[论文解读] Frequency Domain TOF: Encoding Object Depth in Modulation Frequency

Achuta Kadambi, Vage Taamazyan+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Advanced Optical Sensing Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新型三维深度传感架构——频域飞行时间（FD-TOF），其通过光的调制频率而非相位偏移来编码物体距离。通过借鉴频域光学相干断层扫描（FD-OCT）的原理，FD-TOF能够在高频下实现鲁棒的深度估计，克服了传统基于相位的飞行时间传感器常见的相位折叠和多路径干扰问题，且已通过使用常规CCD/CMOS相机与调制光源成功验证了概念可行性。

ABSTRACT

Time of flight cameras may emerge as the 3-D sensor of choice. Today, time of flight sensors use phase-based sampling, where the phase delay between emitted and received, high-frequency signals encodes distance. In this paper, we present a new time of flight architecture that relies only on frequency---we refer to this technique as frequency-domain time of flight (FD-TOF). Inspired by optical coherence tomography (OCT), FD-TOF excels when frequency bandwidth is high. With the increasing frequency of TOF sensors, new challenges to time of flight sensing continue to emerge. At high frequencies, FD-TOF offers several potential benefits over phase-based time of flight methods.

研究动机与目标

• 为解决基于相位的飞行时间（TOF）传感器的局限性，特别是高调制频率下出现的相位折叠和多路径干扰敏感性问题。
• 探究是否可仅通过频域编码实现深度测量，从而摆脱对相位测量的依赖。
• 将频域光学相干断层扫描（FD-OCT）的理论框架适配至宏观尺度的TOF成像，以拓展其优势。
• 通过采用频域采样而非相位相关性，实现利用常规慢速相机进行高精度深度传感。
• 建立电子干涉与光学干涉之间的对偶性，提升高频下干涉仪深度传感的灵活性。

提出的方法

• 提出一种新型TOF架构，受FD-OCT启发，将深度编码在接收到的光信号的频率上，而非相位偏移上。
• 使用不同频率调制的光源，并在原始（时间）域中捕获回波信号，其中深度以信号的频率成分形式编码。
• 采用傅里叶分析从接收到的信号的频谱中提取深度，完全避免相位估计。
• 通过使用毫秒级曝光的CCD/CMOS相机验证了可行性，表明即使在慢速传感器下，采用频域编码也能实现纳秒级飞行时间测量精度。
• 通过使用10–30 MHz频段的硬件原型验证了核心概念，结果表明更长的光路会产生更高的频域信号分量。
• 依赖多个频率样本的音调估计，理论上至少需要三个频率，但在噪声环境下可能需要更多频率。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖相位偏移估计的情况下，准确测量飞行时间相机中的深度？
• RQ2 在高调制频率下，频域编码在多路径干扰和相位折叠方面的鲁棒性可提升到何种程度？
• RQ3 通过从基于相位的采样转向基于频率的采样，是否可行利用常规慢速相机实现高精度飞行时间传感？
• RQ4 在动态范围和抗噪能力方面，频域TOF架构与传统基于相位的TOF相比有何差异？
• RQ5 在信噪比有限的条件下，深度估计中频率采样的最优策略是什么？

主要发现

• FD-TOF成功地将深度编码在接收到的信号频率上，证明了相位测量并非飞行时间深度传感的必要条件。
• 原型实现证实，更长的光路会在原始域信号中产生更高频的分量，验证了核心的基于频率的编码原理。
• 在高频调制下（GHz–THz），FD-TOF可实现微米级深度分辨率，接近光学相干断层扫描的性能。
• 该方法对多路径干扰和相位折叠具有鲁棒性，因为频率估计对非线性失真比相位解缠更不敏感。
• 即使使用毫秒级曝光的常规CCD/CMOS相机，通过频域采样也能实现纳秒级飞行时间精度，从而实现低成本深度传感。
• 该技术通过将测量与高速相位采样解耦，实现了灵活的干涉测量，为高频电子干涉测量开辟了新途径。