(一)本发明涉及的是一种基于探测器模式扫描的测距系统，可广泛用于工业自动化、自动驾驶、激光雷达测距和成像等领域。属于光电探测、集成电路测距和成像。
背景技术：
0、(二)背景技术
1、激光测距系统可以将发射光和接收到的反射光间连续的时间间隔转换为相对应的距离信息，而在二维成像技术的基础上融入物体的第三维信息(距离)，即通过多个摄像头和深度传感器的组合，实现像素景深的叠加，计算主动式光源发射与接收信号之间的时间差，通过对这些坐标信息的处理，更精准地获取目标物体的轮廓、位置及速度等关键信息，实现更为精准和智能的三维定位与交互，如在手势控制、3d成像、机器视觉等领域有着广阔的应用前景。
2、现今较为常见的测距系统根据探测信号的类型可分为以下几种非接触位移测量：无线电雷达测距系统，超声波测距系统和激光测距系统；无线电雷达测距属于传统的测距系统，具有探测距离远的特点，但无线电信号在实际应用中容易收到电磁干扰而导致测距不准，失去高精度的特点；超声波测距系统由定向发射、方向性好的特点，但超声波测距系统一般都由分立器件模块构成，并且还需额外加入调频系统才能与发射的超声波进行匹配，失去了高集成化的特点；激光测距系统就是给目标发射连续的光脉冲，经过目标反射，通过传感器接受回来的光，记录飞行的时间，计算出到目标的距离，一般分脉冲调制和连续波调制两种，因其主动发射脉冲光，属于主动测量方式，有着高方向性、单色性和抗干扰能力强的特点，使测量的精度、可靠性得到极大的提高，并且可以将光探测器与测距电路集成在一块芯片上占用面积更小、实用性更强等特点。
3、在实现激光测距和成像系统中又分为结构光、双目立体和时间飞行法(time-of-flight，tof)三种；结构光方案随着所测量的距离变远，投影图案变大，精度也随之变差，室外强光照射下也容易干扰投影光。双目立体因为依赖于自然光，在强光、暗光下影响较大，且算法复杂，对单一如纯色环境，其依据视觉特征进行图像匹配的方式会失效。飞行时间技术以其卓越的抗干扰性、高帧率和小体积等优点广泛的应用于测距等动态场景中。飞行时间测量方案通过计算入射信号与反射回波信号之间的时间间隔来获取测距信息。tof技术分为间接式(indirect tof，itof)和直接式(direct tof，dtof)。itof通过测量近红外激光器发射的调制光在被测物体反射后，与tof芯片接收到的反射光之间的相位差，进而转换为所需的飞行时间差。测量原理简单、集成度高、技术较成熟，缺点是精度随距离下降严重、功耗大、易受干扰。而dtof则直接测量发射光与接收光之间的时间差，实现精确的测距，有着自己独特的优势，如精度测量距离远且精度不会随着距离远而下降、响应速度快、小巧的系统体积以及出色的系统稳定性等，但工艺复杂，分辨率相对较低。
4、itof和dtof在激光测距系统中各有优缺点；itof工作原理中主要是基于脉冲波和连续调制波的技术，在许多应用领域中使用连续波调制的测量方法是较为成熟的方案；基于单频调制的探测距离的理论公式，发射的低频调制对应于远距离的测量，但精度较差，而高频调制对应于近距离测量，精度较好。希望能够兼顾高低频的优势使得二者进行有机结合即双频调制。通过采用高低频复用既可以用于探测远距离，也可以得到较好精度，实现宽动态范围和高精度的特点。针对itof双频下多径干扰，2021年j.gutknecht等人在文献(multi-layer tof:comparison ofdifferent multipath resolve methods forindirect3d time-of-flight)中描述了在多径干扰情况下分离单个信号路径的几种方法，如基于prony方法和正交匹配追踪(omp)算法，还应用了粒子群优化(pso)算法来解决这个问题，对于实际测量数据误差降低了96％；基于dtof方案中对宽动态范围和高精度优化设计中，如2016年东南大学吴金等，公开了一种基于锁相环的三段式时间数字转换电路(中国专利：cn201610176977.8)和基于多重vco的低功耗高精度阵列型时间数字转换电路(中国专利：cn201610901004.6)，其基于pll与dll时钟，采用多段式的结构，实现大动态范围和高分辨率的特点，而时钟抖动和相位提取中会引入为随机误差；2020年jussi-pekka jansson等人提出了基于计数器和插值结构的tdc(enhancing nutt-based time-to-digitalconverter performance with internal systematic averaging)，并通过大规模通道多次测量平均的方法提高tdc性能，文中描述了平均的方法在有限分辨率下显著减少插值非线性、随机噪声和时钟抖动带来的影响。
5、上述系统中，基于itof原理的激光测距系统，由于其传感器的像素较为精细，分辨率也更高，能以更低的功率和成本精确地测量出距离，但在强光或暗光的环境中容易受到干扰，适应性较差，也很难实现远距离的测距；基于dtof原理的激光测距系统，整体系统复杂，集成化难度更高，测量精度有限。核心模块tdc都是基于时钟计数原理，每个输出时钟相位都会有不同的抖动偏差，同时参考时钟也容易受到电源电压和外部噪声等因素的干扰而产生抖动，受限于时钟频率无法实现更高精度测量，很难达到毫米级；itof和dtof都会面临分辨率与动态范围间的相互制约。
6、本发明公开了一种基于探测器模式扫描的测距系统。运用对apd偏置电压扫描的方式，将itof原理简单、容易集成、精度高和dtof在功耗、距离以及抗干扰方面的优势集成，使apd工作在线性模式无增益区、线性模式增益区和盖格模式下三种状态中，以实现测距中兼顾高精度和宽动态范围；线性模式无增益区、线性模式增益区利用itof测量原理，在近距离下测距的有着高精度和瞬态快速的响应等优点，盖格模式下利用dtof测距原理，使apd可以对极微弱的光响应，且tdc将时间转换为数字信号并不会随着距离的增加而导致精度变差，同时内部tdc电路采用三段式插值结构，避免了高频参考时钟信号噪声和时钟抖动带来的随机误差，整个测距系统在宽动态范围、高分辨率下依然保持高精度的优势。
技术实现思路
0、(三)
技术实现要素：
1、本发明的目的在于提供一种基于探测器模式扫描的测距系统，由控制模块(1)、偏压驱动电路(2)、apd(3)、间接测量模块(4)、直接测量模块(5)、信号处理模块(6)、激光器(7)、激光器驱动电路(8)组成，其中间接测量模块(4)由tia(41)和itof测量电路(42)组成，直接测量模块(5)由qc(51)和tdc(52)电路组成。可广泛用于工业自动化、自动驾驶、激光雷达测距和成像等领域。
2、本发明的目的是这样实现的：所述系统中开始测量时由信号处理模块(6)产生控制信号给控制模块(1)，控制模块(1)输出激光器驱动信号至激光器驱动电路(8)和偏压驱动信号至偏压驱动电路(2)，激光器驱动电路(8)输出离散的半波正弦信号驱动激光器(7)，激光器(7)发射出激光至目标物体，偏压驱动电路(2)输出连续的偏置电压给apd(3)；控制模块(1)通过控制偏压驱动电路(2)给apd(3)提供相应的偏置电压，扫描的偏置电压让apd(3)工作在不同的模式下；在近距离测量中，apd(3)在线性模式下接收到反射光信号，控制模块(1)把apd(3)输出的结果送入间接测量模块(4)中，在远距离测量中，apd(3)在盖格模式下接收到反射光信号，控制模块(1)把apd(3)输出的结果送入直接测量模块(5)中，对于间接测量模块(4)和直接测量模块(5)中输出的相对应的时间数据送至信号处理模块(6)中，通过对这些时间信息的处理，得到距离信息，进一步计算得到目标物体更精准的轮廓、位置及速度等关键信息。
3、激光器(7)主要采用波长为905nm和1550nm的激光发射器。在1550nm波长的激光传输过程中，它在人眼液体中的传输受到限制，主要原因是这部分激光会被眼角膜和晶状体所吸收，只有极少量的激光能够穿透到达视网膜。可在确保安全的前提下，通过提高发射功率以实现更远的探测距离。日光环境下，由于大气中相对应波段的光谱成分较少，1550nm波段信号与背景噪声间有着高对比度，有着更好的抗干扰能力。
4、apd利用光电效应将光信号转换为电信号，通过施加不同的反向偏置电压，让其工作在线性模式和盖格模式下，可以将apd视为提供增益的光电探测器，通常反向电压越高，增益越高。对于应用于单光于探测的apd要求增益达到106，因此对apd结构有着针对性的优化，主要包括：一是通过电荷层调控电场分布，使吸收区场强变低，倍增区场强增高；二是大幅增加倍增区的厚度，以提供足够的雪崩增益，增大可用的过偏压范围，降低暗计数发生的概率。优化后的ingaas(p)/inp apd采用分离吸收渐变电荷倍增层(sagcm)结构，吸收层材料可以根据工作波长需要选择与inp晶格常数匹配的ingaas或ingaasp材料。调整化合物的各组比例可以显著改变其禁带宽度，从ingaas的0.75ev变化到inp的1.35ev，从而获得900nm至1700nm中任意的截止波长。
5、所述系统中的间接测量模块(4)是利用间接飞行时间测量原理，通过测定连续的调制光波在待测距离上往返所接收到光波间的相位差，来测量光速的传播时间，间接计算物体与传感器的距离；间接测量模块(4)中tia(41)为一个二级放大的跨阻放大器，将工作在线性模式的apd(3)所接收到的反射调制光信号产生的电流信号放大为相对应的电压信号；itof测量电路(42)使用调制激光脉冲(如正弦波编码)发射到待测物体、或至整个场景，编码的光束经过一段距离后会发生“相位”变化，通过apd(3)捕获发射光，经由光电转换及一定处理后交于计算单元对每一个像素单元计算，得到发射光与接收光之间的幅度值以及对应的相位偏移，间接得到飞行时间，从而得到距离信息。
6、所述系统中的直接测量模块(5)是利用直接飞行时间测量原理，通过测量光从发射到被接收的时间差来计算物体与传感器的距离；qc(51)为主动淬灭电路，加入了正反馈，使得在雪崩下，将apd(3)正负端电压降低到|vbd|电压以下，使雪崩电流停止速度加快；tdc(52)是一种三段式插值结构的tdc电路，并基于此实现基于远距离的时间数字转换。直接测量模块(5)采用锁相环倍频技术提供稳定的高频参考时钟信号，电路利用锁相环级联的振荡器单元产生多项时钟信号和游标延时结构来构建两级插值，通过双延迟锁相环用以产生精确控制的延时时间，提高了测量转换过程线性度和抗干扰性，减少量化误差和提高了测量精度，兼具宽动态范围和皮秒级的高精度。此tdc也可为其他结构以实现在宽动态范围下达到高精度的设计目标。
7、所述的信号处理模块(6)可以是基于微控制器、现场可编程逻辑门阵列(fpga)以及计算机的信号处理系统的任意一种；信号处理模块(6)完成各个模块间功能时序的控制、复位和数据缓存和运算等；信号处理模块(6)会接收间接测量模块(4)和直接测量模块(5)输出的二进制码，对前述电路输出结果缓存、计算得到距离信息和完成的数据传输通信的功能。
1.一种基于探测器模式扫描的测距系统。其特征是：基于扫描的测距系统由控制模块(1)、偏压驱动电路(2)、apd(3)、间接测量模块(4)、直接测量模块(5)、信号处理模块(6)、激光器(7)、激光器驱动电路(8)组成，其中间接测量模块(4)由tia(41)和itof测量电路(42)组成，直接测量模块(5)由qc(51)和tdc(52)电路组成；所述系统中开始测量时由信号处理模块(6)产生控制信号给控制模块(1)，控制模块(1)输出激光器驱动信号至激光器驱动电路(8)和偏压驱动信号至偏压驱动电路(2)，激光器驱动电路(8)输出正弦信号驱动激光器(7)，激光器(7)发射出激光至目标物体，偏压驱动电路(2)输出连续的偏置电压给apd(3)；控制模块(1)通过控制偏压驱动电路(2)给apd(3)提供相应的偏置电压，扫描的偏置电压让apd(3)工作在不同的模式下。当apd(3)在线性区接收到反射光信号，控制模块(1)把apd(3)输出的结果送入间接测量模块(4)中，通过检测相位信息间接完成距离的测量。当apd(3)在盖格区接收到反射光信号，控制模块(1)把apd(3)输出的结果送入直接测量模块(5)中，通过tdc直接完成时间数字的量化得到距离信息。对于间接测量模块(4)和直接测量模块(5)中输出的相对应的时间数据送至信号处理模块(6)中，完成时间数据的处理，计算得到所测距离，可进一步计算得到目标物体更精准的轮廓、位置及速度等关键信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于探测器模式扫描的测距系统；其特征是：所述系统中的偏压驱动电路(2)输出的是一种扫描式、连续递增的电压量，为apd(3)提供不同的偏置电压，使apd(3)工作在线性模式无增益区、线性模式增益区和盖格模式下三种状态中，对应被探测物体在近距离、中远距离和远距离；在近距离测量中，apd(3)接收到的光信号较强，偏压驱动电路(2)输出偏置电压使apd(3)工作在线性模式无增益区，输出结果送入间接测量模块(4)中，间接测量模块(4)通过接收apd(3)输的正弦波与激光器驱动电路(8)输出的正弦波信号，通过相位偏移来测量距离，即两正弦波的相位偏移与得到物体距离激光器的距离成正比；在中远距离中，apd(3)接受到的光信号相对较弱，偏压驱动电路(2)输出偏置电压使apd(3)工作在线性模式增益区，对接收到的光信号转为电信号有着幅值放大过程，间接测量模块(4)通过接收apd(3)输的正弦波与激光器驱动电路(8)输出的正弦波信号，通过相位偏移来测量距离；在远距离测量中，所接收的光信号更微弱，偏压驱动电路(2)输出偏置电压使apd(3)工作在盖格模式下，即反向偏压|vr|略微超过击穿电压|vbd|时，可实现对单个光子的检测，apd(3)在检测到光子后利用器件内部的强电场产生的雪崩倍增效应来增强光子产生的电流，产生stop信号，在雪崩过程中，apd(3)会产生大量的电流，载流子数量呈指数增长，这可能会导致apd(3)最终失效，控制模块(1)控制偏压驱动电路(2)使偏置电压归零，开始下一段测量扫描准备，同时控制模块(1)控制apd(3)输出接至直接测量模块(5)，利用qc(51)快速降低apd(3)两端电压，实现迅速恢复到初始状态，激光器驱动电路(8)的输出也同时到tdc(52)中记为start信号，直接测量模块(5)中tdc(52)电路实现对start和stop电信号时间间隔计数。
3.根据权利要求1所述的一种基于探测器模式扫描的测距系统；其特征是：所述系统中的间接测量模块(4)是利用间接飞行时间测量原理，通过测定连续的调制光波在待测距离上往返所接收到光波间的相位差，来测量光速的传播时间，间接计算物体与传感器的距离；间接测量模块(4)中tia(41)为一个二级放大的跨阻放大器，将工作在线性模式的apd(3)所接收到的反射调制光信号产生的电流信号放大为相对应的电压信号；itof测量电路(42)使用调制激光脉冲(如正弦波编码)发射到待测物体、或至整个场景，编码的光束经过一段距离后会发生“相位”变化，通过apd(3)捕获发射光，经由光电转换及一定处理后交于计算单元对每一个像素单元计算，得到发射光与接收光之间的幅度值以及对应的相位偏移，间接得到飞行时间，从而得到距离信息，即可还原完整场景的灰度信息以及高度可靠的深度(距离)信息，这种方法通常使用高频率的激光脉冲获得高精度，但这会牺牲量程。
4.根据权利要求1所述的一种基于探测器模式扫描的测距系统；其特征是：所述系统中的直接测量模块(5)是利用直接飞行时间测量原理，通过测量光从发射到被接收的时间差来计算物体与传感器的距离；qc(51)为主动淬灭电路，在雪崩下，通过电路正反馈机制，将apd(3)正负端电压降低到|vbd|电压以下，使雪崩电流停止速度加快；tdc(52)是一种三段式插值结构的时间数字转换器，实现测距系统中远距离的测量。直接测量模块(5)采用锁相环倍频技术提供稳定的高频参考时钟信号，电路利用锁相环级联的振荡器单元产生多项时钟信号和游标延时结构来构建两级插值，使用双延迟锁相环用以产生精确控制的延时时间，提高了测量转换过程线性度和抗干扰性，减少了量化误差和提高精度。每个待测时间信号通过tdc多次测量后送入信号处理模块(6)取平均，有效降低了量化误差，避免了随机的时钟抖动带来的影响，兼具宽动态范围和皮秒级的高精度。
5.根据权利要求1所述的一种基于探测器模式扫描的测距系统；其特征是：所述的信号处理模块(6)可以是基于微控制器、现场可编程逻辑门阵列(fpga)以及计算机的信号处理系统的任意一种；信号处理模块(6)完成各个模块间功能时序的控制、复位和数据缓存和运算等；信号处理模块(6)会接收间接测量模块(4)和直接测量模块(5)输出的二进制码，对前述电路输出结果缓存、计算得到距离信息和完成的数据传输通信的功能。
