CN107003406A - 检测区的离散化 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于检测无扫描光学测距仪的检测区中的物体的方法和检测系统，该无扫描光学测距仪以脉冲飞行时间操作进行操作。该方法包括使光源脉动来用发射光束照亮该检测区；接收来自该检测区的反射，使用光学检测器采集该反射并生成反射信号；使该检测区离散以在该检测区内创造预定检测图案，该预定检测图案是规则、均匀和随机中的一者，该预定检测图案在该检测区内包括被动区域和离散主动检测区域；通过将该反射信号与背景信号比较变化来检测这些离散主动检测区域之一中的物体。

Description

检测区的离散化
技术领域
本发明涉及飞行时间检测系统和方法，更具体地涉及针对这样的系统和方法的检测区的离散化。
背景技术
直接观看平面表面会对飞行时间检测器提出问题，诸如广角LEDDARTM，因为同一表面位于距离检测器许多不同距离处。例如，对于以140°角直着向下看的、40英尺高处安装的检测器而言，检测正下方的地面位于40英尺远，而检测区的边缘上的点距离检测器大致120英尺远。这在图1中进行了示意性展示。
因此，关于进入检测区的物体相对于地面的反射乘以其占据的相对表面面积，仅能够辨别该物体。在一些应用中，使用常规方法，有待检测的物体与被照亮区之间的表面比使对物体的存在的检测变得复杂。
存在许多应用，在这些应用中，飞行时间检测器对于例如取决于诸如车辆、人、动物等物体的存在/不存在来启动或停用系统是有用。这样的存在受控系统包括内部和外部智能照明；室内气候控制/自动化；安全和监视(人、车辆等的存在/移动/位置)；汽车、卡车、火车和其他车辆(包括海运船舶、飞机、火车等)的以及具有可移位臂或部分的重型设备的障碍物与碰撞避免系统；陆地、海运、空中、轨道车辆的导航系统；固体和液体的液位与溶剂感测；物体、人和动物仿形；以及接近度检测。
在这些应用中，基于它们距离检测器的距离来辨别物体将是有用的。
发明内容
根据一个广义方面，提供了一种检测无扫描光学测距仪的检测区中的物体的方法，该无扫描光学测距仪以脉冲飞行时间操作运行。该方法包括使用发射光束来照亮该检测区；接收来自该检测区的反射并生成反射信号；使该检测区离散成多个离散照亮区域；通过将该反射信号与背景信号比较变化来检测这些离散照亮区域之一中的物体。
在一实施例中，通过使该发射光束成形为多条子光束以在该检测区中创造预定照明图案从而进行使该检测区离散，该图案是规则、均匀和随机图案中的一者，该图案在该检测区内包括未照亮区域和离散照亮区域。
在一个实施例中，通过使用于接收反射信号的光接收器件成形来遵循预定图案输出离散化反射信号来进行使该检测区离散，该图案是规则、均匀和随机图案中的一者。
在一个实施例中，使用发射光束照亮该检测区包括以恒定速率使光源脉动。
根据另一个广义方面，提供了一种检测无扫描光学测距仪的检测区中的物体的方法，该无扫描光学测距仪以脉冲飞行时间操作运行，该方法包括使光源脉动来用发射光束照亮该检测区；接收来自该检测区的反射，使用光学检测器采集该反射并生成反射信号；使该检测区离散以在该检测区内创造预定检测图案，该预定检测图案是规则、均匀和随机中的一者，该预定检测图案在该检测区内包括被动区域和离散主动检测区域；通过将该反射信号与背景信号比较变化来检测这些离散主动检测区域之一中的物体。
在一个实施例中，使该检测区离散包括使用所述光发射器件使该发射光束成形为多条子光束，这些离散检测区域是离散照亮区域，而这些被动区域是未照亮区域。
在一个实施例中，使该检测区离散包括使用光接收器件使该反射信号成形以遵循该预定图案输出离散化反射信号。
在一个实施例中，该预定图案是围绕预定点的同心环、规则安排的照亮斑点阵列和随机生成的照亮斑点图案中的一者。
在一个实施例中，使用发射光束照亮该检测区包括使用至少两个光源交替地照亮该检测区，使该发射光束成形包括使这至少两个光源生成的每条发射光束成形，该预定检测图案是通过将这至少两个光源的部分检测图案求和来创造的。
在一个实施例中，该方法进一步包括单独控制这至少两个光源中的每一者发射的功率以生成这些部分检测图案，由此创造受控检测灵敏度区，较高功率的部分检测图案与较高的检测灵敏度区相对应。
在一个实施例中，该方法进一步包括根据该反射信号与该背景信号的变化来估计该物体与该光学测距仪之间的距离。
在一个实施例中，该光源是发光二极管(LED)光源和激光二极管中的一者。
在一个实施例中，生成该反射信号包括使用光学检测器采集该反射。
在一个实施例中，该光学检测器是光电二极管。
在一个实施例中，该发射光束是可见发射光束与不可见发射光束中的一者，该可见发射光束是人类肉眼看得见的。
在一个实施例中，该物体是车辆、汽车、摩托车、卡车、自行车、骑自行车者、行人、动物、颗粒、气体和液体中的一者。
根据另一个广义方面，提供了一种检测无扫描光学测距仪的检测区中的物体的存在检测系统，该无扫描光学测距仪以脉冲飞行时间操作运行。该系统包括被适配成被脉动来用发射光束照亮该检测区的至少一个光源；用于接收并采集来自该检测区的反射并用于生成反射信号的光学检测器；用于使该检测区离散以在该检测区内创造预定检测图案的光发射器件和光接收器件中的至少一者，该预定检测图案是规则、均匀和随机中的一者，该预定检测图案在该检测区内包括被动区域和离散主动检测区域；与至少该光学检测器电子通信的处理器，该处理器编程有多个计算机可读指令，以用于通过将该反射信号与背景信号进行比较变化来检测该离散主动检测区域之一中的物体并且用于基于检测到该物体来输出信号。
在一个实施例中，该系统进一步包括用于使用至少两个光源交替地照亮该检测区的开关，该预定检测图案是通过将这至少两个光源的部分检测图案求和来创造的。
在一个实施例中，该系统进一步包括用于控制该发射光束的强度的至少一个功率控制器。
在一个实施例中，该处理器进一步用于根据该反射信号与该背景信号的变化来估计该物体与该光学测距仪之间的距离。
附图说明
因此已经概括描述了本发明的性质，现在将参考附图，以图示方式示出本发明的实例实施例，并且在附图中：
图1(现有技术)是在距离方面不能辨别物体的单个检测区的示意性表示；
图2是在距离方面可以辨别物体的离散区的示意性表示，该检测区带有离散检测环；
图3包括图3A、图3B、图3C、图3D和图3E，其中，图3A是具有光束成形光发射器件的存在检测硬件的实例部件的框图，图3B具有环境光驱动器的存在检测硬件的实例部件的框图，并且图3C是具有光束成形光接收器件的替代性存在检测硬件的实例部件的框图，并且图3D是具有光束成形光发射器件和光接收器件的另一个替代性存在检测硬件的实例部件的框图，并且图3E是具有多个光源的存在检测硬件的实例部件的框图；
图4是处理算法的实例步骤的流程图；
图5包括示出了同心环图案的图5A(侧视图)和图5B(底视图)；
图6是每个环的半扩散角的图形；
图7是每个环的环半径的图形；
图8是每个相继环对之间的高度间隙的图形；
图9包括示出了分别具有0.5m、1.5m和2m高度的物体的非合并同心环图案的覆盖范围的图9A、图9B和图9C以及是列出了非合并同心环图案(半径是传感器安装高度的3倍)的覆盖面积百分比的表的图9D；
图10包括示出了分别具有0.5m、1.5m和2m高度的物体的合并同心环图案的覆盖范围的图10A、图10B和图10C以及是列出了合并同心环图案(半径是传感器安装高度的3倍)的覆盖面积百分比的表的图10D；
图11示出了检测区上的均匀16×16斑点阵列图案的底视图；
图12包括示出了针对均匀16×16斑点图案生成的光束的图12A(倾斜视图)、图12B(底视图)和图12C(侧视图)；
图13包括示出了分别具有0.5m、1.5m和2m高度的物体的均匀16×16斑点图案覆盖范围的覆盖范围的图13A、图13B和图13C以及是列出了均匀16×16斑点阵列图案(具有是传感器安装高度的3倍的边大小的正方形区域)的覆盖面积百分比的表的图13D；
图14示出了检测区上的两个移位后的均匀16×16斑点阵列图案的底视图；
图15包括示出了分别具有0.5m、1.5m和2m高度的物体的两个移位后的均匀16×16斑点阵列图案覆盖范围的覆盖范围的图15A、图15B和图15C以及是列出了这两个移位后的均匀16×16斑点阵列图案的覆盖面积百分比的表的图15D；
图16示出了检测区上的随机256斑点图案的底视图；
图17包括示出了分别具有0.5m、1.5m和2m高度的物体的随机256斑点图案覆盖范围的覆盖范围的图17A、图17B和图17C以及是列出了这个随机256斑点图案的覆盖面积百分比的表的图17D；
图18是示出了针对环形离散化生成的光束的倾斜视图；
图19是示出了背景信号的强度vs非合并信号同心环图案的距离的图形；
图20包括图20A和图20B，这些图示出了来自非合并同心环图案的背景的信号变化的图形，在图20A中，物体以60.0度的半扩散角阻挡住该环，在图20B中，物体以75.5度半扩散角阻挡住该环；
图21包括图21A和图21B，这些图示出了来自非合并同心环图案的背景的信号绝对变化的图形，在图21A中，物体以60.0度的半扩散角阻挡住该环，在图21B中，物体以75.5度半扩散角阻挡住该环；
图22是示出了与背景相比的信号变化vs传感器的安装高度的图形；
图23是示出了覆盖36×36m面积的16×16斑点阵列图案的背景信号的强度vs距离的图形；
图24包括示出了来自16×16均匀斑点图案的背景的信号变化的图形的图24A和图24B，图24A呈现了概况，而图24B呈现了关于最小变化的细节；
图25包括图25A和图25B，这些图是当具有0.5m半径和1.5m高度的物体在图25A中位于距离传感器12m处和在图25B中距离传感器24m处时来自16×16斑点阵列图案的背景的信号绝对变化的图形；
图26包括图26A和图26B，这些图是当具有0.5m半径和1.5m高度的物体在图26A中位于距离传感器12m处和在图26B中距离传感器24m处时来自均匀照明的表面图案的背景的信号绝对变化的图形；
图27包括图27A和图27B，这些图是将当具有0.5m半径和1.5m高度的物体在图27A中位于距离传感器12m处和在图27B中距离传感器24m处时同心环与16×16斑点阵列图案的与背景相比的信号绝对变化进行比较的图形；
图28是表格，示出了非合并信号同心环与物体半径和高度为0.5m和1.5m的16×16斑点阵列图案(包括覆盖面积百分比和在12m与24m处的与背景相比的最大信号变化)的比较；
图29是简化的存在检测方法的主要步骤的流程图；并且
图30是简化的存在检测系统的主要部件的框图。
具体实施方式
本系统和方法允许将检测区离散成充分间隔开的不同区域以允许检测经过每个区的物体。使用图案来离散检测区。该概念可以用于要求在大的区域上检测物体(诸如车辆、汽车、摩托车、卡车、自行车、骑自行车者、行人、动物、颗粒、气体和液体)的许多应用中。
可以用于离散检测区的一个实例图案是同心环。这些环形成由不进行检测的被动区域分离开的多个离散主动检测区域。这可以例如在检测器直着向下看地面的情况下使用。使用环允许了覆盖检测区的整个周长，从而确保在区域的边缘没有盲点。图2示出了物体所位于的三个离散检测环。可以用其他图案来离散检测区。以下描述了一些其他实例图案。
离散化图案可以用两种可能的方式实现，即，通过使发射光束成形或通过光接收器件。被动区域因此是检测区的非照亮区域或在进行检测之前过滤掉的区域。使发射光束成形产生更复杂的最大照明效率。使光接收器件成形是简单的，但仅使用了小百分比照明功率来用于检测。其需要更多光来达到表面覆盖范围。使接收到的光成形就所述接收到的信号相对于背景的变化幅度而言呈现等效优点。
如将轻易理解的，取决于应用，光源可以发射人类肉眼可看见或看不见的光。在可见光用于在预期人流动的区域中检测存在的情况下，如果使发射光束成形以创造离散化图案，则该区域中的不规则和不寻常的照明图案是可见的。主动检测区域和被动区域对于过路人而言将会是明显的。因此即使能量效率没那么高效，也更喜欢使光接收器件成形，以适应使用者偏好。
以下是存在检测器的工作原理。传感器使光源脉动以照亮监测区。脉动光反射回到传感器并且由诸如光电二极管光学检测器采集。通过经将所接收到的信号与背景信号相比较来寻找所接收到的信号的变化，从而检测监测区中存在正在移动的物体。
在一个实施例中，使传感器发射的光成形为使得仅监测区的离散区域、主动检测区域被传感器照亮。换言之，通过使发射光束成形为多条子光束来在检测区中创造预定照明图案来产生检测区离散。覆盖区域的离散化增大了正在移动的物体与背景之间的表面比增大。当物体在主动检测区域内时，这引起更大的信号变化。换言之，发射图案的离散化允许显著增大监测区的大小并且维持信号变化足够大来使得传感器能够检测到。对信号变化的更高级分析允许测量传感器与物体之间的距离。
脉动光的形状可以采取若干图案之一。所选择的图案被设计成用于将当物体移入监测区时物体拦截光束的概率最大化。发射图案还可以适配于覆盖区域的形状。在此描述了发射光束形状的不同实例。对本技术领域的技术人员而言，其他发射图案形状将是明显的。
图3A示出了本系统的实例实施例的硬件部件的实例框图，其中，根据所要求的离散化图案来成形发射光束。在本实例实施例中，由LEDDARTM的存在检测系统300进行飞行时间检测。然而，相同的概念可以应用于任何现有检测系统。
硬件部件如下工作。对于用离散主动检测区域和被动区域覆盖监测区316的光图案发射而言，进行以下步骤。脉冲发生器306使LED光源308以恒定速率脉动。脉冲的宽度和发送至LED光源308的电流可以根据应用需要来加以调整。准直器310使LED光源308发射的光束变窄。光束成形器312使窄准直光束成形以便获得所期望的离散化发射图案。可以通过使用例如所谓的衍射光学元件来实现光束成形。衍射光学元件可以被视为借助于干涉和衍射操作来产生特定或任意光分布的一组微结构。这些微结构可以在熔凝石英、在其他玻璃类型中加以蚀刻或者在多种不同聚合物材料中作浮雕。光束扩展器314增大发射光束的扩散角，所以该发射光束能够覆盖大的区域。可以根据应用需要来调整光束扩展器放大比。离散化发射图案在监测区的表面上创造离散主动检测区域和被动区域。离散主动检测区域和被动区域实际上是LED光源308与监测区的表面之间的照亮与未照亮空间的容积。离散主动检测区域和被动区域的形状在距离光源308的不同距离处不同。
发送到监测区中的一些光朝存在检测器300被反射回去。聚焦透镜320使反射在监测区域318上的信号在光电二极管322的光敏表面上聚焦。光电二极管322将接收到的光子转换成电流。跨阻抗324将通过光电二极管322的电流的变化转换成电压。模数转换器(ADC)326将跨阻抗324输出的电压转换成离散数字。
现场可编程门阵列(FPGA)304控制LED脉冲发生器306以及来自ADC 326的光电二极管信号的采集。LED脉冲与信号采集机构同步。其实施过采样和将所接收到的信噪比最大化并增大采样分辨率的累积原理。美国专利号信号7,640,122中描述了采集机构和处理器执行的实例处理方面。所采集的信号被称为“踪迹”。踪迹是一系列ADC样本。每个样本的值对应于在给定时刻光电二极管所接收到的LED光的量，又称为计数。踪迹的形状由反射监测区中的LED发射的光的物体的形状和距离(包括监测区域的表面)决定。踪迹实际上是监测区中物体反射的总和。位于传感器附近的物体引起的反射将更早出现在踪迹中，而由于远处物体引起的反射将更迟出现。
微控制器302使系统的部件的操作同步。该微控制器还实施信号处理算法，该信号处理算法通过分析FPGA 304所提供的踪迹来检测监测区的变化。当检测到监测区中存在物体后，微控制器302发射存在信号328。
准直器310、光束成形器312和光束扩展器314的组合在本实例中因此用于使LED光源308发射的光束成形。其他光发射器件可以用于控制LED光源308来发射特定形状的光束以创造离散主动检测区域和被动区域。
如图3E中所示，系统300可以包括多个LED光源372、308，每个光源带有它们的光发射器件376、360以用于创造部分检测图案378、380。每个LED光源的光束发射可以通过现场可编程门阵列304来同步以交替地照亮检测区。接着通过对部分检测图案求和来创造预定检测图案。进一步能够使用功率控制器377、382单独控制每个光源372、308发射的功率来创造受控检测灵敏度区，较高功率部分检测图案对应于较高检测灵敏度区。功率控制器377、382可以例如是限制LED光源308、372中的电流的电子部件。可替代地，这个强度控制可以由光学部件执行。
图3B呈现了图3A中所示的系统与环境光驱动器350的交互。LEDDARTM的存在检测系统300可以向环境光驱动器350提供可选变暗命令。以其他方式，环境光驱动器350由LEDDARTM的存在检测系统300的检测输出进行控制。在本实例中，环境光驱动器350是监测区域中的环境光的控制器。
图3C示出了实例替代系统的主要部件的框图，其中，接收到的光束被根据所要求的离散化图案来成形。整个监测区域被照亮。在发射路线上省略了光束成形器312，并且多单元透镜319用于返回路线，以根据所要求的离散化图案使光束成形。多单元透镜319是若干个透镜的组件，该组件使监测区的特定离散点的反射光聚焦。多单元透镜319可以被可以用于根据离散化图案使从监测区反射回来的接收到的光束成形的其他光接收器件所替换。
图3D示出了另一个实例替代系统的主要部件的框图，其中，发射的光束和接收到的光束根据所要求的离散化图案来成形。光发射器件360使所发射的光束成形以创造覆盖监测区362的光图案。例如，光发射器件360可以包括光束成形器312和/或光束扩展器314。从监测区364回来的光接着通过光接收器件366加以成形。例如，光接收器件366可以包括多单元透镜319和/或聚焦透镜320。光发射器件360所执行的成形与光接收器件366所执行的成形相累积，由此创造整个离散化图案。这个组合方法在许多应用中是有用的，包括例如在用人类肉眼看得见的光来检测并且应使被动区域形成的廊道不那么明显的系统中。
图4中描述了可以编程到信号处理器中的信号处理算法400的实例步骤。处理器编程有计算机可读指令。使用低通滤波器402使踪迹信号平滑。这个步骤减轻了踪迹中的白噪声。通过在踪迹的每个样本的幅度上使用递归均值滤波器，自适应背景信号学习步骤404确定背景踪迹的形状。建立滤波器的截止频率，从而背景信号集中于踪迹的长期变化。从平滑踪迹上减去背景信号406。变化检测步骤408通过分析背景信号与当前踪迹之间的差来检测踪迹的变化。
变化检测器不是简单的阈值检测器；该变化检测器分析当前背景信号形状变化来最小化由于例如由外部安装中的风引起的传感器运动引起的错误检测。实际上，信号变化在踪迹中的位置洞悉物体与传感器之间的距离。此外，因为有待监测的区域离散成位于距离传感器不同距离处的多个区，所以当物体进入这些区之一时的信号变化的幅度增大。这些方面有助于高效且精确地检测区域中的物体。
光束图案设计
根据应用需要，可以创造具有离散主动检测区域和被动区域的不同离散化图案。以下是实例图案和每个实例图案的计算覆盖面积百分比。一般而言，该预定图案是围绕预定点的同心环、规则安排的照亮斑点阵列和随机生成的照亮斑点图案中的一者。
实例图案1.非合并信号同心环图案
这个实例发射图案由具有中心圆形区的若干个同心光环组成，如图5中所示。
参数h对应于传感器的安装高度，角θi是每个环的半扩散角，xi是沿环i的扩散路线光源与地面之间的距离(又称为光束长度)，vi是环i与i-1之间的高度间隙，α是环的角宽，并且外环具有半径rn。中心光束的扩散角表示为θ0。接收器模块具有仅一个光敏单元，并且选择接收器的视野，从而使其与外环的扩散角相适应。
使用基础三角学，能够建立：
ri＝h tan(θi) (2)
假设两个相继环之间的光束长度差由Δ＝xi-xi-1得出，尺寸xi由以下定义：
xi＝h+Δi (4)
外环的尺寸xn由以下得出：
满足方程(4)的最大环数目由以下得出：
对于第一图案实例，将安装参数建立成使得所接收到的信号由不同的脉冲(每个脉冲与环所返回的信号相对应)组成。本实例实施例中LEDDARTM的系统发射的脉冲的宽度为约40毫微秒(一半幅度时为20毫微秒)。在这个时间间隔期间，光行走12m。因此，从环i返回的光必须比环i-1的光多行走12m，以避免合并它们的返回信号。换言之，Δ必须被选择成大于或等于6m。
假设安装高度h是6m(20英尺)，则相继环之间的光束长度差Δ为6m，并且所期望的外环半径rn是安装高度的3倍，图6中示出了根据方程(1)计算的每个环的半扩散角。图7中示出了通过方程(2)得出的环半径。图8中示出了根据方程(3)计算的环之间的高度间隙。针对半径为0.5m和高度为0.5m(图9A)、高度为1.5m(图9B)和高度为2m(图9C)的物体，图9中示出了这个非合并同心环图案的覆盖范围。ar沙画影线填充区域对应于将检测到物体的区，即，离散主动检测区域。白色填充区域对应于盲区，即，不进行检测的被动区域。应注意，这些图形中省略了发射图案的中心光束。图9D总结了覆盖面积百分比。
实例图案2.合并信号同心环图案
第二实例图案是基于同心环概念，但每个环的光束长度不受限于避免返回信号合并(Δ可以被选择成小于6m)。本部分介绍的图案是通过考虑相继环之间的3m的光束长度差(代替6m)来定义的。再次针对半径为0.5m和高度为0.5m(图10A)、高度为1.5m(图10B)和高度为2m(图10C)的物体，图10中示出了图案覆盖范围。图10D中给出了半径是安装高度的3倍的半径时的覆盖面积百分比。图案覆盖范围较同一实例传感器安装的非合并同心环图案有改进之处。
实例图案3.均匀斑点阵列图案
第三实例发射图案是光束阵列，以这样的方式分布使得它们与地面的交集形成均匀的网格。图11示出了覆盖36×36m正方形区域的实例均匀16×16斑点阵列图案(2.4m的分辨率)。
假设传感器安装在6m的高度，图12A(倾斜视图)、图12B(底视图)和图12C(侧视图)呈现了发射光束以生成16×16斑点阵列图案。应注意，灰度级编码了给定点沿光束相对于地面的高度。
图13示出了高度为0.5m(图13A)、1.5m(图13B)和2m(图13C)并且半径为0.5m的物体的图案覆盖范围。ar沙画影线填充区域对应于将检测到物体的区，即，离散检测区域。白色填充区域对应于盲区，即，被动区域。
图13D中提供了关于图案覆盖范围的定量信息。应注意，在边长为传感器安装高度3倍的正方形区域中计算百分比。
实例图案4.两个位移后的均匀斑点阵列图案
使用朝两个方向位移分辨率的一半的两个16×16均匀斑点阵列构建第四实例图案。图14中示出了所得图案。
图15示出了高度为0.5m(图15A)、1.5m(图15B)和2m(图15C)并且半径为0.5m的物体的这个图案所覆盖的区域。
图15D中列出了关于这个图案的覆盖范围的定量信息。针对相同数目的光束，两个位移后的均匀斑点阵列图案具有比均匀图案更低的覆盖区域。
实例图案5.随机斑点图案
由随机分布的斑点阵列构建第五实例图案。使用均匀随机发生器选择斑点。使用最低距离标准来防止斑点聚集。图16中示出了具有256个斑点(与前一个实例的均匀16×16斑点阵列图案的斑点数目相同)的实例随机斑点图案。本实例使用斑点的均匀分布，但也可能示出斑点的密度变化的随机斑点图案。需要检测监测区域的特定子部分内的小物体的应用可以从这种密度变化策略中受益。实际上，代替增加整个监测区上的斑点数目和当物体进入监测区时剧烈减小与背景相比的信号变化幅度，当有用时，可以仅针对子部分增加斑点数目。还可以调整斑点的分布以最大化当物体在监测区内时物体与至少一条光束交叉的概率。
图17示出了半径为0.5m并且高度为0.5m(图17A)、1.5m(图17B)和2.0m(图17C)的物体的这个图案的覆盖区域。图17D总结了覆盖面积百分比。这个图案具有与均匀16×16斑点阵列大约相同的覆盖范围。然而，并没有物体可以移动而不拦截光束的预定廊道。那么，预期装备有这种图案的传感器的物体检测可靠性更大。
如将轻易理解的，有待检测的物体的尺寸将根据应用而不同。以上实例图案可根据应用需要而加以配置。在实例中，示出了具有0.5m半径和在0.5m与2m之间的高度的物体的检测结果。这些尺寸允许检测到大多数人。在一些实例中，使用2.4m的分辨率。为了增大检测到较小的正在移动的物体的概率，可以调整分辨率。可以使用更大量的光束(以创造更多的照亮斑点)和/或可以减小斑点之间的距离。
背景信号变化
环形图案
本部分介绍了对当物体与同心环图案中的给定环交叉时所接收到的信号相对于背景信号的变化的研究。使用以下方案计算背景信号。周期性地使生成图案的LED光源脉动。例如，在40毫微秒每个循环期间打开LED光源。环沿着其周界被离散成几百条小光束(假设环的厚度非常小)。图18中展示了环离散化。根据高斯函数对从每条单独的光束接收的信号建模，其中，平均值等同于光束的长度并且标准偏差等于1(以3西格玛，脉冲的宽度为6m)。对高斯函数的幅度加权重因数r-4，其中r是光束的长度。通过假设信号强度与距离的4次幂成反比来选择这个加权因数(从实际数据研究中获得)。可以使用其他加权因数。将光束的返回信号求和并且将结果归一化为一。图19示出了与以上实例图案1描述的非合并同心环图案相对应的背景信号的形状。如所预期的，背景信号具有不同的峰。每个峰与给定环照亮的地面所返回的信号相对应。峰幅度随着环的光束长度而减小。
使用与针对背景信号生成所介绍的非常类似的方法计算物体存在时返回信号的形状。以下是主要区别。物体阻挡的离散光束的长度更短(物体高度除以光束与地面的角度的正弦)。认为物体半径大于环厚度。地面与物体具有相同的反射率。返回信号没有归一化为一，而是使用与用于归一化背景信号的相同归一化因数来归一化返回信号。
图20A和图20B给出了针对不同的物体高度(从0.2m到2m)和宽度(0.1m到1m)的与背景相比的信号变化。图20A和图20B分别是在物体以60.0度和75.5度的半扩散角挡住环的一部分时获得的。
图21A和图21B突出显示了当宽度为0.5m并且高度为1.5m的物体挡住光束长度分别为12m和24m的环时的绝对信号变化。
当被挡住的环具有60.0度和75.5度的半扩散角(或光束长度为12m和24m)时，最大信号变化为0.0239和0.000668。当传感器的安装高度如图22中所示增大时，与背景相比的信号变化减小。当传感器安装在8m(26英尺)处时，当物体阻挡具有60.0度半扩散角的环时，最大信号变化为0.0154。
斑点阵列图案
针对斑点阵列图案进行相同的与背景相比的信号变化分析。以下是该过程的区别。在给定时刻，物体仅阻挡一条光束。物体半径比光束的大小大得多(这意味着整条光束被物体阻挡)。
图23示出了从覆盖36×36m区域的均匀16×16斑点阵列图案获得的背景信号。由于位于不同距离处的若干反射的总和，所以背景信号具有歪斜形状。图24A和图24B示出了最长光束被1.5-m高的物体阻挡住(最小)、最短光束被同一物体阻挡住(最大)、随机光束被同一物体阻挡住(随机)时的情形的背景信号变化。最大和最小变化幅度分别为0.300和0.00106。如之前所展示的，将通过增大传感器的安装高度来减小信号变化。
为了在共同基础上比较同心环vs斑点图案，图25A和图25B示出了当具有12m和24m长度的光束被1.5-m高的物体阻挡住时与背景相比的信号变化。最大变化幅度分别为0.0243和0.00136。在短光束长度情况下，斑点图案的信号变化幅度与针对环形图案观察到的类似。然而，在光束长度更高情况下，斑点阵列发射图案的信号变化变得显著更高。换言之，斑点阵列图案针对在此讨论的情况提供更好的检测可靠性。
均匀照亮表面
出于比较的目的，还例如针对正方形监测区域被均匀照亮的实例实施例确定背景信号变化。为了这样做，使用与分析环形图案的信号变化而介绍的相同方法。实际上，整个监测区被离散成彼此无限接近的无限小表面元素。每个表面元素被光束照亮。每个表面元素返回的信号被建模为高斯脉冲。脉冲峰位于与光束的长度相对应的距离处。对来自所有表面元素的信号求和并且将结果归一化为一。当监测区中存在物体时，该物体拦截给定数目的光束。修改这些光束的长度，这样引起背景信号的变化。再次，认为物体反射率与背景的反射率相同。物体的大小为1.5-m高×0.5-m宽。图26A和图26B示出了当被拦截的光束的平均长度为12m和24m时的与背景相比的信号变化。这个结果示出了信号变化比通过用环或斑点离散监测区域而观察到的变化小两个数量级。
实例图案的比较
在此详述的环和斑点阵列实例图案的优点和缺点如下。同心环图案具有以下优点。在传感器的离散距离处保证检测。峰在返回信号中与每个环相对应并且其具有良好的覆盖区域。其主要缺点是检测不到环之间存在的小物体。斑点阵列图案具有以下优点。通过在发射时阻挡/移除光束，图案能够容易修改成覆盖任何表面形状。其具有与背景相比的良好信号变化。其主要缺点是如果物体小或者如果图案的地面分辨率太低，则存在漏检测的风险。图27A和图27B给出了它们的背景信号根据距离的变化的比较。图28中对两个图案定量上进行了比较。
斑点阵列图案较环形具有若干优点。然而，使用16×16斑点阵列可以保证检测到半径为0.5m并且高度为1.5m的物体。为了克服这个缺点，可以增加斑点的数目。如将轻易理解的，检测系统设计师将选择适于应用的图案和图案参数。
为了最大化与背景相比的信号变化，可以将图案的生成分开在交替工作的多于一个二极管之间。可以使用多个光电二极管，每个光电二极管具有部分图案。通过使这些光电二极管交替脉动，随时间推移，将获得总覆盖范围，即使在每个单个照明情形下仅使用了部分图案也是如此。当每个部分图案覆盖较小的表面，但当物体进入检测区时相对于背景的信号变化增大。单独光源发射的功率还可以相对于另一个光源就发射的功率而言增大以便提高检测区的给定子区段中传感器的检测能力。还可能有用的是对有更大的光束长度的部分图案增大发射功率以便增大远处物体的与背景相比的信号变化。
简化的方法和系统
图29是简化的存在检测方法500的主要步骤的流程图。这些步骤如下：使至少一个光源脉动来照亮检测区502，接收来自检测区504的反射，使用至少一个光学检测器采集该反射并生成反射信号506，获得包括被动区域和离散主动检测区域的检测区的预定检测图案508，使检测区离散以创造预定检测图案510，获得检测区的背景信号512，将反射信号与背景信号进行变化比较514，检测离散主动检测区域之一中的物体516。可选地，还可以估计物体与光学测距仪之间的距离518。取决于应用，使用光发射器件和/或光接收器件来实施离散检测区的步骤。处理器执行将反射信号进行比较变化和检测物体的步骤。
图30是简化的存在检测系统600的主要部件的框图。系统的部件如下：被适配成脉动来用发射光束照亮检测区的光源602、用于接收并采集来自反射区的反射并用于生成反射信号的光学检测器606、用于离散检测区以在检测区中创造检测图案的光发射器件604和光接收器件608中的至少一者以及至少与光学检测器电通信的处理器610，该处理器编程有计算机可读指令以用于通过将反射信号与背景信号进行比较变化来检测离散主动检测区域之一中的物体并且用于基于检测到物体来输出信号。包括用于使用至少两个光源交替地照亮该检测区的开关612，该预定检测图案是通过将这至少两个光源的部分检测图案求和创造的。用于控制发射光束的强度的功率控制器614也是可选的。
上述实施例旨在仅是示例性的。因此，本发明的范围旨在仅由所附权利要求书限制。

Claims (19)

1.一种检测无扫描光学测距仪的检测区中的物体的方法，该无扫描光学测距仪以脉冲飞行时间操作运行，该方法包括：
使光源脉动来用发射光束照亮所述检测区；
从所述检测区接收反射，使用光学检测器采集所述反射并生成反射信号；
使用光发射器件和光接收器件中的至少一者使所述检测区离散以在所述检测区内创造预定检测图案，所述预定检测图案是规则、均匀和随机中的一者，所述预定检测图案在所述检测区内包括被动区域和离散主动检测区域；
将所述反射信号和背景信号输入值处理器中；
通过使用处理器将所述反射信号与背景信号比较变化来检测所述离散主动检测区域之一中的物体。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述离散所述检测区包括使用所述光发射器件使所述发射光束成形为多条子光束，所述离散检测区域是离散照亮区域，而所述被动区域是未照亮区域。
3.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其中，所述离散所述检测区包括使用所述光接收器件使所述反射信号成形以遵循所述预定图案输出离散化反射信号。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述预定图案是围绕预定点的同心环、规则安排的照亮斑点阵列和随机生成的照亮斑点图案中的一者。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述使用发射光束照亮所述检测区包括使用至少两个光源交替地照亮所述检测区，所述使所述发射光束成形包括使所述至少两个光源生成的每条发生光束成形，所述预定检测图案是通过将所述至少两个光源的部分检测图案求和创造的。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括单独控制所述至少两个光源中的每一者发射的功率以生成所述部分检测图案，由此创造受控检测灵敏度区，较高功率的部分检测图案与较高的检测灵敏度区相对应。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述光源是发光二极管(LED)光源和激光二极管中的一者。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述光学检测器是光电二极管。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述发射光束是可见发射光束与不可见发射光束中的一者，所述可见发射光束是人类肉眼看得见的。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述物体是车辆、汽车、摩托车、卡车、自行车、骑自行车者、行人、动物、颗粒、气体和液体中的一者。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，进一步包括根据所述反射信号与所述背景信号的所述变化来估计该物体与该光学测距仪之间的距离。
12.一种用于检测无扫描光学测距仪的检测区中的物体的存在检测系统，该无扫描光学测距仪以脉冲飞行时间操作进行操作，该系统包括：
被适配成脉动来用发射光束照亮所述检测区的至少一个光源；
用于接收并采集来自所述检测区的反射并用于生成反射信号的光学检测器；
用于使所述检测区离散以在所述检测区内创造预定检测图案的光发射器件和光接收器件中的至少一者，所述预定检测图案是规则、均匀和随机中的一者，所述预定检测图案在所述检测区内包括被动区域和离散主动检测区域；
与至少所述光学检测器电子通信的处理器，所述处理器编程有多个计算机可读指令，以用于通过将所述反射信号与背景信号进行比较变化来检测所述离散主动检测区域之一中的物体并且用于基于所述检测到所述物体来输出信号。
13.如权利要求12所述的存在检测系统，进一步包括用于使用至少两个光源来交替地照亮所述检测区的开关，所述预定检测图案是通过将所述至少两个光源的部分检测图案求和创造的。
14.如权利要求13所述的存在检测系统，进一步包括用于控制所述发射光束的强度的至少一个功率控制器。
15.如权利要求12至14中任一项所述的存在检测系统，其中，所述光源是发光二极管(LED)光源和激光二极管中的一者。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的存在检测系统，其中，所述光学检测器是光电二极管。
17.如权利要求12至16中任一项所述的存在检测系统，其中，所述发射光束是可见发射光束与不可见发射光束中的一者，所述可见发射光束是人类肉眼看得见的。
18.如权利要求12至17中任一项所述的存在检测系统，其中，所述物体是车辆、汽车、摩托车、卡车、自行车、骑自行车者、行人、动物、颗粒、气体和液体中的一者。
19.如权利要求12至18中任一项所述的存在检测系统，其中，所述处理器进一步用于根据所述反射信号与所述背景信号的所述变化来估计该物体与该光学测距仪之间的距离。
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