CN111886517B - 距离测量装置、距离测量系统、距离测量方法和程序 - Google Patents

距离测量装置、距离测量系统、距离测量方法和程序 Download PDF

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Abstract

提供了一种距离测量装置、距离测量系统、距离测量方法和程序，所有这些都有助于提高测量的距离的分辨率。距离测量装置(10)要被连接到以发射测量波(W1)的波发射器(2)和以接收从目标(4)反射的测量波(W1)的波接收器(3)。距离测量装置(10)包括距离测量单元(12)。距离测量单元(12)基于从波发射器(2)发射测量波(W1)和在波接收器(3)处接收到测量波(W1)之间的时间间隔来计算到目标(4)的距离。目标(4)可以存在于彼此连续并且均属于通过划分可测量距离范围而定义的多个距离范围的先前距离范围和后续距离范围上。在这种情况下，距离测量单元(12)基于在与先前距离范围相对应的时段内在波接收器(3)处接收到的先前波和在与后续距离范围相对应的时段内在波接收器(3)处接收到的后续波的各自量来计算到目标(4)的距离。

Description

距离测量装置、距离测量系统、距离测量方法和程序
技术领域
本公开总体上涉及距离测量装置、距离测量系统、距离测量方法和程序，并且更具体地涉及均被配置或设计为测量到目标的距离的距离测量装置、距离测量系统、距离测量方法和程序。
背景技术
距离测量装置(也称为“测距仪”)在本领域中是已知的，其通过飞行时间(TOF)技术来测量到测量目标(以下简称为“目标”)的距离(例如，见专利文献1)。根据TOF技术，距离测量装置向测量目标发出光脉冲，在具有与发出定时同步限定的多个时间延迟的多个曝光定时，暴露于从测量目标反射的光，并基于在各曝光定时的输出来计算到目标的距离。
对于提高由这种距离测量装置测量的距离的分辨率的需求日益增加。
引文清单
专利文献
专利文献1：WO 2017/141957 A1
发明内容
基于前述背景，因此本发明的一个目的是提供一种距离测量装置、距离测量系统、距离测定方法以及程序，所有这些都有助于提高测量的距离的分辨率。
根据本公开的一方面的距离测量装置要被连接到以发射测量波的波发射器和以接收从目标反射的测量波的波接收器。距离测量装置包括距离测量单元。距离测量单元基于从波发射器发射测量波和在波接收器处接收到测量波之间的时间间隔来计算到目标的距离。目标可以存在于彼此连续并且均属于通过划分可测量距离范围而定义的多个距离范围的先前距离范围和后续距离范围上。在这种情况下，距离测量单元基于在与先前距离范围相对应的时段内在波接收器处接收到的先前波和在与后续距离范围相对应的时段内在波接收器处接收到的后续波的各自量来计算到目标的距离。
根据本公开的另一方面的距离测量系统包括：上述距离测量装置；波发射器；以及波接收器。
根据本公开的另一方面的距离测量方法是一种用于基于从波发射器发射测量波与在波接收器处接收到测量波之间的时间间隔来计算到目标的距离的方法。目标可以存在于彼此连续并且均属于通过划分可测量距离范围而定义的多个距离范围的先前距离范围和后续距离范围上。在这种情况下，根据距离测量方法，基于在与先前距离范围相对应的时段内在波接收器处接收到的先前波和在与后续距离范围相对应的时段内在波接收器处接收到的后续波的各自量来计算到目标的距离。
根据本公开的又一方面的程序被设计为使计算机系统执行上述距离测量方法。
附图说明
图1是示出包括根据本公开的示例性实施例的距离测量装置的距离测量系统的框图；
图2示出了距离测量装置如何工作；
图3是示出像素信号的信号电平在多个划分时段中如何变化的图示；
图4A-4C示出了像素信号的信号电平如何在存在人的距离范围中变化；
图5是示出范围信号比如何随着校正因子α变化的图示；
图6是示出范围信号比如何随着校正因子β变化的图示；
图7是示出实际距离与测量值之间的关系的图示；
图8是示出距离测量装置如何操作的流程图；以及
图9示出了根据本公开的示例性实施例的第一变体的距离测量装置如何操作。
具体实施方式
注意，以下将描述的实施例及其变体仅是本公开的示例，并且不应被解释为限制性的。相反，在不脱离本公开的真实精神和范围的情况下，可以根据设计选择或任何其他因素以各种方式容易地修改那些实施例和变体。
(1)概述
图1是示出根据示例性实施例的距离测量装置10和距离测量系统1的框图。
距离测量系统1包括距离测量装置10、波发射器2和波接收器3，并且通过飞行时间(TOF)技术来测量到目标4的距离。距离测量系统1可用于例如用作汽车的一件车载设备以检测障碍物的物体识别系统中，以及用于检测例如物体(或人)的监视摄像机和安全摄像机中。
波发射器2被配置为发射测量波W1。波接收器3被配置为接收从目标4反射的测量波W1。距离测量装置10将被连接到波发射器2和波接收器3，并且包括距离测量单元12。距离测量单元12基于从波发射器2发射测量波W1与在波接收器3接收到测量波W1之间的时间间隔来计算到目标4的距离。目标4可以存在于先前距离范围和后续距离范围上，该先前距离范围和后续距离范围在通过划分可测量距离范围而定义的多个距离范围之中彼此连续。在这种情况下，距离测量单元12基于在与先前距离范围相对应的划分时段内在波接收器3处接收到的先前波和在与后续距离范围相对应的划分时段内在波接收器3处接收到的后续波的各自量来计算到目标4的距离。
在根据本实施例的距离测量装置10和距离测量系统1中，当目标4存在于两个距离范围(即，先前距离范围和后续距离范围)上时，基于在分别对应于两个距离范围的两个时段上接收到的波的各自量(即，接收到的先前波和后续波的量)来计算到目标4的距离。这使得根据本实施例的距离测量装置10和距离测量系统1能够以比所述距离范围更短的单位以及更高的分辨率来测量距离，从而有助于提高测量精度。
(2)用于距离测量系统的总体配置
(2.1)波发射器
波发射器2包括光源21并且被配置为发出光脉冲作为测量波W1。也就是说，在本实施例中，测量波W1是光。在图1中，测量波W1(光)在概念上由虚线表示。就此而言，当通过TOF技术测量距离时，光(测量波W1)适合地具有单个波长、相对短的脉冲宽度和相对较高的峰值强度。另外，考虑到例如在市区中使用距离测量系统1(距离测量装置10)，光(测量波W1)的波长适合地落在发光度因子对人眼而言低并且不易受到来自太阳的环境光的影响的近红外波长范围内。在该实施例中，光源21例如被实现为激光二极管，并且发出脉冲激光束。从光源21发出的脉冲激光束的强度满足日本国家建立的“激光产品安全”标准(JIS C6802)的1级或2级。
通过距离测量装置10包括的测量控制单元11对波发射器2进行光发出控制。稍后将在“(2.3.1)测量控制单元”部分中详细描述光发出控制。
注意，光源21不必是激光二极管，而是也可以为例如发光二极管(LED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)二极管或卤素灯。另外，光(测量波W1)可以落入与近红外波长范围不同的波长范围内。
此外，测量波W1不必是光，而是也可以是超声波、无线电波或任何其他类型的波。
(2.2)波接收器
波接收器3包括图像传感器31，并且被配置为接收测量波W1(光)，该测量波W1是从波发射器2发出然后从目标4反射的反射波(反射光)。图像传感器31包括用作光敏元件的多个像素311。多个像素311被二维地布置，并且仅当暴露于光时才能够接收入射光。图像传感器31的多个光敏元件中的每个对应于单个像素311。例如，每个像素311可以是光电二极管。每个像素311将接收到的光(作为测量波W1)转换为电信号(以下也称为“像素信号”)。波接收器3还包括用于将像素信号输出到距离测量装置10的像素输出单元32。在该实施例中，波接收器3包括多个像素311，并且因此，像素输出单元32输出与多个像素311相对应的多个像素信号。每个像素信号的信号电平具有表示由其相关联的像素311接收的光(测量波W1)的量(即，接收的波的量)的值。可选地，每个像素311也可以被实施为雪崩光电二极管(APD)。当每个像素311被实施为雪崩光电二极管时，像素信号的信号电平对应于由像素311接收到的光的脉冲数(即，光子数)。
可以看出，根据本实施例的波接收器3包括像素输出单元32和多个像素311。多个像素311被二维地布置以接收测量波W1。像素输出单元32基于各个像素311接收到的测量波W1的量来输出像素信号。
通过距离测量装置10包括的测量控制单元11对波接收器3进行光接收控制。稍后将在“(2.3.1)测量控制单元”部分中详细描述光接收控制。
另外，波接收器3包括具有多个像素311的图像传感器31。这使得距离测量装置10(或距离测量系统1)能够使用像素信号进行诸如图像处理和识别处理的数据分析。
注意，波接收器3不必包括具有多个像素311的图像传感器31，而是还可以包括单个像素311(作为光敏元件)。可选地，波接收器3可以进一步包括诸如透镜的光学系统。波接收器3可以进一步包括用于截止或透射具有特定频率的光的滤波器。这允许获取关于光的频率的信息。
(2.3)距离测量装置
距离测量装置10包括测量控制单元11、距离测量单元12和输出单元13。
(2.3.1)测量控制单元
测量控制单元11被配置为对波发射器2执行光发出控制并且对波接收器3执行光接收控制。测量控制单元11例如可以被实施为包括处理器和存储器的微型计算机。也就是说，测量控制单元11可以被实施为包括处理器和存储器的计算机系统。该计算机系统通过使处理器执行合适的程序来执行测量控制单元11的功能。程序可以预先存储在存储器中，或者也可以通过诸如因特网的电信线路下载，或者在已经存储在诸如存储卡的非暂时性存储介质中之后被分发。
在对波发射器2执行光发出控制时，测量控制单元11控制光源21发出光的定时(以下称为“光发出定时”)、从光源21发出的光的脉冲宽度(发出时间)、以及其他参数。在对波接收器3执行光接收控制时，测量控制单元11控制将多个像素311暴露于光的定时(以下称为“暴光定时”)、曝光宽度(曝光时间)、以及其他参数。
具体地，测量控制单元11使光源21在与单个距离测量时期(session)(以下称为“帧F1”)相对应的时间段内多次发出光(见图2)。在单个帧F1中发出光的次数与通过划分用于距离测量系统1(或距离测量装置10)的可测量距离范围而定义的距离范围的数量一样多。单个帧F1包括多个测量时段Tm(即，第一测量时段Tm1至第n测量时段Tmn)。单个帧F1中的测量时段Tm的数量与距离范围的数量一样大。另外，每个单个的测量时段Tm被划分成多个划分时段(即，第一划分时段至第n划分时段)。多个划分时段Ts与多个距离范围一一对应。每个划分时段Ts可以具有例如10ns的时间长度(持续时间)。
测量控制单元11指示光源21在每个测量时段Tm的初始划分时段Ts(第一划分时段Ts1)中发出光。在该实施例中，单个光发出时期中的光发出持续时间Tt1与一个划分时段Ts一样长(即，具有与一个划分时段Ts相同的时间长度)。然而，这仅是本公开的示例，并且不应被解释为限制性的。替代地，光发出持续时间Tt1和一个划分时段Ts可以具有彼此不同的时间长度。
另外，测量控制单元11使波接收器3在每个测量时段Tm的多个划分时段Ts中的任何一个中暴露于光。具体而言，测量控制单元11相对于每个测量时段Tm顺序地偏移定时以使波接收器3从第一划分时段Ts1到第n划分时段Tsn一个接一个地暴露(即，在划分时段的基础上)。也就是说，在单个帧F1上，在多个划分时段Ts中的每一个中，将波接收器3暴露于光。在该实施例中，单个曝光时期中的曝光持续时间Tr1具有与一个划分时段Ts相同的时间长度。然而，这仅是本公开的示例，并且不应被解释为限制性的。替代地，曝光持续时间Tr1和一个划分时段Ts也可以具有彼此不同的时间长度。
也就是说，在每个测量时段Tm中，执行一个光发出时期和一个曝光时期。光发出定时和曝光定时之间的时间间隔从一个测量时段Tm到另一个改变。因此，假设多个距离范围的数量为n，则每帧F1的光发出时期的次数和每帧F1的曝光时期的次数均为n。如果每秒的帧F1数为f，则每秒的光发出时期的次数和每秒的曝光时期的次数由f×n给出。
仅当暴露于光时，波接收器3才能够接收从目标4反射的波(即反射光)。从波发射器2发出光与在波接收器3处接收到反射光之间的时间间隔根据从距离测量系统1(波发射器2和波接收器3)到目标4的距离而变化。如果从距离测量系统1到目标4的距离为d，且光速为c，则在自波发射器2发出光(即，自测量时段Tm的开始)后经过时间量t＝2d/c时，反射光将到达波接收器3。这允许基于从波发射器2发出光与在波接收器3处接收到反射光之间的时间间隔来计算到目标4的距离。而且，基于每个划分时段Ts的时间长度，可测量距离范围由n×Ts×c/2给出。
(2.3.2)距离测量单元
距离测量单元12被配置为根据多个划分时段Ts中的波接收器3接收到反射波(反射光)的划分时段Ts来计算到目标4的距离。距离测量单元12可以被实现为例如包括处理器和存储器的微型计算机。也就是说，距离测量单元12可以被实施为包括处理器和存储器的计算机系统。距离测量单元12通过使处理器执行合适的程序来执行范围确定单元121和范围距离计算单元122的功能。程序可以预先存储在存储器中，或者也可以通过诸如因特网的电信线路下载，或者在已经存储在诸如存储卡的非暂时性存储介质中之后被分发。
范围确定单元121通过在与多个距离范围一一对应的多个划分时段Ts中的像素信号的信号电平，来确定目标4当前应存在于多个距离范围中的哪个距离范围中。就这一点而言，取决于从距离测量系统1到目标4的距离，目标4可以存在于两个距离范围上。在下面的描述中，以下将两个距离范围之一称为“先前距离范围”，并且下文将跟随先前距离范围的另一个距离范围称为“后续距离范围”。另外，范围距离计算单元基于在与先前距离范围相对应的时段内在波接收器3处接收到的先前波的量和在与后续距离范围相对应的时段内在波接收器3处接收到的后续波的量来计算到目标4的距离。
图3示出了在多个划分时段Ts(即，从第一划分时段Ts1到第n划分时段Tsn)中的像素信号的示例性的信号电平。范围确定单元121通过将每个划分时段Ts中的像素信号的信号电平与阈值Th进行比较，来确定目标4是否应存在于其对应的距离范围内。具体地，范围确定单元121将多个距离范围中的其中在对应的时段内在波接收器3处接收的波的量(由像素信号的信号电平表示)等于或大于阈值Th的距离范围确定为其中目标4应存在的距离范围。
在这种情况下，像素信号的信号电平包括背景电平。如本文中所使用的，“背景电平”指表示除了反射光(测量波W1)以外的光的信号分量，并且可以是表示诸如太阳光的反射光、从路灯投射的光和汽车的前灯发出的光的光的信号分量。因此，背景电平会根据测量环境而变化。
范围确定单元121基于背景电平来设置阈值Th。在下面的描述中，用于第一到第n划分时段Ts1-Tsn的背景电平在下文中将分别由BG1-BGn表示。用于第一到第n划分时段Ts1-Tsn的像素信号的信号电平在下文中将分别由S1-Sn表示。
范围确定单元121计算用于多个划分时段Ts的像素信号的所有信号电平S1-Sn中的除最高信号电平(例如，图3所示示例中的信号电平S3)和次最高信号电平(例如，图3所示的示例中的信号电平S2)外的信号电平的平均Av和标准偏差σ。然后，范围确定单元121将这样计算的平均Av和标准偏差σ之和设定为阈值Th(由以下等式(1)表示)：
Th＝Av+σ＝(ΣSn–(S2+S3))/(n–2)+σ (1)
如果目标4不在可测量距离范围(包括多个距离范围)内，则这减少了与每个划分时段Ts相对应的像素信号的信号电平(即背景电平)超过阈值Th的机会，从而减少了错误检测。注意，阈值Th不必一定是上述值。替代地，可以将平均Av和标准偏差σ乘以3(即3σ)之和设定为阈值Th(＝Av+3σ)。
范围确定单元121从多个划分时段Ts中提取其中信号电平等于或大于阈值Th且为最高的划分时段Ts和其中信号电平等于或大于阈值Th且与具有最高信号电平的划分时段Ts相邻的另一划分时段Ts。当在与具有最高信号电平的划分时段Ts相邻的两个划分时段Ts中均发现信号电平等于或大于阈值时，范围确定单元121提取两个相邻的划分时段Ts中的具有较高信号电平的一个划分时段Ts。在图3中所示的示例中，第三划分时段Ts3具有等于或大于阈值Th的最高信号电平。此外，在与第三划分时段Ts3相邻的第二划分时段Ts2和第四划分时段Ts4中，第二划分时段Ts2具有等于或大于阈值Th的较高信号电平。因此，范围确定单元121提取第三划分时段Ts3和第二划分时段Ts2。范围确定单元121从多个距离范围中确定与所提取的第二划分时段Ts2相对应的第二距离范围(先前距离范围)和与所提取的第三划分时段Ts3相对应的第三距离范围(后续距离范围)为应该存在目标4的距离范围。另一方面，当在与具有最高信号电平的划分时段Ts相邻的两个划分时段Ts中均发现信号电平小于阈值时，范围确定单元121确定目标4应该存在于与具有最高信号电平的划分时段Ts相对应的距离范围中。
范围距离计算单元122根据范围确定单元121已经确定应该存在目标4的距离范围来计算到目标4的距离。接下来，将参照图4A-7具体地描述范围距离计算单元122如何计算到目标4的距离。在图4A-4C中示出的示例中，目标4是人，并且相对于存在人的距离范围示出了像素信号的信号电平。
在图4A中，人存在于第一距离范围(先前距离范围)和第二距离范围(后续距离范围)上，并且他或她的身体的大部分位于第二距离范围中，而他或她的身体的仅一部分位于第一距离范围中。因此，反射光在对应于第一距离范围的第一划分时段Ts1和对应于第二距离范围的第二划分时段Ts2中均到达波接收器3。在第一划分期间Ts1和第二划分期间Ts2的各自部分中，波接收器3接收反射光，并且第一划分时段Ts1中的第一信号电平S1和第二划分时段Ts2中的第二信号电平S2等于或大于阈值Th。另外，由于人身体的大部分位于第二距离范围中，因此接收反射光的时段与整个第二划分时段Ts2的比大于接收反射光的时段与整个第一划分时段Ts1的比。因此，在图4A中所示的示例中，与第二距离范围(后续距离范围)相对应的第二划分时段Ts2中的第二信号电平S2大于与第一距离范围(先前距离范围)相对应的第一划分时段Ts1中的第一信号电平S1(即满足S2>S1)。
在图4B所示的示例中，人完全存在于第二距离范围中。因此，在与第二距离范围相对应的第二划分时段Ts2中，反射光到达波接收器3。在第二划分时段Ts2中，波接收器3接收反射光。因此，仅在与第二距离范围相对应的第二划分时段Ts2中的第二信号电平S2等于或大于阈值Th。
在图4C中，人存在于第二距离范围(先前距离范围)和第三距离范围(后续距离范围)上，并且他或她的身体的大部分位于第二距离范围中，而他或她的身体的仅一部分位于在第三距离范围中。因此，反射光在对应于第二距离范围的第二划分时段Ts2和对应于第三距离范围的第三划分时段Ts3中均到达波接收器3。在第二和第三划分时段Ts2和Ts3的各自部分中，波接收器3接收反射光，并且第二划分时段Ts2中的第二信号电平S2和第三划分时段Ts3中的第三信号电平S3等于或大于阈值Th。另外，由于人的身体的大部分位于第二距离范围中，因此接收反射光的时段与整个第二划分时段Ts2的比大于接收反射光的时段与整个第三划分时段Ts3的比。因此，在图4C中所示的示例中，对应于第二距离范围(先前距离范围)的第二划分时段Ts2中的第二信号电平S2大于对应于第三距离范围(后续距离范围)的第三划分时段Ts3中的第三信号电平S3(即满足S2>S3)。
范围距离计算单元122基于范围确定单元121已经确定应该存在目标4的距离范围的范围数量(range number)来计算到目标4的距离。如本文所使用的，“范围数量”是指范围确定单元121已经确定应该存在目标4的距离范围的(顺序)数量，假定最接近距离测量系统1(或距离测量装置10)的距离范围是第一距离范围。在图4B中所示的示例中，人(作为目标4)仅存在于第二距离范围中，并且因此，范围数量是第二。同时，如果目标4存在于两个距离范围上，则先前距离范围的顺序数量是范围数量。在图4A中所示的示例中，人(作为目标4)存在于第一距离范围和第二距离范围上，先前距离范围是第一距离范围，并且因此，范围数量是第一。在图4C所示的示例中，人(作为目标4)存在于第二距离范围和第三距离范围上，先前距离范围是第二距离范围，并且因此，范围数量是第二。
如果范围确定单元121已经确定应该存在目标4的距离范围的数量变成一(见图4B)，则范围距离计算单元122基于范围数量和距离范围的长度L1(＝c×Ts/2)来计算到目标4的距离d(如以下等式(2)所给出的)：
d＝(N–0.5)×L1＝(N–0.5)×c×Ts/2 (2)
其中c是光速，且N是范围数量。
例如，如果划分时段Ts的时间长度是10ns，则距离范围的长度L1大约是1.5m。因此，如果范围数量是第二，则到目标4的距离d约为2.25m。同时，如果距离范围的数量n是例如100，则可测量距离范围是150m(＝n×L1)。
此外，如果范围确定单元121已经确定应该存在目标4的距离范围的数量为二(见图4A和4C)，则范围距离计算单元122通过进一步校正通过将范围数量乘以距离范围的长度而获得的值来计算到目标4的距离。
具体地，范围距离计算单元122将与先前距离范围相对应的表示接收到的先前波的量的信号电平(在下文中称为“先前信号电平Sf”)和与后续距离范围相对应的表示接收到的后续波的量的信号电平(以下称为“后续信号电平Sb”)进行比较，以计算校正因子α或校正因子β。当发现如图4A中所示的高于先前信号电平Sf(例如，图4A中的信号电平S1)的后续信号电平Sb(例如，图4A中的信号电平S2)时(即，当满足Sb＞Sf时)，范围距离计算单元122计算校正因子α。另一方面，当发现如图4C中所示的高于后续信号电平Sb(例如，图4C中的信号电平S3)的先前信号电平Sf(例如，图4C中的信号电平S2)时(即，当满足Sf＞Sb时)，范围距离计算单元122计算校正因子β。
范围距离计算单元122基于先前信号电平Sf与后续信号电平Sb的比(以下有时称为“范围信号比R”)来计算校正因子α或校正因子β。在这种情况下，如果先前和后续信号电平Sf、Sb中较高的一个由Sh表示，而先前和后续信号电平Sf、Sb中较低的一个由S1表示，则范围信号比R由(Sh–Sl)/(Sh+Sl)给出。可选地，在这种情况下，可以通过从先前信号电平Sf和后续信号电平Sb中减去平均Av来计算信号电平Sh、S1。
首先，将描述后续信号电平Sb高于先前信号电平Sf的情况(见图4A)。
图5是示出校正因子α与范围信号比R之间的示例性关系的图示。在图5中示出的示例中，校正因子α与范围信号比R之间的关系由正线性函数表示，并且校正因子α为R/2。当后续信号电平Sb高于先前信号电平Sf时，计算校正因子α。因此，在这种情况下，范围信号比R由(Sb-Sf)/(Sb+Sf)给出，并且是大于零且小于1的值(即，满足0<R<1)。因此，校正因子α是大于零且小于0.5的值(即，满足0<α<0.5)。
如果后续信号电平Sb高于先前信号电平Sf，则范围距离计算单元122基于范围数量N、距离范围的长度L1和校正因子α，通过以下等式(3)来计算到目标4的距离d：
d＝N×L1+α×L1 (3)
在图4A中所示的示例中，如果每个划分时段Ts的时间长度T1是10ns，则到目标4的距离d根据范围信号比R在从大约1.5m至大约2.25m的范围内变化(即满足1.5<d<2.25)，因为距离范围的长度L1约为1.5m，并且范围数量是第一。
接下来，将描述先前信号电平Sf高于后续信号电平Sb的情况(见图4C)。
图6是示出校正因子β与范围信号比R之间的示例性关系的图示。在图6中示出的示例中，校正因子β与范围信号比R之间的关系由负线性函数表示，并且校正因子β为-R/2。当先前信号电平Sf高于后续信号电平Sb时，计算校正因子β。因此，在这种情况下，范围信号比R由(Sf-Sb)/(Sf+Sb)给出，并且是大于零且小于1的值(即，满足0<R<1)。因此，校正因子β是大于–0.5且小于0的值(即，满足–0.5<β<0)。
如果先前信号电平Sf高于后续信号电平Sb，则范围距离计算单元122基于范围数量N、距离范围的长度L1和校正因子β，通过以下等式(4)来计算到目标4的距离d：
d＝N×L1+β×L1 (4)
可以看出，根据本实施例，距离测量单元12基于所接收到的先前波的量(先前信号电平Sf)与所接收到的后续波的量(后续信号电平Sb)的比(即，范围信号比R)来计算到目标4的距离。
在图4C所示的示例中，如果每个划分时段Ts的时间长度T1为10ns，则到目标4的距离d根据范围信号比R在从大约2.25m至大约3.0m的范围内变化(即，满足2.25<d<3.0)，因为距离范围的长度L1约为1.5m，并且范围数量是第二。
范围确定单元121和范围距离计算单元122在逐帧F1的基础上重复执行上述算术处理。因此，在根据本实施例的距离测量装置10(距离测量系统1)中，在帧F1的基础上计算到目标4的距离。也就是说，在本实施例中，像素输出单元32针对多个距离范围中的每一个输出像素信号的周期时间是一帧F1。距离测量单元12在帧F1的基础上计算到目标4的距离。
图7是示出到目标4的实际距离[m]与由根据本实施例的距离测量装置10的范围距离计算单元122获得的测量值(计算值)[m]之间的关系的图示。在图7中，Y1是示出由根据本实施例的距离测量装置10(的范围距离计算单元122)所获得的测量值关于到目标4的实际距离的图示，并且Y2是示出由根据比较例的距离测量装置所获得的测量值关于到目标4的实际距离的图示。根据比较例的距离测量装置基于多个距离范围中具有最高信号电平的距离范围的范围数量和每个距离范围的长度来计算(测量)到目标4的距离。也就是说，根据比较例的距离测量装置基于范围数量来计算到目标4的距离。因此，测量值步进变化，并且在测量值与实际距离之间产生最大0.75m的误差(如图示Y2所示)。相反，在确定目标4应存在于两个距离范围上时，根据本实施例的距离测量装置10，通过使用两个距离范围的各自信号电平的比(即，范围信号比R)基于范围数量来校正距离。这使得根据本实施例的距离测量装置10能够减小由范围距离计算单元122计算的值与实际距离之间的差。也就是说，根据本实施例的距离测量装置10有助于增大所测量的距离的分辨率并提高测量精度。
(2.3.3)输出单元
输出单元13被配置为将由距离测量单元12(的范围距离计算单元122)计算的测量结果，即到目标4的距离，输出到外部装置5。
外部装置5的示例包括诸如液晶显示器和有机电致发光(EL)显示器的显示装置。输出单元13将距离测量单元12的测量结果输出到外部装置5，从而使外部装置5呈现由距离测量单元12获得的测量结果。替代地，输出单元13可以将由像素信号生成的图像数据输出到外部装置5，以使外部装置5显示图像数据。注意，外部装置5不必是显示装置，而可以是任何其他类型的装置。
(3)距离测量方法
与距离测量装置10的功能相同的功能也可以被实施为距离测量方法。距离测量方法是用于基于从波发射器2发出光(即，发射测量波W1)与在波接收器3处接收到光(即接收到测量波W1)之间的时间间隔来计算到目标4的距离的方法。目标4可以存在于在通过划分可测量距离范围而定义的多个距离范围之中彼此连续的先前距离范围和后续距离范围存在。在这种情况下，根据距离测量方法，基于在与先距离范围相对应的时段内在波接收器3处的先前信号电平(即，接收到的先前波的量)和在对应于后续距离范围的时段内在波接收器3处的后续信号电平(即，接收到的后续波的量)，来计算到目标4的距离。
接下来，将参考图8详细描述距离测量方法。
距离测量单元12从波接收器3获取对应于多个划分时段Ts的多个像素信号(在P1中)。
距离测量单元12的范围确定单元121提取单个帧F1中的多个划分时段Ts中的每一个中的像素信号的信号电平(在P2中)。
范围确定单元121计算对于多个划分时段Ts的像素信号的除了最高信号电平和次最高信号电平之外的所有信号电平的平均Av和标准偏差σ(在P3中)。
范围确定单元121基于平均Av和标准偏差σ计算阈值Th(在P4中)。
范围确定单元121将每个划分时段Ts中的像素信号的信号电平与阈值Th进行比较(在P5中)。当发现每个划分时段Ts中的像素信号的信号电平小于阈值Th时(如果在P5中答案为否)，则范围确定单元121确定在可测量距离范围中不存在目标4(在P6中)。另一方面，当在对于多个划分时段Ts的像素信号中发现信号电平等于或大于阈值Th的任何像素信号时(如果在P5中答案为是)，则范围确定单元121确定目标4应存在于可测量距离范围内(在P7中)。范围确定单元121确定目标4应存在于多个距离范围中的哪个距离范围中(在P8中)。在该示例中，假定目标4存在于两个距离范围(即，先前距离范围和后续距离范围)上。
范围距离计算单元122将和先前距离范围相对应的先前信号电平Sf与和后续距离范围相对应的后续信号电平Sb进行比较(在P9中)。
当发现后续信号电平Sb高于先前信号电平Sf时(如果在P9中答案为是)，则范围距离计算单元122计算范围信号比R和校正因子α(在P10中)。范围距离计算单元122通过使用范围数量N和校正因子α来计算到目标4的距离(在P11中)。
另一方面，当发现先前信号电平Sf高于后续信号电平Sb时(如果在P9中答案为否)，则范围距离计算单元122计算范围信号比R和校正因子β(在P12中)。范围距离计算单元122通过使用范围数量N和校正因子β来计算到目标4的距离(在P13中)。
输出单元13将范围距离计算单元122获得的计算结果(即，到目标4的距离)输出到外部装置5(在P14中)。
替代地，距离测量方法还可以被实施为(计算机)程序或在其上存储该程序的非暂时性存储介质。该程序被设计为使计算机系统执行距离测量方法。
例如，距离测量装置10在其距离测量单元12中包括计算机系统。在那种情况下，计算机系统可以包括处理器和存储器作为主要硬件组件。可以通过使处理器执行存储在计算机系统的存储器中的程序来执行距离测量单元12(包括范围确定单元121和范围距离计算单元122)的功能。程序可以预先存储在计算机系统的存储器中。替代地，也可以通过电信线路下载程序，或者在将程序记录到某些非暂时性存储介质(诸如，存储卡、光盘或硬盘驱动器，其中的任何一种对计算机系统可读)后，对其进行分发。计算机系统的处理器可以由单个或多个电子电路(包括半导体集成电路(IC)或大规模集成电路(LSI))组成。那些电子电路既可以一起集成在单个芯片上，也可以分布在多个芯片上，只要合适哪一种都行。那些多个芯片可以一起集成在单个装置中或分布在多个装置中，而不受限制。可选地，距离测量装置10的功能也可以被实施为云计算系统。
(4)变体
注意，上述实施例仅是本公开的各种实施例中的示例性实施例，并且不应被解释为限制性的。而是，可以不脱离本公开的范围根据设计选择或任何其他因素以各种方式容易地修改上述示例性实施例。接下来，将一个接一个地列举根据示例性实施例的距离测量装置10和距离测量系统1的变体。注意，可以适合地组合采用以下描述的变体。
(4.1)第一变体
在上述示例中，波发射器2被配置为在测量时段Tm发射测量波W1(发出光)一次。然而，这仅是本公开的示例，并且不应被解释为限制性的。替代地，波发射器2可以在测量时段Tm发射测量波W1多次。
在该变体中，波发射器2被配置为在测量时段Tm发射测量波W1两次(见图9)。在每个测量时段Tm要发射的两个测量波W1中，以下将首先发射的测量波W1称为“第一测量波W11”，然后将接下来要发射的测量波W1称为“第二测量波W12”。
在该变体中，波发射器2以彼此不同的发射波强度来发射第一测量波W11和第二测量波W12作为测量波W1。范围确定单元121基于在波接收器3处接收的第一测量波W11的量，确定先前距离范围和后续距离范围。范围距离计算单元122基于在与先前距离范围相对应的时段内在波接收器3处接收为先前波的第二测量波W12的量和在与后续距离范围相对应的时段内在波接收器3处被接收为后续波的第二测量波W12的量，来计算到目标4的距离。
第一测量波W11和第二测量波W12具有彼此不同的发射波强度(发出强度)。具体地，第一测量波W11具有比第二测量波W12更高的发射波强度。换句话说，第一测量波W11具有比第二测量波W12更高的发出强度。例如，第一测量波W11的发射波强度与第二测量波W12的发射波强度之比可以为九比一。然而，该比仅是示例，并且不应解释为限制性的。
在每个测量时段Tm中，在第一划分时段Ts1中发射第一测量波W11，并且在第三划分时段Ts3中发射第二测量波W12。也就是说，从开始发射第一测量波W11起经过两个划分时段Ts时，将发射第二测量波W12。换句话说，开始发射第一测量波W11的定时和开始发射第二测量波W12的定时彼此偏移了两个划分时段Ts。然而，这仅是本公开的示例，并且不应被解释为限制性的。替代地，开始发射第一测量波W11的定时和开始发射第二测量波W12的定时也可以彼此偏移三个或更多个划分时段Ts。
此外，根据该变体，波接收器3被配置为在测量时段Tm接收测量波W1(即，暴露于发出的光)两次。在每个测量时段Tm中的两个波接收中，以下将首先执行的波接收称为“第一波接收”，并且以下将接下来将执行的波接收称为“第二波接收”。第一和第二波接收之间的间隔与第一测量波W11和第二测量波W12之间的间隔一样长。
测量控制单元11在多个测量时段Tm中的每一个中从第一划分时段Ts1到第n划分时段Tsn顺序地将执行第一波接收的定时移位一个划分时段Ts，并且还从第三划分时段Ts3到第(n+2)划分时段Ts(n+2)顺序地将执行第二波接收的定时移位一个划分时段Ts。因此，如果波接收器3在第一波接收和第二波接收时都接收到测量波W1，则从目标4反射的第一测量波W11将在第一波接收时被接收，并且从目标4反射的第二测量波W12将在第二波接收时被接收。注意，在第二波接收中，第三分时段TS3到第(n+2)划分时段Ts(N+2)分别对应于第一距离范围到第n距离范围。例如，如果目标4存在于第二距离范围中，则波接收器3将在第四划分时段Ts4中接收第二测量波W12。
在这种情况下，从波接收器3输出的像素信号的信号电平具有与接收到的波的量相对应的值。当接收到的波的量超过预定值时，像素信号的信号电平将饱和，即，将达到上限值。例如，当到目标4的距离相对短时或当目标4的反射率高时，像素信号的信号电平趋于足够高而容易饱和。即使当像素信号的信号电平饱和时，范围确定单元121仍然能够确定应当存在目标4的距离范围。然而，当像素信号的信号电平饱和时，范围距离计算单元122不再能够准确地计算距离信号比R。
在该变体中，每个测量时段Tm发射两个测量波W1(即，第一测量波W11和第二测量波W12)，并且第二测量波W12的发射波强度低于第一测量波W11的发射波强度。因此，相比于波接收器3接收到第一测量波W11时的像素信号(以下也称为“第一像素信号”)的信号电平，波接收器3接收到第二测量波W12时的像素信号(以下也称为“第二像素信号”)的信号电平较低，并且趋于不那么容易饱和。
在该变体中，范围确定单元121基于第一像素信号的信号电平，确定目标4应在存在于多个距离范围中的哪个距离范围中。范围距离计算单元122基于第二像素信号的信号电平来计算范围信号比R和校正因子α或β，从而计算到目标4的距离。这使得范围距离计算单元122能够根据该变体准确地计算范围信号比R，从而提高了计算到目标4的距离的准确性。
可选地，范围距离计算单元122可以仅在第一像素信号的信号电平饱和时才基于第二像素信号的信号电平来计算到目标4的距离。换句话说，除非第一像素信号的信号电平饱和，否则范围距离计算单元122基于第一像素信号的信号电平来计算范围信号比R和校正因子α或β，从而计算到目标4的距离。
可选地，可以在每个测量时段Tm中仅发射第一测量波W11，并且仅当第一像素信号的信号电平饱和时，才可以在下一帧F1中在每个测量时段Tm中发射第二测量波W12。在那种情况下，在发射第一像素信号的帧F1中，范围确定单元121基于第一像素信号的信号电平，确定应当存在目标4的距离范围。在发射第二像素信号的帧F1中，范围距离计算单元122基于第二像素信号的信号电平来计算范围信号比R和校正因子α或β，从而计算到目标4的距离。
(4.2)第二变体
在上述示例中，校正因子α与范围信号比R之间的关系由正线性函数表示(见图5)，并且校正因子β与范围信号比R之间的关系由负线性函数表示(见图6)。这是在假设测量波W1是方波的前提下完成的。然而，实际测量波W1可能具有圆形或扭曲的上升或下降沿。在这种情况下，该范围信号比R与校正因子α、β之间的关系由n阶函数表示(其中n>2)。具体而言，基于从波发射器2发出的光(测量波W1)的强度与时间响应谱之间的关系，设定表示范围信号比R与校正因子α或β之间的关系的n阶函数。这允许基于测量波W1的波形来计算校正因子α、β，从而提高了计算到目标4的距离的准确性。
(4.3)第三变体
在上述示例中，在与多个距离范围相对应的多个划分时段Ts中的每一个中，要与像素信号的信号电平进行比较的阈值Th被假定为是恒定的。然而，这仅是本公开的示例，并且不应被解释为限制性的。替代地，阈值Th可以根据距离范围而变化。
如果目标4位于相对近的距离范围中，则当波接收器3接收到从目标4反射的测量波W1时，像素信号的信号电平相对高，而如果目标4位于相对远的距离范围内，则该像素信号的信号电平相对低。
因此，在该变体中，阈值Th被设定为使得从波接收器3到给定距离范围的距离越远，则对该距离范围的阈值Th越小。例如，可以通过使用基于范围数量的范围因子校正平均Av和标准偏差σ之和来设定阈值Th。如本文所使用的，“范围数量”是指范围确定单元121已经确定应该存在目标4的距离范围的(顺序)数量，前提是最接近距离测量系统1(或距离测量装置10)的距离范围是第一距离范围。范围因子的值随着范围数量的减小而增大。也就是说，范围因子的值随着范围数量的增大而减小。因此，从波接收器3到给定距离范围的距离越短(即，距离范围的范围数量越小)，则阈值Th越大。从波接收器3到给定距离范围的距离越长(即，距离范围的范围数量越大)，则阈值Th越小。
这减少了范围确定单元121错误地确定应存在目标4的距离范围的机会。
(5)概述
根据第一方面的距离测量装置(10)要被连接到以发射测量波(W1)的波发射器(2)和以接收从目标(4)反射的测量波(W1)的波接收器(3)。距离测量装置(10)包括距离测量单元(12)。距离测量单元(12)基于从波发射器(2)发射测量波(W1)和在波接收器(3)处接收到测量波(W1)之间的时间间隔来计算到目标(4)的距离。目标(4)可以存在于通过划分可测量距离范围而定义的多个距离范围之中彼此连续的先前距离范围和后续距离范围上。在这种情况下，距离测量单元(12)基于在与先前距离范围相对应的时段内在波接收器(3)处接收到的先前波和在与后续距离范围相对应的时段内在波接收器(3)处接收到的后续波的各自量来计算到目标(4)的距离。
根据该方面，当在两个距离范围(即，先前距离范围和后续距离范围)上存在目标(4)时，基于在分别对应于两个距离范围的两个时段内接收到的波的各自量(即，接收到的先前波和后续波的量)来计算到目标(4)的距离。这容许距离测量装置(10)以比距离范围短的单位并以更高分辨率测量距离，因此有助于提高测量精度。
在可以结合第一方面来实施的根据第二方面的距离测量装置(10)中，其中，测量波(W1)是光。
该方面减少了由周围环境引起的测量误差。
在可以结合第一方面或第二方面来实施的根据第三方面的距离测量装置(10)中，波接收器(3)包括多个像素(311)和像素输出单元(32)。多个像素(311)二维布置并且接收测量波(W1)。像素输出单元(32)基于由多个分别的像素(311)中的每个像素接收到的测量波(W1)的量来输出像素信号。
该方面允许检测各种形状的目标(4)。
在可以结合第三方面来实施的根据第四方面的距离测量装置(10)中，距离测量单元(12)通过将像素输出单元(32)输出与各自距离范围相对应的多个像素信号所用的时间周期定义为一帧(F1)来在帧(F1)的基础上计算到目标(4)的距离。
该方面有助于在不降低帧速率的情况下提高距离测量的分辨率。
在可以结合第一至第四方面中的任何一方面来实施的根据第五方面的距离测量装置(10)中，距离测量单元(12)基于接收到的先前波和后续波的各自量的比来计算到目标(4)的距离。
该方面允许以比距离范围更短的单位并以更高的分辨率来测量距离，从而有助于提高测量精度。
在可以结合第一至第五方面中的任何一方面来实施的根据第六方面的距离测量装置(10)中，距离测量单元(12)包括范围确定单元(121)和范围距离计算单元(122)。范围确定单元(121)在多个距离范围中确定存在目标(4)的在先距离范围和后续距离范围。范围距离计算单元(122)基于接收到的先前波和后续波的各自量来计算到目标(4)的距离。
该方面允许以比距离范围短的单位并以更高的分辨率来测量距离，从而有助于提高测量精度。
在可以结合第六方面来实施的根据第七方面的距离测量装置(10)中，范围确定单元(121)将多个距离范围中的特定一个距离范围确定为存在目标(4)的特定距离范围，其中在与特定距离范围相对应的时段内在波接收器(3)处接收到的波的量等于或大于阈值(Th)。
该方面减少了对目标(4)的错误检测。
在可以结合第七方面来实施的根据第八方面的距离测量装置(10)中，阈值(Th)从多个距离范围中的一个到另一个变化，使得从波接收器(3)到距离范围的距离越长，则用于距离范围的阈值(Th)越小。
该方面减少了应当存在目标(4)的距离范围的错误确定。
在可以结合第六至第八方面中的任何一方面来实施的根据第九方面的距离测量装置(10)中，波发射器(2)发射具有彼此不同的发射波强度的第一测量波(W11)和第二测量波(W12)来作为测量波(W1)。范围确定单元(121)基于在波接收器(3)处接收到的第一测量波(W11)的量来确定先前距离范围和后续距离范围。范围距离计算单元(122)基于在与先前距离范围相对应的时段内在波接收器(3)处作为先前波接收到的第二测量波(W12)的量和在与后续距离范围相对应的时段内在波接收器(3)处作为后续波接收到的第二测量波(W12)的量来计算到目标(4)的距离。
该方面减小了接收到的第二测量波(W12)的量的饱和度，从而提高了计算的到目标(4)的距离的准确性。
根据第十方面的距离测量系统(1)包括：根据第一方面至第九方面中的任何一方面的距离测量装置(10)；波发射器(2)；以及波接收器(3)。
该方面允许以比距离范围短的单位并以更高的分辨率来测量距离，从而有助于提高测量精度。
根据第十一方面的距离测量方法是一种用于基于从波发射器(2)发射测量波(W1)与在波接收器(3)处接收到测量波(W1)之间的时间间隔来计算到目标(4)的距离的方法。目标(4)可以存在于通过划分可测量距离范围而定义的多个距离范围之中彼此连续的先前距离范围和后续距离范围上。在这种情况下，根据距离测量方法，基于在与先前距离范围相对应的时段内在波接收器(3)处接收到的先前波和在与后续距离范围相对应的时段内在波接收器(3)处接收到的后续波的各自量来计算到目标(4)的距离。
该方面允许以比距离范围短的单位并以更高的分辨率测量距离，从而有助于提高测量精度。
根据第十二方面的程序被设计为使计算机系统执行根据第十一方面的距离测量方法。
该方面允许以比距离范围短的单位并以更高的分辨率测量距离，从而有助于提高测量精度。
参考标记列表
1 距离测量系统
10 距离测量装置
12 距离测量单元
121 范围确定单元
122 范围距离计算单元
2 波发射器
3 波接收器
311 像素
32 像素输出单元
4 目标
W1 测量波
W11 第一测量波
W12 第二测量波
F1 帧
Th 阈值

Claims (12)

1.一种距离测量装置，所述距离测量装置要被连接到波发射器和波接收器，所述波发射器被配置为发射测量波，所述波接收器被配置为接收从目标反射的所述测量波，所述距离测量装置包括：
距离测量单元，被配置为基于从所述波发射器发射所述测量波与在所述波接收器处接收所述测量波之间的时间间隔来计算到所述目标的距离，
所述距离测量单元被配置为，当所述目标存在于彼此连续并且均属于通过划分可测量距离范围而定义的多个距离范围的先前距离范围和后续距离范围上时，基于从所述波发射器发射所述测量波与在所述波接收器处接收所述测量波之间的所述时间间隔、在与所述先前距离范围相对应的时段内在所述波接收器处接收到的先前波的量和在与所述后续距离范围相对应的时段内在所述波接收器处接收到的后续波的量，来计算第一距离和第二距离之间的距离作为到所述目标的距离，
所述第一距离与所述先前距离范围相对应，
所述第二距离与所述后续距离范围相对应。
2.根据权利要求1所述的距离测量装置，其中，
所述测量波是光。
3.根据权利要求1或2所述的距离测量装置，其中，
所述波接收器包括：
多个像素，二维布置并被配置为接收所述测量波；以及
像素输出单元，被配置为基于由所述多个像素中的每个像素接收到的所述测量波的量来输出像素信号。
4.根据权利要求3所述的距离测量装置，其中，
所述距离测量单元被配置为，通过将所述像素输出单元输出与各自距离范围相对应的多个所述像素信号所用的周期时间定义为一帧，在逐帧的基础上计算到所述目标的所述距离。
5.根据权利要求1或2所述的距离测量装置，其中，
所述距离测量单元被配置为基于接收到的所述先前波和所述后续波的各自量的比来计算到所述目标的所述距离。
6.根据权利要求1所述的距离测量装置，其中，
所述距离测量单元包括：
范围确定单元，被配置为在所述多个距离范围中确定存在所述目标的所述先前距离范围和所述后续距离范围；以及
范围距离计算单元，被配置为基于接收到的所述先前波和所述后续波的各自量来计算到所述目标的所述距离。
7.根据权利要求6所述的距离测量装置，其中，
所述范围确定单元被配置为将所述多个距离范围中的特定一个距离范围确定为存在所述目标的特定距离范围，其中在与所述特定距离范围相对应的时段内在所述波接收器处接收到的波的量等于或大于阈值。
8.根据权利要求7所述的距离测量装置，其中，
所述阈值从所述多个距离范围中的一个到另一个变化，使得从所述波接收器到距离范围的距离越长，则用于所述距离范围的所述阈值越小。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的距离测量装置，其中，
所述波发射器被配置为发射下述波作为所述测量波：具有彼此不同的发射波强度的第一测量波和第二测量波，
所述范围确定单元被配置为基于在所述波接收器处接收到的所述第一测量波的量来确定所述先前距离范围和所述后续距离范围，以及
所述范围距离计算单元被配置为基于在与所述先前距离范围相对应的时段内在所述波接收器处作为所述先前波接收到的所述第二测量波的量和在与所述后续距离范围相对应的时段内在所述波接收器处作为所述后续波接收到的所述第二测量波的量来计算到所述目标的所述距离。
10.一种距离测量系统，包括：
根据权利要求1至9中的任一项所述的距离测量装置；
所述波发射器；以及
所述波接收器。
11.一种距离测量方法，用于基于从波发射器发射测量波与在波接收器处接收所述测量波之间的时间间隔来计算到目标的距离，
所述距离测量方法包括：当所述目标存在于彼此连续并且均属于通过划分可测量距离范围而定义的多个距离范围的先前距离范围和后续距离范围上时，基于从所述波发射器发射所述测量波与在所述波接收器处接收所述测量波之间的所述时间间隔、在与所述先前距离范围相对应的时段内在所述波接收器处接收到的先前波的量和在与所述后续距离范围相对应的时段内在所述波接收器处接收到的后续波的量，来计算第一距离和第二距离之间的距离作为到所述目标的距离，
所述第一距离与所述先前距离范围相对应，
所述第二距离与所述后续距离范围相对应。
12.一种非暂时性计算机可读存储介质，存储被设计为使计算机系统执行根据权利要求11所述的距离测量方法的计算机程序。
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