اشترك في حساباتنا على مواقع التواصل الاجتماعي لتصلك منشوراتنا فور نشرها.
تهدف هذه السلسلة إلى تزويد القراء بفهم معمق ومتدرج لنظام قياس زمن الرحلة (TOF). يغطي المحتوى نظرة شاملة على أنظمة قياس زمن الرحلة، بما في ذلك شروحات مفصلة لكل من قياس زمن الرحلة غير المباشر (iTOF) وقياس زمن الرحلة المباشر (dTOF). تتناول هذه الأقسام معايير النظام، ومزاياه وعيوبه، والخوارزميات المختلفة. كما تستكشف المقالة المكونات المختلفة لأنظمة قياس زمن الرحلة، مثل ليزرات انبعاث السطح ذات التجويف الرأسي (VCSELs)، وعدسات الإرسال والاستقبال، وأجهزة الاستشعار المستقبلة مثل CIS وAPD وSPAD وSiPM، ودوائر القيادة مثل ASICs.
مقدمة عن تقنية قياس زمن الرحلة (TOF)
المبادئ الأساسية
تقنية قياس زمن الرحلة (TOF) هي طريقة تُستخدم لقياس المسافة عن طريق حساب الزمن الذي يستغرقه الضوء لقطع مسافة معينة في وسط ما. يُطبق هذا المبدأ بشكل أساسي في تطبيقات قياس زمن الرحلة البصرية، وهو بسيط نسبيًا. تتضمن العملية مصدرًا ضوئيًا يُصدر شعاعًا ضوئيًا، ويُسجل زمن انبعاثه. ثم ينعكس هذا الضوء عن هدف، ويستقبله جهاز استقبال، ويُسجل زمن وصوله. الفرق بين هذين الزمنين، والذي يُرمز له بـ t، يُحدد المسافة (d = سرعة الضوء (c) × t / 2).
أنواع مستشعرات زمن الرحلة (ToF)
يوجد نوعان رئيسيان من مستشعرات زمن الرحلة (ToF): البصرية والكهرومغناطيسية. تستخدم مستشعرات زمن الرحلة البصرية، وهي الأكثر شيوعًا، نبضات ضوئية، عادةً في نطاق الأشعة تحت الحمراء، لقياس المسافة. تُبعث هذه النبضات من المستشعر، وتنعكس عن الجسم، ثم تعود إليه، حيث يُقاس زمن انتقالها ويُستخدم لحساب المسافة. في المقابل، تستخدم مستشعرات زمن الرحلة الكهرومغناطيسية موجات كهرومغناطيسية، مثل الرادار أو الليدار، لقياس المسافة. وهي تعمل وفق مبدأ مشابه، ولكنها تستخدم وسطًا مختلفًا.قياس المسافة.
تطبيقات مستشعرات زمن الطيران
تتميز مستشعرات زمن الطيران (ToF) بتعدد استخداماتها وقد تم دمجها في مجالات متنوعة:
الروبوتات:تُستخدم هذه التقنية لاكتشاف العوائق والتنقل. على سبيل المثال، تستخدم روبوتات مثل Roomba و Atlas من Boston Dynamics كاميرات عمق بتقنية ToF لرسم خرائط محيطها وتخطيط تحركاتها.
أنظمة الأمن:تُستخدم عادةً في أجهزة استشعار الحركة للكشف عن المتسللين، أو إطلاق الإنذارات، أو تفعيل أنظمة الكاميرات.
صناعة السيارات:أصبحت هذه التقنية، المدمجة في أنظمة مساعدة السائق للتحكم التكيفي في السرعة وتجنب الاصطدام، شائعة بشكل متزايد في طرازات المركبات الجديدة.
المجال الطبي: يستخدم في التصوير والتشخيص غير الجراحي، مثل التصوير المقطعي التوافقي البصري (OCT)، لإنتاج صور عالية الدقة للأنسجة.
الإلكترونيات الاستهلاكية: يتم دمجها في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة لتوفير ميزات مثل التعرف على الوجه والتحقق البيومتري والتعرف على الإيماءات.
الطائرات بدون طيار:تُستخدم للملاحة، وتجنب الاصطدام، ومعالجة مخاوف الخصوصية والطيران.
بنية نظام TOF
يتكون نظام قياس زمن الطيران (TOF) النموذجي من عدة مكونات رئيسية لتحقيق قياس المسافة كما هو موضح:
· جهاز الإرسال (Tx):ويشمل ذلك مصدر ضوء ليزر، وهو في الأساس...VCSEL، ودائرة تشغيل ASIC لتشغيل الليزر، ومكونات بصرية للتحكم في الشعاع مثل العدسات المجمعة أو العناصر البصرية الحيودية، والمرشحات.
· جهاز الاستقبال (Rx):يتكون هذا من عدسات وفلاتر في الطرف المستقبل، وأجهزة استشعار مثل CIS أو SPAD أو SiPM اعتمادًا على نظام TOF، ومعالج إشارة الصورة (ISP) لمعالجة كميات كبيرة من البيانات من شريحة جهاز الاستقبال.
·إدارة الطاقة:إدارة الإسطبلاتيُعد التحكم الحالي في ليزرات VCSEL والجهد العالي لـ SPADs أمرًا بالغ الأهمية، ويتطلب إدارة قوية للطاقة.
· طبقة البرمجيات:يشمل ذلك البرامج الثابتة، ومجموعة تطوير البرامج (SDK)، ونظام التشغيل، وطبقة التطبيقات.
يوضح هذا التصميم المعماري كيف ينتقل شعاع الليزر، المنبعث من ليزر VCSEL والمُعدَّل بواسطة مكونات بصرية، عبر الفضاء، وينعكس عن جسم ما، ثم يعود إلى جهاز الاستقبال. ويكشف حساب الفاصل الزمني في هذه العملية عن معلومات المسافة أو العمق. مع ذلك، لا يغطي هذا التصميم مسارات التشويش، مثل التشويش الناتج عن ضوء الشمس أو التشويش متعدد المسارات الناتج عن الانعكاسات، والتي سيتم تناولها لاحقًا في هذه السلسلة.
تصنيف أنظمة قياس زمن الطيران
تُصنّف أنظمة قياس زمن الطيران (TOF) بشكل أساسي وفقًا لتقنيات قياس المسافة المستخدمة: قياس زمن الطيران المباشر (dTOF) وقياس زمن الطيران غير المباشر (iTOF)، ولكل منهما مناهج برمجية وخوارزمية مميزة. تُقدّم هذه السلسلة في البداية عرضًا لمبادئها قبل الخوض في تحليل مقارن لمزاياها وتحدياتها ومعاييرها.
على الرغم من بساطة مبدأ تقنية قياس زمن الطيران (TOF) ظاهريًا - وهو إرسال نبضة ضوئية ورصد ارتدادها لحساب المسافة - إلا أن التعقيد يكمن في التمييز بين الضوء العائد والضوء المحيط. ويُعالج هذا الأمر بإرسال ضوء ساطع بما يكفي لتحقيق نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية، واختيار أطوال موجية مناسبة لتقليل تداخل الضوء المحيط. وثمة نهج آخر يتمثل في ترميز الضوء المنبعث لجعله قابلاً للتمييز عند عودته، على غرار إشارات الاستغاثة (SOS) باستخدام مصباح يدوي.
وتستمر السلسلة في مقارنة dTOF و iTOF، ومناقشة اختلافاتهم ومزاياهم وتحدياتهم بالتفصيل، كما تصنف أنظمة TOF بناءً على مدى تعقيد المعلومات التي توفرها، بدءًا من 1D TOF إلى 3D TOF.
dTOF
يقيس جهاز قياس زمن الطيران المباشر (DRT) زمن انتقال الفوتون مباشرةً. يتميز مكونه الرئيسي، وهو الصمام الثنائي الانهياري أحادي الفوتون (SPAD)، بحساسية عالية تمكنه من رصد الفوتونات المفردة. يستخدم جهاز DRT تقنية عد الفوتونات المفردة المرتبطة زمنيًا (TCSPC) لقياس زمن وصول الفوتونات، ويرسم مخططًا بيانيًا لاستنتاج المسافة الأكثر احتمالًا بناءً على أعلى تردد لفرق زمني محدد.
iTOF
تعتمد تقنية قياس زمن الرحلة غير المباشر (iTOF) على حساب فرق الطور بين الموجات المرسلة والمستقبلة، وتستخدم عادةً إشارات الموجة المستمرة أو إشارات تعديل النبضات. ويمكن لتقنية iTOF استخدام بنى مستشعرات الصور القياسية، لقياس شدة الضوء مع مرور الوقت.
ينقسم نظام iTOF إلى نوعين فرعيين: تعديل الموجة المستمرة (CW-iTOF) وتعديل النبضة (Pulsed-iTOF). يقيس نظام CW-iTOF فرق الطور بين الموجات الجيبية المرسلة والمستقبلة، بينما يحسب نظام Pulsed-iTOF فرق الطور باستخدام إشارات الموجة المربعة.
للمزيد من القراءة:
- ويكيبيديا. (بدون تاريخ). زمن الرحلة. تم الاسترجاع منhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- مجموعة حلول أشباه الموصلات من سوني. (بدون تاريخ). زمن الرحلة (ToF) | تقنية شائعة لأجهزة استشعار الصور. تم الاسترجاع منhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- مايكروسوفت. (4 فبراير 2021). مقدمة إلى منصة مايكروسوفت لقياس زمن الرحلة (ToF) - منصة Azure Depth. تم الاسترجاع منhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- إسكاتيك. (2 مارس 2023). مستشعرات زمن الرحلة (TOF): نظرة عامة معمقة وتطبيقاتها. تم الاسترجاع منhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
من صفحة الويبhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
بقلم المؤلف: تشاو غوانغ
تنصل:
نُعلن بموجب هذا أن بعض الصور المعروضة على موقعنا الإلكتروني مُجمّعة من الإنترنت وموقع ويكيبيديا، بهدف تعزيز التعليم وتبادل المعلومات. ونحن نحترم حقوق الملكية الفكرية لجميع المُبدعين. ولا يُقصد من استخدام هذه الصور تحقيق مكاسب تجارية.
إذا كنت تعتقد أن أيًا من المحتوى المستخدم ينتهك حقوق الطبع والنشر الخاصة بك، فيُرجى التواصل معنا. نحن على أتم الاستعداد لاتخاذ الإجراءات المناسبة، بما في ذلك إزالة الصور أو ذكر المصدر بشكل صحيح، لضمان الامتثال لقوانين ولوائح الملكية الفكرية. هدفنا هو الحفاظ على منصة غنية بالمحتوى، وعادلة، وتحترم حقوق الملكية الفكرية للآخرين.
يرجى التواصل معنا عبر عنوان البريد الإلكتروني التالي:sales@lumispot.cnنلتزم باتخاذ إجراء فوري عند تلقي أي إشعار ونضمن التعاون بنسبة 100% في حل أي من هذه المشكلات.
تاريخ النشر: 18 ديسمبر 2023