CN117930256A - 一种脉冲式iToF激光雷达的距离选通探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于ToF型激光雷达测距技术领域，具体为一种脉冲式iToF激光雷达的距离选通探测装置及方法。本发明装置包括时序控制单元、激光光源、iToF传感器、信号处理单元、发射透镜模组、接收透镜；时序控制单元控制激光光源和iToF传感器的驱动时序，实现距离选通探测功能；激光光源产生脉宽为纳秒级的激光脉冲，发射的激光光脉冲经过发射透镜模组后照射到探测目标表面，经过目标反射后的激光回波被接收透镜接收，并被iToF传感器的感光像素阵列捕获；信号处理单元计算发射光脉冲与接收光脉冲的相移，并结合时序控制信息获取探测目标的距离信息。本发明可实现距离选通功能，大幅度提升探测范围。装置结构简单，操作方便，具有广泛的应用前景。

Description

一种脉冲式iToF激光雷达的距离选通探测装置及方法

技术领域

本发明属于ToF型激光雷达测距技术领域，具体涉及一种脉冲式iToF激光雷达的距离选通探测装置及方法。

背景技术

间接飞行时间法(indirect Time-of-Flight,iToF)通过测量发射光和反射光的相对相位差来求解探测目标物的距离信息，由于其基本原理简单、结构简单稳定、测量精度高等优势，已在激光雷达测距技术中占据重要地位，逐渐被应用于三维重建、工业检测、姿态识别、无人驾驶及机器视觉等新兴领域。

脉冲式iToF激光雷达的传感器基本像素单元简化结构与典型探测时序如图1所示。具体的，发射脉宽为t_p的激光信号，控制传感器像素的G1门控与发射信号同步，G2门控延时t_p后开启，G3为复位门控。发射信号经过t_d飞行时间后被传感器像素的光电二极管PD所接收，先后分别在浮动扩散区FD1和FD2形成累积电荷，通过测量输出电压可以计算得出激光信号的飞行时间t_d。

从上述探测时序可知，脉冲式iToF激光雷达的测距作用范围由激光脉宽决定，更远的探测距离需要更宽的激光脉宽。然而在实际应用中，长脉宽要求的功率更高，会导致激光器发热严重，影响系统可靠性，另外，门控脉宽增加也会导致环境光的影响加剧，使得激光雷达系统的测距精度下降。

提高脉冲式iToF激光雷达系统的有效作用距离可以拓展应用场景，有助于让激光雷达更好地服务于自动驾驶、智能安防等领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲式iToF激光雷达的距离选通探测装置及方法，通过调节激光光源输出脉冲与传感器探测门控之间的相对延时进行距离选通探测，然后将多个选通距离区间进行拼接，提升iToF激光雷达的应用距离。

本发明提供的脉冲式iToF激光雷达的距离选通探测装置，其结构参见图2所示，包括时序控制单元、激光光源、iToF传感器、信号处理单元、发射透镜模组、接收透镜；其中：

所述时序控制单元，用来控制激光光源和iToF传感器的驱动时序，实现距离选通探测功能；

所述激光光源，用于产生脉宽为纳秒级的激光脉冲；发射的激光光脉冲经过发射透镜模组后照射到探测目标表面，经过探测目标反射后的激光回波被接收透镜接收，并被iToF传感器的感光像素阵列捕获；

所述信号处理单元，用于接收iToF传感器模块的输出信号，并计算发射光脉冲与接收光脉冲的相移，并结合时序控制信息获取探测目标的距离信息；

所述时序控制单元21可以采用FPGA、DSP或者设计成专用的ASIC芯片等；所述激光光源可以采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)、边发射激光器(EEL)等。

相应地，本发明还提供脉冲式iToF激光雷达的距离选通探测方法，包括以下步骤：

(1)设定探测区间以及子帧数量；计算各子帧的探测脉宽与延时时间；

(2)时序控制单元根据计算所得的脉宽与延时时间，分别控制激光光源和iToF传感器工作；

(3)信号处理单元检测iToF传感器输出值，若输出值超出iToF传感器的饱和阈值，则需要舍弃掉当前子帧数据包，减少iToF传感器曝光时间后重新进行本子帧区间的测量，若输出值未超出iToF传感器的饱和阈值，则进行下一子帧区间的探测；

(4)信号处理单元根据iToF传感器输出值与延时时间计算目标距离值；

(5)各子帧探测完毕后，信号处理单元采用加权平均分对各子帧进行交叠融合拼接对距离值进行修正，提升测距的准确度。

本发明通过控制激光光源发射时刻与iToF传感器接收信号时刻之间的相对延时，实现距离选通功能，可以在不改变探测精度的情况下，大幅度提升探测范围。装置结构简单，操作方便，在激光雷达探测领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为iToF传感器基本像素单元简化结构与探测时序。

图2为本发明提供的脉冲式iToF激光雷达距离选通探测装置结构示意图。

图3为本发明一实施例提供的距离选通探测方法流程图。

图4为本发明一实施例提供的门控选通探测时序示意图。

图5为本发明一实施例提供的激光上升/下降沿对测量结果影响的示意图。

图6为本发明一实施例提供的子帧交叠区域拼接方法示意图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步介绍本发明。

本发明提供的脉冲式iToF激光雷达的距离选通探测装置，其结构参见图2所示，包含：时序控制单元21、激光光源22、发射透镜模组23、目标24、接收透镜25、iToF传感器26、信号处理单元27，其中：

所述时序控制单元21，用来控制激光光源22和iToF传感器26的驱动时序，实现距离选通探测功能；

所述激光光源22发射的光脉冲经过发射透镜模组23后照射到探测目标24表面，经过探测目标24反射后的激光回波被接收透镜25接收，并最终被iToF传感器26的感光像素阵列捕获；

所述信号处理单元27通过计算发射光脉冲与接收光脉冲的相移，并结合时序控制信息来获取探测目标24的距离信息；

所述时序控制单元21可以采用FPGA、DSP或者设计成专用的ASIC芯片等；所述激光光源22可以采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)、边发射激光器(EEL)等。

所述激光光源22，可以产生纳秒级脉宽的激光，并且可以被外部信号触发。

本发明提供的脉冲式iToF激光雷达的距离选通探测方法，参见图3所示，具体步骤为：

S51、对于距离为L的探测区间，将整个探测区间拆分成等距离的N个子探测区间，具体拆分的计算方法可以参照下式：

N ＝ L/D， (1)

D为单帧探测距离，应小于等于传感器的最大探测距离；N为距离L除以单帧探测距离D的值向上取整的结果。

S52、计算探测脉宽tp与延时步td，探测脉宽tp应覆盖单个子区间范围，即：tp＝2D/(N*c)，延时步长td应等于或略小于探测脉宽tp；时序控制单元首先控制激光光源产生脉宽为tp的脉冲激光，然后延时td后打开iToF传感器的探测门控，使iToF传感器接收经过目标反射回来的激光回波信号。

具体来说，如图4所示，激光脉冲和传感器探测门控脉宽均为tp，但两者相差一个延时时间td，此延时时间可用来设定和调节探测的距离选通范围。激光脉冲经目标反射后被传感器接收，分别在传感器的G1和G2门控时间内积累并产生输出信号FD1和FD2。此探测方式下，目标距离计算公式为：

Distance ＝ c/2 * [td + tp * FD2 / (FD1 + FD2)]， (2)

其中，c为光速。

由于延时td可以被自由设定，因此可以在无需添加其他硬件的情况下，任意扩展探测范围。在一些实施例中，可根据目标的预估距离范围以及激光光源的功率上限设定延时td及其相应的调节步长。

S53、信号处理单元27分配各子帧寄存器的首地址，用来接收并暂存iToF传感器的读出数据；

S54、第n号子帧积分时间，探测参数初始化完成后，进入子帧曝光积分阶段，在子区间内iToF传感器开始曝光，然后根据iToF传感器的输出值进行逻辑判断；为避免iToF传感器过度曝光造成读出值无法正确解算出距离值。

位于近距离和远距离处的目标对激光能量的要求有很大的差别，假设探测目标为扩展目标(目标可以反射全部激光光束并被探测器所接收)，则根据雷达作用距离方程可知，在输出激光功率一定的情况下，接收激光功率与目标距离的二次方成反比。因此，对于宽范围测距应用，可以利用本发明中的距离选通探测技术来划分探测区间，并分别设定各探测区间的输出激光功率以及积分时间长度。

具体来说，

S55、设定一个阈值Q_Thre，此阈值可设定为iToF传感器输出饱和电压的85％-95％(通常设定为90％)，把iToF传感器读出值Q_n与阈值Q_Thre进行比较，若当前读出值大于阈值Q_Thre，说明当前iToF传感器处于过度曝光状态，则需要丢弃当前子帧数据，并减少单位积分时间，然后重新进行当前子帧的测量。

进一步包括：求取iToF传感器部分像素点输出的平均值与阈值Q_Thre进行比较，这样可以避免单个像素点异常而造成整个数据包丢弃，使得整体成像帧率降低。对于满足阈值要求的子帧，执行步骤S56；

S56、将本子帧的iToF传感器输出数据贴好标号ID，并将数据包传输至信号处理单元27，然后开始下一子帧的曝光阶段，重复步骤S54和S55；

S57、判断是否获取到所有子帧数据，当各子帧数据全部被正确接收后，执行步骤S58；

S58、进入数据处理阶段，信号处理单元27根据各子帧强度信息来计算距离信息，然后将各子帧拼接输出一帧距离图像。

进一步地，在iToF传感器曝光期间，由于激光光源并不能产生理想的矩形波脉冲，而是具有一定上升沿、下降沿的梯形波。因此，iToF传感器的输出并不能保持线性关系，直接使用距离解算公式会产生误差。如图5所示，激光脉冲在不同时刻返回iToF传感器并分别在被G1和G2门控时间内被捕获。若激光脉冲波形为理想的矩形波，则iToF传感器输出值如图中虚线所示，呈线性关系。非理性情况下，则输出如图中实线所示，在距离的近端和远端为非线性区间，若未进行修正，在近处的计算值会大于真实值，在远处的计算值会小于真实值。

针对上述问题，本发明在子帧拼接阶段对距离误差进行修正，以下结合图6进一步解释说明对拆分为5个子帧的探测区间进行拼接，单个子帧探测区间的脉宽为60ns，子帧间的选通延时为40ns。因此，5个子帧的探测范围分别为0～9m、6～15m、12～21m、18～27m和24～33m。两个子帧探测区间存在3m的距离交叠区，可以通过该交叠区进行距离修正。单个子帧可细分为前交叠区：子帧的近端，输出值会偏大，需要结合前一子帧的后交叠区进行修正；后交叠区：子帧的远端，输出值会偏小，需要结合后一子帧的前交叠区进行修正；掩膜区：该部分处于本子帧的线性区，其他子帧出现该距离段的数据时应被舍去。采用加权平均法进行距离修正的计算公式为：

d_corr ＝ d_n * t_r / (t_r + t_f) + d_n+1 * t_f / (t_r + t_f)， (3)

其中，t_r为激光脉冲上升沿时间，t_f激光脉冲的下降沿时间，d_n为第n子帧的后交叠区输出值，d_n+1为第n+1子帧的前交叠区输出值。

根据以上内容可以看出，本发明只需要通过设定激光输出脉冲与传感器探测门控之间的相对延时，进行距离选通探测。相较于传统方案，避免了长脉宽探测下的近距离时饱和，远距离时能量不够的缺陷，拓宽了iToF型激光雷达的应用距离；在数据处理方面，针对非线性误差，将宽范围探测区间拆分为多个子区间并且进行加权平均修正，提高了测距的准确性，且不需要额外的硬件去配置，减少系统的成本。

Claims (5)

1.一种脉冲式iToF激光雷达的距离选通探测装置，其特征在于，包括时序控制单元、激光光源、iToF传感器、信号处理单元、发射透镜模组、接收透镜；其中：

所述时序控制单元，用来控制激光光源和iToF传感器的驱动时序，实现距离选通探测功能；

所述激光光源，用于产生脉宽为纳秒级的激光脉冲；发射的激光光脉冲经过发射透镜模组后照射到探测目标表面，经过探测目标反射后的激光回波被接收透镜接收，并被iToF传感器的感光像素阵列捕获；

所述信号处理单元，用于接收iToF传感器模块的输出信号，并计算发射光脉冲与接收光脉冲的相移，并结合时序控制信息获取探测目标的距离信息。

2.根据权利要求1所述的脉冲式iToF激光雷达的距离选通探测装置，其特征在于，所述时序控制单元采用FPGA、DSP或者设计成专用的ASIC芯片；所述激光光源采用垂直腔面发射激光器或边发射激光器。

3.基于权利要求1所述装置的脉冲式iToF激光雷达的距离选通探测方法，其特征在于，具体步骤为：

(1)设定探测区间以及子帧数量；计算各子帧的探测脉宽与延时时间；

(2)时序控制单元根据计算所得的脉宽与延时时间，分别控制激光光源和iToF传感器工作；

(3)信号处理单元检测iToF传感器输出值，若输出值超出iToF传感器的饱和阈值，则需要舍弃掉当前子帧数据包，减少iToF传感器曝光时间后重新进行本子帧区间的测量，若输出值未超出iToF传感器的饱和阈值，则进行下一子帧区间的探测；

(4)信号处理单元根据iToF传感器输出值与延时时间计算目标距离值；

(5)各子帧探测完毕后，信号处理单元采用加权平均分对各子帧进行交叠融合拼接对距离值进行修正，提升测距的准确度。

4.根据权利要求3所述的距离选通探测方法，其特征在于，具体流程为

S51、对于距离为L的探测区间，将整个探测区间拆分成等距离的N个子探测区间，拆分方法为：

N ＝ L/D， (1)

D为单帧探测距离，小于等于传感器的最大探测距离；N为距离L除以单帧探测距离D的值向上取整的结果；

S52、计算探测脉宽tp与延时步td，探测脉宽tp覆盖单个子区间范围，即：tp＝2D/(N*c)，c为光速；延时步长td等于或略小于探测脉宽tp；时序控制单元首先控制激光光源产生脉宽为tp的脉冲激光，然后延时td后打开iToF传感器的探测门控，使iToF传感器接收经过目标反射回来的激光回波信号；

激光脉冲和iToF传感器探测门控脉宽均为tp，但两者相差一个延时时间td，此延时时间用来设定和调节探测的距离选通范围；激光脉冲经目标反射后被iToF传感器接收，分别在传感器的G1和G2门控时间内积累并产生输出信号FD1和FD2；此探测方式下，目标距离计算公式为：

Distance ＝ c/2 * [td + tp * FD2 / (FD1 + FD2)]， (2)

S53、信号处理单元分配各子帧寄存器的首地址，用来接收并暂存iToF传感器的读出数据；

S54、第n号子帧积分时间，探测参数初始化完成后，进入子帧曝光积分阶段，在子区间内iToF传感器开始曝光，然后根据iToF传感器的输出值进行逻辑判断，避免iToF传感器过度曝光造成读出值无法正确解算出距离值；具体地：

S55、设定一个阈值Q_Thre，此阈值设定为iToF传感器输出饱和电压的85-95％，把iToF传感器读出值Q_n与阈值Q_Thre进行比较，若当前读出值大于阈值Q_Thre，说明当前iToF传感器处于过度曝光状态，则丢弃当前子帧数据，并减少单位积分时间，然后重新进行当前子帧的测量；

此外，求取iToF传感器部分像素点输出的平均值与阈值Q_Thre进行比较，以避免单个像素点异常而造成整个数据包丢弃，使得整体成像帧率降低；对于满足阈值要求的子帧，执行步骤S56；

S56、将本子帧的iToF传感器输出数据贴好标号ID，并将数据包传输至信号处理单元，然后开始下一子帧的曝光阶段，重复步骤S54和S55；

S57、判断是否获取到所有子帧数据，当各子帧数据全部被正确接收后，执行步骤S58；

S58、进入数据处理阶段，信号处理单元根据各子帧强度信息来计算距离信息，然后将各子帧拼接输出一帧距离图像。

5.根据权利要求4所述的距离选通探测方法，其特征在于，在子帧拼接阶段，对距离误差进行修正，具体方法如下：对于两个子帧探测区间存在一定距离交叠区，通过该交叠区进行距离修正；对于单个子帧可细分为前交叠区：子帧的近端，输出值会偏大，需要结合前一子帧的后交叠区进行修正；后交叠区：子帧的远端，输出值会偏小，需要结合后一子帧的前交叠区进行修正；掩膜区：该部分处于本子帧的线性区，其他子帧出现该距离段的数据时舍去；采用加权平均法进行距离修正的计算公式为：

d_corr ＝ d_n * t_r / (t_r + t_f) + d_n+1 * t_f / (t_r + t_f)， (3)

其中，t_r为激光脉冲上升沿时间，t_f激光脉冲的下降沿时间，d_n为第n子帧的后交叠区输出值，d_n+1为第n+1子帧的前交叠区输出值。