CN111337937A - 光电传感采集模组、光电传感测距方法以及测距装置 - Google Patents

光电传感采集模组、光电传感测距方法以及测距装置 Download PDF

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Abstract

本申请实施例公开了一种光电传感采集模组和应用于光电传感采集模组的光电传感测距方法以及包含光电传感采集模组的测距装置，光电传感采集模组包括光电接收模块以及信号累加模块。光电接收模块用于将接收到的光信号转换为数字形式的脉冲信号。信号累加模块电性连接于光电接收模块，用于将接收到的脉冲信号进行累加后，依据采样信号对累加信号进行采样获得数字累加信号，得到目标物体的第一位置范围，同时可以在第一位置范围基础上利用时间数字转换模块采集到的时间数字信号，得到目标物体的距离信息。

Description

光电传感采集模组、光电传感测距方法以及测距装置
技术领域
本申请涉及光电探测技术领域，尤其涉及光电传感采集模组以及测距装置。
背景技术
随着科技的发展与进步，激光雷达使用飞行时间(Time-of-Flight，ToF)原理可以实现非接触式精确测距，激光光源发射出的光信号经被测物体反射后被光电传感器接收，通过探测光信号的飞行(往返)时间，可以准确计算出被测物体的距离。
光电传感器的输出信号主要通过电路结构进行测定。实际应用中，远距离对测距精度要求较低，一般采用模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)方案；近距离对测距精度要求高，更适合时间数字转换器(Time-to-Digital Converter，TDC)方案。
在测距过程中，若光电传感器将接收光信号处理后传输至ADC，ADC可以将接收到的信号转换成与其成正比关系的数字信号，探测一次可以确定目标物体的位置。但是，ADC方案具有技术难度大、工艺要求高、成本高、且测距精度较低、功耗高等不足，从而限制其应用范围。
因此，现有技术还有待改进和提高。
发明内容
为解决前述问题，本申请的目的在于提供一种精确性较高的光电传感采集模组、光电传感测距方法以及测距装置。
本申请采取了以下技术方案：
一种光电传感采集模组，其包括：光电接收模块以及信号累加模块。
光电接收模块包括多个矩阵排列的光电感测单元，所述光电感测单元用于将接收到的光信号转换为数字形式的脉冲信号，其中，所述光信号为目标物体在接收到发射光信号后反射至所述光电接收模块的光线。
信号累加模块电性连接于所述光电接收模块，用于将接收到的所述脉冲信号进行累加得到累加信号，依据采样信号对所述累加信号进行采样获得数字累加信号，所述数字累加信号表征所述目标物体的第一位置范围。
本申请还提供一种光电传感测距方法，应用于光电传感采集模组，所述光电传感采集模组包括多个矩阵排列的光电感测单元，所述光电感测单元用于将接收到的光信号转换为数字形式的脉冲信号，其中，所述光信号为目标物体在接收到发射光信号后反射至所述光电接收模块的光线。所述光电传感测距方法包括步骤：
将接收到的所述脉冲信号进行累加得到累加信号，依据采样信号对所述累加信号进行采样获得数字累加信号，所述数字累加信号表征所述目标物体的第一位置范围；
探测出射光信号到所述光电接收模块接收到所述光信号的时间间隔进行计时，依据所述时间间隔获得时间数字信号，用以表征所述目标物体的距离，并依据所述目标物体的距离在所述第一位置范围确定所述目标物体的第一位置。
本申请还相应提供一种测距装置，包括如前述的光电传感采集模组、数据处理模组与信号发射模组。所述信号发射模组和所述光电传感采集模组均电性连接于所述数据处理模组，所述信号发射模组用于向所述目标物体发射光信号，所述数据处理模组用于处理接收到的所述数字累加信号和所述时间数字信号，并计算出目标物体的距离。
相较于现有技术，本申请提出了一种类似于ADC的光电传感采集模组。并将其与TDC方案结合，从而实现无论远近距离都适宜的高精度测距。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例公开的一种测距装置；
图2为图1结构示意图中的光电传感采集装置具体结构示意图；
图3为图2结构示意图中任意一个光电传感采集模组框图；
图4为图2结构示意图中另一实施例中任意一个光电传感采集模组框图；
图5为图2结构示意图中另一实施例中任意一个光电传感采集模组框图；
图6为本申请另一实施例中信号累加模块结构示意图；
图7为本申请实施例中采用如图1所示测距装置执行光电传感测距方法的流程示意图；
图8为图3结构示意图中的光电接收模组的电路图；
图9为本申请一实施例中脉冲信号累加时序图；
图10为本申请一实施例中图3所示光电传感采集模组输出的目标信号强度分布图；
图11为本申请另一实施例中图3所示光电传感采集模组输出的目标信号强度分布图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，其为本申请一实施例中测距装置1的结构示意图，如图1所示，测距装置1包括数据处理模组10、光电传感采集模组20、信号发射模组30、目标物体40以及其他功能模组(图中未示)。本实施例中，测距装置1通过非接触测量的方式测量与目标物体之间的距离。
信号发射模组30用于向目标物体40发射光信号。信号发射模组30包括信号发射模块310以及第一透光单元320，信号发射模块310电性连接数据处理模组10，用于在数据处理模块控制下出射光信号。透光单元320将信号发射模块310发射的光信号聚集在一起发射向目标物体40，以增加目标物体40反射的光信号强度。
光电传感采集模组20用于接收目标物体40反射的光信号，并将所接收到的光信号转化成电信号，用于测定目标物体40的距离。
进一步地，光电传感采集模组20将接收到的光信号转化成数字形式的脉冲信号Fn，并将多个脉冲信号Fn进行累加得到累加信号J1，对累加信号J1采样后得到数字累加信号L1，根据数字累加信号L1得到目标物体40的距离信息。
进一步地，光电传感采集模组20还可以通过计算发射模组30发出光信号到光电传感采集模组20接收到发射光信号时的时间间隔Δt，根据时间间隔Δt得到目标物体40的距离信息。
数据处理模组10电性连接于信号发射模组30和光电传感采集模组20，用于依据接收到的数字累加信号L1，得到目标物体的第一位置范围。同时在第一位置范围基础上，依据时间间隔Δt计算出目标物体40的距离。
光电传感采集模组20包括光电接收模块210、脉冲转换模块220、信号累加模块230、或门模块240、时间数字转换模块250以及第二透光单元206。
光电接收模块210包括多个矩阵排列的光电感测单元S，光电感测单元S用于将接收到的光信号转换为数字形式的脉冲信号Fn，其中，所述光信号包括目标物体40在接收到发射光信号后反射至光电接收模块210的光线。在本申请实施例中，第二透光单元206用于将目标物体40反射的光信号聚集在一起，以减少其他光信号对光电接收模块210造成的影响。
具体地，所述光电接收模块210包括多个结构和功能相同的光电接收单元。
脉冲转换模块220电性连接于光电接收模块210与信号累加模块230之间，用于调节光电接收模块210接收到的脉冲信号Fn的脉冲宽度，并输入至信号累加模块230。具体地，所述脉冲转换模块220包括多个结构和功能相同的脉冲转换单元。
信号累加模块230电性连接于光电接收模块210，用于将接收到的脉冲信号Fn进行累加得到累加信号J1，依据采样信号CLK对累加信号J1进行采样获得数字累加信号L1，其中，数字累加信号L1表征所述目标物体的第一位置范围。
具体地，所述信号累加模块230包括多个结构和功能相同的信号累加单元。
或门模块240电性连接于脉冲转换模块220与时间数字转换模块250之间，用于将光电接收模块210任意一个光电感测单元S收到光信号时，转换成脉冲信号Fn传输至时间数字转换模块250，以表征所述光电接收模块210接收到的光信号。
在本申请实施例中，所述或门模块240至少包括一级或门单元，所述一级或门单元至少包括多个或门输入端和多个或门输出端。
在本申请实施例中，或门模块240也可以由与非门或者其他逻辑电路组合而成。
时间数字转换模块250电性连接于或门模块240，用于测量信号发射模块310发射光信号到光电接收模块210接收到光信号的时间间隔Δt，依据时间间隔Δt确定目标物体40的距离，并依据目标物体40的距离在第一位置范围确定目标物体40的第一位置。
在所述发射模组30在发射光信号时控制时间数字转换模块250开始接收触发信号，所述触发信号用于控制所述时间数字转换模块250开始计算所述光信号传递的时间间隔Δt。具体地，所述时间数字转换模块250包括多个结构和功能相同的时间数字转换单元。
在本申请实施例中，在信号发射模组30发射信号光时，时间数字转换模块250依据触发信号开始计时，在光信号经过目标物体40反射后，光电接收模块210接收反射的光信号，将接收到的光信号转成数字信号的脉冲信号Fn，当脉冲信号Fn经过或门模块240传递到时间数字转换模块250时，时间数字转换模块250停止计时。
在本申请实施例中，所述脉冲信号Fn的脉冲宽度大于或者等于2倍的采样信号CLK的采样周期。
在本实施例中，其他功能模组包括电源模块、通信模块、时钟模块、传动模块、显示模块、安全检测模块以及外壳。电源模块用于提供测距装置1所需的驱动电压Vcc，电源模块可以是通过电池或电池组提供的驱动电压Vcc，也可以是通过电性连接外部设备输入驱动电压Vcc。通信模块用于输出测距装置1与目标物体之间的距离信息，同时也可以用于输入其他控制信号至数据处理模组10，通信模块可以用于与其他设备之间进行通信，所述其他信号可以为终端控制指令等。
请参阅图2，其为本申请一实施例中如图1所示光电传感采集模组20的具体结构示意图。如图2所示，光电传感采集模组20包括第一光电传感采集模组21、第二光电传感采集模组22、……第n光电传感采集模组2n。每一个光电传感采集模组均包括光电接收模块、脉冲转换模块、信号累加模块、或门模块以及时间数字转换模块。
具体地，第一光电传感采集模组21、第二光电传感采集模组22、……第n光电传感采集模组2n的电路结构相同以及工作原理均相同，本身申请对光电传感采集模组20中任意一个光电传感采集模组进行阐述，对于其他光电传感采集模块本申请不再进行赘述。
请参阅图3，其为本申请一实施例中如图2所示任意一个光电传感采集模块21的示意图。如图3所示，光电传感采集模组21包括光电接收模块210、脉冲转换模块220、信号累加模块230、或门模块240以及时间数字转换模块250。光电传感采集模块21用于依据接收到的光信号将其转换成脉冲信号Fn，在同一采样周期内，对多个脉冲信号Fn进行累加，得到信号强度最高时光信号的传递的时间，进而分析计算出目标物体的精确位置。
光电接收模块210用于将接收到的光信号转换成数字形式的脉冲信号Fn输入至脉冲转换模块220。光电接收模块210包括多个矩阵排列的光电感测单元S，具体地，光电感测单元S用于将接收到的光信号转换为数字形式的脉冲信号Fn，所述光信号包括目标物体在接收到发射光信号后反射至光电接收模块210的光线。
如图3所示，光电接收模块210是由多个第一接收子单元211、……第n接收子单元21n所组成的阵列，第一接收子单元211、……第n接收子单元21n同时并联于驱动电压端VCC与接地端GND之间，在接收到光信号时，可以分别将接收到的光信号转换成脉冲信号Fn输出，具体地，n大于或等于1。驱动电压端VCC用于提供光电传感采集模组20所需的驱动电压Vcc。
进一步地，光电接收模块210中第n接收子单元21n的工作原理与工作过程均与第一接收子单元211相同，在本实施例中，针对第一接收子单元211进行详细表述，对于光电接收模块210中其他的接收子单元而言，本实施例不再赘述。
第一接收子单元211包括第一晶体管N1、第二晶体管N2、第三晶体管N3、第四晶体管N4、第一光电感测单元S1、第二光电感测单元S2、第三光电感测单元S3、第四光电感测单元S4、第一缓冲单元H1、第二缓冲单元H2、第三缓冲单元H3以及第四缓冲单元H4。
具体地，第一光电感测单元S1电性连接于驱动电压端VCC和第一晶体管N1的源极之间，第一缓冲单元H1电性连接于第一晶体管N1的源极与脉冲转换模块220之间，第一晶体管N1漏极电性连接于接地端GND。第二光电感测单元S2电性连接于驱动电压端VCC和第二晶体管N2的源极之间，第二缓冲单元H2电性连接于第二晶体管N2的源极与脉冲转换模块220之间，第二晶体管N2漏极电性连接接地端GND。第三光电感测单元S3电性连接于驱动电压端VCC和第三晶体管N3的源极之间，第三缓冲单元H3电性连接于第三晶体管N3的源极与脉冲转换模块220之间，第三晶体管N3漏极电性连接接地端GND。第四光电感测单元S4电性连接于驱动电压端VCC和第四晶体管N4的源极之间，第四缓冲单元H4电性连接于第四晶体管N4的源极与脉冲转换模块220之间，第四晶体管N4漏极电性连接接地端GND。
在本申请实施例中，光电感测单元S接收到光信号时所述光电感测单元S导通，驱动电压Vcc通过缓冲单元H缓冲后输入至脉冲转换模块220。
在本申请实施例中，所述光电感测单元S可以为单光子探测器(Single PhotonAvalanche Diode,SPAD)，光电接收模块210为硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)，由多个SPAD并联组成。
在第一光电感测单元S1接收到光信号时，第一光电感测单元S1电性导通，驱动电压Vcc经过第一光电感测单元S1输入至第一缓冲单元H1，经过第一缓冲单元H1缓冲后输入至脉冲转换模块220。若第一光电感测单元S1未接收到光信号时，则第一光子探测器S1电性截止。在第二光电感测单元S2接收到光信号时，第二光电感测单元S2电性导通，驱动电压Vcc经过第二光电感测单元S2输入至脉冲转换模块220。若第二光电感测单元S2未接收到光信号则第二光电感测单元S2电性截止。在第三光电感测单元S3接收到光信号时，第三光电感测单元S3电性导通，驱动电压Vcc经过第三光电感测单元S3输入至脉冲转换模块220。若第三光电感测单元S3未接收到光信号，则第三光电感测单元S3电性截止。在第四光电感测单元S4接收到光信号时，第四光电感测单元S4电性导通，驱动电压Vcc经过第四光电感测单元S4输入至脉冲转换模块220。若第四光电感测单元S4未接收到光信号，则第四光电感测单元S4电性截止。
在本申请其他实施例中，第一接收子单元211至少包括X个晶体管、X个光电感测单元以及X个缓冲单元，其中，X为大于或等于1的正整数。
脉冲转换模块220电性连接于光电接收模块210与信号累加模块230之间，还电性连接于或门模块240，用于调节光电接收模块210接收到的脉冲信号Fn的脉冲宽度，并输出至信号累加模块230和或门模块240。脉冲转换模块220包括第一脉冲转换电路221、第二脉冲转换电路222、第三脉冲转换电路223、第四脉冲转换电路224、……第n-3脉冲转换电路22n-3、第n-2脉冲转换电路22n-2、第n-1脉冲转换电路22n-1以及第n脉冲转换电路22n。
在本实施例中，调节后脉冲信号Fn的脉冲宽度在1ns-10ns之间。脉冲转换模块220中脉冲转换电路的预设个数与光电感测单元S总数相同。
第一脉冲转换电路221电性连接于第一缓冲单元H1与信号累加模块230之间，用于调节第一脉冲信号F1的脉冲宽度。当第一脉冲转换电路221接收到第一脉冲信号F1时，将第一脉冲信号F1的脉冲宽度调节到1ns-10ns之间。在本申请实施例中，第二脉冲转换电路222、第三脉冲转换电路223、第四脉冲转换电路224、……第n-3脉冲转换电路22n-3、第n-2脉冲转换电路22n-2、第n-1脉冲转换电路22n-1以及第n脉冲转换电路22n电路结构和工作过程与第一脉冲转换电路221相同，此处不再赘述。
信号累加模块230电性连接于脉冲转换模块220，用于将接收到的脉冲信号Fn进行累加得到累加信号J1，依据采样信号CLK对累加信号J1进行采样获得数字累加信号L1，依据数字累加信号L1得到目标物体的第一位置范围。
信号累加模块230包括至少一级信号累加子单元和至少一级信号采样子单元，每一级所述信号累加子单元对应连接于预设数量的脉冲转换单元，且最后一级信号累加子单元用于将所述预设数量的所述脉冲信号Fn累加后传输至最后一级信号采样子单元。
最后一级信号采样子单元电性连接于脉冲输出端OUT，所述信号采样子单元用于依据所述采样信号对接收到的所述累加信号J1进行采样，并输出信号强度值不同的所述数字累加信号L1，数字累加信号L1通过所述脉冲输出端OUT输出。
信号累加模块230包括级联的N级的信号累加子单元与M级的信号采样子单元，信号累加子单元每执行一次信号累加，信号采样子单元执行一次信号采样，N和M均大于或者等于2。
本申请实施例中，所述信号采样子单元的延时大于所述采样信号的采样周期，每一级的信号累加子单元对应连接有信号采集子单元对其累加后的累加信号执行信号采样。
如图3所述，在信号累加模块230中，信号累加子单元与信号采样子单元电性连接和功能相同，本实施例中以第一级信号累加子单元231和第一级信号采样子模块232进行说明，其他信号累加子单元与信号采样子单元不再赘述。
第一级信号累加子单元231电性连接于脉冲转换模块220和第一级信号采样子单元232之间，用于自脉冲转换模块220接收到的脉冲信号Fn转换成数字信号输入至第一级信号采样子单元232执行信号采样。第一级信号累加子单元231包括第一信号累加器2311、……第i信号累加器231i，第一级信号采样子单元232包括第一信号采样单元3321、……第i信号采样单元332i。
在本申请实施例中，每一级的信号累加子单元对应连接有信号采集子单元对其累加后的累加信号执行采样。
所述脉冲输出端OUT通过总线电性连接于数据处理模组10(图1)。所述第一位置范围为目标物体反射光信号时所在的位置范围。所述信号采样单元可以采用触发器(Flip-Flop)实现，所述触发器可以包括上升沿触发器或者下降沿触发器。
在本申请实施例中，第一信号累加器2311、……第i信号累加器231i每一个所述信号累加器的输入端对应连接于预设数量的所述脉冲转换模块,第一信号累加器2311、……第i信号累加器231i的输出端分别电性连接于第一信号采样单元3321、……第i信号采样单元332i的输入端，第一信号采样单元3321、……第i信号采样单元332i将第一信号累加器2311、……第i信号累加器231i输出的累加信号输出至第二级信号累加子单元中。
第一信号累加器2311、……第i信号累加器231i将接收到的脉冲信号Fn转化为数字信号并进行累加，将累加后的脉冲信号转化为二进制的信号，并对二进制信号进行累加得到累加信号J1，通过第一信号采样单元3321、……第i信号采样单元332i输出至第二信号采样子单元232，最终通过最后一级信号采样单元3421输出至脉冲输出端OUT。第一信号累加器2311、……第i信号累加器231i分别将接收到的脉冲信号Fn累加后得到随信号强度变化的数字信号经过第一级信号采样子单元332采样，然后将采样后的信号输入至第二级信号累加子单元，直到信号累加单元230输入的脉冲信号Fn全部逐级累加至第N级信号累加子单元累加后，经过最后一级信号采样子单元3421采样子单元采样后获得目标累加信号。
举例来说，在光电传感采集模块21中，共有100个单光子探测器，信号累加单元230首先每4个脉冲信号进行累加，则第一级信号累加子单元231共有25个信号累加器，第一级信号采样子单元332共有25个信号采样单元，第二级信号累加子单元232中的信号累加单元输入端接收第一级信号累加子单元231中任意两个信号累加器输出的脉冲信号，则第二信号累加子单元232共有13个信号累加器。也即是，将光电传感采集模块21中所有的脉冲信号Fn依次累加至最后一级信号累加子单元中。
最后一级信号采样子单元3421电性连接于脉冲输出端OUT，用于依据采样信号CLK，对接收到的累加信号J1进行采样，并输出目标累加信号。所述目标累加信号通过脉冲输出端OUT输入至数据处理模组10(图1)。
例如，在同一采样周期中，第一信号累加器231的输入端输入的脉冲信号分别为第一脉冲信号F1为有效信号，第二脉冲信号F2为无效信号，第三脉冲信号F3为有效信号，第四脉冲信号F4为有效信号，此时，第一信号累加器2311对输入端的脉冲信号累加后信号强度值为3。
在本申请实施例中，有效信号用数字信号1表示，无效信号用数字信号0表示。
在同一采样周期中，将光电接收模块210中输出的脉冲信号Fn全部累加到最后一级信号累加子单元2321中后，最后一级信号采样单元3421对最后一级信号累加子单元2321中的脉冲信号进行采样得到数字累加信号L1，最后输出离散的得到目标物体的数字累加信号L1至数据处理模组10。
为了确保测距精度，脉冲信号Fn的脉冲宽度大于或等于采样信号CLK的采样周期。优选地，脉冲信号Fn的脉冲宽度大于或等于2倍的采样信号CLK的采样周期。例如，脉冲信号Fn的脉冲宽度为2ns，则采样信号CLK的采样周期小于等于1ns。
在本申请实施例中，采样周期数依据于采样测量距离的大小，采样周期数满足T＝2L/f*c，其中，T为采样周期数，L为测量距离，f为采样信号CLK的采样周期，c为光速。
或门模块240电性连接于脉冲转换模块220与时间数字转换模块250之间，用于将光电接收模块210中任意一个光电感测单元S收到光信号时，转换成的脉冲信号Fn传输至时间数字转换模块250，以表征光电接收模块210接收到所述光信号。或门模块240至少包括一级或门子单元，具体地，一级或门子单元包括多个或门输入端和一个或门输出端，一级或门输入端的总数量与所述光电感测单元S的数量相同，其中，一级或门输入端电性连接于至少一个脉冲转换模块220，所述或门输出端电性连接于时间数字转换模块250，或门子单元中任意一个或门输入端接收到脉冲信号Fn时，或门输出端将脉冲信号Fn输出至时间数字转换模块250。在接收到脉冲信号Fn后，若脉冲信号Fn全部为有效脉冲信号，则或门单元输出脉冲信号；若脉冲信号Fn至少包括一个有效脉冲信号，则或门单元输出脉冲信号Fn；若脉冲信号Fn全部为无效脉冲信号，则或门单元不输出脉冲信号Fn。
在本实施例中，或门模块240包括第一级或门子单元241、……第K级或门子单元24k，K大于或者等于2，第一级或门子单元241至少包括j个或门电路，j为大于1的整数，j个或门电路针对预设数量的脉冲信号Fn执行或门运算并输入至第二或门子单元。第二级或门子单元至第K级或门子单元针对所述脉冲信号逐级执行或门运算后传输至时间数字转换模块250。每一个或门电路包括4个或门输入端和一个或门输出端。若或门输入端输入信号至少包括一个脉冲信号，则或门电路仅输出脉冲信号至下一或门电路。
举例来说，在光电传感采集模块21中，光电接收模块210输出100个脉冲信号Fn，其中，输出的脉冲信号至少包括一个脉冲信号。在或门模块240中，将每4个脉冲信号输入至一个或门电路中，则第一级或门子单元241包括25个或门电路，直到所有的脉冲信号Fn全部输入至第K级或门子单元24k，第K级或门子单元24k最终输出脉冲信号至时间数字转换模块250。
时间数字转换模块250电性连接于或门模块240，用于测量信号发射模块310出射光信号到光电接收模块210接收到光信号的时间间隔Δt，依据时间间隔Δt确定目标物体的距离，并依据目标物体的距离在第一位置范围确定目标物体的第一位置。
信号发射模块310重复多次发射光信号，时间数字转换模块250测量每一次光信号和光电接收模块210输出脉冲信号Fn之间传递时间Δt，根据s＝c×Δt/2，其中，c为光速，从而计算出目标物体的距离。
请参阅图4，其为本申请另一实施例中如图2所示任意一个光电传感采集模块31的示意图。如图4所示，光电传感采集模块31包括光电接收模块310、脉冲转换模块320、信号累加模块330、或门模块340以及时间数字转换模块350。其中，光电接收模块310、脉冲转换模块320、或门模块340以及时间数字转换模块350与上述实施例中电路结构与功能相同，在本实施例中不再赘述。
信号累加模块330与上述实施例不同在于，信号累加模块330包括N级信号累加子单元与M级信号采样子单元，N和M均大于或者等于2，N级信号累加子单元中的第一级信号累加子单元331与脉冲转换模块320之间还包括一级信号采样子单元3310，一级信号采样子单元3310针对脉冲信号Fn进行采样后传输至第一级信号累加子单元331。一级信号采样子单元3310包括第一输入信号采样单元3301、……第n输入信号采样单元330n。其中，n个输入信号采样单元与脉冲信号Fn的总数相同。
为了确保测距精度，以上设置多级信号采样子单元的实施例中，除需满足脉冲信号Fn的脉冲宽度大于或等于采样信号CLK的采样周期这一条件外，还需满足任意相邻两级信号采样子单元的电路延时小于采样信号CLK的采样周期。
请参阅图5，其为本申请另一实施例中如图2所示任意一个光电传感采集模块41的示意图。如图5所示，光电传感采集模块41包括光电接收模块410、脉冲转换模块420、信号累加模块430、或门模块440以及时间数字转换模块450。其中，光电接收模块410、脉冲转换模块420、或门模块440以及时间数字转换模块450与上述实施例中电路结构与功能相同，在本实施例中不再赘述。
信号累加模块430与上述实施例不同在于，信号累加模块430包括级联的N级信号累加子单元与一级信号采样子单元4421，N大于或者等于2，N级信号累加子单元中的第一级信号累加子单元包括第一信号累加器4311、……第i信号累加器431i，i为大于1的整数。i个信号累加器针对预设数量的脉冲信号Fn执行第一次信号累加，并获得i个累加信号，N级信号累加子单元中的第二级信号累加子单元至第N级信号累加子单元针对i个累加信号逐级累加获得目标累加信号。一级信号采样子单元4421电性连接与第N级信号累加子单元的输出端与信号累加模块430的输出端OUT之间，依据接收到的目标累加信号进行采样获得数字累加信号L1。
同样地，为了确保测距精度，此实施例中需满足脉冲信号Fn的脉冲宽度大于或等于采样信号CLK的采样周期。优选地，脉冲信号Fn的脉冲宽度大于或等于2倍的采样信号CLK的采样周期。
请参阅图6，图6为本申请另一实施例中信号累加模块结构示意图。如图6所示，信号累加模块250用于将接收到的脉冲信号Fn进行累加得到累加信号J1，依据采样信号CLK对累加信号J1进行采样获得数字累加信号L1，依据数字累加信号L1得到目标物体的第一位置范围。信号累加模块250包括第一级信号采样子单元2511、第二级信号采样子单元2512以及第一信号累加子单元2521、……第n信号累加子单元252n，n大于或者等于2。
在本申请实施例中，若满足任意相邻N级的信号采样子单元的电路延时小于所述采样信号CLK的采样周期，则任意相邻信号采样子单元之间至少电性连接一级信号累加子单元。其中，N大于或等于2。
如图6所示，为了确保测距精度，以上设置多级信号采样子单元的实施例中，除需满足脉冲信号Fn的脉冲宽度大于或等于2倍的采样信号CLK的采样周期这一条件外，还需满足任意相邻两级信号采样子单元的电路延时小于采样信号CLK的采样周期。
请参阅图7，其为本申请实施例中采用如图1所示测距装置1执行光电传感测距方法的流程示意图。如图7所示，在本申请实施例中，一种光电传感测距方法，其步骤如下：
步骤41，将接收到的所述脉冲信号进行累加得到累加信号，依据采样信号对所述累加信号进行采样获得数字累加信号，所述数字累加信号表征所述目标物体的第一位置范围。
步骤42，针对出射发射光信号到所述光电接收模块接收到所述光信号的时间间隔进行计时，依据所述时间间隔确定所述目标物体的距离，并依据所述目标物体的距离在所述第一位置范围内确定所述目标物体的第一位置。
具体地，所述光信号包括目标物体在接收到发射光信号后反射至所述光电接收模块的光线。
其中，在步骤41中，所述依据所述时间数字信号确定所述目标物体的所述第一位置范围具体还包括步骤：
步骤411、接收到光信号后，将光信号转换为所述数字脉冲信号。
步骤412、针对接收到的所述数字脉冲信号进行累加，获得随所述光信号强度变化的累加信号。
步骤413、依据采样信号对所述累加信号进行采样得到第一信号强度分布图，其中，所述第一信号强度表征所述目标物体的第一位置范围。
步骤414、依据所述第一信号强度分布图即可计算出第一位置范围。
优选地，在依据所述采样信号对所述累加信号进行采样得到第一信号强度之后，还可以进一步包括步骤415：
至少重复一次步骤411、步骤412和步骤413，获得N个信号强度的分布图，将N个信号强度的分布图进行累加并获得目标信号强度分布图，并依据目标信号强度分布图确定目标物体第一位置范围。
当光信号受到环境光或者目标物体的影响或者干扰信号不稳定时，通过重复多次执行光信号感测以及信号处理后，再将每次获得的信号强度进行累加而获得目标信号强度的分布图，据此进行第一位置范围确定时能够较大程度的消除光信号的干扰，提高第一位置范围的计算准确性。
在本申请其他实施例中，若所述采样信号的采样周期大于所述信号累加的延时，每次执行信号累加后执行一次所述信号采样。也即是，针对预设数量的所述脉冲信号执行至少一级信号累加获得目标累加信号。针对累加后的脉冲信号执行至少一级信号采样，并获得号强度值不同的所述数字累加信号。
针对所述预设数量的所述脉冲信号执行N级信号累加与一级信号采样，N大于或者等于2，在所述N级信号累加中的第一级信号累加包括：通过i个信号累加器针对所述脉冲信号执行第一次信号累加获得i个所述累加信号，i为大于1的整数；针对所述i个所述累加信号执行第二次至第N次的逐级累加并获得目标累加信号；依据所述采样信号针对所述目标累加信号进行一次信号采样并获得所述数字累加信号。
在本申请其他实施例中，针对所述预设数量的所述脉冲信号执行N级信号累加与N级信号采样，N大于或者等于2，在所述N级信号累加中的第一级信号累加包括：
通过i个信号累加器针对所述脉冲信号执行第一次信号累加获得i个所述累加信号，i为大于1的整数；
针对所述i个所述累加信号执行第二次至第N次的逐级的信号累加；
依据所述采样信号针对每一级信号累加后均执行一次信号采样，直至获得所述数字累加信号。
依据所述采样信号针对所述对所述脉冲信号执行信号采样后传输至所述i个所述信号累加器；
所述i个所述信号累加器针对所述脉冲信号执行所述第一次信号累加并获得i个所述累加信号，i个所述累加信号执行第二次至第N次逐级的信号累加与信号采样并获得所述数字累加信号。
在本申请其他实施例中，针对所述预设数量的所述脉冲信号执行N级信号累加，N大于或者等于2，若满足任意相邻两级的所述信号采样的延时小于所述采样信号的采样周期，则任意相邻所述信号采样之间执行至少一次所述信号累加。
在本申请实施例中，所述N级信号累加中的第一级信号累加包括：
通过i个信号累加器针对所述脉冲信号执行第一次信号累加获得i个所述累加信号，i为大于1的整数；针对所述i个所述累加信号执行第二次至第N次的逐级的信号累加；依据采样信号针对每一级信号累加后的脉冲信号执行信号采样时，若满足任意相邻两级的所述信号采样的电路延时小于所述采样信号的采样周期，则任意相邻所述信号采样之间执行至少一级所述信号累加。
所述脉冲信号的脉冲宽度大于或者等于所述采样信号CLK的采样周期。
请参阅图8，其为本申请一实施例中如图3所示光电接收模块210的电路框图。如图8所示，光电接收模块210为硅光电倍增管。硅光电倍增管用于将接收到的光信号转换为数字形式的电信号，所述光信号为目标物体反射的信号。具体地，硅光电倍增管电性连接于驱动电压端VCC与接地端GND之间。硅光电倍增管包括至少一个光子探测器S、至少一个晶体管N以及至少一个缓冲器H。其中，光子探测器S电性连接于驱动电源端VCC与晶体管N的源极之间，晶体管N的漏极电性连接于接地端GND，缓冲器H电性连接于晶体管N的源极于脉冲转换模块220之间。
在本实施例中，光电接收模块210中所有的光子探测器S之间相互并联，在接收到光信号时，每个光子探测器S可以将光信号转换成一个脉冲信号输入至脉冲转换模块220中。
请参阅图9，其为本申请一实施例中脉冲信号累加时序图。如图9所示，F1表示第一脉冲信号，F2表示第二脉冲信号，F3表示第三脉冲信号，F4表示第四脉冲信号，F5表示第五脉冲信号，F6表示第六脉冲信号，L1表示以上6个脉冲信号时的数字累加信号，光电传感采集模组20在某一时刻脉冲信号累加时序图，CLK表示采样信号。具体地，为了更加准确地得到累加后的采样信号值，计算出目标物体的准备距离，脉冲信号Fn的脉冲宽度大于或等于2倍的采样信号CLK采样周期的脉冲宽度。
信号累加模块230将同一时间内接收到的脉冲信号Fn进行累加，在光电传感采集模组20不断接收光信号过程中，得到随着信号强度变化而变化的累加信号J1，然后使用采样信号CLK对累加信号J1进行采样，得到随着信号强度变化而变化的数字累加信号L1信号强度分布图。所述数字累加信号L1为离散的信号。
在本申请实施例中，将有效脉冲信号记为数字1，将无效脉冲信号记为数字0。在同一采样周期中，将不同电平的脉冲信号Fn进行累加，得到累加信号J1。在实施例中，累加信号J1信号强度值包括0、1、2、3、4、5，在采样信号CLK进行采样得到数字累加信号L1后，数字累加信号L1的最大信号强度值为5，最小信号强度值为0，分析信号强度值为5时对应的时间，数据处理模组10既可得到目标物体40的距离。
在本申请实施例中，其他时间段脉冲信号Fn累加以及采样过程以及原理与图3所述相同，在此不再赘述。
在本申请其他实施例中，脉冲信号Fn个数不局限于6个，可以为n个脉冲信号，其中n为大于或等于1的正整数。
请参阅图10，其为本申请一实施例中图3所示光电传感采集模组20输出的目标信号强度分布图。光电传感采集模组20输出目标物体的目标信号强度分布图300。目标信号强度分布图300包括累加信号强度分布图301以及时间数字信号分布图302，具体地，累加信号强度分布图301以及时间数字信号分布图302均为离散的信号。
本实施例中，信号累加模块230采集到的数据信噪比较高，能够较好地识别出目标物体的精确位置，但是对于时间数字转换模块250来说，采集到的数据信噪比低，很难准确的获得目标物体的精确位置。因此，将采用信号累加模块230采集到的数据计算出目标物体的距离。
请参阅图11，其为本申请另一实施例中图3所示光电传感采集模组20输出的目标信号强度分布图。数据处理模组10接收光电传感采集模组20依据数字累加信号以确定所述目标物体的第一位置范围，并依据时间数字信号确定所述目标物体的所述第一位置。
光电传感采集模组20输出目标物体的目标信号强度分布图400。目标信号强度分布图400包括累加信号强度分布图401以及时间数字信号分布图402，具体地，累加信号强度分布图401以及时间数字信号分布图402均为离散的信号。
信号累加模块230和时间数字转换模块250均能采集到信噪比较高的信号数据，首先依据累加信号强度分布图401计算出目标物体的第一位置范围，然后依据目标物体的第一位置范围在时间数字信号分布图402上采集对应的信号数据区域，能够精准地判断出目标物体的第一位置。也即是，依据累加信号强度分布图401中信号强度最大的分布范围时，定位到在时间数字信号分布图402中信号强度值最大时光信号的传递时间Δt，进而计算出与目标物体的第一位置。
在本申请实施例中，光电接收模块210将接收到的光信号转化成脉冲信号Fn，脉冲转换模块220将接收到的脉冲信号Fn的脉冲宽度调节到1ns-10ns之间后，信号累加模块230在对脉冲信号Fn进行累加，并最终将全部的脉冲信号Fn累加至最后一个信号累加模块中，信号采样单元对最后累加输出的累加信号J1进行采样，在光电接收模块210不断的接收光信号的过程中，根据目标物体的距离和反射率不同，信号采样单元将输出离散的累加信号强度分布图。
在光电接收模块210输出脉冲信号Fn时，若或门模块240未接收到脉冲信号Fn，则不输出脉冲信号至时间数字转换模块250，若输出脉冲信号Fn至少包括一个脉冲信号，则输出脉冲信号至时间数字转换模块250。在光电接收模块210不断输出脉冲信号Fn过程中，时间数字转换模块250依据接收到的不同电平的脉冲信号，输出离散的时间数字信号分布图。
在本申请实施例中公开的光电传感采集模组20可以精确测得目标物的距离，且成本低，测距数据可靠性高。
以上对本申请实施例公开的一种光电传感采集模组进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (23)

1.一种光电传感采集模组，其特征在于，包括：
光电接收模块，包括多个矩阵排列的光电感测单元，所述光电感测单元用于将接收到的光信号转换为数字形式的脉冲信号，其中，所述光信号包括目标物体在接收到发射光信号后反射至所述光电接收模块的光线；
信号累加模块，电性连接于所述光电接收模块，用于将接收到的所述脉冲信号进行累加得到累加信号，依据采样信号对所述累加信号进行采样获得数字累加信号，所述数字累加信号表征所述目标物体的第一位置范围。
2.根据权利要求1所述的光电传感采集模组，其特征在于，所述光电传感采集模组还包括：
脉冲转换模块，所述信号累加模块通过所述脉冲转换模块电性连接所述光电接收模块，用于调节自光电接收模块接收到的所述脉冲信号的脉冲宽度后输入至所述信号累加模块，所述信号累加模块针对调整脉冲宽度后的所述脉冲信号进行累加并获得所述累加信号。
3.根据权利要求2所述的光电传感采集模组，其特征在于，所述光电传感采集模组还包括：
时间数字转换模块，电性连接于或门模块与信号输出端之间，用于测量所述信号发射模块出射光信号到所述光电接收模块接收到所述光信号的时间间隔，依据所述时间间隔获得时间数字信号，用以表征所述目标物体的距离，并依据所述目标物体的距离在所述第一位置范围确定所述目标物体的第一位置；
或门模块，电性连接于所述脉冲转换模块与所述时间数字转换模块之间，用于将所述光电接收模块任意一个光电感测单元收到所述光信号时，转换成的所述脉冲信号传输至所述时间数字转换模块，以表征所述光电接收模块接收到所述光信号。
4.根据权利要求3所述的光电传感采集模组，其特征在于，所述或门模块包括至少一级或门子单元，所述一级或门子单元包括多个或门输入端和一个或门输出端，所述一级或门输入端的总数量与所述光电感测单元的数量相同，其中，所述一级或门输入端电性连接于至少一个脉冲转换模块，所述或门输出端电性连接于所述时间数字转换模块，所述或门子单元中任意一个或门输入端接收到所述脉冲信号时，所述或门输出端将所述脉冲信号输出至所述时间数字转换模块。
5.根据权利要求4所述的光电传感采集模组，其特征在于，所述或门模块包括级联的K级或门子单元，K大于或者等于2，
所述K级或门子单元中的第一级或门子单元包括j个或门电路，j为大于1的整数，所述j个或门电路针对预设数量的所述脉冲信号执行或门运算并输入至第二或门子单元；
所述第二级或门子单元至第K级或门子单元针对所述脉冲信号逐级执行或门运算后传输至所述时间数字转换模块。
6.根据权利要求2所述的光电传感采集模组，其特征在于，所述信号累加模块包括至少一级信号累加子单元与至少一级信号采样子单元；
所述信号累加模块包括至少一级信号累加子单元，每一级所述信号累加子单元对应连接于预设数量的所述脉冲转换模块，且最后一级信号累加子单元用于将所述预设数量的所述脉冲信号累加后传输至所述最后一级信号采样子单元；
所述最后一级信号采样子单元电性连接于所述脉冲输出端，所述信号采样子单元用于依据所述采样信号对接收到的所述累加信号进行采样，并输出信号强度值不同的所述数字累加信号，所述数字累加信号通过所述脉冲输出端输出。
7.根据权利要求6所述的光电传感采集模组，其特征在于，所述信号累加模块包括级联的N级信号累加子单元与一级信号采样子单元，N大于或者等于2；
所述N级信号累加子单元中的第一级信号累加子单元包括i个信号累加器，i为大于1的整数，所述i个信号累加器针对所述预设数量的所述脉冲信号执行第一次信号累加，并获得i个所述累加信号；
所述N级信号累加子单元中的第二级信号累加子单元至第N级信号累加子单元针对i个所述累加信号逐级累加获得目标累加信号；
所述一级信号采样子单元电性连接于所述第N级信号累加子单元的输出端与所述脉冲转换模块输出端之间，依据接收到的所述目标累加信号进行采样获得所述数字累加信号。
8.根据权利要求6所述的光电传感采集模组，其特征在于，
所述信号累加模块包括级联的N级信号累加子单元与M级信号采样子单元，N和M均大于或者等于2；
若满足任意相邻两级的所述信号采样子单元的电路延时小于所述采样信号的采样周期，则任意相邻所述信号采样子单元之间至少电性连接一级所述信号累加子单元。
9.根据权利要求8所述的光电传感采集模组，其特征在于，
所述N级信号累加子单元中的第一级信号累加子单元包括i个信号累加器，i为大于1的整数，所述i个信号累加器针对所述预设数量的所述脉冲信号执行第一次信号累加，并获得i个所述累加信号；
所述N级信号累加子单元中的第二级信号累加子单元至第N级信号累加子单元依次针对i个所述累加信号逐级累加；每一级所述信号累加子单元中的每一个所述信号累加器的输出端电性连接于一级所述信号采样子单元，所述信号采样子单元对所述每个信号累加器输出的所述累加信号执行采样后输出至下一级所述信号累加子单元。
10.根据权利要求8所述的光电传感采集模组，其特征在于，
所述N级信号累加子单元中的所述第一级信号累加子单元与所述脉冲转换电路之间还包括一级所述信号采样子单元，所述信号采样子单元针对所述脉冲信号进行采样后传输至所述第一级信号累加子单元。
11.根据权利要求6所述的光电传感采集模组，其特征在于，所述脉冲信号的脉冲宽度大于或者等于所述采样信号的采样周期。
12.根据权利要求1-11任意一项所述光电传感采集模组，其特征在于，所述光电接收模块为多个硅光电倍增管并联组成。
13.根据权利要求12所述的光电传感采集模组，其特征在于，所述光电接收模块还包括至少一个晶体管以及至少一个缓冲单元；
所述光电感测单元电性连接于驱动电压端和所述晶体管的源极之间，所述缓冲单元电性连接于所述晶体管的源极与所述脉冲转换模块之间，所述晶体管漏极电性连接所述接地端，所述晶体管为淬灭晶体管，所述驱动电压端用于接收驱动电压以驱动所述光电传感采集模组工作；
所述光电感测单元接收到所述光信号时所述光电感测单元导通，所述驱动电压通过所述缓冲单元缓冲后输入至所述脉冲转换模块。
14.一种光电传感测距方法，应用于光电传感采集模组，所述光电传感采集模组包括多个矩阵排列的光电感测单元，所述光电感测单元用于将接收到的光信号转换为数字形式的脉冲信号，其中，所述光信号包括目标物体在接收到发射光信号后反射至所述光电接收模块的光线，其特征在于，包括步骤：
将接收到的所述脉冲信号进行累加得到累加信号，依据采样信号对所述累加信号进行采样获得数字累加信号，所述数字累加信号表征所述目标物体的第一位置范围；
探测出射光信号到所述光电接收模块接收到所述光信号的时间间隔，依据所述时间间隔获得时间数字信号，用以表征所述目标物体的距离，并依据所述目标物体的距离在所述第一位置范围确定所述目标物体的第一位置。
15.根据权利要求14所述的光电传感测距方法，其特征在于，所述依据所述数字累加信号确定所述目标物体的所述第一位置范围包括：
接收到所述光信号后，将所述光信号转换为数字脉冲信号；
针对接收到的所述数字脉冲信号进行累加，获得随所述光信号强度变化的所述累加信号；
依据所述采样信号对所述累加信号进行采样得到第一信号强度分布图；
分析所述第一信号强度分布图确定所述第一位置范围。
16.根据权利要求15所述的光电传感测距方法，其特征在于，依据所述采样信号对所述累加信号进行采样得到第一信号强度之后还包括：
至少重复一次接收所述光信号，并且将所述光学信号转换为所述数字脉冲信号；
针对接收到的所述数字脉冲信号进行累加，获得随所述光信号强度变化的所述累加信号；
依据所述采样信号对所述累加信号进行采样得到N个信号强度分布图；
将所述N个信号强度的分布图进行累加并获得目标信号强度分布图；
分析所述目标信号强度分布图确定所述第一位置范围。
17.根据权利要求15或16所述的光电传感测距方法，其特征在于，
针对所述预设数量的所述脉冲信号执行至少一级信号累加获得目标累加信号；
针对所述累加后的脉冲信号执行至少一级信号采样，并获得号强度值不同的所述数字累加信号。
18.根据权利要求17所述的光电传感测距方法，其特征在于，
针对所述预设数量的所述脉冲信号执行N级信号累加与一级信号采样，N大于或者等于2，在所述N级信号累加中的第一级信号累加包括：
通过i个信号累加器针对所述脉冲信号执行第一次信号累加获得i个所述累加信号，i为大于1的整数；
针对所述i个所述累加信号执行第二次至第N次的逐级累加并获得目标累加信号；
依据所述采样信号针对所述目标累加信号进行一次信号采样并获得所述数字累加信号。
19.根据权利要求17所述的光电传感测距方法，其特征在于，针对所述预设数量的所述脉冲信号执行N级信号累加与M级信号采样，N和M均大于或者等于2；
若满足任意相邻两级的所述信号采样的延时小于所述采样信号的采样周期，则任意相邻所述信号采样之间执行至少一次所述信号累加。
20.根据权利要求19所述的光电传感测距方法，其特征在于，
在所述N级信号累加中的第一级信号累加包括：
通过i个信号累加器针对所述脉冲信号执行第一次信号累加获得i个所述累加信号，i为大于1的整数；
针对所述i个所述累加信号执行第二次至第N次逐级信号累加；
依据所述采样信号针对每一级信号累加后均执行一次信号采样，直至获得所述数字累加信号。
21.根据权利要求20所述的光电传感测距方法，其特征在于，
依据所述采样信号针对所述对所述脉冲信号执行信号采样后传输至所述i个所述信号累加器；
所述i个所述信号累加器针对所述脉冲信号执行所述第一次信号累加并获得i个所述累加信号，i个所述累加信号执行第二次至第N次逐级的信号累加与信号采样并获得所述数字累加信号。
22.根据权利要求14-21任意一项所述的光电传感测距方法，其特征在于，所述脉冲信号的脉冲宽度大于或者等于所述采样信号的采样周期。
23.一种测距装置，其特征在于，包括如权利要求1-13所述的光电传感采集模组、数据处理模组与信号发射模组；
所述信号发射模组和所述光电传感采集模组均电性连接于所述数据处理模组；
所述信号发射模组用于向所述目标物体发射光信号；
所述数据处理模组用于处理接收到的所述数字累加信号和所述时间数字信号，并计算出目标物体的距离。
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