CN113504532A - 基于直接飞行时间法的光信号发射方法及测距系统 - Google Patents

Abstract

本申请提高了一种基于直接飞行时间法的光信号调制方法及测距系统，其中，所述调制方法包括：发射粗激光；获取多个细激光调制参数，其中，所述细激光调制参数根据反射回的粗激光进行设置；根据所述多个细激光调制参数分别对多个细激光分别进行调制，从而得到可区分的多个细激光；发射调制后的所述多个细激光。本申请通过发射多个细激光，使得接收模块可将多次接收到的细激光进行处理，进而得到多个图像，可通过图像增强和图像合成得到更精确的测距结果；并且对多个细激光进行了不同的调制，使得所述多个细激光之间产生区别，实现了对多个细激光的区分。

Description

基于直接飞行时间法的光信号发射方法及测距系统

技术领域

本申请涉及激光测距领域，特别涉及一种基于直接飞行时间法的光信号发射方法及测距系统。

背景技术

光学领域较为成熟的解决方案之一是飞行时间法(Time of Flight，ToF)，而在激光测距领域中，常用直接飞行时间法(direct-ToF，d-ToF)和间接飞行时间法(indirect-ToF，i-ToF)两种。

目前市场上针对d-Tof的方法中，都是基于接收模块的处理方法，而并没有对发射模块进行具体设计，因此有必要提供一套相应的d-Tof发射模块方案。

现有技术中即使有多次发射激光的情况，也是多次发射相同的激光，从而通过多次探测，获取激光飞行的平均值，以获得物体的准确距离。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本申请的目的在于提供一种基于直接飞行时间法的光信号发射方法及测距系统，以基于多个细激光建立多个细统计直方图，实现图像合成和图像增强。

为了达到上述目的，本申请采取了以下技术方案：

第一方面，本申请提供了一种基于直接飞行时间法的光信号发射方法，包括如下步骤：

发射粗激光；

获取多个细激光调制参数，其中，所述细激光调制参数根据反射回的粗激光进行设置；

根据所述多个细激光调制参数分别对多个细激光分别进行调制，从而得到可区分的多个细激光；

发射调制后的所述多个细激光。

可见，本申请实施例中，由于发射了多个细激光，使得接收模块可将多次接收到的细激光进行处理，进而得到多个图像，可通过图像增强和图像合成得到更精确的测距结果。再者，由于对多个细激光进行了不同的调制，使得所述多个细激光之间产生区别，实现了对多个细激光的区分。

第二方面，本申请还提供一种发射模块，包括：依次连接的触发单元和发射单元；所述触发单元，用于发射粗激光，并获取细激光调制参数，根据所述细激光调制参数以相应的调制参数对多个细激光分别进行调制，从而得到可区分的多个细激光；所述发射单元，用于发射所述粗激光和所述多个细激光；所述细激光调制参数根据反射回的粗激光进行设置。

第三方面，本申请还提供一种测距系统，用于测量目标物体距离并输出检测数据至外部处理器，其特征在于，包括接收模块、主控模块以及如上文所述的发射模块，所述主控模块分别与所述发射模块和接收模块连接，所述接收模块还与外部处理器连接；所述主控模块，用于根据反射回的粗激光设置细激光调制参数，并向所述发射模块发送所述细激光调制参数；所述发射模块，用于发射粗激光，并按照细激光调制参数调制发射多个细激光，使所述多个细激光之间产生区别；所述接收模块用于接收目标物体反射的粗激光或细激光，并根据粗激光建立粗统计直方图或根据细激光建立细统计直方图输出至外部处理器。

附图说明

图1为本申请提供的发射模块的结构图；

图2为本申请提供的测距系统的结构图；

图3为本申请提供的基于直接飞行时间法的光信号发射方法的流程图；

图4为本申请提供的激光调制可选实例的波形图。

具体实施方式

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。本申请中的“多个”是指两个及以上。

本申请的具体实施方式是为了便于对本申请的技术构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果做更为详细的说明。需要说明的是，对于这些实施方式的解释说明并不构成对本申请的保护范围的限定。此外，下文所述的实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

首先，对本申请实施例中涉及的部分名词进行解释，以便于本领域技术人员理解。

1、直接飞行时间法d-ToF。本申请实施例中d-ToF是指直接飞行时间法(direct-Time of Flight，d-ToF)，d-ToF技术直接测量光脉冲的发射和接收的时间差，采用SPAD(单光子雪崩二极管)来实现高灵敏度的光探测，并且采用时间相关单光子技术方法(Time-Correlated Single-Photon Counting,TCSPC)来实现皮秒级的时间精度，d-ToF发送的是离散的激光脉冲，可达到超低的占空比，相比间接飞行时间法(indirect-Time of Flight，i-ToF)更省电、成像速度更快，但是技术壁垒较高、对硬件的要求较高。由于d-ToF相比i-ToF在信息快速获取、抗干扰、成像清晰度等方面具有优势，伴随算法技术、硬件设备的不断成熟与完善，d-ToF有望成为深感影像技术的主流解决方案。

2、光子统计直方图。本申请实施例中的粗统计直方图和细统计直方图都是光子统计直方图，其旨在对接收模块接收的光子以时间窗区分进行柱状图统计，后续再通过光子直方图计算光子的飞行时间，进而测出目标物体的距离。

目前，在d-Tof测距方法中，基本上都是从接收模块入手，研究如何实现光子统计直方图的生成，主峰的搜索，以及节省内存。而基本没有从发射模块就进行相应处理，再配合接收模块进一步提升效率的方法。

针对上述问题，本申请提供一种基于直接飞行时间法的光信号发射方法及测距系统，以使发射模块能够实现粗、细激光的发射，满足d-Tof测距需求。

下面以具体的实施例对本申请所提供的基于直接飞行时间法的光信号发射方法进行说明。

请参阅图3，本申请提供一种基于直接飞行时间法的光信号发射方法，所述方法具体包括：

步骤101、发射粗激光。

其中，所述粗激光用于对目标物进行粗略测量，得到一个大概的目标物定位和距离。

步骤102、获取细激光调制参数。

示例的，在发射完粗激光后，接收模块完成粗统计直方图的建立，并由外部处理得到分析结果，再由主控模块根据所述分析结果设置相应的细激光调制参数，向所述发射模块发送所述细激光调制参数，由所述发射模块接收所述细激光调制参数进行相应的处理。

步骤103、根据所述细激光调制参数对多个细激光分别进行调制，从而得到可区分的多个细激光。

示例的，每个细激光均按照所述细激光调制参数进行调制，通过发射单元进行发射后，由接收模块接收所述细激光从目标物反射回的光子建立细统计直方图，再传至所述外部处理器，最后由外部处理器通过所述细统计直方图计算目标物精准距离。

其中，所述细激光用于在粗激光粗略测量的基础上对目标物进行进一步的测量，得到一个更精准的目标物定位和距离。

在一个可能的实例中，所述细激光的调制参数包括相位调制、脉宽调制和光强调制中的任意一种。

在简单场景下，只需要进行单一的调制即可实现对目标物的测量，从而进行图像合成和图像增强。例如目标物周围环境比较简单，杂物较少，且其他外因影响不大的条件下，只进行相位调制、脉宽调制和光强调制的其中一种即可。例如，两个细激光，都使用相位调制，但可能调制参数下的具体数值不同，一个为30°，一个为60°，在实际应用中可自由进行设定，在此不做唯一性限定。

在一个可能的实例中，所述细激光的调制参数包括相位调制、脉宽调制和光强调制中的2种或3种。

具体的，在复杂环境下，由于干扰因素较多，因此，需要进行多种调制，使得所述细激光与外界光源的差异更大，进一步排除外界干扰。

示例的，通过2种或3种调制参数，最终得到多维度差异的细激光，而且由于以2种或3种不同的调制参数进行调制，进一步加深了细激光与周围环境的差别，因此，能够进一步排除外界干扰，使得接收模块能够更准确的识别出细激光。

步骤104、发射调制后的所述多个细激光。

示例的，在所述多个细激光调制完成后，通过发射模块中的发射单元将调制后的细激光向目标物进行发射。

进一步的，除了粗激光和细激光两种光信号之外，还可设置更多种光信号，例如在细激光的基础上设置第三种、第四种、第五种等更细的激光，可根据所需要调节的精度进行选择，要求精度更高的，则可多设置种类，由粗到细逐渐缩小定位精度，进行三次、甚至四次的定位精度缩进，使得测量结果更准确，具体方案可自由选择，在此不做限定。

可见，本申请实施例中，由于发射了多个细激光，使得接收模块可将多次接收到的细激光进行处理，进而得到多个图像，可通过图像增强和图像合成得到更精确的测距结果。再者，由于对多个细激光进行了不同的调制，使得所述多个细激光之间产生区别，实现了对多个细激光的区分。

在一个可能的实例中，所述步骤104，具体包括：

步骤1041、预先设置所述多个细激光的第一发射次序，对调制后的所述多个细激光按照所述第一发射次序进行发射。

示例的，在所述细激光调制参数中，预先配置有所述多个细激光的第一发射次序。所述第一发射次序用于指示每个细激光的发射顺序。根据所述第一发射次序发射所述细激光，接收模块可根据所述第一发射次序对激光进行识别，实现了多重识别验证，进一步确保了激光识别的可靠性。

在一个可能的实例中，将所述细激光进行分类，可以降低排序的复杂性，降低了配置要求，进而可以选择性的减少其他的设置，例如减少调制参数。

具体的，任意2个细激光的细激光调制参数及调制参数下的具体数值完全相同时，为同类；任意2个细激光的细激光调制参数或调制参数下的具体数值有任何不相同时，为不同类。

进一步的，所述步骤104，具体包括：

步骤1042、预先设置不同类细激光的第二发射次序，对多次调制后的多个不同类细激光按照所述第二发射次序进行发射。

示例的，在所述细激光调制参数中，预先配置有所述多个细激光的第二发射次序。所述第二发射次序设置了每个细激光的发射顺序。先将所述多个细激光进行分类，然后将不同类的激光进行发射排序。以四个细激光为例，四个细激光分别为：细激光A1、细激光A2、细激光B1和细激光B2，其中，A1和A2为同类，B1和B2为同类，因此，可以顺序发射A1和A2，再发射B1和B2，也可以先发射B1和B2，再发射A1和A2。如图4所示，第二细激光和第三细激光为同类。

在一个可能的实例中，所述多个细激光脉宽的开始和结束时间都在其对应的所述粗激光脉宽的开始和结束时间的范围内。

具体的，在发射一次粗激光后，得到的是较大的测距范围，例如，探测到目标物的距离为2～3米。本示例中，需要在所述粗激光的基础上，进行更精细的测量，因此，所述细激光脉宽的开始和结束时间都在其对应的所述粗激光脉宽的开始和结束时间的范围内，进而在粗激光的测距范围的基础上，进行进一步测量，例如，在2～3米的测距精度下，探测到所述目标物的距离为2.3米，应当理解，粗激光的精度不限于1米，细激光的精度不限于0.1米。

具体的，粗激光脉宽是细激光的至少2倍，无论相位延时多少，细激光不能超过粗激光的脉宽设置。

示例的，设定细激光(FIPW)的脉宽与粗激光(COPW)的脉宽的关系为K2*FIPW＝COPW，即粗激光的脉宽为细激光的脉宽的K2倍，其中K2≥2，因此细激光的发光时间(脉宽)可在粗激光的发光时间范围内的任意区间，即可实现相位调节。

此外，由于粗激光的目的为粗略知道物体的距离，所以粗激光的脉宽要求做到较大，为细激光的K2倍。细激光的目的旨在精确找到物体的距离，因此细激光的取值应该是激光最小脉宽(lsb)的较小倍数，一般为一倍或两倍，即FIPW＝K1*lsb(K1＝1或2)，当然K1的值也可以根据需要取其他倍数，在此不做限定。

细激光相对而言需要适当数量的光子，以进行直方图统计，因此对激光强度(FIINTEN)要求更低，FIINTEN＝j1*INTEN(j1≥1)，INTEN为激光最小强度，粗调需要更多的光子接收，以进行直方图统计，因此对激光强度要求更高，COINTEN＝j2 FIINTEN(j2≥j1)。

较佳的，待发射光信号的典型参数数值范围可以下为例：激光脉宽范围:500ps～5ns，激光峰值功率(强度)范围:1～100w，激光相位范围：全周期。

上述实例可通过相位、脉宽和/或光强(光照强度)的不同来区分多次曝光(所述曝光指激光发射)，进而为后续外部处理器进行多次曝光融合提供原始数据，基于多次曝光进行整合和校验，得到更精准的数据。

可见，本示例中，通过在粗激光测距的基础上通过细激光进行进一步测量，实现了更精细的距离测量。

在一个可能的实例中，所述多个细激光脉冲的强度都在其对应的所述粗激光脉宽的强度范围内。

具体的，在粗激光脉冲的强度基础上，调制细激光，使得所述细激光脉冲的强度在所述粗激光的范围内，所述粗激光是初次定位，已经确定了粗略位置，因此，所述细激光需要能量更集中，比如更窄的脉宽、更强的脉冲强度。所述脉冲强度需要调节激光电压和电流来实现。

可以理解的，所述粗激光和细激光可以是任意类型的光信号，例如红外激光、氦氖激光、金属蒸汽激光等，所述粗激光和所述细激光均可有一个或多个，多个粗激光之间可以进行不同的调制也可以不进行调制，可根据需要自行选择，在此不做唯一性限定。

在一个可能的实例中，由于d-Tof需要先通过粗激光对目标物体进行粗略定位，得到目标物体的大概距离，再由细激光基于粗激光的定位范围(粗统计直方图的主峰对应的时间窗区间，或者主峰和次峰之间对应的时间窗区间)进行进一步的精细定位，因此需要先发射粗激光后发射细激光。而不同的粗激光之间和不同的细激光之间则可以任意顺序进行发射，只需要接收模块能够以相应的次序识别即可。因此，测距系统工作前需要主控端对发射模块和接收模块的规则进行统一。

较佳的，如图4所示，相同种类的激光之间的发射顺序以调制参数下的具体数值递增规律、递减规律等规律进行发射，例如，若不同的细激光之间使用相位调制，以粗激光的相位为初始相位0，第一细激光的相位为t1，第二细激光的相位为t2，第三细激光的相位为t2，以此类推，而发射顺序也以第一细激光→第二细激光→第三细激光的顺序进行发射，或者以第三细激光→第二细激光→第一细激光的顺序进行发射。

具体的，细激光是基于粗激光的脉宽区间所进行的进一步细调，因此，将细激光的脉宽设置得足够小，以确保精度，则需要多个细激光依次发射来遍历粗激光的脉宽范围，因此，在发射一个粗激光得到粗统计直方图之后，基于粗统计直方图所示出的时间窗区间，则需要相应发射多个细激光，进而由接收模块得出更精准的细统计直方图。这样可以在内存较小的情况下经过多次测试得到较高精度的目标物体距离。

如图1所示，图1为本申请所提供的一种发射模块，所述发射模块包括依次连接的触发单元210和发射单元220。当所述触发单元210调制完成后，将粗激光或细激光传至发射单元220，由发射单元220将所述粗激光或细激光向所述目标物体400进行发射。具体的，首先通过所述发射单元向目标物400发射所述粗激光；再接收细激光调制参数，按照所述细激光调制参数对细激光进行调制，从而得到可区分的多个细激光，其中，所述细激光调制参数根据反射回的粗激光进行设置。优选地，不同的细激光进行不同的调制，最终使得多个细激光之间存在区别，更容易被接收模块识别。

本申请中的基于直接飞行时间法的光信号发射方法还可以应用于如图2所示的场景中。图2为本申请提供的一种测距系统，所述测距系统用于测量目标物体400的距离并输出检测数据至外部处理器500。所述测距系统具体包括接收模块300、主控模块100以及如上文所述的发射模块200，所述主控模块100分别与所述发射模块200和接收模块300连接，所述接收模块300还与外部处理器500连接。

示例的，所述发射模块200发送粗激光向目标物体400进行发射。所述接收模块接收目标物体400反射的粗激光，并根据粗激光建立相应的粗统计直方图，再向所述外部处理器发送所述粗统计直方图。所述外部处理器接收到所述粗统计直方图后，根据所述粗统计直方图进行分析，向所述主控模块发送相应的分析结果。所述外部处理器根据所述分析结果设置细激光调制参数，并通过所述主控模块向所述发射模块发送所述细激光调制参数。由所述发射模块根据所述细激光调制参数调制多个细激光，并将调制完成的所述多个细激光进行发射。接收模块接收到目标物反射的细激光后，根据所述细激光建立细统计直方图，然后向所述细统计直方图发送至所述外部处理器进行处理，经过图像合成和图像分析后，并根据发射模块的调制规则进行相应的解调并识别出细统计直方图中代表目标物体400的主峰，计算出精准的目标物体400距离，得到准确的测距结果。

进一步的，请继续参阅图2，所述接收模块300包括感知和采样单元310、粗直方图统计单元320、细直方图统计单元330和数据发送单元340，所述感知和采样单元310分别与所述粗直方图统计单元320和所述细直方图统计单元330，所述粗直方图统计单元320还与所述细直方图统计单元330和所述数据发送单元340连接，所述数据发送单元340还与所述细直方图和所述外部处理器500连接。所述主控模块100包括依次链接的主控制器120和配置单元110，所述主控制器120还分别与触发单元210、数据发送单元340和粗直方图统计单元320连接。

所述感知和采样单元310反射的粗激光，针对大量从所述目标物体400反射过来的粗激光，将所述粗激光持续时间转化为第一数字信号，所述粗直方图统计单元320根据所述第一数字信号进行时间窗统计，粗激光的持续时间落在了某个时间窗则产生一个脉冲信号，那么该时间窗被触发次数加1，如此反复直到统计时间结束，那么就得到了光子的粗统计直方图。通过所述数据发送单元340将粗统计直方图发送至外部处理器500，依据粗统计直方图则可判断粗激光的飞行时间，进而粗略计算所述目标物体400的距离、深度等信息。

进一步的，由所述外部处理器基于所述粗激光的测量信息，通过所述配置单元110预先配置好所述细激光调制参数传至主控制器120，由主控制器120将所述细激光调制参数发送至触发单元210，所述触发单元210将细激光进行调制后，通过发射单元220进行发射。所述感知和采样单元310接收所述目标物体400反射的细激光，针对大量从所述目标物体400反射过来的细激光，将所述细激光持续时间转化为第二数字信号；所述细直方图统计单元330基于粗统计直方图中获取的反应所述目标物体400粗略距离信息的时间窗区间，根据所述第二数字信号建立细统计直方图，再通过所述数据发送单元340将所述细统计直方图发送至外部处理器500，基于细统计直方图判断细激光的飞行时间，进而计算目标物体400更精准的距离、深度等信息，最后恢复出深度信息完成3D建模。

综上所述，本申请提供的一种基于直接飞行时间法的光信号发射方法及测距系统，其中，所述调制方法包括：发射粗激光；获取细激光调制参数，其中，所述细激光调制参数根据反射回的粗激光进行设置；根据所述细激光调制参数对多个细激光分别进行调制，从而得到可区分的多个细激光；发射调制后的所述多个细激光。本申请所提供的基于直接飞行时间法的光信号发射方法通过发射多个细激光，以基于多个细激光建立多个细统计直方图实现图像合成和图像增强。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于直接飞行时间法的光信号发射方法，其特征在于，包括：

发射粗激光；

获取多个细激光调制参数，其中，所述细激光调制参数根据反射回的粗激光进行设置；

根据所述多个细激光调制参数分别对多个细激光分别进行调制，从而得到可区分的多个细激光；

发射调制后的所述多个细激光。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述细激光调制参数包括相位调制、脉宽调制和光强调制中的任意一种。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述细激光调制参数包括相位调制、脉宽调制和光强调制中的2种或3种。

4.如权利要求2或3所述方法，其特征在于，所述发射调制后的所述多个细激光，具体包括：

预先设置所述多个细激光的第一发射次序，将调制后的所述多个细激光按照所述第一发射次序进行发射。

5.如权利要求4所述方法，其特征在于，任意2个细激光的细激光调制参数及调制参数下的具体数值相同时，为同类；任意2个细激光的细激光调制参数不相同或调制参数下的具体数值不相同时，为不同类；所述发射调制后的所述多个细激光，具体包括：

预先设置不同类细激光的第二发射次序，将调制后的多个不同类细激光按照所述第二发射次序进行发射。

6.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述发射粗激光，具体包括：

预先设置粗激光调制参数，对多个粗激光进行调制，从而得到可区分的多个粗激光；

发射所述调制后的粗激光。

7.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述多个细激光脉宽的开始和结束时间都在其对应的所述粗激光脉宽的开始和结束时间的范围内。

8.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述多个细激光脉冲的强度都在其对应的所述粗激光脉宽的强度范围内。

9.一种发射模块，其特征在于，包括：

依次连接的触发单元和发射单元；

所述触发单元，用于获取细激光调制参数，根据所述细激光调制参数对多个细激光分别进行调制，从而得到可区分的多个细激光，所述细激光调制参数根据反射回的粗激光进行设置；

所述发射单元，用于发射粗激光和调制后的所述多个细激光。

10.一种测距系统，用于测量目标物体距离并输出检测数据至外部处理器，其特征在于，包括接收模块、主控模块以及如权利要求9所述的发射模块，所述主控模块分别与所述发射模块和接收模块连接，所述接收模块还与外部处理器连接；

所述主控模块，用于根据反射回的粗激光设置细激光调制参数，并向所述发射模块发送所述细激光调制参数；

所述发射模块，用于发射粗激光，并按照细激光调制参数调制多个细激光，并发射调制后的多个细激光，使所述多个细激光之间产生区别；

所述接收模块，用于接收目标物体反射的粗激光和细激光，并将所述粗激光建立起的粗统计直方图和细激光建立起的细统计直方图输出至外部处理器。

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