CN115657055A - 一种距离测量系统及屏蔽模糊距离值的方法 - Google Patents

一种距离测量系统及屏蔽模糊距离值的方法 Download PDF

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CN115657055A CN202110769042.1A CN202110769042A CN115657055A CN 115657055 A CN115657055 A CN 115657055A CN 202110769042 A CN202110769042 A CN 202110769042A CN 115657055 A CN115657055 A CN 115657055A
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孙飞
黄源浩
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Abstract

本发明提供一种距离测量系统及屏蔽模糊距离值的方法，距离测量系统包括：发射器，经配置以朝向待测物体发射脉冲周期为第一时间的信号光束；采集器，经配置以采集待测物体反射回的部分信号光束并输出光子信号，其中，采集器的有效工作时间为第二时间，所述第二时间小于所述第一时间；处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，所述处理电路根据所述光子信号计算所述待测物体的目标距离值，根据所述光子信号以及分辨率阈值，或根据所述光子信号以及信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值，则屏蔽该模糊距离值。本发明实现单频测距解决模糊测距问题的同时也提高了测量帧率。

Description

一种距离测量系统及屏蔽模糊距离值的方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种距离测量系统及屏蔽模糊距离值的方法。
背景技术
对于基于飞行时间(Time-of-flight，TOF)原理的距离测量系统，其距离的计算公式为：
Figure BDA0003152995710000011
其中，c为光速，约为3×108m/s，f为发射光信号的调制频率，k为正整数，代表整数周期的个数。如果仅仅使用一种调制频率进行距离测量，系统通常在一次测量中默认k＝0，当采集器采集的反射光信号来自调制频率对应的最大测距范围外处的被测目标时，则无法确认被测目标的真实距离处于第几个距离周期，即无法确认k值，测量出的被测目标的距离远小于真实距离，这种现象称为TOF测距的距离模糊现象。在调制频率为f时，整数个周期对应的距离值称之为当前调制频率下对应距离值的模糊距离。
现有的解决TOF距离模糊的方法主要有双频测距解决距离混叠，双频测距即对着同一个被测目标使用两种不同的频率进行测量，通过两次测量结果确定出真实距离。然而，双频测距方法中对于每个目标点的距离值需要使用两个不同的频率连续测量两次，这将大大的降低测量帧率。而传统的TOF测距方法中使用单一频率测量距离又会有测距模糊问题。因此，如何解决测距模糊问题而又不降低系统帧率是亟需解决的问题。
发明内容
为克服现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种距离测量系统及其屏蔽模糊距离值的方法。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：第一方面，本发明一实施例提供了一种距离测量系统，包括：
发射器，经配置以朝向待测物体发射脉冲周期为第一时间的信号光束；
采集器，经配置以采集所述待测物体反射回的部分所述信号光束并输出光子信号，其中，所述采集器的有效工作时间为第二时间，所述第二时间小于所述第一时间；
处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，所述处理电路根据所述光子信号计算所述待测物体的目标距离值，根据所述光子信号以及分辨率阈值，或根据所述光子信号以及信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值时，则屏蔽该模糊距离值。
在一些实施例中，所述采集器包括像素单元，所述像素单元包括多个像素，所述像素用于对所述待测物体反射回的部分所述信号光束中的单个光子进行响应并输出所述光子信号；
所述采集器还包括读出电路，所述读出电路用于根据所述光子信号输出直方图；
所述处理电路还用于根据所述直方图计算环境光子数和信号光子数；若根据所述环境光子数，所述信号光子数以及分辨率阈值，或，根据所述信号光子数以及预设信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值，则屏蔽该模糊距离值。
在一些实施例中，所述分辨率阈值包括预设定量分辨率阈值或变量分辨率阈值；所述变量分辨率阈值根据环境光照度均值确定。
在一些实施例中，所述处理电路根据所述信号光子数和所述环境光子数计算所述待测物体的目标分辨率，若所述目标分辨率大于所述分辨率阈值，或者，所述目标分辨率大于或等于所述分辨率阈值，则确定所述目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值；或者，
所述处理电路若确定所述信号光子数小于所述信号光子数阈值，或者，所述信号光子数小于或等于所述信号光子数阈值，则确定所述目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值。
在一些实施例中，待测物体的所述目标分辨率根据以下第一函数模型或第二函数模型计算，
第一函数模型为：
Figure BDA0003152995710000031
第二函数模型为：
Figure BDA0003152995710000032
其中，Cs为信号光子数；Cn为环境光子数；a，b，c，d，e均为参数；f表示采集器的透镜焦距；Resolution为目标分辨率。
在一些实施例中，所述处理电路根据所述第一时间和所述第二时间确定第一测距范围和第二测距范围；获取所述第一测距范围对应的第一分辨率范围，所述第二测距范围对应的第二分辨率范围；根据所述第一分辨率范围和所述第二分辨率范围，确定所述预设定量分辨率阈值。
在一些实施例中，所述处理电路根据所述信号光子数和所述环境光子数计算环境光照度均值；根据所述环境光照度均值和预设的拟合函数关系确定所述变量分辨率阈值，所述预设的拟合函数关系包括所述变量分辨率阈值与所述环境光照度均值的关系。
在一些实施例中，所述处理电路获取不同初始采样点对应的信号光子数和环境光子数，并根据所述信号光子数和环境光子数计算各所述初始采样点的采样分辨率；若任一初始采样点的所述采样分辨率小于预设采样分辨率阈值，或者，所述采样分辨率小于或等于预设采样分辨率阈值，则将该初始采样点标记为目标采样点；根据所述目标采样点的信号光子数和环境光子数计算环境光照度均值。
在一些实施例中，所述处理电路根据各所述目标采样点的所述信号光子数以及预先存储的反射率计算规则计算各所述目标采样点对应的反射率；根据各所述目标采样点的环境光子数，所述对应的反射率，以及预先存储的环境光辐照度的计算规则，计算各所述目标采样点对应的采样环境光辐照度；根据各所述目标采样点对应的所述采样环境光辐照度计算各所述目标采样点对应的采样环境光照度，根据各所述目标采样点对应的所述采样环境光照度计算环境光照度均值。
在一些实施例中，预先存储的反射率计算规则为：
Figure BDA0003152995710000041
其中，Re为任一目标采样点的被测物体的反射率；Cns为该目标采样点的信号光子数；TCSPC为先验的单帧测量中发射脉冲的次数；θ为光照入射角度；L为被测物的测量距离；Pt为光源发射信号光束的峰值功率；k1为第一预设系数。
在一些实施例中，预先存储的环境光辐照度的计算规则为：
Figure BDA0003152995710000042
其中，IAL为任一目标采样点的环境光辐照度；Cns为该目标采样点的信号光子数；Cnn为该目标采样点的环境光子数；θ为光照入射角度；L为被测物的测量距离；f表示采集器的透镜焦距；k2是第二预设系数，k3是第三预设系数。
第二方面，本发明一实施例提供了一种屏蔽模糊距离值的方法，包括：
获取待测物体反射的信号光束对应的光子信号；其中，所述信号光束的发射脉冲周期为第一时间，所述信号光束的有效采集时间为第二时间，所述第二时间小于所述第一时间；
根据所述光子信号计算所述待测物体的目标距离值；
根据所述光子信号以及分辨率阈值，或根据所述光子信号以及信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值时，则屏蔽该模糊距离值。
在一些实施例中，所述根据所述光子信号以及分辨率阈值，或根据所述光子信号以及信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值时，则屏蔽该模糊距离值，包括：
获取信号光子数和环境光子数；所述信号光子数和所述环境光子数根据所述光子信号确定；
若根据所述环境光子数，所述信号光子数以及分辨率阈值，或，根据所述信号光子数以及预设信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值，则屏蔽该模糊距离值。
在一些实施例中，所述若根据所述环境光子数，所述信号光子数以及分辨率阈值，或，根据所述信号光子数以及预设信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值，则屏蔽该模糊距离值，包括：
根据所述信号光子数和所述环境光子数计算所述待测物体的目标分辨率；若所述目标分辨率大于分辨率阈值，或者，所述目标分辨率大于或等于所述分辨率阈值，则确定所述目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值；或者，
若确定所述信号光子数小于所述信号光子数阈值，或者，所述信号光子数小于或等于所述信号光子数阈值，则确定所述目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值。
在一些实施例中，所述分辨率阈值包括预设定量分辨率阈值或变量分辨率阈值；所述变量分辨率阈值根据环境光照度均值确定。
相对于现有技术，本发明基于分辨率阈值或信号光子数阈值来屏蔽测距系统模糊测距值，实现单频测距解决测距模糊的同时提高了测量帧率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明一个示例性实施例示出的距离测量系统的示意图；
图2为本发明一个示例性实施例示出的距离测量系统屏蔽模糊距离值的方法的流程示意图；
图3为本发明一个示例性实施例示出的屏蔽模糊距离值的装置的结构示意图；
图4是本发明一个示例性实施例提供的屏蔽模糊距离值的设备的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
图1所示为一个示例性实施例提供的距离测量系统的示意图，该距离测量系统10包括发射器11、采集器12以及处理电路13。其中，发射器11用于向目标区域200发射光束300，该光束发射至目标区域空间中以照明空间中的目标物体，至少部分发射光束300经目标区域200反射后形成反射光束400，反射光束400中的至少部分光束被采集器12接收；处理电路13分别与发射器11以及采集器12连接，同步发射器11与采集器12的触发信号以计算光束从发射到反射回来被接收所需要的时间，即发射光束300与反射光束400之间的飞行时间t，进一步，目标物体上对应点的距离D可由下式计算出：
D＝c·t/2
其中，c为光速。
具体的，发射器11包括光源111、发射光学元件112以及驱动器113等。其中，光源111可以是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等，也可以是由多个光源组成的一维或二维光源阵列；优选地，光源阵列是在单块半导体基底上生成多个VCSEL光源以形成的VCSEL阵列光源芯片，光源阵列中光源的排列方式可以是规则的也可以是不规则的。光源111所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。光源111在驱动器113的控制下向外发射光束。在一个实施例中，光源111在驱动器113的控制下以一定频率(脉冲周期)向外发射脉冲光束，可以用于直接飞行时间(Direct TOF)测量中，频率根据测量距离进行设定。可以理解的是，还可以利用处理电路13中的一部分或者独立于处理电路13存在的子电路来控制光源111发射光束。
发射光学元件112接收来自光源111发射的光束并整形后投射到目标区域。在一个实施例中，发射光学元件112接收来自光源111的脉冲光束，并将脉冲光束进行光学调制，比如衍射、折射、反射等调制，随后向空间中发射被调制后的光束，比如聚焦光束、泛光光束、结构光光束等。发射光学元件112可以是透镜、液晶元件、衍射光学元件、微透镜阵列、超表面(Metasurface)光学元件、掩膜板、反射镜、MEMS振镜等形式中的一种或多种的组合。
采集器12包括像素单元121、过滤单元122和接收光学元件123；其中，接收光学元件123用于接收由目标反射回的至少部分光束并引导到像素单元121上；过滤单元122用于滤除背景光或杂散光。像素单元121包括由多个像素组成的二维像素阵列，在一个实施例中，像素单元121为由单光子雪崩光电二极管(SPAD)组成的像素阵列，SPAD可以对入射的单个光子进行响应并输出指示所接收光子在每个SPAD处相应到达时间的信号，利用诸如时间相关单光子计数法(TCSPC)实现对微弱光信号的采集以及飞行时间的计算。一般地，与像素单元121连接的还包括信号放大器、时数转换器(TDC)、数模转换器(ADC)等器件中的一种或多种组成的读出电路(图中未示出)。这些电路既可以与像素单元121整合在一起，作为采集器12的一部分，也可以作为处理电路13的一部分。
处理电路13同步发射器11与采集器12的触发信号，对像素采集光束的光子信号进行处理，并基于反射光束的飞行时间计算出待测目标物体的距离信息。在一个实施例中，SPAD对入射的单个光子进行响应而输出光子信号，处理电路13接收光子信号并进行信号处理以获取光束的飞行时间。
具体的，处理电路13统计采集光子的数量形成连续的时间bin(记为采集器采样的单位时间)，这些时间bin连在一起形成统计直方图，以用于重现反射光束的时间序列，利用峰值匹配和滤波检测识别出反射光束从发射到被接收的飞行时间。
在本发明实施例中，发射器经配置以朝向待测物体发射脉冲周期为第一时间的信号光束；采集器经配置以采集待测物体反射回的部分信号光束并输出光子信号，其中，采集器的有效工作时间为第二时间，第二时间小于所述第一时间；
处理电路，与发射器以及采集器连接，根据所述电信号计算所述待测物体的目标距离值，并根据所述目标距离值以及预设阈值确定所述目标距离值是否为模糊距离值，并屏蔽所述模糊距离值。
其中，距离测量系统中预先存储预设阈值，预设阈值可以是分辨率阈值，也可以是信号光子数阈值，此处不做限制。处理电路根据目标距离值以及预设阈值确定目标距离值是否为模糊距离值，若目标距离值为模糊距离值，则屏蔽该模糊距离值。
在一些实施例中，采集器包括读出电路，读出电路包括TDC电路和直方图电路，其中，TDC电路用于接收和计算光子的飞行时间信息，并将飞行时间信息转化为时间码；时间码输入直方图电路中用于寻址对应的时间bin(记为采集器采样的单位时间)，并使得对应的时间bin内的光子计数值增加，一帧测量结束后根据所有时间bin内的光子计数值绘制出统计直方图，统计直方图内包括连续的时间间隔(时间bin)直方图的横坐标表示飞行时间，纵坐标表示光子计数值，每个时间间隔内的光子计数值包括环境光子和/或信号光子。处理电路根据直方图电路输出的直方图计算环境光子数和信号光子数；其中，信号光子数即为采样信号，为采集器采集被测物反射的信号光束中光子的数量，环境光子数即为环境数据，环境光子数为采集器采集被测物反射的信号光束中的光子时同时采集的环境光子的数量。具体的，先从直方图中截取局部区域计算环境光子数均值，根据直方图中脉冲峰值位置选择远离脉冲峰值位置的局部区域计算环境光子数均值。在一个可选实施例中，也可以根据直方图全部的时间间隔计算环境光子数均值，将全部时间间隔内光子数总和剔除掉脉冲峰值位置处的光子数总和后求平均值以得到环境光子数均值，所述环境光子数均值即直方图中每个时间间隔内包括的环境光子数量。并且，根据脉冲峰值位置以及脉冲宽度从直方图中截取脉冲区域计算该区域的光子数总和以及环境光子数，进一步的计算出信号光子数。在一些其他实施例中，也可以采用其他方法计算环境光子数和信号光子数，在本发明中不做具体限制。
假设距离测量系统最大测量范围为D，通常设置脉冲周期为时间T，T＝2D/c，在系统设计时，TDC电路的工作时间对应为T，直方图电路中配置的时间bin的数量根据T进行设计。在本发明实施例中，调制发射光脉冲的脉冲周期为第一时间T1，并调制采集器在一个小于第一时间T1的第二时间T2内采集反射光信号。其中，在T1-T2的时间段内，TDC电路处于复位状态，不再进行计时，则采集器的有效工作时间为第二时间T2，TDC的有效工作时间也为第二时间T2，则直方图电路配置的中时间bin的数量根据第二时间T2进行设计。
以T1＝125ns为例进行说明，假设T1＝125ns，对应测距范围为18.75m，设置T2＝66.66ns，对应的测距范围为10m，则对于目标处于10m至18.75m处的目标，采集器采集不到反射光信号。若目标处于18.75m至28.75m处且反射光信号能够被采集器采集到，则可能产生距离模糊，即测距系统测量出来的距离值仍处于0至10m范围内。
当设置脉冲周期为T1＝125ns时，则时间相关单光子计数(Time-correlatedsingle-photon counting，TCSPC)次数确定为：
Figure BDA0003152995710000101
TCSPC总次数约为64000。
为了提高信噪比，在一个实施例中，可以在每个脉冲周期内发射n个脉冲形成一组脉冲串，脉冲之间的间隔随机配置，例如可设置为t1、t2、…tn，并且t1+t2+…+tn＝T1，等效TCSPC个数为64000*n，n为一个周期内脉冲束个数。
在一个可选的实施例中，可以通过预设定量分辨率阈值来判断待测物体是否处于测距范围内。具体的，系统获取信号光子数和环境光子数，然后根据信号光子数和环境光子数计算待测物体的目标分辨率；若目标分辨率大于，或者，大于或等于预设定量分辨率阈值，则判定目标距离值为模糊距离值，屏蔽模糊距离值。
在一实施例中，预设定量分辨率阈值可以参照如下方式进行预先设置。
其中，信号光束的发射脉冲周期为第一时间；信号光束的有效采集时间为第二时间；第二时间小于第一时间；根据第一时间和第二时间确定第一测距范围和第二测距范围；获取第一测距范围对应的第一分辨率范围，以及第二测距范围对应的第二分辨率范围；根据第一分辨率范围和第二分辨率范围，确定预设定量分辨率阈值。
具体来说，对于距离模糊问题，以T1＝125ns为例，由于调制脉冲周期对应的测距范围为18.75m，同时控制采集器只接收目标处于前10m范围内的反射光信号。则产生下个距离模糊信号的下个周期对应的距离范围为18.75至28.75m。
为了避免下个周期内18.75至28.75m的测距信号干扰正常0至10m的测距准确性，则测量待测物体分别位于第一测距范围0至10m、第二测距范围18.75至28.75m范围内时不同峰值功率、入射角度、环境光、反射率下的分辨率分布情况，重点对比第一测距范围0至10m和第二测距范围18.75至28.75m范围内的分辨率。其中，对于待测物体处于某一预设距离处，需要连续测量n次并计算出n次距离值的方差作为分辨率，并且调节峰值功率、入射角度、环境光、反射率等参数不同，重复上述的采样过程得到多组标定数据。可以理解的是，可以只调节其中一个影响参数也可以多个参数同时调节，可以利用生成随机数的模式随机调节参数的大小，也可以按照一定的规律调节参数的大小，例如按照从小到大或者从大到小的调节模式，具体调节方式在本申请中不做限制。
当被测物具有不同的反射率时和环境光强度不同时，0至10m与18.75至28.75m的两个测距范围的分辨率有较大的差距，且随着环境光的增加，两个范围内的重叠分辨率越来越小。通过大量的测量数据拟合，确定出0至10m范围内分辨率分布为第一分辨率范围[0，R1]，18.75至28.75m范围内分辨率分布为第二分辨率范围[R2，R3]，且R2≤R1，因此可以选择一个固定值R作为分辨率阈值来屏蔽测距模糊，通常设置R是小于R2的一个定值。
实际测量时，系统计算出实时的目标分辨率，并比较目标分辨率与预设的定量分辨率阈值来屏蔽模糊距离值。具体的，距离测量系统根据直方图电路输出的直方图计算环境光子数以及信号光子数，并根据环境光子数、信号光子数以及预设分辨率计算规则计算目标分辨率。系统中预先存储有预设分辨率计算规则，即，环境光子数、信号光子数两者和分辨率之间的对应关系，根据预先存储的分辨率计算规则计算目标分辨率。
本发明实施例中对预设分辨率计算规则不做具体的限制，当预设分辨率计算规则为函数模型时，可以是多种形式的函数模型，例如，预设分辨率计算规则可以为如下函数模型：
Figure BDA0003152995710000111
其中，Cs为信号光子数；Cn为环境光子数；a，b，c，d均为参数；Resolution为分辨率。
又如，预设分辨率计算规则也可以为如下函数模型：
Figure BDA0003152995710000121
其中，Cs为信号光子数；Cn为环境光子数；a，b，c，d，e均为参数；f表示采集器的透镜焦距。
为了准确的得到分辨率的计算结果，可以通过对采样数据进行拟合或者训练，得到预设分辨率计算规则的函数模型。
系统判断目标分辨率与预设定量分辨率阈值之间的大小，若目标分辨率大于，或者，大于或等于预设定量分辨率阈值，则判定目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值。在测距过程中，根据实时的信号光子数和环境光子数计算出实时的目标分辨率R4，若R4>R，则表明该目标距离值属于模糊距离值，需要屏蔽掉。
预设定量分辨率屏蔽的方法虽然解决了测距模糊，但牺牲的测距范围太大，特别是在远距、高环境光、低反射率的情况下，测距范围被大大缩小。
在一个可选的实施例中，为克服测距模糊，同时不牺牲过多的测距范围，可以通过确定变量分辨率阈值来判断待测物体是否处于测距范围内，其中，变量分辨率阈值根据实时的环境光照度均值确定。设备可以获取信号光子数和环境光子数；根据信号光子数和环境光子数计算待测物体的目标分辨率；根据环境光子数和信号光子数计算环境光照度均值；根据计算出的环境光照度均值，以及预设的变量分辨率阈值与环境光照度均值的拟合函数关系，确定变量分辨率阈值；若目标分辨率大于，或者，大于或等于所确定的变量分辨率阈值，则判定目标距离值为模糊距离值，屏蔽模糊距离值。
具体来说，系统获取信号光子数和环境光子数，根据信号光子数和环境光子数计算待测物体的目标分辨率的具体细节可以参照上文中的详细说明，此处不再赘述。
系统获取不同初始采样点对应的信号光子数和环境光子数，并根据信号光子数和环境光子数计算各初始采样点的采样分辨率；若采样分辨率小于预设采样分辨率阈值，或者，采样分辨率小于或等于预设采样分辨率阈值，则将该初始采样点标记为目标采样点。也就是说，将采样分辨率大于，或者，大于或等于预设采样分辨率阈值的初始采样点屏蔽掉，将其余的初始采样点标记为目标采样点。
再根据目标采样点的信号光子数和环境光子数计算环境光照度均值；最后根据计算出的环境光照度均值，预设的变量分辨率阈值与环境光照度均值的拟合函数关系，确定变量分辨率阈值。
其中，各初始采样点的采样分辨率可以根据上文中提供的预设分辨率计算规则进行计算；预设采样分辨率阈值可以参照上文中预设定量分辨率阈值的设置方法进行设置，此处不再赘述。目标采样点即为满足预设定量分辨率阈值约束的采样点。
在根据目标采样点的信号光子数和环境光子数计算环境光照度均值时，先根据各目标采样点的信号光子数以及预先存储的反射率计算规则计算各目标采样点对应的反射率；然后，根据各目标采样点的环境光子数，对应的反射率，以及预先存储的环境光辐照度的计算规则，计算各目标采样点对应的采样环境光辐照度；最后，根据各目标采样点对应的采样环境光辐照度计算各目标采样点对应的采样环境光照度，根据各目标采样点对应的采样环境光照度计算环境光照度均值。
在一些实施例中，系统中预先存储有反射率计算规则，即，信号光子数与反射率之间的对应关系，根据信号光子数与反射率之间的对应关系计算被测物的反射率。
其中，信号光子数和反射率之间的对应关系通过推导得到。采集器采集信号光子数除了受到被测物反射率的影响还会受到单帧测量中发射脉冲的次数、光照入射角度、被测物的测量距离、光源发射信号光束的峰值功率等因素的影响，因此，标定其他因素固定时信号光子数与反射率的对应关系，即推导出反射率的计算规则。
系统在计算反射率时，先获取已知的单帧测量中发射脉冲的次数、光照入射角度、被测物的测量距离、光源发射信号光束的峰值功率等信息，根据确定的参数以及预先存储的反射率计算规则计算被测物的反射率。
在一个可选的实施例中，预先存储的反射率计算规则可以为：
Figure BDA0003152995710000141
其中，Re为任一目标采样点的被测物体的反射率；Cns为该目标采样点的信号光子数；TCSPC为先验的单帧测量中发射脉冲的次数；θ为光照入射角度；L为被测物的测量距离；Pt为光源发射信号光束的峰值功率；k1为第一预设系数，是根据系统的设计确定的常数，针对不同的系统设计，常数k1将发生变化。
根据上述预先存储的反射率计算规则，可以分别计算各目标采样点对应的反射率。可以理解是，信号光子数和反射率之间的对应关系并不限于上述关系式，上述关系式不对信号光子数和反射率之间的对应关系进行具体限制。
在一些实施例中，系统可以根据环境光子数、信号光子数、采集器的透镜焦距、光照入射角度、反射率以及预先存储的环境光辐照度计算规则，计算得到采样环境光辐照度。
在一个可选的实施例中，预先存储的环境光辐照度计算规则为：
Figure BDA0003152995710000142
其中，IAL为任一目标采样点的环境光辐照度；Cns为该目标采样点的信号光子数；Cnn为该目标采样点的环境光子数；θ为光照入射角度；L为测量距离；f表示采集器的透镜焦距；k2是第二预设系数，k3是第三预设系数，第二预设系数和第三预设系数是根据系统的设计确定的常数，不同的系统设计这一常数将发生变化。
根据上述预先存储的环境光辐照度计算规则，可以分别计算各目标采样点对应的采样环境光辐照度计算规则。可以理解是，预先存储的环境光辐照度计算规则并不限于上述关系式，上述关系式不对预先存储的环境光辐照度计算规则进行具体限制。
在一些实施例中，系统先根据各目标采样点对应的采样环境光辐照度计算各目标采样点对应的采样环境光照度，然后对各目标采样点对应的采样环境光照度求平均，得到环境光照度均值。
在一个可选的实施例中，先根据计算得到的采样环境光辐照度计算各目标采样点的采样环境光照度，具体可以采用如下公式：
Figure BDA0003152995710000151
其中，Ei为目标采样点i的采样环境光照度，IAL为目标采样点i的采样环境光辐照度，i为目标采样点的编号，i＝1,2,3…n。n为目标采样点的总数量。
然后，对多个满足预设定量分辨率阈值约束的n个目标采样点的采样环境光照度均值求平均，得到环境光照度均值E：
Figure BDA0003152995710000152
需要说明的是，在本实施例中，目标采样点采用顺序标号，应理解，在其他实施例中也可以不采用顺序编号。
在一些实施例中，变量分辨率阈值与环境光照度均值的拟合函数关系具体可以参照如下方式进行设置。
构建分辨率阈值与环境光照度均值的一次线性函数关系式为：Resolution＝aE+b，获取不同环境光照条件下屏蔽距离模糊的分辨率阈值得到多组环境光照度均值与分辨率阈值的标定数据，根据标定数据确定系数a，b的大小。在实际的距离测量中，根据计算出的环境光照度均值E，就可以确定实时的变量分辨率阈值Resolution。
在一个可选的实施例中，为了避免测距范围的牺牲，可使用信号光子数阈值来屏蔽测距模糊。系统获取实时的信号光子数，若信号光子数小于，或者，小于或等于信号光子数阈值，则判定目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值。
具体来说，对于距离模糊问题，由于调制脉冲周期对应的测距范围为18.75m，同时控制采集器只接收目标处于前10m范围内的反射光信号。则产生下个距离模糊信号的下个周期对应的距离范围为18.75至28.75m。
为了避免下个周期内18.75至28.75m的测距信号干扰正常0至10m的测距准确性，则测量待测物体分别位于第一测距范围0至10m、第二测距范围18.75至28.75m范围内时不同峰值功率、入射角度、环境光、反射率下的分辨率分布情况，其中，对于待测物体处于某一预设距离处，需要连续测量n次计算出距离值的方差作为分辨率，并且调节峰值功率、入射角度、环境光、反射率等参数不同，可调节入射角度、环境光照度或者反射率等参数，重复上述的采样过程得到多组标定数据。同时，可以确定出0至10m范围和18.75m至28.75m范围内的信号光子数阈值。由于信号光子数与距离的平方成反比，则可以根据标定的数据确定出0至10m范围内的最小信号光子数设定为信号光子数阈值。当实时监测的信号光子数小于信号光子数阈值时，则测距值无效。
请参阅图2，图2为本发明一个示例性实施例示出的屏蔽模糊距离值的方法的流程示意图，所述方法包括如下步骤：
S201：获取待测物体反射的信号光束对应的光子信号；
在本发明实施例中，通过发射器发射信号光束，经待测物体反射回反射光信号以被采集器接收，并输出光子信号。其中，信号光束的发射脉冲周期为第一时间(即发射器发射信号光束的脉冲周期为第一时间)，而信号光束的有效采集时间为第二时间(采集器的有效工作时间)；所述第二时间小于所述第一时间。
S202：根据所述光子信号计算待测物体的目标距离值；
本发明实施例中，根据直方图电路输出的直方图，利用峰匹配和滤波检测识别出所述信号光束从发射到反射回被接收的飞行时间，从而计算出待测物体的目标距离。
S203：若根据所述光子信号以及分辨率阈值，或根据所述光子信号以及信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值，则屏蔽该模糊距离值；
本发明实施例中，分辨率阈值可以包括预设定量分辨率阈值或变量分辨率阈值。
在一个可选的实施例中，通过预设定量分辨率阈值来判断待测物体是否处于测距范围内，首先获取信号光子数和环境光子数，然后根据信号光子数和环境光子数计算待测物体的目标分辨率；若目标分辨率大于，或者，大于或等于预设定量分辨率阈值，则判定目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值。
在一个可选的实施例中，通过预设变量分辨率阈值来判断待测物体是否处于测距范围内，首先获取信号光子数和环境光子数，然后根据信号光子数和环境光子数计算待测物体的目标分辨率；若目标分辨率大于，或者，大于或等于预设变量分辨率阈值，则判定目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值。
在一个可选的实施例中，通过信号光子数阈值来屏蔽测距模糊，获取信号光子数，若信号光子数小于，或者，小于或等于信号光子数阈值，则判定目标距离值为模糊距离值，屏蔽模糊距离值。
需要说明的是，在一些实施例中，本发明实施例提供的屏蔽模糊距离值的方法可以采用前述任一实施例距离测量系统来实现，具体详细的内容可参见距离测量系统实施例中的描述，在此不再赘述。
相对于现有技术，本发明实施例通过获取待测物体反射的信号光束对应的电信号；根据所述电信号计算所述待测物体的目标距离值；若根据所述目标距离值以及预设阈值确定所述目标距离值为模糊距离值，则屏蔽所述模糊距离值，本发明基于预设阈值来解决屏蔽测距系统模糊测距值的问题，实现单频测距并解距离混叠而不需要降低测量帧率。
请参见图3，图3为本发明一个示例性实施例示出的屏蔽距离测量系统模糊距离值的装置的结构示意图。包括的各单元用于执行图2对应的实施例中的各步骤，具体请参阅图2对应的实施例中的相关描述。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。参见图3，屏蔽距离测量系统模糊距离值的装置3包括：
获取单元310，用于获取待测物体反射的信号光束对应的光子信号；
计算单元320，用于根据所述光子信号计算所述待测物体的目标距离值；
处理单元330，用于若根据所述光子信号以及分辨率阈值，或根据所述光子信号以及信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值，则屏蔽该模糊距离值。
进一步地，所述处理单元330，具体用于：
获取信号光子数和环境光子数；所述信号光子数和所述环境光子数根据所述光子信号确定；
根据所述环境光子数，所述信号光子数以及分辨率阈值，或，根据所述信号光子数以及预设信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值，则屏蔽该模糊距离值。
进一步地，所述信号光束的发射脉冲周期为第一时间；所述信号光束的有效采集时间为第二时间；所述第二时间小于第一时间；
进一步地，所述处理单元330，具体用于：
根据所述信号光子数和所述环境光子数计算所述待测物体的目标分辨率；若所述目标分辨率大于分辨率阈值，或者，所述目标分辨率大于或等于所述分辨率阈值，则确定所述目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值；或者，
若确定所述信号光子数小于所述信号光子数阈值，或者，所述信号光子数小于或等于所述信号光子数阈值，则确定所述目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值。
请参见图4，图4是本发明一个示例性实施例提供的屏蔽模糊距离值的设备的示意图。如图4所示，该实施例的屏蔽模糊距离值的设备4包括：处理器40、存储器41以及存储在所述存储器41中并可在所述处理器40上运行的计算机程序42，例如模糊距离值的屏蔽程序。所述处理器40执行所述计算机程序42时实现上述各个屏蔽模糊距离值的方法实施例中的步骤，例如图2所示的步骤S201至S203。或者，所述处理器40执行所述计算机程序42时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图3所示单元310至330的功能。
示例性的，所述计算机程序42可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器41中，并由所述处理器40执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序42在所述屏蔽距离测量系统模糊距离值的设备4中的执行过程。例如，所述计算机程序42可以被分割成获取模块、计算模块、处理模块，各模块功能如下：
获取模块，用于获取待测物体反射的信号光束对应的电信号；
计算模块，用于根据所述电信号计算所述待测物体的目标距离值；
处理模块，用于若根据所述光子信号以及分辨率阈值，或根据所述光子信号以及信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值，则屏蔽该模糊距离值。
所述屏蔽距离测量系统模糊距离值的设备4可包括，但不仅限于，处理器40、存储器41。本领域技术人员可以理解，图4仅仅是屏蔽模糊距离值的设备4的示例，并不构成对屏蔽模糊距离值的设备4的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述屏蔽距离测量系统模糊距离值的设备4还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器40可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器41可以是所述屏蔽模糊距离值的设备4的内部存储单元，例如屏蔽模糊距离值的设备4的硬盘或内存。所述存储器41也可以是所述屏蔽模糊距离值的设备4的外部存储设备，例如所述屏蔽模糊距离值的设备4上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器41还可以既包括所屏蔽距离测量系统模糊距离值的设备4的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器41用于存储所述计算机程序以及所述屏蔽模糊距离值的设备所需的其他程序和数据。所述存储器41还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (14)

1.一种距离测量系统，其特征在于，包括：
发射器，经配置以朝向待测物体发射脉冲周期为第一时间的信号光束；
采集器，经配置以采集所述待测物体反射回的部分所述信号光束并输出光子信号，其中，所述采集器的有效工作时间为第二时间，所述第二时间小于所述第一时间；
处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，所述处理电路根据所述光子信号计算所述待测物体的目标距离值，根据所述光子信号以及分辨率阈值，或根据所述光子信号以及信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值时，则屏蔽该模糊距离值。
2.根据权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，所述采集器包括像素单元，所述像素单元包括多个像素，所述像素用于对所述待测物体反射回的部分所述信号光束中的单个光子进行响应并输出所述光子信号；
所述采集器还包括读出电路，所述读出电路用于根据所述光子信号输出直方图；
所述处理电路还用于根据所述直方图计算环境光子数和信号光子数；根据所述环境光子数，所述信号光子数以及分辨率阈值，或，根据所述信号光子数以及预设信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值，则屏蔽该模糊距离值。
3.根据权利要求2所述的距离测量系统，其特征在于，所述分辨率阈值包括预设定量分辨率阈值或变量分辨率阈值；所述变量分辨率阈值根据环境光照度均值确定。
4.根据权利要求2或3所述的距离测量系统，其特征在于，所述处理电路根据所述信号光子数和所述环境光子数计算所述待测物体的目标分辨率，若所述目标分辨率大于所述分辨率阈值，或者，所述目标分辨率大于或等于所述分辨率阈值，则确定所述目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值；或者，
所述处理电路若确定所述信号光子数小于所述信号光子数阈值，或者，所述信号光子数小于或等于所述信号光子数阈值，则确定所述目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值。
5.根据权利要求4所述的距离测量系统，其特征在于，待测物体的所述目标分辨率根据以下第一函数模型或第二函数模型计算，
第一函数模型为：
Figure FDA0003152995700000021
第二函数模型为：
Figure FDA0003152995700000022
其中，Cs为信号光子数；Cn为环境光子数；a，b，c，d，e均为参数；f表示采集器的透镜焦距；Resolution为目标分辨率。
6.根据权利要求3所述的距离测量系统，其特征在于，所述处理电路根据所述第一时间和所述第二时间确定第一测距范围和第二测距范围；获取所述第一测距范围对应的第一分辨率范围，所述第二测距范围对应的第二分辨率范围；根据所述第一分辨率范围和所述第二分辨率范围，确定所述预设定量分辨率阈值。
7.根据权利要求3所述的距离测量系统，其特征在于，所述处理电路根据所述信号光子数和所述环境光子数计算环境光照度均值；根据所述环境光照度均值和预设的拟合函数关系确定所述变量分辨率阈值，所述预设的拟合函数关系包括所述变量分辨率阈值与所述环境光照度均值的关系。
8.根据权利要求7所述的距离测量系统，其特征在于，所述处理电路获取不同初始采样点对应的信号光子数和环境光子数，并根据所述信号光子数和环境光子数计算各所述初始采样点的采样分辨率；若任一初始采样点的所述采样分辨率小于预设采样分辨率阈值，或者，所述采样分辨率小于或等于预设采样分辨率阈值，则将该初始采样点标记为目标采样点；根据所述目标采样点的信号光子数和环境光子数计算环境光照度均值。
9.根据权利要求8所述的距离测量系统，其特征在于，所述处理电路根据各所述目标采样点的所述信号光子数以及预先存储的反射率计算规则计算各所述目标采样点对应的反射率；根据各所述目标采样点的环境光子数，所述对应的反射率，以及预先存储的环境光辐照度的计算规则，计算各所述目标采样点对应的采样环境光辐照度；根据各所述目标采样点对应的所述采样环境光辐照度计算各所述目标采样点对应的采样环境光照度，根据各所述目标采样点对应的所述采样环境光照度计算环境光照度均值。
10.根据权利要求9所述的距离测量系统，其特征在于，预先存储的反射率计算规则为：
Figure FDA0003152995700000031
其中，Re为任一目标采样点的被测物体的反射率；Cns为该目标采样点的信号光子数；TCSPC为先验的单帧测量中发射脉冲的次数；θ为光照入射角度；L为被测物的测量距离；Pt为光源发射信号光束的峰值功率；k1为第一预设系数；
预先存储的环境光辐照度的计算规则为：
Figure FDA0003152995700000032
其中，IAL为任一目标采样点的环境光辐照度；Cns为该目标采样点的信号光子数；Cnn为该目标采样点的环境光子数；θ为光照入射角度；L为被测物的测量距离；f表示采集器的透镜焦距；k2是第二预设系数，k3是第三预设系数。
11.一种屏蔽模糊距离值的方法，其特征在于，包括：
获取待测物体反射的信号光束对应的光子信号；其中，所述信号光束的发射脉冲周期为第一时间，所述信号光束的有效采集时间为第二时间，所述第二时间小于所述第一时间；
根据所述光子信号计算所述待测物体的目标距离值；
根据所述光子信号以及分辨率阈值，或根据所述光子信号以及信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值时，则屏蔽该模糊距离值。
12.根据权利要求11所述的屏蔽模糊距离值的方法，其特征在于，所述根据所述光子信号以及分辨率阈值，或根据所述光子信号以及信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值时，则屏蔽该模糊距离值，包括：
获取信号光子数和环境光子数；所述信号光子数和所述环境光子数根据所述光子信号确定；
若根据所述环境光子数，所述信号光子数以及分辨率阈值，或，根据所述信号光子数以及预设信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值，则屏蔽该模糊距离值。
13.根据权利要求12所述的屏蔽模糊距离值的方法，其特征在于，所述若根据所述环境光子数，所述信号光子数以及分辨率阈值，或，根据所述信号光子数以及预设信号光子数阈值确定所述目标距离值为模糊距离值，则屏蔽该模糊距离值，包括：
根据所述信号光子数和所述环境光子数计算所述待测物体的目标分辨率；若所述目标分辨率大于分辨率阈值，或者，所述目标分辨率大于或等于所述分辨率阈值，则确定所述目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值；或者，
若确定所述信号光子数小于所述信号光子数阈值，或者，所述信号光子数小于或等于所述信号光子数阈值，则确定所述目标距离值为模糊距离值，屏蔽该模糊距离值。
14.根据权利要求11至13任一项所述的屏蔽模糊距离值的方法，其特征在于，所述分辨率阈值包括预设定量分辨率阈值或变量分辨率阈值；所述变量分辨率阈值根据环境光照度均值确定。
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