距離測量設備及確定距離的方法與流程

文檔序號：11634590閱讀：602來源：國知局

本發明涉及一種距離測量設備及用該距離測量設備確定距離的方法。

背景技術：

距離可以通過光學方法在測量設備和物體之間被測量，而不需要在測量設備和物體之間產生物理接觸。在這些方法中，物體被測量設備照射，然后，從所述物體反射的光被該測量設備的光檢測器捕獲。

距離可以通過例如周期性地調制從所述設備發射的光強并通過測量發射光和到達檢測器的背面反射光(backreflectedlight)之間的相位差來確定。然而，由于光強的周期性，這種方法導致了模糊的距離測量。通過測量光的發射與背面反射光到達檢測器之間的飛行時間，可以確定明確的距離測量。

通過測量光的性質，特別是作為時間函數的強度，來進行傳統的距離測量。然后處理所述性質與時間的圖形以獲得飛行時間。這種處理可能在計算上是復雜的，因此可能需要很長的時間來執行。如果距離測量需要很長的時間來執行，這可能導致進行距離測量的重復頻率(repetitionrate)降低。

傳統距離測量的精度受到利用其測量光的性質的時間步長的大小的限制。而且，對于傳統的距離測量，物體的不同反射率也可導致所述圖形的不同形狀。當處理不同的圖形時，這可以導致不同的距離，使得距離取決于物體的反射率，這進一步降低了傳統距離測量的精度。

技術實現要素：

本發明的一個目的是提供一種距離測量設備及用該距離測量設備測量距離的方法，其中，所述距離測量操作簡便且能同時保持精度。

根據本發明的用于測量距離測量設備和物體之間的距離的距離測量設備包括：光源，適于用不同持續時間的光脈沖照射物體；至少一個光元件(photoelement)，適于捕獲從物體背面反射后的光脈沖；觸發發生器，用于控制光脈沖的發射以及用于在集成開始時間點為δs和集成結束時間點為δe的時間集成門(temporalintegrationgate)期間激活所述光元件，其中，所述光元件適于在所述集成門結束時輸出信號值u，該信號值u取決于在所述光元件激活期間到達所述光元件的光的能量，并且其中觸發發生器存儲觸發方案以用于激活光元件和控制光脈沖的發射，使得持續時間為tp，s的至少一個短光脈沖和具有長于tp，s的持續時間tp，l的多個長光脈沖被發射，使得短光脈沖的發射開始時間點與集成門之間的不變延遲能使得δtof和δtof+tp，s位于δs和δe之間來輸出參考信號值uref，其中δtof是光脈沖到達光元件時的第一時間點，并且使得對于每個長光脈沖而言，長光脈沖的發射開始時間點與所述集成門之間的各自的可變延遲τ能使得可變延遲τ彼此不同以便根據到達光元件的光的強度和集成門形成卷積函數fc:＝u(τ)；以及處理單元，適于識別卷積函數中與uref相對應的延遲τc并使用τc來計算距離。

根據本發明的用于通過距離測量設備確定距離測量設備與物體之間的距離的方法包括以下步驟：a)用持續時間為tp，s的至少一個短光脈沖照射物體；b)用持續時間為tp，l的多個長光脈沖照射物體；c)在集成門結束時輸出信號值uref，其中短光脈沖的發射開始時間點與集成門之間的不變延遲使得δtof和δtof+tp，s在δs和δe之間；d)在在長光脈沖的發射開始時間點與所述集成門之間具有針對每個長光脈沖的各自可變延遲τ的情況下根據到達光元件的光的強度和集成門形成卷積函數fc:＝u(τ)，其中這些可變延遲彼此不同以形成卷積函數fc；e)識別卷積函數中對應于uref的延遲τc；f)通過使用在步驟e)中識別的卷積函數中的延遲τc來計算距離。

所述卷積函數fc可以通過以下公式來描述：

其中i(t)是到達光元件的長光脈沖的光的強度，g(t)是時間集成門。對于集成門與到達光元件的長光脈沖之間沒有重疊情況下的早期可變延遲τ而言，卷積函數具有靜態值(stationaryvalue)。一旦延遲τ足夠長使得集成門和長光脈沖開始重疊，函數值就開始改變。卷積函數包括在集成門和長光脈沖具有最大重疊情況下的延遲τ處的極值。如果長光脈沖和集成門具有相同的持續時間，則卷積函數中的極值是單點，以及如果長光脈沖和集成門的持續時間的差異增加，則卷積函數中的極值是變的更寬的平臺(plateau)。通過進一步根據極值增加延遲τ，函數值發展回到靜態值。卷積函數fc中對應于參考信號值uref的延遲τc是卷積函數fc和函數u＝uref的交集。例如可以通過形成卷積函數fc的逆函數τ(u)并然后形成τc(uref)來識別該交集，這是一種數學上的簡單的方法。可替換地，可以通過在測量之前對卷積函數進行參數化并在從擬合的卷積函數和函數u＝uref中分析地提取實際交集之前對測量數據進行擬合來識別該交集。通過執行擬合，可以評估測量數據點之間的時間步長，這提高了延遲τc的測量精度。通過獲取τc的增加的精度，也可以獲取針對距離的增加的精度。通過識別函數u＝uref和卷積函數的交集，也可以實現物體的不同反射率的補償。

在fc＝uref時卷積函數具有兩個延遲τc，也即極值兩側一邊一個。能夠想象僅在極值的一側形成卷積函數并且僅識別一個延遲τc，或者能夠想到在極值的兩側形成卷積函數并且識別兩個延遲τc。如果兩個延遲被識別，則可以計算針對每個延遲τc的距離，并且然后可以形成兩個距離的平均值，這有利地增加了距離測量的精度。

為了相對于發射開始時間點來布置集成門，需要預先確定物體所處的距離范圍。根據該距離范圍可以選擇不變延遲，使得對于該距離范圍的所有可能距離而言，δtof和δtof+tp，s都位于δs和δe之間。此外，可以選擇不變延遲，使得形成卷積函數。

優選的，光源包括發光二極管、垂直腔面發射激光器(vertical-cavitysurface-emittinglaser，vcsel)和/或特別適用于在可見光和/或紅外光譜區域內進行發射的激光器。距離測量設備優選地包括具有圖像增強器的ccd芯片和/或包括至少一個光元件的cmos芯片。

優選的，觸發方案適于控制光脈沖的發射，使得物體被短光脈沖和長光脈沖交替照射。由于短光脈沖用于參考信號值uref，所以激光強度的可能的長時間漂移將以相同的方式影響卷積函數fc和uref，使得長時間漂移將可以通過短光脈沖和長光脈沖交替來補償。短光脈沖的數量與長光脈沖的數量之比優選為0.2～0.4。令人驚訝的是，實驗結果表明，該比率能夠得到距離的最高精度。

觸發方案優選地適于控制光脈沖的發射，使得光脈沖的強度從發射開始時間點處的強度i1上升到高于i1的強度i2，并且分別在從發射開始時間點開始的持續時間tp，s和tp，l后回落到i1，其中tp，s和tp，l為數十納秒的數量級。這里，卷積函數的極值是最大值。可替換地，觸發方案優選地適于控制光脈沖的發射，使得光脈沖的強度從發射開始時間點處的強度i2降低到低于i2的強度i1，并且分別在從發射開始時間點開始的持續時間tp，s和tp，l之后回升至i2，其中tp，s和tp，l為數十納秒的數量級。這里，卷積函數的極值是最小值。通過使用包含發射開始時間點處的強度下降的光脈沖，有利的是，能夠使用距離測量設備來既測量距離又照射物體。物體的照射可以使得物體對于人眼或另一視覺系統而言變得可見。此外，不需要使用會干擾距離測量的附加照射系統，由此保證了距離測量的高精度。

優選的，在步驟a)和b)中，物體被短光脈沖和長光脈沖交替照射。短光脈沖的數量與長光脈沖的數量之比優選地為0.2～0.4。

優選地，在步驟d)中，卷積函數被擬合成信號值un與可變延遲τ的曲線圖，其中卷積函數fc特別包括線性函數。通過使用擬合，可以以任意的步長確定卷積函數fc，這有利地增加了距離測量的精度，并且與長光脈沖的發射開始時間點與集成門之間的不同延遲τ的數量無關。因此，也可以以任意的步長確定距離。由于卷積函數中對應于uref的延遲τc被識別，所以有利的是足以僅將一個線性函數擬合到繪圖上，這在計算上是簡單的。如果例如卷積函數的極值被識別，則不是這種情況。為了識別極值，極值兩側上的各個線性函數必須被擬合到繪圖中，并且必須計算兩個線性函數的交集，這在計算上是困難的。

優選的，在步驟d)中，所述卷積函數fc通過以下方式形式：首先用粗略步長的不同可變延遲τ粗略形成粗略的卷積函數fc，粗略、隨后在粗略的卷積函數fc，粗略中識別對應于uref的粗略的延遲τc，粗略和與τc，粗略相鄰的兩個可變延遲τl，粗略和τr，粗略以及然后在τl，粗略和τr，粗略之間利用步長比粗略步長更短的精細步長形成卷積函數fc，來形成卷積函數fc。這提供了以高精度確定距離的有效方法。

光脈沖的強度優選地從強度i1升高到高于發射開始時間點處的i1的強度i2，并且分別在從發射開始時間點開始的持續時間tp，s和tp，l之后回落到i1，其中tp，s和tp，l為數十納秒的數量級。可替換地，光脈沖的強度優選地從發射開始時間點處的強度i2下降到低于i2的強度i1，并且分別在從發射開始時間點開始的持續時間tp，s和tp，l之后回升到i2，其中tp，s和tp，l為數十納秒的數量級。

優選的，在步驟e)中，多個參考信號值uref的平均值，特別是所有信號值uref的平均值被用于識別τc。這樣就能得到高精度的信號值uref，并因此對于距離來說也是高精度的。

附圖說明

在下文中，基于示意圖對本發明進行了說明。

圖1示出了距離測量設備的橫截面示意圖；

圖2示出了具有集成門和光脈沖強度的時間輪廓圖；以及

圖3示出了卷積函數的一部分。

具體實施方式

如圖1所示，距離測量設備1包括光源2、光元件3、觸發發生器4、存儲單元5和處理單元6。光源2包括發光二極管、vcsel(垂直腔面發射激光器)和/或激光器，其中，所述發光二極管、vcsel和/或激光器適用于在可見光和/或紅外光譜區域中進行發射。距離測量設備1包括具有圖像增強器的ccd芯片和/或包括至少一個光元件3的cmos芯片，其中cmos芯片包括至少一個能夠通過光電二極管被放電的電容器(condenser)。觸發發生器4提供用于控制光源2的發射的激活信號12和用于在時間集成門21期間激活光元件3的激活信號13。通過打開圖像增強器來激活ccd芯片且通過閉合所述電容器和所述光電二極管的電路中的開關來激活所述cmos芯片，這樣就能允許所述電容器通過所述光電二極管放電。光元件3適于在集成門21結束時輸出信號值u，其中信號值u取決于在光元件激活期間到達光元件的光的能量。信號值u在讀出操作14中被讀出并存儲在存儲單元5中。存儲單元5適于存儲多個信號值u。所述多個信號值u之后可由處理單元6在處理操作15中被處理，以確定距離測量設備1和物體9之間的距離。

檢測光學器8被布置在光元件3的前面，以使視野11成像到光元件3上。照明光學器7被布置在所述光源2的前面，以控制由光源2發射的光的形狀使得照明區域10能夠被所述光源2照射到。所述照明區域10和視野11被塑形，使得視野11基本上完全被照明區域10覆蓋。所述距離測量設備1被調整，使得由光源2發射的光撞擊到位于視野11內的物體9上并在從物體9反射后到達所述光元件3。所述照明光學器7和檢測光學器8優選地是相應的透鏡。也有可能將單個透鏡既用于照明光學器7又用于檢測光學器8。

在圖2中，示出了三個時間輪廓圖，其中強度16和門17相對于時間18繪制。第一時間輪廓圖是發射的光脈沖19的強度與時間18的曲線圖，第二時間輪廓時間圖是到達光元件3的光脈沖20的強度相對于時間18的曲線圖，以及第三時間輪廓圖是集成門21相對于時間18的曲線圖。觸發發生器4控制光源2的發射，使得具有持續時間tp，s的多個短光脈沖23和具有持續時間tp，l的多個長光脈沖24被發射，其中tp，s<tp，l。圖2中的光脈沖23，24使得能夠在光脈沖23，24的發射開始時間點處將其強度從i1切換到i2，其中i2>i1。分別在從發射開始時間點開始的持續時間tp，s和tp，l之后，光脈沖23，24的強度被切換回到i1。在另一個實施例中，光脈沖23，24的強度在光脈沖23，24的發射開始時間點處從i2切換到i1，并分別在從發射開始時間點開始的持續時間tp，s和tp，l之后被切換回到i2，其中i2>i1。在這兩個實施例中，i1和i2對于短光脈沖23和長光脈沖24而言分別是相同的。

圖2示出了一個相應的短光脈沖23和一個相應的長光脈沖24被交替發射。在另一個優選實施例中，交替地發射一個相應的短光脈沖23和三個相應的連續長光脈沖24，使得短光脈沖23的數量與長光脈沖24的數量的比率為1/3。從圖2可以看出，在從發射開始時間點開始的持續時間δtof之后，光脈沖23，24開始到達光元件3。集成門21對于短光脈沖23的每個發射開始時間點而言具有不變的延遲，其中選擇不變的延遲使得到達光元件3的短光脈沖23完全在集成門21內。集成門21對于長光脈沖24的每個發射開始時間點而言具有可變的延遲τ，其中可變的延遲τ是可變的使得卷積函數fc:＝u(τ)根據到達光元件3的長光脈沖20、24的光的強度和集成門21形成。卷積函數fc可以通過公式1被數學地描述。

在圖2中，通過根據開始時間點22選擇集成門21的不變的集成開始時間點δs和集成結束時間點δe以及通過選擇長光脈沖24的發射開始時間點相對于開始時間點22的可變延遲δn來改變可變延遲τ，其中，δn是針對第n個光脈沖23，24的延遲，而且對于每個長光脈沖24而言δn是不同的。可以想到的是，可以將從長光脈沖24的發射開始時間點到開始時間點22的延遲保持恒定，并且改變集成開始時間點δs和集成結束時間點δe。開始時間點22被選擇使得其與先前的集成門21的δs一致。但是也可以想到的是，可以為開始時間點22選擇任何其他的時間點。

圖2中的陰影區域與在光元件3激活期間到達光元件3的光的能量成比例。確定作為在針對短光脈沖23的集成門21結束時輸出的所有信號值的平均值的參考信號值uref。對于每個長光脈沖24，確定相應的信號值u。

圖3示出了卷積函數fc的形成以及如何評估卷積函數fc以便確定距離。為了形成圖3的卷積函數fc，使用了根據圖2所示的光脈沖23，24和集成門21。圖4示出了在針對長光脈沖24的集成門21結束時確定的信號值u與可變延遲τ的曲線圖。在該圖中，僅針對與比延遲τ最大更短的延遲相對應的延遲τ來獲取信號值u，其中τ最大對應于具有長光脈沖24和集成門21的最大重疊的延遲，并且對應于卷積函數fc的最大值。卷積函數fc包括被擬合成u與τ的曲線圖的線性函數29。在擬合線性函數29之后，線性函數29中對應于uref的延遲τc被識別。τc對應于線性函數29與函數u＝uref的交集30。對于圖3中的τc而言，τc+tp，s＝δtof+tp，l，由此可得：

δtof＝τc+tp，s-tp，l(公式2)

在針對與比延遲τ最大更長的延遲相對應的延遲τ來獲取信號值u的情況下，τc+(δe-δs)＝δtof+tp，s，由此可得：

δtof＝τc+(δe-δs)–tp，s(公式3)

對于這兩種情況，距離測量設備和物體之間的距離r可以由以下公式計算：

r＝0.5*c*δtof(公式4)

其中c是在其中進行距離測量的介質中的光速。

可以想到的是，所述卷積函數fc通過以下方式形式：首先用粗略步長的不同可變延遲τ粗略形成粗略的卷積函數fc，粗略、隨后在粗略的卷積函數fc，粗略中識別對應于uref的粗略的延遲τc，粗略和與τc，粗略相鄰的兩個可變延遲τl，粗略和τr，粗略以及然后在τl，粗略和τr，粗略之間利用步長比粗略步長更短的精細步長形成卷積函數fc，來形成卷積函數fc。

參考標記列表

1距離測量設備

2光源

3光元件

4觸發發生器

5存儲單元

6處理單元

7照射光學器

8檢測光學器

9物體

10照明區域

11視野