اشترك في وسائل التواصل الاجتماعي الخاصة بنا للحصول على منشورات سريعة
تهدف هذه السلسلة إلى تزويد القراء بفهم متعمق ومتطور لنظام زمن الطيران (TOF). يغطي المحتوى نظرة عامة شاملة على أنظمة زمن الطيران، بما في ذلك شرح مفصل لكلٍّ من نظامي زمن الطيران غير المباشر (iTOF) والمباشر (dTOF). تتعمق هذه الأقسام في معلمات النظام ومزاياها وعيوبها، بالإضافة إلى الخوارزميات المختلفة. كما تستكشف المقالة المكونات المختلفة لأنظمة زمن الطيران، مثل ليزرات انبعاث السطح ذات التجويف الرأسي (VCSELs)، وعدسات الإرسال والاستقبال، وأجهزة استشعار الاستقبال مثل CIS وAPD وSPAD وSiPM، ودوائر التشغيل مثل ASICs.
مقدمة إلى TOF (وقت الرحلة)
المبادئ الأساسية
TOF، اختصارًا لـ Time of Flight، هي طريقة تُستخدم لقياس المسافة بحساب الزمن الذي يستغرقه الضوء لقطع مسافة معينة في وسط ما. يُطبّق هذا المبدأ بشكل أساسي في سيناريوهات TOF البصرية، وهو بسيط نسبيًا. تتضمن العملية إصدار مصدر ضوء شعاعًا ضوئيًا، مع تسجيل زمن الانبعاث. ينعكس هذا الضوء بعد ذلك عن هدف، ويلتقطه جهاز استقبال، ويُسجّل زمن الاستقبال. يُحدّد فرق هذه الأزمنة، والذي يُرمز له بالرمز t، المسافة (d = سرعة الضوء (c) × t / 2).
أنواع مستشعرات ToF
هناك نوعان رئيسيان من مستشعرات ToF: البصرية والكهرومغناطيسية. تستخدم مستشعرات ToF البصرية، وهي الأكثر شيوعًا، نبضات ضوئية، عادةً في نطاق الأشعة تحت الحمراء، لقياس المسافة. تُصدر هذه النبضات من المستشعر، ثم تنعكس عن الجسم، ثم تعود إليه، حيث يُقاس زمن انتقالها ويُستخدم لحساب المسافة. في المقابل، تستخدم مستشعرات ToF الكهرومغناطيسية موجات كهرومغناطيسية، مثل الرادار أو الليدار، لقياس المسافة. تعمل هذه المستشعرات على مبدأ مماثل، ولكنها تستخدم وسيطًا مختلفًا.قياس المسافة.
تطبيقات مستشعرات ToF
تعتبر أجهزة استشعار ToF متعددة الاستخدامات وتم دمجها في مجالات مختلفة:
الروبوتات:تُستخدم للكشف عن العوائق والملاحة. على سبيل المثال، تستخدم روبوتات مثل رومبا وأطلس من بوسطن ديناميكس كاميرات عمق ToF لرسم خرائط محيطها وتخطيط تحركاتها.
أنظمة الأمن:تُستخدم بشكل شائع في أجهزة استشعار الحركة للكشف عن المتسللين أو تشغيل الإنذارات أو تنشيط أنظمة الكاميرات.
صناعة السيارات:تم دمجها في أنظمة مساعدة السائق للتحكم التكيفي في ثبات السرعة وتجنب الاصطدام، وأصبحت شائعة بشكل متزايد في نماذج المركبات الجديدة.
المجال الطبي:تستخدم في التصوير والتشخيص غير الجراحي، مثل التصوير المقطعي البصري (OCT)، لإنتاج صور أنسجة عالية الدقة.
الالكترونيات الاستهلاكية:متكاملة مع الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة للحصول على ميزات مثل التعرف على الوجه والمصادقة البيومترية والتعرف على الإيماءات.
الطائرات بدون طيار:يتم استخدامها للملاحة وتجنب الاصطدام ومعالجة مخاوف الخصوصية والطيران
هندسة نظام TOF
يتكون نظام TOF النموذجي من عدة مكونات رئيسية لتحقيق قياس المسافة كما هو موضح:
· المرسل (Tx):يتضمن ذلك مصدر ضوء الليزر، بشكل أساسيفي سي إس إي إلدائرة تشغيل ASIC لتشغيل الليزر، والمكونات البصرية للتحكم في الشعاع مثل العدسات المتوازية أو العناصر البصرية الحيودية، والمرشحات.
· المستقبل (Rx):يتكون هذا من العدسات والمرشحات في الطرف المستقبل، وأجهزة الاستشعار مثل CIS، أو SPAD، أو SiPM اعتمادًا على نظام TOF، ومعالج إشارة الصورة (ISP) لمعالجة كميات كبيرة من البيانات من شريحة المستقبل.
·إدارة الطاقة:إدارة مستقرةيعد التحكم في التيار لـ VCSELs والجهد العالي لـ SPADs أمرًا بالغ الأهمية، ويتطلب إدارة طاقة قوية.
· طبقة البرمجيات:يتضمن ذلك البرامج الثابتة، ومجموعة أدوات التطوير البرمجية، ونظام التشغيل، وطبقة التطبيق.
يوضح هذا التصميم كيفية انتقال شعاع الليزر، الصادر من VCSEL والمُعدَّل بمكونات بصرية، عبر الفضاء، ثم ينعكس عن جسم، ثم يعود إلى المُستقبِل. يكشف حساب الفاصل الزمني في هذه العملية عن معلومات المسافة أو العمق. مع ذلك، لا يغطي هذا التصميم مسارات الضوضاء، مثل الضوضاء الناتجة عن ضوء الشمس أو الضوضاء متعددة المسارات الناتجة عن الانعكاسات، والتي سيتم مناقشتها لاحقًا في هذه السلسلة.
تصنيف أنظمة TOF
تُصنف أنظمة TOF بشكل أساسي حسب تقنيات قياس المسافة: TOF المباشر (dTOF) وTOF غير المباشر (iTOF)، ولكل منهما مناهج عتادية وخوارزمية مميزة. تُحدد السلسلة مبادئها في البداية قبل الخوض في تحليل مقارن لمزاياها وتحدياتها ومعامِلات نظامها.
على الرغم من بساطة مبدأ TOF - إصدار نبضة ضوئية ورصد رجوعها لحساب المسافة - إلا أن التعقيد يكمن في التمييز بين الضوء العائد والضوء المحيط. ويُعالَج ذلك بإصدار ضوء ساطع بدرجة كافية لتحقيق نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية، واختيار أطوال موجية مناسبة لتقليل تداخل الضوء المحيط. وهناك نهج آخر يتمثل في ترميز الضوء المنبعث لجعله قابلاً للتمييز عند عودته، على غرار إشارات الاستغاثة باستخدام مصباح يدوي.
تستمر السلسلة في مقارنة dTOF و iTOF، ومناقشة اختلافاتهما ومزاياهما وتحدياتهما بالتفصيل، وتصنف أنظمة TOF بشكل أكبر بناءً على تعقيد المعلومات التي تقدمها، بدءًا من 1D TOF إلى 3D TOF.
dTOF
يقيس قياس TOF المباشر زمن رحلة الفوتون مباشرةً. يمتاز مكونه الرئيسي، وهو ثنائي الانهيار الفوتوني المفرد (SPAD)، بحساسية كافية لاكتشاف الفوتونات المفردة. يستخدم dTOF عد الفوتونات المفردة المترابط زمنيًا (TCSPC) لقياس زمن وصول الفوتونات، حيث يُنشئ رسمًا بيانيًا لاستنتاج المسافة الأكثر احتمالًا بناءً على أعلى تردد لفارق زمني معين.
اي تي او اف
تحسب تقنية TOF غير المباشرة وقت الرحلة استنادًا إلى فرق الطور بين أشكال الموجة المنبعثة والمستقبلة، وذلك عادةً باستخدام إشارات الموجة المستمرة أو إشارات التعديل النبضي. يمكن لتقنية iTOF استخدام هياكل مستشعر الصور القياسية، وقياس شدة الضوء بمرور الوقت.
يُقسّم iTOF إلى تعديل الموجة المستمرة (CW-iTOF) وتعديل النبضة (Pulsed-iTOF). يقيس CW-iTOF انزياح الطور بين الموجات الجيبية المُنبعثة والمُستقبَلة، بينما يحسب Pulsed-iTOF انزياح الطور باستخدام إشارات الموجة المربعة.
قراءات إضافية:
- ويكيبيديا. (بدون تاريخ). زمن الرحلة. تم الاسترجاع منhttps://en.wikipedia.org/wiki/وقت_الرحلة
- مجموعة حلول أشباه الموصلات من سوني. (بدون تاريخ). زمن الرحلة (ToF) | تقنية شائعة لمستشعرات الصور. تم الاسترجاع منhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- مايكروسوفت. (٤ فبراير ٢٠٢١). مقدمة إلى مايكروسوفت: زمن الرحلة (ToF) - منصة Azure Depth. تم الاسترجاع منhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/مقدمة إلى Microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2 مارس 2023). مستشعرات زمن الرحلة (TOF): نظرة عامة متعمقة وتطبيقاتها. مأخوذ منhttps://www.escatec.com/news/زمن-رحلة-أجهزة-الاستشعار-نظرة-عامة-وتطبيقات
من صفحة الويبhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
من تأليف المؤلف: تشاو قوانغ
تنصل:
نُعلن بموجب هذا أن بعض الصور المعروضة على موقعنا الإلكتروني مُجمّعة من الإنترنت وويكيبيديا، بهدف تعزيز التعليم وتبادل المعلومات. نحترم حقوق الملكية الفكرية لجميع المبدعين، ولا يُقصد استخدام هذه الصور لأغراض تجارية.
إذا كنت تعتقد أن أيًا من المحتوى المستخدم ينتهك حقوق الطبع والنشر الخاصة بك، يُرجى 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 الاتصال بنا على عنوان البريد الإلكتروني التالي:sales@lumispot.cnنحن نلتزم باتخاذ إجراءات فورية عند تلقي أي إشعار ونضمن التعاون بنسبة 100٪ في حل أي من هذه المشكلات.
وقت النشر: ١٨ ديسمبر ٢٠٢٣