CN111352120B - 飞行时间测距系统及其测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行时间测距系统及其测距方法，所述测距方法包括：像素单元根据接收到的被测物体对检测光的反射光，输出初始检测值；对像素单元获取的初始检测值进行修正，获取与像素单元对应的修正检测值，以消除该像素单元受到像素阵列内其他像素单元所接收到的反射光的影响；根据所述修正检测值，计算修正后的检测距离。上述测距方法能够提高距离检测的准确性。

Description

飞行时间测距系统及其测距方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种飞行时间传感系统及其测距方法。

背景技术

飞行时间法(Time Of Flight，TOF)通过测量仪器发出的脉冲信号从发射到接收的时间间隔或激光往返被测物体一次所产生的相位差来实现对被测物体的三维结构或三维轮廓的测量。TOF测量仪器可同时获得灰度图像和距离图像，广泛应用在体感控制、行为分析、监控、自动驾驶、人工智能、机器视觉和自动3D建模等诸多领域。

飞行时间(TOF)传感器一般包括：光源模块和感光模块；所述光源模块用于发射特定波段和频率的脉冲检测光，所述检测光在被测物体的表面发生反射，反射光被所述感光模块所接收；所述感光模块根据发射光波和接收光波之间的时间差或者相位差计算出被测物体的距离信息。

但是现有技术中，特别是检测环境比较复杂的情况下，TOF传感器的检测结果会产生较大的误差。例如，在检测视场内同时存在近处物体和远处物体时，远景物体的测试距离会偏近，并且，近处物体越近、占据画面像素越多，对远景物体的检测距离影响越大。

如何进一步提高测距准确性，避免近景物体对远景物体测量准确性的影响，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种飞行时间测距系统及其测距方法，以提高测距效果。

为了解决上述问题，本发明提供了一种飞行时间测距系统的测距方法，包括：像素单元根据接收到的被测物体对检测光的反射光，输出初始检测值；对像素单元获取的初始检测值进行修正，获取与像素单元对应的修正检测值，以消除该像素单元受到像素阵列内其他像素单元所接收到的反射光的影响；根据所述修正检测值，计算修正后的检测距离。

可选的，所述修正的方法包括：将当前像素单元输出的初始检测值，减去其他像素单元的初始检测值与对应的影响因子的乘积。

可选的，各像素单元对应的影响因子均相同或者与所述像素单元与被修正像素单元之间的距离负相关。

可选的，所述修正采用的修正公式为：

其中，Q(i,j)为位置坐标为(i,j)的像素单元输出的初始检测值，Q(i,j)'是位置坐标为(i,j)的像素单元对应的修正检测值，Q(m,n)为位置坐标为(i,j)的像素单元输出的初始检测值，

为影响因子，k和γ为影响因子的修正参数，row为像素阵列内像素单元的行数，col为像素阵列内像素单元的列数。

可选的，0≤k≤1，0≤γ≤5；根据修正目标，选择合适的修正参数的数值。

本发明的具体实施方式还提供一种飞行时间测距系统，包括：光源模块，用于向被测物体发射检测光；传感模块，包括多个像素单元，每个像素单元用于接收物体对检测光的反射光，并输出初始检测值；修正模块，用于对成像区域内的像素单元获取的初始检测值进行修正，获取像素单元的修正检测值，以消除被修正像素单元受到的其他像素单元所接收到的影响值；处理模块，根据所述修正检测值，计算修正后的检测距离。

可选的，所述修正模块被配置为将当前被修正像素单元输出的初始检测值，减去其他像素单元的初始检测值与对应的影响因子的乘积。

可选的，各像素单元对应的所述影响因子均相同或者与被修正像素单元之间的距离负相关。

可选的，所述修正模块被配置为采用修正公式对初始检测值进行修正，所述修正公式为：

其中，Q(i,j)为位置坐标为(i,j)的像素单元输出的初始检测值，Q(i,j)'是位置坐标为(i,j)的像素单元对应的修正检测值，Q(m,n)为位置坐标为(i,j)的像素单元输出的初始检测值，

为影响因子，k和γ为影响因子的修正参数，row为像素阵列内像素单元的行数，col为像素阵列内像素单元的列数。

可选的，0≤k≤1，0≤γ≤5；所述修正模块用于根据修正目标，选择合适的修正参数的数值。

本发明的测距方法，通过消除周围像素单元对被修正像素单元的初始检测值的影响，对像素单元输出的初始检测值进行修正，在一定程度上消除了由于镜头散射导致的测量误差，提高的距离检测的准确性，尤其是在一定程度上消除了近处物体对远处物体检测距离产生的影响，从而在一定程度上降低了镜头结构导致的系统误差。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的测距方法流程示意图；

图2为本发明一具体实施方式的检测光脉冲、反射光脉冲与各电荷累积窗口的时序示意图；

图3为本发明一具体实施方式的修正效果图；

图4为本发明一具体实施方式的修正效果图；

图5为本发明一具体实施方式的飞行时间测距系统的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术中所述，在检测视场内同时存在近处物体和远处物体时，对于远处物体的检测距离往往会存在较大的误差。

发明人研究发现，由于近处的被测物体的反射光会先被传感阵列接收到，而由于测距系统采用的镜头物理结构原因，镜头内部会存在对光线的散射现象，这是由于镜头的物理结构所决定的系统误差，很难通过镜头结构的改变来消除这种影响。并且，在不同角度上，镜头内对光的散射效果也不同，很难针对性的根据镜头物理结构，对测量结果进行修正。

发明人进一步研究发现，近处物体的反射光在通过镜头被对应区域的像素单元接收时，部分光线会由于镜头的散射作用，被其他区域的像素单元所接收，例如被对应于远处物体的像素单元接收，导致远处物体的检测距离偏小。由于光在传播过程中的能量耗散，远处物体的反射光强度小于近处物体的反射光强度，即便近处物体的反射光中仅有小部分光被散射，但是相对于远处物体反射光的强度，光强比例也是相对较大的，因此对于远处物体的检测距离的影响也是不可忽视的。

由此，发明人另辟蹊径，从各个像素单元之间的相互影响的角度出发，通过对检测值的修正，来解决镜头结构带来的系统误差，并且取得了良好的效果。

下面结合附图对本发明提供的飞行时间测距系统及其测距方法的具体实施方式做详细说明。

请参考图1，为本发明一具体实施方式的飞行时间测距系统的测距方法的流程示意图。

所述测距方法包括如下步骤：

步骤S101：像素单元根据接收到的被测物体对检测光的反射光，输出初始检测值。

飞行时间测距系统包括传感阵列，所述传感阵列包括多个像素单元，即光学传感单元，能够将光信号转换为电信号，从而可以通过所述传感阵列将接受到的反射光转变为与反射光能量对应的一定数量的感应电荷，通过快门累积输出与反射光能量对应的初始检测值。

所述飞行时间测距系统还包括光源模块，用于向被测物体发射检测光。所述检测光为经过调制的脉冲光，所述脉冲光可以为LED光或激光等易于进行调制的光，通过所述检测光照射所述飞行时间测距系统的视场范围内的所有物体。脉冲光到达被测物体表面，会在被测物体表面被反射形成脉冲反射光信号；同时被测物体所处环境中还存在环境光。在实际的使用场景下，所述飞行时间传感器通过光学传感像素阵列获取的光信号既包括脉冲反射光还包括环境光。后续具体实施的描述中，光学传感像素阵列所接收到的反射光均指包括脉冲反射光及环境光。在其他具体实施方式中，所述检测光也可以为经过调制的具有一定周期的正弦波、方波等。

在一个具体实施方式中，每个像素单元均连接至电荷累积单元(快门)，对反射光产生的感应电荷进行累积，从而输出对应的初始检测信号。所述电荷累积单元可以为电容，将累积的电荷量转变为电信号输出。

请参考图2，为本发明的一个实施例中，一个检测帧内的检测光脉冲与各快门的电荷累积窗口的时序示意图。

其中G1所示为第一电荷累积窗口，G2所示为第二电荷累积窗口，G3为第三电荷累积窗口。LO为发出的脉冲检测光的示意图，LB为脉冲反射光示意图。

所述各电荷累积窗口G1～G3依次开启，每个窗口的持续时间均为T，检测光LO和反射光LB的脉冲宽度也为T。

第一电荷累积窗口G1用于积累环境光产生的感应电荷，输出初始检测值Q1；第二电荷累积窗口G2用于累积部分反射光产生的感应电荷，同时也包含环境光产生的感应电荷，输出初始检测值Q2；第三电荷累积窗口G3用于累积部分反射光产生的感应电荷，同时也包含环境光产生的感应电荷，输出初始检测值Q3。

在不进行修正时，当前像素单元输出的初始检测值所对应的检测距离L为：

以上是采用矩形脉冲波作为检测光时的距离计算公式，在采用其他类型的检测光时，也可以采用其他对应的计算公式。

发明人研究发现，无论采用哪种类型的检测光，每个像素单元对应接收的反射光中会有一定比例的光被散射，对其他像素单元输出的初始检测值造成影响，为了消除光散射对检测距离造成的影响，需要对每个像素单元输出的初始检测值进行修正。

步骤S102：对像素单元获取的初始检测值进行修正，获取像素单元的修正检测值，以消除被修正像素单元受到像素阵列内其他像素单元所接收到的反射光的影响。

某一像素单元对其他像素单元输出的初始检测值的影响大小与该像素单元自身接收到的光强大小相关，而接收到的光强则对应于该像素单元输出的初始检测值。因此，每个像素单元输出的初始检测值都受到其他像素单元输出的初始检测值的影响。

在本发明的一个具体实施方式中，所述修正的方法包括：将当前像素单元输出的初始检测值，减去其他像素单元的初始检测值与对应的影响因子的乘积。

在一个具体实施方式中，计算方式如下：

其中，Q(i,j)为位置坐标为(i,j)的像素单元输出的初始检测值，Q(i,j)′是位置坐标为(i,j)的像素单元对应的修正检测值，Q(m,n)为位置坐标为(i,j)的像素单元输出的初始检测值，I(i,j)为坐标为(i,j)的像素单元对应的影响因子。传感阵列的像素单元按照行、列阵列排列，总行数为row，总列数为col，该具体实施方式中，根据像素单元所在的行列数，确定其坐标。

在其他具体实施方式中，也可以以每个像素单元距离设定的原点位置处的实际距离，作为该像素单元的实际位置坐标。

在一个具体实施方式中，为了简化计算方式，可以认为每个像素单元各像素单元对应的影响因子I(i,j)均相同，I(i,j)＝k，为一常数，0≤k≤1。

进一步的，为了提高修正的准确性，所述影响因子I(i,j)可以与该像素单元所在的位置相关。由于不同位置处的像素单元对应的反射光收到散射的角度、比例会不同，所以，不同像素单元的初始检测值对被修正像素单元的初始检测值的影响也不同。各个像素单元的影响因子的具体数值，可以通过对具有标准距离的标靶多次测量，将每个像素单元输出的初始检测值所对应的初始检测距离与标靶的标准距离进行比较，进行数据拟合，获得各个像素单元对应的影响因子数值或具体的函数关系。

在其他具体实施方式中，所述影响因子I(i,j)与该像素单元与被修正像素单元之间的距离负相关。发明人研究发现，距离越远的像素单元对被修正像素单元的初始检测值影响越小，这是由于距离越远被散射的光到达被修正像素单元时，由于光程较大，光能量损耗越大，最终被接收到的光强越小，另一方面由于散射的光发散性，被散射的光到达较远处的像素单元的比例也会相应减少。

在本发明的另一具体实施方式中，采用如下公式进行修正计算：

其中，

为影响因子，k和γ为影响因子的修正参数。k和γ均为常数，不同的数值的k和γ对修正的程度有不同的影响。

所述k和γ的取值，可以通过在一定范围内抽样取值，获得对应的修正检测值，并将所述修正后检测距离与实际距离进行比较，根据修正效果和所要达到的修正要求，选择合适的k和γ的数值。

在一个具体实施方式中，选择k＝1E-7，γ＝0，对测距系统内所有像素单元输出的初始检测值进行修正后得到的修正后检测距离与远处物体的实际距离、以及初始检测距离进行比较，结果如图3所示。可见，距离近处物体的距离较远处(列数较小处)修正效果较好，修正后的检测距离基本与实际距离一致。

在另一具体实施方式中，选择k＝1E-5，γ＝0.8，对采用相同镜头的测距系统得到的修正后检测距离与远处物体的实际距离、以及初始检测距离进行比较，结果如图4所示。可见，对远处物体的修正后距离虽然波动较大，但是整体均值与实际距离保持一致，消除了近处物体与远处物体之间的距离影响。

可以在0≤k≤1，0≤γ≤5范围内，根据不同修正参数达到的修正效果，以及需要的修正目标，选择合适的修正参数。同一模组的镜头，可以采用相同的修正参数进行修正；对于不同结构的镜头，可以采用上述方法，选择不同的修正参数。

在其他具体实施方式中，k和γ的数值，可以通过对特定的镜头进行标定，以曲线拟合方式获得。具体的，在镜头的景深范围内，以TOF相机拍摄极小的点光源，获得初始检测Q值画面，其中只有一个像素点是镜头对点光源成像，其他像素点Q值即为镜头散射光造成的，因此，通过这个检测Q值画面可以获得该处像素点对其他所有像素点的影响因子。以

函数对该影响因子进行拟合，即可得到k和γ的数值。

在其他具体实施方式中，由于镜头散射对远处物体的检测距离值影响较大，对近处物体的影响较小，所以对近处物体的距离检测通常较为准确，因此，为了减少计算量，也可以仅对远处物体对应的成像区域内的像素单元输出的初始检测值进行修正，获取对应的修正检测值；而将近处物体对应的初始检测值直接作为修正检测值。

对于一特定的测距系统，根据其采用的镜头模组结构，可以预先配置好各像素单元对应的影响因子，在进行测距的过程中，直接根据配置好的影响因子对像素单元输出的初始修正值进行修正。

步骤S103：根据所述修正检测值，计算修正后的检测距离。

修正后的每个像素单元对应的检测距离L'的计算方式如下：

Q1'、Q2'和Q3'分别为某一像素单元在不同电荷累积窗口输出的初始检测值Q1、Q2和Q3进行修正后的修正后检测值。

根据检测光波的类型不同，也可以采用其他对应的计算方式计算修正后的检测距离。

上述修正后检测值，在一定程度上消除了由于镜头散射导致的测量误差，提高的距离检测的准确性，尤其是在一定程度上消除了近处物体对远处物体检测距离产生的影响，从而在一定程度上降低了镜头结构导致的系统误差。

本发明的具体实施方式还提供一种飞行时间测距系统。

请参考图5，该具体实施方式中，所述飞行时间测距系统包括：传感模块501、修正模块502、处理模块503。

所述光源模块504包括用于向被测物体发出检测光脉冲，所述检测光为脉冲检测光，所述光源模块504用于根据设定的时序，依次发出检测光脉冲。

所述传感模块501，包括多个阵列排布的像素单元，每个像素单元用于接收被测物体对检测光的反射光，并输出初始检测值；所述修正模块502，用于对成像区域内的像素单元获取的初始检测值进行修正，获取的像素单元的修正检测值，以消除该像素单元受到的其他像素单元所接收到的影响值；所述处理模块503，根据所述修正检测值，计算修正后的检测距离。

所述飞行时间测距系统还包括光源模块，用于向被测物体发射检测光。所述检测光为经过调制的脉冲光，所述脉冲光可以为LED光或激光等易于进行调制的光，通过所述检测光照射所述飞行时间测距系统的视场范围内的所有物体。脉冲光到达被测物体表面，会在被测物体表面被反射形成脉冲反射光信号；同时被测物体所处环境中还存在环境光。在实际的使用场景下，所述飞行时间传感器通过光学传感像素阵列获取的光信号既包括脉冲反射光还包括环境光。后续具体实施的描述中，光学传感像素阵列所接收到的反射光均指包括脉冲反射光及环境光。在其他具体实施方式中，所述检测光也可以为经过调制的具有一定周期的正弦波、方波等。

在一个具体实施方式中，所述修正模块502被配置为将当前被修正像素单元输出的初始检测值，减去其他像素单元的初始检测值与对应的影响因子的乘积。

在一个具体实施方式中，所述修正模块502被配置采用如下公式进行修正：

其中，Q(i,j)为位置坐标为(i,j)的像素单元输出的初始检测值，Q(i,j)′是位置坐标为(i,j)的像素单元对应的修正检测值，Q(m,n)为位置坐标为(i,j)的像素单元输出的初始检测值，I(i,j)为坐标为(i,j)的像素单元对应的影响因子。传感阵列的像素单元按照行、列阵列排列，总行数为row，总列数为col，该具体实施方式中，根据像素单元所在的行列数，确定其坐标。在其他具体实施方式中，也可以以每个像素单元距离设定的原点位置处的实际距离，作为该像素单元的实际位置坐标。

在一个具体实施方式中，为了简化计算方式，可以认为每个像素单元各像素单元对应的影响因子I(i,j)均相同，I(i,j)＝k，为一常数，0≤k≤1。

在另一具体实施方式中，各像素单元对应的所述影响因子与被修正像素单元之间的距离负相关。在本发明的另一具体实施方式中，所述修正模块502倍配置为采用如下公式进行修正计算：

其中，

为影响因子，k和γ为影响因子的修正参数。k和γ均为常数，不同的数值的k和γ对修正的程度有不同的影响。

可以在0≤k≤1，0≤γ≤5范围内，根据不同修正参数达到的修正效果，以及需要的修正目标，对所述修正模块配置合适的修正参数。具有相同模组结构的镜头的测距系统，可以采用相同的修正参数进行修正；对于不同模组结构镜头的测距系统，采用不同的修正参数。对于一特定的测距系统，根据其采用的镜头模组结构，可以预先对所述修正模块配置各像素单元对应的影响因子，在进行测距的过程中，所述修正模块直接根据配置好的影响因子对像素单元输出的初始修正值进行修正。

上述飞行时间测距系统能够对像素单元输出的初始检测值进行修正，在一定程度上消除了由于镜头散射导致的测量误差，提高的距离检测的准确性，尤其是在一定程度上消除了近处物体的反射光对远处物体的检测距离产生的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种飞行时间测距系统的测距方法，其特征在于，包括：

像素单元根据接收到的被测物体对检测光的反射光，输出初始检测值，所述初始检测值是所述像素单元实际检测值；

对像素单元获取的初始检测值进行修正，获取与像素单元对应的修正检测值，以消除该像素单元受到像素阵列内其他像素单元所接收到的反射光的影响；

根据所述修正检测值，计算修正后的检测距离；

所述修正采用的修正公式为：

其中，Q(i,j)为位置坐标为(i,j)的像素单元输出的初始检测值，Q(i,j)’是位置坐标为(i,j)的像素单元对应的修正检测值，Q(m,n)为位置坐标为(m，n)的像素单元输出的初始检测值，

为影响因子，k和γ为影响因子的修正参数，row为像素阵列内像素单元的总行数，col为像素阵列内像素单元的总列数。

2.根据权利要求1所述的飞行时间测距系统的测距方法，其特征在于，所述修正的方法包括：将当前像素单元输出的初始检测值，减去其他像素单元的初始检测值与对应的影响因子的乘积。

3.根据权利要求2所述的飞行时间测距系统的测距方法，其特征在于，各像素单元对应的影响因子均相同或者与所述像素单元与被修正像素单元之间的距离负相关。

4.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，0≤k≤1，0≤γ≤5；根据修正目标，选择合适的修正参数的数值。

5.一种飞行时间测距系统，其特征在于，包括：

光源模块，用于向被测物体发射检测光；

传感模块，包括多个像素单元，每个像素单元用于接收被测物体对检测光的反射光，并输出初始检测值；

修正模块，用于对成像区域内的像素单元获取的初始检测值进行修正，获取像素单元的修正检测值，以消除该像素单元受到的其他像素的影响；

处理模块，根据所述修正检测值，计算修正后的检测距离；

所述修正模块被配置为采用修正公式对初始检测值进行修正，所述修正公式为：

其中，Q(i,j)为位置坐标为(i,j)的像素单元输出的初始检测值，Q(i,j)'是位置坐标为(i,j)的像素单元对应的修正检测值，Q(m,n)为位置坐标为(m，n)的像素单元输出的初始检测值，

为影响因子，k和γ为影响因子的修正参数，row为像素阵列内像素单元的总行数，col为像素阵列内像素单元的总列数。

6.根据权利要求5所述的飞行时间测距系统，其特征在于，所述修正模块被配置为将当前被修正像素单元输出的初始检测值，减去其他像素单元的初始检测值与对应的影响因子的乘积。

7.根据权利要求6所述的飞行时间测距系统，其特征在于，各像素单元对应的所述影响因子均相同或者与被修正像素单元之间的距离负相关。

8.根据权利要求5所述的飞行时间测距系统，其特征在于，0≤k≤1，0≤γ≤5；所述修正模块用于根据修正目标，选择合适的修正参数的数值。

Images