CN212341461U - 一种基于时间延时的距离测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于时间延时的距离测量系统，包括发射器、采集器以及控制和处理电路；其中，发射器经配置以朝向目标区域发射脉冲光束；采集器包括由多个像素组成的像素单元，通过所述像素采集光脉冲中的光子，输出指示采集到光子的光子信号；控制和处理电路包括延时控制电路，所述延时控制电路与所述像素连接，以对光子信号进行延时处理。通过延时控制电路对光子信号施加时间延迟以得到延迟光子信号，可在直方图中获得多个不重合的脉冲波形，根据脉冲波形获得多个延迟飞行时间，进一步根据延时控制电路设定的延迟时间进行时间复原，得到对应各个目标点的准确飞行时间，从而可以避免直方图中出现波峰重叠无法准确识别出飞行时间的情形。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种基于时间延时的距离测量系统。
背景技术
利用飞行时间原理(Time of Flight)、结构光原理可以对目标进行距离测量以获取包含目标深度值的深度图像，进一步基于该深度图像可以实现三维重建、人脸识别、人机交互等功能，相关的距离测量系统已被广泛应用于消费电子、无人架驶、AR/VR等领域。其中，基于飞行时间原理的距离测量系统通常包括发射器和采集器，通过发射器发射脉冲光束照射目标视场，脉冲光束照射目标视场后经目标物体发生反射，通过采集器采集反射回的反射光束，计算光束由发射到反射回被接收所需要的时间来计算物体的距离；而结构光距离测量系统则通过对反射回的光束图案进行处理并利用三角法计算物体的距离。
在基于飞行时间原理的距离测量系统中，单光子雪崩光电二极管(SPAD)是能够以数十皮秒量级的非常高的到达时间分辨率捕获各个光子的检测器。基于SPAD的检测器阵列可以在专用半导体工艺或者在标准CMOS技术中制造。在利用SPAD的直接飞行时间测量系统中，单个光子入射SPAD将引起雪崩并将雪崩信号传入TDC电路，由TDC电路检测出光子从发射到引起雪崩的时间，通过多次检测将时间间隔进行直方图统计以恢复出整个脉冲信号的波形。然而，对SPAD的检测光子产生的光子信号进行处理的电路中包含大量的TDC与直方图电路，需要占用了较大的芯片面积，不利于小型化设计，但若将多个像素共用一个TDC和直方图电路，则每个像素采集到光束后产生的表征脉冲信号的波形将在直方图电路统计后出现波峰重叠的情况，无法准确识别出具体的多个飞行时间以及每个飞行时间是由具体哪个像素单元采集光子产生的。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于时间延时的距离测量系统，以解决上述背景技术问题中的至少一种。
为达到上述目的，本实用新型实施例的技术方案是这样实现的：
一种基于时间延时的距离测量系统，包括：
发射器，经配置以朝向目标区域发射脉冲光束；其中，至少部分所述脉冲光束经目标区域反射后形成反射光束；
采集器，用于接收所述反射光束中的至少部分脉冲光束，其包括由多个像素组成的像素单元，通过所述像素采集光脉冲中的光子，输出指示采集到光子的光子信号；
控制和处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，以用于计算所述光脉冲从发射到被采集之间的飞行时间；其中，所述控制和处理电路包括延时控制电路，所述延时控制电路与所述像素连接，以对所述光子信号进行延时处理。
在一些实施例中，所述控制和处理电路还包括TDC电路以及直方图电路；其中，所述延时控制电路对所述光子信号进行延时处理得到具有时间延迟的延迟光子信号；所述TDC电路采集多个所述像素的延迟光子信号以获得光子计数串；所述直方图电路根据所述光子计数串绘制直方图；所述控制和处理电路确定每个所述像素对应的延迟飞行时间，并根据所述延迟光子信号的延迟时间对所述延迟飞行时间进行处理，得到每个所述像素采集的光脉冲对应的飞行时间。
在一些实施例中，所述发射器被配置为朝向目标区域发射时间编码的光脉冲信号串；其中，所述时间编码是单重时间编码或多重时间编码。
在一些实施例中，所述发射器被配置为由多个光源组成的光源阵列，所述光源阵列与所述像素单元具有一一对应关系。
在一些实施例中，所述控制和处理电路分别控制与各个像素对应的光源发射不同时间编码的编码脉冲光束，记为编码脉冲串。
在一些实施例中，所述控制和处理电路控制所述发射器依次发射具有不同编码模式的光脉冲，同时控制部分像素开启，其他像素处于关闭状态。
在一些实施例中，所述控制和处理电路根据编码脉冲波形在所述直方图中查找，得到与所述编码脉冲波形匹配的脉冲波形，根据所述匹配的脉冲波形得到所述延迟飞行时间。
在一些实施例中，所述延时控制电路包括多个子延时控制电路，所述像素采集光子后输出的光子信号经所述多个子延时控制电路施加不同的延迟时间后得到具有时间编码模式的延迟光子信号串。
在一些实施例中，所述延时控制电路至少包括第一延时控制电路和第二延时控制电路，所述第一延时控制电路和第二延时控制电路中的延时时间编码模式不同。
在一些实施例中，所述控制和处理电路中预先存储有基于时间编码模式的脉冲波形；所述控制和处理电路根据所述时间编码模式的脉冲波形在所述直方图中进行查找，确定所述直方图中脉冲波形与存储的基于时间编码模式的脉冲波形相关联，以确定每个像素对应的延迟飞行时间，根据延迟飞行时间及延迟时间进行时间复原，确定每个像素采集的光脉冲的飞行时间。
本实用新型技术方案的有益效果是：
本实用新型基于时间延时的距离测量系统通过延时控制电路对光子信号施加时间延迟以得到延迟光子信号，通过延迟光子信号可在直方图中获得多个不重合的脉冲波形，根据脉冲波形获得多个延迟飞行时间，进一步根据延时控制电路设定的延迟时间进行时间复原，得到对应各个目标点的准确飞行时间，从而可以避免直方图中出现波峰重叠无法准确识别出飞行时间的情形。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是根据本实用新型一个实施例基于时间延时的距离测量系统的示意图。
图2是图1实施例基于时间延时的距离测量系统的控制和处理电路的示意图。
图3是图1实施例基于时间延时的距离测量系统经过时间延迟后形成的直方图示意图。
图4是图1实施例中的测量系统的测量方法流程图示。
图5是根据本实用新型另一个实施例基于时间延时的距离测量系统的控制和处理电路的示意图。
图6是图5实施例基于时间延时的距离测量系统经过时间延迟后形成的直方图示意图。
图7是图5实施例中的测量系统的测量方法流程图示。
具体实施方式
为了使本实用新型实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1所示为本实用新型一个实施例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以及控制和处理电路13。其中，发射器11用于向目标区域20发射光束30，该光束30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30经目标区域20反射后形成反射光束40，反射光束40中的至少部分光束被采集器12接收；控制和处理电路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30与反射光束40之间的飞行时间t，进一步的，根据飞行时间t，目标物体上对应点的距离D可由下式计算出：
D＝c·t/2 (1)
其中，c为光速。
发射器11包括光源111、发射光学元件112以及驱动器113等。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光源而成的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，以用于直接飞行时间(Direct TOF)测量中，其中，频率可以根据测量距离进行设定。可以理解的是，还可以利用控制和处理电路13中的一部分或者独立于控制和处理电路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至像素单元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可以是由单光子雪崩光电二极管(SPAD)组成像素阵列，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处响应到达时间的信号，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。
控制和处理电路13同步发射器11与采集器12的触发信号，对像素单元采集光束的光子信号进行处理，并基于光束从发射到反射回被接收的飞行时间计算出待测目标的距离信息。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，控制和处理电路13接收光子信号并进行信号处理获取光束的飞行时间。
具体的，控制和处理电路13计算采集光子的数量形成连续的时间bin，这些时间bin连在一起形成统计直方图，以重现反射光脉冲的时间序列，通过峰值匹配和滤波检测识别出脉冲光束从发射到接收的飞行时间。在一些实施例中，控制和处理电路13包括信号放大器、时数转换器(TDC)、数模转换器(ADC)等器件。可以理解的是，控制和处理电路13可以是独立的专用电路，比如专用SOC芯片、FPGA芯片、ASIC芯片等等，也可以包含通用处理电路。
在一些实施例中，距离测量系统10还包括存储器，用于存储脉冲编码程序，利用编码程序控制光源111发射光束的激发时间、发射频率等。
图2是根据本实用新型一个实施例基于时间延时的距离测量系统的控制和处理电路的结构示意图。在本实用新型实施例中，控制和处理电路22包括延时控制电路221、TDC电路222和直方图电路223。其中，延时控制电路221与像素单元121中的像素连接，以对像素接收光子产生的光子信号进行处理，获得具有时间延迟的延迟光子信号；TDC电路222被配置为采集多个像素的延迟光子信号获得光子计数串；直方图电路223根据光子计数串绘制直方图；其中，直方图中会出现多个脉冲波形，控制和处理电路22利用峰值匹配和滤波检测等方法确定直方图中脉冲波形对应的时间，基于脉冲波形对应的时间确定每个像素对应的延迟飞行时间，根据每个像素的延迟飞行时间以及延迟光子信号的延迟时间进行时间复原，确定每个像素采集光脉冲对应的飞行时间。
图3所示是本实用新型一个实施例基于时间延时的距离测量系统经过时间延迟后形成的直方图，结合图2所示，在本实用新型实施例中，假设每四个像素共用一个TDC电路和直方图电路。如图2所示，第一像素211、第二像素212、第三像素213、第四像素214分别采集目标区域中相距较近的四个目标点D1、D2、D3、D4的距离信息，对应的的每个像素接收反射光子后计算出的飞行时间t1、t2、t3、t4将非常接近，由于光脉冲呈现一定的宽度，在直方图绘制过程中接近的飞行时间对应的脉冲波形将出现重合的情况，从而无法准确计算出每个像素接收光脉冲对应的飞行时间。
为区分出每个像素对应的飞行时间，通过延时控制电路221对光子信号施加时间延迟以得到延迟光子信号，通过延迟光子信号可在直方图中获得多个不重合的脉冲波形，根据脉冲波形获得多个延迟飞行时间；通过控制时间延迟的大小以确定延迟飞行时间与像素的对应关系，进一步根据延时控制电路设定的延迟时间进行时间复原，得到对应各个目标点的准确飞行时间。
如图2所示，第一像素211与第一延时控制电路221连接，第一光子信号经过第一延迟时间Δt1后形成第一延迟光子信号输入TDC电路222，TDC电路222根据第一延迟光子信号记录光子入射的时间，在直方图电路223中绘制直方图后经过滤波处理获得第一延迟飞行时间，即t1+Δt1；第二像素212与第二延时控制电路231连接，第二光子信号经过第二延迟时间Δt2后形成第二延迟光子信号，在直方图电路223中绘制直方图后经过滤波处理获得第二延迟飞行时间，即t2+Δt2；同理，第三像素213输出的光子信号经过第三延时控制电路241后在直方图电路223中获得第三延迟飞行时间，即t3+Δt3；第四像素213输出的光子信号经过第四延时控制电路251后在直方图电路223中得到第四延迟飞行时间，即t4+Δt4。
通过对延迟时间Δt1，Δt2，Δt3，Δt4进行控制，使得延迟时间不相同且逐渐增大，从而达到控制四个像素采集光子产生的信号对应在直方图中得到的波形不会出现重叠现象，且可以按照所需顺序排列，如图3所示，即t1+Δt1<t2+Δt2<t3+Δt3<t4+Δt4。控制和处理电路22根据每个延迟飞行时间对应的延迟时间进行时间修复，从而得到准确的飞行时间t1、t2、t3、t4。
可以理解的是，可以控制四个延迟时间的差值使得差值相差较大，从而以保证在直方图中形成的四个波峰不重合，而且通过控制相邻像素的延迟时间的差值，使得在直方图中每个像素采集光脉冲形成的脉冲波形中的第一波峰依次排列，从而通过确定脉冲波形的第一波峰位置即可确定飞行时间。但需要说明的是，若Δt4设置过大时，相对的直方图电路的存储时间bin也会相应增加，使得直方图电路的计算量增加，占用芯片面积也会相应增加，不利于实现小型化。因此，在实际应用中需要根据具体情况设计具体的延迟时间。可以理解的是，在本实施例中的数量只做具体说明，不应作为对本实用新型的限制。
在一些实施例中，发射器11可以被配置为朝向目标区域发射时间编码的光脉冲信号串，其中，时间编码可以是规则的，也可以是不规则的，可以是单重时间编码也可以是多重时间编码。例如，在一个实施例中，光源以预先设定的远小于最大探测范围Dmax对应的飞行时间t＝2Dmax/c的脉冲间隔Δt发射n个脉冲形成一个脉冲串，为保证避免相邻两个帧周期内光脉冲的相互影响，帧周期T设定为T≥(n-1)×Δt+t。对应的，采集器21被激活以采集目标反射回的部分光子，利用TDC电路采集入射光子的时间形成计数时序串，控制和处理电路22在直方图电路223中基于该时序串绘制直方图。
下面以第一像素211和第二像素212为例进行说明，假设脉冲串中第一个脉冲发射到目标D1经过飞行时间t1后被第一像素211采集到，经过第一延时控制电路延时Δt1后，TDC电路222根据第一延迟光子信号记录光子入射的时间，在直方图电路223中绘制直方图后经过滤波处理获得第一延迟飞行时间；同样的，第一个脉冲发射到目标D2经过飞行时间t2后被第二像素212采集到，经过第二延时控制电路延时Δt2后，TDC电路222根据第二延迟光子信号记录光子入射的时间，在直方图电路223中绘制直方图后经过滤波处理获得第二延迟飞行时间。在一个实施例中，经过n个脉冲周期Δt后，在直方图电路中绘制直方图后在多个时间单元上具有较高的数值，形成反映脉冲形状的波形图，通过滤波处理后获得两组脉冲波形，每一组脉冲波形分别对应第一像素和第二像素。确定脉冲波形中波峰的位置，计算得到第一像素和第二像素对应的飞行时间分别为t1+Δt1、t2+Δt2，根据延时控制电路的延迟时间修复还原出飞行时间。在一些实施例中，通过延时控制电路221控制Δt1<Δt2以区分出飞行时间t1和t2，例如可以设置Δt2为Δt1的倍数。在一个实施例中，比如可以控制[Δt1+(n-1)Δt]<Δt2，以保证TDC电路在第一像素采集光子计数结束后再进行第二像素采集光子计数，在直方图电路中绘制的两组脉冲波形不出现重叠。为减小降低直方图绘制时所需要的计算量和内存，调整直方图的最小时间单元的大小为帧周期单光子计数时序串中每个时间单元的整数倍。可以理解的是，延迟时间可以根据具体系统参数任意设置。通过配置光源发射时间编码的脉冲光束，相比与非编码情况下发射脉冲光束，能有有效提高距离测量的帧率。
在一些实施例中，发射器11被配置为由多个光源组成的光源阵列，光源阵列与像素单元具有一一对应关系，优选地，所述光源是在单块半导体基底上生成多个VCSEL光源形成的VCSEL阵列光源芯片。以下继续以第一像素211和第二像素212为例进行说明，控制和处理电路22分别控制与第一像素211对应的第一光源以及与第二像素212对应的第二光源发射不同时间编码的编码脉冲光束，分别计为第一编码脉冲串和第二编码脉冲串。其中，第一编码脉冲串照射到目标D1后经过时间t1被第一像素211采集以输出指示采集到光子的第一光子信号，第一光子信号经过第一延时控制电路后输出具有第一延迟时间Δt1的第一延迟光子信号；第二编码脉冲串照射到目标后D2后经过时间t2被第二像素212采集以输出指示采集到光子的第二光子信号，第二光子信号经过第二延时控制电路后输出具有第二延迟时间Δt2的第二延迟光子信号。TDC电路接收第一延迟光子信号和第二延迟光子信号并记录采集入射光子的时间形成时序串，直方图电路基于时序串绘制直方图。计数结束后，所获取的直方图上将可以看到多个时间单元上具备较高的数值，并形成反应部分脉冲形状的波形图，通过滤波处理后根据第一编码脉冲波形和第二编码脉冲波形在直方图中进行查找，以找到与第一编码脉冲波形匹配的一组脉冲波形，以及与第二编码脉冲波形匹配的一组脉冲波形。例如可以通过滤波器内核对第一编码脉冲波形和直方图中的波形进行卷积计算互相关以找到对应的匹配波形，利用这组匹配波形中的第一个脉冲波形进行波峰位置确定而获得第一延迟飞行时间，根据第一像素对应设置的第一延迟时间进行时间复原获得第一飞行时间。通过设置每个像素接收不同的编码光脉冲，只需要设置较小的延迟时间区分出直方图中对应的脉冲波形，而不需要调控所形成的脉冲波形以一定顺序排列，通过相关匹配算法计算出每个像素接收编码脉冲形成的对应波形，根据波形确定延迟飞行时间以及基于延迟时间进行时间复原确定第一飞行时间。
在一些实施例中，发射器11可以是光源或光源阵列，以用于朝向目标区域发射泛光光束。控制和处理电路22控制发射器依次发射不同时间编码模式的光脉冲，同时控制部分像素开启，而其他像素处于关闭状态。例如，控制发射器发射具有第一编码模式的光脉冲串时，开启第一像素211，其他像素处于关闭状态，第一像素211接收从目标D1处反射的第一编码光脉冲串经过第一延时控制电路延时Δt1后输出第一延迟光子信号，TDC电路接收光子信号记录获得帧周期单光子计数串，直方图电路根据计数串绘制第一直方图。控制和处理电路22控制发射器发射具有第二编码模式的光脉冲串时，开启第二像素212，其他像素关闭，第二像素212接收从目标D2处反射的第二编码光脉冲串经过第二延时控制电路延时Δt2后输出第二延迟光子信号，TDC电路接收光子信号记录获得帧周期单光子计数串，直方图电路根据计数串在第一直方图的基础上绘制第二直方图。同样的，根据直方图确定延迟飞行时间，进一步进行时间还原确定第一飞行时间，具体实现方法与前述方法相同，在此不再赘述。
作为本实用新型另一实施例，还提供一种基于时间延时的距离测量方法，参照图4所示，方法包括如下步骤：
步骤S1、控制发射器朝向目标区域发射脉冲光束，其中，至少部分脉冲光束经目标区域反射后形成反射光束；
具体的，发射器包括光源、发射光学元件以及驱动器；通过驱动器控制光源以一定频率(脉冲周期)向外发射脉冲光束。在一些实施例中，发射器可以被配置为朝向目标区域发射时间编码的光脉冲信号串，其中，时间编码可以是规则的，也可以是不规则的，可以是单重时间编码也可以是多重时间编码。
步骤S2、通过采集器接收反射光束中的至少部分脉冲光束，输出指示采集到光子的光子信号；
具体的，采集器包括像素单元，像素单元包括由多个像素组成的像素阵列，通过像素采集脉冲光束中的光子，输出指示采集到光子的光子信号。在一个实施例中，像素单元是由单光子雪崩光电二极管(SPAD)组成的像素阵列，SPAD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处响应到达时间的信号。
步骤S3、控制和处理电路对像素接收光子产生的光子信号进行延时处理，得到具有时间延迟的延迟光子信号，通过TDC电路采集多个像素的延迟光子信号以获得光子计数串，并基于光子计数串绘制直方图，根据直方图确定直方图中脉冲波形对应的时间，基于脉冲波形对应的时间确定每个像素对应的延迟飞行时间；
具体的，控制和处理电路包括延时控制电路、TDC电路和直方图电路；其中，延时控制电路与像素单元中的像素连接，以对像素接收光子产生的光子信号进行处理，获得具有时间延迟的延迟光子信号；TDC电路被配置为采集多个像素的延迟光子信号以获得光子计数串；直方图电路根据光子计数串绘制直方图；其中，直方图中会出现多个脉冲波形，控制和处理电路利用峰值匹配和滤波检测等方法确定直方图中脉冲波形对应的时间，基于脉冲波形对应的时间确定每个像素对应的延迟飞行时间。
步骤S4、根据延迟飞行时间以及延迟光子信号的延迟时间进行时间复原，得到每个像素采集的光脉冲对应的飞行时间。
在一些实施例中，发射器被配置为由多个光源组成的光源阵列，光源阵列与像素单元具有一一对应关系；控制和处理电路分别控制与各像素对应的各个光源发射不同编码的编码脉冲光束，每个像素接收不同的编码光脉冲，根据各编码脉冲波形于直方图中找到对应的匹配波形，根据波形确定延迟飞行时间以及基于延迟时间进行时间复原以确定飞行时间。
在一些实施例中，控制和处理电路控制发射器依次发射具有不同时间编码模式的光脉冲，同时控制部分像素开启，其他像素处于关闭状态。例如，控制发射器发射第一编码光脉冲串时，开启第一像素，其他像素处于关闭状态，第一像素接收从目标D1处反射的第一编码光脉冲串经过第一延时控制电路延时Δt1后输出第一延迟光子信号，TDC电路接收光子信号记录获得帧周期单光子计数串，直方图电路根据计数串绘制第一直方图。控制和处理电路控制发射器发射第二编码光脉冲串，开启第二像素，其他像素关闭，第二像素接收从目标D2处反射的第二编码光脉冲串经过第二延时控制电路延时Δt2后输出第二延迟光子信号，TDC电路接收延迟光子信号记录获得帧周期单光子计数串，直方图电路根据计数串在第一直方图的基础上绘制第二直方图。同样的，根据直方图确定延迟飞行时间，进一步进行时间还原确定飞行时间，详细方法同前述方案描述，故不再赘述。
图5是本实用新型又一实施例基于时间延时的距离测量系统的控制和处理电路的示意图。控制和处理电路42包括延时控制电路、TDC电路422和直方图电路423。发射器11被配置为发射脉冲光束，经过目标区域反射后被采集器接收，其中，采集器包括有像素单元41，本实施例中，以像素单元41中每两个像素共用一个TDC电路422和直方图电路423为例进行说明。延时控制电路与像素单元41中的像素(411，412)连接，对每个像素接收光子产生的第一光子信号进行处理获得具有不同时间延迟的延迟光子信号；TDC电路422被配置为采集多个像素的延迟光子信号获得光子计数串；直方图电路423根据光子计数串绘制直方图。
具体的，在控制和处理电路42中预先存储基于时间编码模式的脉冲波形，控制和处理电路42对每个延迟光子信号进行不同的时间编码调控以获得不同的延迟光子信号串，在匹配计算时可以利用滤波处理对时间编码模式的脉冲波形和直方图中的波形进行卷积来计算互相关以确定直方图中对应的匹配波形，利用这组匹配波形中的第一个脉冲波形进行波峰位置确定而获得每个像素对应的延迟飞行时间，根据像素对应设置的延迟时间对延迟飞行时间进行复原以获得每个像素采集光脉冲的飞行时间。其中，时间编码为延迟光子信号串之间的时间间隔，时间间隔可以是周期性变化的也可以是随机变化的，成周期性变化中每个像素对应的延迟光子信号串之间的时间间隔是不相同的。在一个实施例中，延时控制电路包括多个子延时控制电路，第一像素411采集光子后输出第一光子信号，第一光子信号输入第一延时控制电路421后通过在不同的子延时控制电路4210上施加不同的延迟时间输出多个第一延迟光子信号，形成具有第一编码模式的延迟光子信号串，即为第一延迟光子信号串；同样的，第二像素412采集光子后输出第二光子信号，第二光子信号输入第二延时控制电路424后输出具有不同延迟时间的多个第二延迟光子信号，形成具有第二编码模式的延迟光子信号串，即为第二延迟光子信号串。经过时间编码调控的光子信号串在TDC电路422采样记录后形成单光子计数串，经直方图电路423绘制直方图后形成对应的编码波形。
图6是图5实施例基于时间延时的距离测量系统经过时间延迟后形成的直方图。控制和处理电路42对每个延迟光子信号进行不同的时间编码调控以获得不同的第二延迟光子信号串，由TDC电路记录对应光子入射的时间形成帧周期单光子计数时序串，在直方图电路中基于该时序串绘制直方图。
在一些实施例中，在一个帧周期内脉冲光束发射到目标D1，经过飞行时间t1后被第一像素411采集输出第一光子信号，第一光子信号经过第一延时控制电路421中的多个子延时控制电路延时后输出多个第一延迟光子信号。在一个实施例中，每个子延时控制电路的延时是周期性变化的，例如经过第一延时控制电路421的第一子延时控制电路延时Δt1后输入到TDC电路422；经过第一延时控制电路421的第二子延时控制电路延时2Δt1后输入TDC电路422；经过第一延时控制电路421的第三子延时控制电路延时3Δt1后输入TDC电路422。同样的，脉冲光束发射到目标D2，经过飞行时间t2后被第二像素412采集到形成第二光子信号，第二光子信号经过第二延时控制电路422中的多个子延时控制电路延时后输出多个第二延迟光子信号，例如：经过第二延时控制电路422的第一子延时控制电路后延时Δt2输入到TDC电路422；经过第二延时控制电路422的第二子延时控制电路延时2Δt2输入TDC电路422；经过第二延时控制电路422的第三子延时控制电路延时3Δt2输入TDC电路422。
可以理解的是，一个光子信号输入TDC电路就会在相应的时间单元上计数值为“1”；类似的，经过延时控制电路编码后的延迟光子信号可以看作为一个像素采集了包含n个脉冲的光脉冲串；其中，第一像素采集的激光脉冲串的脉冲周期为Δt1，第二像素采集的激光脉冲串的脉冲周期为Δt2，设定Δt1<Δt2以区分第一像素对应的光子信号和第二像素对应光子信号。在本实用新型实施例中，假设n为3，在直方图电路中绘制直方图，直方图中形成两组脉冲波形。控制和处理电路42根据预先存储的基于延时控制电路的编码模式形成的脉冲序列与直方图中的波形做滤波处理。可以理解的是，不同编码模式对应不同的滤波内核，区分第一编码模式对应的第一组脉冲波形以及与第二编码模式对应的第二组脉冲波形，确定脉冲波形中第一个脉冲波形的波峰位置从而获得每个像素的延迟飞行时间，根据每个像素对应的延迟时间进行时间复原获得飞行时间。
在一个实施例中，设置3Δt1<Δt2，控制第一像素对应的编码光子信号在直方图中的形成的第一组脉冲波形与第二像素对应的编码光子信号形成的第二组脉冲波形依次排列，不发生任何重叠情况。
在一个实施例中，可以设置第一延时控制电路和第二延时控制电路中的延时时间编码模式不同，例如，每个延时控制电路中的延时时间都是随机编码的，TDC电路记录入射光子的时间后，在直方图电路中绘制直方图，经过滤波处理区分出不同像素对应的脉冲波形，利用波峰位置确定延迟飞行时间，根据延迟飞行时间进行时间复原后获得飞行时间。
在一些实施例中，距离测量系统中还可以包括时间编码电路，每个像素输出的第一光子信号经过延时控制电路后输出具有不同延迟时间的延迟光子信号，每个延迟光子信号经过时间编码电路的调控产生具有时间间隔的多个延迟光子信号，即形成具有时间编码模式的延迟光子信号串。其中，时间间隔可以是周期性变化的也可以是随机变化的，经过TDC电路记录入射光子的时间后在直方图电路中绘制直方图。控制和处理电路根据时间编码模式与直方图中的脉冲波形进行处理区分出每个像素对应的脉冲后，利用波峰位置确定延迟飞行时间，对延迟飞行时间进行时间复原后获得飞行时间。
在一些实施例中，时间编码电路可以设置于延时控制电路内，也可以设置于TDC电路或直方图电路内，具体实现的逻辑不同，但最终均可实现将每个像素产生的第一光子信号经过一系列处理后在直方图内形成一组具有时间编码的脉冲波形，根据时间编码模式与波形做匹配以区分出每个像素对应的脉冲波形，确定每个像素采集光脉冲的飞行时间。
作为本实用新型另一实施例，还提供一种基于时间延时的距离测量方法，参照图7所示，方法包括如下步骤：
步骤S20、控制发射器朝向目标区域发射脉冲光束，其中，至少部分脉冲光束经目标区域反射后形成反射光束；
具体的，发射器包括光源、发射光学元件以及驱动器；通过驱动器控制光源以一定频率(脉冲周期)向外发射脉冲光束。
步骤S21、通过采集器接收反射光束中的至少部分脉冲光束，输出指示采集到光子的光子信号；
具体的，采集器包括像素单元，像素单元包括由多个像素组成的像素阵列，通过像素采集脉冲光束中的光子，输出指示采集到光子的光子信号。在一个实施例中，像素单元是由单光子雪崩光电二极管(SPAD)组成的像素阵列，SPAD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处响应到达时间的信号。
步骤S22、控制和处理电路对像素接收光子产生的光子信号进行延时处理，得到具有时间延迟的延迟光子信号，对每个延迟光子信号进行不同的时间编码调控以获得不同的延迟光子信号串；通过TDC电路采集多个像素的延迟光子信号串获得光子计数串，并基于光子计数串绘制直方图；
具体的，控制和处理电路包括延时控制电路、TDC电路和直方图电路；其中，延时控制电路包括多个子延时控制电路，像素采集光子后输出的光子信号通过不同的子延时控制电路施加不同的延迟时间后输出多个延迟光子信号，形成具有时间编码模式的延迟光子信号串。经过时间编码调控的光子信号串在TDC电路采样记录后形成单光子计数串，经直方图电路绘制直方图后形成对应的编码波形。
步骤S23、在控制和处理电路中预先存储基于时间编码模式的脉冲波形，根据时间编码模式的脉冲波形在直方图中进行查找，确定直方图中脉冲波形与存储的基于时间编码模式的脉冲波形相关联，以确定每个像素对应的延迟飞行时间，根据延迟飞行时间及延迟时间进行时间复原，确定每个像素采集的光脉冲的飞行时间。
具体的，控制和处理电路根据预先存储的基于延时控制电路的时间编码模式形成的脉冲序列与直方图中的波形做滤波处理。其中，时间编码为延迟光子信号串之间的时间间隔，时间间隔可以是周期性变化的也可以是随机变化的，周期性变化中每个像素对应的延迟光子信号串之间的时间间隔是不相同的。
在一些实施例中，可以通过设置时间编码电路，每个像素输出的光子信号经过延时控制电路后输出具有不同延迟时间的延迟光子信号，每个延迟光子信号经过时间编码电路的调控产生具有时间间隔的多个延迟光子信号，形成具有时间模式的延迟光子信号串。
本申请实施例还提供一种存储介质，用于存储计算机程序，该计算机程序被执行时至少执行如上所述的方法。
所述存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备、或者它们的组合来实现。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，ErasableProgrammable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，FerromagneticRandom Access Memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，SynchronousStatic Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，DynamicRandom AccessMemory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM，Synchronous Dynamic RandomAccessMemory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double DataRateSynchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，SyncLink Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本实用新型实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
可以理解的是，以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本实用新型的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
此外，本实用新型的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。
Claims (10)
1.一种基于时间延时的距离测量系统，其特征在于，包括：
发射器，经配置以朝向目标区域发射脉冲光束；其中，至少部分所述脉冲光束经目标区域反射后形成反射光束；
采集器，用于接收所述反射光束中的至少部分脉冲光束，其包括由多个像素组成的像素单元，通过所述像素采集光脉冲中的光子，输出指示采集到光子的光子信号；
控制和处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，以用于计算所述光脉冲从发射到被采集之间的飞行时间；其中，所述控制和处理电路包括延时控制电路，所述延时控制电路与所述像素连接，以对所述光子信号进行延时处理。
2.如权利要求1所述的基于时间延时的距离测量系统，其特征在于：所述控制和处理电路还包括TDC电路以及直方图电路；其中，所述延时控制电路对所述光子信号进行延时处理得到具有时间延迟的延迟光子信号；所述TDC电路采集多个所述像素的延迟光子信号以获得光子计数串；所述直方图电路根据所述光子计数串绘制直方图；所述控制和处理电路确定每个所述像素对应的延迟飞行时间，并根据所述延迟光子信号的延迟时间对所述延迟飞行时间进行处理，得到每个所述像素采集的光脉冲对应的飞行时间。
3.如权利要求2所述的基于时间延时的距离测量系统，其特征在于：所述发射器被配置为朝向目标区域发射时间编码的光脉冲信号串；其中，所述时间编码是单重时间编码或多重时间编码。
4.如权利要求2所述的基于时间延时的距离测量系统，其特征在于：所述发射器被配置为由多个光源组成的光源阵列，所述光源阵列与所述像素单元具有一一对应关系。
5.如权利要求4所述的基于时间延时的距离测量系统，其特征在于：所述控制和处理电路分别控制与各个像素对应的光源发射不同时间编码的编码脉冲光束，记为编码脉冲串。
6.如权利要求2所述的基于时间延时的距离测量系统，其特征在于：所述控制和处理电路控制所述发射器依次发射具有不同编码模式的光脉冲，同时控制部分像素开启，其他像素处于关闭状态。
7.如权利要求5或6任一项所述的基于时间延时的距离测量系统，其特征在于：所述控制和处理电路根据编码脉冲波形在所述直方图中查找，得到与所述编码脉冲波形匹配的脉冲波形，根据所述匹配的脉冲波形得到所述延迟飞行时间。
8.如权利要求2所述的基于时间延时的距离测量系统，其特征在于：所述延时控制电路包括多个子延时控制电路，所述像素采集光子后输出的光子信号经所述多个子延时控制电路施加不同的延迟时间后得到具有时间编码模式的延迟光子信号串。
9.如权利要求8所述的基于时间延时的距离测量系统，其特征在于：所述延时控制电路至少包括第一延时控制电路和第二延时控制电路，所述第一延时控制电路和第二延时控制电路中的延时时间编码模式不同。
10.如权利要求9所述的基于时间延时的距离测量系统，其特征在于：所述控制和处理电路中预先存储有基于时间编码模式的脉冲波形；所述控制和处理电路根据所述时间编码模式的脉冲波形在所述直方图中进行查找，确定所述直方图中脉冲波形与存储的基于时间编码模式的脉冲波形相关联，以确定每个像素对应的延迟飞行时间，根据延迟飞行时间及延迟时间进行时间复原，确定每个像素采集的光脉冲的飞行时间。
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