3D飛行時(shí)間，或3D ToF是一種無掃描儀LiDAR（光檢測(cè)和測(cè)距）技術(shù)，通過發(fā)射納秒級(jí)的高功率光脈沖來捕獲相關(guān)場(chǎng)景的深度信息（通常是短距離內(nèi)）。飛行時(shí)間技術(shù)在深度測(cè)量和物體檢測(cè)的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，如工廠自動(dòng)化、機(jī)器人以及物流應(yīng)用。特別是在安全方面，需要對(duì)特定距離的物體或人員進(jìn)行檢測(cè)和響應(yīng)。例如一旦工人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，機(jī)械臂可能需要立即停止。

飛行時(shí)間技術(shù)概述

飛行時(shí)間技術(shù)利用調(diào)制光源（例如激光）主動(dòng)照射物體，然后用對(duì)激光波長敏感的傳感器捕捉反射光，即利用數(shù)據(jù)信號(hào)在一對(duì)收發(fā)機(jī)之間往返的飛行時(shí)間來測(cè)量兩點(diǎn)間的深度。

時(shí)間延遲ΔT與發(fā)射端和物體之間的兩倍深度（往返）成正比；因此，深度（d） 可以估算為 d= （cΔT）/2，其中c表示光速。

目前有多種不同的測(cè)量時(shí)間延遲的方法，其中兩種最為常用：連續(xù)波（CW）方法和脈沖方法。值得注意的是，目前在市面上使用的絕大多數(shù)連續(xù)波ToF系統(tǒng)都使用CMOS傳感器，脈沖ToF系統(tǒng)則使用非CMOS傳感器（特別是CCD）。

連續(xù)波與脈沖系統(tǒng)的優(yōu)劣比較

連續(xù)波系統(tǒng)是測(cè)量發(fā)射和接收的調(diào)制脈沖之間的相移，而脈沖系統(tǒng)式是測(cè)量發(fā)射和接收之間脈沖經(jīng)過的時(shí)間，兩者測(cè)量模式都各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

連續(xù)波系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)于對(duì)精度要求不高的應(yīng)用，連續(xù)波系統(tǒng)可能比脈沖系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗灰蠹す饷}沖非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿，當(dāng)然在實(shí)際中很難復(fù)制完美的正弦波。但是，如果精度要求變得更嚴(yán)格，那么將需要更高頻率的調(diào)制信號(hào)，這實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。

由于激光信號(hào)具有周期性，所以連續(xù)波系統(tǒng)測(cè)量中的任何相位測(cè)量每隔2π會(huì)重復(fù)一次，意味著會(huì)產(chǎn)生一個(gè)混疊距離。對(duì)于只有一個(gè)調(diào)制頻率的系統(tǒng)，混疊距離也是最大可測(cè)距離。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)限制，可以使用多個(gè)調(diào)制頻率來執(zhí)行相位展開，其中，如果兩個(gè)（或多個(gè)）具有不同調(diào)制頻率的相位測(cè)量值與估算的深度一致，就可以確定與物體之間的真實(shí)深度。這種多重調(diào)制頻率方案也可以用于減少多路徑誤差——多路徑誤差是由于一個(gè)物體的反射光擊中另一個(gè)物體（或在鏡頭內(nèi)部反射），然后返回到傳感器時(shí)會(huì)導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

連續(xù)波系統(tǒng)的溫度校準(zhǔn)可能比脈沖系統(tǒng)更容易。隨著系統(tǒng)溫度升高，解調(diào)信號(hào)和激光信號(hào)會(huì)因?yàn)闇囟茸兓舜似?，但這種偏移只會(huì)影響測(cè)量距離，在整個(gè)距離范圍內(nèi)始終存在偏置誤差，而深度線性度則基本保持穩(wěn)定。

連續(xù)波系統(tǒng)的缺點(diǎn)

雖然與其他傳感器相比，CMOS傳感器具有更高的輸出數(shù)據(jù)速率，但連續(xù)波傳感器需要在多個(gè)調(diào)制頻率下獲得4個(gè)相關(guān)函數(shù)樣本，并使用多幀處理來計(jì)算深度。較長的曝光時(shí)間可能會(huì)限制系統(tǒng)的整體幀率，或?qū)е逻\(yùn)動(dòng)模糊，因此只能在有限類型的應(yīng)用中使用。這種更高的處理復(fù)雜性可能需要用到外部應(yīng)用處理器，而這可能超出了應(yīng)用的需求。

對(duì)于更遠(yuǎn)距離的測(cè)量或者更強(qiáng)環(huán)境光的場(chǎng)景，更高的連續(xù)光功率（與脈沖系統(tǒng)相比）則十分必要，但這種高強(qiáng)度的連續(xù)光信號(hào)則可能導(dǎo)致散熱和可靠性的問題。

脈沖系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

脈沖系統(tǒng)通常依賴于在很短的時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)出高能光脈沖。它具有下列優(yōu)點(diǎn)：

更加便于設(shè)計(jì)魯棒性強(qiáng)的系統(tǒng)，因此更適用于戶外。

曝光時(shí)間越短，運(yùn)動(dòng)模糊的效應(yīng)越小。

脈沖系統(tǒng)中的信號(hào)占空比通常比同等水平的連續(xù)波系統(tǒng)要低得多，因此具有以下優(yōu)點(diǎn)：

對(duì)于長期工作的應(yīng)用，可以降低系統(tǒng)的總功耗。

通過將脈沖群放置在與其他系統(tǒng)不同的幀位置，從而避免來自其他脈沖ToF系統(tǒng)的干擾。這可以通過協(xié)調(diào)各種系統(tǒng)在一幀中為激光脈沖選擇不同的位置，或者使用外部光電探測(cè)器來確定其他系統(tǒng)脈沖的位置來實(shí)現(xiàn)。另一種方法是動(dòng)態(tài)隨機(jī)排列脈沖群的位置，這樣就無需協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)之間的時(shí)序，但這種方法無法完全消除干擾。

由于脈沖時(shí)序和寬度不需要一樣，所以可以采用不同的時(shí)序方案，支持實(shí)現(xiàn)更寬的動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)曝光等功能。

脈沖系統(tǒng)的缺點(diǎn)

由于發(fā)射光脈沖的脈寬和快門的脈寬需要保持相同，所以系統(tǒng)的時(shí)序控制需要非常精確，根據(jù)應(yīng)用需要，可能需要達(dá)到皮秒級(jí)精度。

為了達(dá)到最大效率，激光脈沖寬度必須非常短，但同時(shí)必須具有極高的功率。因此，激光驅(qū)動(dòng)器需要實(shí)現(xiàn)非常快的上升/下降沿（《1ns）。

與連續(xù)波系統(tǒng)相比，其溫度校準(zhǔn)過程可能更為復(fù)雜，因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)影響單個(gè)脈沖寬度，不僅影響偏置和增益，還會(huì)影響其線性度。

在市場(chǎng)上，一些半導(dǎo)體制造商提供完整的3D飛行時(shí)間的解決方案，如ADI將深度處理器、高精度時(shí)序發(fā)生器和電源管理等集成到一個(gè)具有可編程時(shí)序和 V 驅(qū)動(dòng)器的 CCD 飛行時(shí)間信號(hào)處理器——ADDI9036.

ToF解決方案的選擇

如果想搜尋一些與飛行時(shí)間相關(guān)的器件或開發(fā)資料，可以直接在Digi-Key的官網(wǎng)以“ 飛行時(shí)間 ”作為關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索。

無論是搜索與飛行時(shí)間相關(guān)處理器的、評(píng)估板（AD-96TOF1-EBZ），還是傳感器，都可以輕松找到。

本文小結(jié)

3D飛行時(shí)間技術(shù)在工業(yè)、制造和建筑過程中可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地確定尺寸并進(jìn)行分類，幫助用戶解決相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域中的難題，在深度測(cè)量和物體檢測(cè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。

責(zé)任編輯：haq