基于4相位剖面的距离测量方法

段争光

(1.芜湖职业技术学院 光机电一体化应用技术协同创新中心,安徽 芜湖 241002;2.南京大学立体成像实验室,江苏 南京 210093)

1 引 言

随着科技的不断发展,对3D成像显示也有了一定的需求,如尺寸测量、机器安全、汽车防撞系统、无人机地形辅助等在众多领域均有应用需求[1]。在近距离目标的三维信息获取方面,相对于立体视觉、结构光测距,Time-of-flight(TOF)测量技术,由于传感器尺寸小、复杂度低、测量实时性强、分辨率可以达到厘米级等特点,在3D成像应用领域成为低成本的测量设备。为有效说明4相位剖面的距离测量方法,本文针对分辨率为320×240像素的3D TOF芯片epc660的测量原理进行介绍,说明其成像的距离测量原理、像素域成像架构及误差消除、信号同步和测量距离数据的质量判断,并对实际物体进行测量,以便读者更好的理解,促使3D TOF测量技术能在我国快速应用。

2 TOF距离测量原理

TOF距离测量原理是根据光在空气中传播的时间信息,计算成像像素到场景目标的深度信息。TOF成像系统由照明光源(LED、VCSEL、激光二极管)、像素域和控制部分组成。目前TOF测量有直接测量和间接测量两种方法。如图1所示为TOF测量原理框图,实际测量中照明均匀分布在成像像素域周围。根据照明光源发出的调制光信号在空间传输照射到场景目标物后,反射的光信号经成像像素域接收,根据光信号飞行的时间计算物体的距离。

图1 TOF测量原理框图

直接测量法是直接测量光信号的飞行时间,计算场景中物体到成像像素的距离。间接测量法则是计算调制光信号的相位差间接计算光信号的飞行时间而得名。以间接测量法进行说明,发射的光信号作为参考,采样接收光信号计算其相位,得到光信号的飞行时间,从而得到目标物体到3D TOF相机焦距平面的距离DTOF=cτ/2[2]。

调制信号可以表述为正弦函数或余弦函数,以正弦函数表示调制近红外(Near Infrared)发射器的信号为:

sE(t)=AE[1+sin(2πfmt+φm)]

(1)

式中,1表示正弦调制信号的直流分量AE;fm为发射的调制光信号的频率；φm是发射光信号相位。

调制信号经场景目标物体反射后,由于与反射相关的能量吸收、自由路径传输衰减等因素,像素域接收的光信号为:

sR(t)=AR{1+sin[2πfm(t+τ)+φm]}+B

=AR[1+sin(2πfmt+φm+φ)]+B

(2)

其中,AE、AR分别为发射光、接收光幅值,接收光幅值AR也是发射光幅值AE的衰减；τ为信号的飞行时间,对应的相移为φ=2πfmτ,B是日光、照明等背景光干扰和其他造成的接收信号偏置。将光信号的飞行时间τ代入距离公式得:

(3)

3 像素域成像架构

像素域如图2所示,两行、两列构成一个“2×2像素组”,在整个像素域中同时控制具有相同名称的像素。即在测量期间行像素同时控制,在读出期间列像素同时控制。每个像素都有自己的一对存储门SGA(Storage Gate A)和SGB(Storage Gate B)。在积分期间,存储门累积由来自场景物体反射的调制光产生的电荷(e-)。存储门SGA和SGB分别由解调后的信号mga(Modulation Gate A control signal)和mgb(Modulation Gate B control signal)控制。测量完成后,读数阶段开始。存储在存储门SGA和SGB中的电荷作差A-B,使式(2)中偏置AR+B=0,以抑制外来光源的DC或低频信号的环境光。最终被模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)转换成12位数字值与1位饱和标记(saturation,SAT)。12位数字输出值是带符号的值,它显示了两个存储栅极电荷的差异。只有当存储门SGA或SGB中的电荷不饱和时,无SAT信号,12位数字量才有效,否则12位数字量无效。

图2 像素架构和功能框图

对接收光信号选择四个微分截面(differential cross section,DCS)帧进行采样。采样点以发射光信号作为基准,解调信号的采样相位分别选择在90°、180°、270°、360°,并分别与之对应的180°相反的解调信号构成一对,分别控制一个像素中的两存储门。如图2所示,DCS0帧的解调门控制信号mga0和mgb0相位反向。如图3显示了接收交流信号的采样点对应发射交流信号的相位分别为90°、180°、270°和360°,采样的4个帧分别称为DCS0、DCS1、DCS2、DCS3。

图3 接收交流信号的采样点

将采样点的相移代入式(2),可以得到接收光信号

DCS1=ARsin(π+φ)=-ARsinφ

DCS3=ARsin(2π+φ)=ARsinφ

(4)

根据正弦函数的定义,通过运算我们可以得到:

(5)

(6)

使用反正切函数保证相位在(-π,+π)范围内,用于距离计算。而在的实际应用中,式(6)中0°～360°的相移范围对应从0 m到测量的最大距离,也就是光信号在一个调制周期内飞行的距离[3]。当然,也可以测量该距离之外的目标,如飞行时间在第二个调制周期内的目标,只要增加光信号在一个调制周期飞行时间的距离即可。

4 测量信号的同步

发射信号选用近红外线发光二极管(Infrared Emitting Diode,IRED)。调制频率为24 MHz、占空比50 %的方波调制信号,经epc 660输出后通过低通滤波器获得正弦波,在运行期间IRED的峰值电流可达500 mA。如图4所示,调制信号由调制器Modulator发出led_mod信号后,经过内置的延迟锁相环DLL(Delay Locked Loop)电路,通过其内部的可控延迟单元x-Delay后,送入调制驱动单元LED Driver,调制驱动单元输出后再经低通滤波电路驱动外部的IRED去照射场景中的物体,如图4中信号led mod至电阻R3连接点B部分。同时调制器Modulator发出调制信号mga,经过解调器Demodulator后控制像素中的存储门SGA和SGB(SGA,SGB分别由mga,mgb控制),如图4中信号mga至像素区域A点。

到达像素的信号mga(点A)与驱动IRED(点B)反馈的电流信号LEDFB送入延迟锁相环DLL(如图4所示像素区域A点至信号mga_ref,信号LEDFB至信号led fb两部分),通过DLL内的相位检测单元比较两个信号的相位差,调整延迟单元x-Delay,控制IRED驱动信号的相位,使A、B两点信号的相位相同。到达IRED的驱动信号和达到像素点的解调信号的同步,即是保证了发射信号和接收信号的同步,从而最大限度地减少了调制驱动单元LED Driver和外部LED/LD受系统的温度、老化等影响造成的相位稳定性。可见DLL减少了信号相位延迟的长期偏差,因此可以减小测量距离的误差。

图4 简化的硬件框图

图4中从电阻分压器R1、R2之间的连接节点到LEDFB引脚之间反馈的路径延迟无法避免。尽可能将PCB上的电阻分压器靠近LEDFB引脚来减小偏差,同时其他有噪声的电路应远离LEDFB引脚和电阻分压器R1、R2。

5 距离测量结果的质量指标

距离测量时会受到环境光、温度变化的影响,环境光的测量是在灰度模式下进行的。为了实现更精确的环境光补偿,采用无照明的灰度测量捕获背景光水平,即在没有照明光源的情况下,TOF相机对目标环境进行灰度测量,该测量值作为距离计算的质量和校正参数。

DCS数值不仅包含距离信息,还包含接收光信号的质量和有效性。接收信号越好,距离测量越好,越精确。每个像素的距离测量都有其自身的有效性和质量。距离测量数据的主要质量指标是接收的调制光的峰-峰值ATOFsinPP。

(7)

幅度值与距离噪声直接相关,如图5所示可知接收信号的平均幅值ATOF较小时,距离噪声较大[4]。因此把幅度值也作为反馈参数,用于设置下一次测量的积分时间。

图5 距离噪声与无环境光时的平均幅值关系

在正弦调制情况下,噪声影响估计的概率密度函数可以由标准偏差的高斯近似[5]:

(8)

距离噪声的标准偏差σρ确定距离测量的精度,与调制频率fm,接收的调制光幅值A和背景强度等造成的接收信号偏置B直接相关。从式(8)可见,如果接收的调制信号幅值A增加,则距离噪声减小,精度提高。随着接收信号的干扰偏置B增加,则距离噪声也增加,精度会降低。可见随着场景背景红外照明的降低,精度会提高。同时干扰偏置B可能由两个因素增加:接收信号幅值A增加或背景照明增加。如果背景照明增加,则精度变差。考虑到式(8)中B平方根的比例关系,当积分时间变长,接收信号幅值、干扰偏置B增加时,距离的总体精度会提高。

可见,接收信号的幅值越高,距离测量越好,越精确。然而,优良作法是控制积分时间使接收光具有较好的信号强度,应控制积分时间较为理想的是调制光的峰-峰值在200～2000 LSB内。较高的值仅会因较长的积分时间而降低采集速率,并不会显著提高信噪比。

灰度测量时仅读取DCS0,采用单端模式控制调制门A(MGA)。灰度模式不同于差分模式,输出结果虽然是有符号的数值,但仅有正数值有效(噪声除外,系统噪声在0附近且很小)。此时饱和标志位无效。通过DCS0可以计算各像素灰度信号的辐照度EBW[2],与3D TOF距离测量计算的像素调制信号的辐照度ETOF用来判断距离测量的质量指标,即环境光辐照度/调制光辐照度的比率AMR(Ratio of ambient-light/modulated light),并用分贝表示。可靠的距离值其AMR应小于70 dB。

(9)

有效性指标是根据距离噪声来判断测量的数据,有助于检测由于不当的照明(如太多或较少)、不合理的积分时间(如太长或太短)而导致饱和或未照亮的像素。如像素饱和则减小积分时间、降低环境光或同时减小积分时间和降低环境光；若DCSx>2000 LSB时,减小积分时间；若DCSx≤25 LSB时,增加积分时间、增强照明或同时增加积分时间与增强照明；若DCSx满足测量要求,而调制光峰-峰值过高,应减小积分时间或降低照明；若DCSx满足测量要求,而调制光峰-峰值过低,应增加积分时间或增强照明；若环境光辐照度/调制光辐照度的比值AMR过大,则增加积分时间或增强环境光。可见在质量判断时,应根据像素饱和标志、值,噪声水平、调制光峰-峰值和环境光辐照度/调制光辐照度的比值AMR等参数是否满足要求,若不满足要求应根据相应参数进行调整。只有全部满足各参数要求时为有效数据。因此距离测量的有效性和质量参数判断是保证测量数据有效的前提。

6 测量结果

本文针对测量范围内的物体进行拍摄,物体及拍摄图片如图6(a)、(b)所示。在拍摄区域A周围物体的反射率高,辐照度大,造成测量的数字量饱和,而目标物的测量距离可以清晰分辨,如物体区域B中点C在成像区域所在的像素位置为(162,122),距离相机的测量距离DTOFC=93.1 cm,距离噪声σ=0.1 cm。四个微分截面帧(DCS0,DCS1,DCS2,DCS3)读取的距离如图6(c)所示,不同的灰度值代表测量的不同距离数值,其中方形点阵区域为近距离高反射率物体造成测量的距离数字量饱和,对应于距离测量图6(b)中方形点阵区域。

图6 距离测量