CN110687520B - Mems振荡结构不对称和周期性抖动的检测和补偿 - Google Patents

Mems振荡结构不对称和周期性抖动的检测和补偿 Download PDF

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Abstract

本公开涉及MEMS振荡结构不对称和周期性抖动的检测和补偿，提供了用于补偿误差的系统和方法。一种系统包括：微机电系统(MEMS)振荡结构，被配置为围绕旋转轴振荡；相位误差检测器，被配置为基于围绕旋转轴振荡的MEMS振荡结构的测量事件时间和期望事件时间来生成相位误差信号；以及补偿电路，被配置为接收相位误差信号，去除相位误差信号中的周期性抖动分量以生成补偿相位误差信号，并输出补偿相位误差信号。

Description

MEMS振荡结构不对称和周期性抖动的检测和补偿
相关申请的交叉参考
本申请要求2018年7月6日提交的美国第62/694,562号的权益，其全部内容通过引证并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及微机电系统(MEMS)振荡系统及其操作方法，更具体地，涉及检测和补偿MEMS信号中的周期性抖动分量。
背景技术
光检测与测距(LIDAR)是一种远程感测方法，其使用脉冲激光形式的光来测量相对于视场中的一个或多个对象的范围(可变距离)。具体地，微机电系统(MEMS)反射镜用于跨视场扫描光。光电检测器的阵列接收来自被光照射的对象的反射，并确定反射到达光电检测器阵列中的各个传感器所需的时间。这也被称为测量飞行时间(TOF)。LIDAR系统形成深度测量，并基于飞行时间计算将距离映射到对象来进行距离测量。因此，飞行时间计算可以创建距离和深度地图，其可用于生成图像。
在特定共振频率下操作的MEMS反射镜被各种系统性和非系统性误差源所影响。导致MEMS反射镜的位置检测的周期性抖动的两个主要误差源是：所制造MEMS反射镜的不对称以及由用于补偿用于检测MEMS反射镜的位置的系统电路装置中的运算放大器(op amps)中的偏移误差的斩波器引入的斩波误差。
MEMS反射镜的不对称是在制造时引入的反射镜结构中的不对称的结果。当从左侧移动到右侧时，这些不对称导致零交叉事件中的不同定时。这会导致显著的激光射击/指向误差。
此外，由于MEMS反射镜以周期性方式进行操作，所以斩波可用于运算放大器中的偏移误差的补偿。经由斩波进行的电压/电流偏移补偿会导致产生周期性抖动的周期电压。因此，周期性抖动可由反射镜的不对称以及斩波引起。
这些问题会导致期望的反射镜位置与测量位置之间的失配。由于反射镜位置的精确测量和估计对于基于MEMS的LIDAR系统来说是重要的，所以重要的是能够检测和补偿反射镜的驱动专用集成电路(ASIC)内的系统性和非系统性误差源。
因此，期望能够检测和补偿这些周期性抖动误差的改进设备。
发明内容
实施例提供了微机电系统(MEMS)反射镜扫描系统及其操作方法，并且更具体地，检测和补偿MEMS信号中的周期性抖动分量。
一种系统包括：MEMS振荡结构，被配置为围绕旋转轴振荡；相位误差检测器，被配置为基于围绕旋转轴振荡的MEMS振荡结构的测量事件时间和期望事件时间来生成相位误差信号；以及补偿电路，被配置为接收相位误差信号，去除相位误差信号中的周期性抖动分量，以生成补偿相位误差信号，并输出补偿相位误差信号。
一种补偿误差的方法包括：驱动被配置为围绕旋转轴振荡的MEMS振荡结构；基于围绕旋转轴振荡的MEMS振荡结构的测量事件时间和期望事件时间来生成相位误差信号，其中相位误差信号包括周期性抖动分量；通过从相位误差信号中去除周期性抖动分量来生成补偿相位误差信号；以及输出补偿相位误差信号。
一种光检测与测距(LIDAR)系统包括：LIDAR光源，被配置为生成LIDAR光束；MEMS振荡结构，被配置为围绕旋转轴振荡，并且将LIDAR光束传输到视场中；光电检测器阵列，被配置为检测来自视场的反射LIDAR光束，并基于反射LIDAR光束生成电信号；误差检测器，被配置为监控并检测与MEMS振荡结构的振荡相关联的误差，并且基于检测的误差生成误差信号；以及补偿电路，被配置为接收误差信号，并且基于误差信号主动补偿误差。
附图说明
本文参照附图来描述实施例。
图1是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统100的示意图；
图2是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统200的示意性框图；
图3示出了根据一个或多个实施例的MEMS驱动器ASIC的示意性框图；
图4示出了根据一个或多个实施例的未补偿PLL误差光谱；
图5示出了根据一个或多个实施例的补偿PLL误差光谱；
图6示出了根据一个或多个实施例的周期性抖动补偿电路的示意性框图；以及
图7示出了根据一个或多个实施例的不对称误差信号随时间的曲线图。
具体实施方式
以下，将参考附图详细描述各种实施例。应该注意，这些实施例仅用于说明的目的而不用于限制。例如，虽然可以将实施例描述为包括多个特征或元素，但这并不意味着实现实施例需要所有这些特征或元素。相反，在其他实施例中，一些特征或元素可以省略，或者可以被替代特征或元素来替换。此外，除明确示出和描述的特征或元件外，还可提供其他特征或元件，例如传感器设备的常规元件。
除非另有特别说明，否则可将来自不同实施例的特征组合以形成又一些实施例。相对于一个实施例描述的变化或修改也可适用于其他实施例。在一些情况下，为了避免模糊实施例，以框图形式而不是详细地示出众所周知的结构和设备。
除非另有说明，否则图中所示或本文所述的元件之间的连接或耦合可以是基于导线的连接或无线连接。此外，这种连接或耦合可以是直接连接或耦合而不需要附加的中间元件，或者可以是具有一个或多个附件中间元件的间接连接或耦合，只要连接或耦合的一般目的(例如，传输特定种类的信号或传输特定种类的信息)基本保持即可。
实施例涉及光学传感器和光学传感器系统、以及获取有关光学传感器和光学传感器系统的信息。传感器可以表示将要被测量的物理量转换为电信号(例如，电流信号或电压信号)的部件。例如，物理量可包括电磁辐射(例如，可见光、红外(IR)辐射)或其他类型的照射信号、电流或电压，但不限于此。例如，图像传感器可以是相机内的硅芯片，其将来自透镜的光的照片转换成电压。传感器的有效面积越大，可被收集以创建图像的光就越多。
本文使用的传感器设备可以表示包括传感器和其他部件(例如，偏压电路装置、模数转换器或滤波器)的设备。传感器设备可集成在单个芯片上，尽管在其他实施例中，可以使用多个芯片或者还使用芯片外的部件来用于实施传感器设备。
在LIDAR系统中，源将光脉冲和/或光束传输到视场中，并且光通过反向散射从一个或多个对象反射。具体地，LIDAR是直接飞行时间(TOF)系统，其中光脉冲(例如，红外光的激光脉冲)被发射到视场中，并且像素阵列检测和测量反射脉冲。例如，光电检测器的阵列接收来自被光照射的对象的反射。
然后，跨像素阵列的多个像素的每个光脉冲的返回时间差可用于制作环境的数字3D表示或生成其他传感器数据。例如，光源可以发射单个光脉冲，并且电耦合至像素阵列的时间-数字转换器(TDC)可以从光脉冲被发射的时间到反射光脉冲在接收器(即，在像素阵列处)处被接收的时间进行计数。然后，光脉冲的“飞行时间”被转换为距离。
诸如振荡水平扫描(例如，从视场的左到右和从右到左)的扫描可以连续扫描方式照射场景。通过在不同的扫描方向上发射连续的光脉冲，可以扫描被称为“视场”的区域，并且可以检测和成像该区域内的对象。也可以使用光栅扫描。
图1是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统100的示意图。LIDAR扫描系统100是光学扫描设备，其包括：发射器，包括照射单元10、发射器光学器件11和一维(1D)微机电系统(MEMS)反射镜12；以及接收器，包括第二光学部件14和光电检测器检测阵列15。
照射单元10包括多个光源(例如，激光二极管或发光二极管)，它们以单条形式线性地对齐并且被配置为发射用于扫描对象的光。由光源发射的光典型是红外光，尽管还可以使用具有其他波长的光。从图1的实施例可以看出，由光源发射的光的形状在垂直于发射方向的方向上扩展，以形成与发射垂直的具有长方形的光束。从光源发射的照射光朝向发射器光学器件11引导，发射器光学器件11被配置为将每个激光聚焦到一维MEMS反射镜12上。例如，发射器光学器件11可以是透镜或棱镜。当被MEMS反射镜12反射时，来自光源的光被垂直对齐，以形成红外光的一维垂直扫描线或红外光的垂直条。照射单元10的每个光源都有助于垂直扫描线的不同垂直区域。虽然示出了五个激光源，但应理解，激光源的示例不限于此。例如，可以通过单个激光源、两个激光源等生成垂直扫描线。还应理解，光源可以矩阵形式来布置。
MEMS反射镜12是集成在半导体芯片(未示出)上的机械移动反射镜(即，MEMS微反射镜)。根据该实施例的MEMS反射镜12被配置为围绕单轴旋转，并且对于移动来说可以仅具有一个自由度。由于该单轴的旋转，MEMS反射镜12被称为1D MEMS反射镜。
MEMS反射镜12被配置为围绕单个扫描轴13“从一侧到另一侧”振荡，使得从MEMS反射镜12反射的光(即，光的垂直扫描线)在水平扫描方向上来回振荡。在第一旋转方向上旋转(即，从左侧到右侧)的MEMS反射镜12可以表示围绕扫描轴13的顺时针旋转，而在第二旋转方向上的旋转(例如，从右侧到左侧)可以表示围绕扫描轴13的逆时针旋转。
例如，扫描包括通过从视场的第一边缘(例如，左侧)振荡到视场的第二边缘(例如，右侧)、然后再次回到第一边缘的一个完整振荡来定义扫描周期或振荡周期。MEMS反射镜12的反射镜周期对应于扫描周期。
由此，通过改变MEMS反射镜12在其扫描轴13上的角度，通过垂直光条在水平方向上扫描视场。例如，MEMS反射镜12可以被配置为在+/-15度之间振荡，以在组成视场的扫描范围的30度上操控光。由此，通过MEMS反射镜12通过其运动程度的旋转，逐线地扫描视场。通过运动程度的一个这种序列(例如，从-15度到+15度)被称为单个扫描或单个扫描循环。多个扫描可用于通过处理单元生成距离和深度地图以及3D图像。深度地图和图像的水平分辨率取决于MEMS反射镜12在扫描之间所取的旋转角度的递增步长的大小。
虽然在MEMS反射镜的上下文中描述了发射反射镜，但应理解，还可以使用过其他1D反射镜。此外，运动程度不限于+/-15度，并且可以根据应用增加或减小视场。
在撞击一个或多个对象时，垂直光的发射条朝向LIDAR扫描系统100反射回，其中第二光学部件14(例如，透镜或棱镜)接收反射光。第二光学部件14将反射光引导到光电检测器检测阵列15上，光电检测器检测阵列15被配置为生成电测量信号，电测量信号可用于基于反射光(例如，经由TOF计算和处理)生成环境的3D地图和/或其他对象数据。
光电检测器阵列15可以是任何数量的光电检测器类型；包括雪崩光电二极管(APD)、光电单元和/或其他光电二极管器件。诸如电荷耦合器件(CCD)的成像传感器可以是光电检测器。在本文提供的示例中，光电检测器阵列15是二维(2D)APD阵列，其包括APD像素的阵列。在其他实施例中，光电检测器阵列15可以是包括单列光电二极管的1D阵列。光电二极管的激活可与由照射单元10发射的光脉冲同步。
光电检测器阵列15接收反射光脉冲，并响应于此生成电信号。由于来自照射单元10的每个光脉冲的发射时间已知，并且因为光以已知速度行进，所以使用电信号的飞行时间计算可以确定对象与光电检测器阵列15的距离。深度地图可以绘制距离信息。
在一个示例中，对于每个距离采样，微控制器触发来自照射单元10的每个光源的激光脉冲，并且还启动时间-数字转换器(TDC)集成电路(IC)中的定时器。激光脉冲通过发射光学器件传播，被目标场反射，并且被APD阵列15的APD捕获。APD发射短电脉冲，其随后被电信号放大器放大。比较器IC识别脉冲并将数字信号发送至TDC，以停止定时器。TDC使用时钟频率以校准每个测量。TDC将启动和停止数字信号之间的差分时间的串行数据发送至微控制器，微控制器过滤掉任何误差读数，平均多个时间测量并计算该特定场位置处与目标的距离。通过在由MEMS反射镜建立的不同方向上发射连续的光脉冲，可以扫描区域，可以生成三维图像，并且可以检测区域内的对象。
图2是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统200的示意性框图。具体地，图2示出了LIDAR扫描系统200的附加特征，包括示例处理和控制系统部件，诸如MEMS驱动器ASIC、接收器电路和系统控制器。
LIDAR扫描系统200包括负责系统200的发射器路径的发射器单元21以及负责系统200的接收器路径的接收器单元22。该系统还包括系统控制器23，其被配置为控制发射器单元21和接收器单元22的部件，并且接收来自接收器单元22的原始数据并对其执行处理(例如，经由数字信号处理)，用于生成对象数据(例如，点云数据)。因此，系统控制器23包括用于处理数据的至少一个处理器和/或处理器电路装置以及被配置为生成控制信号的控制电路装置(诸如微控制器)。
接收器单元22包括光电检测器阵列15以及接收器电路24。接收器电路24可以包括用于接收和/或处理信息的一个或多个电路或子电路。接收器电路24可以接收来自光电检测器阵列15的APD二极管的模拟电信号，并且将电信号作为原始模拟数据或原始数字数据传输至系统控制器23。为了将原始数据作为数字数据传输，接收器电路24可以包括模拟转换器(ADC)和现场可编程门阵列(FPGA)。接收器电路24还可以接收来自系统控制器23的触发控制信号，其触发一个或多个APD二极管的激活。接收器电路24还可以接收用于控制一个或多个APD二极管的增益的增益设置控制信号。
发射器单元21包括照射单元10、MEMS反射镜12以及被配置为驱动MEMS反射镜12的MEMS驱动器ASIC 25。具体地，MEMS驱动器ASIC 25致动并感测反射镜的旋转位置，并且将反射镜的位置信息(例如，围绕旋转轴的旋转度)提供给系统控制器23。基于该位置信息，照射单元10的激光源被系统控制器触发，并且光电二极管(例如，APD二极管)被激活以感测、并由此测量反射光信号。因此，MEMS反射镜的位置感测的较高精度引发LIDAR系统的其他部件更加精确的控制。
通过感测MEMS反射镜12围绕其旋转轴13的旋转位置，MEMS驱动器ASIC 25可以感测MEMS反射镜12的零交叉事件。零交叉事件是当MEMS反射镜12在其旋转轴13上具有0°的旋转角度的情况。具体地，这是MEMS反射镜12平坦的时刻。由于MEMS反射镜12在两个旋转方向之间来回振荡，所以在扫描周期期间发生两次零交叉事件(一次是反射镜在第一旋转方向上振荡，而一次是反射镜在第二旋转方向上振荡)。
在一些实施例中，事件时间可以对应于零交叉事件。例如，感测的旋转角度可以是0°之外的一些角度。然而，出于解释的目的，本文的示例将在感测零交叉事件的上下文中进行描述。
MEMS驱动器ASIC 25被配置为检测每个零交叉事件，并且记录每个事件的定时。随后，可通过MEMS驱动器ASIC 25将定时信息(例如，测量的零交叉时间)与用于每个零交叉的期望零交叉时间进行比较，以检测MEMS反射镜12相对于两个旋转方向的移动的不对称。例如，由于反射镜的不对称，反射镜的顺时针通过可快于或慢于反射镜的逆时针通过。MEMS驱动器ASIC 25还可以向系统控制器23发送位置信息，使得系统控制器23可以使用位置信息来控制照射单元10的激光脉冲的触发以及光电检测器阵列15的光电二极管的激活。
MEMS反射镜12包括用于驱动反射镜的致动器结构。致动器结构包括由相互交叉的反射镜梳状部和框架梳状部(通过MEMS驱动器ASIC 25施加驱动电压(例如，100V))组成的交叉指状电极。施加给指状结构的驱动电压生成对应电容。指状结构两端的驱动电压在相互交叉的反射镜梳状部和框架梳状部之间创建驱动力，这在反射镜本体上创建围绕旋转轴的扭矩。驱动电压可以在开和关之间切换或转换，产生振荡驱动力。振荡驱动力使得反射镜在其旋转轴上在两个极值之间来回振荡。随着反射镜振荡，指状电极之间的电容根据反射镜的旋转位置而改变。MEMS驱动器ASIC 25被配置为测量相互交叉的指状电极之间的电容，并且根据其确定MEMS反射镜12的旋转位置和角度位置。通过监控电容，MEMS驱动器ASIC 25可以检测零交叉事件及其定时。
如将要进一步详细描述地，基于被配置为测量电容的反射镜相位误差检测器来执行MEMS反射镜12的位置的感测。例如，随着MEMS反射镜移动，指状结构的几何形状变化，导致电容几何的变化。随着电容几何的变化，电容本身发生变化。由此，特定的电容与MEMS反射镜的特定位置(即，旋转角度)直接对应。通过感测指状结构的电容，可以确定MEMS反射镜的具体位置。
测量电容的一种方式是测量流过指状结构的电流，将测量的电流转换为电压，然后进一步使电压与电容和/或旋转角度相关。然而，可以使用测量电容的任何方法。还通过测量电容随时间的变化来检测旋转方向(例如，正或负、左到右或右到左、顺时针或逆时针等)，其中正或负改变指示相对的旋转方向。
如上所述，增加反射镜的位置感测的精度可以提高LIDAR系统的总体精度。例如，精度要求可要求激光器在垂直目标线的+/-2毫度内(即，4毫度的范围内)发射，同时反射镜在例如2kHz的频率处振荡。这转换为近似20纳秒的可接受定时误差或误差预算，其中激光必须在反射镜处发光以符合与目标线+/-2毫度内的规定。因此，反射镜的位置的精确感测是非常重要的，以满足该要求。
由于反射镜在设置的振荡频率下被驱动，所以当反射镜在第一旋转方向(例如，左到右或顺时针)上旋转时，其在特定时间点处与零位置(即，0°)相交。同样的道理，当反射镜在第二旋转方向(例如，右到左或逆时针)上旋转时，反射镜将在特定时间点处与零位置相交。与零位置相交的这些情况可以被称为零交叉事件，其发生在零交叉时间处。
然而，由于制造期间引入的可变形以及由于反射镜的老化，会存在反射镜的不对称，并且会随时间变化。这些不对称引起第一旋转方向上的移动与第二旋转方向上的移动之间的定时差。换句话说，两个零交叉(其中，两个零交叉中的后者在第一旋转方向上)之间的时间间隔会不同于两个零交叉中的后者在第二旋转方向上的时间间隔。此外，一个或两个零交叉会偏离基于振荡频率计算的期望零交叉。
图3示出了根据一个或多个实施例的MEMS驱动器ASIC的示意性框图。MEMS驱动器ASIC 25包括布置成环路的模拟核31、相位误差检测器32、误差检测和补偿单元33、环路滤波器34、数字控制振荡器(DCO)35以及反射镜驱动器36。该环路与MEMS反射镜12一起形成锁相环(PLL)，其跟随MEMS反射镜12的频率。MEMS驱动器ASIC 25还包括方向信号发生器37和斩波信号发生器38。然而，应理解，方向信号发生器37和斩波信号发生器38还可以设置在MEMS驱动器ASIC 25外部。MEMS驱动器ASIC 25经由用于在其间传输信号的电连接与MEMS反射镜12和系统控制器23进行电通信。
因此，MEMS驱动器ASIC 25实施模拟电路装置和数字电路装置。模拟电路装置(即，模拟核31)包括连接至MEMS反射镜12的输入和输出。例如，模拟核31的一个或多个输入可以接收来自MEMS反射镜12的与反射镜的位置和旋转方向相关的模拟信号。此外，模拟核31的一个或多个输出可以向MEMS反射镜12提供用于控制反射镜的振荡的控制信号。
模拟核31包括模拟电路装置，其被配置为测量MEMS反射镜致动器的指状结构的电容，以在比较器的帮助下测量定时临界事件(诸如零交叉)。因此，模拟电路装置测量MEMS反射镜12围绕旋转轴的位置，并且确定第一旋转方向和第二旋转方向上的零交叉时间。模拟电路装置还被配置为生成与MEMS反射镜12的旋转方向(例如，顺时针或逆时针)相关的方向信息DL1L和DL1R。剩余的数字电路实施芯片的智能(反射镜的控制、激光脉冲触发、光电二极管激活触发等)。该方法能够实现数字信号处理解决方案，以检测随后可被补偿的系统性和非系统性误差源。
模拟核31被配置为生成和输出MEMS反射镜12的测量零交叉时间ZCmeas，其被相位误差检测器32所接收。模拟核31还被配置为将与MEMS反射镜12的旋转方向(例如，顺时针或逆时针)相关的方向信息DL1L和DL1R提供给方向信号发生器37，方向信号发生器37被配置为基于方向信息DL1L和DL1R生成方向信号d(n)(例如，+1或-1)。
相位误差检测器32被配置为接收来自模拟核31的测量零交叉时间ZCmeas和来自反射镜驱动器36的参考零交叉时间ZCref。参考零交叉时间ZCref是基于反射镜的振荡频率的MEMS反射镜12的期望零交叉时间。通过反射镜驱动器36(即，通过PLL)生成参考零交叉时间ZCref。
相位误差检测器32包括比较器电路装置，其被配置为将测量的(实际)零交叉时间ZCmeas与参考零交叉时间ZCref进行比较，并且输出它们的差值。因此，相位误差检测器被配置为将测量的零交叉时间与期望的零交叉时间进行比较，并且生成表示测量的零交叉时间和期望零交叉时间之间的差值的误差信号p(n)。换句话说，相位误差信号p(n)表示测量的零交叉时间ZCmeas与参考零交叉时间ZCref之间的相位误差。针对MEMS反射镜12的每个零交叉，主动地(actively)输出相位误差信号p(n)。
例如，如果测量零交叉时间和期望零交叉时间相等，则相位误差信号p(n)将为零。否则，相位误差信号将是与测量零交叉时间与期望零交叉时间之间的差值相对应的非零值。
此外，针对反射镜的两个旋转方向生成相位误差信号p(n)。例如，在存在不对称的情况下，相位误差检测器32可以生成具有与第一旋转方向相对应的值+3的相位误差信号p(n)，并且可以生成具有与第二旋转方向相对应的值-3的相位误差信号p(n)。只要该值对于两个旋转方向不相等，就存在不对称。
MEMS反射镜的每次通过(即，从左到右或右到左)生成用于相位误差信号p(n)的值。具体地，在MEMS反射镜12通过零交叉的任何时间，测量零交叉的定时，并且基于与期望零交叉时间的比较来生成相位误差信号p(n)。因此，PLL误差光谱表示相位检测器随时间的输出(即，相位误差信号随时间变化)。
例如，如图4所示，相位误差信号p(n)可以表示为被比较零交叉定时(即，测量零交叉时间相对于期望零交叉时间)的PLL误差光谱(傅里叶变换)。
第一旋转方向上的零交叉时间偏差可以不同于第二旋转方向上的零交叉时间偏差。因此，用于第一旋转方向上的零交叉时间的相位误差信号p(n)可以不同于用于第二旋转方向上的零交叉时间的相位误差信号p(n)。零交叉定时的这种不对称在PLL误差光谱中产生周期性抖动分量41。由于零交叉定时中的这种不对称，需要符合精度要求的误差预算的至少一部分会被消耗。因此，期望从相位误差检测器32的输出中去除这种误差，使得误差不被引入MEMS反射镜12的位置信息中。
此外，斩波是用于补偿在LIDAR系统的模拟核31中使用的运算放大器的模拟偏移的技术。斩波信号发生器38生成斩波信号g(n)(例如，+1或-1)。然而，该斩波信号还可以将周期性误差引入由相位误差检测器生成的PLL误差光谱中。图4所示的这些周期性抖动分量42还被称为斩波误差，也应该从相位误差检测器32的输出中去除来提高MEMS反射镜12的位置信息的精度。
由反射镜的不对称和由斩波引起的误差都被基于周期性被引入到PLL误差光谱中作为周期性抖动。在图4中，这些抖动分量41和42被示为相位误差信号p(n)的PLL误差光谱中的异常峰值。
误差检测和补偿单元33被配置为接收来自相位误差检测器32的相位误差信号p(n)，检测周期性抖动分量41和42，从相位误差信号p(n)中去除周期性抖动分量41和42以生成补偿后的相位误差信号pcorr(n)。误差检测和补偿单元33还接收来自方向信号发生器37的方向信号d(n)和来自斩波信号发生器38的斩波信号g(n)。
补偿后的相位误差信号pcorr(n)在图5中被示为补偿后的PLL误差光谱，其中不具有周期性抖动分量41和42。这有效地减少了PLL的抖动，这能够实现感测和控制MEMS反射镜12更高的精度以及控制照射单元10更高的精度。具体地，从相位误差信号p(n)中去除周期性抖动分量41和42能够实现更精确的反射镜位置信令(即，反射镜位置信息)，这能够实现更精确的激光射击和反射镜的更精确的控制。此外，MEMS反射镜12的寿命行为预测可以基于分析由MEMS反射镜12的不对称引起的周期性抖动分量41来进行。
误差检测和补偿单元33包括DSP结构，其由被耦合以形成被配置为检测和补偿周期性抖动分量的信号处理链的电路装置逻辑(例如，加法器、减法器、乘法器、积分器、触发器等)组成。具体地，DSP结构被配置为测量和补偿反射镜不对称和斩波引入的周期性抖动的两种主要误差源。
图6示出了根据一个或多个实施例的误差检测和补偿单元33的周期性抖动补偿电路的示意性框图。如图所示，周期性抖动补偿电路是一种可能的DSP结构。然而，应理解，DSP结构不限于所示电路，并且其他电路配置也是可以的。
图6所示的DSP结构的概念可以通过差分方程(1)的系统来描述。
这里，K1是与d(n)的频率相关的因子，以及K2是与g(n)的频率相关的因子。此外，(n)表示当前的零交叉，以及(n-1)表示先前的零交叉(即，当前零交叉之前的最后一个零交叉)。
该系统具有三个输入信号：相位误差信号p(n)、斩波信号g(n)和方向信号d(n)。信号g(n)是斩波信号，其是具有可配置周期的周期信号，并且是反射镜振荡周期的多倍。方向信号d(n)是反射镜方向信号，其是具有与反射镜振荡周期匹配的周期的周期性信号。方向信号d(n)表示关于反射镜移动方向(即，反射镜是从左到右移动还是从右到左移动)的信息。
该系统还包括三个输出信号：周期性误差信号perr(n)、不对称误差信号aerr(n)和补偿后的相位误差信号pcorr(n)。周期性误差信号perr(n)包括由斩波技术引起的提取周期性抖动分量42，而不对称误差信号aerr(n)包括由反射镜不对称引起的提取周期性抖动分量41。
换句话说，通过根据左/右方向信息d(n)或斩波信息g(n)对先前与+1/-1相乘的相位误差信号p(n)进行积分来进行相位误差信号p(n)的周期性抖动分量的检测和补偿。积分信号除以因子N/K，再次与左/右或斩波信息相乘，并且最后与相位误差信号p(n)相加。这里，N是整数，以及K为K1或K2。因此，可以获得校正后的误差信号pcorr(n)以及误差信号的周期性抖动分量的值(即，周期性误差信号perr(n)和不对称误差信号aerr(n))。
如图6所示，相位误差信号p(n)被输入加法器(或减法器)60，其从中减去反馈误差信号fb(n)。所得到的信号是校正后的相位检测器信号pcorr(n)，其随后通过两个不同的信号路径被馈送。第一(顶部)信号路径生成代表由斩波器引入的周期性抖动分量42的周期性误差信号perr(n)/N。第二(底部)信号路径生成代表由于第一和第二方向的零交叉时间之间的不对称(即，差值)引入的误差的不对称误差信号aerr(n)/K。如上所述，不对称误差信号aerr(n)/K也是周期性的。
第一(顶部)信号路径还考虑由+1或-1表示的斩波信号g(n)，其用于补偿LIDAR系统的模拟电路装置中的运算放大器。因此，斩波信号g(n)被误差检测和补偿单元33接收，并且如图所示被用于第一信号路径。因此，周期性误差信号perr(n)/N经由乘法器61根据斩波信号g(n)而改变(例如，乘以+1/-1)。该信号通过加法器62与通过积分器63生成的其积分值相加，随后通过除法器64除以K1的值。除法器64的输出是周期性误差信号perr(n)/N，其可被系统控制器23用于控制激光器的定时和APD像素的激活。乘法器65反转先前由乘法器61引起的信号的任何反转。
总之，相位误差信号p(n)与斩波信号g(n)组合，与其积分信号相加，并且除以因子K1。
第二(底部)路径考虑由+1或-1表示的反射镜的旋转方向(例如，向左或向右旋转)。因此，方向信号d(n)被误差检测和补偿单元33接收，并且如图所示被用于第二信号路径。因此，不对称误差信号aerr(n)/K经由乘法器71根据方向信号d(n)而改变(例如，乘以+1/-1)。通过加法器72将该信号与由积分器73生成的其积分值相加，然后通过除法器74除以K2的值。除法器74的输出是不对称误差信号aerr(n)/K，其可被系统控制器23用于控制激光器的定时、APD像素的激活定时和/或检测MEMS反射镜12的老化。乘法器75反转先前由乘法器71引起的信号的任何反转。
总之，相位误差信号p(n)与方向信号d(n)组合，与其积分信号相加，并且除以因子K2。
加法器76接收第一信号路径和第二信号路径的输出，并且生成反馈误差信号fb(n)。具体地，误差检测和补偿单元33生成源自于周期性误差信号perr(n)/N和不对称误差信号aerr(n)/K之和的反馈误差信号fb(n)，然后从相位误差信号p(n)中减去反馈误差信号fb(n)，以生成校正后的相位检测器信号pcorr(n)。从相位误差信号p(n)中减去反馈误差信号fb(n)使得从相位误差信号p(n)中去除了周期性抖动误差分量41和42，使得这些误差不再包括在MEMS反射镜12的位置信息中。因此，不再存在误差来影响MEMS反射镜的控制和激光脉冲的定时，从而实现两个分量更精确的控制。
具体地，校正后的相位检测器信号pcorr(n)用于得到DCO 35的信号fDCO，并且形成用于由反射镜驱动器36生成的反射镜位置信息的基础。具体地，误差检测和补偿单元33将校正后的相位检测器信号pcorr(n)输出至环路滤波器34，环路滤波器34实施比例-积分(PI)或比例-积分-微分(PID)控制以增加DCO 35，从而调整DCO 35的相位。由于周期性抖动分量41和42在校正后的相位检测器信号pcorr(n)中不存在，所以DCO 35的信号fDCO的相位不受这些抖动分量的影响，并且更加精确地对应于MEMS反射镜12的相位。DCO 35将信号fDCO提供给反射镜驱动器36。
反射镜驱动器36是基于信号fDCO确定MEMS反射镜12的子定时地反射镜调度器。因此，反射镜驱动器36包括用于执行定时分析和调度的至少一个处理器。基于子定时，反射镜驱动器36被配置为生成驱动电压HV作为控制信号来控制MEMS反射镜12的振荡。更具体地，如前所述，驱动电压HV(例如，100V)被切换接通和断开，并且被施加给MEMS反射镜12的致动器结构。反射镜驱动器36不仅被配置为切换驱动电压HV接通或断开，而且还将电压驱动至任何电平(例如，全接通、半-全断开等)。
反射镜驱动器36基于信号fDCO确定反射镜位置信息，并且向系统控制器23输出反射镜位置信息。反射镜位置信息主动地指示MEMS反射镜12的位置。系统控制器23可以使用反射镜位置信息来控制照射单元10的激光脉冲的定时。反射镜位置信息还可用于控制光电检测器阵列15的二极管的激活定时。
反射镜驱动器36还可以基于反射镜位置信息来确定期望的零交叉时间ZCref。
如图3所示，系统控制器23还接收来自误差检测和补偿单元33的两个输出信号(即，周期性误差信号perr(n)和不对称误差信号aerr(n))。系统控制器23可以使用输出信号中的一个或两个来控制激光脉冲定时和光电二极管激活定时。系统控制器23还可用于配置反射镜驱动器36具有特定参数(例如，在启动期间)。
此外，系统控制器23可以使用不对称误差信号aerr(n)来预测MEMS反射镜12的故障或损坏。不对称误差信号aerr(n)表示第一和第二旋转方向的零交叉时间之间的不对称(即，差异)。如上所述，MEMS反射镜的不对称会由于老化而随时间变得严重，直到不对称达到临界点并损坏。因此，如图7所示，由于这种老化效应，不对称误差信号aerr(n)的值可以随时间变化。
具体地，图7示出了MEMS反射镜12的不对称随时间(分钟)的改变的示图。随着MEMS反射镜12的老化，不对称增加。已知MEMS反射镜的损坏点或其衰减(spring leaves)发生在特定不对称值处或该特定不对称值左右。因此，反射镜的寿命行为预测(包括MEMS反射镜的损坏点或临界相位)可以基于不对称误差信号aerr(n)来进行。
例如，系统控制器23可以被配置为监控不对称误差信号aerr(n)的值，以确保MEMS反射镜处于特定操作状态下。如果不对称误差信号aerr(n)与临界阈值(设置在反射镜的损坏点之前)相交，则系统控制器23可发布警告，指示MEMS反射镜已经进入MEMS反射镜会在不久的将来可能会损坏的临界相位。该警告可以向用户指示MEMS反射镜需要修复或替换作为预防性维护。
具体地，系统控制器可以将不对称误差信号aerr(n)的值与一个或多个阈值(例如，+/-临界值)进行比较，其中阈值设置在接近反射镜的故障但在反射镜的故障之前的点处。例如，可以为零交叉时间在第一旋转方向上较快的条件设置负临界值，并且可以为零交叉时间在第二旋转方向上较快的条件设置正临界值。在该示例中，临界阈值可以设置在+/-30处。在两个阈值之前，可以说MEMS反射镜在正常操作的指定状态内进行操作。
然而，在阈值外，可以说MEMS反射镜不再在指定状态下操作。因此，MEMS反射镜不再能够符合安全要求或者可能将要损坏。以这种方式，系统控制器可以被配置为确定不对称误差信号aerr(n)慢于或超过一个阈值，并且通过指示器或警告来警告LIDAR系统的用户需要修复或替换MEMS反射镜。
鉴于上述，对当前LIDAR系统的改进可以包括以下中的一个或多个。
可以适当地补偿反射镜从左侧和右侧的零交叉事件的定时差(例如，+/-50ns，其等于2200Hz共振频率和15°振幅下的+/-10m°角度)。
校正后的误差信号可用于控制反射镜。随着周期性抖动误差被取消，可以实现控制环路的更好功能。
系统ASIC可以使用不对称信号以确定激光脉冲的完美匹配的(补偿的)射击时间。
由于校正后的误差信号被用于监控反射镜可能的位置误差，所以收紧的限制可用作误差信号对总体误差信号的显著部分负责的周期性部分。这允许以更高的精度检测反射镜的位置误差。此外，例如，误差信号的周期性抖动分量可用于监控反射镜的电路的失调漂移和老化。
已知反射镜的不对称的开发可能够进行关键分析(诸如老化)，而不需要知道反射镜的实际共振频率。
该概念的DSP实施是面积和功率效率。其要求用于产生斩波信号的4位计数器、存储不对称误差信号和周期性误差信号的两个16位存储器元件、四个全16位地址/减法器以及四个16位乘法器。由于周期性抖动补偿电路仅在零交叉下操作，所以存储器元件的有效时钟选通是可能的。剩余的逻辑是组合性质，并且将仅在任何输入信号将改变的情况下改变其状态(每个反射镜零交叉发生一次)，因此对于剩下的半个反射镜周期不消耗功率。
此外，上述实施例可以与温度无关地实施。
尽管本文描述的实施例涉及具有反射镜的MEMS设备，但应理解，其他实施方式可以包括除MEMS反射镜设备以外的光学设备或者其他MEMS振荡结构。此外，尽管在装置的上下文中已经描述了一些方面，但明显地，这些方面还表示对应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应块、项或对应装置的特征的描述。一些或所有方法步骤可以通过(或使用)硬件装置来执行，例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，可以通过这种装置来执行一个或多个方法步骤。
根据特定实施要求，本文提供的实施例可以在硬件或软件中实施。可使用数字存储介质(例如，软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存存储器)执行该实施方式，数字存储介质具有存储在其上的电子可读控制信号，其与可编程计算机系统协作(或者能够协作)，使得相应方法被执行。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
指令可由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等效的集成或离散逻辑电路装置。因此，本文使用的术语“处理器”是指任何上述结构或适合于实施本文所述技术的任何其他结构。此外，在一些方面中，本文描述的功能可设置在专用硬件和/或软件模块中。此外，这些技术可以在一个或多个电路或逻辑元件中完全实现。
上文描述的示例性实施例仅仅是说明性的。应理解，本领域技术人员将清楚对本文所述的布置和细节的修改和变化。因此，仅通过所附权利要求的范围来限制，而不通过本文的实施例的描述和解释所呈现的具体细节来限制。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
微机电系统MEMS振荡结构，被配置为围绕旋转轴振荡；
模拟电路装置，被配置为测量所述MEMS振荡结构围绕所述旋转轴的旋转角度，并且基于测量的所述旋转角度确定测量事件时间；
相位误差检测器，被配置为基于围绕所述旋转轴振荡的所述MEMS振荡结构的测量事件时间和期望事件时间来生成相位误差信号；以及
补偿电路，被配置为接收所述相位误差信号，去除所述相位误差信号中的周期性抖动分量，以生成补偿相位误差信号，并输出所述补偿相位误差信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述补偿电路被配置为检测所述相位误差信号中由所述MEMS振荡结构的机械不对称引起的第一周期性抖动分量，从所述相位误差信号中提取检测到的所述第一周期性抖动分量，并且基于提取的所述第一周期性抖动分量生成不对称误差信号。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括：
不对称监控电路，被配置为接收来自所述补偿电路的所述不对称误差信号，将所述不对称误差信号的值与阈值进行比较，并且在所述不对称误差信号的值超过所述阈值的条件下生成故障预测信号，其中所述故障预测信号指示所述MEMS振荡结构的故障预测。
4.根据权利要求2所述的系统，还包括：
照射装置，被配置为在所述MEMS振荡结构处发射脉冲光；以及
控制器，被配置为接收来自所述补偿电路的所述不对称误差信号，并且基于所述不对称误差信号控制所述脉冲光的触发。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述补偿电路被配置为检测所述相位误差信号中由经由斩波执行的输入偏移电压补偿而引起的第二周期性抖动分量，从所述相位误差信号中提取检测到的所述第二周期性抖动分量，并且基于提取的所述第二周期性抖动分量生成斩波误差信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述补偿电路被配置为基于与当前的测量事件时间相对应的所述相位误差信号、与先前的测量事件时间相对应的所述不对称误差信号以及与所述先前的测量事件时间相对应的所述斩波误差信号来生成所述补偿相位误差信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述周期性抖动分量包括周期性不对称误差，并且所述补偿电路被配置为从所述相位误差信号中去除所述周期性不对称误差，以生成所述补偿相位误差信号。
8.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述测量事件时间是，随着所述MEMS振荡结构围绕所述旋转轴振荡，所述MEMS振荡结构的旋转角度为0°时的测量零交叉时间，以及
所述期望事件时间是，期望所述MEMS振荡结构的旋转角度为0°的期望零交叉时间。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述相位误差检测器被配置为确定所述测量零交叉时间与所述期望零交叉时间之间的定时差，其中针对每一个所述测量零交叉时间与相应的一个所述期望零交叉时间确定定时差，并且生成代表所确定的定时差的所述相位误差信号。
10.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述相位误差检测器被配置为确定所述测量事件时间和所述期望事件时间之间的定时差，并且生成代表所述测量事件时间和所述期望事件时间之间的所确定的定时差的相位误差信号；
其中所述系统还包括：
驱动器，被配置为围绕所述旋转轴驱动所述MEMS振荡结构，生成所述期望事件时间，并且将所述期望事件时间传输到所述相位误差检测器；以及
方向信号发生器，被配置为在围绕所述旋转轴振荡期间生成表示所述MEMS振荡结构的旋转方向的方向信号，
其中所述补偿电路将所述方向信号与所述相位误差信号相乘以生成相乘信号，并且对所述相乘信号进行积分以产生所述不对称误差信号。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括：
锁相环PLL环路滤波器，
其中所述MEMS振荡结构、所述相位误差检测器和所述补偿电路被布置在所述PLL的控制环路中，并且所述PLL环路滤波器被配置为接收来自所述补偿电路的所述补偿相位误差信号。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括：
照射装置，被配置为发射脉冲光；
光电检测器阵列，被配置为检测接收到的光，并且基于所述接收到的光生成电信号；
驱动器，被配置为围绕所述旋转轴驱动所述MEMS振荡结构；以及
控制器，被配置为接收所述补偿相位误差信号，并且基于所述补偿相位误差信号控制所述照射装置、所述光电检测器阵列和所述驱动器中的至少一个。
13.根据权利要求1所述的系统，还包括：
照射装置，被配置为在所述MEMS振荡结构处发射光；以及
控制器，被配置为接收所述补偿相位误差信号，并且基于所述补偿相位误差信号控制所述光的触发。
14.一种系统，包括：
微机电系统MEMS振荡结构，被配置为围绕旋转轴振荡；
相位误差检测器，被配置为基于围绕所述旋转轴振荡的所述MEMS振荡结构的测量事件时间和期望事件时间来生成相位误差信号；以及
补偿电路，被配置为接收所述相位误差信号，去除所述相位误差信号中的周期性抖动分量，以生成补偿相位误差信号，并输出所述补偿相位误差信号，
其中所述周期性抖动分量包括周期性斩波误差，并且所述补偿电路被配置为从所述相位误差信号中去除所述周期性斩波误差，以生成所述补偿相位误差信号。
15.根据权利要求8所述的系统，其中所述补偿电路被配置为检测所述相位误差信号中的所述周期性斩波误差，从所述相位误差信号中提取检测到的所述周期性斩波误差，并且基于提取的所述周期性斩波误差生成周期性误差信号。
16.一种补偿误差的方法，包括：
驱动被配置为围绕旋转轴振荡的微机电系统MEMS振荡结构；
测量所述MEMS振荡结构围绕所述旋转轴的旋转角度；
基于测量的所述旋转角度确定测量事件时间；
基于围绕所述旋转轴振荡的所述MEMS振荡结构的测量事件时间和期望事件时间来生成相位误差信号，其中所述相位误差信号包括周期性抖动分量；
通过从所述相位误差信号中去除所述周期性抖动分量来生成补偿相位误差信号；以及
输出所述补偿相位误差信号。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
通过以下处理生成不对称误差信号：检测所述相位误差信号中由所述MEMS振荡结构的机械不对称引起的第一周期性抖动分量，从所述相位误差信号中提取检测到的所述第一周期性抖动分量，并且基于提取的所述第一周期性抖动分量生成所述不对称误差信号。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
将所述不对称误差信号的值与阈值进行比较；以及
在所述不对称误差信号的值超过所述阈值的条件下生成故障预测信号，其中所述故障预测信号指示所述MEMS振荡结构的故障预测。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：
基于所述补偿相位误差信号生成光脉冲。
20.一种光检测与测距LIDAR系统，包括：
LIDAR光源，被配置为生成LIDAR光束；
微机电系统MEMS振荡结构，被配置为围绕旋转轴振荡，并且将所述LIDAR光束传输到视场中；
光电检测器阵列，被配置为检测来自所述视场的反射LIDAR光束，并基于所述反射LIDAR光束生成电信号；
模拟电路装置，被配置为测量所述MEMS振荡结构围绕所述旋转轴的旋转角度，并且基于测量的所述旋转角度确定测量事件时间；
误差检测器，被配置为监控并检测与所述MEMS振荡结构的振荡相关联的误差，并且基于检测的所述误差生成误差信号；以及
补偿电路，被配置为接收所述误差信号，并且基于所述误差信号主动补偿所述误差。
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