CN111033312A - 光学距离测量设备的延迟时间校准及相关联的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于测量到物体的距离的设备(200)。设备(200)包括：光发射器(202)，被配置为发射出射光脉冲；和光传感器(204)，被配置为接收返回光脉冲，并且输出表示返回光脉冲的脉冲信号。设备(200)还包括现场可编程门阵列(FPGA)(208)，FPGA耦合到光传感器(204)并且包括具有一系列顺序耦合的延迟单元(222a‑222n)的时间‑数字转换器(TDC)(220)。各个顺序耦合的延迟单元(222a‑222n)与对应的各个延迟时间相关联。顺序耦合的延迟单元(222a‑222n)中的至少一些延迟单元具有不同的各个延迟时间。TDC(220)被配置为至少部分地基于顺序耦合的延迟单元(222a‑222n)的各个延迟时间来测量脉冲信号的定时信息。设备(200)还包括被配置为基于定时信息计算到物体的距离的控制器(206)。

Description

光学距离测量设备的延迟时间校准及相关联的系统和方法
背景技术
无人载运工具(比如，无人机(UAV))可以用于许多应用，包括农作物监视、摄影、建筑物和其它结构检查、消防和安全任务、边境巡逻以及产品交付等。这种无人载运工具可以配备有用于检测周围环境中的障碍物和其它物体的传感器。LIDAR系统可以用于提供用于三维障碍物检测和环境映射的距离测量。然而，现有LIDAR系统的测量精度可能不足以用于一些复杂的环境。因此，仍然需要用于实现由无人载运工具和其它可移动物体搭载的LIDAR系统的改进技术。
附图说明
图1A是包括根据本技术的代表性实施例配置的可移动物体在内的代表性系统的示意图。
图1B是根据本技术的代表性实施例配置的代表性LIDAR系统的示意图。
图2是根据本技术的代表性实施例配置的基于现场可编程门阵列(FPGA)的光学距离测量设备的示意图。
图3是根据本技术的代表性实施例配置的具有高时间分辨率的时间-数字转换器(TDC)的示意图。
图4A是示出了根据本技术的代表性实施例的上升沿信号的时间测量的定时图。
图4B是示出了根据本技术的代表性实施例的下降沿信号的时间测量的定时图。
图5是示出了根据本技术的代表性实施例的用于制造和操作基于FPGA的光学距离测量设备的方法的流程图。
图6是示出了根据本技术的代表性实施例的用于基于平均延迟时间校准FPGA的方法的流程图。
图7是示出了根据本技术的代表性实施例的用于基于各个延迟时间校准FPGA的方法的流程图。
图8A是示出了根据本技术的代表性实施例生成的计数数据的直方图。
图8B是根据本技术的代表性实施例的一系列顺序耦合的延迟单元的各个延迟时间的示意图。
图9A是根据本技术的代表性实施例的由TDC产生的数据序列中的气泡(bubble)的示意图。
图9B是示出了根据本技术的代表性实施例的受气泡影响的技术数据的直方图。
图10是示出了根据本技术的代表性实施例的用于校准FPGA以减少气泡的影响的方法的流程图。
图11是示出了根据本技术的代表性实施例的使用光学距离测量设备测量到物体的距离的方法的流程图。
图12是示出了根据本技术的代表性实施例的至少部分地基于各个延迟时间来测量定时信息的方法的流程图。
图13是示出了根据本技术的代表性实施例的使用用以减少气泡的技术来测量定时信息的方法的流程图。
具体实施方式
1.概览
本技术总体涉及校准光学距离测量设备中的延迟时间以及相关联的系统和方法。在一些实施例中，现场可编程门阵列(FPGA)被配置为以增加的时间分辨率(例如，皮秒级分辨率)测量由光检测和测距(LIDAR)系统接收的光脉冲的定时信息。在一些实施例中，FPGA包括具有一系列顺序耦合的延迟单元的时间-数字转换器(TDC)，并且FPGA被校准以考虑与各个延迟单元相关联的各个延迟时间。与常规系统不同，本发明技术的实施例在降低了成本、功耗和处理负担的同时提供了改进的距离测量精度(例如，厘米级精度)。此外，本技术可以集成到各种各样的可移动物体(包括但不限于无人载运工具、自主载运工具和机器人)中。因此，本文描述的实施例对于涉及在复杂和动态环境中的高精度距离测量的应用(例如，由自主或半自主载运工具执行的障碍物检测和环境映射)来说是特别有利的。
在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对当前公开的技术的透彻理解。在其它实施例中，本文介绍的技术可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其它情况下，为了避免不必要地模糊本公开，而不详细描述诸如特定制造技术之类的公知特征。在本说明书中对“实施例”、“一个实施例”等的引用意指所描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因此，本说明书中这些短语的出现不一定都指代相同的实施例。另一方面，这样的引用也不一定是相互排斥的。此外，可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式来组合特定特征、结构、材料或特性。此外，应该理解的是，附图中示出的各种实施例仅仅是说明性的表示，并且不一定是按比例绘制的。
本文所用的“A和/或B”包括“A”或“B”中的一个或多个以及它们的组合(例如，“A”和“B”)。
在以下描述中，尽管结合无人机(UAV)引入了一些实施例，但是本文中的技术也可以以类似方式应用于其它类型的可移动物体，包括但不限于其它类型的无人载运工具(例如，陆上载运工具)、自主载运工具(例如，自动驾驶汽车)、手持设备或机器人。
提供了图1A至图13以说明所公开的技术的代表性实施例。除非另有规定，否则附图不旨在限制本申请中的权利要求的范围。
本文描述的技术的一些实施例可以采取计算机可执行指令或控制器可执行指令的形式，包括由可编程计算机或控制器执行的例程。相关领域的技术人员将会理解，该技术可以在与以下所示和所述的那些系统不同的计算机或控制器系统上实施。该技术可以体现在被专门编程、配置或构造为执行以下所述的一个或多个计算机可执行指令的专用计算机或数据处理器中。因此，本文中通常使用的术语“计算机”和“控制器”指代任何数据处理器，并且可以包括互联网装置和手持设备(包括掌上型计算机、可穿戴计算机、蜂窝或移动电话、多处理器系统、基于处理器的或可编程的消费电子产品、网络计算机、迷你型计算机等)。由这些计算机和控制器处理的信息可以呈现在任何合适的显示介质(包括CRT显示器或LCD)上。
本文中的一些实施例在如下方法或处理的一般上下文中得以描述，在一些实施例中所述方法或处理可以由体现在计算机可读介质中的计算机程序产品来实现，所述计算机程序产品包括由联网环境中的计算机执行的计算机可执行指令(比如，程序代码)。计算机可读介质可以包括可移除和不可移除存储设备，包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、紧凑盘(CD)、数字通用盘(DVD)等。因此，计算机可读介质可以包括非暂时性存储介质。通常，程序模块可以包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。计算机可执行指令或处理器可执行指令、相关联的数据结构和程序模块表示用于执行本文公开的方法的步骤的程序代码的示例。这些可执行指令或相关联的数据结构的特定序列表示用于实现这些步骤或处理中所描述的功能的对应动作的示例。
本文中的一些实施例可以被实现为使用硬件电路、软件或其组合的设备或模块。例如，硬件电路实现可以包括例如集成为印刷电路板的一部分的分立的模拟和/或数字组件。备选地或附加地，所公开的组件或模块可以被实现为专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)器件。一些实现可以附加地或备选地包括数字信号处理器(DSP)，DSP是专用微处理器，具有针对与本申请的所公开的功能相关联的数字信号处理的操作需求而优化的架构。类似地，每个模块内的各种组件或子组件可以用软件、硬件或固件来实现。模块和/或模块内的组件之间的连接可以使用本领域中已知的连接方法和介质中的任何一种来提供，包括但不限于通过互联网、使用适当协议的有线或无线网络实现的通信。
2.代表性实施例
图1A是具有根据本技术的代表性实施例配置的元件在内的代表性系统100的示意图。系统100包括可移动物体110(例如，UAV)和控制系统120。可移动物体110可以是可以用于各种实施例的任何合适类型的可移动物体(例如，无人载运工具、自主载运工具或机器人)。
可移动物体110可以包括可以承载搭载物114的主体112(例如，机身)。根据本文所述的实施例，可以使用许多不同类型的搭载物。在一些实施例中，搭载物包括一个或多个传感器，比如成像设备或光电扫描设备。例如，搭载物114可以是相机、摄像机和/或静物相机。相机可以对任何各种合适波段(包括可视波段、紫外波段、红外波段和/或其它波段)中的波长敏感。搭载物114还可以包括其它类型的传感器和/或其它类型的货物(例如，包裹或其它可交付物)。
在一些实施例中，利用承载机构116(例如，云台)相对于主体112来支撑搭载物114。承载机构116可以允许搭载物114相对于主体112而独立定位。例如，承载机构116可以允许搭载物114围绕一个、两个、三个或更多个轴线旋转。承载机构116还可以允许搭载物114沿着一个、两个、三个或更多个轴线性移动。用于旋转或平移移动的轴线可以彼此正交或可以不彼此正交。例如，当搭载物114包括成像设备时，成像设备可以经由承载机构116相对于主体112移动以拍摄、录像或跟踪目标。
可移动物体110可以包括一个或多个推进单元130，该一个或多个推进单元130被配置为相对于多达三个平移自由度和/或多达三个旋转自由度移动可移动物体110。例如，在可移动物体110是UAV的实施例中，推进单元130可以允许可移动物体110相对于多达三个平移自由度和多达三个旋转自由度在空中起飞、降落、悬停和/或移动。
各种类型的推进单元均适合与本文的实施例一起使用。在一些实施例中，推进单元130包括一个或多个旋翼。旋翼可以包括连接到轴的一个或多个旋翼叶片。旋翼叶片和轴可以通过合适的驱动机构旋转。例如，推进单元130可以由任何合适的电机(例如，DC电机(例如，刷式或无刷式)或AC电机)驱动。电机可以被配置为安装和驱动旋翼叶片。尽管可移动物体110的推进单元130被描述为基于螺旋桨并且可以具有四个旋翼，但是可以使用任何合适的数量、类型和/或布置的推进单元。例如，旋翼的数量可以是一个、两个、三个、四个、五个或更多个。旋翼可以相对于可移动物体110竖直地、水平地或以任何其它适当的角度取向。旋翼的角度可以是固定的或可变的。
可移动物体110被配置为从控制系统120接收控制命令和/或向控制系统120发送数据。在图1A所示的实施例中，控制系统120包括可移动物体110上承载的一些组件和位于可移动物体110之外的一些组件。例如，控制系统120可以包括经由通信链路128(例如，无线链路，比如基于射频(RF)的链路)连接的第一控制器122和第二控制器124(例如，人操作的遥控器)，其中第一控制器122是由可移动物体110承载的，并且第二控制器124位于远离可移动物体110的位置处。第一控制器122可以包括计算机可读介质126，计算机可读介质126执行指导可移动物体110的动作(包括但不限于推进单元180和搭载物162(例如，相机)的操作)的指令。第二控制器124可以包括一个或多个输入/输出设备(例如，显示器和控制按钮)。在一些实施例中，操控者操纵第二控制器124以远程控制可移动物体110，并且经由第二控制器124上的显示器和/或其它接口从可移动物体110接收反馈。在一些实施例中，可移动物体110自主操作，在这种情况下，第二控制器124可以被消除，或者可以仅用于超过操控者能力范围的功能。
为了提供安全和有效的操作，无人机和其它类型的无人载运工具能够自主地或半自主地检测障碍物和/或参与避让操作以避开障碍物会是有益的。此外，感测环境物体对于UAV功能(例如，导航、目标跟踪和映射)来说是有用的，特别是当UAV以半自主或完全自主的方式运行时。
因此，本文描述的UAV可以包括被配置为检测UAV周围的环境中的物体的一个或多个传感器(例如，与搭载物类型的传感器分离并且独立的)。在一些实施例中，UAV包括被配置为测量物体与UAV之间的距离的传感器(本文称为“距离测量设备”(例如，图1A的距离测量设备140))。距离测量设备可以由UAV以各种方式承载(例如，在UAV的主体的上方、下方、侧面上或内部)。可选地，距离测量设备可以经由允许该设备相对于UAV平移和/或旋转的云台或其它承载机构与UAV连接。
在一些实施例中，距离测量设备是使用光来测量到物体的距离的光学距离测量设备。光学距离测量设备可以是LIDAR系统或激光测距仪。LIDAR系统和激光测距仪通过以下操作来测量设备和物体之间的距离：发射光信号(例如，激光脉冲)；检测从物体反射回来的光信号；以及，基于光速以及发送和检测之间经过的时间来确定到物体的距离。激光测距仪提供一维距离数据，而LIDAR系统可以通过以多个不同角度发射光信号来提供周围环境的三维数据。尽管本文中就LIDAR系统描述了一些实施例，但这仅仅是为了说明的目的，并且本技术也可以应用于其它类型的光学距离测量设备(例如，激光测距仪)。此外，尽管本文中所述的一些实施例特别适用于由LIDAR系统中的激光二极管产生的激光束，但是在其它实施例中，可以使用其它类型的辐射源(例如，其它类型的激光器或发光二极管(LED))。
图1B是根据本技术的代表性实施例配置的代表性LIDAR系统150的示意图。LIDAR系统150的一些或全部组件可以包括在图1A的距离测量设备140中。LIDAR系统150通过测量光在LIDAR系统150和物体180之间行进的时间(也称为飞行时间(TOF))来检测到物体180的距离。系统150包括可以生成激光束(例如，以一个或多个光脉冲的形式)的光发射器152。激光束可以是单个激光脉冲或一系列激光脉冲。透镜154可以用于准直由光发射器152生成的激光束。准直后的光可以被导向光束分离设备156。光束分离设备156可以允许来自光源152的准直后的光通过。备选地，当采用不同方案时(例如，当光发射器位于检测器的前面时)，光束分离设备156可能不是必需的。
系统150还包括光束转向设备158，光束转向设备158可以包括各种光学元件(比如，棱镜、反光镜、光栅、光学相位阵列(例如，液晶受控光栅)或其组合)。这些不同的光学元件可以围绕公共轴线160旋转，以便使光沿不同方向转向(如出射光束162和162’所示)。可以通过电机161或其它合适的机构来致动光学元件的旋转。
当出射光束162照到物体180时，反射的或散射的光可以遍布在大角度164上，并且只有一小部分能量可以反射回系统150。光束分离设备156可以将返回光束166(例如，以一个或多个返回光脉冲的形式)朝向接收透镜168反射，接收透镜168可以将返回光束聚集并聚焦在检测器170上。检测器170接收返回光，并且将该光转换为电信号。包括测量电路(比如，TOF单元)在内的控制器172可以用于测量TOF，以便确定到物体180的距离。因此，系统150可以基于由光源152生成光脉冲162与由检测器170接收返回光束166之间的时间差，来测量到物体180的距离。
在一些实施例中，为了获得厘米级精度的距离测量，以数百皮秒或甚至几百亚皮秒数量级的时间分辨率来对由光学距离测量设备(比如，LIDAR系统)接收的光脉冲进行采样。高分辨率采样对于成功捕获非常短的脉冲信号(例如，脉冲持续时间仅为几纳秒至几十纳秒)来说也是有利的。许多LIDAR系统依赖高速模数转换器(ADC)(例如，采样速率超过每秒1千兆采样(GSPS))来执行光脉冲信号的数字化。然而，高速ADC通常成本较高并且功耗较高。此外，高速ADC采样基于以相同时间间隔(即，相对于时间轴的采样)对具有不同电压的模拟信号进行采样。因此，采样的定时与脉冲信号无关并且没有任何时间相关性，并且需要提取算法来提取模拟信号的定时信息。
本技术提供了不依赖于使用高速ADC而实现高精度距离测量的方法。在一些实施例中，本文所述的系统和方法被配置为使用现场可编程器件(比如，FPGA或复杂可编程逻辑器件(CPLD))来提供高精度的距离测量。尽管本文中的代表性实施例是参考FPGA描述的，但是本技术也可以使用其它类型的现场可编程器件(比如，CPLD)来实现。
FPGA是包括多个逻辑块在内的集成电路，在制造成FPGA之后，用户可以对这些多个逻辑块进行编程以提供各种不同的功能。在一些实施例中，FPGA包括可编程逻辑块(例如，可配置逻辑块(CLB)或逻辑阵列块(LAB))和输入/输出(I/O)块的阵列。逻辑块和I/O块可以经由可编程路由选择彼此耦合。逻辑块可以包括多个逻辑单元或逻辑片。逻辑单元或逻辑片可以包括可以由用户配置以实现逻辑功能的多个组件，包括但不限于一个或多个查找表(LUT)(例如，3输入或4输入LUT)、正反器(flip-flop)、多路复用器、和/或进位逻辑。
因此，FPGA可以被配置为执行光学距离测量中涉及的一些操作，比如将模拟脉冲信号数字化为多个数字信号值(脉冲数字化)、确定与该多个数字信号值相对应的多个时间值(时间数字转换)、以及使用数字信号值和时间值计算物体距离。本文所述的基于FPGA的系统和方法可以用于以相对较低的成本和功耗来提供厘米级精度的距离测量。
图2是根据本技术的代表性实施例配置的基于FPGA的光学距离测量设备200的示意图。光学距离测量设备可以包括LIDAR系统的一些或全部组件(比如，以上参考图1B描述的系统150)。在一些实施例中，设备200包括：光发射器202(与图1B的光发射器152类似)，被配置为发射出射光脉冲(例如，激光脉冲)；以及光传感器204(与图1B的光检测器170类似)，被配置为接收从物体(例如，在设备200周围的环境中的物体)反射的返回光脉冲。光传感器204被配置为例如使用将光能转换成电信号的光电检测器，来输出表示返回光脉冲的模拟脉冲信号。
设备200包括FPGA 208。FPGA 208耦合到光传感器204并被配置为接收由光传感器204生成的模拟脉冲信号。FPGA 208可以被配置为处理模拟脉冲信号，以便将模拟脉冲信号转换成数字信号，并且确定定时信息。在一些实施例中，FPGA 208包括：数字转换器210，被配置为将模拟脉冲信号数字化为多个数字信号值；和/或，时间-数字转换器(TDC)220，被配置为确定与多个数字信号值相对应的多个时间值。数字信号值可以表示模拟脉冲信号的电压电平，并且对应的时间值可以表示当模拟脉冲信号处于该电压电平时的时间点。
设备200可以包括控制器206(例如，与图1B的控制器172类似的控制器)。在一些实施例中，控制器206耦合到光发射器20，以控制出射光脉冲的发射并且测量出射光脉冲何时发射的定时信息。控制器206还可以耦合到FPGA 208，以便接收返回光脉冲的定时信息，并且至少部分地基于定时信息来计算到物体的距离。在一些实施例中，控制器206接收由FPGA208生成的数字信号值和时间值，并且基于数字信号值和时间值来计算到物体的距离。例如，控制器206可以被配置为：通过将数字信号值和时间值输入到函数中，并且使用该函数导出用于返回光脉冲的估计的时间值，来计算物体距离。然后，可以在TOF计算中使用估计的时间值来确定到物体的距离。
控制器206可以使用许多不同类型的函数来计算估计的时间值。在一些实施例中，该函数是脉冲信号模型(比如，多项式或三角模型)。控制器206可以将数字信号值和时间值拟合到脉冲信号模型，并且基于模型的形状导出估计的时间值。例如，控制器206可以基于信号幅度何时达到其最大值来确定估计的时间值。在一些实施例中，控制器206可以使用其它准则(例如，方波信号模型形式的信号的宽度)来导出与脉冲信号相关联的估计的时间值。
在一些实施例中，控制器206使用搜索函数来导出估计的时间值。控制器206可以在数据库或LUT中搜索，以找到与数字信号值和时间值最相匹配的值的集合。值的集合可以具有以下形式：(ti，Vfi)，其中Vfi是电压电平，并且ti是与电压电平相对应的时间值。值的集合可以映射到输出时间值或成(T，V)形式的输出元组，所述输出时间值或输出元组存储在数据库或LUT中。然后，控制器可以从与V相对应的映射输出元组中选择映射的输出时间值或T，以便于TOF的计算，以便确定从设备到对应物体的距离。
设备200的一些或全部组件可以由可移动物体(比如，无人载运工具(例如，UAV)、自主载运工具(例如，自动驾驶汽车)、或机器人)承载。因此，当可移动物体在环境内操作时，设备200可以用于测量可移动物体和周围物体之间的距离。在一些实施例中，设备200特别适用于复杂和动态环境(例如，设备200周围有许多物体的环境、障碍物相对于设备200快速移动的环境、具有波动条件(例如，温度)的环境等)。设备200还特别适合与能够相对于多个自由度快速移动的可移动物体结合使用。
尽管图2示出了用于使用FPGA来测量距离的设备的代表性实施例，但是也可以使用设备200的备选配置。例如，尽管图2示出了单个数字转换器210和单个TDC 220，但是FPGA208也可以包括多个数字转换器和/或多个TDC。可以使用数字转换器和TDC的各种组合，例如，单个数字转换器可以耦合到相应的单个TDC、单个数字转换器可以耦合到多个TDC、或者单个TDC可以耦合到多个数字转换器。
作为另一示例，在一些实施例中，数字转换器210或TDC 220可以是可选的，使得脉冲数字化处理或时间数字转换处理由与FPGA 208不同的器件执行。例如，脉冲数字化可以由一个或多个比较器执行，而时间数字转换由FPGA 208的TDC 220执行。备选地，脉冲数字化可以由FPGA 208的数字转换器210执行，而与FPGA 208不同的器件(例如，分离的TDC)执行时间数字转换。
在又一示例中，尽管图2中将控制器206描述为是与FPGA 208分离的设备，在其它实施例中，控制器206可以是FPGA 208的一部分。在这样的实施例中，FPGA 208被配置为执行控制器206的一些或全部功能。例如，FPGA 208可以被配置为使用由数字转换器210生成的数字信号值和由TDC 220生成的时间值来执行距离计算。
在一些实施例中，TDC 220通过以下操作来实现：配置FPGA的一个或多个组件接收表示数字化模拟脉冲信号的多个数字信号值(例如，由数字转换器210生成)，并且对每个数字信号值进行采样以生成对应的时间值。在一些实施例中，FPGA接收并采样表示数字信号值的值随时间的改变的方波信号，以确定信号的上升沿和/或下降沿的时间值。方波信号的上升沿和/或下降沿的时间值可以表示模拟脉冲信号达到、超过和/或低于特定电压值的时间点。
在一些实施例中，以高时间分辨率(例如，数百皮秒或小于数百皮秒数量级的时间分辨率)执行采样。例如，采样的时间分辨率可以在如下范围内：从大约5皮秒至大约2000皮秒、从大约10皮秒至大约1000皮秒、从大约1皮秒至大约500皮秒、或从大约1皮秒至大约100皮秒。在一些实施例中，采样的时间分辨率(例如，皮秒级)高于FPGA时钟的时钟周期(例如，纳秒级)。例如，时间分辨率至少可以是FPGA的时钟周期的2倍、5倍、10倍、20倍或100倍。
在一些实施例中，TDC 220被配置为使用一系列延迟单元来执行高时间分辨率采样。延迟单元可以顺序地彼此耦合，使得数字信号值顺序地传播通过延迟单元，其中每个顺序的延迟单元从在前的延迟单元接收数字信号值的时间延迟版本。因此，可以通过计数在已知时间间隔内接收到数字信号值的延迟单元的数量来确定数字信号值的时间值。
图3是根据本技术的代表性实施例配置的具有高时间分辨率的TDC 220的示意图。如前所述，TDC 220可以使用FPGA(例如，FPGA208)的一个或多个组件来实现。在一些实施例中，TDC 220包括顺序地彼此耦合以形成延迟线的一系列延迟单元222a至222n。可以使用任何合适数量的延迟单元，比如，至少10个、至少25个、至少50个、至少100个、或至少200个延迟单元。可以使用FPGA内的逻辑组件以各种方式来配置延迟单元222a至222n。例如，多个延迟单元222a至222n可以包括进位链和/或LUT。
在一些实施例中，每个延迟单元在信号传输中产生皮秒级延迟。延迟时间可以与延迟单元首次(例如，从在前的延迟单元)接收到输入信号时的时刻与延迟单元(例如，向下一延迟单元)输出输入信号时的时刻之间的时间长度相对应。例如，每个延迟单元可以被配置为产生如下范围的延迟时间：从大约5皮秒至大约2000皮秒、从大约10皮秒至大约1000皮秒、从大约1皮秒至大约500皮秒、或者从大约1皮秒至大约100皮秒。在一些实施例中，由每个延迟单元产生的延迟是相同的，使得延迟单元具有相同的各个延迟时间。在其它实施例中，一些或全部延迟单元产生不同的延迟，使得一些或全部延迟单元具有不同的各个延迟时间。
延迟单元222a至222n可以被配置为接收与模拟脉冲信号的数字化相对应的数字信号值。在一些实施例中，数字信号值表示模拟脉冲信号是大于、小于还是等于特定时间处的电压电平。可以接收数字信号值来作为表示数字信号值随时间改变的方波信号228。信号228可以顺序地传输通过延迟单元222a至222n中的每一个，使得由每个连续的延迟单元接收的信号从由在前的延迟单元接收的信号起延迟对应的延迟时间。每个延迟单元可以被配置为当其接收到信号228的边沿时产生输出信号。例如，延迟单元可以在由信号228的上升沿触发时输出数字值“1”，并且可以在由信号228的下降沿触发时输出数字值“0”。
延迟单元222a至222n耦合到锁存单元224。锁存单元224可以被配置为当信号228触发了延迟单元222a至222n时锁存延迟单元222a至222n的输出。在一些实施例中，锁存单元224包括多个锁存器，每个锁存器耦合到对应的延迟单元，并且被配置为在信号228的上升沿或下降沿触发了延迟单元时，(例如，通过稳定地存储表示输出的数字数据值)锁存该延迟单元的输出。每个延迟单元的锁存输出组成锁存单元224的输出信号。
TDC 220被配置为(例如，从FPGA 208的时钟)接收时钟信号230。时钟信号230可以具有从几百MHz至GHz的数量级的速率，使得信号230具有纳秒级的时钟周期Tck。在一些实施例中，时钟周期与时钟周期的长度(例如，从时钟信号230的上升沿到信号230的下一个上升沿的时间长度、或者从信号230的下降沿到信号230的下一个下降沿的时间长度)相对应。时钟信号230可以由锁存单元224和计数器226接收。计数器226可以计数从测量开始以来的时钟周期数Cr，使得由TDC时钟提供的粗略时间值是CrTck。在每个时钟周期处(例如，在TDC220接收到时钟信号230的下一个边沿之前或之时)，TDC 220可以基于锁存单元224的锁存输出信号来确定由信号228触发的延迟单元的数量，以提供与信号228的上升沿或下降沿相对应的高分辨率时间值。
图4A是示出了根据本技术的代表性实施例的上升沿信号的时间测量的定时图。在所描绘的实施例中，上升沿信号传输通过一系列四个顺序耦合的延迟单元，使得第一延迟单元接收信号410a，第二延迟单元接收信号410b，第三延迟单元接收信号410c，并且第四延时单元接收410d。每个连续的信号从在前的信号起延迟对应的延迟时间。在时间Tck处，对每个延迟单元的锁存输出进行采样。在所描绘的实施例中，第一延迟单元和第二延迟单元已经分别被信号410a和410b的上升沿触发，使得这些延迟单元的输出都是数字数据值“1”。第三延迟单元和第四延迟单元尚未分别被信号410c和410d的上升沿触发，使得这些延迟单元的输出都是数字数据值“0”。因此，时间Tck处的锁存单元(例如，图3的锁存单元224)的输出信号是“1100”。可以使用关系Trising＝CrTck-Cr1td(其中，td是全部延迟单元之间的平均延迟时间)基于被锁存为数字数据值“1”的延迟单元的数量Cr1，来计算上升沿信号的时间值Trising。例如，在图4A的实施例中，存在被锁存为数字数据值“1”(对应于信号410a和410b)的两个延迟单元，使得Cr1的值为2。
图4B是示出了根据本技术的代表性实施例的下降沿信号的时间测量的定时图。在所描绘的实施例中，上升沿信号传输通过一系列四个顺序耦合的延迟单元，使得第一延迟单元接收信号420a，第二延迟单元接收信号420b，第三延迟单元接收信号420c，并且第四延时单元接收420d。每个连续的信号从在前的信号起延迟对应的延迟时间。在时间Tck处，对每个延迟单元的锁存输出进行采样。在所描绘的实施例中，第一延迟单元和第二延迟单元已经分别被信号420a和420b的下降沿触发，使得这些延迟单元的输出都是数字数据值“0”。第三延迟单元和第四延迟单元尚未分别被信号420c和420d的下降沿触发，使得这些延迟单元的输出都是数字数据值“1”。因此，时间Tck处的锁存单元404的输出信号是“0011”。可以使用关系Tfalling＝CrTck-Cf1td(其中，td是全部延迟单元之间的平均延迟时间)基于被锁存为数字数据值“0”的延迟单元的数量Cf1，来计算下降沿信号的时间值Tfalling。例如，在图4B的实施例中，存在被锁存为数字数据值“0”(对应于信号420a和420b)的两个延迟单元，使得Cf1的值为2。
图5是示出了根据本技术的代表性实施例的用于制造和操作基于FPGA的光学距离测量设备的方法500的流程图。例如，方法500可以用于制造和操作光学距离测量设备200。块600包括对包括TDC(例如，TDC 220)在内的FPGA(例如，FPGA 208)进行校准。TDC具有一系列顺序耦合的延迟单元。在一些实施例中，校准FPGA包括确定与一些或全部延迟单元相关联的延迟时间。各个延迟时间可以是多个延迟单元之间的平均延迟时间，或者可以是针对每个延迟单元而单独确定的各个延迟时间。在一些实施例中，校准FPGA包括使用用于减少或消除数据序列中的“气泡”的技术，所述数据序列用于确定延迟单元的各个延迟时间。以下参考图6至图10更详细地描述用于校准FPGA的代表性方法。
块700包括将FPGA安装在光学距离测量设备中。在一些实施例中，安装FPGA包括将FPGA耦合到光学距离测量设备(例如，设备200)的一个或多个组件(例如，光发射器(例如，光发射器202)、光传感器(例如，光传感器204)、和/或控制器(例如，控制器206))。
块800包括使用光学距离测量设备来测量到物体的距离。在一些实施例中，光学距离测量设备至少部分地基于脉冲信号的定时信息来计算距离。例如，定时信息可以包括如上所述的与多个数字信号值(表示脉冲信号的电压电平)相对应的多个时间值。在一些实施例中，定时信息是使用包括具有一系列顺序耦合的延迟单元在内的TDC、并且在块600和700中被校准和安装的FPGA来测量的。FPGA可以至少部分地基于延迟单元的各个延迟时间来测量定时信息。可选地，定时信息包括与脉冲信号的一个或多个部分相对应的输入信号的时间值，并且测量定时信息包括使用用于减少数据序列(用于确定时间值)中的气泡的技术。以下参考图11至图13更详细地描述用于测量到物体的距离的示例性方法。
尽管图5示出了作为单个方法500的一部分的校准处理(块600)、安装处理(块700)和测量处理(块800)，但是在一些实施例中，这些处理彼此独立并且可以由分离的实体执行。例如，校准处理和安装处理可以由制造商执行，而测量处理可以由最终用户执行。此外，处理顺序可以变化。例如，可以在校准处理之前执行安装处理。在一些实施例中，可以重复一个或多个处理。例如，初始校准处理可以由制造商执行，并且最终用户可以在操作测量设备之前和/或之后执行附加的校准处理。
图6是示出了根据本技术的代表性实施例的用于基于平均延迟时间校准FPGA的方法600a的流程图。方法600a用于校准包括具有一系列顺序耦合的延迟单元的TDC(例如，TDC220)在内的FPGA(例如，FPGA 208)。在一些实施例中，方法600a的一些或全部处理是作为图5的校准处理(块600)中的子处理来执行的。
块605包括在一系列顺序耦合的延迟单元处接收多个校准信号。校准信号可以是数字信号，例如包括上升沿和/或下降沿在内的方波信号。在一些实施例中，校准信号是随机化信号(例如相对于定时而随机化)。例如，校准信号可以是数字方波信号，其中方波信号的上升沿和/或下降沿的定时是随机的。在一些实施例中，随机化信号是相对于FPGA的时钟信号而被随机化的，使得随机化信号的定时是相对于时钟信号的定时而被随机化的(例如，时钟信号的上升沿和/或下降沿可以发生在FPGA的时钟周期的任何时刻)。多个校准信号可以被顺序地接收，并且传播通过一系列顺序耦合的延迟单元，使得该系列一次接收单个校准信号，并且直到先前的信号已经传播通过该系列，才接收下一个校准信号。
块610包括确定在FPGA的下一个时钟周期之前校准信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元中的延迟单元的最大数量。本文中，最大数量也被称为“maxbin”。在一些实施例中，确定最大数量包括：将校准信号传播通过顺序耦合的延迟单元；生成与信号传播通过该系列相对应的数据序列；以及，识别在该系列中的、在下一个时钟周期之前接收校准信号的最后延迟单元。所识别的延迟单元可以是接收信号的最后延迟单元。确定最大数目还可以包括确定针对每个延迟单元的计数，其中该计数表示延迟单元是该系列中的接收信号的最后单元的次数。可以使用针对该系列顺序耦合的延迟单元的计数来确定maxbin的值。
数据序列可以以各种合适的方式生成。例如，如前所述，每个延迟单元可以在其接收到校准信号(例如，信号的上升沿和/或下降沿)时生成输出(例如，数字值“1”或数字值“0”)，并且该输出可以由(例如，锁存单元224中的)对应的锁存器锁存。在下一个FPGA时钟周期之前(例如，在TDC接收下一个FPGA时钟信号沿之前或之时)，锁存的输出被采样，并且用于生成数据序列。数据序列可以包括多个数字数据值，并且每个锁存的输出可以与数据序列中的数字数据值相对应。序列中的数字数据值的位置可以与该系列中的对应的延迟单元的位置相对应(例如，第一数字数据值与第一延迟单元相对应，第二数字数据值与第二延迟单元相对应等)。
所生成的数据序列可以用于识别该系列中的在下一个时钟周期之前接收校准信号的最后延迟单元。例如，如果校准信号是上升沿信号，则数据序列可以包括：具有一个或多个数据值“1”的第一段(例如，“11111”)，与在下一个时钟周期之前被上升沿信号触发的延迟单元相对应；以及在第一段之后的具有一个或多个数据值“0”的第二段(例如，“00000”)，与在下一个时钟周期之前未被触发的延迟单元相对应。因此，第一段中的最后一个数字值“1”(紧邻第二段的数字值“1”)与在下一个时钟周期之前接收校准信号的最后延迟单元相对应。在一些实施例中，第一段仅包括一个或多个数字值“1”，并且第二段仅包括一个或多个数字值“0”。
作为另一示例，如果校准信号是下降沿信号，则数据序列可以包括：具有一个或多个数据值“0”的第一段，与在下一个时钟周期之前被下降沿信号触发的延迟单元相对应；以及，在第一段之后的具有一个或多个数据值“1”的第二段，与在下一个时钟周期之前未被触发的延迟单元相对应。因此，第一段中的最后一个数字值“0”(紧邻第二段的数字值“0”)与在下一个时钟周期之前接收校准信号的最后延迟单元相对应。在一些实施例中，第一段仅包括一个或多个数字值“0”，并且第二段仅包括一个或多个数字值“1”。
针对每个延迟单元的计数可以通过记录延迟单元被识别为接收信号的最后单元的次数来生成。如果所使用的随机化校准信号的数量足够大，则可以假设：在该系列中能够在下一个时钟周期之前接收信号的每个延迟单元(例如，累积的在前延迟时间不超过时钟周期的延迟单元)将具有非零计数，而其余的延迟单元(例如，累积的在前延迟时间超过时钟周期的延迟单元)将具有为零的计数。在一些实施例中，所使用的随机化校准信号的数量至少比该系列中的延迟单元的数量大100倍(例如，使用30,000个信号来校准具有300个延迟单元的FPGA)。因此，maxbin的值与该系列中具有非零计数的最后延迟单元的位置相对应。例如，在一系列100个顺序耦合的延迟单元中，如果延迟单元1至50具有非零计数，并且延迟单元51至100具有零计数，则maxbin的值是50。在一些实施例中，该系列顺序耦合的延迟单元被配置为使得：maxbin的值小于该系列中的延迟单元的数量，并且整个系列上的累积延迟时间超过FPGA时钟周期。
块615包括：至少部分地基于最大数量来确定一系列顺序耦合的延迟单元的平均延迟时间。在一些实施例中，根据如下关系确定平均延迟时间
td＝Tck/maxbin
其中，td是平均延迟时间，Tck是FPGA时钟周期。平均延迟时间可以用于测量输入信号的定时信息，如以下参考图11至图13所讨论的。
图7是示出了根据本技术的代表性实施例的用于基于各个延迟时间校准FPGA的方法600b的流程图。方法600b用于校准包括具有一系列顺序耦合的延迟单元的TDC(例如，TDC220)在内的FPGA(例如，FPGA 208)。在一些实施例中，方法600b的一些或全部处理是作为图5的校准处理(块600)中的子处理来执行的。在一些或全部延迟单元具有不同的各个延迟时间并且使用平均延迟时间不会提供足够的精度的实施例中，方法600b对于提高测量精度来说会是有利的。
块625包括在一系列顺序耦合的延迟单元处接收多个校准信号。接收处理可以如以上参考图6的块605所讨论的那样执行。
块630包括确定计数，所述计数表示延迟单元作为该系列中的、在FPGA的下一个时钟周期之前接收校准信号的最后单元的次数。如以上参考图6的块610所讨论的，计数可以通过以下操作来确定：将校准信号传播通过顺序耦合的延迟单元；生成与信号传播通过该系列相对应的数据序列；以及，识别在该系列中在下一个时钟周期之前接收校准信号的最后延迟单元。
块635包括确定与针对延迟单元的计数相对应的、延迟单元的各个延迟时间。在一些实施例中，如果所使用的随机化校准信号的数量足够大，则延迟单元是该系列中的接收信号的最后单元的概率将与针对该延迟单元的计数成比例，并且计数将与其各自的延迟时间成比例。
图8A和图8B呈现了计数与各个延迟时间之间的比例的代表性实施例。图8A是示出了根据本技术的代表性实施例生成的计数数据的直方图800。直方图800包括针对一系列顺序耦合的延迟单元的计数。在所示实施例中，“1”与该系列中的第一延迟单元相对应，并且“maxbin”与该系列中的、能够在下一FPGA时钟周期之前接收信号的最后延迟单元相对应。直方图800中的条表示针对每个延迟单元记录的计数的数量，例如，C1表示针对第一延迟单元的计数，C2表示针对第二延迟单元的计数，依此类推，直到Cmaxbin表示针对第maxbin延迟单元的计数。在所示实施例中，该系列中的不同延迟单元具有不同的计数。
图8B是根据本技术的代表性实施例的与图8A的计数数据相对应的、一系列顺序耦合的延迟单元的各个延迟时间850的示意图。在所示实施例中，块的宽度(例如，块1、2、3、4、...、maxbin-4、maxbin-3、maxbin-2、maxbin-1和maxbin)表示该系列中的对应延迟单元的各个延迟时间的长度。通过比较图8A和图8B可以看出，每个块的宽度与针对延迟单元的对应计数成比例。例如，第一延迟单元具有相对较低的计数C1，并且块1具有相对较短的宽度。作为另一示例，第二延迟单元具有相对较高的计数C2，并且块2具有相对较短的宽度。
再次参考图7的块635，在一些实施例中，至少部分地基于表示对应延迟单元的计数除以顺序耦合的延迟单元中的每一个单元的计数之和的比率，来计算延迟单元的各个延迟时间。例如，可以根据以下关系来确定系列中的第i个延迟单元的各个延迟时间。
Figure BDA0002390289170000191
其中，tdi是第i个延迟单元的延迟时间，Tck是FPGA时钟周期，并且Ci是针对第i个延迟单元的计数。延迟单元的各个延迟时间随后可以用于测量输入信号的定时信息，如以下参考图11至图13所讨论的。
如果针对延迟单元的计数不能正确地反映每个延迟单元作为该系列中的接收校准信号的最后单元的次数，则会降低本文所述的校准技术的精度。在一些实施例中，如果由于在数据序列中存在一个或多个“气泡”，而使得用于确定计数的数据序列不精确地与校准信号通过该序列的传播相对应，则会发生这种不精确。以下参考图9A至图10讨论气泡现象和用于减少气泡的影响的技术。
图9A是根据本技术的代表性实施例的由TDC 920产生的数据序列中的气泡的示意图。TDC 920可以与图2的TDC 220类似。TDC 920包括彼此顺序耦合的一系列延迟单元(比如，延迟单元922a至922h)。延迟单元耦合到锁存单元924，锁存单元924被配置为当延迟单元被接收到的输入信号928触发时锁存延迟单元的输出。在一些实施例中，锁存单元924包括多个锁存器(每个锁存器耦合到对应的延迟单元)，使得当延迟单元被信号928触发时，每个锁存器锁存对应的延迟单元的输出。例如，当延迟单元被上升沿信号触发时，锁存器可以锁存数字值“1”，并且当延迟单元被下降沿信号触发时，可以锁存数字值“0”。在FPGA时钟信号930的每个时钟周期(例如，在TDC接收下一个时钟信号边缘之前或之时)处，对锁存单元924的锁存输出进行采样。
在一些实施例中，每个锁存器与用于锁存对应延迟时间的输出的对应锁存时间相关联。锁存时间可以与延迟单元的输出改变(例如，响应于由上升沿或下降沿信号触发)时的时刻和锁存器能够锁存改变的输出时的时刻之间的时间长度相对应。锁存单元924中的一些或全部锁存器可以具有不同的锁存时间，或锁存单元924中的一些或全部锁存器可以具有相同的锁存时间。例如，锁存器可以具有在从大约1皮秒至大约500皮秒的范围内的锁存时间。
当延迟单元被输入信号928触发时，锁存时间会影响对应延迟单元的输出是否被成功锁存。在一些实施例中，如果锁存时间小于或等于对应延迟单元的各个延迟时间，则在信号传播到系列中的下一个延迟单元之前，锁存器可以成功锁存改变的输出。然而，在一些实施例中，如果锁存时间大于延迟单元的各个延迟时间，则在信号传播到下一个延迟单元之前，锁存器不会成功锁存改变的输出。在一些实施例中，在锁存与该系列中的其它延迟单元有关的改变的输出时，锁存器将被延迟，使得在输出被锁存之前，信号就已经传播通过了一个或多个下游延迟单元。
因此，在一些实施例中，如果一个或多个延迟单元具有大于各个延迟时间的锁存时间，则由锁存单元924产生的锁存输出会不精确地反映输入信号928传播通过该系列延迟单元。例如，在所示的实施例中，在FPGA的下一个时钟周期之前，延迟单元922a至922h接收到信号928。当由信号928触发时，延迟单元922a至922h的输出从数字值“0”改变为数字值“1”。延迟单元922b、922c、922e和922h具有小于或等于它们各自的延迟时间的锁存时间，使得它们的输出被锁存单元924锁存为数字值“1”。延迟单元922a、922d、922f和922g的锁存时间大于它们各自的延迟时间，使得即使它们已经接收到信号928，但是在当前时钟周期已经结束时仍被锁存为数字值“0”。
由TDC产生的数据序列可以包括“气泡”，TDC中的至少一些延迟单元具有大于各个延迟时间的锁存时间。在一些实施例中，气泡是相邻数字值“0”之间的至少一个数字值“1”(例如，“010”或“0110”)或者相邻数字值“1”之间的至少一个数字值“0”(例如，“101”或“1001”)。气泡的至少一个数字数据值可以与具有比其各个延迟时间大的锁存时间的延迟单元的锁存输出相对应。在一些实施例中，气泡段包括一个或多个气泡，例如相邻数字值“0”之间的至少一个数字值“1”、相邻数字值“1”之间的至少一个数字值“0”、或两者。气泡的至少一个数字数据值可以与具有比其各个延迟时间大的锁存时间的延迟单元的锁存输出相对应。例如，在图9A的实施例中，与延迟单元922a至922h的锁存输出相对应的气泡段是“01101001”。
图9B是示出了根据本技术的代表性实施例的受气泡影响的技术数据的直方图950。如以上参考图6和图7所讨论的，针对每个延迟单元的计数可以通过记录延迟单元被识别为接收校准信号的最后单元的次数来生成。在一些实施例中，具有比各个延迟时间长的锁存时间的延迟单元将不会被正确地计数，因为其锁存输出不指示延迟单元接收到校准信号。例如，在直方图950中，延迟单元129、132、133和137具有为零的计数，因为它们的锁存时间比它们各自的延迟时间长。在计数用于确定各个延迟时间的实施例中，如以上参考图7所讨论的，错误的计数会降低确定各个延迟时间的精度。
图10是示出了根据本技术的代表性实施例的用于校准FPGA以减少或消除气泡的影响的方法600c的流程图。方法600c用于校准包括具有一系列顺序耦合的延迟单元的TDC(例如，TDC 220)在内的FPGA(例如，FPGA 208)。在一些实施例中，方法600c的一些或全部处理是作为图5的校准处理(块600)中的子处理来执行的。在一些或全部延迟单元具有比其各自延迟时间大的锁存时间的实施例中，方法600c对于提高校准精度来说会是有利的。
块645包括在一系列顺序耦合的延迟单元处接收多个校准信号。接收处理可以如以上参考图5的块605所讨论的那样执行。
块650包括确定延迟单元的各个延迟时间。在一些实施例中，确定各个延迟时间是根据以上参考图6和图7所讨论的方法来执行的。例如，块650可以包括确定计数，如以上参考图6的块610和图7的块630所述的，所述计数表示延迟单元被识别为该系列中的、在FPGA的下一个时钟周期之前接收校准信号的最后单元的次数。如以上参考图6的块610和图7的块630所述的，计数可以通过以下操作来确定：将校准信号传播通过顺序耦合的延迟单元；生成与信号传播通过该系列相对应的数据序列；以及，识别在该系列中在下一个时钟周期之前接收校准信号的最后延迟单元。如以上参考图7的块635所述，可以至少部分地基于针对延迟单元的计数来确定各个延迟时间。
在一些实施例中，块650包括生成具有第一段、第二段和气泡段的数据序列(块652)。如以上参考图6的块610和图7的块630所描述的，数据序列可以与校准信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元相对应。例如，如以上参考图6的块610和图7的块630所描述的，数据序列可以包括与一系列延迟单元耦合的锁存单元的锁存输出，或者可以与一系列延迟单元耦合的锁存单元的锁存输出相对应。
在一些实施例中，第一段包括一个或多个数字值“1”。根据实施例，第一段可以仅包括数字值“1”，例如仅包括一个数字值“1”或仅包括多于一个的数字值“1”。在一些实施例中，第二段包括一个或多个数字值“0”。根据实施例，第二段可以仅包括数字值“0”，例如仅包括一个数字值“0”或仅包括多于一个的数字值“0”。气泡段可以包括相邻数字值“0”之间的至少一个数字数据值“1”和/或相邻数字数据值“1”之间的至少一个数字值“0”。气泡段可以与具有比其各个延迟时间短的锁存时间的至少一个延迟单元相对应。
在一些实施例中，气泡段位于第一段和第二段之间。第一段可以位于第二段之前，使得第一段从数据序列的开始延伸到气泡段，并且第二段从气泡段延伸到数据序列的结尾。第二段可以位于第一段之前，使得第二段从数据序列的开始延伸到气泡段，并且第一段从气泡段延伸到数据序列的结尾。
块650可以包括修改数据序列(块654)。在一些实施例中，修改处理涉及减少或消除数据序列中的一个或多个气泡。例如，修改处理可以包括重新布置气泡段的一个或多个数字数据值以减少或消除气泡。修改处理可以包括：将气泡段的至少一个数字数据值“1”朝向第一段移动(例如，紧邻第一段)；以及，将气泡段的至少一个数字数据值“0”朝向第二段移动(例如，紧邻第二段)。在一些实施例中，修改的数据序列包括仅数字数据值“1”的第一段以及与第一段相邻的仅数字数据值“0”的第二段。例如，再次参考图9A的实施例，如果初始数据序列是“111110110100100000”，其中带下划线的数字与气泡段相对应，则修改后的没有气泡段的数据序列可以是“111111111000000000”。
块650可以包括识别与数据序列的修改的相对应延迟单元(块656)。在一些实施例中，第一段位于第二段之前，并且所识别的延迟单元与数据序列中的最后的数字数据值“1”相对应，或者与第二段相邻的数字数据值“1”相对应(例如，紧邻第二段的数字数据值“1”，例如“11110000”中带下划线的数字)。在一些实施例中，第二段位于第一段之前，并且所识别的延迟单元与数据序列中的最后的数字数据值“0”相对应，或者与第一段相邻的数字数据值“0”相对应(例如，紧邻第一段的数字数据值“0”，例如“00001111”中带下划线的数字)。
如以上参考图6的块610和图7的块630所描述的，所识别的延迟单元可以用于计算针对延迟单元的计数。在一些实施例中，为了计算计数的目的，即使所识别的延迟单元实际上不是接收信号的最后的单元，也可以将所识别的延迟单元认为是系列中的、在下一个FPGA时钟周期之前接收校准信号的“最后的”延迟单元。如以上参考图7的块635所述的，计数可以用于确定延迟单元的各个延迟时间。
在一些实施例中，实际上无需修改数据序列就能识别延迟单元，如此块654是可选的。例如，可以基于对应于或表示修改的数据序列的第二数据序列来识别延迟单元。作为另一示例，可以通过以下操作来识别延迟单元：(比如，通过确定序列中的数字数据值“1”的总数或数字数据值“0”的总数)确定哪个延迟单元将与修改的数据序列中的最后的数字数据值“1”或最后的数字数据值“0”相对应。
尽管方法600a至600c分别示出在图6、图7和图10中，但是这些方法也可以彼此组合执行，使得校准FPGA(图5的块600)涉及顺序地或同时地执行这些方法中的两种或更多种。例如，图7的方法600b可以与图10的方法600c组合地执行。在一些实施例中，确定计数(图7的块630)包括：生成数据序列(图10的块652)；修改数据序列(图10的块654)；和/或识别与修改相对应的延迟单元(图10的块656)。
图11是示出了根据本技术的代表性实施例的使用光学距离测量设备测量到物体的距离的方法800的流程图。在一些实施例中，方法800的一些或全部处理是作为图5的测量处理(块800)中的子处理来执行的。
块810包括发射出射光脉冲。光脉冲可以由LIDAR系统的光发射器(例如，图1B的光发射器152或图2的光发射器202)。
块820包括接收从物体反射的返回光脉冲。返回光脉冲可以是来自物体的出射光脉冲的反射。返回光脉冲可以由LIDAR系统的光传感器(例如，图1B的光检测器170或图2的光传感器204)接收。
块830包括输出表示返回光脉冲的脉冲信号。例如，LIDAR系统的光传感器(例如，图1B的光检测器170或图2的光传感器204)可以用于将返回光脉冲的光能转换为电信号。
块840包括使用FPGA来测量脉冲信号的定时信息。在一些实施例中，如参考图5的块600和块700所描述的那样校准和安装FPGA。例如，可以根据图6、图7和图10的方法600a至600c中的一个或多个来校准FPGA。FPGA可以包括TDC，TDC被配置为至少部分地基于顺序耦合的延迟单元的一个或多个各个延迟时间来测量定时信息，并且可以在校准期间确定各个延迟时间(例如，使用图7的方法600b和/或图10的方法600c)。至少一些延迟单元可以具有不同的各个延迟时间。可选地，TDC可以使用用于减少或消除由TDC生成的数据序列中的气泡的技术来测量定时信息。以下参考图12和13来讨论用于测量定时信息的示例性方法。
块860包括至少部分地基于定时信息来计算到物体的距离。在一些实施例中，使用控制器(例如，系统200的控制器206)来执行该计算。控制器可以作为FPGA的一部分而包括在内，也可以是与FPGA分离的设备。如前所述，距离计算可以包括使用脉冲信号的定时信息来确定物体距离。
可以使用承载在可移动物体(比如，无人载运工具(例如，UAV)或机器人)上的组件来执行方法800的一些或全部处理。在一些实施例中，光发射器、光传感器、FPGA和/或控制器是由可移动物体(例如，UAV、自主载运工具或机器人)承载的，并且方法800还包括至少部分地所计算出的到物体的距离来控制可移动物体的操作。例如，所计算出的距离可以用作用于控制可移动物体的移动的基础。
图12是示出了根据本技术的代表性实施例的至少部分地基于各个延迟时间来测量定时信息的方法840a的流程图。在一些实施例中，使用具有一系列顺序耦合的延迟单元的TDC来执行方法840a的一些或全部处理。方法840a的一些或全部处理可以是图11的测量处理(块840)中的子处理。
块841包括将输入信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元。输入信号可以与表示返回光脉冲的脉冲信号的一个或多个部分相对应。在一些实施例中，输入信号是方波信号，其中方波信号的上升沿和/或下降沿表示脉冲信号达到、超过和/或低于特定电压值的时间点。
块842包括使用一系列顺序耦合的延迟单元来确定输入信号的精确时间值。在一些实施例中，块842包括识别一系列顺序耦合的延迟单元中的、在FPGA的下一个时钟周期之前接收输入信号的子集。可以至少部分地基于表示延迟单元的锁存输出的数据序列来识别子集。例如，如果输入信号是上升沿信号，则数据序列可以包括：具有数字值“1”的第一段，与在下一个时钟周期之前接收信号的延迟单元子集相对应；以及，在第一段之后的具有数字值“0”的第二段，与未接收信号的延迟单元子集相对应。作为另一示例，如果输入信号是下降沿信号，则数据序列可以包括：具有数字值“0”的第一段，与在下一个时钟周期之前接收信号的延迟单元子集相对应；以及，在第一段之后的具有数字值“1”的第二段，与未接收信号的延迟单元子集相对应。
在一些实施例中，精确时间值与子集的各个延迟时间的总和相对应。例如，可以根据如下关系来计算由延迟单元1至n的子集接收的信号的精确时间值：
Figure BDA0002390289170000261
其中，Tf是精确时间值，Tck是FPGA时钟周期，Ci是针对第i个延迟单元的计数，并且Cj是针对第j个延时单元的计数。
块843包括基于FPGA的时钟信号来确定输入信号的粗略时间值。在一些实施例中，根据如下关系来计算粗略时间值：
Tc＝Cc×Tck
其中，Tc是粗略时间值，Tck是FPGA时钟周期，并且Cc是在测量处理期间经过的时钟周期数的粗略计数。
块844包括确定粗略时间值和精确时间值之差。在一些实施例中，根据如下关系来确定定时信息：
T＝Tc-Tf
其中，T是定时信息，Tc是粗略时间值，并且Tf是精确时间值。精确时间值的时间分辨率(例如，皮秒级分辨率)可以高于粗略时间值的时间分辨率(例如，纳秒级)，使得所得到的时间信息具有比仅使用粗略时间值可能得到的定时信息的时间分辨率更高的时间分辨率。
图13是示出了根据本技术的代表性实施例的使用用以减少气泡的技术来测量定时信息的方法840b的流程图。在一些实施例中，使用具有一系列顺序耦合的延迟单元的TDC来执行方法840b的一些或全部处理。方法840b的一些或全部处理可以是图11的测量处理(块840)中的子处理。
块845包括将输入信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元。输入信号的传播可以如以上参考图12的块841所描述的那样执行。
块846包括生成具有第一段、第二段和气泡段的数据序列。数据序列可以与输入信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元相对应。数据序列的生成可以如以上参考图10的块652所描述的那样执行。
块847包括修改数据序列。修改数据序列可以如以上参考图10的块654所描述的那样执行。在一些实施例中，实际上无需在方法840b中执行修改，如此块847是可选的。
块848包括确定与数据序列的修改相对应的时间值。在一些实施例中，如以上参考图10的块656所描述的那样，确定时间值包括识别与数据序列的修改相对应的延迟单元。时间值可以是与包括所识别的延迟单元和系列中的在所识别的延迟单元之前的至少一个延迟单元在内的单元子集的各个延迟时间之和相对应的精确时间值。在一些实施例中，子集包括所识别的延迟单元以及该系列中的在所识别的延迟单元之前的全部延迟单元。可以如以上参考图12的块842所述的那样来计算子集的精确时间值。
块849包括确定调整时间值，调整时间值补偿与数据序列的修改相关联的延迟时间。在一些实施例中，与数据序列的修改相对应的时间值包括相对于输入信号的实际时间值的延迟时间。延迟时间可以是恒定值，并且可以在FPGA的校准(例如，方法500的块600)期间确定。例如，延迟时间可以通过如下操作来确定：测量具有已知时间值的输入信号；以及计算已知时间值和根据块848确定的时间值之差。作为另一示例，延迟时间可以通过以下操作来确定：测量在距光学测量设备已知距离处的物体；以及，计算来自物体的返回脉冲信号的、可以基于已知距离来确定的实际时间值与根据块848确定的时间值之差。在一些实施例中，调整后的时间值被配置为补偿其它类型的延迟，比如与在本文所述的一些或全部处理期间输入信号传输通过的信号链相关联的延迟时间。
尽管方法840a和840b是分别在图12和图13中示出的，但是这些方法也可以彼此组合执行，使得测量定时信息(图11的块840)涉及顺序地或同时执行这两种方法。例如，在一些实施例中，确定输入信号的精确时间值(图12的块842)包括：生成数据序列(图13的块846)；修改数据序列(图13的块847)；确定与修改相对应的时间值(图13的块848)；和/或确定调整的时间值(图13的块849)。
3.其它代表性实施例
本技术的其它代表性实施例包括用于测量到物体的距离的设备。所述设备包括：光发射器，被配置为发射出射光脉冲；和光传感器，被配置为接收从物体反射的返回光脉冲，并且输出表示返回光脉冲的脉冲信号。所述设备还包括现场可编程门阵列(FPGA)，FPGA耦合到光传感器并且包括具有一系列顺序耦合的延迟单元的时间-数字转换器(TDC)。各个顺序耦合的延迟单元与对应的各个延迟时间相关联。顺序耦合的延迟单元中的至少一些延迟单元具有不同的各个延迟时间。TDC被配置为至少部分地基于顺序耦合的延迟单元的各个延迟时间来测量脉冲信号的定时信息。所述设备还包括控制器，控制器被配置为基于定时信息来计算到物体的距离。
在一些实施例中，光发射器、光传感器、FPGA和控制器是由无人机、自主载运工具或机器人承载的。
在一些实施例中，TDC被配置为通过将输入信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元来测量定时信息。输入信号可以与脉冲信号的一个或多个部分相对应。TDC还可以被配置为：使用一系列顺序耦合的延迟单元来确定输入信号的精确时间值；以及基于所经过的FPGA的时钟周期的数量来确定输入信号的粗略时间值。在一些实施例中，精确时间值与一系列顺序耦合的延迟单元中的、在FPGA的下一个时钟周期之前接收输入信号的子集的各个延迟时间之和相对应。定时信息可以与粗略时间值和精确时间值之差相对应。精确时间值的时间分辨率可以高于粗略时间值的时间分辨率。
在一些实施例中，TDC包括具有多个锁存器的锁存单元，各个锁存器耦合到对应的顺序延迟单元。
本技术的其它代表性实施例包括用于测量到物体的距离的方法。所述方法包括：由光发射器发射出射光脉冲；以及在光传感器处接收从物体反射的返回光脉冲。所述方法包括由光传感器输出表示返回光脉冲的脉冲信号。所述方法包括使用现场可编程门阵列(FPGA)来测量脉冲信号的定时信息。FPGA包括具有一系列顺序耦合的延迟单元的时间-数字转换器(TDC)。各个顺序耦合的延迟单元与对应的各个延迟时间相关联。顺序耦合的延迟单元中的至少一些延迟单元具有不同的各个延迟时间。TDC被配置为至少部分地基于顺序耦合的延迟单元的各个延迟时间来测量脉冲信号的定时信息。所述方法还包括使用控制器基于定时信息计算到物体的距离。
在一些实施例中，测量定时信息包括将输入信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元，输入信号与脉冲信号的一个或多个部分相对应。测量定时信息还可以包括使用一系列顺序耦合的延迟单元来确定输入信号的精确时间值。测量定时信息还可以包括基于所经过的FPGA的时钟周期的数量来确定输入信号的粗略时间值。
在一些实施例中，确定精确时间值包括当输入信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元时使用多个锁存器锁存该系列顺序耦合的延迟单元的输出。确定精确时间值可以包括使用锁存输出来识别该系列顺序耦合的延迟单元的子集。确定精确时间值可以包括使用锁存输出来识别作为在该系列顺序耦合的延迟单元中的、在FPGA的下一个时钟周期之前接收输入信号的最后单元的延迟单元。
本技术的其它代表性实施例包括用于制造光学距离测量设备的方法。所述方法包括在光学距离测量设备中安装包括时间-数字转换器(TDC)在内的现场可编程门阵列(FPGA)，TDC包括一系列顺序耦合的延迟单元。已按照以下方法对FPGA进行了校准：在一系列顺序耦合的延迟单元处接收多个校准信号；以及针对对应的顺序耦合的延迟单元来确定各个延迟时间。各个延迟时间与计数相对应，所述计数表示对应延迟单元作为该系列顺序耦合的延迟单元中的、在FPGA的下一个时钟周期之前接收校准信号的最后单元的次数。
在一些实施例中，所述方法还包括通过以下操作来校准FPGA：在一系列顺序耦合的延迟单元处接收多个校准信号；以及针对对应的顺序耦合的延迟单元来确定各个延迟时间。多个校准信号可以包括多个随机化信号。多个随机化信号可以是相对于FPGA的时钟信号而被随机化的。
在一些实施例中，顺序耦合的延迟单元中的至少一些延迟单元具有不同的各个延迟时间。对应延迟单元的各个延迟时间可以与针对延迟单元的计数成比例。在一些实施例中，所述方法还包括至少部分地基于表示对应延迟单元的计数除以每个顺序耦合的延迟单元的计数之和的比率来计算各个延迟时间。
在一些实施例中，所述方法还包括将多个校准信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元。所述方法还可以包括当校准信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元时，使用多个锁存器锁存该系列顺序耦合的延迟单元的输出。所述方法还可以包括：使用锁存输出来识别作为在该系列顺序耦合的延迟单元中的、在FPGA的下一个时钟周期之前接收校准信号的最后单元的延迟单元。
本技术的其它代表性实施例包括用于测量到物体的距离的设备。所述设备包括：光发射器，被配置为发射出射光脉冲；和光传感器，被配置为接收从物体反射的返回光脉冲，并且输出表示返回光脉冲的脉冲信号。所述设备还包括现场可编程门阵列(FPGA)，FPGA耦合到光传感器并且包括具有一系列顺序耦合的延迟单元的时间-数字转换器(TDC)。TDC被配置为通过将输入信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元来测量脉冲信号的定时信息，输入信号与脉冲信号的一个或多个部分相对应。TDC还被配置为生成数据序列，数据序列包括仅具有数字数据值“1”的第一段、仅具有数字数据值“0”的第二段、以及第一段和第二段之间的气泡段。气泡段包括相邻数字值“0”之间的至少一个数字数据值“1”和/或相邻数字数据值“1”之间的至少一个数字值“0”。TDC还被配置为确定与数据序列的修改相对应的时间值，在所述修改处理中将气泡段的至少一个数字数据值“1”朝向第一段移动，以及将气泡段的至少一个数字数据值“0”朝向第二段移动。所述设备还包括控制器，控制器被配置为至少部分地基于定时信息来计算到物体的距离。
在一些实施例中，TDC包括与一系列顺序耦合的延迟单元耦合的锁存单元。锁存单元可以包括多个锁存器，并且各个锁存器可以耦合到顺序耦合的延迟单元中的对应延迟单元，并且被配置为锁存对应的延迟单元的输出。数据序列可以包括由多个锁存器锁存的输出。
在一些实施例中，各个锁存器与用于锁存对应延迟单元的输出的对应锁存时间相关联。至少一个锁存器可以具有比对应延迟单元的各个延迟时间大的锁存时间。气泡段的至少一个数字数据值可以与由至少一个锁存器锁存的输出相对应。
在一些实施例中，TDC被配置为通过识别与数据序列的修改相对应的延迟单元来确定时间值。第一段可以位于第二段之前，并且所识别的延迟单元可以与数据序列的修改中的、与第二段相邻的第一段中的数字数据值“1”相对应。第二段可以位于第一段之前，并且所识别的延迟单元可以与信号的修改中的、与第一段相邻的第二段中的数字数据值“0”相对应。
在一些实施例中，TDC还被配置为确定调整时间值，调整时间值补偿与数据序列的修改相关联的延迟时间。
本技术的其它代表性实施例包括用于测量到物体的距离的方法。所述方法包括：由光发射器发射出射光脉冲；以及在光传感器处接收从物体反射的返回光脉冲。所述方法还包括由光传感器输出表示返回光脉冲的脉冲信号。所述方法还包括使用现场可编程门阵列(FPGA)来测量脉冲信号的定时信息。FPGA包括具有一系列顺序耦合的延迟单元的时间-数字转换器(TDC)。TDC被配置为通过将输入信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元来测量脉冲信号的定时信息，输入信号与脉冲信号的一个或多个部分相对应。TDC被配置为生成数据序列，数据序列包括仅具有数字数据值“1”的第一段、仅具有数字数据值“0”的第二段、以及第一段和第二段之间的气泡段。气泡段包括相邻数字值“0”之间的至少一个数字数据值“1”和/或相邻数字数据值“1”之间的至少一个数字值“0”。TDC被配置为确定与数据序列的修改相对应的时间值，在所述修改处理中将气泡段的至少一个数字数据值“1”朝向第一段移动，以及将气泡段的至少一个数字数据值“0”朝向第二段移动。所述方法还包括使用控制器至少部分地基于定时信息计算到物体的距离。
在一些实施例中，生成数据序列包括当输入信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元时使用多个锁存器锁存该系列顺序耦合的延迟单元的输出。生成数据序列可以包括使用具有比延迟单元的各个延迟时间大的锁存时间的锁存器来锁存延迟单元的输出，锁存输出与气泡段的至少一个数字数据值相对应。生成数据序列可以包括使用具有比延迟单元的各个延迟时间小的锁存时间的锁存器来锁存延迟单元的输出，锁存输出与第一段或第二段的至少一个数字数据值相对应。
本技术的其它代表性实施例包括用于制造光学距离测量设备的方法。所述方法包括在光学距离测量设备中安装包括时间-数字转换器(TDC)在内的现场可编程门阵列(FPGA)，TDC包括一系列顺序耦合的延迟单元。已按照以下方法对FPGA进行了校准：在一系列顺序耦合的延迟单元处接收多个校准信号；以及针对对应的各个顺序耦合的延迟单元来确定各个延迟时间。所述确定包括生成数据序列，数据序列包括仅具有数字数据值“1”的第一段、仅具有数字数据值“0”的第二段、以及第一段和第二段之间的气泡段。气泡段包括相邻数字值“0”之间的至少一个数字数据值“1”和/或相邻数字数据值“1”之间的至少一个数字值“0”。所述确定包括识别与数据序列的修改相对应的延迟单元，在所述修改处理中将气泡段的至少一个数字数据值“1”朝向第一段移动，以及将气泡段的至少一个数字数据值“0”朝向第二段移动。
在一些实施例中，所述方法还包括通过以下操作来校准FPGA：在一系列顺序耦合的延迟单元处接收多个校准信号；以及针对对应的各个顺序耦合的延迟单元来确定各个延迟时间。所述确定可以包括生成具有第一段、第二段和气泡段的数据序列，并且识别与数据序列的修改相对应的延迟单元。
在一些实施例中，多个校准信号包括多个随机化信号，多个随机化信号是相对于FPGA的时钟信号而被随机化的。确定各个延迟时间可以包括计算计数，所述计数表示对应延迟单元被识别为该系列顺序耦合的延迟单元中的、在FPGA的下一个时钟周期之前接收随机化信号的最后单元的次数。
在一些实施例中，生成数据序列包括当输入信号传播通过一系列顺序耦合的延迟单元时使用多个锁存器锁存该系列顺序耦合的延迟单元的输出。生成数据序列可以包括使用具有比延迟单元的各个延迟时间大的锁存时间的锁存器来锁存延迟单元的输出，锁存的输出与气泡段的至少一个数字数据值相对应。生成数据序列可以包括使用具有比延迟单元的各个延迟时间小的锁存时间的锁存器来锁存延迟单元的输出，锁存的输出与第一段或第二段的至少一个数字数据值相对应。
尽管本公开包含许多细节，但这些细节不应被解释为对技术范围或可能要求保护的范围的限制，而应被解释为可以是特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。本文中在分开实施例的上下文下描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中分开地或以任何合适的子组合实现。此外，尽管特征可以在上面描述为在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。
类似地，尽管在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应被理解为要求这些操作以示出的特定顺序或以顺序次序执行，或者要求执行全部示出的操作来实现期望的结果。此外，在本专利文件中描述的实施例中的各种系统组件的分离不应被理解为在全部实施例中都要求这种分离。
此外，尽管已经在这些实施例的上下文中描述了与本技术的某些实施例相关联的优点，但是其它实施例也可以表现出这样的优点，并且并非全部实施例都需要显示出这样的优点才落入本技术范围内。因此，本公开和相关联的技术可以包含未在本文中明确示出或描述的其它实施例。
仅描述了多个实现和示例，并且可以基于本公开中描述和示出的内容来做出其它实现、增强和变化。
就本文并入的任何材料与本公开相冲突的程度而言，以本公开为准。
本专利文件的公开内容的一部分包含受到版权保护的材料。版权所有人不反对任何人对专利文档或专利公开(如其在专利和商标局中的专利文件或记录中出现)进行复制再现，但是在其他情况下版权所有人保留所有版权。

Claims (64)

1.一种用于测量到物体的距离的设备，所述设备包括：
光发射器，被配置为发射出射光脉冲；
光传感器，被配置为接收从所述物体反射的返回光脉冲，并且输出表示所述返回光脉冲的脉冲信号；
现场可编程门阵列“FPGA”，耦合到所述光传感器，并且包括具有一系列顺序耦合的延迟单元的时间-数字转换器“TDC”，各个顺序耦合的延迟单元与对应的各个延迟时间相关联，其中所述顺序耦合的延迟单元中的至少一些延迟单元具有不同的各个延迟时间，并且其中所述TDC被配置为至少部分地基于所述顺序耦合的延迟单元的各个延迟时间来测量所述脉冲信号的定时信息；以及
控制器，被配置为基于所述定时信息计算到所述物体的距离。
2.根据权利要求1所述的设备，所述光发射器、所述光传感器、所述FPGA和所述控制器是由无人机、自主载运工具或机器人承载的。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述TDC被配置为通过以下操作测量所述定时信息：
将输入信号传播通过所述一系列顺序耦合的延迟单元，所述输入信号与所述脉冲信号的一个或多个部分相对应；
使用所述一系列顺序耦合的延迟单元来确定所述输入信号的精确时间值；以及
基于所经过的所述FPGA的时钟周期的数量来确定所述输入信号的粗略时间值。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述精确时间值与所述一系列顺序耦合的延迟单元中的、在所述FPGA的下一个时钟周期之前接收所述输入信号的子集的各个延迟时间之和相对应。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述定时信息与所述粗略时间值和所述精确时间值之差相对应。
6.根据权利要求3所述的设备，其中，所述精确时间值的时间分辨率高于所述粗略时间值的时间分辨率。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一系列顺序耦合的延迟单元包括至少25个延迟单元。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一系列顺序耦合的延迟单元包括进位链或查找表“LUT”。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述各个延迟时间在5皮秒至2000皮秒的范围内。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述TDC包括具有多个锁存器的锁存单元，各个锁存器耦合到对应的顺序延迟单元。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述TDC包括具有多个锁存器的锁存单元，各个锁存器耦合到对应的顺序延迟单元，并且其中所述TDC被配置为：
将输入信号传播通过所述一系列顺序耦合的延迟单元，所述输入信号与所述脉冲信号的一个或多个部分相对应；
使用所述一系列顺序耦合的延迟单元确定所述输入信号的精确时间值，其中所述精确时间值与所述一系列顺序耦合的延迟单元中的、在所述FPGA的下一个时钟周期之前接收所述输入信号的子集的各个延迟时间之和相对应；
基于所经过的所述FPGA的时钟周期的数量来确定输入信号测量的粗略时间；以及
基于所述粗略时间值和所述精确时间值之差来测量所述定时信息。
12.一种用于测量到物体的距离的方法，所述方法包括：
由光发射器发射出射光脉冲；
在光传感器处接收从所述物体反射的返回光脉冲；
由所述光传感器输出表示所述返回光脉冲的脉冲信号；
使用现场可编程门阵列“FPGA”测量所述脉冲信号的定时信息，其中所述FPGA包括具有一系列顺序耦合的延迟单元的时间-数字转换器“TDC”，各个顺序耦合的延迟单元与对应的各个延迟时间相关联，其中所述顺序耦合的延迟单元中的至少一些延迟单元具有不同的各个延迟时间，并且其中所述TDC被配置为至少部分地基于所述顺序耦合的延迟单元的各个延迟时间来测量所述脉冲信号的定时信息；以及
使用控制器，基于所述定时信息计算到所述物体的距离。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述光发射器、所述光传感器、所述FPGA和所述控制器是由无人载运工具、自主载运工具或机器人承载的，并且其中所述方法还包括：至少部分地基于所计算出的到所述物体的距离来控制所述无人机、所述自主载运工具或所述机器人的操作。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，测量所述定时信息包括：
将输入信号传播通过所述一系列顺序耦合的延迟单元，所述输入信号与所述脉冲信号的一个或多个部分相对应；
使用所述一系列顺序耦合的延迟单元来确定所述输入信号的精确时间值；以及
基于所经过的所述FPGA的时钟周期的数量来确定所述输入信号的粗略时间值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述精确时间值与所述一系列顺序耦合的延迟单元中的、在所述FPGA的下一个时钟周期之前接收所述输入信号的子集的各个延迟时间之和相对应。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，确定精确时间值包括：当所述输入信号传播通过所述一系列顺序耦合的延迟单元时使用多个锁存器锁存所述一系列顺序耦合的延迟单元的输出。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，确定精确时间值包括：使用锁存的输出来识别所述一系列顺序耦合的延迟单元的所述子集。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，确定精确时间值包括：使用锁存的输出来识别所述一系列顺序耦合的延迟单元中的、在所述FPGA的下一个时钟周期之前接收所述输入信号的最后一个延迟单元。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述定时信息与所述粗略时间值和所述精确时间值之差相对应。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述精确时间值的时间分辨率高于所述粗略时间值的时间分辨率。
21.一种用于制造光学距离测量设备的方法，所述方法包括：
在所述光学距离测量设备中安装包括时间-数字转换器“TDC”的现场可编程门阵列“FPGA”，所述TDC包括一系列顺序耦合的延迟单元，其中已经根据如下方法对所述FPGA进行校准：
在所述一系列顺序耦合的延迟单元处接收多个校准信号；以及
针对对应的顺序耦合的延迟单元来确定各个延迟时间，其中各个延迟时间与计数相对应，所述计数表示对应延迟单元是所述一系列顺序耦合的延迟单元中的、在所述FPGA的下一个时钟周期之前接收校准信号的最后一个延迟单元的次数。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：将所述光学距离测量设备安装在无人载运工具、自主载运工具或机器人中。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括：通过以下操作校准所述FPGA：
在所述一系列顺序耦合的延迟单元处接收所述多个校准信号；以及
针对对应的顺序耦合的延迟单元来确定所述各个延迟时间。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述多个校准信号包括多个随机化信号。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述多个随机化信号是相对于所述FPGA的时钟信号而被随机化的。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述顺序耦合的延迟单元中的至少一些延迟单元具有不同的各个延迟时间。
27.根据权利要求23所述的方法，其中，对应延迟单元的各个延迟时间与针对所述延迟单元的计数成比例。
28.根据权利要求23所述的方法，还包括：至少部分地基于表示所述对应延迟单元的计数除以每个顺序耦合的延迟单元的计数之和的比率来计算所述各个延迟时间。
29.根据权利要求23所述的方法，还包括：将所述多个校准信号传播通过所述一系列顺序耦合的延迟单元。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括：当校准信号传播通过所述一系列顺序耦合的延迟单元时，使用多个锁存器锁存所述一系列顺序耦合的延迟单元的输出。
31.根据权利要求30所述的方法，还包括：使用所述锁存的输出来识别所述一系列顺序耦合的延迟单元中的、在所述FPGA的下一个时钟周期之前接收所述校准信号的最后一个延迟单元。
32.一种用于测量到物体的距离的设备，所述设备包括：
光发射器，被配置为发射出射光脉冲；
光传感器，被配置为接收从所述物体反射的返回光脉冲，并且输出表示所述返回光脉冲的脉冲信号；
现场可编程门阵列“FPGA”，耦合到所述光传感器，并且包括具有一系列顺序耦合的延迟单元的时间-数字转换器“TDC”，其中所述TDC被配置为通过以下操作来测量所述脉冲信号的定时信息：
将输入信号传播通过所述一系列顺序耦合的延迟单元，所述输入信号与所述脉冲信号的一个或多个部分相对应，
生成数据序列，所述数据序列包括仅具有数字数据值“1”的第一段、仅具有数字数据值“0”的第二段、以及在所述第一段与所述第二段之间的气泡段，所述气泡段包括相邻数字值“0”之间的至少一个数字数据值“1”和/或相邻数字数据值“1”之间的至少一个数字值“0”，以及
确定与所述数据序列的修改相对应的时间值，在所述修改中将所述气泡段的至少一个数字数据值“1”朝向所述第一段移动，以及将所述气泡段的至少一个数字数据值“0”朝向所述第二段移动；以及
控制器，被配置为至少部分地基于所述定时信息计算到所述物体的距离。
33.根据权利要求32所述的设备，所述光发射器、所述光传感器、所述FPGA和所述控制器是由无人机、自主载运工具或机器人承载的。
34.根据权利要求32所述的设备，其中，所述TDC包括与所述一系列顺序耦合的延迟单元耦合的锁存单元。
35.根据权利要求34所述的设备，其中，所述锁存单元包括多个锁存器，并且其中各个锁存器耦合到所述顺序耦合的延迟单元中的对应延迟单元并且被配置为锁存所述对应延迟单元的输出。
36.根据权利要求35所述的设备，其中，所述数据序列包括由所述多个锁存器锁存的输出。
37.根据权利要求35所述的设备，其中，各个锁存器与用于锁存所述对应延迟单元的输出的对应锁存时间相关联。
38.根据权利要求37所述的设备，其中，所述锁存器中的至少一个锁存器具有比所述对应延迟单元的各个延迟时间更长的锁存时间。
39.根据权利要求38所述的设备，其中，所述气泡段的至少一个数字数据值与由所述至少一个锁存器锁存的输出相对应。
40.根据权利要求32所述的设备，其中，所述TDC被配置为通过识别与所述数据序列的修改相对应的延迟单元来确定所述时间值。
41.根据权利要求40所述的设备，其中，所述第一段位于所述第二段之前，并且其中所识别的延迟单元与所述数据序列的修改中的、与所述第二段相邻的所述第一段中的数字数据值“1”相对应。
42.根据权利要求40所述的设备，其中，所述第二段位于所述第一段之前，并且其中所识别的延迟单元与所述信号的修改中的、与所述第一段相邻的所述第二段中的数字数据值“0”相对应。
43.根据权利要求32所述的设备，其中，所述TDC还被配置为确定调整时间值，所述调整时间值补偿与所述数据序列的修改相关联的延迟时间。
44.根据权利要求32所述的设备，其中：
所述TDC包括与所述一系列顺序耦合的延迟单元耦合的锁存单元，所述锁存单元包括多个锁存器，其中各个锁存器耦合到所述顺序耦合的延迟单元中的对应延迟单元并且被配置为锁存所述对应延迟单元的输出，并且其中所述数据序列包括由所述多个锁存器锁存的输出；以及
所述TDC被配置为：
通过识别与所述数据序列的修改相对应的延迟单元来确定所述时间值，以及
确定调整时间值，所述调整时间值补偿与所述数据序列的修改相关联的延迟时间。
45.一种用于测量到物体的距离的方法，所述方法包括：
由光发射器发射出射光脉冲；
在光传感器处接收从所述物体反射的返回光脉冲；
由所述光传感器输出表示所述返回光脉冲的脉冲信号；
使用现场可编程门阵列“FPGA”来测量所述脉冲信号的定时信息，其中所述FPGA包括具有一系列顺序耦合的延迟单元的时间-数字转换器“TDC”，并且其中所述TDC被配置为通过以下操作测量所述脉冲信号的所述定时信息：
将输入信号传播通过所述一系列顺序耦合的延迟单元，所述输入信号与所述脉冲信号的一个或多个部分相对应，
生成数据序列，所述数据序列包括仅具有数字数据值“1”的第一段、仅具有数字数据值“0”的第二段、以及在所述第一段与所述第二段之间的气泡段，所述气泡段包括相邻数字值“0”之间的至少一个数字数据值“1”和/或相邻数字数据值“1”之间的至少一个数字值“0”，以及
确定与所述数据序列的修改相对应的时间值，在所述修改中将所述气泡段的至少一个数字数据值“1”朝向所述第一段移动，以及将所述气泡段的至少一个数字数据值“0”朝向所述第二段移动；以及
使用控制器至少部分地基于所述定时信息计算到所述物体的距离。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述光发射器、所述光传感器、所述FPGA和所述控制器是由无人载运工具、自主载运工具或机器人承载的，并且其中所述方法还包括：至少部分地基于所计算出的到所述物体的距离来控制所述无人机、所述自主载运工具或所述机器人的操作。
47.根据权利要求45所述的方法，其中，生成数据序列包括：当所述输入信号传播通过所述一系列顺序耦合的延迟单元时，使用多个锁存器锁存所述一系列顺序耦合的延迟单元的输出。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，生成数据序列包括：使用具有比延迟单元的各个延迟时间更长的锁存时间的锁存器来锁存所述延迟单元的输出，锁存的输出与所述气泡段的至少一个数字数据值相对应。
49.根据权利要求47所述的方法，其中，生成数据序列包括：使用具有比延迟单元的各个延迟时间更短的锁存时间的锁存器来锁存所述延迟单元的输出，锁存的输出与所述第一段或所述第二段的至少一个数字数据值相对应。
50.根据权利要求45所述的方法，其中，确定时间值包括：识别与所述数据序列的修改相对应的延迟单元。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，所述第一段位于所述第二段之前，并且其中识别延迟单元包括：识别与所述数据序列的修改中的、与所述第二段相邻的所述第一段中的数字数据值“1”相对应的延迟单元。
52.根据权利要求50所述的方法，其中，所述第二段位于所述第一段之前，并且其中识别延迟单元包括：识别与所述信号的修改中的、与所述第一段相邻的所述第二段中的数字数据值“0”相对应的延迟单元。
53.根据权利要求45所述的方法，其中，确定时间值包括：补偿与所述数据序列的修改相关联的延迟时间。
54.一种用于制造光学距离测量设备的方法，所述方法包括：
在所述光学距离测量设备中安装包括时间-数字转换器“TDC”的现场可编程门阵列“FPGA”，所述TDC包括一系列顺序耦合的延迟单元，其中已经根据如下方法对所述FPGA进行校准：
在所述一系列顺序耦合的延迟单元处接收多个校准信号；以及
针对对应的各个顺序耦合的延迟单元来确定各个延迟时间，其中所述确定包括：
生成数据序列，所述数据序列包括仅具有数字数据值“1”的第一段、仅具有数字数据值“0”的第二段、以及在所述第一段与所述第二段之间的气泡段，所述气泡段包括相邻数字值“0”之间的至少一个数字数据值“1”和/或相邻数字数据值“1”之间的至少一个数字值“0”，以及
识别与所述数据序列的修改相对应的延迟单元，在所述修改中将所述气泡段的至少一个数字数据值“1”朝向所述第一段移动，以及将所述气泡段的至少一个数字数据值“0”朝向所述第二段移动。
55.根据权利要求54所述的方法，还包括：将所述光学距离测量设备安装在无人载运工具、自主载运工具或机器人中。
56.根据权利要求54所述的方法，还包括：通过以下操作校准所述FPGA：
在所述一系列顺序耦合的延迟单元处接收多个校准信号；以及
针对对应的各个顺序耦合的延迟单元来确定各个延迟时间，其中所述确定包括：
生成具有所述第一段、所述第二分段和所述气泡段的所述数据序列，以及
识别与所述数据序列的修改相对应的延迟单元。
57.根据权利要求56所述的方法，其中，所述多个校准信号包括多个随机化信号，所述多个随机化信号是相对于所述FPGA的时钟信号而被随机化的。
58.根据权利要求57所述的方法，其中，确定各个延迟时间包括：计算计数，所述计数表示对应延迟单元被识别为所述一系列顺序耦合的延迟单元中的、在所述FPGA的下一个时钟周期之前接收随机化信号的最后一个延迟单元的次数。
59.根据权利要求56所述的方法，其中，生成数据序列包括：将所述多个校准信号传播通过所述一系列顺序耦合的延迟单元。
60.根据权利要求59所述的方法，其中，生成数据序列包括：当所述校准信号传播通过所述一系列顺序耦合的延迟单元时，使用多个锁存器锁存所述一系列顺序耦合的延迟单元的输出。
61.根据权利要求60所述的方法，其中，生成数据序列包括：使用具有比延迟单元的各个延迟时间更长的锁存时间的锁存器来锁存所述延迟单元的输出，锁存的输出与所述气泡段的至少一个数字数据值相对应。
62.根据权利要求60所述的方法，其中，生成数据序列包括：使用具有比延迟单元的各个延迟时间更短的锁存时间的锁存器来锁存所述延迟单元的输出，锁存的输出与所述第一段或所述第二段的至少一个数字数据值相对应。
63.根据权利要求56所述的方法，其中，所述第一段位于所述第二段之前，并且其中识别延迟单元包括：识别与所述数据序列的修改中的、与所述第二段相邻的所述第一段中的数字数据值“1”相对应的延迟单元。
64.根据权利要求56所述的方法，其中，所述第二段位于所述第一段之前，并且其中识别延迟单元包括：识别与所述信号的修改中的、与所述第一段相邻的所述第二段中的数字数据值“0”相对应的延迟单元。
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