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ToF时间飞行原理技术及应用介绍

TOF(time-of-flight)时间飞行原理。时间飞行原理是指各种测量飞行时间的方法,更确切的是指一个物体或粒子或声波或电波等其他波类在某种介质内穿越一段距离所用的时间。

TOF 测距方法是 D.McCrady 提出的 , 然而该技术只侧重于直接序列扩频( DSSS)的通信系统。TOF 测距技术可以理解为飞行时差测距( Time of FlightMeasurem ent) 方法, 传统的测距技术分为双向测距技术( Two Way Rang ing )和单向测距技术( OneWay Ranging) 。TOF 测距方法属于双向测距技术, 它主要利用信号在两个异步收发机( Transceiver)之间往返的飞行时间来测量节点间的距离。

TOF应用

常见的电磁波的 ToF 主要有下面两种,一种是基于 ToF 的 3D 相机,另外就与基于高频的 ToF 的测距。

ToF照相机

ToF 相机,也称为 3D 相机,可以通过红外作为光源,然后相机可以测距近距离目标的到相机的距离的点阵。有单点的,也有点阵的,目前市面上最高可以做到 320*240 的点阵。PMD 有一款 19K 的点阵相机,达到 160*120 点阵,每个点包括目标距离相机的距离数据。这样极大简化了系统的处理。下图为一个ToF 相机的图片。

UWB或 CSS测距

在 802.15.4a 规范中,有两个物理层可以使用,一个是 IR-UWB,一个是 CSS技术。目前都有对应的芯片提供。CSS 为德国的 Nanotron,IR-UWB 目前主要是爱尔兰的 Decawave 的 DW1000 芯片。这两种芯片支持都基于 ToF 的双向测距,下面就测距进行说明。

TWR(Two Way Range) 双向测距,有两种,一种是普通的双向测距方法,另外一种是对称双边双向测距。下面分别说明。

TWR

在这种模式下,取决于 Device B 从收到报文到 Ack 的时间差,若这个时间越长,会导致系统的精度也低。同时,Device A、B 的时钟精度有关,若两个时钟精度的偏差为 e A 和 e B ,则带来的误差为

从有图可以看出,若两个时钟的误差偏差为 10 个 PPM,处理时间为 100us,则误差达到 150cm。

SDSTWR对称双边双向测距 Symmetric double-sided two-way ranging (SDSTWR),示意图如下:

在这个系统中,误差和 t replyB 有关系,但没有那么大,而是

从中可以看出,若两边的时钟偏差为 10PPM,回复时间差为 100us,则误差不到 8cm,相对 150cm 有质的改善。

下图是华星智控基于TOF的超宽带定位基站和定位标签。

文章来源:北京华星智控,搜狐科技