ToF传感器基础

在手机和汽车领域，有三种领先的3D成像技术，分别是立体成像、结构光投影和飞行时间（或ToF）相机。

这些设备生成的数据可以提供行人检测，根据面部特征对用户进行身份验证，检测手部运动，并馈送SLAM（同时定位和映射）算法。

该领域最大的两家企业是ams 和Infineon。

什么是飞行时间传感器？

ToF传感器测量信号在介质中传播一段距离所需的时间。通常，是将波脉冲调制后发射、物体反射和返回ToF传感器之间经过的时间的测量。飞行时间相机是一种利用ToF测量来确定相机与物体或环境之间的距离的设备，从而创建由单独测量的点生成的图像。

ToF相机的应用包括基于激光的无扫描仪LiDAR成像系统、运动传感和跟踪、机器视觉和自动驾驶的物体检测、地形测绘等。

但是这些测量是如何实现的呢？

下面，将介绍三种使用旅行时间来确定距离的方法。

使用行驶时间确定距离的方法

在图像的顶部，您可以看到第一种方法，即发送脉冲并测量时间间隔，直到它们在反射后返回。

图像中间显示了第二种方法，其中您可以调制光源的振幅并记录反射波的相移。

图像底部代表第三种方法，发射50%占空比的方波并记录在特定间隔内到达的返回光量。

毫米级精密ToF相机

光和无线电波以近300,000,000,000毫米/秒的速度传播，这意味着一个波传播3毫米需要~3.3 ps（另外3.1 ps返回）。如果你想要一个设备，来成像你所在房间内所有物体，并且你想得到~1毫米的分辨率，你的电子设备将需要皮秒分辨率，意味着CPU时钟需要百 GHz。

设计在这些频率下工作的电子电路既不容易也不经济，因此如果设计人员希望将设备带到消费者空间，他们必须想出一种在较低频率下工作的方法。

有两种常用方法可以在使用合理的sub-GHz频率时实现毫米级精度：

将正弦调制波的相移与距离相关联

使用50%占空比方波和差分电压的相移来确定距离

在下面的部分中，我们将更详细地介绍这两种方法。

通过调幅波的相移确定距离

假设您要绘制一个最大长度为 15 m 的小型办公室或大客厅。要确定该长度的适当工作频率，请使用c=λ⋅f，其中c是光速，λ是一个波长（λ=15 m），ƒ是频率。在本例中，ƒ=20 MHz，这是一个相对容易使用的频率。

使用20 MHz的正弦信号调制光信号输出。光波最终到达物体或墙壁，它会反射并反转方向。原始调制光将返回到接收器。除非物体正好是 15 米外的整数倍，否则相位将偏移一定量。

相移可用于计算波的行进距离。

如果可以精确测量相位角，则可以准确确定反射物体与传感器/接收器的距离。

如何测量正弦波的相位角

那么，如何快速测量正弦波的相位角呢？这涉及在四个等距点（即90°或1/4λ的间隔）测量接收信号的幅度。

我试图在下面说明测量值和相位角之间的关系。A1和A3之间的差与A2和A4之间的差的比率等于相位角的正切。ArcTan实际上是一个双参数反正切函数，它映射适当的象限，并定义何时A2=A4和A1>A3或A3>A1分别为0°或180°。

在上图中，曲线图的最左边有两条垂直数字线，表示为减去A1和A3（表示为深黄色）以及A2和A4（表示为蓝色）的结果。测量值为在中间正弦曲线图中的垂直线。

确定给定距离的工作频率

回到我们的示例，到目标的距离由以下公式确定：

其中c是光速，phi（φ）是相位角（以弧度为单位），ƒ是调制频率。

测量光子的实际飞行时间需要一个333GHz的电子设备。这种方法需要最大4倍的调制频率，在这种情况下为4x20 MHz=80 MHz，资源显著减少。但你会很高兴知道，一些聪明的工程师找到了一种方法，可以进一步降低最大频率。

通过带电电容器的差分电压测量确定相移

下一个测量情况涉及频闪光源和每个像素带两个电容器的CMOS成像传感器。

时钟源产生占空比为50%的方波，该方波控制频闪光源，以及与每个像素内的电荷存储电容器的连接。

下图显示了此类系统：

光离开光源，从物体反射，并撞击像素，在电容C中记录为电荷一个或 CA和CB，如上所示。电容器以与光源以相同的频率交替连接到像素，使用相同的时钟源。

这种巧妙的布置意味着电容器中的差分电荷与相位偏移直接相关。相位由波长和到目标和返回的距离决定。

可以根据需要照射主体以填充电容器。只要距离恒定，电荷比例将保持不变。

飞行时间传感器如何运行

这种方法的效果如何？比你想象的要好。

提供给 AAC 的传感器与随附的软件相结合，能够记录高达 45 fps 的速度。在较低的刷新率下，系统可以轻松地对衬衫上的皱纹进行成像。

只有深度数据是很难可视化。因此，深度图像通常与照片相结合，或使用假色显示，以便更轻松地可视化场景。

飞行时间传感器可以用于一系列应用，包括在将巧妙的物理学与工程相结合时创建环境的3D地图。