干貨知識(shí) | TOF光電如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離復(fù)雜檢測(cè)場(chǎng)景的穩(wěn)定檢測(cè)？

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，光電傳感器作為重要的檢測(cè)工具，其性能的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性直接關(guān)系到生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

然而，傳統(tǒng)的反射型光電傳感器在檢測(cè)過(guò)程中往往受到被測(cè)物顏色、材質(zhì)、弧度及形狀的影響，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生誤檢。

為了解決這一問(wèn)題，明治的TOF（Time of Flight，飛行時(shí)間）光電傳感器，以其獨(dú)特的檢測(cè)原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)物顏色、材質(zhì)、弧度及形狀復(fù)雜條件檢測(cè)穩(wěn)定性的全面突破。

本期小明將從基礎(chǔ)原理出發(fā)，與大家深入探討TOF 光電傳感器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件穩(wěn)定檢測(cè)背后的奧秘。

TOF 光電基礎(chǔ)原理

基于TOF時(shí)間飛行測(cè)量原理的本質(zhì)優(yōu)勢(shì)：

TOF 光電傳感器通過(guò)精確測(cè)量光脈沖從發(fā)射到經(jīng)物體反射后被接收的飛行時(shí)間來(lái)確定到物體的距離，而非像一些傳統(tǒng)傳感器依賴物體對(duì)光的反射率、吸收率等光學(xué)特性來(lái)檢測(cè)物體。這一測(cè)量原理從根本上決定了其對(duì)被測(cè)物的顏色、材質(zhì)等屬性的不敏感性，只要物體能夠反射足夠的光信號(hào)讓傳感器接收到，使其能夠測(cè)量出光的飛行時(shí)間，就可以計(jì)算出距離信息

光傳播速度的恒定性：

在測(cè)量過(guò)程中，光在空氣中的傳播速度是一個(gè)恒定值，這是 TOF 光電傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量距離的重要基礎(chǔ)。無(wú)論被測(cè)物體的顏色、材質(zhì)、弧度和形狀如何變化，都不會(huì)影響光在空氣中的傳播速度，因此傳感器可以依據(jù)固定的光速和測(cè)量到的飛行時(shí)間來(lái)精確計(jì)算距離，而無(wú)需考慮物體自身特性對(duì)測(cè)量的干擾

1

復(fù)雜條件穩(wěn)定檢測(cè)

光傳播特性與傳感器接收的綜合性

光的散射和反射普遍性：

不同顏色的物體對(duì)光的吸收和反射比例雖有差異，但 TOF 光電傳感器發(fā)射的光脈沖在接觸到物體表面時(shí)，總會(huì)有一部分光被反射回來(lái)，只是反射光強(qiáng)有所不同。而傳感器本身具有一定的光強(qiáng)檢測(cè)范圍和靈敏度，能夠捕捉到這些反射光，進(jìn)而測(cè)量出飛行時(shí)間以確定距離。

例如，白色物體對(duì)光的反射率較高，反射光強(qiáng)相對(duì)較大；黑色物體對(duì)光的吸收較多，反射光強(qiáng)相對(duì)較小，但只要反射光強(qiáng)在傳感器的可檢測(cè)范圍內(nèi)，都不會(huì)影響距離測(cè)量結(jié)果

材質(zhì)對(duì)光傳播的有限影響：

不同材質(zhì)的物體，如金屬、塑料、木材等，對(duì)光的折射率、吸收率等光學(xué)特性不同，但這些差異主要影響光在物體內(nèi)部的傳播路徑和能量損耗，對(duì)于從物體表面反射回來(lái)的光，其在宏觀上依然能夠被 TOF 光電傳感器接收并用于測(cè)量飛行時(shí)間。

比如，金屬材質(zhì)對(duì)光的反射較強(qiáng)，而塑料材質(zhì)對(duì)光的吸收和散射相對(duì)較多，但無(wú)論哪種材質(zhì)，只要表面能夠?qū)⒐夥瓷浠貍鞲衅?，就不?huì)對(duì)距離測(cè)量產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響

弧度和多角度適應(yīng)性：

對(duì)于有弧度的物體，光照射到其表面后，反射光的方向會(huì)根據(jù)弧度而改變。但是 TOF 傳感器是基于飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量距離的，只要反射光能夠被探測(cè)器接收到，無(wú)論反射光的角度如何變化，都可以根據(jù)光脈沖的往返時(shí)間計(jì)算出距離。

例如，當(dāng)測(cè)量一個(gè)球形物體時(shí)，光脈沖照射到球面上不同位置會(huì)產(chǎn)生不同角度的反射光。但只要這些反射光能夠被傳感器的探測(cè)器接收，就可以準(zhǔn)確計(jì)算出傳感器到球面上該點(diǎn)的距離。這是因?yàn)?TOF 傳感器并不依賴于反射光的角度來(lái)確定距離，而是依賴于飛行時(shí)間。

形狀復(fù)雜程度的考慮：

對(duì)于形狀復(fù)雜的物體，如帶有凹槽或凸起的機(jī)械零件，光脈沖在其表面的反射情況會(huì)很復(fù)雜。但是 TOF 傳感器的探測(cè)器有一定的接收角度范圍，只要在這個(gè)范圍內(nèi)能夠接收到反射光，就可以計(jì)算距離。

以帶有多個(gè)凸起和凹槽的汽車零部件為例，光脈沖照射到不同的凸起和凹槽處會(huì)產(chǎn)生各種各樣的反射光方向。但 TOF 傳感器可以適應(yīng)這種復(fù)雜的反射情況，只要有反射光在探測(cè)器的接收范圍內(nèi)，就可以準(zhǔn)確測(cè)量傳感器到物體表面各點(diǎn)的距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)復(fù)雜形狀物體的距離測(cè)量。

由于 TOF 光電傳感器發(fā)射的光是以一定角度范圍擴(kuò)散出去的，當(dāng)遇到不同弧度和形狀的物體時(shí)，無(wú)論物體表面是平面、曲面還是復(fù)雜的不規(guī)則形狀，總會(huì)有部分光線能夠垂直或近似垂直地入射到物體表面并反射回來(lái)被傳感器接收，從而實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。即使對(duì)于一些具有復(fù)雜形狀和弧度的物體，如球形物體或彎曲的金屬部件，光線也能夠從不同角度入射并反射，傳感器可以接收到足夠的反射光來(lái)計(jì)算距離

2

復(fù)雜條件穩(wěn)定檢測(cè)

先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)與算法的優(yōu)化

背景抑制與干擾消除：

TOF 光電傳感器通常配備了先進(jìn)的信號(hào)處理電路和算法，能夠有效地抑制背景光干擾和去除噪聲信號(hào)。在復(fù)雜的環(huán)境光條件下，即使物體的顏色與背景光相近，傳感器也能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出由自身發(fā)射并經(jīng)物體反射回來(lái)的光信號(hào)，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，不受顏色因素的影響。例如，在強(qiáng)光照射的戶外環(huán)境中，傳感器可以通過(guò)濾波、調(diào)制等技術(shù)手段，將背景光的干擾降低到最低程度，確保測(cè)量的可靠性

數(shù)據(jù)融合與補(bǔ)償：

對(duì)于因物體材質(zhì)、弧度、形狀等因素導(dǎo)致的光反射特性變化，傳感器可以通過(guò)對(duì)多次測(cè)量數(shù)據(jù)的融合和補(bǔ)償處理，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。例如，對(duì)于表面不平整或具有弧度的物體，傳感器可以在不同位置和角度進(jìn)行多次測(cè)量，并通過(guò)算法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和處理，得到更準(zhǔn)確的距離信息，從而減小物體形狀和弧度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。通過(guò)數(shù)據(jù)融合和補(bǔ)償技術(shù)，傳感器能夠在不同的測(cè)量條件下保持較高的精度和穩(wěn)定性，適應(yīng)各種復(fù)雜的被測(cè)物體

為什么TOF光電可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)？

甚至長(zhǎng)達(dá)100米？

在工業(yè)自動(dòng)化、智能安防以及自動(dòng)駕駛等前沿領(lǐng)域，對(duì)目標(biāo)物體精準(zhǔn)、遠(yuǎn)距離探測(cè)的需求日益旺盛。TOF（Time-of-Flight）光電傳感器憑借獨(dú)特的測(cè)距原理嶄露頭角，是備受信賴的傳感技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)被用于明治的激光雷達(dá)、測(cè)距光電中。

↑明治的TOF技術(shù)產(chǎn)品

TOF 光電傳感器遠(yuǎn)距離檢測(cè)技術(shù)征程布滿挑戰(zhàn)，從光源、探測(cè)器硬件打磨，到算法、信號(hào)處理軟件雕琢，每一環(huán)節(jié)精細(xì)鉆研鑄就當(dāng)下成果；在工業(yè)多元場(chǎng)景已展非凡價(jià)值。未來(lái)，隨跨領(lǐng)域技術(shù)融合與硬件持續(xù)革新，TOF 傳感器必將突破更多距離瓶頸，解鎖未知應(yīng)用可能，深度嵌入工業(yè) 4.0 與智能生活肌理，持續(xù)賦能全球科技產(chǎn)業(yè)革新。

接下來(lái)小明將與大家深入探討TOF 光電傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)背后的技術(shù)細(xì)節(jié)，從基礎(chǔ)原理出發(fā)，拆解關(guān)鍵技術(shù)要素，分析現(xiàn)存挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略，提供全面且深入的技術(shù)參考。

3

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)的關(guān)鍵

一、光源系統(tǒng)優(yōu)化

光源是 TOF 傳感器 “動(dòng)力心臟”，發(fā)光強(qiáng)度、光束質(zhì)量直接關(guān)聯(lián)檢測(cè)距離。TOF傳感器采用高質(zhì)量的激光光源，能夠發(fā)射穩(wěn)定、高強(qiáng)度的激光脈沖。同時(shí)，傳感器配備高靈敏度的接收器，能夠準(zhǔn)確捕捉反射回來(lái)的光脈沖。通過(guò)優(yōu)化激光發(fā)射和接收系統(tǒng)的性能，可以顯著提高測(cè)量的精度和可靠性。

二、 精密時(shí)間測(cè)量技術(shù)

時(shí)間測(cè)量精度是 TOF 測(cè)距精度 “壓艙石”。傳統(tǒng)計(jì)數(shù)器難以滿足高精度需求，現(xiàn)多采用高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），基于門延遲鏈、鎖相環(huán)等架構(gòu)，能將計(jì)時(shí)分辨率推至皮秒級(jí)。在激光雷達(dá)用 TOF 傳感器，TDC 精確測(cè)量納秒級(jí)光往返時(shí)間，換算距離誤差縮至毫米級(jí)；部分前沿設(shè)計(jì)融合現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），借助其并行處理、高速邏輯運(yùn)算優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)校準(zhǔn) TDC，消除時(shí)鐘抖動(dòng)、溫度漂移影響，穩(wěn)固長(zhǎng)距測(cè)量精度 “基線”。

三、智能信號(hào)處理算法

原始反射光信號(hào)夾雜噪聲、多徑干擾，算法如 “濾網(wǎng)” 提純信號(hào)。TOF傳感器內(nèi)置先進(jìn)的信號(hào)處理算法，能夠精確計(jì)算光脈沖的飛行時(shí)間。算法通過(guò)對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行快速處理和分析，能夠?qū)崟r(shí)提供被測(cè)物體的距離數(shù)據(jù)。同時(shí)，算法還能夠有效濾除外部干擾信號(hào)，提高測(cè)量的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

動(dòng)態(tài)閾值算法依環(huán)境光強(qiáng)實(shí)時(shí)調(diào)信號(hào)接收閾值，強(qiáng)光環(huán)境提閾值篩除噪聲，弱光下降閾值防漏檢；多徑干擾消除算法借助深度學(xué)習(xí)模型，學(xué)習(xí)不同場(chǎng)景反射光時(shí)空特征，區(qū)分目標(biāo)直達(dá)光與環(huán)境雜散光、二次反射光，修正測(cè)距結(jié)果。

工業(yè)測(cè)距中，智能算法助力 TOF 傳感器在復(fù)雜廠房車間，精準(zhǔn)鎖定十幾米外運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件，無(wú)視金屬表面反光、粉塵散射干擾。

綜上所述，TOF光電傳感器以其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用前景，正逐步成為工業(yè)自動(dòng)化和智能化領(lǐng)域不可或缺的重要工具。它不僅能夠克服被測(cè)物顏色、材質(zhì)、弧度、形狀等特性的影響，提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)量結(jié)果，還具備高精度、長(zhǎng)距離測(cè)量、快速響應(yīng)和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，為各種復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景提供了強(qiáng)有力的支持。