一种门控成像的测距系统和测距方法技术方案

本发明专利技术提供一种门控成像的测距系统和测距方法，涉及激光成像技术领域。其中，门控成像的测距系统包括：时序控制系统，适于得到发射脉冲信号和接收脉冲信号；发射系统，适于向目标物体发射脉冲激光；接收系统，适于接收被目标物体反射的反射脉冲激光；其中，所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟了特定延迟时间；反射脉冲激光参数与特定延迟时间关联获得测距序列，对测距序列进行拟合或解卷积处理，以得到目标物体与所述测距系统的距离。本发明专利技术提供的门控成像的测距系统和测距方法，可测量距离更远，测量精度更高。测量精度更高。测量精度更高。

【技术实现步骤摘要】
一种门控成像的测距系统和测距方法


[0001]本专利技术涉及激光成像
，特别是涉及一种门控成像的测距系统和测距方法。

技术介绍

[0002]在选通成像领域，激光器发射的脉冲激光经目标物体反射后，返回至图像采集装置时需要脉冲将其同步开启，从而捕获到反射回来的光子信息，实现特定距离物体的成像。目前选通成像的测距方法有三角测距法、直接飞行时间法等。
[0003]三角测距法采用激光由一个点扩展成多条点或线组成的结构光束组，通过多点综合分析扩展视场范围。为了避免多光束在同一个像素中重叠，结构光测距的可测量距离范围被严重压缩，实际应用中通常被限制在特定工作面的测量上。
[0004]直接飞行时间法（dToF），采用短脉冲激光作为照明，高速相机、快速光电二极管（PD）或雪崩二极管（APD）作为检测器。向目标发射激光脉冲，同时开始计时（计时起始时刻t
initial
）；检测器接收到目标反射的脉冲时结束计时（计时结束时刻t
end
）。根据空气中的光速c可知，目标距离，即光脉冲往返的飞行时间。但限于仪器整体可提供的测距序列，测距的精度仅可达到数米到十数米量级。
[0005]因此，有必要提供一种门控成像的测距系统和测距方法，以有效解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种门控成像的测距系统。
[0007]本专利技术实施例提供一种门控成像的测距系统，该测距系统包括：时序控制系统，适于与上位机连接，以实现与所述上位机之间的通信得到发射脉冲指令和接收脉冲指令，并基于所述发射脉冲指令和所述接收脉冲指令得到发射脉冲信号和接收脉冲信号；发射系统，适于与所述时序控制系统连接，以实现与所述时序控制系统的通信，接收所述时序控制系统发送的所述发射脉冲信号，在所述发射脉冲信号的控制下，向目标物体发射脉冲激光；接收系统，适于与所述时序控制系统连接，以实现与所述时序控制系统的通信，接收所述时序控制系统发送的所述接收脉冲信号，并在所述接收脉冲信号的控制下，接收被目标物体反射的反射脉冲激光；其中，所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟了特定延迟时间；所述接收系统适于基于所述反射脉冲激光得到反射脉冲激光参数并传输至所述上位机，所述上位机适于将所述反射脉冲激光参数与所述特定延迟时间关联获得测距序列，并对所述测距序列进行拟合或解卷积处理，以得到目标物体与所述测距系统的距离。
[0008]优选地，所述发射系统为激光器系统，脉宽Δt
L
在百皮秒至微秒级，选用边缘发射激光器系统或垂直腔表面发射激光器系统。通常，谐振器与半导体基板平行地形成，并且光
从劈开的侧面发射，具有这种结构的半导体激光器通常被称为边缘发射激光器（EEL）。另一方面，具有垂直于半导体衬底发射光的结构的激光器被称为表面发射激光器（SEL），其中使谐振器垂直于半导体衬底的表面发射激光器被称为垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。
[0009]优选地，所述接收系统为门控相机系统，门宽（即，曝光时间）Δt
G
在百皮秒至微秒级。
[0010]优选地，所述测距系统还包括对门控相机成像进行调节优化的镜头，用于削减干扰光、优化对比度的带通滤光片，对发射的脉冲激光进行传输、集聚和波前整形的光纤，以及对发射的脉冲激光进行光束整形的透镜或透镜组，所述光纤和所述透镜或透镜组依次通过光线传输的方式与所述发射系统连接，所述带通滤光片和所述镜头依次通过光线传输的方式与所述接收系统连接。
[0011]优选地，所述反射脉冲激光参数包括被目标物体反射的反射脉冲激光的像素强度，所述像素强度的计算公式为：;其中，t
D
为系统延时，d
target
为目标物体与所述测距系统的距离，为与t
D
和d
target
相关的所述像素强度，I0为所述脉冲激光的初始脉冲光强，QE为所述接收系统的量子转换效率，R
target
为目标物体的反射率，为所述脉冲激光的脉冲函数，为与d
target
相关的传播函数，Δt
G
为所述接收脉冲信号的脉宽。
[0012]优选地，所述时序控制系统适于连续发送多个所述发射脉冲信号；所述发射系统每接收一个所述发射脉冲信号，向目标物体发射一个所述脉冲激光；所述时序控制系统每发送一个所述发射脉冲信号，对应向所述接收系统发送一个对应的所述接收脉冲信号；每对对应的所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟了一个所述特定延迟时间。
[0013]优选地，相邻的所述特定延迟时间的差值为特定延时间隔，所述特定延时间隔递增或递减，所述特定延时间隔满足计算公式：；；其中，Δt
step
为特定延时间隔，Δt
G
为所述接收脉冲信号的脉宽，Δt
L
为所述发射脉冲信号的脉宽；Δt
min
为min函数，取Δt
G
和Δt
L
中的最小值。
[0014]优选地，所述接收系统适于将采集到的所述特定延时间隔的包含所述反射脉冲激光参数的图像顺序排列，得到所述测距序列，所述测距序列表示为所述特定延时间隔的所述图像的集合Q，;其中n为所述图像的帧序号，I为所述图像的像素强度，I与所述系统延时t
D
的关系为：;其中，P为所述脉冲激光的脉冲函数，即脉冲激光的强度/功率密度在时间上的分
布，G为所述接收系统的响应函数，即门控相机系统对光子的响应效率与时间的关系。
[0015]优选地，对所述测距序列进行高斯曲线拟合：；其中，Q(t
D
)为所述测距序列，A为曲线的峰值，t
C
为曲线的峰值所在的时间坐标，B为曲线的半峰全宽值；目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：；其中，d
target
为目标物体与所述测距系统的距离，t
ref
为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
[0016]优选地，对所述测距序列进行抛物线拟合：；其中，Q(t
D
)为所述测距序列，A为抛物线的峰值，t
C
为抛物线的峰值对应的时间坐标，const为常数；目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：；其中，d
target
为目标物体与所述测距系统的距离，t
ref
为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。
[0017]优选地，以一块墙面为目标，要求墙面垂直于门控相机系统的视场的中轴线，要求墙面平整且各处对激光的反射率都相同，墙面到测距系统的距离已知为d
ref
，对该目标进行测距序列的采集，采集过程要求Dt
step
尽可能的小。对该测距序列用对应方法（高斯或抛物线）进行拟合，拟合得到的t
C
可通过下式换算为t
ref
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种门控成像的测距系统，其特征在于，包括：时序控制系统，适于与上位机连接，以实现与所述上位机之间的通信得到发射脉冲指令和接收脉冲指令，并基于所述发射脉冲指令和所述接收脉冲指令得到发射脉冲信号和接收脉冲信号；发射系统，适于与所述时序控制系统连接，以实现与所述时序控制系统的通信，接收所述时序控制系统发送的所述发射脉冲信号，在所述发射脉冲信号的控制下，向目标物体发射脉冲激光；接收系统，适于与所述时序控制系统连接，以实现与所述时序控制系统的通信，接收所述时序控制系统发送的所述接收脉冲信号，并在所述接收脉冲信号的控制下，接收被目标物体反射的反射脉冲激光；其中，所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟了特定延迟时间；所述接收系统适于基于所述反射脉冲激光得到反射脉冲激光参数并传输至所述上位机，所述上位机适于将所述反射脉冲激光参数与所述特定延迟时间关联获得测距序列，并对所述测距序列进行拟合或解卷积处理，以得到目标物体与所述测距系统的距离。2.根据权利要求1所述的测距系统，其特征在于，所述反射脉冲激光参数包括被目标物体反射的反射脉冲激光的像素强度，所述像素强度的计算公式为：;其中，t
D
为系统延时，d
target
为目标物体与所述测距系统的距离，为与t
D
和d
target
相关的所述像素强度，I0为所述脉冲激光的初始脉冲光强，QE为所述接收系统的量子转换效率，R
target
为目标物体的反射率，为所述脉冲激光的脉冲函数，为与d
target
相关的传播函数，Δt
G
为所述接收脉冲信号的脉宽。3.根据权利要求2所述的测距系统，其特征在于，所述时序控制系统适于连续发送多个所述发射脉冲信号；所述发射系统每接收一个所述发射脉冲信号，向目标物体发射一个所述脉冲激光；所述时序控制系统每发送一个所述发射脉冲信号，对应向所述接收系统发送一个对应的所述接收脉冲信号；每对对应的所述接收脉冲信号和所述发射脉冲信号延迟了一个所述特定延迟时间。4.根据权利要求3所述的测距系统，其特征在于，相邻的所述特定延迟时间的差值为特定延时间隔，所述特定延时间隔递增或递减，所述特定延时间隔满足计算公式：；；其中，Δt
step
为特定延时间隔，Δt
G
为所述接收脉冲信号的脉宽，Δt
L
为所述发射脉冲信号的脉宽；Δt
min
为min函数，取Δt
G
和Δt
L
中的最小值。5.根据权利要求4所述的测距系统，其特征在于，所述接收系统适于将采集到的所述特定延时间隔的包含所述反射脉冲激光参数的图像顺序排列，得到所述测距序列，所述测距序列表示为所述特定延时间隔的所述图像的集合Q，
;其中n为所述图像的帧序号，I为所述图像的像素强度，I与所述系统延时t
D
的关系为：;其中，P为所述脉冲激光的脉冲函数，G所述接收系统的响应函数。6.根据权利要求5所述的测距系统，其特征在于，对所述测距序列进行高斯曲线拟合：；其中，Q(t
D
)为所述测距序列，A为曲线的峰值，t
C
为曲线的峰值所在的时间坐标，B为曲线的半峰全宽值；目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：；其中，d
target
为目标物体与所述测距系统的距离，t
ref
为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。7.根据权利要求5所述的测距系统，其特征在于，对所述测距序列进行抛物线拟合：；其中，Q(t
D
)为所述测距序列，A为抛物线的峰值，t
C
为抛物线的峰值对应的时间坐标，const为常数；目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：；其中，d
target
为目标物体与所述测距系统的距离，t
ref
为经标定测得的与所述测距系统距离为零的位置处对应的系统延时，c为空气中的光速。8.根据权利要求5所述的测距系统，其特征在于，对所述测距序列进行解卷积包括：使用标准序列对所述测距序列进行离散解卷积，获得脉宽函数δ及其中心位置t
m
；目标物体与所述测距系统的距离的计算公式为：；其中，d
target
为目标物体与所述测距系统的距离，c为空气中的光速，d
ref
为所述标准序列所对应的标定目标物体与所述测距系统的距离。9.一种门控成像的测距方法，基于上述权利要求1
‑
8任一项所述的门控成像的测距系统实现，其特征在于，包括如下步骤：提供时序控制系统，将所述时序控制系统与上位机连接，与所述上位机通信得到发射脉冲指令和接收脉冲指令，所述时序控制系统基于所述发射脉冲指令和所述接收脉冲指令得到发射脉冲信号和接收脉冲信号；提供发射系统，将所述发射系统与所述时序控制系统连接，与所述时序控制系统的通信，所述发射系统在所述发射脉冲信号的控制下，向目标物体发射脉冲激光；提供接收系统，将所述接收系统与所述时序控制系统连接，与所述时序控制系统的通
信，所述接收系统在所述接收脉冲信号的控制下，接收被目标物体反射的反射脉冲激光；其中，设置所述接收脉冲信号和所述发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：张华，于澎，方正军，刘禹辰，
申请(专利权)人：苏州洞悉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：