CN109844563A - 通过至少一个检测器在多用户环境中测量到目标的距离的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过至少一个传感器在多用户环境中测量到目标的距离的方法，该方法包括：通过一系列辐射脉冲照射环境，其中以确定的重复率和确定的随机延迟发射一系列辐射脉冲；收集从环境反射或散射到至少一个检测器的脉冲，该至少一个检测器连接到至少一个计时器；在检测器上每检测到脉冲时分配时间戳；从来自计时器的每一个记录的时间戳中减去所添加的延迟，该结果对应于到达时间；确定到达时间的统计分布；根据所述统计分布确定到目标的距离。

Description

通过至少一个检测器在多用户环境中测量到目标的距离的方 法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于通过向观测环境中发送信号并记录所述信号从目标反弹并回波所需的飞行时间(TOF)来检测距离的方法和设备。这种发出的信号通常是声波和/或电磁性质的波。第一种类型(声学性质的波)通常称为声呐(代表声音导航和测距)，并且通常使用超声波。后者(电磁性质的波)根据所采用的电磁频率范围而被称为雷达(无线电检测和测距)或光学雷达(光检测和测距，有时也被称为激光雷达)。
更具体地说，本发明解决了当在同一环境中存在多个类似结构的系统时这种飞行时间系统会遇到的问题：这些系统通常相互干扰，并最终破坏彼此的TOF检测。
背景技术
飞行时间(TOF)系统是众所周知的，它使用声波(称为声呐；声音导航与测距)、或在无线电或微波频率范围内发射的电磁(em)波(称为雷达；无线电检测和测距；通常指频率＜1THz的电磁辐射)、或在光频率范围内发射的电磁波(称为激光雷达；光检测和测距；通常指频率≥1THz的电磁辐射；这些频率通常由称为波长的其倒数表示来指代)。
飞行时间(TOF)系统向探测目标发射一种类型的辐射并检测反射回声。通过估算所述辐射返回所需的时间，并且通过假定所考虑的辐射的传播速度(c)是恒定的并且是已知的，可以推断到目标的距离。辐射通常是声学性质或电磁性质的辐射。
有两种不同的飞行时间(TOF)方法，它们称为直接方法和间接方法。
在直接飞行时间(d-TOF)中，系统以脉冲的形式发射辐射，并且直接测量从该发射开始直到回声返回的时间。该时间差对应于所发射的辐射到达(通常称为)目标并返回所需的飞行时间(TOF)。图1示出了这个概念。在直接飞行时间中，TOF-系统和目标之间的距离(D)被计算为D＝cTOF/2，其中c是所考虑的辐射在所考虑的介质中的传播速度。
可以基于例如在时域中超过设定阈值的辐射幅度或在频域中超过某一值的辐射来识别辐射脉冲。检测超过某个值通常被称为检测前沿或上升沿，检测低于某一值通常被称为检测后沿或下降沿。除了这种阈值检测之外，还可以使用其他检测方法，例如检测特定脉冲形状，脉冲再次被理解为在时域或频域中分别实现。例如，在US 8031106和US20120257186中给出了这种脉冲的示例。
在间接飞行时间(i-TOF)中，系统发射调制辐射，并且通过调制发射和检测到的回波之间的相移来估算系统和目标之间的距离。例如，发射可以是sin(2πf)形式，并且检测是形式。然后将距离估算为这种调制可以通过辐射参数的任意组合来实现，例如幅度调制、频率调制和相位调制。
方波调制通常用作正弦调制的粗略近似，如图2所示。在方波调制中，发射脉冲，其中，脉冲表示等效正弦的高状态(峰值)，并且脉冲之间的“关闭”阶段表示正弦的低状态(谷值)。在某些情况下，方波调制是优选的，因为它可以使用简单的数字电路来实现。无论是脉冲调制还是连续调制，基本的测量原理是相同的：相位差被估算，并且由此推断出距离。
Kim等人在US 8217327B2中采用了一种不同的使用方波调制的i-TOF方法：他们在重叠时间间隔期间使用短脉冲和长脉冲进行调制。这两个脉冲叠加，使得发射的脉冲在幅度上显示出不对称性。检测器基于检测到的光的幅度累积电荷。由于有效发射脉冲中的不对称性，电荷检测也显示不对称。通过读出预定相位差处的累积电荷，可以推导出与确定相位差的方法类似的距离，但是避免解调。
在同一环境中存在几个这样的TOF系统(当它们朝向同一方向时最明显)可能会干扰单独的测量。例如，可能检测到由第二系统发射的脉冲。这种干扰可能导致检测到错误的距离。例如，如果假设TOF系统在观察自动导引车辆周围的环境，则检测错误的距离可能是危险的。这一问题在诸如多相机、多用户、系统间干扰和串话场景之类的各种名称下是已知的。
多用户环境在本领域中是公知的，并且提出了一些解决方案。然而，这些方法有几个缺点。通常，这些方法可以被表征为(时分)多路复用或编码通信的形式。
在时分多路复用中，参与的系统在不同的时隙期间是活动的。因此，不同的系统不能彼此干扰。实现这一点的一种方法是允许不同的参与系统通过中央协调单元在单独的信道上通信。在这种单独的信道上，系统可以协商它们中哪一个可以使用哪个时隙。否则，在受控环境中，不需要实时协商，并且可以离线分配时隙。例如在US 2014340487中描述了这种类型的时分多路复用。需要中央协调单元的缺点是增加了成本以及安装多用户环境所需的精力。除此之外，它还减少了参与系统的最大可能数量，因为每增加一个系统，可用时隙变小，因为总可用时间保持不变。
时分多路复用依赖于环境是固定且受控的，或者至少所有进入环境的TOF系统与已经存在的系统协作。依赖与外来系统的合作是有潜在危险的，因为例如不同的制造商可以使用不同的协议。并且即使商定了行业范围的标准，前一代系统或故意恶意参与者也可能危及多用户环境。
在WO 2013127973中公开了另一种不依赖于与第三方TOF系统的合作的时分多路复用策略，他们建议以随机间隔进行照射和检测。单个TOF设备的占空比越小，没有第二TOF设备当前正在照射环境的可能性越高。
估算的TOF值的精度通常在较长的采集时间内得到改进，因为随着考虑更多的测量样本，信噪比(SNR)通常会提高。这一事实抵消了所期望的采集窗口的缩短，即刚才提到的小占空比，以便以随机检测间隔处理越来越多的参与系统。
当随机选择用于检测的时隙时，存在两个或更多个系统同时处于活动状态的一定概率。该时隙碰撞概率随着参与系统的数目而增加。因此，在任何给定时间，未知量的TOF系统正在探测环境。
另一方面，虽然活动的次级系统的数量是未知的，但可以假定在每次测量期间，不同的系统正在探测。预计这些次级系统会不时地产生错误的测量值，从而污染测量。然而，通过对N个最后的测量值进行后处理，可以过滤出正确的TOF值。这与Li等人在“Multi-camera interference cancellation of time-of-flight(TOF)cameras”ICIP，conference(2015)，doi：10.1109/ICIP.2015.7350860(飞行时间(TOF)摄像机的多摄像机干扰消除，2015年ICIP会议，doi：10.1109/ICIP.2015.7350860)中的建议一致。
这种后处理方案的固有问题是增加的延迟：只有在N次测量之后才能报告精确值。通常，这在依赖于实时数据的应用中是不期望的特性，例如在汽车应用中。此外，如果探测目标在这些N次测量期间移动，即对于所有这些N次单次测量，实际距离并不相同，则后处理单元必须克服额外的困难。
可以考虑类似于时分多路复用的其他类型的多路复用，例如频率多路复用(在激光雷达中，频率通常用其倒数波长来指代)，例如，这被称为波分多路复用(WDMA)。
然而，实际上，这种频率/波长多路复用策略的可能性对于多用户环境是非常有限的。首先，TOF系统照射到自由空间中。允许用于雷达的频率受到高度监管。第二，激光雷达系统将具有相当大的更大的监管自由度，但是现实的波长带通滤波器大大限制了可用的选项的数目。此外，需要对波长多路复用的多用户环境进行监视和控制，因为它需要中央协调单元以这样一种方式为新进入的参与者分配波长：使得所述波长不与已经存在的系统的波长匹配。
在另一个类别中，有几个建议通过采用从通信理论已知的策略来处理多用户干扰。该思想通常是在发射的至少一个任意参数中编码随机、伪随机或混沌模式。在检测侧，应用滤波器以仅通过匹配模式。这些模式背后的思想是，来自外部源(例如来自次级TOF系统)的发射不能与背景贡献区分开。这一原理在术语“伪噪声调制”下是已知的。
通过这种伪噪声调制，一个系统可以在发射和检测之间交换与第二系统的相同模式不匹配的调制模式。例如，尤其在Griep等人的题为“Poly-Phase Codes and OptimalFilters for Multiple User Ranging”，IEEE Trans.Aerospace and Eelctr.Sys.，31(2)，1995，doi：10.1109/7.381922(“多用户测距的多相码和最优滤波器”，IEEE航空航天与电子系统汇刊，31(2)，1995年，doi：10.1109/7.381922)和Rieger等人的题为“Rangeambiguity resolution technique applying pulse-position modulation in time-of-flight scanning lidar applications，”Opt.Eng.53(6)，2014，doi：10.1117/1.OE.53.6.061614(“在飞行时间扫描激光雷达应用中应用脉冲位置调制的距离模糊度求解技术”，Opt.Eng.53(6)，2014年，doi：10.1117/1.OE.53.6.061614)(或相应的Rieger等人的US 2012257186)中给出了这种模式的实例。
随机模式可以通过使用例如在硬币抛掷、热抖动或放射性衰变中所发现的物理随机性来产生。由于真随机数是不可控制的并且可能带来不幸的依赖性和相关性，所以通常不期望真随机数。
伪随机模式是用确定性算法产生的，但其看起来是随机的，也就是说，当用n-立方体测试、x2-测试、光谱测试等测试来研究它们的数学特性时，无法将伪随机模式与真随机模式区分开来。
通常使用的伪噪声(去)调制的实现是所谓的最大长度序列，或简称为m序列。这些m序列可以被解释为上述方波调制的概括，例如以高低状态的变化持续时间来发射方波脉冲。整个序列的自相关是逼近克罗内克函数(Kronecker-delta)的三角函数。
该三角形的基部是系统设计专用的，相应的时延称为芯片时间Tc：如果绝对测量的延迟小于一个芯片时间，则解调器在三角形的两侧中的一侧上对自相关函数进行采样，由此可以确定相移，从而确定距离。然而，如果延迟超过一个芯片时间，则解调器在三角形之外对自相关函数进行采样，其中它等于零。在探测整个序列之后，将外来序列解调为零(这是克罗内克函数特性的定义)，使得多个系统可以存在于同一环境中，每个系统检测三角形内的位置加上其他系统的零贡献，这样至少在理论上是不干扰测量的。
实际上，m序列在多用户环境中有几个缺点。首先，这些TOF系统需要检测整个m序列。针对整个序列给出克罗内克符号特性，不保证子序列的自相关性为零。期望更多的参与设备，序列需要更长来确保有利的自相关和互相关特性。长序列表示长测量，因此是慢系统。
其次，需要以极小的误差容许量来检测全序列。如果一些比特被丢失，例如由于目标处于较大距离处或弱反射，则自相关不匹配，并且检测到的序列被丢弃为噪声。相对较少的遗漏脉冲可能意味着需要再次探测整个m序列。
第三，仅当考虑整个m序列时，克罗内克符号特性才为真。这尤其意味着，如果两个TOF系统使用不同长度的序列，则较长的序列可能导致在短序列系统中的非零解调结果，该结果随后将被解释为相移和距离。这最后一点在非协作多用户环境中特别有害。
如上所述，任何发射参数都可以用伪噪声进行调制。Bamij等人(Canesta的US7405812)提出了一种i-TOF系统，在该i-TOF系统中，他们在发射频率上结合了伪噪声调制(所谓跳频)：解调有利于检测其调制频率与发射频率相关的信号。改变该频率(伪)随机地降低了在任何给定时间次级TOF系统发射相同辐射的可能性。在Hu等人的文章“Correlation Property Analysis for the Pulse Position Modulation Sequenceused for Non-Crosstalk Sonar Systems”，IEEE CISP，Volume 5，2011，doi：10.1109/CISP.2011.6100772(2011)(“用于非串扰声呐系统的脉冲位置调制序列的相关特性分析”，IEEE CISP，2011年第5卷，doi：10.1109/CISP.2011.6100772(2011))、Meng等人的文章“Frequency-Hopping Pseudo-Random Pulse Width Modulation to EliminateCrosstalk of Sonar Sensors in Mobile Robots”，IEEE IROS，conference，2006，doi：10.1109/IROS.2006.281690(2005)(“消除移动机器人中声呐传感器的串扰的跳频伪随机脉冲宽度调制”，2006IEEE智能机器人与系统国际会议，doi：10.1109/IROS.2006.281690(2005))以及Buettigen等人的文献(Mesa Imaging的US 20110299059)中，调制参数是脉冲宽度或位置。在Oggier等人的文献(Mesa Imaging的EP 2594959)中，他们对相位进行调制(相位跳变)。在Szajnowski等人的文献(三菱电气公司的US 8031106)中，伪噪声在高频状态、低频状态以及两者之间的转换状态下被编码。
由伪随机数发生器(RNG)产生的伪噪声模式在一定的序列长度之后重复出现。一些系统依赖于这种重复，例如上述m序列。然而，对于许多其他应用来说，这带来了不期望的脆弱性。为了避免重复，可以将发射的脉冲图案与反馈环路中检测到的图案混合，例如在Wohlenberg等人的文献(大众汽车的DE20131002651)中声明的。避免重复的另一种方法是使用混沌发生器而不是RNG来产生伪噪声，如在以下文献中所公开的：Sushchik等人的文献“Chaotic Pulse Position Modulation：A Robust Method of Communicating withChaos”，IEEE Com.Lett.4(4)，2000，doi：10.1109/4234.841319(“混沌脉冲位置调制：一种鲁棒的混沌通信方法”，IEEE通信快报4(4)，2000年，doi：10.1109/4234.841319)、Rulkov等人的文献“Digital Communication Using Chaotic-Pulse-Position Modulation”，IEEETrans.on Circ.and Sys.I，48(2)，2001，doi：10.1109/TCSI.2001.972850(“利用混沌脉冲位置调制的数字通信”，IEEE电路与系统汇刊I，48(2)，2001年，doi：10.1109/TCSI.2001.972850)以及Fortuna等人的文献“Chaotic Pulse Position Modulation toImprove the Efficiency of Sonar Sensors，”IEEE Trans.Instr.Meas.，52(6)，2003，doi：10.1109/TIM.2003.820452(“提高声呐传感器效率的混沌脉冲位置调制”，IEEE仪器与测量学报52(6)，2003年，doi：10.1109/TIM.2003.820452)(他们继续保护他们的发明，如US6738313B2中所公开的)。混沌系统原则上仍然是确定性系统，但它们在很大程度上依赖于精确的初始条件，这使得它们不可预测，并且在某些情况下是不期望的。
以上所引用的大多数解决方案是指i-TOF实现。但是，基本思想也可以移植到d-TOF系统。在Rieger等人的文献(RIEGL的US20120257186)中，例如，他们使用伪噪声来克服d-TOF系统的往返模糊性：他们建议测量脉冲序列的TOF，而不是测量单个脉冲的TOF。通过为每个参与者分配这样一个随机查找的标识符代码，该原理可以直接被移植到多用户环境。这种方法例如在Griep等人的文献“Poly-Phase Codes and Optimal Filters forMultiple User Ranging”，IEEE Trans.Aerospace and Eelctr.SyS，31(2)，1995，doi：10.1109/7.381922(“多用户测距的多相码和最优滤波器”，IEEE航空航天与电子系统汇刊，31(2)，1995年，doi：10.1109/7.381922)中有讨论到。
源自通信理论的解决方案依赖于相对较长的序列。这样，这些方案增加了识别模式是唯一的可能性。然而，由于TOF系统需要检测标识符序列，所以估计TOF值通常很慢，特别是如上文所述的m-序列。其次，当所发射的和检测到的脉冲模式能够被处理和比较之前，需要在存储器中存储所发射的和检测到的脉冲模式时，长序列具有明显的缺点：对于基于多个接收器(例如阵列)的TOF系统来说，这是一个昂贵的硬件约束。第三，在类似于Rieger等人在“Range ambiguity resolution technique applying pulse-positionmodulation in time-of-flight scanning lidar applications，”Opt.Eng.53(6)，2014，doi：10.1117/1 OE.53.6.061614(“在飞行时间扫描激光雷达应用中应用脉冲位置调制的距离模糊度求解技术”，Opt.Eng.53(6)，2014年，doi：10.1117/1.OE.53.6.061614)中建议的解决方案中，匹配的滤波器依赖于“每次激光发射都会产生一个单一的激光回波”的假设。或者，换言之，每个发射的脉冲只允许记录一个脉冲回波：记录所发射脉冲的回波，或者记录次级脉冲的回波。在多用户环境中，除了在时分多路复用的情况下，不能进行这种假设，但在时分多路复用的情况下，不需要伪噪声编码。
除了得到不多于一个回波的假设之外，还需要检测不少于一个的脉冲回波。一些检测器(例如单光子雪崩二极管(SPAD))显示在检测到(在这种情况下，单光子)回波之后的死区时间。一般而言，死区时间可以理解为期间检测器不能进行检测的时间间隔，使得一些回波被错过(错误的否定)，或者因为检测读出在发送检测事件时忙碌，或者再次以SPAD为例，其中死区时间表示一个雪崩的产生和二极管的完全再充电之间的时间。因此，为了检测两个连续的脉冲，这种检测器将要求脉冲在至少其死区时间内间隔开。因此，在不受控制的多用户环境的情况下，来自次级系统的脉冲可能在真实回波到达期间使检测器盲目化。在例如m序列实现的情况下，这对自相关产生负面影响，从而增加了需要测量更长时间的可能性，从而减缓距离获取。
一组特定的恶意多用户环境参与者是所谓的欺骗者或干扰者。这些系统试图注入错误的距离测量，使得TOF系统看到没有的墙壁，或者迫使TOF系统报告不一致的距离。例如，在Borosak WO2015128682中公开了一种这样的干扰器，他们的系统检测目标激光雷达系统的平均脉冲重复率，包括在该目标激光雷达系统应用随机延迟形式的情况下的统计分布。所述激光雷达干扰器检测例如1μs(对应于1MHz)的平均脉冲延迟，以0.1μs的步进为随机延迟。因此，所述激光雷达干扰器与目标激光雷达系统同步并以10MHz发射。
该干扰器不知道目标激光雷达系统的伪随机模式，因此不能预测未来的延迟。但是，通过利用这种(伪)随机模式的硬件实现的现实限制，它们的策略仍然可以阻塞这样的TOF系统。多用户场景也必须解决这种类型的参与者。
本发明提出了一种多用户场景的解决方案，该多用户场景在本地管理TOF设备。因此，不需要控制或协调单元。所公开的处理多用户环境的方法为不同的TOF设备提供了经由独立信道进行合作的可能性和激励，但不依赖于这些参与者的善意(benevolence)。本发明对有意和无意的恶意多用户环境参与者都是免疫的。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过至少一个传感器在多用户环境中测量到目标的距离的方法和设备，其中所测量的TOF对有意和无意的恶意多用户环境参与者都是免疫的。
根据本发明，通过用于通过至少一个传感器在多用户环境中测量到目标的距离的方法实现上述目的，所述方法包括：
通过一系列辐射脉冲照射环境，其中以确定的重复率和确定的随机延迟发射一系列辐射脉冲；
收集从环境反射或散射到连接到至少一个计时器的至少一个检测器的脉冲；
在检测到脉冲时分配时间戳；
从来自计时器的所记录的时间戳中减去所添加的延迟，该结果对应于到达时间(TOA)；
确定所述到达时间的统计分布；
根据所述统计分布确定到目标的距离。
优选地，根据所述TOA的统计分布确定距离的步骤包括确定在分布中相对于随机分布的噪声贡献出现频率最高的TOA，所述TOA对应于飞行时间(TOF)。
有利地，脉冲重复率(PRR)对于每一个距离测量都是变化的。
此外，每个TOF系统经由独立信道向其他TOF系统广播所确定的脉冲重复率(PRR)。
优选地，每个TOF系统经由独立信道向其他TOF系统广播至少两个不同的所确定的脉冲重复率(PRR)。
本发明的另一个目的是涉及一种在多用户环境中测量到目标的距离的设备，该设备包括：
至少所述环境的照射设备，该照射设备以确定的重复率和确定的随机延迟提供至少一系列辐射脉冲；
至少一个检测器，其被布置成检测至少所述发射的脉冲从环境反射的脉冲，并连接到至少一个计时器；
至少用于在检测到脉冲时分配时间戳的装置；
至少用于从来自计时器的记录的时间戳中减去所添加的延迟的装置，该结果对应于到达时间(TOA)；
至少用于确定所述到达时间的统计分布的装置；以及
至少用于根据所述统计分布确定到目标的距离的装置。
优选地，用于根据TOA的所述统计分布确定距离的装置包括用于确定到达时间的装置，所述到达时间相对于随机分布的噪声贡献在分布中出现频率最高，所述到达时间对应于飞行时间。
此外，该设备包括至少用于改变每一距离测量的脉冲重复率(PRR)的装置。
此外，该设备还包括用于经由独立信道向其他TOF系统广播所确定的脉冲重复率(PRR)的装置。
优选地，该设备还包括用于经由独立信道向其他TOF系统广播至少两个不同的所确定脉冲重复率(PRR)的装置。
附图说明
将通过以下描述和附图来进一步说明本发明。
图1是现有技术的直接TOF系统的示意图；
图2是现有技术的间接TOF系统的示意图；
图3是根据本发明的TOF系统的示意性框图；
图4是根据图3所示的本发明的TOF系统的逻辑电路的示意性框图；
图5是突出显示各种到达时间(TOA)条目和相应的飞行时间(TOF)位置的直方图；
图6是多用户问题的示意图；
图7是根据本发明的在没有第二系统存在的情况下出现多峰的示意图；
图8是根据图3所示的本发明的TOF系统的逻辑电路的第二实施例的示意性框图；
图9是根据图3所示的本发明的TOF系统的逻辑电路的第三实施例的示意性框图；
图10是根据图3所示的本发明的TOF系统的逻辑电路的另一个实施例的示意性框图；
图11是根据图4、图8至图10所示的本发明的TOF系统的逻辑电路的延迟块的示意性框图。
具体实施方式
将参照具体实施例并参考特定附图来描述本发明。本发明不限于此，而仅由权利要求书限定。所描述的附图仅仅是示意性的并且是非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可以被夸大而不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定与本发明实际使用的尺寸相对应。
此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分类似的元素，而不一定用于描述顺序或时间顺序。这些术语在适当的情况下是可互换的，并且本发明的实施例可以以不同于本文描述或图示的顺序来操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上方、下方等用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文所述的本发明的实施例可以以不同于本文所述或图示的定向来操作。
在权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为仅限于其后列出的装置，它不排除其他元件或步骤。需要将其解释为指定所提到的所述特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件或其组的存在或添加。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应局限于仅由部件A和B组成的设备，这意味着就本发明而言，设备的唯一相关部件是A和B。
参照图3，本发明的一个实施例是由包括发光电路(100)、检测电路(200)和逻辑电路(300)在内的至少三个部件组成的测距系统。图3示出了距目标(20)的距离R处的这种飞行时间(TOF)系统(10)。更确切地说，本发明的优选实施例是直接TOF(d-TOF)光检测和测距(激光雷达)的一种形式。TOF系统具有接口(12)，允许它与主机通信，该主机利用该系统来调节其环境。
逻辑电路(其几个实施例分别在图4和图8-10中给出)具有以下述方式控制、评估和传送测量的任务。因此，测量控制单元(MCU)(320)(可以是微处理器、FPGA、有限状态机等)根据主机通过接口(12)请求的内容来协调测量。该MCU允许从主机的请求中进行提取以获取距离测量值或强度等(如下文所述)，以及根据本发明应用步骤。
因此，本发明在发射侧使用脉冲激光器(至少一个光源)，其由激光驱动器(101)和光源(102)表示，该脉冲激光器例如可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。也可以使用其他类型的激光器(例如边缘发射器)或其他光源(例如LED)。根据本发明的系统包括至少一个单光子雪崩二极管(SPAD)(210)(如Niclass等人在US 8168934B2中所描述的)来例如作为检测器。但是，也可以使用其他检测器，例如雪崩光电二极管(APD)或硅光子倍增器(SiPM)。
所述检测器与至少一个计时器(220)连接，所述计时器提供可靠的时基，特别是提供用于脉冲检测的时间戳。该计时器通常是例如在WO 2013034770中描述的时间-数字转换器(TDC)，但也可以是时间-模拟转换器(TAC)(例如，US 6479986)或对高速(通常为GHz级)时钟的经过周期进行计数的同步计数器(US 2002015467)，或者可以使用简单的延迟线。
TOF测量依赖于某种物理辐射的检测。该辐射可以是在光学范围(≥1THz)内的电磁(em)辐射，以及无线电和微波(＜1THz)，和/或声波也是可能的。为了发射和检测无线电和微波辐射，通常要实施天线(US 8031106)。对于声波，例如可以使用扬声器和麦克风，或者压电转换器(US 6738313B2)。检测脉冲可以包括识别时域中的辐射幅度的变化，如在US20120257186中使用的那样，但也可以解释为频率(/波长)域的变化，如在US 8031106中描述的那样。
在TOF测距的优选版本中，距离测量包括来自检测器的检测到的脉冲事件的到达时间(TOA)的多个单次采集。这些单次TOA采集(311)被输入到数据处理单元(DPU)(310)中。
DPU(310)的任务是：根据MCU请求的内容，在积分时间期间统计处理来自计时器(220)的时间戳的离散分布，并输出表示诸如距离、强度、或检测到的脉冲的宽度、或检测到的脉冲的数目之类的测量量或这些量的组合的值，以及每个报告量的潜在置信度。
该任务可以以多种方式实现。一种可能性是基于例如在US 20150377677和WO2016063028中实现的直方图，并且在图5中示出。
然而，应当注意，直方图仅仅是在不脱离本发明范围的情况下实现该任务的一个选项。也可以使用例如在Cormode等人的文献“Finding frequent items in datastreams”，VLDB，2008(查找数据流中的频繁项)中描述的数据流算法。给定的伪码示例大大方便了他们的实现。在描述的其余部分中，假设直方图实现，因为该选项允许逐步引入相关概念。
一般地，TOA事件有三种可能的来源：源自TOF系统自身的发射器的脉冲、环境中存在的其他脉冲(例如电子电路或灯，或来自诸如太阳或动物声音之类的自然的)、以及在没有脉冲入射的情况下探测器本身内的热诱发事件。第一种来源被认为是信号贡献。它们是同步的，因此时间与检测器相关。后两种来源被认为是噪声贡献。它们在时间上随机分布。可以通过统计处理从噪声贡献中识别信号贡献。
在DPU的直方图实现中，记录每个TOA值的出现次数。在特定的积分时间之后，由于统计处理，信号贡献从噪声贡献中突显出来，如图5中的峰值(312)所示。给定这种统计处理的直方图，可以应用各种方法来提取相应的TOF值。例如，DPU可以报告包含最大计数的直方图柄(bin)的标识符。或者，可以实施诸如在Blais等人的文献“Real-time numerical peakdetector”，Signal Processing 11，145-155，1986(“实时数字峰值检测器”，信号处理第11期，第145-155页，1986年)中讨论的更复杂的算法。
可替选地，例如，DPU可以在分隔符上报告从哪个柄到哪个柄峰值超过本底噪声。
已经开发了基于利用信号和噪声之间的统计差异的思想的方法，以便减少直方图中的噪声计数的数目：通过仅记录与至少一个其他事件同时检测到的事件(C.Niclass，“A100m-Range 10-Frame/s 340x96-Pixel Time-of-Flight Depth Sensor in 0.18mCMOS”，IEEE，(2011))，或者在考虑之前检测到的光子的数目必须超过某个阈值，从而允许检测的可变动态范围，参见Niclass等人的文献(丰田的WO 2010149593)。
在多用户场景环境中，必须考虑额外的噪声源：外来TOF系统的信号。
参照图6，示出了根据图3的两个等效TOF系统(10)，以各自对应的视场FOV(30、31)照射目标(20)，这两个视场示出为部分重叠(32)。绘制在旁边的是由显示多个峰的两个TOF系统中的一个观察到的直方图。所示的峰值中的一个峰值对应于TOF系统和目标之间的正确距离。另一个峰值的出现具有一定的时间延迟，该时间延迟是由不同辐射源之间的相对距离以及自身传输的发射与外部辐射源之间的相位差给出的。在三个或更多个这样的TOF系统的场景中，相应地会出现更多的峰值。对于这些外来峰值的出现，FOV的部分重叠(32)是足够的，但不是必要的。
参考图7，重要的是强调在不存在次级TOF系统的情况下，TOF系统可以看到多个峰值(即多个距离)的情况。一种这样的情况涉及当照射例如拐角(21)时的多路径检测，其导致与第一表面(22)和第二表面(23)相对应的距离。在半透明对象(诸如网或围栏)(24)位于TOF系统(10)和目标(20)之间的情况下，给出了导致多峰检测的另一种场景。这些示例表明，检测次级峰的出现不足以明确地确定次级TOF系统的存在。
由于次级TOF系统所导致的噪声贡献不能用同时检测或阈值检测来规避，因为确实存在对应于这些假距离的检测的更高浓度的脉冲。
为了简单起见，在下面的详细描述中，我们只讨论多用户环境中的两个TOF系统，即实现所公开的本发明的系统A，和具有任意的、可能未知的第三方实现的系统B。为了简单起见，我们假定这个系统B显示与本发明相同的特性。这些限制有助于通信，但如将看到的，本发明可适用于任意和未知数量的N个参与系统。
首先，我们假设系统B以固定的脉冲重复率发射，即如果系统A以相同的重复率发射和读出，则B的脉冲将在系统A的直方图中建立一个峰值。这也正是对没有缓解的多用户场景的描述，如图6所示。为了避免这种干扰，在本发明的一个实施例中，MCU(320)改变每次距离测量的脉冲重复率(PRR)。例如，系统时钟(11)可以以100MHz运行，MCU可以通过例如100的除法因子访问到1MHz。通过将除法比率从99、至100、至101以及更多进行改变，这些测量中的至少一些测量是在的条件下获得的。在这种情况下，B的脉冲与A不同步，检测分散在A的直方图上，并且不会形成错误的峰值。
除了，为了使该实施例在完全不受控的环境中正常工作，它必须认识到第二系统存在的事实。否则，它不知道在如上所述的距离测量中的一些距离测量中出现的第二个峰值的意义。第二，对于该实施例，系统A仍然需要测量多个脉冲，以便将其自身的脉冲与B的脉冲区分开来，即比较不同距离测量中的峰值的出现，并丢弃在所有的距离测量中都没有出现的一个峰值。随着多用户环境中参与系统的数量的增加，这种任务变得越来越麻烦。在此期间，系统B可以改变其脉冲重复率并且再次以相同的脉冲重复率结束，特别是如果系统B恰巧应用与系统A相同的算法来改变除法比率。另外，多用户场景需要考虑恶意参与者。简单的频率或脉冲重复率跳变实现不能避免有意改变为匹配脉冲重复率的系统。
由于这些原因，在本发明的另一个实施例中，系统A以一定的脉冲重复率发射，并在发射脉冲之前应用由随机数发生器(RNG)(350)给出的随机延迟tk(340)。例如，给定100MHz系统时钟和平均fPRR＝1MHz，平均每1μs有一个新脉冲。例如，除了常规的1μs延迟之外，附加延迟可以是前面提到的100MHz系统时钟的倒数的倍数，即10ns的倍数。
在检测侧，从来自计时器(220)的每个记录的TOA中减去相同的延迟tk，直到以新的延迟tk+1发射另一个脉冲为止。此时，旧的延迟tk可以被忘记。这些检测到和减去的时间戳进一步被中继到DPU(310)。
由于这种源的发射具有随机噪声的统计特性，所以次级TOF系统在其直方图中不会看到相干峰。另一方面，系统A在其自己的直方图中记录峰值，因为由于减去发射延迟，所检测到的与TOF相对应的回波全部出现在大致相同的TOA处。即，系统A的DPU看不到其自身发射的随机性。
应当注意，这种工作模式与例如在本发明背景技术中引入的m序列解调有显著的不同，在m序列解调中，如果例如基础相移太大，则发射的模式的属性可能导致完全丢失正确的回波。
根据本发明的系统不需要存储所应用的随机延迟序列以供匹配滤波器使用。根据本发明的系统也不像在m序列伪随机(去)调制中的情况那样依赖于检测随机发射的脉冲的整个(子)序列。如Rieger等人的文献“Range ambiguity resolution technique applyingpulse-position modulation in time-of-flight scanning 1idar applications”，Opt.Eng.53(6)，2014，doi：10.1117/1.OE.53.6.061614中所指出的那样，匹配滤波器基于信号序列与其脉冲响应的卷积。这需要用已知的、确定的信号序列来调制(/解调)发射(/检测)。根据本发明的系统不依赖于这种已知或确定的序列。根据本发明的系统将自身置于与任何其他系统不同的非连续和随机的时间参考帧中。
非连续和随机时间参考帧及其用于区分背景贡献和自身脉冲的固有统计性质的一个重要结果是它对发射脉冲的损失不敏感。在单个检测的水平上，假阳性和假阴性对总体距离测量没有损害。
所描述的对脉冲发射施加随机延迟并从每次检测中减去该延迟直到发射新脉冲的策略允许单个TOF系统彼此不干涉，即使它们以相同的平均脉冲重复率PRR发射。然而，在所述参与者以不同PRR进行发射的情况下，检测到的次级峰的扩散将进一步增加。这对每个参与者的直方图中的SNR是有益的。基于该推理，本发明的另一个实施例针对每次距离测量应用(伪)随机选择的不同PRR。
对于每次距离测量，MCU(320)从可编程时钟(PLL)(330)请求平均PRR(330)。该请求可以被解释为命令某一除法因子(例如100)以获得1MHz。如图8所示，由RNG(351)修改所获得的实际除法因子。例如，根据需要，以99或101或实际上100的除法因子生成平均重复率。
MCU想要测量距离的原因有几个，而PRR足以接近所请求的值。例如，某个PRR定义了所述距离测量的往返模糊度。1MHz PRR对应于大约150m的往返(假设传播速度是光速)。如果整个TOF系统的设计限制为例如100m，那么1.5MHz PRR也允许该限制模糊范围的脉冲间隔。因此，对除法因子的可接受变化从100(对于1MHz)到67(对于1.5MHz)，使得5比特RNG码可以修改所请求的近似PRR。关于系统级的其他推理可以产生其他期望的限制或灵活性，这个例子仅仅说明一种可能性。
参考图9，另一实施例可以使用相同的RNG(352)，但通过由MCU(320)控制的多路复用器(360)来切换。
另外，所述的SNR益处为参与TOF系统的合作创造了激励。例如，TOF系统可以通过图10中所示的独立信道(13)(例如蓝牙、无线等)广播它们选择的平均PRR，其他系统将试图避免该平均PRR，以改善它们自己的SNR。
为了确保不干扰的这种通信不是必需的，因为这在很大程度上已经由每次脉冲发射的随机延迟提供了。然而，恶意参与者可以尝试利用所公告的信息并在该PRR处发射。为此，这种通信的优选实现是将广播至少两个不同的PRR，使得恶意参与者不得不随机选择所公告的PRR中的一个。为了不指示新测量的开始，所述广播可以在应用PRR之前在一定(随机的)时间提前进行。这消除了TOF系统无法知道参与系统中哪些是值得信任的问题。通常，系统出于担心损坏参与者可能破坏测量而不进行通信。这使得所有参与者都处于非理想状态，而合作实际上将改进测量。
本发明提供了一种合作的激励，而不存在损坏参与者造成的威胁。所声明的脉冲的随机延迟以及从检测中减去该随机延迟连同变化的脉冲重复率使得本发明不会被多用户环境中的其他TOF系统干扰，也不会在多用户环境中干扰其他TOF系统。
应当注意，诸如在WO 2015128682中提出的恶意系统依赖于目标系统的发射的精确确定。他们需要实时分析目标系统发出的平均PRR，包括脉冲延迟间隔的统计分布。本发明通过使其不能实时地确定所需的参数来避免这种故意干扰机的干扰。由于平均PRR随机变化，因此这种变化很可能在频率分析期间发生。因此，干扰设备需要相当长的积分时间来确定正确的PRR，渐近逼近算法不会产生足够好的同步。当延迟与重复率的倒数一样大时，随机延迟留下了跳过脉冲的可能性。这种跳过的脉冲进一步阻碍确定PRR。
在上面的描述中，假设在一个积分时间内对所有单个采集应用的PRR是相同的。MCU的主要任务是设置PRR、等待积分时间的持续时间、读出DPU、在请求另一PRR的同时发送读出的距离值以及重复。
在另一个实施例中，对新PRR的请求与读出DPU之前在积分时间期间的等待异步发生。因此，PRR也可以在积分时间期间以预定义的间隔或再次使用RNG元件进行改变。
因此，干扰器或欺骗器分别必须以不切实际的不同延迟量发射以确保覆盖目标系统的所有可能的延迟和PRR。因此，这种恶意参与者的唯一选择是使多用户环境中的其他参与者无法察觉，但是它不能注入错误的距离。
RNG可以是例如物理真随机噪声源，或者使用线性反馈移位寄存器。RNG(350、251、352)的选择(例如，使用真物理随机噪声，或使用线性反馈移位寄存器的伪随机方案，或其他实现)取决于本领域技术人员所清楚的系统级方面。
延迟块(340)可以以各种方式实现，一些实施例在图11中示出。例如，可以如下产生延迟：系统时钟(11)提供其基础延迟，并且随后在延迟链(341)中将来自MCU(320)的信号延迟时钟周期(11)的随机量。但是也可以考虑与时钟无关的延迟实施例，例如使用延迟锁定环路(DLL)(342)。这种独立的延迟产生提供了对诸如在WO 2015128682中描述的对抗措施的额外保护，该对抗措施需要目标TOF系统在几个离散级别上发射。当然，对于本领域技术人员来说，产生受控延迟的其他方法是明显的。
本领域技术人员将理解，本发明不限于上述实施例，并且在不脱离如所附权利要求中所定义的本发明的范围的情况下，可以进行许多修改和添加。

Claims (10)

1.一种用于通过至少一个传感器在多用户环境中测量到目标的距离的方法，包括：
通过一系列辐射脉冲对环境进行照射，其中，以确定的重复率和确定的随机延迟发射所述一系列辐射脉冲；
收集从所述环境反射或散射到至少一个检测器的脉冲，该至少一个检测器连接到至少一个计时器；
在检测到脉冲时分配时间戳；
从来自所述计时器的所记录的时间戳中减去所添加的延迟，该结果对应于到达时间(TOA)；
确定所述到达时间的统计分布；
根据所述统计分布确定到所述目标的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述TOA的统计分布确定距离的步骤包括：确定在分布中相对于随机分布的噪声贡献出现频率最高的TOA，所述TOA对应于飞行时间(TOF)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，脉冲重复率(PRR)针对于每一距离测量而变化。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，每个TOF系统经由独立信道向其他TOF系统广播所确定的脉冲重复率(PRR)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，每个TOF系统经由独立信道向其他TOF系统广播至少两个不同的所确定的脉冲重复率(PRR)。
6.一种用于在多用户环境中测量到目标的距离的设备，包括：
至少所述环境的照射设备，该照射设备以确定的重复率和确定的随机延迟发射至少一系列辐射脉冲；
至少一个检测器，其被布置成检测至少所发射的脉冲从所述环境反射的脉冲，并连接到至少一个计时器；
至少用于在检测到脉冲时分配时间戳的装置；
至少用于从来自所述计时器的每个记录的时间戳中减去所添加的延迟的装置，该结果对应于到达时间(TOA)；
至少用于确定所述到达时间的统计分布的装置；以及
至少用于根据所述统计分布确定到所述目标的距离的装置。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，用于根据TOA的所述统计分布确定距离的装置包括用于确定到达时间的装置，所述到达时间相对于随机分布的噪声贡献在分布中出现频率最高，所述到达时间对应于飞行时间。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其中，所述设备包括至少用于改变每一距离测量的脉冲重复率(PRR)的装置。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备还包括用于经由独立信道向其他TOF系统广播所确定的脉冲重复率(PRR)的装置。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述设备还包括用于经由独立信道向其他TOF系统广播至少两个不同的所确定的脉冲重复率(PRR)的装置。
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