CN111025315A - 一种深度测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种深度测量系统及方法，系统包括：发射模组，包括光源，用于向目标物体发射功率‑时间波形被调制的脉冲光束；采集模组，包括由至少一个像素组成的图像传感器，用于采集由所述目标物体反射的脉冲光束并生成灰度图像；控制与处理电路，用于提供所述光源发射所述脉冲光束所需的调制信号并控制脉冲光束的占空比和上升/下降沿时间，同时控制所述采集模组接收所述脉冲光束，基于所述灰度图像计算出所述脉冲光束的飞行时间和/或所述目标物体的距离；所述脉冲光束的占空比和所述上升/下降沿时间相互匹配用于降低系统误差。通过设置相互匹配的脉冲光束的占空比和上升/下降沿时间，降低系统误差，提高测量精度。

Description

一种深度测量系统及方法
技术领域
本发明涉及深度测量技术领域，尤其涉及一种深度测量系统及方法。
背景技术
ToF的全称是Time-of-Flight，即飞行时间，ToF测距技术是一种通过测量光脉冲在发射/接收装置和目标物体间的往返飞行时间来实现精确测距的技术。在ToF技术中直接对光飞行时间进行测量的技术被称为d-ToF(direct-ToF)；对发射光信号进行周期性调制，通过对反射光信号相对于发射光信号的相位延迟进行测量，再由相位延迟对飞行时间进行计算的测量技术被成为iToF(Indirect-ToF)技术。按照调制解调类型方式的不同可以分为连续波(Continuous Wave，CW)调制解调方法和脉冲调制(Pulse Modulated，PM)调制解调方法。
连续波调制通常将发射光波率谱调制为强度变化的方波，解调端检测经目标物体反射后的波形相位变化，这种测量方法首先将光飞行距离信息与光强变化的相位信息进行绑定，再将相位信息转换为光电探测器可检测的光强信息，间接实现了光飞行时间的测量。
光源向目标物体发射功率随时间变化的正弦波，ToF图像传感器采集目标物体返回来的信号以计算光飞行距离。然而，这对光源以及驱动电路的要求十分苛刻，因此在实际中是以方波代替正弦波进行发射光功率的调制，这必然会由于光源发射光功率谱波形不理想而引起系统误差(wiggling)。
发明内容
本发明为了解决现有的问题，提供一种深度测量系统及方法。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种深度测量系统，包括：发射模组，包括光源，用于向目标物体发射功率-时间波形被调制的脉冲光束；采集模组，包括由至少一个像素组成的图像传感器，用于采集由所述目标物体反射的脉冲光束并生成灰度图像；控制与处理电路，用于提供所述光源发射所述脉冲光束所需的调制信号并控制脉冲光束的占空比和上升/下降沿时间，同时控制所述采集模组接收所述脉冲光束，基于所述灰度图像计算出所述脉冲光束的飞行时间和/或所述目标物体的距离；所述脉冲光束的占空比和所述上升/下降沿时间相互匹配用于降低系统误差。
在本发明的一种实施例中，所述相互匹配包括：在所述上升/下降沿时间固定的情况下，所述脉冲光束的占空比配置为最优占空比，所述最优占空比为极值最小的占空比，所述极值是实际光飞行距离对应的最大系统误差与实际光飞行距离对应的最小系统误差之差。所述占空比的范围是1～99％。所述脉冲光束的占空比和所述上升/下降沿时间被配置成满足关系式：
Figure BDA0002293941360000021
其中，trise/fall表示上升/下降沿时间，DR表示占空比，T表示所述脉冲光束的调制周期，B表示一个数值代号。
在本发明的另一种实施例中，每个所述像素包括四个抽头，所述抽头用于在单个帧周期内的不同时间段分别采集由所述目标物体反射的脉冲光束所产生的电信号。四个所述抽头采集间隔的时间为T/4，所述抽头的初始采集时间为T内的任意时间，所述T是所述脉冲光束的调制周期。
本发明又提供一种深度测量方法，包括如下步骤：S1：控制发射模组向目标物体发射功率-时间波形被调制的脉冲光束；S2：控制采集模组采集所述目标物体反射的脉冲光束并生成灰度图像；S3：提供所述发射模组发射所述脉冲光束所需的调制信号，其中，所述脉冲光束的占空比和上升/下降沿时间相互匹配用于降低系统误差；同时控制所述采集模组接收所述脉冲光束，基于所述灰度图像计算出所述脉冲光束的飞行时间和/或所述目标物体的距离。
在本发明的一种实施例中，所述相互匹配包括：在所述上升/下降沿时间固定的情况下，所述脉冲光束的占空比配置为最优占空比，所述最优占空比为极值最小的占空比，所述极值是实际光飞行距离对应的最大系统误差与实际光飞行距离对应的最小系统误差之差。所述占空比的范围是1～99％。所述脉冲光束的占空比和所述上升/下降沿时间被配置成满足关系式：
Figure BDA0002293941360000022
其中，trise/fall表示上升/下降沿时间，DR表示占空比，T表示所述脉冲光束的调制周期，B表示一个数值代号。
本发明的有益效果为：提供一种深度测量系统及方法，通过设置相互匹配的脉冲光束的占空比和上升/下降沿时间，降低系统误差，从而解决光源发射光功率谱波形不理想的问题，提高测量精度。
附图说明
图1是本发明实施例中深度测量系统的结构示意图。
图2是本发明实施例中深度测量系统光信号发射与采集方法示意图。
图3是本发明实施例中一种深度测量方法的示意图。
图4是本发明实施例中一种系统误差-占空比的示意图。
其中，11-发射模组，12-采集模组，13-控制与处理电路，20-目标物体，30-脉冲光束，121-图像传感器，40-目标物体反射的脉冲光束。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1为本发明一实施例中深度测量系统10的结构示意图。深度测量系统10包括发射模组11、采集模组12以及控制与处理电路13。其中发射模组11包括光源(图中未示出)，用于向目标物体20发射功率被调制的脉冲光束30，采集模组12包括由至少一个像素组成的图像传感器121，用于采集由目标物体20反射的脉冲光束40并生成灰度图像；控制与处理电路13用于提供光源发射脉冲光束30所需的调制信号并控制脉冲光束30的占空比和上升/下降沿时间，同时控制采集模组12采集由目标物体20反射回的脉冲光束40并生成灰度图像，基于该灰度图像以计算出脉冲光束的飞行时间和/或目标物体20的距离。
发射模组11包括光源、图案化光学元件以及光源驱动器(图中未示出)等。光源可以是发光二极管(LED)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等光源，也可以是多个光源组成的光源阵列，光源所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。光源在光源驱动器(其可以进一步被控制和处理电路13控制)的控制下以一定的时序被调制振幅后向目标物体20发射光束，比如光源在控制下以一定的频率发射脉冲调制光束、方波调制光束等光束。可以理解的是，可以利用控制和处理电路13中的一部分或者独立于控制和处理电路13存在的子电路来控制光源发射相关的光束。
采集模组12包括图像传感器121。图像传感器121可以是电荷耦合元件(ChargeCoupled Device，CCD)、互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor Transistor，CMOS)、雪崩二极管(Avalanche Diode，AD)、单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)等组成的图像传感器121。一般地，与图像传感器121连接的还包括由信号放大器、时数转换器(TDC)、模数转换器(ADC)等器件中的一种或多种组成的读出电路(图中未示出)。
在一个实施例中，ToF图像传感器121包括至少一个像素，每个像素包含四个抽头(tap，用于在相应电极的控制下存储并读取或者排出由入射光子产生的电荷信号)，在单个帧周期(或单次曝光时间内)内以一定的次序依次切换抽头以采集相应的光子，以用于接收光信号并转换成灰度数值。
控制与处理电路13用于提供光源发射脉冲光束时所需的调制信号，光源在调制信号的控制下向目标物体20发射光束。比如调制信号为连续波信号如正弦波信号，光源在该正弦波信号的调制下，向目标物体20发射脉冲光束，功率在时序上以正弦波形式变化。
可以理解的是，光源在正弦波信号的调制下，向目标物体20发射脉冲光束30，功率在时序上以正弦波形式变化，通过图像传感器121每个像素的不同抽头采集灰度图能够计算目标物体20的距离。然而，这种调制的功率-时间波形对光源以及驱动电路要求十分苛刻，因此在实际中是以方波代替正弦波进行发射光功率的调制。对于具体的驱动电路和光源，被调制的发射波由于器件限制将变成包含上升/下降沿的梯形波，而这必然会导致发射光功率谱波形不理想引起系统误差。而对于由光源发射非正弦功率谱-时间波引起的系统误差(wiggling)，可以通过调节光源发射的光功率谱-时间波形来减小。一般地，光源发射的实际光功率谱波形是梯形，假设梯形波信号从最小值上升至最大值或最大值下降至最小值所用的时间相等，即上升/下降沿时间相等。因此可以通过改变光源发射光功率谱-时间的占空比来改变波形，得到占空比和上升/下降沿时间对系统误差(wiggling)的影响，使得脉冲光束30的占空比和上升/下降沿时间被配置成可以降低系统误差(wiggling)。
图2是根据本发明实施例的一种深度测量系统光信号发射与采集方法示意图。图2中示例性给出了两个帧周期T内激光发射信号(功率谱-时间调制信号)、接收信号以及采集信号(解调信号)的时序示意图，其中各个信号的含义为：Sp表示光源的脉冲发射信号，每个脉冲发射信号表示一次脉冲光束；Sr表示脉冲光被物体反射回的反射光信号，每个反射光信号表示被目标物体20发射回相应的脉冲光束，其在时间线(图中横轴)上相对于脉冲发射信号有一定的延迟，延迟的时间tlight,m是需要计算的脉冲光束的飞行时间；S1表示像素第一抽头脉冲采集的时间区间、S2表示像素的第二抽头脉冲采集的时间区间、S3表示像素的第三抽头脉冲采集的时间区间、S4表示像素的第四抽头脉冲采集的时间区间，每个脉冲采集信号表示抽头采集了该信号对应的时间段内像素所产生的电信号(电子)，并由各个抽头输出不同的灰度数值。在该实施例中，在控制与处理电路13的控制下，发射模组11向目标物体20发射脉冲光束30，该脉冲光束的上升/下降沿时间t相等，图像传感器121每个像素的四个抽头，分别用于在单个帧周期的不同时间区间内分别采集四次光信号并转换成电信号，最终输出灰度数值，以S1-S2-S3-S4的顺序依次采集0～T/4(0～90°)、T/4～T/2(90°～180°)、T/2～3T/4(180°～270°)、3T/4～T(270°～360°)时间段内的电信号，控制与处理电路13基于四个抽头采集的电信号，可根据下式计算实际光飞行时间和距离：
Figure BDA0002293941360000051
Figure BDA0002293941360000061
其中，Lm表示图像传感器采集的灰度数值计算得到的光飞行的距离，tlight,m表示由传感器采集的灰度数值计算得到的光飞行时间，c表示光速，T表示为光功率谱调制周期。同时Ii，i＝0,90,180,270表示图像传感器121中单个像素不同积分时序的抽头捕获的灰度值。
可以理解的是，每个抽头的间隔时间也可以不等于T/4，抽头的初始采集时间可以为周期T内的任意时间，且抽头的数量可以为两个或三个，在此不做任何的限制。
建立一个理想模型，光源在正弦型功率-时间信号的调制下，向目标物体20发射脉冲光束，功率在时序上以正弦波形式变化，可根据公式(1)得出不包含误差的理想光飞行时间tfly，从而根据公式(2)计算不包含误差的理想光飞行距离Lfly，可以理解的是，由调制的非正弦功率-时间发射光计算得到实际光飞行距离Lm和由调制的正弦功率-时间发射光计算得到理想光飞行距离Lfly之差即为系统误差(wiggling)，因此系统误差(wiggling)可根据下式计算：
Figure BDA0002293941360000062
其中，tlight.m表示由调制的非正弦功率-时间发射光计算得到的光飞行时间，tfly表示由调制的正弦功率-时间发射光计算得到的光飞行时间。
控制与处理电路13控制发射模组11发出调制的梯形功率-时间脉冲光束，假设该脉冲光束上升/下降沿时间是0％，占空比是1％，可以根据公式(3)得到该占空比和上升/下降沿时间下对应的系统误差(wiggling)；多次改变实际光飞行时间tfly即改变实际光飞行距离Lfly可以得到系统误差(wiggling)和实际光飞行距离Lfly的变化曲线，即可以得到一个极值，这个极值是实际光飞行距离Lfly对应的最大系统误差(wiggling)与实际光飞行距离Lfly对应的最小系统误差(wiggling)之差。通过改变脉冲光束的占空比，该占空比的范围为1～99％，可以得到在0％的上升/下降沿时间下不同占空比所对应的极值变化曲线，进而可以得到一个最优占空比(该占空比下所对应的极值最小)。
同样地，假设该脉冲光束的上升/下降沿时间为1％，通过改变脉冲光束的占空比，该占空比的范围为1～99％，也可以得到在1％的上升/下降沿时间下不同占空比所对应的极值变化曲线，即也可以得到一个最优占空比。
可以理解的是，发射脉冲光束的上升/下降沿时间不同，通过改变脉冲光束的占空比，可以得到各个上升/下降沿时间下不同占空比所对应的极值变化曲线，进而可以得到各个上升/下降沿时间下相应的最优占空比。对于某一固定的上升/下降沿时间，脉冲光束的最优占空比所对应的极值最小，即在该上升/下降沿时间-占空比配置下所产生的系统误差最小。因此，可以通过控制发射脉冲光束30的占空比和上升/下降沿时间降低系统误差(wiggling)。
在一个实施例中，脉冲光束30的占空比和上升/下降沿时间被配置成以满足关系式使得系统误差(wiggling)最小：
Figure BDA0002293941360000071
其中，trise/fall表示上升/下降沿时间，DR表示占空比，T表示所述脉冲光束的调制周期，B表示一个数值代号，在B∈(1.9334,2.1334)内取值。
图3为本申请一实施例中一种深度测量方法的流程图，包括如下步骤：
S301，控制发射模组向目标物体发射功率-时间波形被调制的脉冲光束；
具体地，发射模组包括光源，用于向目标物体20发出功率-时间被调制的脉冲光束30，该脉冲光束30的占空比和上升/下降沿时间被配置成以降低系统误差。
在一个实施例中，相互匹配包括：在所述上升/下降沿时间固定的情况下，所述脉冲光束的占空比配置为最优占空比，所述最优占空比为极值最小的占空比，所述极值是实际光飞行距离对应的最大系统误差与实际光飞行距离对应的最小系统误差之差。
在一个实施例中，脉冲光束30的占空比和上升/下降沿时间被配置成以满足关系式：
Figure BDA0002293941360000072
其中，trise/fall表示上升/下降沿时间，DR表示占空比。
S302，控制采集模组采集所述目标物体反射的脉冲光束并生成灰度图像；
具体地，采集模组12包括由至少一个像素组成的图像传感器121，每个像素包括四个抽头，抽头用于采集由目标物体20反射回的脉冲光束40并输出灰度数值。
S303，提供所述发射模组发射所述脉冲光束所需的调制信号，其中，所述脉冲光束的占空比和所述上升/下降沿时间相互匹配用于降低系统误差；同时控制所述采集模组接收所述脉冲光束，基于所述灰度图像计算出所述脉冲光束的飞行时间和/或所述目标物体的距离。
上述深度测量的方法原理与上述深度测量系统的原理相同，在此不再赘述。
如图4所示，是本发明一种深度测量系统中系统误差-占空比的示意图，从图中可以得到，占空比约在34％左右时，系统误差的极大值与极小值之差最小(12mm)，比50％的占空比对应的系统误差极值之差(38mm)小26mm。同时系统误差极值之差与占空比的变化关系符合理论预测，且最优占空比与上升/下降沿时间的关系满足理论关系。故可以通过脉冲光束的占空比和上升/下降沿时间相互匹配用于降低系统误差。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种深度测量系统，其特征在于，包括：
发射模组，包括光源，用于向目标物体发射功率-时间波形被调制的脉冲光束；
采集模组，包括由至少一个像素组成的图像传感器，用于采集由所述目标物体反射的脉冲光束并生成灰度图像；
控制与处理电路，用于提供所述光源发射所述脉冲光束所需的调制信号并控制脉冲光束的占空比和上升/下降沿时间，同时控制所述采集模组接收所述脉冲光束，基于所述灰度图像计算出所述脉冲光束的飞行时间和/或所述目标物体的距离；
所述脉冲光束的占空比和所述上升/下降沿时间相互匹配用于降低系统误差。
2.如权利要求1所述的深度测量系统，其特征在于，所述相互匹配包括：在所述上升/下降沿时间固定的情况下，所述脉冲光束的占空比配置为最优占空比，所述最优占空比为极值最小的占空比，所述极值是实际光飞行距离对应的最大系统误差与实际光飞行距离对应的最小系统误差之差。
3.如权利要求1所述的深度测量系统，其特征在于，所述占空比的范围是1～99％。
4.如权利要求1所述的深度测量系统，其特征在于，所述脉冲光束的占空比和所述上升/下降沿时间被配置成满足关系式：
Figure FDA0002293941350000011
其中，trise/fall表示上升/下降沿时间，DR表示占空比，T表示所述脉冲光束的调制周期，B表示一个数值代号。
5.如权利要求1所述的深度测量系统，其特征在于，每个所述像素包括四个抽头，所述抽头用于在单个帧周期内的不同时间段分别采集由所述目标物体反射的脉冲光束所产生的电信号。
6.如权利要求5所述的深度测量系统，其特征在于，四个所述抽头采集间隔的时间为T/4，所述抽头的初始采集时间为T内的任意时间，所述T是所述脉冲光束的调制周期。
7.一种深度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：控制发射模组向目标物体发射功率-时间波形被调制的脉冲光束；
S2：控制采集模组采集所述目标物体反射的脉冲光束并生成灰度图像；
S3：提供所述发射模组发射所述脉冲光束所需的调制信号，其中，所述脉冲光束的占空比和上升/下降沿时间相互匹配用于降低系统误差；同时控制所述采集模组接收所述脉冲光束，基于所述灰度图像计算出所述脉冲光束的飞行时间和/或所述目标物体的距离。
8.如权利要求7所述的深度测量方法，其特征在于，所述相互匹配包括：在所述上升/下降沿时间固定的情况下，所述脉冲光束的占空比配置为最优占空比，所述最优占空比为极值最小的占空比，所述极值是实际光飞行距离对应的最大系统误差与实际光飞行距离对应的最小系统误差之差。
9.如权利要求7所述的深度测量方法，其特征在于，所述占空比的范围是1～99％。
10.如权利要求7所述的深度测量方法，其特征在于，所述脉冲光束的占空比和所述上升/下降沿时间被配置成满足关系式：
Figure FDA0002293941350000021
其中，trise/fall表示上升/下降沿时间，DR表示占空比，T表示所述脉冲光束的调制周期，B表示一个数值代号。
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