CN108445500A - 一种tof传感器的距离计算方法及系统 - Google Patents

一种tof传感器的距离计算方法及系统 Download PDF

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CN108445500A CN201810120443.2A CN201810120443A CN108445500A CN 108445500 A CN108445500 A CN 108445500A CN 201810120443 A CN201810120443 A CN 201810120443A CN 108445500 A CN108445500 A CN 108445500A
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Abstract

本发明公开了一种TOF传感器的距离计算方法及系统，方法包括：根据TOF传感器采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比判断是否开始进行测量距离计算，若是，则执行下一步骤；根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算；其中，测量距离为TOF传感器与目标间的距离，TOF传感器采样信号的每个像素对应有一对用于进行光电转换的电荷存储池，且该像素在距离测量结束后读取该对电荷存储池的差分信号作为输出。本发明通过信号差分有效抑制了环境光的干扰，从而能在室外使用TOF传感器；通过采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比进一步提升了测量计算的精度，可广泛应用于距离测量领域。

Description

一种TOF传感器的距离计算方法及系统
技术领域
本发明涉及距离测量领域，尤其是一种TOF传感器的距离计算方法及系统。
背景技术
TOF是飞行时间(Time of Flight)技术的缩写，即传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。TOF技术在三维视觉、无人机、三维人脸识别、机器人等领域得到了广泛的应用，成为将会成为实现我们未来智能社会生活环境的最基础技术之一。
现有的TOF传感器是光谱型传感器，即对从可见光到红外波段都很敏感，因此其难以实现户外和环境光较强场景下的应用。故像无人坦克、无人装甲等对室外环境要求较高的设备将不得不使用基于双目视觉技术的双目摄像头来取代TOF传感器，然而双目摄像头成本高且在昏暗环境下以及特征不明显的情况下并不适用。
为此，有必要设计一种能在室外使用且精度高的TOF传感器测距方案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种能在室外使用且精度高的TOF传感器的距离计算方法及系统。
本发明所采取的第一技术方案是：
一种TOF传感器的距离计算方法，包括以下步骤：
根据TOF传感器采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比判断是否开始进行测量距离计算，若是，则执行下一步骤；反之，则进行光电转换时间调整；
根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算；
其中，测量距离为TOF传感器与目标间的距离，TOF传感器采样信号的每个像素对应有一对用于进行光电转换的电荷存储池，且该像素在距离测量结束后读取该对电荷存储池的差分信号作为输出。
进一步，所述根据TOF传感器采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比判断是否开始进行测量距离计算，若是，则执行下一步骤；反之，则进行光电转换时间调整这一步骤，具体包括：
TOF传感器进行飞行时间测量；
判断TOF传感器采样信号是否满足预设的振幅要求，若是，则执行下一步骤，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；
计算TOF传感器采样信号的振幅均方差；
根据计算的振幅均方差判断TOF传感器采样信号是否满足振幅均方差要求，若是，则执行下一步骤，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；
计算TOF传感器采样信号的信噪比；
根据计算的信噪比判断TOF传感器采样信号是否满足信噪比要求，若是，则执行根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算这一步骤，反之，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤。
进一步，所述判断TOF传感器采样信号是否满足预设的振幅要求，若是，则执行下一步骤，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤，这一步骤具体包括：
判断TOF传感器当前的采样像素是否已饱和，若是，则减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤，反之，则执行下一步骤；
判断TOF传感器当前的采样信号的振幅最小值是否大于2000LSB，若是，则减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；反之，则执行下一步骤；
判断TOF传感器采样信号的振幅是否小于25LSB，若是，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；反之，则执行计算TOF传感器采样信号的振幅均方差的步骤。
进一步，所述计算TOF传感器采样信号的振幅均方差这一步骤，具体为：
TOF传感器获取一个采样周期内的4个差分采样信号对应的振幅；
根据获取的振幅计算振幅均方差，所述振幅均方差ATOF的计算方式为：
其中，|DCS0|、|DCS1|、|DCS2|和|DCS3|分别为DCS0、DCS1、DCS2和DCS3的采样振幅，DCS1比DCS0的相位大90°，DCS2比DCS1的相位大90°，DCS3比DCS1的相位大90°，DCS0和DCS2属于TOF传感器当前采样像素对应的一对差分采样信号，DCS1和DCS3属于TOF传感器下一采样像素对应的一对差分采样信号。
进一步，所述根据计算的振幅均方差判断TOF传感器采样信号是否满足振幅均方差要求，若是，则执行下一步骤，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤，这一步骤具体为：
若计算的振幅均方差大于2000LSB，则减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；
若计算的振幅均方差小于25LSB，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；
若计算的振幅均方差大于等于25LSB且小于等于2000LSB，则执行计算TOF传感器采样信号的信噪比的步骤。
进一步，所述计算TOF传感器采样信号的信噪比这一步骤，具体为：
计算调制光与环境光的比值，并将调制光与环境光的比值作为TOF传感器采样信号的信噪比，所述TOF传感器采样信号的信噪比AMR的计算公式为：
其中，EBW和ETOFPP分别为环境光的功率与调制光的功率。
进一步，所述根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算这一步骤，具体包括：
根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法计算测量距离，所述测量距离的计算公式为：
其中，C为光速，atan2函数为四象限的反正切函数，fLED为测距光源的调制频率，DOFFSET为距离偏移量；
判断是否需要继续流程，若是，则执行下一步骤，反之，则结束流程；
判断此时TOF传感器采样信号的振幅均方差ATOF是否小于100LSB，若是，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤，反之，则直接返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤。
本发明所采取的第一技术方案是：
一种TOF传感器的距离计算系统，包括：
判断模块，用于根据TOF传感器采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比判断是否开始进行测量距离计算，若是，则执行测量距离计算模块；反之，则进行光电转换时间调整；
测量距离计算模块，用于根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算；
其中，测量距离为TOF传感器与目标间的距离，TOF传感器采样信号的每个像素对应有一对用于进行光电转换的电荷存储池，且该像素在距离测量结束后读取该对电荷存储池的差分信号作为输出。
进一步，所述判断模块包括：
飞行时间测量单元，用于TOF传感器进行飞行时间测量；
第一判断单元，用于判断TOF传感器采样信号是否满足预设的振幅要求，若是，则转到振幅均方差计算单元，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回飞行时间测量单元；
振幅均方差计算单元，用于计算TOF传感器采样信号的振幅均方差；
第二判断单元，用于根据计算的振幅均方差判断TOF传感器采样信号是否满足振幅均方差要求，若是，则转到信噪比计算单元，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后飞行时间测量单元；
信噪比计算单元，用于计算TOF传感器采样信号的信噪比；
第三判断单元，用于根据计算的信噪比判断TOF传感器采样信号是否满足信噪比要求，若是，则转到测量距离计算模块，反之，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回飞行时间测量单元。
本发明所采取的第三技术方案是：
一种TOF传感器的距离计算系统，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行如本发明所述的TOF传感器的距离计算方法。
本发明的有益效果是：本发明一种TOF传感器的距离计算方法及系统，读取每个采样像素的一对电荷存储池的差分信号作为输出，并在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算，通过信号差分有效抑制了环境光的干扰，从而能在室外使用TOF传感器；根据TOF传感器采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比判断是否开始进行测量距离计算，通过采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比三个指标进一步提升了测量距离计算的精度。
附图说明
图1为本发明一种TOF传感器的距离计算方法的流程图；
图2为本发明距离计算方法所对应的测量系统的结构框图；
图3为本发明窄带通近红外光的光谱敏感曲线图；
图4为本发明DCS0信号对应的波形关系图；
图5为本发明DCS1信号对应的波形关系图；
图6为本发明DCS2信号对应的波形关系图；
图7为本发明DCS3信号对应的波形关系图；
图8为本发明TOF传感器的不同测量阶段实现原理示意图；
图9为本发明笛卡尔坐标体系的示意图；
图10为本发明TOF传感器的距离计算原理示意图；
图11为本发明TOF传感器的距离计算的一种优选实施例的流程图。
具体实施方式
参照图1，一种TOF传感器的距离计算方法，包括以下步骤：
根据TOF传感器采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比判断是否开始进行测量距离计算，若是，则执行下一步骤；反之，则进行光电转换时间调整；
根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算；
其中，测量距离为TOF传感器与目标间的距离，TOF传感器采样信号的每个像素对应有一对用于进行光电转换的电荷存储池，且该像素在距离测量结束后读取该对电荷存储池的差分信号作为输出。
进一步作为优选的实施方式，所述根据TOF传感器采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比判断是否开始进行测量距离计算，若是，则执行下一步骤；反之，则进行光电转换时间调整这一步骤，具体包括：
TOF传感器进行飞行时间测量；
判断TOF传感器采样信号是否满足预设的振幅要求，若是，则执行下一步骤，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；
计算TOF传感器采样信号的振幅均方差；
根据计算的振幅均方差判断TOF传感器采样信号是否满足振幅均方差要求，若是，则执行下一步骤，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；
计算TOF传感器采样信号的信噪比；
根据计算的信噪比判断TOF传感器采样信号是否满足信噪比要求，若是，则执行根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算这一步骤，反之，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤。
进一步作为优选的实施方式，所述判断TOF传感器采样信号是否满足预设的振幅要求，若是，则执行下一步骤，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤，这一步骤具体包括：
判断TOF传感器当前的采样像素是否已饱和，若是，则减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤，反之，则执行下一步骤；
判断TOF传感器当前的采样信号的振幅最小值是否大于2000LSB，若是，则减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；反之，则执行下一步骤；
判断TOF传感器采样信号的振幅是否小于25LSB，若是，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；反之，则执行计算TOF传感器采样信号的振幅均方差的步骤。
进一步作为优选的实施方式，所述计算TOF传感器采样信号的振幅均方差这一步骤，具体为：
TOF传感器获取一个采样周期内的4个差分采样信号对应的振幅；
根据获取的振幅计算振幅均方差，所述振幅均方差ATOF的计算方式为：
其中，|DCS0|、|DCS1|、|DCS2|和|DCS3|分别为DCS0、DCS1、DCS2和DCS3的采样振幅，DCS1比DCS0的相位大90°，DCS2比DCS1的相位大90°，DCS3比DCS1的相位大90°，DCS0和DCS2属于TOF传感器当前采样像素对应的一对差分采样信号，DCS1和DCS3属于TOF传感器下一采样像素对应的一对差分采样信号。
本发明的每对差分信号中两个信号刚好相差180度，这样一个信号的波形在波峰另一个就在波谷，所以其中有一个信号只采样到环境光，另一个信号就同时采样到调制光(如调制后的近红外光)+环境光，因此根据这两个信号(如DCS0和DCS2或DCS1和DCS3)振幅的差值就可以获得剔除环境光后的有效信号振幅数值。
进一步作为优选的实施方式，所述根据计算的振幅均方差判断TOF传感器采样信号是否满足振幅均方差要求，若是，则执行下一步骤，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤，这一步骤具体为：
若计算的振幅均方差大于2000LSB，则减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；
若计算的振幅均方差小于25LSB，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；
若计算的振幅均方差大于等于25LSB且小于等于2000LSB，则执行计算TOF传感器采样信号的信噪比的步骤。
进一步作为优选的实施方式，所述计算TOF传感器采样信号的信噪比这一步骤，具体为：
计算调制光与环境光的比值，并将调制光与环境光的比值作为TOF传感器采样信号的信噪比，所述TOF传感器采样信号的信噪比AMR的计算公式为：
其中，EBW和ETOFPP分别为环境光的功率与调制光的功率。调制光是指测距光源发出的调制后的近红外光。
进一步作为优选的实施方式，所述根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算这一步骤，具体包括：
根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法计算测量距离，所述测量距离的计算公式为：
其中，C为光速，atan2函数为四象限的反正切函数，fLED为测距光源的调制频率，DOFFSET为距离偏移量；
判断是否需要继续流程，若是，则执行下一步骤，反之，则结束流程；
判断此时TOF传感器采样信号的振幅均方差ATOF是否小于100LSB，若是，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤，反之，则直接返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤。
与图1的方法相对应，本发明一种TOF传感器的距离计算系统，包括：
判断模块，用于根据TOF传感器采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比判断是否开始进行测量距离计算，若是，则执行测量距离计算模块；反之，则进行光电转换时间调整；
测量距离计算模块，用于根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算；
其中，测量距离为TOF传感器与目标间的距离，TOF传感器采样信号的每个像素对应有一对用于进行光电转换的电荷存储池，且该像素在距离测量结束后读取该对电荷存储池的差分信号作为输出。
进一步，所述判断模块包括：
飞行时间测量单元，用于TOF传感器进行飞行时间测量；
第一判断单元，用于判断TOF传感器采样信号是否满足预设的振幅要求，若是，则转到振幅均方差计算单元，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回飞行时间测量单元；
振幅均方差计算单元，用于计算TOF传感器采样信号的振幅均方差；
第二判断单元，用于根据计算的振幅均方差判断TOF传感器采样信号是否满足振幅均方差要求，若是，则转到信噪比计算单元，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后飞行时间测量单元；
信噪比计算单元，用于计算TOF传感器采样信号的信噪比；
第三判断单元，用于根据计算的信噪比判断TOF传感器采样信号是否满足信噪比要求，若是，则转到测量距离计算模块，反之，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回飞行时间测量单元。
与图1的方法相对应，本发明一种TOF传感器的距离计算系统，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行如本发明所述的TOF传感器的距离计算方法。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明进行进一步解释和说明。
实施例一
针对现有技术TOF传感器难以应用于室外和强光环境的缺陷，本实施例提出了一种TOF传感器的环境光抑制方案，该方案主要包括以下内容：
为了实现本发明TOF传感器的距离计算方法，本实施例提出了一种TOF传感器测量系统。本实施例的测量系统主要包括光源、调制解调模块、TOF传感器、饱和检测模块和ADC转换器，如图2所示。
其中，光源在调制解调模块的调制信号控制作用下发出调制后的近红外光照射到目标上，TOF传感器包括用于进行采样的像素阵列，像素阵列包括像素，每个像素对应有一对电荷存储池，该对电荷存储池在调制解调模块的一对解调信号控制作用下对目标反射光激发的电荷进行积分(即光电转换)，并在测量结束后输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号。目标反射光包括环境光和目标反射的近红外光。光源发出的近红外光是窄带通近红外光。调制解调模块，用于控制光源的调制过程和目标反射光的解调过程。
ADC转换器，用于读取所述电荷存储池输出的差分信号。ADC转换器的读出模式包括差分测距模式和单端近红外图像模式，所述差分测距模式对单个TOF传感器组成的相机模组采用正弦调制方式，所述差分测距模式对多个TOF传感器的集中应用采用伪随机噪声调制方式。
此外，在所述目标与TOF传感器之间还设有窄带通过滤镜，以允许特定波长的光线照射到TOF传感器上，进一步强化了环境光抑制作用。下面对该测量系统的环境光抑制方案进行详细说明。
(1)TOF传感器采用的光电转换材料。
为例满足室外应用的要求，本实施例的光谱敏感曲线选用如图3所示的窄带型光谱敏感曲线。也就是说，根据波长和灵敏度，本实施例的TOF传感器采用近红外LED光源作为测距用光源。而目前大多数红外LED的发射光谱(性价比最好的红外LED就是850nm波段和940nm波段的，而其中850nm波段的红外LED最经济))最高效的区间正好和该图3的近红外LED窄带型传感器材料的光谱敏感峰值区间吻合(800～900nm)。
(2)环境光抑制原理
本实施例整个TOF传感器的调制信号、近红外LED发射调制信号以及传感器像素所需的解调信号波形分别如图4、图5、图6和图7所示。图4、图5、图6和图7中，粗黑线代表该信号起作用(对应“1”)，mod_clk为调制时钟信号，led_mod为红外LED发射控制调制信号，mga和mgb为调制解调模块的一对解调信号。图4中，mga为0°，mgb为180°，对应DCS0信号；图5中，mga为90°，mgb为270°，对应DCS1信号；图6中，mga为180°，mgb为0°，对应DCS2信号；图7中，mga为270°，mgb为90°，对应DCS3信号。
如图8所示，假设当前mga和mgb对应的信号为DCS0，TOF传感器的采样像素为UE，且波形中粗黑线代表该信号起作用(对应“1”)，Integration为积分阶段(即光电转换期间)，Differentce SGA-SGB and saturation detection为SGA和SGB差分和饱和检测阶段，saturation detection为饱和检测，Didital read-out为数字信号读出阶段。TOF传感器的每个像素都如像素UE一样有SGA和SGB这样一对电荷存储池。如图8所示，在积分期间(即光电转换阶段，integration)，该对电荷存储池在解调信号mga和mgb(这对调制信号同样可对TOF传感器的测距用光源进行调制)的控制下对反射光激发的电荷(即e-)进行积分。测量结束后就开始进行读出，存储池SGA和SGB作为差分信号A-B(已抑制了环境光干扰)读取，然后转换为12-bit数据DATA和一个1bit饱和标志SAT。
根据不同的操作模式(包括差分测距模式和单端近红外图像模式)，ADC的读出也不同，具体包括：
1)差分测距模式：对于单个TOF传感器组成的相机模组，采用正弦调制；对于多个TOF传感器的集中应用，为了防止相互之间的干扰，采用伪随机噪声调制，确保每个TOF传感器有不同的调制光。
2)单端近红外图像模式：这个模式下对调制信号没有特别要求，只是用于生成近红外图像。
本实施例环境光抑制原理为：因为TOF传感器接收到光子包括环境光和调制后的近红外光，而电荷存储池是由一对相位差180度的解调信号控制的，故可以对所接收的调制光进行解调。这样就可以将真正测距用的调制光区别开。因此尽管图3的整个光谱敏感区不是特别窄和快速收敛，但通过差分相减就可以将环境光产生的电荷剔除，获得真正有用的调制光电荷。
通过以上结构在阳光，农田，室内等环境下测量，用户可以不用再考虑抑制环境光，因像素通过电荷存储池差分已经自动抑制了环境光，积分时间(曝光时间)越长对环境光就越敏感。
(3)像素点的过饱和检测
在积分时，像素会连续收集已调制或者未调制的环境光(如背景)，根据环境光强度不同，有时候像素会收集到超过存储池最大存储量的电荷，在这种情况下12位的数据是无效的不可用数据。因此，本实施例每个像素的采样数据都会有个“饱和检测”标志SAT，这样ADC输出所连接的后续处理器(如MCU等)上的应用程序就知道是否放弃该数据。
在相邻像素模式下，一个或多个电荷存储池饱和或者累计饱和都会产生饱和标志，故在这种结构下两个相邻像素的饱和电荷存储池不能采集两次。
饱和检测标志SAT由TOF传感器XSYNC_SAT管脚传送，它和12位的ADC采样输出数据DATA[11:0]同步传输。如果像素饱和，则DATA[11:0]管脚会置为0xFFF，这种配置下，后续应用程序需要丢弃采样结果为0xFFF的数据。
(4)对环境光的进一步抑制
本实施例除了采用电子软硬件来抑制环境光外，还可从光学层面，采用850nm的窄带通过滤镜来阻挡可见光，从而只允许850nm附近的光线照射到TOF传感器上，进一步强化了环境光抑制。
实施例二
基于实施例一的测量系统，本实施例采用笛卡尔坐标体系(atan2)来计算测量距离(即TOF传感器与目标间的距离)，如图9所示。本实施例用0°…360°来对应距离0m到测量距离(即检测到的距离)，这样可以获得如下公式：
其中，变量或者＝atan2(y,x)。
而为了能准确计算出测量距离，需要至少选择2个像素(一个用于确定采样的零点，另一个用来计算相对于零点的时间)来进行采样。为了抑制环境光干扰，每个像素有一对电荷存储池的信号以差分的形式输出，故本实施例一共选取2对共4个差分信号(第一对为图3的DCS0和图5的DCS2，第二对为图4的DCS1和图6的DCS3)来形成如图10所示的正弦曲线。也就是说，在一个采样周期tMOD内，本实施例一共选取了DCS0、DCS1、DCS2和DCS3共4个采样信号，其时间time、振幅amplitude、相位变化phase shift和采样点sample的关系曲线如图10所示。而根据飞行时间(time of flight)法的相关理论，只需确定TOF传感器发射信号emitted AC signal与接收的返回信号received AC signal间的相移即可根据公式来计算相应的测量距离D。故结合图10、相关的几何和数学知识，可以得知：
从TOF传感器发射信号时刻至接收到返回信号时刻间的时间tTOF计算公式为：
其中，tTOF的单位为秒，|DCS0|、|DCS1|、|DCS2|和|DCS3|分别为DCS0、DCS1、DCS2和DCS3的采样振幅(单位为LSB)，fLED为测距光源的调制频率，tOFFSET为测量时间偏移量(可在测量前进行调整或预先设定，如设为0)，C为光速。
那么可以根据tTOF获得相应的测量距离，则该测量距离DTOF的计算公式为：
其中，DTOF的单位为米，DOFFSET为测量距离偏移量，且DOFFSET＝0.5C*tOFFSET。
若每对差分信号是一样的，且tOFFSET为0(即不考虑偏移量)，那么，以上2条公式可进一步简化为：
为了进一步提高测量精度，本实施例在测距计算的每次采样计算都采用了振幅(即像素的电荷强度)均方差，然后将这个结果用于下一次的测距计算，以对反射光的强弱进行修补计算。
本实施例振幅均方差ATOF的计算方式为：
同时为了降低调制光(即光源发出的调制后的近红外光)的噪音，在每次采样时还会计算调制光/环境光的比值(也可称为信噪比)，信噪比AMR的计算公式为：
其中，EBW和ETOFPP分别为环境光的功率(可通过相应的环境/时间测量即B&W测量得出)与调制光的功率(由光源和调制信号来决定)。
如果计算的比值AMR大于设定值，那么在下一次采样的时候，就会增加光电转换的时间或者增加发射功率。
综上所述，如图11所示，针对每个TOF像素的整个距离计算算法的流程如下：
S1：TOF进行飞行时间测量(用于获取发射红外光到返回反射光的时间)。
S2：判断像素是否饱和，若是，则执行步骤S3，反之，则执行步骤S4。
S3：减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回步骤S1。
S4：判断TOF传感器4个采样信号中的振幅最小值是否大于2000LSB，若是，则执行步骤S3；反之，则执行步骤S5；
S5：判断TOF传感器4个采样信号的振幅是否都小于25LSB，若是，则执行步骤S6，反之，则执行步骤S7；
S6：增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回步骤S1。
S7：计算TOF传感器采样信号的振幅均方差ATOF。
S8：根据振幅均方差ATOF的大小执行相应的操作：若ATOF大于2000LSB，则执行步骤S3；若ATOF小于25LSB(代表未采样到目标)，则执行步骤S6；若ATOF大于等于25LSB且小于等于2000LSB，则执行步骤S9。
S9：进行B&W测量，以确定环境光的功率。若环境光的功率已知，则此步骤可省略，此时直接执行步骤S10。
S10：计算TOF传感器采样信号的信噪比AMR。
S11：判断信噪比AMR是否大于60(或70)dB，若是，则执行步骤S6，反之，则执行步骤S12。
S12：按照本实施例前述的方法开始进行测量距离计算。
S13：判断流程是否结束(可通过计算结果是否满足精度或次数等预设结束条件来判断)，若是，则结束整个流程；反之，则执行步骤S14。
S14：判断TOF传感器当前采样信号的ATOF是否100LSB，若是，则执行步骤S6，反之，则执行步骤S1。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种TOF传感器的距离计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
根据TOF传感器采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比判断是否开始进行测量距离计算，若是，则执行下一步骤；反之，则进行光电转换时间调整；
根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算；
其中，测量距离为TOF传感器与目标间的距离，TOF传感器采样信号的每个像素对应有一对用于进行光电转换的电荷存储池，且该像素在距离测量结束后读取该对电荷存储池的差分信号作为输出。
2.根据权利要求1所述的一种TOF传感器的距离计算方法，其特征在于：所述根据TOF传感器采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比判断是否开始进行测量距离计算，若是，则执行下一步骤；反之，则进行光电转换时间调整这一步骤，具体包括：
TOF传感器进行飞行时间测量；
判断TOF传感器采样信号是否满足预设的振幅要求，若是，则执行下一步骤，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；
计算TOF传感器采样信号的振幅均方差；
根据计算的振幅均方差判断TOF传感器采样信号是否满足振幅均方差要求，若是，则执行下一步骤，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；
计算TOF传感器采样信号的信噪比；
根据计算的信噪比判断TOF传感器采样信号是否满足信噪比要求，若是，则执行根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算这一步骤，反之，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤。
3.根据权利要求2所述的一种TOF传感器的距离计算方法，其特征在于：所述判断TOF传感器采样信号是否满足预设的振幅要求，若是，则执行下一步骤，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤，这一步骤具体包括：
判断TOF传感器当前的采样像素是否已饱和，若是，则减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤，反之，则执行下一步骤；
判断TOF传感器当前的采样信号的振幅最小值是否大于2000LSB，若是，则减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；反之，则执行下一步骤；
判断TOF传感器采样信号的振幅是否小于25LSB，若是，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；反之，则执行计算TOF传感器采样信号的振幅均方差的步骤。
4.根据权利要求2所述的一种TOF传感器的距离计算方法，其特征在于：所述计算TOF传感器采样信号的振幅均方差这一步骤，具体为：
TOF传感器获取一个采样周期内的4个差分采样信号对应的振幅；
根据获取的振幅计算振幅均方差，所述振幅均方差ATOF的计算方式为：
其中，|DCS0|、|DCS1|、|DCS2|和|DCS3|分别为DCS0、DCS1、DCS2和DCS3的采样振幅，DCS1比DCS0的相位大90°，DCS2比DCS1的相位大90°，DCS3比DCS1的相位大90°，DCS0和DCS2属于TOF传感器当前采样像素对应的一对差分采样信号，DCS1和DCS3属于TOF传感器下一采样像素对应的一对差分采样信号。
5.根据权利要求2所述的一种TOF传感器的距离计算方法，其特征在于：所述根据计算的振幅均方差判断TOF传感器采样信号是否满足振幅均方差要求，若是，则执行下一步骤，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤，这一步骤具体为：
若计算的振幅均方差大于2000LSB，则减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；
若计算的振幅均方差小于25LSB，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤；
若计算的振幅均方差大于等于25LSB且小于等于2000LSB，则执行计算TOF传感器采样信号的信噪比的步骤。
6.根据权利要求2所述的一种TOF传感器的距离计算方法，其特征在于：所述计算TOF传感器采样信号的信噪比这一步骤，具体为：
计算调制光与环境光的比值，并将调制光与环境光的比值作为TOF传感器采样信号的信噪比，所述TOF传感器采样信号的信噪比AMR的计算公式为：
其中，EBW和ETOFPP分别为环境光的功率与调制光的功率。
7.根据权利要求4所述的一种TOF传感器的距离计算方法，其特征在于：所述根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算这一步骤，具体包括：
根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法计算测量距离，所述测量距离的计算公式为：
其中，C为光速，atan2函数为四象限的反正切函数，fLED为测距光源的调制频率，DOFFSET为距离偏移量；
判断是否需要继续流程，若是，则执行下一步骤，反之，则结束流程；
判断此时TOF传感器采样信号的振幅均方差ATOF是否小于100LSB，若是，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤，反之，则直接返回TOF传感器进行飞行时间测量的步骤。
8.一种TOF传感器的距离计算系统，其特征在于：包括：
判断模块，用于根据TOF传感器采样信号的振幅、振幅均方差以及信噪比判断是否开始进行测量距离计算，若是，则执行测量距离计算模块；反之，则进行光电转换时间调整；
测量距离计算模块，用于根据TOF传感器采样信号在笛卡尔坐标体系中采用基于采样信号差分的方法来进行测量距离计算；
其中，测量距离为TOF传感器与目标间的距离，TOF传感器采样信号的每个像素对应有一对用于进行光电转换的电荷存储池，且该像素在距离测量结束后读取该对电荷存储池的差分信号作为输出。
9.根据权利要求8所述的一种TOF传感器的距离计算系统，其特征在于：所述判断模块包括：
飞行时间测量单元，用于TOF传感器进行飞行时间测量；
第一判断单元，用于判断TOF传感器采样信号是否满足预设的振幅要求，若是，则转到振幅均方差计算单元，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后返回飞行时间测量单元；
振幅均方差计算单元，用于计算TOF传感器采样信号的振幅均方差；
第二判断单元，用于根据计算的振幅均方差判断TOF传感器采样信号是否满足振幅均方差要求，若是，则转到信噪比计算单元，反之，则增加或减少TOF传感器采样的光电转换时间后飞行时间测量单元；
信噪比计算单元，用于计算TOF传感器采样信号的信噪比；
第三判断单元，用于根据计算的信噪比判断TOF传感器采样信号是否满足信噪比要求，若是，则转到测量距离计算模块，反之，则增加TOF传感器采样的光电转换时间后返回飞行时间测量单元。
10.一种TOF传感器的距离计算系统，其特征在于：包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1-7任一项所述的TOF传感器的距离计算方法。
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109507685A (zh) * 2018-10-15 2019-03-22 天津大学 phong式光照模型的TOF传感器模型的测距方法
CN109541622A (zh) * 2018-12-26 2019-03-29 豪威科技(武汉)有限公司 Tof测距幅值的计算方法及tof测距系统
CN109788216A (zh) * 2018-12-26 2019-05-21 武汉市聚芯微电子有限责任公司 用于tof的抗干扰方法、装置及tof传感器芯片
CN109991584A (zh) * 2019-03-14 2019-07-09 深圳奥比中光科技有限公司 一种抗干扰的距离测量方法及深度相机
CN110244310A (zh) * 2019-06-27 2019-09-17 Oppo广东移动通信有限公司 一种tof系统及图像处理方法、存储介质
CN110827349A (zh) * 2019-11-14 2020-02-21 广东小天才科技有限公司 一种校准方法、系统、计算机设备和存储介质
WO2020087376A1 (zh) * 2018-10-31 2020-05-07 深圳市大疆创新科技有限公司 光探测方法、光探测装置和移动平台
CN111289988A (zh) * 2018-12-07 2020-06-16 英飞凌科技股份有限公司 用于确定距离信息的方法、装置以及计算机程序
WO2020224271A1 (zh) * 2019-05-06 2020-11-12 歌尔股份有限公司 基于tof相机模组的抗干扰方法及设备
WO2020248335A1 (zh) * 2019-06-14 2020-12-17 深圳奥比中光科技有限公司 时间深度相机及多频调制解调的降低噪声的距离测量方法
CN112449081A (zh) * 2019-08-28 2021-03-05 天津大学青岛海洋技术研究院 一种用于校正tof图像传感器成像误差的方法
CN112987023A (zh) * 2021-05-11 2021-06-18 深圳阜时科技有限公司 光学感测设备及其测量方法及电子设备
WO2021248273A1 (zh) * 2020-06-08 2021-12-16 深圳市汇顶科技股份有限公司 基于飞行时间的测距方法和相关测距系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102057295A (zh) * 2008-05-09 2011-05-11 布鲁塞尔自由大学 具有背景辐射抑制的tof测距
CN103869303A (zh) * 2012-12-12 2014-06-18 埃斯普罗光电股份公司 Tof距离传感器以及用于其操作的方法
TW201608889A (zh) * 2014-08-28 2016-03-01 原相科技股份有限公司 影像感測器及其運作方法
CN105407300A (zh) * 2014-09-10 2016-03-16 原相科技股份有限公司 图像感测器及其运作方法
CN106454156A (zh) * 2015-08-10 2017-02-22 原相科技股份有限公司 图像传感器及其运作方法
WO2017138032A1 (en) * 2016-02-08 2017-08-17 Denso Corporation Time-of-flight distance measuring device and method for detecting multipath error

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102057295A (zh) * 2008-05-09 2011-05-11 布鲁塞尔自由大学 具有背景辐射抑制的tof测距
CN103869303A (zh) * 2012-12-12 2014-06-18 埃斯普罗光电股份公司 Tof距离传感器以及用于其操作的方法
TW201608889A (zh) * 2014-08-28 2016-03-01 原相科技股份有限公司 影像感測器及其運作方法
CN105391947A (zh) * 2014-08-28 2016-03-09 原相科技股份有限公司 图像传感器及其操作方法、包含该图像传感器的动作传感器
CN105407300A (zh) * 2014-09-10 2016-03-16 原相科技股份有限公司 图像感测器及其运作方法
CN106454156A (zh) * 2015-08-10 2017-02-22 原相科技股份有限公司 图像传感器及其运作方法
WO2017138032A1 (en) * 2016-02-08 2017-08-17 Denso Corporation Time-of-flight distance measuring device and method for detecting multipath error

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
无: "2753-Datasheet_epc660-V1.09", 《"2753-DATASHEET_EPC660-V1.09",HTTPS://WWW.PACER.CO.UK/ASSETS/USER/2753-DATASHEET_EPC660-V1.09.PDF》 *

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109507685B (zh) * 2018-10-15 2023-06-27 天津大学 phong式光照模型的TOF传感器模型的测距方法
CN109507685A (zh) * 2018-10-15 2019-03-22 天津大学 phong式光照模型的TOF传感器模型的测距方法
WO2020087376A1 (zh) * 2018-10-31 2020-05-07 深圳市大疆创新科技有限公司 光探测方法、光探测装置和移动平台
CN111289988B (zh) * 2018-12-07 2024-02-02 英飞凌科技股份有限公司 用于确定距离信息的方法、装置以及计算机程序
CN111289988A (zh) * 2018-12-07 2020-06-16 英飞凌科技股份有限公司 用于确定距离信息的方法、装置以及计算机程序
US11879993B2 (en) 2018-12-07 2024-01-23 Infineon Technologies Ag Time of flight sensor module, method, apparatus and computer program for determining distance information based on time of flight sensor data
CN109541622A (zh) * 2018-12-26 2019-03-29 豪威科技(武汉)有限公司 Tof测距幅值的计算方法及tof测距系统
CN109788216A (zh) * 2018-12-26 2019-05-21 武汉市聚芯微电子有限责任公司 用于tof的抗干扰方法、装置及tof传感器芯片
CN109541622B (zh) * 2018-12-26 2020-10-16 豪威科技(武汉)有限公司 Tof测距幅值的计算方法及tof测距系统
CN109991584A (zh) * 2019-03-14 2019-07-09 深圳奥比中光科技有限公司 一种抗干扰的距离测量方法及深度相机
WO2020224271A1 (zh) * 2019-05-06 2020-11-12 歌尔股份有限公司 基于tof相机模组的抗干扰方法及设备
WO2020248335A1 (zh) * 2019-06-14 2020-12-17 深圳奥比中光科技有限公司 时间深度相机及多频调制解调的降低噪声的距离测量方法
CN110244310A (zh) * 2019-06-27 2019-09-17 Oppo广东移动通信有限公司 一种tof系统及图像处理方法、存储介质
CN112449081A (zh) * 2019-08-28 2021-03-05 天津大学青岛海洋技术研究院 一种用于校正tof图像传感器成像误差的方法
CN110827349B (zh) * 2019-11-14 2023-06-23 广东小天才科技有限公司 一种校准方法、系统、计算机设备和存储介质
CN110827349A (zh) * 2019-11-14 2020-02-21 广东小天才科技有限公司 一种校准方法、系统、计算机设备和存储介质
WO2021248273A1 (zh) * 2020-06-08 2021-12-16 深圳市汇顶科技股份有限公司 基于飞行时间的测距方法和相关测距系统
CN112987023A (zh) * 2021-05-11 2021-06-18 深圳阜时科技有限公司 光学感测设备及其测量方法及电子设备

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