CN110865383B - 一种信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式提供了一种信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置。该用于信号提取方法以及测距方法包括：利用传感器内的电路进行多次信号提取得到多个提取结果；根据多个提取结果确定与待测物体之间的距离。通过发明一种新的信号提取电路，本发明的方法比现有技术中的像素电路减少了一半的电容，从而显著地增大了像素内的有效面积，减少了不同电容间电容差引起计算误差，并在信号提取的过程中完成了部分计算，减小了后级数据处理的压力，特别是在测距的过程中大大提高了测距精度和速度。

Description

一种信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
在图像传感器成像过程中，图像传感器像素所接收到的信号不可避免地包含背景光信号，在实际成像过程中需要将有效信号和背景光进行分离，以获得所需的图像或探测信息。尤其是在TOF(Time of Flight，飞行时间)测距领域，所谓TOF测距，是通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收经过物体反射后从物体返回的光，该返回的光中包括了所述光脉冲的回波信号以及其他环境光直接入射或经该物体反射后的背景光信号，通过探测光脉冲的回波信号的飞行(往返)时间来得到与待测物之间的距离，在TOF测距中，大背景光的工作条件更是给高精度测距需求带来挑战。为了消除背景光的干扰，需要通过多个电容分别接收包含回波信号和背景光的信号转化的相应电荷量，以及接收仅仅包括背景光的信号转化的相应电荷量，然后通过计算将对应回波信号提取出来，多个电容一方面导致了像素内面积的浪费，另一方面也会由于不同电容间电容差引起计算误差，进而导致测距误差。而且所需数据并不能直接测出，整个阵列中大量的、快速的数据处理的需求为后级处理单元带来很大压力。
因此，亟待设计一种信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置，可以节约像素面积、提升测距精度以及测距速度。
发明内容
出于各种原因，现有技术方案在信号提取以及测距过程中，接收信号的像素电路为了将信号提取会含有多个电容，来储存信号提取过程中的电荷，电容的容量是由本身属性决定的，储存能力越强的电容，体积越大。所以电容数量多会导致像素内面积的浪费，同时不同电容间电容差会引起计算误差。另外，现有技术需要将信号提取过程中获得的数据发送到后级处理单元处理，增加了数据处理的压力，且浪费时间。
因此在现有技术中，如何最有效的利用像素内面积以及减少后级处理的压力，这是亟待解决的问题。
为此，非常需要一种改进的信号提取以及测距的方案，来改进现有技术的缺点。
在本上下文中，本发明的实施方式期望提供一种信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置。
在本发明实施方式的第一方面中，提供一种信号提取电路，
包括至少一个信号提取模块，所述信号提取模块包括：至少一个积分单元、至少两条充电支路和至少一个电源，其中：
各所述积分单元连接至少两条充电支路，各所述充电支路包括：
第一充电支路，将信号生成单元与所述积分单元的第一端相连，且将所述积分单元的第二端与电源相连，所述信号生成单元用于基于所接收的外部信号转化为电信号；
第二充电支路，将所述信号生成单元与所述积分单元的第二端相连，且将所述积分单元的第一端与所述电源相连。
在本发明的一个实施例中，所述充电支路中包括多个开关单元，其中，
所述第一充电支路中，所述信号生成单元通过第一开关单元(S1)与所述积分单元的第一端连接，所述积分单元第二端通过第二开关单元(S2)与所述电源连接；
所述第二充电支路中，所述信号生成单元通过第三开关单元(S3)与所述积分单元第二端连接，所述积分单元的第一端通过第四开关单元(S4)与所述电源连接。
在本发明的又一个实施例中，各所述开关单元分别与解调模块相连，所述解调模块用于产生多个解调信号分别控制相应的所述充电支路的通断状态。
在本发明的再一个实施例中，各所述解调信号间具有预设相位关系。
在本发明的再一个实施例中，包括两个信号提取模块，其中，所述解调模块产生四个解调信号：第一解调信号(D1)，用于同时控制第一信号提取模块的第一开关单元(S1)和第二开关单元(S2)的通断；
第二解调信号(D2)，用于同时控制所述第一信号提取模块的第三开关单元(S3)和第四开关单元(S4)的通断；
第三解调信号(D3)，用于同时控制第二信号提取模块的第一开关单元(S1)和第二开关单元(S2)的通断；
第四解调信号(D4)，用于同时控制所述第二信号提取模块的第三开关单元(S3)和第四开关单元(S4)的通断。
在本发明实施方式的第二方面中，所述的信号提取电路的信号提取方法，包括：
导通所述第一充电支路，断开所述第二充电支路，将来自所述信号生成单元的信号从所述积分单元的第一端输入并储存；
导通所述第二充电支路导通，断开所述第一充电支路断开时，将来自所述信号生成单元的信号从所述积分单元的第二端输入并储存；
所述第一充电支路和所述第二充电支路分别导通一次为一个充电周期；
获取在所述积分单元经过至少一个充电周期后的结果，为信号提取结果。
在本发明的一个实施例中，所述导通所述第一充电支路，断开所述第二充电支路，将来自所述信号生成单元的信号从所述积分单元的第一端输入并储存，具体包括：
同时导通所述第一开关单元(S1)与所述第二开关单元(S2)，并且断开所述第三开关单元(S3)和所述第四开关单元(S4)，将来自所述信号生成单元的信号在所述积分单元中进行正向积分，获得正向积分结果；
所述导通所述第二充电支路导通，断开所述第一充电支路断开时，将来自所述信号生成单元的信号从所述积分单元的第二端输入并储存，具体包括：
同时导通所述第三开关单元(S3)与所述第四开关单元(S4)，并且断开所述第一开关单元(S1)和所述第二开关单元(S2)，将来自所述信号生成单元的信号在所述积分单元中进行反向积分，获得所述正向积分与所述反向积分之差作为所述信号的提取结果。
在本发明的再一个实施例中，所述解调模块分别与所述多个开关单元相连，用于产生多个解调信号分别控制相应的所述充电支路的通断状态。
在本发明实施方式的第三方面中，所述的信号提取电路进行测距的测距方法，其中，
由光源发射出的发射光信号，用于经过待测对象反射后获得回波信号，所述发射光信号具有一定的脉冲宽度(TC)；
所述解调模块产生四个解调信号；
所述测距方法包括：
所述信号生成单元基于所接收的预设时长的背景光信号和部分回波信号产生电荷，所述第一解调信号(D1)控制所述第一信号提取模块的所述第一充电支路导通，所述信号生成单元中的当前电荷向所述第一信号提取模块中所述积分单元的第一端转移，转移结束时转移电荷的量为第一电荷量(Q1)；
所述信号生成单元基于所接收的预设时长的背景光信号产生电荷，所述第二解调信号(D2)控制所述第一信号提取模块的所述第二充电支路导通，所述信号生成单元中的当前电荷向所述第一信号提取模块中所述积分单元的第二端转移，转移结束时转移电荷的量为第二电荷量(Q2)；
所述第一信号提取模块中所述积分单元基于所述第一电荷量(Q1)和第二电荷量(Q2)获得第一信号提取结果(ΔQ1)；
所述信号生成单元基于所接收的预设时长的背景光信号和另一部分回波信号产生电荷，所述第三解调信号(D3)控制所述第二信号提取模块的所述第一充电支路导通，所述信号生成单元中的当前电荷向所述第二信号提取模块中所述积分单元的第一端转移，转移结束时转移电荷的量为第三电荷量(Q3)；
所述信号生成单元基于所接收的预设时长的背景光信号产生电荷，所述第四解调信号(D4)控制所述第二信号提取模块的所述第二充电支路导通，所述信号生成单元中的当前电荷向所述第二信号提取模块中所述积分单元的第二端转移，转移结束时转移电荷的量为第四电荷量(Q4)；
所述第二信号提取模块中所述积分单元基于所述第三电荷量(Q3)和第四电荷量(Q4)获得第二信号提取结果(ΔQ2)；
基于所述第一信号提取结果(ΔQ1)、所述第二信号提取结果(ΔQ2)和所述脉冲宽度(TC)计算获得光源与待测对象的距离。
在本发明的一个实施例中，所述信号生成单元每次接收信号前进行复位；
所述积分单元获得信号提取结果后复位。
在本发明的又一个实施例中，所述第一解调信号(D1)的下降沿与所述第三解调信号(D3)的上升沿对齐，所述第二解调信号(D2)与所述第四解调信号(D4)不存在交叠部分。
在本发明实施方式的第四方面中，所述信号提取电路的测距装置，其中：
发射模块，用于发射光信号，以获得经待测对象反射后的回波信号；
接收模块，用于接收经过对象反射后的回波信号，并基于所述调制信号进行信号的解调，基于该解调结果确定所述发射端与所述待测对象之间的距离；
调制模块，用于产生调制信号调制所述发射光信号和解调信号；
其中，所述接收模块包括：光电转换装置、所述信号提取电路、模数转换装置和数据处理装置；
所述光电转换装置，用于接收的所述回波信号和/或所述背景光信号并转化为电荷；
所述信号提取电路，用于将所述电荷基于不同的解调信号进行信号的分离获得信号提取结果；
所述数模转换装置，用于将所述信号提取结果转化为数字信号；
所述数据处理装置，用于通过所述数字信号计算获得所述测距装置与待测对象之间的距离。
根据本发明实施方式的一种信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置，与现有技术相比，减少了电路中的一半电容，一方面节约了像素内面积，使像素内面积更有效地接收信号，另一方面减少了不同电容间电容差引起计算误差，进而减小了测距误差，此外，还有效消除了背景光、其他干扰光源以及低频噪声等其他无关信号的影响。且本发明在电荷转移过程中完成了部分计算，缓解了后级处理单元的数据处理压力，提升了数据处理速度。特别是在测距过程中，需要快速反馈所测数据，为计算距离节约了大量时间。
发明概述
本发明人发现，出于各种原因，现有技术方案在信号提取的过程中只能通过两个或四个这种成对出现的电容电路来接收信号，一个电容用来接收部分回波信号和背景光信号，另一个电容用来接收背景光信号。然后分别测得两个电容储存的电荷量，将数据送到后级处理单元进行计算，求出两个电容中储存电荷的差值，从而得到回波信号部分产生的光生电荷，达到信号提取的效果。重复上述过程，进而计算出回波信号相对于发射光信号的相位差，以及计算出反射该回波信号的物体的距离。因此，现有技术的方案弊端非常明显：只能通过多个电容进行背景光信号消除以及测距，浪费了大量的像素内面积；且在两个电容储存的电荷在求差时要依靠后级处理单元，加重了后级处理单元的数据处理压力；在进行回波信号即有效信号的计算时无法消除因不同电容间的电容差带来的误差；此外，其他无关信号如低频噪声等也无法得到抑制。
本发明通过对像素电路的改进，在作用相同的情况下减少了一半的电容且电容储存的电荷不需要再送到后级处理单元求差，减少了电容所占的像素内面积且缓解了后及处理单元的数据处理的压力。即：本发明技术方案在信号提取的过程中利用含有至少一个电容电路来接收信号，将接收到的部分回波信号和背景光信号在电容中正向积分并储存积分结果，接收到的背景光信号在电容中反向积分，并储存正向积分与反向积分之差，将正向积分中包含的背景光信号的部分利用反向积分来消除掉，剩下的部分仅仅为部分回波信号的部分，读取电容中储存的积分差或信号提取结果，就是部分回波信号产生的光生电荷，达到了信号的提取目的。重复上述过程，进而计算出回波信号相对于发射光信号的相位差，以及计算出反射该回波信号的物体的距离。
信号提取的过程同样是利用含有至少一个电容电路来接收信号，将接收到的部分回波信号和背景光信号从电容的一端输入并储存，接收到的背景光信号从电容的另一端输入并储存，读取电容中储存的信号提取结果，就是部分回波信号产生的光生电荷，达到信号提取的目的。重复上述过程，进而计算出回波信号相对于发射光信号的相位差，以及计算出反射该回波信号的物体的距离。
在介绍了本发明的基本原理之后，下面具体介绍本发明的各种非限制性实施方式。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1示意性地示出了现有技术的一种测距场景的示意图；
图2示意性地示出了现有技术的在测距时图像传感器中的2-抽头像素电路；
图3示意性地示出了现有技术的在测距时图像传感器中的4-抽头像素电路；
图4示意性地示出了现有技术涉及的一种测距波形的示意图；
图5示意性地示出了本发明实施例涉及的一种利用信号提取电路进行测距的方法的流程图；
图6示意性地示出了本发明涉及的一种用于测距的信号提取电路；
图7示意性地示出了本发明涉及的一种测距波形的示意图；
图8示意性地示出了本发明涉及的又一种用于测距的信号提取电路；
图9示意性地示出了本发明涉及的一种受调制信号调制的测距波形的示意图；
图10示意性地示出了本发明涉及的一种调制信号为伪随机序列第一阶段的测距波形的示意图；
图11示意性地示出了本发明涉及的一种调制信号为伪随机序列第二阶段的测距波形的示意图；
图12示意性地示出了本发明涉及的一种调制信号为伪随机序列第三阶段的测距波形的示意图；
图13示意性地示出了本发明涉及的一种调制信号为伪随机序列精确判断回波信号的测距波形的示意图；
图14示意性地示出了本发明涉及一种应用信号提取电路进行测距的装置。
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。
应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。
这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
根据本发明的实施方式，提出了一种用于信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置。其中，方法和装置是基于同一发明构思的，由于方法及装置解决问题的原理相似，因此装置与方法的实施可以相互参见，重复之处不再赘述。
近几年，为了自动驾驶能够在生活中得到应用，3D成像系统的研究得到了长足的发展。自动驾驶中对成像系统主要由几点要求：抗大背景光(阳光最强100klux)、提升测距精度以及快速测距，因此需要一种图像传感器内的像素电路能减少像素内面积的浪费并在电路工作时完成部分的计算，可使接收的信号更全面提升了测距精度且减少了后级数据处理的压力节约了部分数据处理的时间，可快速的得到与物体之间的距离。
图1为一般的TOF测距原理图，通过发射光信号和回波信号之间的相位差，得到传感器和待测物体之间的飞行时间，进而计算得到距离信息。如图所示，从光源101发出一束发射光信号。所述发射光信号可以为经过伪随机序列调制后的激光脉冲信号或者普通的激光脉冲信号。该发射光信号经过物体102反射后被透镜103聚焦在图像传感器104的像素上。图像传感器接收的信号为回波信号和背景光信号或仅有背景光信号，且假设背景光信号一定时间内时均匀的。通过图像传感器104里的像素电路对接收到的信号进行信号提取，去除背景光部分，得到纯回波信号，最后通过每个像素检测返回的光中回波信号相对于发射光信号的相移可以检测周围的物体的距离。
图2为图1中的图像传感器104中的其中一个现有的2-抽头像素电路图。该像素电路包括光电二极管PD、第一电容单元C1、第二电容单元C2、第一开关单元S1和第二开关单元S2，其中所述光电二极管PD通过第一开关单元S1连接第一电容单元C1，并且通过第二开关单元S2连接第二电容单元C2。在第一阶段中，按照如图4中解调信号D1、D2的解调方式对图2电路的开关S1、S2进行控制，假设Q1、Q2分别是接收的信号经过解调信号D1、D2控制开关S1、S2，将回波信号和背景光信号在第一电容单元C1和第二电容单元C2中积分得到的结果，Q1包含部分回波信号和背景光信号，Q2仅仅含有背景光信号。Q1通过光电二极管转化为光生电荷并在第一电容单元C1中存储，Q2通过光电二极管PD转化为光生电荷并在另一个电容单元第二电容单元C2中存储。两个电容的容量相同，然后将两个电容单元中存储的电荷求差运算(即将两个电容上积分后电压相减)可以计算出Q1中的部分回波信号转化的光生电荷，达到将部分回波信号与背景光信号分离的效果，从而提取回波信号。在第一阶段后对两个电容进行复位，然后在第二阶段，按照解调信号D3、D4的解调方式对图2电路的开关S1、S2进行控制，假设Q3、Q4是接收的信号经过解调信号D3、D4控制开关S1、S2，将回波信号和背景光信号在第一电容单元C1和第二电容单元C2中积分得到的结果，Q3包含另一部分回波信号和背景光信号，Q4仅仅含有背景光信号。在其中一个电容中存储Q3转化的光生电荷，另一个电容单元中存储Q4转化的光生电荷。进而计算出回波信号相对于发射光信号的相位差，以及计算出反射该回波信号的物体的距离：
Figure BDA0002288928340000101
2-抽头的像素电路需要在两个阶段中分别进行一次的发射光信号和接收信号，总共进行两次的发射光信号和接收信号，才能计算出反射该回波信号的物体的距离。假设，两次的发射光信号之间的时间间隔足够短，其脉冲宽度是相同的，回波延迟也相同。
图2的电路利用分时复用的方法进行两个阶段的电容积分和求差运算，其测量速度较慢，但是可以减少电容使用的数量，减少像素占用面积。
图3为图1中的图像传感器104中的其中又一个现有的4-抽头像素电路。
该像素电路包括光电二极管PD、第一电容单元C1、第二电容单元C2、第三电容单元C3、第四电容单元C4、第一开关单元S1、第二开关单元S2、第三开关单元S3和第四开关单元S4。其中所述光电二极管PD通过第一开关单元S1连接第一电容单元C1，并且通过第二开关单元S2连接第二电容单元C2，通过第三开关单元S3连接第三电容单元C3，并且通过第四开关单元S4连接第四电容单元C4。按照图4中的解调信号D1、D2、D3、D4的解调方式控制对电路的四个开关进行控制，假设Q1、Q2、Q3、Q4分别是接收的信号经过解调信号D1、D2、D3、D4控制开关S1、S2、S3、S4，将回波信号和背景光信号在第一至第四电容单元C1-C4中积分得到的结果。Q1包含部分回波信号和背景光信号，Q3包含另一部分回波信号和背景光信号，Q2和Q4仅仅含有背景光信号。Q1通过光电二极管PD转化为光生电荷并在其中一个电容中存储，Q3通过光电二极管PD转化为光生电荷并在另一个电容中存储，Q2和Q4通过光电二极管PD转化为光生电荷并储存在另外两个电容。然后将电容中储存Q1转化电荷与对应电容中储存Q2转化的光生电荷求差可以计算出Q1中的部分回波信号转化的光生电荷，将电容中储存Q3转化的电荷与相对应电容中储存Q4转化的光生电荷求差可以计算出Q3中的另一部分回波信号转化的光生电荷。进而计算出回波信号相对于发射光信号的相位差，以及计算出反射该回波信号的物体的距离：
Figure BDA0002288928340000111
4-抽头像素的电路只需进行一次发射光信号和接收光信号就可计算出反射该回波信号的物体的距离，计算速度比2-抽头的电路快，但电容的增多进一步占用了像素中有限面积。
本申请提出了一种信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置，用以节约像素面积、提升测距精度以及测距速度。本申请实施例的测距方案中，提出了一种新的像素电路，相对于现有技术中的电路减少了电路里的一半电容且在电路工作时完成了部分的计算，实现了提升像素内面积的有效面积以及缓解了后级数据处理的压力。
在本申请中，需要理解的是，信号生成单元可以是PN型光电二极管，也可以是PIN型二极管、光电三极管等光电传感器件。积分单元可以是无极性可变电容、无极性固定电容、有极性电容或云母电容、独石电容、电解电容、钽电容等电容或电容量，也可以是其它用来储存电荷、储存电能的器件。此外，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。
下面结合图1的应用场景，本发明实施例提供了信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置。如图5所示，该方法包括：
S501、利用传感器内的电路进行多次信号提取得到多个提取结果；
S502、根据多个提取结果确定与待测物体之间的距离。
下面举例说明S501和S502的具体实施方式。
本发明实施例涉及的电路可以如图6所示，包括至少一个信号提取模块603，信号提取模块603包括：至少一个积分单元602、至少两条充电支路和至少一个电源，其中：
各积分单元连接至少两条充电支路，各充电支路包括：
第一充电支路，将信号生成单元601与积分单元602的第一端相连，且将积分单元602的第二端与电源相连，信号生成单元601用于基于所接收的外部信号转化为电信号；
第二充电支路，将信号生成单元601与积分单元602的第二端相连，且将积分单元602的第一端与电源相连。
通过至少两条充电支路将信号生成单元601分别与积分单元602的两端相连，由此可使得积分单元602实现不同的积分方式，从而实现两条充电支路积分至积分单元602中的电荷差值的获取，从而提取出该差值信号。在测距应用场景中，该差值信号便对应了去除了背景光的有用的回波信号。且本发明中仅通过一个积分单元便实现了有用信号的提取，替代了现有技术中的两个积分单元分别接收并传输至像元外部进行计算的方案，这样便节约了像元的面积，避免了不同积分单元的差异导致的误差，同时还通过直接获得差值信号降低了后级处理单元的压力。
在上述实施例的基础上，上述充电支路中包括多个开关单元，在第一充电支路中连接方式如下：信号生成单元601通过第一开关单元S1与积分单元602第一端连接，上述积分单元602第二端通过第二开关单元S2与电源连接；第二充电支路中连接方式如下：信号生成单元601通过第三开关单元S3与上述积分单元602第二端连接，上述积分单元602第一端通过第四开关单元S4与电源连接。
本发明实施例涉及用于上述图6信号提取电路的信号提取方法。当第一开关单元S1与第二开关单元S2同时导通，并且第三开关单元S3和第四开关单元S4断开时，即第一充电支路导通且第二充电支路断开，将来自信号生成单元601的信号从积分单元602第一端输入，在积分单元602中正向积分并储存正向积分结果；当第三开关单元S3与第四开关单元S4同时导通，并且第一开关单元S1和第二开关单元S2断开时，即第二充电支路导通且第一充电支路断开，将来自信号生成单元601的信号从积分单元602的第二端输入，在积分单元602中反向积分并储存，获得正向积分与反向积分之差作为信号的提取结果。第一充电支路和第二充电支路分别导通一次为一个充电周期。获取在积分单元602经过至少一个充电周期后的结果，为信号提取结果。
按照如图4中的解调信号的解调方式对图6电路解调，需要说明的是解调信号的类型以及解调方式有很多种，这里并不做限定，图4中的解调信号的类型与解调方式只是多种方式中的一种。
如图6所示，第一开关单元S1和第二开关单元S2由第一解调信号403和/或第三解调信号405控制；第三开关单元S3和第四开关单元S4由第二解调信号404和/或第四解调信号406控制，各解调信号之间具有预设的相位关系，预设的相位关系可以为：第一解调信号D1的下降沿与第三解调信号D3的上升沿对齐；第二解调信号D2与第四解调信号D4不存在交叠部分。需要说明的是该相位关系包括但不限于上述方式。
需要说明的是在获得信号提取结果ΔQ后对相应积分单元602进行复位，且信号生成单元601每次接收信号前进行复位。
利用上述信号提取电路603进行信号提取，已经进一步基于信号提取结果进行测距的具体实施例如下：
按照图4中所示的第一阶段中的解调方式进行解调，当第一解调信号403控制第一开关单元S1和第二开关单元S2同时导通，第二解调信号404控制第三开关单元S3和第四开关单元S4断开时，即第一信号提取模块603的第一充电支路导通且第二充电支路断开，信号生成单元601基于所接收的预设时长的背景光信号和部分回波信号产生电荷，信号生成单元601中的当前电荷向第一信号提取模块603中积分单元的第一端转移，转移结束时转移电荷的量为第一电荷量Q1。然后，当第一解调信号403控制第一开关单元S1和第二开关单元S2断开，第二解调信号404控制第三开关单元S3和第四开关单元S4同时导通时，即第一信号提取模块603的第二充电支路导通且第一充电支路断开，信号生成单元601基于所接收的预设时长的背景光信号产生电荷，信号生成单元601中的当前电荷向所述第一信号提取模块603中积分单元602的第二端转移，转移结束时转移电荷的量为第二电荷量Q2。第一信号提取模块603中积分单元602基于第一电荷量Q1和第二电荷量Q2获得第一信号提取结果ΔQ1。通过积分单元602一个充电周期后的结果，为信号提取结果ΔQ1。一个充电周期后消除了背景光信号的干扰，在积分单元602中储存的只有信号消除后的留下的部分回波信号，该部分回波信号为当前光源发射光信号发射脉冲结束之前所接收到的回波信号，其是当前发射光信号脉冲前段部分经过物体反射后返回的回波信号。
通过计算当前光源发射光信号发射脉冲结束之前所接收到的回波信号与当前光源发射光信号发射脉冲结束之后所接收到的回波信号的比率在结合当前光源发射光信号发射脉冲宽度TC可以计算出回波信号的延迟时间。下面接着计算当前光源发射光信号发射脉冲结束之后所接收到的回波信号分量。
积分单元602获得信号提取结果ΔQ1后复位。
再按照如图4中的第二阶段中的解调信号的解调方式对图6电路解调，当第三解调信号405控制第一开关单元S1和第二开关单元S2同时导通，第四解调信号406控制第三开关单元S3和第四开关单元S4断开时，即第一信号提取模块603的第一充电支路导通且第二充电支路断开，信号生成单元601基于所接收的预设时长的背景光信号和另一部分回波信号产生电荷，信号生成单元601中的当前电荷向第一信号提取模块603中积分单元602的第一端转移，转移结束时转移电荷的量为第三电荷量Q3。
当第三解调信号405控制第一开关单元S1和第二开关单元S2断开，第四解调信号406控制第三开关单元S3和第四开关单元S4导通时，即第一信号提取模块603的第二充电支路导通且第一充电支路断开，第四解调信号406有效期间没有回波信号被反射回来，因此信号生成单元601接收的电荷仅仅包含由信号生成单元背景光信号。信号生成单元601基于所接收的预设时长的背景光信号产生电荷，所述信号生成单元601中的当前电荷向第一信号提取模块603中积分单元602的第二端转移，转移结束时转移电荷的量为第四电荷量Q4。通过一次充电周期后，消除了背景光信号的干扰，在积分单元602中储存的只有信号消除后的留下的另一部分回波信号，即，当前光源发射光信号发射脉冲结束之后所接收到的回波信号。第一信号提取模块603中积分单元602基于第三电荷量Q3和第四电荷量Q4获得第二信号提取结果ΔQ2，基于第一信号提取结果ΔQ1、第二信号提取结果ΔQ2和脉冲宽度TC计算获得光源与待测对象的距离。需要说明的是解调信号之间具有相位差。每获得一次信号提取结果都要对积分单元602进行复位。
假设由光源发射出的发射光信号，用于经过待测对象反射后获得回波信号，发射光信号具有一定的脉冲宽度TC；回波信号相对于发射光信号有一定的延时t回波。
回波信号的延迟时间t回波为另一部分回波信号对应的电荷量Q3-Q4除以部分回波信号对应的电荷量Q1-Q2与另一部分回波信号对应的电荷量Q3-Q4的和，然后乘以发射光信号的脉冲宽度TC，即：第二信号提取结果ΔQ2除以第一信号提取结果ΔQ1与第二信号提取结果ΔQ2的和，然后再乘以发射光信号的脉冲宽度TC：
Figure BDA0002288928340000151
则与待测物体的距离R为光速c乘以回波信号的延迟时间t回波的一半：
Figure BDA0002288928340000152
例如：假设待测距物体大概距离发射光源的距离为300m，由上述公式可知，回波的延迟时间大概为2000ns，发射光信号的脉冲宽度就要设置为大于回波的延迟时间，使得发射光信号脉冲与其回波信号脉冲之间具有重叠部分，即，大于2000ns，优选为3000-5000ns。
本发明上述实施例的优点为：利用含有一个积分单元602的电路的一次正向积分和反向积分即一个充电周期就可达到对信号提取的效果，经过两次的正向积分和反向积分就可计算出与待测物体之间的距离。积分单元602可以为电容，相对于背景技术中的2-抽头的像素电路减少了一半的电容，使像素内面积的可用有效面积增大，且一个电容不存在电容失配的问题，这样减小了误差。读取积分单元602中储存的值为信号提取结果，信号提取结果相当于背景技术中直接将两次积分产生的电荷相减，因此，不需要再将数据传送到后级处理单元进行数据处理，缓解了后级处理单元数据处理的压力，且积分单元602的最大容量仅需满足一次积分产生的电荷即可，所需积分单元602的容量减小，占用的面积也响应减小，进一步节约了像素内面积。
此外，至少两条充电支路在解调信号的控制下对积分单元进行充电，即电信号的积分，因此每个信号提取模块可看做一个卷积模块，实现卷积运算功能。该卷积过程中正向积分过程和反向积分过程时间相差为微秒甚至纳秒量级，其噪声可认为具有相同分布，因此在正反向两次积分的过程中的正向积分噪声均值与反向积分噪声的均值相同，二者进行差值计算时两次噪声的均值抵消，由此提取出的信号对于噪声具有很好的抑制作用。
该作用的证明推导过程如下：
假设从时间[t1,t2]正向积分，该过程中采集的信号设为：
x(t1)，x(t2)，...，x(tN)
从时间[t3,t4]反向积分，该过程中采集的信号设为：
y(s1)，y(s2)，...，y(sN)
两个过程中的信号分别表示为：
x(t)＝a(t)+ε(t),y(t)＝b(t)+ε(t)
ε(t)～N(f(t)，σ2)
其中，a(t)、b(t)分别表示正向积分和反向积分过程中的信号，ε(t)表示积分过程中的噪声，该噪声服从以f(t)为均值，以σ2为方差的正态分布。
分别进行正向积分和反向积分后，积分单元中所存储的电信号可表示为：
Figure BDA0002288928340000171
由于短时间内认为ε(t1)，ε(t2)，...，ε(tN),ε(s1)，ε(s2)，...，ε(sN)，服从相同分布，即均值相同，那么有：
Figure BDA0002288928340000172
即分别进行正向积分和反向积分后，积分单元中的噪声服从均值为零，方差为2Nσ2的正太分布，由此可见噪声得到了很好的抑制，控制在0的上下波动。
本发明实施例涉及的电路还可以如图8所示，提取电路还可以包括两个信号提取模块：第一信号提取模块802和第二信号提取模块803。该第一信号提取模块802与图6涉及的信号提取模块603相同，该第二信号提取模块具体包括：第五开关单元S5、第六开关单元S6、第七开关单元S7、第八开关单元S8和第二积分单元C2，这里所说的第五开关单元S5和第六开关单元S6分别对应了第二信号提取模块的第一开关单元S1和第二开关单元S2，所说的第七开关单元S7和第八开关单元S8分别对应了第二信号提取模块的第三开关单元S3和第四开关单元S4。其具体连接方式如下：在第一提取模块802的第一充电支路中连接方式如下：信号生成单元801通过第一开关单元S1与第一积分单元C1第一端连接，上述第一积分单元C1第二端通过第二开关单元S2与电源连接；第一提取模块802的第二充电支路中连接方式如下：信号生成单元801通过第三开关单元S3与上述第一积分单元C1第二端连接，上述第一积分单元C1第一端通过第四开关单元S4与电源连接。
在第二提取模块803的第一充电支路中连接方式如下：信号生成单元801通过第五开关单元S5与第二积分单元C2第一端连接，上述第二积分单元C2第二端通过第六开关单元S6与电源连接；第二提取模块803的第二充电支路中连接方式如下：信号生成单元801通过第七开关单元S7与上述第二积分单元C2第二端连接，上述第二积分单元C2第一端通过第八开关单元S8与电源连接。
本发明实施例涉及用于上述图8信号提取电路的信号提取方法。当第一开关单元S1与第二开关单元S2同时导通，并且其它开关单元断开时，即第一提取模块802的第一充电支路导通，其它充电支路断开，将来自信号生成单元801的信号从第一积分单元C1第一端输入，在第一积分单元C1中正向积分并储存正向积分结果；当第一开关单元S1与第二开关单元S2断开，同时第五开关单元S5与第六开关单元S6导通，并且其它开关单元断开时，即第一提取模块802的第一充电支路断开，同时第二提取模块803的第一充电支路导通，其它充电支路断开，将来自信号生成单元801的信号从第二积分单元C2第一端输入，在第二积分单元C2中正向积分并存储正向积分结果；当第三开关单元S3与第四开关单元S4同时导通，并且其它开关单元断开时，即第一提取模块802的第二充电支路导通，其它充电支路断开，将来自信号生成单元801的信号从第一积分单元C1第二端输入，在第一积分单元C1中反向积分并存储正向积分与反向积分之差；当第三开关单元S3与第四开关单元S4断开，第七开关单元S7与第八开关单元S8同时导通，并且其它开关单元断开时，即第一提取模块802的第二充电支路断开，第二提取模块803的第二充电支路同时导通，其它充电支路断开，将来自信号生成单元801的信号从第二积分单元C2第二端输入，在第二积分单元C2中反向积分，并存储正向积分与反向积分之差；读取在第一积分单元C1中存储的正向积分与反向积分之差，以及读取在第二积分单元C2中存储的正向积分与反向积分之差作为信号的提取结果。
按照图7中的解调信号的方式对图8电路进行解调，第一开关单元S1和第二开关单元S2由第一解调信号703控制；第三开关单元S3和第四开关单元S4由第二解调信号704控制；第五开关单元S5和第六开关单元S6由第三调解信号705控制；第七开关单元S7和第八开关单元S8由第四解调信号706控制，解调信号之间具有相位差。
图7中的解调信号与发射光信号的脉冲宽度相同，回波信号的延迟小于发射光信号的脉冲宽度，第一解调信号703与发射光信号的相位相同，第一解调信号703控制电路接收部分回波信号和背景光信号，其中该部分回波信号为当前光源发射光信号发射脉冲结束之前所接收到的回波信号，该部分回波信号为当前发射光信号脉冲前段部分经过物体反射后返回的回波信号。第一解调信号703的下降沿与第三解调信号705的上升沿对齐，以便于精确地分离出当前发射光信号脉冲结束前收到的回波信号分量和当前发射光信号脉冲结束后接收到的当前发射光信号脉冲被物体反射后的回波信号分量。第三解调信号705控制电路接收另一部分回波信号和背景光信号，其中另一部分回波信号为当前光源发射光信号脉冲结束之后所接收到的回波信号分量。第二解调信号704比第一解调信号703延迟至少两个脉冲宽度，第四解调信号706比第一解调信号703延迟至少三个发射光信号脉冲宽度，且第二解调信号704与第四解调信号706不存在交叠部分，可知第二解调信号704号和第四解调信号706只接收背景光，即，第二解调信号704号和第四解调信号706有效期间，没有返回的回波信号分量，因此仅仅接收背景光。
需要说明的是在获得信号提取结果ΔQ后对相应积分单元C1和C2进行复位，且信号生成单元801每次接收信号前进行复位。
利用上述信号提取电路进行信号提取，已经基于该信号提取结果进行测距的具体实施例如下：
当第一解调信号703控制第一开关单元S1和第二开关单元S2同时导通，第二解调信号704控制第三开关单元S3和第四开关单元S4断开，第三解调信号705控制第五开关单元S5和第六开关单元S6断开，第四解调信号706控制第七开关单元S7和第八开关单元S8断开时，信号生成单元801基于所接收的预设时长的背景光信号和部分回波信号产生电荷，信号生成单元801中的当前电荷向第一信号提取模块802中第一积分单元C1的第一端转移，转移结束时转移电荷的量为第一电荷量Q1。
当第一解调信号703控制第一开关单元S1和第二开关单元S2断开，同时第三解调信号705控制第五开关单元S5和第六开关单元S6导通，第二解调信号704控制第三开关单元S3和第四开关单元S4断开，第四解调信号706控制第七开关单元S7和第八开关单元S8断开时，信号生成单元801基于所接收的预设时长的背景光信号和部分回波信号产生电荷，信号生成单元801中的当前电荷向第二信号提取模块803中第二积分单元C2的第一端转移，转移结束时转移电荷的量为第三电荷量Q3。
当第二解调信号704控制第三开关单元S3和第四开关单元S4同时导通，第一解调信号703控制第一开关单元S1和第二开关单元S2断开，第三解调信号705控制第五开关单元S5和第六开关单元S6断开，第四解调信号706控制第七开关单元S7和第八开关单元S8断开时，信号生成单元801基于所接收的预设时长的背景光信号产生电荷，信号生成单元801中的当前电荷向所述第一信号提取模块802中第一积分单元C1的第二端转移，转移结束时转移电荷的量为第二电荷量Q2。第一信号提取模块802中第一积分单元C1基于第一电荷量Q1和第二电荷量Q2获得第一信号提取结果ΔQ1(ΔQ1＝Q1-Q2)。通过第一积分单元C1一个充电周期后即一次正向积分和一次反向积分，消除了背景光信号的干扰，在第一积分单元C1中储存的只有信号消除后的留下的部分回波信号。
当第四解调信号706控制第七开关单元S7和第八开关单元S8同时导通，第一解调信号703控制第一开关单元S1和第二开关单元S2断开，第二解调信号704控制第三开关单元S3和第四开关单元S4断开，第三解调信号705控制第五开关单元S5和第六开关单元S6断开时，信号生成单元801基于所接收的预设时长的背景光信号产生电荷，信号生成单元801中的当前电荷向所述第二信号提取模块803中第二积分单元C2的第二端转移，转移结束时转移电荷的量为第四电荷量Q4。第二信号提取模块803中第二积分单元C2基于第三电荷量Q3和第四电荷量Q4获得第二信号提取结果ΔQ2(ΔQ2＝Q3-Q4)。通过第二积分单元C2一个充电周期后即一次正向积分和一次反向积分，消除了背景光信号的干扰，在第二积分单元C2中储存的只有信号消除后的留下的另一部分回波信号。需要说明的是解调信号之间具有相位差。每获得一次信号提取结果都要对积分单元进行复位。
假设由光源发射出的发射光信号，用于经过待测对象反射后获得回波信号，发射光信号具有一定的脉冲宽度TC；回波信号相对于发射光信号有一定的延时t回波。脉冲宽度TC
回波信号的延迟时间t回波为另一部分回波信号对应的电荷量Q3-Q4除以部分回波信号对应的电荷量Q1-Q2与另一部分回波信号对应的电荷量Q3-Q4的和，然后乘以发射光信号的脉冲宽度TC，即：第二信号提取结果ΔQ2除以第一信号提取结果ΔQ1与第二信号提取结果ΔQ2的和，然后再乘以发射光信号的脉冲宽度TC：
Figure BDA0002288928340000211
则与待测物体的距离R为光速c乘以回波信号的延迟时间t回波的一半：
Figure BDA0002288928340000212
本发明上述实施例的优点为，利用含有两个积分单元的电路运行一次就可计算出与待测物体之间的距离。积分单元可以为电容，相对于背景技术中4-抽头的像素电路减少了一半的电容，增大了像素内面积的使用面积，同时减小了后级处理单元出具处理的压力。且两个电容间会存在电容差引起计算误差，但相对于4-抽头的含有四个电容的像素电路会减小很多误差。
本发明实施例涉及的发射光信号和多个解调信号可以由调制信号901进行调制，如图9所示。其中，调制信号901可为伪随机序列。伪随机序列是具有某种随机特性的确定的序列。它们是由移位寄存器产生确定序列，然而他们却具有某种随机特性的随机序列。如图10所示，伪随机序列通过对发射光信号1002、第一解调信号1004、第二解调信号1005、第三解调信号1006、第四解调信号1007和复位信号1008的调制来追踪回波信号1003，参考图10-图13，需要说明的是图10-图13中的调制信号1001是相同的、图10-图13中的发射光信号1002时相同的、以及图10-图13中的回波信号1003是相同的。当复位信号有效时，解调信号无效，并且当解调信号的有效，复位信号无效。假设第一解调信号1004、第二解调信号1005、第三解调信号1006和第四解调信号1007就有相同的脉宽为当前脉宽TS。比较当前第一信号提取结果ΔQ1和第二信号提取结果ΔQ2获得较大值，获得该较大值对应的第一解调信号1004或第三解调信号1006的上升沿与调制信号的发射起点之间的时间，将该时间作为解调信号发射起点的时延，并将解调信号脉宽减小到当前脉宽的1/2；将减小后的解调信号的脉宽作为当前脉宽，重复上述过程，直至解调信号的当前脉宽为设定阈值时获取当前对应的第一信号提取结果ΔQ1和第二信号提取结果ΔQ2，用于计算获得光源与待测对象的距离，设定阈值为发射光信号脉冲宽度TC的1/2。
具体实施例如下：
运用上述信号提取电路的信号提取方法得到第一信号提取结果ΔQ1和第二信号提取结果ΔQ2，比较第一信号提取结果ΔQ1和第二信号提取结果ΔQ2的大小。若如图10所示，则第二信号提取结果ΔQ2为较大值，其对应的第三解调信号1006的上升沿与调制信号的发射起点之间的时间作为时延Δt，判断解调信号的当前脉宽TS是否为设定阈值，若为设定阈值则运用上述测距方法计算光源与待测对象的距离，若当前脉冲宽度没有达到阈值，并将第三解调信号1006的脉宽减小到当前脉宽的1/2。将减小后的解调信号的脉冲宽度作为当前脉宽TS。需要说明的是，本实施例设定阈值为发射光信号脉冲宽度TC的一半。例如：发射光信号的脉冲宽度为100ns，解调信号的当前脉宽为400ns，设定阈值为发射光信号的脉冲宽度的一半为50ns，此时的解调信号的脉宽不为设定阈值，将解调信号的当前脉宽减小一半，此时解调信号的当前脉宽为200ns。
如图11所示，将时延Δt作为解调信号1101～1104的相移，再利用运用上述信号提取电路的信号提取方法得到第一信号提取结果ΔQ1和第二信号提取结果ΔQ2，比较第一信号提取结果ΔQ1和第二信号提取结果ΔQ2的大小。从图11可以看出，第二信号提取结果ΔQ2还为较大值，其对应的第三解调信号1003的上升沿与调制信号的发射起点之间的时间作为时延Δt，此时的当前脉宽TS没有达到设定阈值，并将第三解调信号1103的脉宽减小到当前脉宽的1/2。将减小后的解调信号的脉冲宽度作为当前脉宽TS，继续下面步骤。继上例：解调信号的当前脉宽依旧不为设定阈值，继续将解调信号的当前脉宽减小一半，此时解调信号的当前脉宽为100ns。
如图12所示，将时延Δt作为解调信号1201～1204的相移，再利用运用上述信号提取电路的信号提取方法得到第一信号提取结果ΔQ1和第二信号提取结果ΔQ2，比较第一信号提取结果ΔQ1和第二信号提取结果ΔQ2的大小。从图12可以看出，第二信号提取结果ΔQ2还为较大值，其对应的第三解调信号1203的上升沿与调制信号的发射起点之间的时间作为时延Δt，此时的当前脉宽TS没有达到了设定阈值，并将第三解调信号1203的脉宽减小到当前脉宽的1/2。将减小后的解调信号的脉冲宽度作为当前脉宽TS。继上例：解调信号的当前脉宽依旧不为设定阈值，继续将解调信号的当前脉宽减小一半，此时解调信号的当前脉宽为50ns。
如图13所示，将时延Δt作为解调信号1301～1304的相移，此时解调信号的当前宽度达到了设定阈值即发射光信号脉冲宽度的一半，利用运用上述信号提取电路的信号提取方法得到第一信号提取结果ΔQ1和第二信号提取结果ΔQ2，通过上述的用于信号提取电路的信号提取方法的测距方法计算获得光源与待测物体的距离。继上例：解调信号的当前脉宽为设定阈值即发射光信号脉冲宽度的一半为50ns，此时就可依据当前的解调信号的解调方式计算光源与待测物体之间的距离。
本发明实施例还提供了应用上述任一信号提取电路的测距装置，如图14所示，包括：
发射模块1401，用于发射光信号，以获得经待测对象1403反射后的回波信号。
接收模块1402，用于接收经过待测对象1403反射后的回波信号和背景光信号，并获取与待测对象1403之间的距离。
可选的，还包括调制模块1408，用于产生调制信号调制发射光信号和解调信号。
可选的，接收模块1402基于调制信号进行信号的解调，基于解调结果确定发射端即光源与待测对象1403之间的距离。
本实施例涉及的接收模块1402包括：光电转化装置1404、信号提取电路1405、模数转换装置1406和数据处理装置1407。
光电转化装置1404，用于接收的回波信号和/或背景光信号并转化为电荷。
信号提取电路1405，用于将电荷基于不同的解调信号从接收模块接收的信号中分离出回波信号。
数模转换装置1406，用于将回波信号转化为数字信号。
数据处理装置1407，用于通过数字信号计算获得测距装置与待测对象之间的距离。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (12)

1.一种信号提取电路，
包括至少一个信号提取模块，所述信号提取模块包括：至少一个积分单元、至少两条充电支路和至少一个电源，其中：
各所述积分单元连接至少两条充电支路，各所述充电支路包括：
第一充电支路，将信号生成单元与所述积分单元的第一端相连，且将所述积分单元的第二端与电源相连，所述信号生成单元用于基于所接收的外部信号转化为电信号；
第二充电支路，将所述信号生成单元与所述积分单元的第二端相连，且将所述积分单元的第一端与所述电源相连，
其中所述信号生成单元为光电二极管或光电三极管，所述信号生成单元转化得到的所述电信号在所述第一充电支路导通且所述第二充电支路断开时在所述积分单元中正向积分，或在所述第二充电支路导通且所述第一充电支路断开时在所述积分单元中反向积分。
2.根据权利要求1所述的电路，所述充电支路中包括多个开关单元，其中，
所述第一充电支路中，所述信号生成单元通过第一开关单元(S1)与所述积分单元的第一端连接，所述积分单元第二端通过第二开关单元(S2)与所述电源连接；
所述第二充电支路中，所述信号生成单元通过第三开关单元(S3)与所述积分单元第二端连接，所述积分单元的第一端通过第四开关单元(S4)与所述电源连接。
3.根据权利要求2所述的电路，各所述开关单元分别与解调模块相连，所述解调模块用于产生多个解调信号分别控制相应的所述充电支路的通断状态。
4.根据权利要求3所述的电路，各所述解调信号间具有预设相位关系。
5.根据权利要求4所述的电路，包括两个信号提取模块，其中，所述解调模块产生四个解调信号：第一解调信号(D1)，用于同时控制第一信号提取模块的第一开关单元(S1)和第二开关单元(S2)的通断；
第二解调信号(D2)，用于同时控制所述第一信号提取模块的第三开关单元(S3)和第四开关单元(S4)的通断；
第三解调信号(D3)，用于同时控制第二信号提取模块的第一开关单元(S1)和第二开关单元(S2)的通断；
第四解调信号(D4)，用于同时控制所述第二信号提取模块的第三开关单元(S3)和第四开关单元(S4)的通断。
6.一种用于权利要求1所述的信号提取电路的信号提取方法，包括：
导通所述第一充电支路，断开所述第二充电支路，将来自所述信号生成单元的信号从所述积分单元的第一端输入并储存；
导通所述第二充电支路，断开所述第一充电支路，将来自所述信号生成单元的信号从所述积分单元的第二端输入并储存；
所述第一充电支路和所述第二充电支路分别导通一次为一个充电周期；
获取在所述积分单元经过至少一个充电周期后的结果，为信号提取结果。
7.根据权利要求6所述的方法，各个所述充电支路中包括多个开关单元，所述第一充电支路包括第一开关单元(S1)和第二开关单元(S2)，所述第二充电支路包括第三开关单元(S3)和第四开关单元(S4)，所述导通所述第一充电支路，断开所述第二充电支路，将来自所述信号生成单元的信号从所述积分单元的第一端输入并储存，具体包括：
同时导通所述第一开关单元(S1)与所述第二开关单元(S2)，并且断开所述第三开关单元(S3)和所述第四开关单元(S4)，将来自所述信号生成单元的信号在所述积分单元中进行正向积分，获得正向积分结果；
所述导通所述第二充电支路导通，断开所述第一充电支路断开时，将来自所述信号生成单元的信号从所述积分单元的第二端输入并储存，具体包括：
同时导通所述第三开关单元(S3)与所述第四开关单元(S4)，并且断开所述第一开关单元(S1)和所述第二开关单元(S2)，将来自所述信号生成单元的信号在所述积分单元中进行反向积分，获得所述正向积分与所述反向积分之差作为所述信号的提取结果。
8.根据权利要求7所述的方法，各所述开关单元分别与解调模块相连，所述解调模块用于产生多个解调信号分别控制相应的所述充电支路的通断状态。
9.一种利用权利要求1至5任一所述的信号提取电路进行测距的测距方法，其中所述信号提取电路包括两个信号提取模块:第一信号提取模块和第二信号提取模块，所述测距方法包括：
由光源发射出的发射光信号，用于经过待测对象反射后获得回波信号，所述发射光信号具有一定的脉冲宽度(TC)；
由解调模块产生四个解调信号：第一解调信号(D1)，第二解调信号(D2)，第三解调信号(D3)和第四解调信号(D4)；
所述测距方法包括：
所述信号生成单元基于所接收的预设时长的背景光信号和部分回波信号产生电荷，所述第一解调信号(D1)控制所述第一信号提取模块的所述第一充电支路导通，所述信号生成单元中的当前电荷向所述第一信号提取模块中所述积分单元的第一端转移，转移结束时转移电荷的量为第一电荷量(Q1)；
所述信号生成单元基于所接收的预设时长的背景光信号产生电荷，所述第二解调信号(D2)控制所述第一信号提取模块的所述第二充电支路导通，所述信号生成单元中的当前电荷向所述第一信号提取模块中所述积分单元的第二端转移，转移结束时转移电荷的量为第二电荷量(Q2)；
所述第一信号提取模块中所述积分单元基于所述第一电荷量(Q1)和第二电荷量(Q2)获得第一信号提取结果(ΔQ1)；
所述信号生成单元基于所接收的预设时长的背景光信号和另一部分回波信号产生电荷，所述第三解调信号(D3)控制所述第二信号提取模块的所述第一充电支路导通，所述信号生成单元中的当前电荷向所述第二信号提取模块中所述积分单元的第一端转移，转移结束时转移电荷的量为第三电荷量(Q3)；
所述信号生成单元基于所接收的预设时长的背景光信号产生电荷，所述第四解调信号(D4)控制所述第二信号提取模块的所述第二充电支路导通，所述信号生成单元中的当前电荷向所述第二信号提取模块中所述积分单元的第二端转移，转移结束时转移电荷的量为第四电荷量(Q4)；
所述第二信号提取模块中所述积分单元基于所述第三电荷量(Q3)和第四电荷量(Q4)获得第二信号提取结果(ΔQ2)；
基于所述第一信号提取结果(ΔQ1)、所述第二信号提取结果(ΔQ2)和所述脉冲宽度(TC)计算获得光源与待测对象的距离。
10.根据权利要求9所述测距方法，所述信号生成单元每次接收信号前进行复位；
所述积分单元获得信号提取结果后复位。
11.根据权利要求9所述测距方法，所述第一解调信号(D1)的下降沿与所述第三解调信号(D3)的上升沿对齐，所述第二解调信号(D2)与所述第四解调信号(D4)不存在交叠部分。
12.一种测距装置，包括：
发射模块，用于发出发射光信号，以获得经待测对象反射后的回波信号；
调制模块，用于产生调制信号以调制所述发射光信号和解调信号；
接收模块，用于接收经过对象反射后的回波信号，并基于所述调制信号进行信号的解调，基于该解调结果确定所述测距装置的发射端与所述待测对象之间的距离；
其中，所述接收模块包括：
光电转换装置；
根据权利要求1至5中任一项所述的信号提取电路；
模数转换装置；以及
数据处理装置；
所述光电转换装置，用于接收的所述回波信号和/或背景光信号并转化为电荷；
所述信号提取电路，用于将所述电荷基于不同的解调信号进行信号的分离获得信号提取结果；
所述模数转换装置，用于将所述信号提取结果转化为数字信号；
所述数据处理装置，用于通过所述数字信号计算获得所述测距装置与待测对象之间的距离。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110865383B (zh) * 2019-11-26 2022-07-26 宁波飞芯电子科技有限公司 一种信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置
CN114563799A (zh) * 2020-11-27 2022-05-31 宁波飞芯电子科技有限公司 一种距离信息获取系统

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4078144B2 (ja) * 2002-08-02 2008-04-23 日本放送協会 固体撮像装置
JP2004104676A (ja) * 2002-09-12 2004-04-02 Olympus Corp 固体撮像装置及び距離情報入力装置
EP2116864A1 (en) * 2008-05-09 2009-11-11 Vrije Universiteit Brussel TOF range finding with background radiation suppression
EP2441246A1 (en) * 2009-06-09 2012-04-18 MESA Imaging AG System for charge-domain electron subtraction in demodulation pixels and method therefor
DE102010039272B3 (de) * 2010-08-12 2011-12-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Kapazitätsmessschaltung, Sensorsystem und Verfahren zum Messen einer Kapazität unter Verwendung eines sinusförmigen Spannungssignals
US9019480B2 (en) * 2013-02-26 2015-04-28 Jds Uniphase Corporation Time-of-flight (TOF) system, sensor pixel, and method
KR102150013B1 (ko) * 2013-06-11 2020-08-31 삼성전자주식회사 음향신호를 위한 빔포밍 방법 및 장치
CN104113501B (zh) * 2014-06-19 2017-04-26 北京科技大学 低频磁感应通信的调制器、解调器及调制方法和解调方法
JP6677909B2 (ja) * 2015-01-30 2020-04-08 ソニー株式会社 固体撮像装置および電子機器
EP3128342A1 (en) * 2015-08-07 2017-02-08 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion device, ranging apparatus, and information processing system
WO2017138033A1 (en) * 2016-02-08 2017-08-17 Denso Corporation Time-of-flight distance measuring device and method for detecting multipath error
JP6673084B2 (ja) * 2016-08-01 2020-03-25 株式会社デンソー 光飛行型測距装置
EP3301479A1 (en) * 2016-10-03 2018-04-04 Xenomatix NV Method for subtracting background light from an exposure value of a pixel in an imaging array, and pixel for use in same
CN108983249B (zh) * 2017-06-02 2020-11-06 比亚迪股份有限公司 飞行时间测距系统、方法、测距传感器和相机
US10522578B2 (en) * 2017-09-08 2019-12-31 Sony Semiconductor Solutions Corporation Pixel-level background light subtraction
US10585176B2 (en) * 2017-09-19 2020-03-10 Rockwell Automation Technologies, Inc. Pulsed-based time of flight methods and system
CN110138341B (zh) * 2018-02-02 2023-11-14 上海复旦微电子集团股份有限公司 一种信号解调电路
CN110389351B (zh) * 2018-04-16 2021-03-26 宁波飞芯电子科技有限公司 Tof距离传感器、传感阵列及基于tof距离传感器的测距方法
CN110865383B (zh) * 2019-11-26 2022-07-26 宁波飞芯电子科技有限公司 一种信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置

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