CN116047533B

CN116047533B - 环境光干扰抑制方法、装置及其应用

Info

Publication number: CN116047533B
Application number: CN202310340486.2A
Authority: CN
Inventors: 马宁; 沈锴; 何梦凡; 丁卓龙; 潘仁奇
Original assignee: Hangzhou Yuming Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Yuming Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2023-04-03
Filing date: 2023-04-03
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2043-04-03
Also published as: CN116047533A

Abstract

本申请提出了环境光干扰抑制方法、装置及其应用，包括以下步骤：S00、以固定的第一周期间隔发射设定数量的激光脉冲；S10、以固定的第二周期间隔开窗SPAD，以使得SPAD仅在使能时间段响应光子产生脉冲，并触发TDC输出时间信息；S20、将TDC的计时起始与激光脉冲的发射周期的起始同步，并使得TDC的计时终止时间由每个发射周期对应的首光子事件触发，同时将测得的时间差作为事件时间；S30、根据每个采样周期获得的事件到达时间做统计直方图并找到峰值时刻，通过该峰值时刻和光子飞行时间求得目标距离。本申请可优化信号处理和算法复杂度，实现更高精度、更远距离的单光子计数直接飞行时间测距。

Description

环境光干扰抑制方法、装置及其应用

技术领域

本申请涉及光学技术领域，特别是涉及环境光干扰抑制方法、装置及其应用。

背景技术

近年来，基于单光子雪崩二极管和精密计时器件的直接飞行时间测距系统，由于其精度高，工作距离远，对信号敏感度高等优点，日益引起激光雷达相关产业的重视。该方案利用精密计时器件TDC记录多个激光窄脉冲的发射时间与光电敏感器件SPAD被入射光子触发的时间差。在多次重复测量中，环境光的干扰通常表现为时间上的随机分布；而从特定目标反射回来的激光脉冲信号，由于飞行时间相同，则体现出则应该体现出时间上的相关性。由此可以通过多次测量，将出现最多的时间点作为实际目标距离对应的激光飞行时间，并由此反演出目标距离。

由于单光子器件本身是一个二值器件只能以0，1的输出形式表征是否被触发，而对应的TDC计时器件TDC将记录该单光子器件被触发的时间。由于计时器在半导体内所占面积较大，功耗较高，在响应一次事件并输出时间信息后需要一个较长的时间来复位。所以在实际的单光子器件中测量应用中，一个SPAD像素通常连接一个TDC。由于TDC一个计时周期内只能被触发停止一次，而SPAD能被反复触发多次，这种情况下TDC在一个测量周期通常用于记录第一个一次SPAD的触发事件的时间。该种通常响应一次SPAD的触发事件称为计数事件，而这个事件一般约定为周期中的第一次触发。这种方法又被称为首光子触发机制。这种方式的缺陷在于：

如图5所示，直方图中反映的每个周期的光子到达时间不仅仅包含信号脉冲的光子，也包含了噪声误触发的光子。因为到达时间越早的光子越容易触发SPAD，并被记录为该周期的首个光子事件，所以噪声本身在时间轴上呈现出左高右低的趋势。

如图6-图7所示，当环境光变强，首个触发TDC的脉冲是噪声的可能性变大，其中图6中弱强环境光，小噪声事件概率，信号光事件触发事件显著，图7中强环境光，大噪声事件概率，造成噪声堆积。造成本次测距周期资源和信息的浪费。同时噪声事件在直方图上呈现左高右低的趋势也会更剧烈，甚至导致直方图中噪声的幅值高过信号。

此外如果目标距离更远，有效信号到达的时间更长，TDC就有更高的概率有可能先被噪声触发，导致有效测距结果的出现概率大大降低，也增大了远距离测距结果的误差和抖动。

在以上条件下，为了使信号在直方图中的峰值足够大，就需要增加输出每一个深度信息所需要的采样周期，此时整个直方图的数据量会随之增大，且距离输出帧率也会降低。

因此，亟待一种适用于时间相关单光子技术直接飞行时间测距法的环境光干扰抑制方法、装置及其应用，以解决现有技术存在的问题。

发明内容

本申请实施例提供了环境光干扰抑制方法、装置及其应用，针对目前技术强环境光造成的首光子触发造成的直方图左侧噪声堆积等问题。

本发明核心技术主要是从光子事件检出概率在时间轴上的衰减，与事件时间跟SPAD开窗起始时刻时间差之间的依赖关系出发，通过对多个采样周期的特殊安排，平均掉这种衰减调制。

第一方面，本申请提供了环境光干扰抑制方法，所述方法包括以下步骤：

S00、以固定的第一周期间隔发射设定数量的激光脉冲；

其中每个激光脉冲的脉冲周期作一个采样周期，并将采样周期的起始作为每次TDC计时的起始时刻；

S10、以固定的第二周期间隔开窗SPAD，以使得SPAD仅在使能时间段响应光子产生脉冲，并触发TDC输出时间信息；

其中，第一周期间隔和第二周期间隔的长度不同，使得目标回波到达时间相对激光脉冲周期起始存在时间差；

S20、将TDC的计时起始与激光脉冲的发射周期的起始同步，并使得TDC的计时终止时间由每个发射周期对应的首光子事件触发，同时将测得的时间差作为事件时间；

S30、根据每个采样周期获得的事件到达时间做统计直方图并找到峰值时刻，通过该峰值时刻和光子飞行时间求得目标距离。

进一步地，S10步骤中，每个激光脉冲周期里，根据目标回波的光子所在的周期序号i，表示目标回波的光子能被作为首光子被收到并触发事件的概率为：

p(t),p(t-△t),p(t-2*△t),p(t-3*△t),……p(t-i*△t),……p(t-L*△t)；

其中，t为目标回波到达时间相对激光脉冲周期起始的时间差，△t为第一周期间隔和第二周期间隔的长度差，L为SPAD的开窗周期的数量L。

进一步地，当 t-i*△t＜0时，在负数值上加上第一周期间隔，以进行时间周期平移转换为正数。

进一步地，S20步骤中，每个采样周期的第二周期间隔与激光脉冲的第一周期间隔的差值与SPAD的开窗周期的数量L满足（第二周期间隔-第一周期间隔）*L接近或等于第一周期间隔的整数倍。

第二方面，本申请提供了一种环境光干扰抑制装置，包括：

发射模块，以固定的第一周期间隔发射设定数量的激光脉冲；其中每个激光脉冲的脉冲周期作一个采样周期，并将采样周期的起始作为每次TDC计时的起始时刻；

开窗模块，以固定的第二周期间隔开窗SPAD，以使得SPAD仅在使能时间段响应光子产生脉冲，并触发TDC输出时间信息；

计算模块，将TDC的计时起始与激光脉冲的发射周期的起始同步，并使得TDC的计时终止时间由每个发射周期对应的首光子事件触发，同时将测得的时间差作为事件时间；根据每个采样周期获得的事件到达时间做统计直方图并找到峰值时刻，通过该峰值时刻和光子飞行时间求得目标距离；

输出模块，输出目标距离。

第三方面，本申请提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行上述的环境光干扰抑制方法。

第四方面，本申请提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据上述的环境光干扰抑制方法。

本发明的主要贡献和创新点如下：1、与现有技术相比，本申请等于对任意时刻的光子在每个周期的触发概率通过异步周期实现了一个以△t为步长的离散遍历。而且△t越小，相应地就会让分布在是时间轴上越“均匀”，当然同时产生的代价就是需要更多个周期来完成测距，以使得信号光子的相对到达时间在更小的步进下遍历完一个采样周期的时间长度；而噪声光子产生的光子事件在整个时间轴上分布相对均匀。同时，信号光子只要信号回波功率相同，直方图上对应的回波峰的幅值都不会随着目标距离远近发生变化。

2、与现有技术相比，本申请可改善强环境光造成的首光子触发造成的直方图左侧噪声堆积，尤其噪声避免高于信号的峰值，使通过信号峰值位置判定目标距离的直方图寻峰算法变得简单；同时改善强环境光下，噪声触发造成的采样周期浪费，增加信号光检出概率，提高距离信息的输出帧率。并从而减小整个直方图的数据量，从而避免为了减少需要记录和处理整个量程的完整直方图统计带来的算力和存储空间的浪费。

3、与现有技术相比，本申请在同等采样周期数量下，提高了信号光在直方图中的幅值，即信号强度，从而可以适配更远的测距量程或者更微弱的反射率目标；在同等采样周期数量下，提高了信号光在直方图中的幅值，即信号强度，从而可以适配更远的测距量程或者更微弱的反射率目标；在消除直方图噪声堆积现象之后，显著改善了实际使用时的直方图寻峰的复杂度。从而最终减小对芯片设计的面积和功耗需求以及数字电路的复杂度；从而避免远距离目标在直方图中对应峰的幅值随着距离变化加速衰减，以致需要增加采样周期才能获得显著的峰，甚至无法看到峰的情况。

4、与现有技术（采用多周期采样时itof引用常规方法，如CN109696690B飞行时间传感器及其发光检测方法）相比，本申请通过抓取每个周期内特定时事件发生的瞬时时间点信息，完全不记录且不关注每个周期的能量信号，也不关心对能量记录的精度，因此本申请也不涉及功率测量器件。相对操作更为简单，且成本更低。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的环境光干扰抑制方法的流程；

图2是根据本申请实施例的第一周期和第二周期子时间上的关系图；

图3是根据本申请实施例的各个周期中光子检测到的概率和时间的关系图；

图4是根据本申请实施例的电子装置的硬件结构示意图；

图5是现有技术的直方图示意图；

图6是现有技术光触发事件的示意图一；

图7是现有技术光触发事件的示意图二。

具体实施方式

这里将详细的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说明书一个或多个实施例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、本说明书一个或多个实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。

需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本说明书示出和描述的顺序来执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本说明书所描述的更多或更少。此外，本说明书中所描述的单个步骤，在其他实施例中可能被分解为多个步骤进行描述；而本说明书中所描述的多个步骤，在其他实施例中也可能被合并为单个步骤进行描述。

直方图记录了整个测量范围内，每个测量周期中触发的首个信号事件或噪声是事件的时间分布。从统计学结果来看，同样光强的信号到达传感器可能触发事件的概率，在SPAD工作开窗周期时间轴上是呈逆指数衰减的。这意味着直方图中噪声会呈现出左高右低的现象，信号光也受到同样机理的影响。再加上回波光强是随着距离R的变化呈R²衰减的，这会导致时间轴右侧的远距离目标回波的峰值很低，为了使信号显著就需要更多的采样周期，以提高回波的幅值。此外还会带来高噪声条件下，直方图左端被噪声饱和等问题。

基于此，本发明基于激光脉冲周期和SPAD工作的开窗周期，采取异步的形式来解决现有技术存在的问题。

实施例一

本申请旨在提出一种环境光干扰抑制方法，具体地，参考图1，所述方法包括以下步骤：

S00、以固定的第一周期间隔P_LD发射设定数量的激光脉冲；

S10、以固定的第二周期间隔P_SPAD开窗SPAD，以使得SPAD仅在使能时间段响应光子产生脉冲，并触发TDC输出时间信息；

其中，第一周期间隔P_LD和第二周期间隔P_SPAD的长度不同，使得目标回波到达时间相对激光脉冲周期起始存在时间差；

在本实施例中，如图2所示，每个激光脉冲周期里，根据目标回波的光子所在的周期序号i，表示目标回波的光子能被作为首光子被收到并触发事件的概率（这个概率是变化的）为：

p(t),p(t-△t),p(t-2*△t),p(t-3*△t),……p(t-i*△t),……p(t-L*△t)；

其中，t为目标回波到达时间相对激光脉冲周期起始的时间差，△t为第一周期间隔P_LD和第二周期间隔P_SPAD的长度差，L为SPAD的开窗周期（即第二周期间隔）的数量L。

优选地，当 t-i*△t＜0时，在负数值（t-i*△t）上加上第一周期间隔P_LD，以进行时间周期平移转换为正数。

S20、将TDC的计时起始与激光脉冲的发射周期的起始同步，并使得TDC的计时终止时间由每个发射周期对应的首光子事件触发，同时将测得的时间差作为事件时间；每个采样周期的第二周期间隔P_SPAD与激光脉冲的第一周期间隔P_LD的差值与SPAD的开窗周期的数量L满足(P_SPAD-P_LD)*L接近或等于第一周期间隔P_LD的整数倍。

其中，这个时间差就是目标回波到达时间相对激光脉冲周期起始的时间差。

如此，才能够在构成每个距离信息输出帧的若干个采样周期中实现在时间轴上均匀噪声事件的目的。

如图3所示，在这种机制下，等于对任意时刻的光子在每个周期的触发概率通过异步周期实现了一个以△t为步长的离散遍历。而且△t越小，相应地就会让分布在是时间轴上越“均匀”，当然同时产生的代价就是需要更多个周期来完成测距，以使得信号光子的相对到达时间在更小的步进下遍历完一个采样周期的时间长度。此时，噪声光子产生的光子事件在整个时间轴上分布相对均匀。同时，信号光子只要信号回波功率相同，直方图上对应的回波峰的幅值都不会随着目标距离远近发生变化。

其中，通俗地讲图3中每一根曲线表示不同测量周期测得光子事件的概率随着时间的变化。对每根曲线而言，起始点是采样周期的起始时刻，终点是采样周期的终点，而坐标轴是以激光脉冲周期来度量的。由于采样周期和激光脉冲周期不同步，所以每根曲线的起点相对对应的激光脉冲周期起点的偏移都不一样。

如果把以采样周期为标准画出的光子检测到的概率曲线修正到以激光脉冲周期为标准，就可以看到多次采样之后，对于信号光的检测概率是在同一时刻点叠加增强的，如图3的下部分，而噪声在整个时间轴上的检出概率则被相对平滑、均匀掉了。

实施例二

基于相同的构思，本申请还提出了一种环境光干扰抑制装置，包括：

输出模块，输出目标距离。

实施例三

本实施例还提供了一种电子装置，参考图4，包括存储器404和处理器402，该存储器404中存储有计算机程序，该处理器402被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

具体地，上述处理器402可以包括中央处理器（CPU），或者特定集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称为ASIC），或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

其中，存储器404可以包括用于数据或指令的大容量存储器404。举例来说而非限制，存储器404可包括硬盘驱动器（HardDiskDrive，简称为HDD）、软盘驱动器、固态驱动器（SolidStateDrive，简称为SSD）、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线（UniversalSerialBus，简称为USB）驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器404可包括可移除或不可移除（或固定）的介质。在合适的情况下，存储器404可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器404是非易失性（Non-Volatile）存储器。在特定实施例中，存储器404包括只读存储器（Read-OnlyMemory，简称为ROM）和随机存取存储器（RandomAccessMemory，简称为RAM）。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM（ProgrammableRead-OnlyMemory，简称为PROM）、可擦除PROM（ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称为EPROM）、电可擦除PROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称为EEPROM）、电可改写ROM（ElectricallyAlterableRead-OnlyMemory，简称为EAROM）或闪存（FLASH）或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器（StaticRandom-AccessMemory，简称为SRAM）或动态随机存取存储器（DynamicRandomAccessMemory，简称为DRAM），其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器404（FastPageModeDynamicRandomAccessMemory，简称为FPMDRAM）、扩展数据输出动态随机存取存储器（ExtendedDateOutDynamicRandomAccessMemory，简称为EDODRAM）、同步动态随机存取内存（SynchronousDynamicRandom-AccessMemory，简称SDRAM）等。

存储器404可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器402所执行的可能的计算机程序指令。

处理器402通过读取并执行存储器404中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意环境光干扰抑制方法。

可选地，上述电子装置还可以包括传输设备406以及输入输出设备408，其中，该传输设备406和上述处理器402连接，该输入输出设备408和上述处理器402连接。

传输设备406可以用来经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括电子装置的通信供应商提供的有线或无线网络。在一个实例中，传输设备包括一个网络适配器（Network Interface Controller，简称为NIC），其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备406可以为射频（Radio Frequency，简称为RF）模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

输入输出设备408用于输入或输出信息。在本实施例中，输入的信息可以是设定参数等，输出的信息可以是目标距离等。

实施例四

本实施例还提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据实施例一的环境光干扰抑制方法。

需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

通常，各种实施例可以以硬件或专用电路、软件、逻辑或其任何组合来实现。本发明的一些方面可以以硬件来实现，而其他方面可以以可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件来实现，但是本发明不限于此。尽管本发明的各个方面可以被示出和描述为框图、流程图或使用一些其他图形表示，但是应当理解，作为非限制性示例，本文中描述的这些框、装置、系统、技术或方法可以以硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备或其某种组合来实现。

本发明的实施例可以由计算机软件来实现，该计算机软件由移动设备的数据处理器诸如在处理器实体中可执行，或者由硬件来实现，或者由软件和硬件的组合来实现。包括软件例程、小程序和/或宏的计算机软件或程序(也称为程序产品)可以存储在任何装置可读数据存储介质中，并且它们包括用于执行特定任务的程序指令。计算机程序产品可以包括当程序运行时被配置为执行实施例的一个或多个计算机可执行组件。一个或多个计算机可执行组件可以是至少一个软件代码或其一部分。另外，在这一点上，应当注意，如图中的逻辑流程的任何框可以表示程序步骤、或者互连的逻辑电路、框和功能、或者程序步骤和逻辑电路、框和功能的组合。软件可以存储在诸如存储器芯片或在处理器内实现的存储块等物理介质、诸如硬盘或软盘等磁性介质、以及诸如例如DVD及其数据变体、CD等光学介质上。物理介质是非瞬态介质。

本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.环境光干扰抑制方法，适用于时间相关单光子技术直接飞行时间测距法，其特征在于，包括以下步骤：

S00、以固定的第一周期间隔发射设定数量的激光脉冲；

S10、以固定的第二周期间隔开窗SPAD，以使得所述SPAD仅在使能时间段响应光子产生脉冲，并触发TDC输出时间信息；

其中，所述第一周期间隔和所述第二周期间隔的长度不同，使得目标回波到达时间相对激光脉冲周期起始存在时间差；

其中，每个激光脉冲周期里，根据目标回波的光子所在的周期序号i，表示目标回波的光子能被作为首光子被收到并触发事件的概率为：

p(t),p(t-△t),p(t-2*△t),p(t-3*△t),……p(t-i*△t),……p(t-L*△t)；

其中，t为目标回波到达时间相对激光脉冲周期起始的时间差，△t为所述第一周期间隔和所述第二周期间隔的长度差，L为SPAD的开窗周期的数量L；

S20、将所述TDC的计时起始与激光脉冲的发射周期的起始同步，并使得所述TDC的计时终止时间由每个发射周期对应的首光子事件触发，同时将测得的时间差作为事件时间；

其中，每个采样周期的第二周期间隔与激光脉冲的第一周期间隔的差值与所述SPAD的开窗周期的数量L满足（第二周期间隔-第一周期间隔）*L等于第一周期间隔的整数倍；

2.如权利要求1所述的环境光干扰抑制方法，其特征在于，S10步骤中，当 t-i*△t＜0时，在负数值上加上所述第一周期间隔，以进行时间周期平移转换为正数。

3.一种环境光干扰抑制装置，其特征在于，包括：

p(t),p(t-△t),p(t-2*△t),p(t-3*△t),……p(t-i*△t),……p(t-L*△t)；

其中，每个采样周期的第二周期间隔与激光脉冲的第一周期间隔的差值与SPAD的开窗周期的数量L满足（第二周期间隔-第一周期间隔）*L等于第一周期间隔的整数倍；

输出模块，输出目标距离。

4.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至2任一项所述的环境光干扰抑制方法。

5.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，所述过程包括根据权利要求1至2任一项所述的环境光干扰抑制方法。