CN115267798A - 一种飞行时间探测方法及探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞行时间探测方法，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；调整模块，依据所述处理模块获得的探测物的第一飞行距离调整所述光源模块以及所述接收模块，通过本发明的方案，可以提高只关注特定目标物体与镜头的距离场景下的测距精度。
Description
技术领域
本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种飞行时间探测方法及探测装置。
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。另外在探测过程中积分时长会太短就会导致接收端接收到的回波信号太少，信噪比太低。如果积分时长，太长就会导致探测装置的溢出，接收不到后续到达的有用回波信号，影响测距精度。在TOF探测技术中的一些应用场景是只关注特定目标物体与镜头的距离，例如车厢距离改变、人脸识别等，对于这种应用场景，即使外界条件不变的情况下，例如光功率、背景光、场景等；测距结果的精度也会随着目标物体的距离发生变化，因此亟需一种探测方法用来提高这种场景下的测距精度。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种飞行时间探测方法，以提高只关注特定目标物体与镜头的距离场景下的测距精度。
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飞行时间探测方法，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；调整模块，依据所述处理模块获得的探测物的第一飞行距离调整所述光源模块以及所述接收模块。
可选地，所述处理模块根据第一时间内的返回光信号确定第一飞行距离，并根据第二时间内的返回光信号确定第二飞行距离。
可选地，所述第一时间早于所述第二时间。
可选地，所述调整模块依据所述第一飞行距离调整探测光源与接收的解调信号之间的时延差。
可选地，所述调整模块依据所述第一飞行距离调整非线性校正函数。
可选地，所述调整模块依据所述第一飞行距离调整接收模块的积分时长。
可选地，所述的调整模块包含于所述处理模块之内。
可选地，所述调整模块分别与所述光源模块以及所述接收模块电连接。
第二方面本申请实施列提供了一种探测装置，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；调整模块，依据所述处理模块获得的探测物的第一飞行距离调整所述光源模块以及所述接收模块。
可选地，所述处理模块根据第一时间内的返回光信号确定第一飞行距离，并根据第二时间内的返回光信号确定第二飞行距离，所述第一时间早于所述第二时间。
本申请的有益效果是：
一种飞行时间探测方法，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；调整模块，依据所述处理模块获得的探测物的第一飞行距离调整所述光源模块以及所述接收模块，通过本发明的方案，可以提高只关注特定目标物体与镜头的距离场景下的测距精度。
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为本申请实施列提供的一种探测方法流程图；
图5为本申请实施列提供的另一种探测方法流程图。
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：
若Q0<Q180且Q90>Q270则：
若Q0<Q180且Q90<Q270则：
若Q0>Q180且Q90<Q270则：
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。
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(4)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。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，时间噪声呈现出周期性的特性而且时间噪声对不同距离的待测物体的影响是不同的，对于关注的待测物体期望能通过调整时延使得时间噪声对测距的影响最小。
在TOF测距过程中，光源发出经过调制的近红外光，遇到物体后反射至一光感应单元，进一步，通过处理器计算发射光线和接收光线的时间差或相位差来计算物体的深度信息，并且通过接收的光线的感光作用来得到物体的成像，结合深度信息得到深度图像信息。但是现有的TOF测距在实际进行测距时，存在获得深度信息不准确的问题。因此亟需一种探测方法用来解决这个技术问题。
在实验室标定的过程中发现不同物体由于材料不同即便是在距离相同的情况下反射率也是不一样的，所以在高精度测距场景中相同距离下不同物体的校正函数也是不一样的。
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：
考虑固有时延后得到的实际距离
(15)，其中固有延迟td偏差可以通过算法矫正回来。
从图3所示的测距原理可以看出，解调信号的积分时长会影响测距精度，如果积分时长太短就会导致用于计算探测距离的有用电荷信息太少，信噪比太低；如果积分时长太长就会导致存储有用电荷的探测器件溢出，使得后续到达的有用回波信号不能被积分使用。所以需要在距离探测中使用恰当的积分时长，提高测距精度。在探测过程中使用的都是探测阵列，所以我们会根据一个区域内的信噪比来调整积分时长，不会只是关注单个像素的积分时长。
图4为本申请实施列提供的一种探测方法流程图。如图4所示包含：
S401：驱动光源生成探测光信号，发射探测光到待测物体；
S402：根据第一时间内的回波信号计算得到待测物体的距离；这里的第一时间可以是一帧，S402中得到的距离就可以知道图2所示的时间噪声对这个距离影响；
S403：根据第一时间内得到的待测物体距离确定探测光与接收信号之间的时延差；在步骤S402中可以得到时间噪声对该距离的影响，调整发射信号和接收信号之间的时延差就可以使得时间噪声对该距离探测的影响最小。
S404：根据确定好的时延差，调整时延差并在第二时间内探测待测物体的距离；在ITOF测距中接收端分别以与发射的探测光一定的相位差(也就是一定时延)的解调信号去接收回波的信号；除了探测原理中本来的相位差为0°，180°，90°，270°，还需要引入一个额外的时延t1，目的是为了将时间噪声对距离探测的影响降到最低。这个额外的时延t1的引入可以是改变探测光的时延，也可以是改变接收端解调信号的时延，最终达到改变探测光和接收端解调信号之间的时延差的目的，将时间噪声对距离探测的影响降到最低。调整过程由调整模块来完成，调整模块可以是包含在如图1所示的处理模块内部的功能模块之一，也可以是单独一个模块来完成调整过程，该调整模块和光源模块以及接收模块实现电连接。
S405：根据第二时间内的回波信号得到待测物体的最终探测距离；这里的第二时间可以是区别于第一时间的另外一帧，并且晚于第一时间。例如可以是第一时间是第一帧，第二时间是第二帧，或者是其他晚于第一时间的一帧，在这里不做具体的限制。
因为在距离探测中引入了一定额外的时延差，该时延差是已知的，所以需要对S405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5为本申请实施列提供的另一种探测方法流程图；如图5所示包含：
S501：驱动光源生成探测光信号，发射探测光到待测物体；
S502：根据第一时间内的回波信号计算得到待测物体的距离；这里的第一时间可以是一帧；
S503：选取第一校准函数，校准第一时间内得到的待测物体距离，并根据第一距离估计反射率；在该步骤中基于一个预先粗略的非线性校准函数校正得出目标物体的第一距离，基于此距离估计返回光信号的能量范围。
S504：根据第一距离估计得到的反射率选取第二校准函数对第一距离进行校正，得到第二距离。在步骤S503中是选取的第一校正函数是粗略的校正，在步骤S504中选取的第二校正函数是根据第一距离中实际回波信号的能量估计反射率，根据该反射率选取的第二非线性校准函数，进行重新校准。这样可以提高第一距离的探测精度。
S505：根据回波信号得到的反射率，调整积分时长。如果积分时长太短就会导致用于计算探测距离的有用电荷信息太少，信噪比低；如果积分时长太长就会导致存储有用电荷的探测器件溢出，使得后续到达的有用回波信号不能被积分使用。所以需要根据第一距离中得到的得到的回波能量来决定合适的积分时长，提高探测精度。
S506：根据第二时间内的回波信号得到待测物体的最终探测距离；这里的第二时间可以是区别于第一时间的另外一帧，并且晚于第一时间。例如可以是第一时间是第一帧，第二时间是第二帧，或者是其他晚于第一时间的一帧，在这里不做具体的限制。在第二时间的探测中使用的是根据第一距离调整后的积分时长，可以提高探测精度。调整过程由调整模块来完成，调整模块可以是包含在如图1所示的处理模块内部的功能模块之一，也可以是单独一个模块来完成调整过程，该调整模块和光源模块以及接收模块实现电连接。
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 (10)
1.一种飞行时间探测方法，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；调整模块，依据所述处理模块获得的探测物的第一飞行距离调整所述光源模块以及所述接收模块。
2.如权利要求1所述的飞行时间探测方法，其特征在于，所述处理模块根据第一时间内的返回光信号确定第一飞行距离，并根据第二时间内的返回光信号确定第二飞行距离。
3.如权利要求2所述的飞行时间探测方法，其特征在于，所述第一时间早于所述第二时间。
4.如权利要求1所述的飞行时间探测方法，其特征在于，所述调整模块依据所述第一飞行距离调整探测光源与接收的解调信号之间的时延差。
5.如权利要求1所述的飞行时间探测方法，其特征在于，所述调整模块依据所述第一飞行距离调整非线性校正函数。
6.如权利要求5所述的飞行时间探测方法，其特征在于，所述调整模块依据所述第一飞行距离调整接收模块的积分时长。
7.如权利要求1所述的飞行时间探测方法，其特征在于，所述的调整模块包含于所述处理模块之内。
8.如权利要求1所述的飞行时间探测方法，其特征在于，所述调整模块分别与所述光源模块以及所述接收模块电连接。
9.一种使用权利要求1的探测方法进行探测的距离探测装置，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；调整模块，依据所述处理模块获得的探测物的第一飞行距离调整所述光源模块以及所述接收模块。
10.如权利要求9所述的飞行时间探测探测装置，其特征在于，所述处理模块根据第一时间内的返回光信号确定第一飞行距离，并根据第二时间内的返回光信号确定第二飞行距离，所述第一时间早于所述第二时间。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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