2018年10月27日星期六

Time of Flight: Principles, Challenges, and Performance学习笔记

<Time of Flight: Principles, Challenges, and Performance>的pdf格式文件可在此处获取.
本文主要是对上述课件的翻译和笔记.


主要内容:

  1. ToF的原理和设计选择Time of Flight Principles and Design Choices
  2. 性能Performance
  3. 应用举例Application Examples
  4. 设计挑战 Design Challenges
  5. 校准Calibration
  6. 评估工具: HW & GUI    Evaluation kit: HW & GUI
  7. 硬件考虑因素Hardware Considerations
  8. 开发和支持Development & Support




1. ToF的原则和设计选择


A. ToF的基本原理图如下图所示:

即:

  • 发射器向目标发射光子
  • 光部分地被目标反射
  • 传感器接受光波返回的时刻
  • 不同深度返回时间不同, 故通过ToF将时间转换为距离
需要注意的两点:
  • 光子飞行时间不受目标物体反射率(反射比)的影响
  • 因为有了ToF, 测量时间就是测量距离

[注1: Nature25489代码中的range变量应该便是ToF的最大距离(最大的深度)]
[注2: 所以说, ToF就是把声波换成了光子的雷达吗?
Ans: 可以参考另一篇原创文章: 激光雷达, ToF 与传统雷达的异同]

B. ToF的操作顺序:
首先, 对ToF的发射器和探测器进行说明. 
  • 发射器即Emitter, 常常是[垂直腔,表面发射激光器](VCSEL, Vertical Cavity, Surface Emitting Laser)
  • 接收器是Receiver, 常常是[单光子雪崩二极管](SPAD, Single Photon Avalanche Diode)(红外陷波滤波器). 如下图所示:


传感器操作的大致描述为:

  1. VCSEL 向target发射一个光子脉冲
  2. target向SPAD sensor部分地反射回光子
  3. SPAD接收器矩阵对每一个检测到地光子产生一个小脉冲
  4. 测量得到初始脉冲和接受到地脉冲地实践
  5. 将实践转换为距离


C. SPAD的技术优势


  • 测量的是真实的距离
  • 不受target颜色的影响
  • 不受target样式的影响
  • 对眼睛是安全的
  • 高度集成

D. Direct ToF and Indirect ToF
Direct和Indirect是测量ToF的两种方法
对于Direct方法: 测量发射信号和接收信号之间的时间差

对于Indirect方法: 发射连续调制的正弦光波, 通过输入信号和输出信号之间的相位差测量距离
对于indirect间接方法的详细描述可以参考这篇blog: 间接ToF的距离计算.

E. SPAD: 单光子雪崩二极管

根据维基百科,
"单光子雪崩二极管SPAD)是一种固态光电检测器,其中光生载流子(经由内部光电效应)可以触发一个短持续时间的,但相当大的雪崩电流。雪崩光电二极管(APD)一样,SPAD 利用入射辐射在反向偏置时触发p-n结的雪崩电流SPAD和APD之间的根本区别在于SPAD专门设计用于在远低于击穿电压反向偏置电压下工作这种操作在文献中也称为Geiger模式(与APD情况下的线性模式相反)。这与盖革计数器类似

自20世纪70年代以来,SPAD的应用显着增加。最近使用它们的例子包括LIDAR飞行时间(ToF)3D成像,PET扫描,物理学中的单光子实验,荧光寿命显微镜和光学通信(特别是量子密钥分配)。"


F. 最大测量距离
这个尚不清楚, 先把把ppt中的截图放在这里吧


2. ToF Performance: Distance, Accuracy, Ranging Rate, and Power Consumption

从 距离, 准确度, 测距率?, 功率消耗 四个角度分析 ToF 的性能

A. Lux VS IR




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