TOF直方图动态范围拓展方法及其应用技术

本申请提出了TOF直方图动态范围拓展方法及其应用，包括以下步骤：S00、将整个时间轴分段形成多个区间，并设定每个区间对应的左右边界；S10、为每个区间分配对应不同的量化级数，每个区间包含多个时间片段，且同一区间内的每个时间片段均设有一同样大小的累加器；S20、当每个脉冲周期输入时间值信号时，将对应时间片段的累加器计数加1，直至多次测量累加器翻转清零后，将对应时间片段的直方图数组位计数加1；S30、循环S20步骤，直至输入所有信号，完成直方图构建。本申请在不增加算法和电路复杂度的前提下，改善了时间轴前方事件数堆积造成信号光所在时间片段事件数低于前方噪声事件数的情况下，简单通过幅值简单寻峰的问题。简单通过幅值简单寻峰的问题。简单通过幅值简单寻峰的问题。

【技术实现步骤摘要】
TOF直方图动态范围拓展方法及其应用


[0001]本申请涉及光学
，特别是一种涉及TOF直方图动态范围拓展方法及其应用。

技术介绍

[0002]近年来，激光测距领域处于蓬勃发展时期，基于单光子雪崩二极管和精密计时器件的tof激光测距技术作为一种相对成熟的测距方案，具有测量距离远、精度高，且数据处理快，避免了时间延迟。tof三维测距技术使用激光作为主动光源，记录激光从发射到抵达目标物体以及从目标物体反射回来抵达探测器的时间，通过光脉冲来回的飞行时间计算得到目标物体的距离信息。该方案利用精密计时器件TDC记录多个激光窄脉冲的发射时间与光电敏感器件SPAD被入射光子出发的时间差。在多次重复测量中，环境光的干扰通常表现为时间上的随机分布；而从特定目标反射回来的激光脉冲信号，由于飞行时间相同，则体现出则应该体现出时间上的相关性。由此可以通过多次测量，将出现做多的时间点作为实际目标距离对应的激光飞行时间，并由此反演出目标距离。
[0003]然而现有技术的缺陷在于如果将测量得到的原始直方图视为一个二维数组的话，直方图原始数据的规模由以下两点决定：1.时间轴的量化长度，就是把整个时间量程分成多少个时间片段来计量，代表了图1环境光直方图中横轴的长度m;2.直方图每个时间片段H
i
,(i∈m)内的计数器的量程n，则整个直方图二位数组的大小为m*n。无论噪声还是信号的光子事件数，都会随着脉冲积分周期数量M的增加二成比例增加。由于直方图的数据量大，实时性要求高，通常在芯片内部通过数字电路实现，数字电路的规模和算力、功耗等需求很大程度上取决于直方图原始数据的规模。所以在实际使用中希望通过有限的直方图数据量来尽量表征尽可能大的信号动态范围。
[0004]因此首先脉冲积分周期数量M应该满足如下的最小要求：任意时间片段内，计数器数值的大小和该时间片段内能收到的光信号强弱对应。在光源不变的情况下，目标越远反射的回波到达传感器的能量越小。此时，脉冲积分周期数量M要足够多，否则在远距离处，噪声和信号间，或者不同反射率目标间，在能量差距较小的情况下，量化级数不够会导致难以精确分辨。（图1，M大
‑
n大，量化级数高；图2，M小
‑
n小，量化级数相应低）同时回波信号的强度是随着距离R的变化呈现R2增长的，同样目标在近距离对应的事件数会远高于远距离时（如图3，从左到右表示距离由近到远），则需要计数器量程n要足够大，才不会导致直方图被饱和截断，无法完整记录回波的信号峰，以致失去距离测量的能力。（如图4所示，如果计数器的量程n设置为450的话，则实际测量中，当对应时间片的内实际光子事件数大于40的信息就会丢失（标记1部分），从获得的直方图数据中（标记2部分）将无法还原真实的峰值位置。）如此，以上情况就决定了记录原始直方图的数组m*n不能太小。而且主要是有近距离条件下较强的信号回波，和随距离接近逐渐增加的噪声底噪约束的。引申到在芯片设计
中，直方图数据过大，会成比例的提高对存储空间大小的需求，同时还加大了对运算时间和运算量的需求，增大了芯片面积和功耗。
[0005]为了满足在各种条件下有效测距的要求，计数器量程需要能在系统设计工作条件下，满足满极端远、近距离，和高、低反目标等情况下有效记录光强信号的要求。由于时间相关单光子计数直接飞行时间测量法的原理限制，在环境光条件下通常会造成时间轴前方的直方图堆积，如图5所示，右边有效信号峰的强度实际上小于左边的噪声堆积，此时不能简单地直接通过极大值去定位峰值位置，这就对通过简单算法直接寻找信号峰位置带来了麻烦。增加了信号处理的复杂度和相应的功耗与时间开销。
[0006]综上，以上问题均会对激光信号飞行时间的准确测量带来干扰，从而无法在有限的直方图数据中获得待测目标距离，或者严重影响测量结果的精确性。现有的采用不同参考像素的做法，无法从根本上避免像素间的不一致性，实际上也引入了更多的测量通道，从而增加了芯片面积，提高了成本。同时，上述方法还不能解决强环境光条件下计数器饱和带来的一系列问题如果单纯提高时间相关单光子计数算法的计数器的位宽（量程），会直接增加算法复杂度，增大芯片所需的数据存储空间和芯片面积。

技术实现思路

[0007]本申请实施例提供了TOF直方图动态范围拓展方法及其应用，针对目前技术存在的芯片面积大且成本高等问题。
[0008]本专利技术核心技术主要是提供一种直方图光子事件计数方法，可以在同等事件计数器位宽（量程）下，提高该类型计数器适用的回波光强动态范围，以便适配更远的测距量程或者高低反目标。
[0009]第一方面，本申请提供了TOF直方图动态范围拓展方法，所述方法包括以下步骤：S00、将整个时间轴分段，形成多个区间，并设定每个区间对应的左右边界；S10、为每个区间分配对应不同的量化级数，每个区间包含多个时间片段，且同一区间内的每个时间片段均设有一同样大小的累加器；S20、当每个脉冲周期输入时间值信号时，将对应时间片段的累加器计数加1，直至多次测量累加器翻转清零后，将对应时间片段的直方图数组位计数加1；S30、循环S20步骤，直至输入所有信号，完成直方图构建。
[0010]进一步地，还包括S40步骤，具体为：寻峰时，若峰位在任意边界的一半时间片段数量的范围内，则对该边界左右两边各时间片段数量范围内的直方图做量化归一化处理，以还原局部直方图；再对该局部直方图进行寻峰，以定位峰位；其中，时间片段数量为当前信号峰的宽度。
[0011]进一步地，S10步骤中，对近距离和远距离的事件数压缩量化级数，近距离的事件数的压缩程度大于远距离的事件数的压缩程度。
[0012]进一步地，S10步骤中，量化级数的最大压缩程度根据信号和噪声以及不同反射率目标反射回波计算得到。
[0013]进一步地，S10步骤中，同一区间左端的噪声计数值低于最右端的最小回波信号叠加该区间噪声后的计数值。
[0014]进一步地，S40步骤中，量化归一化处理具体为：将分属两个不同量化级数区间的数据分别还原成同样量化级数的数据。
[0015]第二方面，本申请提供了一种TOF直方图动态范围拓展装置，包括：输入模块，用于输入每个脉冲周期的信号；分段模块，用于将整个时间轴分段，形成多个区间，并设定每个区间对应的左右边界；分配模块，用于为每个区间分配对应不同的量化级数，每个区间包含多个时间片段，且同一区间内的每个时间片段均设有一同样大小的累加器；处理模块，用于当每个脉冲周期输入时间值信号时，将对应时间片段的累加器计数加1，直至多次测量累加器翻转清零后，将对应时间片段的直方图数组位计数加1；构建模块，用于循环处理模块的处理步骤，直至输入所有信号，完成直方图构建；还原模块，用于在寻峰时，若峰位在任意边界的一半时间片段数量的范围内，则对该边界左右两边各时间片段数量范围内的直方图做量化归一化处理，以还原局部直方图；寻峰模块，用于直方图和局部直方图进行寻峰，以定位峰位。
[0016]第三方面，本申请提供了一种电子装置，包括存储器和处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.TOF直方图动态范围拓展方法，其特征在于，包括以下步骤：S00、将整个时间轴分段，形成多个区间，并设定每个区间对应的左右边界；S10、为每个所述区间分配对应不同的量化级数，每个所述区间包含多个时间片段，且同一区间内的每个所述时间片段均设有一同样大小的累加器；S20、当每个脉冲周期输入时间值信号时，将对应时间片段的累加器计数加1，直至多次测量累加器翻转清零后，将对应时间片段的直方图数组位计数加1；S30、循环S20步骤，直至输入所有信号，完成直方图构建。2.如权利要求1所述的TOF直方图动态范围拓展方法，其特征在于，还包括S40步骤，具体为：寻峰时，若峰位在任意边界的一半时间片段数量的范围内，则对该边界左右两边各时间片段数量范围内的直方图做量化归一化处理，以还原局部直方图；再对该局部直方图进行寻峰，以定位峰位；其中，时间片段数量为当前信号峰的宽度。3.如权利要求1所述的TOF直方图动态范围拓展方法，其特征在于，S10步骤中，对近距离和远距离的事件数压缩量化级数，近距离的事件数的压缩程度大于远距离的事件数的压缩程度。4.如权利要求2所述的TOF直方图动态范围拓展方法，其特征在于，S10步骤中，量化级数的最大压缩程度根据信号和噪声以及不同反射率目标反射回波计算得到。5.如权利要求1所述的TOF直方图动态范围拓展方法，其特征在于，S10步骤中，同一区间左端的噪声计数值低于最右端的最小回波信号叠加该区间噪声后的计数值。6.如权利要求2所述的T...

【专利技术属性】
技术研发人员：马宁，何梦凡，沈炜，许鹤松，丁卓龙，陈慧卿，沈昕嘉，
申请(专利权)人：杭州宇称电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：