[发明专利]一种基于飞行时间的距离探测系统和方法

权利要求书

1.一种基于飞行时间的距离探测系统，包括有激光发射模块、以及激光接收模块，其特征在于：

所述激光发射模块包括有激光器，朝向目标发射激光脉冲序列；

所述激光接收模块包括有检测器以及控制单元；

其中，所述检测器为单光子检测器阵列，接收目标反射的光子而输出响应信号；

所述控制单元包括有时间数字转换器和控制器，所述时间数字转换器用于接收所述响应信号并输出所述光脉冲从发射到被检测器接收的时间差值，其包括有粗测时间数字转换器和细测时间数字转换器；

所述控制器与激光器、检测器和时间数字转换器相耦合，用于控制粗测时间数字转换器工作输出第一TOF值及控制所述细测时间数字转换器工作输出第二TOF值；

其中，根据所述第一TOF值确定超像素中的响应区域，所述第一TOF值与预定义的对应关系相匹配用于调控检测器阵列中所述响应区域的检测器处于工作状态且所述响应区域外的检测器处于关闭状态，所述第二TOF值用于计算目标与探测系统间的距离信息。

2.根据权利要求1所述的基于飞行时间的距离探测系统，其特征在于：所述检测器包括多个SPAD阵列，激光脉冲在目标从最远距离处到最近距离处能够引起响应的一组SPAD为一个超像素，根据第一TOF值确定响应光子的SPAD在超像素内的位置和数量。

3.根据权利要求1所述的基于飞行时间的距离探测系统，其特征在于：所述控制单元还包括有分别连接至检测器的水平寻址电路和垂直寻址电路、连接控制器的控制电路、以及连接检测器输出的逻辑电路。

4.根据权利要求1所述的基于飞行时间的距离探测系统，其特征在于：所述控制器包括有存储器和处理器；所述粗测时间数字转换器或细测时间数字转换器输出激光脉冲从发射到被检测器接收的时间差值到控制器，以存储于存储器中，存储器收集一系列激光脉冲的时间差值构建光子随时间分布的直方图。

5.根据权利要求3所述的基于飞行时间的距离探测系统，其特征在于：所述粗测时间数字转换器和细测时间数字转换器分别连接于逻辑电路与控制器之间。

6.根据权利要求3所述的基于飞行时间的距离探测系统，其特征在于：所述检测器包括多个单光子雪崩光电二极管阵列，控制电路与水平寻址电路和垂直寻址电路连接，以选择在指定命令下调控所述单光子雪崩光电二极管。

7.一种基于飞行时间的两步式距离探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101、定位，确定超像素中具体的响应区域；

具体地，开启粗测时间数字转换器，关闭细测时间数字转换器，粗测时间数字转换器处于工作模式，其输出激光脉冲从发射到被接收的时间差，记为第一时间差，控制器接收连续脉冲的第一时间差进而在处理器中构建光子随时间分布的第一直方图，得到目标的第一TOF值，根据所述第一TOF值确定超像素中的所述响应区域；

S102、测试，获取TOF值；

具体地，开启细测时间数字转换器，关闭粗测时间数字转换器，根据步骤S101所得的第一TOF值与预定义的对应关系相匹配，调控检测器阵列中所述响应区域的检测器处于工作状态且所述响应区域外的检测器处于关闭状态，得到目标的第二TOF值，该第二TOF值即为目标的精确距离信息。

8.根据权利要求7所述的基于飞行时间的两步式距离探测方法，其特征在于：步骤S102中，所述检测器包括有多个单光子雪崩光电二极管，经目标反射的光子能够引起响应的一组单光子雪崩光电二极管为一个超像素，根据步骤S101确定目标在超像素上的成像位置和单光子雪崩光电二极管的数量，将未探测到反射光子的单光子雪崩光电二极管关闭。

9.一种深度成像方法，其特征在于，包括步骤：

S201、通过上述权利要求7或8所述的两步式探测方法获取目标的TOF值，完成一帧图像的深度数据采集；

S202、重复执行S201中的测试，获取TOF值步骤，完成目标物体的多帧图像的深度数据采集，最后形成目标物体完整的深度图像。

10.根据权利要求9所述的深度成像方法，其特征在于：步骤S202中，在下一帧图像开始采集时，如果处于工作状态的单光子雪崩光电二极管的数量和位置发生变化，则重复一次定位步骤，确定超像素中具体的响应区域，以新一次定位步骤获得的第一TOF作为后续多次测量的参考值。