CN111742241B - 光测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光测距装置。光测距装置(10)具备：光源部(30)；受光部(12)，具有多个受光元件，该受光元件能够根据来自物体的反射光的入射而输出脉冲信号；加法部(52)，将脉冲信号的数量相加来求出加法值；直方图生成部(54)，生成按每个飞行时间记录加法值的直方图；峰值检测部(56)，获取直方图的峰值处的加法值作为信号强度，并且根据与峰值对应的飞行时间求出距离值；图像生成部(58)，生成信号强度图像数据和距离图像数据；低信号强度要素检测部(62)，从信号强度图像数据检测具有低的信号强度的低信号强度要素；以及图像修正部(64)，基于其它距离值，对距离图像数据中的与低信号强度要素对应的对象要素中记录的距离值进行修正。

Description

光测距装置
相关申请的交叉引用
本申请基于2018年2月20日申请的日本申请号2018－27610号，并在此引用其记载内容。
技术领域
本公开涉及光测距装置。
背景技术
作为测定到测定对象物的距离的光测距装置之一，有被称为激光雷达的装置(例如，参照专利文献1)。激光雷达基于从发光元件照射的光被测定对象物反射并返回到受光元件为止的飞行时间(TOF：Time of Flight)来测定到测定对象物的距离。
专利文献1:日本特开2016－176750号公报
这种光测距装置例如搭载在车辆上，用于障碍物的检测，或测定到障碍物的距离的用途。因此，光测距装置要求较高的测定精度。
发明内容
本公开是为了解决上述的课题的至少一部分而完成的，能够实现为以下的方式。
根据本公开的一个方式，提供光测距装置。该光测距装置的特征在于，具备：光源部，向预先决定的范围照射光；受光部，具有多个受光元件，上述受光元件能够根据来自被照射上述光的物体的反射光的入射而输出脉冲信号；加法部，将从各上述受光元件输出的脉冲信号的数量相加来求出加法值；直方图生成部，生成按每个飞行时间记录上述加法值的直方图，上述飞行时间表示从上述光的照射到受光为止的时间；峰值检测部，从上述直方图检测峰值，获取上述峰值处的上述加法值作为信号强度，并且根据与上述峰值对应的上述飞行时间求出距离值；图像生成部，将上述信号强度与和上述范围对应的区域所包含的各要素建立对应关系来生成信号强度图像数据，并且将上述距离值与和上述范围对应的区域所包含的各要素建立对应关系来生成距离图像数据；低信号强度要素检测部，从上述信号强度图像数据检测具有比预先决定的阈值的低的信号强度的低信号强度要素；以及图像修正部，基于其它要素的距离值，对上述距离图像数据中的与上述低信号强度要素对应的对象要素中记录的距离值进行修正。
根据该方式的控制装置，能够通过其它的距离值对基于信号强度低的直方图所计算出的距离图像数据中的距离值进行修正。因此，即使在没有从物体充分反射光的情况下，也能够精度良好地测定到物体的距离。并且，在上述方式中，由于并不是对距离图像数据的全部的要素进行修正，而仅对基于信号强度低的直方图所计算出的距离值进行修正，所以能够抑制距离图像数据整体的空间分辨率降低，导致较小的物体的检测性能降低、距离图像数据整体的时间分辨率降低，导致高速移动的物体的检测性能降低。因此，能够提供具有高的测定精度的光测距装置。
本公开也能够以光测距装置以外的各种方式实现。例如，可以以光测距方法、搭载光测距装置的车辆、控制光测距装置的控制方法等方式实现。
附图说明
关于本公开的上述目的以及其它目的、特征及优点，参照附图并通过下述的详细描述会变得更加明确。在该附图中：
图1是表示光测距装置的示意结构的说明图。
图2是表示受光部的示意结构的说明图。
图3是表示与测定对象范围对应的区域的说明图。
图4是受光IC的框图。
图5是表示直方图的一个例子的图。
图6是表示直方图的一个例子的图。
图7是表示信号强度图像数据以及距离图像数据的生成方法的图。
图8是用于说明成为修正对象的要素的图。
图9是表示到进行修正处理为止的处理的流程的图。
图10是表示修正方法的图。
具体实施方式
A.第一实施方式
如图1所示，作为本公开中的第一实施方式的光测距装置10具备光源部30、受光IC14、双曲面反射镜20、多面镜22、框体26以及控制部50。光测距装置10例如搭载在车辆上，用于障碍物的检测、测定到障碍物的距离。
光源部30生成向预先决定的测定对象范围照射的照射光Lt。在本实施方式中，光源部30具备激光二极管元件18作为光源。激光二极管元件18以规定的脉冲宽度以及周期照射反复闪烁的脉冲激光作为照射光Lt。照射光Lt从设置在双曲面反射镜20的开口K被引导至多面镜22。从光源部30射出的脉冲激光的波束形状是在垂直方向上纵长的波束形状。此外，在本实施方式中，使用激光二极管元件18作为光源，但也可以使用固体激光等其它光源。
多面镜22是具有6个反射镜面的旋转多边形反射镜。多面镜22在各反射镜面反射照射光Lt朝向测定对象范围照射。在测定对象范围中存在物体的情况下，照射光Lt被该物体反射，被引导到多面镜22。多面镜22通过各反射镜面反射从测定对象范围接受的反射光，向双曲面反射镜20引导。
双曲面反射镜20使被多面镜22引导的反射光会聚，并作为受光光Lr引导至受光IC14的受光部12。双曲面反射镜20起到与透镜同样的作用，使受光光Lr在受光IC14的受光部12成像。
多面镜22的各反射镜面相对于旋转轴A倾斜地设置。多面镜22以旋转轴A为中心按规定的旋转速度旋转。多面镜22的各反射镜面分别被配置为与旋转轴A所成的角度不同。因此，伴随着多面镜22的旋转，照射光Lt和反射光的俯角变化。其结果，通过使多面镜22旋转，来自光源部30的照射光Lt不仅水平方向的扫描(Scan)，还以不同的俯角在垂直方向上扫描。其结果为，来自多面镜22的照射光Lt呈面状扫描，朝向测定对象范围照射。
框体26包括支承上述的各结构的支承结构和控制基板27。在控制基板27设置有控制部50。控制部50构成为具备CPU、存储器的计算机。控制部50具备输入接口以及输出接口。在输入接口连接受光IC14，在输出接口例如连接车辆的ECU(Electronic Control Unit)。控制部50将由受光IC12生成的距离图像数据(详细后述)输出至ECU。车辆的ECU基于从控制部50获取的距离图像数据来检测障碍物、或测定到障碍物的距离。
如图2所示，受光IC14具有受光部12。受光部12具有多个受光元件，该受光元件能够根据来自物体的反射光的入射而输出脉冲信号。在本实施方式中，受光部12具备SPAD(single photon avalanche diode：单光子雪崩二极管)13作为受光元件。受光部12构成为呈阵列状配置多个SPAD13而成的硅光电倍增管(SiPM：Silicon Photo Multipliers)。受光部12通过在垂直方向上排列16个(GT0～GT15)由横6个×纵4个共计24个SPAD13构成的像素GT而构成。一个像素GT的尺寸与后述的信号强度图像数据以及距离图像数据的一个要素的尺寸对应。各SPAD13若输入光(光子)则以恒定的概率输出脉冲信号。因此，各像素GT根据接受的光的强度而输出0～24个脉冲信号。
从光源部30射出的脉冲激光的波束形状是在垂直方向上纵长的波束形状，受光部12的像素GT也在垂直方向上排列。由于反射光也保持纵长的波束形状地返回到光测距装置10，所以具有纵长的波束形状的受光光Lr沿着像素GT的排列方向入射至受光部12。换句话说，受光部12一并接受相当于16个像素GT的纵长的反射光脉冲。照射光Lt以及受光光Lr通过多面镜22的旋转而在水平方向以及垂直方向上扫描，所以通过多面镜22的旋转而被扫描的光逐个进入受光部12。在本实施方式中，如图3所示，多面镜22旋转1/6，通过一个反射镜面在Y方向上扫描16要素的带状的区域，多面镜22进行一次旋转，通过6个反射镜面在Y方向上扫描96要素(＝16像素×6面)的面状的区域。X方向的要素数在本实施方式中设为256个。图3所示的面状的区域与通过光源部30照射光的测定对象范围对应。
使用图4，对受光IC14的结构进行说明。受光IC14具备受光部12、加法部52、直方图生成部54、峰值检测部56、图像生成部58、图像保存存储器60、低信号强度要素检测部62、图像修正部64以及输出部66。这些中除了受光部12以及图像保存存储器60之外的各部也可以被实现为通过控制部50具备的CPU执行程序而以软件的方式实现的功能部。
加法部52是将从受光部12输出的脉冲信号的数量相加来求出加法值的电路。更具体而言，加法部52通过按每个像素GT对从各像素GT所包含的多个SPAD13同时输出的脉冲信号的数量进行计数，从而按每个像素GT求出加法值。例如，如果从一个像素GT所包含的多个SPAD13中的12个SPAD13输出脉冲信号，则加法部52将“12”作为加法值输出至直方图生成部54。此外，图4集中示出加法部52，但也可以在受光部12的每一个像素GT设置一个加法部52。
直方图生成部54是基于从加法部52输出的加法值来生成直方图的电路。图5示出直方图的例子。直方图的等级(横轴)表示从照射光到接受反射光(受光光)为止的光的飞行时间。以下，将该时间称为TOF(TOF：Time Of Flight)。另一方面，直方图的度数(纵轴)是由加法部52计算的加法值，表示从物体反射的光的强度。直方图生成部54通过按照与光源部30以及多面镜22的扫描定时同步的记录定时，并按每个TOF记录从加法部52输出的加法值来生成直方图。在测定对象范围存在物体的情况下，从该物体反射光，在与到该物体的距离对应的TOF的等级中记录加法值。直方图中的峰值表示在与该峰值所对应的TOF对应的位置(距离)存在物体。直方图中的没有出现峰值的部分的度数大体是由干扰光的影响所造成的噪声。此外，图4集中示出一个直方图生成部54，但按每个像素GT设置直方图生成部54。因此，针对图3所示的区域中的全部要素生成直方图。此外，通过对一个像素GT进行多次扫描并将直方图的度数相加，从而能够提高直方图的SN比。
峰值检测部56(图4)是从直方图检测峰值的电路。峰值检测部56获取检测到的峰值处的度数(加法值)作为信号强度，并且根据与峰值对应的TOF来求出距离值。若将TOF设为“t”、将光速设为“c”、将距离值设为“D”，则峰值检测部56通过以下的式(1)计算距离值。
D＝(c×t)/2···式(1)
图5示出在直方图出现一个峰值的例子，但如图6所示，在直方图中有时出现多个峰值。这是因为在生成一个直方图的期间，测定对象范围中的物体与光测距装置10的相对的位置关系变化，来自不同的物体的反射光有时到达相同的像素GT。因此，在本实施方式中，在一个直方图中存在多个峰值的情况下，峰值检测部56基于度数最大的峰值来计算距离值。此外，并不限于此，峰值检测部56例如可以基于预先决定的顺序的峰值(例如，度数第二个大的峰值)来求出距离值，也可以基于TOF最大或者最小的峰值来求出距离值。
图像生成部58(图4)是生成信号强度图像数据(IPk)和距离图像数据(ID)的电路。如图7所示，图像生成部58通过将由峰值检测部56检测的峰值的信号强度与图3所示的区域的各要素建立对应关系来生成信号强度图像数据。另外，图像生成部58通过将由峰值检测部56根据TOF计算的距离值与图3所示的区域的各要素建立对应关系来生成距离图像数据。如图4所示，图像生成部58将生成的信号强度图像数据(IPk)输出至低信号强度要素检测部62。另外，图像生成部58将生成的距离图像数据(ID)保存至图像保存存储器60，并且输出至图像修正部64。在图像保存存储器60中，距离图像数据从新到旧按顺序保存预先决定的张数，并从旧的数据起按顺序消除。
低信号强度要素检测部62是从由图像生成部58生成的信号强度图像数据检测具有比预先决定的强度判定阈值低的信号强度的低信号强度要素的电路。低信号强度要素检测部62将检测到的低信号强度要素的坐标输出至图像修正部64。强度判定阈值能够通过进行在各种环境下评价测定到的距离值与实际的距离值的误差变小的信号强度的实验而预先决定。
图像修正部64是对距离图像数据进行修正的电路。图像修正部64通过基于从低信号强度要素检测部62获取到的坐标，在距离图像数据中确定与低信号强度要素对应的要素，并基于其它要素的距离值对该要素(以下，也称为“对象要素”)的距离值进行修正，从而修正距离图像数据。修正后的距离图像数据被输出至输出部66。
使用图7以及图8，对成为修正对象的对象要素进行说明。图7所示的直方图的峰值超过预先决定的强度判定阈值。该情况下，该峰值处的信号强度可以说是能够充分信任的值。因此，根据与该峰值对应的TOF值求出距离值，并将该值保持原样地记录至距离图像数据。换句话说，在峰值超过强度判定阈值的情况下，保持原样地采用通过上述式(1)计算出的距离值的值。与此相对，图8所示的直方图的峰值低于强度判定阈值。换句话说，该峰值处的信号强度的度数较小，不能说是能够信任的值。因此，即使根据与该峰值对应的TOF值求出距离值，该距离值包含误差的可能性较高。因此，在本实施方式中，对于这样的距离值，设为通过其它要素的距离值进行修正的修正对象。如图8所示，成为修正对象的要素例如是与距光测距装置10存在于远方的物体的位置对应的要素。
使用图9，对到由图像修正部64进行修正处理为止的处理的流程进行说明。首先，由直方图生成部54生成直方图(工序1)，基于该直方图，图像生成部58生成距离图像数据(工序2)，并且生成信号强度图像数据(工序3)。而且，低信号强度要素检测部62从信号强度图像数据检测低信号强度要素，并将检测到的低信号强度要素的坐标输出至图像修正部64。图像修正部64从距离图像数据确定与该坐标对应的对象要素(工序4)。对于距离图像数据的该对象要素的距离值，通过进行空间运算(工序5)以及时间运算(工序6)来修正距离值。
如图10所示，在本实施方式中，图像修正部64对对象要素的距离值加上与对象要素邻接的四个要素的距离值。而且，进一步对该相加所得的值加上记录在图像保存存储器60中的过去2张距离图像数据中的相同位置的要素的距离值(修正前的距离值)。而且，通过将该合计值除以作为合算对象的要素的数量，求出空间以及时间平均值。图像修正部64通过该平均值覆盖距离图像数据的对象要素的距离值。这样经过修正的距离图像数据通过输出部66被输出至车辆的ECU等，用于障碍物的检测、或到障碍物的距离的测定。
根据以上说明的本实施方式的光测距装置10，能够通过其它的距离值对基于信号强度低的直方图所计算出的距离图像数据中的距离值进行修正。因此，即使在光没有从物体充分反射的情况下，也能够精度良好地测定到物体的距离。光没有从物体充分反射的情况例如是物体存在于较远的位置的情况、物体的反射率较小的情况、恶劣天气的情况等。
另外，在本实施方式中，由于并不是对距离图像数据的全部的要素进行修正，而仅对基于信号强度低的直方图所计算出的距离值进行修正，所以能够抑制距离图像数据整体的空间分辨率降低，导致较小的物体的检测性能降低、距离图像数据整体的时间分辨率降低，导致高速移动的物体的检测性能降低。换句话说，根据本实施方式，能够提供具有较高的测定精度的光测距装置10。
另外，在本实施方式中，由于不仅使用当前的距离图像数据的周围的距离值，还使用过去的距离图像数据的距离值来修正距离值，所以能够精度更好地测定到物体的距离。
B.其它实施方式：
(B1)在上述实施方式中，图像修正部64基于周围的要素的距离值以及过去的距离值两方对对象要素的距离值进行修正。与此相对，图像修正部64也可以仅使用周围的要素的距离值来修正距离值。另外，图像修正部64还可以仅使用过去的距离值来修正距离值。在仅使用周围的要素的距离值来修正距离值的情况下，可以不保存过去的距离图像数据，所以可以省略图4所示的图像保存存储器60。
(B2)在上述实施方式中，图像修正部64通过求出多个要素的距离值的平均值来进行修正。与此相对，图像修正部64也可以通过多个要素的距离值的中央值、最频值等其它代表值进行修正。
(B3)在上述实施方式中，图像修正部64使用在空间上与4个方向邻接的要素的距离值来进行修正，但也可以使用更远离对象要素的要素的距离值来进行修正。该情况下，也可以在空间方向上越远离对象要素，则使权重越降低，使得对运算结果的影响度越小。另外，同样地，也可以在时间方向上越远离对象要素，则使权重越降低，使得对运算结果的影响度越小。换句话说，图像修正部64也可以优先使用在距离上、时间上接近对象要素的要素的距离值来进行修正。
(B4)在上述实施方式中，图像修正部64也可以从运算除去具有显著偏离对象要素的距离值的距离值的其它要素的距离值。通过这样操作，能够进一步提高测定精度。
(B5)在上述实施方式中，在峰值检测部56不能够从直方图检测峰值的情况下，由于不能够确定距离值，所以在距离图像数据中不记录距离值。因此，图像修正部64也可以针对未记录距离值的距离图像数据中的要素，使用周围的要素以及过去的要素中的至少一方来计算距离值的平均值或中央值，并记录该值。另外，也可以从过去的距离图像数据的对应的要素获取距离值，并记录该距离值。通过这样操作，能够防止距离图像数据中产生不存在距离值的要素。
(B6)上述实施方式的光测距装置10采用投光中的光轴与受光中的光轴一致的同轴型的光学系统。与此相对，光测距装置10也可以采用投光中的光轴与受光中的光轴不同的异轴型的光学系统。另外，在上述实施方式中，受光部12的像素GT在垂直方向上排成1列，但像素GT也可以在垂直方向以及水平方向上排列成平面。另外，光测距装置10的扫描方式也可以是使长方形的光单向扫描的1D扫描方式，也可以使点状的光在二维方向上扫描的2D扫描方式。另外，光测距装置10还可以是不使光扫描而大范围照射光的闪光方式的装置。
(B7)上述实施方式中的多面镜22的反射镜面的数量、构成受光部12的像素GT的数量、构成像素GT的SPAD13的数量、信号强度图像数据的要素数、距离图像数据的要素数分别是例示的。因此，这些数量并不限于上述实施方式所示的数量，可以根据光测距装置10的规格适当地设定。
本公开并不限定于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内通过各种结构实现。例如，与在本发明的发明内容中记载的各技术方案中的技术特征相对应的实施方式中的技术特征能够适当地进行调换、组合，以用来解决上述课题的一部分或全部，或者用来达到上述效果的一部分或全部。并且，若这些技术特征不是作为本说明书中必须的技术特征进行说明的，则能够适当地删除。

Claims (4)

1.一种光测距装置，该光测距装置(10)，具备：
光源部(30)，向预先决定的范围照射光；
受光部(12)，具有多个受光元件，上述受光元件能够根据来自被照射上述光的物体的反射光的入射而输出脉冲信号；
加法部(52)，将从各上述受光元件输出的脉冲信号的数量相加来求出加法值；
直方图生成部(54)，生成按每个飞行时间记录上述加法值的直方图，上述飞行时间表示从上述光的照射到受光为止的时间；
峰值检测部(56)，从上述直方图检测峰值，获取上述峰值处的上述加法值作为信号强度，并且根据与上述峰值对应的上述飞行时间求出距离值；
图像生成部(58)，将上述信号强度与和上述范围对应的区域所包含的各要素建立对应关系来生成信号强度图像数据，并且将上述距离值与和上述范围对应的区域所包含的各要素建立对应关系来生成距离图像数据；
低信号强度要素检测部(62)，从上述信号强度图像数据检测具有比预先决定的阈值的低的信号强度的低信号强度要素；以及
图像修正部(64)，基于其它要素的距离值，对上述距离图像数据中的、与上述低信号强度要素对应的对象要素中记录的距离值进行修正。
2.根据权利要求1所述的光测距装置，其中，
上述图像修正部基于上述对象要素的周围的像素的距离值对上述对象要素中记录的距离值进行修正。
3.根据权利要求1所述的光测距装置，其中，
上述图像修正部基于过去生成的距离图像数据中的上述对象要素中记录的距离值对上述对象要素中记录的距离值进行修正。
4.根据权利要求1所述的光测距装置，其中，
上述图像修正部基于上述对象要素的周围的像素的距离值、和过去生成的距离图像数据中的上述对象要素中记录的距离值对上述对象要素中记录的距离值进行修正。
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