UWB通信中TOF技术详解

1. 什么是ToF:

ToF: Time of flight. 飞行时间。当然这只是一种翻译的方法,其实ToF是一种测距的方法,通过测量超声波/微波/光等信号在发射器和反射器之间的“飞行时间”来计算出两者之间距离。

能够实现ToF测距的传感器就是ToF传感器。ToF传感器种类很多,使用较多的是通过红外或者激光进行测距的ToF传感器。

2. ToF的原理:

ToF传感器使用微小的发射器发射红外光或者激光,其中产生的光会从任何物体反弹并返回到传感器。根据光的发射与被物体反射后返回传感器之间的时间差,传感器可以测量物体与传感器之间的距离。

距离测量是UWB定位的第一步,双向测距是通过两个物体之间信号的飞行时间来计算距离,物体之间的距离可以用无线电波的速度和飞行时间相乘计算得到。    

上图所示为双向测距过程:     设备A作为测量距离的发起者发起测距请求,设备B作为响应者响应和侦听设备A发起的无线电消息。A给B发送一个无线电消息并记录它的发送时间戳t1,B收到信息后并在一个特定时时延treplyB 后发送一个回复给A,当A收到回复并记录一个接受时间戳t2后,再经过一个特定的时延treplyA 发送一个无线电消息给B并记录发送时间戳t3,最后B接收到信息并记录时间戳t4。 由于往返时间皆已知,则可以得到:

troundA  = treplyB + 2TOF = t2 - t1

troundB  = treplyA + 2TOF = t4 - t0

则信号的飞行时间为: TOF = (troundA - treplyA + troundB-treplyB)/4

3.ToF技术应用:

ToF 的精度取决于其脉冲持续时间

随着2020年苹果iPad Pro 的发布,采用了激光雷达扫描仪ToF 传感器 ,势必会带动ToF 在消费类电子应用的进一步爆发。目前消费电子中ToF 应用以手机为主,华为、三星已在前后摄都搭载ToF 摄像头,今年苹果机型有望也开始搭载ToF技术。

3D ToF技术在其他领域应用也开始逐步渗透,目前还是主要依赖头部终端厂商的推动,主要的应用领域包括以下场景:

ToF在消费类电子领域应用:(a)ToF体积小,在对于精度要求不高的场景下可以用于简单的人脸活体识别  (b)3D 感应人体关键部位,体感互动游戏  (c) 追踪手部位置和姿势,进行手势控制   (d) 构建三维信息,虚拟与真实环境进行交互

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