基於相位的ToF測距方法避免了背景光影響

2020-12-08 電子產品世界

最新的距離感測採用ToF

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201603/288917.htm

　　飛行時間(Time of Flight，簡稱ToF)測距方法屬於雙向測距技術，主要利用信號在兩個異步收發機之間往返的飛行時間來測量節點間的距離，如圖1。

　　ToF測距方法屬於雙向測距技術，它主要利用信號在兩個異步收發機(Transceiver)之間往返的飛行時間來測量節點間的距離。傳統的測距技術分為雙向測距技術和單向測距技術。在信號電平比較好調製或在非視距視線環境下，基於RSSI(Received Signal Strength Indication，接收的信號強度指示)測距方法估算的結果比較理想;在視距視線環境下，基於ToF距離估算方法能夠彌補基於RSSI距離估算方法的不足。


　　ToF測距方法有兩個關鍵的約束：一是發送設備和接收設備必須始終同步;二是接收設備提供信號的傳輸時間的長短。為了實現時鐘同步，ToF測距方法採用了時鐘偏移量來解決時鐘同步問題。Intersil最新的ToF信號處理IC——ISL29501方案就是典型的ToF方案，可用於所有光照條件，並且實現了小型化和電池應用的低功耗。因為Intersil專利的信號處理器技術使用了基於相位的ToF來應對檢測物體周圍的環境光的影響(如圖2)。

ISL29501方案克服了背景光限制

　　Intersil在美國半導體廠商雲集的「euroasia PRESS 1:1」會議上，公司移動電源產品部高級副總裁Andrew Cowell登臺，介紹了在2000勒克斯(lx)的高照度下也能高精度測量距離的接近傳感器信號處理IC「ISL29501」。

　　在ISL29501上採用了根據射出光和反射光的相位差測量與對象物之間距離的技術。光源發出脈衝狀紅外光後，該紅外光被對象物反射，在利用光電二極體檢測的階段，脈衝的相位會延遲，因此利用IC內的DSP處理射出光及接收光的脈衝信號，從而計算出距離。

　　「利用相位差測距的技術歷史悠久，並不是只有英特矽爾利用該技術。但把該測距技術「以小封裝尺寸和低耗電量實現的只有我們」。Intersil移動電源產品部高級副總裁Andrew Cowell稱，他在美國半導體廠商雲集的「euroasia PRESS 1:1」會議上指出： 「ISL29501克服了基于振幅的傳統接近傳感器和其他ToF解決方案的缺點，這些缺點包括在照度高於2000勒克斯的照明條件下性能不佳，以及在目標物與傳感器不垂直時無法提供距離信息。而之前傳統的替代解決方案則對小型電池供電的應用顯得過於昂貴、笨重或耗電厲害。」

　　據稱在0.1～2m的範圍內，該方案能以±20mm的精度測量距離。主要用於移動產品，適合用於智慧型手機攝像頭功能的自動對焦及無人機躲避障礙物使用的傳感器等。

　　Intersil的ToF感測系統的元件框圖如圖3所示。光源採用LED或VCSEL(垂直腔面發射雷射器)。光傳感器是光電二極體。光路採用玻璃蓋、光圈和孔徑等。驅動器電子方面，發射器採用固定頻率和客戶定義的電流。

　　工作原理可參考圖1，感測和計算方面，探測發射脈衝和接收脈衝之間的相位差，校準串擾和其他系統錯誤源，計算距離。傳感器工作在加權平均模式，這其中包括信號被接收到的是一個從所有觀測點反射的信號的平均值;這不是一個基於時間延遲的ToF傳感器——其弊端是會受到環境光的影響;它不是ToF多像素攝像頭技術。

　　ISL29501測量觀測目標的單個和多個目標的方法如圖4所示。對於單個目標：當主要的目標被探測到時測量距離。多個目標時，距離將在多個目標之間平均。

　　這是高可配置發感測系統，可以提供應用優化。包括採樣波形的優化;可編程性，能夠控制採樣和整合時間，定義系統的工作循環來達到合理的功耗和精確的目標探測，還有附加的工作模式，可以有連續模式，單個模式。再有，帶來系統視野內的探測，包括在一個用戶特殊範圍內的已有/沒有的目標，距離測量，測量目標距離，假定FoV中的一個主要目標。移動探測，FoV(Field of View，視野)物體現在和移動中。

　　「與本公司接近的A競爭公司的產品，測距範圍為10～150cm，耗電量高達150mW，IC的外形尺寸也要22mm×8mm×7.2mm。B競爭公司的產品雖然IC外形尺寸只有4.8mm×2.8mm×1mm，但測距範圍還不到30mm」Cowell稱。


本文來源於中國科技期刊《電子產品世界》2016年第3期第78頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。

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