CN110456376A - Tof测距方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于测距技术领域，提供了一种TOF测距方法及设备，所述设备包括：发射单元，用于向目标物发射光脉冲信号；接收单元，用于采集包括杂散光脉冲信号以及经目标物反射的所述光脉冲信号的混叠脉冲信号；控制单元，与所述发射单元以及所述接收单元电性连接，所述控制单元用于：控制所述发射单元向目标物发射光脉冲信号，控制所述接收单元采集所述混叠脉冲信号，将混叠脉冲信号减去杂散光脉冲信号以获取经目标物反射的光脉冲信号，计算所述光脉冲信号的飞行时间，根据所述飞行时间计算目标物的距离。本发明提供的方法扩大了TOF测距设备的测距范围，并提高了TOF测距的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及测距技术领域，尤其涉及一种TOF测距方法及设备。
背景技术
基于时间飞行测量原理的时间飞行(Time of flight，TOF)深度相机或激光雷达通过计算光发射与光接收之间的时间差来实现对物体的距离测量，由于其拥有精度高、测量范围大、无基线要求等优点，已成为三维测量、AR/VR、无人驾驶等领域的关键器件之一。
基于脉冲调制的TOF深度相机或激光雷达距离测量设备通过向目标发射光脉冲信号，随后接收由目标反射回的光脉冲信号，并计算光脉冲信号在空中飞行的时间从而计算出物体的距离。虽然脉冲调制相对于连续波调制而言，可以实现更大的测量范围以及更高的信噪比，但也面临一些问题。
其中一个问题即是近距离测量时的杂散光混叠问题。一般地，距离测量设备中发射端发出的部分光束会经由设备内的一些结构(比如设备外壳)反射直接入射到接收端，该部分杂散光束也会让接收端误认为是一次反射光脉冲信号。特别地，当对近距离目标(一般地，近距离是指脉宽对应飞行距离的一半)进行测量时，近距目标所反射回的光脉冲信号与杂散光脉冲信号之间会发生重叠，可能导致设备难以对测量目标的反射光脉冲信号进行有效辨识，从而无法对近距离物体进行测量。
因此，本发明提出一种TOF测距设备和方法，以解决相关技术中对无法对近距离物体进行测量的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种TOF测距方法及设备，以解决相关技术中对无法对近距离物体进行测量的技术问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种TOF测距设备，包括：
发射单元，用于向目标物发射光脉冲信号；
接收单元，用于采集包括杂散光脉冲信号以及经目标物反射的所述光脉冲信号的混叠脉冲信号；
控制单元，与所述发射单元以及所述接收单元电性连接，
所述控制单元用于：控制所述发射单元向目标物发射光脉冲信号，控制所述接收单元采集所述混叠脉冲信号，将混叠脉冲信号减去杂散光脉冲信号以获取经目标物反射的光脉冲信号，计算所述光脉冲信号的飞行时间，根据所述飞行时间计算目标物的距离。
本发明实施例的第二方面提供了一种TOF测距方法，其特征在于，包括：
向目标物发射光脉冲信号，并采集包含杂散光脉冲信号以及经目标物反射的光脉冲信号的混叠脉冲信号；
将混叠脉冲信号减去杂散光脉冲信号以获取经目标物反射的光脉冲信号；
计算所述光脉冲信号的飞行时间，根据所述飞行时间计算目标物的距离。
本发明实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所述方法的步骤。
本发明实施例中，通过预先标定杂散光脉冲信号，将混叠脉冲信号减去杂散光脉冲信号以获取经目标物反射的光脉冲信号，最后计算光脉冲信号的飞行时间，根据飞行时间计算目标物的距离，有效地提取了待测的光脉冲信号，进而解决了近距离测量时杂散光信号与待测的光脉冲信号的混叠问题，进一步提升了TOF测距设备的检测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种TOF测距设备的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的又一种TOF测距设备的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种TOF测距设备对近距离目标物进行测量时得到的光谱图；
图4是本发明实施例提供的一种TOF测距方法的实现流程图；
图5是本发明实施例提供的又一种TOF测距方法的实现流程图。
具体实施方式
为了说明本发明所述的技术方案，下面将参考附图并结合实施例来进行说明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
需要说明的是，当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是有线连接到另一个元件或无线连接至该另一个元件上，连接用于数据传输作用。
此外，在本发明的说明书、权利要求书及附图中的术语中涉及“第一”或“第二”等的描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，也就是说，这些描述不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，应该理解这些描述在适当情况下可以互换，以便描述本发明的实施例。
图1为根据本发明实施例提供的一种TOF测距设备的结构示意图。如图1所示，TOF测距设备100包含发射单元101、接收单元102和控制单元103。还包括驱动电路模块(图未示出)和电源模块(图未示出)等。
控制单元103与发射单元101连接，用于控制发射单元101向目标物发射激光束；控制单元103还与接收单元102连接，用于控制接收单元102接收经目标物反射的回波信号，通过接收单元102内部处理后得到目标物的相关信息，如距离。TOF测距设备100可以是深度相机或激光雷达等TOF测距设备。
在一些实施例中，发射单元101可以是激光器，也可以是激光器、透镜和/或光锥等组合而成的激光发射单元；用于向目标物发送光信号。可以根据实际需要进行选择。
在一些实施例中，接收单元102包含PIN二极管、单光子雪崩二极管(SinglePhoton Avalanche Diode，SPAD)或雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode，APD)光电探测器等，用于将接收到的光信号转化为电信号，并通过相应的接收处理器进行处理，得到目标物的信息。此外，在一些实施例中，根据需要，接收单元102还包含透镜和/或滤光片等；其中，透镜用于汇聚光束，滤光片用于滤除带宽以外的背景光信号。
在一些实施例中，控制单元103对发射单元101发射激光时所需的周期性调制信号进行控制，当接收单元102对采集到的光信号进行处理时进行相应控制等，还提供辅助的监测信号，如温度传感、过电流、过压保护和脱落保护等；控制单元103中还包含有寄存器和处理器，将接收单元102采集到的原始数据保存并作相应处理，得到相应的距离值。
其中，处理器可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
寄存器可以是所述处理器的内部存储器。所述寄存器也可以是所述处理器的外部存储器，例如处理器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述寄存器还可以既包括所述TOF测距设备的内部存储器也包括外部存储器。所述寄存器用于存储计算机程序，例如基于TOF测距的程序，以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述寄存器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
处理器执行计算机程序时实现后续所述TOF测距方法实施例中的步骤，例如后续图4所示的步骤S402至S406。
图2为根据本发明一具体实施例提供的一种TOF测距设备结构示意图。TOF测距设备200包含激光发射端201、反射镜202、振镜203和接收端204；还包含驱动电路和控制电路等。可以理解的是，本实施例中的激光发射端201、反射镜202和振镜203的组合是指图1中的发射单元101，接收端204是指图1中的接收单元102。
激光发射端201发射光束21依次经反射镜202透射，振镜203反射后发射至目标物205，经由目标物205反射后的光束22再依次通过振镜203和反射镜202的反射后返回至接收端204，经接收端204处理后得到目标物205的距离。
需要说明的是，在一些实施例中，TOF测距设备100除包含TOF测距设备200所示结构外，还可以是其他器件组合形成的TOF测距设备，在此不做具体限制。
在一些实施例中，激光发射端201包含激光器，如氦氖激光器或激光二极管激光器等，也可以是激光器与透镜、光锥等光学器件组合而成的激光发射端，此处不做限制。
在一些实施例中，反射镜202可以是半反半透镜、带孔反射镜、或偏振分光镜等，用于完成激光发射与接收，还可以是其他棱镜式反射镜，此处不做限制。
在一些实施例中，振镜203可以是机械振镜或MEMS振镜，用于将激光束21反射到目标物205，同时振镜203包含反射镜和驱动器(图未示)，通过驱动器驱动反射镜在X和/或Y方向的旋转，实现光束21在X和/或Y方向偏转扫描，进而扩大TOF测距设备200的扫描视场。
在一些实施例中，接收端204可以是PIN二极管、SPAD或APD光电探测器等，用于将接收到的光信号转化为电信号，进而获得目标物205的信息。需要说明的是，接收端204还可以包含透镜和/或滤光片等，对光束进一步优化，提高测试信噪比。
当TOF测距设备200对目标物205进行测量时，光束21在发射至目标物205时，有部分光束将在TOF测距设备200外壳内壁发生反射并将反射光束23与经目标物205反射的光束22共同返回至接收端204，此时，接收端204将对接收到的混叠信号将进行一并处理，并默认处理结果为目标物204的距离值。
需要说明的是，外壳内壁产生的反射光23仅为杂散光的一部分，在一些实施例中，当TOF测距设备200被配置为与多个同型设备或其他测试设备一起使用时，将可能引入其他的杂散光束，如，在一个实施例中，发射端201的发射光束21投射到其他设备表面，形成反射光束并反射至接收端204；在另一个实施例中，当其他设备也具备发光器件时，其发射光束的一部分会投射至接收端204；当然，杂散光还包含其他光束，此处不一一列举。
可以理解的是，杂散光为近距离光束，因而，对远距离物体测量时，杂散光与待测光是可以区分的，但对近距离目标物进行测量时可能出现严重混叠情况，导致无法准确计算目标物的距离值，这将对TOF测距设备的检测范围和精度造成局限。
在一个实施例中，通过一台TOF测距设备200对近距离的目标物进行测量时得到的光谱图如图3中30所示，共包含两个波峰31和波峰32；其中一个波峰为杂散光脉冲信号的波峰，另一个波峰为经目标物反射光脉冲信号的波峰。根据图3中光谱图30可以看到，两个波峰的位置很接近，因此，当TOF测距设备的采样率设置的比较低时，两个波峰的位置将会发生严重混叠，形成一个波峰，此时，目标物的真实距离的检测将会受到影响。
在其他一些实施例中，当目标物距离TOF测距设备200更近或目标物表面的反射率较低的情况下，反射光信号22和杂散光信号23也会完全混叠在一起，接收端204输出的脉冲信号的光谱图将仅包含单个波峰，此时将难以提取反射光信号22的波形，从而导致无法对近距离目标物205的距离实现准确测量。可以理解的是，当杂散光的光飞时间与待测脉冲光的光飞时间相同或相差不大时，在任何采样率下，接收端204的输出光谱仅包含一个波峰。
图4为根据本发明提出的一种TOF测距方法的实现流程图。该方法适用于利用TOF测距设备对目标物进行测距的情形，应用于TOF测距设备。各步骤的具体实现原理如下。
S402，向目标物发射光脉冲信号，并采集包含杂散光脉冲信号以及经目标物反射的光脉冲信号的混叠脉冲信号。
其中，控制单元控制发射单元向目标物发射光脉冲信号，并控制接收单元采集包含杂散光脉冲信号以及经目标物反射的光脉冲信号的混叠脉冲信号。在本发明实施例中，混叠脉冲信号记为Y。
需要说明的是在S402之前，首先需要对TOF测距设备进行标定，通过预先采集杂散光脉冲信号，可以将杂散光脉冲信号记为X，并将杂散光脉冲信号的数据储存到TOF测距设备内部的寄存器中，然后再执行步骤S402。可以理解的是，可以在TOF测距设备出厂前或者出厂后标定。
S404，将混叠脉冲信号减去杂散光脉冲信号以获取经目标物反射的光脉冲信号。
其中，控制单元控制所述接收单元将混叠脉冲信号Y减去杂散光脉冲信号X以获取经目标物反射的光脉冲信号。在本发明实施例中，光脉冲信号记为S。
作为本发明一实施例，S404的具体实施方式为：控制接收端204通过一定的采样频率对接收的混叠脉冲信号Y进行采样，并通过采样的数据进行拟合即可以得到混叠脉冲信号的脉冲轮廓；然后将混叠脉冲信号Y与存储的杂散光信号X进行对齐，再通过接收到的混叠脉冲信号Y减去对应的杂散光信号X即可获取经目标物反射的光脉冲信号S。
作为本发明另一实施例，当杂散光脉冲信号X采集阶段(标定阶段)以及混叠脉冲信号Y采集阶段(S402)所用的采样频率相同时，可以直接对相应的采样点进行相减以获取经目标物反射的光脉冲信号S。
作为本发明又一实施例，当杂散光脉冲信号X采集阶段以及混叠脉冲信号Y采集阶段所用的采样频率不同时，可以分别拟合出杂散光脉冲信号的轮廓以及混叠脉冲信号的轮廓后，对两个信号的轮廓进行相减以获取经目标物反射的光脉冲信号S。
S406，计算所述光脉冲信号的飞行时间，根据所述飞行时间计算目标物的距离。
在本实施例中，控制单元控制接收单元计算光脉冲信号S的飞行时间，进而基于飞行时间计算目标物的距离。
本发明实施例中，通过预先标定杂散光脉冲信号，有效地提取了待测的光脉冲信号，进而解决了近距离测量时杂散光信号与待测的光脉冲信号的混叠问题，进一步提升了TOF测距设备的检测精度。
如图5所示为本发明实施例提供的又一种TOF测距方法的实现流程图。为实现杂散光脉冲信号的准确标定，本发明实施例提出了具体的标定方案和流程。
一方面，在TOF测距设备出厂前，执行步骤501’：预先标定，获取杂散光脉冲信号X。
可选地，获取杂散光脉冲信号包括：利用TOF测距设备对远距离物体进行测量，得到近距离的杂散光脉冲信号X。
在获取到杂散光脉冲信号X之后，将该杂散光脉冲信号X以数字形式存储到TOF测距设备的寄存器中。然后再按照S402、S404和S406完成TOF测距设备的去混叠距离测量。
另一方面，当TOF测距设备使用一段时间出现老化或异常后，出厂阶段标定的杂散光脉冲信号X会出现变化，此时通过执行S501”：实时标定获取杂散光信号，并更新存储的杂散光脉冲信号的数据。
实时标定杂散光信号X，并将TOF测距设备中杂散光脉冲信号X的数据进行实时更新。然后再继续执行S402、S404和S406完成去混叠距离测量。
可以理解的是，实时标定的方式与出厂前标定方式相同。通过实时标定的方式对杂散光脉冲信号X的数据进行实时更新，可以避免随着TOF测距设备的使用导致杂散光信号不断变化导致测距结果不准确的情形，进一步提高了测距结果的准确度。
可选地，不管是在出厂前，还是在TOF测距设备使用了一段时间后，通过远距离测试方式进行标定时，为保证更新信号的准确性，从而进一步提高测距结果的精度，可以对不同远距目标物进行测量，并获得N1个(N1个为多个)杂散光脉冲信号并存储到寄存器中，再通过分析计算找出所存储的N1个杂散光脉冲信号中最为接近的N2(N2<N1)个杂散光信号，再对这些信号插值取平均保存为最新的杂散光脉冲信号X。
其中，N2可以是占N1一个预设占比，或为小于N1的一个预设数量等，本发明对此不做限定。
需要说明的是，TOF测距设备在使用过程中，会应用于不同场景，例如，与不同的其他设备一起使用；或者，不同条件下杂散光出现的种类也不一样；但当应用于某一固定场景时，标定完成后，近期是不会变的。
因此，在本发明其他实施例中，对于在测量过程中杂散光条件会发生变化的情况，还可以将影响杂散光的系统参数作为更新和使用杂散光波形信息的条件信息，在更新和使用杂散光波形信息时，使用条件信息一致的波形信息或者使用通过插值等计算方式获取的波形信息。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种TOF测距设备，其特征在于，包括：
发射单元，用于向目标物发射光脉冲信号；
接收单元，用于采集包括杂散光脉冲信号以及经目标物反射的所述光脉冲信号的混叠脉冲信号；
控制单元，与所述发射单元以及所述接收单元电性连接，
所述控制单元用于：控制所述发射单元向目标物发射光脉冲信号，控制所述接收单元采集所述混叠脉冲信号，将混叠脉冲信号减去杂散光脉冲信号以获取经目标物反射的光脉冲信号，计算所述光脉冲信号的飞行时间，根据所述飞行时间计算目标物的距离。
2.如权利要求1所述的TOF测距设备，其特征在于，所述控制单元还用于：预先标定，获取所述杂散光脉冲信号，并存储所述杂散光脉冲信号。
3.如权利要求2所述的TOF测距设备，其特征在于，所述控制单元具体用于：
发射光脉冲信号至不同的远距离物体，并采集N1个杂散光脉冲信号；N1为大于或等于1的正整数；
在所述N1个杂散光脉冲信号中，将最接近的N2个杂散光脉冲信号进行提取，并使用插值平均法计算杂散光脉冲信号X；N2为大于或等于1的正整数。
4.如权利要求1所述的TOF测距设备，其特征在于，所述发射单元包括激光发射端、反射镜和振镜；所述激光发射端发射激光脉冲信号依次经反射镜透射、振镜反射后发射至目标物；经由目标物反射后的激光脉冲信号再依次通过振镜和反射镜依次反射后返回至所述接收单元。
5.如权利要求1所述的TOF测距设备，其特征在于，所述控制单元包含存储器、处理器和控制器，
所述控制器用于控制所述发射单元向目标物发射光脉冲信号，控制所述接收单元采集所述混叠脉冲信号；
所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如下步骤：
将混叠脉冲信号减去杂散光脉冲信号以获取经目标物反射的光脉冲信号，计算所述光脉冲信号的飞行时间，根据所述飞行时间计算目标物的距离。
6.一种TOF测距方法，其特征在于，包括：
向目标物发射光脉冲信号，并采集包含杂散光脉冲信号以及经目标物反射的光脉冲信号的混叠脉冲信号；
将混叠脉冲信号减去杂散光脉冲信号以获取经目标物反射的光脉冲信号；
计算所述光脉冲信号的飞行时间，根据所述飞行时间计算目标物的距离。
7.如权利要求6所述的TOF测距方法，其特征在于，所述向目标物发射光脉冲信号之前，还包括：
预先标定，获取杂散光脉冲信号，并存储所述杂散光脉冲信号。
8.如权利要求6或7所述的TOF测距方法，其特征在于，还包括：
实时标定获取杂散光信号，并更新存储的杂散光脉冲信号的数据。
9.如权利要求6所述的TOF测距方法，其特征在于，所述预先标定，获取杂散光脉冲信号，包括：
发射光脉冲信号至不同的远距离物体，并采集N1个杂散光脉冲信号；N1为大于或等于1的正整数；
在所述N1个杂散光脉冲信号中，将最接近的N2个杂散光脉冲信号进行提取，并使用插值平均法计算杂散光脉冲信号X；N2为大于或等于1的正整数。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6至9任一项所述方法的步骤。
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