自動駕駛背後的技術之光達LiDAR iToF vs dToF 誰更適合用在自動駕駛- 科普系列光達篇【中】

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上篇文章我們提到了光達背後的原理-iToF和dToF,今天我們就來比較一下兩者的優缺點和哪一種更適合用在自動駕駛,沒看過上篇文章的點這:

自動駕駛背後的技術之光達LiDAR 是如何計算深度?! ToF背後的原理 - 科普系列光達篇【上】

 

那如果各位在塞車的時候或是吃飯的時候想用聽的,可以看阿財下面這支影片喔~

 

iToF vs dToF

其實iToF vs dToF這個題目我相信大家在報章雜誌或是一些網站上有看到過,由於要比較這兩者需要從原理深入的剖悉,阿財盡可能的科普讓大家對這兩者有概念,首先兩者最大的差異是來自於接收端(sensor)的部分,有關發射端(projector)在下一期文章會給大家介紹目前常見的幾種光達發射器的形式,大家敬請期待!

 

iToF的感測器

目前iToF的接收端大多使用的是CMOS Image Sensor(CIS)技術,由於CMOS製成相對容易整合度也相對高,所以這類型的影像感測器就被大量發展,這也是為什麼大家會說iToF較dToF便宜的原因,那有了感測器之後,上篇文章講到iToF是計算發射光和反射光之間的相位延遲,那實際是如何操作呢?

這邊我引用Sony的IMX556感測器所使用的Current Assisted Photonic Demodulator(CAPD)電流輔助光子調節器來和各位說明,如下圖:

 

自動駕駛背後的技術之光達LiDAR-iToF-vs-dToF-誰更適合用在自動駕駛--科普系列光達篇【中】-1

圖片來源:https://thinklucid.com/tech-briefs/sony-depthsense-how-it-works/

 

左邊的VCSEL是我們光達的發射端,右邊是接收端,發射端發射了一連串的訊號經過反射到接收端,大家看到接收端b1和b2就是CAPD光電二極管內部產生交流電壓,如此一來就會產生drift-field(飄移場),大家可以想成藉由電壓產生兩個閥門,圖裡面前5到光訊號往b1閥門,最後一個光訊號往b2閥門如此一來就可以將光訊號轉成電訊號,上圖的detection junction (b1)就是前5個光訊號產生的圖,而detection junction (b2)就是最後一個光訊號產生的圖,可以看到橘色(前5顆)的面積比較藍色(後1顆)的大,通過這兩個訊號,就可以計算出相位延遲。

 

iToF的優點

瞭解完感測器之後,我們就知道為什麼常常看到文章寫iToF比較便宜的原因,因為CMOS感測器技術工藝變比較成熟,可以使的感測器上的像素點較多,這樣可以提升我們3D建模的解析度,再來另一個優點就是iToF應用場景目前較適用於中短距離,主要原因在於精度的問題如下圖所示,因為不管用任何的感測器在量測相位延遲的時候都一定有誤差,所以為了減少誤差影響的量測結果,我們可以提高調變的頻率f,但根據公式,若f上升,那麼整體可以量測的距離就減小了,形成一個trade off,這也是為什麼iToF目前較適合使用在中短距離上

 

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iToF 距離和精度之間的關係

 

iToF的缺點

  • 前面我們講到iToF是使用CIS的感測器技術,所以第一個缺點也很明顯就是熱雜訊(thermal noise),熱雜訊大家想成就是,一般的室溫下對電子來說其實已經算高溫了,所以熱雜訊會造成明明我們沒有接收到反射光,但卻因為溫度高使電子被釋放出來,這些雜訊就有可能造成量測距離不連續或是有誤差產生
  •  第二個缺點就是,因為iToF是將接收到的光加起來再轉換成電訊號,那我們一般在使用上一定不可能避免掉環境的光線,不只是反射光,環境的光線也會打到我們的感測器上,而這種誤差隨著量測距離增加會更強,因為隨著距離反射光的強度也會下降,這樣就很難分出我們收到的訊號是反射光還是環境的光線了,這個問題雖然可以在感測器上鍍膜過濾掉發射端光線以外的波長但環境光中還是存在發射端的波長,這點很難完全過濾掉。
  • 第三個缺點是多路徑干擾,由於iToF是計算相位延遲,那我們高中有學過其實2pi(360°)和4pi(720°)理論上都能化簡成2pi(只是一個是走一圈回到原點,一個是走兩圈回到原點),這樣一來如下圖,我們假設調製頻率f是20MHz( 20×10^6),假設量測到的相位延遲是2pi計算出來距離就是7.5公尺,但我們沒辦法分辨2pi和4pi(15m)的差別,這時候就需要多個調製頻率,例如:同時打出10MHz和20MHz的調製光,這樣一來就會,假設測量同一個物體頻率20MHz量測到的相位差是2pi,但頻率10MHz量測到的相位差卻只有pi,這樣我們就可以降低多路徑干擾的問題,但還是有一些反射的路徑可能會同時滿足兩個頻率都是2pi,所以iToF上是很難根除多路徑干擾問題 

 

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iToF 多路徑干擾問題

 

dToF的感測器

那講完iToF的感測器之後,我們來聊聊dToF的感測器,上篇文章我們有提到dToF發射端使用的是脈衝光,由於脈衝光是在極短的時間內將能量瞬間釋放出來,所以使用CMOS類型需要將光的能量積分下的感測器顯然是不太合適的,於是dToF就使用大名鼎鼎的單光子雪崩二極管Single Photon Avalanche Diode (SPAD),由這個感測器的中文翻譯我們不難想像,SPAD就是在數光子,顧名思義就是只需要接收到單光子就能觸發產生電訊號,這樣就可以很好的測量到極短時間的脈衝光了,但也因為這個感測器非常靈敏的關係,可想而知製造上就相對於CMOS感測器複雜,最終成本就比較高。

 

dToF的優點

dToF的一大優點,大家一定有聽說就是較不易受環境光的影響,我相信看到這大家可能會有一點一頭霧水,SPAD這麼靈敏那環境光的光子也會進到感測器裡呀,為什麼反而比較不易受環境光的影響呢?

主要是因為我前面提到的dToF感測器是在數光子,通常dToF的發射端會發射很多個脈衝光,每一個脈衝光會有時間的間隔如下圖所示,假設我們要測量車子到行人之間的距離,即便我們在不同時間發射很多脈衝光出去,基本上反射回來的時間差要是一樣的(光行走的時間是差不多的),所以我們把所有收到的光子時間差都記錄下來並畫成直方圖,可以很明顯發現時間差0.1微秒(10^-6)的數量是最多的(紅色柱子),這也表示行人與車子的距離是15公尺,而其他我們統計出來的時間差就是雜訊或是經過多重反射後的結果,這也就是為什麼dToF不易受環境光的影響,而且也比較沒有iToF的多路徑問題(光經過多重反射走的時間會比較久如圖可能時間差就是0.25微秒)。

 

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dToF 數光子的方法

 

另一個優點就是dToF適合檢測長距離的物件,由於脈衝光能量集中且SPAD計算的方式又是以數光子的形式,根據測量距離公式我們就可以知道,只要時間差可以測準,dToF測量精度並不會隨著距離增加而變差,這也是為什麼dToF的方法比較適合自動駕駛所使用

 

dToF的缺點

  • dToF的缺點很明顯,就是在SPAD的製造難度上,尤其我們知道光速是極快的,也就是說要測量一個近距離的物體,光行走的時間是極短的,所以我們的感測器就必須極為靈敏,目前能做SPAD的廠商也很少,這導致成本較iToF高很多
  • 第二個缺點就是感測器的解析度,這邊大家可以想成同時能夠接收多少訊號的量,像我們傳統的CMOS感測器,由於製程難度較低,所以可以在同樣感測器大小底下塞入很多個像素點去感光,但SPAD目前製成難度高,所以同樣大小下只能塞比較少的像素點去接收光子,像素點越多深度資訊就抓得越連續也越精細。

 

下篇我們會來提到光達發射端藏有甚麼秘密,常常聽到電視上在說光達使用的雷射光波長是940nm又有聽說是1550nm,那目前光達應用在自動駕駛上常見的幾種形式又有哪些?大家敬請期待呦~

 

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