CN115267797A - 一种提高飞行时间测距精度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高飞行时间测距精度的方法，其特征在于，包含光源模块，用于向待测物体发射探测光；接收模块，用于接收待测物反射的返回光信号，并转化为电信号；处理模块，依据所述接收模块获取的返回光信号转化的电信号获得被探测物的距离；所述光源模块发射的探测光与所述接收模块中用于接收所述返回光信号的解调信号之间具有第一时延差，通过本发明的方案，可以降低时间噪声对近距离测距精度的影响，提高近距离处的测距精度，满足近距离处测距精度的需求。

Description

一种提高飞行时间测距精度的方法
技术领域
本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种提高飞行时间测距精度的方法。
背景技术
作为一种在场景中测量与物体相距距离的方法，飞行时间(TOF)技术被开发出来。这种TOF技术可以应用于各种领域，如汽车工业、人机界面、游戏、机器人和安防等等。一般来说，TOF技术的工作原理是用光源发出的已调制光照射场景，并观察场景中物体反射的反射光。而在现有探测系统中为了保证探测过程中可以获得更高的探测效率同时也保证探测系统具有更宽广的视野，目前采用较多的是一种阵列型接收模块，阵列型接收模块中可以有成千上万的像素单元，每个像素单元可以为电荷耦合半导体CCD或者互补金属氧化物半导体CMOS型等等类型的二极管，此处并不限定只以此两种类型二极管组成阵列型接收模块。
为了获得距离信息，在TOF进行探测中的间接先获得发射光和返回光的延时信息，进而获得延时相位或者称为相位偏移，再将相位偏移转化为最终的结果信息，这种方法将被探测物的距离信息转化为返回光和发射光相位偏移而非直接给出距离结果，此方案称为间接飞行时间测距(ITOF)。在实际的使用中可以使用互补相位接收返回光信号，进而获得距离信息此种方法称为两相位方案，也有利用四相位0°、90°、180°和270°的四相位获取目标距离的方案，当然也有文献尝试3相位甚至5相位方案获取被探测物距离的方案，获得相位偏移的电信号，需要对于该电信号经过处理单元进行处理得到最终的距离信息，但是实际获得返回光信号对应的电信号由于环境因素，包括但不限于温度和环境照明条件。例如，传感器阵列中的温度变化可以增加像素的所谓暗电流，暗电流又可以改变测量的相位偏移，如此体现在测量的结果上将会呈现出较大的距离波动。同时探测系统的各种部件可以产生无意地添加到所采集的信号的一些噪声，当这种噪声随时间变化时(例如，由温度的波动或其他因素引起的时间噪声)，其可能导致测距精度的降低。在TOF探测技术中对于近距离和远距离的精度要求不同。按照待测物体的距离不同，测距精度要求为待测物体的距离1％-5％，例如10cm处的待测物体要求的精度就是1mm，1m处的待测物体要求的测距精度就是1cm。所以降低近距离处，时间噪声对测距精度的影响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，提供一种提高飞行时间测距精度的方法，以减小时间噪声对近距离测距精度的影响，提高近距离处的测距精度，满足近距离处测距精度的需求。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
本申请实施例提供了一种提高飞行时间测距精度的方法，其特征在于，包含光源模块，用于向待测物体发射探测光；接收模块，用于接收待测物反射的返回光信号，并转化为电信号；处理模块，依据所述接收模块获取的返回光信号转化的电信号获得被探测物的距离；所述光源模块发射的探测光与所述接收模块中用于接收所述返回光信号的解调信号之间具有第一时延差。
可选地，所述第一时延差预先设置。
可选地，所述光源模块将探测光引入第一时延差后发射向待测物体。
可选地，所述的解调信号与所述光源模块向待测物体发射的探测光之间的相位差分别为0°，180°，90°，270°。
可选地，所述的解调信号与所述光源模块向待测物体发射的探测光之间还包括第一时延差。
可选地，所述光源模块发射的探测光与所述待测物反射的返回光信号之间还包括有探测装置引起的第二时延差。
可选地，所述的第二时延差对探测距离的影响通过算法矫正。
可选地，所述光源模块发射的探测光与所述待测物反射的返回光信号之间还包括用于获得待测物体距离的第三时延差。
可选地，所述处理模块根据获得的所述被探测物的距离去掉第一时延差对探测距离的影响得到所述待测物体的实际距离。
本申请的有益效果是：
一种提高飞行时间测距精度的方法，其特征在于，包含光源模块，用于向待测物体发射探测光；接收模块，用于接收待测物反射的返回光信号，并转化为电信号；处理模块，依据所述接收模块获取的返回光信号转化的电信号获得被探测物的距离；所述光源模块发射的探测光与所述接收模块中用于接收所述返回光信号的解调信号之间具有第一时延差，通过本发明的方案，可以降低时间噪声对近距离测距精度的影响，提高近距离处的测距精度，满足近距离处测距精度的需求。
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为现有技术提供的一种探测系统工作原理的示意图；
图2A为本申请实施例提供的理论上距离与时间噪声的关系的示意图；
图2B为本申请实施例提供的实测距离与时间噪声的关系的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种TOF测距原理示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种TOF测距原理示意图；
图5为本申请实施例提供的又一种TOF测距原理示意图；
图6为本申请实施例提供的一种降低近距离处时间噪声的工作流程；
图7为本申请实施例提供的另一种降低近距离处时间噪声的工作流程。
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为现有技术提供的一种探测系统工作原理的示意图。目前采用的探测系统基本包括：光发射模块、处理模块、以及光接收模块，此处以ITOF测距为例进行说明，光发射模块包括但不仅限于半导体激光器、固体激光器、也可包括其他类型的激光器，当采用半导体激光器作为光源时，可以采用垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser)或者边发射半导体激光器EEL(edge-emitting laser)，此处仅为示例性说明并不作具体限定，光发射模块发射出正弦波或者方波或者三角波等等，在测距应用中多为具有一定波长的激光，例如950nm等等的红外激光(最优地为近红外激光)，发射光被投射向视场内，视场内存在的被探测物可以反射投射的激光进而形成返回光，返回光进入探测系统中被光接收模块捕获，所述光接收模块可以包含光电转化部，例如CMOS、CCD等等组成的阵列型传感器，还可以包含多个镜头可以形成多于一个的像平面，也就是接收模块包含了多于一个的像平面，接收模块的光电转化部位于之一的像平面处，其可以最常用的四相位方案接收而获得0°、90°、180°和270°的延时接收信号，利用四相为的距离计算方案此处以正弦波的方法为示例进行说明。
设定c为光速，T为周期，Q0，Q90,Q180,Q270为在四相位下分别收集到的能量，那么根据这些值计算得到的距离的计算公式为：
若Q0＞Q180且Q90＞Q270则：
Figure BDA0003048762260000061
若Q0＜Q180且Q90＞Q270则：
Figure BDA0003048762260000062
若Q0＜Q180且Q90＜Q270则：
Figure BDA0003048762260000063
若Q0＞Q180且Q90＜Q270则：
Figure BDA0003048762260000064
在雷达探测技术领域中，噪声是反复出现的问题。在这点上，探测系统的各种部件可以产生无意地添加到所采集的信号的一些噪声。例如，某些电路部件(例如，行或列放大器)可以在采集和读取与给定列或行相关联的所有像素数据期间使用。因此，与这样的部件相关联的制造变化或校准误差可能影响采集和读取的所有像素数据。这会导致采集图像的行或列表现出显现为水平线或竖直线的偏移。当这种噪声随时间变化时(例如，由温度的波动或其他因素引起的时间噪声)，其可能导致测距精度的降低。公式(1)-(4)所示的距离公式的时间噪声方差的计算公式为：
σ2＝[d(distance)|Q0]2+[d(distance)|Q180]2+[d(distance)|Q90]2+[d(distance)|Q270]2 (5)
以d(distance)|Q0为例，可以计算得出
Figure BDA0003048762260000071
因此，可以得到
Figure BDA0003048762260000072
图2A为本申请实施例提供的理论上距离与时间噪声的关系的示意图，图2是在Q_total＝Q0+Q180+Q90+Q270不变的情况下，根据公式(1)-公式(7)得到不同距离下测距的时间噪声与距离的关系。图2B为本申请实施例提供的实测距离与时间噪声的关系的示意图。在TOF探测技术中对于近距离和远距离的精度要求不同。按照待测物体的距离不同，测距精度要求为待测物体的距离1％-5％，例如10cm处的待测物体要求的精度就是1mm，1m处的待测物体要求的测距精度就是1cm。从图2A-图2B可以看出不管是理论值还是实测数据都可以看出，时间噪声对近距离处的待测物体的影响反而比较大，这就不利于达到近距离处测距精度的要求。
图3为本申请实施例提供的一种TOF测距原理示意图，如图3所示固有迟延td是由于测距系统本身引起的，例如，某些电路部件(例如，行或列放大器)，固有延迟td偏差通过算法来矫正。Δt为发射出的光源经过待测物体反射回来的时延，根据Δt就可以得到待测物体的距离。在图3中301为光源发射的探测光，302为不考虑固定延迟td的待测物体的反射光，303为考虑固定延迟td后待测物体反射回来的信号。接收端分别以一定的相位差(也就是一定时延)的解调信号去接收303的信号，图3中304和301的相位差为0°，305与301的相位差为180°，306与301的相位差为90°，307与301的相位差为270°。根据四相位的测距原理就可以得到待测物体的距离，具体过程如下面公式(8)-公式(15)所示：
Figure BDA0003048762260000081
Figure BDA0003048762260000082
Figure BDA0003048762260000083
Figure BDA0003048762260000084
Figure BDA0003048762260000085
Figure BDA0003048762260000086
Figure BDA0003048762260000087
考虑固有时延后得到的实际距离
Figure BDA0003048762260000088
Figure BDA0003048762260000089
其中固有延迟td偏差可以通过算法矫正回来。
结合图2和图3可以看出通过调整接收端解调信号与发射端发射光源的时延(相位差)就可以使得近距离的时间噪声处于图2中比较小的对应位置，这样就可以满足近距离的测距精度。
图4为本申请实施例提供的另一种TOF测距原理示意图。如图4所示发射光源401加一个时延t1，成为402，403为不考虑固定延迟td的待测物体的反射光，404为考虑固定延迟td后待测物体反射回来的信号，这个时候的整体时延为Δt+td+t1。接收端分别以与401一定的相位差(也就是一定时延)的解调信号去接收404的信号，图4中405与401的相位差为0°，406与401的相位差为180°，407与401的相位差为90°，408与401的相位差为270°。根据四相位的测距原理就可以得到待测物体的距离：
Figure BDA0003048762260000091
在图4中是将发射光源401延迟了t1，当然也可以将发射光源401提前一个时间t1其原理和上述一样，这里就不再赘述。
图5为本申请实施例提供的又一种TOF测距原理示意图。如图5所示发射光源501，502为不考虑固定延迟td的待测物体的反射光，503为考虑固定延迟td后待测物体反射回来的信号，这个时候的整体时延为Δt+td。接收端分别以与501一定的相位差(也就是一定时延)的解调信号去接收503的信号，图5中504与501的相位差为0°而且504还有一个加入的时延t1，505与501的相位差为180°而且505还有一个加入的时延t1，506与501的相位差为90°而且506还有一个加入的时延t1，507与501的相位差为270°而且507还有一个加入的时延t1。根据四相位的测距原理就可以得到待测物体的距离：
Figure BDA0003048762260000092
在图5中是将发射解调信号延迟了t1，当然也可以将解调信号提前一个时间t1其原理和上述一样，这里就不再赘述。
以上图4为例，如果我们的最近距离要求为0m，我们可以在发射光源401和接收端调制信号之间加如了时延t1＝T/8＝6.25ns的延迟(也可以是T/8的1，3，5，7…倍)，使得0距离的估计结果为0.9375m，以达到0m处的时间噪声降低的目的。从图2B可以看出在0.9375m处的时间噪声最小。
此时，实际距离为L的待测物体，测距结果为L+0.9375m，因此我们只需要将最终结果减去0.9375m即得到待测物体的真实距离。图5中引入时延t1的原理与图4所述过程一样这里就不在赘述。从上述过程可以看出通过在发射光源与接收端的解调信号之间加入一个时延，就可以达到在近距离处，降低时间噪声的目的，提高近距离处的测距精度。
图6为本申请实施例提供的一种降低近距离处时间噪声的工作流程，如图6所示包含：
S601：驱动光源生成探测光信号；
S602：引入一定时延差到步骤S601中生成的探测光信号中；
S603：发射引入时延差的探测光到待测物体；
S604：根据四相位的探测原理分别用和S601中生成的探测光信号的相位差为0°，180°，90°，270°的相位差接收待测物体反射回来的回波信号；
S605：根据接收到的待测物体的回波信号计算得到待测物体的距离；
S606：因为在发射的探测信号中引入了一定的时延差，该时延差是已知的，所以需要对S605中计算得到的待测物体距离去掉引入的时延差对距离的影响，得到待测物体的实际距离。
图7为本申请实施例提供的另一种降低近距离处时间噪声的工作流程，如图7所示包括：
S701：驱动光源生成探测光信号；
S702：发射生成的探测光信号到待测物体；
S703：根据四相位的探测原理分别用和S701中生成的探测光信号的相位差为0°，180°，90°，270°的相位差并引入一定时延差t1的解调信号分别去接收待测物体反射的回波信号；
S704：根据接收到的待测物体的回波信号计算得到待测物体的距离；
S705：因为在解调信号中引入了一定的时延差，该时延差是已知的，所以需要对S704中计算得到的待测物体距离去掉引入的时延差对距离的影响，得到待测物体的实际距离；
需要说明的是，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 (9)

1.一种提高飞行时间测距精度的方法，其特征在于，包含光源模块，用于向待测物体发射探测光；接收模块，用于接收待测物反射的返回光信号，并转化为电信号；处理模块，依据所述接收模块获取的返回光信号转化的电信号获得被探测物的距离；所述光源模块发射的探测光与所述接收模块中用于接收所述返回光信号的解调信号之间具有第一时延差。
2.如权利要求1所述的提高飞行时间测距精度的方法，其特征在于，所述第一时延差预先设置。
3.如权利要求1所述的提高飞行时间测距精度的方法，其特征在于，所述光源模块将探测光引入第一时延差后发射向待测物体。
4.如权利要求1所述的提高飞行时间测距精度的方法，其特征在于，所述的解调信号与所述光源模块向待测物体发射的探测光之间的相位差分别为0°，180°，90°，270°。
5.如权利要求4所述的提高飞行时间测距精度的方法，其特征在于，所述的解调信号与所述光源模块向待测物体发射的探测光之间还包括第一时延差。
6.如权利要求1所述的提高飞行时间测距精度的方法，其特征在于，所述光源模块发射的探测光与所述待测物反射的返回光信号之间还包括有探测装置引起的第二时延差。
7.如权利要求8所述的提高飞行时间测距精度的方法，其特征在于，所述的第二时延差对探测距离的影响通过算法矫正。
8.如权利要求1所述的提高飞行时间测距精度的方法，其特征在于，所述光源模块发射的探测光与所述待测物反射的返回光信号之间还包括用于获得待测物体距离的第三时延差。
9.如权利要求1所述的提高飞行时间测距精度的方法，其特征在于，所述处理模块根据获得的所述被探测物的距离去掉第一时延差对探测距离的影响得到所述待测物体的实际距离。
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