بندی می‌کند.

dTOF

TOF مستقیم به طور مستقیم زمان پرواز فوتون را اندازه گیری می کند. جزء کلیدی آن، دیود بهمنی تک فوتونی (SPAD)، به اندازه کافی برای تشخیص تک فوتون ها حساس است. dTOF از شمارش فوتون منفرد مرتبط با زمان (TCSPC) برای اندازه‌گیری زمان ورود فوتون استفاده می‌کند، و یک هیستوگرام برای استنتاج محتمل‌ترین فاصله بر اساس بالاترین فرکانس یک اختلاف زمانی خاص می‌سازد.

iTOF

TOF غیرمستقیم زمان پرواز را بر اساس اختلاف فاز بین شکل موج منتشر شده و دریافتی، معمولاً با استفاده از سیگنال‌های مدولاسیون موج پیوسته یا پالس محاسبه می‌کند. iTOF می‌تواند از معماری‌های حسگر تصویر استاندارد استفاده کند و شدت نور را در طول زمان اندازه‌گیری کند.

iTOF بیشتر به مدولاسیون موج پیوسته (CW-iTOF) و مدولاسیون پالس (Pulsed-iTOF) تقسیم می شود. CW-iTOF تغییر فاز بین امواج سینوسی ساطع شده و دریافتی را اندازه گیری می کند، در حالی که Pulsed-iTOF تغییر فاز را با استفاده از سیگنال های موج مربعی محاسبه می کند.

ادامه مطلب:

ویکی پدیا (دوم). زمان پرواز. بازیابی شده ازhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
گروه راه حل های نیمه هادی سونی. (دوم). ToF (زمان پرواز) | فناوری رایج سنسورهای تصویر بازیابی شده ازhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
مایکروسافت. (2021، 4 فوریه). معرفی Microsoft Time Of Flight (ToF) - پلتفرم عمق Azure. بازیابی شده ازhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2 مارس 2023). سنسورهای زمان پرواز (TOF): مروری عمیق و کاربردها. بازیابی شده 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 می کنیم که برخی از تصاویر نمایش داده شده در وب سایت ما از اینترنت و ویکی پدیا با هدف ترویج آموزش و اشتراک گذاری اطلاعات جمع آوری شده است. ما به حقوق مالکیت معنوی همه سازندگان احترام می گذاریم. استفاده از این تصاویر برای منافع تجاری در نظر گرفته نشده است.

اگر فکر می کنید که هر یک از محتوای استفاده شده حق نسخه برداری شما را نقض می کند، لطفا با ما تماس بگیرید. ما بیش از حد مایل به انجام اقدامات مناسب، از جمله حذف تصاویر یا ارائه انتساب مناسب، برای اطمینان از انطباق با قوانین و مقررات مالکیت معنوی هستیم. هدف ما حفظ یک پلتفرم غنی از محتوا، منصفانه و احترام به حقوق مالکیت معنوی دیگران است.

لطفا با آدرس ایمیل زیر با ما تماس بگیرید:sales@lumispot.cn. ما متعهد می شویم که بلافاصله پس از دریافت هر گونه اطلاعیه، اقدام فوری انجام دهیم و 100% همکاری را برای حل چنین مشکلاتی تضمین می کنیم.