CN111413706A - 用于光学测距的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学测距方法，尤其是利用时间相关的单光子计数，其中降低了存储需求和积分周期损失且提高了测距的精确度。其中由至少一个发射器(12)发射若干光学测量脉冲，其中光学测量脉冲在物体上反射，其中由至少一个接收器(14)检测被反射的光学测量脉冲的光子，其中检测到的光子的光飞行时间的第一分布(23)被确定，其中将光飞行时间的第一分布(23)储存在存储单元(24)的第一存储区域(25)中，其中将光飞行时间的第一分布(23)分配给第一多个时间间隔的时间间隔，其中在减少步骤中利用低通滤波器来减少或抑制高于预定截止频率的光飞行时间的第一分布(23)的频率部分，以便产生光飞行时间的第二分布(29)，其中将光飞行时间的第二分布(29)分配给第二多个时间间隔的时间间隔，且其中将低通滤波器(28)的阻塞频率选择为小于或等于第二多个时间间隔中的最小间隔宽度(39)的倒数值的一半。

Description

用于光学测距的方法和装置

本发明涉及一种光学测距方法，尤其是利用时间相关的单光子计数，其中由至少一个发射器发射若干光学测量脉冲，其中所述光学测量脉冲在物体上反射，其中由至少一个接收器检测被反射的光学测量脉冲的光子，其中确定检测到的光子的光飞行时间的第一分布，其中将光飞行时间的第一分布储存在存储单元的第一存储区域，且其中将光飞行时间的第一分布分配给第一多个时间间隔中的时间间隔。

本发明还涉及用于光学测距的装置，尤其是利用与时间相关的单光子计数的光学测距装置。

背景技术

光学测距方法，特别是用于车辆的无人驾驶导航的光学测距方法，是基于飞行时间的原理。在大多数情况下，使用采样传感器，优选LIDAR传感器(“光检测和测距”(LightDetection and Ranging)的缩写)，该传感器定期发射测量脉冲。测量脉冲被物体反射并检测被反射的测量脉冲的光子。利用光速，可以得出结论，即从发射器到物体再到接收器的检测到的测量脉冲的光子的测量的飞行时间分布，得出到物体的距离。

可以从申请人的EP 3 168 641 A1中知晓一种用于光学测距的方法和装置。在该方法的情况下，使用用于发射测量脉冲的发射器矩阵和用于接收测量脉冲的接收器矩阵，其中发射器矩阵的发射器只激活子量。

在通过时间相关的单光子计数进行光学测距的方法(简称：TCSPC测距)的情况下，在整个距离范围内需要直方图存储器，其存储了在许多积分周期中检测到的光子事件。因此，事件是所检测的光子之一的测量的光飞行时间。在积分周期结束后，需要将直方图存储器中的数据传输到数据处理单元，以进行进一步处理和评价。在传输期间，直方图存储器无法用于其他的积分周期。由于在传输期间必须暂停测距的实际情况，这造成积分周期的显著损失并因此大大降低了测距的质量。

现有技术中已知的所谓的乒乓存储器，其能在传输期间继续进行测距。乒乓存储器包括两个大小相同的存储器区域A和B，其中在第一积分周期中，首先向第一存储器A分别填充数据或事件。在从存储器A到数据处理单元的数据传输期间，向第二存储器B填充数据。因此，乒乓存储器的使用导致存储需求加倍。这在ASIC集成(专用集成电路)的情况下是特别不利的，因为必要的附加存储器需要大的芯片表面和更大的功率。

现有技术中已知的用于光学测距的方法的另一个问题是，测距的高采样频率和/或高分辨率会产生大量数据，这些数据必须在非常短的时间间隔中进行传输和评价。与此相关的高数据传输率只能以复杂且昂贵的方式来提供。或者，必须降低测距的采样频率和分辨率。

发明内容：目的、技术方案、有益效果

本发明的目的是，提供一种用于光学测距的方法和装置，尤其是利用时间相关的单光子计数，其中降低了存储需求和积分周期损失。进一步提高了测距的精确度。

为了解决本发明的目的，提出了一种用于光学测距的方法，其尤其利用时间相关的单光子计数，其中由至少一个发射器发射若干光学测量脉冲，其中所述光学测量脉冲在物体上反射，其中由至少一个接收器检测被反射的光学测量脉冲的光子，其中确定检测到的光子的光飞行时间的第一分布，其中将光飞行时间的第一分布储存在存储单元的第一存储区域中，其中将光飞行时间的第一分布分配给第一多个时间间隔中的时间间隔，其中，在减少步骤中，利用低通滤波器来减少或抑制高于预定截止频率的光飞行时间的第一分布的频率部分，从而产生光飞行时间的第二分布，其中将光飞行时间的第二分布分配给第二多个时间间隔中的时间间隔，并且其中将低通滤波器的阻塞频率选择为小于或等于所述第二多个时间间隔中最小间隔宽度的倒数值的一半。

所述发射器尤其是光发射器并且可以形成为表面发射器或VCSEL(垂直腔表面发射激光器)。所述接收器可以形成为SPAD(单光子雪崩二极管)。

为了抵消混叠效应，优选根据本发明选择阻塞频率来满足奈奎斯特-香农采样定理，也称为奈奎斯特定理。

优选地，因此选择低通滤波器的阻塞频率和第二多个时间间隔的最小间隔宽度作为彼此的函数。如果已经为低通滤波器选择了阻塞频率，则第二多个时间间隔的最小间隔宽度应选择为小于或等于阻塞频率倒数值的一半。反之亦然，如果首先选择第二多个时间间隔的最小间隔宽度，则将低通滤波器的阻塞频率选择为小于或等于所述第二多个时间间隔中最小间隔宽度的倒数值的一半。

如果第二多个时间间隔的所有时间间隔具有相同的间隔宽度，则第二多个时间间隔的所有时间间隔的所有间隔宽度应选择为小于或等于所述阻塞频率的倒数值的一半。

预定截止频率优选为低通滤波器的阻塞频率，或者预定截止频率对应于低通滤波器的阻塞频率。

将光飞行时间的分布分配给第一或第二多个时间间隔中的时间间隔，对应于制作光飞行时间的分布的直方图。所述分配还可以通过将光飞行时间的第一分布和/或光飞行时间的第二分布储存在数据结构中来实现，其中相应的数据结构优选地分别是直方图或显示直方图的数据结构，例如列表或数组。分配给第一或第二多个时间间隔中的时间间隔的光飞行时间的第一或第二分布在下文也将称为制作直方图、直方或分组(binning)。就本发明而言，这些术语可以视为等同并且可以被等同地使用。

可以适当选择测量脉冲的脉冲持续时间。测量脉冲可以尤其短于100ns，优选地短于50ns，特别优选地短于20ns，更优选地短于10ns，最优选地短于或等于5ns，甚至更优选地约为1ns。

更优选地可以规定，测量脉冲的上升和/或下降时间小于5ns，更优选地小于2ns，特别优选地小于或等于1ns，更优选地小于或等于0.5ns，甚至更优选地小于或等于0.2ns，最优选地小于或等于0.1ns。

至少一个接收器检测反射在物体上的光学测量脉冲的光子。可以确定每个检测到的光子的光飞行时间，从传输相应测量脉冲的时间点开始，直到接收器检测到光子。如果发射多个光学测量脉冲并且因此接收到所发射的测量脉冲的多个光子，则可以确定检测到的光子的光飞行时间的第一分布。

所述光飞行时间的第一分布优选地在几个积分周期中被确定，并且储存在存储单元的第一存储区域中。

所述光飞行时间的第一分布可以储存在数据结构中。所述数据结构优选地分别是直方图或显示直方图的数据结构，例如列表或数组。

以这种方式确定的光飞行时间的第一分布可以具有统计波动和噪声信号，然而，不包括任何距离或范围信息。

由于从发射器(例如从VCSEL发射器)发射完美的Dirac脉冲在技术上是不可能的，因此测量脉冲始终具有最小的持续时间。该最小持续时间可以被测量部分延长，但不能被缩短。因此，由发射器发射的优选为脉冲的激光束具有垂直于传播方向的有限横截面。如果测量脉冲或激光束分别撞击倾斜的物体，则反射面积在传播方向上增加，因此，相对于所检测的测量脉冲持续时间，光飞行时间的第一分布被拉伸。由于在发射器和/或接收器相对于物体的相对速度下的多普勒效应，进一步导致光飞行时间的第一分布变宽。另外，发射器，例如激光器，例如激光二极管或VCSEL激光器，具有一定的上升和下降时间，通常大小在0.1ns至5ns之间。因此，在上升和下降时间以下的时标上的信号部分不携带任何范围信息。由于这些关系，可以假设存在与最小时间间隔的倒数相对应或成比例的截止频率，在该截止频率之上，测量脉冲的范围信息不再可用。

可以将光飞行时间的第一分布中的统计波动或噪声信号翻译为光飞行时间的第一分布的频率部分，例如作为傅立叶分解的一部分。通过执行减少步骤，从而利用低通滤波器来减少或抑制高于预定截止频率的光飞行时间的第一分布的频率部分，从而产生光飞行时间的第二分布，可以减少或抑制这些频率部分，特别是统计波动或噪声信号，而不会丢失关于测距的范围信息。由此可以实现数据量的减少，而不会显著降低测距的质量。

所获得的光飞行时间的第二分布可以具有较小的存储需求，从而尤其可以放弃使用乒乓存储器。减少存储需求的另一个优点是，可以减少必须暂停测距以进行数据传输的时间。

所述低通滤波器也可以形成为带通滤波器。带通滤波器仅允许某个频带或通带的信号通过。通带区域下方和上方的频率区域因此被阻塞或被明显减弱。因此，相对于通带区域上方的频率区域的带通滤波器的作用类似于低通滤波器。

优选地，所述光飞行时间的第二分布的最小间隔宽度大于所述光飞行时间的第一分布的时间间隔的至少一个间隔宽度。

优选地可以规定，将所述光飞行时间的第二分布储存在所述存储单元的第二存储区域中，其中所述第二存储区域优选地小于所述第一存储区域。

所述光飞行时间的第二分布也可以储存在数据结构中。所述数据结构优选地分别是直方图或形成直方图的数据结构，例如列表或数组。

通过执行减少步骤，其中利用低通滤波器减少或抑制高于预定截止频率的光飞行时间的第一分布的频率部分，光飞行时间的第一分布可以变平滑，从而使光飞行时间的第二分布具有更平滑的趋势。尤其可以分别滤除或减少统计波动和噪声信号。

在直方图显示光飞行时间的第二分布的情况下，因此分别需要较少的时间间隔或区间(bin)。对于用于储存光飞行时间的第二分布的数据结构，这意味着可以减少进行这种储存所需的存储需求。因此，第二存储区域可以被选择为小于第一存储区域。由于使用较小的第二存储区域来储存光飞行时间的第二分布，因而降低了总的存储需求，从而克服了使用乒乓存储器的缺点，并且不会导致测量结果变差。光飞行时间的平滑分布传输到第二存储区域和/或从第二存储区域传输出来进一步需要更少的时间，因此与现有技术的方法相比，测距必须被中断或暂停的时间段更短。

所述第二存储区域优选地比所述第一存储区域小至少25％，更优选地至少50％，特别优选地至少75％，最优选地至少87.5％。

所述第二存储区域优选地比所述第一存储区域小至少1.33的抽取因子，更优选地至少2，特别优选地至少4，更优选地至少8。

响应于在减少步骤中产生光飞行时间的第二分布，没有丢失用于测距的使用信息，这也是为什么这可以称为无损压缩的原因。

进一步地可以规定，在执行减少步骤时没有光学测量脉冲被传输和/或被检测到。

通过这种措施，可以降低用于执行该方法的装置的能量需求和所需的计算能力。

优选地可以规定，在减少步骤期间和/或将光飞行时间的第二分布储存在第二存储区域期间，没有光学测量脉冲被至少一个发射器发射和/或没有光飞行时间的第一分布被确定和/或没有光飞行时间的第一分布被储存在第一存储区域中。

换句话说，可以在减少步骤期间和/或在将光飞行时间的第二分布储存在第二存储区域期间短暂地中断数据收集。这样做的优点是，不需要额外的存储区域，其中在减少步骤期间和/或在将光飞行时间的第二分布储存在第二存储区域期间必须暂时储存光飞行时间的进一步的第一分布。为了减少并将减少的光飞行时间的第二分布储存到第二存储区域的目的，从第一存储区域对光飞行时间的第一分布的读出必须尤其不能被中断，以进行将光飞行时间的进一步的第一分布写入到第一存储区域中的写入操作。

此外可以规定，从第二存储区域中读出光飞行时间的第二分布，其中在第二存储区域的读出期间，由至少一个发射器发射光学测量脉冲，和/或尤其进一步的是，确定检测到的光子的光飞行时间的第一分布，和/或尤其进一步的是，将光飞行时间的第一分布存储在存储单元的第一存储区域中，其中尤其进一步的是，将光飞行时间的第一分布分配给第一多个时间间隔中的时间间隔。

可以从第二存储区域中读出光飞行时间的第二分布，并且可以将其传输到计算单元或数据处理单元，以进行进一步处理。根据光飞行时间的第二分布，计算单元或数据处理单元可以确定(例如)光平均飞行时间，并且利用光速值可以确定到在其上光学测量脉冲被反射的物体的范围。

与读出光飞行时间的第二分布同时，可以在该方法的另一个循环中确定光飞行时间的进一步的第一分布。由此产生的优点是，不必为了读取光飞行时间的第二分布和确定物体范围而中断数据收集。由于减少的光飞行时间的第二分布比光飞行时间的第一分布需要更少的存储空间，第二存储区域可以显著小于第一存储区域。与乒乓存储器相比，尤其减少了存储需求。此外，从第二存储区域中读出第二分布所需要的时间更少，从而可以减少所需的数据处理资源并将其用于其他任务，例如数据收集。更优选地可以规定，所述第二多个时间间隔比所述第一多个时间间隔包括更少的时间间隔。

所述减少步骤和直方图制作与减少时间间隔数目的组合也可分别称为抽取或采样率转换或“下采样”。

因此，特别优选地，分别将抽取方法、用于采样率转换的方法或下采样方法用于光飞行时间的第一分布，特别是针对其制作直方图的光飞行时间的第一分布，即储存在相应数据结构中的光飞行时间的第一分布。

通过使用抽取方法和/或下采样方法，可以减少对第二存储区域的存储需求，而不会降低测距的质量。

与从一开始就减小范围分辨率相反，即增加第一多个时间间隔的时间间隔、抽取或采样率转换的优点在于，通过抽取光飞行时间的第一分布消除或降低了较大一部分的均匀分布的噪声。

由于所述第二多个时间间隔比第一多个时间间隔包括更少的时间间隔，因此对于相应的数据结构，在第二存储区域中还需要更小的存储需求，从而尤其是以无损方式实现了对光飞行时间分布的压缩。

该优点基于以下认识，即光飞行时间的第一分布可以被翻译为电信信号，对此可以使用电信手段和方法。在光学测距方法领域的现有技术中，尤其是利用时间相关的单光子计数的方法中，这一令人惊讶的知识是未知的。

更优选地可以规定，所检测的光子的光飞行时间与各自的光学测量脉冲的传输的时间点相关。

由于该相关性，检测到的光子所对应的光飞行时间对应于从发射器到物体以及从物体到接收器的距离之和除以光速。

更优选地可以规定，所述第一多个时间间隔和/或第二多个时间间隔的时间间隔具有不同的大小。

因此，所述第一多个时间间隔可以具有与第一距离分辨率相应的第一间隔宽度的时间间隔，以及与第二距离分辨率相应的第二间隔宽度的时间间隔。对于近场分辨率，例如，可以选择与4cm分辨率相应的时间间隔，而对于中场和远场分辨率，可以选择与8cm距离分辨率相应的时间间隔。

类似地，所述第二多个时间间隔可以具有与第一距离分辨率相应的第一间隔宽度的时间间隔，以及与第二距离分辨率相应的第二间隔宽度的时间间隔。

由于特别是在远场或中场中不需要非常高的分辨率，可以通过相应地不同选择的间隔宽度来进一步降低存储需求。

所述第一存储区域和第二存储区域中的各个时间间隔尤其可以通过相应数据结构的地址LSB(最低有效位)来寻址。

地址LSB优选地对应于更高分辨率上的距离步长。例如，可以通过忽略地址LSB来实现距离减少2倍。

所述减少步骤优选地仅针对光飞行时间的第一分布和/或所述第一多个时间间隔的子区域执行，和/或为光飞行时间的第一分布和/或第一多个时间间隔的不同子区域选择不同的截止频率。

例如可能的是，针对第一多个时间间隔可以规定，第一间隔宽度的时间间隔对应于第一距离分辨率，尤其是对应于近场分辨率，第二间隔宽度的时间间隔对应于第二距离分辨率，尤其是对应于中场和/或远场分辨率，并且可能为第一间隔宽度的时间间隔选择比第二间隔宽度的时间间隔更高的截止频率。在减少步骤之后，因此减少了存储需求，特别是对于远场。当第一多个时间间隔中的所有时间间隔具有相同的间隔宽度时，也能够选择不同的截止频率。如果为中场和/或远场分辨率选择了更低的截止频率，则可以降低时间间隔的第二分布的存储需求。通常还可以这样选择近场和中场或远场的截止频率：在近场、中场和远场的整个检测区域中，光飞行时间的第二分布具有统一的距离分辨率。

特别优选地可以规定，将预定截止频率选择作为低通滤波器的截止频率或阻塞频率，并由光学测量脉冲的脉冲宽度和/或脉冲上升时间来确定。

通过脉冲上升时间和/或脉冲宽度确定截止频率或阻塞频率时，可以这样降低和/或抽取光飞行时间的第一分布或相应从其确定的直方图，或相应的数据结构：仅光谱部分(包括分别用于测距的脉冲能量或距离信息)必须以光飞行时间的第二分布的形式进行储存和评价。

可以首先将第二多个时间间隔中的最小间隔宽度选择为等于光学测量脉冲的脉冲宽度的一半或脉冲上升时间的一半。然后，这样选择低通滤波器的阻塞频率：使其小于或等于最小间隔宽度的倒数值的一半。然后，所述阻塞频率小于或等于所述光学测量脉冲的脉冲宽度或脉冲上升时间的倒数值。因此，低通滤波器不允许光脉冲中发生时间比光学测量脉冲的脉冲宽度或脉冲上升时间的频率部分时标更短的任何频率部分通过。通过组合选择低通滤波器的阻塞频率和第二多个时间间隔的最小间隔宽度，同时满足了奈奎斯特-香农定理，也称为奈奎斯特定理。

可以这样进一步选择低通滤波器的截止频率或阻塞频率：使其对应于分别携带测量脉冲或光飞行时间的第一分布范围信息的最高频率。

还可以规定，截止频率对应于光飞行时间的第一分布的傅立叶分解的频率，其中高于截止频率的频率占光飞行时间的第一分布优选地小于20％，更优选地小于10％，特别优选地小于5％，最优选地小于1％。

可以分别将光飞行时间的第一和/或第二分布或由其确定的直方图或数据结构翻译为电信信号，可以通过频域中的傅立叶分解对其进行分析。因此，仅低于截止频率的频率部分携带用于测距的范围信息，该截止频率例如由上升时间或脉冲宽度确定。

同时地或可替代地，所述截止频率不仅可以由脉冲上升时间或脉冲宽度来确定，而且还可以这样选择，即仅抑制或减少被翻译为电信信号的光飞行时间的分布的预定信号部分。

所述低通滤波器的截止频率或阻塞频率可以是这样的频率，在该频率处信号被衰减小于5dB，优选地小于4dB，特别优选地小于3dB，特别优选地小于2dB。

所述截止频率的选择还可以进一步为其他因素的函数。因此，天气效应也可以用于定义所述截止频率。天气效应分别以脉冲形式或在光飞行时间的分布过程中出现。

所述阻塞频率优选地分别对应于第二多个时间间隔或对应的直方图的距离分辨率的一半。

可以这样选择所述低通滤波器的阻塞频率：使得高于阻塞频率时发生至少20dB衰减，优选地至少40dB，特别优选地至少60dB。

如果所述低通滤波器被形成为带通滤波器，则所述低通滤波器的截止频率或阻塞频率优选地应理解为所述带通滤波器的上限截止频率或上限阻塞频率。因此，优选地将所述低通滤波器的阻塞频率理解为所述带通滤波器的上限阻塞频率。

DC或直流噪声偏移优选地可以利用高通滤波器从光飞行时间的第一分布中除去，尤其是当特别组合的高通和低通滤波器的通带区域位于最大期望脉冲宽度的频率处时。

更优选地可以规定，所述低通滤波器是多相滤波器，和/或所述低通滤波器执行所述光飞行时间的第一分布的多相分解。所述低通滤波器和/或多相滤波器可以进一步被形成为波数字滤波器或多相分解波数字滤波器。

所述低通滤波器还可以被形成为中值滤波器。其他合适的低通滤波器设计也是可以想到的。

通过将低通滤波器形成为多相滤波器或通过对光飞行时间的第一分布执行多相分解，可以显著减少执行所述减少步骤所需的时间段。因此也可以减少未执行测量脉冲积分的时间段。由此加快了用于光学测距的方法并提高了测量结果的质量。

多相分解的使用有利地减少了乘法步骤(multiplication steps)，这对于减少和抑制更高频率部分是必需的。从而可以节省计算时间。

尤其优选地可以规定，提供若干发射器和/或若干接收器，并确定光飞行时间的若干第一分布，并且在所述减少步骤中利用至少一个低通滤波器减少或抑制高于至少一个预定截止频率的光飞行时间的若干第一分布的频率部分，从而产生光飞行时间的若干第二分布。

以一种特别优选的方式，适于该方法的装置因此可以具有若干发射器和/或若干接收器，它们更优选地以发射器矩阵和/或接收器矩阵的形式布置。因此，发射器矩阵或接收器矩阵分别由发射器或接收器的列形状和行形状布置组成。一种适于该方法的装置包括发射器矩阵和接收器矩阵，其产生极高的数据速率并且需要分别用于处理光飞行时间的分布或相应的直方图的相应较高的数据处理资源或者数据结构。作为计算示例，可以假设一种装置，该装置在发射器矩阵或接收器矩阵中具有100x 128个发射器和/或100x 128个接收器。为了达到4cm的测距分辨率，所述直方图的时间分辨率必须为266ps，对应于3.76GHz的采样率。因此，覆盖200m距离的直方图包含5,000个直方区间(histogram bin)。所述直方区间可以具有8位分辨率。如果假设采样率为25Hz，则每秒将传输320,000个直方图，对应于12.8Gbit/s的数据速率。如此高的数据速率对电子部件以及装置功耗和数据处理速度提出了极高的要求。

如果这样对光飞行时间的若干第一分布执行减少步骤，则可以大大降低数据传输速率，从而可以降低用于该方法和用于实施该方法的装置的成本。

更优选地可以规定，在减少步骤中以并行方式执行频率部分的减少或抑制。

所述减小步骤尤其可以并行地分别用于从光飞行时间的第一分布生成的直方图或者是相应的数据结构。从而可以在直方区间的不同子量上(即在第一多个时间间隔中的时间间隔的子量上)并行执行所述减少步骤。

如果被提供用于执行所述方法的装置被形成为具有发射器矩阵和接收器矩阵，使得特别地分别为发射器矩阵的每个发射器确定并储存光飞行时间的单独的第一分布或单独的第一直方图，则可以在减少步骤中并行地分别抽取或压缩光飞行时间的多个第一分布或多个直方图。所述减少步骤的并行执行可以借助于相应的硬件来进行，例如借助于相应地由数据处理单元形成或形成为软件实施的一部分的若干计算单元。

进一步优选地规定，在光飞行时间的第二分布中确定至少一个最大值，优选地利用匹配滤波器。

光飞行时间分布的最大值优选地对应于测量脉冲从发射器到物体再到接收器的光飞行时间。

由于测距的所有范围信息分别包含在光飞行时间的第二分布或相应的直方图或数据结构中，匹配滤波器或脉冲探测算法分别可用于光飞行时间的第二分布的抽取的、压缩的或减少的数据，这通过抽取或压缩因子降低了计算量。

更优选地可以规定，分配给第二多个时间间隔的光飞行时间的第二分布的值被内插。

基于第二多个时间间隔中的时间间隔的间隔宽度，第二多个时间间隔对应于距离分辨率。归因于值的内插，第一多个时间间隔的更精确的距离分辨率可完全被重建，或甚至可提高到超过第一多个时间间隔的初始距离分辨率，因为可以利用区间中的概率分布，特别是利用关于测量脉冲的脉冲宽度和脉冲上升时间的信息来获得光飞行时间的第二分布中的关于脉冲位置的更多精确信息，特别是关于最大值的位置。这种内插也分别称为“上采样”或内插滤波或采样率转换。

为了获得初始乃至更高的距离分辨率，因而随后可以在光飞行时间的第二分布中再次内插优选利用匹配滤波器发现的最大值周围的有限区域。对于内插，可在高频(即，高距离分辨率)处直接使用匹配滤波器，因为所述匹配滤波器优选地也是低通滤波器。匹配滤波器可以特别地形成以识别高斯曲线形式的脉冲。

更优选地规定，在光飞行时间的第二分布的支撑值之间确定光飞行时间的第二分布的值，特别是进行内插,其中所述支撑值优选地对应于第二多个时间间隔的时间间隔的中心值。

然而，内插还可以用于光飞行时间的第一分布，使得分配给第一多个时间间隔的光飞行时间的第一分布的值被内插。因而可以获得更精确的距离分辨率，甚至不需要首先执行减少步骤。

然后，更优选地可以规定，光飞行时间的第一分布的支撑值之间的光飞行时间的第一分布的值被确定，特别是进行内插，其中所述支撑值优选地对应于第一多个时间间隔的时间间隔的中心值。

进一步优选地可以规定，利用低通滤波器来执行值的确定，特别是内插，其中所述低通滤波器优选是匹配滤波器。

这种类型的方法也称为上采样。因此，优选地在光飞行时间的第二分布的最大值周围的有限区域或间隔中执行上采样，该最大值是利用匹配滤波器发现的。

优选地可以规定，在执行减少步骤之前在光飞行时间的第一分布中确定短的或强局部化的脉冲。

当从其反射测量脉冲的物体是强反射物时，可能会出现短的或高度局部化的脉冲。强反射物反射许多发射的测量脉冲的光子，以便可在一个或几个交互作用周期之后已经确定光飞行时间的第一分布中的有效的最大值(significant maximum)。如此高且急剧局部化的最大值适合以特别有利的方式快速地确定到物体的距离。

因而，有利的是，在执行减少步骤之前或与减少步骤并行地分别在光飞行时间的第一分布或相应的数据结构上使用检测算法,以便识别短的和/或强局部化的最大值。然后，可在不执行减少步骤的情况下处理和/或评价强局部化的最大值，优选地在单独的数据处理路径中。

优选地规定，对完成的直方图执行减少步骤，所述直方图特别是包括短的和/或高度局部化的最大值。

更优选地可以规定，在单独的数据处理路径和/或评价步骤中评价所确定的短的和/或高度局部化的脉冲和光飞行时间的第一分布和/或光飞行时间的第二分布。也可能的是，在进一步评价之前，将所确定的短的和/或高度局部化的脉冲与光飞行时间的第二分布相结合。

本发明基于的目的的另一个方案在于提供一种用于光学测距的装置，特别是利用时间相关的单光子计数，其特别地形成用于执行上述方法，包括至少一个光发射器和至少一个光接收器，数据处理单元和包括至少两个存储区域的存储装置,其中数据处理单元被形成，以确定检测到的光子的光飞行时间的第一分布并将所述光飞行时间的第一分布储存在所述存储单元的第一存储区域中,其中所述数据处理单元被形成，以将光飞行时间第一分布分配给第一多个时间间隔的时间间隔，其中所述数据处理单元具有低通滤波器和/或其中在所述数据处理单元中实施低通滤波器，其中所述数据处理单元被形成，以在减少步骤中利用低通滤波器减少或抑制高于预定截止频率的光飞行时间的第一分布的频率部分，以便产生光飞行时间的第二分布，其中所述数据处理单元被形成，以将光飞行时间的第二分布分配给第二多个时间间隔的时间间隔，且其中所述低通滤波器的阻塞频率小于或等于所述第二多个时间间隔的最小间隔宽度倒数值的一半。

所述装置，更特别是所述数据处理单元或存储装置可特别地被形成，以根据上述方法执行方法步骤。

优选地规定，数据处理单元被形成以将光飞行时间的第二分布储存在第二存储区域中，其中所述第二存储区域更优选地小于所述第一存储区域。

特别是在实施具有ASIC的装置的情况下，与使用兵乓存储器有关的高成本可以被降低。

更优选地可以规定，所述装置被形成以在执行减少步骤时不发射任何光测量脉冲。

可另外地规定，所述低通滤波器是多相滤波器，和/或所述低通滤波器执行光飞行时间的第一分布的多相分解。

因此，所述多相滤波器可以形成为FIR滤波器或多相FIR滤波器。所述低通滤波器和/或所述多相滤波器可以进一步地形成为波数字滤波器或多相分解波数字滤波器。

进一步地可以规定，提供若干发射器和/或若干接收器，确定光飞行时间的若干第一分布，在减少步骤中利用至少一个低通滤波器减少或抑制高于至少一个预定截止频率的光飞行时间的若干第一分布的频率部分。

此外，优选地规定，将若干发射器和/或若干接收器布置在发射器矩阵和/或接收器矩阵中，其中可以对检测区域进行采样，优选按顺序地采样，优选地通过选择性地控制若干发射器的子量和/或若干接收器的子量。

通过使用矩阵形式的若干发射器和若干接收器和对检测区域按顺序采样，产生了相当大量的光飞行时间的第一分布。因此，可通过使用低通滤波器或装置的低通滤波器显著地降低传输数据所需的高数据速率，以使得更快和计算不那么密集的测距成为可能。其中无积分周期可以执行的时间段是特别高度减少的。进一步地可以规定，所述数据处理单元被形成以按照并行方式执行频率部分的减少或抑制。

进一步地可以规定，所述数据处理单元具有用于确定短的或高度局部化的脉冲的检测算法，优选光飞行时间的第一分布中的最大值，所述数据处理单元被优选地形成，以在单独的的数据处理路径中传输和/或评价确定的短脉冲和光飞行时间的第一分布和/或光飞行时间的第二分布。

本发明基于的目的的另一个方案由计算机程序产品组成，所述计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上储存有程序，在其已载入计算机的存储器之后，所述程序可使计算机执行上述方法，任选地与上述装置配合使用。

附图简要说明

下文将根据附图更详细地描述本发明，其中

图1展示一种用于光学测距的装置，特别是利用时间相关的单光子计数，包括低通滤波器，

图2以第一直方图的形式展示光飞行时间的第一分布的图例，

图3以第二直方图的形式展示光飞行时间的第二分布的图例，

图4以第三直方图的形式展示光飞行时间的第三分布的图例，

图5展示一种用于光学测距的方法的流程图，

图6以另一直方图的形式展示光飞行时间的分布的图例，其中包括高度局部化的最大值，及

图7展示评价两个数据路径中光飞行时间分布的图表。

具体实施方式

图1展示一种光学测距装置100，其尤其利用时间相关的单光子计数。

装置100具有发射器矩阵10和接收器矩阵11。发射器矩阵包括发射器12，其形成为VCSEL二极管13。

接收器矩阵包括接收器14，其形成为单光子雪崩二极管(SPAD)15。发射器矩阵10的发射器12布置为16行17列。接收器矩阵11的接收器14类似地布置为18行19列。为清楚起见，未图示所有的发射器12和接收器14。以此种方式形成装置100：发射器12的子群可以按顺序激活，且接收器14的子群可按顺序激活。因此，相应地激活的发射器12发射光测量脉冲，其反射在物体上，且由接收器14以反射光子的形式检测。

发射器矩阵10和接收器矩阵11经由数据线20、21连接至数据处理单元22。

数据处理单元22被形成，以根据测量到的光子的光飞行时间来确定光飞行时间的第一分布23并将它们储存在存储单元24中。存储单元包括第一存储区域25和第二存储区域26，其中，第二存储区域26具有比第一存储区域25更小的容量。数据处理单元22被形成，以将确定的光飞行时间的第一分布23分配给第一多个时间间隔中的时间间隔，并将它们储存在第一存储区域25中的数据结构中，其中数据结构显示第一直方图27。

数据处理单元22进一步地被形成，以分别将储存在光飞行时间的第一存储区域25的第一分布23或储存的第一直方图27处理为电信信号。为了达到这个目的，在数据处理单元22中设置低通滤波器28或利用软件来实施，其具有截止或阻塞频率。在减少步骤中，利用低通滤波器28来减少或抑制高于预定截止频率的光飞行时间的第一分布23的部分频率，以便产生光飞行时间的第二分布29。数据处理单元22被形成，以将光飞行时间的第二分布29分配给第二多个时间间隔中的时间间隔，并将它们储存在第二存储区域26中的数据结构中，其中，数据结构显示第二直方图30。在执行减少步骤和将数据从第一存储区域25传输至第二存储区域26时，优选地，没有测量脉冲通过发射器单元10发射。

将在下文中更详细地描述通过数据处理单元22执行减少步骤。

图2展示通过将光飞行时间的第一分布23分配给第一多个时间间隔中的时间间隔而产生的第一直方图27。第一直方图27由数据处理单元22和存储单元24中的相应数据结构来表示。因而，第一直方图27是储存在第一存储区域25中的光飞行时间第一分布23的图示。光飞行时间t显示在直方图27的X轴上，光飞行时间的时间间隔中检测到的光子数目N显示在直方图27的Y轴上。直方图27的时间轴t相应于时间间隔被划分成区间31。每个区间31中的值N对应于光飞行时间t在几个积分周期内检测到的光子数。每个区间31的间隔宽度32等同于Δt。光飞行时间的第一分布23具有简明的最大值(concise maximum)33。到物体的距离可以由相应于最大值33的位置的光飞行时间和光速来确定。为其作出直方图的光飞行时间的分布23具有统计波动34。可进一步检测噪声信号35，其不可以分配给测量脉冲。波动34或噪声信号35分别出现在比测量脉冲的脉冲宽度36更短的时间标尺上。从频域来看，例如，在傅立叶分解之后，这些波动34和噪声信号35对应于高频信号部分。必要的是，波动34和噪声信号35不包括任何测距的范围信息。

根据本发明，直方图27中图示的光飞行时间的第一分布23翻译为电信信号，且其在减少步骤中通过低通滤波器28大幅度降低。为了达到这个目的，以此种方式定义低通滤波器28的截止或阻塞频率：对应于波动34和噪声信号35的更高频率被抑制。特别地，以此种方式选择截止或阻塞频率，其对应于测量脉冲的脉冲宽度36或脉冲上升时间37的倒数。

通过使用低通滤波器28获得的光飞行时间的第二分布29展示于图3中。光飞行时间的第二分布29以第二直方图30的形式图示。第二直方图30的区间38具有比第一直方图27的区间31更大的间隔宽度39。第二直方图30的区间38的间隔宽度39，例如，是测量脉冲的脉冲宽度35的一半或脉冲上升时间36的一半。如从图3的图示中可以看出的，来自第一直方图27的波动34或噪声信号35在通过低通滤波器28产生的光飞行时间的第二分布29中被高度抑制或不再存在。归功于第二直方图30的区间38的更大间隔宽度39，在存储单元24的第二存储区域26中需要更小的内存来储存相应于第二直方图30的数据结构。因此，第二直方图30中显示的光飞行时间的第二分布29包含所有的范围信息。

可通过数据处理单元22借助于匹配滤波器来确定光飞行时间的第二分布29的最大值40的位置。为了达到这个目的，可借助于光飞行时间的第二分布29的事件N的内插来恢复光飞行时间的第一分布23的分辨率。甚至有可能将分辨率提高到超过光飞行时间的第一分布的分辨率。

这可以如下来发生。第二低通滤波器可分别用于光飞行时间的第二分布29或第二直方图30。第二低通滤波器优选为匹配滤波器。使用第二低通滤波器或匹配滤波器分别在区间38的中心值之间提供中间值，其在图4中以光飞行时间的第三分布41的形式图示。光飞行时间的第三分布41的值可同样地借助于第三直方图42来表示。

如图4中清晰可见的是，对光飞行时间的第二分布29使用第二低通滤波器导致更好的距离分辨率，即，更精确地确定测量脉冲的最大值43的位置。为了达到这个目的，在匹配滤波器中可包括关于脉冲形式的信息，由此，使更高的分辨率成为可能。

利用装置100实施的方法的意义在于，光飞行时间的第一分布23翻译和处理为电信信号。借助于减少步骤，其也可称为抽取步骤、采样率转换或“下采样”，必须从第一存储区域25传输到第二存储区域26的数据量可减少。归因于必须从第一存储区域25传输至第二存储区域26且存储在第二存储区域26中的较小的数据量，从第二存储区域26进行传输用于进一步处理的传输时间被缩短。可替代地或同时地，数据量的减小也可用于降低数据传输速度，即，数据传输的带宽。而且，第二存储区域26可形成为显著小于第一存储区域25。

在将数据从第一存储区域25传输至第二存储区域26期间，测量脉冲的传输通常不得不被中断，因为第一存储区域25中检测到的事件不可能在传输期间储存。归因于利用减少步骤的加速的数据传输，这个时间段可大大缩短。

图5展示光学测距方法的流程图，尤其是利用时间相关的单光子计数。

在第一方法步骤S1中，由至少一个发射器12发射若干光学测量脉冲。在第二方法步骤中，光学测量脉冲由物体反射，且在第三方法步骤S3中，由至少一个接收器14检测反射的光学测量脉冲的光子。在第四方法步骤S4中，检测到的光子的光飞行时间的第一分布23被确定，优选地通过数据处理单元22，并储存在存储单元24的第一存储区域25中。因此，数据可储存在数据结构中，其代表第一直方图27。在方法步骤S5(其形成为减少步骤)中，通过低通滤波器28来减少或抑制高于预定截止频率的光飞行时间的第一分布23的频率部分，以便产生光飞行时间的第二分布29。在另一方法步骤S6中，光飞行时间的第二分布29储存在存储单元24的第二存储区域26中。光飞行时间的第二分布29储存在数据结构中，其对应于第二直方图30，其中，第二直方图30的间隔宽度39大于第一直方图27的间隔宽度31。因此，第二存储区域26可小于第一存储区域25。

下一个方法步骤S7中，可任选地使用匹配滤波器来确定第二分布29的脉冲最大值40的位置，对于可使用光速根据其来确定到物体的距离。

可进一步任选地设置的是，在又一方法步骤S8中，匹配滤波器用于利用内插来执行光飞行时间的第二分布29的上采样。由于关于脉冲形式的其他信息存在于光飞行时间的第二分布29的第二直方图30的各个区间38中，借助于内插步骤，测距的精确度甚至可增加至超过光飞行时间的第一分布23的精确度。对应于所期望更高分辨率的更高频率，为内插步骤选择截止频率。

图6展示一种特殊情况。在图6图示的直方图中可看见测量脉冲的第一最大值44和第二最大值45，其中，第一最大值44被特别强烈地局部化。在直方图中，第一最大值44和第二最大值45被局部化彼此间隔开。两个最大值44、45通常也可互相重叠。最大值44在物体为强反射器时出现，其局部化如此强烈或如此短，使得相当大量的测量脉冲的光子被反射和检测。如此高的最大值44特别适合于测距。因此，不必对第一最大值44执行减少步骤，特别是因为存在这样的风险，强烈局部化且因此对应于高频率的第一最大值44在减少步骤中也被抑制。第一最大值44的强局部化的原因可能是接收器14的饱和效应，其结果是，仅仅反射的测量脉冲的上升边缘被检测到。

利用第一最大值44进行测距，可利用相应的检测算法来识别所述最大值。所识别的第一最大值44随后进一步处理，不需要使用减少步骤。为了达到这个目的，除了用于通过使用低通滤波器28获得的第二直方图30的第一数据处理路径46之外，可提供第二数据处理路径47，其中第一最大值被并行评价。

图7展示此种并行处理。光飞行时间的第一分布23在第一存储区域25中储存为第一直方图27的数据结构。减少步骤借助于低通滤波器28用于第一数据处理路径46中的光飞行时间的第一分布23。光飞行时间的第一分布23中的急剧局部化的第一最大值借助于检测算法的第一软件模块48经由第二数据处理路径46被并行地检测。随后，由第二软件模块49分离急剧局部化的最大值44。数据处理路径46、47相结合，且结合的数据在第二存储区域26中储存为直方图，且随后被进一步处理。

参考符号列表

100 装置

10 发射器矩阵

11 接收器矩阵

12 发射器

13 VCSEL二极管

14 接收器

15 SPAD

16 行

17 列

18 行

19 列

20 数据线

21 数据线

22 数据处理单元

23 第一分布

24 存储单元

25 第一存储区域

26 第二存储区域

27 第一直方图

28 低通滤波器

29 第二分布

30 第二直方图

31 区间

32 间隔宽度

33 最大值

34 波动

35 噪声信号

36 脉冲宽度

37 脉冲上升时间

38 区间

39 间隔宽度

40 最大值

41 第三分布

42 第三直方图

43 最大值

44 第一最大值

45 第二最大值

46 第一数据路径

47 第二数据路径

S1-S8 方法步骤

Claims (15)

1.一种用于光学测距方法，尤其是利用时间相关的单光子计数，其中由至少一个发射器(12)发射若干光学测量脉冲，其中所述光学测量脉冲在物体上反射，其中由至少一个接收器(14)检测被反射的光学测量脉冲的光子，其中确定检测到的光子的光飞行时间的第一分布(23)，其中将光飞行时间的第一分布(23)储存在存储单元(24)的第一存储区域(25)中，其中将光飞行时间的第一分布(23)分配给第一多个时间间隔中的时间间隔，

其中，在减少步骤中，利用低通滤波器(28)来减少或抑制高于预定截止频率的光飞行时间的第一分布(23)的频率部分，从而产生光飞行时间的第二分布(29)，

其特征在于，

将光飞行时间的第二分布(29)分配给第二多个时间间隔中的时间间隔，并且将低通滤波器(28)的阻塞频率选择为小于或等于所述第二多个时间间隔中最小间隔宽度(39)的倒数值的一半。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述飞行时间的第二分布(29)储存在所述存储单元(24)的第二存储区域(26)中，其中所述第二存储区域(26)优选地小于所述第一存储区域(25)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在减少步骤期间和/或将光飞行时间的第二分布(29)储存在第二存储区域(26)期间，没有光学测量脉冲被至少一个发射器(12)发射和/或没有光飞行时间的第一分布(23)被确定和/或没有光飞行时间的第一分布(23)被储存在第一存储区域(25)中，和/或从第二存储区域(26)读出光飞行时间的第二分布(29)，其中在第二存储区域(26)的读出期间由至少一个发射器(12)发射光学测量脉冲，和/或尤其进一步的是确定检测到的光子的光飞行时间的第一分布(23)，和/或尤其进一步的是将光飞行时间的第一分布(23)存储在存储单元(24)的第一存储区域(25)中，其中，尤其进一步的是将光飞行时间的第一分布(23)分配给第一多个时间间隔中的时间间隔。

4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述第二多个时间间隔包括比所述第一多个时间间隔更少的时间间隔。

5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述减少步骤仅针对光飞行时间的第一分布(23)和/或所述第一多个时间间隔的子区域执行，和/或为光飞行时间的第一分布(23)和/或第一多个时间间隔的不同子区域选择不同的阻塞频率。

6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述预定截止频率被选择作为低通滤波器(28)的截止频率并且由脉冲宽度(36)和/或光学测量脉冲的脉冲上升时间(37)确定，和/或所述截止频率对应于光飞行时间的第一分布(23)的傅里叶分解频率，其中高于所述截止频率的频率占所述光飞行时间的第一分布(23)比例优选地小于20％，优选地小于10％，特别优选地小于5％，最优选地小于1％。

7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，提供若干发射器(12)和/或若干接收器(14)，并确定光飞行时间的若干第一分布(23)，并且在所述减少步骤中利用至少一个低通滤波器(28)减少或抑制高于至少一个预定截止频率的光飞行时间的若干第一分布(23)的频率部分，从而产生光飞行时间的若干第二分布(29)。

8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，在所述减少步骤中以并行的方式执行所述频率部分的减少或抑制，和/或优选地利用匹配滤波器确定所述光飞行时间的第二分布(29)中的至少一个最大值(40)。

9.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，在所述光飞行时间的第二分布(29)的支撑值之间确定光飞行时间的第二分布(29)的值，尤其是进行内插，其中所述支撑值优选对应于所述第二多个时间间隔中的时间间隔的中心值，其中特别优选地利用低通滤波器来进行所述值的确定，其中所述低通滤波器最优选地为匹配滤波器。

10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，在执行所述减少步骤之前，确定所述光飞行时间的第一分布(23)的短脉冲或强局部脉冲，优选地最大值(44)，其中优选地在单独的数据处理路径(46、47)中评价所确定的短脉冲和光飞行时间的第一分布(23)和/或光飞行时间的第二分布(29)。

11.一种用于光学测距的装置(100)，其尤其利用时间相关的单光子计数，其被形成用于执行根据前述权利要求中的一项所述的方法，包括至少一个光发射器(12)和至少一个光接收器(14)、数据处理单元(22)和包括至少两个存储区域(25、26)的存储装置(24)，其中所述数据处理单元(22)被形成为确定检测到的光子的光飞行时间的第一分布(23)并将光飞行时间的第一分布(23)储存在存储单元(24)的第一存储区域(25)中，其中所述数据处理单元(22)被形成为将光飞行时间的第一分布(23)分配给第一多个时间间隔中的时间间隔，

其中所述数据处理单元(24)具有低通滤波器(28)和/或其中在所述数据处理单元(24)中实施低通滤波器(28)，其中所述数据处理单元(22)被形成为在减少步骤中利用低通滤波器(28)来减少或抑制高于预定截止频率的光飞行时间的第一分布(23)的频率部分，从而产生光飞行时间的第二分布(29)，

其特征在于，

所述数据处理单元(22)被形成为将光飞行时间的第二分布(29)分配给第二多个时间间隔中的时间间隔，并且所述低通滤波器(28)的阻塞频率小于或等于所述第二多个时间间隔中最小间隔宽度(39)的倒数值的一半。

12.根据权利要求11所述的装置(100)，其特征在于，所述数据处理单元(22)被形成为将光飞行时间的第二分布(29)储存在第二存储区域(26)中，其中所述第二存储区域(26)优选地小于所述第一存储区域(25)。

13.根据权利要求11或12所述的装置(100)，其特征在于，所述低通滤波器(28)是多相滤波器，和/或所述低通滤波器(28)执行所述光飞行时间的第一分布(23)的多相分解。

14.根据权利要求11至13中的一项所述的装置(100)，其特征在于，提供若干发射器(12)和/或若干接收器(14)，并确定光飞行时间的若干第一分布(23)，并且在所述减少步骤中利用至少一个低通滤波器(28)减少或抑制高于至少一个预定截止频率的光飞行时间的若干第一分布(23)的频率部分，和/或将若干发射器(12)和/或若干接收器(14)布置成发射器矩阵(10)和/或接收器矩阵(11)，其中优选地按顺序，优选地通过选择性控制若干发射器(12)和/或若干接收器(14)的子量对检测区域进行采样。

15.一种计算机程序产品，包括计算机可读存储介质，在该计算机可读存储介质上储存有程序，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权利要求1至10中的一项所述的方法，任选地与权利要求11至14中的一项所述的装置(100)配合使用。

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