Время пролёта (time of flight, ToF)

Время пролёта (time of flight, ToF) — способ измерить расстояние по времени, за которое сигнал доходит до предмета и возвращается после отражения. Сигнал проходит путь дважды, поэтому:

где v — скорость сигнала, t — время от излучения до приёма эха.

Ультразвук. Скорость звука невелика, и время измеряется легко — миллисекунды. TI в даташите ультразвукового процессора PGA460 принимает скорость звука 343 м/с при комнатной температуре и даёт поправку на температуру воздуха:

Без поправки ошибка заметна: эхо через 5,83 мс при 20 °C — это 1,00 м, а при 0 °C — 0,965 м, разница 3,5 %. Поэтому точные ультразвуковые дальномеры измеряют и температуру — например, термистором.

Свет. Свет проходит метр туда и обратно примерно за 6,7 нс — такое время напрямую измерить трудно. Оптические датчики ToF поэтому чаще работают по фазе: излучатель модулируется, а приёмник измеряет сдвиг фазы отражённого сигнала. Так устроен аналоговый тракт TI OPT3101: внешний светодиод или лазер, внешний фотодиод, модуляция 10 МГц, 16-разрядный результат и до 4 тысяч измерений в секунду.

У фазового метода есть однозначная дальность — расстояние, на котором сдвиг фазы делает полный оборот. Для модуляции частотой f она равна c / (2f): при 10 МГц — 15 м, как и указано у OPT3101. Предмет на 16 м прибор примет за предмет на 1 м. TI решает это измерением на второй частоте модуляции — снятием неоднозначности.

ToF и триангуляция. Инфракрасные датчики Sharp меряют не время, а угол отражённого луча — это другой принцип, триангуляция. Сравнение обоих методов на практике — в статье о датчиках расстояния, другие датчики — в разделе «Датчики».