CN116359935A - 一种门控成像的测距系统和测距方法 - Google Patents

一种门控成像的测距系统和测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种门控成像的测距系统和测距方法，涉及激光成像技术领域。其中，门控成像的测距系统包括：时序控制系统，适于得到发射脉冲信号和接收脉冲信号；发射系统，适于向目标物体发射脉冲激光；接收系统，适于接收被目标物体反射的反射脉冲激光；其中，所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟了特定延迟时间；反射脉冲激光参数与特定延迟时间关联获得测距序列，对测距序列进行拟合或解卷积处理，以得到目标物体与所述测距系统的距离。本发明提供的门控成像的测距系统和测距方法，可测量距离更远，测量精度更高。

Description

一种门控成像的测距系统和测距方法
技术领域
本发明涉及激光成像技术领域，特别是涉及一种门控成像的测距系统和测距方法。
背景技术
在选通成像领域，激光器发射的脉冲激光经目标物体反射后，返回至图像采集装置时需要脉冲将其同步开启，从而捕获到反射回来的光子信息，实现特定距离物体的成像。目前选通成像的测距方法有三角测距法、直接飞行时间法等。
三角测距法采用激光由一个点扩展成多条点或线组成的结构光束组，通过多点综合分析扩展视场范围。为了避免多光束在同一个像素中重叠，结构光测距的可测量距离范围被严重压缩，实际应用中通常被限制在特定工作面的测量上。
直接飞行时间法（dToF），采用短脉冲激光作为照明，高速相机、快速光电二极管（PD）或雪崩二极管（APD）作为检测器。向目标发射激光脉冲，同时开始计时（计时起始时刻tinitial）；检测器接收到目标反射的脉冲时结束计时（计时结束时刻tend）。根据空气中的光速c可知，目标距离
Figure SMS_1
，即光脉冲往返的飞行时间。但限于仪器整体可提供的测距序列，测距的精度仅可达到数米到十数米量级。
因此，有必要提供一种门控成像的测距系统和测距方法，以有效解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种门控成像的测距系统。
本发明实施例提供一种门控成像的测距系统，该测距系统包括：
时序控制系统，适于与上位机连接，以实现与所述上位机之间的通信得到发射脉冲指令和接收脉冲指令，并基于所述发射脉冲指令和所述接收脉冲指令得到发射脉冲信号和接收脉冲信号；
发射系统，适于与所述时序控制系统连接，以实现与所述时序控制系统的通信，接收所述时序控制系统发送的所述发射脉冲信号，在所述发射脉冲信号的控制下，向目标物体发射脉冲激光；
接收系统，适于与所述时序控制系统连接，以实现与所述时序控制系统的通信，接收所述时序控制系统发送的所述接收脉冲信号，并在所述接收脉冲信号的控制下，接收被目标物体反射的反射脉冲激光；
其中，所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟了特定延迟时间；所述接收系统适于基于所述反射脉冲激光得到反射脉冲激光参数并传输至所述上位机，所述上位机适于将所述反射脉冲激光参数与所述特定延迟时间关联获得测距序列，并对所述测距序列进行拟合或解卷积处理，以得到目标物体与所述测距系统的距离。
优选地，所述发射系统为激光器系统，脉宽ΔtL在百皮秒至微秒级，选用边缘发射激光器系统或垂直腔表面发射激光器系统。通常，谐振器与半导体基板平行地形成，并且光从劈开的侧面发射，具有这种结构的半导体激光器通常被称为边缘发射激光器（EEL）。另一方面，具有垂直于半导体衬底发射光的结构的激光器被称为表面发射激光器（SEL），其中使谐振器垂直于半导体衬底的表面发射激光器被称为垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。
优选地，所述接收系统为门控相机系统，门宽（即，曝光时间）ΔtG在百皮秒至微秒级。
优选地，所述测距系统还包括对门控相机成像进行调节优化的镜头，用于削减干扰光、优化对比度的带通滤光片，对发射的脉冲激光进行传输、集聚和波前整形的光纤，以及对发射的脉冲激光进行光束整形的透镜或透镜组，所述光纤和所述透镜或透镜组依次通过光线传输的方式与所述发射系统连接，所述带通滤光片和所述镜头依次通过光线传输的方式与所述接收系统连接。
优选地，所述反射脉冲激光参数包括被目标物体反射的反射脉冲激光的像素强度，所述像素强度的计算公式为：
Figure SMS_2
;
其中，tD为系统延时，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，
Figure SMS_3
为与tD和dtarget相关的所述像素强度，I0为所述脉冲激光的初始脉冲光强，QE为所述接收系统的量子转换效率，Rtarget为目标物体的反射率，/>
Figure SMS_4
为所述脉冲激光的脉冲函数，
Figure SMS_5
为与dtarget相关的传播函数，ΔtG为所述接收脉冲信号的脉宽。
优选地，所述时序控制系统适于连续发送多个所述发射脉冲信号；所述发射系统每接收一个所述发射脉冲信号，向目标物体发射一个所述脉冲激光；所述时序控制系统每发送一个所述发射脉冲信号，对应向所述接收系统发送一个对应的所述接收脉冲信号；每对对应的所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟了一个所述特定延迟时间。
优选地，相邻的所述特定延迟时间的差值为特定延时间隔，所述特定延时间隔递增或递减，所述特定延时间隔满足计算公式：
Figure SMS_6
；
Figure SMS_7
；
其中，Δtstep为特定延时间隔，ΔtG为所述接收脉冲信号的脉宽，ΔtL为所述发射脉冲信号的脉宽；Δtmin为min函数，取ΔtG和ΔtL中的最小值。
优选地，所述接收系统适于将采集到的所述特定延时间隔的包含所述反射脉冲激光参数的图像顺序排列，得到所述测距序列，所述测距序列表示为所述特定延时间隔的所述图像的集合Q，
Figure SMS_8
;
其中n为所述图像的帧序号，I为所述图像的像素强度，I与所述系统延时tD的关系为：
Figure SMS_9
;
其中，P为所述脉冲激光的脉冲函数，即脉冲激光的强度/功率密度在时间上的分布，G为所述接收系统的响应函数，即门控相机系统对光子的响应效率与时间的关系。
优选地，对所述测距序列进行高斯曲线拟合：
Figure SMS_10
；
其中，Q(tD)为所述测距序列，A为曲线的峰值，tC为曲线的峰值所在的时间坐标，B为曲线的半峰全宽值；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure SMS_11
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，tref为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
优选地，对所述测距序列进行抛物线拟合：
Figure SMS_12
；
其中，Q(tD)为所述测距序列，A为抛物线的峰值，tC为抛物线的峰值对应的时间坐标，const为常数；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure SMS_13
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，tref为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
优选地，以一块墙面为目标，要求墙面垂直于门控相机系统的视场的中轴线，要求墙面平整且各处对激光的反射率都相同，墙面到测距系统的距离已知为dref，对该目标进行测距序列的采集，采集过程要求Dtstep尽可能的小。对该测距序列用对应方法（高斯或抛物线）进行拟合，拟合得到的tC可通过下式换算为tref：
Figure SMS_14
。
优选地，对所述测距序列进行解卷积包括：使用标准序列对所述测距序列进行离散解卷积，获得脉宽函数δ及其中心位置tm；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure SMS_15
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，c为空气中的光速，dref为所述标准序列所对应的标定目标物体与所述测距系统的距离。
本发明实施例提供一种门控成像的测距方法，包括如下步骤：
提供时序控制系统，将所述时序控制系统与上位机连接，与所述上位机通信得到发射脉冲指令和接收脉冲指令，所述时序控制系统基于所述发射脉冲指令和所述接收脉冲指令得到发射脉冲信号和接收脉冲信号；
提供发射系统，将所述发射系统与所述时序控制系统连接，与所述时序控制系统的通信，所述发射系统在所述发射脉冲信号的控制下，向目标物体发射脉冲激光；
提供接收系统，将所述接收系统与所述时序控制系统连接，与所述时序控制系统的通信，所述接收系统在所述接收脉冲信号的控制下，接收被目标物体反射的反射脉冲激光；
其中，设置所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟特定延迟时间；所述接收系统基于所述反射脉冲激光得到反射脉冲激光参数并传输至所述上位机；所述上位机将接收到的所述反射脉冲激光参数与所述特定延迟时间关联，获得测距序列；对所述测距序列进行拟合或解卷积处理，以得到目标物体与所述测距系统的距离。
优选地，所述反射脉冲激光参数包括被目标物体反射的反射脉冲激光的像素强度，所述像素强度的计算公式为：
Figure SMS_16
;
其中，tD为系统延时，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，
Figure SMS_17
为与tD和dtarget相关的所述像素强度，I0为所述脉冲激光的初始脉冲光强，QE为所述接收系统的量子转换效率，Rtarget为目标物体的反射率，/>
Figure SMS_18
为所述脉冲激光的脉冲函数，
Figure SMS_19
为与dtarget相关的传播函数，ΔtG为所述接收脉冲信号的脉宽。
优选地，所述时序控制系统向所述发射系统连续发射多个所述发射脉冲信号；所述发射系统每接收一个所述发射脉冲信号，向目标物体发射一个所述脉冲激光；所述时序控制系统向所述发射系统每发射一个所述发射脉冲信号，对应向所述接收系统发射一个对应的所述接收脉冲信号；设置每对对应的所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟一个所述特定延迟时间。
优选地，相邻的所述特定延迟时间的差值为特定延时间隔，所述特定延时间隔递增或递减，所述特定延时间隔满足计算公式：
Figure SMS_20
；
Figure SMS_21
；
其中，Δtstep为特定延时间隔，ΔtG为所述接收脉冲信号的脉宽，ΔtL为所述发射脉冲信号的脉宽；Δtmin为min函数，取ΔtG和ΔtL中的最小值。
优选地，所述接收系统适于将采集到的所述特定延时间隔的包含所述反射脉冲激光参数的图像按顺序排列，得到所述测距序列，所述测距序列表示为所述特定延时间隔的所述图像的集合Q，
Figure SMS_22
;
其中n为所述图像的帧序号，I为所述图像的像素强度，I与所述系统延时tD的关系为：
Figure SMS_23
;
其中，P为所述脉冲激光的脉冲函数，即脉冲激光的强度/功率密度在时间上的分布，G为所述接收系统的响应函数，即门控相机系统对光子的响应效率与时间的关系。
优选地，对所述测距序列进行高斯曲线拟合：
Figure SMS_24
；
其中，Q(tD)为所述测距序列，A为曲线的峰值，tC为曲线的峰值所在的时间坐标，B为曲线的半峰全宽值；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure SMS_25
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，tref为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
优选地，对所述测距序列进行抛物线拟合：
Figure SMS_26
；
其中，Q(tD)为所述测距序列，A为抛物线的峰值，tC为抛物线的峰值对应的时间坐标，const为常数；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure SMS_27
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，tref为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
优选地，以一块墙面为目标，要求墙面垂直于门控相机系统的视场的中轴线，要求墙面平整且各处对激光的反射率都相同，墙面到测距系统的距离已知为dref，对该目标进行测距序列的采集，采集过程要求Dtstep尽可能的小。对该测距序列用对应方法（高斯或抛物线）进行拟合，拟合得到的tC可通过下式换算为tref：
Figure SMS_28
。
优选地，对所述测距序列进行解卷积包括：
提供一标定目标物体，所述标定目标物体所在平面与所述脉冲激光的瞄准基线垂直，且距离测距系统的距离为dref；所述标定目标物体上的各处对所述脉冲激光的反射率相同；
所述时序控制系统向所述发射系统连续发射多个所述发射脉冲信号；所述发射系统每接收一个所述发射脉冲信号，向所述标定目标物体发射一个所述脉冲激光；所述时序控制系统向所述发射系统每发射一个所述发射脉冲信号，对应向所述接收系统发射一个对应的所述接收脉冲信号；设置与所述标定目标物体相关的每对对应的所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟一个标准延迟时间，相邻的每对对应的所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟的所述标准延迟时间的差值为标准延时间隔Δtstep-S，所述标准延时间隔满足计算公式：
Figure SMS_29
;
所述接收系统基于所述标定目标物体反射的反射脉冲激光得到反射脉冲激光参数并传输至所述上位机；所述上位机将接收到的所述反射脉冲激光参数与所述标准延迟时间关联，获得标准序列；
采用离散数据插置法对所述测距序列进行插值，使所述测距序列的特定延时间隔与所述标准序列的标准延时间隔相等；使用所述标准序列对所述测距序列做离散解卷积计算，以获得脉冲函数δ及其中心位置tm；其中所述脉冲函数δ的脉宽为
Figure SMS_30
；
将tm代入目标物体与所述测距系统的距离dtarget的计算公式，以获得目标物体与所述测距系统的距离dtarget：
Figure SMS_31
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，c为空气中的光速，dref为所述标准序列所对应的标定目标物体与所述测距系统的距离。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：本发明提供的门控成像的测距系统，通过对接收脉冲信号和发射脉冲信号延迟特定延迟时间，并将系统所获的目标物体反射的反射脉冲激光参数与特定延迟时间关联获得测距序列，通过对测距序列进行拟合或解卷积处理，即可得到目标物体与所述测距系统的距离，相较于三角测距法，可测量距离更远，相较于直接飞行时间法，测量精度更高。
其次，可以通过合理使用门控相机系统和滤光片等光学组件，排除高强度的前景和背景辐射的干扰，实现对目标物体的清晰成像和测距。例如：在车辆行驶场景中应对远光灯、太阳夕照等，都能实现清晰拍摄和准确的距离测量；在侦查场景中应对玻璃反光、玻璃贴膜、纱窗等遮挡物，都能实现穿透成像和距离测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个实施例提供的测距系统的结构示意图。
图2为本发明的一个实施例提供的发射脉冲信号和接收脉冲信号的时序示意图。
图3为本发明的一个实施例提供的像素强度与像素所在位置的关系示意图。
图4为本发明的一个实施例提供的测试序列的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
如图1-图4所示，本发明实施例提供一种门控成像的测距系统，该测距系统包括：
时序控制系统20，适于与上位机10连接，以实现与上位机10之间的通信得到发射脉冲指令和接收脉冲指令，并基于发射脉冲指令和接收脉冲指令得到发射脉冲信号和接收脉冲信号；具体的，上位机10可以是搭载了控制软件的电脑或开发板。
发射系统30，适于与时序控制系统20连接，以实现与时序控制系统20的通信，接收时序控制系统20发送的发射脉冲信号，在发射脉冲信号的控制下，在t0时刻开始向目标物体90发射脉冲激光；
接收系统40，适于与时序控制系统20连接，以实现与时序控制系统20的通信，接收时序控制系统20发送的接收脉冲信号，并在接收脉冲信号的控制下，在系统延时tD时刻开始接收被目标物体90反射的反射脉冲激光；
其中，接收脉冲信号和发射脉冲信号延迟了特定延迟时间ΔtD，即该实施例中特定延迟时间ΔtD为系统延时tD与t0的差值。接收系统40适于基于反射脉冲激光得到反射脉冲激光参数并传输至上位机10，上位机10适于将反射脉冲激光参数与特定延迟时间关联获得测距序列，并对所述测距序列进行拟合或解卷积处理，以得到目标物体与测距系统的距离dtarget。
在一些实施例中，发射系统30为激光器系统，脉宽ΔtL在百皮秒至微秒级，选用边缘发射激光器系统或垂直腔表面发射激光器系统。通常，谐振器与半导体基板平行地形成，并且光从劈开的侧面发射，具有这种结构的半导体激光器通常被称为边缘发射激光器（EEL）。另一方面，具有垂直于半导体衬底发射光的结构的激光器被称为表面发射激光器（SEL），其中使谐振器垂直于半导体衬底的表面发射激光器被称为垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。
在一些实施例中，接收系统40为门控相机系统，门宽（即，曝光时间）ΔtG在百皮秒至微秒级。
在一些实施例中，测距系统还包括对门控相机系统成像进行调节优化的镜头系统50，用于削减干扰光、优化对比度的带通滤光系统60，对发射的脉冲激光进行传输、集聚和波前整形的光纤系统70，以及对发射的脉冲激光进行光束整形的透镜或透镜组系统80。
如图3所示，在一些实施例中，反射脉冲激光参数为被目标物体90在不同距离切片X处反射的反射的反射脉冲激光的像素强度I，像素强度I的计算公式为：
Figure SMS_32
;
其中，tD为系统延时，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，
Figure SMS_33
为与tD和dtarget相关的所述像素强度，I0为所述脉冲激光的初始脉冲光强，QE为所述接收系统的量子转换效率，Rtarget为目标物体的反射率，/>
Figure SMS_34
为所述脉冲激光的脉冲函数，
Figure SMS_35
为与dtarget相关的传播函数。
在一些实施例中，时序控制系统20适于连续发送多个发射脉冲信号；发射系统30每接收一个发射脉冲信号，向目标物体发射一个脉冲激光；时序控制系统20每发送一个发射脉冲信号，对应向接收系统40发送一个对应的接收脉冲信号；每对对应的接收脉冲信号和发射脉冲信号延迟了一个特定延迟时间ΔtD。
在一些实施例中，相邻的特定延迟时间ΔtD的差值为特定延时间隔，特定延时间隔递增或递减，即相邻的每对对应的接收脉冲信号和发射脉冲信号延迟的特定延迟时间ΔtD随时间推移递增或递减。特定延时间隔满足计算公式：
Figure SMS_36
；
Figure SMS_37
；
其中，Δtstep为特定延时间隔，ΔtG为所述接收脉冲信号的脉宽，ΔtL为所述发射脉冲信号的脉宽；Δtmin为min函数，取ΔtG和ΔtL中的最小值。
如图4所示，在一些实施例中，测距序列的计算公式为：所述接收系统适于将采集到的所述特定延时间隔的包含所述反射脉冲激光参数的图像按顺序排列，得到所述测距序列，所述测距序列表示为所述特定延时间隔的所述图像的集合Q，
Figure SMS_38
;
其中n为所述图像的帧序号，I为所述图像的像素强度，I与所述系统延时tD的关系为：
Figure SMS_39
;
其中，P为所述脉冲激光的脉冲函数，即脉冲激光的强度/功率密度在时间上的分布，G为所述接收系统的响应函数，即门控相机系统对光子的响应效率与时间的关系，tD可进一步地定义为：
Figure SMS_40
。
在一些实施例中，对测距序列进行高斯曲线拟合：
Figure SMS_41
；
其中，Q(tD)为所述测距序列，A为曲线的峰值，tC为曲线的峰值所在的时间坐标，B为曲线的半峰全宽值；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure SMS_42
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，tref为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
在另一些实施例中，对测距序列进行抛物线拟合：
Figure SMS_43
；
其中，Q(tD)为所述测距序列，A为抛物线的峰值，tC为抛物线的峰值对应的时间坐标，const为常数；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure SMS_44
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，tref为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
具体地，以一块墙面为目标，要求墙面垂直于门控相机系统的视场的中轴线，要求墙面平整且各处对激光的反射率都相同，墙面到测距系统的距离已知为dref，对该目标进行测距序列的采集，采集过程要求Dtstep尽可能的小。对该测距序列用对应方法（高斯或抛物线）进行拟合，拟合得到的tC可通过下式换算为tref：
Figure SMS_45
。
在另一些实施例中，对测距序列进行解卷积包括：使用标准序列对测距序列进行离散解卷积，获得脉宽函数δ及其中心位置tm；tm为标准序列与测距序列在延时上的平移量；宽度与标准序列和测距序列的曲线差异相关，二者形状差异越大，则脉冲函数宽度越宽，常见的曲线形状差异包括（对测距序列使用的）插值方法导致的曲线失真（该差异形成的宽度正比于二者的步长之比）、目标朝向（背向）相机移动造成的曲线压缩（展宽）等。
目标物体与测距系统的距离的计算公式为：
Figure SMS_46
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，c为空气中的光速，dref为所述标准序列所对应的标定目标物体与所述测距系统的距离。
本发明实施例还提供一种门控成像的测距方法，基于上述的门控成像的测距系统实现。
如图1-图4所示，本发明提供的门控成像的测距方法，包括如下步骤：
提供时序控制系统20，将时序控制系统20与上位机10连接，与上位机10通信得到发射脉冲指令和接收脉冲指令，时序控制系统20基于发射脉冲指令和接收脉冲指令得到发射脉冲信号和接收脉冲信号；
提供发射系统30，将发射系统30与时序控制系统20连接，与时序控制系统20的通信，发射系统30在发射脉冲信号的控制下，在t0时刻开始向目标物体90发射脉冲激光；
提供接收系统40，将接收系统40与时序控制系统20连接，与时序控制系统20的通信，接收系统40在接收脉冲信号的控制下，在系统延时tD时刻开始接收被目标物体90反射的反射脉冲激光；
其中，设置接收脉冲信号和发射脉冲信号延迟了特定延迟时间ΔtD，即该实施例中特定延迟时间ΔtD为系统延时tD与t0的差值。接收系统40基于反射脉冲激光得到反射脉冲激光参数并传输至上位机10；上位机10将接收到的反射脉冲激光参数与特定延迟时间ΔtD关联，获得测距序列；对测距序列进行拟合或解卷积处理，以得到目标物体与测距系统的距离dtarget。
如图3所示，在一些实施例中，反射脉冲激光参数为被目标物体90在不同距离切片X处反射的反射脉冲激光的像素强度I，像素强度I的计算公式为：
Figure SMS_47
;
其中，tD为系统延时，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，
Figure SMS_48
为与tD和dtarget相关的所述像素强度，I0为所述脉冲激光的初始脉冲光强，QE为所述接收系统的量子转换效率，Rtarget为目标物体的反射率，/>
Figure SMS_49
为所述脉冲激光的脉冲函数，
Figure SMS_50
为与dtarget相关的传播函数。
在一些实施例中，时序控制系统20向发射系统30连续发射多个发射脉冲信号；发射系统30每接收一个发射脉冲信号，向目标物体发射一个脉冲激光；时序控制系统20向发射系统30每发射一个发射脉冲信号，对应向接收系统40发射一个对应的接收脉冲信号；设置每对对应的接收脉冲信号和发射脉冲信号延迟一个特定延迟时间ΔtD。
在一些实施例中，相邻的特定延迟时间ΔtD的差值为特定延时间隔，特定延时间隔递增或递减，即相邻的每对对应的接收脉冲信号和发射脉冲信号延迟的特定延迟时间ΔtD随时间推移递增或递减。特定延时间隔满足计算公式：
Figure SMS_51
；
Figure SMS_52
；
其中，Δtstep为特定延时间隔，ΔtG为所述接收脉冲信号的脉宽，ΔtL为所述发射脉冲信号的脉宽；Δtmin为min函数，取ΔtG和ΔtL中的最小值。
如图4所示，在一些实施例中，所述接收系统适于将采集到的所述特定延时间隔的包含所述反射脉冲激光参数的图像按顺序排列，得到所述测距序列，所述测距序列表示为所述特定延时间隔的所述图像的集合Q，
Figure SMS_53
;
其中n为所述图像的帧序号，I为所述图像的像素强度，I与所述系统延时tD的关系为：
Figure SMS_54
;
其中，P为所述脉冲激光的脉冲函数，即脉冲激光的强度/功率密度在时间上的分布，G为所述接收系统的响应函数，即门控相机系统对光子的响应效率与时间的关系，tD可进一步地定义为：
Figure SMS_55
。
在一些实施例中，通过对测距序列进行高斯曲线拟合或抛物线拟合以获得目标物体与测距系统的距离dtarget。
具体的，对测距序列进行高斯曲线拟合：
Figure SMS_56
；
其中，Q(tD)为所述测距序列，A为曲线的峰值，tC为曲线的峰值所在的时间坐标，B为曲线的半峰全宽值；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure SMS_57
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，tref为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
具体的，对测距序列进行抛物线拟合：
Figure SMS_58
；/>
其中，Q(tD)为所述测距序列，A为抛物线的峰值，tC为抛物线的峰值对应的时间坐标，const为常数；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure SMS_59
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，tref为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
具体地，以一块墙面为目标，要求墙面垂直于门控相机系统的视场的中轴线，要求墙面平整且各处对激光的反射率都相同，墙面到测距系统的距离已知为dref，对该目标进行测距序列的采集，采集过程要求Dtstep尽可能的小。对该测距序列用对应方法（高斯或抛物线）进行拟合，拟合得到的tC可通过下式换算为tref：
Figure SMS_60
。
对测距序列进行高斯曲线拟合或抛物线拟合，拟合参数少，可以节约算力，进而在上位机10的算力受限的情况下依然达成快速响应，同时测距精度可远高于飞行时间测距法的测距精度，达到小于1米级的测距精度。
对测距序列进行高斯曲线拟合或抛物线拟合中，由于选取的是非孤立最大值点进行拟合，可以有效排除由于宇宙射线、系统尤其是像素异常造成的测序序列中异常点对测距的干扰，大大提升测距精度。
在另一些实施例中，通过对测距序列进行解卷积，以获得目标物体与测距系统的距离dtarget。具体的：
提供一标定目标物体，标定目标物体所在平面与发射系统30发射的脉冲激光的瞄准基线垂直，且距离测距系统的距离为dref；标定目标物体上的各处对脉冲激光的反射率相同；
时序控制系统20向发射系统30连续发射多个发射脉冲信号；发射系统30每接收一个发射脉冲信号，向标定目标物体发射一个脉冲激光；时序控制系统20向发射系统30每发射一个发射脉冲信号，对应向接收系统40发射一个对应的接收脉冲信号；设置与标定目标物体相关的每对对应的接收脉冲信号和发射脉冲信号延迟一个标准延迟时间tstep-S，相邻的每对对应的接收脉冲信号和发射脉冲信号延迟的标准延迟时间tstep-S的差值为标准延时间隔Δtstep-S，所述标准延时间隔满足计算公式：
Figure SMS_61
。
接收系统40基于标定目标物体反射的反射脉冲激光得到反射脉冲激光参数并传输至上位机10；上位机10将接收到的反射脉冲激光参数与标准延迟时间关联，获得标准序列；
采用离散数据插置法对测距序列进行插值，使测距序列的特定延时间隔与标准序列的标准延时间隔相等；使用标准序列对测距序列做离散解卷积计算，以获得脉冲函数δ及其中心位置tm；其中脉冲函数δ的脉宽为
Figure SMS_62
；tm为标准序列与测距序列在延时上的平移量；宽度与标准序列和测距序列的曲线差异相关，二者形状差异越大，则脉冲函数宽度越宽，常见的曲线形状差异包括（对测距序列使用的）插值方法导致的曲线失真（该差异形成的宽度正比于二者的步长之比）、目标朝向（背向）相机移动造成的曲线压缩（展宽）等。
将tm带入目标物体与测距系统的距离dtarget的计算公式，以获得目标物体与所述测距系统的距离dtarget：
Figure SMS_63
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，c为空气中的光速，dref为所述标准序列所对应的标定目标物体与所述测距系统的距离。
对测距序列进行解卷积，测距精度可远高于直接飞行时间测距法的测距精度，达到小于1米级的测距精度。
对测距序列进行解卷积，不需要对测距序列进行拟合近似，因而可以使用编码的发射/接收脉冲信号，进而有利于通过编码避免本发明实施例提供的测距方法所使用的测距系统/设备与其他系统/设备间的串扰，提供测距方法的稳定性及测距精度，同时也可以通过编码来分辨动态目标物体等场景的测距。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (16)

1.一种门控成像的测距系统，其特征在于，包括：
时序控制系统，适于与上位机连接，以实现与所述上位机之间的通信得到发射脉冲指令和接收脉冲指令，并基于所述发射脉冲指令和所述接收脉冲指令得到发射脉冲信号和接收脉冲信号；
发射系统，适于与所述时序控制系统连接，以实现与所述时序控制系统的通信，接收所述时序控制系统发送的所述发射脉冲信号，在所述发射脉冲信号的控制下，向目标物体发射脉冲激光；
接收系统，适于与所述时序控制系统连接，以实现与所述时序控制系统的通信，接收所述时序控制系统发送的所述接收脉冲信号，并在所述接收脉冲信号的控制下，接收被目标物体反射的反射脉冲激光；
其中，所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟了特定延迟时间；所述接收系统适于基于所述反射脉冲激光得到反射脉冲激光参数并传输至所述上位机，所述上位机适于将所述反射脉冲激光参数与所述特定延迟时间关联获得测距序列，并对所述测距序列进行拟合或解卷积处理，以得到目标物体与所述测距系统的距离。
2.根据权利要求1所述的测距系统，其特征在于，所述反射脉冲激光参数包括被目标物体反射的反射脉冲激光的像素强度，所述像素强度的计算公式为：
Figure QLYQS_1
;
其中，tD为系统延时，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，
Figure QLYQS_2
为与tD和dtarget相关的所述像素强度，I0为所述脉冲激光的初始脉冲光强，QE为所述接收系统的量子转换效率，Rtarget为目标物体的反射率，/>
Figure QLYQS_3
为所述脉冲激光的脉冲函数，/>
Figure QLYQS_4
为与dtarget相关的传播函数，ΔtG为所述接收脉冲信号的脉宽。
3.根据权利要求2所述的测距系统，其特征在于，所述时序控制系统适于连续发送多个所述发射脉冲信号；所述发射系统每接收一个所述发射脉冲信号，向目标物体发射一个所述脉冲激光；所述时序控制系统每发送一个所述发射脉冲信号，对应向所述接收系统发送一个对应的所述接收脉冲信号；每对对应的所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟了一个所述特定延迟时间。
4.根据权利要求3所述的测距系统，其特征在于，相邻的所述特定延迟时间的差值为特定延时间隔，所述特定延时间隔递增或递减，所述特定延时间隔满足计算公式：
Figure QLYQS_5
；
Figure QLYQS_6
；
其中，Δtstep为特定延时间隔，ΔtG为所述接收脉冲信号的脉宽，ΔtL为所述发射脉冲信号的脉宽；Δtmin为min函数，取ΔtG和ΔtL中的最小值。
5.根据权利要求4所述的测距系统，其特征在于，所述接收系统适于将采集到的所述特定延时间隔的包含所述反射脉冲激光参数的图像顺序排列，得到所述测距序列，所述测距序列表示为所述特定延时间隔的所述图像的集合Q，
Figure QLYQS_7
;
其中n为所述图像的帧序号，I为所述图像的像素强度，I与所述系统延时tD的关系为：
Figure QLYQS_8
;
其中，P为所述脉冲激光的脉冲函数，G所述接收系统的响应函数。
6.根据权利要求5所述的测距系统，其特征在于，对所述测距序列进行高斯曲线拟合：
Figure QLYQS_9
；
其中，Q(tD)为所述测距序列，A为曲线的峰值，tC为曲线的峰值所在的时间坐标，B为曲线的半峰全宽值；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure QLYQS_10
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，tref为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
7.根据权利要求5所述的测距系统，其特征在于，对所述测距序列进行抛物线拟合：
Figure QLYQS_11
；
其中，Q(tD)为所述测距序列，A为抛物线的峰值，tC为抛物线的峰值对应的时间坐标，const为常数；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure QLYQS_12
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，tref为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
8.根据权利要求5所述的测距系统，其特征在于，对所述测距序列进行解卷积包括：使用标准序列对所述测距序列进行离散解卷积，获得脉宽函数δ及其中心位置tm；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure QLYQS_13
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，c为空气中的光速，dref为所述标准序列所对应的标定目标物体与所述测距系统的距离。
9.一种门控成像的测距方法，基于上述权利要求1-8任一项所述的门控成像的测距系统实现，其特征在于，包括如下步骤：
提供时序控制系统，将所述时序控制系统与上位机连接，与所述上位机通信得到发射脉冲指令和接收脉冲指令，所述时序控制系统基于所述发射脉冲指令和所述接收脉冲指令得到发射脉冲信号和接收脉冲信号；
提供发射系统，将所述发射系统与所述时序控制系统连接，与所述时序控制系统的通信，所述发射系统在所述发射脉冲信号的控制下，向目标物体发射脉冲激光；
提供接收系统，将所述接收系统与所述时序控制系统连接，与所述时序控制系统的通信，所述接收系统在所述接收脉冲信号的控制下，接收被目标物体反射的反射脉冲激光；
其中，设置所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟特定延迟时间；所述接收系统基于所述反射脉冲激光得到反射脉冲激光参数并传输至所述上位机；所述上位机将接收到的所述反射脉冲激光参数与所述特定延迟时间关联，获得测距序列；对所述测距序列进行拟合或解卷积处理，以得到目标物体与所述测距系统的距离。
10.根据权利要求9所述的测距方法，其特征在于，所述反射脉冲激光参数包括被目标物体反射的反射脉冲激光的像素强度，所述像素强度的计算公式为：
Figure QLYQS_14
;
其中，tD为系统延时，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，
Figure QLYQS_15
为与tD和dtarget相关的所述像素强度，I0为所述脉冲激光的初始脉冲光强，QE为所述接收系统的量子转换效率，Rtarget为目标物体的反射率，/>
Figure QLYQS_16
为所述脉冲激光的脉冲函数，/>
Figure QLYQS_17
为与dtarget相关的传播函数，ΔtG为所述接收脉冲信号的脉宽。
11.根据权利要求10所述的测距方法，其特征在于，所述时序控制系统向所述发射系统连续发射多个所述发射脉冲信号；所述发射系统每接收一个所述发射脉冲信号，向目标物体发射一个所述脉冲激光；所述时序控制系统向所述发射系统每发射一个所述发射脉冲信号，对应向所述接收系统发射一个对应的所述接收脉冲信号；设置每对对应的所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟一个所述特定延迟时间。
12.根据权利要求11所述的测距方法，其特征在于，相邻的所述特定延迟时间的差值为特定延时间隔，所述特定延时间隔递增或递减，所述特定延时间隔满足计算公式：
Figure QLYQS_18
；
Figure QLYQS_19
；
其中，Δtstep为特定延时间隔，ΔtG为所述接收脉冲信号的脉宽，ΔtL为所述发射脉冲信号的脉宽；Δtmin为min函数，取ΔtG和ΔtL中的最小值。
13.根据权利要求12所述的测距方法，其特征在于，所述接收系统适于将采集到的所述特定延时间隔的包含所述反射脉冲激光参数的图像按顺序排列，得到所述测距序列，所述测距序列表示为所述特定延时间隔的所述图像的集合Q，
Figure QLYQS_20
;
其中n为所述图像的帧序号，I为所述图像的像素强度，I与所述系统延时tD的关系为：
Figure QLYQS_21
;
其中，P为所述脉冲激光的脉冲函数，G所述接收系统的响应函数。
14.根据权利要求13所述的测距方法，其特征在于，对所述测距序列进行高斯曲线拟合：
Figure QLYQS_22
；
其中，Q(tD)为所述测距序列，A为曲线的峰值，tC为曲线的峰值所在的时间坐标，B为曲线的半峰全宽值；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure QLYQS_23
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，tref为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
15.根据权利要求13所述的测距方法，其特征在于，对所述测距序列进行抛物线拟合：
Figure QLYQS_24
；
其中，Q(tD)为所述测距序列，A为抛物线的峰值，tC为抛物线的峰值对应的时间坐标，const为常数；
目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：
Figure QLYQS_25
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，tref为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
16.根据权利要求13所述的测距方法，其特征在于，对所述测距序列进行解卷积包括：
提供一标定目标物体，所述标定目标物体所在平面与所述脉冲激光的瞄准基线垂直，且距离测距系统的距离为dref；所述标定目标物体上的各处对所述脉冲激光的反射率相同；
所述时序控制系统向所述发射系统连续发射多个所述发射脉冲信号；所述发射系统每接收一个所述发射脉冲信号，向所述标定目标物体发射一个所述脉冲激光；所述时序控制系统向所述发射系统每发射一个所述发射脉冲信号，对应向所述接收系统发射一个对应的所述接收脉冲信号；设置与所述标定目标物体相关的每对对应的所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟一个标准延迟时间，相邻的每对对应的所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟的所述标准延迟时间的差值为标准延时间隔Δtstep-S，所述标准延时间隔满足计算公式：
Figure QLYQS_26
;
所述接收系统基于所述标定目标物体反射的反射脉冲激光得到反射脉冲激光参数并传输至所述上位机；所述上位机将接收到的所述反射脉冲激光参数与所述标准延迟时间关联，获得标准序列；
采用离散数据插置法对所述测距序列进行插值，使所述测距序列的特定延时间隔与所述标准序列的标准延时间隔相等；使用所述标准序列对所述测距序列做离散解卷积计算，以获得脉冲函数δ及其中心位置tm；其中所述脉冲函数δ的脉宽为
Figure QLYQS_27
；
将tm代入目标物体与所述测距系统的距离dtarget的计算公式，以获得目标物体与所述测距系统的距离dtarget：
Figure QLYQS_28
；
其中，dtarget为目标物体与所述测距系统的距离，c为空气中的光速，dref为所述标准序列所对应的标定目标物体与所述测距系统的距离。
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