CN108802753B - 用于确定距对象的距离的设备以及相应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定距对象(10)的距离(d)的设备(1)，包括用于发射包括脉冲持续时间(Tp)的若干光脉冲的发射设备(2)，包括用于接收信号并用于生成检测信号的接收设备(3)，并且包括用于对检测信号进行评估的评估设备(4)。评估设备(4)基于所发射的光脉冲的数量并基于检测信号来确定若干时间窗口的概率值，每个时间窗口具有等于脉冲持续时间(Tp)的相应时间段并且概率值分别与时间窗口中的一个时间窗口内的信号接收概率有关。另外，评估设备(4)根据飞行时间方法基于所确定的概率值来确定对象(10)的距离(d)的量度。此外，本发明涉及相应的方法。

Description

用于确定距对象的距离的设备以及相应的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定距对象的距离的设备。另外，本发明涉及一种确定距对象的距离的方法。
背景技术
CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器技术提供了高速实时捕捉测量信号的可能性。这在时间关键型系统中捕捉三维(3D)距离图像时非常有益。脉冲飞行时间方法和包括连续调制光的方法在此用于无接触式深度感测。为此，通过检测残余强度来测量例如红外激光的光脉冲的飞行时间，该红外激光由发射设备发射并且由目标对象反射。在该上下文中，会提及光检测和测距(LIDAR)。
可能的应用领域是：高级驾驶辅助系统(ADAS)、无人驾驶、安全监控、航空电子设备或医疗技术。
特别是在安全相关系统中，对可靠性的要求很高。例如，对于车辆中的紧急制动系统，必须实时可靠地检测距位于汽车前方的对象的距离。高电路复杂性增加了这种系统对缺陷的敏感性。
另外，借助于高分辨率3D图像，可以可靠地检测出甚至相对较小的对象，并且可以可靠地估计其移动方向和速度。以此方式，可以预测对象的未来位置，并且可以更有效地防止碰撞。同样在安全监控中，高分辨率图像提供了决定性优势。例如，它们允许借助于算法对对象或人进行更加可靠的检测，这降低了错误警报的频率。
单光子雪崩二极管(SPAD)是在其击穿电压(雪崩电压)以上操作的雪崩光电二极管。在这个所谓的盖革范围内，在二极管的有效范围内被吸收并且产生自由电荷载流子的单个光子将足以导致二极管击穿，并因此导致宏观电流流过二极管。SPAD因此能够检测单光子。
基于应用SPAD的已知3D传感器采用各种原理。
在间接方法中，与经典光电二极管类似，对入射光进行积分，这在SPAD的情况下通过对入射光子进行计数来实现。该方法可以通过对光强度的脉冲形和正弦形调制来进行。积分之后，根据各个时间窗口的计数来计算飞行时间并因此计算距离[1]。
由于光子的统计分布，各个计数服从泊松分布，其作为期望值的函数，导致与距离测量有关的一定量的不确定性[2]。
利用直接方法，借助于电子定时器(时间-数字转换器TDC)来检测发射光的飞行时间。在这种情况下，TDC在发射短光脉冲时启动，并在接收到目标对象处反射的脉冲时停止[1]。在第一光子方法中，在已经启动TDC之后，在传感器检测到第一入射光子时停止TDC。
在理想情况下，测量的时间t对应于光的飞行时间，并且可以基于光脉冲的速度c直接转换为传感器与目标对象之间的距离d，其中d＝c*t/2。
当使用所述方法时，当存在与所使用的激光具有相同波长的背景光时，可能会出现问题。例如，在车辆中使用的情况下，背景光是日光或人工照明。在这种情况下，由背景光产生的光子可能会使TDC停止并且由此导致错误的测量。
两种方法的缺点是在实现所需的电路方面的开销相对较大。例如，间接方法需要若干计数器以便以时间高效的方式操作，这些计数器必须具有相对较大的宽度(例如，10位)以降低方差[3]。对于直接方法而言，电路方面的开销甚至更大更复杂，直接方法需要TDC来测量脉冲的飞行时间[4]。
发明内容
本发明的目的是提出一种确定距对象的距离的设备和相应的方法，其中与现有技术相比，装置方面的开销有所降低。
本发明借助于用于确定距对象的距离的设备来实现该目的。
该设备至少包括一个发射设备、一个接收设备和一个评估设备。
发射设备被配置为发射包括可预定义脉冲持续时间的若干光脉冲。接收设备被配置为接收信号并生成与检测时间和/或检测时间间隔相关联的检测信号。接收设备由此生成检测信号，每个检测信号与时间点或时间间隔相关联。是时间点还是时间间隔还取决于实施方式，例如取决于时间分辨率。评估设备被配置为对检测信号进行评估。为此，评估设备优选地回退到将检测信号与时间点和/或时间间隔相关联。基于所发射的光脉冲的数目并且基于检测信号，评估设备确定若干时间窗口的概率值。时间窗口均具有等于光脉冲的脉冲持续时间的时间段(时间长度)。概率值在每种情况下都与时间窗口中的一个时间窗口内的信号接收概率有关。另外，评估设备基于所确定的概率值根据飞行时间方法来确定对象的距离的量度。
因此，评估设备在每种情况下定义时间窗口并且确定在时间窗口内接收到信号的概率。在一个实施方式中，评估设备基于相关联的时间点和/或时间间隔来确定在各个时间窗口内接收到的信号的数量。在一个实施方式中，每个相应时间窗口的所接收的信号的数量除以所发射的光脉冲的数量得到在时间窗口内接收信号的概率。
与现有技术相反，可以在像素中用减少的电子器件来实现该设备。例如，省去了在现有技术中为了通过SPAD来实现距离测量所需的计数器或TDC。硬件的减少对于二维阵列特别重要，并且能够以相同的表面积实现较高的填充因子和较高的像素数，或者具有相同像素数的较小传感器。
在一个实施方式中，用于测量距离的光脉冲的数量的范围从100到1000。
根据一个实施方式，评估设备确定背景光的量度。背景光组合以下光信号，所述光信号源自测量环境并且尤其是未在对象处反射而接收设备仍然检测到并产生检测信号的光脉冲。基于若干时间窗口中的两个时间窗口的所确定的概率值并且基于背景光的所确定的量度，评估设备确定对象的距离的量度。因此，为了确定距离，评估设备使用，特别地仅使用两个指定时间窗口的概率值和背景光的量度。该实施方式或基于该实施方式的测量方法将在下文中被称为第一测量方法。
一种实施方式在于，评估设备确定在时间上直接连续的若干时间窗口的概率值。
根据一个实施方式，评估设备确定三个时间窗口的概率值。基于三个时间窗口中的两个时间窗口的所确定的概率值以及作为背景光的量度的第三时间窗口的所确定的概率值，评估设备确定对象的距离的量度。在该实施方式中，针对优选地直接连续的三个时间窗口确定概率值。在一个实施方式中，第一时间窗口在发射光脉冲时开始。在一个实施方式中，在时间方面第三(因此也是最后的)时间窗口的概率值是背景光的量度。
根据一个实施方式，评估设备确定在时间上直接连续的三个时间窗口的概率值，所述三个时间窗口中的第一时间窗口的开始由光脉冲的发射时间限定。评估设备基于以下公式来确定光脉冲从发射设备到对象并从对象到接收设备的飞行时间的值：
Figure BDA0001647539980000041
使用以下表示：
飞行时间由TTOF表示。脉冲持续时间由Tp表示。三个时间窗口的所确定的概率值由P1、P2和P3表示。最后，ln用于表示自然对数。
一种实施方式在于，评估设备确定多于三个时间窗口的概率值，在一个实施方式中时间窗口在时间上直接连续。基于针对时间窗口确定的概率值，评估设备识别其中开始检测到在对象处反射的光脉冲的时间窗口。评估设备根据与所识别的时间窗口不同并且与紧随所识别的时间窗口之后的时间窗口不同的那些时间窗口的概率值来确定平均概率值作为背景光的上述量度。基于所识别的时间窗口和后续时间窗口的所确定的概率值并且基于上述平均概率值，评估设备确定对象的距离的量度。
一种实施方式在于，评估设备通过确定具有最高概率值的时间窗口并通过与相邻的(优选地紧邻的)时间窗口进行比较来识别开始检测到在对象处反射的光脉冲的时间窗口。
在另一实施方式中，识别开始检测到在对象处反射的光脉冲的时间窗口，在于确定具有最大概率值的时间窗口，并且在于将紧接在所述时间窗口之前的时间窗口的概率值和紧接在所述时间窗口之后的时间窗口的概率值进行相互比较。因此，这些是紧邻的时间窗口。
根据一个实施方式，评估设备基于以下公式来确定光脉冲从发射设备到对象并从对象到接收设备的飞行时间的值：
Figure BDA0001647539980000051
使用以下表示：
飞行时间由TTOF表示。脉冲持续时间由Tp表示。所识别的时间窗口的所确定的概率值由Pn表示。后续时间窗口的所确定的概率值由Pn+1表示。平均概率值由
Figure BDA0001647539980000052
表示。所识别的时间窗口在时间上连续的时间窗口的序列内的位置由n表示，所述序列在发射光脉冲时开始并且以n＝1所表示的第一时间窗口开始。ln表示自然对数。
一种实施方式在于，评估设备确定若干时间窗口的概率值，所述若干时间窗口中的一些时间窗口由于可预定义的相互时间偏移而至少部分地相互重叠。评估设备基于所确定的概率值来确定光脉冲从发射设备到对象并从对象到接收设备的飞行时间的值，并且基于所确定的飞行时间的值来确定对象的距离的量度。
在下文中将基于该实施方式的测量方法称为第二测量方法。在一个实施方式中，仅针对相互重叠的时间窗口来确定概率值。
根据一个实施方式，评估设备基于所确定的概率值来识别具有最大概率值的时间窗口。评估设备基于所识别的时间窗口的时间位置来确定飞行时间的值。
在替代实施方式中，评估设备基于所确定的概率值来识别具有100％的概率值的时间范围并且基于该时间范围来确定飞行时间的值。因此，评估设备确定其中以图形表示的概率值相对于时间形成矩形的范围。在一个实施方式中，所述矩形因此使得能够通过确定矩形的时间中心来确定飞行时间。
在上述实施方式中讨论了两种测量方法：
·在第一测量方法中，处理两个时间窗口的概率值以及背景光的量度。一个实施方式附加地规定了确定后续时间窗口的概率值。
·在第二测量方法中，确定重叠时间窗口的概率值。例如根据以下事实得出该重叠：等于脉冲持续时间的指定宽度的时间窗口沿着时间轴偏移可预定义的时间偏移。
在以下实施方式中，对两种测量方法进行组合。特别地，只有一种测量方法用于距离测量。对于后续测量(在一个实施方式中特别地涉及对现有检测信号的进一步评估)，要么维持该测量方法或者用另一测量方法替代该测量方法。
因此，一种实施方式在于，评估设备被配置为：借助于基于两个时间窗口的所确定的概率值和背景光的所确定的量度的第一测量方法或者借助于具有部分重叠的时间窗口的第二测量方法来确定距对象的距离。因此，评估设备可以采用第一测量方法或第二测量方法。一旦当前已经通过使用第一测量方法或第二测量方法确定距离，则评估设备确定评估值。评估设备然后将评估值与可预定义阈值进行比较。如果评估值和可预定义阈值在可预定义容差范围内彼此不同，则评估设备将针对在当前确定之后对距离的确定而维持用于当前确定的测量方法。在评估值和可预定义阈值彼此不同超过可预定义容差范围的相反情况下，评估设备将取决于评估值是大于还是小于可预定义阈值而使用第一测量方法或第二测量方法用于当前确定之后的确定。
在一个实施方式中，评估设备根据所确定的概率值来确定最大概率值为评估值。
根据一个实施方式，如果评估值小于可预定义限制值，则评估设备将使用第一测量方法用于当前确定之后的确定。如果评估值大于可预定义限制值，则评估设备将使用第二测量方法用于当前确定之后的确定。
一种实施方式规定评估设备在第一测量方法和第二测量方法中使用具有相同时间长度的时间窗口。因此，利用这两种测量方法，特别是光脉冲的脉冲持续时间是相同的，使得此处的测量方法仅涉及检测信号的评估和/或生成。
在一个实施方式中，接收设备包括至少一个信号-光子雪崩二极管。
另外，本发明实现了定义一种确定距对象的距离的方法的目的。
所述方法至少包括以下步骤：
·其中发射包括可预定义脉冲持续时间的若干光脉冲，
·其中接收信号，
·其中作为所接收的信号的结果，生成与检测时间和/或检测时间间隔相关联的检测信号，
·其中基于所发射的光脉冲的数量并且基于检测信号来确定若干时间窗口的概率值，
·其中概率值在每种情况下都与时间窗口中的一个时间窗口内的信号接收概率有关，
·其中时间窗口的时间长度等于脉冲持续时间，并且
·其中基于所确定的概率值，根据飞行时间方法来确定对象的距离的量度。
附图说明
具体而言，存在多种可能以实现并进一步开发本发明的设备以及方法。为此，一方面请参考权利要求，另一方面请参考以下结合附图对实施例的描述。在附图中，
图1示出了用于确定距对象的距离的设备的示意性表示，
图2示出了基于光子统计的距离测量的功能原理的示意性表示，
图3示出了对SPAD的示例性控制及相关联的时间波形的框图，
图4示出了用较大数量的窗口基于光子统计的距离测量的功能原理的示意性表示，
图5示出了距离测量的标准偏差作为距离的函数的曲线，
图6示出了用重叠时间窗口进行的距离测量的功能原理的示意性表示，
图7示出了用于选择适当的测量方法的控制算法的实现方式的示意性表示，
图8示出了传感器像素的框图，以及
图9示出了跨越若干单独测量用k个触发器进行的测量的流程图。
具体实施方式
在图1中示出了用于确定距对象10的距离d的设备1的实施方式。设备1包括发射设备2和接收设备3。发射设备2在对象10的方向上发射脉冲持续时间Tp的光脉冲，所示出的该实施方式中的光脉冲是脉冲式红外激光。在一个实施方式中，发射设备2移动光跨越对象10的可预定义区域。
接收设备3接收在对象10处反射的光，作为信号。在此，通过两个箭头来指示光路。下面讨论的距离测量方法基于确定在给定时间窗口内检测到光子或(一般地)信号的概率。为此，具有脉冲持续时间Tp的光脉冲由发射设备2发射，在距离d处的对象10处被反射，并且在飞行时间TTOF之后由作为接收设备3的检测器接收。然后，光的飞行时间将通过被照射、被反射且又被接收的信号的速度c得到距对象10的距离d。
评估设备4为了确定距离d而连接到发射设备2和接收设备3。
图2示出了一种实施方式，其中针对三个时间窗口在评估设备中确定光子检测和/或接收信号的概率，该三个时间窗口被布置为是直接连续的。时间窗口的时间段(替代名称是宽度)分别对应于脉冲宽度Tp。由光脉冲的发射时间来定义第一时间窗口的开始时间。通过确定在相应的时间窗口期间是否检测到光子来确定概率值。
通过跨越多个光脉冲的多次重复，根据各个测量的二元结果，通过使用索引i(i＝1，2，3)根据以下公式来计算相应时间窗口内光子检测的概率：
Pi＝ki/N (1)
其中光脉冲的数量为N，使得在具有索引i的相应时间窗口内检测到光子的光脉冲的数量为ki。
因此，发射光脉冲，并且在接收到信号之后，产生与时间点或时间间隔相关联的检测信号。这被执行N次。随后，确定多少检测信号与时间窗口(在此为三个时间窗口)相关联。然后将得到每个时间窗口的相应检测信号数量，这又将得到相应的概率值。
在利用图2所示的三个时间窗口的情况下，光脉冲的最大飞行时间限制为脉冲和/或窗口持续时间。这确保了在第三时间窗口内，仅由于可能存在的背景光而接收到光子，并且由此确定的接收概率可以用于提高对背景光的抵抗力。因此，第三时间窗口提供对背景光的量度。
根据以下公式，根据所确定的三个时间窗口的接收概率Pi(其中i＝1，2，3)来计算光脉冲的飞行时间：
Figure BDA0001647539980000091
由三个时间窗口内的光子接收概率得到该计算公式(2)，该光子接收概率又可以根据第一光子检测的到达时间的指数分布导出。
原理上，在恒定强度的光子通量中，两个光子的中间到达时间的概率密度分布(概率密度函数，PDF)由以下指数分布函数定义：
PPDF(t，λ)＝λexp(-tλ) (3)
根据hitchhiker的悖论，同一分布也适用于任何时间点和下一光子的到达之间的持续时间。
通过t＝0到t＝Tp的公式(3)的积分得到在持续时间Tp的窗口内检测到光子的概率：
Figure BDA0001647539980000092
通过类推，可以计算出三个时间窗口内的光子检测概率：
Figure BDA0001647539980000093
在此上下文中，λA是反射光脉冲的光子检测率，λB是背景光的光子检测率。
可以从公式(5)的概率导出公式(2)。根据已经如此确定的脉冲的飞行时间，随后可以通过以下公式来确定发射设备和/或接收设备与目标对象之间的距离d：
d＝c*TTOF/2。
为了帮助理解，图2从上到下示出了三个时间波形。
顶部行示意性地描绘了作为时间t的函数的检测率λ。根据光脉冲的飞行时间TOF，针对脉冲持续时间Tp的检测率明显增加并且随后降低。在该上下文中，三个时间窗口具有相同的时间长度，其在每种情况下等于光脉冲的脉冲持续时间Tp。
中间行示出了针对三个时间窗口的相关联的概率密度函数(PDF)。
底部行示出了针对三个时间窗口得到的积分。在第一时间窗口内，开始检测到在对象处反射的光脉冲。在第二(因此)中心时间窗口中，信号检测的概率增加到最大值。在第三时间窗口中，最终只检测到或至少主要检测到背景光。
为了评估所描述的方法，根据公式(2)计算飞行时间测量的方差。
根据二项式分布得到各个时间窗口的概率Pi的方差。在该上下文中，在所涉及的时间窗口内检测到光子和/或信号被评估为成功尝试。其概率通过公式(5)来确定。另外，尝试次数N对应于发射的光脉冲的数量。
因此，在方差方面，以下公式适用：
Figure BDA0001647539980000101
公式(2)的方差由各个方差乘以公式(2)根据相应概率Pi的偏导数的平方之后求和得出：
Figure BDA0001647539980000102
等式(7)示出了所描述的方法提出的挑战：
由于检测率非常高，所涉及的测量窗口内的检测概率趋于100％。根据公式(7)，这导致方差趋于无穷大。由于随着距离的减小，反射光脉冲的比率呈平方增加，这特别是在短距离的情况下会导致困难。通过适当的信号处理，可以解决这个问题，即在前两个时间窗口内概率接近100％时，相应的测量将被表征为无效。
尽管存在所述问题，但上面和下面描述的第二测量方法提出了能够测量距离的一种可能性，特别是在高检测率的情况下。
所介绍的通过确定给定时间窗口内的光子检测概率来测量距离的方法能够减少所需的硬件，因为与已知的间接和直接测量方法相反，不需要计数器和/或TDC。降低电路复杂性降低了测量系统对缺陷的敏感性，并且使得能够设计在需要相同空间量的同时具有较高填充因子的高分辨率传感器。
以举例的方式在图3中示出了关于控制作为实际接收元件的单光子雪崩二极管(或简称为SPAD)50的一个实施例。
对于测量窗口内的光子检测，一种实施方式使用SPAD，因为归功于它们在检测单光子方面的高灵敏度，它们非常适用于所描述的方法。接收设备3的每个像素包含至少一个SPAD 50以及用于控制和读出数据的其他电子设备。
原理上，两种控制SPAD的方法是可能的：
如果紧接在每个测量窗口之前复位SPAD 50，则二极管的死区时间不会在功能上发挥任何作用。可以根据公式(2)来计算飞行时间。
或者，SPAD 50也可以在自由运行模式下操作，其中SPAD紧接在检测到光子之后并且在死区时间到期后被自动复位，并且以这种方式可以检测下一光子。在此，由于死区时间，光子检测率降低。这种方法的一个优点是，可以在相同的测量周期内感测连续的窗口，因为在开始下一窗口之前无需对SPAD的复位。
将在图3的上下文中讨论在测量窗口之前的复位。
如已经讨论的那样，在每个测量窗口(这是图3中的阴影区域)之前复位SPAD 50。在本示例性电路中，这通过打开将SPAD 50的阳极以低阻抗方式接地的开关51(复位)来实现。因此，电势VCATHODE被施加在SPAD 50两端。这里的电势高于二极管50的击穿电压。因此，SPAD 50处于盖革模式下并准备接收光子。
如果在测量窗口(这由箭头指向的图3中的点划线指示)内检测到光子，则二极管50将击穿，并且感测节点52处的电势将升高。
该电压增加由控制逻辑53寄存，控制逻辑53置位后面的RS触发器54。同时，电流流动使电阻器55两端的电压增加。后者导致二极管电压下降到击穿电压以下，并因此导致电流流动熄灭(quench)。
必须尽可能快地实现二极管电流的中断，以便降低后脉冲的概率，后脉冲表示在复位之后重新触发SPAD 50而不涉及任何入射光子。
置位的触发器54用作存储器并且记住在所讨论的测量窗口期间是否检测到光子。
在测量窗口结束之后，触发器54的状态通过数字信号处理(DSP)56读出并且随后被复位。
重复所描述的过程若干次使得能够确定在所讨论的时间窗口内的光子检测概率。
另一种是自由运行模式：
在自由运行的SPAD的情况下，二极管将在检测到光子并且延迟时间到期后被自动复位，以便可以检测其他光子。在死区时间的影响下，光子检测率降低如下：
Figure BDA0001647539980000121
其中有效检测率为Λ，无死区时间SPAD的检测率为λ，且死区时间为Tdead。
死区时间描述了在检测到光子之后SPAD的非活动时间段，由熄灭二极管电流的时间、用于降低后脉冲的延迟时间以及用于复位二极管的时间组成。
在复位期间，SPAD两端施加的电压被充电达到其原始值，该值高于击穿电压。另外，由于死区时间，第一光子检测的PDF如下变化：
Figure BDA0001647539980000122
其中有效光子检测率Λ根据公式(8)。
公式(9)得出在具有与脉冲持续时间Tp相同的时间长度的时间窗口内的光子检测概率为：
Figure BDA0001647539980000123
即使在死区时间的影响下，接收概率也是单调递增函数，因此允许重建原始检测率。
然而，公式(10)中的概率仅适用于在测量窗口开始之前检测率λ已经恒定一段时间的情况。然而，如果检测率在测量窗口中间从相对较小的值大幅增加，则概率将会不同，这是由于考虑到检测率增加，SPAD不太可能处于死区时间。
这导致了这样的问题，即在反射脉冲开始时，如果反射光脉冲的光子率非常高，则更有可能检测到光子并且在所讨论的窗口内的接收概率趋于100％，尽管存在死区时间。
下面将描述尽管饱和也允许实现具有较高距离分辨率的测量的实施方式。
接下来首先结合图4描述包括飞行时间插值的窗口数量增加的实施方式。图4的表示的原理类似于图2的原理。
在图4中要特别注意的是中间行和底部行，其中增加的窗口数目是显著的。窗口的时间长度继续与发射的光脉冲的脉冲持续时间Tp的时间长度相同。较大的概率值与第二时间窗口和第三时间窗口相关联。在第二时间窗口内开始检测到反射光脉冲的开始。然而，最大概率与第三时间窗口相关联，光脉冲以其脉冲持续时间的主要部分落入该第三时间窗口。
在图2所示的实施方式中由于将范围限制为发射的光脉冲的持续时间，大的范围需要相应地长的脉冲持续时间。从眼图安全的角度来看，较长光脉冲伴随着最大发射性能的降低，这进而导致较小的信号背景比(SBR)，并且因此导致对背景辐射的敏感性水平增加。如下面将要解释的并且在图4中所示的那样，通过增加窗口的数量来实现在保持脉冲持续时间的同时增加范围。
如果使用较大数量的窗口，则必须首先通过适当的算法确定接收到的光脉冲的位置。在最简单的情况下，光脉冲的位置与具有最大概率的窗口(这里是第三时间窗口)相关联。一旦找到位置，飞行时间将以对应于脉冲和/或窗口宽度的分辨率而获知。
如果使用较大数量的窗口，则将在若干时间窗口内仅由于背景光而感测到光子检测概率。通过使用所述时间窗口的平均值，可以改善飞行时间插值的方差。
这些相互直接跟随的时间窗口应当从光脉冲的发射时间开始以递增的方式进行编号。
如果反射光脉冲的开始位于窗口n内(以下适用于图4：n＝2)，以下内容适用于部分飞行时间δ：
Figure BDA0001647539980000131
在该上下文中，只感测到背景光子的所有窗口的平均值由下式给出：
Figure BDA0001647539980000141
其中时间窗口的数量为NWin。
因此，跨越与如下两个所选择的窗口不同的那些时间窗口而形成该平均值：开始接收到反射光脉冲的时间窗口，以及与其直接相邻的时间窗口。
为了确定发射的光脉冲的总体飞行时间并且因此确定传感器与目标对象之间的距离，必须将(n-1)个时间窗口的时间移位加到部分飞行时间δ上。
因此，以下适用于飞行时间：
TTOF＝δ+TP(n-1)。 (13)
当使用若干窗口时，与仅使用三个窗口的情况不同，在光子率非常高的情况下，在脉冲期间根据公式(2)的插值可能被中断，取而代之可以采取部分飞行时间δ＝TP/2。结果，尽管其中接收到反射光脉冲的测量窗口饱和，但具有降低的距离分辨率的测量是可能的。由于在这种情况下，分辨率由窗口宽度确定，所以可以通过减小所述窗口宽度来以精确的方式实现该分辨率。因此，用例如5ns的窗口宽度可以实现75cm的距离分辨率。
测量窗口的宽度可以减小的程度还取决于所采用的技术。基本上，在一位数厘米范围内的分辨率需要在亚纳秒范围内的窗口宽度。
(首先需要的)根据所有测量窗口的所确定的概率来确定光脉冲的位置导致飞行时间确定的附加误差源。通过使用特定算法，有可能将所述误差源最小化到一定的界限内，这就是为什么方差继续主要由公式(7)确定的原因。为此，例如可以采用滤波器，或者可以使用来自先前帧的信息。
与短距离和反射光脉冲的相关联的高检测率不同，饱和不会对系统的范围造成问题。相反，这里重要的是可以以测量窗口的概率值找到反射脉冲的距离。这取决于适用于所述目的的算法，并且这将通过使用简单变型以举例的方式在此示出。
在此基于以下假设开始，即算法将具有最大概率的时间窗口解释为在反射后接收到光脉冲的那些时间窗口之一。然后，可以如下计算光脉冲的时间位置未被正确确定的概率：
Figure BDA0001647539980000151
其中
dP12(k≤ζ)＝P1(k≤ζ+1)P2(k≤ζ+1)-P1(k≤ζ)P2(k≤ζ)，(15)
Figure BDA0001647539980000152
并且
Figure BDA0001647539980000153
以及PB(i，n，p)是二项式分布。所述二项式分布表示在成功概率为p的n次尝试中i次尝试将成功的概率。
公式(14)表示(NWin-2)个窗口中具有公式(5)的期望值P3的一个窗口具有比其中分别以公式(5)的期望值P1和P2接收脉冲的两个窗口更高的值的概率。
当假设在错误的位置确定的情况下，测量值在整个距离范围内均匀分布时，可以通过均匀分布以及根据公式(7)的方差的加权相加来评估测量的方差，该加权是根据错误概率(14)来执行的。
因此，在方差方面，以下公式适用：
Figure BDA0001647539980000154
图5示出了在8个窗口的情况下对于50m的最大距离、根据公式(16)的标准偏差σd，该8个窗口具有宽度TP＝50ns，背景检测率为λB＝5MHz，反射脉冲的检测率为λA(d＝10m)＝50MHz，其中λA∝d-2。
图5中绘制的是根据以米为单位的距离的比例标准偏差。可以通过指定最大标准偏差来确定范围。例如，对于σmax＝10％，结果为23m的范围。
在保持脉冲宽度恒定的情况下增加系统范围的替代方案是在整个测量范围内以时间增量Δt(其中，Δt<Tp)在测量窗口中执行时间移位。该替代方案可以被称为没有任何飞行时间插值的时间移位。下面还将采用术语“第二测量方法”。
通过图6示出原理。
最上面一行的时间曲线示出根据时间t的检测率λ。在光脉冲的TOF时间之后，脉冲持续时间Tp的检测率明显增加并再次降低(也参见图2和图4)。
中间行示出相对于彼此移位时间增量Δt的相关时间窗口。这一点通过箭头指示。时间窗口的时间长度在每种情况下都相同并且等于脉冲持续时间Tp。
底部行示出了所确定的与各个时间窗口相关联的概率。
针对每个测量窗口位置，确定光子检测的概率。随后通过适当的算法根据概率值来确定光脉冲的飞行时间，该算法例如搜索具有最大概率的窗口的位置。在此，在没有任何插值的情况下实现根据时间增量Δt的飞行时间测量的分辨率。给定测量窗口重叠例如333ps，可以实现5cm的距离分辨率。
通过省去两个测量窗口之间的飞行时间插值，不会出现高检测率下饱和的问题。
在直方图中，这种情况下的接收脉冲被表示为矩形，因为即使仅仅部分覆盖脉冲，也会测量到接近100％的概率。借助于适当的信号处理，在此还得到了Δt的分辨率。在这种情况下，在一个实施方式中规定，确定如在直方图中所见的矩形的时间中心而不是具有最大概率的窗口。
为了确立在光脉冲期间是否存在测量窗口的饱和(即，非常高的检测率)，可以考虑具有最大概率值的窗口的值，并且可以执行与相邻窗口的比较。
如果存在饱和，则在一个实施方式中，通过形成相邻窗口之间的差值来确定脉冲的开始和结束，并且由此确定飞行时间。
由于在小的时间偏移Δt的情况下，在大多数情况下在测量窗口与接收脉冲接触时不会立即发生饱和，因此一种实施方式利用所得到的概率值增加来对飞行时间进行插值。以这种方式，可以实现小于Δt的分辨率。
将借助于图7来描述前面提及的两种方法的组合。
当使用带有附加插值的若干窗口(即，通过第一测量方法)时，在反射光脉冲的光子率非常高的情况下，飞行时间测量的时间分辨率将降低到脉冲和/或窗口宽度，其可能达到几十ns，取决于预期检测率。就距离而言，这对应于高达几米的分辨率，这在大多数应用中不是可容忍的值。
由于取决于所使用的技术将窗口宽度降低到亚纳秒范围会非常困难，可以使用涉及重叠时间窗口的方法(即，第二测量方法)来代替。在这种情况下，未修改窗口宽度，而是窗口重叠持续时间Δt，其现在给出飞行时间测量的时间分辨率。
当使用包括时间移位的方法(或者涉及重叠时间窗口的第二测量方法)时，必须测量更多的时间窗口，这在电路方面需要更大的开销，或者替代地降低帧速率。
由于在此提出的方法的一个优点在于低电路复杂性，所以通过较小的帧速率来实现时间移位。
由于这个原因，这两种测量方法(涉及背景光测量的第一测量方法，以及涉及重叠时间窗口的第二测量方法)之间的切换优选地应当仅在必须要如此做的情况下才进行。在一个实施方式中，可以通过评估各个测量窗口内的测量的接收概率来确定所述必要性。
对于图7中呈现的用于选择适当的测量方法的控制算法，步骤100包括设置概率的限制值；当超过所述值时，切换到时间移位方法，即切换到第二测量方法。同样的原理也适用于切换回第一测量方法，对于该方法，概率落在限制值以下。为了防止两种方法之间的不断切换，迟滞用于容差范围。
首先步骤101包括根据设置的限制值(例如，85％)和所有测量窗口的最大概率(由步骤102提供的评估值的示例)来形成差值Δ。
步骤103包括将评估值与限制值进行比较。在此偏差是否在容差范围之外的问题由差值的量是否大于迟滞β的问题来回答。
如果差值Δ的量低于迟滞β(例如，5％)，则将保持当前测量方法(这是比较103之后的“否”分支)。因此，步骤104包括如先前一样执行测量，这又将导引至在步骤102中确定评估值。
相反，如果偏差较高，则将根据差值的符号来采用相应的测量方法。因此，步骤105中所述对符号的考虑提供了与评估值(最大概率)是大于还是小于预定义的限制值有关的信息。
如果差值为正，则最大概率将明显低于限制值，由此可以对飞行时间进行插值，并且将采用涉及插值的相应方法(即，步骤106的第一测量方法)。
如果差值为负，则最大概率将明显高于限制值，这表示插值的高方差。因此，步骤107包括使用第二测量方法，即时间移位方法。
通过在两种测量方法之间切换，即使在近范围内，尽管饱和，也可以实现与窗口重叠Δt相对应的分辨率。
当切换到在短距离下进行的时间移位方法时，测量的帧速率会降低。当切换到时间移位方法时，测量窗口的数量将增加为(TP/Δt)倍。当假设在每个周期中测量的时间窗口的数量保持不变时，帧速率将按相同倍数降低。然而，由于在时间移位的情况下，不存在对距离的插值，所以测量的概率的较高方差是可容忍的，其根据公式(6)允许少量的单独测量N并因此抵消帧速率的降低。
原理上，取决于应用，必须在距离分辨率、帧速率和电路复杂性之间找到折衷。
图8示出了通过使用CMOS传感器的该方法的实施方式。
在图8中，用于实现所描述的实施方式的传感器像素的框图被描绘为接收设备3的一部分。
在此，SPAD 50用于在测量窗口内检测光子。为了在检测之后熄灭二极管电流并复位SPAD 50，使用可控有源熄灭-复位电路(AQR)60。可以通过控制信号来禁用对二极管50的复位，使得可以根据第一测量方法和第二测量方法来操作SPAD 50。
随后的门控电路61用于允许AQR 60的输出信号仅在明确指定的时间窗口内通过，使得可以准确地定义测量窗口。
在定义的时间范围内检测到光子的情况下，与测量窗口相关联的触发器62将被置位并且因此将存储是否已经感测到光子。借助于多路复用器，在各个测量窗口的触发器62之间执行切换。
为了提高测量效率，每个像素采用若干SPAD 50，每个SPAD包括所描述的布线。因此，根据公式(6)的概率测量的方差减小N倍，N表示SPAD 50的数量。
在每个单独测量结束之后，即在光脉冲周期内测量所有时间窗口之后，通过传输门(TG)63从FPGA中读出触发器62。这涉及并行地读出一个像素的所有触发器62，使得根据光脉冲速率和像素数量得到最小读出速度。
取决于接收设备3内存在的像素数量以及潜在的读出率，在一个实施方式中，串行地读出各SPAD的触发器62，这降低了所需的焊盘64的数量。在此每个SPAD 50的触发器62的数量对应于窗口的数量，使得可以以直接连续的方式测量所有时间窗口。因此，对于具有128个像素的线传感器并且激光脉冲速率为10kHz，得到1.28MHz的最小读出速度。
由于将门控电路61的输出信号切换到各触发器62，电路总是准备就绪进行接收(参见自由运行模式)。在FPGA内实现的计数器中执行对读出的测量值的求和。以这种方式，根据跨越许多单独测量而形成的总和来确定在测量窗口内的光子检测概率，并且转而基于所述概率来确定距离。
图9以流程图的形式示出了所描述的测量过程。
步骤200包括开始。步骤201：1包括用触发器1执行测量。同时，在步骤202中发射光脉冲。在步骤201：1之后用随后的触发器进行进一步测量，直到在步骤201：k中发生用第k个触发器进行测量为止。步骤203包括读出触发器。步骤204包括检查是否已经执行了足够的单独测量。在否定的情况下，过程返回到步骤200。在肯定的情况下，步骤205将包括针对时间窗口确定概率，并且步骤206将包括对概率进行评估。
为了实现所描述的时间移位，测量必须以时间增量Δt延迟以发射光脉冲。如果以若干增量执行，直到(TP-Δt)的整体延迟，则将覆盖整个测量范围。
由于触发器数量的限制，在这种情况下帧速率将会降低，这是因为需要(TP/Δt)个光脉冲周期来实现完整的单独测量。
给定窗口宽度TP＝50ns并且重叠Δt＝1ns(其对应于15cm的距离分辨率)，当切换到时间移位方法时，帧速率将降低50倍。
如前所述，由于在时间移位方法中省略了插值，所以测量概率的较高方差是可容忍的，这就是帧速率的实际降低可能不太明显的原因。由于非常高的检测率，并且因此仅在短距离的情况下切换到时间移位方法，所以在这种情况下系统的范围可能受限。这减少了所需测量窗口的数量并允许较高的帧速率。
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通过硅光子倍增器(SiPM)或雪崩二极管以集成方式或以分立元件分布的方式来实现，并且可以仅实现为计算机程序。还可以利用相关联的读出组合通过晶片到晶片、芯片到晶片或芯片到芯片的键合以3D混合集成的形式采用该方法，并且以各种技术(例如，不同结构尺寸的CMOS或III-V族半导体)采用该方法。
即使已经在设备的上下文中描述了一些方面，但应当理解，所述方面还表示对相应方法的描述，使得设备的块或结构组件还应被理解为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内描述或被描述为方法步骤的方面也表示对相应设备的相应块或细节或特征的描述。一些或全部方法步骤可以由硬件设备来执行(或同时使用硬件设备)，硬件设备例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的一些或若干可以由这种设备来执行。
取决于具体实现要求，本发明的实施例可以用硬件或软件来实现。可以在使用数字存储介质的同时实现实施方式，数字存储介质例如是软盘、DVD、蓝光盘、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存、硬盘或任何其他磁或光存储器，其上存储有可以与可编程计算机系统协作或合作以使得执行相应方法的电可读控制信号。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
从而根据本发明的一些实施例包括数据载体，该数据载体包括能够与可编程计算机系统合作以执行本文描述的任何方法的电可读控制信号。
一般而言，本发明的实施例可被实现为具有程序代码的计算机程序产品，程序代码用于在计算机上运行计算机程序产品时执行任何方法。
程序代码还可以存储在例如机器可读载体上。
其他实施例包括用于执行本文描述的任何方法的计算机程序，所述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从而是具有程序代码的计算机程序，程序代码用于在计算机上运行计算机程序时执行本文描述的任何方法。
本发明方法的另一实施例从而是数据载体(或数字存储介质或计算机可读介质)，其上记录有用于执行本文描述的任何方法的计算机程序。数据载体或数字存储介质或计算机可读介质通常是有形的或非易失性的。
本发明方法的另一实施例从而是表示用于执行本文描述的任何方法的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可被配置为例如经由数据通信链路(例如，经由互联网)来传输。
另一实施例包括诸如计算机或可编程逻辑器件之类的处理装置，其被配置为或适于执行本文描述的任何方法。
另一实施例包括其上安装有用于执行本文描述的任何方法的计算机程序的计算机。
根据本发明的另一实施例包括被配置为用于向接收机发送用于执行本文描述的至少个方法的计算机程序的设备或系统。该发送可以是例如电子的或光学的。接收机可以是例如计算机、移动设备、存储器设备或类似设备。该设备或系统可以包括例如用于向接收机发送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)可以用于执行本文描述的方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作，以执行本文描述的任何方法。一般而言，在一些实施例中，方法由任何硬件设备来执行。所述硬件设备可以是任何通用硬件，例如计算机处理器(CPU)，或者可以是方法专用的硬件，例如ASIC。
上述实施例仅表示对本发明的原理的说明。应理解，本领域其他技术人员将意识到对于本文描述的布置和细节的修改和变化。因此，本发明旨在仅由所附权利要求的范围来限定，而不由本文中通过对实施例的描述和讨论提出的具体细节来限定。
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Claims (17)

1.一种用于确定距对象(10)的距离(d)的设备(1)，
包括发射设备(2)，用于发射包括可定义脉冲持续时间Tp的若干光脉冲，
包括接收设备(3)，用于接收信号并用于生成与检测时间和/或检测时间间隔相关联的检测信号，
包括评估设备(4)，用于对所述检测信号进行评估，
所述评估设备(4)基于所发射的光脉冲的数量并基于所述检测信号来确定若干时间窗口的概率值，每个时间窗口具有等于所述脉冲持续时间Tp的相应时间段，并且所述概率值分别与所述时间窗口中的一个时间窗口内的信号接收概率有关，并且
其中所述评估设备(4)根据飞行时间方法基于与所述时间窗口中的一个时间窗口内的信号接收概率有关的所述概率值来确定所述对象(10)的距离(d)的量度。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)确定背景光的量度，并且
其中所述评估设备(4)基于所述若干时间窗口中的两个时间窗口的所确定的概率值并且基于所述背景光的所确定的量度来确定所述对象(10)的距离(d)的量度。
3.根据权利要求2所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)确定在时间上直接连续的若干时间窗口的概率值。
4.根据权利要求2所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)确定三个时间窗口的概率值，并且
其中所述评估设备(4)基于所述三个时间窗口中的两个时间窗口的所确定的概率值以及作为所述背景光的量度的第三时间窗口的所确定的概率值来确定所述对象(10)的距离(d)的量度。
5.根据权利要求2所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)确定在时间上直接连续的三个时间窗口的概率值，
所述三个时间窗口中的第一时间窗口的开始由光脉冲的发射时间限定，
其中所述评估设备(4)基于以下公式来确定所述光脉冲从所述发射设备(2)到所述对象(10)并从所述对象(10)到所述接收设备(3)的飞行时间TTOF的值：
Figure FDA0003500850500000021
其中所述飞行时间由TTOF表示，
其中所述脉冲持续时间由Tp表示，
其中所述三个时间窗口的所确定的概率值由P1、P2和P3表示，并且
其中ln用于表示自然对数。
6.根据权利要求2所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)确定多于三个时间窗口的概率值，
其中所述评估设备(4)基于针对所述时间窗口确定的概率值来识别开始检测到在所述对象(10)处反射的光脉冲的时间窗口，
其中所述评估设备(4)根据与所识别的时间窗口不同并且与紧随所识别的时间窗口之后的时间窗口不同的那些时间窗口的概率值来确定平均概率值作为所述背景光的量度，并且
其中所述评估设备(4)基于所识别的时间窗口和后续时间窗口的所确定的概率值并且基于所述平均概率值来确定所述对象(10)的距离(d)的量度。
7.根据权利要求6所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)通过确定具有最高概率值的时间窗口并通过与相邻时间窗口进行比较来识别开始检测到在所述对象(10)处反射的光脉冲的时间窗口。
8.根据权利要求6所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)基于以下公式来确定所述光脉冲从所述发射设备(2)到所述对象(10)并从所述对象(10)到所述接收设备(3)的飞行时间TTOF的值：
Figure FDA0003500850500000031
其中所述飞行时间由TTOF表示，
其中所述脉冲持续时间由Tp表示，
其中所识别的时间窗口的所确定的概率值由Pn表示，
其中后续时间窗口的所确定的概率值由Pn+1表示，
其中所述平均概率值由
Figure FDA0003500850500000032
表示，
其中所识别的时间窗口在时间上连续的时间窗口的序列内的位置由n表示，所述序列在发射所述光脉冲时开始并且以n＝1所表示的第一时间窗口开始，并且
其中ln表示自然对数。
9.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)确定若干时间窗口的概率值，所述若干时间窗口中的一些时间窗口由于可预定义的时间偏移Δt而至少部分地相互重叠，
其中所述评估设备(4)基于所确定的概率值来确定所述光脉冲从所述发射设备(2)到所述对象(10)并从所述对象(10)到所述接收设备(3)的飞行时间TTOF的值，并且
其中所述评估设备(4)基于所确定的飞行时间TTOF的值来确定所述对象(10)的距离的量度。
10.根据权利要求9所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)基于所确定的概率值来识别具有最大概率值的时间窗口，并且
其中所述评估设备(4)基于所识别的时间窗口的时间位置来确定所述飞行时间TTOF的值。
11.根据权利要求9所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)基于所确定的概率值来识别具有100％的概率值的时间范围并且基于所述时间范围来确定所述飞行时间TTOF的值。
12.根据权利要求9所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)被配置为：借助于基于两个时间窗口的所确定的概率值和背景光的所确定的量度的第一测量方法或者借助于具有部分重叠的时间窗口的第二测量方法来确定距所述对象(10)的所述距离(d)，
其中一旦当前已经通过使用所述第一测量方法或所述第二测量方法确定所述距离(d)，则所述评估设备(4)确定评估值，
其中所述评估设备(4)将所述评估值与可预定义阈值进行比较，
其中如果所述评估值和所述可预定义阈值在可预定义容差范围内彼此不同，则所述评估设备(4)将针对在当前确定之后对所述距离(d)的确定而维持用于当前确定的测量方法，
其中在所述评估值和所述可预定义阈值彼此不同超过所述可预定义容差范围的情况下，所述评估设备(4)将取决于所述评估值是大于还是小于所述可预定义阈值而使用所述第一测量方法或所述第二测量方法用于当前确定之后的确定。
13.根据权利要求12所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)将所确定的概率值中的最大概率值确定为所述评估值。
14.根据权利要求12所述的设备(1)，
其中如果所述评估值小于可预定义限制值，则所述评估设备(4)将使用所述第一测量方法用于当前确定之后的确定，并且
其中如果所述评估值大于所述可预定义限制值，则所述评估设备(4)将使用所述第二测量方法用于当前确定之后的确定。
15.根据权利要求12所述的设备(1)，
其中所述评估设备(4)在所述第一测量方法和所述第二测量方法中使用具有相同时间长度的时间窗口。
16.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中所述接收设备(3)包括至少一个单光子雪崩二极管(50)。
17.一种用于确定距对象(10)的距离的方法，
其中发射包括可预定义脉冲持续时间Tp的若干光脉冲，
其中接收信号，
其中作为所接收的信号的结果，生成与检测时间和/或检测时间间隔相关联的检测信号，
其中基于所发射的光脉冲的数量并且基于所述检测信号来确定若干时间窗口的概率值，
其中所述概率值在每种情况下都与所述时间窗口中的一个时间窗口内的信号接收概率有关，
其中所述时间窗口的时间长度等于所述脉冲持续时间Tp，并且
其中基于与所述时间窗口中的一个时间窗口内的信号接收概率有关的所述概率值，根据飞行时间方法来确定所述对象(10)的距离(d)的量度。
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