3D飞行时间技术在深度测量和物体检测领域中发挥着重要作用

飞行时间技术概述

飞行时间技术利用调制光源(如激光)主动照射物体，然后利用对激光波长敏感的传感器捕捉反射光，即利用一对收发器之间数据信号的飞行时间来测量两点之间的深度。

时间延迟 t与发射器和物体之间深度(往返行程)的两倍成正比；因此，深度(d)可以估计为d=(c t)/2，其中c代表光速。

目前，测量时间延迟的方法有很多种，其中最常用的有两种：连续波法和脉冲法。值得注意的是，目前市场上使用的大多数连续波ToF系统使用的是CMOS传感器，而脉冲ToF系统使用的是非CMOS传感器(尤其是CCD)。

连续波和脉冲系统的优缺点比较

连续波系统用于测量发射和接收调制脉冲之间的相移，而脉冲系统用于测量脉冲在发射和接收之间通过的时间。两种测量模式各有利弊。

连续波系统的优点

对于不要求高精度的应用，连续波系统可能比脉冲系统更容易实现，因为它不要求激光脉冲非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿。当然，在实践中很难复制出完美的正弦波。然而，如果精度要求变得更严格，将需要更高频率的调制信号，这实际上很难实现。

由于激光信号是周期性的，连续波系统测量中的任何相位测量都会每2重复一次，这意味着会有一个混叠距离。对于只有一个调制频率的系统，混叠距离也是最大可测量的距离。为了应对这种限制，可以使用多个调制频率来执行相位展开，其中如果具有不同调制频率的两个(或更多)相位测量值与估计深度一致，则可以确定物体的真实深度。这种多调制频率方案也可以用来减少多径误差——。多径误差是由一个物体的反射光撞击另一个物体(或在透镜内反射)然后返回传感器所引起的测量误差。

连续波系统的温度校准可能比脉冲系统更容易。随着系统温度的升高，解调信号和激光信号会因温度变化而相互偏移，但这种偏移只会影响测量距离，在整个距离范围内总会有偏移误差，而深度线性度会保持基本稳定。

连续波系统的缺点

虽然CMOS传感器的输出数据率比其他传感器高，但连续波传感器需要在多个调制频率下获得四个相关函数样本，并使用多帧处理来计算深度。长曝光时间可能会限制系统的整体帧速率或导致运动模糊，因此只能在有限类型的应用中使用。这种更高的处理复杂度可能需要使用外部应用处理器，这可能会超出应用的要求。

对于测量距离较长或环境光较强的场景，需要更高的连续光功率(与脉冲系统相比)，但这种高强度的连续光信号可能会造成散热和可靠性的问题。

脉冲系统的优点

脉冲系统通常依赖于在短时间窗口内发射高能光脉冲。它具有以下优点：

设计健壮的系统更方便，所以更适合户外。

曝光时间越短，运动模糊的效果越小。

脉冲系统中信号的占空比通常比同级的连续波系统低很多，因此具有以下优点：

对于长时间工作的应用，可以降低系统的总功耗。

通过将脉冲组放置在与其他系统不同的帧位置，可以避免来自其他脉冲ToF系统的干扰。这可以通过协调各种系统来为一帧中的激光脉冲选择不同的位置，或者通过使用外部光电探测器来确定其他系统脉冲的位置来实现。另一种方法是动态随机安排脉冲组的位置，这样就不需要协调各个系统之间的时序，但这种方法不能完全消除干扰。

由于脉冲时序和宽度不需要相同，可以采用不同的时序方案来支持更宽的动态范围和自动曝光等功能。

脉冲系统的缺点

因为发射光脉冲的脉冲宽度和快门的脉冲宽度需要保持相同，所以系统的时序控制需要非常精确，根据应用需求可能需要达到皮秒精度。

为了达到最大效率，激光脉冲宽度必须非常短，但同时必须具有极高的功率。因此，激光驱动器需要实现非常快的上升/下降沿(1ns)。

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无论是搜索处理器、评估板(AD-96To1-EBZ)还是与飞行时间相关的传感器，都能轻松找到。

本文摘要

3D飞行时间技术可以在工业、制造和建筑过程中实时准确地确定尺寸和分类，帮助用户解决相关应用领域的问题，在深度测量和物体检测领域发挥重要作用。