CN112415533A - 一种基于啁啾脉冲的深度感知方法、装置及传感器 - Google Patents

一种基于啁啾脉冲的深度感知方法、装置及传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于啁啾脉冲的深度感知方法、装置及传感器，该方法包括：接收通过恒流驱动的激光光源发射的信号光；对所述信号光进行啁啾调制和时间调制，调制后投射向目标物体；接收由所述目标物体反射的反射信号光，产生光信号，对所述光信号进行时域和频域预处理后解析得到脉冲信号；获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息。本发明通过在传统PTOF方案的基础上引入啁啾调制和解调以获得更高时间分辨率的飞行时间。同时在时域和频域两个维度对信号光进行滤波以减少环境光干扰，提高了系统测距的准确性和稳定性。

Description

一种基于啁啾脉冲的深度感知方法、装置及传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于啁啾脉冲的深度感知方法、装置及传感器。
背景技术
深度信息获取技术无外乎主动式和被动式两种，主动式包括飞行时间技术（Timeof Flight，TOF）、结构光技术等，被动式包括双目立体成像技术、光场成像技术等。深度信息感知技术在机器视觉、机器人、消费电子、安防等领域有着广泛的应用。不同的深度感知技术有着各地独特的优势，但也是由于各自的设计原理导致其天生的缺陷。激光雷达技术因为将激光能量聚焦到很小的角度上，因而可探测距离较远，但是他需要扫描以实现空间多点测距，扫描的点数越多帧率越低。结构光利用投影在被观察物体上的大小和形状计算深度信息，其探测距离的精度与距离成平方退化关系，适合近距离范围深度感知，受强自然光和反光影响较大，不适于户外场景。TOF利用发射光脉冲并接收反射回来的光脉冲计算深度信息，同时感知面阵距离信息，帧率高，算法简易，对环境光有一定的抑制能力。脉冲式TOF探测距离受限脉冲光强度，而CWTOF易受多路径反光影响探测距离不准确。双目计算复杂，受环境影响大，可靠性差。
目前常规的脉冲式TOF采用盖革模式APD来进行光子感知，以克服信号放大带来的噪声，当反向偏压高于击穿电压时，Geiger模式APD在单载波激励下输出大脉冲，用于光子计数。这类激光雷达接收器的典型增益很高，但是在盖革模式下输出脉冲电压/电流与接收光功率电平无关。由于啁啾调幅激光雷达中的距离信息是通过光功率级的调制来传递的，因此光子计数探测器一直没有被用作啁啾调幅激光雷达的探测器。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种基于啁啾脉冲的深度感知方法、装置及传感器，以解决连续波调制TOF存在的周期性问题和PTOF存在的测距精度不够的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于啁啾脉冲的深度感知方法，包括：
接收通过恒流驱动的激光光源发射的信号光；
对所述信号光进行啁啾调制和时间调制，调制后投射向目标物体；
接收由所述目标物体反射的反射信号光，产生光信号，对所述光信号进行时域和频域预处理后解析得到脉冲信号；
获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息。
根据以上技术方案，本发明提供一种基于啁啾脉冲的深度感知方法，对激光光源发射的信号光进行啁啾和时间调制，调制后投射向目标物体，传感器接收由所述目标物体反射的反射信号光进行深度解析。在传统PTOF方案上结合啁啾调制生成更精细时间分辨的光飞行时间。此外，对所述光信号进行时域和频域两个维度进行预处理后解析得到脉冲信号，将不满足幅度约束和频率约束的信号排除在统计计算之外，增强了传感器抗环境光干扰的能力。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种基于啁啾脉冲的深度感知装置，包括：
接收模块，用于接收通过恒流驱动的激光光源发射的信号光；
调制模块，用于对所述信号光进行啁啾调制和时间调制，调制后投射向目标物体；
解析模块，用于接收由所述目标物体反射的反射信号光，产生光信号，对所述光信号进行时域和频域预处理后解析得到脉冲信号；
深度计算模块，用于获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种基于啁啾脉冲的深度感知传感器，包括：
主动光源发射装置，由一个或者多个激光光源组成，所述激光光源采用恒流驱动，用于发射信号光；
调制发生器，用于对所述主动光源发射装置发射的信号光进行啁啾调制和时间调制，调制后投射向目标物体；
光子计数传感器，用于接收由所述目标物体反射的反射信号光，产生光信号，对所述光信号进行时域和频域预处理后解析得到脉冲信号；
处理器，用于控制所述主动光源发射装置、调制发生器以及光子计数传感器，获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息。
根据以上技术方案，本发明实施例中主动光源发射装置包括一个或者多个激光光源，激光光源采用恒流驱动，确保光谱不会发生明显改变。主动光源发射装置发射出的光信号经过啁啾调制和时间调制之后按照预设的方位角向目标区域投射光信号。所述时间调制光信号经由目标物体反射后，由光子计数传感器捕获用于脉冲计数，形成传统PTOF方案的测距模式。所述啁啾调制和时间调制联合，通过对反射光信号与啁啾波形的模拟乘法，获得更高精度的飞行时间，在PTOF方案上形成更精细的飞行时间测距。处理器根据投射和返回的光信号的方位角解析得到准确的深度信息。此外本发明采用硬件模拟电平比较器实现信号筛选。只有超过幅度限制的光信号才会产生用于光子计数的矩形波形。光子计数传感器由方波序列选通，该选通的波形具有与啁啾波形同步的频率，实现啁啾解调。两步选通在时域和频域两个维度对有效信号进行筛选，提高了系统的抗噪能力。本发明实施例以较低成本实现PTOF方案高分辨率快速深度信息获取，适用于近距离及较远距离。兼具PTOF技术的测量距离较远和可靠度较高以及连续波调制TOF的空间分辨率高和盲区小的优点，系统稳定性和可靠性更好。在不明显提高硬件复杂度的同时实现了高精度宽测量范围的空间深度感知。
附图说明
为了更好的理解，在以下的描述中将参照附图更详细地解释本发明。应理解，本发明不限于此示范性实施例，指定的特征也可以被方便地结合和/ 或修改，而不背离本发明的由权利要求书所限定的范围。在附图中：
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于啁啾脉冲的深度感知方法的流程图。
图2是根据一示例性实施例示出的几种啁啾的时幅和时频图示例.
图3是根据一示例性实施例示出的步骤S104的流程图。
图4是根据一示例性实施例示出的啁啾PTOF深度测距原理图示例。
图5是根据一示例性实施例示出的一种基于啁啾脉冲的深度感知装置的框图。
图6是根据一示例性实施例示出的深度计算模块的框图。
图7是根据一示例性实施例示出的一种基于啁啾脉冲的深度感知传感器的结构示意图。
图中的附图标记有：1为主动光源发射装置，2为调制发生器，3为扫描振镜；4为光子计数传感器；5为目标物体；6为处理器。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于啁啾脉冲的深度感知方法的流程图。参考图1，该方法可以包括：
步骤S101，通过恒流驱动的激光光源发射信号光；
步骤S102，对所述信号光进行啁啾调制和时间调制，调制后投射向目标物体；
步骤S103，接收由所述目标物体反射的反射信号光，产生光信号，对所述光信号进行时域和频域预处理后解析得到脉冲信号；
步骤S104，获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息。
根据以上技术方案，本发明提供一种基于啁啾脉冲的深度感知方法，对激光光源发射的信号光进行啁啾和时间调制，调制后投射向目标物体，传感器接收由所述目标物体反射的反射信号光进行深度解析。在传统PTOF方案上结合啁啾调制生成更精细时间分辨的光飞行时间。此外，对所述光信号进行时域和频域两个维度进行预处理后解析得到脉冲信号，将不满足幅度约束和频率约束的信号排除在统计计算之外，增强了传感器抗环境光干扰的能力。
本实施例中，所述光信号包括反射光信号和环境光信号，时域预处理为当所述光信号超过幅度阈值时，所述光信号生成用于光子计数的矩形波形，而当光信号低于幅度阈值时，所述光信号不能产生用于光子计数的矩形波形，从而剔除环境光信号。在目标方向上和可视距离内，目标物体反射的光信号强度一般大于环境光信号强度，因而经光电转化而来的电信号的幅度上两者之间存在显著的差异。本发明通过设置合理的阈值，可避免绝大多数环境光干扰信号。
本实施例中，所述频域预处理为在啁啾调制频率和反射光信号到达频率之间的中间频率处产生对所接收光信号的正弦解调，其中只有满足所述正弦解调条件的反射光信号才会被作为有效信号进行光子计数。
平面波方程可以表示为：
Figure 120236DEST_PATH_IMAGE001
其中，r为位置矢量，t是时间，E(r,t)为电场矢量，A(r,t)为强度量，
Figure 568534DEST_PATH_IMAGE002
为电场中心频 率，
Figure 754796DEST_PATH_IMAGE003
为相位，K为空间传播子，其大小等于
Figure 415585DEST_PATH_IMAGE004
；
那么瞬态频率
Figure 900398DEST_PATH_IMAGE005
可以表示为：
Figure 926123DEST_PATH_IMAGE006
对于高斯脉冲波包，其在空间z位置处的强度随时间t的变化可以表示为：
Figure 724314DEST_PATH_IMAGE007
对于上啁啾和下啁啾波包，其电矢量可以分别表示为：
Figure 579007DEST_PATH_IMAGE008
因而正弦解调必须在中心频率
Figure 779044DEST_PATH_IMAGE009
附近才可以有效解析出经物体反射的光信号。
本实施例根据色散延迟对主动光源发射出信号光进行啁啾调制。
激光辐射出信号光可以近似为平面波，平面波按照傅里叶展开，可以表示为：
Figure 178932DEST_PATH_IMAGE010
β(ω)可以从中心频率
Figure 198841DEST_PATH_IMAGE009
处展开成泰勒项：
Figure 591645DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 911768DEST_PATH_IMAGE012
为群速度的倒数，
Figure 482558DEST_PATH_IMAGE013
为群速度色散项。
根据，Maxwell方程：
Figure 255342DEST_PATH_IMAGE014
Figure 186257DEST_PATH_IMAGE015
其中,
Figure 360887DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 102578DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 362658DEST_PATH_IMAGE018
Figure 100194DEST_PATH_IMAGE019
，B为磁 感应强度，H为磁场强度，j为电流密度，p为电极化矢量，ε为电容率，χ(1) ，χ(2) ，χ(3)为各阶 电极化系数；
在做如下近似的情况下：
Figure 129330DEST_PATH_IMAGE020
有：
Figure 307502DEST_PATH_IMAGE021
其中c为光速，μ为磁导率，于是，代入泰勒展开式，
Figure 789299DEST_PATH_IMAGE022
有
Figure 327596DEST_PATH_IMAGE023
。
本实施例采用的色散介质为均匀线性色散介质，其产生线性啁啾波，原理如下：
对于非啁啾波包
Figure 211239DEST_PATH_IMAGE024
在色散介质中传播Z的长度之后：
Figure 560311DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 529404DEST_PATH_IMAGE026
脉冲相位项可以表示为：
Figure 605814DEST_PATH_IMAGE027
。
图2是根据一示例性实施例1示出的几种啁啾的时幅和时频图示例。
本实施例中，步骤S104，获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息，图3是根据一示例性实施例示出的步骤S104的流程图。该步骤可以包括以下子步骤：
步骤S1041，根据所述脉冲信号的数量，计算得到第一飞行时间；根据发射和返回的脉冲数量比计算得到精度较低的第一飞行时间。
步骤S1042，根据所述脉冲信号的啁啾频率，解调得到第二飞行时间；如图4所示，通过测量返回光信号的于调试信号的频率差Δω：
Figure 609542DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 129516DEST_PATH_IMAGE029
，因而可以计算得到第二飞行时间Δt。
步骤S1043，融合所述第一飞行时间和第二飞行时间，得到准确的光飞行时间；具体地，根据两次计算得到的光飞行时间，根据第二飞行时间对第一飞行时间的低位进行数据补充，得到高分辨光飞行时间。
步骤S1044，结合所述光飞行时间与光速，计算得到反射光方位角的深度信息。具体地，光飞行时间与光速乘积的一半可近似为方位角深度值，所对应深度值在三个维度上的投影可得到世界坐标。
与前述的一种基于啁啾脉冲的深度感知方法的实施例相对应，本申请还提供了一种基于啁啾脉冲的深度感知装置的实施例。
图5是根据一示例性实施例示出的一种基于啁啾脉冲的深度感知装置框图。参照图5，该装置包括：
接收模块21，用于接收通过恒流驱动的激光光源发射的信号光；
调制模块22，用于对所述信号光进行啁啾调制和时间调制，调制后投射向目标物体；
解析模块23，用于接收由所述目标物体反射的反射信号光，产生光信号，对所述光信号进行时域和频域预处理后解析得到脉冲信号；
深度计算模块24，用于获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息。
进一步地，图6是根据一示例性实施例示出的深度计算模块的框图；所述深度计算模块24可以包括以下子模块：
第一计算子模块241，用于根据所述脉冲信号的数量，计算得到第一飞行时间；
解调子模块242，用于根据所述脉冲信号的啁啾频率，解调得到第二飞行时间；
融合子模块243，用于融合所述第一飞行时间和第二飞行时间，得到准确的光飞行时间；
第二计算子模块244，用于结合所述光飞行时间与光速，计算得到反射光方位角的深度信息。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
相应的，本申请还提供一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置执行上述步骤S101-步骤S104.
相应的，本申请还提供一种终端，所述终端包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于进行步骤S101-步骤S104的操作。
图7是根据一示例性实施例示出的一种基于啁啾脉冲的深度感知传感器的结构示意图。参考图7，该深度感知传感器，可以包括：
主动光源发射装置1，由一个或者多个激光光源组成，所述激光光源采用恒流驱动，用于发射信号光；
调制发生器2，用于对所述主动光源发射装置发射的信号光进行啁啾调制和时间调制，调制后投射向目标物体5；
光子计数传感器4，用于接收由所述目标物体反射的反射信号光，产生光信号，对所述光信号进行时域和频域预处理后解析得到脉冲信号；
处理器6，用于控制所述主动光源发射装置、调制发生器以及光子计数传感器，获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息。
在没有调制发生器2的情况下，系统为一简单的Ptof方案深度感知传感器，可以实现低精度的深度感知。在调制发生器2的调制下，激光所发射的激光进行了线性啁啾调制。光子感知传感器，通过感知参考信号与回波光子流信号的频差可以计算得到细分时延，在PTOF反馈的信号延时上计算得到更为精准的飞行时间。
因为激光准直性非常好，不经过空间调制只能实现特定方位单点深度信息感知。为了扩大空间深度感知范围，还可以包括扫描振镜3，所述扫描振镜3布置在所述调制发生器2之后，所述扫描振镜3可用于对调制后的信号光进行反射后投射到目标物体5。这里的扫描振镜3可以用光学扩散片来替换，配合成像镜头实现空间深度感知功能。
本实例中，获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息，包括：
根据所述脉冲信号的数量，计算得到第一飞行时间；
根据所述脉冲信号的啁啾频率，解调得到第二飞行时间；
融合所述第一飞行时间和第二飞行时间，得到准确的光飞行时间；
结合所述光飞行时间与光速，计算得到反射光方位角的深度信息。
需要说明的是，当未布置扫描振镜3时，这里的所述反射光方位角为激光直接照射的方向，当布置了扫描振镜3时，可根据扫描振镜3的角度信息，获取发射和反射光方位角信息。
本实例中，所述光信号包括反射光信号和环境光信号，所述时域预处理由光子计数传感器的硬件模拟电平比较器实现，所述硬件模拟电平比较器用于当所述光信号超过幅度阈值时，所述光信号生成用于光子计数的矩形波形，而当光信号低于幅度阈值时，所述光信号不能产生用于光子计数的矩形波形，从而剔除环境光信号。
本实例中，所述频域预处理为在啁啾波形频率和反射光信号到达频率之间的中间频率处产生对所接收光信号的正弦解调，其中只有满足所述正弦解调条件的反射光信号才会被作为有效信号进行光子计数。
本实例中，所述光子计数传感器4由方波序列选通，该选通的波形具有与啁啾波形同步的频率，实现时间调制的光子流与啁啾波形的模拟乘法。根据不同的返回波包的时频差值可以得到相对混合参考信号的时间延迟。
本实例中，所述光子计数传感器4前还可安装有滤光片，所述滤光片的带宽和中心波长均与所述激光光源的发射光谱有关，以实现最大的反射信号光透过和环境光屏蔽。激光光源恒流驱动可确保其光谱不发生显著变化，与滤光片配合可有效阻隔非激光频谱之内的光子信号。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于啁啾脉冲的深度感知方法，其特征在于，包括：
接收通过恒流驱动的激光光源发射的信号光；
对所述信号光进行啁啾调制和时间调制，调制后投射向目标物体；
接收由所述目标物体反射的反射信号光，产生光信号，对所述光信号进行时域和频域预处理后解析得到脉冲信号；
获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息。
2.根据权利要求1所述一种基于啁啾脉冲的深度感知方法，其特征在于，所述光信号包括反射光信号和环境光信号，时域预处理为当所述光信号超过幅度阈值时，所述光信号生成用于光子计数的矩形波形，而当光信号低于幅度阈值时，所述光信号不能产生用于光子计数的矩形波形，从而剔除环境光信号。
3.根据权利要求1所述一种基于啁啾脉冲的深度感知方法，其特征在于，所述频域预处理为在啁啾调制频率和反射光信号到达频率之间的中间频率处产生对所接收光信号的正弦解调，其中只有满足所述正弦解调条件的反射光信号才会被作为有效信号进行光子计数。
4.根据权利要求1所述一种基于啁啾脉冲的深度感知方法，其特征在于，获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息，包括：
根据所述脉冲信号的数量，计算得到第一飞行时间；
根据所述脉冲信号的啁啾频率，解调得到第二飞行时间；
融合所述第一飞行时间和第二飞行时间，得到准确的光飞行时间；
结合所述光飞行时间与光速，计算得到反射光方位角的深度信息。
5.一种基于啁啾脉冲的深度感知装置，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收通过恒流驱动的激光光源发射的信号光；
调制模块，用于对所述信号光进行啁啾调制和时间调制，调制后投射向目标物体；
解析模块，用于接收由所述目标物体反射的反射信号光，产生光信号，对所述光信号进行时域和频域预处理后解析得到脉冲信号；
深度计算模块，用于获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息。
6.根据权利要求5所述一种基于啁啾脉冲的深度感知装置，其特征在于，所述深度计算模块包括：
第一计算子模块，用于根据所述脉冲信号的数量，计算得到第一飞行时间；
解调子模块，用于根据所述脉冲信号的啁啾频率，解调得到第二飞行时间；
融合子模块，用于融合所述第一飞行时间和第二飞行时间，得到准确的光飞行时间；
第二计算子模块，用于结合所述光飞行时间与光速，计算得到反射光方位角的深度信息。
7.一种基于啁啾脉冲的深度感知传感器，其特征在于，包括：
主动光源发射装置，由一个或者多个激光光源组成，所述激光光源采用恒流驱动，用于发射信号光；
调制发生器，用于对所述主动光源发射装置发射的信号光进行啁啾调制和时间调制，调制后投射向目标物体；
光子计数传感器，用于接收由所述目标物体反射的反射信号光，产生光信号，对所述光信号进行时域和频域预处理后解析得到脉冲信号；
处理器，用于控制所述主动光源发射装置、调制发生器以及光子计数传感器，获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息。
8.根据权利要求7所述一种基于啁啾脉冲的深度感知传感器，其特征在于，获取所述脉冲信号，根据所述脉冲信号的数量、频率以及方位信息，计算得到深度信息，包括：
根据所述脉冲信号的数量，计算得到第一飞行时间；
根据所述脉冲信号的啁啾频率，解调得到第二飞行时间；
融合所述第一飞行时间和第二飞行时间，得到准确的光飞行时间；
结合所述光飞行时间与光速，计算得到反射光方位角的深度信息。
9.根据权利要求7所述一种基于啁啾脉冲的深度感知传感器，其特征在于，所述光信号包括反射光信号和环境光信号，所述时域预处理由光子计数传感器的硬件模拟电平比较器实现，所述硬件模拟电平比较器用于当所述光信号超过幅度阈值时，所述光信号生成用于光子计数的矩形波形，而当光信号低于幅度阈值时，所述光信号不能产生用于光子计数的矩形波形，从而剔除环境光信号。
10.根据权利要求7所述一种基于啁啾脉冲的深度感知传感器，其特征在于，所述频域预处理为在啁啾波形频率和反射光信号到达频率之间的中间频率处产生对所接收光信号的正弦解调，其中只有满足所述正弦解调条件的反射光信号才会被作为有效信号进行光子计数。
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