CN114637020A - 一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法 - Google Patents

一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法 Download PDF

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Abstract

一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，包括如下具体步骤：步骤1）：获取各个光脉冲探测单元生成的飞行时间直方图，至少有一个光脉冲探测单元未被被测物体的反射光照射到；步骤2）：选择未被反射光照射到的光脉冲探测单元的飞行时间直方图作为环境光飞行时间直方图，基于所述环境光飞行时间直方图修正对其余飞行时间直方图，并得到去噪飞行时间直方图；步骤3）：根据去噪飞行时间直方图上的峰值确定被测物体的距离。本发明中，至少有一个光脉冲探测单元未被被测物体的反射光照射到，通过该光脉冲探测单元可以探测环境光的特征并对其余的光脉冲探测单元进行去环境光噪声处理，有效提高了飞行时间测量的精度和准确性。

Description

一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，特别涉及一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法。
背景技术
近年来，激光测距领域处于蓬勃发展时期，tof激光测距技术作为一种相对成熟的测距体制，可以做到远距离、高精度的测量，且其数据处理过程相对简单，避免了时间延迟。tof三维测距技术使用激光作为主动光源，记录激光从发射到抵达目标物体以及从目标物体反射回来抵达探测器的时间，通过光脉冲来回的飞行时间计算得到目标物体的距离信息。
在目前主流的基于飞行时间法的距离测量装置中，负责光子探测器的接收组件无法从原理上区分主动光源反射回来的光脉冲与环境光（如阳光、室内灯光、室内取暖器发出的红外辐射等）。因此环境光会对飞行时间测量过程造成干扰，影响飞行时间测量的精度和准确性，进而影响距离测量的精度和有效量程。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的基于飞行时间法的距离测量装置中，负责光子探测器的接收组件无法从原理上区分主动光源反射回来的光脉冲与环境光，导致环境光会对飞行时间测量过程造成干扰，影响飞行时间测量的精度和准确性，进而影响距离测量的精度和有效量程的问题，提供一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，能够有效解决上述问题。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，应用于基于飞行时间法的距离测量装置，所述距离测量装置包括激光发射器以及由若干个光脉冲探测单元组成的光子探测器，包括如下具体步骤：
步骤1）：获取各个光脉冲探测单元生成的飞行时间直方图，其中飞行时间直方图表征光脉冲探测单元在各时间单元内接收到的光子的数量，且至少有一个光脉冲探测单元未被被测物体的反射光照射到；
步骤2）：选择未被反射光照射到的光脉冲探测单元的飞行时间直方图作为环境光飞行时间直方图，基于所述环境光飞行时间直方图修正对其余飞行时间直方图，并得到去噪飞行时间直方图；
步骤3）：根据去噪飞行时间直方图上的峰值确定被测物体的距离。
作为优选，步骤2）包括如下具体步骤：
步骤S1:将所有所述飞行时间分布直方图中总计数最低的飞行时间直方图作为未被反射光照射到的光脉冲探测单元的飞行时间直方图，即环境光飞行时间直方图；将其他飞行时间直方图视为反射光飞行时间直方图；
步骤S2:将各个反射光飞行时间直方图分别减去对应时间点的环境光飞行时间直方图后并进行叠加，得到去噪飞行时间直方图。
作为优选，步骤S2中，在将各个反射光飞行时间直方图分别减去对应时间点的环境光飞行时间直方图之前，对所有光脉冲探测单元获得的飞行时间直方图进行时间零点对齐。
作为优选，步骤S2中，将各个反射光飞行时间直方图分别减去对应时间点的环境光飞行时间直方图之前，对所有光脉冲探测单元获得的飞行时间直方图进行幅度归一化。
作为优选，步骤3）中，使用参数拟合的方法在去噪飞行时间直方图上得到反射光分布拟合曲线并确定峰值。
作为优选，步骤2）中，对获得的去噪飞行时间直方图进行平滑滤波处理。
作为优选，所述光脉冲探测单元具有长条形状的探测灵敏面积。
作为优选，若干个光脉冲探测单元横向排列形成一组，多组光脉冲探测单元上下排列形成光探测阵列，上下两组光脉冲探测单元之间交错布置。
作为优选，所述光脉冲探测单元共设有两组，每组均包括两个光脉冲探测单元。
作为优选，所述光子探测器为SiPM探测器、APD探测器、SPAD探测器中的一种。
本发明的有益效果是：本发明中，至少有一个光脉冲探测单元未被被测物体的反射光照射到，通过该光脉冲探测单元可以探测环境光的特征，基于环境光特征对其余的光脉冲探测单元进行去环境光噪声处理，这样便消除了环境光对激光测距的干扰，有效提高了飞行时间测量的精度和准确性，进而提高距离测量的精度和有效量程。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为反射光照射到光子探测器上其中一个位置的示意图。
图3为反射光照射到光子探测器上其中一个位置的示意图。
图4为反射光照射到光子探测器上其中一个位置的示意图。
图5为环境光飞行时间直方图。
图6为反射光飞行时间直方图。
图7为去除环境光噪声的反射光tof分布图。
图8为本发明在测距时的光路示意图。
图中：1、光脉冲探测单元，2、反射光斑，3、光源发射器，4、A被测物体，5、B被测物体。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1所示，本方案提供一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，应用于基于飞行时间法的距离测量装置，所述距离测量装置包括激光发射器以及由若干个光脉冲探测单元1组成的光子探测器，包括如下具体步骤：
步骤1）：获取各个光脉冲探测单元生成的飞行时间直方图，其中飞行时间直方图表征光脉冲探测单元1在各时间单元内接收到的光子的数量，且至少有一个光脉冲探测单元1未被被测物体的反射光照射到；
步骤2）：选择未被反射光照射到的光脉冲探测单元1的飞行时间直方图作为环境光飞行时间直方图，基于所述环境光飞行时间直方图修正对其余飞行时间直方图，并得到去噪飞行时间直方图；
步骤3）：基于所述去噪飞行直方图中的峰值计算被测物体的距离。其中，去噪飞行直方图中峰值所对应的时间即为飞行时间，通过飞行时间与光子速率即可得出被测物体的距离。
具体的，步骤2）包括如下具体步骤：
步骤P1：对所有光脉冲探测单元1获得的飞行时间直方图进行时间零点对齐。
由于各个光脉冲探测单元1与时间数字转换器件（TDC）之间的连线长度存在差异，不同光脉冲探测单元1测得的时间值之间可能存在一定的偏差，这个偏差会体现为飞行时间直方图横轴上的差异，步骤P1中，通过对飞行时间直方图进行时间零点对齐，可以修正这种差异。
具体的，每一飞行时间直方图以时间为横坐标，对应每一时间节点的光子数量作为纵坐标。对所有光脉冲探测单元1获得的飞行时间直方图进行时间零点对齐指的是：将所有光脉冲探测单元的飞行时间直方图的横坐标的起点统一为同一时间点。
步骤P2：对所有光脉冲探测单元1获得的飞行时间直方图进行幅度归一化。每个光脉冲探测单元1上均会照射到环境光，因此在飞行时间直方图上均会体现环境光分布特征，由于加工误差等因素，各个光脉冲探测单元的探测效率也会有一定差异，这种差异会体现在飞行时间直方图上环境光分布高度的差异。在进行幅度归一化时，具体步骤如下：假定各个光脉冲探测单元1会受到均匀的环境光照射，1.首先，激光发射器不工作，此时各个光脉冲探测单元只接收到环境光，对各个光脉冲探测单元获得的环境光分布拟合，并得到各个光脉冲探测单元探测到的环境光相对光强；其中，由于各个光脉冲探测单元的探测效率存在一定的差异，因此受到相同环境光照射下，各个光脉冲探测单元显示的环境光相对光强也存在一定的差异，此时各个光脉冲探测单元显示的环境光相对光强反映了各个光脉冲探测单元探测效率上的差异；2.激光发射器工作后，将各个光脉冲探测单元获得的飞行时间直方图分别除以各个光脉冲探测单元的环境光相对光强；经过上述幅度归一化处理后，不同光脉冲探测单元的探测效率得到了补偿。
步骤P3：将所有所述飞行时间分布直方图中总计数最低的飞行时间直方图作为未被反射光照射到的光脉冲探测单元1的飞行时间直方图，即环境光飞行时间直方图；将其他飞行时间直方图视为反射光飞行时间直方图，各个反射光飞行时间直方图分别减去对应时间点的环境光飞行时间直方图后并进行叠加，得到去噪飞行时间直方图。
其中，环境光飞行时间直方图如图5所示，反射光飞行时间直方图如图6所示。图5和图6中，横坐标代表时间，单位为纳秒，横纵表上分成若干个单位时间段，每个单位时间段的长度为1纳秒；纵坐标代表单位时间段内光脉冲探测单元接收到的光子数量，纵坐标的单位为个。图5表示光脉冲探测单元只接收到环境光时的探测结果，该图显示了环境光分布特征；图6中，在40纳秒的位置处出现波峰，该位置处为环境光和被测物体反射光叠加作用产生的结果；其他位置处均与图5中的环境光分布特征相同，代表了该光脉冲探测单元未接收到被测物体反射光时的分布特征，即为环境光分布特征。
步骤P3中，将各个反射光飞行时间直方图分别减去环境光飞行时间直方图后并进行叠加，这样便消除了环境光对探测结果的影响。
进一步的，在得到去噪飞行时间直方图后，对去噪飞行时间直方图进行平滑滤波处理。这样能够进一步增加信噪比。
步骤3）中，如图7所示，使用参数拟合的方法在去噪飞行时间直方图上得到反射光分布拟合曲线并确定峰值，该峰值所对应的时间即为光子飞行至被测物体上后并反射至光脉冲探测单元的飞行时间。
如图8所示，由于激光发射器3发出的光线与被测物体的反射光线并非平行，两者之间存在一定的夹角，以当光激光发射器发出的激光经过A被测物体4和B被测物体5为例，激光发射器照射在被测物体4和被测物体5之后会形成两个反射光路，这两个反射光路分别会在光子探测器上产生不同的反射光斑2，因此为了保证一定的测距量程，需要将光脉冲探测单元具有长条形状的探测灵敏面积。这样能够有效保证单个光脉冲探测单元上的探测灵敏面积能够同时覆盖多个不同反射光斑中。
本方案对光子探测器上的光脉冲单元进行特殊结构设计，在步骤1）中，所述光子探测器中的多个光脉冲探测单元1呈城砖样式排布。这样设计的好处在于：在不增加探测灵敏面积、不增加设备成本的前提下，通过对探测单元进行分割和几何排布调整，保证在考虑了装配误差及上述被测物距离差异导致的光斑移动效应后至少有一个探测单元可以被用来探测环境光，以实现对光子探测器上的探测灵敏面积进行有效利用。如图2-4所示，光子探测器上的光脉冲探测单元1的排列方式如下：若干个光脉冲探测单元1横向排列形成一组，多组光脉冲探测单元上下排列形成光探测阵列，上下两组光脉冲探测单元之间交错布置。这种交错排列的布置方式能够有效保证至少有一个光脉冲探测单元1不会落入被测物体的反射光斑2的区域中，这样该光脉冲探测单元所接收到的光线即为环境光，通过该光脉冲探测单元变能够获得环境光的飞行时间直方图，以该环境光飞行时间直方图作为参考，便可以对其余飞行时间直方图进行环境光降噪处理。本实施例中，光脉冲探测单1共设有两组，每组均包括两个光脉冲探测单元，两组光脉冲探测单元1上下排列，且两组光脉冲探测单元相互交错布置。
本发明中的光子探测器为SiPM探测器、APD探测器、SPAD探测器中的一种。
本发明中，至少有一个光脉冲探测单元未被被测物体的反射光照射到，通过该光脉冲探测单元可以探测环境光的特征，基于环境光特征对其余的光脉冲探测单元进行去环境光噪声处理，这样便消除了环境光对激光测距的干扰，有效提高了飞行时间测量的精度和准确性，进而提高距离测量的精度和有效量程。
本方案提供的用于飞行时间法距离测量的抗环境光干扰方法可被应用于tof激光测距领域。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，应用于基于飞行时间法的距离测量装置，所述距离测量装置包括激光发射器以及由若干个光脉冲探测单元组成的光子探测器，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤1）：获取各个光脉冲探测单元生成的飞行时间直方图，其中飞行时间直方图表征光脉冲探测单元在各时间单元内接收到的光子的数量，且至少有一个光脉冲探测单元未被被测物体的反射光照射到；
步骤2）：选择未被反射光照射到的光脉冲探测单元的飞行时间直方图作为环境光飞行时间直方图，基于所述环境光飞行时间直方图修正对其余飞行时间直方图，并得到去噪飞行时间直方图；
步骤3）：根据去噪飞行时间直方图上的峰值确定被测物体的距离。
2.根据权利要求1所述的一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，其特征在于，步骤2）包括如下具体步骤：
步骤S1:将所有所述飞行时间分布直方图中总计数最低的飞行时间直方图作为未被反射光照射到的光脉冲探测单元的飞行时间直方图，即环境光飞行时间直方图；将其他飞行时间直方图视为反射光飞行时间直方图；
步骤S2:将各个反射光飞行时间直方图分别减去对应时间点的环境光飞行时间直方图后并进行叠加，得到去噪飞行时间直方图。
3.根据权利要求2所述的一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，其特征在于，步骤S2中，在将各个反射光飞行时间直方图分别减去对应时间点的环境光飞行时间直方图之前，对所有光脉冲探测单元获得的飞行时间直方图进行时间零点对齐。
4.根据权利要求2所述的一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，其特征在于，步骤S2中，将各个反射光飞行时间直方图分别减去对应时间点的环境光飞行时间直方图之前，对所有光脉冲探测单元获得的飞行时间直方图进行幅度归一化。
5.根据权利要求1所述的一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，其特征在于，步骤3）中，使用参数拟合的方法在去噪飞行时间直方图上得到反射光分布拟合曲线并确定峰值。
6.根据权利要求1所述的一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，其特征在于，步骤2）中，对获得的去噪飞行时间直方图进行平滑滤波处理。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，其特征在于，所述光脉冲探测单元具有长条形状的探测灵敏面积。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，其特征在于，若干个光脉冲探测单元横向排列形成一组，多组光脉冲探测单元上下排列形成光探测阵列，上下两组光脉冲探测单元之间交错布置。
9.根据权利要求8所述的一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，其特征在于，所述光脉冲探测单元共设有两组，每组均包括两个光脉冲探测单元。
10.根据权利要求1-6任意一项所述的一种用于飞行时间法距离测量的抗环境光方法，其特征在于，所述光子探测器为SiPM探测器、APD探测器、SPAD探测器中的一种。
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