CN112924954A - 一种探测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供本发明提供一种探测装置及探测方法，其特征在于，包括：发射部，用于向待测物体发射探测光源；第一待测物体，所述第一待测物体的距离为已知；第二待测物体；接收部，用于接收待测物体的回波信号；处理单元，用于根据所述回波信号得到待测物体的测量距离。通过此设计可以获得更高的测距精度，满足高精度的测距需求。

Description

一种探测装置及方法
技术领域
本发明涉及探测装置和方法，具体而言，涉及一种高精度的探测装置和探测方法。
背景技术
在3D成像技术中，一般采用飞行时间(Time Of Flight，TOF)方法进行距离信息的测量，且该方法还分为直接使用飞行时间(Direct Time Of Flight，DTOF)测距和间接使用飞行时间(Indirect Time Of Flight,ITOF)测距。DTOF目前大多数采用的是通过SPAD器件的管的雪崩时间统计直方图来得到待测物体的距离信息。
对于ITOF技术，一般采用相位调制技术对接收到的光信号进行调制后测量被测物的距离信息。一般的，不同相位下的信号需要进行处理后才能得到被测物的距离。目前常用的ITOF技术包含有2T，3T，4T,以及5T结构，下面以最常用的4T结构为例说明ITOF的测距原理，其他结构原理类似在这里就不在赘述。
目前采用的探测系统基本包括：光发射模块、处理模块、以及光接收模块，此处以ITOF测距为例进行说明，光发射模块包括但不仅限于半导体激光器、固体激光器、也可包括其他类型的激光器，当采用半导体激光器作为光源时，可以采用垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser)或者边发射半导体激光器EEL(edge-emitting laser)，此处仅为示例性说明并不作具体限定，光发射模块发射出正弦波或者方波或者三角波等等，在测距应用中多为具有一定波长的激光，例如950nm等等的红外激光(最优地为近红外激光)，发射光被投射向视场内，视场内存在的被探测物可以反射投射的激光进而形成返回光，返回光进入探测系统中被光接收模块捕获，所述光接收模块可以包含光电转化部，例如CMOS、CCD等等组成的阵列型传感器，还可以包含多个镜头可以形成多于一个的像平面，也就是接收模块包含了多于一个的像平面，接收模块的光电转化部位于之一的像平面处，其可以最常用的四相位方案接收而获得0°、90°、180°和270°的延时接收信号，利用四相为的距离计算方案此处以正弦波的方法为示例进行说明，在四个等距点(例如90°或1/4λ的间隔)测量接收信号的幅度：
Figure BDA0002923262270000021
A1和A3的差值与A2和A4的差值的比等于相位角的正切值。ArcTan实际上是双变量反正切函数，可映射至适当的象限，当A2＝A4并且A1>A3或A3>A1时，分别定义为0°或180°。
到目标物的距离由以下公式确定：
Figure BDA0002923262270000022
至此，还需要确定发射激光的频率即可来进行距离测算，其中c是光速，
Figure BDA0002923262270000023
是相位角(以弧度来度量)，f是调制频率。通过上述的方案可以实现对于视场内被探测物的距离探测的效果，这一方案被称为四相位延时方案获得探测结果，也就是4T结构的测距原理。
通过上述的DTOF以及ITOF的测距原理可以看到，测距过程中会有很多因素影响到测距的精度，例如外部环境，温度，电路的稳定性等都会影响到测距的精度，这些因素的影响被称为测距波动。测距波动在一些精度要求不高的场景中可以被接受，但是在一些对测距要求很高的场景中，例如测距精度要求毫米级的，就必须要提供一种高精度的探测装置和探测方法，以满足高精度的测距要求。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种高精度的测距装置和测距方法，以解决高精度测距要求的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
本发明实施例提供了一种探测装置，其特征在于，包括：
发射部，用于向待测物体发射探测光源；
第一待测物体，所述第一待测物体的距离为已知；
第二待测物体；
接收部，用于接收待测物体的回波信号；
处理单元，用于根据所述回波信号得到待测物体的测量距离。
可选的，所述第一待测物体的测量距离小于所述第二待测物体的测量距离。
可选的，所述第一待测物体的测量距离大于所述第二待测物体测量的距离。
可选的，所述接收部的至少部分像素接收所述第一待测物的回波信号。
可选的，所述接收部的至少部分像素接收所述第二待测物的回波信号。
可选的，所述已知的第一待测物体的距离预先设置。
可选的，所述处理单元将所述第二待测物体的测量距离减去所述第一待测物体的测量距离，得到第一探测距离。
可选的，所述第一探测距离不包含测距波动。
可选的，所述处理单元将所述第一探测距离加上所述第一待测物体的已知距离，得到第二探测距离，即所述第二待测物体的最终探测距离。
第二方面，本申请实施例提供了一种探测方法，应用于上述第一方面所述的探测装置，所述探测方法包括：
所述发射部向所述第一待测物体和所述第二待测物发射探测光源；所述接收部的部分像素接收所述第一待测物体的回波信号，所述接收部的部分像素接收所述第二待测物体的回波信号；
所述处理单元根据接收到的回波信号得到所述第一待测物体以及所述第二待测物体的测量距离；
处理单元将所述第二待测物体的测量距离减去所述第一待测物体的测量距离，得到第一探测距离；
处理单元将所述第一探测距离加上所述第一待测物体的已知距离，得到第二探测距离，即所述第二待测物体的最终探测距离。
本发明的有益效果是：本发明提供一种探测装置以及探测方法，其特征在于，包括：
发射部，用于向待测物体发射探测光源；
第一待测物体，所述第一待测物体的距离为已知；
第二待测物体；
接收部，用于接收待测物体的回波信号；
处理单元，用于根据所述回波信号得到待测物体的测量距离。通过本发明可以提供高精度的测距，满足高精度测距的场景需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种探测装置示意图；
图2为现有技术提供的一种TOF测距4T结构像素电路的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种像素布局结构示意图；
图4为本申请实施例提供的像素结构纵向剖面结构示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种像素结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为本申请实施例提供的一种探测装置示意图。如图1所示的探测装置10包括发射部101，接收部102，处理单元103，第一待测物体104，第二探测物体105。第一待测物体104与第二探测物体105距离接收部102的距离不做限制，可以是第一待测物体104距离接收部102近，也可以是第二探测物体105距离接收部102近。图1中只是为了示意说明，并不做具体限制。发射部101同时向第一待测物体104以及第二待测物体105发射探测光源，光发部包括但不仅限于半导体激光器、固体激光器、也可包括其他类型的激光器，当采用半导体激光器作为光源时，可以采用垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical-cavity surface-emittinglaser)或者边发射半导体激光器EEL(edge-emitting laser)，此处仅为示例性说明并不作具体限定，光发射模块发射出正弦波或者方波或者三角波等等，在测距应用中多为具有一定波长的激光，例如950nm等等的红外激光(最优地为近红外激光)，发射光被投射向视场内的第一待测物体与第二待测物体，第一待测物体与第二待测物体反射投射的激光进而形成返回的光，即回波信号。接收部102接收反射回来的回波信号，接收部102可以包含由多个像素组成的像素阵列，可以包含光电转化部，例如CMOS、CCD等等组成的阵列型传感器，还可以包含多个镜头可以形成多于一个的像平面，也就是接收模块包含了多于一个的像平面，接收模块的光电转化部位于之一的像平面处。处理单元103根据收到的返回光生成的光生电荷，根据测距原理最终得到第一待测物体与第二待测物体的测量距离。
图2为本申请实施例提供的一种接收像素阵列示意图。如图2所示在图1所示的探测装置中包含两个待测物体，第一待测物体与第二待测物体，第一待测物体返回来的光被接收部的第一部分像素阵列接收；第二待测物体返回来的光被接收部的第二部分像素阵列接收。从图3可以看出处理单元根据第一部分像素与第二部分像素得到的第一待测物的测量距离与第二待测物的测量距离随时间变化的特性相同，即第一待测物的测量距离与第二待测物的测量距离随时间的变化相同，从图3可以看出第一待测物的测量距离与第二待测物的测量距离都包含有随着时间变化的测量波动，这些测量波动会影响测距精度。为了提高测量精度需要去除这些测量波动对测距精度的影响，因为从图3可以看出第一待测物的测量距离与第二待测物的测量距离的测量波动一致，用第二待测物的测量距离减去第一待测物的测量距离就可以去除测量波动对测量精度的影响。如图3所示的第一探测距离就是用第二待测物的测量距离减去第一待测物的测量距离得到。从图3所示的第一探测距离可以看出测量波动趋势明显优于第一待测物体测距离与第二待测物体的测量距离，满足高精度测量的需求。第一探测距离虽然去除了测量波动的影响但从上述可以看出第一探测距离并不是第二待测物体的实际距离，第二待测物体的实际距离可以通过下面的公式)(1)得到。
Figure BDA0002923262270000071
公式(1)中
Figure BDA0002923262270000072
为第一待测物体的实际距离，这个距离是预先设置的，是已知的。Ls为第一待测物体的测量距离，L为第二待测物体的测量距离，所以从公式(1)就可以得到不包含测量波动的第二待测物体的距离，即第二测量距离，是最终要获得的满足高精度测距要求的距离。
图3所示的第一待测物体与第二待测物体的距离比较接近而且第一待测物体与第二待测物体都是固定的在测量过程中没有移动的情况下的测量结果。图3所示的测量结果都是没有经过滤波处理的所以噪声比较大，但还是可以明显看出第一探测距离的测量波动趋势不变。
图4是本申请实施例提供的另一场景的测量结果。如图4所示的是第一待测物体与第二待测物体的距离远一些，而且在测量过程中移动第二待测物体的情况下的测量结果。从图4依旧可以看出第一待测物体与第二待测物体的距离大约在0.7米左右。如图4所示401为第一待测物体的测量距离，402为第二待测物体的测量距离，403为第二待测物体的测量距离减去第一待测物体的测量距离的结果。从403可以看出在相同的帧数时间段内，403的测量波动要比402更平滑，而且能正确反映出第二待测物体的距离移动，第二待测物体在测量过程中的移动是很微小的在毫米级别。403加上已知的第一待测物体的距离，就可以得到不包含测量波动的第二待测物体的最终距离，满足高精度的测量要求。图4所示的测量结果是经过滤波后的结果。
图5是本申请实施例提供的一种探测方法。该方法可以应用于前述的探测装置，该方法基本原理及产生的技术效果与前述对应的探测装置实施例相同，为简要描述，本实施例中未提及部分，可参考探测装置实施例中的相应内容。如图5所示，该电路驱动方法包括：
S101、发射部向所述第一待测物体和所述第二待测物发射探测光源。
S102、接收部的部分像素接收所述第一待测物体的回波信号，所述接收部的部分像素接收所述第二待测物体的回波信号。
S103、处理单元根据接收到的回波信号得到所述第一待测物体以及所述第二待测物体的测量距离。
S104、处理单元将所述第二待测物体的测量距离减去所述第一待测物体的测量距离，得到第一探测距离。
S105、处理单元将所述第一探测距离加上所述第一待测物体的已知距离，得到第二探测距离，即所述第二待测物体的最终探测距离。
上述方法应用于前述实施例提供的探测装置，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种探测装置，其特征在于，包括：
发射部，用于向待测物体发射探测光源；
第一待测物体，所述第一待测物体的距离为已知；
第二待测物体；
接收部，用于接收待测物体的回波信号；
处理单元，用于根据所述回波信号得到待测物体的测量距离。
2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述第一待测物体的测量距离小于所述第二待测物体的测量距离。
3.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述第一待测物体的测量距离大于所述第二待测物体测量的距离。
4.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述接收部的至少部分像素接收所述第一待测物的回波信号。
5.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述接收部的至少部分像素接收所述第二待测物的回波信号。
6.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述已知的第一待测物体的距离预先设置。
7.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述处理单元将所述第二待测物体的测量距离减去所述第一待测物体的测量距离，得到第一探测距离。
8.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于，所述第一探测距离不包含测距波动。
9.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于，所述处理单元将所述第一探测距离加上所述第一待测物体的已知距离，得到第二探测距离，即所述第二待测物体的最终探测距离。
10.一种探测方法，其用于权利要求1所述的探测装置，其特征在于，包括：
所述发射部向所述第一待测物体和所述第二待测物发射探测光源；
所述接收部的部分像素接收所述第一待测物体的回波信号，所述接收部的部分像素接收所述第二待测物体的回波信号；
所述处理单元根据接收到的回波信号得到所述第一待测物体以及所述第二待测物体的测量距离；
处理单元将所述第二待测物体的测量距离减去所述第一待测物体的测量距离，得到第一探测距离；
处理单元将所述第一探测距离加上所述第一待测物体的已知距离，得到第二探测距离，即所述第二待测物体的最终探测距离。
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