飛行時間 (ToF) 傳感器是具有多種功能的設備，如物體檢測、深度估計和物體分類。具體應用包括庫存管理/計數、人員跟蹤和停車監控。除了這些有用但看似平凡的應用外，ToF傳感器可以被整合并擴展到更多獨特的應用中。

這些令人興奮的應用之一是智能自動密門。想象一下，間諜電影中的主人公試圖通過站在走廊上的一個不顯眼的花瓶旁邊，同時做一系列手勢來打開一扇秘密的門。突然間，一扇門打開了，通向一個充滿秘密情報的隱蔽房間。只用一個ToF傳感器，智能自動秘密門就能保持安全，只允許那些知道站在哪里（房間的特定部分）并知道做秘密手勢（如果需要，可以做多個）的人進入。ToF傳感器的另一個應用是運動中的姿勢或技術監測。例如，一個ToF傳感器可以通過監測高爾夫球手的姿勢來幫助完善他的技術。

我們如何集成一個ToF傳感器，以及這些令人興奮的應用需要什么？請繼續閱讀，了解ToF傳感器的工作原理和如何將其集成到特定的應用中，以及使用ToF傳感器時需要考慮的問題。

ToF傳感器基礎知識

顧名思義，ToF傳感器利用光（一般是紅外線，約850納米）或發射的聲音（超聲波）"飛 "到物體上并反射的時間來測量距離。這些傳感器的工作原理極其簡單。為了進一步簡化，光學ToF傳感器將是我們唯一的重點。

根據其測量距離的方式，ToF傳感器可分為兩類。直接和間接。直接ToF傳感器直接測量一個給定的光脈沖由傳感器傳輸，從感興趣的物體上反射，并在探測器上接收的時間。直接ToF傳感器通常發出脈沖調制來測量距離。對于直接對射式傳感器來說，距離是通過以下公式測量的。

d = (c ? Δt) / 2

其中Δt為時差，

c是光速。

另一方面，間接 ToF 傳感器測量脈沖之間的相對相位差。因此，通過傳感器傳輸的一系列脈沖，從感興趣的物體反射并在檢測器處接收，可以通過查看返回信號與傳輸信號的相位差來測量距離。間接 ToF 傳感器通常發出連續波 (CW) 調制來測量距離。對于間接式 ToF 傳感器，距離由以下等式測量：

ToF 傳感器的光子壽命

操作條件和環境是了解 ToF 傳感器工作原理的關鍵。圖 1 顯示了 ToF 傳感器的光子“壽命”以及理論上可能出現噪聲的位置。紅色表示可能出現噪音和/或影響系統最終性能的地方。在接收器處，由于光子有可能“正確地”經歷這一系列事件，因此只會收集一小部分傳輸的光子。

圖 1：此圖顯示了光子如何與 ToF 傳感器相互作用。

光子散射和相互作用

傳輸信號（光子）與感興趣物體的相互作用對于 ToF 傳感器極為重要，因為光子可以具有漫反射、鏡面反射和/或擴散反射，并根據物體被吸收或散射（圖 2）。例如，如果被測物體具有粗糙的表面（不規則的晶格排列）并且處于波長范圍內，則漫散射將是主要的相互作用。光子如何與物體相互作用將影響 ToF 傳感器在實踐中的工作情況。

圖 2：當與物體相互作用時，光會以多種不同的方式散射。

ToF 與 3D 光學傳感系統的比較

ToF 傳感器可以與其他兩種 3D 光學傳感系統進行比較：結構光傳感器和立體視覺系統。不存在“最佳傳感器”：表 2 和表 3突出顯示了 ToF 傳感器的優缺點。

表 2：ToF 傳感器的高級優點

表 3：使用 ToF 傳感器時的注意事項

ToF 傳感器顯然比 3D 光學傳感系統具有一些優勢，但設計工程師在做出決定時應考慮所有可能性。表 4 突出顯示了 3D 光學傳感系統與 ToF 傳感器直接比較的優缺點（再次注意，存在例外情況）。

表 4：ToF 傳感器與其他 3D 傳感光學系統的全面比較

ToF 傳感器集成注意事項和錯誤

d = (c / 2?m) ? (Δθ / 2π)

其中Δθ為相位差，

?m是調制頻率，

c是光速。

表 1總結了直接和間接 ToF 傳感器之間的差異，但某些標準存在例外情況。

表 1：ToF 傳感器類型：間接和直接測量

間接式ToF傳感器更適合手勢識別等3D應用，而直接式ToF傳感器更適合基于快速測距的應用。這些傳感器對特定應用的適用性取決于操作原理。了解 ToF 傳感器的工作原理有助于為應用選擇正確的傳感器。

集成 ToF 傳感器可能相對簡單（在業余愛好層面），因為大多數 ToF 傳感器在單個封裝中包含所需的一切（發射器、接收器和處理器）。然而，必須小心，這取決于應用和用途。ToF 傳感器存在許多不同的配置，包括發射器設計、接收器設計和/或操作特征（例如，轉向、旋轉）。每個 ToF 傳感器的設計和制造對于傳感器的性能和傳感器可實現的功能起著極其重要的作用。

將 ToF 傳感器集成到應用程序中的一個關鍵考慮因素是校準過程。圖 3顯示了 ToF 傳感器在最簡單級別的測量范圍時遇到的四種錯誤類型：常數偏移、比例因子、測量精度/方差和飽和度。展望未來，我們的重點將放在單個發射器和單個接收器（像素）上。

圖 3：描述了使用 ToF 傳感器時出現的錯誤。

ToF 錯誤和噪聲深入探討

在工程和科學應用中，了解和校準誤差源至關重要。首先，由于 ToF 傳感器是光學傳感器，因此 ToF 傳感器中存在光學傳感器中的噪聲源。我們必須考慮 ToF 傳感器焦平面陣列 (FPA) 中一個像素到下一個像素的固定模式噪聲和像素響應偏差。陣列中每個像素的響應度必須補償到統一的水平。另一種固定模式噪聲是暗電流及其相應的散粒噪聲。即使 ToF 傳感器未被點亮，傳感器中仍會存在噪聲。必須對此進行補償以減少 FPA 讀出中的偏移。通常，傳感器的帶隙與暗電流噪聲成反比。隨著帶隙減小，暗電流噪聲通常會增加。

為了補償固定模式噪聲，可以執行稱為非均勻性校正 (NUC) 的過程。此過程包括在不同的積分時間測量陣列并將響應擬合到已知模型。必須校正和對齊每個像素，以便為固定輸入提供統一的輸出。舉個例子（盡管不是 ToF 傳感器），如果正確執行 NUC，結果將類似于圖 4中的結果。

圖 4：此圖像顯示了 NUC 過程中校正紅外傳感器的示例。對于 3D 傳感應用，校準過程將是獲得良好結果所必需的。

其他必須考慮的系統噪聲包括熱噪聲、量化噪聲（模數轉換器）、閃爍噪聲、kTC 噪聲和串擾。尤其應考慮熱噪聲，因為檢測器的響應也受溫度影響。測距將作為溫度的函數漂移，并將自身呈現為偏移量。這種溫度漂移不是物體的功能；這種熱漂移的原因與延遲鎖定環的相位測量有關。

會影響 ToF 傳感器性能的環境噪聲包括雜散光、光學波前誤差、多路徑以及由于物體反射率不均勻而導致的一般照明噪聲。正如上文在討論使用 ToF 傳感器的缺點時所指出的，ToF 傳感器存在應該糾正的偽影，例如運動偽影。運動偽影出現在對象邊界和不均勻反射處，其中不匹配的原始相位值可能會波動。對于給定的積分時間，隨著運動速度的增加，運動偽影變得更加嚴重。為了補償運動偽影，可以采用多種技術，包括流量補償。此補償必須在傳感器運行時運行，不能視為校準。

ToF 傳感器示例

通過對 ToF 傳感器的了解，我們可以在更高層次上回顧如何使用 ToF 傳感器進行對象跟蹤。

使用 ToF 傳感器，首先通過測量物體或場景的許多點的范圍來生成點云。根據 ToF 傳感器返回/點云的密度和距離測量的準確性，可以制作傳感器及其所見世界的準確 3D 視圖。如果傳感器的視圖除了單個物體外是空的，則可以通過查看與場景其余部分不同范圍的返回來簡單地跟蹤該物體。另一方面，如果場景雜亂，應用一些圖像處理允許基于對象特征和深度的附加信息來跟蹤對象。合適的 ToF 傳感器可提供類似相機的“圖像”，但具有額外的深度信息。

ToF 傳感器的分辨率至關重要——類似于相機的分辨率太低而無法制作準確的點云。如果范圍不具有代表性且 ToF 傳感器未校準，則物體會相互滲入，或者墻壁等平坦表面看起來會粗糙和變形。

結論

ToF 傳感器用途廣泛，如果仔細檢查，會發現其深度令人難以置信。ToF 傳感器的使用和設計因發射器、檢測器、光學陣列、處理和一般封裝的類型而異。在任何應用中都應考慮到 ToF 傳感器的噪聲和誤差；根據傳感器的用途，校準和誤差校正可能會變得復雜。歸根結底，ToF 傳感器結構緊湊，性能驚人，而且考慮到這些功能，它是解決許多不同問題的經濟高效的解決方案。