[发明专利]距离确定方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于基于在不同的波长进行的多个相位测量结果来确定距离的方法，从每个相位测量结果表示仅到对应波长的整数倍的距离的方面来看，单独地利用每个相位测量结果是模糊不清的。

背景技术

距离测量设备通常依赖于飞行时间(TOF)测量原理。在这种情形中，通过将调制光发射到目标方向并测量发射光与反射光之间的调制的相移来获得距离(也就是深度)。测量到的相位与测量设备和目标之间的距离成正比，并对调制的波长进行取模。这种关系可以被表示为：

其中，是以弧度为单位的调制相位，d是距离，f是调制频率，并且c是光速。给出调制波长λ为λ＝c/f。在取模函数的第一自变量中的额外因子2(4π而不是2π)是由于光传播了两倍的距离测量设备与目标之间的距离的事实。上面的关系表示出，相位测量结果是模糊的，即，被计算为的距离值d’可能通过之前未知的整数数量的调制波长而与实际距离不同。

距离d_u＝c/(2·f)被称为“不模糊范围”，因为如果事先已知测量的距离小于d_u，则可以对取模函数求逆，得到不模糊距离。然而，如果目标可位于离开目标大于d_u的距离处，则任何相位测量结果都将被包含在区间[0,2π]中，一种说法是测量结果被“包裹”在不模糊范围中。因此，根据模糊的测量结果获取实际距离，或者换句话说，确定整数数量的调制波长来与距离值d’相加以便达到实际距离被称为“相位展开”。

在单频系统中，可用的距离测量范围受到不模糊范围的约束，除非是对进行距离测量时的场景(邻近的像素)的平滑度以及演化的平滑度做出假设。不能在所有的情况中并对所有的应用都做出这样的假设。具体而言，在自适应的驾驶员辅助系统中，这样的假设通常是不被允许的。当操作3DTOF相机或其它距离测量设备时，在采用单个调制频率的时候，可用的不模糊范围可能是不够的。为了克服这个缺点，可以使用n个不同的调制频率来进行对相同距离的n(n>1)次测量。由此可以通过组合不同的测量结果并借助尝试对取模函数求逆找出或估算(在出现测量噪声的情形下)未知距离来扩大可用的距离测量范围。当使用两个频率(n＝2)时，通过对在第一个调制频率和第二个调制频率测量到的相位之间的差进行计算来容易地执行这种组合，但是当使用三个频率或更多个频率，以便在出现噪声的情况下与只使用两个频率相比进一步减小测量误差时，不存在计算相位差那样简单的方法。

2010年10月在中国台湾台北的IEEE/RSJ智能机器人与系统(IROS)国际会议学报上的D.Droeschel、D.Holz和S.Behnke的论文“Multi-frequency Phase Unwrapping for Time-of-Flight Cameras”公开了一种概率性的相位展开方法，其考虑了每个像素的邻近像素。该论文还提到了使用两个调制频率用于检测相位展开的概率。其提出了将从两个测量到的相位获得的两个距离值进行比较。如果这些距离值一致，则距离位于不模糊范围中；如果它们并不一致，则相位的至少其中之一已经被包裹到[0,2π]的区间中，并且不得不将相位展开。

文件DE 100 39 422 C2公开了一种工作在复数个频率上的光电子混合设备(PMD)，用于执行速度和/或距离测量。

美国专利7,791,715 B1涉及一种用于在TOF系统中退模糊(展开)的方法和系统。该系统使用至少两个紧挨着的调制频率f₁和f₂，调制频率f₁和f₂靠近于系统所支持的最大调制频率。距离Z随后被计算为：

其中，是分别在f₁和f₂测量到的相位差，并且其中，Δf＝f₁-f₂。当多于两个的不同频率可用时，将相位测量结果成对地进行组合并应用相同的公式。

然而，从现有技术已知组合复数个频率以实现较大的(组合的)非模糊范围，当开始有测量噪声时，已知的方法具有缺点。此外，执行这些方法所必须的计算工作量对于低成本的实现方式来说可能过于重要。

本发明的目的在于提供一种用于当使用两个或更多个调制频率时估算未知距离的实际上能够实现的方法。可以通过如权利要求1中要求保护的方法来实现这个目的。

发明内容

根据本发明，一种用于确定距离的方法包括：