CN109100737A - 用于测量到对象的距离的光电传感器和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于测量到对象的距离的光电传感器和方法。提出了用于测量到监测区域中的对象的距离的光电传感器，具有：光发射器，其用于将光信号发射到监测区域中；光接收器，其具有在盖革模式下操作的至少一个雪崩光电二极管，用于接收从对象反射或漫反射的光信号；单光飞行时间测量单元，其用于确定光信号从传感器到对象的单光飞行时间；以及评估单元，该评估单元被构造用于，通过在具有下时限t₀和上时限t₁的可预先给定的时间间隔内根据在相应的时刻t仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)的模型确定共同的测量值所基于的接收时刻t_s，来从多个单光飞行时间生成距离的共同的测量值，其中，只要尚未触发雪崩，雪崩光电二极管就仍然可用。

Description

用于测量到对象的距离的光电传感器和方法

本发明涉及分别根据权利要求1和15的前序部分的用于测量到监测区域中的对象的距离的光电传感器和方法。

在测量距离的光电传感器中，除了单纯的对象检测之外，还确定到对象的距离。当传感器具有空间分辨率时，借助距离信息也会检测到三维图像或所谓的深度图。为此，扫描仪通过光束扫描监测区域，而3D相机也为其每个像素确定距离信息而不是确定亮度信息或者除了亮度信息之外也确定距离信息。同时，像素也可以分别具有多个光敏元件，这些光敏元件共同对距离值做出贡献。

常见的用于距离测量方法是光飞行时间测量。在这种情况下，发射短的光脉冲并测量直到接收到漫反射(Remission)或反射的光脉冲的时间。为了相对干扰事件和噪音影响获得较高的鲁棒性，例如从DE 10 2007 013714A1中已知，依次发射多个单光脉冲，将随后产生的接收信号集中在直方图中，然后共同进行评估，例如通过寻找直方图中的最大值，从该最大值推导出接收时刻。

这种直方图评估需要许多存储空间，因为测量区域中预期的总的光飞行时间被划分成箱子(Bins)，这些箱子的宽度至少接近期望的测量分辨率。如果距离测量将像3D相机中那样是有空间分辨率的，则该存储空间需求还会随着像素数量成比例增减，或者检测时间会因顺序地处理像素而大大增加以避免存储空间需求增加。特别地，这对发展诸如ASIC(专用集成电路)形式的低成本的集成评估模块是有阻碍的。大量的存储单元在所阐述的通过直方图的计数过程中是区域决定的并且也是速度限制的。

简单的光电二极管的检测灵敏度在许多应用中是不够的。在雪崩光电二极管(APD，Avalanche Photo Diode)中，入射光触发受控的雪崩击穿(雪崩效应)。因此，由入射光子产生的载流子成倍增加，并产生光电流，该光电流与光接收强度成比例，但比在简单的PIN二极管中的大得多。在所谓的盖革模式(Geiger-Modus)中，雪崩光电二极管被偏压(vorspannen)到击穿电压以上，使得即使由单光子释放的唯一一个载流子也可以触发雪崩，该雪崩然后由于场强高而招来所有可用的载流子。因此，雪崩光电二极管如所命名的盖革计数器一样计数单一事件。盖革模式下的雪崩光电二极管也被称为SPAD(单光子雪崩二极管)。

SPAD的高灵敏度也随之带来了缺点，因为在极限情况下，即使是单个干扰的光子或内部噪声事件也会提供如明显的有效信号一样的信号。此外，SPAD随后在一定的死区时间内不能响应，其中该死区时间在光飞行时间测量的短的时间尺度上实际上意味着，SPAD随后又在测量重复时才可用。用于光飞行时间测量的常规方法不考虑SPAD的这些特点。因此，虽然它们可以转移到SPAD光接收器上，但在此，通过SPAD的改善潜力仍未被使用。

该任务通过根据权利要求1或15所述的用于测量到监测区域中的对象的距离的光电传感器和方法得以解决。使用光发射器发射光信号，该光信号在对象上被反射或漫反射后在光接收器中被再次接收，并确定单光飞行时间(Einzellichtlaufzeit)。光接收器具有在盖革模式下操作的至少一个雪崩光电二极管或SPAD。为了获得可靠的距离测量值，测量从传感器到对象的多个单光飞行时间，并由此确定共同的测量值。严格地说，确定去程和回程的单光飞行时间。通过时间和/或空间获得统计数据，即通过使用多个连续的单光脉冲来重复测量或通过具有在盖革模式下的多个雪崩光电二极管的光接收器，获得统计数据。

本发明基于这一基本思想，即在测量事件和背景事件中模拟SPAD的特别的统计行为。在这种情况下，测量事件是由光信号的光子引起的，而背景事件是雪崩的所有其他触发者，诸如暗噪声或外来光接收。所寻求的评估结果是准确的接收时刻t_s，然后借助参考时刻特别是发送时刻，从该接收时刻得到光飞行时间，并通过光速在考虑到去程和回程的情况下得到距离。这意味着，实际的接收时刻t_s对应于对象的距离，而不是单个光信号在单个雪崩光电二极管上的接收时间，其仅表示与测量误差相关的或可能对应于背景事件的单次测量。

根据本发明，在可预先给定的时间间隔[t₀，t₁]内寻找接收时刻t_s，该时间间隔例如是两个发射的光信号之间的测量周期，或从发射时刻到对应于最大射程宽度(Reichweite)的时刻或测量周期的子间隔。根据其推导出接收时刻t_s的确定的模型基于在相应时刻t仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)。这是那些由于测量事件或背景事件而尚未位于死区时间中的雪崩光电二极管。为此，该模型考虑在盖革模式下的雪崩光电二极管的或SPAD的特别属性。应注意的是，数量N(t)也可以包含测量重复。对于共同的测量值所基于的统计数据而言，单光飞行时间是来自使用不同的雪崩光电二极管进行的同一测量还是来自测量重复是无关紧要的。因此，特别地，可用的雪崩光电二极管的最大初始数量绝不必直接通过物理上现有的雪崩光电二极管的数量来确定。换句话说，可用雪崩光电二极管的总量由于n次测量而大至n倍。即使只在一次测量中，所有现有的雪崩光电二极管也不一定都是可用的，因为它们可能由于参数化、缺陷等原因而未被纳入到测量中。

本发明的优点在于，特别准确地且以非常少的成本就可以确定光飞行时间，从而确定到对象的距离。该模型不仅考虑了在盖革模式下的雪崩光电二极管的或SPAD的特别属性，而且还甚至在结构上利用其特征来确定准确的接收时刻t_s。由于特别地可以将背景纳入进来，因此评估对诸如强的外来光或高的暗噪声的干扰也有很强的鲁棒性，从而特别适用于要求高的工业应用。

优选地，评估单元被构造用于借助背景参数λ来确定接收时刻t_s。因此，检测模型的背景并将其考虑在内。可以假设，在任何时刻恒定比例的雪崩光电二极管均由背景事件触发。因此，仅仅由于背景就会出现N(t)的指数性下降。背景参数λ则是指数函数的时间常数。但是，也可以涉及等同或近似地描述背景的变量。

优选地，评估单元被构造用于根据单光飞行时间的测量来确定背景参数λ。对此，一种可行方案是使用无源光发射器的测量，即不发射光信号，从而使光接收器只记录背景。可替代地，也可以使用具有发射的光信号的测量周期的部分区域，其中不发生测量事件，如开始时特别地通过人为延迟发送时刻那样。通过顺序统计的方法也可以根据测量事件的单光飞行时间来确定背景参数λ。最后，无论是作为固定的参数还是作为来自其它来源的测量结果，都可以轻松地预先给定背景参数λ。

优选地，评估单元被构造用于借助信号强度参数p来确定接收时刻。该信号强度参数是无量纲参数，其取决于漫反射的光信号的强度。入射光越强，触发的测量事件就越多，随后产生总的强测量信号。因此，在强的测量信号之后，该数量N(t)也有较大的下降，这通过信号强度参数p将模型纳入进来。

优选地，在模型中，在接收时刻t_s按照狄拉克脉冲δ(t-t_s)触发多个雪崩。因此，接收信号被模拟成无限短的脉冲。这并非完全符合现实，但至少非常短的发送脉冲是常见的且可能的。触发雪崩光电二极管的狄拉克脉冲导致可用的雪崩光电二极管的数量N(t)按照用信号强度参数p加权的海维赛德函数(Heaviside-Funktion)θ而陡然减少。可以设想诸如高斯型脉冲的其他函数，但需要用于描述脉冲形状的至少一个附加参数，因此，评估不可以以相同的简单性来执行。

优选地，在模型中，根据具有背景参数λ和信号强度参数p的方程来描述在相应的时刻仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)。这是微分方程的解决方案，其描述了随背景参数λ、信号强度参数p和接收时刻t_s而变化的仍然可用的雪崩光电二极管数量N(t)的瞬时变化

优选地，评估单元被构造用于根据在下时限t₀处和上时限t₁处仍然可用的雪崩光电二极管的数量来确定信号强度参数p。在时间间隔开始时仍然可用且在结束时不再存在的雪崩光电二极管记录了测量事件或背景事件。背景可以由背景参数λ来检测。因此，剩余的差异是测量事件的结果，因此适于确定信号强度参数p。

优选地，评估单元被构造用于根据方程来确定信号强度参数p，其中并且λ为背景参数。因此，信号强度参数p通过闭式表达式被简单且快速地确定。

优选地，评估单元被构造用于依次地首先确定背景参数λ，然后借助背景参数λ确定信号强度参数p，接着借助背景参数λ和信号强度参数p确定接收时刻t_s。使用根据本发明的模型，优选在没有近似处理或迭代处理的情况下，可以这样顺序地确定用于确定接收时刻t_s的所有需要的参数。由于这种顺序的确定以及不存在迭代规程，根据本发明的方法比同时估计或计算多个参数显然更稳健并且同时成本更低。

优选地，评估单元被构造用于，借助解析公式根据在时刻t仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)，特别是在下时限t₀的时刻t＝t₀仍然可用的雪崩光电二极管的数量、背景参数λ、信号强度参数p和另一参数来计算接收时刻。可以为接收时刻t_s指定可以非常容易进行评估的闭式表达式。优选地，评估单元进行数值计算而不是分析计算，但其中数值计算的规则是分析公式。可以设想诸如迭代评估的可替代方法，但不是必需的。

时间t连同合并到计算中的仍然可用的雪崩光电二极管的相关数量N(t)可以在获悉背景参数λ的情况下在接收时刻t_s之前的时间范围内进行移位，并因此在该范围内可以自由选择。特别地，从一开始就已知的总共可用的雪崩光电二极管的总数N(0)可以在计算上适配到时间t。可替代地，即使在不了解背景参数的情况下，也可以通过计数时刻t前的事件总数并减去N(0)的结果来确定仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)。

除了优选地选择的变量t₀、t₁、N(t₀)、N(t₁)和λ外仍然需要另一参数，以确定共同的测量值t_s，因为否则模型可能会欠定。但特别地，如果选择适当的另一参数，则没有必要了解在[t₀，t₁]内的N(t)。

优选地，另一参数是在可预先给定的时间间隔[t₀，t₁]中的单光飞行时间的平均值μ。评估单元可以非常简单地确定该平均值μ，更确切地说是“在飞行中(on the fly)”确定，而无需记住单光飞行时间。由此，与常见的直方图评估相比，可以节省相当大的用于提供直方图数据的存储空间或带宽资源。

优选地，评估单元被构造用于将接收时刻t_s计算为(其中，N₀＝N(t₀))。通过该方程可以使用很少的参数非常快速地计算出接收时刻。在此，测量分辨率不受评估限制，例如不像常规的一样，局限于直方图的箱子宽度。可以设想通过查找表或近似来在计算上简化非线性函数。

优选地，评估单元被构造用于预先找出或优化比测量周期短的可预先给定的时间间隔。时间间隔从开始越准确地限定接收时刻t_s，则共同的测量值就越准确。在单纯的、理想的考虑中，时间间隔并不重要。然而，在实际测量中，噪声影响导致太长的时间间隔并不一定提供期望的精度。时间间隔可以通过预评估来找到，例如通过阈值评估来找到，该阈值评估大致在时间上定位测量事件的最大值。当不使用刚性阈值而是估计在时间间隔中因背景事件预期有多少单光飞行时间时，该预评估会更准确，其中假设背景事件的频率呈指数减少，然后确定其中单光飞行时间明显比预期多的时间间隔。

优选地，光接收器具有在盖革模式下操作的多个雪崩光电二极管和单独或成组地与雪崩光电二极管相关联的多个单光飞行时间测量单元，该单光飞行时间测量单元特别地具有至少一个TDC。如前所述，本发明也可以在只有一个雪崩光电二极管并因此在只有一个单光飞行时间测量单元的情况下使用，因为可用的雪崩光电二极管的数量N(t)继而由于重复测量绝不会限于一个。原则上，对统计来说，至少在其中场景在一定程度上保持静态的测量的总时间段内，物理上现有的雪崩光电二极管的数量和测量持续时间或测量重复的次数可以彼此互换。

在此优选地，雪崩光电二极管以线形方式或矩阵方式布置。然后存在互连的不同变型。总的来说，雪崩光电二极管可以提供共同的测量值。但也可以通过多个雪崩光电二极管作为一组分别确定共同的测量值来获得空间分辨率。然后，得出3D图像传感器，其有效的空间分辨率对应于组的数量，其中组的大小使空间分辨率、距离确定的准确性和测量持续时间的关系能够互换。在这种情况下，可选地针对每个雪崩光电二极管或只共同针对多个雪崩光电二极管测量单光飞行时间。单光飞行时间测量单元可以与某些雪崩光电二极管固定或可变地相关联。

优选地，单光飞行时间测量单元具有TDC(时间数字转换器)。这是已知的且相对简单的组件，该组件可以以高的时间分辨率来确定单光飞行时间。优选地，TDC在发送时刻启动，并在接收时刻被接收到的单光脉冲停止。也可以设想其它的操作方式，诸如分别通过触发雪崩来启动TDC，然后在诸如测量周期结束的已知的时刻使TDC停下来。

根据本发明的方法可以以类似的方式进一步发展并同时显示出类似的优点。这种有利的特征在从属于独立权利要求的从属权利要求中示例性地但不详尽地进行描述。

附图说明

下面将示例性地根据实施方式并参考附图对本发明的其它特征和优点进行更详细的阐述。图中示出：

图1是用于根据一系列单光脉冲确定光飞行时间的测量核心的框图；

图2是使用单光脉冲测量的多个光飞行时间的示例性直方图；

图3是随时间而变的测量事件和背景事件的数量的示例性分布；以及

图4是对应于图3的随时间而变的仍然可用的雪崩光电二极管的数量的分布。

图1示出了用于通过测量光飞行时间来确定到监测区域12中的对象的距离的传感器10的简化框图。在图1中，传感器10被划分成上发送路径14和下接收路径16。这种划分不应隐含任何技术特征。本发明主要涉及接收路径16，从而对发送路径14可以设想任何已知的实现方式。发送路径14的元件可以是单独的组件，但也可以与接收路径16的元件一起集成在共同的组件上。

在发送路径14中产生光信号，优选地使用脉冲发生器18产生短的单脉冲。与总体测量相比，术语单脉冲涉及单次测量，不涉及脉冲形式。然而，脉冲形式、脉冲间歇和脉冲长度可以改变，例如用于编码或适配于周围环境条件。但为了本发明的利益，较简单地介绍均匀序列的单脉冲就足够了，这些单脉冲彼此间有足够的时间间隔，以便测量不会相互影响。光发射器20，例如LED或激光二极管，从电子发射信号产生相应的单光脉冲22，这些单光脉冲被发射到监测区域12中。如果单光脉冲22在那里遇到对象，则相应地反射或漫反射的单光脉冲24返回到传感器10并落到光接收器26上，该光接收器从中产生电子接收信号。

光接收器26具有未示出的雪崩光电二极管，特别是大量线形布置或矩阵布置的雪崩光电二极管。在这种情况下，可以获得空间分辨率并得出3D图像传感器，其中通过共同评估多个雪崩光电二极管可以在更准确地测量距离时实现空间分辨率减小。在极端情况下，所有雪崩光电二极管元件都用于确定共同的测量值。如前简要所述，雪崩光电二极管在盖革模式下操作并且也被称为SPAD。雪崩光电二极管或APD(Avalanche Photo Diode)被偏压超过其击穿电压，并且雪崩电流已经可以由单个光子触发。因此，SPAD极其敏感，但同时也容易产生测量误差，因为由SPAD确定的飞行时间可能会错误地归因于暗噪声或外来光光子的记录，然后可能会与对象的距离完全不相关。此外，雪崩后的雪崩光电二极管在死区时间内不再可用。根据本发明的用于确定光飞行时间的模型方法适用于SPAD的这些特性。

作为第一评估步骤，单光飞行时间测量单元28确定在发射单光脉冲22和接收相关联的漫反射的单光脉冲24之间的各个单光飞行时间。可以设置多个单光飞行时间测量单元28，这些单光飞行时间测量单元固定地或动态地与特定的雪崩光电二极管或它们的组相关联。例如，为此设置了TDC块(时间数字转换器)，其中相应的TDC通过发射单光脉冲来启动并通过由相关联的雪崩光电二极管中的雪崩的产生的信号停止。TDC的操作方式是不固定的，例如，另一种可能的操作方式是所谓的共同停止模式(common stop mode)，其中雪崩光电二极管的信号启动相应的TDC并使所有的TDC例如在测量周期结束时被一起停下来。

其它的评估步骤在图1中未完整地示出，并且将在下面进一步参考图3和图4进行更详细的阐述。大体上，首先将单光飞行时间集合在存储器30中。这已经可以综合性地完成，例如在具有箱子宽度的直方图中完成，该箱子宽度是在考虑到期望的分辨率和存储需求的情况下选择的，或为了避免直方图或至少一个精细分辨的直方图的累加，直接连续地形成一定的统计变量，诸如平均值、每个箱子的平均值或单光飞行时间的数量等。评估可能会局限于部分区域(ROI)，该部分区域在预评估之后对应于其它先验知识，或者基于推测对应于待测量的距离的周围环境。然后，单光飞行时间和/或基于其获得的变量一起在测量值块32中进行评估，以便最终获得到对象的距离。

在优选的实施方式中，至少接收路径16被集成在ASIC上。在这种情况下，可以一方面设置用于光接收器26的几个块并在另一方面设置评估电路28、30、32。然而，优选地，至少相应的单光飞行时间测量单元28被直接布置在光接收器26上，并且特别地，使用各个雪崩光电二极管或它们的组形成智能像素或近像素的评估。累加器30和测量值块32也可以被集成到这些像素中。然后，上级控制装置决定是否以及如何空间分辨地使用像素的测量结果或再次将其平均。在另一实施方式中，使用FPGA(现场可编程门阵列)和/或微处理器，在该FPGA或微处理器上实现累加器30和/或测量值块32，并且在需要时也实现单光飞行时间测量单元28。

图1仅示出了与实际测量相关的光电传感器10的组件。其它在实践中需要的且自身已知的元件，诸如发送光学器件或接收光学器件，为了清楚起见已省略。传感器10可以是简单的扫描仪，该扫描仪在轴上测量对象距离，然后例如输出关于距离的连续的数值，或者传感器10充当开关，该开关的开关状态根据在预先给定的距离范围内存在或不存在的对象而切换。扫描仪的轴可以通过相应的旋转镜或作为整个旋转的测量头在旋转移动上偏移，然后形成扫描仪。传感器10的另一示例性的实施方式是3D相机。

图2示出了多个单光飞行时间的示例性直方图以进行图示。在此，X轴上的箱子是可能的光飞行时间的时间间隔，在这里是任意单位和高分辨率的时间间隔，即具有小的箱子宽度的时间间隔。Y轴表示检测到的单光飞行时间的相关数量。因此，总之，该直方图是测量的单光飞行时间的分布。

在本实施例中，直方图示出了清楚的最大值，该最大值用肉眼识别出大约在第270个箱子中并且清晰地从由暗噪声、外来光和其它干扰影响引起的单光飞行时间的背景中突出出来。可以通过阈值评估找到最大值，并从中确定对象的距离。然而，高分辨率的直方图需要相当大的存储需求，特别是在设想这样的直方图必须对于每个像素被存储在3D图像传感器中的情况下。此外，图2中的情况非常简单，因为最大值非常明显地从背景中突显出来。在实际测量中，特别是当对象漫反射弱或距离遥远时，就绝不是这种情况了。

因此，根据本发明，进行基于测量事件和背景事件的单光飞行时间的分布的模型的特殊评估，该模型纳入了SPAD的特别特征。优选地，该评估也不在完全的高分辨率的直方图上进行，该直方图被示出主要为了更好地理解。但优选地，直方图仅以相对较差的分辨率进行检测，或者仅确定一定的统计变量，并且在评估了单光飞行时间对这些变量的影响之后，丢弃单光飞行时间。因此，可以使用明显较少的诸如存储器、计算性能和用于数据传输的带宽的资源来执行评估。

现在将参考图3和图4对基于模型的评估进行阐述。图3示出了随着时间而变的测量事件和背景事件的数量的示例性分布。原则上，该分布应于图2中所示的直方图。但是，分布在这里显示的是连续的且不是离散。此外，该分布是一种理想化的图示：虽然有存在背景事件，但在背景事件以恒定速率出现时在某种意义上讲是没有噪声的。该恒定速率与以下效果叠加，即雪崩光电二极管在触发雪崩后处于其死区时间内，因此不能被再次触发。因此，事件的数量随着时间推移呈指数地下降。在接收时刻t_s周围有大量的测量事件，因此是测量峰值。由此，紧接着骤然更少的雪崩光电二极管是可用的，并且在剩余的测量周期中，由于背景事件呈指数的下降延续到相应较低的水平。

图4示出了仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)的相应的随时间变化的分布，该数量由于背景呈指数地下降并在接收时刻t_s急剧下降。又如先前多次指出的那样，最初可用的雪崩光电二极管的数量N(t)不一定与物理上现有的雪崩光电二极管的数量一致，因为可能存在测量重复。所以，也可以提及可能的事件的数量或事件池(Eventpool)，但在这里通过刚才所阐述的术语的理解保持参考仍然可用的雪崩光电二极管。

现在应该对雪崩光电二极管在测量期间的行为进行数学处理。总体所考虑的并在图3和图4中示出的时段是一个测量周期，该测量周期在t＝0时刻开始，在该时刻雪崩光电二极管被有源接通，从而在测量事件或背景事件时触发雪崩，为此单光飞行时间测量单元28确定相应的光飞行时间。当然，这在背景事件时实际上不是光飞行时间，但无论如何在该阶段测量都无法对这进行区分。优选地，发送时刻也是t＝0，但也可以设想稍后被校正为常数的移位。

在测量周期内，选择或预先给定时间间隔[t₀，t₁]，该时间间隔包括测量峰值，因此包括待确定的接收时刻t_s。在一个测量周期内可以出现多个测量峰值，例如在半透明的对象或撞击到边缘的情况下。但是，在时间间隔[t₀，t₁]内应该只出现一个测量峰值，否则结果将会是多个测量峰值的位置的中间值。时间间隔[t₀，t₁]可以通过预评估或较早的测量来限定。在具有恒定的背景速率的理想化的观察中，对测量的准确性来说，重要的可能不是时间间隔[t₀，t₁]，结果可能与此无关。然而，在实践中，当单光飞行时间有噪声时，结果在更精细的时间间隔[t₀，t₁]内会更准确。

随后，在对一般性没有限制的情况下，为下限选择t₀＝0。通过使时间轴移位到t₀＝0，可以使下面的数学表达式显得更紧凑和更直观。该时间零点不能与测量周期的开始相混淆，尽管也不排除同一性。因此，严格来说，在时间间隔[t₀，t₁]内确定精确的飞行时间分量，然后可以简单地再次将初始的t₀添加到该时间分量。

在该时间间隔[t₀，t₁]内，现在考虑事件池或仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)。假设其中触发过一次雪崩的雪崩光电二极管在测量周期内，至少在时间间隔期间，不会再恢复。否则，可以考虑恢复速率，或者该恢复速率隐含地已由背景参数λ一并确定。

为了描述N(t)的时间行为，首先引入两个参数。一个是背景参数λ，其检测由于背景事件的N(t)的减少。如图2至图4所示可以看出且立即再次表明，背景事件导致N(t)呈指数下降，因此，背景参数λ可以被理解为时间常数。

背景参数λ可以预先通过测量来确定。在这种情况下，可以确保仅出现背景事件而不出现测量事件，不管是因为根本没有发射光信号或是设置了观察时段使得其中没有测量事件。借助顺序统计也可以从具有测量事件的测量中提取背景参数λ。

第二参数p检测信号脉冲的强度，即如图3中清晰所示的测量峰值，因此在图4中N(t)在接收时刻t_s急剧下降很明显。测量峰值被模拟成用参数p加权的狄拉克脉冲δ(t-t_s)。也可以设想诸如高斯分布的另一脉冲形状，但不仅需要更复杂的计算，而且通常还需要描述具有至少两个参数的脉冲。这反过来不再允许简单的解决方案，其中参数可以顺序地并从而特别简单地得以确定。

现在，利用这些参数可以将关于N(t)的系统微分方程表达如下：

第一项描述由背景事件引起的变化，第二项描述由测量事件引起的变化。

该微分方程的解描述了随着背景参数λ和信号强度参数p而变的在时间t的事件池或仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)：

到目前为止，背景参数λ是已知的，但信号强度参数p还未知。此外，在时间间隔[t₀，t₁]的边界处仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t₀)、N(t₁)也是已知的。它们可以通过积分至t₀或自t₁起积分来确定。实际上，来自如图2那样的直方图的直方图计数加入其中，或者根据相对于时间间隔[t₀，t₁]的位置对单光飞行时间“在飞行中”进行计数。直到时刻t_s为止，从而至少直到时刻t₀为止，可以在获悉背景参数λ且不知道信号强度参数p的情况下从上面给出的关于N(t)的解中计算出N(t)并从而计算出N(t₀)。

另外，如果则根据关于N(t)的解在上限t₁时为：

N(t₁)＝N(t₀)αe^-p，即

因此，信号强度参数p仅由N(t)在时间间隔[t₀，t₁]的边界处的边界值和背景参数λ来确定。因此，在不知道t_s的情况下，仍然可以依次确定两个先前所需的参数λ、p。

现在，作为最后一步，还应该为接收时刻t_s以分析的方式找到闭式表达式。为此，还需要另一参数，因为否则微分方程的模型或解N(t)可能会欠定。为此，引入了单光飞行时间在时间间隔[t₀，t₁]中的平均值μ。

实际上，平均值μ非常容易估计：对单光飞行时间，特别是“在飞行中”，检测它们是否位于时间间隔[t₀，t₁]内。如果是这种情况，则将单光飞行时间添加到总和中以及增加计数器，其中平均值μ继而是总和与计数器读数的商。

相反，在数学上适用。在这种情况下，对应于图3中所示的N(t)的时间变化或者更直观地对应于图2中所示的直方图。

另一方面，根据以上连同解建立的微分方程如下：

如前所述，在对一般性没有限制的情况下，可以选择t₀＝0。然后，通过N₀：＝N(t₀)从关于平均值的方程和刚给出的方程中得出：

评估积分后得出：

然后，从中得出所寻求的关于t_s(μ，λ，N₀，p，t₁)的闭式表达式：

由于双光路，适用于实际的测量值，距离d，其中当在空气中测量时c以非常好的近似对应于真空光速，并且在另一种介质中将使用相应的校正因子。

Claims (15)

1.一种用于测量到监测区域(12)中的对象的距离的光电传感器(10)，所述光电传感器具有：光发射器(20)，其用于将光信号(22)发射到所述监测区域(12)中；光接收器(26)，其具有在盖革模式下操作的至少一个雪崩光电二极管，用于接收从所述对象反射或漫反射的光信号(24)；单光飞行时间测量单元(28)，其用于确定光信号(22，24)从所述传感器(10)到所述对象的单光飞行时间；以及评估单元(30，32)，所述评估单元被构造用于，根据多个单光飞行时间确定所述距离的共同的测量值，

其特征在于，

所述评估单元(30，32)还被构造用于，在具有下时限t₀和上时限t₁的可预先给定的时间间隔内，根据在相应的时刻t仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)的模型来确定所述共同的测量值所基于的接收时刻t_s，其中，只要在雪崩光电二极管中尚未触发雪崩，雪崩光电二极管就仍然可用。

2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，借助背景参数λ来确定所述接收时刻t_s。

3.根据权利要求2所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，根据单光飞行时间的测量来确定所述背景参数λ。

4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，借助信号强度参数p来确定所述接收时刻。

5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，在所述模型中，在所述接收时刻t_s多个雪崩按照狄拉克脉冲δ(t-t_s)被触发。

6.根据权利要求5所述的传感器(10)，其中，在所述模型中，在相应的时刻仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)根据具有背景参数λ和信号强度参数p的方程来描述。

7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，根据在所述下时限t₀处和所述上时限t₁处仍然可用的雪崩光电二极管的数量来确定所述信号强度参数p。

8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，根据方程来确定所述信号强度参数p，其中并且λ为背景参数。

9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，依次地首先确定背景参数λ，然后借助所述背景参数λ确定信号强度参数p，接着借助背景参数λ和信号强度参数p来确定所述接收时刻t_s。

10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，借助解析公式根据在时刻t仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)，特别是在下时限t₀的时刻t＝t₀仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)、背景参数λ、信号强度参数p和另一参数来计算所述接收时刻。

11.根据权利要求10所述的传感器(10)，其中，所述另一参数是在所述可预先给定的时间间隔内的所述单光飞行时间的平均值μ。

12.根据权利要求11所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，将所述接收时刻t_s计算为：

其中N₀＝N(t₀)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，预先找出或优化比测量周期短的可预先给定的时间间隔。

14.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述光接收器(26)具有在盖革模式下操作的多个雪崩光电二极管和与所述雪崩光电二极管单独或成组方式相关联的多个单光飞行时间测量单元(28)，所述单光飞行时间测量单元特别地具有至少一个TDC。

15.一种用于测量到监测区域(12)中的对象的距离的方法，其中，将光信号(22)发射到所述监测区域(12)中，使用光接收器(26)的在盖革模式下操作的至少一个雪崩光电二极管再次接收从所述对象反射或漫反射的光信号(24)，测量所述光信号到所述对象的单飞行时间，并根据多个单光飞行时间确定所述距离的共同的测量值，

其特征在于，

在具有下时限t₀和上时限t₁的可预先给定的时间间隔内，根据在相应的时刻t仍然可用的雪崩光电二极管的数量N(t)的模型来确定所述共同的测量值所基于的接收时刻t_s，其中，只要其中尚未触发雪崩，雪崩光电二极管就可用。