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第1章 飞行时间（TOF）测距成像传感器的技术发展水平 1

1 引言 1

2 TOF相机的工作原理 3

2.1 TOF探测系统 3

2.2 TOF测量技术 3

3 时间分辨成像传感技术 4

4 结论 5

参考文献 6

第2章 基于5PAD的传感器 9

1 引言 9

2 SPAD的物理机制 10

3 CMOS SPAD设计 12

4 基于TCSPC的TOF相机系统 14

5 单光子同步探测 23

6 相位域△∑TOF成像 28

7 前景与展望 31

参考文献 32

第3章 基于电子学的30传感器 35

1 脉冲I-TOF 3D成像方法 35

1.1 工作原理 36

1.2 信号和噪声分析 37

2 案例研究1：采用完全差分3D像素的50×30像素阵列 38

2.1 传感器设计 38

2.2 电路分析 40

2.3 测量和未来展望 41

3 案例研究2：160×120双级像素阵列 43

3.1 传感器设计 43

3.2 电路分析 44

3.3 测试方案和测量结果 46

4 相关I-TOF的3D成像方法 49

4.1 传感器结构 50

4.2 信号和噪声分析 51

5 案例分析3：2×32双线TOF传感器 52

5.1 传感器电路 52

5.2 测试方案和测量结果 54

6 案例分析4：16×16像素阵列TOF传感器设计 56

6.1 传感器电路 56

6.2 测试设置和测量结果 58

7 讨论和比较 59

参考文献 60

第4章 基于像素光电混合器件的传感器 61

1 引言 61

2 基本工作原理 62

3 电荷域电光解调器 65

3.1 基于栅极结构的基本解调器 65

3.2 电流辅助解调器件 69

3.3 钉扎光电二极管解调器件 70

3.4 静态漂移电场解调器件 71

3.5 其他概念 73

4 像素结构 74

5 结论 76

参考文献 76

第5章 幅值调制连续波激光雷达中的混合像素和多路径干扰的认识和改进 76

1 引言 80

1.1 飞行时间测量技术 81

1.2 混合像素和多路径干扰的形成 84

2 混合像素和多路径干扰的模型 86

2.1 距离测量理论 86

2.2 混合像素建模 87

2.3 由于多个回波信号所产生的扰动 88

3 点扫描系统和探测方法 90

3.1 法线角和边缘长度探测 91

3.2 Adam的探测算法 91

3.3 基于分类的检测方法 92

3.4 空间非连续性误差的测量 92

4 全视场系统和恢复 93

4.1 使用场景纹理、结构光或正方形校准方法的散射恢复 94

4.2 采用空间域卷积方式的恢复方法 95

4.3 使用场景内部散射模型的恢复方法 97

4.4 通过表面参数模型的混合像素恢复方法 97

4.5 相关波形的反卷积／波形形状拟合方法 97

4.6 多频测量方法 99

5 结论 99

6 混合像素和多路径干扰的认识和理解 100

6.1 激光雷达调制技术 100

参考文献 100

第6章 30相机：误差、校准和定位 103

1 引言 103

2 几何模型 104

3 定位 106

3.1 基于标记物的定位 106

3.2 基于传感器的定位 107

3.3 数据驱动定位 107

4 误差来源 108

4.1 镜头畸变 109

4.2 与场景无关的距离测量误差物理模型 110

4.3 与焦平面位置相关的距离误差以及与振幅测量值相关的距离误差 111

4.4 内部散射 111

4.5 固定模式噪声 113

4.6 与积分时间相关的测量误差 113

4.7 相机预热误差 114

4.8 模糊间隔 115

4.9 目标空间中的多路径效应 116

5 系统校准 116

5.1 校准的目的 116

5.2 校准方法 117

5.3 自校准方法 117

5.4 模型理论和解决方案 119

6 总结 119

参考文献 120

第7章 用于建筑测绘的飞行时间测距相机 123

1 引言 123

2 TOF相机在建筑测绘中的分析应用 124

2.1 预校准和数据采集方法 126

2.2 入射角对距离测量的影响 126

2.3 目标物体反射率对距离测量的影响 128

2.4 文化遗产建筑测绘中的测试、数据处理、比较和结果 130

2.5 飞行时间测距相机在建筑装饰雕塑中的测绘和精度性能评估 131

2.6 两个窗户的数据采集和处理 133

2.7 用于断裂线提取的数字摄影测量多帧图像匹配方法 136

2.8 结果和讨论 139

3 结论 142

参考文献 143

第8章 飞行时间相机在环境辅助生活中的应用 146

1 引言 146

2 主动视觉在环境辅助生活情境中的优势 147

3 基于飞行时间相机的跌倒检测框架 150

3.1 硬件平台 150

3.2 相机安装设置 150

3.3 外部参数的自校准 152

3.4 背景建模，人体图像分割及跟踪 158

3.5 跌倒检测策略 159

3.6 模拟设置 160

3.7 实验结果 160

4 基于飞行时间相机的姿势识别框架 165

4.1 实验设置 167

4.2 拓扑方法 168

4.3 体积测量法 171

4.4 实验结果 172

5 讨论和结论 174

参考文献 177

第9章 飞行时间相机在室内定位与导航中的应用 179

1 引言 179

2 基于CityGML模型的室内定位 181

2.1 通过对象探测的房间识别 183

2.2 采用距离测量的精确定位 183

3 地图测绘和自身运动估计 183

3.1 传感器数据处理 183

3.2 地图测绘和自身运动估计 185

4 3D防撞 186

5 结论与展望 187

参考文献 188

第10章 飞行时间测距相机与立体视觉系统：比较与数据融合 191

1 立体视觉系统 191

1.1 立体视觉系统的基本几何原理 191

1.2 立体视觉算法 193

1.3 局部立体算法 194

1.4 全局立体视觉算法 195

1.5 半全局立体视觉算法 196

2 飞行时间相机与立体视觉系统的比较 197

2.1 基本测量参数 197

2.2 飞行时间相机和立体视觉系统的准确性、精确性和分辨率 198

2.3 实验比较 202

3 飞行时间相机和立体视觉系统的数据融合 204

3.1 采集系统的特性 205

3.2 局部融合算法 207

3.3 全局融合算法 209

3.4 半全局融合算法 209

4 结论 210

参考文献 211