CN110441783B - 用于光学测距的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光学测距的方法，其包括执行至少一次测量，该测量包括通过传输单元发射测量脉冲和通过接收器单元接收由对象反射的测量脉冲，以在接收器单元的视场内识别出对象，该接收器单元包括接收器元件。所述方法还包括通过接收器元件接收背景信号。针对每个接收器元件确定背景信号的强度，其中对确定的接收器元件的背景信号强度进行比较，以便识别未通过测量识别出的接收器单元的视场内的对象。在接收器单元的视场的强度图像内建立至少一个背景信号最小强度区，给该至少一个最小强度区分配在接收器单元的视场中的掩模，该掩模源自未通过测量识别出的对象。

Description

用于光学测距的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于光学测距的方法和装置。

背景技术

现有技术中已有光学测距方法，特别是用于车辆的无人驾驶导航。这些方法基于飞行时间原理，其中使用扫描传感器进行测量，特别是LIDAR(“光检测和测距”的缩写)传感器，其发射测量脉冲，所述测量脉冲在对象上反射，并对反射的测量脉冲进行检测。可以通过确定测量脉冲从传感器到对象并返回的飞行时间，使用光速来得到与对象的距离。

然而，现有技术中已知的LIDAR传感器不能感测所有对象。例如，对象的反射比可能较小。这意味着它们很难反射所发射的测量脉冲，因此不能接收到被反射的测量脉冲。因此很难检测到或者不能检测到这类对象。在现有技术中，通常将其中没有识别到物体的区域宣称为自由空间。然而，错误的自由空间标记可能导致对情况的危险误判，特别是如果在标记为自由空间的区域中实际上存在具有较小反射比的对象。

发明内容

本发明解决了开发用于距离测量的方法和装置的问题，从而显著增加了识别出具有较小反射比的对象的概率。

上述问题通过一种用于光学测距的方法来解决，该方法包括执行至少一次测量，该测量包括通过传输单元发射测量脉冲并通过接收器单元接收由对象反射的测量脉冲，以在接收器单元的视场内识别出对象。所述接收器单元包括接收器元件；根据本发明的方法包括通过接收器单元的接收器元件接收背景信号。对于每个接收器单元，确定背景信号的强度，并对确定的强度进行比较以识别尚未通过测量识别出的在接收器单元的视场内的对象。在接收器单元的视场的强度图像内建立至少一个背景信号最小强度区，给所述至少一个最小强度区分配在接收器单元的视场中的掩模，该掩模产生于未通过所述测量识别出的对象。

光学测距的特征在于使用光学信号(在本申请的情形中为光学测量脉冲)确定距离。测量脉冲覆盖的距离是发射测量脉冲的发射单元和反射所述测量脉冲的对象之间的长度加上所述对象和接收相应的反射测量脉冲的接收器单元之间的长度。每个所述反射的测量脉冲是所述发射的测量脉冲的反向散射信号。换句话说，由一对象反射的测量脉冲是先前借助于传输单元发射的测量脉冲。

具体来说，所述传输单元包括多个传输元件，并且所述接收器单元包括多个接收器元件。所覆盖的距离尤其指相应的传输元件和所述对象之间以及相应的接收器元件和所述对象之间的长度。由于所述至少一个对象通常是三维物体，因此所述对象的一些区域更靠近而该对象的其他区域可能更远，术语“与对象的距离”表示距该对象的至少一个点的距离，即所述测量脉冲撞击和反射的点。飞行时间是指测量脉冲完成上述距离需要的时间。该方法优选地用于进行距离测量，以用于车辆的无人驾驶导航。为此，需要确定在传输单元和/或接收器单元的测量区域内，优选地视场内，与所有对象的距离。有利地，该方法是LIDAR法，优选扫描方法。

测量优选地包括通过传输单元发射测量脉冲。测量脉冲优选为光信号，特别优选为电磁信号。测量脉冲优选地具有不属于人眼可见范围的波长。出于安全原因，优选使用不可见的红外光。优选地，测量脉冲具有脉冲持续时间，因此可以将测量脉冲理解为电磁辐射的时间限制部分。由于测量脉冲是电磁信号，因此测量脉冲的速度是已知的，所以可以使用测量脉冲的飞行时间和光速来指示测量脉冲在飞行期间覆盖的距离。优选地，进行多次测量；特别地，传输元件在一次测量期间发射至少一个测量脉冲，特别是一系列测量脉冲。

传输单元特别地为传输矩阵。术语“传输矩阵”特别指传输元件阵列。因此，接收器单元优选地为接收器矩阵，即特别地为接收器元件阵列。矩阵优选地理解为三维主体，特别是平面主体，在其一个表面上布置相应的元件、传输元件或接收器元件。优选地，传输元件每个都是激光器，因此传输矩阵可以理解为激光器阵列。接收器元件优选地由二极管形成，特别是雪崩光电二极管，最优选地是单光子雪崩二极管或pin二极管。接收器元件特别是像素，因此接收器单元是像素阵列。

使用测量脉冲的发射和反射测量脉冲的接收来识别接收器单元视场内的对象。特别地，该方法包括借助于所述测量来识别对象。特别地，可以给该方法，优选地用于执行该方法的装置，分配一“测量区域”，从该“测量区域”接收所发射的测量脉冲的反射。优选地，用于执行光学测距方法的装置可以在测量区域内执行测量。测量区域由视场和量程限定。该量程限定了最大距离区域，该最大距离区域在光束传播方向上从距离测量装置连续延伸。因此，该最大量程定义了可以预期来自各对象的反射的最大距离。视场由两个平面中的两个角扇区跨越，特别地，这两个角扇区彼此垂直。在这些平面(即二维的)的一个中，所述视场可以理解为角扇形。也就是说，圆形扇区不受圆弧的限制。换句话说，角扇区仅由从所述装置起始的两个圆形半径限定。三维角度下，所述视场形成沿光束传播方向无限延伸的角锥体。这个无限长的角锥体的高度受到量程的限制，形成了所述测量区域。所述视场和量程可以在技术上通过定义限定或指定。

接收器单元的视场内的对象优选地通过发射和接收测量脉冲的相应反射来确定。通过确定飞行时间，还可以确定与用于执行该方法的装置的距离，并且因此可以确定所确定的对象在测量区域内的准确位置。

根据本发明，可以通过借助接收器元件接收背景信号来识别基于测量脉冲未识别出的对象。

背景信号特别是背景照明，换句话说是背景光。特别地，背景信号包括所有电磁辐射，优选为光，其由接收器元件感测并且之前未通过传输单元发射。背景信号也可以理解成干扰信号。与测量脉冲相反，背景信号不应理解为电磁辐射的时间限制部分，而是连续信号。应该至少以相似的力，即以相似的强度，由接收器单元的所有接收器元件接收背景信号，除非它被一对象掩蔽了。该原理用于识别借助所述测量未识别出的物体。特别地，不过滤背景信号。换句话说，借助于接收器元件未经过滤地接收背景信号。

优选地，背景信号来自除传输单元之外的源。特别地，背景信号包括干扰光影响。这些干扰光包括，例如太阳、车尾灯、前灯以及其他人造光源。换句话说，背景信号是噪声。在现有技术中，这种噪声通常被过滤掉并因此被抑制。然而，在这种情况下，优选地特意使用未经过滤的背景信号，以便获得借助测量不能获得的关于对象在接收器单元的视场中的信息。

对于每个接收器单元，确定背景信号的强度，并对确定的背景信号强度进行比较以识别尚未通过测量在接收器单元的视场内的识别出的对象。特别地，检查所接收的背景信号的不均匀性。不均匀性表示关于接收器元件背景信号的强度的不均匀性。优选地，每个接收器元件被分配视场区域。因此，每个接收器元件可以被分配视场的子角扇区。如果在接收器元件的视场中存在对象，由于对象屏蔽了背景信号，背景信号就会被掩蔽而因此减弱。由相应的接收器元件感测的背景信号也相应地减弱。接收器元件的强度的比较实现了在接收器单元的视场中建立掩模。该掩模一定来自测量未检测到的对象，例如由于较小的反射比，其原因是所述对象反射的测量脉冲在背景信号中丢失，换言之，在噪声中丢失。根据本发明，仍然可以识别该种对象，因此显著改善了识别的可能性以及接收器单元视场内自由空间的标记精度。此外，可以提高量程，因为在距离装置很远的距离处，仍然可以识别出其反射比不足以通过在该距离处的所述测量进行对象识别的对象。

优选地，每个接收器元件上背景信号的强度是累积的，以便产生接收器单元的视场的强度图像。特别地，每个接收器元件接收的背景信号强度累积长达定义的时间段。

通过每个接收器元件的强度累积，优选地确定每个接收器元件的背景信号强度。

基于确定的每个接收器元件的强度，优选地产生接收器单元的视场强度图像。强度图像示出确定的每个接收器元件的光学强度。特别地，强度图像通过为每个接收器元件分配强度图像框来光学再现接收器单元。在强度图像内建立至少一个最小背景信号强度区。应与强度图像的其他区域相比来理解该最小值。

有利地，为每个最小强度的区分配在接收器单元的视场中的掩模，该掩模源自未通过所述测量识别出的对象。特别地，为所有最小强度区分配该种掩模。掩模是指由对象在装置或接收器单元的方向上，优选地在背景信号的光传播方向上，引起的背景信号的阴影区。

在已创建强度图像并且已经比较了接收器单元的强度以便识别未通过所述测量识别出的对象之后，可以确定每个接收器元件的新的即当前的强度，以便生成新的即当前的强度图像。

优选地，该方法还包括将对象(即，未通过测量识别出的对象)分配给视场中的掩模。通过这种方式识别对象，优选地未通过测量识别出的对象。尽管通过所述测量没有检测到来自被掩蔽的对象的反向散射信号，但是因此可以通过观察接收器单元内的背景信号以及检查其在检测到的强度中的不均匀性来识别对象。

有利地，该方法包括背景信号分析。优选地，未经过滤地分析背景信号。背景信号的相应分析和/或表征优选地用于更精确地从最小强度区或从掩模推断出导致该掩模的对象的准确尺寸。与通过测量识别对象相比，通过比较关于接收器元件的背景信号强度来识别对象可以用于指示视场中对象的位置，但不是关于与装置的距离的对象位置。特别地，在这种情况下，可以使用背景信号的分析，进一步优选地使用背景信号的表征，来确定更多关于背景信号的源及其位置的信息，从而更精确地指示接收器单元的测量区域内的对象位置。对于分析，可以优选地使用通过测量检测到的对象周围出现的较少噪点信息，因此噪声分析可以帮助更好地找到对象的实际位置。此外，也可以使用背景信号分析发现用于对象识别的其他特征。总之，可以有针对性地使用从背景信号获得的信息，以改进借助于测量的对象识别。

进一步优选地，该方法可以包括背景信号的表征。特别地，所述表征涉及背景信号的来源。特别地，背景信号由来自不同来源的信号分量组成。背景信号的表征可以实现为某些信号分量分配来源，例如太阳和/或人造光源。

在另一方面，本发明涉及用于光学测距的装置，该装置包括传输单元和接收器单元，并且该装置设计用于执行上述方法。该装置优选为LIDAR传感器，优选是扫描传感器。该装置还优选地具有评估单元，该评估单元被设计用于，特别是被配置为，确定未通过测量识别出的对象，优选地确定每个接收器元件的背景信号强度，并比较所确定的强度。该装置还优选地具有控制单元，该控制单元被设计用于控制传输单元和/或接收器单元和/或评估单元。

本发明还涉及计算机程序产品，其包括计算机可读存储介质，在该计算机可读存储介质上存储有程序，在将所述程序加载到计算机的存储器中之后，所述程序可以使计算机执行上述方法，其能够与上述装置组合使用。本发明还涉及计算机可读存储介质，在该计算机可读存储介质上存储有程序，在将所述程序加载到计算机的存储器中之后，所述程序可以使计算机执行上述方法，其能够与上述装置组合使用。

附图的简要说明

附图中:

图1示意性地示出了本发明方法的框图；

图2示意性地示出了根据本发明的装置；

图3示意性地示出了接收器单元的视场；

图4示意性地示出了图3视场的二维视图；以及

图5示意性地示出了背景信号的强度图像。

本发明的优选实施方案

图1示出了根据本发明的方法(100)。

根据本发明的方法(100)，执行(101)至少一次测量。执行(101)测量包括发射(102)测量脉冲和接收(103)由对象反射的测量脉冲，以识别(104)接收器单元(12)的视场(16)内的对象。进一步优选地，所述方法(100)包括基于测量来识别(104)对象。

该方法还包括借助接收器单元(12)的接收器元件接收(105)背景信号。确定(106)每个接收器元件的强度(21)。该步骤优选地通过累积(107)每个接收器元件的背景信号的强度来实现。进一步优选地，生成(108)视场(16)的强度图像(20)。

该方法还包括对所确定的接收器元件的背景信号强度进行比较(109)。进一步优选地，建立(110)最小强度区(22)。有利地，识别(111)未通过所述测量识别出的对象。所述识别(111)尤其包括给最小强度区(22)分配(112)掩模(19)。特别地，还可以将对象(18)分配给(113)掩模(19)。

此外，该方法可以包括背景信号的分析(114)和/或背景信号的表征(115)。相应的背景信号的分析(114)和/或表征(115)可以优选地用于更精确地从最小强度区(22)或从掩模(19)推断出导致该掩模的对象(18)的准确尺寸和/或准确位置。

图2示出了用于执行根据本发明的方法(100)进行光学测距的装置(10)。

所述装置(10)包括传输单元(11)和接收器单元(12)，所述传输单元(11)包括多个传输元件，所述接收器单元(12)包括多个接收器元件。所述装置(10)还包括控制单元和评估单元(14)。所述控制单元(13)设计成相应地控制传输单元(11)和/或接收器单元(12)和/或评估单元(14)。所述评估单元(14)特别地设计用于评估从接收器单元(12)接收的数据，特别是接收的背景信号。所述评估尤其包括步骤106至115中的至少一个、几个或所有步骤。所述评估也可以包括步骤104。

图3示出了用于光学测距的装置(10)的接收器单元(12)的视场(16)。

将用于光学测距的装置(10)图示为一点，作为简化表示。可以为设备(10)的接收器单元(12)分配测量区域(15)。所述测量区域(15)由视场(16)和量程(17)限定。量程(17)由与装置(10)的最大距离限定。视场(16)由两个角扇区(16a，16b)跨越(span)。

在测量区域(15)中存在对象(18)。该对象(18)掩蔽了背景信号，从而产生掩模(19)。掩模(19)表示在装置(10)或接收器单元(12)的方向上由所述对象导致的背景信号的阴影区域。

图4示出了图3视场(16)的二维视图。从图4中可以清楚地看出对象(18)如何在装置(10)的方向上产生掩模(19)。

图5示出了强度图像(20)。在强度图像(20)中，示出了每个接收器元件的确定强度(21)。可以将图5中所示的每个方框分配给接收器元件。可以清楚地看到对象(18)或掩模(19)如何导致并从而产生最小强度区(22)。可以通过比较接收器元件的强度(21)来指示最小强度区(22)。据此，可以依次识别出未通过所述测量识别出的掩模(19)和由此示出的对象(18)。

附图标记列表

100 用于光学测距的方法

101 执行至少一次测量

102 发射测量脉冲

103 接收反射的测量脉冲

104 识别对象

105 通过接收器元件接收背景信号

106 确定每个接收器元件的背景信号强度

107 累积每个接收器元件的背景信号强度

108 生成接收器单元视场的强度图像

109 比较确定的接收器元件的背景信号强度

110 建立背景信号最小强度区

111 识别未通过测量识别出的对象

112 给最小强度区分配掩模

113 给掩模分配未通过测量识别出的对象

114 分析背景信号

115 表征背景信号

10 用于光学测距的装置

11 传输单元

12 接收器单元

13 控制单元

14 分析单元

15 测量区域

16 视场

16a、16b 角扇区

17 量程

18 对象

19 掩模

20 强度图像

21 每个接收器元件的强度

22 最小强度区

Claims (11)

1.一种用于光学测距的方法(100)，

该方法(100)包括执行(101)至少一次测量，

该测量包括通过传输单元(11)发射(102)测量脉冲并且通过接收器单元(12)接收(103)由对象反射的测量脉冲，以识别(104)接收器单元(12)的视场(16)内的对象，

接收器单元(12)包括接收器元件，

所述方法(100)包括通过接收器元件接收(105)背景信号，

其特征在于：

确定(106)每个接收器元件的背景信号强度(21)，

其中，对确定的接收器元件的背景信号强度(21)之间进行比较(109)，以便识别(111)未通过测量识别出的接收器单元(12)的视场(16)内的对象，

其中，在接收器单元(12)的视场(16)的强度图像(20)内确定(110)至少一个背景信号最小强度区(22)，

其中，给所述至少一个最小强度区(22)分配(112)在接收器单元(12)的视场(16)中的掩模(19)，

并且其中所述掩模(19)源自未通过测量识别出的对象(18)。

2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于：

所述背景信号源自传输单元(11)以外的源。

3.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于：

每个接收器元件上背景信号强度是累积(107)的，以便产生(108)接收器单元(12)的视场(16)的强度图像(20)。

4.根据权利要求3所述的方法(100)，其特征在于：

生成(108)接收器单元(12)的视场(16)的强度图像(20)。

5.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于：

所述方法(100)包括将未通过测量识别出的对象(18)分配(113)给视场(16)中的掩模(19)。

6.根据前述权利要求任一项所述的方法(100)，其特征在于：

所述方法(100)包括识别(111)未通过测量识别出的对象(18)。

7.根据前述权利要求1所述的方法(100)，其特征在于：

所述方法(100)包括分析(114)背景信号。

8.根据前述权利要求1所述的方法(100)，其特征在于：

所述方法(100)包括表征(115)背景信号。

9.一种用于光学测距的装置(10)，该装置(10)包括传输单元(11)和接收器单元(12)，其特征在于：

所述装置(10)设计用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法(100)。

10.一种计算机程序产品，其包括一计算机可读存储介质，在该计算机可读存储介质上存储有程序，在所述程序加载到计算机的存储器中之后，所述程序可以使计算机执行权利要求1至8中任一项所述的方法(100)，其能够与权利要求9所述的装置(10)组合使用。

11.一种计算机可读存储介质，在该计算机可读存储介质上存储有程序，在所述程序加载到计算机的存储器中之后，所述程序可以使计算机执行权利要求1至8中任一项所述的方法，其能够与权利要求9所述的装置(10)组合使用。

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