一种基于飞行时间的距离探测系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于飞行时间的距离探测系统，包括有激光发射模块和激光接收模块；所述激光接收模块包括检测器和控制单元；激光发射模块向目标发射激光脉冲序列，检测器接收目标反射的光子而输出响应信号；控制单元包括时间数字转换器和控制器，控制器用于控制时间数字转换器进行测量第一TOF值以及第二TOF值；其中，第一TOF值用于与预定义的对应关系相匹配以调控检测器阵列中选定区域的SPAD的工作状态，第二TOF值用于计算目标与系统间的距离。本发明专利技术对目标物体进行两步式测试，以获取目标物体的精确TOF值，可克服因视差导致的测量不准，且可避免过多的SPAD工作引起功率消耗和噪声。

【技术实现步骤摘要】
一种基于飞行时间的距离探测系统和方法
本专利技术涉及激光雷达距离探测
，尤其涉及一种基于飞行时间的距离探测系统和方法。
技术介绍
激光雷达距离探测系统主要采用飞行时间(TOF)测距技术，根据探测的原理不同可分为直接飞行时间技术和间接飞行时间技术。在直接飞行时间技术中，采用诸如脉冲激光器朝向目标物体发射激光脉冲，发射到目标物体上的激光脉冲发生散射或反射，检测器接收到一部分回波信号并进行处理，根据激光脉冲的发射时间与检测器检测到回波信号的时间差值计算出目标的飞行时间，从而获得目标物体的距离信息。基于直接飞行时间技术的测距系统中，采用脉冲光源作为发射源，而单光子雪崩光电二极管(SPAD)阵列作为检测器，检测器探测到反射的回波信号并进行处理计算飞行时间。单光子雪崩光电二极管可以输出指示单个光子入射时间的信号，根据时间相关单光子计数(TCSPC)技术来计算出目标的飞行时间。TCSPC技术依据统计学原理将信号周期内探测到光子看做一个随机事件，若探测到光子就在对应的存储单元记“1”并记录下对应信号周期内的时间。经过重复周期测量后建立起光子随时间分布的直方图，在直方图中会出现一个特征峰，该特征峰所对应的时间间隔就是目标的飞行时间。TCSPC技术用于飞行时间探测统计光子信号时，有着非常高的时间分辨率和近乎理想的探测效率具有较高的时间分辨率和探测准确率。实际应用中，沿着给定方向发射的激光束反射回SPAD的位置将随着目标与系统的距离发生水平移动，即产生视差的问题，因视差问题的存在将会导致测量不准确。并且，根据目标距离不同，在引起响应的SPAD的数量也不相同，因此，如何保证SPAD得到充分利用，减少SPAD的功率消耗也是需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于飞行时间的距离探测系统和方法，以克服因视差问题存在的测量不准确，以及解决过多的SPAD工作时引起的功率消耗和噪声问题。为达到上述目的，本专利技术实施例的技术方案是这样实现的：一种基于飞行时间的距离探测系统，包括有激光发射模块、以及激光接收模块；所述激光发射模块包括有激光器，用于向目标发射激光脉冲序列；所述激光接收模块包括有检测器以及控制单元；其中，所述检测器为单光子检测器阵列，用于接收目标反射的光子而输出响应信号；所述控制单元包括有时间数字转换器和控制器，所述时间数字转换器用于接收所述响应信号并输出所述光脉冲从发射到被检测器接收的时间差值，其包括有粗测时间数字转换器和细测时间数字转换器；所述控制器与激光器、检测器和时间数字转换器相耦合，用于控制粗测时间数字转换器工作输出第一TOF值及控制所述细测时间数字转换器工作输出第二TOF值，其中，所述第一TOF值用于与预定义的对应关系相匹配以调控检测器阵列中选定区域的检测器的工作状态，所述第二TOF值用于计算目标与探测系统间的距离信息。优选地，所述检测器包括多个SPAD阵列，激光脉冲在目标从最远距离处到最近距离处能够引起响应的一组SPAD为一个超像素，根据第一TOF值可确定响应光子的SPAD在超像素内的位置和数量。优选地，所述控制单元还包括有分别连接至检测器的水平寻址电路和垂直寻址电路、连接控制器的控制电路、以及连接检测器输出的逻辑电路。优选地，所述控制器包括有存储器和处理器；所述粗测时间数字转换器或细测时间数字转换器输出激光脉冲从发射到被检测器接收的时间差值到控制器，以存储于存储器中，存储器收集一系列激光脉冲的时间差值构建光子随时间分布的直方图。优选地，所述粗测时间数字转换器和细测时间数字转换器分别连接于逻辑电路与控制器之间。优选地，所述检测器包括多个单光子雪崩光电二极管阵列，控制电路与水平寻址电路和垂直寻址电路连接，以选择在指定命令下调控所述单光子雪崩光电二极管。本专利技术另一技术方案为：一种基于飞行时间的两步式距离探测方法，包括如下步骤：S101、定位，确定超像素中具体的响应区域；具体地，开启粗测时间数字转换器，关闭细测时间数字转换器，粗测时间数字转换器处于工作模式，其输出激光脉冲从发射到被接收的时间差，记为第一时间差，控制器接收连续脉冲的第一时间差进而在处理器中构建光子随时间分布的第一直方图，得到目标的第一TOF值；S102、测试，获取TOF值；具体地，开启细测时间数字转换器，关闭粗测时间数字转换器，根据步骤S101所得的第一TOF值与预定义的对应关系相匹配，调控检测器阵列中选定区域的检测器的工作状态，得到目标的第二TOF值，该第二TOF值即为目标的精确距离信息。优选地，步骤S102中，所述检测器包括有多个单光子雪崩光电二极管，经目标反射的光子能够引起响应的一组单光子雪崩光电二极管为一个超像素，根据步骤S101确定目标在超像素上的成像位置和单光子雪崩光电二极管的数量，将未探测到反射光子的单光子雪崩光电二极管关闭。本专利技术又一技术方案为：一种深度成像方法，包括步骤：S201、通过上述技术方案所述的两步式探测方法获取目标的TOF值，完成一帧图像的深度数据采集；S202、重复执行S201中的测试，获取TOF值步骤，完成目标物体的多帧图像的深度数据采集，最后形成目标物体完整的深度图像。优选地，步骤S202中，在下一帧图像开始采集时，如果处于工作状态的单光子雪崩光电二极管的数量和位置发生变化，则重复一次定位步骤，确定超像素中具体的响应区域，以新一次定位步骤获得的第一TOF作为后续多次精细测量的参考值。本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术采用TCSPC技术对目标物体进行两步式测试，以获取目标物体的精确TOF值，可克服因视差问题导致的测量不准确，且可避免过多的SPAD工作引起功率消耗和噪声。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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是本专利技术基于飞行时间的距离探测系统的原理模块图示；图2是图1中的激光接收模块的原理模块图示；图3是光子随时间分布的直方图；图4是本专利技术一实施例激光束经目标反射在SPAD阵列上引起响应的超像素的示意图示；图5是本专利技术另一实施例基于飞行时间的两步式距离探测方法的探测方式示意图示。图6是本专利技术另一实施例基于飞行时间的两步式距离探测方法的流程图示。图7是本专利技术又一实施例深度成像方法的流程图示。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。需要说明的是，文中图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构思，附图中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于飞行时间的距离探测系统，包括有激光发射模块、以及激光接收模块，其特征在于：/n所述激光发射模块包括有激光器，朝向目标发射激光脉冲序列；/n所述激光接收模块包括有检测器以及控制单元；/n其中，所述检测器为单光子检测器阵列，接收目标反射的光子而输出响应信号；/n所述控制单元包括有时间数字转换器和控制器，所述时间数字转换器用于接收所述响应信号并输出所述光脉冲从发射到被检测器接收的时间差值，其包括有粗测时间数字转换器和细测时间数字转换器；/n所述控制器与激光器、检测器和时间数字转换器相耦合，用于控制粗测时间数字转换器工作输出第一TOF值及控制所述细测时间数字转换器工作输出第二TOF值；/n其中，所述第一TOF值与预定义的对应关系相匹配用于调控检测器阵列中选定区域的检测器的工作状态，所述第二TOF值用于计算目标与探测系统间的距离信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于飞行时间的距离探测系统，包括有激光发射模块、以及激光接收模块，其特征在于：
所述激光发射模块包括有激光器，朝向目标发射激光脉冲序列；
所述激光接收模块包括有检测器以及控制单元；
其中，所述检测器为单光子检测器阵列，接收目标反射的光子而输出响应信号；
所述控制单元包括有时间数字转换器和控制器，所述时间数字转换器用于接收所述响应信号并输出所述光脉冲从发射到被检测器接收的时间差值，其包括有粗测时间数字转换器和细测时间数字转换器；
所述控制器与激光器、检测器和时间数字转换器相耦合，用于控制粗测时间数字转换器工作输出第一TOF值及控制所述细测时间数字转换器工作输出第二TOF值；
其中，所述第一TOF值与预定义的对应关系相匹配用于调控检测器阵列中选定区域的检测器的工作状态，所述第二TOF值用于计算目标与探测系统间的距离信息。


2.根据权利要求1所述的基于飞行时间的距离探测系统，其特征在于：所述检测器包括多个SPAD阵列，激光脉冲在目标从最远距离处到最近距离处能够引起响应的一组SPAD为一个超像素，根据第一TOF值可确定响应光子的SPAD在超像素内的位置和数量。


3.根据权利要求1所述的基于飞行时间的距离探测系统，其特征在于：所述控制单元还包括有分别连接至检测器的水平寻址电路和垂直寻址电路、连接控制器的控制电路、以及连接检测器输出的逻辑电路。


4.根据权利要求1所述的基于飞行时间的距离探测系统，其特征在于：所述控制器包括有存储器和处理器；所述粗测时间数字转换器或细测时间数字转换器输出激光脉冲从发射到被检测器接收的时间差值到控制器，以存储于存储器中，存储器收集一系列激光脉冲的时间差值构建光子随时间分布的直方图。


5.根据权利要求3所述的基于飞行时间的距离探测系统，其特征在于：所述粗测时间数字转换器和细测时间数字转换器分别连接于逻辑电路与控制器之间。


6.根据权利要求3所述的基于飞行时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑞，朱亮，何燃，
申请(专利权)人：深圳奥锐达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44