用于距离测量和目标检测的飞行时间系统

距离测量和目标检测在许多领域发挥着重要作用，包括工厂自动化、机器人应用和物流。特别是在安全应用领域，需要对特定距离的物体或人员进行检测和响应。例如，一旦工人进入危险区域，机械臂就可能需要立即停止操作。

因此，飞行时间（Time of Flight，ToF）变得越来越重要。ToF技术通过向目标物发射连续光脉冲，然后用传感器接收从目标物返回的光，并探测光脉冲的飞行（往返）时间从而获得目标物距离信息。在近几年间，ToF测距技术被广泛应用于消费电子、汽车、工业视觉检测等诸多领域，在进一步延伸了探测距离的同时，ToF技术的出现极大地简化了测距模组的设计复杂度，迎合了目前小型化的主流产品趋势。

使用ToF技术，光从调制光源（如激光）发射，光束经过一个或多个物体反射后由传感器或摄像机捕获。因此，可以通过发射光与接收发射光之间的时间延迟∆T来确定距离。时间延迟与摄像机和物体之间的两倍距离（往返）成正比。所以，距离可估算为深度d =（c × ΔT）/2，其中c表示光速。ToF摄像机输出2D数据以及所需的深度信息。

ToF允许一次记录整个图像。不需要逐行扫描，也不需要传感器和被观察物体之间的相对运动。ToF通常划归为LIDAR（光探测和测距），但它实际上是基于flash LIDAR的方法，而不是扫描LIDAR。
利用ToF测量光脉冲的飞行时间基本上有两种不同的方法：基于电荷耦合器件（CCD）技术的脉冲操作模式和连续波（CW）操作模式。

在脉冲模式下测量光脉冲发射和接收之间经过的时间，在CW模式下测定发射和接收调制光脉冲之间的相移。这两种操作模式都各有优缺点：脉冲模式更耐环境光，因此更有利于户外应用，因为该技术通常依赖短集成窗口在很短的时间内发出的高能光脉冲；而CW模式可能更容易实现，因为光源不必很短，且具有上升/下降沿。但是，如果精度要求变得更严格，那么将需要更高频率的调制信号，这可能很难实现。

现有的像素大小使得芯片分辨率很高，不仅支持距离测量，也支持物体和手势识别。测量距离从几厘米（<10厘米）到几米（<15米）不等。遗憾的是，并非所有物体都能同样探测到，物体的状况、反射率和速度都会影响测量结果。测量结果也可能因雾或强烈的阳光等环境因素而失真。环境光抑制有助于解决强烈的阳光导致的失真问题。

ADI等半导体制造商提供完整的3D ToF系统，以支持快速实现3D ToF解决方案。他们将数据处理、激光驱动、电源管理和软件/固件集成到一个电子控制单元中。其他组件包括发射调频光信号的发射器和记录反射信号的检波器。框图如图2所示。

具有集成深度计算功能的模拟前端（AFE）等组件对于构建此类系统将会大有帮助。而ADDI9036就提供这一功能。它是一个完整的CCD ToF信号处理器，具有集成激光二极管驱动器、12位ADC，以及为CCD和激光器生成时序的高精度时钟发生器。ADDI9036负责处理来自VGA CCD传感器的原始图像数据以生成深度/像素数据。
ADI还与设计合作伙伴合作，可以共同提供成品模块和开发平台。这些评估系统可用于开发特定的客户算法。成品模块和平台有助于加速开发，这在工业和汽车工程等时间紧迫的业务领域尤为重要。

 作者：Thomas Brand，ADI高级现场应用工程师

来源：荣格-《智能制造纵横》


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