飞行时间传感器（ToF）如何工作？

有三种领先的3D成像技术可以在手机和汽车中竞争空间。这些技术是立体成像、结构光投影和飞行时间（或ToF）相机。这些设备生成的数据可以提供行人检测、基于面部特征对用户进行身份验证、检测手部移动以及提供SLAM（即时定位与地图构建）算法。这个领域最大的两个参与者是AMS和英飞凌。本文中AMS携带每种类型的传感器之一，而英飞凌仅专注于飞行时间传感器。

本文介绍了飞行时间传感器背后的技术，重点介绍了PMDTechnologies的3D相机开发套件“PicoFlexx”（在询问之前，“Pico Flexx”和“PMDTechnologies”在其网站上均以小写形式显示）。pico flexx是围绕由英飞凌和pmd共同开发的3D图像传感器REAL3构建的。

2019年4月29日在pmdtec.com上拍摄的手的假彩色3D图像。颜色根据传感器到手的距离映射到各个像素（红色接近，蓝色远离）

请注意，pmd为本文提供了一个设备。

飞行时间传感器测量物体在介质中移动一段距离所需的时间。通常，这是测量波脉冲发射、物体反射和返回ToF传感器之间所经过的时间。飞行时间相机是利用ToF测量来确定相机与物体或环境之间的距离，通过单独的测量点生成图像。ToF相机的应用包括基于激光的无扫描仪激光雷达成像系统、运动传感和跟踪、机器视觉和自动驾驶的目标检测、地形测绘等。但这些测量结果如何实现？下面介绍了三种使用传播时间来确定距离的方法。

使用传播时间来确定距离的方法

在图像的顶部可以看到第一种方法，即发送脉冲并测量时间间隔，直到它们在反射后返回。图像的中间显示第二种方法，其中您可以调制光源的振幅并记录反射波的相移。图像的底部代表第三种方法，传输50％占空比的方波，并记录在特定间隔内到达的返回光量。

光波和无线电波以接近3000000000毫米/秒的速度传播，如果一个波传播1毫米，则转换为约3.3秒（另一个波传播3.3秒）。这就是说，如果你想要一个能对你所在房间的所有物体进行图像处理的设备，并且你想要1毫米的分辨率，那么你的定时电子设备就需要皮秒的分辨率。也就是说，时钟速度达到了数百千兆赫。

设计在这些频率下工作的电子电路既不容易也不经济，如果设计者希望将这些设备带给消费者，那么设计人员必须想出一种在较低频率下工作的方法。在合理的sub-GHz频率下工作时，有两种常见的方法可以达到毫米级精度：将正弦调制波的相移与距离相关联；使用50％占空比方波和差分电压的相移来确定距离。下面的部分将更详细地介绍这两种方法。

假设你正在寻找一个最大长度为15 m的小办公室或大客厅。要确定该长度的适当工作频率，请使用c=λf。其中c是光速（c = 3× 10 8 m / s），λ是一个波长（λ= 15 m），ƒ是频率。在此示例中，ƒ= 20 MHz，这是一个相对容易使用的频率。当一束强光的输出被20兆赫的正弦信号调制时，一切就开始了。光波最终将到达物体或墙壁，它将反射和反转方向。原始调制光的调光版本将返回接收器。除非物体正好是15米远的整数倍，否则相位会发生一定的偏移。相移可以用来计算波的传播距离。

如果可以精确测量相位角，则可以准确地确定反射物体与传感器/接收器之间的距离。  

如何快速测量正弦曲线的相位角？这涉及在四个等间隔点（即90°或1 /4λ的间隔）处测量接收信号的振幅。

试图说明测量值和下面的相位角之间的关系。A 1  和A 3之间的差值与A 2  和A 4之差的比率等于相位角的正切。ArcTan实际上是两个自变量的反正切函数，它映射适当的象限，并分别定义A 2 = A4且A 1 > A 3或A 3 > A 1分别为0°或180°。 

该图像说明变量A1、A2、A3和A4之间的差异如何适应单位圆。  

在上图中，图的最左侧有两条垂直数字线，表示减去A1和A3（表示为深黄色）和A2和A4（表示为蓝色）的结果。测量值显示为中间正弦曲线图中的垂直线。请注意，此图形不考虑反射（这将有效地将所有物体移动180°）。

到目标的距离用以下公式确定：

其中c是光速，phi（φ）是相位角（以弧度表示），ƒ是调制频率。测量光子的实际飞行时间需要333 GHz的电子设备。该方法最多需要4倍的调制频率，在这种情况下，调制频率为4x20Hz=80Hz。这是资源的显着减少。但是你会很高兴知道一些工程师找到了进一步降低最大频率的方法。

下一个测量情况涉及频闪光源和每个像素具有两个电容器的CMOS成像传感器。时钟源产生50％占空比方波，该方波控制一个明亮的频闪光源，以及与每个像素内部的电荷存储电容器连接。这种系统的一个例子如下图所示：

来自“光子混频器装置固态阵列激光雷达的快速校准方法”，它显示了具有两个电荷存储电容器的CMOS像素，交替连接以记录入射光。 

光离开光源，从物体反射，照射到像素上，在这里它将被记录为电容器C A或C B中的电荷，如上图所示。使用相同的时钟源、电容器以与照明源相同的频率交替地连接到像素。这种巧妙的布置意味着电容器中的差分电荷直接与相位偏移相关。相位由波长和到目标和返回的距离决定。

来自“光子混频器装置固态阵列激光雷达的快速校准方法”的图像

可以根据需要将物体照射多个周期以填充电容器。只要距离恒定，电荷比例就会保持不变。