一种距离测量系统及方法

技术领域

本发明涉及测距技术领域，尤其涉及一种距离测量系统及方法。

背景技术

利用飞行时间原理(TOF，Time of Flight)可以对目标进行距离测量，以获取包含目标深度值的深度图像，而基于飞行时间原理的距离测量系统已经被广泛应用于消费电子、无人架驶、AR/VR等领域。基于飞行时间原理的距离测量系统通常包括发射器和采集器，利用发射器发射脉冲光束照射目标视场并利用采集器采集反射光束，计算光束由发射到反射回被接收的飞行时间来计算物体的距离。

目前，采用利用飞行时间原理进行距离测量的方案在实际测距过程中，系统由于受到机械振荡或者是传感器温度升高产生的热效应等因素的影响，容易导致反射光束入射到采集器中的位置会发生偏移，不再入射到预标定的像素上，导致真实的反射光束未被采集，从而使得输出的采样信号存在误差，最终导致测距结果产生误差。

因此，如何在实际测距过程中实时定位光束入射到采集器上的位置就显得尤其重要，通过实时定位光束入射到采集器上的位置，从而激活对应的像素采集则是提高测距精确度的关键问题之一。

上述背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种距离测量系统及方法，以解决上述背景技术问题中的至少一种问题。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种距离测量系统，包括发射器、采集器以及处理电路；其中，

所述发射器用于朝向目标区域发射脉冲光束；

所述采集器包括感测区域和读出电路，所述感测区域包括至少一个像素；所述脉冲光束被反射后入射到所述感测区域形成光斑，所述感测区域采集所述光斑中的光子并输出光子检测信号；其中，所述感测区域为预标定的初始感测区域；所述读出电路用于判断所述光斑的测量中心位置与所述初始感测区域的位置是否相同；若不相同，则根据所述光斑的测量中心位置确定对应的测量感测区域位置；

所述处理电路与所述发射器和所述采集器连接，用于调整所述测量感测区域中像素的偏置电压，以激活所述测量感测区域采集所述光斑中的光子并输出光子检测信号；进一步接收所述光子检测信号形成光子检测事件信号，并基于所述光子检测事件信号形成直方图，根据所述直方图计算距离信息。

在一些实施例中，所述读出电路包括计数电路和第一处理电路；其中，所述计数电路用于接收所述光子检测信号并统计每个像素响应的光子检测事件的数量；所述第一处理电路根据统计的所述光子检测事件的数量，基于预设定的算法计算出所述光斑的测量中心位置，进一步根据所述光斑的测量中心位置确定对应的测量感测区域的位置。

在一些实施例中，所述计数电路包括多个计数器，以用于统计每个像素响应的光子检测事件的数量；其中，所述计数器的数量与所述感测区域中像素的数量相同且一一对应连接。

在一些实施例中，所述处理电路包括第二处理电路，用于调整所述测量感测区域中像素的偏置电压激活每个感测区域以采集所述光斑中的光子并输出光子检测信号。

在一些实施例中，所述第二处理电路被配置为过量偏置控制电路，以用于调控所述测量感测区域内像素上的过量偏置电压，使得所述测量感测区域内的像素处于激活状态。

在一些实施例中，所述读出电路还包括TDC电路和直方图存储器；其中，所述TDC电路用于接收所述光子检测信号并形成光子检测事件信号，所述光子检测事件信号用于寻址直方图存储器的位置，基于所述直方图存储器的位置作为时间直方形成直方图。

本发明实施例另一技术方案为：

一种距离测量方法，包括如下步骤：

S1、控制发射器朝向目标区域发射脉冲光束；其中，所述脉冲光束被反射后入射到采集器的感测区域形成光斑；

S2、控制采集器中的感测区域采集光斑中的光子并输出光子检测信号；其中，所述感测区域为预标定的初始感测区域；

S3、判断所述光斑的测量中心位置与所述初始感测区域的位置是否相同；若不相同，则根据所述光斑的测量中心位置确定对应的测量感测区域位置，并激活所述测量感测区域用于采集光斑中的光子，以输出光子检测信号；

S4、接收所述光子检测信号并形成光子检测事件信号，基于所述光子检测事件信号形成直方图，进一步根据直方图计算距离信息。

在一些实施例中，步骤S3中还包括：统计每个像素响应的光子检测事件的数量，并基于统计的数量计算所述光斑的测量中心位置。

在一些实施例中，步骤S3中，利用计数电路接收所述光子检测信号并统计每个像素响应的光子检测事件的数量；其中，所述计数电路中包括多个计数器，所述计数器的数量与所述感测区域中的像素数量相同且一一对应连接。

在一些实施例中，根据如下公式计算所述光斑的测量中心位置：

其中，光斑的测量中心位置坐标为(m，n)，A

本发明技术方案的有益效果是：

相较于现有技术，本发明通过实时追踪光斑的中心位置以确定对应的测量感测区域位置，从而激活对应的感测区域采集光斑中的光子，确保光斑可落到激活的感测区域，提高了测距的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是根据本发明一个实施例距离测量系统的原理框图。

图2是根据本发明一个实施例距离测量系统的像素单元的结构图示。

图3是根据本发明另一个实施例采集器的原理框图。

图4是根据图实施例采集器的像素激活控制电路图示。

图5是根据本发明另一个实施例距离测量方法的流程图示。

图6是根据本发明另一个实施例光斑位置追踪方法的流程图示。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1所示为本发明一个实施例的距离测量系统的示意图。距离测量系统10包括发射器11、采集器12以及处理电路13。其中，发射器11包括由一个或多个激光器组成的光源111，以用于向目标20发射脉冲光束30，至少部分脉冲光束经过目标反射形成反射光束40回到采集器12；采集器12包括由多个像素组成的像素单元121，以用于采集反射光束40中的光子并输出光子信号；处理电路13同步发射器11与采集器12的触发信号以计算光束中的光子从发射到反射回被接收所需要的飞行时间。

其中，发射器11包括光源111、发射光学元件112以及驱动器113等。在一个实施例中，光源111是在单块半导体基底上生成多个VCSEL(垂直腔面发射激光器)光源以形成的VCSEL阵列光源芯片。其中，光源111可以在处理电路13的控制下以一定频率(脉冲周期)向外发射脉冲光束，脉冲光束经过发射光学元件112投射到目标场景上形成照明斑点，其中频率根据测量距离进行设定。

采集器12包括像素单元121、过滤单元122和接收光学元件123等；其中，接收光学元件123将目标反射的斑点光束成像到像素单元121上。像素单元121包括多个采集光子的像素，所述像素可以是APD(雪崩光电二极管)、SPAD(单光子雪崩二极管)、SiPM(硅光电倍增管)等采集光子的单光子器件中的一种。像素单元121采集到光子的事件被视为光子检测事件发生并输出光子检测信号。在一个实施例中，像素单元121包括由多个SPAD组成，SPAD可以对入射的单个光子进行响应并输出指示所接收光子在每个SPAD处相应到达时间的光子检测信号。一般地，采集器12还包括有与像素单元连接的信号放大器、时数转换器(TDC)、数模转换器(ADC)等器件中的一种或多种组成的读出电路(图中未示出)。其中，读出电路既可以与像素单元连接在一起，作为采集器的一部分，也可以整合在处理电路13中，作为处理电路的一部分。

处理电路13同步发射器11与采集器12的触发信号，用于对像素采集光子而输出的光子检测信号进行处理，计算出光子从发射到反射回被接收的飞行时间，并进一步计算出目标的距离信息。在一些实施例中，处理电路13可以是独立的专用电路，比如专用SOC芯片、FPGA芯片、ASIC芯片等等，也可以包含通用处理电路。

图2所示是本发明一个实施例的像素单元的结构示意图。像素单元121包括由多个像素组成的二维像素阵列，用于采集由物体反射回的至少部分光束中的光子(称为光子检测事件)，并生成相应的光子检测信号。

在一个实施例中，像素单元是由多个SPAD 205组成的，当发射器11向被测物体发射脉冲光束时，脉冲光束经被测物体反射形成反射脉冲光束，采集器12中的接收光学元件123会引导该反射脉冲光束到相应的像素上形成成像光斑(图2中圆形所示，也称斑点)，每个像素都被视为一个感测区域。一般地，为了尽可能多地接收反射脉冲光束中的光子信号，通常将单个斑点的大小设置为对应多个像素(此处对应可以理解为成像，接收光学元件123一般包括成像透镜)；如图2所示，单个斑点对应2×2＝4个像素，即：可以认为由4个像素组成一个感测区域，即该斑点上反射脉冲光束反射回的光子会以一定的概率被对应的4个像素接收，图2中阴影方框表示反射光斑入射到对应像素上的可能情况。

一般地，根据发射器11和采集器12之间设置方式的不同，可以将距离测量系统分成共轴和离轴两种情况。对于共轴情形，发射器11发出的光束经过被测物体反射后将由采集器12中对应的像素采集，像素的位置不会因为被测物体的远近有影响，即每个光束反射后的反射光斑对应的感测区域可以预先标定出来。但对于离轴情形，由于视差的存在，当被测物体远近不同时，反射光斑落在像素单元上的位置会发生变化；一般地，反射光斑会沿着基线(发射器与采集器之间的连线，在本发明实施例中统一用横线来表示基线方向)方向发生偏移，因此对于每个反射光斑，需要同步激活至少两个感测区域来接收。如图2所示的实施例，同步激活三个感测区域201、202、203组成一个采样区域204采集从目标视场反射回的某一束反射光斑。具体的，在测量开始阶段通过一段时间的测量，标定出该反射光斑入射到采样区域204中对应的一个感测区域203，则后续的采样过程只需激活感测区域203即可。

在持续的采样过程中，由于受到机械振荡或者是传感器温度升高产生的热效应等因素的影响，导致反射光斑的成像光斑会发生偏移，如图2中的虚线圆形所示，反射光斑不再入射到感测区域203中，而是入射到处于未激活状态的感测区域202中，则感测区域203中的像素不能采集到从视场反射回的光斑中的光子而输出无效的干扰信号，导致处理电路最终计算的感测区域203对应的目标视场中该点的距离值会出现偏差。因此，当出现采样异常时需要重新校正反射光斑入射的感测区域。可以理解的是，采样异常的情况可以通过设置RGB传感器采集目标视场的RGB图像辅助确定有问题的深度图像，或者可在处理电路中设置可编辑的算法程序识别出有问题的深度图像。

图3所示是本发明一个实施例的采集器的结构示意图。采集器包括像素单元31和读出电路32；像素单元31是由多个像素组成的二维像素阵列，其中，每个像素被配置为是一个感测区域或者由至少两个像素组成一个感测区域，反射光斑入射到感测区域中发生光子检测事件，感测区域内的像素响应于光子检测事件而输出光子检测信号，在图3所示的实施例中示意出一个感测区域的示意图，假设每个感测区域包括四个像素，读出电路与感测区域一一对应连接。

在一个实施例，读出电路32包括计数电路321和第一处理电路322。其中，计数电路321用于接收光子检测信号并统计每个像素响应的光子检测事件的数量。在一个实施例中，计数电路321包括多个计数器，计数器的数量与感测区域中像素的数量相同且一一对应连接，用于统计每个像素响应的光子检测事件的数量。

第一处理电路322根据统计的光子检测事件的数量基于预设定的算法计算出光斑的测量中心位置，并进一步根据光斑的测量中心位置确定对应的测量感测区域的位置。在一些实施例中，预设定的算法包括但不限于重心法、加权重心法、最小二乘法、最大似然法等。其中，将预标定的初始感测区域的中心位置确定为参考中心位置，根据感测区域响应的光子检测事件的数量计算出光斑的测量中心位置，若测量中心位置与参考中心位置的偏移量不满足预设阈值，则根据测量中心位置确定出光斑对应的测量感测区域的位置，进一步激活对应的测量感测区域用于采集光子并输出光子检测信号。

在一个实施例中，读出电路32还包括TDC电路323和直方图存储器324。其中，TDC电路用于接收光子检测信号并形成光子检测事件信号，光子检测事件信号中包含相应光子检测事件发生的时间数据，即光子从发射到被采集的飞行时间，在一些实施例中，光子检测事件信号可以以时间戳数据、数字时序信号、时间码数据或者其他表示的形式。进一步的，利用光子检测事件信号寻址直方图存储器位置，利用直方图存储器的位置作为时间直方(bin)形成直方图。其中，直方图横坐标表示时间，纵坐标表示光子检测事件的计数值，感测区域内响应于全部光子检测事件而生成的光子检测事件信号分配在直方图的时间bin内，以及在每个时间bin内获得光子检测事件的计数值。

在包括有前述任一实施例方案采集器的距离测量系统中，发射器向目标区域发射的脉冲光束被反射后入射到采集器的感测区域形成光斑，所述感测区域为预标定的初始感测区域，其包括至少一个像素。读出电路判断光斑的中心位置与初始感测区域的位置是否相同；若不相同，则根据光斑的中心位置确定对应的测量感测区域位置；通过处理电路调整所述测量感测区域中像素的偏置电压激活所述测量感测区域以采集所述光斑中的光子并输出光子检测信号；进一步接收所述光子检测信号并形成光子检测事件信号，基于所述光子检测事件信号形成直方图，进一步根据直方图计算距离信息。如此，通过追踪光斑位置，激活对应的感测区域采集光斑中的光子，从而可提高距离测量系统的测距精确度。

在一实施例中，处理电路还包括第二处理电路，第二处理电路用于调整测量感测区域中像素的偏置电压激活每个感测区域以采集光斑中的光子并输出光子检测信号。其中，当SPAD像素两端的偏置电压大于雪崩电压时，即处于激活状态可用于接收反射光束中的光子。第二处理电路与感测区域相关联，具体的，可以是每个感测区域连接一个第二处理电路，也可以是每个感测区域内的每个像素分别连接一个第二处理电路，在本发明实施例中不作特别限定。

参照图4所示，在一个实施例中，第二处理电路可以被配置为是过量偏置控制电路。首先，像素阵列中的所有像素上均施加全局偏置电压V

在一个实施例中，也可以设置特殊的像素结构用于控制每个像素的激活和关闭，比如：于像素内配置存储单元用于存储控制每个像素激活或关闭的控制逻辑，根据第一处理电路确定的测量感测区域的位置，处理电路调控对应像素上存储单元内的控制逻辑执行，以调节像素上施加的偏置电压。

参照图5所示，作为本发明另一实施例一种距离测量方法，方法包括如下步骤：

S1、控制发射器朝向目标区域发射脉冲光束；其中，脉冲光束被反射后入射到采集器的感测区域形成光斑。

S2、控制采集器中的感测区域采集光斑中的光子并输出光子检测信号；其中，所述感测区域为预标定的初始感测区域。

具体的，感测区域包括至少一个像素，所述像素采集到光子的事件被视为光子检测事件发生。

S3、判断所述光斑的测量中心位置与所述初始感测区域的位置是否相同；若不相同，则根据所述光斑的测量中心位置确定对应的测量感测区域位置，并激活所述测量感测区域用于采集光斑中的光子，以输出光子检测信号。

具体的，步骤S3中还包括：统计每个像素响应的光子检测事件的数量并基于统计的数量计算光斑的中心位置。在一些实施例中，利用计数电路接收所述光子检测信号并统计每个像素响应的光子检测事件的数量；其中，计数电路中包括多个计数器，计数器的数量与感测区域中的像素数量相同且一一对应连接，以用于统计每个像素响应的光子检测事件的数量。

在一些实施例中，步骤S3中根据如下公式计算所述光斑的测量中心位置：

其中，光斑的测量中心位置坐标为(m，n)，A

S4、接收所述光子检测信号并形成光子检测事件信号，基于所述光子检测事件信号形成直方图，进一步根据直方图计算距离信息。

本发明实施例距离测量方法通过实时追踪光斑的中心位置以确定对应的测量感测区域位置，从而激活对应的感测区域采集光斑中的光子，确保光斑可落到激活的感测区域，提高了测距的精确度。

需要说明的是，本发明距离测量方法采用前述实施例所述的距离测量系统来实现，具体参照距离测量系统实施例中的描述，在此不再赘述。

结合图2和图3所示的实施例，本发明还提出了一种光斑位置追踪方法，所述方法应用于前述的距离测量系统中，其中，反射光斑入射到采集器的感测区域中发生光子检测事件，感测区域内的像素响应光子检测事件而输出光子检测信号，参照图6所示，所述光斑位置追踪方法包括如下步骤：

S10：通过发射器向目标发射脉冲光束，至少部分脉冲光束经过目标反射入射到采集器的感测区域中形成光斑，感测区域采集光斑中的光子并输出光子检测信号；其中，感测区域包括至少一个像素，所述像素采集到光子的事件被视为光子检测事件发生，感测区域的中心位置为参考中心位置；

S20：统计光子检测事件的数量并基于统计的数量计算光斑的测量中心位置；

具体的，利用计数电路接收所述光子检测信号并统计每个像素响应的光子检测事件的数量。在一个实施例中，计数电路中包括多个计数器，计数器的数量与感测区域中的像素数量相同且一一对应连接，以用于统计每个像素响应的光子检测事件的数量。

在一个实施例中，第一处理电路基于重心法计算光斑的测量中心位置(m，n)。具体的，光斑的测量中心位置的坐标计算公式如下：

其中，A

S30：判断测量中心位置与感测区域的参考中心位置的偏移量是否满足预设阈值；若不满足，则执行步骤S40；

根据计算出的测量中心位置(m，n)以及感测区域的参考中心位置(x，y)判断是否出现偏移误差。在本发明的一个实施例中，根据感测区域的大小设定预设阈值，比如偏移量的预设阈值设定为一个像素的大小。如每一个像素是正方形，每个像素的大小为1*1mm，感测区域的参考中心坐标为(3,1)，测量中心位置坐标为(2.8,1)，测量中心位置与感测区域的参考中心位置的偏移量满足预设阈值，则认为测量中心位置与感测中心位置是近似相同的。同样的，若测量中心位置坐标为(1,1)，则此时测量中心位置与参考中心位置的偏移量不满足预设阈值，则需要执行步骤S40。

S40：根据测量中心位置确定光斑对应的测量感测区域的位置。

根据测量中心位置和参考中心位置的偏移量确定出现了偏移误差，则此时的感测区域的位置已经不准确，比如根据偏移量确定测量中心位置相比参考中心位置向左偏移了大于一个像素的距离，则此时光斑入射的感测区域不再为初始的感测区域203，根据偏移量确定此时光斑入射位置对应的是感测区域202，则根据测量中心位置重新调整与之对应的感测区域202激活以采集反射光斑。

进一步的，重复步骤S20-S40直至测量中心位置与感测区域的参考中心位置的偏移量满足预设阈值。

具体的，根据测量中心位置调整感测区域的位置后，控制发射器朝向目标区域发射脉冲光束，控制一定时间内感测区域202激活接收反射光斑发生光子检测事件，并响应于光子检测事件产生光子检测信号，计数电路记录在这一定时间内光子检测事件的数量，并根据统计的数量计算出测量中心位置与感测位置的偏移量是否满足预设阈值以确定光斑对应的感测区域的位置。通过对上述步骤进行迭代操作，可以增加光斑位置追踪的准确性。

本发明还提出了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例方案的光斑位置追踪方法。所述存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备、或者它们的组合来实现。

本发明的实施例可以包括或利用包括计算机硬件的专用或通用计算机，如下面更详细讨论的。在本发明的范围内的实施例还包括用于携带或存储计算机可执行指令和/或数据结构的物理和其他计算机可读介质。这样的计算机可读介质可以是可以被通用或专用计算机系统访问的任何可用介质。存储计算机可执行指令的计算机可读介质是物理存储介质。携带计算机可执行指令的计算机可读介质是传输介质。因此，作为示例而非限制，本发明的实施例可以包括至少两种截然不同的计算机可读介质：物理计算机可读存储介质和传输计算机可读介质。

本申请实施例还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时至少实现前述实施例方案中所述的光斑位置追踪方法。

可以理解的是，以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。