飞行时间传感系统及其测距方法与流程

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种飞行时间传感系统及其测距方法。

背景技术：

飞行时间法(timeofflight，tof)通过测量仪器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差来实现对被测物体的三维结构或三维轮廓的测量。tof测量仪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。

飞行时间(tof)传感器一般包括：光源模块和感光模块；所述光源模块用于发射特定波段和频率的脉冲检测光，所述检测光在被测物体的表面发生反射，反射光被所述感光模块所接收；所述感光模块根据发射光波和接收光波之间的时间差或者相位差计算出被测物体的距离信息。

但是现有技术中，特别是检测环境比较复杂的情况下，tof传感器的检测结果会产生较大的误差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种飞行时间传感系统及其测距方法，消除光的多路径干扰问题，提高距离检测的准确性。

本发明的技术方案提供一种飞行时间传感系统的测距方法，包括：按照多个检测帧的顺序，逐帧延迟检测光脉冲；接收所述检测光脉冲被待测物体反射后的反射光，获取与各检测帧分别对应的若干初始深度值；根据与所述初始深度值对应的距离系数，自所述若干初始深度值中，选择其中一个初始深度值作为所述多个检测帧对应的输出帧的实际实测深度值，所述实测深度值小于第一个检测帧对应的初始深度值，所述初始深度值与所述距离系数正相关。

可选的，以相同的时间间隔逐帧延迟所述检测光脉冲。

可选的，所述飞行时间传感系统包括由多个像素单元构成的像素阵列；针对各个像素单元，分别获取各检测帧的初始深度值；分别获取与各像素单元对应的实测深度值。

可选的，以最接近预设阈值的距离系数所对应的初始深度值作为实测深度值。

可选的，以位于设定的阈值范围内的任一距离系数所对应的初始深度值作为实测深度值。

可选的，以两个快门依次对反射光进行能量收集，与所述初始深度值对应的距离系数为第二个快门收集到反射光能量与两个快门收集到的反射光总能量的比值。

可选的，单个输出帧所对应的多个检测帧内，所述检测光脉冲的最大延迟时间小于或等于所述检测光脉冲的脉宽。

可选的，还包括：获取作为实测深度值的初始深度值所对应的检测光的延迟时间，将该延迟时间作为固定延迟时间；将后续每一检测帧的检测光脉冲均延迟一固定延迟时间，以所述后续每一检测帧的初始深度值作为实测深度值。

本发明的技术方案还提供一种飞行时间传感系统，包括：光源模块，用于发出检测光脉冲；传感模块，用于接收所述检测光脉冲被待测物体反射后的反射光；

控制模块，与所述光源模块连接，用于控制所述光源模块按照多个检测帧的顺序，逐帧延迟检测光脉冲；处理模块，与所述传感模块连接，用于进行如下处理：根据检测光和反射光，获取与各检测帧分别对应的若干初始深度值；根据与所述初始深度值对应的距离系数，自所述若干初始深度值中，选择其中一个初始深度值作为所述多个检测帧对应的输出帧的实测深度值，所述实测深度值小于第一个检测帧对应的初始深度值，所述初始深度值与所述距离系数正相关。

可选的，所述控制模块用于控制所述光源模块以相同的时间间隔逐帧延迟所述检测光脉冲。

可选的，所述飞行时间传感系统包括由多个像素单元构成的像素阵列；所述处理模块用于针对各个像素单元，分别获取各检测帧的初始深度值，以及分别获取与各像素单元对应的实测深度值。

可选的，所述处理器用于获取所述距离系数，以最接近预设阈值的距离系数所对应的初始深度值作为实测深度值。

可选的，所述处理器用于获取所述距离系数，以位于设定的阈值范围内的任一距离系数所对应的初始深度值作为实测深度值。

可选的，所述控制模块用于控制两个快门依次对反射光进行能量收集，所述初始深度值对应距离系数为第二个快门收集到反射光能量与两个快门收集到的反射光总能量的比值。

可选的，单个输出帧所对应的多个检测帧内，所述检测光脉冲的最大延迟时间小于或等于所述检测光脉冲的脉宽。

可选的，所述处理模块还用于获取作为所述实测深度值的初始深度值所对应的检测光脉冲的延迟时间，将该延迟时间作为固定延迟时间；所述控制模块用于控制所述光源模块将后续每一检测帧的检测光脉冲均延迟一固定延迟时间；所述处理模块用于以所述后续每一检测帧的初始深度值作为实测深度值。

本发明的测距方法通过延迟检测光脉冲，消除多次反射光对检测结果的影响，实测深度值小于第一个检测帧对应的初始深度值更接近实际量测距离，从而对检测结果进行修正，提高距离检测的准确性。

附图说明

图1为本发明的具体实施方式的测距过程中存在的反射路径示意图；

图2a为本发明的具体实施方式的仅存在一次反射光时检测光脉冲延迟的示意图；

图2b为本发明的具体实施方式的存在一次和多次反射光时检测光脉冲延迟的示意图；

图3为本发明一具体实施方式的测距过程的流程示意图；

图4为本发明一具体实施方式的一个输出帧与检测帧之间的对应关系的示意图；

图5为本发明一具体实施方式的多个输出帧与检测帧之间的对应关系的示意图；

图6为本发明一具体实施方式的飞行时间传感系统的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术中所述，现有技术的飞行时间传感器，在较为复杂的检测环境下，检测误差会较大。

发明人研究发现，检测误差中一部分是由于多次反射光造成的，多次反射光通过多个反射路径传输，光程较大而被延时接收，是导致检测结果不准确的原因。具体阐述如下：

请参考图1(a)，这种情况下只存在一次反射光，光源模块发出的检测光直接到达被检测物体表面，且被待测物体反射后的反射光直接被感光模块接收时，根据发射光波和接收光波之间的时间差或者相位差与距离对应。

而在实际测量过程中，在测量环境较为复杂的情况下，存在光的多路径干扰问题。部分检测光直接到达被测物体表面，反射光也直接被感光模块接收；而部分检测光可能被干扰物体多次反射之后到达被测物体表面，而部分被测物体表面反射的反射光也可能会被干扰物多次反射之后，再次被感光模块接收(请参考图1(b))。这种情况，会导致部分检测光和/或反射光的光程大于实际光源与被测物体之间的距离的两倍，发射光波和接收光波之间的时间差或者相位差与距离之间不对应，导致最终检测出的距离信息准确度下降。

进一步的，请参考图2a和图2b，该具体实施方式中，所述检测光的脉冲为矩形脉冲。在对反射光接收的过程中，通过快门g2和g3接收反射光信号(实际包括检测光的反射光以及环境光)，通过快门g1接收环境光信号。具体的，所述快门g1、g2、g3可以通过电容结构实现，环境光以及反射光被传感阵列的像素单元接收后，将光信号转换为电信号，通过快门g1、g2和g3对电信号的电荷进行累积，获得的电荷量与光能量成正比。所述快门g1、g2和g3的接收时间均为t，与检测光脉冲的脉宽一致，所述深度值可以为距离，也可以为与距离对应的中间参数，例如快门g2和g3分别接收到的电荷量的比值，所述电荷量可以通过电压等电性参数表征。所述g1、g2、g3的积分脉冲的边沿依次对齐，g1的下降沿与g2的上升沿对齐，g2的下降沿与g3的上升沿对齐。

在无多次反射的情况下(请参考图2a)，以g1、g2、和g3分别代表每个快门累计的电荷量，即每个快门接收到的光能量。则当检测光脉冲lo1与快门g2脉冲对齐，即延时为0时，快门g2和g3均累积到部分反射光能量，曝光测得的深度值所对应的距离如下：

由于快门g1、g2和g3收集的环境光能量均相同，在不考虑环境光的情况下，可以将公式简化为：

其中，g2’和g3’表示快门g2和g3接收到的检测光被待测物体反射后的反射光能量。检测获得的深度信息与距离系数或成正相关。

由于检测光的发光光强以及时间控制有误差，所述检测光脉冲很难为标准的矩形脉冲。因此，在其他具体实施方式这种，所述检测光脉冲也可以为三角波脉冲或者非标准的矩形波脉冲。此时，检测的距离与距离系数y正相关。

当检测光脉冲没有移动时，

检测距离d与正相关。

当脉冲后移ts时，

其中d0与的关系不变。

对于没有多次反射的情况，只要反射光没有被移出快门g3的接收范围，d0的增加量刚好等于因此，d也不会发生变化；而当反射光完全移出快门g2的接收范围后，距离系数d0不再增加，因此d随延迟时间ts线性降低。

对于有多路径反射的情况，请参考图2b，由于多次反射光的光程大于一次反射光的光程，那么到达传感器的传感阵列的时间就会延迟。检测光脉冲lo11对应的反射光lb11包括第一次反射光和多次反射光，多次反射光能量较小；一次反射光脉冲与检测光脉冲之间的偏移量td与实际距离成正比，而多次反射光比一次反射光滞后了tp，这就会导致快门g3接收了额外tp时间的多次反射光，获得了更多的反射光能量，根据公式(2)可知，g3’偏大会导致测得的距离比实际距离偏大。

根据上述研究，发明人进一步发现，通过将检测光脉宽后移，可以使得反射光也后移，二次及多次反射光由于延迟更多，延迟部分会被逐渐超出快门g3的积分脉冲的接收范围，而无法被快门g3接收，从而减少二次及多次反射光延迟部分对距离检测影响。请参考图2b，当检测光脉冲lo12延迟时间ts＝td+tp时，二次反射光延后于一次反射光tp时间段的部分将无法再被快门g3接收到，距离系数为1，快门g3仅能接受到t时间以内的反射光，此时，快门g2也将无法收集到反射光能量。

由上述分析可知，可以通过将检测光脉冲延迟，消除快门g3对二次或更多次反射光的延迟部分的累积，从而消除多次反射光对检测结果的影响。而且当距离系数越接近1时，二次或更多次反射光对检测结果的影响就越小。

但是，在实际的测距过程中，我们并无法知晓多次反射光的具体延迟时间，因此无法准确设定检测光脉冲的最佳延迟时间。

为此，发明人提出一种新的飞行时间传感系统及其测距方法，利用检测光脉冲逐帧延迟的方法，通过多次将检测光脉冲逐步后移，对检测结果进行修正。

下面结合附图对本发明提供的一种飞行时间传感系统及其测距方法的具体实施方式做详细说明。

请参考图3，为本发明一具体实施方式的飞行时间传感系统的测距方法的流程示意图。

所述飞行时间传感系统的测距方法至少包括如下步骤：

步骤s101：按照多个检测帧的顺序，逐帧延迟检测光脉冲。

该具体实施方式中，每一个输出帧的检测数据，均通过对多个检测帧的检测数据进行处理而获得，一个输出帧对应输出一个检测结果，而一个检测帧对应进行一次检测曝光。请参考图4，对于第一输出帧f1，对应于n个检测帧f11～f1n，后续通过对n个检测帧的检测结果进行处理，得到第一输出帧f1对应的检测结果。

该具体实施方式中，以第一个检测帧f11的检测光脉冲发生时序为基准，后续检测帧f12～f1n的检测光脉冲逐帧延迟，以逐渐将多次反射光延迟与一次反射光的部分超出快门g3接收时间范围。

在一个具体实施方式中，以相同的时间间隔t逐帧延迟所述检测光脉冲。以第一检测帧的第一检测光脉冲延迟时间为0，第二检测帧的第二检测光脉冲相对所述第一检测光脉冲延时t，总的延迟时间为t；第三检测帧的第三检测光脉冲相对于第二检测光脉冲的延迟时间也为t，总的延迟时间为2t，以此类推，第n个检测帧的检测光脉冲相对于第n-1个检测帧的检测光脉冲延迟t，总的延迟时间为(n-1)t。

在其他具体实施方式中，也可以逐帧缩小延迟的时间间隔，在开始几个检测帧之间，延时时间间隔较大，以提高效率，如第二检测脉冲光相对一第一检测脉冲光延迟3t，第三检测脉冲光相对于第二检测脉冲光延迟2t，以此类推。

可以通过控制飞行时间传感系统的光源模块的发光时序，实现所述检测光脉冲的逐帧延迟。

步骤s102：接收所述检测光脉冲被待测物体反射后的反射光，获取与各检测帧分别对应的若干初始深度值。

所述深度值可以为距离，也可以为与距离对应的其他参数。后续均以所述深度值等同于距离进行描述。

所述初始深度值可以根据公式(4)进行计算，当反射光，无论是一次反射光还是多次反射光，均被快门g2和g3接收的情况下，虽然随着检测脉冲光的后移，会导致快门g3接收到的反射光能量逐渐增大，而快门g2接收到的反射光能量逐渐减少，但是计算出的初始深度是相同的。

而当延迟于一次反射光的多次反射光开始被逐渐移出快门g3的接收时间区域时，g3接收到的多次反射光能量将会减小，因此，会导致根据公式(4)计算出的初始深度值逐渐变小。

当延迟于一次反射光的多次反射光被完全移出快门g3的接收时间区域(如图2b中的反射光lb12)，此时快门g2将无法在接收到反射光能量，此时距离系数等于1，继续将检测光脉冲延迟，距离系数也仍然为1。

在单个输出帧所对应的多个检测帧内，所述检测光脉冲的最大延迟时间小于或等于所述检测光脉冲的脉宽t。当延时时间大于t时，部分一次反射光也将超出快门g3的接收时间，将无法再获得有效的初始深度值。

步骤s103：根据与所述初始深度对应的距离系数，自所述若干初始深度值中，选择其中一个初始深度值作为与所述多个检测帧对应的输出帧的实测深度值，所述实测深度值小于第一个检测帧对应的初始深度值，所述初始深度值与所述距离系数正相关。

由于在仅存在一次反射光的情况下，只有当检测光脉冲后移导致反射光脉冲被移出快门g3的接收时间时，g3积分到的能量会下降，导致得到的初始深度值下降。

因此，可以通过比较多个检测帧的初始深度值，选取其中小于第一个检测帧对应的初始深度值作为实测深度值，至少在一定程度上减小了多次反射光对检测结果的影响。

为了使得实测深度值更接近于实际距离，本发明的一个具体实施方式中，选择其中一个初始深度值作为实测深度值的方法包括：获取与初始深度值正相关的距离系数，以最接近一预设阈值的距离系数所对应的初始深度值作为实测深度值。

具体的，可以选择所述距离系数其中g2’和g3’分为两个快门先后累积的反射光能量，g1为接收到的环境光的能量，g2和g3分别为两个快门先后累积的反射光与环境光的总能量。

在一个具体实施方式中，所述预设阈值小于等于1，此时由于检测光脉冲的后移，快门g2接收不到反射光能量，且多次反射光的延迟部分被移出了快门g3的接受范围，从而完全消除了多次反射光对于检测距离的影响。当所述距离系数y＝1时对应的初始深度值即为实际距离。因此，选择各检测帧中距离系数最接近于所述预设阈值，且小于1的初始深度值作为实测深度值，可以获取最高的检测准确性。

而在其他具体实施方式中，可以设定一阈值范围，以位于设定阈值范围内的任一距离系数所对应的初始深度值作为实测深度值。可以根据检测精度要求，调整所述设定阈值范围的大小。在一个具体实施方式中，所述设定的阈值范围为0.8～1。

在实际检测过程中，根据测距效率以及传感系统的功耗、计算能力等，合理设定延迟的次数，以及每一检测帧的检测脉冲光的延迟时间。在检测帧数量足够多，延迟时间足够长的情况下，可以选择距离系数最接近1但小于1的检测帧的初始深度值作为实测深度值。

但是考虑到系统的功耗、检测效率等原因，延迟次数以及延迟时间的精度控制存在限制，因此可以设定阈值小于1，或者适当放大阈值范围，在满足精度要求的情况下，减少功耗、提高帧率。

通过将检测光脉冲后移，使得多次反射光超出对反射光的接收范围，就能够提高测距的准确性。

所述飞行时间传感系统包括由多个像素单元构成的像素阵列；需要针对各个像素单元，分别获取各检测帧的初始深度值以及距离系数，以便对每个像素单元获得的检测结果进行修正。

请参考图4，对于第一输出帧f1，对应输出实测深度值d1，所述第一输出帧f1对应n个检测帧，对所述n个检测帧获得的初始深度值d1～d1n进行处理，根据这n个检测帧的距离系数，选择其中一个初始深度值作为该第一输出帧f1输出的实测深度值d1。

请参考图5，对于第二输出帧f2，对应输出实测深度值d2，所述第二输出帧f2对应n个检测帧，对所述n个检测帧获得的初始深度值d1n～d2n进行处理，获得该第二输出帧f2输出的实测深度值d2；依次类推，对于第m个输出帧fm，对应输出实测深度值dm，所述第m个输出帧fm对应n个检测帧，对所述n个检测帧获得的初始深度值dm1～dmn进行处理，获得该第m个输出帧fm输出的实测深度值dm。

在检测过程中，一些具体实施方式中场景变化不大，可以根据第一输出帧的多个检测帧获得的初始深度值进行处理，获得实测深度值的过程中，获得合适的延迟次数以及延迟时间等作为后续检测参数。在另一些具体实施方式中，也可以获取第一输出帧的实测深度值对应的检测光脉冲的延迟时间作为固定延迟时间ts’，在后续帧的检测过程中，可以直接将检测脉冲光脉冲延迟ts’进行检测，可以将单个检测帧的检测结果作为对应输出帧的实测深度值，从而可以提高检测效率，降低系统功耗。

本发明的具体实施方式，还提供一种飞行时间传感系统。

请参考图6，为本发明一具体实施方式的飞行时间传感系统的结构示意图。

所述飞行时间传感系统包括：光源模块701、传感模块702、控制模块703以及处理模块704。

所述光源模块701用于发出检测光脉冲，所述检测光为脉冲检测光，所述光源模块701用于根据设定的时序，依次发出检测光脉冲。

传感模块702，包括多个像素单元构成的传感阵列，用于接收所述检测光脉冲被待测物体反射后的反射光，并获得所述反射光的特征。每个像素单元会接收到反射光，并将光信号转换为电信号。每个像素单元均连接至一积分电路，通过对反射光转换的电信号进行积分，获得与光的飞行时间对应的电荷量。所述积分电路包括三个快门g1～g3，可以分别通过电容结构实现，环境光以及反射光被传感阵列的像素单元接收后，将光信号转换为电信号，分别通过快门g1、g2和g3对电信号进行电荷累积，电荷量与光能量成正比。

所述控制模块703，与所述光源模块701连接，用于控制所述光源模块701按照检测帧顺序，逐帧延迟检测光脉冲。在一个具体实施方式中，可以控制所述光源模块701以相同的时间间隔逐帧延迟所述检测光脉冲。在其他具体实施方式中，也可以逐帧缩小延迟的时间间隔，在开始几个检测帧之间，延时时间间隔较大，以提高效率。单个输出帧所对应的多个检测帧内，所述检测光脉冲的最大延迟时间小于或等于所述检测光脉冲的脉宽。

所述控制模块703还与所述传感阵列702的各像素单元电路连接，用于控制各像素单元对反射光的接收时序。

所述处理模块704，与所述传感模块702连接，用于进行如下处理：根据检测光和反射光，获取各检测帧的初始深度值；根据所述初始深度值对应距离系数，自所述若干初始深度值中，选择其中一个初始深度值作为所述多个检测帧对应的输出帧的实测深度值，所述实测深度值小于第一个检测帧对应的初始深度值，所述初始深度值与所述距离系数正相关。

所述飞行时间传感系统包括由多个像素单元构成的像素阵列；所述处理模块704用于针对各个像素单元，分别获取各检测帧的初始深度值，以及分别获取与各像素单元对应的实测深度值。

在一个具体实施方式中，所述处理器用于获取各初始深度值对应的距离系数，以位于设定的阈值范围内的任一距离系数所对应的初始深度值作为实测深度值。

在另一个具体实施方式中，所述处理器用于获取各初始深度值对应的距离系数；以最接近预设阈值的距离系数所对应的初始深度值作为实测深度值。

在一个具体实施方式中，所述控制模块703用于控制两个快门依次对反射光进行能量收集，所述初始深度值对应距离系数为第二个快门收集到反射光能量与两个快门收集到的反射光总能量的比值。

在一些具体实施方式中，所述处理模块704还可以根据在对第一个输出帧的多个检测帧获得的初始深度值进行处理，获得实测深度值的过程中，获得合适的延迟次数以及延迟时间等作为后续检测参数；也可以获取第一输出帧的实测深度值对应的延迟时间作为固定延迟时间ts’，在后续帧的检测过程中，可以直接控制所述光源模块701将检测脉冲光脉冲延迟ts’进行检测，将单个检测帧的检测结果作为对应输出帧的实测深度值，从而可以提高检测效率，降低系统功耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。