CN111795914B - 处理自混合颗粒物传感器的障碍物和传输元件污染物 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及处理自混合颗粒物传感器的障碍物和传输元件污染物。提供了一种便携式电子设备，其可以以颗粒物浓度模式操作，其中该便携式电子设备使用自混合干涉测量传感器从光学谐振腔发射相干光的光束，接收进入所述光学谐振腔的所述光束的反射或反向散射，产生由相干光的所述光束的反射或反向散射产生的自混合信号，以及使用所述自混合信号确定粒子速度和/或颗粒物浓度。该便携式电子设备还可以绝对距离模式操作，其中该便携式电子设备确定使用自混合信号确定的绝对距离是在与相干光的所述光束相关联的颗粒感测体积之外还是之内。如果不是，则该便携式电子设备可确定存在污染物和/或障碍物，这可能导致不准确的粒子速度和/或颗粒物浓度确定。

Description

处理自混合颗粒物传感器的障碍物和传输元件污染物
相关申请的交叉引用
本专利申请是非临时性的，并且根据35U.S.C.§119(e)，要求于2019年4月5日提交的美国临时专利申请62/830,120的权益，该专利的内容据此以引用方式并入，如同在本文完全公开一样。
技术领域
本公开所述的实施方案整体涉及传感器技术。更具体地讲，本发明的实施方案涉及检测和处理自混合颗粒物传感器的障碍物和传输元件污染物。
背景技术
有许多不同种类的电子设备。电子设备的示例包括台式计算设备、膝上型计算设备、移动计算设备、智能电话、平板计算设备、可穿戴设备、电子厨房用具、数字媒体播放器等。此类电子设备可包括按钮、开关、触摸输入表面和/或其他部件。
电子设备越来越多地配备有一个或多个环境传感器和/或其他传感器。此类传感器的示例包括一个或多个压力传感器、温度传感器、湿度传感器、气体传感器和颗粒物传感器。
颗粒物感测和测量可用于环境和/或其他应用，诸如空气质量监测和管理。颗粒物可包含悬浮在空气中的固体粒子和/或液滴的混合物。根据世界卫生组织的资料，颗粒物是世界上最主要的室外空气污染物。颗粒物可具有多种不利的健康影响，例如引起呼吸道和/或心血管刺激和/或疾病，甚至癌症。特别是较小粒子，例如PM10(直径小于约10微米)和/或PM2.5(直径小于约2.5微米)，可深入呼吸系统中，并且甚至可能比较大粒子对人类更有害。
发明内容
本公开涉及波长调制技术，该技术检测可能导致不准确的粒子速度和/或颗粒物浓度估计的污染物和/或障碍物的存在。便携式电子设备可以颗粒物浓度模式操作，其中便携式电子设备使用自混合干涉测量传感器从光学谐振腔发射相干光的光束，接收进入光学谐振腔的光束的反射或反向散射，产生由相干光的光束的反射或反向散射产生的自混合信号，以及使用自混合信号确定粒子速度和/或颗粒物浓度。便携式电子设备还可以绝对距离模式操作，其中便携式电子设备确定使用自混合信号确定的绝对距离是在与相干光的光束相关联的颗粒感测体积之外还是之内。如果确定的绝对距离在颗粒感测体积之外，则便携式电子设备可确定存在污染物和/或障碍物，丢弃和/或重新确定相关的粒子速度和/或颗粒物浓度确定，指示去除污染物和/或障碍物，等待确定粒子速度和/或颗粒物浓度，直至污染物和/或障碍物消失等。因此，不能报告和/或使用不准确的粒子速度和/或颗粒物浓度数据。
在各种实施方案中，感测颗粒物的便携式电子设备包括：至少一种光学透明材料；至少一个光学元件；自混合干涉测量传感器，该自混合干涉测量传感器被配置为通过所述至少一种光学透明材料经由所述至少一个光学元件从光学谐振腔发射相干光的光束以照射对象，接收进入光学谐振腔的光束的反射或反向散射，并产生由相干光在光学谐振腔内的自混合产生的自混合信号；以及处理器。处理器被配置为使用自混合信号来确定粒子速度，使用粒子速度和粒子计数确定颗粒物浓度，使用自混合信号确定与对象的绝对距离，以及通过确定绝对距离是否对应于与相关颗粒物尺寸范围(例如，PM2.5)的相干光的光束相关联的感测体积的内部或外部来确定颗粒物浓度是否准确。
在一些示例中，处理器使用从相干光的第一光束测量的第一自混合信号和从相干光的第二光束测量的第二自混合信号来确定粒子速度。在此类示例的各种具体实施中，处理器使用相干光的第一光束和相干光的第二光束之间的已知角度来确定粒子速度。在多个此类示例中，自混合干涉测量传感器包括第一垂直腔面发射激光器和第二垂直腔面发射激光器，第一垂直腔面发射激光器发射相干光的第一光束，并且第二垂直腔面发射激光器发射相干光的第二光束。在此类示例的一些具体实施中，自混合干涉测量传感器为单个垂直腔面发射激光器，并且所述至少一个光学元件将相干光的光束分成相干光的第一光束和相干光的第二光束。
在各种示例中，所述至少一个光学元件将相干光的光束聚焦在对应于感测体积的位置处。在多个示例中，处理器在确定颗粒物浓度不准确时丢弃颗粒物浓度。
在一些实施方案中，感测颗粒物的便携式电子设备包括自混合干涉测量传感器，该自混合干涉测量传感器被配置为从光学谐振腔发射相干光的光束，接收进入光学谐振腔的光束的反射或反向散射，并产生由相干光在光学谐振腔内的自混合产生的自混合信号；以及处理器。处理器被配置为使用自混合信号来确定与引起相干光的光束的反射或反向散射的对象的绝对距离，并且当绝对距离在预先确定的感测体积内时，使用自混合信号来确定粒子速度。
在一些示例中，便携式电子设备可使用自混合干涉测量传感器每秒(或其他周期性或非周期性间隔)执行绝对距离测量。如果便携式电子设备检测到绝对距离(以足够高的信噪比确定)在预先确定的感测体积之外，则便携式电子设备可丢弃在最后一秒(或其他间隔)期间收集的数据。
在各种示例中，当绝对距离在预先确定的感测体积之外时，处理器等待一段时间，然后确定粒子速度。在多个示例中，处理器确定当绝对距离在预先确定的感测体积之外时无法确定粒子速度。在一些示例中，处理器在绝对距离在预先确定的感测体积之外时进行一系列绝对距离确定，并且等待直到该系列绝对距离确定中的一个在预先确定的感测体积内为止，或者在确定粒子速度之前无法确定。在各种示例中，处理器基于相干光的光束的调制来确定绝对距离。在一些示例中，当绝对距离在预先确定的感测体积之外时，处理器使用自混合信号来确定粒子速度，并发出粒子速度不准确的信号。在各种示例中，自混合干涉测量传感器为与光电检测器光学耦接的至少一个垂直腔面发射激光器。
在多个实施方案中，感测颗粒物的便携式电子设备包括自混合干涉测量传感器，该自混合干涉测量传感器被配置为从光学谐振腔发射相干光的光束，接收进入光学谐振腔的光束的反射或反向散射，并产生由相干光在光学谐振腔内的自混合产生的自混合信号；以及处理器。处理器被配置为通过使用自混合信号确定粒子速度而以颗粒物浓度确定模式操作，并且通过使用自混合信号确定绝对距离而以绝对距离模式操作；当绝对距离小于与相关颗粒物尺寸范围(例如，PM2.5)的相干光的光束相关联的感测体积时，确定在光学透明材料上存在污染物；并且当绝对距离大于相关感测体积时，确定在相干光的光束中存在障碍物。
在一些示例中，绝对距离为第一绝对距离，并且处理器在确定污染物或障碍物之后确定第二绝对距离。在各种示例中，处理器在确定存在污染物之后输出通知以清洁光学透明材料。在此类示例的一些具体实施中，绝对距离为第一绝对距离，处理器确定第二绝对距离，并且当第二绝对距离在感测体积内(如果在测量时存在粒子)或者第二绝对距离的测量不再指示污染物或障碍物的存在(如果在测量时不存在粒子)时，处理器切换到颗粒物浓度确定模式。
例如，处理器可每秒(或其他周期性或非周期性间隔)测量绝对距离。污染物或障碍物可能很慢(以毫秒到秒为单位)。因此，处理器很可能会测量污染物或障碍物(如果存在的话)的绝对距离。当绝对距离的测量指示绝对距离不在感测体积内时，处理器可丢弃在该秒(或其他间隔)中记录的数据。
在多个示例中，处理器在确定障碍物时输出通知以移除障碍物。在各种示例中，处理器在移除障碍物之后切换到颗粒物浓度确定模式。
附图说明
本公开通过下面结合附图的具体描述将更易于理解，其中类似的附图标记表示类似的结构元件。
图1描绘了可检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的示例性电子设备。
图2A描绘了图1的示例性电子设备的局部横截面，示出了沿图1的线A-A截取的示例性颗粒物传感器。
图2B描绘了图2A的具有示例性传输元件污染物的示例性颗粒物传感器。
图2C描绘了图2A的具有示例性障碍物的示例性颗粒物传感器。
图3描绘了可用于实现图1的示例性电子设备的示例性部件之间的示例性功能关系。
图4描绘了用于确定颗粒物浓度的示例性方法的流程图。该示例性方法可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备执行。
图5A描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第一示例性方法的流程图。该示例性方法可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备执行。
图5B描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第二示例性方法的流程图。该示例性方法可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备执行。
图5C描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第三示例性方法的流程图。该示例性方法可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备执行。
图5D描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第四示例性方法的流程图。该示例性方法可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备执行。
图5E描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第五示例性方法的流程图。该示例性方法可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备执行。
图5F描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第六示例性方法的流程图。该示例性方法可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备执行。
图5G描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第七示例性方法的流程图。该示例性方法可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备执行。
图6A描绘了可用于图1至图3的电子设备中的一个或多个颗粒物传感器的垂直腔面发射激光器。
图6B描绘了图6A的垂直腔面发射激光器中的自混合干涉。
图7A描绘了用于测量颗粒物浓度和/或颗粒物的粒子速度的并行自混合感测系统。
图7B描绘了可由图7A的并行自混合感测系统测量的第一自混合信号。
图7C描绘了可由图7A的并行自混合感测系统测量的第二自混合信号。
图8A描绘了在垂直腔面发射激光器中的自混合或相干光反馈，该激光器向运动对象发射相干光并接收来自该运动对象的反射或反向散射的光。
图8B描绘了针对移动对象测量的垂直腔面发射激光器的干涉测量参数的频谱分析的曲线图。
图8C描绘了可用作频谱分析的一部分的激光电流、激光波长和干涉测量参数的信号的时间相关曲线图。
图8D描绘了示出用于确定绝对距离的频谱分析方法的流程图。
图8E描绘了实现用于确定绝对距离的频谱分析方法的系统的框图。
具体实施方式
现在将具体地参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述不旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求书限定的所述实施方案的实质和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。
以下描述包括体现本公开的各种元素的样本系统、方法和计算机程序产品。然而，应当理解，所描述的公开可以除本文所述的那些形式之外的多种形式来实施。
在自混合干涉测量法中，由一个或多个受激发射源(诸如一个或多个激光器或其他相干光源)发射的相干光的一个或多个光束可从对象反射或反向散射，并重新耦合到发射相干光的光源的谐振腔中。这种重新耦合可修改一个或多个干涉测量参数，诸如激光器的谐振腔电场、载流子分布的可测量相敏变化，和/或增益分布和激光阈值的其他变化等，以产生激光结点上的电压(如果激光器是用电流源驱动的)、激光器上的偏置电流(如果激光器是用电压源驱动的)和/或激光器发射的光功率的可测量变化。
自混合干涉仪可用于通过检测气体中散射相干光的粒子来测量颗粒物浓度。使用通过检测由反射或反向散射光的重新耦合引起的干涉测量参数的修改而测量的自混合信号，可检测粒子，并且可使用对应的多普勒频率来确定粒子的速度。可基于粒子速度来确定空气流量，并且可基于粒子计数和空气流量来确定或估计颗粒物浓度。
考虑到颗粒物可以是微观的，PM10(直径小于约10微米)和/或PM2.5(直径小于约2.5微米)，因此从颗粒物反射或反向散射到腔中的光的量可能非常小。为了检测这种反射或反向散射的光，光学元件(诸如折射、衍射、全息或亚波长光束整形光学器件)可用于将发射的相干光聚焦到用作“感测体积”的衍射受限或接近衍射受限的位置。
以此方式确定或估计颗粒物浓度可涉及粒子速度的精确估计。一般来讲，当不使用空气流量控制元件(诸如一个或多个风扇、泵等)时，粒子可自由地在三个维度上移动。因此，可使用多个相干光源和/或相干光束来估计粒子速度。在此类具体实施中，可能需要精确地知道各种光束之间的角度以有利于精确的粒子速度估计。
光束整形光学器件通常可令人满意地执行并产生具有精确控制的角度的紧密聚焦的光束。这可有利于精确的粒子速度估计，从而有利于颗粒物浓度的估计。然而，光束可透射穿过传输元件(诸如一种或多种光学透明材料，如覆盖玻璃、塑料层等)和/或一个或多个光学元件如透镜等。这种光学透明材料上的污染物(诸如水、汗液、皮肤油和/或其他油、指纹、污垢、灰尘、污迹等)可破坏由于折射和散射引起的光束的紧密聚焦。这可导致颗粒物检测的灵敏度大大降低。另外，此类污染可改变光束的方向，从而造成粒子速度估计的不准确性。此类污染可导致高达400％或更高的不准确性。
此外，光束路径中的宏观障碍物(诸如手、脸、墙、桌面等)也可能导致不准确的粒子速度和/或颗粒物浓度估计。这些障碍物可生成自混合干涉测量信号，这些信号可不与由颗粒物生成的自混合干涉测量信号区分开。因此，可估计不准确的粒子速度和/或颗粒物浓度。
以下公开涉及波长调制技术，该技术检测可能导致不准确的粒子速度和/或颗粒物浓度估计的污染物和/或障碍物的存在。便携式电子设备可以颗粒物浓度模式操作，其中便携式电子设备使用自混合干涉测量传感器从光学谐振腔发射相干光的光束，接收进入光学谐振腔的光束的反射或反向散射，产生由相干光的光束的反射或反向散射产生的自混合信号(或干涉信号)，以及使用自混合信号确定粒子速度和/或颗粒物浓度。便携式电子设备还可以绝对距离模式操作，其中便携式电子设备确定使用自混合信号确定的绝对距离是在与相干光的光束相关联的颗粒感测体积之外还是之内。如果确定的绝对距离在颗粒感测体积之外，则便携式电子设备可确定存在污染物和/或障碍物，丢弃和/或重新确定相关的粒子速度和/或颗粒物浓度确定，指示去除污染物和/或障碍物，等待确定粒子速度和/或颗粒物浓度，直至污染物和/或障碍物消失等。因此，不能报告和/或使用不准确的粒子速度和/或颗粒物浓度数据。
下面参考图1至图8E来讨论这些和其他实施方案。然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的。
图1描绘了可检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的示例性电子设备100。电子设备100包括覆盖玻璃101和/或其他传输元件，与一个或多个自混合颗粒物传感器相关的一个或多个相干光束和/或这种相干光束的反射或反向散射可通过该覆盖玻璃和/或其他传输元件。
电子设备100被示为便携式电子设备。然而，应当理解，这是示例。在各种具体实施中，在不脱离本公开的范围的情况下，电子设备100可以是任何种类的设备。此类设备的示例可包括移动计算设备、台式计算设备、可穿戴设备、膝上型计算设备、智能电话、平板计算设备、厨房用具、传感器、显示器等。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
图2A描绘了图1的示例性电子设备100的局部横截面，示出了沿图1的线A-A截取的示例性颗粒物传感器210。示例性颗粒物传感器210可包括由垂直腔面发射激光器211(VCSEL)和/或其他光源和光电检测器212(诸如光电二极管和/或其他类型的光电检测器)构造的自混合干涉测量传感器。VCSEL 211和光电检测器212可集成并安装在基板213上。示例性颗粒物传感器210可包括透镜218和/或其他折射、衍射、全息或亚波长光束整形或其他光学元件，以及将透镜218和VCSEL 211相对于覆盖玻璃101定位的外壳221。VCSEL 211可用于发射相干光214的光束(诸如来自光学谐振腔)，该光束作为聚焦光束215穿过透镜218，穿过覆盖玻璃101，聚焦在感测体积216A(或预先确定的感测体积)上。聚焦光束215可具有倾斜角217A。感测体积216A中的粒子220可引起来自聚焦光束215的反射或反向散射光219A。这种反射或反向散射的光219A可行进穿过覆盖玻璃101和/或透镜218到达集成的VCSEL211和光电检测器212(诸如到达光学谐振腔)。由集成VCSEL 211和光电检测器212由于反射或反向散射光219A(诸如在光学谐振腔中)所检测到的自混合信号可用于检测粒子220，估计或确定粒子220的速度，使用粒子速度估计或确定颗粒物浓度等等。
虽然图2A示出和描述了单个VCSEL 211和相干光214的单个光束，但应当理解，为了清楚起见，这是示例。在没有多个光束和/或光源的情况下，可能无法准确地确定或估计多个方向的粒子速度(从而确定或估计颗粒物浓度)。因此，在各种具体实施中，示例性颗粒物传感器210可在不脱离本公开的范围的情况下使用一个或多个其他光束和/或光源。在使用多于一个光束的具体实施中，光束可以正交或非正交方式布置，具体取决于光学设计。
无论如何，覆盖玻璃101上的各种污染物和/或聚焦光束215中的障碍物可干扰粒子速度和/或颗粒物浓度的确定或估计。此类污染物或障碍物可修改感测体积216A，改变倾斜角217A，反射或反向散射聚焦光束215的附加部分等。这些中的一者或多者可导致对粒子速度和/或颗粒物浓度的不准确的确定或估计。
感测体积通常可以非常小，诸如大约0.005立方毫米。如果确定到产生自混合信号的对象的绝对距离在感测体积之外，则可确定污染物或障碍物的存在。
图2B描绘了图2A的具有示例性传输元件污染物230的示例性颗粒物传感器210。在该示例中，污染物230显示为油的球形截面。然而，应当理解，这是示例。污染物可为多种不同的形状、尺寸和材料(诸如水、汗液、皮肤油和/或其他油、指纹、污垢、灰尘、污迹等)。
无论如何，在一些情况下，覆盖玻璃101上污染物230的存在可强烈地改变感测体积216B和/或倾斜角217B。覆盖玻璃101上污染物230的存在还可通过全内反射和/或折射而引起反射或反向散射的光219B进入VCSEL 211的腔中。因此，即使没有要检测的粒子，也可测量自混合信号。因此，污染物230在覆盖玻璃101上的存在可导致粒子的错误检测和/或粒子速度和/或颗粒物浓度的不准确确定或估计。
然而，示例性颗粒物传感器210可以颗粒物浓度确定模式和绝对距离模式使用。示例性颗粒物传感器210可用于在颗粒物浓度确定模式下确定或估计粒子速度和/或颗粒物浓度，以及在绝对距离模式下使用基于波长调制的频域分析技术确定污染物230的存在。示例性颗粒物传感器210和/或相关设备或部件可通知用户关于污染物230的检测(例如指示用户清洁覆盖玻璃101)，丢弃一个或多个确定或估计，以及/或者以其他方式相应地响应。
例如，如果与聚焦光束215相关联的感测体积位于距VCSEL 211 4mm处，并且绝对距离指示绝对距离为1mm，则可确定在覆盖玻璃101上存在污染物。可相应地采取措施。
图2C描绘了图2A的具有示例性障碍物231的示例性颗粒物传感器210。在该示例中，障碍物231显示为手。然而，应当理解，这是示例。障碍物可为多种不同的形状、尺寸和对象(诸如手、脸、墙、桌面等)。
无论如何，在聚焦光束215的路径内存在像障碍物231那样的非静止(即，移动)宏观障碍物可导致产生反射或反向散射光219C，从而生成与感测体积216A内的粒子所生成的信号不可区分的自混合信号。因此，示例性颗粒物传感器210可报告不准确的粒子检测、粒子速度和/或颗粒物浓度估计。
然而，在绝对距离模式下，示例性颗粒物传感器210可确定绝对距离大于感测体积216A(诸如其中与聚焦光束215相关联的感测体积位于距VCSEL 211 1mm的位置，并且绝对距离指示绝对距离为10mm)。因此，可确定障碍物231存在。示例性颗粒物传感器210和/或相关设备或部件可通知用户关于障碍物231的检测(例如指示用户移除障碍物231)，丢弃一个或多个确定或估计，以及/或者以其他方式相应地响应。
图3描绘了可用于实现图1的示例性电子设备100的示例性部件之间的示例性功能关系。电子设备100可包括一个或多个处理器390、一个或多个非暂态存储介质391(其可采取但不限于磁存储介质；光存储介质；磁光存储介质；只读存储器；随机存取存储器；可擦除可编程存储器；闪存存储器；等等的形式)、颗粒物传感器210和/或一个或多个其他传感器、一个或多个输入/输出部件(诸如一个或多个显示器、按钮、触摸屏、触控板、计算机鼠标、跟踪垫、键盘、虚拟键盘、打印机、麦克风、扬声器等等)等等。处理器390可执行存储在非暂态存储介质391中的一个或多个指令以执行各种功能，诸如使用颗粒物传感器210、在颗粒物浓度确定模式下操作、以绝对距离模式操作、使用输入/输出部件392指示用户等。
在多种不同的条件或情况下，处理器390可在颗粒物浓度确定模式和绝对距离模式(和/或其他模式)之间切换。例如，只要颗粒物传感器210输出数据，处理器390便可在以颗粒物浓度模式进行任何确定或估计之前以绝对距离模式操作，以确保在执行任何确定或估计之前它们都将是准确的。作为另一示例，处理器390可在确定或估计粒子速度和/或颗粒物浓度之后从颗粒物浓度模式切换到绝对距离模式，以确保此类确定或估计是准确的。又如，处理器390可在以颗粒物浓度模式运行一段时间后切换到绝对距离模式，例如每秒一次、每分钟一次、每小时一次、每天一次等。在又一个示例中，如果粒子速度和/或颗粒物浓度的确定或估计与先前的确定或估计偏离超过一定量(例如与先前的颗粒物浓度确定或估计相比变化超过2微克/立方米)，则处理器390可切换到绝对距离模式。在其他示例中，处理器390可根据用户和/或其他请求在确定或估计高颗粒物浓度(诸如大于100微克/立方米)和/或发生多种其他条件时切换模式。在其他示例中，因为在移动期间可能会有障碍物，所以处理器390可在检测到电子设备100移动(诸如使用惯性测量单元)时自动测量绝对距离。
图4描绘了用于确定颗粒物浓度的示例性方法400的流程图。示例性方法400可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备100执行。
在410处，电子设备可发射相干光的一个或多个光束。例如，电子设备可使用VCSEL来发射穿过覆盖玻璃的激光束。在420处，电子设备可测量由相干光的一个或多个光束的反射或反向散射所产生的一个或多个自混合信号。例如，电子设备可使用光电检测器(诸如光电二极管和/或其他类型的光电检测器)以响应于反射来测量自混合参数的变化。
在430处，电子设备可对使用自混合信号检测到的粒子进行计数。在440处，电子设备可使用自混合信号在一个或多个方向上确定粒子速度。在450处，电子设备可使用粒子速度重建空气流量。在460处，电子设备可使用粒子计数和空气流量来估计颗粒物浓度。
在转换为颗粒物浓度时，电子设备可假设一定的粒子分布和一定的质量密度。在不进行这些假设的情况下，就不可能实现从粒子计数/体积到粒子质量/体积的转换。
方法400为一个示例。下文更详细地讨论了粒子速度和/或颗粒物浓度的确定和/或估计的示例。
尽管示例性方法400被示出和描述为包括按照特定次序执行的特定操作，但应当理解的是，这是示例。在各种具体实施中，在不脱离本公开的范围的情况下，可实行各种次序的相同、类似和/或不同的操作。
例如，方法400被示出和描述为计数粒子并确定粒子速度和颗粒物浓度。然而，应当理解，这是示例。在一些具体实施中，这些可以是估计，而不是计数和/或确定。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
作为另一个示例，方法400被示出和描述为确定空气流量和颗粒物浓度。然而，在一些具体实施中，可在不确定空气流量和/或颗粒物浓度的情况下确定粒子速度。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
图5A描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第一示例性方法500A的流程图。该示例性方法500A可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备100执行。
在510A处，电子设备可操作。例如，电子设备可导致一个或多个相干光源发射相干光的一个或多个光束。在520A处，电子设备可确定是否检测到来自该一个或多个相干光源的反射或反向散射。例如，电子设备可使用一个或多个光电检测器(诸如一个或多个光电二极管和/或其他类型的光电检测器)来检测在该一个或多个光束的感测体积和/或换句话讲在该一个或多个光束的路径中由一个或多个粒子和/或其他对象产生的反射或反向散射。如果不是，则该流程可返回至510A，其中电子设备可继续操作。否则，该流程可前进至530A。
在530A处，电子设备可确定是以颗粒物浓度模式还是以绝对距离模式操作。如果电子设备确定以颗粒物浓度模式操作，则该流程可前进至540A，其中电子设备可使用反射或反向散射来确定颗粒物浓度。该流程然后可返回至530A，其中电子设备重新确定是以颗粒物浓度模式还是以绝对距离模式操作(诸如切换到绝对距离模式以验证所确定的颗粒物浓度是否准确)。
在550A处，在电子设备确定以绝对距离模式操作之后，电子设备可使用反射或反向散射来确定与引起反射或反向散射的对象的绝对距离。下文将更详细地讨论使用反射或反向散射来确定绝对距离。
该流程随后可前进至560A，其中电子设备可确定该绝对距离是否对应于与一个或多个相干光束相关联的一个或多个感测体积。如果是这样，或者在粒子已经通过感测体积的情况下，如果在预先确定量的时间内未发现光束路径中存在目标，则该流程可前进至540A，其中电子设备可使用反射或反向散射来确定颗粒物浓度。否则，电子设备可确定已发生错误(例如，相干光的一个或多个光束通过其传输的传输元件上的污染物与相干光的一个或多个光束的一条或多条路径中的障碍物的组合，等等)，并且流程可前进至570A，其中电子设备可处理错误(例如丢弃有关反射或反向散射的数据，输出有关一种或多种污染物和/或障碍物的通知，指示用户清洁传输元件，指示用户移除障碍物，等待障碍物被移除等等)。
尽管示例性方法500A被示出和描述为包括按照特定次序执行的特定操作，但应当理解的是，这是示例。在各种具体实施中，在不脱离本公开的范围的情况下，可实行各种次序的相同、类似和/或不同的操作。
例如，方法500A被示出和描述为确定在确定颗粒物浓度之后是以颗粒物浓度模式还是绝对距离模式操作。然而，在一些具体实施中，电子设备可改为在540A之后返回到520A，以便首先确定是否仍检测到反射或反向散射。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
此外，方法500A是事件驱动的方法。另选地，电子设备可尝试以特定间隔测量绝对距离，并确定是否存在与感测体积不对应的任何东西。例如，电子设备可每秒(或其他周期性或非周期性间隔)测量绝对距离。污染物或障碍物可能很慢(以毫秒到秒为单位)。因此，电子设备很可能会测量污染物或障碍物(如果存在的话)的绝对距离。当绝对距离的测量指示绝对距离不在感测体积内时，电子设备可丢弃在该秒(或其他间隔)中记录的数据。
图5B描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第二示例性方法500B的流程图。该示例性方法500B可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备100执行。
在510B处，电子设备可使用自混合信号来确定粒子速度。在520B处，电子设备可确定自混合信号的准确性。当自混合信号由移动通过相关联的感测体积的粒子引起时，自混合信号可为准确的，并且当由移动通过相关联的感测体积的粒子之外的污染物或障碍物引起时，该自混合信号可为不准确的。例如，电子设备可基于到对象的绝对距离和与相干光的光束相关联的感测体积之间的关系来确定自混合信号的准确性，该对象在用于生成自混合信号的相干光的光束中引起反射或反向散射。该流程随后可前进至530B，其中电子设备可确定自混合信号是否准确。例如，如果绝对距离在感测体积内，则电子设备可确定自混合信号是准确的。如果绝对距离在感测体积之外，则电子设备可确定自混合信号是不准确的。
如果自混合信号是准确的，则该流程可前进至540B，其中电子设备可在流程返回到510B之前使用粒子速度(诸如以确定空气流量和/或颗粒物浓度)，并且电子设备确定另一个粒子速度。否则，该流程前进至550B，其中电子设备可在返回至510B并确定另一个粒子速度之前丢弃所确定的粒子速度。
尽管示例性方法500B被示出和描述为包括按照特定次序执行的特定操作，但应当理解的是，这是示例。在各种具体实施中，在不脱离本公开的范围的情况下，可实行各种次序的相同、类似和/或不同的操作。
例如，方法500B被示出和描述为在确定自混合信号的准确性之前确定粒子速度。然而，在其他具体实施中，电子设备可在确定粒子速度之前确定自混合信号的准确性。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
图5C描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第三示例性方法500C的流程图。该示例性方法500C可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备100执行。
在510C处，电子设备可使用自混合信号来确定粒子速度。在520C处，电子设备可确定自电子设备先前确定自混合信号的准确性以来是否经过了一段时间。例如，电子设备可能仅每秒一次、每分钟一次、每小时一次、每天一次等确定准确性。如果该时间段已过去，则该流程可前进至530C，其中电子设备可在流程返回至510C之前使用粒子速度，并且电子设备确定另一粒子速度。否则，该流程随后可前进至540C，其中电子设备可确定自混合信号是否准确。例如，如果在用于生成自混合信号的相干光的光束中引起反射或反向散射的对象的绝对距离在与相干光的光束相关联的颗粒物感测体积内，则电子设备可确定该自混合信号是准确的。
如果该自混合信号是准确的，则该流程可前进至530C，其中电子设备可在流程返回至510C之前使用粒子速度，并且电子设备确定另一粒子速度。否则，该流程前进至550C，其中电子设备可在返回至510C并确定另一个粒子速度之前丢弃所确定的粒子速度。
尽管示例性方法500C被示出和描述为包括按照特定次序执行的特定操作，但应当理解的是，这是示例。在各种具体实施中，在不脱离本公开的范围的情况下，可实行各种次序的相同、类似和/或不同的操作。
例如，方法500C被示出和描述为在经过一定时间段后检查准确性。然而，在其他具体实施中，可在不监测时间段的情况下(诸如连续地、随机地等等)确定这种准确性。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
图5D描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第四示例性方法500D的流程图。该示例性方法500D可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备100执行。
在510D处，电子设备可使用自混合信号来确定颗粒物浓度。在520D处，电子设备可确定该颗粒物浓度和先前颗粒物浓度确定之间的变化是否大于阈值。例如，阈值可为大于0.5微克/立方米的变化。如果该变化小于或等于阈值，则该流程可前进至530D，其中电子设备可在流程返回至510D之前使用粒子速度，并且电子设备确定另一粒子速度。否则，该流程随后可前进至540D，其中电子设备可确定所确定的颗粒物浓度是否准确。例如，如果在用于确定颗粒物浓度的相干光的光束中引起反射或反向散射的对象的绝对距离在与相干光的光束相关联的颗粒感测体积内，则电子设备可确定颗粒物浓度是准确的。
如果颗粒物浓度是准确的，则该流程可前进至530D，其中电子设备可在流程返回至510D之前使用该颗粒物浓度，并且电子设备确定另一颗粒物浓度。否则，该流程前进至550D，其中电子设备可在返回至510D并确定另一颗粒物质浓度之前丢弃所确定的颗粒物浓度。
尽管示例性方法500D被示出和描述为包括按照特定次序执行的特定操作，但应当理解的是，这是示例。在各种具体实施中，在不脱离本公开的范围的情况下，可实行各种次序的相同、类似和/或不同的操作。
例如，方法500D被示出和描述为在由于不准确性而丢弃颗粒物浓度确定之后确定另一颗粒物浓度。然而，在一些具体实施中，电子设备可确定无法确定准确的颗粒物浓度(例如由于尚未清洁的污染物和/或尚未移除的障碍物)，而电子设备可相反地提供无法确定准确的颗粒物浓度的指示。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
图5E描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第五示例性方法500E的流程图。该示例性方法500E可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备100执行。
在510E处，电子设备可检测来自由光束的路径中的对象(诸如粒子)产生的相干光的光束的反射或反向散射。该流程随后可前进至520E，其中电子设备可确定由反射或反向散射生成的自混合信号是否准确。如果使用自混合信号确定的与对象的绝对距离在与光束相关联的颗粒感测体积内，则该自混合信号可为准确的。如果是，则该流程可前进至530E，其中电子设备在该流程返回至510E之前使用自混合信号来确定粒子速度，并且电子设备可检测另外的反射或反向散射。否则，流程可直接前进至510E。
粒子可以非常快地移动。可能无法始终测量它们的绝对距离。有时，可能会遗漏粒子，并且在尝试测量绝对距离时，可能无法检测到对象。在这种情况下，绝对距离测量不指示感测体积之外的目标的事实可足以将测量标记为准确的。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
尽管示例性方法500E被示出和描述为包括按照特定次序执行的特定操作，但应当理解的是，这是示例。在各种具体实施中，在不脱离本公开的范围的情况下，可实行各种次序的相同、类似和/或不同的操作。
例如，方法500E被示出和描述为在510E处检测反射或反向散射。然而，在一些具体实施中，电子设备可改为确定是否检测到反射或反向散射。如果不是，则该流程可等待直到在流程前进至520E之前检测到反射或反向散射。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
图5F描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第六示例性方法500F的流程图。该示例性方法500G可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备100执行。
在510F处，电子设备可确定粒子速度。电子设备可使用来自光束的路径中的粒子所产生的相干光的光束的反射或反向散射来确定一个或多个方向上的粒子速度。该流程随后可前进至520F，在此处电子设备可确定粒子速度是否准确。如果使用反射或反向散射确定的与粒子的绝对距离在与光束相关联的颗粒感测体积内，则粒子速度可为准确的。如果是，则该流程可前进至530F，其中电子设备在流程返回至510F之前使用所确定的粒子速度，并且电子设备可确定另一粒子速度。否则，流程可前进至540F，其中电子设备可等待(例如，持续一段时间，如10毫秒、2秒等)，然后返回至510F并再次尝试确定粒子速度。
尽管示例性方法500F被示出和描述为包括按照特定次序执行的特定操作，但应当理解的是，这是示例。在各种具体实施中，在不脱离本公开的范围的情况下，可实行各种次序的相同、类似和/或不同的操作。
例如，方法500F被示出和描述为在510F处确定粒子速度。然而，在一些具体实施中，电子设备可改为确定是否检测到粒子。如果不是，则该流程可等待直到检测到粒子并且在流程前进至520F之前确定该粒子在一个或多个方向上的速度。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
图5G描绘了示出用于检测和/或处理一个或多个自混合颗粒物传感器的一个或多个障碍物和/或传输元件污染物的第七示例性方法500G的流程图。该示例性方法500G可由电子设备诸如图1至图3中所示的电子设备100执行。
在510G处，电子设备可确定粒子速度。电子设备可使用来自光束的路径中的粒子所产生的相干光的光束的反射或反向散射来确定一个或多个方向上的粒子速度。该流程随后可前进至520G，其中电子设备可确定与粒子和/或引起反射或反向散射的另一对象的绝对距离。该流程随后可前进至530G，其中电子设备可确定绝对距离是小于、等于还是大于与该光束相关联的感测体积。
如果绝对距离小于感测体积，则电子设备可确定除粒子之外的对象正阻挡光束，并且该流程可前进至550G，其中电子设备可输出对象移除通知。该流程随后可返回至510G，其中电子设备确定另一粒子速度。
如果绝对距离大于感测体积，则电子设备可确定覆盖玻璃或其他传输元件上存在污染物，并且该流程可前进至560G，其中电子设备可输出覆盖玻璃清洁通知。该流程随后可返回至510G，其中电子设备确定另一粒子速度。
如果绝对距离等于感测体积，则电子设备可确定粒子速度是准确的。该流程随后可前进至540G，其中电子设备可使用粒子速度来确定颗粒物浓度。
在一些情况下，电子设备可能无法测量任何绝对距离。然而，如果电子设备无法测量绝对距离，则电子设备可确定所确定的粒子速度是准确的。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
尽管示例性方法500G被示出和描述为包括按照特定次序执行的特定操作，但应当理解的是，这是示例。在各种具体实施中，在不脱离本公开的范围的情况下，可实行各种次序的相同、类似和/或不同的操作。
例如，使用在540G处的粒子速度确定颗粒物浓度来示出和描述方法500G。然而，应当理解，这是示例。在一些具体实施中，电子设备可使用粒子速度来确定空气流量而不确定颗粒物浓度。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
现在将更详细地描述使用自混合信号来确定或估计粒子速度、空气流量和/或颗粒物浓度。图6A描绘了可用于图1至图3的电子设备中的一个或多个颗粒物传感器的VCSEL211的示例性结构图。在典型类型的激光器中，输入能量源使得腔内的增益材料发射光。腔两端的反射镜将光反馈回增益材料，以引起光的放大并使光变得相干，并且(大部分)具有单一波长。其中一个反射镜中的孔允许相干光的透射。
在VCSEL 211中，在腔两端上可存在两个反射镜643和641。在腔642内发生激光。在VCSEL 211中，两个反射镜643和641显示为分布式布拉格反射器，它们是具有高折射率和低折射率的交替层。腔642包含增益材料，该增益材料可包括III-V族半导体的多个掺杂层。在一个示例中，增益材料可为AlGaAs、InGaAs和/或GaAs。发射的相干光214可通过VCSEL 211的最上层或表面发射。在一些VCSEL中，相干光通过底层发射。
图6B描绘了图6A的VCSEL 211中的自混合干涉(或者也称为“光反馈”或“反向注入”)。在图6B中，腔642已被重新取向，使得所发射的相干光214从腔642向右发射。腔642具有在制造时建立的固定长度。发射的相干光214远离腔642传播，直到其与目标(诸如粒子或其他对象)相交或撞击。从发射点通过发射相干光214的反射镜641到达目标的距离间隙被称为反馈腔644。反馈腔644(从反射镜641到目标)的长度可为可变的，因为目标可相对于VCSEL 211移动。
发射的相干光214被目标反射或反向散射回到腔642中。反射或反向散射的光219A进入腔642以与初始发射的相干光214相互作用。这产生组合发射的相干光。组合发射的相干光可具有与发射的相干光214在没有反射和自混合干涉的情况下将具有的特性不同的特性(例如，波长或功率)。
图7A至图7C是示出用于测量粒子速度分量和对应的自混合信号的并行自混合感测系统700A的图。并行自混合感测系统700A包括自混合模块701。自混合模块701包括第一光源和检测器单元702、第一光学元件(例如，透镜)706、第二光源和检测器单元704和第二光学元件(例如，透镜)708。第一光源和检测器单元702可为包括第一光源和第一光电检测器的单片集成单元。在一些具体实施中，第一光源是激光源诸如第一VCSEL，并且第一光电检测器是与第一VCSEL单片集成的腔内或腔外光电二极管。类似地，第二光源和检测器单元704可以是单片集成单元，其包括第二光源诸如第二VCSEL和与第二VCSEL类似地集成的第二光电检测器(例如，光电二极管)。
第一VCSEL生成第一光束710，并且第二VCSEL生成第二光束712。中心点，其被定义为在激光束具有最小足迹的横向平面上具有最高辐照度的点，即第一光束710的焦点，其距离第二光束712的中心点为距离Delta_x。当使用两个VCSEL时，距离Delta_x的值可在约15μm至100μm的范围内。然而，在使用单个VCSEL的拉盖尔-高斯光束实现中，Delta_x可在约0.25μm至2.5μm的范围内。焦点区域720包括第一光束710和第二光束712的焦点。在焦点区域720中移动的粒子705可由并行自混合感测系统700A表征。例如，当粒子705穿过第一光束710或第二光束712中的一者时，可使用自混合干涉测量技术根据多普勒频移测量Z方向上相应速度的绝对值(|Vz|)。例如，当粒子705在第一光束710的焦点附近通过时，它可散射第一光束710的一部分，该第一光束的一部分可到达第一VCSEL的谐振腔并与其重新耦合。在这种相干交互作用下，第一光电检测器可检测第一自混合信号并测量与第一信号相关联的第一定时。
当粒子705在焦点区域720中移动时，它可通过第二光束712的焦点附近，并且可散射第二光束712的一部分，该第二光束的一部分可到达第二VCSEL的谐振腔并与其重新耦合。在这种相干交互作用下，第二光电检测器可检测第二自混合信号并测量与第二信号相关联的第二定时。第一定时(T0)和第二定时(T1)之间的时间差Delta_t可用于(例如，由处理器)通过简单地将粒子705在X方向上行进的距离(Delta_x)除以时间差Delta_t来确定粒子705的水平速度分量(Vx)(Vx＝Delta_x/Delta_t)。处理器可以是例如主机设备诸如智能电话或智能手表的处理器。
在一个或多个具体实施中，第一光电检测器和第二光电检测器可与第一VCSEL和第二VCSEL分离，并且被定位在VCSEL的侧面，例如，被实现为芯片上的侧面光电检测器。在这些具体实施中，在具有分束比的单独分束元件上的覆盖玻璃可用于将第一光束710和第二光束712反射到侧面光电检测器，其主要目的是监测反射光的光功率水平。从覆盖玻璃和/或单独分束元件反射的光的功率水平是第一VCSEL和第二VCSEL的光输出功率水平的量度。由粒子705引起的自混合干涉干扰VCSEL的输出功率，因此在相应的光电检测器上产生可测量的信号。
在一些具体实施中，第一光束和第二光束可基于单个激光源(例如，第一VCSEL)来实现。在一些此类具体实施中，单个激光源的单个光束可被转换为具有两个独立波瓣725的高阶拉盖尔-高斯光束。如上所述，波瓣725的每个波瓣可用作第一光束710和第二光束712之一，并且可类似地用于表征粒子705。在该具体实施中，自混合信号可从单个光电检测器读取。
在一个或多个具体实施中，光源和检测器单元702和/或704可以是单片VCSEL光电检测器单元，并且包括顶部分布式布拉格反射器、多量子阱有源区和底部分布式布拉格反射器。底部分布式布拉格反射器可包括腔内光电检测器层。
图7B所示的图700B表示由第一光源和检测器单元702的第一光电检测器记录的第一示例性信号。所记录的第一示例性信号包括背景(例如，噪声)730和第一自混合信号740。第一定时T0是第一自混合信号740的开始时间。另选地，T0可被定义为第一自混合信号740的包络的峰值点。
图7C所示的图700C表示由第二光源和检测器单元704的第二光电检测器记录的第二示例性信号。在这种情况下，所记录的第二示例性信号包括背景(例如，噪声)732和第二自混合信号742。第二定时T1是第二自混合信号742的开始时间。另选地，T1可被定义为自混合信号742的包络的峰值点。如上所述，时间差Delta_t＝T1-T0可用于完全确定粒子705沿着X轴的速度Vx的值。此外，粒子705沿着X轴的运动方向可通过比较T0和T1来确定。
尽管图7A至图7C示出了使用第一光源和第二光源以及检测器单元702、704来检测X平面中的速度，但是应当理解，这是示例。在各种具体实施中，一对或多对附加的光源和检测器单元(和/或使用分束和/或其他多个光束的单个光源和检测器)可垂直于Y平面和/或Z平面中的第一光源和第二光源以及检测器单元702、704定位，以分别检测Y平面和/或Z平面中的速度。在不脱离本公开的范围的情况下，用于测量和确定和/或估计粒子速度的各种配置是可能的并且可以考虑的。
现在将更详细地描述使用自混合信号来确定或估计绝对距离。如先前所讨论，图6B示出了能够自混合干涉的激光器部件的图，该自混合干涉可产生干涉测量参数变化。如先前所讨论，可存在两个反射镜643和641，其将激光材料包封在腔642内。在VCSEL中，反射镜可实现为分布式布拉格反射器。在不存在产生反射的目标的情况下，发射的相干光214将具有波长λ。
在所示的示例中，存在相对于激光器以速度(量值)
Figure BDA0002437820160000222
移动的目标。移动的速度可朝向或远离激光器。目标产生反射或反向散射的光219A，由于由移动产生的多普勒效应，该光具有改变的波长λ+Deltaλ。多普勒引起的波长变化由/>
Figure BDA0002437820160000221
给出。反射或反向散射的光219A在激光器中引起自混合干涉，这可产生与相干光相关联的干涉测量参数的变化。这些变化的干涉测量参数可包括结电压或电流、激光器偏置电流或电源功率或其他干涉测量参数的变化。
使用功率的特定示例，并从上文中回顾，在没有强烈的背反射(例如，没有镜面反射器)的情况下，功率的变化根据Delta_P∝cos(4πL/λ)与光反馈腔644的长度相关，人们看到目标的移动导致光反馈腔644的长度通过发射的相干光214的多个波长变化。目标的正弦运动在图8A的相关曲线图820顶部的曲线822中示出。该运动使得功率的变化具有在相关曲线图820的下部中所示的主要正弦曲线824a-c。目标的运动在时间826a和826b处反转方向。在强烈的背反射的情况下，用于功率变化的功能形式具有进一步的谐波并且具有指示目标运动方向的扭曲余弦形状。然后将相应地改变正弦曲线824a-c。
因为目标的移动导致光反馈腔长度通过发射的相干光的多个波长而变化，所以正弦功率信号(或另一个干涉测量参数的等效正弦信号)能够进行频谱分析，诸如通过快速傅里叶变换(FFT)。图8A的底部曲线图830示出了来自这种频谱分析的振幅(或“量值”)曲线。可根据在时间0和时间826a之间包含的采样时间间隔内获取的样本计算光谱，在该采样时间间隔期间，目标相对于激光器沿单个方向移动。
在一些实施方案中，频谱分析可使用128或256个样本的样本大小。频谱分析还可将滤波器(诸如三角形滤波器、升余弦滤波器等)应用于正被测量的干涉测量参数的信号的样本(诸如电源或其中的变化，或结电压或电流，或激光器偏置电流等)。
图8A示出了其中有三个显著分量的量值或振幅谱的曲线图830。存在DC分量832，其反映了这样一个事实，即干涉测量参数的信号通常具有稳态值，信号围绕该稳态值正弦地振荡。然后，存在与干涉测量参数的正弦信号的主要或主频率fB相关联的第一谐波频率或基频拍频834。可以看出，在一些配置中fB＝c×(Delta_λ/λ2)，其中Deltaλ是由于目标运动引起的波长的多普勒频移，并且由
Figure BDA0002437820160000231
给出。在腔内有足够的背反射的情况下，信号很少是纯正弦波，因此振幅谱也可显示频率为2×fB的二次谐波频率分量和频率为3×fB的三次谐波频率分量。较高的谐波频率分量可能存在，但通常被减小。根据测量的基频拍频fB可用于计算Detlaλ，由其可计算/>
Figure BDA0002437820160000233
表1给出了在特定环境、折射率和光束角度下，对于在没有光反馈的情况下波长为940nm的未混合发射光的激光器，与目标相对于和fB的速度相关的值的示例：
表1
Figure BDA0002437820160000232
图8B示出了在一个实施方案中从结电压信号的频谱分析获得的第一组合量值和相位曲线图840。组合量值和相位曲线图840的顶部显示FFT的量值，而曲线图840的底部显示相位。在曲线图840中，目标相对于激光器沿第一方向移动。目标的移动产生主要但非理想的正弦形式，使得存在不止一个谐波，如组合量值和相位曲线图840顶部的振幅曲线所示。图8B还示出了在相同条件下获得的第二组合量值和相位曲线图850，不同的是目标沿相反方向(以相同速度)移动。
二次谐波频率处的相移可用于确定运动的方向。曲线图840的相位曲线中所示的特定示例来自对由目标在相对于激光器沿第一方向移动感应的电压信号执行的频谱分析。该方向通过下式计算获得：2×相位{基本谐波}-相位{二次谐波}。
当该值大于零时，目标朝着激光器移动，而当该值小于零时，目标远离激光器移动。接下来，曲线图850的相位曲线中所示的特定示例来自对由目标在相对于激光器沿与第一方向相反的方向移动感应的电压信号执行的示例性频谱分析。在这种情况下，上述数量的计算将小于零。
图8C示出了与激光电流862(也称为调制电流)相关的时间相关曲线图860，该激光电流具有所得的激光波长864和所测量的干涉测量性质的所得信号866。通过用调制电流诸如激光电流862驱动激光器，所产生的相干光具有根据三角波类似地变化的激光波长864。自混合干涉使得干涉测量参数的信号866具有施加在三角波上的正弦曲线(或失真的正弦曲线)形式。对三角波施加调制电流862的一种用途是允许在三角波862的上升区段和下降区段的时间间隔期间对采集的样本进行单独的频谱分析(例如，FFT，如参考图8D所解释的)。尽管针对激光电流862的三角波形示出了曲线图860，但一些实施方案可针对激光器使用其他交替上升和下降的调制电流。而且，尽管激光电流862被示出为具有相等的上升和下降时间间隔，但是在一些实施方案中，这些时间间隔可具有不同的持续时间。
图8D和图8E分别示出了用于实现频谱分析过程的方法870的流程图和系统890的框图，该频谱分析过程可用作确定和/或估计绝对距离的一部分。方法870和系统890可驱动或调制具有调制电流862的激光器，诸如一个或多个VCSEL。方法870和系统890还可分析与干涉测量参数相关的信号866。出于解释的目的，在图8D和图8E的实施方案中，将假设调制电流862具有三角波形。本领域的技术人员将认识到可如何使用另选的调制电流波形来实现方法870和系统890。频谱分析方法870同时分析调制电流862和干涉测量参数的信号866。在相应的接收电路处接收干涉测量参数的调制电流862和信号866。此类接收电路可以是图8E所示和下文所述的系统的一个或多个块，或者可以是一个或多个专用处理单元，诸如图形处理单元、ASIC或FPGA，或者可以是编程的微型计算机、微控制器或微处理器。该方法的各个阶段可通过分离的此类处理单元来执行，或者所有阶段通过一个(一组)处理单元来执行。
在方法870的初始阶段872，诸如通过数字或模拟信号发生器来生成初始信号。在阶段876a，根据需要处理所生成的初始信号，以产生施加到VCSEL的三角波形调制电流862。根据需要，阶段876a可以是数模转换(DAC)(例如，当初始信号是数字阶跃发生器的输出时)、低通滤波(诸如从DAC去除量化噪声)以及电压-电流转换的操作。
将调制电流862施加到VCSEL会感应出干涉测量性质的信号866。为了简化讨论，将假设干涉测量性质的信号866来自光电检测器，但在其他实施方案中，它可以是来自另一部件的干涉测量性质的另一信号。在方法870的初始阶段874，接收信号866。在阶段876b，根据需要执行信号866的初始处理。阶段876b可以是高通滤波或数字减法。
在阶段878，如果需要，处理单元可均衡所接收的信号，以便匹配它们的峰-峰值、平均值、均方根值或任何其他特征值。例如，信号866可以是与调制电流862匹配的主要三角波形分量，该信号由于干涉测量性质的变化而具有更小和更高的频率分量。高通滤波可应用于信号866以获得与干涉测量性质相关的分量信号。该阶段还可包括分离和/或减去信号866和调制电流862的与调制电流862的上升和下降时间间隔对应的部分。该阶段可包括对分离的信息进行采样。
在阶段880和882，首先对处理信号866的与上升和下降时间间隔对应的部分执行单独的FFT。然后分析两个FFT频谱。
在阶段884，可应用FFT频谱的进一步处理，例如去除伪像并减少噪声。这种进一步的处理可包括加窗、峰值检测和在检测到的峰值周围的高斯拟合，以提高频率精度。根据处理的FFT光谱数据，可在阶段886获得关于绝对距离的信息。
图8E示出了可实现在方法870中刚刚描述的频谱分析的系统890的框图。在所示的示例性系统890中，系统890包括生成初始数字信号并根据需要对其进行处理，以产生调制电流862作为VCSEL 893的输入。在例示性示例中，初始阶跃信号可由数字发生器产生以近似三角函数。数字发生器的数字输出值用于数模(DAC)转换器892a中。然后可通过低通滤波器892b对所得电压信号进行滤波以去除量化噪声。另选地，基于积分器的模拟信号发生器可用于直接生成等效电压信号。然后，滤波后的电压信号是电压-电流转换器892c的输入，以产生某种形式的期望调制电流862，以输入到VCSEL 893。
如上所述，目标的移动可引起干涉测量参数的变化，诸如VCSEL 893的参数或在该系统中工作的光电检测器的参数。可测量这些变化以产生信号866。在所示的实施方案中，将假设信号866由光电检测器测量。对于具有三角波形的调制电流862，信号866可为和与干涉测量性质相关的较小和较高频率信号组合的相似周期的三角波。
信号866首先传递到高通滤波器895a，该高通滤波器可有效地将信号866的主要上升和下降斜坡分量转换为DC偏移。由于来自光电检测器(或其他实施方案中的VCSEL)的信号866通常可为电流信号，因此互阻抗放大器895b可产生对应的电压输出(有或没有放大)，以用于进一步处理。
然后可通过模数转换(ADC)块895c对电压输出进行采样和量化。在立即将数字FFT应用于ADC块895c的输出之前，应用均衡可能会有所帮助。来自用于产生调制电流862的数字发生器的初始数字信号值用作数字高通滤波器894a的输入，以产生与ADC块895c的输出相关联的数字信号。数字可变增益块894b可将可调节增益应用于数字高通滤波器894a的输出。
数字可变增益块894b的输出用作数字均衡器和减法器块896的一个输入。数字均衡器和减法器块896的另一个输入是ADC块895c的输出。这两种信号是差分的，并且用作反馈的一部分以调节由数字可变增益块894b提供的增益。
均衡和减法可用于从三角形中清除信号866中可能存在的任何剩余伪影。例如，如果信号866中存在斜率误差或非线性，则数字高通滤波器894a可能不会完全消除三角形，并且伪影可能仍然存在。在这种情况下，这些伪影可能在FFT之后显示为低频分量，从而使得峰值检测变得困难。应用均衡和减法可完全消除这些伪影。
一旦通过反馈获得了最佳相关性，就可将块897所示的FFT应用于与三角波的上升侧和下降侧对应的ADC块895c的输出的分量。根据所获得的FFT频谱，可使用在上升侧和下降侧上检测到的峰值频率来推断绝对距离和/或方向速度，如上文所述并由框898指示。
刚刚描述的方法870及其变型包括将光谱分析应用于干涉测量参数的信号的正弦曲线(或失真正弦曲线)。然而，应当理解，这是示例。在其他具体实施中，用于确定绝对距离的另选方法可直接从干涉测量参数的时域信号获得，而不应用频谱分析。在不脱离本公开的范围的情况下，各种配置是可能的和预期的。
在各种具体实施中，感测颗粒物的便携式电子设备可包括：至少一种光学透明材料；至少一个光学元件；自混合干涉测量传感器，该自混合干涉测量传感器被配置为通过所述至少一种光学透明材料经由所述至少一个光学元件从光学谐振腔发射相干光的光束以照射对象，接收进入光学谐振腔的光束的反射或反向散射，并产生由相干光在光学谐振腔内的自混合产生的自混合信号；以及处理器。处理器可被配置为使用自混合信号来确定粒子速度，使用粒子速度和粒子计数确定颗粒物浓度，使用自混合信号确定与对象的绝对距离，以及通过确定绝对距离是否对应于与相干光的光束相关联的颗粒物感测体积的内部或外部来确定颗粒物浓度是否准确。
在一些示例中，处理器可使用从相干光的第一光束测量的第一自混合信号和从相干光的第二光束测量的第二自混合信号来确定粒子速度。在各种此类示例中，处理器可使用相干光的第一光束和相干光的第二光束之间的已知角度来确定粒子速度。在多个此类示例中，自混合干涉测量传感器可包括第一垂直腔面发射激光器和第二垂直腔面发射激光器，第一垂直腔面发射激光器可发射相干光的第一光束，并且第二垂直腔面发射激光器可发射相干光的第二光束。在一些此类示例中，自混合干涉测量传感器可为单个垂直腔面发射激光器，并且所述至少一个光学元件可将相干光的光束分成相干光的第一光束和相干光的第二光束。
在各种示例中，所述至少一个光学元件可将相干光的光束聚焦在对应于感测体积的位置处。在多个示例中，处理器可在确定颗粒物浓度不准确时丢弃颗粒物浓度。
在一些具体实施中，感测颗粒物的便携式电子设备可包括自混合干涉测量传感器，该自混合干涉测量传感器被配置为从光学谐振腔发射相干光的光束，接收进入光学谐振腔的光束的反射或反向散射，并产生由相干光在光学谐振腔内的自混合产生的自混合信号；以及处理器。处理器可被配置为使用自混合信号来确定与引起相干光的光束的反射或反向散射的对象的绝对距离，并且当绝对距离在预先确定的感测体积内时，使用自混合信号来确定粒子速度。
在各种示例中，当绝对距离在预先确定的感测体积之外时，处理器可等待一段时间，然后确定粒子速度。在多个示例中，处理器可确定当绝对距离在预先确定的感测体积之外时不能确定粒子速度。在一些示例中，处理器可在绝对距离在预先确定的感测体积之外时进行一系列绝对距离确定，并且等待直到该系列绝对距离确定中的一个在预先确定的感测体积内为止，或者在确定粒子速度之前无法确定。在各种示例中，处理器可基于相干光的光束的调制来确定绝对距离。在一些示例中，当绝对距离在预先确定的感测体积之外时，处理器可使用自混合信号来确定粒子速度，并发出粒子速度不准确的信号。在各种示例中，自混合干涉测量传感器可为与光电检测器光学耦接的至少一个垂直腔面发射激光器。
在多个具体实施中，感测颗粒物的便携式电子设备可包括自混合干涉测量传感器，该自混合干涉测量传感器被配置为从光学谐振腔发射相干光的光束，接收进入光学谐振腔的光束的反射或反向散射，并产生由相干光在光学谐振腔内的自混合产生的自混合信号；以及处理器。处理器可被配置为通过使用自混合信号确定粒子速度而以颗粒物浓度确定模式操作，并且通过使用自混合信号确定绝对距离而以绝对距离模式操作；当绝对距离小于与相干光的光束相关联的感测体积时，确定在光学透明材料上存在污染物；并且当绝对距离大于感测体积时，确定在相干光的光束中存在障碍物。
在一些示例中，绝对距离可为第一绝对距离，并且处理器可在确定污染物或障碍物之后确定第二绝对距离。在各种示例中，处理器可在确定存在污染物之后输出通知以清洁光学透明材料。在一些此类示例中，绝对距离可为第一绝对距离，处理器可确定第二绝对距离，并且当第二绝对距离在感测体积内时，处理器可切换到颗粒物浓度确定模式。
在多个示例中，处理器可在确定障碍物时输出通知以移除障碍物。在各种示例中，处理器可在移除障碍物之后切换到颗粒物浓度确定模式。
如上所述并且在附图中示出，本公开涉及波长调制技术，该技术检测可能导致不准确的粒子速度和/或颗粒物浓度估计的污染物和/或障碍物的存在。便携式电子设备可以颗粒物浓度模式操作，其中便携式电子设备使用至少一种光源发射相干光的至少一个光束，使用至少一个检测器来测量由相干光的光束的反射或反向散射所产生的自混合信号，并且使用自混合信号来确定粒子速度和/或颗粒物浓度。便携式电子设备还可以绝对距离模式操作，其中便携式电子设备确定使用自混合信号确定的绝对距离是在与相干光的光束相关联的颗粒感测体积之外还是之内。如果确定的绝对距离在颗粒感测体积之外，则便携式电子设备可确定存在污染物和/或障碍物，丢弃和/或重新确定相关的粒子速度和/或颗粒物浓度确定，指示去除污染物和/或障碍物，等待确定粒子速度和/或颗粒物浓度，直至污染物和/或障碍物消失等。因此，不能报告和/或使用不准确的粒子速度和/或颗粒物浓度数据。
在本公开中，所公开的方法可实施为由设备可读的指令集或软件。另外，应当理解，所公开的方法中的步骤的具体次序或分级结构为样本方法的实施例。在其他实施方案中，当被保留在所公开的主题内时，可重新布置方法中的步骤的具体次序或分级结构。所附方法权利要求呈现样本次序中的各种步骤的元素，并且并不一定意味着限于所呈现的具体次序或分级结构。
所描述的本公开可被提供作为可包括在其上存储有指令的非暂态机器可读介质的计算机程序产品或软件，该非暂态机器可读介质可用于对计算机系统(或其他电子设备)进行编程以根据本公开来执行过程。非暂态机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式(例如，软件、处理应用程序)存储信息的任何机构。非暂态机器可读介质可采取但不限于如下形式：磁存储介质(例如软盘、盒式录像带等)；光学存储介质(例如CD-ROM)；磁光存储介质；只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；可擦除可编程存储器(例如EPROM和EEPROM)；闪存存储器；等等。
为了说明的目的，前述描述使用具体命名以提供对所述实施方案的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，不需要具体细节即可实践所述实施方案。因此，出于例示和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。这些描述并非旨在是穷举性的或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，鉴于上面的教导内容，许多修改和变型是可行的。

Claims (20)

1.一种感测颗粒物的便携式电子设备，包括：
至少一种光学透明材料；
至少一个光学元件；
自混合干涉测量传感器，所述自混合干涉测量传感器被配置为通过所述至少一种光学透明材料经由所述至少一个光学元件从光学谐振腔发射相干光的光束以照射对象，接收进入所述光学谐振腔的光束的反射或反向散射，并产生由所述相干光在所述光学谐振腔内的自混合产生的自混合信号；以及
处理器，所述处理器被配置为：
通过以下方式以绝对距离模式操作：
使用所述自混合信号确定至所述对象的绝对距离；以及
在确定所述绝对距离对应于与所述相干光的光束相关联的感测体积之内的区域时，切换到颗粒物浓度确定模式；以及
通过以下方式以所述颗粒物浓度确定模式操作：
使用所述自混合信号确定粒子速度；以及
使用所述粒子速度和粒子计数确定颗粒物浓度。
2.根据权利要求1所述的便携式电子设备，其中所述处理器使用以下信号来确定所述粒子速度：
从相干光的第一光束测量的第一自混合信号；以及
从相干光的第二光束测量的第二自混合信号。
3.根据权利要求2所述的便携式电子设备，其中所述处理器使用相干光的所述第一光束和相干光的所述第二光束之间的已知角度来确定所述粒子速度。
4.根据权利要求2所述的便携式电子设备，其中：
所述自混合干涉测量传感器包括第一垂直腔面发射激光器和第二垂直腔面发射激光器；
所述第一垂直腔面发射激光器发射相干光的所述第一光束；以及
所述第二垂直腔面发射激光器发射相干光的所述第二光束。
5.根据权利要求2所述的便携式电子设备，其中：
所述自混合干涉测量传感器是单个垂直腔面发射激光器；以及
所述至少一个光学元件将相干光的所述光束分成相干光的所述第一光束和相干光的所述第二光束。
6.根据权利要求1所述的便携式电子设备，其中所述至少一个光学元件将相干光的所述光束聚焦在对应于所述感测体积的位置处。
7.根据权利要求1所述的便携式电子设备，其中所述处理器在确定所述颗粒物浓度对应于所述感测体积之外的区域时丢弃所述颗粒物浓度。
8.一种感测颗粒物的便携式电子设备，包括：
自混合干涉测量传感器，所述自混合干涉测量传感器被配置为从光学谐振腔发射相干光的光束，接收进入所述光学谐振腔的所述光束的反射或反向散射，并产生由所述相干光在所述光学谐振腔内的自混合产生的自混合信号；以及
处理器，所述处理器被配置为：
通过以下方式以绝对距离模式操作：
使用所述自混合信号确定至引起相干光的所述光束的所述反射或所述反向散射的对象的绝对距离；以及
当所述绝对距离在预先确定的感测体积之内时，切换到颗粒物浓度确定模式；以及
通过以下方式以所述颗粒物浓度确定模式操作：
使用所述自混合信号来确定粒子速度。
9.根据权利要求8所述的便携式电子设备，其中当所述绝对距离在所述预先确定的感测体积之外时，所述处理器等待一段时间，然后确定所述粒子速度。
10.根据权利要求8所述的便携式电子设备，其中所述处理器确定当所述绝对距离在所述预先确定的感测体积之外时无法确定所述粒子速度。
11.根据权利要求8所述的便携式电子设备，其中所述处理器：
在所述绝对距离在所述预先确定的感测体积之外时进行一系列绝对距离确定；以及
等待直到所述一系列绝对距离确定中的一个在所述预先确定的感测体积内为止，或者在确定所述粒子速度之前无法确定。
12.根据权利要求8所述的便携式电子设备，其中所述处理器基于相干光的所述光束的调制来确定所述绝对距离。
13.根据权利要求8所述的便携式电子设备，当所述绝对距离在所述预先确定的感测体积之外时，所述处理器使用所述自混合信号来确定所述粒子速度，并发出所述粒子速度不准确的信号。
14.根据权利要求8所述的便携式电子设备，其中所述自混合干涉测量传感器包括与光电检测器光学耦接的至少一个垂直腔面发射激光器。
15.一种感测颗粒物的便携式电子设备，包括：
自混合干涉测量传感器，所述自混合干涉测量传感器被配置为从光学谐振腔发射相干光的光束，接收进入所述光学谐振腔的所述光束的反射或反向散射，并产生由所述相干光在所述光学谐振腔内的自混合产生的自混合信号；以及
处理器，所述处理器被配置为：
通过使用所述自混合信号确定粒子速度而以颗粒物浓度确定模式操作；
通过以下方式以绝对距离模式操作：
使用所述自混合信号确定绝对距离；
当所述绝对距离小于与相干光的所述光束相关联的感测体积时，确定在光学透明材料上存在污染物；以及
当所述绝对距离大于所述感测体积时，确定在相干光的所述光束中存在障碍物；以及
通过使用所述粒子速度确定颗粒物浓度而切换到所述颗粒物浓度确定模式。
16.根据权利要求15所述的便携式电子设备，其中：
所述绝对距离为第一绝对距离；以及
所述处理器在确定所述污染物或所述障碍物之后确定第二绝对距离。
17.根据权利要求15所述的便携式电子设备，其中所述处理器在确定存在所述污染物之后输出清洁所述光学透明材料的通知。
18.根据权利要求17所述的便携式电子设备，其中：
所述绝对距离为第一绝对距离；
所述处理器确定第二绝对距离；以及
当所述第二绝对距离在所述感测体积内时，所述处理器切换到所述颗粒物浓度确定模式。
19.根据权利要求15所述的便携式电子设备，其中所述处理器在确定所述障碍物时输出移除所述障碍物的通知。
20.根据权利要求19所述的便携式电子设备，其中所述处理器在移除所述障碍物之后切换到所述颗粒物浓度确定模式。
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