空间距离传感技术

智能手机中有一项技术，值得我们深入研究。当你在打电话的时候，脸部贴到屏幕上后，屏幕就会出现黑屏。当你离开后，屏幕又会自动解锁并恢复到亮屏状态。手机里的这个功能主要是为了防止接打电话时,脸部对手机屏幕进行误操作。而实现这一功能所依赖的关键部件就是距离传感技术。
实际上，距离传感技术应用范围很广泛，不单单是手机，航天、工业生产等都会使用，其中我们日常生活中的扫地机器人（3D-ToF，Time of Flight，时间飞行法，又称飞行时间法 3D 成像）也是这种技术。
而空间距离传感技术是一种全新的应用，是在距离传感技术基础之上，所拓展的一种新型技术应用，这种技术目前已经广泛应用于无人驾驶（汽车、飞机）等领域。

1、距离传感器-ToF技术解码
距离传感器泛指一切可以测量距离的传感器，具体指：

• 利用飞行时间（Flying Time）原理测量距离的传感器；
• 可以针对距离变化产生信号的传感器。
  距离传感器可以通过发射能像波速并被物体反射，计算波速发射到物体并被物体反射回来的时间来计算于物体之间的距离。
  这种成像技术通过向目标发射连续的特定波长的红外光线脉冲，通过特定传感器接收待测物体传回的光信号，计算光线往返的飞行时间或相位差得到待测物体的 3D 深度信息，ToF 相机的亮度图像可以通过模型迅速连接起来。
  常用的能力波束有：超声波、激光、红外光、雷达等。这种传感器的测量精度很高，可以精确测量距离。而针对距离变化产生信号的传感器原理和形式非常繁多，这类传感器并不要求对距离做出定量检测，只需要判断在设定的距离范围内是否有物体出现，如手机距离传感器。
  2、手机距离传感器
  能量发出能量波束，当这些波遇到物体时会很快的被反射回来，通过这种反射可以计算出障碍物或者目标的位置，这种测量方法叫做飞行时间法。
  
  3、距离传感器的种类及特点
  目前距离传感器根据其发射的能量波束的不同，通常分为超声波测距传感器、激光测距传感器、红外线测距传感器、24GHZ雷达传感器几种。
  3.1、超声波测距传感器
  超声波测距传感器即用超声波作为能量源测量距离的传感器，其使用比较迅速、方便、计算简单、一域做到实时控制等，并且在测量精度方面能达到工业使用的要求，因此移动机器人研制上也得到了广泛的应用。原理如下：
  超声波是一种震动频率暴雨声波的机械波，有换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性号、能够成为涉嫌而定向传播等特点。
  超声波对液体、固定的穿透本领很大，尤其在阳光不透明的固体中，它能够穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活物体能够产生多普勒效应。
  因此超声波检测被广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波测距传感器。
  

优点：

• 超声波对色彩和光照度不敏感。可用于识别透明漫反射性差的物体（如玻璃、抛光体等）
• 超声波对外界光线和电磁场不敏感。可用于黑暗、有灰尘、或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。
• 超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、一域小型化和集成化。

3.2、激光测距传感器
激光测距传感器是以机关器作为光源进行测距。根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距；氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作与连续输出状态，用于相位式激光测距。
激光测距仪由于机关的单色性好、方向性强等特点，加上电子线半导体化集成，与广电测距相比，不仅可以日夜作业、而且提高测距精度，显著减少重量和功耗，使测量到人造地球卫星、月球等远距离目标的距离变成现实。原理如下：
激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标发射后激光向个方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。
雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能够监测及其微弱的光信号。记录并处理从脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

如果光以光速C在空气中传播A、B两点见往返一次所需要的时间为T，则A、B两地间举例D可用下列表示：D=CT/2，公式中：
D：测量A、B亮点间的距离
C：光速
T：光往返A、B两点一次所需求的时间
由上述公式可知，测量光传播的时间T就可以测量A、B距离。
优点：

• 测量范围广、响应速度快
• 远距离测量无需反光板
• 测量精度高
• 905纳米安全激光对人眼无伤害
• 体积小安装调试方便
• 在线式连续测量达到无人值守连续监测

3.3、红外线测距传感器
红外测距传感器是用红外线为介质的测量系统，按探测机理可分为光子探测器和热探测器。红外传感器技术已经子啊现代科技、国防和工农业等领域获得广泛的应用。原理如下：
红外测距传感器具有一对红外信号发送与接收二极管，利用红外测距传感器（如LDM301）发射出一束光束，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD图像处理接收发射与接收的时间差的数据。
经信号处理器处理后计算出物体的距离。这不仅可以使用于自然表面，可以用于加反射板。红外线测距测量距离远，具有很高的频率响应，适合恶劣的工业环境中。
优点：

• 远距离测量，在无反光板和反射率低的情况下能够测量较远的距离
• 有同步输入端，可多个传感器同步测量
• 测量范围广，响应时间短
• 外形设计紧凑，易于安装，便于操作。

3.4、雷达传感器
微波雷达传感器是一种可以将微波信号转换为一种电信号的转换装置，是雷达测速仪、水位计、汽车ACC辅助巡航系统、自动门感应器等的核心芯片。通过发射与接收频率为24.125HZ左右的微波来感应物体的存在，运动速度、静止举例、物体所处角度等，采用平面微带天线技术，具有体积小、集成化程度高、感应灵敏等特点。工作原理如下：
3.4.1、CW多普勒雷达传感器
将24GHZ选为发射频率，奎勇发送与接收信号的频率差，通过工时计算出物体运动的速度。经过参考信号与回波信号的混频，双通道传感器输出两个频率幅度相同，相位差为90度的中频信号IF1和IF2，根据90度相位引导的信号类型，可识别物体的运动方向（远离或靠近）
3.4.2、FMCW雷达传感器
如果要测量一个参数，如静态物体到传感器的距离，那么选用线性升坡或降坡作为发射频率的时间相关函数就足够了，并定期重复这些坡，以期望得到可能的平均值。根据延迟效应的计算公式可以得到物体的距离。
优点：

• 测量距离原理简单，制作方便，成本低
• 对雨、雪、雾等穿透力强，衰减少
  4、应用案例
  4.1红外距离传感器技术在监控摄像机应用
  可以实现各种检测功能，如入侵检测，通过视频分析还可以实现无数的其他应用程序，如无人看管的行李，违规停车，机动巡逻对象，围栏攀爬，交行，走错了方向。有些系统允许多个应用程序同时使用单一监视摄像机的输入。
  此外，入侵检测系统的可靠性发挥重要的作用。红外传感器，能实现基本的入侵检测，视频分析可以提供即时反馈系统状态，并打开篡改检测，轻松搞定房屋丈量与房屋验收。
  房屋丈量一直是房管部门既关心又费心的工作，房屋勘丈面积图是直接作为产权证的附图，具有法律效力。直接关系到老百姓的经济利益，所以房屋丈量误差的控制尤为显得重要。
  激光测距仪使用简便，测量数据精确（1.5毫米精度），工作效率提高（可非接触测量），完全抛弃了一根皮尺（或钢卷尺）丈量房屋的方法，减少勘丈误差，保证了面积量算精度，量算结果使业主更加信服。
  4.2全面用于汽车主动安全系统
  统计表明，70%～90%的交通事故是由于驾驶员操作失误造成的。在美国、日本等国家，消费者选购汽车的着眼点已把驾驶汽车的安全程度放在第一位。
  如果抛开驾驶的熟练程度和驾驶经验外，最有效的降低事故的方法就是让车具有碰撞报警或主动避撞功能。
  随着人们对交通安全的不断重视，推动了汽车前向碰撞报警系统、前向主动避撞系统、自适应巡航控制系统等先进车辆主动安全技术的飞速发展。
  上述系统的共同点是通过车用测距雷达测量主车与目标车之间的距离、相对速度以及相对方位角等信息，并将其传送给系统的控制单元。车用测距雷达俗称车用雷达，是实现汽车主动安全技术的关键技术之一，是当前智能交通、信号处理以及传感器工业的研究热点。

4.3美军阿特拉斯人形机器人脑袋装激光测距仪
由波士顿动力公司为美军研制的世界最先进人形机器人“阿特拉斯”日前亮相，这一机器人将来或许能像人一样在危险环境下进行救援工作。

“阿特拉斯”身高1.9米，体重150千克，由头部、躯干和四肢组成，像人类一样用双腿直立行走，令人联想起科幻电影中的“终结者”。它的脑袋包括立体照相机和一个激光测距仪。它的“双眼”是两个立体感应器，有两只灵巧的手，还能在实时遥控下穿越比较复杂的地形。它动力来至设置在一个场外的电源上。
波士顿动力公司发布在网上的最新视频展示了“阿特拉斯”的能力。比如，它在传送带上大步前进时，能躲开传送带上突然出现的木板；它从高处跳下时能稳稳落地，还能两腿分开从陷阱两边走过，然后跑上楼梯；它能单腿站立，被从侧面袭来的球撞击后不会摔倒……
4.4谷歌无人驾驶汽车
谷歌研发的无人驾驶汽车利用安装在汽车不同部位的摄像机、测距传感器、激光雷达等设备以及精确详细的导航地图，依靠计算机系统模拟人工智能实现无人驾驶。据谷歌介绍，已在测试中的无人驾驶汽车已自主安全行驶累计超过30万英里(约48万公里)。

其实不只是汽车，在手机、家用电器、可穿戴设备上，以及工业自动化领域，越来越多的距离传感器成为机器的“耳目”。即将给人们生活方式带来更大变化的物联网，其最核心的基础技术也是各种传感器。
有科学家预言，包括距离传感器在内的各个传感器，将像“人体的五官”一样，在未来充满各个领域和空间。

5、ToF技术和深度视觉技术区别
相比 3D 深度视觉其它两种方案（结构光与双目立体成像技术）而言， ToF 方案在实际应用中的优势显著。例如：在画面拍摄后计算景深时不需要进行后处理，既可避免延迟又可节省采用强大后处理系统带来的相关成本；ToF 测距规模弹性大，大多数情况下只需改变光源强度、光学视野以及发射器脉冲频率即可完成；由于具有不易受外界光干扰、体积小巧、响应速度快以及识别精度高等多重优势，使得 ToF 无论是在移动端还是车载等应用领域日渐成为 3D 视觉的首选技术方案。