CN108427109A - 确定与对象的距离的设备和对应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定距对象(2)的距离的设备(1)，包括：发射设备(3)，用于发射信号；接收设备(4)，用于接收信号并产生检测信号；评估设备(5)，用于评估接收设备(4)的检测信号；以及控制设备(6)，用于控制评估设备(4)对接收设备(3)的检测信号的评估。此外，本发明涉及一种对应的方法。

Description

确定与对象的距离的设备和对应方法
技术领域
本发明涉及用于确定与对象的距离的设备。附加地，本发明涉及用于确定与对象的距离的方法。
背景技术
CMOS图像传感器提供了实时高速记录测量信号的有效方式。例如，这在时间关键系统中记录三维(3D)距离图像时是非常有利的。脉冲飞行时间(time-of-flight)方法和包括连续调制光的方法在此用于非接触式深度检测。测量例如由有源辐射源发射并从目标对象反射的红外激光的飞行时间。在此上下文中，这被称为光检测和测距(LIDAR)。
例如，应用领域涉及汽车行业(ADAS系统，自动驾驶)、航空电子设备、医疗技术或分析。在安全相关的系统中特别提出对可靠性的高要求。在紧急制动系统中，必须实时和可靠地检测与位于汽车前方的对象的距离。
例如，在汽车系统中必须处理的另一个难题是背景光的高动态性和强度。因此，例如，进入隧道时的强度在几分之一秒内变化几个数量级。这可以使用3D-CMOS图像传感器来处理。先前的CMOS距离测量方法能够以非常高的速率(高达几kfps)记录距离图像，这仅使得在汽车行业中的许多应用成为可能。
具有单光子雪崩二极管(SPAD)的现有3D传感器使用不同的测量原理。在间接方法中，与经典的光电二极管类似，入射光被积分，这在SPAD的情况下通过对入射光子进行计数来实现[1]。在直接方法中，通过电子定时器(时间数字转换器，TDC)检测发射光的飞行时间。这里的TDC在发射短激光脉冲时开始，在接收到目标对象反射的脉冲时停止。TDC停止随着在开始TDC之后传感器检测到第一个入射光子而发生[2]。在理想条件下，测量的时间对应于光飞行时间，并且可以利用距离d、光速c和测量时间t之间的关系：d＝c*t/2被直接转变成传感器与目标对象之间的距离。
在环境或背景光的影响下，反射的激光信号与背景光的重叠导致TDC因特定概率的背景光子而停止，导致错误地测量飞行时间。
基于扫描仪功能的系统已被开发用于高背景光。这里具有小孔径角的激光束在传感器的视野上移动，以便检测距一个或多个图像点或像素的距离。由于激光器光功率的空间集中，因此信号背景比(SBR)越高，系统的覆盖范围越高[3]。在[3]中，入射在像素中的光子的时间和空间相关性(被称为一致(或并发))另外用于背景光的附加抑制。由于仅在4ns或8ns的时间段内检测到至少两个光子(被称为一致深度和一致时间)的情况下停止TDC，因此可以减少由检测背景光子引起的错误的飞行时间测量。
这种方法的问题在于同时减少检测到反射激光信号的概率，这具体地导致以下问题：由于信号功率的距离依赖性引起的较远距离出现低光信号强度或者低反射率的对象出现低的光信号强度。在[3]中提出的系统中，当将反射率从100％降低到9％时，这示出了从大约100米变化到68米的范围减小。如果反射光衰减太多，则不再检测到激光脉冲并且不可能进行测量。为了能够测量远距离或低反射率，需要高SBR(信号对背景比)，这可以通过激光器的高功率密度来实现。
当使用一次照亮整个传感器视场的照明器(闪光激光雷达)时，由于人眼安全或有限的激光功率，通常无法实现高SBR，这就是系统范围减小的原因。
WO2010/149593A1描述了一种通过使光子检测概率(PDP)适应于背景光的强度来增加传感器的动态范围的方法。这允许通过增加PDP来检测弱信号。该方法提供了一种使用不同反射率测量距离的方法。然而，在改变PDP时，SBR保持不受影响，这就是无法针对所有反射率增大范围的原因。适配PDP是通过改变雪崩光电二极管(APD)的偏置来完成的。测量背景光强度是通过在特定时间段内对入射光子进行计数并随后将该计数与定义的阈值进行比较来执行的。在这种方法中，由于APD的击穿电压取决于温度，因此需要对偏置进行连续调节控制。
EP 2605034 B1描述了一种用于光学脉冲的飞行时间测量的设备，在该设备中设置了两个接收元件。在一个实现方式中，接收元件彼此紧密布置，使得它们能够一起接收光束。这里仅使用在预设的(或预定的)容限内的此类测量，此类测量在两个接收元件中同时发生。
在EP 2708913 A1中公开了一种用于距离测量的设备。这里形成光电二极管的组并相对于一致事件一起评估。这里的一致事件指的是容限时间窗口。这里的时间窗口具有发射的光脉冲的脉冲宽度的数量级。另外，定义在时间窗内必须记录光子的组的二极管的最小数量，以便将其评估为事件。在一个实现方式中，该最小数量要适应光条件。另外，属于一组的二极管的数量也可以根据环境条件来预先设定。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定与对象的距离的设备和对应的方法，其中相对于现有技术替代地或附加地实现了背景光抑制的问题。
本发明通过一种用于确定与对象的距离的设备来实现该目的。该设备包括：用于发射信号的发射设备，用于接收信号并用于产生检测信号的接收设备，用于评估接收设备的检测信号的评估设备，以及用于控制评估设备对接收设备的检测信号的评估的控制设备。因此，接收设备包括多个接收元件。接收元件被配置为在接收到信号的情况下分别产生检测信号。评估设备被配置为根据飞行时间方法并且在考虑一致(coincidence)(或者并发)结果的同时确定与对象的距离。附加地，评估设备被配置为使用在可预设的一致时间内产生的检测信号的数量至少等于可预设的一致深度的每种情况作为一致结果。控制设备被配置成从背景辐射测量开始确定针对一致时间的新值(在一个实现方式中针对一致深度的新值)，并且针对评估设备预设该值。因此，在背景辐射测量中，接收设备接收信号并生成背景辐射检测信号。
背景辐射测量是指源自背景光的信号，而不是来自发射设备的信号。因此，在背景辐射测量的情况下，提供接收设备的一种实现方式是，接收与来自发射设备的发射信号无关的信号并产生对应的背景辐射检测信号。在这种实现中，当测量背景辐射时，发射设备不发射信号。在备选或附加的实现方式中，当测量背景辐射时，来自发射设备的信号不会被接收设备接收，或者在被接收之后通过处理(例如数学地)被滤出和/或消除。后一种实现方式也可以结合实际距离测量来执行。在后一种实现方式中，接收设备接收这样的信号：一些信号用于背景辐射测量，而另一些信号则用于实际确定距离。
在本发明的设备中，从背景辐射测量开始，确定并重置至少一致时间，可能在一个实现方式中还确定一致深度。在测量背景辐射时，评估在没有设备发射的信号的情况下发生的那些信号。因此，所接收的信号不能是反射信号，从而这些信号是来自环境的信号，即背景信号。
对背景光的这种抑制的优点是伴随着发射光所需的激光器功率的减小。
一种实现方式是控制设备被配置成从背景辐射测量开始确定一致时间的新值和一致深度的新值，并且针对评估设备预设该值。
在一个实现方式中，本发明示例性地是3D测量方法的一部分，其减少背景光的干扰影响并且通过利用SPAD像素上的入射光子之间的时间相关性来增加传感器的动态范围。特别地，在所提出的方法中，在测量系统的操作期间，一致时间以及可能的一致深度适于背景光的强度。与[3]中的固定一致时间和一致深度相比，对参数的适配允许检测弱信号，这改善了系统的远距离和低反射率的性能，或允许使用较低的激光功率。
与WO2010/149593A1中提出的方法相比，根据所选参数利用用于扩展动态范围的一致还会引起SBR的增加，并因此引起系统范围的增加。此外，一致时间和一致深度参数不依赖于温度，这使得对一致时间和一致深度参数的调节相当容易。
在一个实现方式中，当测量背景辐射时，提供了评估设备，使用当前一致时间和当前一致深度来评估背景辐射检测信号。控制设备被配置为将测量背景辐射时获得的背景辐射检测信号的数量与事件设定值进行比较。此外，控制设备被配置为在背景辐射检测信号的数量和事件设定值的不同超过可预设阈值的情况下，从背景辐射检测信号的数量开始，确定至少一致时间和/或一致深度。可以相应地预设作为背景辐射测量期间接收到的信号数量的指导值的事件设定值。当前值是相应的设定值，相应的设定值相对于当前发生的背景光的应用性是通过背景辐射测量来检查的。新值是对应的当前确定的值，其适合当前背景光，使得背景光对距离测量的影响最小化。
一种实现方式是控制设备被配置为在背景辐射检测信号的数量大于事件设定值的情况下减小当前一致时间以确定一致时间的新值。备选地或附加地，控制设备被配置为在背景辐射检测信号的数量小于事件设定值的情况下增加当前一致时间以确定一致时间的新值。在该实现方式中，首先检查背景辐射检测的数量信号(作为背景辐射的实际值)与事件设定值(作为背景辐射的设定值)的不同是否超过可预设的阈值(被定义为容限范围)。当实际值与设定值之间的偏差超出容限范围时，检查实际值是否大于没定值或实际值是否小于设定值。自此，一致时间减少或增加。
在一个实现方式中，提供控制设备被配置为，在当前一致时间达到可预设的最大阈值的情况下，减小当前一致深度以确定一致深度的新值，并且将一致时间的新值设定为可预设的最小值。备选地或附加地，控制设备被配置为，在当前一致时间达到可预设的最小阈值的情况下，增加当前一致深度以确定一致深度的新值，并将一致时间的新值设置为可预设的最大值。在一个实现方式中，优选为自然整数的一致深度增加或减少1。
一种实现方式是控制设备被配置为使用产生的背景辐射检测信号的数量并且同时考虑一致事件来确定一致时间的新值和/或一致深度的新值。在这个实现中，仅这样检测到的作为一致事件是有效的信号才会被进一步评估。例如，当在背景辐射测量期间检测到x个信号并且使用针对一致时间和一致深度的当前数据确定仅y个一致事件(y小于x)时，在一个实现方式中，在这种情况下仅使用y个一致事件。
在一个实现方式中，提供控制设备被配置为至少确定一致时间的新值(和/或一致深度的新值)，所有引起背景辐射测量的背景辐射检测信号的数量，而不考虑一致事件。在该实现方式中，控制设备使用在背景辐射测量期间检测到的所有信号，并且具体地不仅使用由一致事件产生的信号。
一种实现方式是控制设备被配置为根据背景辐射检测信号的数量，使用存储在数据存储器中的数据来确定一致时间的新值和/或一致深度的新值。在一种实施方式中，数据是一种表格，在表格中一致时间和一致深度的值分别与测量的事件率相关联，即通过考虑一致事件而测量或减少的背景辐射检测信号的数量。
在一个实现方式中，提供控制设备被配置成在每次距离测量之前进行背景辐射测量。自此，在一个实现方式中，执行与一致时间和/或一致深度的相应当前值的匹配，并且如果可应用，则确定新值。
一种实现方式是接收设备的接收元件(像二极管)与若干图像元件(所谓的像素)相关联，并且接收设备被配置为使得当接收信号时，激活用于接收信号的每个像素的接收元件的数量等于设定的一致深度。
在一个实现方式中，提供接收元件与各种脉冲宽度的脉冲整形器相关联，并且在关联的接收元件接收信号的情况下，每个脉冲整形器生成具有作为脉冲宽度的一致时间的脉冲。
一种实现方式是接收元件是雪崩光电二极管。
在一个实现方式中，提供发送设备包括红外光激光器。在一个实现方式中，设备发射的信号是红外光信号。
另外，本发明实现了定义用于确定与对象的距离的方法的目的。
该方法包括至少以下步骤：
·发射信号，
·接收信号并由此开始产生检测信号，并且
·使用飞行时间方法并在考虑一致事件的同时，根据检测信号确定与对象的距离。
将预设的一致时间内产生的检测信号的数量至少等于可预设的一致深度的情况用作一致事件。
附加地，从背景辐射测量开始，确定可预设或要预设的一致时间和/或一致深度。在一个实现方式中，在背景辐射测量中，接收与先前信号发射无关的信号。
设备的上述实现方式也可以对应地通过该方法来实现，使得上述说明也对应地应用于该方法。
换言之，将再次描述本发明：
本发明涉及使用飞行时间方法的距离测量，其中在考虑一致事件的同时测量信号(在一个实现方式中，特别是红外激光)的飞行时间。
为了减少背景光的影响，可以针对主要条件(在一个实现方式中，甚至针对每次测量)单独设定一致时间和一致深度(如果适用)。这里的一致深度是指示在一致时间内记录光子的接收元件(像二极管)的数量。一致时间是光子记录被认为是同时的时间。
在一个实现方式中，至少一个距离测量包括以下四个步骤：
1.测量背景光(有或没有考虑一致事件)。
2.确定一致时间，并且在一个实现方式中，还确定一致深度。
3.设定-可能仅针对一致事件(如果适用，也针对一致深度)的当前值。
4.使用设定的值来测量飞行时间或距离。
在步骤1中测量背景光根据实现方式考虑或不考虑一致事件来执行。在一个实现方式中，这影响了步骤2中对值的确定。
在一个实现方式中，在步骤2中对值的确定的目标是针对背景光尽可能少地产生一致事件。
步骤2示例性地包括以下两种实现方式：
·如果在步骤1中利用一致事件测量背景光，则将确定为一致事件数量的事件率与设定值(事件设定值)进行比较。如果两个值的不同超过容限阈值，则一致时间根据这些值之间的关系而改变。如果一致时间达到最小值或最大值，则一致深度会改变。
·在步骤1中不考虑一致事件的测量时，使用确定的事件率获取存储的数值。
在一个实现方式中，针对步骤4中的实际测量提供了将对一致测量没有贡献的那些接收元件关闭。在一个实现方式中，同时执行步骤1和4，其中后续距离测量的步骤1与目前距离测量的步骤4一致。因此，对背景光的先前测量和评估的参数被用作目前或当前距离测量的基础。
附图说明
具体的，存在实现和进一步开发本发明的设备和方法的多种方式。因此，一方面参考权利要求，另一方面结合附图参考对实施例的下文描述，其中：
图1是用于确定与对象的距离的设备的示意图，
图2是接收设备的设置的示意图，
图3示出了用于确定一致时间和一致深度的第一示例性示图，
图4示出了用于确定一致时间和一致深度的第二示例性示图，
图5示出了本发明方法的步骤的示意性顺序，
图6示出了随着光子检测率而变化的一致事件的净事件率的示例性过程，
图7示出了取决于一致深度的净事件率的示例性过程，
图8示出了直接测量方法的示例性计算的期望值与针对不同反射因子(R)和一致深度(n)的距离(d/m)的关系，
图9是用于实现本发明方法或作为本发明设备的一部分的传感器像素的实现方式的电路框图，
图10示出了图9的布置的相关信号的示例性过程，以及
图11示出具有四个像素的示例性传感器行和用于设定一致时间和一致深度的寄存器。
具体实施方式
在图1中示出了用于确定与对象2的距离d的设备1的一种实现方式。设备1包括发射设备3和接收设备4。发射设备3向对象2发射信号，在所示的实现方式中信号是脉冲式红外激光。在一个实现方式中，发射设备3在对象2的可预设区域上移动光。
在对象2处反射的光被接收设备4接收为信号。此处的光路由两个箭头表示。使用发射、反射和再次接收的信号的速度，由光的飞行时间产生与对象2的距离。因此，飞行时间τ是发射设备3发射光线作为起始时间t0和光撞击到接收设备4作为停止时间t1之间的时间距离。
评估设备5连接到发射设备3和接收设备4以确定距离d。由于接收设备4也接收背景光，因此评估设备5确定从一致事件开始的距离。
接收设备4包括多个接收元件40(参见图2)，每个接收元件在记录光子撞击时均产生检测信号。当若干接收元件40在可预设的一致时间θ内产生检测信号时，这被认为是一致事件并用于确定停止时间t1。在一致时间θ内同时检测到的检测信号的最小数量被称为一致深度n。
为了使用飞行时间方法检测对象2的深度信息，例如用作为示例性发射设备3的脉冲激光源照射目标对象2。同时，启动电子时间测量设备(在一个实现方式中被实现为TDC(时间数字转换器))。
接收设备4与对象2之间的距离d对发射设备3(像激光源)发射的光脉冲的飞行时间起决定性作用。发射的信号和TDC(其可以例如是评估设备5的一部分)在时间t0同时开始。在飞行时间延迟τ＝2d/c之后，激光脉冲在目标对象2的照射表面处被反射并且撞击在接收设备4的光敏区域上。此处接收脉冲的时间t1取决于距离d。作为示例性时间测量设备的TDC在检测到第一光子或第一一致事件时停止并且随后被读出。
图1中所示的设备1的实现方式允许使一致时间θ以及一致深度n适于主要条件，并且特别是适于特定背景照明。适配一致时间和一致深度的目标是通过背景使事件率保持在特定水平以下。结果是TDC仅会被合理部分处的背景辐射停止，并且可以纠正错误的单独测量。
在所示的实现方式中，这是使用背景辐射测量来完成的，在背景辐射测量中接收设备4在一个实现方式中接收信号，而发射设备3不发射信号。因此，接收设备4的测量与发送设备3的信号无关。在备选或附加实现方式中，缺少这种信号是由某种类型的滤波引起的。控制设备6对以这种方式检测到的信号进行评估，以便设定一致时间θ，并且在所示的实现方式中，还从此开始设定一致深度n。
在所示出的实施例中，设定一致深度n也在接收设备4中执行，因为在所示的实现方式中，接收设备4被配置为使得仅激活图像区域(像素)中与一致深度n相对应的多个接收元件40。
图2示出了包括属于各个图像元件41(像素)的各个接收元件40(如SPAD)的接收设备4的一部分。
在图1的实现方式中，存在存储用于确定参数(一致时间θ和一致深度n)的数据的数据存储器7。
具体地，这里包括存储的数据的数据存储器7对于两个背景辐射测量中的一个是相关的。
图3示出了用于确定一致时间和一致深度的处理的示例性实现方式。这里预设事件设定值Λset(被称为“背景的设定事件率”)。确定该值与背景光的当前确定的速率∧real(使用这里被称为“确定背景事件率”的步骤)之间的差值Δ，并将差值的幅度与可预设的阈值β相比较。如果幅度较小，则可以再次确定背景光的量度，优选地在未在这里指示的距离测量之后。
在偏差太大的情况下，确定差值Δ是否大于零，即设定的事件值是否大于所测量的实际值。随后，确定一致时间θ是否已经达到最大值或最小值。如果不是这种情况，则一致时间θ将增加(由θ↑指示)或减小(由θ↓指示)。在另一种情况下，一致深度n被改变，并且在所示的实现方式中，一致时间θ被设定为相应的另一个阈值(如果一致时间θ已经达到最大阈值θmax，则例如将一致时间设定为最小阈值θmin)。
在图3的第一种背景辐射测量中，在考虑一致事件的同时评估背景辐射。具体地，这使用已经设定的参数一致时间θ和一致深度n来完成。考虑到一致性，因此减少的背景辐射检测信号的数量由接收设备4的所有检测信号的数量得到。将该数量与事件设定值进行比较。如果结果是大于可预设的阈值β的偏差，则从当前使用的值开始再次确定至少一致时间θ。在一个实现方式中，设定值与背景辐射检测信号的数量之间的差值Δ被确定为背景辐射的实际值：Δ＝“设定值-实际值”。在这个实现方式中，然后检查差值的大小|Δ|大于或小于偏差的可预设阈值β。
因此，在这里所示的实施例中，在取决于背景辐射检测信号的数量是大于还是小于事件设定值的值之间的偏差太大的情况下，存在两种可能性。
如果背景辐射检测信号的数量大于事件设定值，则如果可能，一致时间θ会减小。在前面提到的实现中，这意味着差值小于零：Δ＜0。一致时间θ的当前值的减小将至少在当前一致时间θ大于最小阈值θmin的情况下发生。如果已经达到该最小阈值θmin，即如果当前一致时间θ已经等于最小阈值，或者如果当前一致时间θ的进一步减小将低于该最小阈值，则一致时间θ被设置为最大值θmax，并且一致深度n增加。示例性地，这通过将一致深度增加1来实现：nnew＝n+1。
在相反的情况下，即如果背景辐射检测信号的数量小于事件设定值或者差值大于零，则如果可能的话，当前一致时间θ会增大。然而，如果当前一致时间θ已经被设定为最大阈值θmax或者如果进一步增加将超过该值，则一致时间θ会被设定为最小值θmin，这里最小值θmin与前述最小阈值相同。这里最大阈值θmax是前面提到的一致时间的最大值。另外，一致深度n减小，如：nnew＝n-1。在一个实现方式中，最大阈值θmax等于在前述情况下将一致时间θ设定到的最大值。
在第二种背景辐射测量中，如图4所示，不考虑一致事件，但评估接收设备接收的所有信号(参见图1)。背景辐射检测信号的数量因此等于接收设备接收到的信号的数量。对于这种情况，控制设备访问存储在数据存储器中的数据(如以表格的形式)，从获得的检测信号开始，选择参数：一致时间θ和一致深度n，并在下一个步骤在评估设备中设置也如此设定，并且在这种情况下在接收设备中也是如此。
图1的实现方式的评估设备5使用由控制设备6设定的一致时间θ的值并且在所示的实现方式中也使用一致深度n的值，来评估接收设备4的检测信号。
在接收设备4(参见图2)中设定一致深度n允许接收设备4针对接收信号仅激活用于接收信号(或者在这种情况下，光)的图像元件(备选项是像素)41的与一致深度n相对应的多个接收元件40。示例性像素41的接收元件40在图2中示出。在该实现方式中，如果不需要则不激活更多接收元件40。在一个实现方式中，激活与一致深度n相对应的n个接收元件40，并且在备选实现方式中，将对应数量的接收元件40去激活，使得激活的接收元件40的数量对应于一致深度n。这里的具体激活或去激活与预设的一致时间或一致深度无关。
在图5中示出了使用本发明的方法实现距离测量的步骤。
在步骤100中测量背景光的强度，其中测量设备不发射信号。为此，在一个实现方式中，通过计数，传感器上的入射背景辐射在预设时间窗口中不与激光器的主动照明积分。背景光的速率(因此强度)可以根据事件的数量和测量窗口的持续时间来确定。积分可以在有或没有一致的情况下实现。在步骤101中使用检测到的信号(即使用测量的背景辐射)并且在一个实现方式中从当前的预设值开始来确定一致时间和一致深度。在步骤102中，设定用于后续距离测量的一致时间和一致深度的重新确定的值，评估在后续距离测量中接收到的信号。在步骤103中，测量发射信号的飞行时间或具有在步骤102中所设定值的测量设备与对象之间的距离是经由直接方法通过测量脉冲飞行时间来执行的。在所述步骤102中，与步骤100不同，信号也朝向对象发射。
图6示出了随着光子检测率而变化的一致事件的净事件率(Λ/Hz)，其中总事件率(λ/Hz)绘制在x轴上。这允许讨论背景的影响并定义一致模型。
由于光子在反射脉冲内经受统计分布，因此检测第一光子的时间不对应于接收设备上反射脉冲的到达。为了减少测量值的伴随变化，将几个测量值收集在直方图中，随后根据直方图确定飞行时间和距离。确定距离时，该过程可以容许单独的错误测量值。
恒定速率流中的光子的时间分布经受指数分布。因此，两个后续光子之间的时间(根据Hitchhiker的驳论，也是任何时间和下一个光子到达之间的时间)由下式给出：
PPDF(t，λ)＝λeXp(-tλ) (1)
根据该概率密度，可以确定由背景光产生的光子错误地停止TDC的概率。将背景光子的速率λB插入到公式(1)中，随后从t＝0到t＝τ对该速率进行积分。结果如下：
PFalse(τ，λB)＝1-exp(-τλB)＝1-exp(-2λBd/c) (2)
这示出了错误测量的概率随着距离d和背景强度λB的增加而增加。
为了能够测量更大的距离，检测到的背景光子的速率必须非常强烈地降低，使得根据公式(2)的概率不超过容限值。另外，衰减可能不要太高，以便反射脉冲仍然以特定最小概率被检测到。只有满足这两个条件，才能获得可靠的测量结果。
当使用一致时，所检测事件率(称为净事件率)与没有一致的单独光子检测(被称为总事件率)的情况相比下降。
(在不考虑死区时间和进一步的饱和效应的情况下)，根据单独接收元件(类似于SPAD)的数量N、每个SPAD的总事件率λ、一致时间θ和一致深度n，通过以下方式来近似地计算事件率降低的程度：
对于n＞1，该公式指示大于1的“Λ＝f(λ)”曲线的梯度，这使得对反射脉冲的弱化不强于对纯背景光的弱化，并且因此改善SBR。
图6示出了根据上述公式(3)随着各个单独二极管的总事件率变化的一致事件率。
为了示意伴随梯度的SBR的改进，反射激光信号的速率和背景光的速率各自以2MHz指示，其中适用λAB＝λA+λB，这与为1的SBR相对应。
通过使用一致，背景的事件率降低到约9kHz。
在接收到反射脉冲时，总事件率为4MHz，这引起大约60kHz的净事件率。SBR定义为反射激光脉冲到达期间的附加率除以背景的事件率：
由于净事件率的梯度随着一致深度而增加，所以SBR的增加也得到改善。然而，随着曲线陡度的增加，传感器中的电子设备必须要检测的动态范围也增加。使用图6的示例，动态的增加也可以通过曲线的陡度来识别。因此，1MHz到10MHz的总事件率的变化引起1kHz到800kHz的净事件率变化。以分贝表示，这对应于从20dB到58dB的动态增加，大致意味着三倍。
为了检测反射的激光脉冲，必须表现出特定的功率。为了在低反射率情况下实现这一点，需要高发射激光功率，因为通过应用恒定一致强烈地衰减该速率。相反，在反射率较高的情况下，激光功率可以降低，因为在这种情况下一致的衰减要小得多。
可以使用最大距离、用于确定距离的直方图中累积的各个单独测量的数量N以及箱(bin)的宽度TBin来执行对背景事件率的事件设定值的估计。为此，考虑直方图的信噪比(SNR)。因此，SNR被定义为由于接收到反射信号而引起的箱中附加计数的期望值除以整个计数(包括背景事件)的标准偏差。
SNR可以根据矩形脉冲和恒定背景速率下的第一事件的概率分布来计算：
假定恒定的SBR，λB的最大值＝c*d/2，对应于反射系数随恒定距离的变化。
在这种背景率λB的情况下，使用直接方法的距离测量具有最佳结果。由于以这种方式实现的事件设定值是随距离变化的，因此计算了系统的最大距离。这里，范围还取决于用于从直方图计算距离的算法的质量。使得算法能够以预设的精度和可靠性从直方图确定距离的SNR可以通过进一步的理论检验或通过仿真来确定。
图7示例性地示出了当改变总事件率(绘制在x轴上，N*/Hz)时，如何通过将一致深度从n＝1(不一致)适配到n＝4而将净事件率(在y轴上绘制，A/Hz)保持在相对恒定的水平。
对于实际应用，图7中曲线的尽可能小的波度是有争议的，因为除了背景光之外，激光也总是被衰减，但是不能低于一定值以便可靠地检测。通过附加地适配一致时间，可以实现净事件率的波度的减小。
为了使一致时间和一致深度对结果事件率的影响更加明显，考虑公式(3)的近似。
对于n＝2的一致深度，两个事件之间的时间需要小于一致时间θ。这种概率可以通过两个后续事件之间的时间的指数分布的积分来确定。当以这种方式确定的概率乘以原始事件率时，结果为：
相反，可以根据Erlang分布计算n＝3的一致的概率。由此产生的速率如下：
对于任何一致深度n，结果都是以下的近似比例：
该近似(8)显示了单独数量如何影响结果事件率。因此，一致时间θ对于较高的一致深度n比对较小的深度具有更大的影响。为了眼睛安全和尽可能小的激光功率，反射脉冲的衰减可以仅是将背景辐射的净事件率降低到容限水平所需的强度。相反，高波度需要更高的激光功率。
近似(8)示出了通过关闭某些接收元件N或某些子像素来适配净事件率的另一种方式。具体地，可以使用这种技术，以通过逐步减少活动子像素来平滑无一致(n＝1)和一致(n＝2)之间的转换。一般来说，这提供了用于减小波度(waviness)的另一变量。
根据公式(3)，通过随着一致深度改变净事件率曲线的陡度，可以得出具有更高速率和更高一致深度的SBR结果，从而可以测量更大的距离。SBR随着距离增加的下降在这里不受影响。
根据公式(6)和公式(7)，可以使用近似来示出SBR随着一致深度的增加。在使用n＝2的一致的情况下，以下应用于新的SBR：
结果是以分贝为单位的SBR的加倍。类似地，根据公式(7)，该计算可以针对n＝3的一致深度执行。结果是：
这对应于以分贝为单位的SBR的三倍。这可以随着另一一致深度而继续。一般来说，当使用一致事件时，产生的SBR会增加一致深度n的倍数。
与[3]中的固定一致的情况相比，利用自适应一致时间并且也可能利用自适应一致深度的本发明允许所有反射率上的近似恒定范围，同时降低直接测量方法的所需激光功率。对一致时间(以及如果适用，一致深度)进行适配在目标对象的低反射率的情况下降低了接收设备中的信号的衰减，因此与恒定一致时间和一致深度的情况相比允许使用较低的激光功率。
另一方面，由于反射率和背景强度较高，通过适配一致时间和一致深度增大了衰减，使得由于背景辐射引起的错误测量的数量减少到合理的量，同时，反射的激光脉冲被可靠地检测。
图8示出了直接测量方法的期望值与不同反射因子R和一致深度n的距离的仿真。从仿真中可以看出，根据反射因子，不同的一致深度可以提供最佳结果。
因此，对于R＝25％的反射率，n＝2的测量具有良好的结果，而在R＝75％时，相同的一致深度大大落后于n＝3和n＝4的测量。其原因是以较低的一致深度检测到背景事件的速率过高，从而导致错误的测量结果。由于这些错误测量优选位于较低距离处，所以期望值随着其增加而减小。
另外，图8中的仿真示出了随着反射率增高(因此一致深度增高)的范围增大。因此，R＝5％时的最大距离近似为50m，而R＝100％时近似为70m。例如，与WO2010/149593A1相比，本文介绍的方法由于其温度的独立性，允许增大范围以及更容易控制一致时间和一致深度。
以下是本发明设备的技术实现。
第一实例涉及包括四个接收元件(或所谓的子像素)的CMOS行传感器以及使用SPAD的实现。
图9示出了由作为接收元件的四个单独的SPAD 40组成的图像元件(不同术语：像素)41的示意性结构。每个单独的二极管40具有其自己的电路，用于检测二极管电流并重置二极管电压(主动猝灭和复位，AQR)。这里，四个子像素40中的两个子像素40被实现为在不活跃一致情况下被去激活，这是净事件率的不一致和一致之间的转变如何被平滑。AQR 42在每个二极管40之后。在每个AQR 42之后是使用外部控制信号设置的可变脉冲宽度的脉冲整形器43。
当接收元件40(这里以SPAD的形式)检测到光子时，相应的脉冲整形器43提供设定持续时间的脉冲。持续时间对应于一致时间θ。用于检测一致事件的实际电路44(并发检测电路，CDC)在脉冲整形器43之后。
为了能够改变一致深度n，CDC 44具有若干子块，每个子块负责不同的一致深度(≥1、≥2、≥3、≥4)。使用简单的逻辑元件来实现对一致的检测。如果至少对应于相应一致深度的多个输入包括高信号，则电路块在输出处提供高信号。通过下游多路复用器45进行对一致深度n的选择，该下游多路复用器45输出所选深度的块的输出信号。
由于信号的逻辑组合可以引起非常短的脉冲(没有被整形则将无法被后续电子器件正确处理)，所以跟随在多路复用器45之后是另一个脉冲整形器46。随后是另外的电路块，其一方面用于对脉冲进行计数，另一方面用于测量激光脉冲的飞行时间。这在这里使用数字信号处理47来完成。
在图10中示出了在图9的布置中发生的信号的示例。
示例性地示出了作为用于一致深度n＝1至n＝4的CDC 44的一部分的四个一致检测电路CDC≥1至CDC≥4的四个脉冲整形器43(SPAD1至SPAD4)的输出和多路复用器45的输出处的信号时间线。
在所示的示例中，设定了n＝2的一致深度。在这种情况下，多路复用器45的输出对应于用于在n＝2的一致深度的情况下检测一致的电路块的输出。
如前所述，一致时间由脉冲整形器的输出脉冲的持续时间来定义，这对于所有脉冲整形器43而言必须是相同的。在一个实现方式中，确定一致时间和一致深度是根据查找表的原理来执行的。将表存储在FPGA中，该FPGA负责驱动设备的用于确定距离的传感器部分，其中在每次测量背景光之后从表中检索一致时间和一致深度的对应值。
如图11所示，使用包含完整像素行的信息并且由FPGA串行写入的移位寄存器来执行设定值。在定义的时间处采用移位寄存器的值的锁存器用于缓存这些值。这样可以实现同步数据传输和在进行测量期间写入移位寄存器的方式。
除了所提及的集成CMOS传感器的实施例之外，所提出的方法还可以借助于硅光电倍增管(SiPM)或雪崩二极管(APD)来集成，或者可以使用分立器件以分布式方式实现，或者实现为纯粹的计算机程序。该方法还可以在通过晶片到晶片、芯片到晶片或芯片到芯片结合与相应读出组合器的3D混合集成中采用，并且在不同的技术(像不同结构大小的CMOS或III-V半导体)中采用。
尽管已经在设备的上下文中描述了一些方面，但是应当清楚的是，这些方面也表示对相应方法的描述，使得设备的块或元件也对应于相应的方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对对应设备的对应块或者项或特征的描述。可以由(或使用)硬件装置(例如，微处理器、可编程计算机或电子电路)来执行一些或全部方法步骤。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的某一些或数个可以由这种设备来执行。
取决于某些实现要求，可以在硬件中或在软件中实现本发明的实施例。可以使用其上存储有电子可读控制信号的数字存储介质(例如，软盘、DVD、蓝光光盘、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存、硬盘驱动器或另一磁存储器或光学存储器)来执行实现，该电子可读控制信号与可编程计算机系统协作或者能够与之协作从而执行相应方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，该电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作从而执行本文所述的方法之一。
通常，本发明的实施例可以实现为具有程序代码的计算机程序产品，程序代码可操作以在计算机程序产品在计算机上运行时执行方法之一。
程序代码可以例如存储在机器可读载体上。
其他实施例包括用于执行本文所述的方法之一的计算机程序，其中，该计算机程序存储在机器可读载体上。换言之，本发明方法的实施例因此是包括程序代码的计算机程序，用于在计算机程序在计算机上运行时执行本文所述的方法之一。
因此，本发明方法的另一实施例是其上记录有计算机程序的数据载体(或者数字存储介质或计算机可读介质)，该计算机程序用于执行本文所述的方法之一。数据载体、数字存储介质或记录介质通常是有形的和/或非瞬时性的。
因此，本发明方法的另一实施例是表示计算机程序的数据流或信号序列，所述计算机程序用于执行本文所述的方法之一。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接(例如，经由互联网)传送。
另一实施例包括配置或适于执行本文描述的方法之一的处理装置，例如计算机或可编程逻辑器件。
另一实施例包括其上安装有计算机程序的计算机，该计算机程序用于执行本文所述的方法之一。
根据本发明的另一实施例包括被配置为向接收机传递计算机程序的设备或系统，所述计算机程序用于执行本文所述的方法中的至少一个。可以电子地或光学地执行传输。接收机可以是例如计算机、移动设备、存储设备等。该设备或系统可以例如包括用于向接收机传输计算机程序的文件服务器。
在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列FPGA)可以用于执行本文所述的方法的功能中的一些或全部。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以执行本文所述的方法之一。通常，在一些实施例中，方法优选地由任意硬件设备来执行。这可以是通用硬件，例如，计算机处理器(CPU)或专用于方法的硬件(例如，ASIC)。
上述实施例对于本发明的原理仅是说明性的。应当理解的是：本文所述的布置和细节的修改和变形对于本领域其他技术人员将是显而易见的。因此，旨在仅由所附专利权利要求的范围而不由通过描述和解释本文的实施例的方式给出的具体细节来限制本发明。
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Claims (14)

1.一种用于确定与对象(2)的距离的设备(1)，包括：
发射设备(3)，用于发射信号，
接收设备(4)，用于接收信号并产生检测信号，
评估设备(5)，用于评估接收设备(4)的检测信号，以及
控制设备(6)，用于控制评估设备(4)对接收设备(3)的检测信号的评估，
其中，所述接收设备(4)包括多个接收元件(40)，
其中，所述接收元件(40)被配置为在它们接收到信号的情况下分别生成检测信号，
其中，所述评估设备(5)被配置为根据飞行时间方法并且在考虑一致事件的同时确定与所述对象(2)的距离，
其中，所述评估设备(5)被配置为使用在可预设的一致时间(θ)内产生的检测信号的数量至少等于可预设的一致深度(n)的情况作为一致事件，
其中，所述控制设备(6)被配置为从背景辐射测量开始确定所述一致时间(θ)的新值并且针对所述评估设备(5)预设该值，以及
其中，在背景辐射测量中，所述接收设备(4)接收信号并产生背景辐射检测信号。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中所述控制设备(6)被配置为：从背景辐射测量开始确定所述一致时间(θ)的新值和/或所述一致深度(n)的新值，并且针对所述评估设备(5)预设该值。
3.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中，在背景辐射测量中，所述评估设备(5)使用当前一致时间(θ)和当前一致深度(n)评估背景辐射检测信号，
其中，所述控制设备(6)被配置为：将所述背景辐射测量中获得的背景辐射检测信号的数量与事件设定值进行比较，以及
其中，所述控制设备(6)被配置为：在背景辐射检测信号的数量和事件设定值的不同超过可预设的阈值(β)的情况下，从背景辐射检测信号的数量开始确定至少一致时间(θ)和/或一致深度(n)。
4.根据权利要求3所述的设备(1)，
其中，所述控制设备(6)被配置为：在背景辐射检测信号的数量大于事件设定值的情况下，减小当前一致时间(θ)以确定一致时间(θ)的新值，以及
其中，所述控制设备(6)被配置为：在背景辐射检测信号的数量小于所述事件设定值的情况下，增加当前一致时间(θ)以确定一致时间的新值。
5.根据权利要求4所述的设备(1)，
其中，所述控制设备(6)被配置为：在当前一致时间(θ)达到可预设的最大阈值(θmax)的情况下，减小当前一致深度(n)以确定一致深度(n)的新值，并将一致时间(θ)的新值设定为可预设的最小值(θmin)，以及
其中，所述控制设备(6)被配置为：在当前一致时间(θ)达到可预设的最小阈值(θmin)的情况下，增加当前一致深度(n)以确定一致深度(n)的新值，并将一致时间(θ)的新值设置为可预设的最大值(θmax)。
6.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中，所述控制设备(6)被配置为：使用在考虑一致事件时产生的背景辐射检测信号的数量来确定一致时间(θ)的新值和/或一致深度(n)的新值。
7.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中，所述控制设备(6)被配置为：使用在背景辐射测量中不考虑一致事件时得到的所有背景辐射检测信号的数量，至少确定一致时间(θ)的新值。
8.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中，所述控制设备(6)被配置为：使用存储在数据存储设备(7)中的数据，根据背景辐射检测信号的数量来确定一致时间(θ)的新值和/或一致深度(n)的新值。
9.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中，所述控制设备(6)被配置为：在每次距离测量之前引起背景辐射测量。
10.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中，所述接收设备(4)的接收元件(40)与若干图像元件(41)相关联，以及
其中，所述接收设备(4)被配置为使得当接收信号时，被激活用于接收所述信号的每个像素(41)的接收元件(40)的数量等于设定的一致深度(n)。
11.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中，可变脉冲宽度的脉冲整形器(43)与接收元件(40)相关联，以及
其中，在相关联的接收元件(40)接收信号的情况下，所述脉冲整形器(43)各自产生具有作为脉冲宽度的一致时间(θ)的脉冲。
12.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中，所述接收元件(40)是雪崩光电二极管。
13.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中，所述发射设备(3)包括红外光激光器。
14.一种用于确定与对象(2)的距离的方法，包括：
发射信号，以及
接收信号并且从接收信号开始产生检测信号，
其中，根据飞行时间方法在考虑一致事件的同时根据所述检测信号确定与所述对象(2)的距离，
其中，将在可预设的一致时间(θ)内产生的检测信号的数量至少等于可预设的一致深度(n)的情况用作一致事件，以及
其中，从背景辐射测量开始，确定一致时间(θ)和/或一致深度(n)。
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