CN109541622B - Tof测距幅值的计算方法及tof测距系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种TOF测距幅值的计算方法及TOF测距系统，采用调制光波照射至少一个对象并获取反射光波，并获取起始积分相位顺次相差四分之一周期的二分之一周期内的4个光电荷积分值以得到所述反射光波的修正系数，并根据4个所述光电荷积分值及所述修正系数计算出TOF测距幅值，通过计算修正系数，可以使得出的TOF测距幅值精度更高，更符合实际情况。

Description

TOF测距幅值的计算方法及TOF测距系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其是一种TOF测距幅值的计算方法及TOF测距系统。
背景技术
TOF(Time of Flight)相位法测距是指通过飞行时间法进行非接触式测距，通过发射连续的调制光波，调制光波在光路上传播一个周期(波形变换一周所需要的时间)的距离，相位就延迟2π，已知光速c，因此只要测出不足一个周期的相位差
Figure GDA0002578153370000011
即可根据该调制光波在待测距离D上往返一次所形成的相位差
Figure GDA0002578153370000012
得出待测距离D。
TOF相位法测距法中，反射光波的强度是由发射光波的强度，物体反射率以及环境光的强度决定的，所以对于一设定强度的反射光波来说，发射光波的强度越大，则环境光的影响反而越小，所以可以利用每个像素点上的测距幅值(反射光的幅值)来表征对应像素位置的信噪比，进一步，该信噪比可作为测距的置信度指标，以检测测距不准的像素位置或者排除或者校正。但是对于不同调制光波而言如何算得与该调制光波的函数形式相适应的测距幅值是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TOF测距幅值的计算方法及TOF测距系统，以精确的计算出TOF测距幅值。
为了达到上述目的，本发明提供了一种TOF测距幅值的计算方法，包括：
采用调制光波照射至少一个对象并获取反射光波；
获取所述反射光波在4个二分之一周期内的光电荷积分值，且4个所述光电荷积分值的起始积分相位顺次相差四分之一周期；
根据4个所述光电荷积分值得到所述反射光波的修正系数；
根据4个所述光电荷积分值及所述修正系数计算出TOF测距幅值。
可选的，4个所述光电荷积分值Q0、Q1、Q2及Q3分别为所述反射光波在
Figure GDA0002578153370000021
及
Figure GDA0002578153370000022
内的光电荷积分值，其中，T为所述反射光波的周期。
可选的，根据4个所述光电荷积分值Q0、Q1、Q2及Q3及所述修正系数ξ利用如下公式计算出TOF测距幅值系数K：
Figure GDA0002578153370000023
可选的，当所述调制光波为方波时，所述反射光波的修正系数ξ为：
Figure GDA0002578153370000024
可选的，所述TOF测距幅值系数K的数值等于所述TOF测距幅值的数值的两倍。
可选的，当所述调制光波为正弦波时，所述反射光波的修正系数为1。
可选的，所述TOF测距幅值系数K的数值等于所述TOF测距幅值的数值的四倍。
可选的，所述TOF测距幅值的数值用于表征所述反射光波的信噪比及所述调制光波测距结果的置信度。
本发明还提供了一种TOF测距系统，包括光源模块、光探测模块及计算模块，所述光源模块发出一调制光波并照射至少一个对象，所述光探测模块接收所述对象反射的反射光波，所述计算模块根据所述反射光波计算起始积分相位顺次相差四分之一周期的二分之一周期内的4个光电荷积分值以得到所述反射光波的修正系数，且所述计算模块还根据4个所述光电荷积分值及所述修正系数计算出TOF测距幅值。
可选的，所述光探测模块包括若干阵列分布的探测区域，4个所述光电荷积分值为同一个探测区域上的光电荷的积分值，以使所述TOF测距幅值对应该探测区域的TOF测距幅值。
在发明提供的TOF测距幅值的计算方法及TOF测距系统中，采用调制光波照射至少一个对象并获取反射光波，并获取起始积分相位顺次相差四分之一周期的二分之一周期内的4个光电荷积分值以得到所述反射光波的修正系数，并根据4个所述光电荷积分值及所述修正系数计算出TOF测距幅值，通过计算修正系数，可以使得出的TOF测距幅值精度更高，更符合实际情况。
附图说明
图1为本实施例提供的TOF测距幅值的计算方法的流程图；
图2为本实施例提供的调制光波及反射光波均为正弦波的示意图；
图3为本实施例提供的调制光波及反射光波均为方波的示意图；
图4为本实施例提供的调制光波及反射光波为方波时直接根据4个光电荷积分值得到的TOF测距幅值系数及引入修正系数后得到的TOF测距幅值系数的对比图；
图5为本实施例提供的TOF测距系统的结构框图；
其中，附图标记为：
1-光源模块；2-光探测模块；3-计算模块；
yin1-正弦调制光波；yout1-正弦反射光波；
yin2-方波调制光波；yout2-方波反射光波；
K2’-直接根据4个光电荷积分值得到的TOF测距幅值系数；
K2-引入修正系数后得到的TOF测距幅值系数。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明提供了一种TOF测距幅值的计算方法，包括：
S1：采用调制光波照射至少一个对象并获取反射光波；
S2：获取所述反射光波在4个二分之一周期的光电荷积分值，且4个所述光电荷积分值的起始积分相位顺次相差四分之一周期；
S3：根据4个所述光电荷积分值得到所述反射光波的修正系数；
S4：根据4个所述光电荷积分值及所述修正系数计算出TOF测距幅值。
TOF测距方法是发出一种调制光波去照射至少一个对象，所述调制光波被所述对象反射后以形成反射光波。图2示出了一种正弦调制光波yin1及反射后形成的正弦反射光波yout1的示意图，如图2所示，所述正弦调制光波yin1及正弦反射光波yout1表达式分别为：
Figure GDA0002578153370000041
其中，A、C分别为正弦调制光波yin1及正弦反射光波yout1的幅值，ω为角速度，
Figure GDA0002578153370000042
和
Figure GDA0002578153370000043
分别为正弦调制光波yin1的初始相位及正弦反射光波yout1的相位，B、D分别为正弦调制光波yin1及正弦反射光波yout1的直流分量(即环境光干扰)，从图2中可见，由于传输距离和光波被吸收的原因，能量被衰减，所述正弦反射光波的幅度会有一定的衰减，即A大于C；由于所述正弦反射光波yout1包含了环境光，所述正弦反射光波yout1整体会上移，即B小于D；由于具有一定的传输距离，所述正弦反射光波yout1的相位会比初始相位大从而产生相位差，即
Figure GDA0002578153370000044
大于
Figure GDA0002578153370000045
所述正弦调制光波yin1及正弦反射光波yout1的频率和周期均相同，即所述正弦调制光波yin1及正弦反射光波yout1的角速度均为ω。
为了计算出TOF测距幅值，需要先求出正弦反射光波yout1在4个二分之一周期的光电荷积分值，且4个所述光电荷积分值的初始积分相位顺次相差四分之一周期，以ω＝1，周期T＝2π为例，则4个光电荷积分值的积分范围分别(0-π)，
Figure GDA0002578153370000051
(π-2π)，
Figure GDA0002578153370000052
则4个光电荷积分值分别为：
Figure GDA0002578153370000053
得到所述则4个光电荷积分值后，可以根据所述4个光电荷积分值求出所述TOF测距幅值系数K1为：
Figure GDA0002578153370000054
可见，对于调制光波及反射光波为正弦波的情况下，TOF测距幅值系数K与所述TOF测距幅值C呈正比，所以通过4个光电荷积分值得到TOF测距幅值系数K后，将K除以4即可得到TOF测距幅值C。且通过公式(3)发现在调制光波及反射光波为正弦波的情况下所述反射光波的修正系数为1(或者接近于1)，可以直接通过4个光电荷积分值得到所述TOF测距幅值而不需要计算修正系数。通过此种方法可以得出当调制光波为正弦波时的TOF测距幅值。但是，在TOF测距时发射的调制光波实际上通常是采用的方波，所以还需要考虑调制光波及反射光波为方波的情况下TOF测距幅值的计算。
具体的，如图3所示，所述调制光波yin1为方波，采用所述调制光波yin1照射至少一个对象并获取反射光波yout2，所述反射光波yout2也为方波。为了便于计算，还是以ω＝1，周期T＝2π为例，将所述调制光波yin1及所述反射光波yout2采用如下公式描述：
Figure GDA0002578153370000061
其中，E为调制光波yin1的幅值，F为反射光波yout2的幅值，x为位置，
Figure GDA0002578153370000068
为相位差(设初始相位为0)。
接来下，计算所述反射光波在
Figure GDA0002578153370000062
及
Figure GDA0002578153370000063
内的光电荷积分值Q0、Q1、Q2及Q3，因为ω＝1，周期T＝2π，所以4个所述光电荷积分值的起始积分相位顺次相差
Figure GDA0002578153370000064
通过以下公式求出4个所述光电荷积分值：
Figure GDA0002578153370000065
得到所述则4个光电荷积分值后，可以根据所述4个光电荷积分值求出所述TOF测距幅值系数K2为：
Figure GDA0002578153370000066
可见，在调制光波为方波的情况下，所述TOF测距幅值是与反射光波的相位有关的，若仍然采用公式(3)直接计算TOF测距幅值，则会引入较大的误差，使计算出的TOF测距幅值不精确。
为了计算出调制光波为方波时的TOF测距幅值，通过公式(5)将相位
Figure GDA0002578153370000069
用4个光电荷积分值表示：
Figure GDA0002578153370000067
将公式(7)带入公式(6)中得出所述TOF测距幅值系数K2为：
Figure GDA0002578153370000071
可见，对于调制光波及反射光波为方波的情况下，所述TOF测距幅值还与一修正系数
Figure GDA0002578153370000072
有关，所以计算所述TOF测距幅值时，除了计算4个所述光电荷积分值，还需要根据4个所述光电荷积分值得到反射光波的修正系数ξ，再根据4个所述光电荷积分值及所述修正系数ξ得到所述TOF测距幅值系数K2。
图4为调制光波及反射光波为方波时直接根据4个光电荷积分值得到的TOF测距幅值系数K2’及引入修正系数后得到的TOF测距幅值系数K2的对比图，如图4所示，TOF测距幅值系数K2’与TOF测距幅值系数K2之间的误差较大，不能精确的反应出TOF测距幅值。进一步，通过模拟引入修正系数后计算出的TOF测距幅值系数K2与两倍TOF测距幅值2F可得出，K2-2F的差值恒等于0(或接近0)，可见，在调制光波及反射光波为方波的情况下，所述TOF测距幅值系数K2与所述TOF测距幅值也成正比，且所述TOF测距幅值系数K2等于所述TOF测距幅值的两倍。而由于所述TOF测距幅值与所述反射光波的信噪比也成正比，计算出TOF测距幅值后即可表征所述反射光波的信噪比及所述调制光波测距结果的置信度，从而可以排除检测不准的像素点以提高检测的精度。
基于此，如图5所示，本实施例还提供了一种TOF测距系统，包括光源模块1、光探测模块2及计算模块3，所述光源模块1发出一调制光波并照射至少一个对象，所述光探测模块2接收所述对象反射的反射光波，所述计算模块3根据所述反射光波计算起始积分相位顺次相差四分之一周期的二分之一周期内的4个光电荷积分值以得到所述反射光波的修正系数，且所述计算模块3还根据4个所述光电荷积分值及所述修正系数计算出TOF测距幅值。
可以理解的是，所述光探测模块包括若干阵列分布的探测区域，4个所述光电荷积分值为同一个探测区域上的光电荷的积分值，以使所述TOF测距幅值对应该探测区域的测距幅值(反射光在该探测区域上的幅值)。具体的，所述光探测模块2可以是一CMOS或CCD，其测探区域作为一个像素点，若干个像素点横纵分布以构成所述光探测模块2的探测面，所述反射光波到达所述探测面后，所述探测面上的每个像素点接受到的所述反射光波的幅值和/或相位可能不相同，所以每个像素点上的TOF测距幅值也可能不相同，所述计算模块计算出对应每个像素点的4个光电荷的积分值，以得出对应每个像素点的TOF测距幅值。
综上，在本发明实施例提供的TOF测距幅值的计算方法及TOF测距系统中，采用调制光波照射至少一个对象并获取反射光波，并获取起始积分相位顺次相差四分之一周期的二分之一周期内的4个光电荷积分值以得到所述反射光波的修正系数，并根据4个所述光电荷积分值及所述修正系数计算出TOF测距幅值，通过计算修正系数，可以使得出的TOF测距幅值精度更高，更符合实际情况。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种TOF测距幅值的计算方法，其特征在于，包括：
采用调制光波照射至少一个对象并获取反射光波；
获取所述反射光波在4个二分之一周期内的光电荷积分值，且4个所述光电荷积分值的起始积分相位顺次相差四分之一周期；
根据4个所述光电荷积分值得到所述反射光波的修正系数；
根据4个所述光电荷积分值及所述修正系数计算出TOF测距幅值；
根据4个所述光电荷积分值Q0、Q1、Q2及Q3及所述修正系数ξ利用如下公式计算出TOF测距幅值系数K：
Figure FDA0002578153360000011
当所述调制光波为方波时，所述反射光波的修正系数ξ为：
Figure FDA0002578153360000012
2.如权利要求1所述的TOF测距幅值的计算方法，其特征在于，4个所述光电荷积分值Q0、Q1、Q2及Q3分别为所述反射光波在
Figure FDA0002578153360000013
及
Figure FDA0002578153360000014
内的光电荷积分值，其中，T为所述反射光波的周期。
3.如权利要求1所述的TOF测距幅值的计算方法，其特征在于，所述TOF测距幅值系数K的数值等于所述TOF测距幅值的数值的两倍。
4.如权利要求2所述的TOF测距幅值的计算方法，其特征在于，当所述调制光波为正弦波时，所述反射光波的修正系数为1。
5.如权利要求4所述的TOF测距幅值的计算方法，其特征在于，所述TOF测距幅值系数K的数值等于所述TOF测距幅值的数值的四倍。
6.如权利要求1所述的TOF测距幅值的计算方法，其特征在于，所述TOF测距幅值的数值用于表征所述反射光波的信噪比及所述调制光波测距结果的置信度。
7.一种TOF测距系统，其特征在于，包括光源模块、光探测模块及计算模块，所述光源模块发出一调制光波并照射至少一个对象，所述光探测模块接收所述对象反射的反射光波，所述计算模块根据所述反射光波计算起始积分相位顺次相差四分之一周期的二分之一周期内的4个光电荷积分值以得到所述反射光波的修正系数，且所述计算模块还根据4个所述光电荷积分值及所述修正系数计算出TOF测距幅值；
其中，根据4个所述光电荷积分值Q0、Q1、Q2及Q3及所述修正系数ξ利用如下公式计算出TOF测距幅值系数K：
Figure FDA0002578153360000021
当所述调制光波为方波时，所述反射光波的修正系数ξ为：
Figure FDA0002578153360000022
8.如权利要求7所述的TOF测距系统，其特征在于，所述光探测模块包括若干阵列分布的探测区域，4个所述光电荷积分值为同一个探测区域上的光电荷的积分值，以使所述TOF测距幅值对应该探测区域的TOF测距幅值。
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