CN114089352A - 一种飞行时间距离测量系统及方法 - Google Patents

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CN114089352A CN202010760193.6A CN202010760193A CN114089352A CN 114089352 A CN114089352 A CN 114089352A CN 202010760193 A CN202010760193 A CN 202010760193A CN 114089352 A CN114089352 A CN 114089352A
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Abstract

本申请提供了一种飞行时间距离测量系统，其特征在于，包括：发出发射光的光源，接收发射光脉冲回波并形成光子信号的接收模块，处理模块包括TDC模块以及直方图模块，其中所述TDC模块用于接收和计算所述光子信号的时间间隔，并将所述时间间隔转化成时间码；所述直方图模块基于所检测的光子的所述时间码构造直方图，所述直方图模块可以工作在至少两种直方图模式下；所述至少之一的直方图模式的时间分辨率和/或时间区间宽度按照如下至少之一方式布置：预设固定值、开机标定或者自适应调整等等，通过此方式实现了在复杂的探测视场中多目标探测的自适应性和准确性探测的效果。

Description

一种飞行时间距离测量系统及方法
技术领域
本申请涉及飞行时间距离测量领域，特别涉及一种飞行时间距离测量系统及方法。
背景技术
近年来，随着半导体技术的进步，用于测量到物体的距离的测距模块的小型化已经取得了进展。因此，例如，已经实现了在诸如所谓的智能电话等移动终端中安装测距模块，所述智能电话是具有通信功能的小型信息处理装置随着科技的进步，在距离或者深度信息探测过程中，经常使用的方法为飞行时间测距法(Time of flight，TOF)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离，在TOF技术中直接对光飞行时间进行测量的技术被称为DTOF(direct-TOF)；对发射光信号进行周期性调制，通过对反射光信号相对于发射光信号的相位延迟进行测量，再由相位延迟对飞行时间进行计算的测量技术被成为ITOF(Indirect-TOF)技术。按照调制解调类型方式的不同可以分为连续波(Continuous Wave，CW)调制解调方式和脉冲调制(Pulse Modulated，PM)调制解调方式，直接飞行时间探测(Direct Time of flight，DTOF)作为TOF的一种，DTOF技术通过计算光脉冲的发射和接收时间，直接获得目标距离，具有原理简单，信噪比好、灵敏度高、精确度高等优点，受到了越来越广泛的关注。
DTOF的探测原理为对于探测器像素单元(目前使用较多的为单光子雪崩二极管，SPAD此处并不限定)施加大于一定阈值电压的工作电压，这样二极管处于雪崩模式，这样探测器像素单元将具有特别高的灵敏度，对于SPAD二极管而言，甚至能够被单光子触发，通过多次触发的统计结果获取，进而可以输出被探测物的目标距离，但随着探测视场的复杂化和视场内被探测目标的多元化和应用环境的背景光等一直在变化，为了保证在各种场景中测距系统均能有更高的适应性，同时保证测距系统在各种场景下具有更高的准确性，设计出这样一种飞行时间的测距系统是亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种探测装置及方法，以解决现有的探测装置探测距离不够远的技术问题。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供了一种飞行时间距离测量系统，其特征在于，包括：光发射模块、光接收模块、以及处理模块；
所述光发射模块用于发射脉冲光束；
所述光接收模块用于接收所述发射脉冲光束的回波并形成光子
信号；
所述处理模块，包括TDC模块以及直方图模块，其中所述TDC模块用于接收和计算所述光子信号的时间间隔，并将所述时间间隔转化成时间码；
所述直方图模块基于所检测的光子的所述时间码构造直方图，所述直方图模块可以工作在至少两种直方图模式下；所述至少之一的直方图模式的时间分辨率和/或时间区间宽度按照如下至少之一方式布置：
预设固定值、开机标定或者自适应调整等等。
可选地，所述至少之一的直方图模式的时间分辨率和/或时间区间宽度按照背景光和/或最大探测距离确定。
可选地，所述直方图模式包括，第一直方图模式和第二直方图模式；所述第一直方图模式下的所述时间区间宽度高于所述第二直方图模式下的所述时间区间宽度。
可选地，根据所述第一直方图模式下脉冲波形对应的时间和/或所述第二直方图模式下的所述脉冲波形对应的时间确定所述脉冲光束的飞行时间。
可选地，所述接收模块包括单光子雪崩光电二极管(SPAD)。
可选地，所述直方图模式包括，第一直方图模式、第二直方图模式和第三直方图模式；所述第一直方图模式下的所述时间区间宽度高于所述第二直方图模式下的所述时间区间宽度，所述第二直方图模式下的所述时间区间宽度高于所述第三直方图模式下的所述时间区间宽度。
第二方面，本申请实施例提供了一种飞行时间距离测量方法，应用于上述第一方面所述的飞行时间距离测量系统，所述飞行时间距离测量方法包括如下步骤：
光源发射脉冲光束；
接收模块接收所述发射脉冲光束的回波并形成光子信号；
接收和计算所述光子信号的时间间隔，并将所述时间间隔转化成时间码；
基于所检测的光子的所述时间码构造直方图；
所述直方图模块可以工作在至少两种直方图模式下，第一直方图模式以及第二直方图模式，所述至少之一的直方图模式的时间分辨率和/或时间区间宽度按照如下至少之一方式布置：
预设固定值、开机标定或者自适应调整等等。
可选地，所述至少之一的直方图模式的时间分辨率和/或时间区间宽度按照背景光和/或最大探测距离确定。
可选地，所述第一直方图模式下的所述时间区间宽度高于所述第二直方图模式下的所述时间区间宽度。
可选地，根据所述第一直方图模式下脉冲波形对应的时间和所述第二直方图模式下的脉冲波形对应的时间确定所述脉冲光束的飞行时间。
本申请的有益效果是：
本申请实施例提供的飞行时间距离测量系统，其特征在于，包括：光发射模块、光接收模块、以及处理模块；所述光发射模块用于发射脉冲光束；所述光接收模块用于接收所述发射脉冲光束的回波并形成光子信号；所述处理模块，包括TDC模块以及直方图模块，其中所述TDC模块用于接收和计算所述光子信号的时间间隔，并将所述时间间隔转化成时间码；所述直方图模块基于所检测的光子的所述时间码构造直方图，所述直方图模块可以工作在至少两种直方图模式下；所述至少之一的直方图模式的时间分辨率和/或时间区间宽度按照如下至少之一方式布置：预设固定值、开机标定或者自适应调整等等，如此，通过预设固定值、开机标定或者自适应调整对于视场内多目标复杂的探测场景能够实现更好地适应，依据视场内的具体情况对于至少之一的直方图的时间宽度进行适应性设置，保证了测距的可实现性，同时通过与确定了时间宽度的直方图相关的至少一组直方图，可以实现对于视场内的目标精确探测的效果，本发明实质上是提出了一种能自适应调整的粗细不同精度的测量过程，在粗测量中，粗略地确定到对象点的距离。在随后的精细测量中，在粗测量期间确定的时间附近的测量信号(或从其导出的测量结果)被扫描并被进一步处理。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，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探测系统工作原理示意图；
图2为本申请实施例提供的阵列型接收模块部分单元工作的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种处理模块内统计模块的示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种处理模块内统计模块的示意图；
图5为本申请实施例提供的一种直方图模块获取信息方案的示意图；
图6为本申请实施例提供的另一种直方图模块获取信息方案的示意图；
图7为本申请实施例提供的又一种直方图模块获取信息方案的示意图；
图8为本申请实施例提供的一种获得直方图的流程示意图；
图9为本申请实施例提供的一种获得脉冲光束飞行时间的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
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。
图1为本申请实施例提供的一种探测系统示意图。如图1示意了探测系统获取目标的基本原理，处理单元120控制光源110发出发射光，光源可以为LED或者激光源，此处为了考虑人眼安全等一般选择光源为具有近红外波长的激光源，激光源可以选择VSCEL阵列型激光源，此处并不限定，光源110至少部分单元发射探测光，当然也包含了全部发出发射光和部分发出发射光的场景此处不做限定，为了实现能量集中和系统工作的高效性，通常使用部分输出单元输出发射光，接收模块130包含SPAD单光子雪崩二极管探测单元，这样可以实现对于微弱能量下的准确探测。
在实际的探测过程中，光源发射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，通过数以万次的发射由统计结果获得最终的目标距离信息，脉冲激光经过探测目标140反射返回处于包含雪崩状态SPAD的阵列型接收模块，其中处于雪崩状态的探测单元可以接收返回的信号，返回的信号可以是发射脉冲光束的回波并形成光子信号，当接收模块的SPAD被施加高的偏置电压时，接收模块的SPAD单元处于雪崩状态，因此可以感测背景光或者返回信号光的光子，再利用处理模块的统计功能，对于触发事件进行大量的统计，通过统计结果构造出直方图，再对于直方图的触发概率高的时间段信息输出即可实现对于探测目标140的距离信息获取。
图2为本申请实施例提供的一种SPAD阵列单元结构示意图，此处以16行20列的阵列为例进行说明，实际的探测器阵列行列数量将更大此处仅为示例说明并不进行限定，为了能够高效探测目标物同时为了能过够获得更高的探测覆盖率和更广泛的探测适应性，将阵列划分为不同的像素组，至少部分像素组的像素单元连接相同的输出线，这样可以大幅度减小后续处理和运算数据量，其中像素组由l行和k列组成，在本示例中l为8，k为4，为了更精确地获得被探测物的表面信息一般需要获得阵列中相邻近的像素单元的数据，为了适应这一技术方案将像素组设计为长方形结构，此时的行单元数量与列单元数量不相等，更优化地将行方向的单元数量设置为大于列方向数量的结构，这样一方面保证了之前所需要的获得相邻近的像素单元的数据，另一方面也使得整个阵列有了一定的指向性特征，这样再结合本发明所提出的在不同时间段的不同像素单元为工作单元，保证了整个被探测的视场能够更广泛的覆盖到进一步补充上述指向性特征所探测结果，使得整个探测系统能够在像素组部分单元工作的前提下获得更高分辨率也保证了对物体特征变化较大的信息的精确捕捉，实际使用中l和k并不限定，例如l也可以为12，k可以为4，。当然具体不限于此，在l和k不相等的前提下进行布置均可，实际上为了适应被探测物的特征也为了降低激光源发射的能量保证系统的可靠性，发射光源可以以N个光点的类型发射出射光，而激光具有特别强的指向性在传播过程中基本不扩散，返回的光点范围也比较小，设置l和k类型的像素组框架更适应这种，能够保证快速准确定位到返回光点，为了更全面获得信息可以在一个像素组内设置接收不同时间段光源发射光返回光信息的工作单元，可以分为四个时间段，通过四个时间段每次的结果称为一个子帧，利用4个子帧的信息获得最终的目标信息，当然此处仅为一种示例，实际可以用1子帧、2子帧、3子帧的信息获得最终目标信息，所有相邻的工作像素最优地将返回光斑包含，最优地光斑内切或者光斑直径小于相邻的像素边长之和，再将像素组设置为相邻的像素边长之和的2倍关系，可以保证另一方面也能够适应加工缺陷和使用时间较长之后所引起的偏差快速校正，当像素阵列中的行布置数量为列布置数量的两倍及以上，这样布置可以保证一个单元之中包含不同时间段光源发射光的返回光均能够被包含，也保证了整个阵列中像素组基本均能在不同时间段包含工作单元，也保证了整个探测系统的高效性，这也是将探测的像素单元布置为矩形的重要原因之一，N个光点可以按照至少之一方法获得的规则排列：预设函数或者表格关系式，自适应校正，随机函数等等，这样能够保证光源随着应用场景或者随着时间等等因素自由调整，可以始终保证整个探测结果的高效准确性。
图3为本申请实施例提供的一种处理模块内统计模块的示意图，在此实施例中光子触发信息和时间区间信息被送入处理模块中，此处以三种直方图模式(粗、中、细)三种模式进行说明，但实际实现不限于这三种模式的直方图，在图3中按照可以按照三位的存储模块存储粗直方图的数据，当然也可以使用4位或者更多位此处并不限定，第一直方图模式的时间分辨率和/或时间区间宽度也就是粗直方图的时间区间宽度按照至少之一方式布置：预设固定值、开机标定或者自适应调整等等，例如当本发明的飞行时间距离测量系统被使用在手机等场中，此时可以预先设置该系统的最大探测距离为5m，当然此处也仅仅是进行示例说明，并不限定，这样可以确定总的时间宽度为t总＝2*5/c，其中c为光速，通过此方法可以确定每个粗直方图宽度t1，n＝t总/23，如此可以将第一计数模块的对应触发信息存储进不同的CNT单元中，通过数千次或者更多次的探测统计结果，确认最大的时间段信息，当然此处最大探测距离也可以通过开机标定、预设函数表格关系、历史信息或者使用中自适应等等方法获得，这样保证了系统对于复杂场景的适应性，另外也可以通过背景光信息来设置粗直方图的宽度信息，例如建立时间区间宽度与背景光光量的函数关系，例如可以通过限定背景光触发SPAD概率的阈值获得该关系，此处不限定，当然也可以通过最大探测距离和背景光两者的综合影响来设置粗直方图的宽度信息，此处也不限定，在粗直方图输出的触发次数最大值的时间宽度区间内建立中直方图，此处以4位存储计数为例，此时中直方图的时间区间宽度t2，n＝t1，n/24，如此实现了更精细的距离探测，更进一步细直方图也以4位存储计数为例说明，在中直方图触发次数最大的时间段内建立细直方图，此时细直方图的时间区间宽度t3，n＝t2，n/24，如此获得了更准确的触发概率最大值的时间信息，从而获得高分辨率的精密测距效果，距离信息获取时可以只依据细直方图的统计结果获得(粗和中得到的时间范围宽度信息被存储)，进而获得最终的飞行时间信息，也可以在后处理中同时处理粗、中、细的统计结果进而得到最终的飞行时间信息，此处并不限定具体的实现方式。
图4为本申请实施例提供的另一种处理模块内统计模块的示意图，与图3相同的部分不再详细赘述，在图4中，如之前所述中直方图存储位与细直方图的存储位可以相同，因此细直方图与中直方图共用存储位，因此处理单元也需要包含计数复位模块，当完成中直方图的统计输出时，存储被复位，进而其可被应用于细直方图的存储计数，当然通过如此设计也可以进一步细分直方图的时间宽度，此处也不进行限定，其余类似功能不再详细赘述。
图5为本申请实施例提供的一种直方图模块获取信息方案的示意图，第一直方图的时间分辨率和/或时间区间宽度也就是粗直方图的时间区间宽度按照至少之一方式布置：预设固定值、开机标定或者自适应调整等等，利用直方统计结果获得触发概率最大值的时间段位于t1，4～t1，5，也就是说目标探测物对应的飞行时间范围为t1，4～t1，5，此处不限定直方图的时间宽度一定相等，但是最优地时间宽度布置为相等值，这样可以保证背景光等的触发概率相近，以t1，4～t1，5为总时间宽度构建第二直方图，进行例如多于第一次探测次数的第二次探测，并构建出第二直方图，处理模块依据第一直方图和/或第二直方图的结果(与图3获得最终飞行时间算法类似)获得最终的飞行时间数据，进而确认最终的被探测物的探测距离。
图6为本申请实施例提供的另一种直方图模块获取信息方案的示意图，与图5的内容不同之处在于此时的直方图包含粗、中、细三种模式，在粗直方图中利用光子的最大触发率定位出被探测目标对应的第一飞行时间宽度范围t1，4～t1，5，以该时间段为总时间构建第二时间宽度的中直方图，利用光子触发概率的最大值定位出被探测目标对应的第二飞行时间宽度范围t2，4～t2，5，如此重复上述步骤以第二时间宽度t2，4～t2，5为总飞行时间宽度，构建细直方图，通过细直方图的最大触发率定位出飞行时间具体值，通过多次变换时间窗口的宽度实现了分辨率的提高，甚至精细化探测的需求。
图7为本申请实施例提供的又一种直方图模块获取信息方案的示意图，与图6的相同之处不再详细赘述，与图6不同在于对于中直方图的处理方法，时间窗口依然和图6一致为16个，但是在进行数据的存储时，将相邻的两个时间窗口统计结果相累加作为直方图构建的最终统计结果，这样在处理模块的中直方图存储单元只需要15个，这样能够保证探测定位的准确性，进一步减小背景光等对于探测结果的影响，例如图7中t2，4～t2，6为中直方图累加结果的最大值，因此以t2，4～t2，6时间宽度为总飞行时间宽度构建细直方图的统计结果，最终获得飞行时间的具体数值，此处不限定一定为三种模式的直方图统计结果，也可以包含其他直方图。
图8为本申请实施例提供的一种获得直方图的流程示意图，主要包含如下的步骤：S101光发射模块发射脉冲光束，视场内被探测物反射得到回波形成光子信号，此处的发射光发射的脉冲光束次数可以为数万次乃至达到十万次，从而实现更准确的探测效果。
S102接收模块接收光子信号，处理模块包含TDC模块，计算光子信号时间间隔并将其转化为时间码，当然此处的光子信号可能为背景光或者信号光引起的处于雪崩状态的SPAD形成的光子事件被探测统计，TDC将光子事件的发生时间转化为时间码，这样可以在后续确定光子事件应该被归类至哪个直方图计数窗口中。
S103处理模块还包含直方图模块，直方图模块基于所检测的光子的所述时间码构造直方图，在S102中光子事件的时间码被获得，对于多次的触发事件进行统计就可以获得时间码构造的直方图。
图9为本申请实施例提供的一种获得脉冲光束飞行时间的流程示意图，最优地通过图8的直方图构造方法之后，还包含了如下流程：S204直方图模块工作在至少两种直方图模式下，第一直方图模式下的事件区间宽度高于所述第二直方图模式下的事件区间宽度，在之前的附图中也进行了描述，实质为粗直方图中直方图等等。
S205具有更宽时间区间宽度的第一直方图模式时间区间宽度按照如下至少之一方式布置：预设固定值、开机标定或者自适应调整等等，也就是粗直方图的时间宽度确定，在之前也进行了详细叙述，主要是依据背景光和/最大测量距离，此处也不再详细赘述。
S206处理模块根据所述第一直方图模式下脉冲波对应的事件和所述第二直方图模式下的所述脉冲波形对应的事件确定所述脉冲光束的飞行时间，也就是最终的飞行时间确定，之前也进行了叙述，此处不再重复，最终完成飞行时间的距离探测的目标。
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)

1.一种飞行时间距离测量系统，其特征在于，包括：光发射模块、光接收模块、以及处理模块；
所述光发射模块用于发射脉冲光束；
所述光接收模块用于接收所述发射脉冲光束的回波并形成光子信号；
所述处理模块，包括TDC模块以及直方图模块，其中所述TDC模块用于接收和计算所述光子信号的时间间隔，并将所述时间间隔转化成时间码；
所述直方图模块基于所检测的光子的所述时间码构造直方图，所述直方图模块可以工作在至少两种直方图模式下；所述至少之一的直方图模式的时间分辨率和/或时间区间宽度按照如下至少之一方式布置：
预设固定值、开机标定或者自适应调整等等。
2.根据权利要求1所述的飞行时间距离测量系统，其特征在于，所述至少之一的直方图模式的时间分辨率和/或时间区间宽度按照背景光和/或最大探测距离确定。
3.根据权利要求1所述的飞行时间距离测量系统，其特征在于，所述直方图模式包括，第一直方图模式和第二直方图模式；所述第一直方图模式下的所述时间区间宽度高于所述第二直方图模式下的所述时间区间宽度。
4.根据权利要求1所述的飞行时间距离测量系统，其特征在于，根据所述第一直方图模式下脉冲波形对应的时间和/或所述第二直方图模式下的所述脉冲波形对应的时间确定所述脉冲光束的飞行时间。
5.根据权利要求1所述的飞行时间距离测量系统，其特征在于，所述接收模块包括单光子雪崩光电二极管(SPAD)。
6.根据权利要求1所述的飞行时间距离测量系统，其特征在于，所述直方图模式包括，第一直方图模式、第二直方图模式和第三直方图模式；所述第一直方图模式下的所述时间区间宽度高于所述第二直方图模式下的所述时间区间宽度，所述第二直方图模式下的所述时间区间宽度高于所述第三直方图模式下的所述时间区间宽度。
7.一种飞行时间距离测量方法，其特征在于，适用于如权利要求1所述的时间距离测量系统，包括如下步骤：
光源发射脉冲光束；
接收模块接收所述发射脉冲光束的回波并形成光子信号；
接收和计算所述光子信号的时间间隔，并将所述时间间隔转化成时间码；
基于所检测的光子的所述时间码构造直方图；
所述直方图模块可以工作在至少两种直方图模式下，第一直方图模式以及第二直方图模式，所述至少之一的直方图模式的时间分辨率和/或时间区间宽度按照如下至少之一方式布置：
预设固定值、开机标定或者自适应调整等等。
8.根据权利要求7所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于，所述至少之一的直方图模式的时间分辨率和/或时间区间宽度按照背景光和/或最大探测距离确定。
9.根据权利要求7所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于，所述第一直方图模式下的所述时间区间宽度高于所述第二直方图模式下的所述时间区间宽度。
10.根据权利要求7所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于，
根据所述第一直方图模式下脉冲波形对应的时间和所述第二直方图模式下的脉冲波形对应的时间确定所述脉冲光束的飞行时间。
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