飛行時間技術概述

飛行時間技術利用調制光源(如激光)主動照射物體，然后利用對激光波長敏感的傳感器捕捉反射光，即利用一對收發器之間數據信號的飛行時間來測量兩點之間的深度。

時間延遲 t與發射器和物體之間深度(往返行程)的兩倍成正比；因此，深度(d)可以估計為d=(c t)/2，其中c代表光速。

目前，測量時間延遲的方法有很多種，其中最常用的有兩種：連續波法和脈沖法。值得注意的是，目前市場上使用的大多數連續波ToF系統使用的是CMOS傳感器，而脈沖ToF系統使用的是非CMOS傳感器(尤其是CCD)。

連續波和脈沖系統的優缺點比較

連續波系統用于測量發射和接收調制脈沖之間的相移，而脈沖系統用于測量脈沖在發射和接收之間通過的時間。兩種測量模式各有利弊。

連續波系統的優點

對于不要求高精度的應用，連續波系統可能比脈沖系統更容易實現，因為它不要求激光脈沖非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿。當然，在實踐中很難復制出完美的正弦波。然而，如果精度要求變得更嚴格，將需要更高頻率的調制信號，這實際上很難實現。

由于激光信號是周期性的，連續波系統測量中的任何相位測量都會每2重復一次，這意味著會有一個混疊距離。對于只有一個調制頻率的系統，混疊距離也是最大可測量的距離。為了應對這種限制，可以使用多個調制頻率來執行相位展開，其中如果具有不同調制頻率的兩個(或更多)相位測量值與估計深度一致，則可以確定物體的真實深度。這種多調制頻率方案也可以用來減少多徑誤差——。多徑誤差是由一個物體的反射光撞擊另一個物體(或在透鏡內反射)然后返回傳感器所引起的測量誤差。

連續波系統的溫度校準可能比脈沖系統更容易。隨著系統溫度的升高，解調信號和激光信號會因溫度變化而相互偏移，但這種偏移只會影響測量距離，在整個距離范圍內總會有偏移誤差，而深度線性度會保持基本穩定。

連續波系統的缺點

雖然CMOS傳感器的輸出數據率比其他傳感器高，但連續波傳感器需要在多個調制頻率下獲得四個相關函數樣本，并使用多幀處理來計算深度。長曝光時間可能會限制系統的整體幀速率或導致運動模糊，因此只能在有限類型的應用中使用。這種更高的處理復雜度可能需要使用外部應用處理器，這可能會超出應用的要求。

對于測量距離較長或環境光較強的場景，需要更高的連續光功率(與脈沖系統相比)，但這種高強度的連續光信號可能會造成散熱和可靠性的問題。

脈沖系統的優點

脈沖系統通常依賴于在短時間窗口內發射高能光脈沖。它具有以下優點：

設計健壯的系統更方便，所以更適合戶外。

曝光時間越短，運動模糊的效果越小。

脈沖系統中信號的占空比通常比同級的連續波系統低很多，因此具有以下優點：

對于長時間工作的應用，可以降低系統的總功耗。

通過將脈沖組放置在與其他系統不同的幀位置，可以避免來自其他脈沖ToF系統的干擾。這可以通過協調各種系統來為一幀中的激光脈沖選擇不同的位置，或者通過使用外部光電探測器來確定其他系統脈沖的位置來實現。另一種方法是動態隨機安排脈沖組的位置，這樣就不需要協調各個系統之間的時序，但這種方法不能完全消除干擾。

由于脈沖時序和寬度不需要相同，可以采用不同的時序方案來支持更寬的動態范圍和自動曝光等功能。

脈沖系統的缺點

因為發射光脈沖的脈沖寬度和快門的脈沖寬度需要保持相同，所以系統的時序控制需要非常精確，根據應用需求可能需要達到皮秒精度。

為了達到最大效率，激光脈沖寬度必須非常短，但同時必須具有極高的功率。因此，激光驅動器需要實現非常快的上升/下降沿(1ns)。

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本文摘要

3D飛行時間技術可以在工業、制造和建筑過程中實時準確地確定尺寸和分類，幫助用戶解決相關應用領域的問題，在深度測量和物體檢測領域發揮重要作用。