CN109564281B - 用于使用参考信号内插的窄带测距系统的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在所描述的示例中，方法和装置使用参考信号内插确定到目标的准确距离。示例装置包括：内插器(200)，用于接收参考信号的第一采样和参考信号的第二采样，并且用于基于第一和第二采样对重构的参考信号采样进行内插，重构的参考信号对应于参考信号；相关器(202)，用于生成相位偏移的重构的参考信号，并且用于将相位偏移的重构的参考信号中的每个与反射信号相关；以及优选相位选择器(204)，用于基于相关确定优选相位并且基于优选相位输出到目标的距离。

Description

用于使用参考信号内插的窄带测距系统的方法和装置
技术领域
本发明总体涉及测距系统，并且更具体地涉及用于使用参考信号内插的窄带测距系统的方法和装置。
背景技术
测距系统(例如，雷达测距(RADAR)、激光测距(LIDAR)、声呐测距(SONAR)等)通过在目标处发射信号(例如，无线电信号、光信号、声音信号等)来确定到目标的距离。发射的信号从目标反射并且回到测距系统。测距系统将接收信号与发射的信号进行比较，以确定何时接收到反射信号。这种测距系统基于发射信号的时间和接收反射信号的时间之间的时间量来测量到目标的距离。
发明内容
所描述的示例使用参考信号内插确定到目标的精确距离。示例装置包括：内插器，用于接收参考信号的第一采样和参考信号的第二采样，以及基于第一和第二采样对重构的参考信号采样进行内插，重构的参考信号对应于参考信号。这样的示例装置还包括相关器，用于生成多个相位偏移的重构的参考信号，并且将多个相位偏移的重构的参考信号中的每个与反射信号相关。这样的示例装置还包括优选相位选择器，用于基于相关确定优选相位，并且基于优选相位输出到目标的距离。
附图说明
图1是确定到示例目标的距离的示例测距系统的图解。
图2是图1的示例距离估计器的框图。
图3是表示示例机器可读指令的流程图，该机器可读指令可以被执行以实施图2的示例距离估计器以确定到图1的示例目标的距离。
图4是说明图2的示例相关的曲线图。
图5是说明作为参考信号相位和反射信号相位的函数的示例相关的示例峰值与旁瓣比率的曲线图。
图6A-图6D是说明在四个不同的相位内插处的图1的示例测距系统的相位和精确度的曲线图。
图7是处理器平台的框图，其被构造以执行图3的示例机器可读指令来控制图1和图2的示例距离估计器。
具体实施方式
附图未按比例绘制。尽可能地，在整个附图和附带的书面说明书使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。
用于确定到各个物体的距离的测距系统随着机器人技术、汽车技术等的进步而变得越来越流行。测距系统通过将信号发射到物体(例如目标)来确定距离。发射的信号从物体反射并且返回测距系统。测距系统确定接收反射信号的时间，并且基于发射信号的时间和接收反射信号的时间之间的持续时间确定目标的距离。示例测距系统包括无线电检测和测距(RADAR)系统、光检测和测距(LIDAR)系统、声音检测和测距(SONAR)系统。测距系统可以用于帮助机器人与物体交互，运输到各个位置等。此外，测距系统可以用在汽车中以提供安全特征和自动驾驶系统。来自这种测距系统的距离估计需要高准确性和高精确度才能正常运行。随着测距系统变得越来越流行，非常希望测距系统的低成本、低复杂性、省电的实施方式。
实施高度准确和精确的测距系统的一种传统技术包括使用高速率模数转换器(例如，每秒1千兆采样)将接收的信号转换为数字采样。将数字采样与发射的信号进行比较以确定接收信号何时匹配发射的信号，其识别发射的信号的飞行时间。如上所述，飞行时间对应于目标的距离。然而，这种传统技术的高速率模数转换器是复杂的、昂贵的并且消耗大量功率。另一种传统技术实施低速率模数转换器(例如，每秒100兆采样)以将接收的信号转换为数字采样。将数字采样与发射的信号进行比较，以确定接收信号匹配发射的信号的时间，其识别发射的信号的飞行时间。然而，因为这种传统技术以低速率采样，所以飞行时间测量失去了具有高速率模数转换器的测距系统的一些间隔尺寸(granularity)。因此，这种传统技术具有较不准确且不太精确度的距离估计。本文描述的示例提供了一种测距系统，其准确性和精确度接近具有高速率模数转换器的测距系统，其具有带有低速率模拟到数字转换器的测距系统的成本、复杂性和功耗。
本文描述的示例包括具有模拟前端设备的测距系统，以将接收的信号转换为表示以低速率接收的信号的数字采样，以降低成本、复杂性和功率。测距系统包括发射换能器，用于将信号(例如，光信号、无线电信号、声音信号等)发射到物体。测距系统还包括(一个或更多个)接收器换能器，用于直接从发射换能器接收发射的信号，并且接收从物体反射后的发射的信号。如本文所使用的，“参考信号”被定义为：由发射换能器发射的、由接收器换能器接收后的信号，并且“反射信号”被定义为：从物体反射的、由接收器换能器接收后的发射的信号。尽管参考信号和反射信号是基于相同的发射的信号，但是反射信号已经行进了更远的距离并且已经从物体反射。因此，反射信号可能受到附加噪声的影响，并且可能以不同的相位振荡和/或可能具有与参考信号不同的幅度。
本文描述的测距系统包括用于接收参考信号的参考信号路径模拟前端和用于接收包括反射信号的所有其他信号的反射信号路径模拟前端。在一些示例中，模拟前端包括模数转换器，以将接收的信号以低速率转换为采样。本文描述的示例使用距离估计器来基于将与参考信号路径相关联的采样和与反射信号路径相关联的采样的比较来确定物体的距离。
因为参考信号路径模拟前端以低速率采样，所以本文描述的示例基于参考信号采样对重构的参考信号进行内插。如本文所使用的，“重构的参考信号”是表示基于参考信号采样的参考信号的内插的函数。重构的参考信号与反射信号采样相关，以确定接收到反射信号的时间。当反射信号采样与重构的参考信号相关时，该相关将包含对应于目标距离的延迟处的峰值。当峰值低于预定的阈值时，可以确定不存在目标或者目标不可检测。
本文描述的示例在不同的相位偏移处生成多个重构的参考信号，以增加距离范围内的距离估计的准确性和精确度。多个参考信号中的每个与特定相位相关联。如本文所用，“相位”被定义为两个连续采样之间的分数时间偏移。本文描述的示例将相位偏移的、重构的参考信号中的每个与反射信号采样相关。与最高峰值、最陡峰值、最高峰值与旁瓣比率和/或任何其他优选度量相关联的相关可用于计算反射信号的精确的延迟。本文描述的示例，基于与优选相关相关联的优选相位来识别反射信号的延迟，并且部分地基于优选相位来确定到物体的距离。使用本文描述的示例，可以使用低速率采样来降低成本、复杂性和功率，而相位偏移内插可以提高距离估计(例如，测距)的准确性和精确度。
图1的图解说明了用于确定到示例目标102的距离的示例测距系统100。示例测距系统100包括示例发射信号发生器104、示例发射换能器106、示例发射的信号107、示例接收器参考信号换能器108、示例反射信号109、示例接收器反射信号换能器110、示例参考信号模拟前端(AFE)112、示例反射信号AFE 114和示例距离估计器116。
图1的示例测距系统100是一种将信号107发射到示例目标102并且接收反射信号109(例如，从示例目标102反射的发射的信号)以确定示例目标102的距离的系统。示例测距系统100可以是RADAR系统、LIDAR系统、SONAR系统、超声波系统、混合系统和/或任何其他类型的测距系统。如上所述，RADAR系统使用无线电信号(例如，电磁波)，LIDAR系统使用光信号，并且SONAR系统使用和/或超声系统声音信号，并且混合系统使用利用无线电信号调制的光信号。
图1的示例发射信号发生器104生成要从示例目标102反射的信号。如上所述，信号可以是光信号、声音信号、无线电信号、混合信号和/或任何其他类型的信号。在一些示例中，发射信号发生器104生成脉冲、正弦波、方波、三角波和/或任何类型的信号。示例发射信号发生器104将生成的信号发射到示例发射换能器106以发射生成的信号(例如，发射的信号107)。
图1的示例发射换能器106是从示例发射信号发生器104输出生成的信号的电子设备。在一些示例中，发射换能器106是用于将信号(例如，光信号、无线电信号和声音信号)发射到示例目标102的天线(例如，波束形式天线)。替代性地，发射换能器106可以是二极管(例如发光二极管、激光二极管等)和/或能够输出光信号、无线电信号和/或声音信号的任何设备。
图1的示例接收器参考信号换能器108接收发射的信号107(例如，未从示例目标102反射的发射的信号)并且处理发射的信号107以生成参考信号。未从示例目标102反射的发射的信号107在本文中被定义为参考信号。由于前端系统延迟和/或其他非理想性，发射的信号107可以与示例发射信号发生器104生成的信号不同。在一些示例中，发射的信号107是由示例发射信号发生器104生成的理想的发射的信号。因为发射的信号107是直接从示例发射换能器106接收的(例如，发射的信号107未从示例目标102反射并且行进非常短的距离)，所以发射的信号107(并且因此参考信号)具有非常高的信噪比(SNR)。因此，可以高精确度地执行参考信号的内插。在一些示例中，因为参考信号的波形是已知的，所以可以基于波形对信号优化内插，如结合图2进一步描述的。示例接收器参考信号换能器108可以是天线(例如，波束形式天线)和/或二极管(例如光电二极管)以从示例发射换能器106接收信号(例如，光信号、无线电信号和/或声音信号)。替代性地，示例接收器参考信号转换器108可以是能够接收光信号、无线电信号和/或声音信号的任何设备。在一些示例中，接收器参考信号换能器108包括低通滤波器和带限滤波器，以对参考信号进行频带限制。
图1的示例接收器反射信号换能器110接收从示例目标102反射之后的反射信号109。从示例目标102发射的信号109在本文中被定义为反射信号。因为示例发射信号109不是直接从示例发射换能器106接收的(例如，发射的信号107从示例目标102反射并且行进很长距离)，所以反射信号109受到噪声的影响并且可能具有比参考信号小的SNR比。在一些示例中，示例反射信号换能器110是天线(例如，波束形式天线)和/或二极管(例如光电二极管)以在信号从示例目标102反射之后、从示例发射换能器106接收信号(例如，光信号、无线电信号和/或声音信号)。示例接收器反射信号换能器110可以是能够接收光信号、无线电信号和/或声音信号的任何设备。在一些示例中，接收器反射信号换能器110包括低通滤波器和带限滤波器，以对参考信号107进行频带限制。
图1的示例参考信号路径AFE 112是周期性地或非周期性地对参考信号(例如，由接收器参考信号换能器108处理的发射的信号107)进行采样以生成若干(例如，‘X’)个参考信号采样的设备。在一些示例中，示例参考信号路径AFE 112包括模数转换器，其将模拟参考信号转换为数字采样。示例参考信号路径AFE 112是低速率采样器，其每秒收集少量采样以降低功率、复杂性和/或成本。在一些示例中，采样率略高于奈奎斯特频率，使得参考信号可以几乎完美地重建。可以基于用户和/或制造商偏好来调整采样的频率。采样率(例如，频率)越低，功率、复杂性和/或成本就降低。示例参考信号路径AFE 112将参考信号采样发射到示例距离估计器116。
图1的示例反射信号路径AFE 114是周期性地或非周期性地对接收的参考信号进行采样以生成若干(例如，‘Z’)个反射信号采样的设备。在一些示例中，反射信号路径AFE114包括模数转换器，其将模拟的反射信号109转换为数字采样。在一些示例中，示例反射信号路径AFE 114在延迟之后以与示例反射信号路径AFE 114相同的速率(例如，‘X’＝‘Z’)进行采样，以尝试将反射信号109与参考信号进行匹配。在一些示例中，采样率略高于奈奎斯特频率，使得参考信号可以几乎完美地重建。在一些示例中，参考信号AFE 112和反射信号AFE 114可以组合成一个AFE，其包括一个或更多个模数转换器，以将反射信号109和参考信号转换为数字采样。在一些示例中，参考信号AFE 112和/或发射信号AFE 114的分量可以在参考信号路径和反射信号路径之间共享。示例反射信号路径AFE 114将反射信号109(例如，表示反射信号的‘Z’个反射信号采样)发射到示例距离估计器116。
图1的示例距离估计器116接收‘X’个参考信号采样和‘Z’个反射信号采样。如下文结合图2和图3所述，示例距离估计器116基于‘X’个参考信号采样进行内插以重构参考信号，并且在‘X’个参考信号采样之间的‘Y’个不同相位偏移处生成与参考信号具有相同频率的‘Y’个重构的参考信号。另外，示例距离估计器116将‘Y’个重构的参考信号中的每个与反射信号相关以创建‘Y’个相关图。‘Y’个相位的每个对应于相关图。如结合图4进一步描述的，每个相关图包括峰值和旁瓣。具有最佳(例如，最高)峰值的相关图和/或具有最高峰值与旁瓣比率的相关图对应于优选相位。优选相位给出到示例目标102的距离的最佳估计。示例距离估计器116通过选择与优选相位相关联的相关图来确定到示例目标102的距离。在一些示例中，距离估计器116基于确定的距离和/或优选相位来生成距离估计信号。
图2是图1的距离估计器116的示例实施方式的框图，如本文所描述的，用于生成距离估计信号，其识别用于确定到图1的示例目标102的距离的优选相位。虽然结合图1的示例测距系统100和示例目标102描述了示例距离估计器116，但是示例距离估计器116可用于使用任何测距系统确定到任何目标的距离。示例距离估计器116包括示例内插器200、示例相关器202、示例相关203和示例优选相位选择器204。
图2的示例内插器200从示例参考信号路径AFE 112(图1)接收‘X’个参考信号采样。示例内插器200基于接收的‘X’个参考信号采样来内插参考信号的函数表示。在一些示例中，内插器200基于在第一时间(例如，n)处的参考信号采样、在随后时间(例如，n+1)处的参考信号采样和在先时间(例如，n-1)处的参考信号采样对每个参考信号采样(不包括第一和最后采样)内插函数。以这种方式，内插器200可以创建分段函数(例如，样条插值)以表示参考信号。例如，参考信号可以与已知频率ω处的正弦调制脉冲相关联。在这种示例中，内插器200使用以下正弦调制函数在时间n周围进行内插：
y1＝a*sin(ω(n-1))+b*cos(ω(n-1)) (方程1)
y2＝a*sin(ω(n))+b*cos(ω(n))+c (方程2)
y3＝a*sin(ω(n+1))+b*cos(ω(n+1)) (方程3)
其中y1是在时间n-1处的测量的参考信号的采样能量，y2是在时间n处的测量的参考信号的采样能量，y3是在时间n+1处的测量的参考信号的采样能量，以及a、b和c是需要求解的未知参数。
图2的示例内插器200求解了在采样时间n周围对参考信号进行内插的系统(例如，三个方程，三个未知数)。在一些示例中，内插器200在接收到除了第一和最后参考信号采样之外的参考信号采样的每个时间周围生成并且求解参考信号。在这种示例中，内插器基于每个采样时间周围的生成的函数生成表示参考信号(例如，因此，发射的信号107)的分段函数。附加地或替代性地，示例内插器200可以使用线性内插、三次内插、样条插值等对参考信号采样进行内插。
在图2的示例内插器200基于参考信号采样进行内插以生成参考信号之后，内插器200通过递增地偏移(偏移的量为两个后续参考信号采样之间的距离的1/Y)生成的参考信号来以递增的相位生成‘Y’个重构参考信号(例如，Y个参考内插)。例如，如果内插器200要生成十个重构的参考信号(例如，十倍参考内插)并且每500毫秒对参考信号进行采样，则内插器200生成第一重构参考信号、第二重构参考信号、第三重构参考信号等，第一重构参考信号的相位被偏移50毫秒(ms)(例如，500ms/10)，第二重构参考信号的相位被偏移100毫秒，第三重构参考信号的相位偏移150毫秒。以这种方式，内插器200将生成具有彼此等距的10个不同的相位偏移的10个重构的参考信号。
图2的示例相关器202将‘Y’个重构的参考信号(例如，在‘Y’不同的相位偏移处)与来自示例反射信号路径AFE 114的反射信号采样相关(例如，使用交叉相关)。该相关识别‘Y’个重构参考信号中的每个到反射信号之间的相似性。在一些示例中，示例相关器202使用以下方程对两个信号进行交叉相关：
其中S*是S1的复共轭。
更接近地反映反射信号的重构参考信号(例如，其相位对准)的相关包括某些特性，例如更高的峰值强度值、更尖锐的峰值强度值和/或高的峰值与旁瓣的比率，如结合图4进一步所描述的。示例相关器202将示例相关(例如，交叉相关)203(每个相关对应于‘Y’个相位中的一个)发射到示例优选相位选择器204。在一些示例中，例如当相关203不包括高于阈值的峰值，则示例相关器202确定尚未接收到反射信号109(图1)。
图2的优选相位选择器204收集所有示例相关203并且基于峰值强度值、峰值强度值的锐度和/或峰值与旁瓣比率中的至少一个来选择优选的相关。如上所述，因为‘Y’个相关中的每个对应于‘Y’个相位的一个，所以优选的相关对应于优选相位。优选相位对应于示例目标102(图1)的距离的最准确估计。在一些示例中，优选相位选择器204确定优选峰值周围的相关波形以确定精细延迟估计。例如，因为相关是基于低速率的采样，所以选择的峰值可以接近实际优选峰值，但实际上不是优选峰值。在这种示例中，优选相位选择器204可以基于优选峰值附近的点执行曲线拟合操作。在优选相位选择器204生成代表优选峰值的优选曲线拟合的函数之后，优选相位选择器204将基于曲线拟合的函数确定优选峰值。曲线拟合操作可以是抛物线曲线拟合、正弦曲线拟合、重心曲线拟合和/或任何其他类型的曲线拟合。优选相位选择器204基于所选择的相位确定到示例目标102的距离。示例优选相位选择器204生成距离估计信号以反映与示例目标102相关联的相位和/或距离。在一些示例中，距离估计信号被发射到示例距离估计器116内的或耦合到示例距离估计器116的处理器或电路。
虽然在图2中说明了实施图1的示例距离估计器116的示例方式，但图2中所说明的元件、过程和/或设备可以以任何其他方式组合、划分、重新布置、省略、消除和/或实施。此外，图2的示例内插器200、示例相关器202、示例优选相位选择器204和/或更一般地示例距离估计器116可以通过硬件、机器可读指令、软件、固件和/或硬件、机器可读指令、软件和/或固件的任何组合来实施。因此，例如，图2的示例内插器200、示例相关器202、示例优选相位选择器204和/或更一般地示例距离估计器116中的任何一个可以通过(一个或更多个)模拟和/或数字电路、(一个或更多个)逻辑电路、(一个或更多个)可编程处理器、(一个或更多个)专用集成电路(ASIC)、(一个或更多个)可编程逻辑设备(PLD)和/或(一个或更多个)现场可编程逻辑器件(FPLD)来实施。在本说明书中，当示例实施例的任何装置或系统覆盖纯粹的软件和/或固件实施方式时，图2的示例内插器200、示例相关器202、示例优选相位选择器204和/或更一般地示例距离估计器116中的至少一个在此明确地被定义为包括有形计算机可读存储设备或存储盘，例如存储器、数字通用盘(DVD)、光盘(CD)、蓝光盘等，存储软件和/或固件。另外，图2的示例距离估计器116包括除了图3中所说明的元件、过程和/或设备之外或代替图3中所说明的元件、过程和/或设备的元件、过程和/或设备，和/或可以包括任何或所有所说明的元件、过程和设备中的一个以上。
图3中示出了表示示例机器可读指令的流程图，其用于实施图2的示例距离估计器116。在示例中，机器可读指令包括用于由处理器，例如在下文结合图7描述的示例处理器平台700中示出的处理器712执行的程序。该程序可以体现在存储在有形计算机可读存储介质上，例如CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字通用盘(DVD)、蓝光盘或与处理器712相关联的存储器的机器可读指令中，但是整个程序和/或其部分可以替代性地由除处理器712之外的设备执行和/或体现在固件或专用硬件中。此外，尽管参考图3中所说明的流程图描述了示例程序，但是可以替代性地使用许多其他方法实施图2的示例距离估计器116。例如，可以改变框的执行顺序，和/或可以改变、消除或组合所描述的一些框。
如上所述，图3的示例过程可以使用存储在有形计算机可读存储介质上的编码指令(例如，计算机和/或机器可读指令)来实施，有形计算机可读存储介质例如硬盘驱动器、闪存、只读存储器(ROM)、光盘(CD)、数字通用磁盘(DVD)、高速缓存、随机存取存储器(RAM)和/或任何其他存储设备或存储磁盘，其中信息被存储任何的持续时间(例如，长期的时间段、简短的情况、临时缓冲和/或信息的高速缓存)。如本文所使用的，术语有形计算机可读存储介质明确地定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘，并且排除传播信号以及排除发射介质。如本文所使用的，“有形计算机可读存储介质”和“有形机器可读存储介质”可互换使用。附加地或替代性地，图3的示例过程可以使用存储在非暂时性计算机和/或机器可读介质(例如硬盘驱动器、闪存、只读存储器、压缩磁盘、数字通用磁盘、高速缓存、随机存取存储器和/或任何其他存储设备或存储磁盘)上的编码指令(例如，计算机和/或机器可读指令)来实施，其中信息被存储任何的持续时间(例如，长期的时间段、永久地、简短的情况、临时缓冲和/或信息的高速缓存)。如本文所使用的，术语非暂时性计算机可读介质明确地定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘，并且排除传播信号以及排除发射介质。如本文所使用的，当短语“至少”被用作权利要求的前序部分中的承接词时，其与术语“包括”相同，也是开放式的。
图3是表示示例机器可读指令的示例流程图300，示例机器可读指令可以由图2的示例距离估计器116执行以确定到图1的到示例目标102的距离。如上所述，距离的确定基于发射信号的时间和接收反射信号109(图1)的时间之间的持续时间。示例距离估计器116基于计数和参考信号与反射信号109的相位的比较(该比较生成优选相位)来确定持续时间。优选相位是具有最高峰值、最陡(例如最大限定的)峰值、最高的峰值与旁瓣比率和/或任何其他优选度量的相位。另外，优选相位对应于与计数相关联的距离范围内到示例目标102的距离的最佳估计。
内插器200从示例参考信号路径AFE 112(图1)接收‘X’个参考信号采样(框302)。如上文结合图1所描述的，‘X’个参考信号采样对应于由示例发射换能器106(图1)发射的参考信号。‘X’个参考信号采样对应于接收的参考信号的低速率采样，其由示例参考信号路径AFE 112(图1)周期性地或非周期性地适时地获取。
示例内插器200基于‘X’个参考信号采样内插重构的参考信号(框304)。如上文结合图1所描述的，参考信号具有高SNR，允许内插器200以高准确性对参考信号(例如，重构的参考信号)进行内插。示例内插器200可以使用线性内插、三次内插、样条插值和/或任何其他类型的内插来对参考信号进行内插。附加地或替代性地，因为测距系统100(图1)生成参考信号，所以内插器200可以使用生成的参考信号的形式来基于‘X’个参考信号采样进行内插，如上文结合图2所述。
示例内插器200在‘X’个参考信号采样之间的‘Y’个相位处生成‘Y’个重构的参考信号(框306)。例如，如果内插器200要生成三个(例如，Y＝3)重构的参考信号(例如，三倍参考内插)并且每90纳秒(ns)对参考信号进行采样，则内插器200生成第一重构参考信号、第二重构参考信号、第三重构参考信号，第一重构参考信号的相位被偏移30ns(例如，90ns/3)，第二重构参考信号的相位被偏移60ns，第三重构参考信号的相位偏移90ns毫秒。以这种方式，内插器200将生成彼此间等距的具有不同的相位偏移的三个重构的参考信号。示例内插器200将‘Y’个相位处的‘Y’个重构参考信号发射到示例相关器202。此外，示例相关器202从示例反射信号路径AFE 114(图1)接收反射信号109(例如，反射信号采样)。
示例相关器202将‘Y’个重构的参考信号中的每个与来自反射信号路径AFE 114的发射信号(例如，从图1的示例目标102反射的反射信号109)相关(框308)。如上文结合图2所描述的，相关器202使用方程4对重构的参考信号中的每个进行相关。示出了三个不同相位偏移处的相关的结果的示例，并且结合图4进一步描述。示例相关器202将示例相关203(图2)发射到示例优选相位选择器204。
示例优选相位选择器204基于示例相关203的优选相关确定优选相位(框310)。如上文结合图2所描述的，优选相关对应于具有最高峰值、最陡峰值、最高的峰值与旁瓣比率和/或任何其他优选度量的相关。如上文结合图2所描述的，优选相位选择器204可以基于优选的相关来执行曲线拟合操作，以基于生成的曲线拟合的函数的峰值来选择优选相位。结合图4进一步描述优选相关的示例选择。
在选择了优选相位之后，示例优选相位选择器204和/或耦合到示例距离估计器116或在示例距离估计器116内的另一电路和/或处理器基于优选相位确定示例目标102的距离(框312)。如上所述，优选相位对应于距离的最准确估计。在一些示例中，相关器202可以通过使用树搜索方法将‘Y’个重构的参考信号与反射信号109相关来组合框308和310以确定优选相位。例如，示例相关器202可以使用树搜索算法(例如，二叉树搜索算法)将相关203分组为分支。以这种方式，如果来自一个分支的相关明显不是优选的(例如，峰值低于优选阈值和/或峰值与旁瓣比率低于比率阈值)，那么相关器202可以对来自另一个分支的重构的参考信号进行相关。以这种方式，相关器202可以减少为确定优选相位而执行的相关的数量。例如，树搜索算法将相关的复杂性从‘Y’个相关降低到log2‘Y’个相关。替代性地，可以使用冒泡排序、希尔排序、梳排序和/或任何其他类型的排序/搜索算法来确定优选相关，同时减少计算次数。示例优选相位选择器204输出到示例目标102的距离(框314)。在一些示例中，优选相位选择器204将距离输出到耦合到图1和图2的示例距离估计器116和/或其内的电路和/或处理器。
图4是三个示例相关图400、402、404(例如，图2的示例相关203)的示例说明，示例相关图400、402、404可以基于比较反射信号109与三个不同相位偏移处的三个重构参考信号，由图2的示例相关器202生成。第一示例相关图400包括示例峰值406和示例旁瓣408a、b。第二示例相关图402包括示例峰值410和示例旁瓣412a、b。第三示例相关图404包括示例峰值414和示例旁瓣416a、b。
图4的第一示例相关图400表示反射信号和重构的参考信号之间的相关，该重构的参考信号由图2的示例内插器200内插，并偏移了第一相位。示例峰值406表示相关的能量强度，强度越高，相关图越优选。第一示例相关图的示例峰值406约为0.95。示例旁瓣408a、b表示强度最接近峰值406的相关的强度。示例旁瓣408a的强度约为0.89，并且示例旁瓣408b的强度约为0.87。在一些示例中，旁瓣将是相等的，并且在一些示例中，旁瓣将是不同的(例如，由于噪声)。当两个旁瓣不同时，优选相位选择器204可以选择最高值的旁瓣、最低值的旁瓣或两个旁瓣之间的平均值，以确定峰值与旁瓣的比率。在使用平均旁瓣的示例相关图400中，峰值与旁瓣的比率是1.113(例如，0.95/0.88)。
图4的第二示例相关图表示反射信号109和重构的参考信号之间的相关，重构的参考信号由图2的示例内插器200内插，并偏移了与第一相位不同的第二相位。示例峰值410表示相关的能量强度，强度越高，相关图越优选。第二示例相关图402的示例峰值410约为1.0。示例旁瓣412a、b表示强度最接近峰值410的相关的强度。示例旁瓣412a、b的强度各自约为0.71。在示例相关图400中，峰值与旁瓣的比率是1.408(例如，1.0/0.71)。
图4的第三示例相关图404表示反射信号109和重构的参考信号之间的相关，重构的参考信号由图2的示例内插器200内插，并偏移了与第一相位和第二相位不同的第三相位。示例峰值414表示相关的能量强度，强度越高，相关图越优选。第一示例相关图的示例峰值414约为0.96。示例旁瓣408a、b表示强度最接近峰值406的相关的强度。示例旁瓣408a的强度约为0.9，示例旁瓣408b的强度约为0.84。在一些示例中，旁瓣将是相等的，并且在一些示例中，旁瓣将是不同的(例如，由于噪声)。当两个旁瓣不同时，优选相位选择器204可以选择最高值旁瓣、最低值旁瓣或两个旁瓣之间的平均值，以确定峰值与旁瓣的比率。在使用平均旁瓣的示例相关图400中，峰值与旁瓣的比率是1.103(例如，0.96/0.87)。
当示例优选相位选择器204(图2)接收由示例相关图形400、402、404表示的示例相关203时，优选相位选择器204可基于具有最高峰值、最陡峭的峰值、最高的峰值与旁瓣比率和/或任何其他优选度量的相关来确定优选相关。在图4的示例中，优选相位选择器204将选择对应于第二示例相关图402的相关图，因为示例峰值410(例如，1.0强度)比第一和第三示例相关图400、404的峰值(例如，分别为0.95和0.96)406、414高。此外，示例峰值410的陡度高于第一和第三示例相关图400、404的峰值406、414的陡度。此外，示例峰值410的峰值与旁瓣的比率(例如，1.408)比第一和第三示例相关图400、404的峰值与旁瓣的比率(例如，分别为1.113、1.103)高。以这种方式，示例优选相位选择器204将基于与第二示例相关图形402相关联的第二相位来确定优选相位。如上所述，优选相位对应于到图1的示例目标102的距离。
图5是示例图500，其显示了作为参考信号相位和反射信号相位的函数的峰值与旁瓣比率。示例图500包括最大比率脊(ridge)502。如示例图500中所示，当参考信号相位和反射信号相位的相位同相(例如，相同)时，峰值与旁瓣的比率为由最大比率脊502反映的最大值。随着反射信号109和参考信号进一步异相(例如，反射信号109和参考信号未对准)，峰值与旁瓣的比率降低，这导致距离估计不准确。示例图500说明了使用峰值与旁瓣比率作为确定距离的优选相关的指示符的准确性。
图6A、图6B、图6C和图6D是示例结果图600、610、620、630，其说明了在30-40米范围内的各种相位内插(例如，‘Y’＝0、‘Y’＝4、‘Y’＝10、‘Y’＝100)处的本文所描述的示例的准确性和精确度。示例图600、610、620、640包括示例正3-sigma(例如，最坏情况)误差602、示例负3-sigma误差604、示例准确性误差606(例如，平均误差)以及示例精确度误差608(例如，精确度606的标准偏差)。
图6A包括示例结果图600，其中图2的示例内插器200基于参考信号采样进行内插，但是不基于相位偏移创建任何附加的重构的参考信号(例如，‘Y’＝0)。如示例结果图600中所示，示例正3-sigma误差602、示例负3-sigma误差604、示例准确性误差606和示例精确度误差608的表现随距离显著变化。示例正3-sigma误差602在约39.5米处最高(例如15cm)。示例负3-sigma误差604在约38.2米处最高(例如-12cm)。最高示例准确性误差606在整个范围内约为6cm。示例精确度误差608在约39.5米处最高(例如5cm)。
图6B包括示例结果图610，其中图2的示例内插器200基于参考信号采样在四个不同相位偏移处以四倍参考相位内插(例如，‘Y’＝4)进行内插。如示例结果图610所示，示例正3-sigma误差602、示例负3-sigma误差604、示例准确性误差606和示例精确度误差608的表现随距离的变化小于表示‘Y’＝0的示例结果图600。示例正3-sigma误差604在约36.5米处最高(例如12cm)。示例负3-sigma误差604在约39.1米处最高(例如-12cm)。最高示例准确性误差606在整个范围内约为3cm。示例精确度误差608在约31.2米处最高(例如3cm)。
图6C包括示例结果图620，其中图2的示例内插器200基于参考信号采样在十个不同相位偏移处以十倍参考相位内插(例如，‘Y’＝10)进行内插。如示例结果图620所示，示例正3-sigma误差602、示例负3-sigma误差604、示例准确性误差606和示例精确度误差608的表现随距离的变化小于表示‘Y’＝4的示例结果图610。示例正3-sigma误差604在约39米处最高(例如7cm)。示例负3-sigma误差604在约39米处最高(例如-7cm)。最高示例准确性误差606在整个范围内约为1cm。示例精确度误差608在约39米处最高(例如3cm)。
图6D包括示例结果图630，其中图2的示例内插器200基于参考信号采样在十个不同相位偏移以100倍参考相位内插(例如，‘Y’＝100)进行内插。如示例结果图630所示，示例正3-sigma误差602、示例负3-sigma误差604、示例准确性误差606和示例精确度误差608的表现随距离的变化小于表示‘Y’＝10的示例结果图610。示例正3-sigma误差604在约39.5米处最高(例如7cm)。示例负3-sigma误差604在约39.8米处最高(例如-7cm)。最高示例准确性误差606在整个范围内约为0.8cm。示例精确度误差608在约40米处最高(例如2cm)。
如图6A-图6D的示例结果图600、610、620、630中所示，随着参考信号采样(例如‘X’个)之间的多个参考相位内插(例如，‘Y’个)增加，误差和随距离的变化减小。以这种方式，图1的示例测距系统100可以使用低速率采样来降低成本、复杂性和功率，同时保持低准确性误差和精确度误差。
图7是示例处理器平台700的框图，其能够执行图3的指令以实施图1和图2的示例距离估计器16。例如，处理器平台700可以是服务器、个人计算机、移动设备(例如，蜂窝电话、智能电话、诸如iPad TM的平板电脑)、个人数字助理(PDA)、Internet工具或任何其他类型的计算设备。
该示例的处理器平台700包括处理器712。该示例的处理器712是硬件。例如，处理器712可以由来自任何期望的系列或制造商的集成电路、逻辑电路、微处理器或控制器实施。
该示例的处理器712包括本地存储器713(例如，高速缓存)。图7的示例处理器712执行图3的指令以实施图2的示例内插器200、示例相关器202和示例优选相位选择器204来实施示例距离估计器116。该示例的处理器712经由总线718与包括易失性存储器714和非易失性存储器716的主存储器通信。易失性存储器714可以由同步动态随机存取存储器(SDRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、RAMBUS动态随机存取存储器(RDRAM)和/或任何其他类型的随机存取存储器设备实施。非易失性存储器716可以由闪存和/或任何其他期望类型的存储器设备实施。对主存储器714、716的访问由时钟控制器控制。
该示例的处理器平台700还包括接口电路720。接口电路720可以由任何类型的接口标准实施，例如以太网接口、通用串行总线(USB)和/或PCI Express接口。
在该示例中，一个或更多个输入设备722连接到接口电路720。(一个或更多个)输入设备722允许用户将数据和命令输入到处理器712中。例如，(一个或更多个)输入设备可以通过传感器、麦克风、相机(静止或视频)、键盘、按钮、鼠标、触摸屏、跟踪板、轨迹球、isopoint和/或语音识别系统来实施。
一个或更多个输出设备724还连接到该示例的接口电路720。例如，输出设备724可以由显示设备(例如，发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、液晶显示器、阴极射线管显示器(CRT)、触摸屏、触觉输出设备和/或扬声器)来实施。因此，所描述的示例的接口电路720通常包括图形驱动器卡、图形驱动器芯片或图形驱动器处理器。
该示例的接口电路720还包括通信设备，诸如发射器、接收器、收发器、调制解调器和/或网络接口卡，以促进经由网络726(例如，以太网连接、数字用户线(DSL)、电话线、同轴电缆、蜂窝电话系统等)与外部机器(例如，任何类型的计算设备)的数据交换。
该示例的处理器平台700还包括用于存储软件和/或数据的一个或更多个大容量存储设备728。这种大容量存储设备728的示例包括软盘驱动器、硬盘驱动器、压缩盘驱动器、蓝光盘驱动器、磁盘阵列(RAID)系统和数字通用盘(DVD)驱动器。
图3的编码指令732可以被存储在大容量存储设备728、易失性存储器714、非易失性存储器716和/或可移动的有形计算机可读存储介质(例如CD或DVD)中。
上文描述的方法、装置和制品通过将低速率采样反发射信号与低速率采样的参考信号进行比较来准确地确定目标的距离。本文描述的示例基于低速率采样进行内插并且生成多个相位偏移的重构的参考信号以生成与反射信号109的多个相关。本文描述的示例基于与最佳相关相关联的相位确定到目标的距离。使用本文描述的示例，测距系统在估计目标的准确距离的同时降低了成本、复杂性和/或功率。
一些传统技术以非常高的速率对接收的信号进行采样。然而，这种传统技术需要更复杂、昂贵且耗电的系统。一些传统技术以低速率采样而不进行相位内插。然而，这种传统技术提供较差的距离估计。本文描述的示例通过以低速率采样并且对参考信号进行相位内插以创建高度准确和精确的距离估计来减轻这些问题。
在所描述的实施例中，修改是可能的，并且在权利要求的范围内，其他实施例也是能够的。

Claims (12)

1.一种用于测距的方法，所述方法包括：
接收具有频率的参考信号的第一采样和第二采样，所述参考信号表示第一信号；
在不同相位偏移生成具有所述频率的重构的参考信号，包括通过在所述第一采样和所述第二采样之间进行内插；
接收从物体反射的第二信号，其中从所述物体反射的所述第二信号包括从所述物体反射的所述第一信号的反射，并且所述第一采样和所述第二采样表示没有所述物体的反射的所述参考信号；
通过将所述重构的参考信号与所述从所述物体反射的所述第二信号相关生成相关；
基于所述相关的最高峰值或所述相关的最高的峰值与旁瓣比率中的至少一个来选择相位；以及
基于所选择的相位确定所述物体的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，从换能器发射所述第一信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相关包括各自的峰值和各自的旁瓣值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述相关对应于所述不同相位偏移。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述选择的相位确定延迟，所述延迟对应于所述距离。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在所述最高峰值周围执行曲线拟合操作以确定所述最高峰值的精细估计，所述最高峰值对应于所述延迟。
7.一种用于测距的装置，所述装置包括：
内插器，其具有输出，所述内插器被构造为：接收具有频率的参考信号的第一采样和第二采样，所述参考信号表示第一信号；在不同相位偏移生成具有所述频率的重构的参考信号，包括通过在所述第一采样和所述第二采样之间进行内插；并且在所述内插器的输出处提供所述重构的参考信号；
相关器，其具有耦合到所述内插器的输出的输入，所述相关器具有输出并且所述相关器被构造为：接收从物体反射的第二信号，其中从所述物体反射的所述第二信号包括从所述物体反射的所述第一信号的反射，并且所述第一采样和所述第二采样表示没有所述物体的反射的所述参考信号；通过将所述重构的参考信号与从所述物体反射的所述第二信号相关来生成相关；并且在所述相关器的输出处提供所述相关；以及
相位选择器，其具有耦合到所述相关器的输出的输入，所述相位选择器具有输出并且所述相位选择器被构造为：基于所述相关的最高峰值或所述相关的最高的峰值与旁瓣比率中的至少一个来选择相位，基于所选择的相位确定所述物体的距离；并且在所述相位选择器的输出处提供所述距离。
8.根据权利要求7所述的装置，还包括换能器，其用于发射所述第一信号。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述相关包括各自的峰值和各自的旁瓣值。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述相关对应于所述不同相位偏移。
11.根据权利要求7所述的装置，其中，所述相位选择器被构造成基于所述选择的相位确定延迟，所述延迟对应于所述距离。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述相位选择器被构造成在所述最高峰值周围执行曲线拟合操作，以确定所述最高峰值的精细估计，所述最高峰值对应于所述延迟。
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