一种激光测距方法及激光测距芯片

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种激光测距方法及激光测距芯片。

背景技术

激光雷达通过测量光束在空间中的飞行时间来计算物体的距离，由于其具有精度高、测量范围大等优点被广泛应用于消费电子、自动驾驶、遥感探测、AR/VR等领域。

现有技术中有两种不同的飞行时间测量方法，分别是直接方法(DirectTOF，dTOF)和间接方法(IndirectTOF，iTOF)。在目前基于dTOF的激光雷达测量系统中，通常包括发射模块和接收模块。其中发射模块可以是EEL，VCSEL，皮秒激光器等；接收模块通常采用单光子雪崩二极管阵列(SPADARRAY)来接收返回的光信号，并且通过TDC(Time-to-DigitalConverter)将时间信息转换成量化的多比特数字信号，进而再经过长时间的曝光和TDC触发累计值来绘制出基于距离的动态直方图，从而得出目标物体的距离信息。

在基于时间相关单光子累积(Time Correlated Single Photon Counting，TCSPC)的方法中，histogram直方图的timebin时间箱个数(bin numbers)与timebin宽度(binwidth)决定了TOF系统所能探测的最远距离和精度。

对于TCSPC方法来讲，更小的histogram binwidth(W)意味着更高的距离探测精度，而更大的bin number(N)则意味着更远的探测距离，但是从硬件的角度，更大的binnumber则意味着需要更多的存储空间，而芯片上的存储空间总是宝贵且一定的。因此当binnumber固定的情况下，精度和距离成为了一对矛盾。即当binwidth(W)越小(测距精度越高)时，最远探测距离d也相应变小；反之若增大binwidth，虽然最远探测距离相应变大，但是距离探测精度却变低。

现有技术中为了平衡激光雷达远距离测距、高精度与存储资源空间有限的矛盾，通常采用由粗直方图到细直方图进行两次曝光的方法、或者采用分距离histogram或者采用多次rolling方法进行解决。

由粗直方图到细直方图进行两次曝光的方法具体为：将一次完整的fullhistogram分成2次histogram。第一次称为coarsehistogram，即binwidth较大(例如4ns)。先对coarsehistogram进行分析，找到感兴趣的bin再进行更高精度binwidth(例如250ps)的展开，即finehistogram阶段。例如4nscoarsebin可以展开成16个(4ns/0.25ns＝16)finebin(binwidth＝250ps)。由于coarse和finehistogram发生在不同的时间阶段，因此TOFsensor芯片中的SRAM是可以做到分时复用的。这样的话，相当于既兼顾了最远测距距离的要求(由coarsehistogram决定)，有满足了测距精度的要求(由finehistogram决定)。

但是coarse-finehistogram也有明显的缺陷：

(1)由于finehistogram得到的只是某一个或几个coarsebin展开并再次曝光后的统计数据，无法看到整个测距范围内的全貌(fullhistogram)信息，即数据是有损失的；

(2)对于复杂的应用场景，尤其是fullhistogram(全直方图)中存在多个peak峰(例如探测环境中存在透明玻璃，多径干扰，雨雾干扰，扬尘干扰等等)的场景，应用coarse-fine方式很可能在coarse阶段找错bin，从而finehistogram的数据也不准确或者并不是用户真正感兴趣的；或者即使假设coarse每次都能找对，但是如果存在多个峰(coarsebinpeak)，则需要对多个coarse形成的峰逐个进行finehistogram展开，站在系统的角度，可能整个数据量也并不会比fullhistogram时候少，同时帧率可能还比fullhistogram时候低。

分距离histogram是将一个远距离测距分成多段来执行，例如0-2m为第一段，2-4m为第二段，4-6m为第三段，依此类推。

由于每一次需要处理的fullhistogram所对应的距离变短，因此binwidth可以相应变小，从而在一定的SRAM容量前提下，测距精度可以有保证；同时由于将长距离分成了多段短距离，但是经过多次处理(分段曝光和处理)以后，仍然能够达到最远测距距离。因此这种方法也是兼顾了最远探测距离和测距精度，以及SRAM容量的限制。

但是这种方式也有一些缺点，如下：

(1)为了不丢失距离分界处(例如上文中的2m，4m，6m处)的目标物体信息，在实际操作时，连续两个分段之间必须有重叠的测距区域，例如0-2.2m，2.0-4.2m，4.0-6.2m，……。这样的话距离重叠部分是存在浪费的，同时也额外增加了SRAM的容量需求；

(2)如果距离分段太多，则对数据帧率也是比较大的影响。

多次rolling(滚动测量)受限于SRAM的容量，则TOFsensor芯片每次仅处理更少量的像素单元，通过时间换空间的方法来节省SRAM的使用量。例如对于一个320*240像素分辨率的TOFsensor，可以每次仅处理320*60个像素，一共分4次rolling来完成整个320*240像素的扫描。

这种方式的问题也显而易见：

(1)rolling shutter带来的运动模糊(motionblur)现象；

(2)rolling次数会影响数据帧率，像素增加，像素分辨率增加，并不能解决最远探测距离与距离精度的矛盾。

因此现有的激光测距方法无法在有效的存储资源下，同时获取最远探测距离与距离精度。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供了一种激光测距方法及激光测距芯片，旨在解决现有技术中激光测距方法在有效的存储资源下，无法同时获取最远探测距离与距离精度的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明第一实施例提供了一种激光测距方法，方法包括：

进行第一次曝光，接收模块检测到目标物体反射回的光子信号，通过TDC转换，构建第一直方图，获得目标物体的初测距离，所述第一直方图的每个时间箱宽度是L1；

判断所述初测距离是否小于预设值，若所述初测距离不小于预设值，则将所述初测距离作为目标物体的实际距离；

若所述初测距离小于预设值，则进行第二次曝光，接收模块检测到目标物体反射回的光子信号，通过TDC转换，构建第二直方图，获得目标物体的细测距离，将所述细测距离作为目标物体的实际距离，所述第二直方图的每个时间箱宽度是L2，L2小于L1；

其中，所述预设值根据L2和所述存储模块的深度设定，所述存储模块用于根据TDC输出的值，存储光子的触发数据，从而构建第一直方图和/或第二直方图。

进一步地，所述存储模块分为第一存储单元和第二存储单元，所述第一存储单元和第二存储单元的深度相同；

所述第一存储单元，用于存储第一帧所有像素的直方图数据；

所述第二存储单元，用于存储第二帧所有像素的直方图数据。

进一步地，所述预设值为L2、存储模块的深度和系数0.15三者的乘积。

进一步地，L1是L2的2N倍，N为大于1的整数。

进一步地，所述第一次曝光TDC的精度是A1，第二次曝光TDC的精度是A2，A1是A2的2N倍，L1＝A1,L2＝A2。

进一步地，所述第一次曝光TDC的精度是A2，第二次曝光TDC的精度是A2，其中，第一次曝光时根据融合技术对时间箱进行融合，融合后L1＝2N*A2,L2＝A2。

进一步地，所述当有M1+M2个目标物体时，判断所述初测距离是否小于预设值后，还包括：

若检测到M1个目标物体的初测距离小于预设值且M2个目标物体的初测距离大于预设值，则进行第二次曝光，

获取第二次曝光时M1个目标物体的细测距离，所述细测距离为M1个目标物体的实际距离；

获取第一次曝光时M2个目标物体对应的初测距离，所述初测距离为M2个目标物体的实际距离。

进一步地，所述第二次曝光的曝光时间远小于第一次曝光的曝光时间，所述第二次曝光的曝光次数远小于第一次曝光的曝光次数，所述第二次曝光时的激光发射功率远小于第一曝光时的激光发射功率。

本发明的另一实施例提供了一种激光测距芯片，包括：

接收模块，用于检测目标物体反射回的光子信号；

TDC模块，用于将光子信号转换为数字信号；

存储模块，用于根据TDC模块输出的数字信号，存储光子的触发数据，从而构建第一直方图和/或第二直方图；

控制器，用于设置曝光次数，并从第一直方图中获取获得目标物体的初测距离，并判断所述初测距离是否小于预设值；若所述初测距离小于预设值，则进行第二次曝光，接收模块检测到目标物体反射回的光子信号，通过TDC转换，构建第二直方图，获得目标物体的细测距离，将所述细测距离作为目标物体的实际距离，所述第二直方图的每个时间箱宽度是L2，L2小于L1，若所述初测距离不小于预设值，则将所述初测距离作为目标物体的实际距离；其中，所述预设值根据L2和所述存储模块的深度设定。

进一步地，L1是L2的2N倍，N为大于1的整数。

有益效果：本发明实施例通过一次曝光获取目标物体的初测距离，若初测距离小于预设值，则进行二次曝光，生成目标物体的细测距离，将细测距离作为目标物体的实际距离，若初测距离不小于预设值，则是将初测距离作为目标物体的实际距离。采用两次曝光，充分利用了有限的存储容量，兼顾了探测远距离和高精度，测距效果较好。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明一种激光测距方法的较佳实施例的流程图；

图2为本发明一种激光测距芯片的较佳实施例的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合附图对本发明实施例进行介绍。

针对上述问题，本发明实施例提供了一种激光测距方法，请参阅图1，图1为本发明一种激光测距方法较佳实施例的流程图。如图1所示，其包括：

步骤S100、进行第一次曝光，接收模块检测到目标物体反射回的光子信号，通过TDC转换，构建第一直方图，获得目标物体的初测距离，第一直方图的每个时间箱宽度是L1；

步骤S200、判断初测距离是否小于预设值，若小于，则执行步骤S300，若不小于，则执行步骤S400；

步骤S300、进行第二次曝光，接收模块检测到目标物体反射回的光子信号，通过TDC转换，构建第二直方图，获得目标物体的细测距离，将细测距离作为目标物体的实际距离，第二直方图的每个时间箱宽度是L2，L2小于L1；

步骤S400、将初测距离作为目标物体的实际距离。

具体实施时，本发明实施例是基于直接的飞行时间测量方法进行测距。其中发射模块包括但不限于EEL、VCSEL、皮秒激光器。接收模块包括不限于单光子雪崩二极管阵列SPAD ARRAY。其中EEL为边发射激光器，边发射激光器发射的光线沿平行于衬底表面发出，VCSEL为面发射激光器，面发射激光器出光方向垂直至衬底表面。SPAD ARRAY工作在盖革(Geiger)模式。SPAD理论上可实现单光子探测，探测灵敏度最高。

在发射模块向目标物体发射脉冲激光时，进行第一次曝光，接收模块检测到目标物体反射回的光子信号，通过TDC转换，构建第一直方图，根据第一直方图的时间箱宽度和时间箱个数计算目标物体的初测距离。

用d1代表目标物体的初测距离(单位为m)，用N代表第一直方图的时间箱个数binnumber，用L1代表第一直方图的时间箱宽度bin width(单位为ns)，其中光速为3*10

此时判断初测距离是否小于预设值，

若小于预设值，则进行第二次曝光，从而接收模块检测到目标物体反射回的光子信号，通过TDC转换，构建第二直方图，根据第二直方图的时间箱宽度和时间箱个数计算目标物体的细测距离。

用d2代表目标物体的细测距离(单位为m)，用N代表第二直方图的时间箱个数binnumber，用L2代表第二直方图的时间箱宽度bin width(单位为ns)，其中光速为3*10

其中，预设值根据L2和存储模块的深度设定，存储模块用于根据TDC输出的值，存储光子的触发数据，从而构建第一直方图和/或第二直方图。

本发明实施例先采用低精度的bin width(bin width比较大)对整个可探测距离进行一次full histogram，并且bin width是均匀分布的，例如存储器深度为256，N1为256,L1为1ns，则初测距离对应38.4m；

然后再专门针对近距离增加一次full histogram，并且bin width也是均匀分布的，但是此时的bin width是比较小的(精度高)，例如N1为256,L2为0.125，精度为0.018m＝0.15*0.125ns，则细测距离对应4.8m＝0.15*256*0.125ns。通过采用2次曝光，充分利用256的存储深度，探测的距离远，可最远探测到38.4m，近距离下精度高，在4.8米以内精度可以达到0.018m。

优选的，预设值为L2、存储模块的深度和系数0.15三者的乘积。

具体地，预设值＝L2*存储模块的深度*0.15。若存储模块的深度为256，则预设值＝L2*256*0.15.

在一个实施例中，存储模块分为第一存储单元和第二存储单元，第一存储单元和第二存储单元的深度相同；

所述第一存储单元，用于存储第一帧所有像素的直方图数据；

所述第二存储单元，用于存储第二帧所有像素的直方图数据。

具体实施时，如果想进一步提高近距离的精准度，以存储模块深度为256bin为例，也可以256bin*0.0625ns＝16ns(对应2.4m)；或者在精准度已经满足要求的前提下，同样的bin number可以提供2倍的像素分辨率，例如存储模块包括第一存储单元和第二存储单元，第一存储单元和和第二存储单元的均为128bin,即256bin＝128bin+128bin，每个存储单元对应的128bin采用125ps的精度，这样存储模块的256bin就可以存储2个帧的histogram数据。

优选的，L1是L2的2N倍，N为大于1的整数。

具体地，为了提高测量的精度，第一直方图的时间箱宽度是第二直方图的时间箱宽度的2N倍，采样宽度变宽，采样数字变小，从而测量距离变小，测量精度增大。例如L1可以是L2的4倍、8倍、16倍等等。

在一个实施例中，第一次曝光TDC的精度是A1，第二次曝光TDC的精度是A2，A1是A2的2N倍，L1＝A1,L2＝A2。

具体实施时，可采用两个精度不同的TDC电路，第一曝光TDC的精度为A1，第二曝光TDC精度为A2,第一次曝光时采用第一曝光TDC进行第一直方图构建。第二次曝光时采用第二曝光TDC进行第二直方图构建，其中A1是A2的2N倍，L1＝A1,L2＝A2。

在一些其他的实施例中，第一次曝光TDC的精度是A2，第二次曝光TDC的精度是A2，其中，第一次曝光时根据binning融合技术对时间箱进行融合，融合后L1＝2N*A2,L2＝A2。

具体实施时，在测距过程，测距芯片采用一个TDC电路，TDC的精度为A2，第一次曝光时采用binning融合技术对时间箱进行融合，融合后的精度为L1，L1＝2N*A2,第二次曝光时的精度为L2,其中L2＝A2。

在一个实施例中，当有M1+M2个目标物体时，判断初测距离是否小于预设值后，还包括：

若检测到M1个目标物体的初测距离小于预设值且M2个目标物体的初测距离大于预设值，则进行第二次曝光，

获取第二次曝光时M1个目标物体的细测距离，细测距离为M1个目标物体的实际距离；

获取第一次曝光时M2个目标物体对应的初测距离，初测距离为M2个目标物体的实际距离。

具体实施时，若一次测量物体时，有多个目标物体，目标物体的个数记为M1+M2，其中M1为大于等于0的正数，M2为大于等于0的正数，

进行第一次曝光，接收模块检测到目标物体反射回的光子信号，通过TDC转换，构建第一直方图，根据第一直方图获得目标物体初测距离。

若M1个目标物体的初测距离小于预设值，M2个目标物体的初测距离不小于预设值，则进行第二次曝光，

获取第二次曝光时M1个目标物体的细测距离，细测距离为M1个目标物体的实际距离；

获取第一次曝光时M2个目标物体对应的初测距离，初测距离为M2个目标物体的实际距离。

在一个实施例中，第二次曝光的曝光时间远小于第一次曝光的曝光时间，第二次曝光的曝光次数远小于第一次曝光的曝光次数，第二次曝光时的激光发射功率远小于第一曝光时的激光发射功率。

具体实施时，由于目标物体的距离越远，发射功率越大，第二次曝光时专门针对近距离，因此理论上总的曝光时间和曝光次数，包括激光发射功率相比于最大量程的距离探测来说均可以做大幅度的减小，从而节省系统功耗。其中远小于，是指第一次曝光的曝光时间为第二次曝光的曝光时间X倍，X为大于2的整数，此处的远小于一般指后者是前者的X倍，数值相差较远。

需要说明的是，上述各步骤之间并不必然存在一定的先后顺序，本领域普通技术人员，根据本发明实施例的描述可以理解，不同实施例中，上述各步骤可以有不同的执行顺序，亦即，可以并行执行，亦可以交换执行等等。

本发明另一实施例提供一种激光测距芯片，如图2所示，包括：

接收模块11，用于检测目标物体反射回的光子信号；

TDC模块12，用于将光子信号转换为数字信号；

存储模块13，用于根据TDC模块输出的数字信号，存储光子的触发数据，从而构建第一直方图和/或第二直方图；

控制器14，用于设置曝光次数，并从第一直方图中获取获得目标物体的初测距离，并判断初测距离是否小于预设值；若初测距离小于预设值，则进行第二次曝光，接收模块检测到目标物体反射回的光子信号，通过TDC转换，构建第二直方图，获得目标物体的细测距离，将细测距离作为目标物体的实际距离，第二直方图的每个时间箱宽度是L2，L2小于L1，若初测距离不小于预设值，则将初测距离作为目标物体的实际距离；其中，预设值根据L2和存储模块的深度设定。

具体实施时，在发射模块向目标物体发射脉冲激光时，接收模块检测到目标物体反射回的光子信号，TDC模块将光子信号转换为数字信号，存储模块根据TDC模块输出的数字信号，存储光子的触发数据，从而构建第一直方图和/或第二直方图。

控制器设置曝光次数，并从第一直方图中获取获得目标物体的初测距离，用d1代表目标物体的初测距离(单位为m)，用N代表第一直方图的时间箱个数bin number，用L1代表第一直方图的时间箱宽度bin width(单位为ns)，其中光速为3*10

控制器判断初测距离是否小于预设值，

若小于预设值，则进行第二次曝光，从而接收模块检测到目标物体反射回的光子信号，通过TDC转换，构建第二直方图，根据第二直方图的时间箱宽度和时间箱个数计算目标物体的细测距离。

用d2代表目标物体的细测距离(单位为m)，用N代表第二直方图的时间箱个数binnumber，用L2代表第二直方图的时间箱宽度bin width(单位为ns)，其中光速为3*10

其中，预设值根据L2和存储模块的深度设定，存储模块用于根据TDC输出的值，存储光子的触发数据，从而构建第一直方图和/或第二直方图。

在一个实施例中，L1是L2的2N倍，N为大于1的整数。

具体实施时，为了提高测量的精度，第一直方图的时间箱宽度是第二直方图的时间箱宽度的2N倍，采样宽度变宽，采样数字变小，从而测量距离变小，测量精度增大。例如L1可以是L2的4倍、8倍、16倍等等。

通过以上的实施例的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施例可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存在于计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。

除了其他之外，诸如"能够'、"能"、"可能"或"可以"之类的条件语言除非另外具体地陈述或者在如所使用的上下文内以其他方式理解，否则一般地旨在传达特定实施方式能包括(然而其他实施方式不包括)特定特征、元件和/或操作。因此，这样的条件语言一般地还旨在暗示特征、元件和/或操作对于一个或多个实施方式无论如何都是需要的或者一个或多个实施方式必须包括用于在有或没有输入或提示的情况下判定这些特征、元件和/或操作是否被包括或者将在任何特定实施方式中被执行的逻辑。

已经在本文中在本说明书和附图中描述的内容包括能够提供激光测距方法及芯片的示例。当然，不能够出于描述本公开的各种特征的目的来描述元件和/或方法的每个可以想象的组合，但是可以认识到，所公开的特征的许多另外的组合和置换是可能的。因此，显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下能够对本公开做出各种修改。此外，或在替代方案中，本公开的其他实施例从对本说明书和附图的考虑以及如本文中所呈现的本公开的实践中可能是显而易见的。意图是，本说明书和附图中所提出的示例在所有方面被认为是说明性的而非限制性的。尽管在本文中采用了特定术语，但是它们在通用和描述性意义上被使用并且不用于限制的目的。