[发明专利]一种基于飞行时间的距离探测系统和方法

说明书

本发明公开了一种基于飞行时间的距离探测系统，包括有激光发射模块和激光接收模块；所述激光接收模块包括检测器和控制单元；激光发射模块向目标发射激光脉冲序列，检测器接收目标反射的光子而输出响应信号；控制单元包括时间数字转换器和控制器，控制器用于控制时间数字转换器进行测量第一TOF值以及第二TOF值；其中，第一TOF值用于与预定义的对应关系相匹配以调控检测器阵列中选定区域的SPAD的工作状态，第二TOF值用于计算目标与系统间的距离。本发明对目标物体进行两步式测试，以获取目标物体的精确TOF值，可克服因视差导致的测量不准，且可避免过多的SPAD工作引起功率消耗和噪声。

技术领域

本发明涉及激光雷达距离探测技术领域，尤其涉及一种基于飞行时间的距离探测系统和方法。

背景技术

激光雷达距离探测系统主要采用飞行时间(TOF)测距技术，根据探测的原理不同可分为直接飞行时间技术和间接飞行时间技术。在直接飞行时间技术中，采用诸如脉冲激光器朝向目标物体发射激光脉冲，发射到目标物体上的激光脉冲发生散射或反射，检测器接收到一部分回波信号并进行处理，根据激光脉冲的发射时间与检测器检测到回波信号的时间差值计算出目标的飞行时间，从而获得目标物体的距离信息。

基于直接飞行时间技术的测距系统中，采用脉冲光源作为发射源，而单光子雪崩光电二极管(SPAD)阵列作为检测器，检测器探测到反射的回波信号并进行处理计算飞行时间。单光子雪崩光电二极管可以输出指示单个光子入射时间的信号，根据时间相关单光子计数(TCSPC)技术来计算出目标的飞行时间。

TCSPC技术依据统计学原理将信号周期内探测到光子看做一个随机事件，若探测到光子就在对应的存储单元记“1”并记录下对应信号周期内的时间。经过重复周期测量后建立起光子随时间分布的直方图，在直方图中会出现一个特征峰，该特征峰所对应的时间间隔就是目标的飞行时间。TCSPC技术用于飞行时间探测统计光子信号时，有着非常高的时间分辨率和近乎理想的探测效率具有较高的时间分辨率和探测准确率。

实际应用中，沿着给定方向发射的激光束反射回SPAD的位置将随着目标与系统的距离发生水平移动，即产生视差的问题，因视差问题的存在将会导致测量不准确。并且，根据目标距离不同，在引起响应的SPAD的数量也不相同，因此，如何保证SPAD得到充分利用，减少SPAD的功率消耗也是需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于飞行时间的距离探测系统和方法，以克服因视差问题存在的测量不准确，以及解决过多的SPAD工作时引起的功率消耗和噪声问题。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

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；所述激光发射模块包括有激光器，用于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，用于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，所述第一TOF值用于与预定义的对应关系相匹配以调控检测器阵列中选定区域的检测器的工作状态，所述第二TOF值用于计算目标与探测系统间的距离信息。

优选地，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值可确定响应光子的SPAD在超像素内的位置和数量。

优选地，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。