CN108957470A - 飞行时间测距传感器及其测距方法 - Google Patents

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Abstract

一种飞行时间测距传感器及其测距方法，所述飞行时间测距传感器的测距方法包括：发出一定脉冲宽度的检测光；接收被测物体的反射光信号；判断是否检测到被测物体的距离信息；若没有，则将检测光的脉冲前移或脉冲后移。所述飞行时间测距传感器通过移动监测光的脉冲，提高传感器的测距范围，功耗较低。

Description

飞行时间测距传感器及其测距方法
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种飞行时间测距传感器及其测距方法。
背景技术
飞行时间法(Time Of Flight，TOF)通过测量仪器发出的脉冲信号从发射到接收的时间间隔或激光往返被测物体一次所产生的相位来实现对被测物体的三维结构或三维轮廓的测量。TOF测量仪器可同时获得灰度图像和距离图像，广泛应用在体感控制、行为分析、监控、自动驾驶、人工智能、机器视觉和自动3D建模等诸多领域。
飞行时间测距(TOF)传感器一般包括：光源模块和感光模块；所述光源模块用于发射特定波段和频率的脉冲检测光，所述检测光在被测物体的表面发生反射，反射光被所述感光模块所接收；所述感光模块根据发射光波和接收光波之间的时间差或者相位差计算出被测物体的距离信息。
TOF传感器的可测距离，与检测光的脉冲宽度有关，在检测光的脉冲宽度为Δt时，可检测的最大距离为现有技术中，为了提高TOF传感器的可检测距离，需要增大检测光的脉冲宽度，导致功耗增大，并且脉冲光的连续发光时长提高也容易造成TOF传感器的光源损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种飞行时间测距传感器及其测距方法，以提高TOF传感器的可测距离。
为了解决上述问题，本发明提供了一种飞行时间测距传感器的距离检测方法，包括：发出一定脉冲宽度的检测光；接收被测物体的反射光信号；判断是否检测到被测物体的距离信息；若没有，则将检测光的脉冲前移或脉冲后移。
可选的，将所述脉冲前移或脉冲后移的距离为脉冲宽度的A倍，A为正整数。
可选的，所述脉冲前移或脉冲后移的距离为脉冲宽度的A(1-n)倍，A为正整数，n为5％～10％。
可选的，还包括：提供控制信号，所述控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号与所述第二控制信号相位相差180°。
可选的，在一个检测周期内，所述第一控制信号的下降沿与所述检测光的下降沿相比落后N个检测光的脉冲宽度，N为大于等于0的整数。
可选的，所述检测光的脉冲宽度对应的最大检测距离为d；当根据接收的反射光信号得到物体距离为x，则物体的实际距离D＝x+Nd，x∈[0，d]。
可选的，在一个检测周期内，所述第一控制信号的下降沿与所述检测光的下降沿相比落后N(1-n)个检测光的脉冲宽度，N为大于等于0的整数，n为5％～10％。
可选的，所述检测光的脉冲宽度对应的最大检测距离为d；当根据接收的反射光信号得到物体距离为x，则物体的实际距离D＝x+N(1-n)d，x∈[0，d]。
可选的，首次发出的检测光的脉冲下降沿与所述第一控制信号的下降沿对齐，若没有检测到被测物体距离信息，则将脉冲前移，直至检测到物体的距离信息，单次前移的距离小于等于1倍的脉冲宽度。
为解决上述问题，本发明的技术方案还提供一种飞行时间测距传感器，包括：传感模块；光源模块；处理模块，与所述光源模块和传感模块连接，用于控制所述光源模块发出一定脉冲宽度的检测光，并根据所述传感模块接收的反射光信号，判断是否检测到被测物体的距离信息，若没有则将检测光的脉冲前移或脉冲后移。
可选的，所述脉冲前移或脉冲后移的距离为脉冲宽度的A倍，A为正整数。
可选的，所述脉冲前移或脉冲后移的距离为脉冲宽度的A(1-n)倍，A为正整数，n为5％～10％。
可选的，所述处理模块还用于提供控制信号，所述控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号与所述第二控制信号相位相差180°。
可选的，在一个检测周期内，所述第一控制信号的下降沿与所述检测光的下降沿相比落后N个检测光的脉冲宽度，N为大于等于0的整数。
可选的，所述检测光的脉冲宽度对应的最大检测距离为d；当根据接收的反射光信号得到物体距离为x，则物体的实际距离D＝x+Nd，x∈[0，d]。
可选的，在一个检测周期内，所述第一控制信号的下降沿与所述检测光的下降沿相比落后N(1-n)个检测光的脉冲宽度，N为大于等于0的整数，n为5％～10％。
可选的，所述检测光的脉冲宽度对应的最大检测距离为d；当根据接收的反射光信号得到物体距离为x，则物体的实际距离D＝x+N(1-n)d，x∈[0，d]。
可选的，所述光源模块首次发出的检测光的脉冲下降沿与所述第一控制信号的下降沿对齐，若没有检测到被测物体距离信息，将脉冲前移，直至检测到物体的距离信息，单次前移的距离小于等于1倍的脉冲宽度。
上述具体实施方式的飞行时间测距传感器及其测距方法，无需改变检测光的脉冲信号，只需要将检测光的脉冲前移或者后移，即能够调整检测范围，无需增大检测功耗。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式的飞行时间传感器的结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式的飞行时间传感器的测距方法的流程示意图；
图3为本发明一具体实施方式的距离检测过程中，检测光信号和控制信号的示意图；
图4为本发明一具体实施方式的距离检测过程中，检测光信号和控制信号的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的飞行时间测距传感器及其测距方法的具体实施方式做详细说明。
请参考图1，为本发明一具体实施方式的飞行时间测距传感器的结构示意图。
所述飞行时间测距传感器包括：光源模块101、传感模块102以及处理模块103。
所述光源模块101包括发光元件，可以为LED二极管或激光二极管，VCSEL激光器等，用于向被测物体发送经调制的脉冲光。
所述传感模块102包括光学传感像素阵列，用于获取被测物体的反射光信号，并形成对应的传感信号。
处理模块103，与所述传感模块102和光源模块101连接，用于根据所述传感模块102的传感信号，获取被测物体的距离。所述传感模块102将获得的反射光信号转换为电信号，并转换为数字信号发送至所述处理模块103。在其他具体实施方式中，所述传感模块102还可以将所述反射光信号以模拟信号的方式发送至处理模块103，由所述处理模块103进行模数转换后再进行数据处理和计算，以获得被测物体的距离。所述距离为被测物体与所述飞行时间传感器之间的距离。
该具体实施方式中，所述光源模块101用于在处理模块102的控制下，发出一固定脉宽的检测光。处理模块103所述传感模块102接收的反射光信号，判断是否检测到被测物体的距离信息，若没有则控制所述光源模块101，将检测光的脉冲前移或脉冲后移。通过将检测光的脉冲前移或脉冲后移，可以调整所述飞行时间测距传感器的距离可测范围，而无需增大检测光的脉宽，从而在保持较低功耗的前提下，能够增大传感器的测距范围。
下面结合所述飞行时间测距传感器的具体结构对所述飞行时间测距传感器的测距方法进行详细描述。
请参考图2，为本发明一具体实施方式的飞行时间测距传感器的测距方法的流程示意图。
所述飞行时间测距传感器的测距方法包括步骤S21～S24。
步骤S21：发出一定脉冲宽度的检测光。
飞行时间测距传感器通过光源模块101发出一定脉冲宽度的检测光，该具体实施方式中，所述检测光为脉冲宽度为T的方波。
步骤S22：接收被测物体的反射光信号。
检测光到达被测物体表面，被测物体会对检测光产生反射，反射光到达飞行时间测距传感器，由所述传感模块102接收所述反射光信号。
步骤S23：判断是否检测到被测物体的距离信息。
处理模块103根据所述传感模块102接收的反射光信号，以及光源模块101发出的检测光之间的相位差，计算被测物体的距离信息。在计算过程中，通过控制信号，累积反射光的能量，将反射光能量比转变为相位差。
传感器可测距离受到检测光的脉宽限制，脉冲宽度T对应的最大检测距离其中，c为光速。对于一固定的检测光，当被测物体的距离小于d时，处理模块103能够计算出被测物体的距离，否则当被测物体距离大于d时，则无法检测到被测物体的距离。
若有，则继续执行步骤S21及后续检测步骤，直至测距过程结束。
若没有，则执行步骤S24将检测光的脉冲前移或脉冲后移，然后执行步骤S21及后续检测步骤，直至测距过程结束。
将检测光的脉冲前移或后移，是指整个检测光的时序前移或后移，改变检测光的启示检测距离，从而提高传感器的检测范围。将所述脉冲前移或脉冲后移的距离为脉冲宽度的A倍，A为正整数。在一个具体实施方式中，单次脉冲前移或脉冲后移的距离为一个脉冲宽度。
例如，在控制信号不变的情况下，当脉冲宽度为T的检测光的检测范围为0～d时，无法检测到被测物体的距离信息，则将检测光的脉冲前移一个脉冲宽度T，那么此时，传感器的实际检测范围为(0～d)+d即d～2d。当被测物体的距离大于d，小于2d时，处理器103根据接收到的反射光信号，计算得到物体的距离信息为x，那么物体的实际距离为x+d。
为了提高检测准确性，所述脉冲前移或脉冲后移的距离为脉冲宽度的A(1-n)倍，A为正整数，n为5％～10％，使得前移或后移后的检测光脉冲与移动之前有部分重叠，以提高对于临界位置处的检测物体的距离准确性。
所述传感器的测距方法还包括：提供控制信号，所述控制信号包括第一控制信号G1和第二控制信号G2，所述第一控制信号G1与所述第二控制信号G2相位相差180°。
请参考图3，为本发明一具体实施方式的距离检测过程中，检测光信号和控制信号的示意图。
在一个检测周期内，包括一个第一控制信号G1的高电平以及一个第二控制信号G2的高电平。在控制信号高电平时，能够对反射光信号的脉冲能量进行累积。从而计算与检测光之间的相位差。反射光信号的脉冲能量需要分别通过第一控制信号G1和第二控制信号G2进行累积，才能获取被检测物的距离信息，若仅通过第一控制信号G2或者仅通过第二控制信号G2进行累积，均无法获得被检测物的距离信息。
所述第一控制信号G1的下降沿与所述检测光的下降沿相比落后N个检测光的脉冲宽度，N大于等于0。所述检测光的脉冲宽度T对应的最大检测距离为d；当根据接收的反射光信号得到物体距离为x，则物体的实际距离D＝x+Nd，x∈[0，d]。
该具体实施方式中，第一检测光信号L1的脉冲宽度为T，下降沿与所述第一控制信号G1的下降沿对齐，与第二控制信号G2的上升沿对齐。第一检测光信号L1对应的可测距离为0～d。在0～d范围内的被测物体的反射光信号的脉冲光信号部分可以通过G1的高电平累积能量，部分可以通过G2的高电平累积能量。当被测物体的距离超过d时，反射光的脉冲信号均位于G2的高电平处，仅能通过G2的高电平进行能量累积，因此无法获得物体的距离信息。
当无法获取物体的距离信息，处理模块103控制光源模块102将检测光的脉冲前移一个脉冲宽度T，以第二检测光信号L2再进行检测。第一控制信号G1的下降沿落后所述第二检测光信号L2的下降沿一个脉冲宽度T。此时，距离为0～d内的物体的反射光脉冲信号均位于G1的高电平处，仅能通过G1的高电平进行能量累积，因此无法获得物体的距离信息。而距离为d～2d内的物体的反射光信号则部分位于G1高电平处，部分位于G2的高电平处，从而可以获得该位置范围内的被测物体距离信息。距离大于2d的物体的反射光脉冲信号均位于G2的高电平处，仅能够通过G2的高电平进行能量累积，因此无法获得物体的距离信息。由于处理模块103仅针对脉宽为T的检测光信号进行检测，因此计算获得的距离信息x位于0～d范围内，而物体的实际距离D＝x+d。
当依旧无法获取物体的距离信息时，进一步将检测光信号的脉冲前移一个脉冲宽度T，以第三检测光信号L3进行检测。第一控制信号G1的下降沿落后所述第三检测光信号L3的下降沿两个脉冲宽度T。距离为2d～3d范围内的物体的距离信息能够被检测。当根据接收的反射光信号得到物体距离为x，则物体的实际距离D＝x+2d。
在其他具体实施方式中，也可以首先以第二检测光信号L2进行检测，当无法获得被测物体的距离信息时，将检测光的脉冲前移，以第一检测光信号L1进行检测，或者将检测光的脉冲后移，以第三检测光信号L3进行检测。
对于运动中的物体，可以跟随运动物体的速度和方向，当物体的检测距离要超出当前检测范围时，及时将检测光前移或后移，以实时跟踪物体的运动，检测物体的距离。
在其他具体实施方式中，脉冲前移或者后移也可以单次移动两个以上的脉冲宽度。
根据可测距离的设定，可以调整第一控制信号G1和第二控制信号G2的脉冲宽度，使得检测光的脉冲信号始终位于所述第一控制信号G1和第二控制信号G2的一个检测周期内，从而可以获得更大的检测范围。
请参考图4，为本发明另一具体实施方式的控制信号和检测光信号的示意图。
所述脉冲前移或脉冲后移的距离为脉冲宽度的A(1-n)倍，A为正整数，n为5％～10％。使得各个检测光之间的检测范围能够有重叠，从而能够对各个检测光的临界距离进行准确的检测。
在图4所示的具体实施方式中，在第一检测光L1无法检测到被测物体距离时，将第一检测光L1的脉冲前移(1-n)T，形成第二检测光L2'，因此第二检测光L2’的测距范围为(0～d)+(1-n)d，即(1-n)d～(2-n)d，覆盖了第一检测光L1的检测临界距离d；同样，在第二检测光L2'也无法检测到被测物体距离的情况下，脉冲继续前移(1-n)T，形成第三检测光L3'，第三检测光L3'的测距范围为(0～d)+2(1-n)d即(2-2n)d～(3-2n)d，覆盖第二检测光L2'的临界检测距离(2-n)d。
所述第一控制信号G1的下降沿与所述检测光的下降沿相比落后N(1-n)个检测光的脉冲宽度，N大于等于0。所述检测光的脉冲宽度T对应的最大检测距离为d；当根据接收的反射光信号得到物体距离为x，则物体的实际距离D＝x+N(1-n)d。
上述具体实施方式的飞行时间测距传感器及其测距方法，无需改变检测光的脉冲信号，只需要将检测光的脉冲前移或者后移，即能够调整检测范围，无需增大检测功耗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种飞行时间测距传感器的测距方法，其特征在于，包括：
发出一定脉冲宽度的检测光；
接收被测物体的反射光信号；
判断是否检测到被测物体的距离信息；
若没有，则将检测光的脉冲前移或脉冲后移。
2.根据权利要求1所述的飞行时间测距传感器的测距方法，其特征在于，将所述脉冲前移或脉冲后移的距离为脉冲宽度的A倍，A为正整数。
3.根据权利要求1所述的飞行时间测距传感器的测距方法，其特征在于，所述脉冲前移或脉冲后移的距离为脉冲宽度的A(1-n)倍，A为正整数，n为5％～10％。
4.根据权利要求1所述的飞行时间测距传感器的测距方法，其特征在于，还包括：提供控制信号，所述控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号与所述第二控制信号相位相差180°。
5.根据权利要求4所述的飞行时间测距传感器的测距方法，其特征在于，在一个检测周期内，所述第一控制信号的下降沿与所述检测光的下降沿相比落后N个检测光的脉冲宽度，N为大于等于0的整数。
6.根据权利要求5所述的飞行时间测距传感器的测距方法，其特征在于，所述检测光的脉冲宽度对应的最大检测距离为d；当根据接收的反射光信号得到物体距离为x，则物体的实际距离D＝x+Nd，x∈[0，d]。
7.根据权利要求4所述的飞行时间测距传感器的测距方法，其特征在于，在一个检测周期内，所述第一控制信号的下降沿与所述检测光的下降沿相比落后N(1-n)个检测光的脉冲宽度，N为大于等于0的整数，n为5％～10％。
8.根据权利要求7所述的飞行时间测距传感器的测距方法，其特征在于，所述检测光的脉冲宽度对应的最大检测距离为d；当根据接收的反射光信号得到物体距离为x，则物体的实际距离D＝x+N(1-n)d，x∈[0，d]。
9.根据权利要求1所述的飞行时间测距传感器的测距方法，其特征在于，首次发出的检测光的脉冲下降沿与所述第一控制信号的下降沿对齐，若没有检测到被测物体距离信息，则将脉冲前移，直至检测到物体的距离信息，单次前移的距离小于等于1倍的脉冲宽度。
10.一种飞行时间测距传感器，其特征在于，包括：
传感模块；
光源模块；
处理模块，与所述光源模块和传感模块连接，用于控制所述光源模块发出一定脉冲宽度的检测光，并根据所述传感模块接收的反射光信号，判断是否检测到被测物体的距离信息，若没有则将检测光的脉冲前移或脉冲后移。
11.根据权利要求10所述的飞行时间测距传感器，其特征在于，包括：所述脉冲前移或脉冲后移的距离为脉冲宽度的A倍，A为正整数；或者所述脉冲前移或脉冲后移的距离为脉冲宽度的A(1-n)倍，A为正整数，n为5％～10％。
12.根据权利要求10所述的飞行时间测距传感器，其特征在于，所述处理模块还用于提供控制信号，所述控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号与所述第二控制信号相位相差180°。
13.根据权利要求12所述的飞行时间测距传感器，其特征在于，在一个检测周期内，所述第一控制信号的下降沿与所述检测光的下降沿相比落后N个检测光的脉冲宽度，N为大于等于0的整数；所述检测光的脉冲宽度对应的最大检测距离为d；当根据接收的反射光信号得到物体距离为x，则物体的实际距离D＝x+Nd，x∈[0，d]。
14.根据权利要求12所述的飞行时间测距传感器，其特征在于，在一个检测周期内，所述第一控制信号的下降沿与所述检测光的下降沿相比落后N(1-n)个检测光的脉冲宽度，N为大于等于0的整数，n为5％～10％；所述检测光的脉冲宽度对应的最大检测距离为d；当根据接收的反射光信号得到物体距离为x，则物体的实际距离D＝x+N(1-n)d，x∈[0，d]。
15.根据权利要求10所述的飞行时间测距传感器，其特征在于，所述光源模块首次发出的检测光的脉冲下降沿与所述第一控制信号的下降沿对齐，若没有检测到被测物体距离信息，将脉冲前移，直至检测到物体的距离信息，单次前移的距离小于等于1倍的脉冲宽度。
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