一种飞行时间信息提取方法及其系统

本发明属于激光雷达测距，具体涉及一种飞行时间信息提取方法及其系统。

背景技术：

1、飞行时间(tof)法是一种激光雷达测距成像方式，激光源将激光发射到视场中的待测物，照射到待测物后反射并被光电传感器接收，光的这段飞行时间可以通过直接或间接的方式测出来。

2、在大多数的3d成像应用中，为了降低飞行时间的误差，实现有效的距离探测，光电传感器中的单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode，spad)需要进行很多次探测，通过对多次探测的结果进行直方图统计，生成飞行时间直方图；利用飞行时间的相关性，可以在飞行时间直方图中找到回波所对应的飞行时间信息；但对于室外高背景光场景，飞行时间直方图中包含了有效的触发信息和非有效噪声信息，需要进行滤波操作，以在低信噪比的情形下完成有效飞行时间信息的提取。

3、现有技术中，飞行时间直方图的生成一般基于数字域，采用静态随机存储器(static random access memory，sram)或者并行化数字计数器进行统计的方法，接着利用有限冲激响应(finite impulse response，fir)滤波器对飞行时间直方图进行滤波操作，最后在滤波操作完成后采用质心权重法等算法提取有效的飞行时间信息；但是，基于数字域的飞行时间直方图生成依赖于sram或者并行化数字计数器，消耗较大的面积和功率；而滤波操作以及飞行时间算法提取方案对于算例要求较高，消耗较多的数字硬件资源，且不易与基于模拟域的模拟计数方案结合。

4、因此，亟需提出一种基于模拟域的飞行时间直方图生成方法、以及飞行时间信息提取方法，减小处理电路的面积，以及消耗的功率。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种飞行时间信息提取方法及其系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明提供一种飞行时间信息提取方法，包括：

3、将多个模拟计数器的计数值重置为初始计数值，每个模拟计数器对应设置至少一个计数电容，计数电容用于获取计数值，不同模拟计数器对应飞行时间直方图中的不同直方图箱；

4、直方图生成电路从时间数字转换器接收多个飞行时间码字；其中，时间数字转换器具有耦合到单光子雪崩二极管的输入；

5、在探测时间内，对接收到的多个飞行时间码字选择对应数字地址的模拟计数器，并将选择的模拟计数器的计数值增加一个最小计数步长；其中，在探测时间结束时，每个模拟计数器得到最终计数值，根据所有模拟计数器的最终计数值，生成飞行时间直方图；

6、根据不同模拟计数器对应设置的不同数量的计数电容或者电荷量不同的计数电容，对飞行时间直方图进行滤波处理；

7、对滤波后的飞行时间直方图进行峰值检测，提取飞行时间信息。

8、第二方面，本发明提供一种飞行时间信息提取系统，包括：

9、多个单光子雪崩二极管，被配置为生成spad事件；

10、多个时间数字转换器，耦合到多个单光子雪崩二极管；其中，每个时间数字转换器被配置为基于单光子雪崩二极管生成的spad事件，生成多个飞行时间码字；

11、直方图生成电路，直方图生成电路耦合到多个时间数字转换器；其中，直方图生成电路包括：

12、寻址逻辑单元，包括多个输出和被配置为从时间数字转换器接收多个飞行时间码字的输入；以及，

13、多个模拟计数器，包括耦合到寻址逻辑单元的多个输出中的输入；每个模拟计数器对应设置至少一个计数电容；

14、寻址逻辑单元配置为在探测时间内，基于接收的多个飞行时间码字选择对应数字地址的模拟计数器，并且使选择的模拟计数器的输入生效；其中，选择的模拟计数器被配置为当所选择的模拟计数器的输入被生效时，将选择的模拟计数器的计数值增加一个最小计数步长；其中，每个模拟计数器的计数电容被配置为在探测时间结束时具有最终电压，根据所有模拟计数器的计数值电容的最终电压，生成飞行时间直方图；

15、模拟计数器对应设置的计数电容被配置为不同数量或者电荷量不同的计数电容，对飞行时间直方图进行滤波处理；

16、峰值检测单元被配置为对滤波后的飞行直方图进行峰值检测，提取飞行时间信息。

17、本发明的有益效果：

18、本发明提供的一种飞行时间信息提取方法及其系统，利用基于模拟域的模拟计数方法进行直方图统计，模拟计数器作为计数存取器件，对应于飞行时间直方图的直方图箱，通过单光子雪崩二极管的多次探测可生成飞行时间直方图；基于生成的模拟域飞行时间直方图，在不需要使用模数转换器对直方图箱的模拟计数值进行量化的情况下，采用电荷分享的方法实现简单的梳状滤波器、以及复杂的fir滤波器，最后通过峰值检测提取有效的飞行时间信息；可以理解的是，模拟计数器对应设置计数电容，每个模拟计数器对应设置的计数电容的数量相同或不同，或者，模拟计数器对应设置的多个计数电容的电荷量不同，对生成的飞行时间直方图进行滤波处理，再对滤波处理后的飞行时间直方图进行峰值检测，提取飞行时间信息；如此，利用多个模拟计数器生成模拟域飞行时间直方图，大大缩小了电路模块的面积，且在不需要使用模数转换器对模拟计数器的计数值进行量化的情况下，实现滤波操作，能够提高信噪比，检测出飞行时间直方图的峰值，以完成有效飞行时间信息的提取，使得电路消耗资源显著降低。

19、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

技术特征：

1.一种飞行时间信息提取方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的飞行时间信息提取方法，其特征在于，所述对所述飞行时间直方图进行滤波处理的表达式为：

3.根据权利要求2所述的飞行时间信息提取方法，其特征在于，针对第m个直方图箱进行滤波，所述每个模拟计数器对应设置一个计数电容，且所述每个模拟计数器对应设置的计数电容的电容值相同，对所述飞行时间直方图中各模拟计数器的计数值进行滤波处理时各滤波系数相同。

4.根据权利要求2所述的飞行时间信息提取方法，其特征在于，针对第m个直方图箱进行滤波，所述多个模拟计数器中至少一个所述模拟计数器对应设置多个计数电容；且该所述模拟计数器对应设置的多个计数电容的电容值相同、多个计数电容的电荷量相同；对所述飞行时间直方图进行滤波处理，该所述模拟计数器的计数值对应的滤波系数增大。

5.根据权利要求2所述的飞行时间信息提取方法，其特征在于，针对第m个直方图箱进行滤波，所述多个模拟计数器中至少一个所述模拟计数器对应设置多个计数电容；且该所述模拟计数器对应设置的多个计数电容的电容值相同、至少部分计数电容的电荷量为零；对所述飞行时间直方图进行滤波处理，该所述模拟计数器的计数值对应的滤波系数减小。

6.根据权利要求2所述的飞行时间信息提取方法，其特征在于，所述多个模拟计数器中至少一个所述模拟计数器对应设置两个计数电容；且该所述模拟计数器对应设置的两个计数电容的电容值相同，其中一个计数电容的电荷量每次电荷共享后置零；对所述飞行时间直方图进行滤波处理，通过多次的电荷共享，该所述模拟计数器的计数值对应的滤波系数减小。

7.根据权利要求1所述的飞行时间信息提取方法，其特征在于，所述对滤波后的飞行时间直方图进行峰值检测，提取飞行时间信息，包括：

8.一种飞行时间信息提取系统，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的飞行时间信息提取系统，其特征在于，所述每个模拟计数器对应设置一个计数电容；其中，所述模拟计数器对应设置的计数电容的第一端电连接地端、计数电容的第二端与相邻的模拟计数器对应设置的计数电容的第二端通过开关电连接。

10.根据权利要求8所述的飞行时间信息提取系统，其特征在于，所述多个模拟计数器中至少一个所述模拟计数器对应设置多个计数电容；其中，所述模拟计数器对应设置的计数电容及多个计数电容的第一端电连接地端、计数电容的第二端与相邻的模拟计数器对应设置的计数电容的第二端通过开关电连接；或者，所述模拟计数器对应设置的计数电容的第一端电连接地端、计数电容的第二端与相邻的模拟计数器对应设置的计数电容的第二端通过开关电连接，模拟计数器对应设置多个计数电容中至少一个计数电容的第二端通过开关电连接地端。

技术总结
本发明公开了一种飞行时间信息提取方法及其系统，包括：将多个模拟计数器的计数值重置为初始计数值，每个模拟计数器对应设置至少一个计数电容，计数电容用于获取计数值；直方图生成电路从时间数字转换器接收多个飞行时间码字；在探测时间内，对接收到的多个飞行时间码字选择对应数字地址的模拟计数器，并将选择的模拟计数器的计数值增加一个最小计数步长；根据不同模拟计数器对应设置的不同数量的计数电容、以及电荷量不同的计数电容，对飞行时间直方图进行滤波处理；对滤波后的飞行时间直方图进行峰值检测，提取飞行时间信息。本发明能够使得电路消耗资源显著降低。

技术研发人员：马瑞,胡进,杨庆培,苏星,沈林杰,马家骥,朱樟明,浦世亮
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21