CN114114300B - 一种散点重分布测距装置和激光探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种散点重分布测距装置和激光探测系统。其中，散点重分布测距装置包括光采集器阵列、标定模块、TDC阵列、识别模块、DSP模块，所述光采集器阵列通过TDC阵列、识别模块连接DSP模块，由光采集器阵列接收目标物体反射回来的散点光斑获得二维成像，标定模块根据二维成像获取所有散点光斑在光采集器阵列中的分布信息，并将所述分布信息配置到光采集器阵列中，再由TDC阵列接收光采集器阵列输出的光子触发的时间信号和所述分布信息，经识别模块识别并送入相应的DSP模块做直方图统计，计算目标物体的距离，从而在测距时，本申请标定后无需做校准，对于不同大小的光斑，不同的系统，模组构建会是相同的，非常利于模组量产。

Description

一种散点重分布测距装置和激光探测系统

技术领域

本发明涉及光探测技术领域，特别涉及一种散点重分布测距装置和激光探测系统。

背景技术

深度图像传感器可以探测物体的距离，广泛应用于AR/VR、三维建模、人脸识别、无人驾驶、智能机器人等领域。其中，所述基于光子飞行时间的深度测量系统通常包括激光发射器、采集器和相关的控制单元，发射器发射激光信号经过被探测物体反射，采集器对反射回来的光信号进行信号处理，计算激光发射时刻和接收时刻的时间差，得到物体的实际距离。

单光子雪崩二极管（SPAD）具有很快的速度和很高的光电效率，并且可以在CMOS工艺下制造，因此被广泛应用于基于光子飞行时间的采集器上。SPAD阵列检测到光子触发之后，经过TDC（时间数字转换器）电路得到光子的触发时间，在曝光时间内进行多次测量，并将测量结果进行直方图统计，对直方图波形进行滤波和寻峰等相关处理，最终得到物体的距离信息。但若系统激光器发射面阵光，此时激光器能量密度不集中，并且需要SPAD阵列全打开，这会导致系统功耗比较大，信噪比也比较差。

譬如，激光发射器为2×2的阵列，经过2×2的DOE（衍射光学元件）之后，发射出去为4×4的散点光斑。通常采集器的感光区域需要将所有的光斑都要采集到，因此SPAD一般采用8×8的阵列。可以通过标定（获得散点在SPAD阵列中的相对位置）的方式，使得采集器探测到的激光散点光斑落在对应的SPAD区域，具体使得每个光斑都落在其对应2×2的SPAD子阵列中。而每个SPAD子阵列对应一个TDC和直方图统计电路，从而可以实现对不同的光斑进行直方图统计，再经过滤波和峰值查找可以得到物体的实际距离。当然，当散点光斑直径大于SPAD子阵时，其可以覆盖多个SPAD子阵，而且激光发射器也可以分区进行触发。目前一般先通过一次性触发，获得光斑当前的位置，然后再校准让光斑落到指定的SPAD子阵处，因为光斑和SPAD子阵的位置关系固定，而SPAD子阵和TDC也是固定的，所以如果想获取哪个光斑的信息，可以通过控制相应的TDC来找到对应直方图信息的。现有技术标定后必须经过校准，即把光斑移到指定的SPAD子阵列中，而进行光学校准要求非常严格，且多个光斑时需要一个一个的校准很校准过程繁琐，而且效率低下，对于不同大小的光斑，不同的系统，对光学校准是不同的，模组每次构建会不同，不利于模组量产。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种散点重分布测距装置和激光探测系统。

为解决以上技术问题，本发明采取了以下技术方案：

一种散点重分布测距装置，其特征在于，包括：

光采集器阵列，包括多个SPAD子阵列，每个所述SPAD子阵列用于接收目标物体反射回来的散点光斑，获得二维成像；

标定模块，用于根据二维成像，获取所有散点光斑在光采集器阵列中的分布信息，并将所述分布信息配置到光采集器阵列中，所述分布信息包括：不同标号的光斑在所述SPAD子阵列的位置；

TDC阵列，包括多个TDC，每个所述TDC单元用于接收光采集器阵列中与其连接的SPAD子阵列输出的光子触发的时间信号和所述分布信息，并将所述时间信号转换为数字信号，每个所述TDC单元输出的数字信号包括1个标号或多个标号的光斑数据；

识别模块，用于根据所述分布信息，对每个TDC实时输出的数字信号进行识别，将属于某个相同标号光斑的数据，送入其对应标号的DSP单元，直到曝光结束，对所有TDC单元输出的数字信号识别完成；

DSP模块，包括多个与光斑标号对应的DSP单元，其中，各DSP单元，用于接收识别模块送入的数据，对来自相同或不同TDC单元输出的数字信号做直方图统计，得到其对应标号的光斑的飞行时间信息；并根据所述飞行时间信息，计算得到每个光斑对应的目标物体的距离。

作为本发明的改进，所述每个TDC单元实时输出的数字信号包括0~N个光斑的数据，当输出为第一号光斑的数据时，识别模块将其送入第一号DSP单元，依此类推，当输出为第N号光斑的数据时，识别模块将其送入第N号DSP单元。

作为本发明的改进，所述的散点重分布测距装置，其特征在于，还包括：仲裁模块，连接在所述识别模块和DSP模块之间，用于当识别模块输出的多个数据准备进入一个DSP单元时，根据仲裁规则，逐次将数据送入所述DSP单元。

作为本发明的改进，所述仲裁规则包括：第一时刻下：第一TDC单元优先于第二TDC单元，依此类推，第N-1 TDC单元优先于第N TDC单元；第二时刻下：第二TDC单元优先于第三TDC单元，依此类推，第N TDC单元优先于第一 TDC单元。

作为本发明进一步的改进，所述识别模块，包括M个识别器，一个识别器对应一个TDC。

作为本发明进一步的改进，所述仲裁模块，包括N个仲裁器，一个识别器对应N个仲裁器，一个仲裁器对应一个DSP单元，一个DSP单元对应一个散点的直方图。

作为本发明更进一步的改进，多个光采集器连接一个TDC单元。

作为本发明再进一步的改进，当第一和第二TDC单元输出的是第一和第二号光斑时，则第一仲裁器和第二仲裁器只连接第一识别器和第二识别器。

本发明还提供一种激光探测系统，其包括发射器，和如上所述的散点重分布测距装置。

相较于现有技术，本发明提供的散点重分布测距装置和激光探测系统，通过标定模块获取散点光斑的分布信息，并根据分布信息识别TDC输出的数字信号，再相应做直方图统计，计算目标物体的距离，从而在测距时，标定后无需做校准，即无需把光斑移到指定的SPAD子阵列中，避免了进行严格的光学校准，且无需对多个光斑一个一个的校准，对于不同大小的光斑，不同的系统，模组构建会是相同的，非常利于模组量产。

附图说明

图1为本发明提供的散点重分布测距装置的结构框图。

图2为本发明提供的散点重分布测距装置中光采集器阵列及散点光斑的分布示意图。

图3为本发明提供的散点重分布测距装置的原理图。

图4为本发明提供的散点重分布测距装置中TDC阵列、识别模块、仲裁模块和DSP模块的一实施例的示意图。

图5为本发明提供的散点重分布测距装置中TDC阵列、识别模块、仲裁模块和DSP模块的另一实施例的示意图。

图6为本发明提供的激光探测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“装设于”、“固定于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者可能同时存在居中部件。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

本发明提供的散点重分布测距装置运用于激光探测领域，其为激光探测系统的一个重要部分。其中，激光探测系统包括发射器、散点重分布测距装置和控制装置，发射器用于发射多个散斑脉冲光束，散点重分布测距装置用来接收目标物体反射回来的光信号并转换成时间信息，对时间信息进行直方图统计，并且对直方图统计得到的波形进行分析处理，最终得到目标物体的实际距离。控制单元用于对发射器和散点重分布测距装置的工作模式进行配置和控制。

如图1所示，本发明提供的散点重分布测距装置包括：光采集器阵列21、标定模块22、TDC阵列23、识别模块24和DSP模块25，所述光采集器阵列21通过TDC阵列23、识别模块24连接DSP模块25。

其中，光采集器阵列21包括多个光采集器211（如SPAD），用于接收目标物体反射回来的散点光斑，获得二维成像。散点光斑为被目标物体反射的多个光斑，所述目标物体可以为一个，也可以是多个，因此光采集器阵列21采集的光斑可能为两个目标物体反射的光斑。

所述标定模块22，用于根据二维成像，获取所有散点光斑在光采集器阵列21中的分布信息，并将所述分布信息配置到光采集器阵列21中，使被配置的光采集器211处于工作状态，从而在正式测量时可关闭没有配置的光采集器211。所述分布信息指各散点光斑具体落在哪些光采集器211（如SPAD单元中），因为SPAD单元与TDC单元的对应关系是已知的，通过分布信息，即可知道每个散点光斑通过哪几个TDC单元输出。

TDC阵列23包括多个TDC单元，用于接收光采集器阵列21输出的光子触发的时间信号和所述分布信息，并将所述时间信号转换为数字信号。本实施例中，多个光采集器211连接一个TDC单元。

所述识别模块24用于根据所述散点光斑在光采集器阵列21中的分布信息，对每个TDC单元实时输出的数字信号进行识别，将属于某个光斑的数据，送入其对应的DSP单元，直到曝光结束，完成对所有TDC单元输出的数字信号的识别。

DSP模块25（数字信号处理模块），包括多个DSP单元，其中，各DSP单元包括直方图单元和计算单元，直方图单元，用于接收并存储识别模块送入的数据，对来自相同或不同TDC输出的数字信号做直方图统计，得到其对应的光斑的飞行时间信息；计算单元，用于根据所述飞行时间信息，计算得到每个光斑对应的目标物体的距离。

本发明提供通过标定模块22获取散点光斑的分布信息，并根据分布信息识别TDC输出的数字信号，再相应做直方图统计，计算目标物体的距离，从而在测距时，标定后无需做校准，即无需把光斑移到指定的SPAD子阵列中，避免了进行严格的光学校准，且无需对多个光斑一个一个的校准，对于不同大小的光斑，不同的系统，模组构建会是相同的，非常利于模组量产。

譬如，发射器1采用2×2的阵列发射4束激光，经2×2的DOE（衍射光学元件）分光后为16束激光，16个散点光斑经目标物体反射后，随机分布在8×8的SPAD阵列中，如图2所示，16个光斑，每个光斑占用一个SPAD子阵列，1个SPAD子阵列包括4个SPAD单元，每个SPAD子阵列对应一个TDC单元,因此通过分布信息，即可获知哪个光斑通过哪个TDC单元输出。

图2显示的是一种比较简单的模式，即每个光斑占用的是一个独立的TDC单元，当一个光斑占用了多个TDC单元时，情况会变得复杂，如图3所示。

所述每个TDC单元实时输出的数字信号包括0~N个光斑的数据，当输出为第一号光斑的数据时，识别模块24将其送入第一号DSP单元，依此类推，当输出为第N号光斑的数据时，识别模块24将其送入第N号DSP单元。

也即：一个光斑对应一个DSP单元，一个光斑对应多个TDC单元，多个TDC单元又对应一个DSP单元，最终使1号光斑的数据要进入DSP1，4号光斑的数据要进入DSP4。

可选地，所述识别模块24包括M个识别器，一个识别器对应一个TDC单元,从而每一个TDC单元获取的深度信息均能自动分配到对应的DSP单元，无需校准依然可以精确的获得光斑的直方图。

如图3所示，光斑1占用了第一SPAD子阵列，其对应TDC1,光斑2占用了第一至第四SPAD子阵列，其对应TDC1-TDC4，光斑3占用了第三SPAD子阵列，其对应TDC3，光斑占用了第三、第四SPAD子阵列，其对应TDC3、TDC4；其中，每个SPAD子阵列包括9个SPAD单元。所述标定模块22根据二维图像，获得光斑在SPAD中的位置，每个SPAD子阵列连接一个TDC单元，所以光斑落在哪几个TDC通过标定可以获知。识别模块24，用于根据所述分布信息，对TDC的数据进行识别，如发现TDC的数据是光斑1的则送入DSP1, 发现是光斑2的则送入DSP2。

现有技术需要校准，即需要把光斑移动到指定的SPAD子阵列中，假设一个光斑占用2*2个SPAD单元，正常情况下，除了光斑所占用的4个SPAD单元外，其他SPAD都被控制关闭，但因为要做光学校准，很难精确地控制光斑移动到指定地2*2个SPAD单元里，因此会划分一个较大的SPAD子阵列，即包括3*3个SPAD单元，这样把一个光斑移到一个较大的SPAD子阵列是比较容易的，但接收散点光斑的SPAD子阵列中的全部SPAD单元都被打开，因此会产生较大的功耗，信噪比也较差。

本申请不需要校准，标定过程中，会获知光斑在一个子阵列中的位置，即使子阵列包括3*3个SPAD单元，但除了2*2个SPAD单元外，其他SPAD单元会被关闭，因为不需要光学校准，所以可以精确地控制不用的SPAD关闭，因此降低了功耗，提高了信噪比。

进一地，本发明提供的散点重分布测距装置还包括：仲裁模块27，其连接在所述识别模块24和DSP模块25之间，用于当识别模块24输出的多个数据准备进入同一个DSP单元时，根据仲裁规则，逐次将数据送入所述DSP单元，即按优先级将TDC数据送入一DSP单元。所述仲裁规则包括先后顺序、或各路的优先级等。

如图3所示，同一时刻，在DSP2的输入通道可能有4路TDC数据需要送入DSP2，会根据仲裁测量，依次将TDC1--TDC4的数据输入DSP2。可选地，所述仲裁规则包括：第一时刻下：第一TDC单元优先于第二TDC单元，依此类推，第N-1 TDC单元优先于第N TDC单元；第二时刻下：第二TDC单元优先于第三TDC单元，依此类推，第N TDC单元优先于第一 TDC单元。

即、在第一时刻：第一TDC单元优先于第三TDC单元优先于第四TDC单元，在第二时刻：第二TDC单元优先于第三TDC单元优先于第四TDC单元优先于第一TDC单元，在第三时刻：第三TDC单元优先于第四TDC单元优先于第一TDC单元优先于第二TDC单元，依此类推。

如图4所示，在一可选的实施例中，所述仲裁模块27包括N个仲裁器，一个识别器对应N个仲裁器，一个仲裁器对应一个DSP单元，一个DSP单元对应一个散点的直方图。即仲裁器、DSP单元的数量与光斑的数量相同，每个识别器同时连接各仲裁器，而每一仲裁器又连接一DSP单元。TDC单元传输的数据中包含有光斑散点的信息，识别模块24根据传输进来的散点信息输出到不同的仲裁器中，所述仲裁器会根据仲裁规则快速输出到DSP单元中。

本实施例中，TDC单元传输的数据中包含有光斑散点的信息，各识别器根据传输进来的散点信息输出到不同的仲裁器中，在多个TDC数据同时送入进来时，仲裁器会根据自身的仲裁逻辑，比如某一路的优先级最高进行仲裁，然后依次输出给相应的DSP单元进行处理。

当然，多个散斑数据也可以共用一个DSP单元，散点重分布全矩阵分配筛选散点范围可以通过标定模块22进行配置。

如果一个DSP单元里的存储空间比较小时，可以一个DSP单元对应一个散点光斑，即一个DSP单元输出一个直方图。假设4个散点光斑占用一个TDC单元，16个散点光斑占用4个TDC单元，则需要4个识别器，16个仲裁器、16个DSP单元。

如果一个DSP单元里的存储空间比较大时，可以一个DSP单元对应4个散点光斑，即一个DSP单元输出4个直方图。假设4个散点光斑占用一个TDC单元，16个散点光斑占用4个TDC单元，则需要4个识别器，4个仲裁器、4个DSP单元。硬件资源消耗较少，功耗降低，成本减小。

本发明实施例采用TDC与识别器数量相同，仲裁器、DSP单元、与光斑数量相同的方式，其转换输出的效率很高。但如需减小散点重分布测距装置的体积，可减少TDC、识别器的数量，通过牺牲一部分效率的方式来达到处理速度与成本的平衡。

进一步地，当第一和第二TDC单元输出的是第一和第二号光斑时，则第一仲裁器和第二仲裁器只连接第一识别器和第二识别器，其连接如图5所示，此时第一和第二TDC单元、第一和第二仲裁器、第一和第二识别器、第一和第二DSP单元工作。比如，各TDC单元中只有第一TDC单元和第二TDC单元接收到光采集器阵列21反馈的间信号和所述分布信息时，此时也只有第一识别器和第二识别器能接收到TDC单元数据，此时第一识别器和第二识别器只连接第一仲裁器和第二仲裁器，无需连接其它仲裁器，从而可简化线路连接。

如图2和图3所示，譬如，一个2×2的光斑随机分布在6×6的SPAD阵列中，先根据二维灰度图成像得到散点光斑的分布位置，然后标定模块22提前将这些散点光斑的位置信息配置到对应的SPAD中，在三维成像时，散点光斑对应的SPAD获得到二维成像信息，传输给相应的TDC单元进行计算的到深度信息。识别模块24和仲裁模块27根据散点信息，自动分配到对应的DSP单元进行直方图统计、滤波和寻峰处理，再得到物体的实际距离。本申请标定后无需做校准，即无需把光斑移到指定的SPAD子阵列中，避免了进行严格的光学校准，只需记录光斑与SPAD的位置关系，可精确、快速地获得光斑的直方图，且无需对多个光斑一个一个的校准，对于不同大小的光斑，不同的系统，模组构建会是相同的，非常利于模组量产。

基于上述的散点重分布测距装置，本发明还提供一种激光探测系统，请参阅图6，本发明的激光探测系统包括发射器1、上述的散点重分布测距装置（即被图6的接收模块2所包括）和控制装置3。散点重分布测距装置、控制装置3可通过MIPI、IIC、SPI、UART协议传输数据，其传输速度快，可靠性好。

其中，所述发射器1为激光发射器1，其包括激光驱动电路、激光器阵列、DOE和第一光学镜头，本发明在散点重分布测距装置的光采集器阵列21依次设置有第二光学镜头和滤光片。

激光器发射发送散点激光脉冲经DOE分光，再经第一光学镜头射向指定区域。激光束经指定区域的目标物体反射回来，并经第二光学镜头、滤光片至接收，射向相应的SPAD上，SPAD阵列检测到光子触发信号，经过TDC得到光子的飞行时间，各识别器根据光斑信息输送到对应的仲裁器中，仲裁器根据自身的仲裁逻辑，处理多路识别器进来的飞行时间信息，并分配到对应的DSP单元，再DSP单元进行直方图统计、滤波和寻峰处理，最后计算得到物体的实际距离。由于DSP单元与TDC单元是固定连接地，因此可直接做直方图统计和距离计算等。所述发射器的工作状态直接由控制装置控制，最终可实现功耗低、处理速度快、精度高等特点。本发明可关闭没有接收光斑信息的SPAD，解决了面阵光信噪比低和功耗高的问题。本申请标定后无需做校准，即无需把光斑移到指定的SPAD子阵列中，避免了进行严格的光学校准，只需记录光斑与SPAD的位置关系，可精确、快速地获得光斑的直方图，且无需对多个光斑一个一个的校准，对于不同大小的光斑，不同的系统，模组构建会是相同的，非常利于模组量产。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种散点重分布测距装置，其特征在于，包括：

光采集器阵列，包括多个SPAD子阵列，每个所述SPAD子阵列用于接收目标物体反射回来的散点光斑，获得二维成像；

标定模块，用于根据二维成像，获取所有散点光斑在光采集器阵列中的分布信息，并将所述分布信息配置到光采集器阵列中，所述分布信息包括：不同标号的光斑在所述SPAD子阵列的位置；

TDC阵列，包括多个TDC单元，每个所述TDC单元用于接收光采集器阵列中与其连接的SPAD子阵列输出的光子触发的时间信号和所述分布信息，并将所述时间信号转换为数字信号，每个所述TDC单元输出的数字信号包括1个标号或多个标号的光斑数据；

识别模块，用于根据所述分布信息，对每个TDC单元实时输出的数字信号进行识别，将属于某个相同标号光斑的数据，送入其对应标号的DSP单元，直到曝光结束，对所有TDC单元输出的数字信号识别完成；

DSP模块，包括多个与光斑标号对应的DSP单元，其中，各DSP单元，用于接收识别模块送入的数据，对来自相同或不同TDC单元输出的数字信号做直方图统计，得到其对应标号的光斑的飞行时间信息，并根据所述飞行时间信息，计算得到每个光斑对应的目标物体的距离。

2.如权利要求1所述散点重分布测距装置，其特征在于，所述每个TDC单元实时输出的数字信号包括0~N个光斑的数据，当输出为第一号光斑的数据时，识别模块将其送入第一号DSP单元，依此类推，当输出为第N号光斑的数据时，识别模块将其送入第N号DSP单元。

3.根据权利要求1所述的散点重分布测距装置，其特征在于，还包括：仲裁模块，连接在所述识别模块和DSP模块之间，用于当识别模块输出的多个数据准备进入一个DSP单元时，根据仲裁规则，逐次将数据送入所述DSP单元。

4.根据权利要求3所述的散点重分布测距装置，其特征在于，所述仲裁规则包括：第一时刻下：第一TDC单元优先于第二TDC单元，依此类推，第N-1 TDC单元优先于第N TDC单元；第二时刻下：第二TDC单元优先于第三TDC单元，依此类推，第N TDC单元优先于第一 TDC单元。

5.根据权利要求2所述的散点重分布测距装置，其特征在于，所述识别模块包括M个识别器，一个识别器对应一个TDC单元。

6.根据权利要求3所述的散点重分布测距装置，其特征在于，所述仲裁模块包括N个仲裁器，一个识别器对应N个仲裁器，一个仲裁器对应一个DSP单元，一个DSP单元对应一个散点的直方图。

7.根据权利要求2所述的散点重分布测距装置，其特征在于，多个光采集器连接一个TDC单元。

8.根据权利要求6所述的散点重分布测距装置，其特征在于，当第一和第二TDC单元输出的是第一和第二号光斑时，则第一仲裁器和第二仲裁器只连接第一识别器和第二识别器。

9.一种激光探测系统，其特征在于，包括发射器，和如权利要求1-8任意一项所述的散点重分布测距装置。

Images