单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法、装置及其应用与流程

本申请涉及光电子学，特别是涉及单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法、装置及其应用。

背景技术：

1、dtof-lidar测距系统是一种基于直接时间飞行（direct time-of-flight，dtof）原理的激光雷达测距技术。主要包括激光发射、spad接收以及tdc计时器。发射脉冲激光开始计时，spad接收到返回信号光触发计时停止，得到光传播飞行时间，与光速换算得到目标距离。它利用激光发射器发射出短脉冲激光束，经过目标物体反射后，由接收器接收回来，通过计算激光光束往返所需的时间来测量目标物体与测距系统的距离。

2、目前主要的测量方式是重复多个发射接收周期，统计得到的飞行时间，取出现次数多的为测距结果。问题在于：

3、1.spad为单光子触发，只要有一个光子，就能产生一个脉冲，但由于tdc一个计时周期内只能被触发停止一次，而spad能被反复触发多次，这种情况下只能记录第一个脉冲到达的时间。而spad产生的脉冲有三种，一种是自产生的暗噪声，另一种是环境光触发噪声，最后是返回激光触发的有效信号。因此在强环境光环境下，首个触发tdc的脉冲是噪声的可能性较大，spad被返回信号光脉冲触发的有效脉冲信号会丢失，造成本次测距周期资源和信息的浪费。且距离越远，有效信号到达的时间越长，tdc越有可能先被噪声触发，导致有效测距结果的出现概率大大降低，增大了远距离测距结果的误差和抖动。

4、2.如图1所示，由于大量测量周期tdc都在时间轴左边被触发掉了，导致直方图左侧的噪声峰值还高于信号的峰值，使通过信号峰值位置判定目标距离变得困难。

5、3.同时无论目标处于整个量程中的哪一个位置，每个脉冲周期均需要等光脉冲跑完整个测程。在时间上，尤其是当目标距离很近的时候。是极大的浪费，会显著地限制帧率的提高。

6、4.因为不能确定激光返回的具体时间（即目标的位置），所以直方图统计需要预留每个可能结果的最大统计次数，例如0-15m量程，1.5cm分辨率，共有1000个可能tdc计数结果，假如需要预留8bit（即最高256）统计计数存储空间，则需要1000×8bit的存储空间，而统计的有效结果只占用其中的很少一部分，造成存储空间的浪费。

7、5.生成统计直方图需要经过多次测量，假设发光频率为1.667mhz，输出距离信息的帧率为2khz，则生成一个直方图大约需要833次测量。若需要提高帧率，则要减少统计次数，统计次数越小，结果可靠度越低。直方图结果数据量庞大，生成统计直方图需要较多的算力支持，传输结果也容易受传输线带宽的速率限制，时间利用率较低。

8、6.由于依赖tdc计时来获取飞行时间，tdc的分辨率直接决定了测距结果的精度。100ps时间分辨率的tdc等效于15mm距离分辨率，tdc分辨率越高，其制作成本越高，功耗越高，需要的存储空间和算力也越高。

9、因此，亟待一种单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法、装置及其应用，以解决现有技术存在的问题。

技术实现思路

1、本申请实施例提供了单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法及其应用，针对目前技术脉冲采样时间浪费、存储空间和算力浪费等问题。

2、本发明核心技术主要是由于spad自发触发暗噪声和被环境光触发产生脉冲是时域上均匀分布的白噪声，在相同时间内触发的次数大致相等，而被脉冲激光触发的脉冲会集中在某一时刻。利用这一特性，只要在回波脉冲附近的时间片段内记录光子到达时刻直方图，并寻找峰值就可以得到目标对应的具体飞行时间。

3、第一方面，本申请提供了单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法，所述方法包括以下步骤：

4、s00、将整个量程均匀分为多段时间片段；

5、s10、在不开光源的条件下，获取一个时间片段内各个bin的光子事件计数值作为平均噪声，并根据平均噪声设置信号阈值；

6、s20、在打开光源的条件下，从第一段时间片段开始进行测量；

7、s30、若未出现超过信号阈值的峰位，则清除直方图数组并继续对下一个时间片段进行测量，直至完成所有时间片段的测量或出现超过信号阈值的峰位；若出现超过信号阈值的峰位，则停止对后续时间片段的测量，根据该峰位生成局部直方图。

8、进一步地，s30步骤中，若峰位位于所在时间片段的边缘，则以该峰位表示的最大值为中心构造新的多段等长时间片段进行重新测量，并根据结果进行修正，以获得完整包含峰位的局部时间片段直方图。

9、进一步地，s10步骤中，信号阈值为平均噪声与标准差的和。

10、第二方面，本申请提供了一种单光子雪崩二极管直接时间飞行测距装置，包括：

11、量程划分模块，将整个量程均匀分为多段时间片段；

12、信号阈值设置模块，在不开光源的条件下，获取一个时间片段内各个bin的光子事件计数值作为平均噪声，并根据平均噪声设置信号阈值；

13、测量模块，在打开光源的条件下，从第一段时间片段开始进行测量；若未出现超过信号阈值的峰位，则清除直方图数组并继续对下一个时间片段进行测量，直至完成所有时间片段的测量或出现超过信号阈值的峰位；若出现超过信号阈值的峰位，则停止对后续时间片段的测量，根据该峰位生成局部直方图；若峰位位于所在时间片段的边缘，则以该峰位表示的最大值为中心构造新的多段等长时间片段进行重新测量，并根据结果进行修正，以获得完整包含峰位的局部时间片段直方图；

14、输出模块，输出直方图。

15、第三方面，本申请提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行上述的单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法。

16、第四方面，本申请提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据上述的单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法。

17、本发明的主要贡献和创新点如下：1、与现有技术相比，本申请只需要有限的数据长度，如用于记录直方图的数组长度从10000缩短为1000，极大地缩小了数据量，后续算力开销，和数据处理时间；同时缩小了采样时间。首先对于第i个时间段，每个脉冲采样周期的时间为原方法的i/n，其次如果在第i时间段找到峰值，就不需要再对i+1到n时间段进行测量，进一步缩小了时间和功耗。

18、2、与现有技术相比，本申请有显著的环境光干扰抑制作用。传统方法在强环境光下几乎无法完成测距。该方法利用了直方图左端环境光事件堆积和测程正相关的原理，当完整测程被划分为较短的时间段后，在每个时间段内，局部直方图左端的环境光堆积都不显著，或者即使可观测到堆积现象，其幅值都小于对应的信号峰值，避免了对寻峰工作的干扰。

19、本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

技术特征：

1.单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法，其特征在于，s30步骤中，若峰位位于所在时间片段的边缘，则以该峰位表示的最大值为中心构造新的多段等长时间片段进行重新测量，并根据结果进行修正，以获得完整包含峰位的局部时间片段直方图。

3.如权利要求1或2所述的单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法，其特征在于，s10步骤中，所述信号阈值为所述平均噪声与标准差的和。

4.一种单光子雪崩二极管直接时间飞行测距装置，其特征在于，包括：

5.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至3任一项所述的单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法。

6.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，所述过程包括根据权利要求1至3任一项所述的单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法。

技术总结
本申请提出了单光子雪崩二极管直接时间飞行测距方法、装置及其应用，包括以下步骤：S00、将整个量程均匀分为多段时间片段；S10、在不开光源的条件下，获取一个时间片段内各个bin的光子事件计数值作为平均噪声，并根据平均噪声设置信号阈值；S20、在打开光源的条件下，从第一段时间片段开始进行测量；S30、若未出现超过信号阈值的峰位，则清除直方图数组并继续对下一个时间片段进行测量，直至完成所有时间片段的测量或出现超过信号阈值的峰位；若出现超过信号阈值的峰位，则停止对后续时间片段的测量，根据该峰位生成局部直方图。本申请可显著提高直方图时间精度，提高测量速度，减少测量存储浪费和算力浪费。

技术研发人员：马宁,何梦凡,沈锴,沈炜,许鹤松
受保护的技术使用者：杭州宇称电子技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13