الأخبار - المبدأ الأساسي وتطبيق نظام TOF (زمن الرحلة).

اشترك في وسائل التواصل الاجتماعي الخاصة بنا للحصول على مشاركة سريعة

تهدف هذه السلسلة إلى تزويد القراء بفهم متعمق وتدريجي لنظام وقت الرحلة (TOF). يغطي المحتوى نظرة عامة شاملة على أنظمة TOF، بما في ذلك شرح تفصيلي لكل من TOF غير المباشر (iTOF) وTOF المباشر (dTOF). تتعمق هذه الأقسام في معلمات النظام ومزاياها وعيوبها والخوارزميات المختلفة. تستكشف المقالة أيضًا المكونات المختلفة لأنظمة TOF، مثل الليزر الذي ينبعث من سطح التجويف العمودي (VCSELs)، وعدسات الإرسال والاستقبال، وأجهزة الاستشعار المتلقية مثل CIS، وAPD، وSPAD، وSiPM، ودوائر التشغيل مثل ASICs.

مقدمة إلى TOF (زمن الرحلة)

المبادئ الأساسية

TOF، وهو اختصار لـ Time of Flight، هو طريقة تستخدم لقياس المسافة عن طريق حساب الوقت الذي يستغرقه الضوء للسفر مسافة معينة في وسط ما. يتم تطبيق هذا المبدأ بشكل أساسي في سيناريوهات TOF البصرية وهو واضح ومباشر نسبيًا. تتضمن العملية مصدر ضوء ينبعث منه شعاع من الضوء، مع تسجيل وقت الانبعاث. ثم ينعكس هذا الضوء عن الهدف، ويتم التقاطه بواسطة جهاز الاستقبال، ويتم ملاحظة وقت الاستقبال. الفرق في هذه الأوقات، المشار إليه بـ t، يحدد المسافة (d = سرعة الضوء (c) × t / 2).

أنواع حساسات ToF

هناك نوعان أساسيان من أجهزة استشعار ToF: البصرية والكهرومغناطيسية. تستخدم مستشعرات ToF الضوئية، وهي الأكثر شيوعًا، نبضات ضوئية، عادةً في نطاق الأشعة تحت الحمراء، لقياس المسافة. تنبعث هذه النبضات من المستشعر، وتنعكس عن الجسم، وتعود إلى المستشعر، حيث يتم قياس زمن السفر واستخدامه لحساب المسافة. في المقابل، تستخدم مستشعرات ToF الكهرومغناطيسية الموجات الكهرومغناطيسية، مثل الرادار أو الليدار، لقياس المسافة. إنهم يعملون على مبدأ مماثل ولكنهم يستخدمون وسيلة مختلفةقياس المسافة.

تطبيقات أجهزة الاستشعار ToF

تتميز مستشعرات ToF بأنها متعددة الاستخدامات وقد تم دمجها في مجالات مختلفة:

الروبوتات:تستخدم للكشف عن العوائق والملاحة. على سبيل المثال، تستخدم الروبوتات مثل Roomba وAtlas من Boston Dynamics كاميرات عمق ToF لرسم خرائط المناطق المحيطة بها وتخطيط الحركات.

أنظمة الأمن:شائعة في أجهزة استشعار الحركة للكشف عن المتسللين أو إطلاق الإنذارات أو تفعيل أنظمة الكاميرا.

صناعة السيارات:تم دمجها في أنظمة مساعدة السائق للتحكم التكيفي في السرعة وتجنب الاصطدام، وأصبحت منتشرة بشكل متزايد في نماذج المركبات الجديدة.

المجال الطبي: يستخدم في التصوير والتشخيص غير الجراحي، مثل التصوير المقطعي التوافقي البصري (OCT)، وإنتاج صور أنسجة عالية الدقة.

الالكترونيات الاستهلاكية: مدمج في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة للحصول على ميزات مثل التعرف على الوجه والمصادقة البيومترية والتعرف على الإيماءات.

طائرات بدون طيار:تستخدم للملاحة، وتجنب الاصطدام، وفي معالجة المخاوف المتعلقة بالخصوصية والطيران

بنية نظام TOF

يتكون نظام TOF النموذجي من عدة مكونات رئيسية لتحقيق قياس المسافة كما هو موضح:

· الارسال (تكساس):يتضمن ذلك مصدر ضوء الليزر، بشكل أساسي أفي سيسيلودائرة تشغيل ASIC لقيادة الليزر، ومكونات بصرية للتحكم في الشعاع مثل العدسات المتوازية أو العناصر البصرية الحيادية والمرشحات.
· جهاز الاستقبال (Rx):يتكون هذا من عدسات ومرشحات في الطرف المتلقي، وأجهزة استشعار مثل CIS، أو SPAD، أو SiPM اعتمادًا على نظام TOF، ومعالج إشارة الصورة (ISP) لمعالجة كميات كبيرة من البيانات من شريحة الاستقبال.
·إدارة الطاقة:إدارة مستقرةيعد التحكم الحالي في VCSELs والجهد العالي لأجهزة SPAD أمرًا بالغ الأهمية، ويتطلب إدارة قوية للطاقة.
· طبقة البرمجيات:يتضمن ذلك البرامج الثابتة وSDK ونظام التشغيل وطبقة التطبيق.

توضح البنية كيف ينتقل شعاع الليزر، الذي ينشأ من VCSEL ويتم تعديله بواسطة المكونات البصرية، عبر الفضاء، وينعكس عن الجسم، ويعود إلى جهاز الاستقبال. يكشف حساب الفاصل الزمني في هذه العملية عن معلومات المسافة أو العمق. ومع ذلك، فإن هذه البنية لا تغطي مسارات الضوضاء، مثل الضوضاء الناجمة عن ضوء الشمس أو الضوضاء متعددة المسارات الناتجة عن الانعكاسات، والتي ستتم مناقشتها لاحقًا في السلسلة.

تصنيف أنظمة TOF

يتم تصنيف أنظمة TOF في المقام الأول من خلال تقنيات قياس المسافة الخاصة بها: TOF المباشر (dTOF) وTOF غير المباشر (iTOF)، ولكل منها أساليب أجهزة وخوارزميات مميزة. تحدد السلسلة في البداية مبادئها قبل الخوض في تحليل مقارن لمزاياها وتحدياتها ومعلمات النظام.

على الرغم من مبدأ TOF الذي يبدو بسيطًا – وهو إصدار نبضة ضوئية واكتشاف عودتها لحساب المسافة – فإن التعقيد يكمن في التمييز بين الضوء العائد والضوء المحيط. تتم معالجة هذه المشكلة عن طريق إصدار ضوء ساطع بدرجة كافية لتحقيق نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية واختيار الأطوال الموجية المناسبة لتقليل تداخل الضوء البيئي. هناك طريقة أخرى تتمثل في تشفير الضوء المنبعث لجعله مميزًا عند عودته، على غرار إشارات SOS باستخدام مصباح يدوي.

تشرع السلسلة في مقارنة dTOF وiTOF، ومناقشة الاختلافات والمزايا والتحديات بينهما بالتفصيل، وتصنف أنظمة TOF أيضًا بناءً على مدى تعقيد المعلومات التي تقدمها، بدءًا من 1D TOF إلى 3D TOF.

dTOF

يقوم Direct TOF بقياس زمن رحلة الفوتون مباشرة. مكونه الرئيسي، صمام ثنائي الفوتون الانهياري (SPAD)، حساس بدرجة كافية لاكتشاف الفوتونات الفردية. يستخدم dTOF عد الفوتون الفردي المرتبط بالوقت (TCSPC) لقياس وقت وصول الفوتون، وإنشاء رسم بياني لاستنتاج المسافة الأكثر احتمالية بناءً على أعلى تردد لفارق زمني معين.

iTOF

يقوم TOF غير المباشر بحساب زمن الرحلة بناءً على فرق الطور بين أشكال الموجات المرسلة والمستقبلة، وعادةً ما يستخدم إشارات تعديل الموجة أو النبض المستمرة. يمكن لـ iTOF استخدام بنيات مستشعر الصور القياسية، وقياس شدة الضوء بمرور الوقت.

ينقسم iTOF أيضًا إلى تعديل الموجة المستمرة (CW-iTOF) وتعديل النبض (Pulsed-iTOF). يقيس CW-iTOF تحول الطور بين الموجات الجيبية المنبعثة والمستقبلة، بينما يحسب Pulsed-iTOF تحول الطور باستخدام إشارات الموجة المربعة.

قراءة إضافية:

ويكيبيديا. (اختصار الثاني). وقت الرحلة. تم الاسترجاع منhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
مجموعة حلول أشباه الموصلات من سوني. (اختصار الثاني). ToF (زمن الرحلة) | التكنولوجيا المشتركة لأجهزة استشعار الصور. تم الاسترجاع منhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
مايكروسوفت. (2021، 4 فبراير). مقدمة إلى Microsoft Time Of Flight (ToF) - منصة Azure Depth. تم الاسترجاع منhttps://devblogs.microsoft.com/azure-عمق-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
إسكاتيك. (2023، 2 مارس). أجهزة استشعار زمن الرحلة (TOF): نظرة عامة وتطبيقات متعمقة. تم الاسترجاع منhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in- Deep-overview-and-applications

من صفحة الويبhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

للمؤلف: تشاو قوانغ

تنصل:

نعلن بموجب هذا أن بعض الصور المعروضة على موقعنا تم جمعها من الإنترنت وويكيبيديا، بهدف تعزيز التعليم وتبادل المعلومات. نحن نحترم حقوق الملكية الفكرية لجميع المبدعين. وليس المقصود من استخدام هذه الصور تحقيق مكاسب تجارية.

إذا كنت تعتقد أن أيًا من المحتوى المستخدم ينتهك حقوق الطبع والنشر الخاصة بك، فيرجى الاتصال بنا. نحن على أتم استعداد لاتخاذ التدابير المناسبة، بما في ذلك إزالة الصور أو توفير الإسناد المناسب، لضمان الامتثال لقوانين ولوائح الملكية الفكرية. هدفنا هو الحفاظ على منصة غنية بالمحتوى وعادلة وتحترم حقوق الملكية الفكرية للآخرين.

يرجى الاتصال بنا على عنوان البريد الإلكتروني التالي:sales@lumispot.cn. ونحن نلتزم باتخاذ إجراءات فورية عند تلقي أي إشعار ونضمن التعاون بنسبة 100% في حل أي من هذه المشكلات.