理解飞行时间传感器：ToF 3D 相机如何测量距离

飞行时间传感器如何确定距离？通过示例 3D 相机深入了解 ToF 相机。

飞行时间传感器如何确定距离？通过示例 3D 相机深入了解 ToF 相机。

三大 3D 成像技术竞逐手机和汽车空间：立体视觉、结构光投影、飞行时间（ToF）相机。这些设备生成的数据可提供行人检测、面部特征身份认证、手势检测、供 SLAM（同步定位与建图）算法使用。

该领域两大巨头为 ams 和 Infineon. 撰文时，ams 各类型传感器各有一款，Infineon 专注 ToF 传感器。

 

 

本文聚焦 pmdtechnologies 的 3D 相机开发套件「pico flexx」阐述 ToF 传感器技术。（注：「pico flexx」和「pmdtechnologies」官网均全小写呈现。）

pico flexx 基于 Infineon 与 pmd 联合开发的 3D 图像传感器 REAL3。

 

2019 年 4 月 29 日从 pmdtec.com 获取的手部伪彩色 3D 图像。颜色按像素距离映射（红=近，蓝=远）

 

请注意 pmd 为本文提供设备。

 

什么是飞行时间传感器？

飞行时间传感器测量某物通过介质传播距离所需时间。典型测量波脉冲发射、在物体反射、返回 ToF 传感器的时间间隔。ToF 相机利用 ToF 测量确定相机与物体/环境距离，生成由单独测量点构成的图像。

ToF 相机应用包括无激光扫描仪的 LiDAR 成像系统、运动感知追踪、机器视觉与自动驾驶的物体检测、地形测绘等。

但这些测量如何实现？

下文展示三种利用传播时间确定距离的方式。

 

利用传播时间确定距离的方法

 

图顶部为第一法：发射脉冲，测量反射返回的时间间隔。

图中部为第二法：调制光源幅度，记录反射波相移。

图底部为第三法：发射 50% 占空比方波，记录特定区间内返回光量。

 

毫米级精度 ToF 相机

光和无线电波以近 300,000,000,000 mm/s 传播，波传 1 mm 需 ~3.3 ps（往返 6.6 ps）。若想成像房间内所有物体并达 ~1 mm 分辨率，时序电子需皮秒分辨率，即数百 GHz 时钟。

在这些频率设计电子电路既不易也不经济，因此设计师必须想办法在较低频率工作，才能让设备普及消费级。

两种常用方法在合理亚 GHz 频率下实现毫米级精度：

• 将正弦调制波相移与距离关联
• 用 50% 占空比方波相移和差分电压确定距离

下文详细探讨这两法。

通过幅度调制波相移确定距离

假设您要测绘最大长度 15 m 的小型办公室或大客厅。用 c = λ·f 确定合适工作频率，c 为光速（3×10⁸ m/s），λ 为波长（15 m），f 为频率。本例 f=20 MHz，相对易处理的频率。

始于高亮光经 20 MHz 正弦信号调制。光波最终达物体或墙面反射折返。原调制光的微弱版本返回接收端。除非物体恰好在 15 m 整数倍距离，相位将偏移某量。

相移可用于计算波传播距离。

 

 

若能精准测量相位角，即可精准确定反射物体距离传感器/接收端距离。

 

如何测量正弦波相位角

如何快速测量正弦波相位角？需在四个等间距点（即 90° 或 1/4 λ 间隔）测量接收信号幅度。

 

$$\varphi = \arctan \left( \frac{A_1 - A_3}{A_2 - A_4} \right)$$

 

下图说明测量值与相位角关系。A₁ 与 A₃ 差、A₂ 与 A₄ 差的比值等于相位角正切。Arctan 实为二参数反正切函数，映射适当象限，定义 A₂=A₄ 且 A₁>A₃ 或 A₃>A₁ 时为 0° 或 180°。

 

点击图表查看更复杂图示，说明 A₁、A₂、A₃、A₄ 差值如何落在单位圆上。

 

上图最左侧两条垂直数轴显示 A₁-A₃（深黄）和 A₂-A₄（蓝）减法结果。测量值在中间正弦图上显示为垂直线。

注：此图未考虑反射（会有效整体偏移 180°）。

 

针对给定距离确定工作频率

回到示例，目标距离由下式确定：

 

$$d = \frac{c \cdot \varphi}{4 \pi \cdot f}$$

 

c 为光速，φ 为相位角（弧度），f 为调制频率。

直接测量光子飞行时间需 333 GHz 电子学。此法最高需 4× 调制频率，本例 4×20 MHz=80 MHz。资源需求惊人降低。但聪明工程师找到进一步降低最高频率的方法。

通过充电电容差分电压测量相移

下一测量场景涉及频闪光源和每像素双电容的 CMOS 图像传感器。

时钟源产生 50% 占空比方波，控制高亮频闪光源，以及各像素内充电电容的连接。

此类系统示例见下图：

 

图源「A Fast Calibration Method for Photonic Mixer Device Solid-State Array LiDARS」 显示带两个充电存储电容的 CMOS 像素，交替连接记录入射光。

 

光离开光源、反射物体、击中像素，在上图电容 C_A 或 C_B 记录为电荷。电容以与光源相同频率、同一时钟源交替连接像素。

这种巧妙安排使电容差分电荷直接关联相位偏移。相位由波长和往返目标距离决定。

 

图源「A Fast Calibration Method for Photonic Mixer Device Solid-State Array LiDARS」

 

目标可照亮任意周期数以填充电容。只要距离恒定，电荷比例保持不变。

飞行时间传感器实战

这方法效果如何？比预期更好。

AAC 获赠的传感器配配套软件，可达 45 fps 记录。低刷新率下轻松成像衬衫皱纹。

 

上图绘制 pmd pico flexx 相机捕获的每个像素 (x,y,z) 顶点位置。

 

纯深度数据难直观可视化。常将深度图与照片结合，或用伪彩色便于场景解读。

 

低分辨率图像伪彩色深度叠加便于场景解读。作者用 pmd Royal Viewer 软件和 CamBoard pico flexx 3D 开发套件拍摄。

 

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飞行时间传感器可用于多种应用，包括结合巧妙物理与工程创建环境 3D 地图。

您在工作中用过 3D 相机吗？关于使用 ToF 传感器的设计约束有何见解？评论区分享经验。