CN117970355A - 一种飞行时间距离测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种飞行时间距离测量系统，其特征在于，包括光发射模块、光接收模块、以及处理单元；所述光发射模块用于发射脉冲光束；所述光接收模块用于接收所述发射脉冲光束的回波并形成光子信号；所述处理单元，包括功率调节模块，其中所述功率调节模块用于根据预设的功率调节步长调节所述光发射模块的功率，如此，通过根据回波光子数与测距精度的关系对于不同距离范围调节不同的发射功率，使得回波信号光子数的范围在合理的测距精度要求范围内，以此便能够满足实现SPAD的远距离测距，同时提高测距精度。

Description

一种飞行时间距离测量系统及方法

本申请请求于2022年11月17日提交国家知识产权局、申请号为：2022114403820、申请名称为“一种飞行时间距离测量系统及方法”的中国专利的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及飞行时间距离测量领域，特别涉及一种飞行时间距离测量系统及方法。

背景技术

近年来，随着半导体技术的进步，用于测量到物体的距离的测距模块的小型化已经取得了进展。因此，例如，已经实现了在诸如所谓的智能电话等移动终端中安装测距模块，所述智能电话是具有通信功能的小型信息处理装置随着科技的进步，在距离或者深度信息探测过程中，经常使用的方法为飞行时间测距法(Time of flight，TOF)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离，在TOF技术中直接对光飞行时间进行测量的技术被称为DTOF(direct-TOF)；对发射光信号进行周期性调制，通过对反射光信号相对于发射光信号的相位延迟进行测量，再由相位延迟对飞行时间进行计算的测量技术被成为ITOF(Indirect-TOF)技术。按照调制解调类型方式的不同可以分为连续波(Continuous Wave，CW)调制解调方式和脉冲调制(Pulse Modulated，PM)解调方式，直接飞行时间探测(DirectTime of flight，DTOF)作为TOF的一种，DTOF技术通过计算光脉冲的发射和接收时间，直接获得目标距离，具有原理简单，信噪比好、灵敏度高、精确度高等优点，受到了越来越广泛的关注。

DTOF的探测原理为对于探测器像素单元(目前使用较多的为单光子雪崩二极管，SPAD此处并不限定)施加大于一定阈值电压的工作电压，这样二极管处于雪崩模式，这样探测器像素单元将具有特别高的灵敏度，对于SPAD二极管而言，甚至能够被单光子触发，通过多次触发的统计结果获取，进而可以输出被探测物的目标距离，但是待测目标物体处于近距离情况下，SPAD二极管接收到较强的回波功率容易导致脉冲前沿触发，测距精度下降，待测物体处于远距离情况下，SPAD二极管能够捕获的回波反射光的光强较弱，无法获得明显的统计。为了保证在各种场景中测距系统均能有更高的适应性，同时保证测距系统在各种场景下具有更高的准确性，是亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种探测装置及方法，以解决现有的探测装置探测距离不同导致的测距精度不高的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种飞行时间距离测量系统，其特征在于，包括：光发射模块、光接收模块、以及处理单元；

所述光发射模块用于发射脉冲光束；

所述光接收模块用于接收所述发射脉冲光束的回波并形成光子信号；

所述处理单元，包括功率调节模块，其中所述功率调节模块用于根据预设的功率调节步长调节所述光发射模块的功率。

可选地，所述飞行时间距离测量系统预先设置测距区间的功率调节总档数、功率调节的步长以及光源的初始功率。

可选地，所述处理单元根据所述光发射模块的功率、待测目标的距离、发射光学系统透过率、接收光学系统透过率、目标的反射率、接收半视场角、发射半发散角、接收入瞳口径计算获得所述回波的光子数。

可选地，所述处理单元根据所述回波的光子数获得所述待测目标的测距精度。

可选地，所述接收模块包括单光子雪崩光电二极管(SPAD)。

可选地，预先设置功率调节的总档数，所述功率调节模块逐档进行功率调节或者跨多档数进行功率调节。

第二方面，本申请实施例提供了一种飞行时间距离测量方法，应用于上述第一方面所述的飞行时间距离测量系统，所述飞行时间距离测量方法包括如下步骤：

光源发射脉冲光束；

接收模块接收所述发射脉冲光束的回波并形成光子信号；

根据回波信号计算回波光子数；

根据回波光子数与测距精度的关系确定功率的调节档数。

可选地，所述回波信号光子数根据光发射模块的功率、待测目标的距离、发射光学系统透过率、接收光学系统透过率、目标的反射率、接收半视场角、发射半发散角、接收入瞳口径计算获得。

可选地，所述功率调节档数为一档或者多档。

可选地，预先设置测距区间的功率调节总档数，其中每档功率对应不同的测距距离。

本申请的有益效果是：

本申请实施例提供的飞行时间距离测量系统，其特征在于，包括光发射模块、光接收模块、以及处理单元；

所述光发射模块用于发射脉冲光束；

所述光接收模块用于接收所述发射脉冲光束的回波并形成光子信号；

所述处理单元，包括功率调节模块，其中所述功率调节模块用于根据预设的功率调节步长调节所述光发射模块的功率，如此，通过根据回波光子数与测距精度的关系对于不同距离范围调节不同的发射功率，使得回波信号光子数的范围在合理的测距精度要求范围内，以此便能够满足实现SPAD的远距离测距，同时提高测距精度。

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为本申请实施例提供的一种探测系统示意图；

图2为本申请实施例提供的一种DTOF直方图的示意图；

图3为本申请实施例提供的一种测距距离与回波信号光子数之间关系示意图；

图4为本申请实施例提供的一种在多档功率下测距距离与回波信号光子数之间关系示意图；

图5为本申请实施例提供的一种功率可调整的探测系统示意图；

图6为本申请实施例提供的一种功率可调整的探测方法流程图。

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为本申请实施例提供的一种探测系统示意图。如图1示意了探测系统获取目标的基本原理，处理单元120控制光源110发出发射光，光源可以为LED或者激光源，此处为了考虑人眼安全等一般选择光源为具有近红外波长的激光源，激光源可以选择VCSEL阵列型激光源，此处并不限定，光源110至少部分单元发射探测光，当然也包含了全部发出发射光和部分发出发射光的场景此处不做限定，为了实现能量集中和系统工作的高效性，通常使用部分输出单元输出发射光，接收模块130包含SPAD单光子雪崩二极管探测单元，这样可以实现对于微弱能量下的准确探测。

在实际的探测过程中，光源发射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，通过数以万次的发射由统计结果获得最终的目标距离信息，脉冲激光经过探测目标140反射返回处于包含雪崩状态SPAD的阵列型接收模块，其中处于雪崩状态的探测单元可以接收返回的信号，返回的信号可以是发射脉冲光束的回波并形成光子信号，当接收模块的SPAD被施加高的偏置电压时，接收模块的SPAD单元处于雪崩状态，因此可以感测背景光或者返回信号光的光子，再利用处理单元的统计功能，对于触发事件进行大量的统计，通过统计结果构造出直方图，再对于直方图的触发概率高的时间段信息输出即可实现对于探测目标140的距离信息获取。

图2为本申请实施例提供的一种DTOF直方图的示意图；测距系统在向物体发射光脉冲时开始计时(时间参考点)，并记录检测到被物体140反射回的光脉冲中的光子的时刻，即可获取单个光子从发射光源110到达物体140，再被物体140反射至接收模块130这段行程经历的飞行时间t。由于光速C是已知的，所以可以通过计算出测距系统到物体140之间的距离S。飞行时间t具体可由直方图获得。建立关于时间和接收模块130接收到光子的次数(光子信号的计数值)的直方图。直方图是多个预设周期的光子随时间的分布函数的整合，能够反映经过一次或多次发射光束后，接收模块130接收到光子的次数随时间的分布关系，如图2所示。具体地，如图2所示假设每一个时间单元为1ns。光源110发射光脉冲后，接收模块130没有探测到光子，就不在时间单元上增加计数值，或者认为所有的时间单元上计数值均+0。光源110第发射光脉冲后，接收模块130在时间单元内探测到光子，就在对应的时间单元计数值+1。知道发射脉冲结束后，停止统计后可以对获取的直方图做后处理，以计算测距系统到探测目标140之间的距离S。在直方图中可能存在一个或多个计数值大于0的时间单元。处理单元120可以对直方图中各个时间单元的计数值进行平滑滤波获取关于计数值随时间变化的波形信息。其中，最高峰值所在的时间单元能够反映在多个预设周期内，在该时间单元检测到光子的次数最多。因此直方图的最高峰值对应的峰值时刻能够较为准确地反映接收模块130接收到光子的时刻。处理单元120能够根据峰值时刻及检测周期的起始时刻获取光脉冲的飞行时间t，再根据飞行时间t和光速C通过计算出测距系统到探测目标140之间的距离S＝C*t/2。如图2所示直方图的最高峰出现在13ns处。在高精度测距需求下，待测物体处于近距离情况下，SPAD接收到较强的回波功率容易导致脉冲前沿触发(如图2所示的13ns出的上升沿)，但是待测物体处于远距离情况下，SPAD捕获的反射光的光强较弱，无法获得如图2所示的明显的直方图统计。对于处于不同距离的待测物体如何高精度的测距是亟需解决的技术问题。

图3为本申请实施例提供的一种测距距离与回波信号光子数之间关系示意图。在图1所示实施例中光源模块的发射光功率P_t、距离为L的待测目标物体回波脉冲的信号光子数N。

式中τ_t为发射光学系统透过率，τ_opt为接收光学系统透过率，τ_r为目标的反射率，w接收半视场角，θ发射半发散角，D为接收入瞳口径，L为待测目标物体的距离，P_receive为回波脉冲的信号光功率，T为脉冲信号的积分时间。不同距离下的回波信号光子数与测距距离的关系如图3所示。

图4为本申请实施例提供的一种在多档功率下测距距离与回波信号光子数之间关系示意图。接收到的回波信号光子数n与测距精度ΔL的关系为公式(3)所示。

其中E(1,n)是第一次序统计量的期望值，代表n个触发信号光子数引入的触发时间前移误差。式中μ、σ代表总体的均值和方差，Φ代表正态分布的累计分布函数，α是一个常数，C为光速。

根据公式(3)所示信号光子数对测距精度的影响关系，根据测距范围预先设置待测距离的档数，按照预设设置的规则将总的测距距离划分出多档测距范围。每档距离范围一一对应不同的发射功率。可以根据实验数据或者理论数据确定需要提高发射功率的距离范围，以及需要降低发射功率的距离范围，使得回波信号光子数的范围在合理的测距精度要求范围内。确定处每档测距的发射功率，以此便能够满足实现SPAD的远距离测距，同时提高测距精度。其中每档距离的功率调节步长可以预先设置。

图5为本申请实施例提供的一种功率可调整的探测系统示意图。如图5示意了探测系统获取目标的基本原理，处理单元520首先以预设的条件控制光源510发出发射光，其中，发射光的光率与控制单元的预设条件相对应，光源可以为LED或者激光源，光源510至少部分单元发射探测光，当然也包含了全部发出发射光和部分发出发射光的场景此处不做限定，接收模块530包含SPAD单光子雪崩二极管探测单元。在实际的探测过程中，光源发射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，通过数以万次的发射由统计结果获得最终的目标距离信息，脉冲激光经过探测目标540反射返回处于包含雪崩状态SPAD的阵列型接收模块，其中处于雪崩状态的探测单元可以接收返回的信号，返回的信号可以是发射脉冲光束的回波并形成光子信号，当接收模块的SPAD被施加高的偏置电压时，接收模块的SPAD单元处于雪崩状态，因此可以感测背景光或者返回信号光的光子，再利用处理单元的统计功能，对于触发事件进行大量的统计，处理单元520统计接收到的回波光子数，根据回波光子数确定在下次的探测中是提高发射功率还是降低发射功率，并将调整功率的指示发送给功率调节模块5201。所述功率调节模块5201控制光源模块520按照调整后的功率发射探测光。所述功率调节模块5201可以是处理单元的一部分，也可以独立于处理单元为单独的模块，本申请实施例不做具体限制。

图6为本申请实施例提供的一种功率可调整的探测方法流程图。如图6所示探测方法包括如下步骤：

S101：预先设置测距区间的功率调节总档数、功率调节的步长、光源的初始功率；可以根据测距系统中能够达到的测距范围，测距范围中预期的回波光子数目的上限以及下限、允许的测距精度等来确定上述预设参数。

S102：光源模块按照初始功率发射探测光；

S103：接收阵列接收待测物体反射的回波信号；

步骤S102～步骤S103所述的探测方法与上面所述的实施例相同，这里就不再赘述。

S104：处理单元计算根据回波信号计算回波光子数；所述处理单元可根据公式(1)～公式(2)获得回波信号的光子数。

S105：处理单元根据回波光子数与测距精度的关系确定功率的调节档位，光源模块按照功率调节后的功率发射探测光。所述处理单元根据上述实施例中的公式(3)可以获得测距精度，判断测距精度是否达到预期，如果达到预期则不进行功率调节，如果不能达到预期则根据上述步骤S104中获得的光子数判断光源的发射功率是过大还是过小，进而确定是提升光源发射功率还是降低光源发射功率。所述功率调节模块可以根据预先设置的功率调节的总档数逐档进行功率调节，也可以一次跨多档数进行功率调节。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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)

1.一种飞行时间距离测量系统，其特征在于，包括：光发射模块、光接收模块、以及处理单元；

所述光发射模块用于发射脉冲光束；

所述光接收模块用于接收所述发射脉冲光束的回波并形成光子信号；

所述处理单元，包括功率调节模块，其中所述功率调节模块用于根据预设的功率调节步长调节所述光发射模块的功率。

2.根据权利要求1所述的飞行时间距离测量系统，其特征在于，所述飞行时间距离测量系统预先设置测距区间的功率调节总档数、功率调节的步长以及光源的初始功率。

3.根据权利要求1所述的飞行时间距离测量系统，其特征在于，所述处理单元根据所述光发射模块的功率、待测目标的距离、发射光学系统透过率、接收光学系统透过率、目标的反射率、接收半视场角、发射半发散角、接收入瞳口径计算获得所述回波的光子数。

4.根据权利要求3所述的飞行时间距离测量系统，其特征在于，所述处理单元根据所述回波的光子数获得所述待测目标的测距精度。

5.根据权利要求1所述的飞行时间距离测量系统，其特征在于，所述接收模块包括单光子雪崩光电二极管(SPAD)。

6.根据权利要求1所述的飞行时间距离测量系统，其特征在于，预先设置功率调节的总档数，所述功率调节模块逐档进行功率调节或者跨多档数进行功率调节。

7.一种飞行时间距离测量方法，其特征在于，适用于如权利要求1所述的时间距离测量系统，包括如下步骤：

光源发射脉冲光束；

接收模块接收所述发射脉冲光束的回波并形成光子信号；

根据回波信号计算回波光子数；

根据回波光子数与测距精度的关系确定功率的调节档数。

8.根据权利要求7所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于，所述回波信号光子数根据光发射模块的功率、待测目标的距离、发射光学系统透过率、接收光学系统透过率、目标的反射率、接收半视场角、发射半发散角、接收入瞳口径计算获得。

9.根据权利要求7所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于，所述功率调节档数为一档或者多档。

10.根据权利要求7所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于，预先设置测距区间的功率调节总档数，其中每档功率对应不同的测距距离。