一种dtof的统计直方图实现装置及激光雷达测距系统的制作方法

1.本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种dtof的统计直方图实现装置及激光雷达测距系统。


背景技术：

2.基于spad tcspc的dtof面阵测距 成像的过程中，需要形成直方图，然后通过信号处理还原飞行时间(tof，time of flight)。当前面阵dtof有四个主要痛点：其一，由于每个pixel都需要存储各自的统计直方图，当面阵分辨率提升时，所需存储空间等比例上升；其二，随着探测距离的提升，在保证精度的情况下，统计直方图的长度也会提升，进一步加剧了存储空间的消耗；其三，由于存储空间的限制，统计直方图的数字增益受限于累计的bit数，尽管通过链路agc增益控制可以达到全链路的高动态，但是这个高动态是基于全回光，在环境光较大的情况下，直方图的数字增益决定了全链路的动态，传统方法只有通过增加每bin累积的比特数来增加动态，进一步恶化了系统对存储空间的需求；其四，由于目前直方图信息包含了目标亮度，距离等有效用户信息，这对隐私安全构成的挑战。
3.现有技术中，针对第一个问题有简单随机延时的实现方法，但是存在一系列的问题，如要求多pixel目标不能在延时后重叠等，这大大限制了其应用场景。针对第二个问题常见的方法是利用dtof的时空稀疏性，采用粗精测量的方式节省存储空间，但一般需要损失一定帧率。针对第三个问题基本没有合适的解决方案，类似的只有修改检测传感器的感光性能，均以损失探测性能为代价下的折中。针对第四个问题基本没有合适的解决方案。
4.因此，在激光测距过程中如何能降低存储空间消耗，同时避免隐私泄露是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种dtof的统计直方图实现装置及激光雷达测距系统，能降低存储空间消耗，避免探测到的隐私信息泄露。其具体方案如下：
6.本技术的第一方面提供了一种dtof的统计直方图实现装置，包括多个时间数字转换器、随机偏移生成器、加法器和直方图模块，其中：
7.每个所述时间数字转换器用于接收与所述时间数字转换器连接的相互之间具有共享关系的不同像素单元的输出光信号，并将所述输出光信号转换为数字信号；其中，所述输出光信号为表征信号发射端至信号接收端之间传输距离的信号；
8.所述随机偏移生成器与所述时间数字转换器连接，用于生成对所述数字信号加密的随机参数；
9.所述加法器分别与所述时间数字转换器和所述随机偏移生成器连接，用于利用所述随机参数对每个所述数字信号进行加密处理，得到相应的加密数据；
10.所述直方图模块，用于通过直方图累积的方式生成与得到的所述加密数据对应的综合直方图，以便根据所述综合直方图确定出不同所述像素单元对应的单个直方图；其中，
直方图为由时间箱及与对应的信号强度构成的包含被测物体距离信息的图形。
11.可选的，所述dtof的统计直方图实现装置，还包括：
12.组合译码器，用于对所述综合直方图进行解码处理，以将所述综合直方图还原为不同所述像素单元对应的所述单个直方图。
13.可选的，所述加法器为模2
n-1的模域加法器；其中，2
n-1为能探测到的最远距离对应的时间箱值，2n为所述存储器的存储空间长度，n为自然数。
14.可选的，每个所述时间数字转换器与一个所述模阈加法器连接。
15.可选的，所述随机偏移生成器每次生成2n-1个所述随机参数；
16.相应的，所述模阈加法器用于将每个所述时间数字转换器转换出的所述数字信号分别与2n-1个所述随机参数进行相加。
17.可选的，所述dtof的统计直方图实现装置，还包括：
18.与所述随机偏移生成器连接的时序控制器，用于对所述随机偏移生成器生成所述随机参数的时机进行控制；其中，所述时序控制器通过软件设置的方式控制。
19.可选的，所述dtof的统计直方图实现装置，还包括：
20.连接所述随机偏移生成器与所述加法器的随机偏移屏蔽器，用于从生成的多个所述随机参数中筛选出一个所述随机参数得到目标随机参数，以基于所述目标随机参数通过所述加法器对经过所述时间数字转换器输出的所述数字信号进行加密处理。
21.可选的，所述dtof的统计直方图实现装置，还包括：
22.与所述随机偏移屏蔽器连接的自动增益控制器，用于通过对所述自动增益控制器进行软件设置的方式对所述随机偏移屏蔽器进行自动增益控制，以控制所述随机偏移屏蔽器筛选出所述目标随机参数的过程。
23.可选的，所述dtof的统计直方图实现装置，还包括：
24.连接所述加法器与所述直方图模块的地址读出电路，用于按照先进先出的方式将所述加法器输出的所述加密数据存储至所述直方图模块。
25.可选的，所述dtof的统计直方图实现装置，还包括：
26.分别与所述随机偏移屏蔽器、所述读出电路及所述直方图模块连接的所述自动非线性增益控制器，用于通过将所述时间数字转换器的触发次数和/或所述存储器的存储过程作为所述自动非线性增益控制器的反馈信号以对所述自动非线性增益控制器进行反馈控制的方式对所述随机偏移屏蔽器进行自动增益控制，以控制所述随机偏移屏蔽器筛选出所述目标随机参数的过程。
27.本技术的第二方面提供了一种激光雷达测距系统，包括激光发射装置、控制模块及前述dtof的统计直方图实现装置，其中：
28.所述激光发射装置，用于向被测物体发射激光束；
29.所述控制模块，用于控制所述dtof的统计直方图实现装置中的像素单元接收所述被测物体反射的激光束，并控制所述dtof的统计直方图实现装置中的时间数字转换器接收与所述时间数字转换器连接的相互之间具有共享关系的不同所述像素单元的与反射的激光束对应的输出光信号；
30.所述dtof的统计直方图实现装置，用于通过生成直方图的方式测量所述被测物体的距离。
31.本技术中dtof的统计直方图实现装置包括多个时间数字转换器、随机偏移生成器、加法器和直方图模块，其中每个所述时间数字转换器用于接收与所述时间数字转换器连接的相互之间具有共享关系的不同像素单元的输出光信号，并将所述输出光信号转换为数字信号；其中，所述输出光信号为表征信号发射端至信号接收端之间传输距离的信号；所述随机偏移生成器与所述时间数字转换器连接，用于生成对所述数字信号加密的随机参数；所述加法器分别与所述时间数字转换器和所述随机偏移生成器连接，用于利用所述随机参数对每个所述数字信号进行加密处理，得到相应的加密数据；所述直方图模块，用于通过直方图累积的方式生成与得到的所述加密数据对应的综合直方图，以便根据所述综合直方图确定出不同所述像素单元对应的单个直方图；其中，直方图为由时间箱及与对应的信号强度构成的包含被测物体距离信息的图形。本技术以共享存储空间进行直方图累积，降低存储空间消耗，满足系统对存储空间需求，同时在随机偏移生成器和加法器的作用下能够有效避免探测到的隐私信息泄露。基于此，本技术还提供了一种激光雷达测距系统，能达到相同的技术效果，在此不再进行赘述。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
33.图1为本技术提供的第一种dtof的统计直方图实现装置结构示意图；
34.图2为本技术提供的一种原始的统计直方图；
35.图3为本技术提供的利用图1架构得到的直方图累积后的单存储器的统计直方图；
36.图4为本技术提供的图3中直方图累积后的单存储器解码后的统计直方图；
37.图5为本技术提供的图2与图3直方图的波形差异；
38.图6为本技术提供的一种具体的dtof的统计直方图实现装置结构示意图；
39.图7为本技术提供的利用图6架构得到的直方图累积后的单存储器的统计直方图；
40.图8为本技术提供的另一种原始的统计直方图；
41.图9为本技术提供的图7中直方图累积后的单存储器解码后的统计直方图；
42.图10为本技术提供的图8与图9直方图的波形差异；
43.图11为本技术提供的一种去除直流分量后的统计直方图；
44.图12为本技术提供的第二种dtof的统计直方图实现装置结构示意图；
45.图13为本技术提供的第三种dtof的统计直方图实现装置结构示意图；
46.图14为本技术提供的一种激光雷达测距系统。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.基于spad tcspc的dtof面阵测距 成像的过程中，存在存储空间损耗严重、隐私泄露风险增加等多个痛点。现有技术中没有合适的解决方案。针对上述技术缺陷，本技术提供一种dtof的统计直方图实现装置及一种激光雷达测距系统，以共享存储空间进行直方图累积，降低存储空间消耗，满足系统对存储空间需求，同时在随机偏移生成器和加法器的作用下能够有效避免探测到的隐私信息泄露。
49.图1为本技术实施例提供的一种dtof的统计直方图实现装置结构示意图。参见图1所示，该dtof的统计直方图实现装置包括多个时间数字转换器、随机偏移生成器、加法器和直方图模块，其中：
50.每个所述时间数字转换器用于接收与所述时间数字转换器连接的相互之间具有共享关系的不同像素单元的输出光信号，并将所述输出光信号转换为数字信号；其中，所述输出光信号为表征信号发射端至信号接收端之间传输距离的信号。
51.本实施例中，所述时间数字转换器也即tdc电路，多个所述像素单元pixel共享一个所述时间数字转换器。tdc电路的输出地址 随机增加或减小了任意值(由时序控制器控制编码产生，理论上无值阈范围，考虑到加法器的设计可以控制其bit数)，多pixel的输出光信号被送到同一存储空间，以实现多个不同pixel的直方图(histgram)在一个存储空间中的累积，即得到综合直方图。
52.在此基础上，本实施例还包括组合译码器，用于对所述综合直方图进行解码处理，以将所述综合直方图还原为不同所述像素单元对应的所述单个直方图。也即，存储空间中的综合直方图经过所述组合译码器的解交织、多级循环卷积解码或者多级维特比解码等输出还原后的多pixel统计直方图。同时将恢复出的多pixel统计直方图输出给测量计算模块以从中提取被测物体的距离、亮度等信息。
53.在第一种具体的实施例中，所述随机偏移生成器与所述时间数字转换器连接，用于生成对所述数字信号加密的随机参数。通过与所述随机偏移生成器连接的时序控制器，对所述随机偏移生成器生成所述随机参数的时机进行控制。其中，所述时序控制器通过软件设置的方式控制。
54.本实施例中，所述加法器分别与所述时间数字转换器和所述随机偏移生成器连接，用于利用所述随机参数对每个所述数字信号进行加密处理，得到相应的加密数据。另外，每个所述时间数字转换器与一个所述模阈加法器连接。所述随机偏移生成器和所述加法器用于对输入数据进行加密处理。具体的，所述加法器可以为模2
n-1的模域加法器。其中，2
n-1为能探测到的最远距离对应的时间箱值，2n为所述存储器的存储空间长度，n为自然数。
55.在此基础上，所述随机偏移生成器每次生成2n-1个所述随机参数，相应的，所述模阈加法器用于将每个所述时间数字转换器转换出的所述数字信号分别与2n-1个所述随机参数进行相加。例如，当所述加法器为模31加法器，也即全距离范围为2
5-1＝31，此时，所述随机偏移生成器生成16个随机参数。依据此关系设置随机参数的数量，可以使解码后的保真度更高。
56.本实施例中，所述加法器通过地址读出电路按照先进先出的方式将所述加法器输出的所述加密数据存储至所述直方图模块。所述地址读出电路可以为fifo电路。所述直方图模块用于通过直方图累积的方式生成与得到的所述加密数据对应的综合直方图，以便根
据所述综合直方图确定出不同所述像素单元对应的单个直方图；其中，直方图为由时间箱及与对应的信号强度构成的包含被测物体距离信息的图形。图2所示为现有方法得到的统计直方图，使用图1架构后直方图累积后的单存储器结果如图3所示，可以看到原始直方图的特征完全被随机化了。将这个加密后的单存储器结果，输出给所述组合译码器，在不适用反馈迭代的情况下解码输出如图4所示，基本看到主要的直方图特征都可以解出。对比原始波形图2和解码波形图4，可以看到有效信息的直方图被低失真还原了，其差异性如图5所示。
57.比如所述数字信号代表地址：bin3，则随机参数包括：2、3、6
…
8等16个数，则bin3 2 6
…
8＝bin38，则对应地找到bin38的地址，如收到光子触发，则bin38内的原数据执行加1的操作。如采用模域加法器，当bin38超过bin31时，会根据模为31的加法规则，将bin38换算成bin7，以减小直方图模块中存储器的存储深度，即存储深度固定在0-bin31，不会因为对bin地址做加法而扩展存储容量。
58.本实施例中，当所述随机偏移生成器为类正交伪随机发生器，一个tdc触发一次同时相加多个随机参数，导致读出电路的吞吐上升了16倍，输出的count数数值变大16倍，这相当于用存储位宽换取了存储深度。
59.在第二种具体的实施例中，所述dtof的统计直方图实现装置还可以包括连接所述随机偏移生成器与所述加法器的随机偏移屏蔽器，用于从生成的多个所述随机参数中筛选出一个所述随机参数得到目标随机参数，以基于所述目标随机参数通过所述加法器对经过所述时间数字转换器输出的所述数字信号进行加密处理。
60.所述随机偏移屏蔽器从一次产生的多个所述随机参数选取一个输出，通过一定的随机选取规则(正交编码)保证每次触发只产生一个所述随机参数且全域随机性存在。这样一来不会增加读出电路吞吐，且大大降低了存储宽度。相对原始数据，其峰均比也大大降低，电路成本、实现成本以及保密性都进一步提升，具体实现架构如图6所示。考虑到要兼容图1架构，可以使用一体的偏移生成电路(包括随机偏移生成器和随机偏移屏蔽器)。通过两重随机后的单存储器结果如图7所示，可以看到原始直方图的特征完全被随机化了，且幅值变小了(对比原统计直方图8的峰值)，存储器的位宽与深度都极大降低了。将这个加密后的单存储器结果，输出给组合译码器，在不适用反馈迭代的情况下解码输出如图9所示，基本看到主要的直方图特征都可以解出。对比原始波形图8和解码波形图9，可以看到有效信息的直方图被低失真还原了，其差异性如图10所示。
61.在第三种具体的实施例中，为了降低接口上数据输出速率，需要直方图输出去除直流分量，也即去除所述加法器输出的所述加密数据中的直流分量，以便所述存储器通过直方图累积的方式生成与去除直流分量后的所述加密数据对应的综合直方图。图11所示为去除直流分量后的输出，对于上述实施例增益压缩比能高达15db。同时可以将全面阵的存储空间进一步混接，随机产生块交织编码，进一步提升加密压缩特性。
62.在第四种具体的实施例中，可以进一步通过软件设置随机偏移屏蔽器的删除性能(或者是随机offset选通器的选通性能)，从而实现动态增益控制。也即增加与所述随机偏移屏蔽器连接的自动增益控制器，用于通过对所述自动增益控制器进行软件设置的方式对所述随机偏移屏蔽器进行自动增益控制，以控制所述随机偏移屏蔽器筛选出所述目标随机参数的过程。由软件控制前一帧的增益情况控制增益，具体如图12所示。对比图3和图7，其
输出直方图的动态相差16倍。
63.在第五种具体的实施例中，所述自动增益控制器改进为自动非线性增益控制器，也即所述自动非线性增益控制器分别与所述随机偏移屏蔽器、所述读出电路及所述直方图模块连接，用于通过将所述时间数字转换器的触发次数和/或所述存储器的存储过程，作为所述自动非线性增益控制器的输入反馈信号，以对所述随机偏移屏蔽器进行自动增益控制，以控制所述随机偏移屏蔽器筛选出所述目标随机参数的过程。
64.通过检测直方图累积的最大值情况，当累积开始时使用1个trig、即多个随机偏移生成器累积，当累积峰值达到一定高度，修改屏蔽器的性能，适当降低同时触发的随机参数个数，当累积峰值过高时，将单trig只产生一个随机参数，直到峰值完全占满存储空间的位宽动态，才需要停止直方图累积。具体框架如图13所示，图中虚线为反馈电路。考虑到有的系统是软件来做直方图累积(目前大部分产品都是硬件实现)，累积的信息无法及时反馈到自动增益控制器，所以图13的架构图中保留了反馈环路，直接通过触发次数进行反馈控制。此外考虑到读出电路的吞吐率，可以由读出电路来控制增益控制器。
65.可见，本技术实施例中dtof的统计直方图实现装置包括多个时间数字转换器、随机偏移生成器、加法器和直方图模块，其中每个所述时间数字转换器用于接收与所述时间数字转换器连接的相互之间具有共享关系的不同像素单元的输出光信号，并将所述输出光信号转换为数字信号；其中，所述输出光信号为表征信号发射端至信号接收端之间传输距离的信号；所述随机偏移生成器与所述时间数字转换器连接，用于生成对所述数字信号加密的随机参数；所述加法器分别与所述时间数字转换器和所述随机偏移生成器连接，用于利用所述随机参数对每个所述数字信号进行加密处理，得到相应的加密数据；所述直方图模块，用于通过直方图累积的方式生成与得到的所述加密数据对应的综合直方图，以便根据所述综合直方图确定出不同所述像素单元对应的单个直方图；其中，直方图为由时间箱及与对应的信号强度构成的包含被测物体距离信息的图形。本技术实施例以共享存储空间进行直方图累积，降低存储空间消耗，满足系统对存储空间需求，同时在随机偏移生成器和加法器的作用下能够有效避免探测到的隐私信息泄露。
66.图14为本技术实施例提供的一种激光雷达测距系统。参见图14所示，该激光雷达测距系统包括激光发射装置110、控制模块120及前述dtof的统计直方图实现装置130，其中：
67.所述激光发射装置110，用于向被测物体140发射激光束；所述控制模块120，用于控制所述dtof的统计直方图实现装置130中的像素单元131接收所述被测物体反射的激光束，并控制所述dtof的统计直方图实现装置中的时间数字转换器132接收与所述时间数字转换器132连接的相互之间具有共享关系的不同所述像素单元131的与反射的激光束对应的输出光信号；所述dtof的统计直方图实现装置130，用于通过生成直方图的方式测量所述被测物体140的距离。
68.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
69.最后，还需要说明的是，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。
70.以上对本发明所提供的dtof的统计直方图实现装置及激光雷达测距系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。