通过至少一个检测器在多用户环境中测量到目标的距离的方法和设备技术

本发明专利技术涉及一种通过至少一个传感器在多用户环境中测量到目标的距离的方法，该方法包括：通过一系列辐射脉冲照射环境，其中以确定的重复率和确定的随机延迟发射一系列辐射脉冲；收集从环境反射或散射到至少一个检测器的脉冲，该至少一个检测器连接到至少一个计时器；在检测器上每检测到脉冲时分配时间戳；从来自计时器的每一个记录的时间戳中减去所添加的延迟，该结果对应于到达时间；确定到达时间的统计分布；根据所述统计分布确定到目标的距离。

Method and equipment for measuring the distance of a target in a multi-user environment by at least one detector

The invention relates to a method for measuring the distance of a target in a multi-user environment by at least one sensor, which includes: irradiating the environment with a series of radiation pulses, in which a series of radiation pulses are emitted with a determined repetition rate and a determined random delay; collecting pulses reflected or scattered from the environment to at least one detector, which is connected to the Less than one timer; allocating timestamps for each pulse detected on the detector; subtracting the added delay from each timestamp recorded by the timer, the result corresponds to the arrival time; determining the statistical distribution of the arrival time; and determining the distance to the target according to the statistical distribution.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过至少一个检测器在多用户环境中测量到目标的距离的方法和设备
本专利技术涉及一种用于通过向观测环境中发送信号并记录所述信号从目标反弹并回波所需的飞行时间(TOF)来检测距离的方法和设备。这种发出的信号通常是声波和/或电磁性质的波。第一种类型(声学性质的波)通常称为声呐(代表声音导航和测距)，并且通常使用超声波。后者(电磁性质的波)根据所采用的电磁频率范围而被称为雷达(无线电检测和测距)或光学雷达(光检测和测距，有时也被称为激光雷达)。更具体地说，本专利技术解决了当在同一环境中存在多个类似结构的系统时这种飞行时间系统会遇到的问题：这些系统通常相互干扰，并最终破坏彼此的TOF检测。
技术介绍
飞行时间(TOF)系统是众所周知的，它使用声波(称为声呐；声音导航与测距)、或在无线电或微波频率范围内发射的电磁(em)波(称为雷达；无线电检测和测距；通常指频率＜1THz的电磁辐射)、或在光频率范围内发射的电磁波(称为激光雷达；光检测和测距；通常指频率≥1THz的电磁辐射；这些频率通常由称为波长的其倒数表示来指代)。飞行时间(TOF)系统向探测目标发射一种类型的辐射并检测反射回声。通过估算所述辐射返回所需的时间，并且通过假定所考虑的辐射的传播速度(c)是恒定的并且是已知的，可以推断到目标的距离。辐射通常是声学性质或电磁性质的辐射。有两种不同的飞行时间(TOF)方法，它们称为直接方法和间接方法。在直接飞行时间(d-TOF)中，系统以脉冲的形式发射辐射，并且直接测量从该发射开始直到回声返回的时间。该时间差对应于所发射的辐射到达(通常称为)目标并返回所需的飞行时间(TOF)。图1示出了这个概念。在直接飞行时间中，TOF-系统和目标之间的距离(D)被计算为D＝cTOF/2，其中c是所考虑的辐射在所考虑的介质中的传播速度。可以基于例如在时域中超过设定阈值的辐射幅度或在频域中超过某一值的辐射来识别辐射脉冲。检测超过某个值通常被称为检测前沿或上升沿，检测低于某一值通常被称为检测后沿或下降沿。除了这种阈值检测之外，还可以使用其他检测方法，例如检测特定脉冲形状，脉冲再次被理解为在时域或频域中分别实现。例如，在US8031106和US20120257186中给出了这种脉冲的示例。在间接飞行时间(i-TOF)中，系统发射调制辐射，并且通过调制发射和检测到的回波之间的相移来估算系统和目标之间的距离。例如，发射可以是sin(2πf)形式，并且检测是形式。然后将距离估算为这种调制可以通过辐射参数的任意组合来实现，例如幅度调制、频率调制和相位调制。方波调制通常用作正弦调制的粗略近似，如图2所示。在方波调制中，发射脉冲，其中，脉冲表示等效正弦的高状态(峰值)，并且脉冲之间的“关闭”阶段表示正弦的低状态(谷值)。在某些情况下，方波调制是优选的，因为它可以使用简单的数字电路来实现。无论是脉冲调制还是连续调制，基本的测量原理是相同的：相位差被估算，并且由此推断出距离。Kim等人在US8217327B2中采用了一种不同的使用方波调制的i-TOF方法：他们在重叠时间间隔期间使用短脉冲和长脉冲进行调制。这两个脉冲叠加，使得发射的脉冲在幅度上显示出不对称性。检测器基于检测到的光的幅度累积电荷。由于有效发射脉冲中的不对称性，电荷检测也显示不对称。通过读出预定相位差处的累积电荷，可以推导出与确定相位差的方法类似的距离，但是避免解调。在同一环境中存在几个这样的TOF系统(当它们朝向同一方向时最明显)可能会干扰单独的测量。例如，可能检测到由第二系统发射的脉冲。这种干扰可能导致检测到错误的距离。例如，如果假设TOF系统在观察自动导引车辆周围的环境，则检测错误的距离可能是危险的。这一问题在诸如多相机、多用户、系统间干扰和串话场景之类的各种名称下是已知的。多用户环境在本领域中是公知的，并且提出了一些解决方案。然而，这些方法有几个缺点。通常，这些方法可以被表征为(时分)多路复用或编码通信的形式。在时分多路复用中，参与的系统在不同的时隙期间是活动的。因此，不同的系统不能彼此干扰。实现这一点的一种方法是允许不同的参与系统通过中央协调单元在单独的信道上通信。在这种单独的信道上，系统可以协商它们中哪一个可以使用哪个时隙。否则，在受控环境中，不需要实时协商，并且可以离线分配时隙。例如在US2014340487中描述了这种类型的时分多路复用。需要中央协调单元的缺点是增加了成本以及安装多用户环境所需的精力。除此之外，它还减少了参与系统的最大可能数量，因为每增加一个系统，可用时隙变小，因为总可用时间保持不变。时分多路复用依赖于环境是固定且受控的，或者至少所有进入环境的TOF系统与已经存在的系统协作。依赖与外来系统的合作是有潜在危险的，因为例如不同的制造商可以使用不同的协议。并且即使商定了行业范围的标准，前一代系统或故意恶意参与者也可能危及多用户环境。在WO2013127973中公开了另一种不依赖于与第三方TOF系统的合作的时分多路复用策略，他们建议以随机间隔进行照射和检测。单个TOF设备的占空比越小，没有第二TOF设备当前正在照射环境的可能性越高。估算的TOF值的精度通常在较长的采集时间内得到改进，因为随着考虑更多的测量样本，信噪比(SNR)通常会提高。这一事实抵消了所期望的采集窗口的缩短，即刚才提到的小占空比，以便以随机检测间隔处理越来越多的参与系统。当随机选择用于检测的时隙时，存在两个或更多个系统同时处于活动状态的一定概率。该时隙碰撞概率随着参与系统的数目而增加。因此，在任何给定时间，未知量的TOF系统正在探测环境。另一方面，虽然活动的次级系统的数量是未知的，但可以假定在每次测量期间，不同的系统正在探测。预计这些次级系统会不时地产生错误的测量值，从而污染测量。然而，通过对N个最后的测量值进行后处理，可以过滤出正确的TOF值。这与Li等人在“Multi-camerainterferencecancellationoftime-of-flight(TOF)cameras”ICIP，conference(2015)，doi：10.1109/ICIP.2015.7350860(飞行时间(TOF)摄像机的多摄像机干扰消除，2015年ICIP会议，doi：10.1109/ICIP.2015.7350860)中的建议一致。这种后处理方案的固有问题是增加的延迟：只有在N次测量之后才能报告精确值。通常，这在依赖于实时数据的应用中是不期望的特性，例如在汽车应用中。此外，如果探测目标在这些N次测量期间移动，即对于所有这些N次单次测量，实际距离并不相同，则后处理单元必须克服额外的困难。可以考虑类似于时分多路复用的其他类型的多路复用，例如频率多路复用(在激光雷达中，频率通常用其倒数波长来指代)，例如，这被称为波分多路复用(WDMA)。然而，实际上，这种频率/波长多路复用策略的可能性对于多用户环境是非常有限的。首先，TOF系统照射到自由空间中。允许用于雷达的频率受到高度监管。第二，激光雷达系统将具有相当大的更大的监管自由度，但是现实的波长带通滤波器大大限制了可用的选项的数目。此外，需要对波长多路复用的多用户环境进行监视和控制，因为它需要中央协调单元以这样一种方式为新进入的参与者分配波长：使得所述波长不与已本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于通过至少一个传感器在多用户环境中测量到目标的距离的方法，包括：通过一系列辐射脉冲对环境进行照射，其中，以确定的重复率和确定的随机延迟发射所述一系列辐射脉冲；收集从所述环境反射或散射到至少一个检测器的脉冲，该至少一个检测器连接到至少一个计时器；在检测到脉冲时分配时间戳；从来自所述计时器的所记录的时间戳中减去所添加的延迟，该结果对应于到达时间(TOA)；确定所述到达时间的统计分布；根据所述统计分布确定到所述目标的距离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于通过至少一个传感器在多用户环境中测量到目标的距离的方法，包括：通过一系列辐射脉冲对环境进行照射，其中，以确定的重复率和确定的随机延迟发射所述一系列辐射脉冲；收集从所述环境反射或散射到至少一个检测器的脉冲，该至少一个检测器连接到至少一个计时器；在检测到脉冲时分配时间戳；从来自所述计时器的所记录的时间戳中减去所添加的延迟，该结果对应于到达时间(TOA)；确定所述到达时间的统计分布；根据所述统计分布确定到所述目标的距离。2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述TOA的统计分布确定距离的步骤包括：确定在分布中相对于随机分布的噪声贡献出现频率最高的TOA，所述TOA对应于飞行时间(TOF)。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，脉冲重复率(PRR)针对于每一距离测量而变化。4.根据权利要求3所述的方法，其中，每个TOF系统经由独立信道向其他TOF系统广播所确定的脉冲重复率(PRR)。5.根据权利要求4所述的方法，其中，每个TOF系统经由独立信道向其他TOF系统广播至少两个不同的所确定的脉冲重复率(PRR)。6.一种用于在多用户环境中测量到目标的距离的设备，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬·托马斯·凯勒，卢西奥·卡拉拉，
申请(专利权)人：法斯特里三D公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH