CN107003408A - 距离测量设备及确定距离的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定距离测量设备(1)与物体(9)之间的距离的方法，所述方法包括：a)用至少一个持续时间为Tp，s的短光脉冲(23)照射物体(9)；b)用多个持续时间为Tp，l的长光脉冲(24)照射物体(9)；c)在集成门(21)结束时输出信号值Uref，其中短光脉冲(23)的发射开始时间点与Δs之间的不变延迟使得Δtof和Δtof+Tp，s在Δs和Δe之间，其中，Δtof是短光脉冲到达光元件时的第一时间点，Δs是集成开始时间点，Δe是集成结束时间点；d)在长光脉冲(19，24)的发射开始时间点与集成门(21)之间具有针对每个长光脉冲(24)的各自可变延迟τ的情况下根据到达光元件(3)的光的强度和Δs形成卷积函数fc:＝U(τ)，其中所述可变延迟彼此不同以形成所述卷积函数；e)识别卷积函数中对应于Uref的延迟τc；f)通过使用在步骤e)中识别的卷积函数中的延迟τc来计算距离。

Description

距离测量设备及确定距离的方法
技术领域
本发明涉及一种距离测量设备及用该距离测量设备确定距离的方法。
背景技术
距离可以通过光学方法在测量设备和物体之间被测量，而不需要在测量设备和物体之间产生物理接触。在这些方法中，物体被测量设备照射，然后，从所述物体反射的光被该测量设备的光检测器捕获。
距离可以通过例如周期性地调制从所述设备发射的光强并通过测量发射光和到达检测器的背面反射光(back reflected light)之间的相位差来确定。然而，由于光强的周期性，这种方法导致了模糊的距离测量。通过测量光的发射与背面反射光到达检测器之间的飞行时间，可以确定明确的距离测量。
通过测量光的性质，特别是作为时间函数的强度，来进行传统的距离测量。然后处理所述性质与时间的图形以获得飞行时间。这种处理可能在计算上是复杂的，因此可能需要很长的时间来执行。如果距离测量需要很长的时间来执行，这可能导致进行距离测量的重复频率(repetition rate)降低。
传统距离测量的精度受到利用其测量光的性质的时间步长的大小的限制。而且，对于传统的距离测量，物体的不同反射率也可导致所述图形的不同形状。当处理不同的图形时，这可以导致不同的距离，使得距离取决于物体的反射率，这进一步降低了传统距离测量的精度。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种距离测量设备及用该距离测量设备测量距离的方法，其中，所述距离测量操作简便且能同时保持精度。
根据本发明的用于测量距离测量设备和物体之间的距离的距离测量设备包括：光源，适于用不同持续时间的光脉冲照射物体；至少一个光元件(photo element)，适于捕获从物体背面反射后的光脉冲；触发发生器，用于控制光脉冲的发射以及用于在集成开始时间点为Δs和集成结束时间点为Δe的时间集成门(temporal integration gate)期间激活所述光元件，其中，所述光元件适于在所述集成门结束时输出信号值U，该信号值U取决于在所述光元件激活期间到达所述光元件的光的能量，并且其中触发发生器存储触发方案以用于激活光元件和控制光脉冲的发射，使得持续时间为Tp，s的至少一个短光脉冲和具有长于Tp，s的持续时间Tp，l的多个长光脉冲被发射，使得短光脉冲的发射开始时间点与集成门之间的不变延迟能使得Δtof和Δtof+Tp，s位于Δs和Δe之间来输出参考信号值Uref，其中Δtof是光脉冲到达光元件时的第一时间点，并且使得对于每个长光脉冲而言，长光脉冲的发射开始时间点与所述集成门之间的各自的可变延迟τ能使得可变延迟τ彼此不同以便根据到达光元件的光的强度和集成门形成卷积函数fc:＝U(τ)；以及处理单元，适于识别卷积函数中与Uref相对应的延迟τc并使用τc来计算距离。
根据本发明的用于通过距离测量设备确定距离测量设备与物体之间的距离的方法包括以下步骤：a)用持续时间为Tp，s的至少一个短光脉冲照射物体；b)用持续时间为Tp，l的多个长光脉冲照射物体；c)在集成门结束时输出信号值Uref，其中短光脉冲的发射开始时间点与集成门之间的不变延迟使得Δtof和Δtof+Tp，s在Δs和Δe之间；d)在在长光脉冲的发射开始时间点与所述集成门之间具有针对每个长光脉冲的各自可变延迟τ的情况下根据到达光元件的光的强度和集成门形成卷积函数fc:＝U(τ)，其中这些可变延迟彼此不同以形成卷积函数fc；e)识别卷积函数中对应于Uref的延迟τc；f)通过使用在步骤e)中识别的卷积函数中的延迟τc来计算距离。
所述卷积函数fc可以通过以下公式来描述：
其中I(t)是到达光元件的长光脉冲的光的强度，g(t)是时间集成门。对于集成门与到达光元件的长光脉冲之间没有重叠情况下的早期可变延迟τ而言，卷积函数具有静态值(stationary value)。一旦延迟τ足够长使得集成门和长光脉冲开始重叠，函数值就开始改变。卷积函数包括在集成门和长光脉冲具有最大重叠情况下的延迟τ处的极值。如果长光脉冲和集成门具有相同的持续时间，则卷积函数中的极值是单点，以及如果长光脉冲和集成门的持续时间的差异增加，则卷积函数中的极值是变的更宽的平台(plateau)。通过进一步根据极值增加延迟τ，函数值发展回到静态值。卷积函数fc中对应于参考信号值Uref的延迟τc是卷积函数fc和函数U＝Uref的交集。例如可以通过形成卷积函数fc的逆函数τ(U)并然后形成τc(Uref)来识别该交集，这是一种数学上的简单的方法。可替换地，可以通过在测量之前对卷积函数进行参数化并在从拟合的卷积函数和函数U＝Uref中分析地提取实际交集之前对测量数据进行拟合来识别该交集。通过执行拟合，可以评估测量数据点之间的时间步长，这提高了延迟τc的测量精度。通过获取τc的增加的精度，也可以获取针对距离的增加的精度。通过识别函数U＝Uref和卷积函数的交集，也可以实现物体的不同反射率的补偿。
在fc＝Uref时卷积函数具有两个延迟τc，也即极值两侧一边一个。能够想象仅在极值的一侧形成卷积函数并且仅识别一个延迟τc，或者能够想到在极值的两侧形成卷积函数并且识别两个延迟τc。如果两个延迟被识别，则可以计算针对每个延迟τc的距离，并且然后可以形成两个距离的平均值，这有利地增加了距离测量的精度。
为了相对于发射开始时间点来布置集成门，需要预先确定物体所处的距离范围。根据该距离范围可以选择不变延迟，使得对于该距离范围的所有可能距离而言，Δtof和Δtof+Tp，s都位于Δs和Δe之间。此外，可以选择不变延迟，使得形成卷积函数。
优选的，光源包括发光二极管、垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)和/或特别适用于在可见光和/或红外光谱区域内进行发射的激光器。距离测量设备优选地包括具有图像增强器的CCD芯片和/或包括至少一个光元件的CMOS芯片。
优选的，触发方案适于控制光脉冲的发射，使得物体被短光脉冲和长光脉冲交替照射。由于短光脉冲用于参考信号值Uref，所以激光强度的可能的长时间漂移将以相同的方式影响卷积函数fc和Uref，使得长时间漂移将可以通过短光脉冲和长光脉冲交替来补偿。短光脉冲的数量与长光脉冲的数量之比优选为0.2～0.4。令人惊讶的是，实验结果表明，该比率能够得到距离的最高精度。
触发方案优选地适于控制光脉冲的发射，使得光脉冲的强度从发射开始时间点处的强度I1上升到高于I1的强度I2，并且分别在从发射开始时间点开始的持续时间Tp，s和Tp，l后回落到I1，其中Tp，s和Tp，l为数十纳秒的数量级。这里，卷积函数的极值是最大值。可替换地，触发方案优选地适于控制光脉冲的发射，使得光脉冲的强度从发射开始时间点处的强度I2降低到低于I2的强度I1，并且分别在从发射开始时间点开始的持续时间Tp，s和Tp，l之后回升至I2，其中Tp，s和Tp，l为数十纳秒的数量级。这里，卷积函数的极值是最小值。通过使用包含发射开始时间点处的强度下降的光脉冲，有利的是，能够使用距离测量设备来既测量距离又照射物体。物体的照射可以使得物体对于人眼或另一视觉系统而言变得可见。此外，不需要使用会干扰距离测量的附加照射系统，由此保证了距离测量的高精度。
优选的，在步骤a)和b)中，物体被短光脉冲和长光脉冲交替照射。短光脉冲的数量与长光脉冲的数量之比优选地为0.2～0.4。
优选地，在步骤d)中，卷积函数被拟合成信号值Un与可变延迟τ的曲线图，其中卷积函数fc特别包括线性函数。通过使用拟合，可以以任意的步长确定卷积函数fc，这有利地增加了距离测量的精度，并且与长光脉冲的发射开始时间点与集成门之间的不同延迟τ的数量无关。因此，也可以以任意的步长确定距离。由于卷积函数中对应于Uref的延迟τc被识别，所以有利的是足以仅将一个线性函数拟合到绘图上，这在计算上是简单的。如果例如卷积函数的极值被识别，则不是这种情况。为了识别极值，极值两侧上的各个线性函数必须被拟合到绘图中，并且必须计算两个线性函数的交集，这在计算上是困难的。
优选的，在步骤d)中，所述卷积函数fc通过以下方式形式：首先用粗略步长的不同可变延迟τ粗略形成粗略的卷积函数fc，粗略、随后在粗略的卷积函数fc，粗略中识别对应于Uref的粗略的延迟τc，粗略和与τc，粗略相邻的两个可变延迟τl，粗略和τr，粗略以及然后在τl，粗略和τr，粗略之间利用步长比粗略步长更短的精细步长形成卷积函数fc，来形成卷积函数fc。这提供了以高精度确定距离的有效方法。
光脉冲的强度优选地从强度I1升高到高于发射开始时间点处的I1的强度I2，并且分别在从发射开始时间点开始的持续时间Tp，s和Tp，l之后回落到I1，其中Tp，s和Tp，l为数十纳秒的数量级。可替换地，光脉冲的强度优选地从发射开始时间点处的强度I2下降到低于I2的强度I1，并且分别在从发射开始时间点开始的持续时间Tp，s和Tp，l之后回升到I2，其中Tp，s和Tp，l为数十纳秒的数量级。
优选的，在步骤e)中，多个参考信号值Uref的平均值，特别是所有信号值Uref的平均值被用于识别τc。这样就能得到高精度的信号值Uref，并因此对于距离来说也是高精度的。
附图说明
在下文中，基于示意图对本发明进行了说明。
图1示出了距离测量设备的横截面示意图；
图2示出了具有集成门和光脉冲强度的时间轮廓图；以及
图3示出了卷积函数的一部分。
具体实施方式
如图1所示，距离测量设备1包括光源2、光元件3、触发发生器4、存储单元5和处理单元6。光源2包括发光二极管、VCSEL(垂直腔面发射激光器)和/或激光器，其中，所述发光二极管、VCSEL和/或激光器适用于在可见光和/或红外光谱区域中进行发射。距离测量设备1包括具有图像增强器的CCD芯片和/或包括至少一个光元件3的CMOS芯片，其中CMOS芯片包括至少一个能够通过光电二极管被放电的电容器(condenser)。触发发生器4提供用于控制光源2的发射的激活信号12和用于在时间集成门21期间激活光元件3的激活信号13。通过打开图像增强器来激活CCD芯片且通过闭合所述电容器和所述光电二极管的电路中的开关来激活所述CMOS芯片，这样就能允许所述电容器通过所述光电二极管放电。光元件3适于在集成门21结束时输出信号值U，其中信号值U取决于在光元件激活期间到达光元件的光的能量。信号值U在读出操作14中被读出并存储在存储单元5中。存储单元5适于存储多个信号值U。所述多个信号值U之后可由处理单元6在处理操作15中被处理，以确定距离测量设备1和物体9之间的距离。
检测光学器8被布置在光元件3的前面，以使视野11成像到光元件3上。照明光学器7被布置在所述光源2的前面，以控制由光源2发射的光的形状使得照明区域10能够被所述光源2照射到。所述照明区域10和视野11被塑形，使得视野11基本上完全被照明区域10覆盖。所述距离测量设备1被调整，使得由光源2发射的光撞击到位于视野11内的物体9上并在从物体9反射后到达所述光元件3。所述照明光学器7和检测光学器8优选地是相应的透镜。也有可能将单个透镜既用于照明光学器7又用于检测光学器8。
在图2中，示出了三个时间轮廓图，其中强度16和门17相对于时间18绘制。第一时间轮廓图是发射的光脉冲19的强度与时间18的曲线图，第二时间轮廓时间图是到达光元件3的光脉冲20的强度相对于时间18的曲线图，以及第三时间轮廓图是集成门21相对于时间18的曲线图。触发发生器4控制光源2的发射，使得具有持续时间Tp，s的多个短光脉冲23和具有持续时间Tp，l的多个长光脉冲24被发射，其中Tp，s<Tp，l。图2中的光脉冲23，24使得能够在光脉冲23，24的发射开始时间点处将其强度从I1切换到I2，其中I2>I1。分别在从发射开始时间点开始的持续时间Tp，s和Tp，l之后，光脉冲23，24的强度被切换回到I1。在另一个实施例中，光脉冲23，24的强度在光脉冲23，24的发射开始时间点处从I2切换到I1，并分别在从发射开始时间点开始的持续时间Tp，s和Tp，l之后被切换回到I2，其中I2>I1。在这两个实施例中，I1和I2对于短光脉冲23和长光脉冲24而言分别是相同的。
图2示出了一个相应的短光脉冲23和一个相应的长光脉冲24被交替发射。在另一个优选实施例中，交替地发射一个相应的短光脉冲23和三个相应的连续长光脉冲24，使得短光脉冲23的数量与长光脉冲24的数量的比率为1/3。从图2可以看出，在从发射开始时间点开始的持续时间Δtof之后，光脉冲23，24开始到达光元件3。集成门21对于短光脉冲23的每个发射开始时间点而言具有不变的延迟，其中选择不变的延迟使得到达光元件3的短光脉冲23完全在集成门21内。集成门21对于长光脉冲24的每个发射开始时间点而言具有可变的延迟τ，其中可变的延迟τ是可变的使得卷积函数fc:＝U(τ)根据到达光元件3的长光脉冲20、24的光的强度和集成门21形成。卷积函数fc可以通过公式1被数学地描述。
在图2中，通过根据开始时间点22选择集成门21的不变的集成开始时间点Δs和集成结束时间点Δe以及通过选择长光脉冲24的发射开始时间点相对于开始时间点22的可变延迟Δn来改变可变延迟τ，其中，Δn是针对第n个光脉冲23，24的延迟，而且对于每个长光脉冲24而言Δn是不同的。可以想到的是，可以将从长光脉冲24的发射开始时间点到开始时间点22的延迟保持恒定，并且改变集成开始时间点Δs和集成结束时间点Δe。开始时间点22被选择使得其与先前的集成门21的Δs一致。但是也可以想到的是，可以为开始时间点22选择任何其他的时间点。
为了实现每个短光脉冲23完全在集成门21内，选择短光脉冲23的发射开始时间点相对于开始时间点22的不变延迟Δr，使得Δr+Δtof+Tp，s以及Δr+Δtof在Δs和Δe之间。此外，要求短光脉冲的持续时间Tp，s短于集成门21的持续时间|Δe-Δs|，也即Tp，s<|Δe-Δs|。集成门21的持续时间|Δs-Δe|对于短光脉冲23和长光脉冲24而言都是相同的。
图2中的阴影区域与在光元件3激活期间到达光元件3的光的能量成比例。确定作为在针对短光脉冲23的集成门21结束时输出的所有信号值的平均值的参考信号值Uref。对于每个长光脉冲24，确定相应的信号值U。
图3示出了卷积函数fc的形成以及如何评估卷积函数fc以便确定距离。为了形成图3的卷积函数fc，使用了根据图2所示的光脉冲23，24和集成门21。图4示出了在针对长光脉冲24的集成门21结束时确定的信号值U与可变延迟τ的曲线图。在该图中，仅针对与比延迟τ最大更短的延迟相对应的延迟τ来获取信号值U，其中τ最大对应于具有长光脉冲24和集成门21的最大重叠的延迟，并且对应于卷积函数fc的最大值。卷积函数fc包括被拟合成U与τ的曲线图的线性函数29。在拟合线性函数29之后，线性函数29中对应于Uref的延迟τc被识别。τc对应于线性函数29与函数U＝Uref的交集30。对于图3中的τc而言，τc+Tp，s＝Δtof+Tp，l，由此可得：
Δtof＝τc+Tp，s-Tp，l (公式2)
在针对与比延迟τ最大更长的延迟相对应的延迟τ来获取信号值U的情况下，τc+(Δe-Δs)＝Δtof+Tp，s，由此可得：
Δtof＝τc+(Δe-Δs)–Tp，s (公式3)
对于这两种情况，距离测量设备和物体之间的距离r可以由以下公式计算：
r＝0.5*c*Δtof (公式4)
其中c是在其中进行距离测量的介质中的光速。
可以想到的是，所述卷积函数fc通过以下方式形式：首先用粗略步长的不同可变延迟τ粗略形成粗略的卷积函数fc，粗略、随后在粗略的卷积函数fc，粗略中识别对应于Uref的粗略的延迟τc，粗略和与τc，粗略相邻的两个可变延迟τl，粗略和τr，粗略以及然后在τl，粗略和τr，粗略之间利用步长比粗略步长更短的精细步长形成卷积函数fc，来形成卷积函数fc。
参考标记列表
1 距离测量设备
2 光源
3 光元件
4 触发发生器
5 存储单元
6 处理单元
7 照射光学器
8 检测光学器
9 物体
10 照明区域
11 视野
12 用于光源的激活信号
13 用于光元件的激活信号
14 读出操作
15 处理操作
16 强度
17 门
18 时间
19 发射光脉冲的强度
20 到达光元件的光脉冲的强度
21 时间集成门
22 开始时间点
23 短光脉冲
24 长光脉冲
29 线性函数
30 交集
Δr 固定延迟
Δ0，Δ2，Δ4，Δ6 可变延迟
Δtof 飞行时间
Tp，s 短光脉冲的持续时间
Tp，l 长光脉冲的持续时间
Δs 集成开始时间点
Δe 集成结束时间点
U 信号值
Uref 参考信号值
I1 低强度
I2 高强度

Claims (15)

1.一种距离测量设备，用于测量所述距离测量设备(1)和物体(9)之间的距离，所述距离测量设备包括：
光源(2)，适于用具有不同持续时间的光脉冲(23，24)照射所述物体(9)；
至少一个光元件(3)，适于捕获从所述物体(9)背面反射之后的光脉冲(23，24)；
触发发生器(4)，用于控制所述光脉冲(23，24)的发射以及用于在集成开始时间点为Δs和集成结束时间点为Δe的时间集成门(21)期间激活所述光元件(3)，其中所述光元件(3)适于在所述集成门(21)结束时输出信号值U，该信号值U取决于在所述光元件(3)激活期间到达所述光元件(3)的光的能量，以及其中所述触发发生器(4)存储用于控制所述光脉冲(23，24)的发射并用于激活所述光元件(3)的触发方案，使得至少一个具有持续时间Tp，s的短光脉冲(23)和多个具有长于Tp，s的持续时间Tp，l的长光脉冲(24)被发射，使得所述短光脉冲(23)的发射开始时间点与所述集成门(21)之间的不变延迟能使得Δtof和Δtof+Tp，s在Δs和Δe之间来输出参考信号值Uref，其中Δtof是所述光脉冲(23)到达所述光元件(3)时的第一时间点，并且使得对于每个长光脉冲(24)而言所述长光脉冲(24)的发射开始时间点和所述集成门(21)之间的各自的可变延迟τ能使得所述可变延迟τ彼此不同以便根据到达所述光元件(3)的光的强度和所述集成门(21)形成卷积函数fc:＝U(τ)；以及
处理单元(6)，适于识别所述卷积函数中与Uref相对应的延迟τc，并且通过使用τc来计算所述距离。
2.根据权利要求1所述的距离测量设备，其中，所述光源(2)包括发光二极管、VCSEL和/或特别适用于在可见光和/或红外光谱区域中进行发射的激光器。
3.根据权利要求1或2所述的距离测量设备，其中，所述距离测量设备(1)包括具有图像增强器的CCD芯片和/或包括所述至少一个光元件(3)的CMOS芯片。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的距离测量设备，其中，所述触发方案适于控制所述光脉冲(23，24)的发射，使得所述物体(9)被所述短光脉冲(23)和所述长光脉冲(24)交替照射。
5.根据权利要求4所述的距离测量设备，其中，所述短光脉冲(23)的数量与所述长光脉冲(24)的数量之比为0.2～0.4。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的距离测量设备，其中，所述触发方案适于控制所述光脉冲的发射，使得所述光脉冲(23，24)的强度从所述发射开始时间点处的强度I1上升到高于I1的强度I2并且分别在从所述发射开始时间点开始的持续时间Tp，s和Tp，l后回落到I1，其中Tp，s和Tp，l为数十纳秒的数量级。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的距离测量设备，其中，所述触发方案适于控制所述光脉冲的发射，使得所述光脉冲(23，24)的强度从所述发射开始时间点处的强度I2降低到低于I2的强度I1并且分别在从所述发射开始时间点开始的持续时间Tp，s和Tp，l之后回升至I2，其中Tp，s和Tp，l为数十纳秒的数量级。
8.一种利用根据权利要求1至7中任一权利要求所述的距离测量设备(1)确定物体(9)与所述距离测量设备(1)之间的距离的方法，所述方法包括以下步骤：
a)用至少一个持续时间为Tp，s的短光脉冲(23)照射所述物体(9)；
b)用多个持续时间为Tp，l的长光脉冲(24)照射所述物体(9)；
c)在所述集成门(21)结束时输出信号值Uref，其中所述短光脉冲(23)的发射开始时间点与Δs之间的不变延迟使得Δtof和Δtof+Tp，s在Δs和Δe之间；
d)在在所述长光脉冲(24)的发射开始时间点与Δs之间具有针对每个长光脉冲(24)的各自可变延迟τ的情况下根据到达所述光元件(3)的光的强度和所述集成门(21)形成卷积函数fc:＝U(τ)，其中所述可变延迟彼此不同以形成所述卷积函数fc；
e)识别所述卷积函数中对应于Uref的延迟τc；
f)通过使用在步骤e)中识别的所述卷积函数中的延迟τc来计算所述距离。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在步骤a)和b)中，所述物体(9)被所述短光脉冲(23)和所述长光脉冲(24)交替照射。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述短光脉冲(23)的数量与所述长光脉冲(24)的数量之比为0.2～0.4。
11.根据权利要求8至10中任一权利要求所述的方法，其中，在步骤d)中，所述卷积函数被拟合成所述信号值Un与所述可变延迟τ的曲线图，其中所述卷积函数fc特别包括线性函数(29)。
12.根据权利要求8至11中任一权利要求所述的方法，其中，在步骤d)中，所述卷积函数fc通过以下方式形成：首先用粗略步长的不同可变延迟τ粗略形成粗略的卷积函数fc，粗略，随后在所述粗略的卷积函数fc，粗略中识别对应于Uref的粗略的延迟τc，粗略和与τc，粗略相邻的两个可变延迟τl，粗略和τr，粗略，并然后在τl，粗略和τr，粗略之间利用步长比所述粗略步长更短的精细步长形成所述卷积函数fc。
13.根据权利要求8至12中任一权利要求所述的方法，其中，所述光脉冲(23，24)的强度从所述发射开始时间点处的强度I1上升到高于I1的强度I2并且分别在从所述发射开始时间点开始的持续时间Tp，s和Tp，l后回落到I1，其中Tp，s和Tp，l为数十纳秒的数量级。
14.根据权利要求8至12中任一权利要求所述的方法，其中，所述光脉冲(23，24)的强度从所述发射开始时间点处的强度I2降低到低于I2的强度I1并且分别在从所述发射开始时间点开始的持续时间Tp，s和Tp，l之后回升至I2，其中Tp，s和Tp，l为数十纳秒的数量级。
15.根据权利要求8至14中任一权利要求所述的方法，其中，在步骤e)中，多个参考信号值Uref的平均值特别是所有所述信号值Uref的平均值被用于识别τc。
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