CN111758045A - 用于测量两个事件之间信号传输时间的装置和方法 - Google Patents

用于测量两个事件之间信号传输时间的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测量信号在两个事件之间的传输时间的方法，其中确定出在第一事件发生时的信号与在第二事件发生时的信号之间的相移，生成其相位位置被确定为信号在第一事件中出现的第一特征的调制信号；将调制信号的相位确定为信号在第二事件中出现的第二特征；将传输时间确定为第一特征和第二特征的相位位置之差。

Description

用于测量两个事件之间信号传输时间的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量信号在两个事件之间的传输时间（runtime）的方法，其中确定出了在第一事件发生时的信号与在第二事件发生时的信号之间的相移。
本发明还涉及一种用于测量信号在两个事件之间的传输时间的装置，所述装置具有发射/接收单元，该发射/接收单元包括用于在传输介质中发射物理信号的脉冲的发射器，用于接收脉冲的反射波的传感器，以及用于计算脉冲与反射波之间的时间差∆t、传输介质中物理信号的传输时间和发射/接收单元与测量物体之间的距离的计算单元。
本发明的方法和装置可以使用在距离测量系统中，该距离测量系统用于实现三维（3D）固态激光雷达（即：光检测和测距）传感器以探测（3D）环境。本发明所提出的解决方案适合于各种应用，尤其有利于环境的3D探测。此外，本发明在例如用于确定移动无线电扇区中的传输时间和等待时间方面是通用的。
背景技术
下面将介绍用于距离测量的现有技术。
环境的3D探测如今在很多应用中发挥重要作用，包括汽车行业（例如辅助驾驶或自动驾驶）领域的应用、工业4.0领域的网络化和高度自动化的环境、以及各种室内应用（如监控、安全、导航等）或所谓的智能楼宇。
除了使用具有所有优点和缺点的基于无线电的传感器之外，现在的传感器还基于光学激光雷达技术。
固态3D激光雷达可以相对于x-y平面中的水平位置进行描述，如下所示：一个或多个光源向物体发射光；通过二维传感器矩阵（例如光电探测器矩阵）接收被物体反射的光；该传感器矩阵中的每个单独的光电探测器都称为像素，所以可以通过传感器矩阵中每个单个像素的一维（1D）距离测量来确定出在传感器系统的环境中各个物体的距离。因此，环境中的每个点都可以用其距激光雷达的距离（z坐标，请参见下文）和像素的2D位置（x-y坐标）表示。
传统激光雷达系统的一维距离测量系统可分为两大类：
a）直接飞行时间（DToF）方法
沿物体的方向发射离散的光脉冲，并使用一个或多个计时器/时钟来计量所发射的脉冲与从物体反射的脉冲之间的时间差。
由于光速约为300,000,000m/s，因此测量距离需要至少300GHz的时钟频率才能实现1mm的分辨率。这种EHF时钟（EHF：极高频）的实现是对当前电子技术领域的挑战。因此，通常的替代方案是使用具有很高采样率的复杂信号处理方法。
用于距离测量的DToF方法更适合于更长的距离（例如200m以上）。
b）基于相移的距离测量
与DToF方法不同，此方法利用周期性连续HF信号调制光源发出的光的强度，确定出发射信号和反射信号之间的相移（Δφ），该相移Δφ与物体的距离成正比。通常使用基于硬件或基于软件的相关方法来确定相移（Δφ）。本申请中还可以使用复杂的电子电路和/或复杂的信号处理方法来确定相移（Δφ）。
此方法通常比DToF方法更准确。但是，它更适合于较短的距离（例如长达50m或100m）。可以看到另一个的限制是，不能再将大于一个周期的相移明确关联到距离测量。因此，调制频率是确定到物体的最大距离的多个因素之一。
JP2016183974（A）涉及一种DToF方法，其使用复杂的信号处理算法来对每个像素进行距离测量。该算法需要累积的过采样方法和复杂信号处理方法，特别是需要使用功能强大的DSP（数字信号处理器）和多个使用非常高采样率的模数转换器（AD转换器）。此外，该发明的方法可达到的精度受限于AD转换器采样率；必须完全更换传感器以克服此精度限制。
然而，高采样率不仅增加了传感器的成本，而且还需要较大的存储容量和计算量大的信号处理方法，这又反映在所需处理器的价格和较高的功耗中，进而，这会使得将此类传感器配置为移动式或用电池供电更加困难。
US6133989（A）描述了一种基本上基于硬件解决方案的距离测量系统。传感器矩阵中的每个像素都包含一个计时器，用于测量发射光脉冲和反射光脉冲之间的时间。为了实现高分辨率和高精度，需要精确的时间测量系统，而该系统必须以相当大的电路复杂性来实现。
US20160161600公开了一种固态3D激光雷达传感器，其距离测量系统是基于光学相控阵的概念，该概念使用多个发射具有相同强度的相干信号的光源。每个光源处使用可变相位控制，以在所需方向上生成远场辐射图。将多个光源与可变相位控制一起使用会增加传感器的成本和复杂性。问题在于，所生成的辐射图具有主瓣（ML）和多个旁瓣（SL）。为此，期望产生一个非常窄的主瓣，其中，ML功率（performance）与应比SL功率高，以提高系统的分辨率。为了实现这一点，这里需要复杂的信号处理方法，这反过来又增加了系统的复杂性以及加大传感器的功耗。
总而言之，可以说，在某些情况下，现有技术明确规定了绝对精确的3D激光雷达传感器。然而，它们昂贵且复杂，并且没有简单的自校准可能性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于测量信号在第一事件和第二事件之间的传输时间的解决方案，该解决方案可以以高精度、高速度和低计算量来实现。
特别地，本发明的另一个目的是提供一种用于3D固态激光雷达传感器（3D激光雷达传感器）的解决方案，该解决方案能够检测水平位置和距离。
该目的通过根据权利要求1的方法得以实现。从属权利要求2至10示出了该方法步骤的变型。
该目的还通过根据权利要求9的装置得以实现。从属权利要求11至16示出了有利的实施方式。
本发明的描述还基于以下定义。
- 物理信号应理解为以不同物理形式出现的任何信号，例如声音信号、光信号或无线电信号。
- 传输介质应理解为相应的物理信号通过其传播的介质，例如空气或其他气态介质、水或其他流体、或者固体。
- 在这方面，术语反射波（reflection）例如不应局限于声音反射波或光反射波。由于本发明通常可用于比如在移动无线电扇区中测量传输时间，因此反射波应理解为表示所处理或未处理形式的发射信号的每次返回。反射波的概念在本文中不仅被理解为物理现象，而且还还被理解为物理信号。
- 传输时间应理解为是指从信号的传输开始至该信号的反射波到达相应接收器为止的时间。
- 通过值模式（value pattern）中值的数量以及值彼此之间的时间间隔或相位距离来确定第一值模式和第二值模式的调制信号的周期持续时间的数字图像的格式。在这方面，值之间的时间间隔或相位距离可以相同以求方便，但它们也可以不必相同。
本发明方法的解决方案提出了一种实施上述类型的方法，该方法设计为：生成调制信号，该调制信号的相位被确定为信号在第一事件中出现的第一特征（signature）；将调制信号的相位确定为信号在第二事件中出现的第二特征；将传输时间确定为第一特征和第二特征的相位位置之差。
可以数字确定相位位置的差，其中，对两个特征进行采样，并且在调制信号的相位中在这样的数字特征出现的时间点之后对数字特征进行比较。但是，也可以进行模拟评估，其中通过本身已知的I/Q解调而非采样来确定在调制信号中特征的相位位置。
在该方法的一个实施例中，第一事件表示信号的发射，第二事件表示信号的接收，规定由发射/接收单元的发射器在传输介质中发射物理信号的脉冲，由发射/接收单元的传感器接收脉冲的反射波，根据脉冲和反射波之间的时间差Δt以及根据发射/接收单元的传输时间确定发射/接收单元与测量物体之间的距离；
生成以一定频率周期性地重复的调制信号。
其中，在脉冲的发射期间，以高于调制信号的频率的采样频率对调制信号进行采样，
在脉冲发射期间，将调制信号的采样的数字采样值存储为第一值模式；
在反射波的接收期间，以采样频率对调制信号进行采样；
在反射波的接收期间，将调制信号的采样的数字采样值存储为第二值模式；
根据第二值模式相对于第一值模式的出现的比较来计算时间差Δt。
通过例如存储了每个值模式的存储空间的坐标，可以非常容易地确定值模式相对于彼此的偏移。如果将发射或发送的物理信号的值模式例如写入按行和列组织的存储器的一行中，并将反射的值模式写入该存储器的另一行中，则可以简单地从相应的值模式的列地址之差中读取传输时间。本发明的快速计算时间和小的存储器需求使得可以通过发射脉冲序列的脉冲来周期性地重复信号的传输时间测量，其中选择脉冲序列的脉冲序列频率T=1/T，使其周期持续时间T大于发射/接收单元的最大传输时间或测量距离。
该方法还可以被实现为，通过传感器矩阵的相应像素的多个传感器来检测脉冲的反射波。在这方面，发射单个信号，然后生成由多个传感器接收的多个反射，其中如上所述，对于每个传感器，将相应反射波的采样值与所发射或发送的采样值进行比较。
发射多个脉冲并接收其反射波也是可能的，因为在每种情况下，例如在发射/接收矩阵中，像素发射其自身的脉冲并检测该脉冲的反射波。
在这一点上有利的是，用像素的代码来编码像素的每个脉冲，并且仅检测具有与像素匹配的代码的反射。
为了减少或消除干扰信号，将数字采样值存储为调制信号的多个周期上的多个数字采样值的平均值可能是有利的，每个周期的采样时间对应于另一个周期中调制信号的相同采样时间。
在这方面，可以将反射波的接收期间调制信号的数字采样值存储为平均值和/或可以将脉冲发射期间调制信号的数字采样值存储为平均值。
通过将调制信号的周期持续时间的数字图像以第一和第二值模式的格式存储在查询表（look-up table）中，可以实现第二值模式相对于第一值模式在出现方面的比较。正如上面给出的定义中所描述的那样，格式在此意味着数字图像和值模式均具有相同数量的值，并且相应的值彼此之间也具有相同的间距。值之间的间隔在此有利地是相等的，这可以通过模数转换器的恒定采样率来实现。但是，格式中的间距通常也可以不同。由于格式适用于数字图像和值模式，因此满足了相互对应的间距始终相同的条件。
通过将第一值模式与数字图像进行比较来确定数字图像中的第一值模式的第一相位，并且通过将第二值模式与数字图像进行比较来确定第二值模式的第二相位。根据第一相位和第二相位的差来确定相位差。在这方面，可以将相位差确定为相对于相位角φ的不同位置的角度差Δφ，或者确定为相对于值模式的第一值的时间点的时间差Δt。
在该方法的一种实施方式中规定，查询表包括调制信号的多个存储值模式，该多个存储值模式根据其在调制信号的周期内的相位位置而被存储。因此，调制信号的值模式表示参考了时间特定或角度特定的相位的比较值。因此，如果第一值模式和第二值模式与数字图像的一个值模式的相位位置一致，则可以使用第一值模式和第二值模式确定其相位位置。如果确定出这样的一致，则可以根据所述匹配值模式的参考来确定匹配值模式的相位位置。
只要调制信号的形状不变，就可以使用数字图像。查询表因此可以在该方法的应用开始时创建并存储，并且可以在该方法的多个应用中保持不变。在这方面，通过调制信号的初始采样或通过计算来生成特定于相位位置的值模式。
本发明装置方面的解决方案由开头所述类型的装置组成，其特点是：
- 产生周期性重复的调制信号的生成器，
- 第一模数转换器，其在脉冲的发射期间，以与调制信号同步的采样频率对调制信号进行采样，
- 第一存储器，其在脉冲的发射期间将调制信号的采样的数字采样值存储为第一值模式，
- 第二模数转换器，其在接收反射波期间，以采样频率对调制信号进行采样，
- 第二存储器，其在反射波接收期间将调制信号的采样的数字采样值存储为第二值模式，以及
- 计算单元，其根据第二值模式相对于第一值模式的出现的比较来计算时间差Δt。
该装置还可以包括具有多个像素的传感器矩阵，每个像素具有传感器和/或发射器。
为了消除或减少干扰变量的影响，有利的是，第二存储器被配置为将数字采样值存储为在调制信号的多个周期上的多个数字采样值的平均值，所述多个数字采样值中的每个对应于在调制信号在一个周期内的相同采样时间点。
为此，可以提供逻辑电路，该逻辑电路在反射波的接收期间将调制信号的数字采样值计算为平均值。
根据本发明的装置可以具有第一比较器，该第一比较器具有阈值输入并且具有检测发射脉冲的脉冲输入，并且所述第一比较器的输出以控制方式连接至第一模数转换器。
为了仅检测脉冲的重要部分，可以提供第一比较器，该第一比较器具有阈值输入并且具有检测发射脉冲的脉冲输入，所述第一比较器的输出以控制方式连接第一数转换器。
出于相同的原因，可以提供第二比较器，该第二比较器具有阈值输入并且具有检测反射的脉冲输入，并且所述第二比较器的输出以控制方式连接至第二模数转换器。
根据本发明的传输时间测量方法和传输时间测量系统包括混合了借助于相移方法和DToF方法的用于距离测量的方法，并且利用了这两种方法的优点。
此处提出的用于3D激光雷达传感器的功能原理的优势在于，可以使用基于软件的简单且创新的方法来实现精确且廉价的距离测量系统。因此，可以在三维空间中将环境实现为点云，即呈现为数千个点的形式。所提出的系统适用于激光雷达传感器的不同应用。
与现有技术相比，这可以以较少的计算和电路复杂性来实现。这些特性是新技术的灵活性和性能的关键。
此外，所提出的距离测量系统避免了甚高频（VHF）或超高频（UHF）范围内的信号、高采样率或过采样率（即高于香农-奈奎斯特阈值的采样率）以及消耗大量存储资源。
由于可以为不同的电压值和温度值以及其他可变的测量边界条件指定校正因子，因此提出的3D激光雷达传感器可以进行自校准。
即将开发的传感器将适合3D激光雷达传感器技术的各种应用领域。两个主要目标应用程序是：
（1）驾驶员辅助系统（DAS）的传感器技术和自动驾驶汽车的传感器技术
（2）室内智能感应（ISS）。在这种情况下，该应用不应仅限于智能家居或联网家庭，还应非常普遍地涉及室内环境中的传感器技术。这里是将不同的传感器彼此连接并联网，以便在某些情况下做出最佳决策。
附图说明
下面将参考实施例以更详细地解释本发明。所示的相关附图如下。
图1是根据现有技术的传输的物理信号的传输时间测量和在物体上产生的反射波以及它们被传感器矩阵接收的示意图；
图2是根据本发明的装置的示意图；
图3是显示了基于时间戳生成查询表的示意图；
图4是显示了根据相位位置生成查询表的示意图；
图5是根据本发明的装置的信号图；
图6是显示了采样值的确定的示意图；
图7是显示了采样值模式的存储的示意图；
图8是显示了根据多次测量的平均值生成采样值的示意图；
图9是显示了传输时间的确定的示意图；
图10是显示了用于生成多个像素的值模式的装置的示意图。
具体实施方式
如图1所示，物理信号2由发射机1发射，并在物体3上被反射而产生反射波4。
反射波4由传感器矩阵5接收。传感器矩阵5具有多个像素，其中一些像素示例性地由P11、P13、P21和P23指定。这些像素每个都包含一个传感器。根据传感器矩阵5中例如像素P11、P13、P21和P23的位置，所发射的物理信号2的传输时间以及各个像素P11、P13、P21和P23中所接收的反射波4，可以生成物体3的图像。
发射信号2在此作为脉冲而产生。因此，生成了脉冲状的反射波4。
参考图2，根据本发明的装置将发射脉冲的大小设为X1。以相同的方式，参考图2，根据本发明的装置将各个像素P11、P13、P21和P23的反射波4设为值X2。
由于物理信号2的脉冲和反射波4的脉冲通常不会呈现理想的脉冲特性，因此将它们与阈值v_th进行比较。为此，X1被馈送到第一比较器6，只要所发射的物理信号2的脉冲超过阈值v_th，则该比较器的输出Y1会显示为例如逻辑1。在这段时间内，由生成器7产生的调制信号8被第一模数转换器（ADC）9采样，如图5所示。在这方面，生成采样值E11、E12和E13，如图6所示。生成器7的调制信号8的频率f和ADC 1的采样频率以这样的方式相互协调或同步，使得至少在调制信号8的一个周期内始终在相同的时间点tA11、tA12和tA13生成采样值（见图6b）。
在该实施例中，示出了正弦调制信号8。在这一点上应该注意，本发明不限于此。相反，其他信号形式（例如锯齿信号）也是可能的。但是，条件是信号必须是周期性的。
值模式存储在存储器M1的第一部分M11中。
反射波4的过程相同。在第二比较器11中，将反射波与阈值v_th进行比较。为此，X2被馈送到第一比较器6，只要接收到的反射波4超过阈值v_th，其输出Y2会显示为例如逻辑1。在此期间，由生成器7产生的调制信号8由第二模数转换器（ADC）12采样，如图5所示。在这方面，生成采样值S111、S112和S113，如图6所示。生成器7的调制信号的频率f和ADC 2的采样频率以这样的方式相互协调或同步，使得至少在调制信号8的一个周期内总是在相同的时间点时间tA21、tA22和tA23上生成采样值（见图6c）。
因为ADC1或ADC2的振荡器需要一定的振荡时间（Tosc）才能稳定运行，所以ADC1或ADC2的采样时间点可能与发射脉冲或接收脉冲不完全同步。但是，由于计算了发射脉冲和接收脉冲之间的时间差而不是绝对时间点，因此该时间延迟（Tosc）被补偿，这将在下文进一步解释。
值模式存储在存储器M1的第二部分M12中。以这样的方式，第一部分M11中的第一值模式和第二部分M12中的第二值模式具有相同的格式。
如图8所示，有可能在多个周期（比如三个周期）内分别对应于例如三个时间点tA11A、tA11B、tA11C、tA12A、tA12B、tA12C、tA13A、tA13B和tA13C进行采样得到这些采样值E11、E12和E13，并且这些采样值根据例如E 11 =(E 11A +E 11B +E 11C )/3而生成平均值。这是通过逻辑电路10完成的。它会将值E11、E12和E13传送到第二存储器M2。
对于反射波4的采样值也执行相同的操作。同样在多个周期（例如三个周期）内分别对应于比如三个时间点tA21A、tA21B、tA21C、tA22A、tA22B、tA22C、tA23A、tA23B和tA23C进行采样得到这些采样值S111、S112和S113，并这些采样值根据例如S 111 =(S 111A +S 111B +S 111C )/3而生成平均值。这同样经由逻辑电路10完成。该逻辑电路将值S111、S112和S113传送到第二存储器M2。
如图7所示，数据传输借助于消息分组14进行。分组14包括报头数据和使用数据。报头数据可以包括控制信息。该控制信息可以例如包括作为消息的来源的传感器编号、消息的目的地、消息的长度、消息的序列号、消息的校验和等等。
为了确定传输时间，将第二值模式S111、S112和S113相对于第一值模式E11、E12和E13在调制信号的时间出现（time occurrence）或相位方面进行比较。这是通过在该方法的应用开始时创建查询表15并将其存储在内部存储器中来实现，如图3或图4所示。在该方法的多个应用中，这可以保持不变。
查询表包括调制信号的多个存储值模式，这些模式根据其在调制信号周期内的相位位置存储。为此，调制信号4的周期持续时间的数字图像以第一值模式E11、E12和E13的格式和第二值模式的S111、S112和S113格式存储在查询表15中。特定于相位位置的值模式可以通过调制信号8的初始采样或通过计算来生成。
为此，存储第一时间戳，其包括调制信号在一个周期的采样时间t 1 ' 、t 1 '' 和t 1 ''' 处的例如三个采样值g(t 1 ' )、g(t 1 '' )和g(t 1 ''' )以及与其相关联的时间点t1；存储第二时间戳，其包括调制信号在一个周期的采样时间t 2 ' 、t 2 '' 和t 2 ''' 处的例如三个采样值g(t 2 ' )、g(t 2 '' )和g(t 2 ''' )以及与其相关联的时间点t2；以及存储第三时间戳，其调制信号在一个周期的采样时间t 3 ' 、t 3 '' 和t 3 ''' 处的例如三个采样值g(t 3 ' )、g(t 3 '' )和g(t 3 ''' )以及与其相关联的时间点t3。
以相同的方式，数字图像可以基于相位位置进行存储，如图4所示。
查询表15可以例如是根据以下公式基于采样值之间的相距进行构建：
∆φ=2π×f ×Δx,
其中，Δx是公共时间基准的分辨率，f是调制信号的频率。在这里，所使用的模数转换器（ADC）的分辨率在清楚地将采样值分配给相移方面起着关键作用。
在此还应注意，AD转换器的价格更多地取决于采样率而非分辨率。例如，研究表明，如果以相同的分辨率将采样频率提高一倍，则供应商“亚德诺半导体公司”的AD转换器的价格将上涨约25％。此外，AD转换器需要时钟才能工作,它适用于这里：当时钟频率增加一倍时，时钟价格大约会增加一倍。这种近似值在2GHz以下有效。此外，如果采样频率较低，则可以节省半导体面积，这使得所提出的传感器更加紧凑和便宜。
如果调制信号的频率为f=5MHz，并且选择了15MHz的采样频率，并且ADC分辨率为每个采样14位，则可获得大约10ps（皮秒）的时间分辨率。
此外，在硅生产阶段必须使用一种最佳技术，以最小化空间要求和ADC的功耗。
通常，时间基准的分辨率越高，查询表15具有的条目越多。
如图9所示，将第一值模式E11、E12和E13与数字图像进行比较以确定传输时间。在这方面，与图6b）一致，确定在数字图像中即在查询表15中的第一值模式E11、E12和E13的相位位置t2。
根据第二值模式S111、S112和S113与数字图像（即，与查询表15）的进一步比较，来确定第二值模式S111、S112和S113的相位位置t3。
相位差直接由第一相位位置t2和第二相位位置t3之间的差确定。当使用根据图4的与相位有关的查询表时，可以从中确定相位差和传输时间。
到目前为止，已经参考例如图1中的P11的像素反射的处理来描述本发明的方法。如图2和图7所示，存储矩阵13为另外的像素的值模式提供另外的行，例如P13、P21和P23。对于这些像素，以相同的方式执行该方法，并且将值模式写入相应行中的存储矩阵13中，并从所述存储矩阵13中读出以与查询表进行比较，如上所述。
如图7进一步所示，该方法还可以应用于未详细示出但对应于传感器矩阵5的其他传感器矩阵。
接收反射波4期间的调制信号8的采样值S的索引被定义为S#传感器矩阵,#传感器,#采样。
在根据图1的装置中，每个像素P都需要相应的ADC12。图10现在示出了对于仅需要三个ADC来生成第二值模式S111、S112、S113、S121、S122、S123、S1n1、S1n2和S1n3的解决方案，该第二值模式具有例如对于传感器矩阵5的多个像素P的三个采样值。在该解决方案中，总是需要与采样值一样多的ADC。因此，ADC的数量取决于预期的分辨率，而不取决于像素P的数量。
每个像素1…n接收到的反射波以第二比较器11的方式被馈送到相应的比较器16至19，并在其中与阈值v_th进行比较。当超过阈值v_th时，输出V1 ... Vn各自都显示逻辑1。然后，每当输出之一显示逻辑1（或链接）时，逻辑20就会生成触发Tr。
输出V1…Vn也被馈送到1×n位存储器21。所有输出V1…Vn的结果都存储在其中，并且该数字作为像素数提供给存储矩阵13，以定义随后描述的值模式S111、S112、S113、S121、S122、S123、…S1n1、S1n2和S1n3的像素。
一旦将触发信号Tr施加到ADC 22、23和24，它们就对由发生器7产生的调制信号8进行采样，从而生成属于存储器21中存储的具有像素编号#的像素的第二值模式Sx#1、Sx#2、Sx#3，然后将其存储在存储矩阵13中的对应行中。
然后可以通过与查询表14进行比较，以已经针对图9示出的方式来确定传输时间。
实际上，仅使用3个ADC意味着必须等到下一个像素的测量，直到ADC再次为下一次转换做好准备。为此，该像素可以在未详细示出的延迟循环中等待 然后从传输时间中减去延迟时间。为了缩短等待时间，还可以设置多个ADC级（而不是3个ADC）（例如6、9、12，…等）。
检测到相同距离或非常相似距离的像素仅评估一次。在此，根据电子性能，可以估计该方法是否可以分别评估具有非常相似距离的像素。
经由存储在存储矩阵13中的用于每个单独像素的值模式可以确定反射的多维相位位置。脉冲的传输时间由相位位置的相应差确定，并且因此同时针对传感器矩阵中每个像素确定距离尺寸。将三维点云（x，y，z）作为环境模型的结果。
借助于其他软件功能（也包括开源软件），可以准备环境的3D模型，以便可以实现DAS的各种功能。可以借助3D激光雷达传感器技术实现的DAS功能的示例包括：a）车道变更助手，b）紧急制动助手，c）车道保持助手，d）自适应巡航控制，以及e）自动驾驶。
该传感器技术的进一步用途是：自动驾驶，3D映射，室内导航，人机界面中的手势识别（HMI的3D手势：人机界面）以及安全和照明管理应用中的在场识别。
该方法的另一个优点是它的灵活性。例如，多个3D激光雷达传感器可以例如用于覆盖大面积。例如，图4显示了使用两个传感器。每个单独的传感器将所发射信号的采样值以及被每个像素的物体反射的信号的采样值发送到中央计算单元（CPU）。换言之，发射信号和反射信号的采样值形成具有特定采样频率的一系列信号值。
借助CPU可以完成以下任务：
- 借助于如上所述的本发明的方法，计算传感器中每个像素的坐标（x，y，z）；
- 使用开源软件，以便借助根据传感器数据确定的点云来创建环境的3D模型。 借助此3D模型，可以实现各种具体应用，例如：
a）检测用于保护机器控制的门是否打开；
b）人员和物体的计数；
c）手势控制（人机界面）；
d）物体的体积。
当前，首选谷歌Tango项目作为CPU的开源软件，例如自2016年以来该软件已在联想智能手机中使用。在本发明的范围内，谷歌Tango在实现各种应用程序方面具有优势。例如，该软件支持传感器CPU与基于Android的智能手机或平板电脑之间的直接通信。因此，可以在这些移动终端设备上生成用于室内智能传感的有趣的新应用程序：
（1）如果知道实际的起点和期望的目的地，则可以通过Android应用程序为人们提供辅助指导。例如，这样的系统可以将大型商店中的顾客直接引向他们的目标。
（2）基于上述系统描述，对象跟踪的实现也是可能的。然后这又可以用于各种安全和寻路的应用程序中。
在特定的应用示例中，带有CPU的传感器系统的设计还具有许多优势：
- 在需要疏散人员的紧急情况下，CPU可以指出很少有人或物体挡住道路的替代路径。
- 使用单个CPU可以节省计算电路的成本，而如果要在每个单独的传感器中计算方法，则将需要这些计算电路。
- 当然还可能在电池操作中灵活使用传感器。
- CPU还可以另外获取其他传感器（例如光传感器、烟雾传感器、运动传感器、温度传感器等）的值，以便在某些情况下做出最佳决策。
- 此外，借助大数据分析领域的方法，可以离线评估所获取的激光雷达传感器的传感器数据，以便创建用于连续自校准的值矩阵。因此，可以确定用于计算点云的校正系数，以借助附加的温度传感器和光传感器来补偿对测量结果的外部影响。
结合了中央计算实例的各种执行器和/或传感器之间的通信一般而言直接满足了与口号“工业4.0”相关的工业网络革命的核心思想。
总之，可以说，需要改良技术来实现简单、廉价和准确的3D激光雷达传感器，以用于汽车领域的室内智能感测和应用。特别地，需要避免使用复杂电路技术或计算量大的信号处理方法的技术。
所提出的距离测量系统是一种能够实现廉价的3D激光雷达传感器的精确且简单的装置和方法。与现有技术相比的成本优势主要是由于本发明所引起的计算和电路复杂度大大降低，可以避免以下复杂且昂贵的技术组件：
（1）复杂的相位测量电路或非常快的时钟发生器，
（2）在VHF和UHF频率范围内的连续周期信号，
（3）具有高带宽的信号和逻辑电路，
（4）高采样率或过采样率，即高于香农-奈奎斯特限制的采样率，
（5）大存储资源，以及
（6）只能在专用计算机或复杂的数字信号处理器（DSP）上实现的复杂信号处理方法，这也意味着降低了能耗。
本发明还规定，该方法不直接评估反射脉冲以测量距离。以此方式，可以避免使用非常高的采样率以及发射数千个脉冲来改善信噪比。这提高了传感器的可靠性并节省了能量，而且能够在同一时间间隔内记录环境的多个点云。
本发明所提出的装置的灵活性允许多个传感器将每个像素的发射信号的采样值以及反射信号的采样值作为已发送的数据包发送到中央计算单元（CPU）以在那里集中执行所提出的方法。这节省了成本，并且还允许利用上面已经描述的其他优点。
另外，本发明允许3D激光雷达传感器的自校准。在这方面，为的测量值明确了有关可测量的外部影响的校正因子。然后这些校正因子存储在存储器中，即使在边界条件不断变化的情况下，也可用于确保距离测量系统的准确性。
上述方法说明了对ADC 9和ADC 12之间的相移的数字评估。当然，I/Q解调本身是已知的，例如在《高频技术第2部分》（ISBN：3-540-55084-4）第4版第541-545页的描述，它也可以代替ADC来确定调制信号的相位。但是，数字方法具有抗干扰的优点。如前所述，调制信号不必为正弦波。
因此，不排除使用I/Q解调。在产生相应的电路装置时，根据功耗、抗干扰性和准确性来决定哪种方法更合适。
用于测量两个事件之间的信号传输时间的装置和方法
附图标记列表
1 发射器
2 物理信号，脉冲
3 物体
4 反射波
5 传感器矩阵
P 像素（整体性指代）
P11 像素
P13 像素
P13 像素
P23 像素
v_th 阈值
6 第一比较器
Y1 第一比较器的输出
7 生成器
8 调制信号
9 第一模数转换器
E 所发射的物理信号的脉冲期间的调制信号的采样值
E11 所发射的物理信号的脉冲期间的调制信号的第一采样值
E12 所发射的物理信号的脉冲期间的调制信号的第二采样值
E13 所发射的物理信号的脉冲期间的调制信号的第三采样值
tA11, tA12, tA13 脉冲传输期间调制信号的采样时间点
M1 第一存储器
M11 M1存储器M1的第一部分
S 接收反射波期间的调制信号的采样值
S111 接收反射波期间的调制信号的第一采样值
S112 接收反射波期间的调制信号的第二采样值
S113 接收反射波期间的调制信号的第三采样值
tA21, tA22, tA23 接收反射波期间的调制信号的采样时间点
M12 M1存储器M1的第二部分
10 逻辑电路
M2 第二存储器
11 第二比较器
Y2 第二比较器的输出
12 第二ADC
13 存储矩阵
14 数据分组
15 查询表
16 比较器
17 比较器
18 比较器
19 比较器
V1 比较器输出
V2 比较器输出
V3 比较器输出
Vn 比较器输出
20 逻辑
Tr 触发
21 1×n位存储器
22 ADC
23 ADC
24 ADC

Claims (16)

1.一种用于测量信号在两个事件之间的传输时间的方法，其中确定出在第一事件发生时的信号与在第二事件发生时的信号之间的相移，其特征在于：生成其相位位置被确定为信号在第一事件中出现的第一特征的调制信号； 将调制信号的相位确定为信号在第二事件中出现的第二特征；将传输时间确定为第一特征和第二特征的相位位置之差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在发射/接收单元（1；5）和测量物体（3）之间的信号的传输时间测量中，物理信号（2）的脉冲是发射/接收单元（1；5）的发射器（1）在传输介质中进行发射，脉冲（2）的反射波（4）由发射/接收单元（1；5）的传感器（5）接收；根据脉冲（2）和反射波（4）之间的时间差∆t，确定物理信号（2）在发射/接收单元（1；5）和测量物体（3）之间的传输介质中的传输时间；
- 生成频率周期性重复的调制信号（8）；
- 在脉冲（2）的发射期间，以高于调制信号（8）的频率的采样频率对调制信号（8）进行采样；
- 将在脉冲（2）的发射期间对调制信号（8）采样的数字采样值（E11，E12，E13）存储为第一值模式；
- 在反射波（4）的接收期间，以采样频率对调制信号（8）进行采样；
- 将在反射波（4）的接收期间对调制信号（8）的采样的数字采样值（S…）存储为第二值模式；
- 根据第二值模式相对于第一值模式的出现的比较，计算出时间差∆t。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过传输脉冲序列的脉冲来周期性地重复信号的传输时间测量，其中选择脉冲序列的脉冲序列频率T=1/T，使其周期持续时间T大于发射/接收单元的最大测量距离。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述脉冲的反射波（4）由传感器矩阵的多个像素的各个传感器检测。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，发射/接收矩阵的每个像素发送其自身的脉冲并检测该脉冲的反射，从而多个脉冲得以发射，并且它们的反射得以接收。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，用像素的代码对像素的每个脉冲进行编码，并且仅检测具有与所述像素匹配的代码的反射。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其特征在于，脉冲发射期间调制信号（8）的数字采样值（E…）和/或脉冲接收期间调制信号（8）的数字采样值（S…）分别存储为调制信号（8）在多个周期中多个数字采样值的平均值，其中调制信号（8）在一个周期中的每个数字采样值对应于其在另一个周期的相同的采样时间点（tA…A，tA…B，tA…C）的采样值。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其特征在于，通过以在查询表（15）中第一值模式和第二值模式的格式存储调制信号的周期持续时间的数字图像来比较第二值模式相对于第一值模式的出现；根据第一值模式与数字图像的比较来确定第一值模式在数字图像中的第一相位位置；根据第二值模式与数字图像的比较来确定第二值模式的第二相位位置；根据第一相位位置和第二相位位置的差确定出相位差。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述查询表（15）包括调制信号的多个存储值模式，所述多个存储值模式根据它们在所述调制信号的周期内的相位位置来存储。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述查询表（15）在所述方法的应用开始时创建并存储，并且在所述方法的多个应用中保持不变，其中通过调制信号（8）的初始采样或通过计算来生成特定于相位位置的值模式。
11.一种用于将根据权利要求2至10中的任一项所述的方法应用于在发射/接收单元（1；5）与测量物体（3）之间以测量信号的传输时间的装置，所述装置包括具有在传输介质中发射物理信号（2）的脉冲的发射器（1）和接收脉冲（2）的反射波（4）的传感器（5）的发射/接收单元（1；5），以及计算脉冲（2）和反射波（4）之间的时间差∆t的计算单元，该时间差为物理信号在发射/接收单元（1；5）与测量物体（3）之间的传输介质中的传输时间；其特征在于，
- 生成周期性重复的调制信号的生成器（7），
- 第一模数转换器（9），其在脉冲（2）的发射期间以与调制信号（8）同步的采样频率对调制信号（8）进行采样，
- 第一存储器（M1）的第一部分，其将在脉冲（2）的发射期间调制信号（8）的采样的数字采样值存储为第一值模式，
- 第二模数转换器（12），其在反射波（4）的接收期间以采样频率对调制信号（8）进行采样，
- 第一存储器（M1）的第二部分，其在反射波（4）的接收期间将调制信号的采样的数字采样值（S ...）存储为第二值模式，以及
- 计算单元，其通过比较第二值模式相对于第一值模式的出现来计算时间差∆t。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，传感器矩阵（5）具有多个像素，每个像素具有传感器和/或发射器。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，提供第二存储器（M2），其用于将数字采样值存储为调制信号（4）在多个周期中多个数字采样值（E…, S…）的平均值，其中调制信号（4）在一个周期中的每个数字采样值对应于其在另一个周期的相同的采样时间点（t1，t2，t3）的采样值。
14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，提供逻辑电路（10），其用于在反射波的接收期间将调制信号（4）的数字采样值（S…）计算为平均值。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的装置，其特征在于，第一比较器（6）设有阈值输入（v_th）和检测输入脉冲的脉冲输入（X1），所述第一比较器（6）的输出（Y1）以控制方式连接到第一模数转换器（9）。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的装置，其特征在于，第二比较器（11）设有阈值输入（v_th）和检测反射（4）的脉冲输入（X2），所述第二比较器（11）的输出（Y2）以控制方式连接到第二模数转换器（12）。
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