CN111896971B - Tof传感装置及其距离检测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种TOF传感装置及其距离检测方法，包括：发射脉冲检测光照射被测视场，所述脉冲检测光至少包括两种不同脉宽的脉冲；接收被反射回的脉冲检测光，根据所述脉冲检测光的脉冲从发射到接收的时间间隔，获得被测视场内各位置处的初始距离信息；将根据不同脉宽的脉冲获得的初始距离信息进行合并，获得被测视场内各位置处的测量距离信息。上述TOF传感装置及其测距方法能够减少多路径反射光的影响，提高距离检测准确性。
Description
技术领域
本申请涉及传感技术领域，具体涉及一种TOF传感装置及其距离检测方法。
背景技术
飞行时间(ToF，Time of Flight)传感器通过检测发出的脉冲信号从发射到接收的时间间隔或激光往返被测物体一次所产生的相位来实现对被测物体的距离、三维结构或三维轮廓的测量。TOF传感器可同时获得灰度图像和距离图像，广泛应用在体感控制、行为分析、监控、自动驾驶、人工智能、机器视觉和自动3D建模等诸多领域。
在实际的距离检测过程中，由于被测视场内环境复杂，通常会存在多个反射表面，导致多路径反射问题，包括：检测光从发射后可能经过多次反射后到达被测物体表面，而被测物体反射的反射光也可能会经过多次反射后再被飞行时间传感器接收。多路径反射问题会导致检测光自发出至被反射后接收所飞行的距离大于被测物体的实际距离的2倍，从而影响距离检测的准确性。
现有技术中，针对上述多路径反射干扰(MPI，Multi-path interference)问题，通常通过复杂的算法校正以降低多路径反射光对检测结果的影响，对所述传感器的计算能力要求较高，造成成本提高。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种TOF传感装置及其距离检测方法，以修正多路径反射光对检测结构的影响，提高距离检测的准确性。
本申请提供的一种TOF传感装置的距离检测方法，包括：发射脉冲检测光照射被测视场，所述脉冲检测光至少包括两种不同脉宽的脉冲；接收被反射回的脉冲检测光，根据所述脉冲检测光的脉冲从发射到接收的时间间隔，获得被测视场内各位置处的初始距离信息；将根据不同脉宽的脉冲获得的初始距离信息进行合并，获得被测视场内各位置处的测量距离信息。
可选的，测量过程中，采用的每个检测帧包括若干检测子帧，每个检测子帧对应于一种脉宽的脉冲；将各检测子帧检测获得的初始距离信息进行合并，获得一帧测量距离信息。
可选的，所述TOF传感装置在接收到反射光后，产生与反射光能量对应的感应的电荷；所述距离检测方法包括：利用三个连续的电荷累积窗口对所述感应电荷进行累积，各个电荷累积窗口的窗口宽度与当前检测帧的检测光的脉宽一致。
可选的，所述被测视场内包括多个量程范围，根据对所述各个量程范围内的检测精度要求，设置与所述各个量程范围对应的多种不同脉宽的脉冲，脉宽越小对应的量程越短，且检测结果受多路径反射光的影响越小。
可选的，所述脉冲检测光的脉宽设置方法包括：以具有基本脉冲的初始脉冲检测光进行距离检测，所述基本脉冲的脉宽对应于最大量程；当所述被测视场内出现目标物体时，将所述初始脉冲检测光调整为修正脉冲检测光，所述修正脉冲检测光包括所述基本脉冲和修正脉冲，所述修正脉冲的脉宽小于所述基本脉冲的脉宽。
可选的，在目标物体出现之前，每个检测帧采用基本脉冲进行距离检测；在目标物体出现后，每个检测帧包括至少两个检测子帧，分别采用基本脉冲以及修正脉冲进行距离检测。
还包括：通过控制修正脉冲的发光时序，调整所述修正脉冲对应的量程起点，使所述修正脉冲对应的检测子帧的量程覆盖所述目标物体所在的距离范围。
可选的，根据初始脉冲检测光的检测结果选定所述目标物体。
可选的，将出现在预设距离范围内的物体自动设置为目标物体。
本发明的技术方案还提供一种TOF传感装置，包括：光源模块，用于发射脉冲检测光；传感模块，用于接收所述脉冲检测光被待测物体反射的反射光；处理器，与所述光源模块和所述传感模块连接，用于对所述光源模块和所述传感模块进行控制；存储器，存储有能够在所述处理器上运行的计算机应用程序；其中，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述任一项所述的距离检测方法。
本申请的TOF传感装置的测距方法，通过具有不同脉宽的脉冲检测光进行距离检测，通过宽脉冲获得较大的检测量程，同时又能够通过窄脉冲减少多路径反射光的影响，提高一定量程范围内的测量准确性，无需复杂的算法，实现方式简单，成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例的TOF传感装置的测距方法的流程示意图；
图2a为本发明一实施例采用的脉冲检测光的示意图；
图2b为本发明一实施例采用的脉冲检测光的示意图；
图3a为本发明一实施例的电荷累积窗口与脉冲检测光和反射光的时序图；
图3b为本发明一实施例的电荷累积窗口与脉冲检测光和反射光的时序图；
图3c为本发明一实施例的电荷累积窗口与脉冲检测光和反射光的时序图；
图3d为本发明一实施例的电荷累积窗口与脉冲检测光和反射光的时序图；
图4为本发明一实施例的采用的脉冲检测光的时序示意图；
图5为本发明一实施例的脉冲检测光的脉宽设置方法的流程示意图；
图6为本发明一实施例采用的脉冲检测光的示意图；
图7为本发明一实施例的TOF传感装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
请参考图1，为本发明一具体实施方式的TOF传感装置的测距方法的流程示意图。
所述测距方法包括如下步骤：
步骤S101：发射脉冲检测光照射被测视场，所述脉冲检测光至少包括两种不同脉宽的脉冲。
TOF传感装置包括光源模块，用于向被测视场内发射检测光。所述脉冲检测光为经过调制的脉冲光，所述脉冲光可以为LED光或激光等易于进行调制的光，通过所述脉冲检测光照射被测视场范围内的所有物体。脉冲检测光到达被测物体表面，会在被测物体表面被反射并形成反射光；同时被测物体所处环境中还存在环境光。在实际的使用场景下，所述飞行时间传感装置通过传感模块接收的光信号既包括脉冲反射光还包括环境光。后续实施例的描述中，传感阵列所接收到的反射光均指包括脉冲反射光及环境光。
所述TOF传感装置还包括传感模块，所述传感阵列包括多个像素单元，即光学传感单元，能够将光信号转换为电信号，从而可以通过所述传感模块将接受到的反射光转变为与反射光能量对应的一定数量的感应电荷，通过电荷累积窗口累积输出与反射光能量对应的检测值。
该实施例中，所述脉冲检测光包括至少两种不同脉宽的脉冲。不同的脉宽对应不同的量程范围，脉宽越大，量程越大。在脉宽为T的情况下，量程范围为0～cT/2。可以通过调整脉冲相对于电荷累积窗口的时序，调整量程的起点，例如同样脉宽为T的脉冲，对应的量程范围还可以为d～cT/2+d，d由脉宽平移的时间决定，具体见后续实施例中的分析。
请参考图2a，为本发明一实施例采用的脉冲检测光的示意图。
该实施例中，所述脉冲检测光内，具有两种不同脉宽的脉冲，分别为第一脉冲P1和第二脉冲P2，第二脉冲P2的脉宽小于第一脉冲P1的脉宽。对应于第一脉冲P1和第二脉冲P2的检测帧间隔设置，如其中检测子帧1和检测子帧2，每个检测子帧均对应有多个相同脉宽的脉冲。
请参考图2b，为本发明另一实施例的脉冲检测光的示意图。
该实施例中，所述脉冲检测光阶段性采用第一脉冲P1和第二脉冲P2，在发射多个第一脉冲P1，完成多个对应于第一脉冲P1的检测帧之后，发射多个第二脉冲P2，进行多个对应于第二脉冲P2的检测帧的检测。
在其他实施例中，所述脉冲检测光还可以包括三种或三种以上不同脉宽的脉冲，根据实际需求，合理设置不同脉宽的脉冲时序。
步骤S102：接收被反射回的检测光，根据所述脉冲检测光的脉冲从发射到接收的时间间隔，获得被测视场内各位置处的初始距离信息。
脉冲检测光被反射后，由传感模块接收。根据被测物体的距离远近，反射光被接收到的时间也不同，根据脉冲检测光的脉冲从发出至被反射后接收的时间间隔就能够计算出各位置处的初始距离信息。
具体的，所述TOF传感装置的传感模块在接收到反射光后，产生与反射光能量对应的感应电荷；该实施例中，利用三个连续的电荷累积窗口对所述感应电荷进行累积，各个电荷累积窗口的窗口宽度与当前检测帧的检测光脉宽一致。
请参考图3a，为一个检测帧内，电荷累积窗口与脉冲检测光和反射光的时序图。
图3a所示的检测帧对应于脉冲检测光LO1的第一脉冲P1，第一脉冲P1具有脉宽T1。
第一电荷累积窗口G11、第二电荷累积窗口G12和第三电荷累积窗口G13分别对应电容式快门结构，通过电容累积感应电荷，通过具有一定时序的控制信号，控制各个电荷累积窗口的开启和关闭。第一电荷累积窗口G11、第二电荷累积窗口G12和第三电荷累积窗G13的窗口宽度与所述第一脉宽P1的脉宽一致，均为T1。
其中，G11、G12和G13依次开启，由于距离检测过程中，环境光始终存在，其中第一电荷累积窗口G1用于累积环境光产生的感应电荷。该实施例中，第二电荷累积窗口G12的开启边沿与所述第一脉冲P1的产生边沿对齐，第二电荷累积窗口G12和第三电荷累积窗口G13用于累积环境光和脉冲检测光的反射光所产生的感应电荷。
G11、G12和G13累积的感应电荷数量分别为Q11、Q12和Q13。根据感应电荷数量可以计算的得到初始检测距离第一脉冲P1能够检测的量程范围为0～cT1/2。
在检测过程中，第二电荷累积窗口G12以及第三电荷累积窗口G13同时能够累积到多路径反射光MPI所产生的感应电荷，多路径反射光MPI由于经过多次反射，光程较大，落后于有效反射光LB1被接收到，被第二电荷累积窗口G12以及第三电荷累积窗口G13累积到，会导致检测结果偏大。在电荷累积的过程中，所述第二电荷累积窗口G12以及第三电荷累积窗口G13无法区分正常反射光与多路径反射光所产生的感应电荷，因此，无法消除多路径反射光对检测结果的影响。
请参考图3b，为对应于脉冲检测光的第二脉冲P2的电荷累积窗口与脉冲检测光和反射光的时序图。
第二脉冲P2具有脉宽T2，该检测帧中，第一电荷累积窗口G21、第二电荷累积窗口G22和第三电荷累积窗口G23窗口宽度与所述第二脉宽P2的脉宽一致，均为T2。
该检测帧下，同样会存在多路径反射光MPI的干扰。在检测场景相同的情况下，图3a和图3b所示的检测帧内的多路径反射光MPI的强度和能量基本保持一致。但是，由于图3b检测帧下，采用的第二脉冲P2的脉宽T2小于第一脉冲P1的脉宽T1，即T2<T1；相应的电荷累积窗口G22和G23的窗口宽度也相应小于G12和G13的窗口宽度，因此，电荷累积时间缩短，因此，部分多路径反射光MPI所产生电荷将无法被累积到，从而可以减小多路径反射光对检测结果的影响，相对于具有较大脉宽T1的第一脉冲P1，采用第二脉冲P2能够提高距离检测的准确性。
该实施例中，所述第二脉冲P2的上升边沿与所述第二电荷累积窗口G22的开启边沿对齐，因此第二脉冲P2能够检测的量程范围为0～cT2/2。因此在0～cT2/2的范围内，采用第二脉冲P2获得的初始距离信息的准确性大于采用第一脉冲P1获得的初始距离信息的准确性。
在其他实施方式中，也可以通过调整所述第二脉冲P2相对于所述第二电荷累积窗口G22的时序，移动第二脉冲P2对应的量程的起点。
请参考图3c，脉冲检测光第二脉冲P2相对于第二电荷累积窗口G22延后时间t。此时，能够检测到的量程为
请参考图3d，脉冲检测光第二脉冲P2相对于第二电荷累积窗口G22前移时间t。此时，能够检测到的量程为
通过控制第二脉冲P2的时序，可以调整第二脉冲P2所能检测到的量程范围，以覆盖到0～cT1/2内的任意一段距离范围。
步骤S103:将根据不同脉宽的脉冲获得的初始距离信息进行合并，获得被测视场内各位置处的测量距离信息。
具体的，根据第二脉冲P2获得的各位置处的距初始离信息替代根据第一脉冲P1获得的对应位置处的距初始离信息，形成整个被测视场内的各位置处的实际的测量距离信息。
具体的，采用多个检测帧进行距离检测，每个检测帧包括若干检测子帧，每个检测子帧对应于一种脉宽的脉冲；将各检测子帧检测获得的初始距离信息进行合并，获得一帧测量距离信息。
该实施例中，脉冲检测光包括对应于检测子帧1的第一脉冲P1和检测子帧2的第二脉冲P2，请参考图2a，检测子帧1和检测子帧2间隔设置，检测子帧1和检测子帧2获得的距离信息进行合并，获得一帧测量距离数信息，最终将2n帧数据合并获得n帧数据。
以图3b作为示例，在数据合并过程中，针对每个像素单元，可以在量程0～cT2/2的量程范围内，搜索检测子帧2获取的初始距离信息；在超出量程范围，搜索检测子帧1对应的初始距离信息时，在检测子帧1的检测帧内的初始距离信息，将搜索到的检测子帧1和检测子帧2的数据进行合并，最终获得对应于所有像素单元的测量距离信息，从而获得整个被测视场内0～cT1/2范围内的深度图像。该深度图像内，0～cT2/2范围内的测量深度信息具有更高的准确性，受到MPI影响较小。
上述实施例中，通过具有不同脉宽的脉冲检测光进行距离检测，通过宽脉冲获得较大的检测量程，同时又能够通过窄脉冲减少多路径反射光的影响，提高一定量程范围内的测量准确性，无需复杂的算法，实现方式简单，成本较低。
在其他实施例中，还可以根据所述被测视场内不同量程范围内的检测精度要求，设置与各量程范围对应的脉冲检测光内各脉冲的脉宽，脉宽越小对应的量程越小，且检测精度越高。
例如，在一个实施例中，被测视场可以被分割为三个量程范围，包括0～d1，d1～d2，d2～d3，且距离越近的区域测量精度要求越高。
请参考图4，为该实施例采用的脉冲检测光的时序示意图。该实施例中，根据不同量程范围的检测精度，所述脉冲检测光包括三种不同脉宽的脉冲，依次设置，分别为第一脉冲P41、第二脉冲P42以及第三脉冲P43。所述第一脉冲P41的脉宽最大，对应最大的量程范围0～d3；第二脉冲P42的脉宽小于第一脉冲P41的脉宽，对应第二量程范围d1～d2；第三脉冲P43的脉宽小于第二脉冲P42的脉宽，对应第三量程范围0～d1。
分别通过第一脉冲P41、第二脉冲P42、以及第三脉冲P43获得三个子帧的初始距离信息数据后，将三个子帧数据进行合并，获得一帧测量距离信息。具体的，在量程为0～d1的范围内，采用第三脉冲P43对应的检测子帧的初始距离信息；在量程为d1～d2的范围内，采用第二脉冲P42对应的检测帧内的初始距离信息；在量程为d2～d3的范围内，采用第一脉冲P41对应的检测帧的初始距离信息；最终，获得被测视场内，0～d3距离范围内的各个位置处的测量距离信息，且0～d1，d1～d2，d2～d3的三个量程范围内的测量距离信息分别对应不同的检测精度。
采用上述测距方法，能够在近距离范围内获得更高的检测精度，更有利于地面导航设备，例如扫地机器人，导航机器人等对近距离检测精度要求更高的设备。
在另一实施例中，所述脉冲检测光的脉宽还可以进行动态调整。
请参考图5，为本发明一实施例的脉冲检测光的脉宽设置方法的流程示意图。
该实施例中，所述脉冲检测光的脉宽设置方法包括如下步骤：
步骤S501:以具有基本脉冲的初始脉冲检测光进行距离检测，所述基本脉冲的脉宽对应于最大量程。
在检测的初始阶段，所述初始脉冲检测光LO1(请参考图6)仅具有单一脉宽的基本脉冲P61，对应于被测视场范围内的最大量程。通过所述基本脉冲P61可以获得整个被测视场内量程范围内的各位置处的距离信息。
步骤S502:当所述被测视场内出现目标物体时，将所述初始脉冲检测光调整为修正脉冲检测光，所述修正脉冲检测光包括所述基本脉冲和修正脉冲，所述修正脉冲的脉宽小于所述基本脉冲的脉宽。
可以是用户根据初始检测光LO1获得的深度图像选定目标物体，例如，通过显示屏向用户呈现深度图像，当用户发现选定视场范围内出现感兴趣的物体，例如出现人像时，将该人物选定为目标物体，可以触摸或其他操控方式实现目标物体的选择。
在其他实施例中，也可以是将出现在预设距离范围内的物体自动设置为目标物体。例如，所述TOF传感装置用于实时监控时，可以设置一敏感区域，当该敏感区域内出现任何物体时，都将所述物体作为目标物体。
在出现目标物体后，根据目标物体的距离范围，对初始检测光LO1进行调整，形成修正检测光LO2，以提高对所述目标物体的检测精度。具体的，可以通过初始检测光LO1获得目标物体的距离范围后，形成修正脉冲P62，所述修正脉冲P62的脉宽以及时序对应的量程覆盖所述目标物体所在的距离范围。例如所述目标物体的各位置处的距离范围为a1～a2，所述修正脉冲P62的脉宽及时序对应于量程a1’～a2’，a2’等于或略大于a2，a1’等于或略小于a1。
在目标物体出现之前，每个检测帧采用基本脉冲P61进行距离检测；在目标物体出现后，每个检测帧包括至少两个检测子帧，分别采用基本脉冲P61以及修正脉冲P62进行距离检测。
所述修正脉冲P62与所述基本脉冲P61对应的检测子帧间隔设置，每个检测帧分别包括所述修正脉冲P62对应的子检测帧和所述基本脉冲P61对应的子检测帧，将两个子检测帧的初始距离信息合并，获得一帧测量距离信息。请参考图6，检测子帧11和检测子帧12的初始距离信息合并，形成检测帧1的测量距离信息；检测子帧21和检测子帧22的初始距离信息合并，形成检测帧2的测量距离信息。最终获得的测量距离信息中，对于目标物体所在区域具有更高的检测精度。图6每个检测子帧仅以一个脉冲作为示意，实际测量过程中，一个检测子帧内对应有同一种的多个重复的光脉冲，重复几百几千甚至几万次，从而累积足够的电荷量，以提高检测精度。
在目标物的距离范围比较大的情况下，还可以通过将部分子检测帧修正脉冲P62前移或者后移，使得修正脉冲P62对应的子检测的测量范围能够覆盖到目标物体的距离范围。
本发明实施例中，还提供一种TOF传感装置。
请参考图7，为所述TOF传感装置的结构示意图。
所述TOF传感装置包括：光源模块701、传感模块702以及处理器703和储存器704。
所述光源模块701用于发射脉冲检测光。所述光源模块701可以为红外光源，由所述处理器703可以向所述光源模块701发送控制信号，以调整所述光源模块701的发光强度、脉宽、周期等参数。
所述传感模块702用于接收所述脉冲检测光被待测物体反射的反射光。所述传感模块702包括像素单元阵列，能够接受光信号，并将光信号转换成电信号，产生与接收到的光能够对应的感应电荷。所述处理器703与所述传感模块702连接，用于获取所述传感模块702的感应信号。
所述存储器704可以为非易失性存储器，存储有能够在所述处理器703上运行的计算机应用程序，其中，所述计算机程序被所述处理器703执行时实现上述任一实施例中所述的距离检测方法。
在一些实施例中，在距离检测过程中，所述处理器703能够控制所述光源模块701发射脉冲检测光照射被测视场，所述脉冲检测光至少包括两种不同脉宽的脉冲；通过传感模块702接收被反射回的脉冲检测光，所述处理器703可以调用存储器704内的计算机应用程序，根据所述脉冲检测光的脉冲从发射到接收的时间间隔，获得被测视场内各位置处的初始距离信息，并将根据不同脉宽的脉冲获得的初始距离信息进行合并，获得被测视场内各位置处的测量距离信息。
即，以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种TOF传感装置的距离检测方法，其特征在于，包括：
发射脉冲检测光照射被测视场，所述脉冲检测光至少包括两种不同脉宽的脉冲；其中，所述脉冲检测光的脉宽设置方法包括：以具有基本脉冲的初始脉冲检测光进行距离检测，所述基本脉冲的脉宽对应于最大量程；当所述被测视场内出现目标物体时，将所述初始脉冲检测光调整为修正脉冲检测光，所述修正脉冲检测光包括所述基本脉冲和修正脉冲，所述修正脉冲的脉宽小于所述基本脉冲的脉宽；在目标物体出现之前，每个检测帧采用基本脉冲进行距离检测；在目标物体出现后，每个检测帧包括至少两个检测子帧，分别采用基本脉冲以及修正脉冲进行距离检测；并通过控制修正脉冲的发光时序，调整所述修正脉冲对应的量程起点，使所述修正脉冲对应的检测子帧的量程覆盖所述目标物体所在的距离范围；
接收被反射回的脉冲检测光，根据所述脉冲检测光的脉冲从发射到接收的时间间隔，获得被测视场内各位置处的初始距离信息；
将根据不同脉宽的脉冲获得的初始距离信息进行合并，获得被测视场内各位置处的测量距离信息，其中，测量过程中，采用的每个检测帧包括若干检测子帧，每个检测子帧对应于一种脉宽的脉冲；将各检测子帧检测获得的初始距离信息进行合并，获得一帧测量距离信息。
2.根据权利要求1所述的距离检测方法，其特征在于，所述TOF传感装置在接收到反射光后，产生与反射光能量对应的感应的电荷；所述距离检测方法包括：利用三个连续的电荷累积窗口对所述感应电荷进行累积，各个电荷累积窗口的窗口宽度与当前的检测光的脉宽一致。
3.根据权利要求1所述的距离检测方法，其特征在于，所述被测视场内包括多个量程范围，根据对所述各个量程范围的检测精度要求，设置与所述各个量程范围对应的多种不同脉宽的脉冲，脉宽越小对应的量程越短，且检测结果受多路径反射光的影响越小。
4.根据权利要求1所述的距离检测方法，其特征在于，根据初始脉冲检测光的检测结果选定所述目标物体。
5.根据权利要求1所述的距离检测方法，其特征在于，将出现在预设距离范围内的物体自动设置为目标物体。
6.一种TOF传感装置，其特征在于，包括：
光源模块，用于发射脉冲检测光；
传感模块，用于接收所述脉冲检测光被待测物体反射的反射光；
处理器，与所述光源模块和所述传感模块连接，用于对所述光源模块和所述传感模块进行控制；
存储器，存储有能够在所述处理器上运行的计算机应用程序；
其中，所述计算机应用程序被所述处理器执行时实现如所述权利要求1至5中任一项所述的距离检测方法。
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