Time-of-Flight

Time-of-Flight (ToF, метод времени пролёта) — это группа методов измерения расстояния, основанных на определении времени, которое требуется сигналу (обычно световому, акустическому или радиочастотному) для прохождения пути от источника до объекта и обратно к приёмнику. Применяется в системах измерения дальности, трёхмерного сканирования, позиционирования и визуализации.

Принцип действия

Основой ToF-метода является прямая пропорциональная зависимость между расстоянием до объекта и временем задержки сигнала. Если известна скорость распространения сигнала в среде (например, скорость света в вакууме — 299 792 458 м/с, или скорость звука в воздухе — около 343 м/с при 20 °C), то расстояние \( R \) вычисляется по формуле:

\[ R = \frac{c \cdot t}{2} \]

где \( c \) — скорость распространения сигнала, \( t \) — полное время прохождения сигнала от источника до объекта и обратно. Деление на два необходимо, так как измеренное время включает путь туда и обратно.

В зависимости от типа сигнала различают:

Оптический ToF — использует лазерное или светодиодное излучение (обычно в ближнем инфракрасном диапазоне, 850–940 нм). Наиболее распространён в лидарах (LIDAR) и камерах глубины.
Акустический ToF — применяет ультразвуковые волны (частоты 20–400 кГц). Используется в гидролокаторах, медицинских ультразвуковых сканерах, некоторых системах парковки автомобилей.
Радиочастотный ToF — основан на радиоволнах (например, UWB — сверхширокополосные сигналы). Применяется в системах позиционирования внутри помещений, радарах.

Классификация методов ToF

По способу измерения времени

Прямой метод (dToF, direct ToF) — измеряется непосредственно время задержки между отправкой и приёмом короткого импульса. Требует высокоскоростной электроники для регистрации наносекундных интервалов. Используется в импульсных лидарах.
Фазовый метод (iToF, indirect ToF) — излучается непрерывный модулированный сигнал (обычно синусоидальный). Расстояние определяется по разности фаз между отправленным и отражённым сигналом. Позволяет измерять расстояния с субмиллиметровой точностью, но ограничен по дальности (обычно до 10–20 метров из-за неоднозначности фазы).
Метод на основе частотной модуляции (FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave) — частота излучения непрерывно изменяется по линейному закону. Расстояние вычисляется по разности частот отправленного и принятого сигнала. Применяется в радарах и некоторых лидарах.

По типу сенсора

Одноточечные ToF-датчики — измеряют расстояние до одной точки (например, лазерные дальномеры в строительстве).
Линейные сканеры — последовательно сканируют одну линию (используются в промышленных 3D-сканерах).
Матричные ToF-камеры — содержат массив пикселей, каждый из которых способен измерять время пролёта. Позволяют получать трёхмерные изображения (карты глубины) в реальном времени.

История развития

Первые практические применения ToF-метода относятся к радиолокации во время Второй мировой войны (1930–1940-е годы). В 1960-х годах с изобретением лазера появились оптические дальномеры. В 1970-х годах началось использование ультразвуковых ToF-датчиков в промышленности и медицине.

Массовое внедрение ToF-камер в потребительской электронике началось в 2010-х годах: в 2013 году компания Microsoft выпустила Kinect v2 (на основе ToF-технологии от компании PrimeSense), а в 2017 году Apple впервые установила ToF-датчик в лицевую камеру iPhone X (TrueDepth) для системы Face ID. В 2020-х годах ToF-сенсоры стали стандартными компонентами смартфонов, дронов, роботов-пылесосов и автомобильных систем помощи водителю.

Применение

Промышленность и робототехника

Автоматизация производства: измерение расстояний, контроль заполнения ёмкостей, обнаружение препятствий для промышленных роботов.
Логистика: автономные транспортные средства (AGV) используют ToF-сенсоры для навигации и предотвращения столкновений.
3D-сканирование: бесконтактное измерение геометрии объектов для контроля качества, реверс-инжиниринга, цифрового архивирования.

Потребительская электроника

Смартфоны: ToF-камеры применяются для улучшения автофокуса (лазерный автофокус), создания эффекта боке (размытия фона), измерения глубины для дополненной реальности (AR).
Игровые консоли: контроллеры движения (например, Kinect) используют ToF для отслеживания положения тела игрока.
Бытовая техника: роботы-пылесосы (например, Xiaomi, Roborock) оснащаются ToF-лидарами для построения карт помещений.

Автомобильная промышленность

Системы помощи водителю (ADAS): ToF-лидары используются для обнаружения препятствий, пешеходов, дорожных знаков на расстоянии до 200–300 метров.
Автономное вождение: комбинация ToF-лидаров, радаров и камер обеспечивает построение 3D-модели окружающей среды в реальном времени.
Системы кругового обзора: ToF-датчики парковки (ультразвуковые) измеряют расстояние до препятствий на малых скоростях.

Медицина

Ультразвуковая диагностика: акустический ToF лежит в основе всех ультразвуковых сканеров — время задержки эхо-сигналов используется для построения изображений внутренних органов.
Оптическая когерентная томография (ОКТ): метод, основанный на ToF-интерферометрии, позволяет получать срезы тканей с микронным разрешением.
Терапия: ToF-лазеры применяются в офтальмологии (коррекция зрения) и дерматологии (удаление татуировок, лазерная эпиляция).

Навигация и геодезия

Спутниковая навигация: системы GPS, ГЛОНАСС, Galileo используют ToF-метод для измерения расстояний до спутников (псевдодальности).
Лазерное сканирование (LIDAR): воздушное и наземное лазерное сканирование для создания цифровых моделей рельефа, карт лесов, археологических объектов.
Гидролокация: акустический ToF (сонары) применяется для картографирования морского дна, поиска затонувших объектов.

Безопасность и оборона

Радары: военные и гражданские радиолокационные станции (РЛС) используют ToF для обнаружения и сопровождения целей.
Системы охраны периметра: ToF-датчики (лазерные или ультразвуковые) фиксируют пересечение границ.
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА): ToF-сенсоры обеспечивают стабилизацию высоты, обход препятствий, посадку.

Преимущества и ограничения

Преимущества

Высокая точность: фазовые и FMCW-методы обеспечивают точность до долей миллиметра.
Быстродействие: ToF-камеры способны выдавать карты глубины с частотой до 60–120 кадров в секунду.
Независимость от текстуры объекта: в отличие от стереозрения, ToF работает на однородных поверхностях (стены, пол, небо).
Работа в условиях низкой освещённости: оптические ToF-сенсоры используют собственное излучение, поэтому не требуют внешнего освещения.

Ограничения

Влияние среды: дождь, туман, пыль, снег рассеивают свет и акустические волны, снижая дальность и точность.
Многолучевость: отражения от нескольких поверхностей (например, в углах комнаты) могут приводить к ошибкам измерения.
Ограничение по дальности: для фазовых ToF-камер максимальная дальность обычно не превышает 10–20 метров из-за неоднозначности фазы.
Энергопотребление: лазерные излучатели требуют значительных затрат энергии, особенно для импульсных методов с высокой мощностью.
Безопасность глаз: лазерное излучение высокой мощности может быть опасным для зрения, поэтому в потребительских устройствах используются лазеры класса 1 (безопасные при нормальной эксплуатации).

Интересные факты

Первый в мире коммерческий лидар на основе ToF был выпущен компанией Velodyne в 2005 году (модель HDL-64E) и использовался в проекте DARPA Grand Challenge.
В 2018 году компания Sony разработала ToF-сенсор IMX456 с разрешением 640×480 пикселей, который стал одним из самых массовых в смартфонах.
В 2020 году компания Apple представила лидарный сканер в iPad Pro, а затем в iPhone 12 Pro, что позволило улучшить работу AR-приложений и ночную съёмку.
Акустический ToF используется в эхолокации дельфинов и летучих мышей — эти животные способны определять расстояние до объектов с точностью до нескольких сантиметров.
В 2023 году компания Ouster (США) представила твердотельный лидар с дальностью до 1000 метров, основанный на ToF-методе.

Источники

Besl, P. J. (1988). Range Image Segmentation. Springer.
Lange, R., & Seitz, P. (2001). «Solid-state time-of-flight range camera». IEEE Journal of Quantum Electronics.
Oggier, T., et al. (2004). «An all-solid-state optical range camera for 3D real-time imaging». Proceedings of SPIE.
Foix, S., Alenya, G., & Torras, C. (2011). «Lock-in time-of-flight (ToF) cameras: A survey». IEEE Sensors Journal.
Horaud, R., Hansard, M., & Evangelidis, G. (2016). «An overview of depth cameras and range scanners based on time-of-flight technologies». Machine Vision and Applications.
Техническая документация компаний Sony, STMicroelectronics, Texas Instruments, Velodyne, Ouster.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →