探测装置及方法与流程

1.本技术涉及探测技术领域，特别涉及一种探测装置及方法。


背景技术：

2.飞行时间测距法(time of flight，tof)，其原理是通过给目 标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过 探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。
3.而直接飞行时间探测(direct time of flight，dtof)作为tof 的一种，dtof技术通过计算光脉冲的发射和接收时间，直接获 得目标距离，具有原理简单，信噪比好、灵敏度高、精确度高等 优点，受到了越来越广泛的关注，同样采用itof的方案也能够 获得高精度和高灵敏度的距离检测方案。
4.直接飞行时间探测包括直接测量发射辐射与从物体或其他目 标反射后检测辐射之间的时间长度。由此，可以确定到目标的距 离。
5.在一些应用中，可以使用包括单光子检测器(例如单光子)
6.在内的光电探测器阵列来执行反射辐射的感测
7.雪崩二极管(spad)阵列。一个或多个光电探测器可以限 定阵列的探测器像素。spad阵列可以在可能需要高灵敏度和定 时分辨率的成像应用中用作固态光电探测器。spad基于半导体 结(例如，p-n结)，当例如通过或响应于具有期望脉冲宽度的选 通信号而被偏置到其击穿区域之外时，该半导体结可以检测入射 光子。高的反向偏置电压会产生足够大小的电场，从而使引入器 件耗尽层的单个电荷载流子可以通过碰撞电离引起自持雪崩。可 以通过淬火电路主动(例如，通过降低偏置电压)或被动地(例 如，通过使用串联电阻两端的压降)对雪崩进行淬火，以使设备
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复位”以进一步检测光子。起始电荷载流子可以通过单个入 射光子撞击高电场区域而光电产生。正是这一功能使人们产生了
ꢀ“
单光子雪崩二极管”的名称。这种单光子检测操作模式通常称 为“盖革模式”。
8.为了计数入射在spad阵列上的光子，某些tof像素方法可 能使用数字计数器或模拟计数器来指示光子的检测和到达时间， 也称为时间戳记。数字计数器可能更易于实现和扩展，但是就面 积而言(例如，相对于阵列的物理尺寸而言)可能更昂贵。模拟 计数器可能更紧凑，但是可能会受到光子计数深度(位深)，噪声 和/或均匀性问题的限制。
9.为了给入射光子加上时间戳，一些基于spad阵列的tof像 素方法使用了时间数字转换器(tdc)。tdc可以在飞行时间成 像应用中使用，以提高单个时钟周期的定时分辨率。这种数字方 法的一些优势可能包括tdc的大小倾向于随着技术节点而扩展， 并且所存储的值可以对泄漏更健壮。
10.但是，tdc电路可能只能在单个事件中处理一个事件
11.测量周期，这样一排spad可能需要多个tdc。tdc可能也比 较耗电，这使得更大的阵列更难以实现。tdc还可能生成相对大量 的数据，例如，每个光子一个16位时间戳。连接到tdc的单个spad 可能每秒产生数百万个这样的时间戳。因此，相对于可用的输入/输 出
带宽或功能，大于100,000像素的成像阵列会产生不可行的大数据 速率。但是完全不实用tdc测量精度又达不到。


技术实现要素：

12.本技术的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种探测 装置及方法，以解决现有的探测装置大数据速率以及精度不够的技术 问题。
13.为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
14.第一方面，本技术实施例提供了一种探测装置，包括：包括：脉 冲光源，被配置为发射脉冲光信号；探测器阵列，包含多个像素单元， 所述像素单元至少部分为工作单元，其响应于多个窗口期间入射在其 上的背景光和/或信号光光子而获得激发信息；处理模块，依据所述 工作单元的激发信息，获取时间范围信息；所述探测器阵列的像素单 元至少部分的工作单元，还响应于依据所述处理模块获得的时间范围 信息相关的多个窗口期间，入射在其上的背景光和/或信号光光子而 获得激发信息；所述处理模块依据时间范围信息相关的多个窗口期间 激发信息，获取最终的目标探测信息。
15.可选地，述多个窗口期间的时间宽度大于所述时间范围信息相关 的多个窗口期间的时间宽度。
16.可选地，所述时间范围信息相关的多个窗口期间，所述探测装置 还包含tdc模块，所述tdc模块输出与所述时间范围信息相关的多 个窗口期间的激发信息的时间码至所述处理模块。
17.可选地，所述的处理模块根据所述时间码构造直方图。
18.可选地，根据所述时间范围信息和/或所述直方图确定所述脉冲 光束的飞行时间。
19.可选地，所述脉冲光源发射n次脉冲，所述探测阵列的工作像 素单元获得所述n次脉冲中背景光和/或信号光光子激发的统计信 息。
20.可选地，所述探测器阵列为spad阵列。
21.可选地，所述多个窗口期间的时间宽度相同。
22.可选地，所述多个窗口期间的时间宽度与背景光相关。
23.可选地，所述多个窗口期间的时间宽度按照背景光触发所述探测 器阵列中的工作像素单元的概率阈值配置。
24.可选地，所述多个窗口期间的时间宽度按照至少如下之一的方式
25.配置：
26.预设固定值或函数关系、表格关系对应时间固定校正，开机标定， 自适应调整。
27.可选地，所述多个窗口期间的时间宽度与距离相关，且至少部分 时间宽度不相等。
28.可选地，所述处理模块输出的时间范围为n次脉冲中背景光和/ 或信号光光子激发的统计信息中工作单元最多触发次数对应的时间 范围。
29.第二方面，本技术实施例提供了一种探测方法，应用于上述第一 方面所述的探测装置，所述探测方法包括：
30.光源向探测物发射探测脉冲；
31.探测器阵列在多个窗口检测入射的光子；
32.根据统计得到的在多个窗口入射的光子数，获取时间范围信息；
33.在获取的时间范围信息内的多个窗口检测入射光子；
34.根据获取的时间范围信息内的多个窗口的入射光子获取光子到 达时间。。
35.可选地，所述多个窗口期间的时间宽度大于所述时间范围信息相 关的多个窗口期间的时间宽度。。
36.可选地，所述时间范围信息内的多个窗口的入射光子获取光子到 达时间可以根据tdc生成的直方图获得。
37.可选地，所述多个探测窗口的时间宽度相同。
38.可选地，所述探测窗口的时间宽度与背景光相关。
39.可选地，所述多个窗口期间的时间宽度按照背景光触发所述探测 器阵列中的工作像素单元的概率阈值配置。
40.可选地，其特征在于，所述多个窗口期间的时间宽度与距离相关， 且至少部分时间宽度不相等。
41.可选地，其特征在于，所述多个窗口期间的时间宽度按照至少如下 之一的方式配置：
42.预设固定值或函数关系、表格关系对应时间固定校正，开机标定， 自适应调整。
43.本技术的有益效果是：
44.本技术实施例提供的一种探测装置及方法，该探测装置包括：包 括：脉冲光源，被配置为发射脉冲光信号；探测器阵列，包含多个像 素单元，所述像素单元至少部分为工作单元，其响应于多个窗口期间 入射在其上的背景光和/或信号光光子而获得激发信息；处理模块， 依据所述工作单元的激发信息，获取时间范围信息；所述探测器阵列 的像素单元至少部分的工作单元，还响应于依据所述处理模块获得的 时间范围信息相关的多个窗口期间，入射在其上的背景光和/或信号 光光子而获得激发信息；所述处理模块依据时间范围信息相关的多个 窗口期间激发信息，获取最终的目标探测信息。如此，实现在多个窗 口期间获取时间范围信息的时候不使用tdc,其计算强度和/或功率 消耗比某些常规方法少。另外在时间范围信息相关的多个窗口期间获 取目标探测信息的时候又使用了tdc保证了探测的精度。
附图说明
45.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中 所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申 请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通 技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他相关的附图。
46.图1为本技术实施例提供的一种探测装置的功能模块示意图；
47.图2为本技术实施例提供的一种分区发射的示意图；
48.图3为本技术实施例提供的一种发射区域的示意图；
49.图4为本技术实施例提供的另一种发射区域的示意图；
50.图5为本技术实施例提供的又一种发射区域的示意图；
51.图6为本技术实施例提供的另一种分区发射的示意图；
52.图7为本技术实施例提供的一种探测方法的流程示意图；
[0053][0054]
具体实施方式
[0055]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是 全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件 可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0056]
因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨 在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施 例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性 劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0057]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此， 一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行 进一步定义和解释。
[0058]
图1为本技术实施例提供的一种探测装置的功能模块示意图。如 图1所示，该探测装置包括：脉冲光源101、待测物102、探测器阵 列103以及处理模块104。
[0059]
其中，脉冲光源101，用于发射探测脉冲到待测物102，待测物 102反射部分的脉冲光源至探测器阵列103。探测阵列103可以是 spad阵列，探测阵列103接收到反射回来的光子，当反射回来的光 子撞击高电场区域而光电产生引起sapd的雪崩。spad阵列的每个 像元在一定的窗口检测期间，检测到达光子引起的雪崩时间，当在某 个检测窗口时间段内检测到了光子引起的雪崩就认为检测到了事件， 并标记在该检测窗口期检测到事件。标记方式可以是累积加1或者其 他的标识本发明的实施列中不做限制。
[0060]
处理模块103根据统计到的各个检测窗口期间标识出的检测事 件，就可以确定出反射的光子是在哪个检测窗口期间。确定了反射光 子的到达时间范围可以在该时间范围内进一步对发射光子到达时间 进行检测。在进一步检测反射光子到达时间的时候可以使用tdc模 块。tdc模块根据反射光子的到达时间生成时间码，处理模块可以 根据所述时间码生成直方图，最终根据直方图获得反射光子到达的精 确时间。
[0061]
获得反射光子的到达时间后就可以根据光子的到达时间检测出 待测物的距离。距离d可由下式计算出：
[0062]
d＝c
·
t/2
ꢀꢀ
(1)
[0063]
其中，c为光速。
[0064]
图2为本技术实施例提供的一种检测光子的时序示意图。如图2 所示，脉冲光源发射脉冲201，探测阵列中的202spad1，204spad2，206spad3，分别为探测器阵列中的spad单元用来检测201发射脉 冲经待测物反射回来的光子，与202，204，206分别对应的检测时间 段分别为203，205，207。其中203，205，207中的检测窗口对应的 时间宽度是相同的。当检测到光子触发的spad雪崩事件时，标识为 1。在本是实施列中检测到的触发事件并不完全是由反射回来的光子 触发的，当环境光比较强的情况下有些触发事件是由环境光触发的。 但
是所选择的检测窗口的时间段必须保证有些触发事件是由反射回 来的光子触发的，而不能全部由环境光触发，如果全部由环境光触发 那么将不能检测到反射回来的光子。一般在工程实践中由环境光引起 的事件触发不能超过70％的概率。检测事件的统计208统计每个检测 窗口检测到的触发事件，包括最多检测事件的检测窗口被认为是反射 光子到达的时间段。例如检测窗口的时间段为1ns，那么就可以确定 反射光子是在第几个1ns到达探测器阵列的。在本实施列中检测事件 统计208是基于一次探测统计的，在其他实施列中也可以基于多次的 探测来统计。本实施列对此不做限制。在本实施例中检测事件统计 208是基于202，204，206的探测结果一起统计的。在其他实施例中 202，204，206可以分别统计本身的检测事件，根据多个探测结果分 别统计得到多个时间段，提高探测分辨率。本发明对此不作限制。如 图2所示，检测窗口a被确定为反射光子到达的时间范围。在本实 施列中检测事件的统计208是基于一次探测统计的，在其他实施列中 也可以基于多次的探测来统计。本实施列对此不做限制。确定了a 后，脉冲光源会继续发射探测脉冲209，探测脉冲201和探测脉冲209 可以是相同的脉冲，也可以是脉宽和/或频率不同的脉冲。a范围可 以继续划分多个探测窗口如图2中的210所示。在210中继续检测反 射光子的到达时间，tdc模块根据反射光子的到达时间生成时间码， 处理模块可以根据所述时间码生成直方图，最终根据直方图获得反射 光子到达的精确时间。所绘制的直方图如图6所示，，其中δt指的 是探测窗口的宽度，t1、t2分别指直方图绘制的起始与终止时刻， [t1、t2]是该直方图的时间区间，t＝t2-t1指的是总的时间宽度， 时间单元δt的纵坐标即是相应探测窗口内所收到的光子计数值，基 于该直方图可以利用最高峰值法等方法确定脉冲波形的位置，并得到 相应的飞行时间t。
[0065]
图3为本技术实施例提供的另一种检测光子的时序示意图。 如图3所示，脉冲光源发射脉冲301，探测阵列中的302spad1， 304spad2，306spad3，分别为探测器阵列中的spad单元用来 检测301发射脉冲经待测物反射回来的光子，与302，304，306 分别对应的检测时间段分别为303，305，307。其中303，305， 307中的检测窗口对应的时间宽度是相同的。当检测到光子触发 的spad雪崩事件时，标识为1。在发射一次探测脉冲301，检测 时间段中的某个检测窗口检测到触发时间后，处于该检测窗口之 后的的检测窗口就不会的触发时间就不会被标识为1。即整个检 测时间段只能检测到一次的触发事件。
[0066]
在本是实施列中检测到的触发事件并不完全是由反射回来的光 子触发的，当环境光比较强的情况下有些触发事件是由环境光触发 的。但是所选择的检测窗口的时间段必须保证有些触发事件是由反射 回来的光子触发的，而不能全部由环境光触发，如果全部由环境光触 发那么将不能检测到反射回来的光子。一般在工程实践中由环境光引 起的事件触发不能超过70％的概率。检测事件统计308统计每个检测 窗口检测到的触发事件，包括最多检测事件的检测窗口被认为是反射 光子到达的时间段。例如检测窗口的时间段为1ns，那么就可以确定 反射光子是在第几个1ns到达探测器阵列的。在本实施列中检测事件 统计308是基于一次探测统计的，在其他实施列中也可以基于多次的 探测来统计。本实施列对此不做限制。在本实施例中检测事件统计 308是基于302，304，306的探测结果一起统计的。在其他实施例中 302，304，306可以分别统计本身的检测事件，根据多个探测结果分 别统计得到多个时间段，提高探测分辨率。本发明对此不作限制。如 图2所示，检测窗口b被确定为反射光子到达的时间范围。在本实 施列中检测事件的统计308是基于一次探测统计
的，在其他实施列中 也可以基于多次的探测来统计。本实施列对此不做限制。确定了b 后，脉冲光源会继续发射探测脉冲309，探测脉冲301和探测脉冲309 可以是相同的脉冲，也可以是脉宽和/或频率不同的脉冲。b范围可 以继续划分多个探测窗口如图3中的310所示。在310中继续检测反 射光子的到达时间，tdc模块根据反射光子的到达时间生成时间码， 处理模块可以根据所述时间码生成直方图，最终根据直方图获得反射 光子到达的精确时间。所绘制的直方图如图6所示，，其中δt指的 是探测窗口的宽度，t1、t2分别指直方图绘制的起始与终止时刻，[t1、t2]是该直方图的时间区间，t＝t2-t1指的是总的时间宽度， 时间单元δt的纵坐标即是相应探测窗口内所收到的光子计数值，基 于该直方图可以利用最高峰值法等方法确定脉冲波形的位置，并得到 相应的飞行时间t。
[0067]
图4为本技术实施例提供的另一种检测光子的时序示意图。如图 4所示，脉冲光源发射脉冲401，探测阵列中的402spad1，404 spad2，406spad3，分别为探测器阵列中的spad单元用来检测401 发射脉冲经待测物反射回来的光子，与402，404，406分别对应的检 测时间段分别为403，405，407。其中403，405，407中的检测窗口 对应的时间宽度是不同的。设定每个检测窗口的时间宽度可以是预设 固定值或函数关系、表格关系对应时间固定校正，开机标定，或者自 适应调整。当检测到光子触发的spad雪崩事件时，标识为1。在本 是实施列中检测到的触发事件并不完全是由反射回来的光子触发的， 当环境光比较强的情况下有些触发事件是由环境光触发的。但是所选 择的检测窗口的时间段必须保证有些触发事件是由反射回来的光子 触发的，而不能全部由环境光触发，如果全部由环境光触发那么将不 能检测到反射回来的光子。一般在工程实践中由环境光引起的事件触 发不能超过70％的概率。在本实施列中检测事件统计可以是基于一次 探测统计的，在其他实施列中也可以基于多次的探测来统计。本发明 列对此不做限制。在本实施例中检测事件统计可以是基于402，404， 406的探测结果一起统计的。在其他实施例中402，404，406可以分 别统计本身的检测事件，根据多个探测结果分别统计得到多个时间 段，提高探测分辨率。本发明对此不作限制。如图4所示，检测窗口 c被确定为反射光子到达的时间范围。确定了c后，脉冲光源会继续 发射探测脉冲409，探测脉冲401和探测脉冲409可以是相同的脉冲， 也可以是脉宽和/或频率不同的脉冲。c范围可以继续划分多个探测 窗口如图4中的410所示。在410中继续检测反射光子的到达时间， tdc模块根据反射光子的到达时间生成时间码，处理模块可以根据 所述时间码生成直方图，最终根据直方图获得反射光子到达的精确时 间。所绘制的直方图如图6所示，，其中δt指的是探测窗口的宽度， t1、t2分别指直方图绘制的起始与终止时刻，[t1、t2]是该直方图 的时间区间，t＝t2-t1指的是总的时间宽度，时间单元δt的纵坐 标即是相应探测窗口内所收到的光子计数值，基于该直方图可以利用 最高峰值法等方法确定脉冲波形的位置，并得到相应的飞行时间t。
[0068]
图5为本技术实施例提供的另一种检测光子的时序示意图。 如图5所示，脉冲光源发射脉冲501，探测阵列中的502spad1， 504spad2，506spad3，分别为探测器阵列中的spad单元用来 检测501发射脉冲经待测物反射回来的光子，与502，504，506 分别对应的检测时间段分别为503，505，507。其中503，505， 507中的检测窗口对应的时间宽度是不同的。设定每个检测窗口 的时间宽度可以是预设固定值或函数关系、表格关系对应时间固 定校正，开机标定，或者自适应调整。当检测到光子触发的spad 雪崩事件时，标识为1。在发射一次探测脉冲501，检测时间段中 的某个检测窗口检测到触发时间后，处于该检测窗口之后的
的检 测窗口就不会的触发时间就不会被标识为1。即整个检测时间段 只能检测到一次的触发事件。
[0069]
在本是实施列中检测到的触发事件并不完全是由反射回来的 光子触发的，当环境光比较强的情况下有些触发事件是由环境光 触发的。但是所选择的检测窗口的时间段必须保证有些触发事件 是由反射回来的光子触发的，而不能全部由环境光触发，如果全 部由环境光触发那么将不能检测到反射回来的光子。一般在工程 实践中由环境光引起的事件触发不能超过70％的概率。在本实施 列中检测事件统计可以是基于一次探测统计的，在其他实施列中 也可以基于多次的探测来统计。本发明列对此不做限制。在本实 施例中检测事件统计可以是基于502，504，506的探测结果一起 统计的。在其他实施例中502，504，506可以分别统计本身的检 测事件，根据多个探测结果分别统计得到多个时间段，提高探测 分辨率。本发明对此不作限制。如图5所示，检测窗口d被确定 为反射光子到达的时间范围。确定了d后，脉冲光源会继续发射 探测脉冲509，探测脉冲501和探测脉冲509可以是相同的脉冲， 也可以是脉宽和/或频率不同的脉冲。d范围可以继续划分多个探 测窗口如图5中的510所示。在510中继续检测反射光子的到达 时间，tdc模块根据反射光子的到达时间生成时间码，处理模块 可以根据所述时间码生成直方图，最终根据直方图获得反射光子 到达的精确时间。所绘制的直方图如图6所示，，其中δt指的是 探测窗口的宽度，t1、t2分别指直方图绘制的起始与终止时刻，[t1、t2]是该直方图的时间区间，t＝t2-t1指的是总的时间宽度， 时间单元δt的纵坐标即是相应探测窗口内所收到的光子计数 值，基于该直方图可以利用最高峰值法等方法确定脉冲波形的位 置，并得到相应的飞行时间t。
[0070]
图7为本技术实施例提供的一种探测方法的流程示意图。该方法 可以应用于前述的探测装置，该方法基本原理及产生的技术效果与前 述对应的装置实施例相同，为简要描述，本实施例中未提及部分，可 参考装置实施例中的相应内容。如图7所示，该探测方法包括：
[0071]
s101、光源向探测物发射探测脉冲。
[0072]
s102、探测器阵列在多个窗口检测入射的光子。
[0073]
s103、根据统计得到的在多个窗口入射的光子数，获取时间范围 信息。
[0074]
s104、在获取的时间范围信息内的多个窗口检测入射光子。
[0075]
s105、根据获取的时间范围信息内的多个窗口的入射光子获取光 子到达时间。
[0076]
可选地，所述多个窗口期间的时间宽度大于所述时间范围信息相 关的多个窗口期间的时间宽度。
[0077]
可选地，所述时间范围信息内的多个窗口的入射光子获取光子到 达时间可以根据tdc生成的直方图获得。
[0078]
可选地，所述多个探测窗口的时间宽度相同所述多个探测窗口的 时间宽度相同。
[0079]
可选地，所述探测窗口的时间宽度与背景光相关。
[0080]
可选地，所述多个窗口期间的时间宽度按照背景光触发所述探测 器阵列中的工作像素单元的概率阈值配置。
[0081]
可选地，所述多个窗口期间的时间宽度与距离相关，且至少部分 时间宽度不相等。
[0082]
可选地，所述多个窗口期间的时间宽度按照至少如下之一的方式配 置：
[0083]
预设固定值或函数关系、表格关系对应时间固定校正，开机标定， 自适应调整。
[0084]
上述方法应用于前述实施例提供的探测装置，其实现原理和技术 效果类似，在此不再赘述。
[0085]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术 语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不 一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或 者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非 排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设 备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是 还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多 限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括 所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0086]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术， 对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本 申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应 包含在本技术的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面 的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在 随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申 请的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员 来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围 之内。