一种测距装置和测距方法
技术领域
本发明涉及距离测量技术,特别涉及一种基于单光子雪崩二极管的测距装置和测距方法。
背景技术
近年来,无人驾驶领域或者说辅助驾驶领域处于蓬勃发展时期,而车载激光雷达技术是攻关环节中举足轻重的一环。正是大量的需求,促进了激光雷达的大发展,国内外激光雷达技术以及相关公司大量涌现。
现有的激光测距技术中,探测器多采用普通雪崩光电二极管(AvalanchePhotonDiode,APD),但APD探测到光信号后,其输出信号是与感光面接收到的光强强度呈正相关的一个模拟量,为了保证不同光强情况下波形上的一致,后端需要作一系列复杂的电路结构对信号进行处理。同时其增益有限,在有限激光能量范围内探测距离受到较大限制。
而盖革模式APD,即单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD),其基于内光电响应,具有高增益的特点,单个光子产生的光电子在强电场作用下可以快速(10ps左右)产生一次雪崩响应。故SPAD具备单个光子响应能力,有利于在较低激光能量的条件下进行较远距离的探测。同时,其后端电路结构简单,淬灭后的雪崩信号经整形后波形固定,可减少测量误差。
图1和图2给出了利用SPAD进行激光测距的原理。如图所示,激光发出一段周期性脉冲,当遇到待测物体时,脉冲经物体反射并衰减成光子量级触发SPAD。根据SPAD器件的工作原理,在一个脉冲周期内,SPAD会被反射回来的光脉冲触发(概率最高,触发时间换算为距离即为被测物位置),也可能被其他噪声触发(概率较低,触发时间分散)。因此经过N个脉冲统计叠加,会产生图2的统计图。其中横坐标为脉冲发出到SPAD触发的时间差,纵坐标为探测到的光子数。
如果一个脉冲序列包括200个脉冲,在理想情况下,当从被测物返回的激光足够强,在这个时间点统计到的总光子数最高(比如大于30个),远远大于其他时间点的统计次数(即被环境噪声触发的统计次数,比如每个时间点小于10个),此时将对应明显的统计峰值涉及的飞行时间换算成距离即可得到被测物位置。
但是在下列几种情况下,SPAD捕获的反射激光的光强较弱,无法获得明显的统计峰值:
1、出射的激光功率不高
2、被测物体的反射率低
3、物体距离较远。
此时,图2中的峰值减弱从而让测量信号被湮没在环境干扰信号中,使得测量的准确性下降。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提出一种新的基于SPAD的测距装置和测距方法,能够克服现有技术中SPAD测距容易被环境噪声干扰而导致的结果不准确的问题。
根据本发明的目的提出的一种测距装置,包括主动光源,用于向目标物发射周期性调制的测量光;接收装置,用于接收从目标物返回的测量光,以及信号处理装置,用于对接收装置的测量信号进行处理生成统计结果,所述接收装置具有至少一个SPAD,所述周期性调制的测量光被配置为具有若干个周期的脉冲序列,每个周期包括脉冲期和空档期,在一个脉冲期内具有至少两个光脉冲,且每个周期的长度大于或等于所述SPAD的单次工作时间,单个脉冲期内所述SPAD只响应一次光脉冲触发事件。
优选地,所述接收装置还包括信号记录单元,所述信号处理装置包括统计单元,所述信号记录单元响应于所述SPAD的探测事件并记录为测量信号,所述统计单元对所述测量信号按时序分布进行统计。
优选地,所述信号处理装置,还包括结果识别单元,根据所述统计单元的统计结果,所述结果识别单元对一个脉冲序列内的统计结果进行识别,并判断在所述脉冲序列内是否存在与所述至少两个光脉冲有对应关系的相应数量统计峰值。
优选地,还包括控制装置,向所述主动光源提供脉冲驱动信号,以及向所述信号识别单元提供光脉冲时序信息,所述信号识别单元依据所述脉冲时序信息,判断所述至少两个统计峰值是否与所述至少两个光脉冲对应。
优选地,还包括距离计算装置,在所述信号识别单元识别出所述至少两个统计峰值时,按照所述至少两个峰值的时序位置计算目标物的距离。
优选地,所述接收装置为SPAD阵列。
根据本发明的目的还提出一种测距方法,使用如上所述的测距装置进行测距,包括步骤:
提供一主动光源,向目标物发射周期性调制的测量光,
提供一接收装置,接收从目标物返回的测量光,并形成测量信号,
提供一信号处理装置,对所述测量信号进行处理生成统计结果,其中
所述接收装置具有至少一个SPAD,所述周期性调制的测量光被配置为具有若干个周期的脉冲序列,每个周期包括脉冲期和空档期,在一个脉冲期内具有至少两个光脉冲,且每个周期的长度大于或等于所述SPAD的单次工作时间,单个脉冲期内所述SPAD只响应一次光脉冲触发事件。
优选地,所述对测量信号处理生成统计结果的步骤包括:对所述测量信号按时序分布进行统计。
优选地,还包括对一个脉冲序列内的统计结果进行识别,并判断在所述脉冲序列内是否存在与所述至少两个光脉冲有对应关系的至少两个统计峰值,所述对应关系包括所述至少两个统计峰值之间的时序间隔与所述至少两个光脉冲之间的时序间隔一致。
优选的,所述统计中还包括将统计结果与光源信号序列进行卷积以求得时间偏移量。
优选地,在识别所述至少两个统计峰值后,还包括按照所述至少两个峰值的时序位置计算目标物的距离。
根据本发明的目的提出的一种如上所述的测距装置在测量物体反射率中的应用。
根据本发明的目的提出的一种如上所述的测距装置在判断物体距离区间中的应用。
本发明的测距装置和测距方法与现有计数相比,具有如下的计数效果:
1.通过设置多脉冲的方式,由原来的找一个光子数峰值变为找几个相应间隔的峰值,降低了噪声干扰导致定位错误的概率;
2.在相同距离处,通过判断几个光子数峰值的相应比值,可以判断反射物该位置处的反射率;
3.在不同距离处,除计算飞行时间判断物体距离,还可以通过几个光子数峰值的相应比值,判断物体的远近。
附图说明
图1是现有的激光测距的测量光信号示意图。
图2是根据图1中的测量光信号获得的统计结果图。
图3是本发明是测距装置的测量光信号示意图。
图4是根据图3中的测量光信号获得的统计结果图。
图5是本发明测距装置的结构示意图。
图6是本发明第二技术应用下的统计结果示意图。
图7是本发明第三技术应用下的统计结果示意图。
图8是本发明的测距方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述,但这些实施方式并不限制本发明,本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
正如背景技术中提到的,对于现有SPAD测距方案,在信号读出时,由于环境光干扰和器件之间的串扰信号,使得测量信号很容易湮没在背景噪音中,从而影响SPAD器件的测量精确性。
本发明为了解决这一问题,提出了一种具有编码方案的主动光源,让测量光在一个周期内发射具有特定编码的光脉冲,通过控制这些光脉冲之间的时间间隔,使得一个周期内的光脉冲只能有1个被SPAD器件感测到,根据各个光脉冲返回的接收概率,对测量结果按时序进行统计,如果能够找到对应光脉冲数量和时间间隔的统计峰值,则说明这些统计峰值是物体反射回来的正确信号,然后根据这些信号计算出物体的距离,确保测量结果的正确性。
为了便于理解,下面将先对本发明的技术原理做介绍。请参见图3,图3中上面的光脉冲为简单的周期性光脉冲,在每个脉冲之间设有一定的间隔期,该间隔期使得SPAD器件被一个脉冲激发之后,有足够的恢复期重置,从而能够在下一个脉冲到来前恢复到工作状态。本发明在一般周期性脉冲的基础上,对一个周期内的光脉冲进行调制,生成多次脉冲,如图3下面所示的发射3个等间隔等幅值的脉冲。当然也可以是其它数量或者非等间隔等幅值设置的至少两个以上的光脉冲。需要说明的是,图3中的示例并非与图1中的信号具有相同的脉宽,仅仅是示意性的表示出本发明的脉冲设置方式与传统的脉冲设置方式的比较。这些光脉冲的间隔较短,通常短于SPAD器件的恢复期,使得在一个周期T内的一组光脉冲,只能有一个光脉冲能触发SPAD器件进行响应并被记录。此时,若被被测物反射回的激光足够强,SPAD被反射回的第一个脉冲触发的概率最大,其次是第二个脉冲,再是第三个脉冲,最后是被噪声触发的情况。在一次测量中,发射一组脉冲序列,通过采集该脉冲序列持续时间下的反馈信号,再进行统计处理,可以得到图4中的按时间序列分布的统计结果图。从图中可以看出,SPAD被第一个光脉冲出发的次数最多,得到最高的统计峰值,其次是第二个光脉冲,再次是第三个光脉冲,这三个统计峰值的间隔与单个周期内的光脉冲的时间间隔相同,说明实际结果与理论预期相符合。
根据该原理,如果在一次测距行为中,能够读到与脉冲数量和时间间隔对应的多个统计峰值,那么就可以判定这些峰值是由物体反射回来的测量光引起的测量结果,从而将背景干扰信号排除。反之,如果统计结果显示各个信号分布是均匀的,或者虽然有统计峰值,但是统计峰值的分布没有对应光脉冲的分布,那么就可以判定本次测量无效。利用该机制,可以排除环境光对SPAD器件的影响,大大提升SPAD测距的精确度和可信度。
下面,将通过具体的实施方式对本发明的技术方案做详细描述。
请参见图5,图5是本发明测距装置的结构示意图。如图所示,该测距装置10包括壳体11,该壳体内部为中空的容置腔体12,里面放置装置所需的机械及电子部件。在图示的实施方式中,壳体11的一个工作面13上,开设了出光孔14和入光孔15。在其它实施方式中,也可以在壳体11的其它工作面上开设出光孔和/或入光孔,例如为了加大测距装置10的测量周向角度,可以开设多个工作面从不同方向进行扫描的方式。
从内部看,该测距装置10包括主动光源19,用于向目标物20发射周期性调制的测量光;接收装置18,用于接收从目标物20返回的测量光,以及信号处理装置16,用于对接收装置的测量信号进行处理生成统计结果。
在一种具体实施方式中,该主动光源19包括激光光源和调制阀,通过控制调制阀的开关,使得激光光源表现为周期性调制的脉冲激光。接收装置18在本发明中使用单光子雪崩二极管28(Single Photon Avalanche Diodes,SPAD)作为光电转化元件,在一种实施方式中该SPAD元件28为多个SPAD器件组成的SPAD阵列。
根据本发明的发明主旨,主动光源19发出的测量光被配置为具有若干个周期的脉冲序列,每个周期包括脉冲期和空档期,在一个脉冲期内具有至少两个光脉冲,且每个周期的长度大于或等于所述SPAD的单次工作时间,至少两个光脉冲之间的间隔时间小于所述SPAD的单次工作时间。通过如此配置,在一次测量过程中,包含若干个周期的脉冲序列被发射,经过目标物反射回来之后,被SPAD器件感测,并触发后台信号处理装置对测量信号进行统计,形成统计结果。
进一步的,接收装置18还包括信号记录单元38,信号记录单元38响应于SPAD28的探测事件并记录为测量信号。信号处理装置16包括统计单元26和结果识别单元36,该统计单元26对测量信号按时序分布进行统计,该结果识别单元36根据统计单元26的统计结果,对一个脉冲序列内的统计结果进行识别,并判断在一个脉冲序列内是否存在主动光源19发射的光脉冲有对应关系的统计峰值。
进一步的,在该测距装置10中还包括控制装置17。该控制装置17一方面向主动光源19提供脉冲驱动信号,另一方面向信号识别单元36提供光脉冲时序信息。这样信号识别单元36就可以根据该脉冲时序信息,得知光脉冲的发射时间以及时间间隔等信息,然后根据接收到的统计结果,判断在统计结果中出现的多个统计峰值是否与主动光源发出的光脉冲对应。
进一步的,在该测距装置10中还包括距离计算装置27。当信号识别单元36识别到正确的多个统计峰值时,按照这些峰值的时序位置计算目标物的距离。具体的计算方法比如是飞行时间法(TOF),通过计算其中一个脉冲发射的时间和接收到该脉冲反射回来的信号时间之差来计算目标物20与测距装置10之间的距离。
请参见图6,图6是本发明第二技术应用下的统计结果示意图。如图所示,三个统计峰值的大小彼此接近,也就是说主动光源19发出的三个光脉冲,被接收和触发SPAD计数的概率比较接近,且与背景光相比,并没有十分突出(与图4进行对比)。在此种情况下,通常是由于物体表面的反射率较低,使得反射回来的测量光减弱,降低了SPAD探测的灵敏度,从而使得三个光脉冲被探测到的概率接近。根据这一原理,在读取统计结果之后,可以设定一组阈值,通过对这些阈值的比较,可以大致判断物体表面的反射率,从而让本发明的测距装置除了在测量物体距离的基本功能之外,还增加了判断目标物体的反射率的功能。
请参见图7,图7是本发明另一技术应用下的统计结果示意图。如图所示,三个统计峰值处于远端,说明目标物的距离较远,同时该三个统计峰值的幅值较弱且彼此之间比较接近,这是由于当测量远距离的目标时,从目标物反射回来的测量光会相对较弱,SPAD的探测灵敏度下降,使得三个光脉冲的接收概率接近。根据这一特性,在一些对距离只需定性使用无需精确获知准确距离的场合,比如无人驾驶在预判优先等级下,先对近距离的目标进行判断,对远距离的目标则可适当延后,此时可以通过本发明的测距装置先判断各物体的距离区间,然后按照规则优先计算近距离区间下的目标物距离,以此可以提高器件的处理能力和处理效率。
请参见图8,图8是本发明的测距方法的流程示意图,如图所示,该方法包括步骤:
S1:使用上述测距装置中的主动光源,向目标物发射周期性调制的测量光。其中,该周期性调制的测量光被配置为具有若干个周期的脉冲序列,每个周期包括脉冲期和空档期,在一个脉冲期内具有至少两个光脉冲,且每个周期的长度大于或等于所述SPAD的单次工作时间,所述至少两个光脉冲之间的间隔时间小于所述SPAD的单次工作时间。
S2:通过接收装置,接收从目标物返回的测量光,并形成测量信号。
S3:使用信号处理装置,对所述测量信号进行处理生成统计结果。其中,对测量信号处理生成统计结果的步骤包括:对所述测量信号按时序分布进行统计。
优选地,还包括步骤S4:对一个脉冲序列内的统计结果进行识别,并判断在所述脉冲序列内是否存在与所述至少两个光脉冲有对应关系的至少两个统计峰值,所述对应关系包括所述至少两个统计峰值之间的时序间隔与所述至少两个光脉冲之间的时序间隔一致。
优选的,所述统计中还包括将统计结果与光源信号序列进行卷积以求得时间偏移量。
优选地,在识别所述至少两个统计峰值后,还包括步骤S5:按照所述至少两个峰值的时序位置计算目标物的距离。
综上所述,本发明提出了一种基于SPAD的测距装置和测距方法,通过将周期性调制的测量光进一步在一个周期内分成若干个光脉冲,然后统计一个周期时间范围内各个光脉冲形成反馈信号的次数,形成按时序分布的统计结果,判断各个统计峰值是否和各个光脉冲对应,以此来判断这些测量信号是否为真。利用本发明的技术方案能够克服现有技术中SPAD测距容易被环境噪声干扰而导致的结果不准确的问题。
尽管为示例目的,已经公开了本发明的优选实施方式,但是本领域的普通技术人员将意识到,在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下,各种改进、增加以及取代是可能的。