CN114280912A - 一种测量飞行时间的方法和时间数字转换器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种时间数字转换器，其特征在于，包括：基于第一时钟的统计模块，用于统计所述时间数字转换器的输入信号所在的第一时间区间；和基于第二时钟的测量模块，用于测量所述输入信号在所述第一时间区间的第一时刻。通过将测量的距离分为多个时间区间，仅仅通过一次统计和一次测量得到飞行时间，相比传统的一次测量方式，节约了TDC的数据资源。因此，在一定程度上可以减小数据的传输数量。

Description

一种测量飞行时间的方法和时间数字转换器

技术领域

本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种测量飞行时间的方法和时间数字转换器。

背景技术

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。而直接飞行时间探测(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。也就是说，直接飞行时间探测通过直接测量发射辐射与从物体或其他目标反射后检测辐射之间的时间长度，确定到目标的距离。

在一些应用中，可以使用包括单光子检测器(例如单光子)在内的光电探测器阵列来执行反射辐射的感测雪崩二极管(SPAD)阵列。一个或多个光电探测器可以限定阵列的探测器像素。SPAD阵列可以在可能需要高灵敏度和定时分辨率的成像应用中用作固态光电探测器。SPAD基于半导体结(例如，p-n结)，例如，当通过或响应于具有期望脉冲宽度的选通信号而被偏置到其击穿区域之外时，该半导体结可以检测入射光子。高的反向偏置电压会产生足够大小的电场，从而使引入器件耗尽层的单个电荷载流子可以通过碰撞电离引起自持雪崩。可以通过淬火电路主动(例如，通过降低偏置电压)或被动地(例如，通过使用串联电阻两端的压降)对雪崩进行淬火，以使设备“复位”以进一步检测光子。起始电荷载流子可以通过单个入射光子撞击高电场区域而光电产生。正是这一功能使人们产生了“单光子雪崩二极管”的名称。这种单光子检测操作模式通常称为“盖革模式”。

为了计数入射在SPAD阵列上的光子，某些ToF像素方法可能使用数字计数器或模拟计数器来指示光子的检测和到达时间，也称为时间戳。数字计数器可能更易于实现和扩展，但是就面积而言(例如，相对于阵列的物理尺寸而言)可能更昂贵。模拟计数器可能更紧凑，但是可能会受到光子计数深度(位深)，噪声和/或均匀性问题的限制。

为了给入射光子加上时间戳，一些基于SPAD阵列的ToF像素方法使用了时间数字转换器(TDC)。TDC可以在飞行时间成像应用中使用，以提高单个时钟周期的定时分辨率。这种数字方法的一些优势可能包括TDC的大小倾向于随着技术节点而扩展，并且所存储的值可以对泄漏更健壮。

但是，TDC电路可能只能在单个事件中处理一个事件测量周期，这样一排SPAD可能需要多个TDC。TDC可能也比较耗电，这使得更大的阵列更难以实现。TDC还可能生成相对大量的数据，例如，每个光子一个16位时间戳。连接到TDC的单个SPAD可能每秒产生数百万个这样的时间戳。因此，相对于可用的输入/

输出带宽或功能，大于100,000像素的成像阵列会产生不可行的

大数据速率。但是完全不实用TDC测量精度又达不到。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种测量飞行时间的方法和时间数字转换器，以解决现有的像素阵列中TDC传输数据的压力的技术问题。

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时间数字转换器，其特征在于，包括：基于第一时钟的统计模块，用于统计所述时间数字转换器的输入信号所在的第一时间区间；和基于第二时钟的测量模块，用于测量所述输入信号在所述第一时间区间的第一时刻。

可选地，统计模块包括：第一统计模块，基于所述第一时钟统计所述时间数字转换器的输入信号所在的所述第一时间区间；第二统计模块，基于所述第三时钟统计所述时间数字转换器的输入信号所在的所述第一时间区间中的第一子时间区间；其中，第三时钟的时钟周期小于第一时钟的时钟周期。

可选地，所述第二时钟的时钟周期小于第三时钟的时钟周期。

可选地，测量模块使用游标卡尺型的时间数字转换器。

可选地，第一统计模块的时间区间数目小于第二统计模块的时间区间数目。

第二方面，本申请实施例提供了一种用于测量飞行时间的方法，其特征在于，包括：将待测距离分为多个第一距离，所述第一距离与第一时间区间一一对应；基于第一时钟统计回波信号所在的第一时间区间；基于第二时钟测量回波信号所在的所述第一时间区间中的第一时刻；根据第一时间区间和第一时刻确定所述飞行时间。

可选地，所述统计回波信号所在的第一时间区间，还包括：将每个第一距离分为多个第一子距离，所述第一子距离与第一子时间区间一一对应；基于第三时钟统计回波信号所在的第一时间区间中的第一子时间区间；其中，第三时钟的时钟周期小于第一时钟的时钟周期。

可选地，所述第二时钟的时钟周期小于第三时钟的时钟周期。

可选地，所述第一时间区间数目小于第一子时间区间数目。

可选地，所述测量回波信号的方法为游标卡尺法。

本申请的有益效果是：通过将测量的距离分为多个时间区间，仅仅通过一次统计和一次测量得到飞行时间，相比传统的一次测量方式，节约了TDC的数据资源。因此，在一定程度上可以减小数据的传输数量。

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测距原理图；

图2为本申请实施例提供的一种TDC电路的结构框图；

图3为本申请实施例提供的一种TDC电路的结构和时序图；

图4为本申请实施例提供的另一种TDC电路的结构框图；

图5为本申请实施例提供的测距的一种方法；

图6为本申请实施例提供的测距的另一种方法。

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装置的功能模块示意图。如图1所示，该探测装置包括：脉冲光源101、待测物102、探测器阵列103以及处理模块104。

其中，脉冲光源101，用于发射探测脉冲到待测物102，待测物102反射部分的脉冲光源至探测器阵列103。探测阵列103可以是SPAD阵列，探测阵列103接收到反射回来的光子，当反射回来的光子撞击高电场区域而光电产生引起SAPD的雪崩。SPAD阵列的每个像元在一定的窗口检测期间，检测到达光子引起的雪崩时间，当在某个检测窗口时间段内检测到了光子引起的雪崩就认为检测到了事件，并标记在该检测窗口期检测到事件。标记方式可以是累积加1或者其他的标识本发明的实施列中不做限制。

处理模块103根据统计到的各个检测窗口期间标识出的检测事件，就可以确定出反射的光子是在哪个检测窗口期间。确定了反射光子的到达时间范围可以在该时间范围内进一步对发射光子到达时间进行检测。在进一步检测反射光子到达时间的时候可以使用TDC模块。TDC模块根据反射光子的到达时间生成时间码，处理模块可以根据所述时间码生成直方图，最终根据直方图获得反射光子到达的精确时间。

获得反射光子的到达时间后就可以根据光子的到达时间检测出待测物的距离。距离D可由下式计算出：

D＝c·t/2 (1)

其中，c为光速。

图2为本申请提供的时间数字转换器的模块框图，包括统计模块201，测量模块202，该模块接收start和stop信号，输出数字时间。统计模块201接收第一时钟信号，测量模块202接收第二时钟信号，统计模块基于该第一时钟信号对待测信号反射回的回波信号进行统计，得到回波信号所在的时间区间，示例性地，可以将探测器的测量距离为若干份，每一份距离对应返回脉冲所在的一个时间区间，该若干份可以是等距离分配也可以是不等距离分配，本申请不做具体限定。例如，在测距范围是5米的DTOF探测器中，将探测距离等分为5份，分别代表回波信号从1米，2米，3米，4米，5米距离外反射回探测器，该5种探测距离基于第一时钟的时钟周期分别对应5种时间区间，例如，分别为1ps，2ps，3ps，4ps和5ps。统计模块201将SPAD阵列中的像素接受到的回波信号统计至该5种时间区间中的某一特定时间。例如，当回波信号从3米返回，统计模块201则将该回波信号统计为3ps的时间区间。然后测量模块202从3ps开始算起，计算回波信号基于第二时钟下的具体时刻，例如，测量模块202测量出回波信号为0.8ps，则TDC的输出的数字时间为3.8ps。由此可见，相比于传统的TDC，本申请提供的TDC不需要从0时刻开始进行测量，而是直接从某一时间区间的起始位置开始测量，这样就节省了TDC的功耗和时间，也减小了需要传输的数据量。

示例性地，统计模块的具体电路和时序图参见图3，由两条D触发器链和逻辑门组成。其中一条D触发器链的输入连接回波信号，输出连接计数器，另一条D触发器链连接高电平，输出连接逻辑门。示例性地，该逻辑门可以是由异或门构成。

根据该结构可以对该统计模块中的输入脉冲信号所处的时间区间进行统计，示例性地，该脉冲信号处于3ps距离外反射回的脉冲信号，则该统计模块则输出3ps所代表的数字信号。

然后，测量模块从3ps处开始进行时间测量，示例性地，测量模块可以由游标卡尺型的TDC构成，需要说明的是，该游标卡尺的TDC的起始测量位置为3ps。

可选择地，统计模块可以由两个子模块构成，如图4所示，该时间数字转换器由第一统计模块401，第二统计模块402，和测量模块403构成，第一统计模块401基于第一时钟进行统计，第二统计模块402基于第三时钟进行统计，测量模块403基于第二时钟进行时间测量。

示例性地，可以预先将第一统计模块基于第一时钟的时钟周期分别对应5种时间区间，例如，分别为1ps，2ps，3ps，4ps和5ps。且预先将第二统计模块基于第三时钟的时钟周期分别对应4种时间区间，例如，分别为0.2ps，0.4ps，0.6ps，和0.8ps。例如，当回波信号从3米返回，第一统计模块401则将该回波信号统计为3ps的时间区间。第二统计模块402从3ps开始算起，进一步统计回波信号的时间区间，示例性地，统计该次发射所接受到的回波信号为0.6ps，然后测量模块403开始测量回波信号基于第二时钟下的具体时刻，例如，测量模块202测量出回波信号为0.08ps，则TDC的输出的数字时间为3.68ps。由此可见，相比于传统的TDC，本申请提供的TDC不需要从0时刻开始进行测量，而是直接从某一时间区间的起始位置开始测量，这样就节省了TDC的功耗和时间，也减小了需要传输的数据量，同时也提高了时间测量的精度。

此外，本申请还提供了一种用于测量飞行时间的方法，如图5所示，该方法具体包括：

S1，将待测距离分为多个第一距离，所述第一距离与第一时间区间一一对应；

示例性地，在测距范围是5米的DTOF探测器中，将探测距离等分为5份，分别代表回波信号从1米，2米，3米，4米，5米距离外反射回探测器，该5种探测距离基于第一时钟的时钟周期分别对应5种时间区间，例如，分别为1ps，2ps，3ps，4ps和5ps。

S2，基于第一时钟统计回波信号所在的第一时间区间；

示例性地，基于第一时钟统计回波信号可以指，当回波信号从3米返回，统计模块则将该回波信号统计为3ps的时间区间。当回波信号从2.5米返回，统计模块则将该回波信号统计为2ps的时间区间。第一时钟的时钟周期可以是1ps。

S3，基于第二时钟测量回波信号所在的所述第一时间区间中的第一时刻；

示例性地，基于第二时钟测量回波信号可以指，从3ps开始算起，计算回波信号基于第二时钟下的具体时刻，例如，基于第二时钟的测量出回波信号可以是0.8ps。第二时钟的时钟周期可以是0.1ps。

S4,根据第一时间区间和第一时刻确定所述飞行时间；

示例性地，基于上述三个步骤，根据统计出的第一时间区间，例如3ps，和第二时钟测量出的回波信号0.8ps，则确定出这次测距的数字时间为3.8ps。

本申请还提供了另一个具体实施方式用于测量飞行时间。

S1，将待测距离分为多个第一距离，所述第一距离与第一时间区间一一对应。

例性地，在测距范围是5米的DTOF探测器中，将探测距离等分为5份，分别代表回波信号从1米，2米，3米，4米，5米距离外反射回探测器，该5种探测距离基于第一时钟的时钟周期分别对应5种时间区间，例如，分别为1ps，2ps，3ps，4ps和5ps。

S2，基于第一时钟统计回波信号所在的第一时间区间。

示例性地，基于第一时钟统计回波信号可以指，当回波信号从3米返回，统计模块则将该回波信号统计为3ps的时间区间。当回波信号从2.5米返回，统计模块则将该回波信号统计为2ps的时间区间。第一时钟的时钟周期可以是1ps。

S3，将每个第一距离分为多个第一子距离，所述第一子距离与第一子时间区间一一对应。

示例性地，1ps，2ps，3ps，4ps和5ps可以代表回波信号从1米，2米，3米，4米，5米距离返回，进一步地，可以将每个第一距离分为多个子距离，例如，可以将每个距离再进行五等分，每份代表0.2的距离，例如，在2米到3米的距离之间的第二子区间2.2米，2.4米，2.6米，2.8米，3.0米可以分别对应2.2ps，2.4ps，2.6ps，2.8ps和3ps。

S4，基于第三时钟统计回波信号所在的第一时间区间中的第一子时间区间。

示例性地，基于第三时钟统计回波信号，当回波信号从2.58米返回时，基于第一时钟的统计信号将该飞行时间统计为2米对应的时间区间，即2ps，然后基于第三时钟的统计信号将飞行时间统计为2.4米对应的时间区间，即2.4ps。

S5，基于第二时钟测量回波信号所在的所述第一时间区间中的第一时刻。

示例性地，基于第二时钟测量回波信号可以指，从2.4ps开始算起，计算回波信号基于第二时钟下的具体时刻，例如，基于第二时钟的测量出回波信号可以是0.18ps。第二时钟的时钟周期可以是0.01ps。

S6，根据第一时间区间和第一时刻确定所述飞行时间。

示例性地，基于上述五个步骤，根据统计出的第一时间区间，例如2ps，和第一时间区间的子时间区间，2.4ps，和第二时钟测量出的回波信号0.18ps，则确定出这次测距的数字时间为2.58ps。

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)

1.一种时间数字转换器，其特征在于，包括：

基于第一时钟的统计模块，用于统计所述时间数字转换器的输入信号所在的第一时间区间；

和基于第二时钟的测量模块，用于测量所述输入信号在所述第一时间区间的第一时刻。

2.如权利要求1所述的时间数字转换器，其特征在于，所述统计模块包括：

第一统计模块，基于所述第一时钟统计所述时间数字转换器的输入信号所在的所述第一时间区间；

第二统计模块，基于所述第三时钟统计所述时间数字转换器的输入信号所在的所述第一时间区间中的第一子时间区间；

其中，第三时钟的时钟周期小于第一时钟的时钟周期。

3.如权力要求2所述的时间数字转换器，其特征在于，所述第二时钟的时钟周期小于第三时钟的时钟周期。

4.如权力要求3所述的时间数字转换器，其特征在于，所述测量模块使用游标卡尺型的时间数字转换器。

5.如权力要求4所述的时间数字转换器，其特征在于，所述第一统计模块的时间区间数目小于第二统计模块的时间区间数目。

6.一种用于测量飞行时间的方法，其特征在于，包括：

将待测距离分为多个第一距离，所述第一距离与第一时间区间一一对应；

基于第一时钟统计回波信号所在的第一时间区间；

基于第二时钟测量回波信号所在的所述第一时间区间中的第一时刻；

根据第一时间区间和第一时刻确定所述飞行时间。

7.如权利要求6所述的测量飞行时间的方法，其特征在于，所述统计回波信号所在的第一时间区间，还包括：

将每个第一距离分为多个第一子距离，所述第一子距离与第一子时间区间一一对应；

基于第三时钟统计回波信号所在的第一时间区间中的第一子时间区间；

其中，第三时钟的时钟周期小于第一时钟的时钟周期。

8.如权利要求7所述的测量飞行时间的方法，其特征在于，所述第二时钟的时钟周期小于第三时钟的时钟周期。

9.如权利要求8所述的测量飞行时间的方法，其特征在于，所述第一时间区间数目小于第一子时间区间数目。

10.如权利要求9所述的测量飞行时间的方法，其特征在于，所述测量回波信号的方法为游标卡尺法。

Images