距离确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上设及用于基于在不同的波长进行的多个相位测量结果来确定距离 的方法，从每个相位测量结果表示仅到对应波长的整数倍的距离的方面来看，单独地利用 每个相位测量结果是模糊不清的。
【背景技术】
[0002] 距离测量设备通常依赖于飞行时间（TO巧测量原理。在运种情形中，通过将调制 光发射到目标方向并测量发射光与反射光之间的调制的相移来获得距离（也就是深度）。 测量到的相位与测量设备和目标之间的距离成正比，并对调制的波长进行取模。运种关系 可W被表示为：
[0003]
[0004]其中，巧是W弧度为单位的调制相位，d是距离，f是调制频率，并且C是光速。给 出调制波长A为A=c/f。在取模函数的第一自变量中的额外因子2(4 而不是231)是 由于光传播了两倍的距离测量设备与目标之间的距离的事实。上面的关系表示出，相位测 量结果是模糊的，即，被计算为过' =qvc/(47Tf)的距离值d'可能通过之前未知的整数数量 的调制波长而与实际距离不同。
[0005] 距离屯二c/(2 -f)被称为"不模糊范围"，因为如果事先已知测量的距离小于d。， 则可W对取模函数求逆，得到不模糊距离。然而，如果目标可位于离开目标大于d。的距离 处，则任何相位测量结果都将被包含在区间[0,2n]中，一种说法是测量结果被"包裹"在 不模糊范围中。因此，根据模糊的测量结果获取实际距离，或者换句话说，确定整数数量的 调制波长来与距离值d'相加W便达到实际距离被称为"相位展开"。
[0006] 在单频系统中，可用的距离测量范围受到不模糊范围的约束，除非是对进行距离 测量时的场景（邻近的像素）的平滑度W及演化的平滑度做出假设。不能在所有的情况中 并对所有的应用都做出运样的假设。具体而言，在自适应的驾驶员辅助系统中，运样的假设 通常是不被允许的。当操作3DT0F相机或其它距离测量设备时，在采用单个调制频率的时 候，可用的不模糊范围可能是不够的。为了克服运个缺点，可W使用n个不同的调制频率来 进行对相同距离的n(n〉l)次测量。由此可W通过组合不同的测量结果并借助尝试对取模 函数求逆找出或估算（在出现测量噪声的情形下）未知距离来扩大可用的距离测量范围。 当使用两个频率（n= 2)时，通过对在第一个调制频率和第二个调制频率测量到的相位之 间的差进行计算来容易地执行运种组合，但是当使用=个频率或更多个频率，W便在出现 噪声的情况下与只使用两个频率相比进一步减小测量误差时，不存在计算相位差那样简单 的方法。 阳007]2010年10月在中国台湾台北的IEEE/RSJ智能机器人与系统（IR0巧国际会议学 报上的D.Droeschel、D.Holz和S.Behnke的论文"Multi-frequen巧F*haseUnwraOTing化rTime-of-Fli曲tCameras"公开了一种概率性的相位展开方法，其考虑了每个像素的 邻近像素。该论文还提到了使用两个调制频率用于检测相位展开的概率。其提出了将从两 个测量到的相位获得的两个距离值进行比较。如果运些距离值一致，则距离位于不模糊范 围中；如果它们并不一致，则相位的至少其中之一已经被包裹到[0,231]的区间中，并且不 得不将相位展开。
[0008] 文件DE100 39 422C2公开了一种工作在复数个频率上的光电子混合设备 (PMD)，用于执行速度和/或距离测量。
[0009] 美国专利7, 791，715Bl设及一种用于在TOF系统中退模糊（展开）的方法和系 统。该系统使用至少两个紧挨着的调制频率和f2,调制频率和f2靠近于系统所支持 的最大调制频率。距离Z随后被计算为：
[0010]
1] 其中，Atp是分别在和f2测量到的相位差，并且其中，Af=f1寸2。当多于两个 的不同频率可用时，将相位测量结果成对地进行组合并应用相同的公式。
[0012] 然而，从现有技术已知组合复数个频率W实现较大的（组合的）非模糊范围，当开 始有测量噪声时，已知的方法具有缺点。此外，执行运些方法所必须的计算工作量对于低成 本的实现方式来说可能过于重要。
[0013] 本发明的目的在于提供一种用于当使用两个或更多个调制频率时估算未知距离 的实际上能够实现的方法。可W通过如权利要求1中要求保护的方法来实现运个目的。
【发明内容】
[0014] 根据本发明，一种用于确定距离的方法包括：
[0015] 0提供使用不同的调制波长的调制光来获取至少两个相位测量结果，所述至少两 个相位测量结果中的每个相位测量结果都表示直到相应调制波长的整数倍的距离；
[0016] 0提供一组可能的环绕次数组合；
[0017] 0对于所述可能的环绕次数组合的其中每一个环绕次数组合，计算对应于所述至 少两个相位测量结果的展开的相位假设的组合；W及
[0018] 0在展开的相位假设的所述组合中选择展开的相位假设的最合理组合，并基于所 选择的展开的相位假设的最合理组合来计算所述距离。
[0019] 所述距离例如可W被计算为距离值的平均数，所述距离值与展开的相位假设的所 述最合理组合中的所述展开的相位假设相关联。
[0020] 根据本发明的优选实施例，在所述展开的相位假设的组合中选择所述展开的相位 假设的最合理组合包括：
[0021] 0对于展开的相位假设的每个组合，计算距离值的组合，所述距离值与相应的展开 的相位假设的组合中的所述展开的相位假设相关联，
[0022] 0对于所述展开的相位假设的每个组合，计算距离值的相应组合的方差或标准偏 差，并且
[0023] O选择所述方差或所述标准偏差最小的所述展开的相位假设的组合作为所述展开 的相位假设的最合理组合。
[0024] 根据本发明的优选实施例，在所述展开的相位假设的组合中选择所述展开的相位 假设的最合理组合包括：
[00巧]O对于展开的相位假设的每个组合，对具有所述相应的展开的相位假设作为坐标 的点与穿过原点的直线之间的间距进行计算，所述穿过原点的直线具有使用坐标表示的方 向向量[1/入1，…，1/入。]，其中，Al,…，A。指代所述不同的调制波长，并且
[0026] O选择所述间距最小的所述展开的相位假设的组合作为所述展开的相位假设的最 合理组合。
[0027] 所述距离可W被有利地计算为：
[0028]
[0029] 其中，扔,,是具有展开的相位假设的所述最合理组合作为坐标的点在所述穿过原 点的直线上的正交投影，并且《是所述方向向量[c/A1，…，c/AJ。
[0030] 然而更有利地，可W在经旋转的坐标系中执行所述间距的计算，其中，所述穿过原 点的直线是坐标轴。在运种情形下，所述距离被优选地计算为：
[0031]
[0032] 其中，（矿)1是具有所述展开的相位假设的最合理组合的作为坐标的所述点在 所述经旋转的坐标系中的坐标，并且拔是方向向量[c/A1，…，c/AJ。
[0033] 本发明的优选的方面设及计算机程序，包括计算机能够实现的指令，当计算机执 行所述计算机能够实现的指令时，使得所述计算机执行上文中所描述的所述方法。
[0034] 本发明的另一个优选的方面设及飞行时间距离测量设备，包括具有存储器的电子 控制单元，所述存储器具有储存在其中的如上文中所描述的计算机程序，所述电子控制单 元被配置为当确定距离时执行所述计算机程序。
[0035] 然而，本发明的另一个优选的方面设及飞行时间距离测量设备，包括FPGA(现场 可编程口阵列）或者ASIC(专用集成电路），所述FPGA和ASIC被配置为并被布置为执行上 文中所描述的所述方法。
【附图说明】
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