CN109581401B - 距离检测传感器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种距离检测传感器及其工作方法，根据本发明的距离检测传感器包括：电流电压转换器，将与从目标反射的检测信号对应的电流转换为电压；放大器，对所转换的电压进行放大的；比较器，比较所述放大器的输出值和基准值；基准值选择器，从多个基准值中选择一个作为所述基准值；以及时间数字转换器，响应从所述比较器输出的接收脉冲而计算TOF(time‑of‑flight)时间，其中，所述基准值选择器对与连续的多个接收脉冲中的每一个对应的彼此不同的所述基准值进行连续变更。

Description

距离检测传感器及其工作方法
技术领域
本发明涉及距离检测传感器及其工作方法。
背景技术
距离检测传感器是测量与物体的距离的传感器。普遍使用有利用脉冲TOF(time-of-flight：飞行时间)方式的距离测量传感器，即向测量对象照射照射脉冲，基于在照射该照射脉冲后到基于该照射脉冲接收到来自测量对象的反射光(接收脉冲)为止的时间差，算出到测量对象的距离。
发明内容
本发明的目的在于提供在TOF方式的距离测量中实现时间弯曲的最小化的距离检测传感器及其工作方法。
根据本发明实施例的距离检测传感器包括：电流电压转换器，将与从目标反射的检测信号对应的电流转换为电压；放大器，对所转换的电压进行放大；比较器，比较所述放大器的输出值和基准值；基准值选择器，从多个基准值中选择一个作为所述基准值；以及时间数字转换器，响应从所述比较器输出的接收脉冲而计算TOF(time-of-flight：飞行时间)时间，其中，所述基准值选择器可以对与连续的多个接收脉冲中的每一个分别对应的彼此不同的基准值进行连续变更。
在实施例中，还可以包括：感光元件，用于产生所述检测信号。
在实施例中，所述电流电压转换器可以包括跨阻抗放大器(trans impedanceamplifier)。
在实施例中，还可以包括：电容器和电阻，并联连接在所述电流电压转换器的输入端与输出端之间。
在实施例中，所述时间数字转换器还可以包括计数器，所述计数器在发送脉冲和接收脉冲之间进行计数。
在实施例中，所述计数器可以从所述发送脉冲的上升时刻到所述接收脉冲的上升时刻进行计数。
在实施例中，所述基准值选择器可以在前一个接收脉冲的下降时刻变更基准值。
在实施例中，将与所述连续的多个接收脉冲对应的连续的多个发送脉冲传输到所述目标，所述连续的多个发送脉冲是三个以上。
在实施例中，还可以包括：数字信号处理器，计算并存储与连续的多个所述发送脉冲中的每一个对应的TOF时间。
在实施例中，所述数字信号处理器可以根据多个所述TOF时间计算峰值时间，并且利用所述峰值时间计算与目标的距离。
在实施例中，还包括：温度传感器，用于测量温度，所述数字信号处理器利用所述温度而补偿所述距离。
根据本发明实施例的距离检测传感器的工作方法可以包括以下步骤：将连续的多个发送脉冲传输到目标；变更与多个所述发送脉冲中的每一个对应的基准值；基于所述变更的基准值连续接收与多个所述发送脉冲中的每一个对应的信号；根据与多个发所述送脉冲中的每一个对应的所接收的接收脉冲计算TOF(time-of-flight)峰值时间；以及根据所述TOF峰值时间计算与所述目标的距离。
在实施例中，还可以包括：从感光元件接收与多个所述发送脉冲中的每一个对应的检测信号；将与所接收的多个检测信号中的每一个对应的电流转换为电压；以及对所转换的多个电压进行放大。
在实施例中，还可以包括以下步骤：测量温度；以及根据所测量的温度补偿所述距离。
发明效果
根据本发明实施例的距离检测传感器及其工作方法，发送连续的三个以上的脉冲，接收与多个发送脉冲对应的反射脉冲，对于接收到的三个以上的接收脉冲，针对每一个脉冲变更基准值，针对变更的每一个基准值存储时间戳(time stamp)，由此计算二次函数的极大值，通过算出的脉冲的最大值(peak)中的时间值，实现time walk(时间漫游)错误的最小化。
附图说明
下面的附图是用于帮助理解本实施例的，通过详细说明提供实施例。需要说明的是，本实施例的技术特征不限定于指定的附图中，可以组合各图中示出的特征来构成新的实施例。
图1是示例性示出根据本发明实施例的距离检测传感器的框图。
图2是示例性示出根据本发明实施例的时间数字转换器中感应TOF的方法的时序图。
图3是示例性示出根据本发明实施例的通过比较器之前与之后的时序的图。
图4是示出根据本发明实施例的数字信号处理器中计算检测信号的峰值时间的过程的图。
图5是示例性示出根据本发明实施例的距离检测传感器的工作方法的图。
附图标记
100：距离检测传感器；110：电流电压转换器；120：放大器；130：比较器；140：基准值选择器；150：时间数字转换器；160：温度传感器；170：数字信号处理器。
具体实施方式
下面，利用附图清楚且详细地说明本发明的内容，以使本领域技术人员能够简单地实施本发明。
本发明可以有各种变更，可以以各种方式实施，在本文中示出特定的实施例并进行详细说明。但是，这并不是为了将本发明限定于特定的公开方式，包括在本发明的思想以及技术范围的所有的变更、等同物以及代替物均包括在本发明中。第一、第二等术语可以用于说明各种构成要素，但是所述构成要素并不限定于所述术语。
所述术语用于将一个构成要素与其他构成要素区分。例如，在不脱离本发明的保护范围的情况下，第一构成要素可以被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素可以被命名为第一构成要素。某一个构成要素与其它构成要素“连接”或“接触”时，应该理解为可以与该其它构成要素直接连接或接触，还可以中间存在其它的构成要素。相反，某一个构成要素与其它构成要素“直接连接”或“直接接触”时，应该理解为中间不存在其它的构成要素。
对于表示构成要素之间的关系的其它的表达方式、即“与～之间”和“正好与～之间”或者“与～相邻”和“与～直接相邻”等，也应该按照上述方式解释。本申请中使用的术语只是用于说明特定的实施例，并不是用于限定本发明。在上下文没有明确说明的情况下，单一方式的表达方式包括多个的情况。
在本申请中，“包括”或者“具有”等术语用于指定存在实施的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或它们的组合，不应该理解为事先排除一个或一个以上的其它特征或数字、步骤、动作、构成要素、部件或它们的组合的存在或添加。在没有加以相反定义的情况下，在这里使用的包括技术性或科学性术语在内的所有术语具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的意思。通常使用的与词典中的定义相同的术语应该解释为与相关技术的上下文中具有的意思一致的意思，在没有明确定义的情况下，在本申请中不应该解释为理想化或过度形式化的意思。
图1是示例性示出根据本发明实施例的距离检测传感器100的框图。参照图1，距离检测传感器100可以包括电流电压转换器TIA 110、放大器PGA 120、比较器130、基准值选择器140、时间数字转换器TDC 150、温度传感器160以及数字信号处理器DSP 170。
电流电压转换器TIA 110可以构成为将从接收检测信号(被反射的脉冲)的感光元件输出的电流转换为电压。其中，感光元件可以包括光电二极管。在实施例中，电流电压转换器110可以包括跨阻抗放大器(trans-impedance amplifier；TIA)。如图1示出，电流电压转换器110可以包括并联连接在输入端与输出端之间的电容器C和电阻R。
放大器PGA 120可以构成为对电流电压转换器110的输出电压进行放大。在实施例中，放大器可以是可变增益放大器。例如，可变增益放大器可以是可编程增益放大器(programmable gain amplifier；PGA)。
比较器130可以构成为比较放大器120的输出电压和基准值，从而产生接收脉冲。
基准值选择器140可以构成为选择多个基准值TH1、TH2、TH3中的一个。在实施例中，基准值选择器140可以基于事先设定的算法，连续(或者依次)选择并输出多个基准值TH1、TH2、TH3。
在实施例中，基准值选择器140可以连续变更与连续的多个接收脉冲中的每一个对应的不同的基准值。其中，连续的多个接收脉冲与从目标反射的连续的多个发送脉冲对应。
在实施例中，基准值选择器140可以响应从比较器130输出的接收脉冲来变更基准值。在其它实施例中，基准值选择器140可以以一定的时间间隔输出多个基准值TH1、TH2、TH3。图1示出的多个基准值TH1、TH2、TH3的数量是三个，但是，本发明的基准值的数量并不限定于三个。
时间数字转换器TDC 150可以构成为对发送脉冲和接收脉冲之间的TOF(time-of-flight)时间进行计数，并输出计数值。例如，时间数字转换器150可以构成为在从物体传输发送脉冲的时刻起到从比较器130接收到输出值为止的接收时刻为止的时间期间进行计数。在实施例中，时间数字转换器150可以包括高速的计数器。
温度传感器160可以构成为测量距离检测传感器100的温度。
数字信号处理器DSP 170可以构成为按照从时间数字转换器150输出的计数值，计算到物体的距离。并且，数字信号处理器170可以构成为按照温度传感器160测量到的温度，对算出的距离进行校正。
一般情况下，在距离检测传感器的内部电路中，使用用于测量TOF的距离检测电路(TIA/比较器/TDC)，这些电路中存在无法感应被反射的信号的大小变化的限制。由此，在被反射的信号变小时，由于设定的阈值，出现时间上的扭曲。将其称为时间漫游(time walk)错误，并产生与其对应的距离扭曲。
相反，根据本发明实施例的距离检测传感器100在发送端(未图示)发送三个以上的发送脉冲，并且接收与多个发送脉冲对应的多个反射脉冲，对于接收到的三个以上的接收脉冲，变更每一个接收脉冲的基准值TH1、TH2、TH3，并且存储变更的每一个基准值的时间戳(time stamp)，由此计算二次函数极大值，通过算出的脉冲的最大值(peak)中的时间值，实现时间漫游(time walk)错误的最小化。
图2是示例性示出根据本发明实施例的时间数字转换器150中感应TOF的方法的时序图。
距离检测传感器100通过TIA110将以电流信号方式输入的传感器信号转换为电压信号后，利用用于实现细微的信号放大的可变增益放大器120，放大信号，将放大后的信号与比较器130的基准值进行对比，转换为High/Low信号，传递转换后的信号作为时间数字转换器TDC 150的输入。这时，作为传递的信号的间隔，如图2示出，可以感应TOF时间。在实施例中，TOF时间可以是通过精密的计数器计数的值。图2示出的TOF可以是从开始脉冲的上升时刻起到结束脉冲的上升时刻。其中，开始脉冲是发送脉冲，结束脉冲是接收脉冲。
图3是示例性示出根据本发明实施例的通过比较器130前与后的时序的图。在图3的(a)示出了在通过比较器130前的连续的多个发送脉冲和与其对应的接收到的多个反射脉冲。与发送脉冲相比，接收到的多个反射脉冲的振幅变小。
在图3的(b)示出了基于通过比较器130后连续选择的多个基准值TH1、TH2、TH3的多个接收脉冲。在实施例中，基准值的变更时刻可以是前一基准值的下降(falling)时刻。但是，不应该理解为基准值的变更时刻限定于此。例如，可以考虑连续产生发送脉冲的时间来连续变更基准值TH1、TH2、TH3。
图4是示出根据本发明实施例的数字信号处理器170中计算检测信号的峰值时间的过程的图。参照图4，对于从比较器130输出的信号、即接收脉冲完成二次函数(y＝at2+bt+c)，利用这样的二次函数，对于输入信号的最大值(peak)地点，可利用y'＝2at+b(二次函数的微分值)算出时间值(tpeak＝-b/2a)。
对于输入信号的二次函数的数学式如下。
其中，V0、V1、V2是基准值(图3示出的TH1、TH2、TH3)。因此，峰值时间(tpeak)可表示为下面的数学式。
根据本发明实施例的距离检测传感器100，降低对于信号振幅缩小的距离误差，在构成TDC时只检测上升沿，从而减小电路的大小，利用三个以上的脉冲，改变基准值，针对变更的每一个基准值，存储时间信息，由此可以完成二次函数。
图5是示例性示出根据本发明实施例的距离检测传感器100的工作方法的图。参照图1至图5，距离检测传感器100可以进行如下动作。
可以将连续的多个发送脉冲传输给目标(S110)。可通过距离检测传感器100内部的感光元件接收从目标反射的脉冲、即多个检测信号。在基准值选择器140中变更与接收到的多个检测信号中的每一个分别对应的基准值(S120)。比较器130比较通过感光元件接收到的检测信号和通过基准值选择器140变更的基准值，从而可以输出与TOF时间对应的数字值(S130)。数字信号处理器170根据基于变更后的多个基准值接收的TOF数字值，可以计算检测信号的TOF峰值时间(S140)。数字信号处理器170利用TOF峰值时间以及温度，可以计算/校正到目标的距离(S150)。
本领域技术人员可以理解根据本发明的步骤以及/或者动作可以按照其它顺序或者同时实施，或者为了其它时期(epoch)等而在其它实施例中同时实施。
在一些实施例中，步骤以及/或者动作中的一部分或者全部可以使用存储在一个以上的非临时性计算机可读介质中的指令、程序、交互式数据结构(interactive datastructure)、驱动客户端以及以及/或者服务器的一个以上的处理器，实现或者执行至少一部分。一个以上的非临时性计算机可读介质可以是例如软件、固件、硬件以及或者它们的任意组合。并且，在本说明书中探讨的“模块”的功能可通过软件、固件、硬件以及或者它们的任意组合实现。
用于实现/执行本发明的实施例中的一个以上的动作/步骤/模块的一个以上的非临时性计算机可读介质以及/或者手段可以包括但不限定于ASICs(application-specificintegrated circuits：应用型专用集成电路)、标准集成电路、包括微控制器在内的执行适当的指令的控制器以及/或者嵌入式控制器、FPGAs(field-programmable gate arrays：现场可编程门阵列)、CPLDs(complex programmable logic devices：复杂可编程逻辑器件)以及与其等同的。
根据本发明实施例的距离检测传感器100发送多个发送脉冲，并且在接收与多个发送脉冲对应的多个接收脉冲时，使得基准值不同，从而能够补偿时间变化。另一方面，根据本发明实施例的距离检测传感器100可以应用于车辆用LIDAR(light detection andranging：激光雷达)系统。
另一方面，上述的本发明的内容只是用于实施发明的具体的实施例。本发明除了包括具体的实际可以利用的手段本身，还包括可以用作未来技术的抽象和概念性的构想的技术构思。

Claims (13)

1.一种距离检测传感器，包括：
电流电压转换器，将与从目标反射的检测信号对应的电流转换为电压；
放大器，对所转换的电压进行放大；
比较器，比较所述放大器的输出值和基准值，从而产生接收脉冲；
基准值选择器，从多个基准值中选择一个作为所述基准值；以及
时间数字转换器，响应从所述比较器输出的接收脉冲而计算飞行时间的时间，
其中，所述基准值选择器在前一个接收脉冲的下降时刻对与连续的多个接收脉冲中的每一个分别对应的彼此不同的基准值进行连续变更。
2.根据权利要求1所述的距离检测传感器，还包括
感光元件，用于产生所述检测信号。
3.根据权利要求1所述的距离检测传感器，其中，
所述电流电压转换器包括跨阻抗放大器。
4.根据权利要求1所述的距离检测传感器，还包括
电容器和电阻，并联连接在所述电流电压转换器的输入端与输出端之间。
5.根据权利要求1所述的距离检测传感器，其中，
所述时间数字转换器包括计数器，所述计数器在发送脉冲与接收脉冲之间进行计数。
6.根据权利要求5所述的距离检测传感器，其中，
所述计数器从所述发送脉冲的上升时刻起到所述接收脉冲的上升时刻为止进行计数。
7.根据权利要求1所述的距离检测传感器，其中，
将与所述连续的多个接收脉冲对应的连续的多个发送脉冲传输到所述目标，
所述连续的多个发送脉冲是三个以上。
8.根据权利要求1所述的距离检测传感器，还包括
数字信号处理器，计算并存储与所述连续的多个发送脉冲中的每一个对应的飞行时间的时间。
9.根据权利要求8所述的距离检测传感器，其中，
所述数字信号处理器根据所述飞行时间的时间计算峰值时间，并且利用所述峰值时间计算与所述目标的距离。
10.根据权利要求8所述的距离检测传感器，还包括
温度传感器，用于测量温度，
其中，所述数字信号处理器利用所述温度而补偿所述距离。
11.一种距离检测传感器的工作方法，包括以下步骤：
将连续的多个发送脉冲传输到目标；
变更与多个所述发送脉冲中的每一个对应的基准值；
基于所变更的基准值连续接收与多个所述发送脉冲中的每一个对应的信号；
根据与连续的多个所述发送脉冲中的每一个对应的所接收的连续接收脉冲计算飞行时间的峰值时间；以及
根据所述飞行时间的峰值时间计算与所述目标的距离，
其中，变更所述基准值包括在前一个接收脉冲的下降时刻对与连续的多个接收脉冲中的每一个分别对应的基准值进行连续变更。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
从感光元件接收与多个所述发送脉冲中的每一个对应的检测信号；
将与所接收的多个检测信号中的每一个对应的电流转换为电压；以及
对所转换的多个电压进行放大。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
测量温度；以及
根据所测量的温度补偿所述距离。
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