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散斑结构光对单点线扫dToF的干扰影响分析
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2022-12-20 17:20:55来源: 中国机器视觉网

近年来,3D视觉技术快速发展,正逐步应用于各行各业。在实际应用中,同一场景下常有多台包含3D视觉模块的设备,甚至每台设备都含有不同技术路线的多个3D视觉模组,例如:服务机器人会同时使用结构光、dToF、iToF等3D视觉模组。不同设备上的3D模组存在相互干扰情况,多个设备在同一场景下同时工作,通常会出现对射和共射两种情况。如下图所示:

微信图片_20221220172222.png


我们以一台TX激光pulse功率1W、pulse重频1.5Mhz、pulse脉宽2ns、扫描频率20Hz的典型单点线扫dToF Lidar为例,假定干扰源为散斑结构光模组,其工作帧率为30fps,激光发射pulse脉宽2ms,pulse峰值光功率1W。

对射情况

假定单点线扫dToF模组和散斑结构光模组(干扰源)相对静止,且二者完全正对,散斑结构光的TX出光面在dToF的RX视场FOV范围内,那么在散斑结构光TX发光的时间段内,会对dToF RX形成稳定的干扰源,如下图各自TX发光的序列交叠处。

微信图片_20221220172233.png


由于一般散斑结构光的TX FOV要远大于单点线扫dToF RX的FOV,结构光SL TX的一部分光能量会被dToF的RX FOV完全收纳(例如1/50 W)。结合成像光学理论,dToF RX会对SL TX的出光面进行成像,而该出光面相当于圆形强光源,因此在dToF RX的sensor面上形成强圆形光斑干扰,且能量大于dToF TX自身的点斑,因为该点斑经过目标墙面漫反射后,只有有限的光能量被RX的入瞳所接收(远小于1/50 W)。如下图所示:

微信图片_20221220172235.png 


实际应用中,单点线扫dToF一般是旋转式扫描(例如270°,甚至360°),并非相对于散斑结构光模组静止。在其扫描一圈的过程中,会有一定的概率与结构光模组正对,且结构光模组恰好也在TX发光的脉冲时间段内。如下图所示:

微信图片_20221220172238.png


这种相遇且产生干扰的概率约为2/33,即与结构光模组的TX发光占空比相关。此处是理想计算,实际还有其他因素干扰,例如扫描角度270°与360°会有差别,携带散斑结构光的设备本身也在运动等。发生干扰时,单点线扫dToF所出的点云图中,局部角度区域会出现错误,该角度区域也与它自身的扫描频率有关。

共射情况

共射情况的分析相对更直观明了,假定如下图的场景,两个设备均正对白墙,且二者相对静止无运动,设备2的TX发光脉冲时间段内(即2ms内),散斑会先投射到白墙上,经过漫反射后,再被设备1的RX所接收。

微信图片_20221220172240.png


如上文所述,散斑结构光的TX/RX FOV一般远大于单点线扫dToF的TX/RX FOV,其投射出的散斑点在白墙上覆盖了大片区域,而设备1的RX只能“看”到局部区域,最终dToF RX sensor上接收到的图如下所示:

微信图片_20221220172243.png


注意设备1和设备2的TX峰值光功率都是假定1W,但此时设备2的1W功率是均摊在所有散斑点上(例如20000个),设备1的1W功率是集中在一个斑点上。因此它们同样经过白墙漫反射后,被设备1的dToF RX sensor接收,所成的图像中设备1自身的光斑亮度会远高于设备2的干扰光斑亮度,最终对设备1的测距效果影响甚微。此处分析还未考虑设备1的旋转运动以及设备2的运动,因此在共射情况下,散斑结构光对单点线扫dToF几乎无影响。