CN112068149B - 感测装置和用于感测的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于感测飞行时间的脉冲重复间隔的选择。感测装置包括辐射源，该辐射源朝向目标场景中的多个点发射光学辐射的脉冲。接收器接收从该目标场景反射的光学辐射，并且输出指示脉冲往返该目标场景中的该点的相应飞行时间的信号。处理和控制电路从脉冲重复间隔(PRI)的允许范围中选择第一PRI和比该第一PRI大的第二PRI，驱动辐射源以第一PRI发射该脉冲的第一序列和以第二PRI发射该脉冲的第二序列，以及处理响应于该脉冲的该第一序列和该第二序列两者而输出的信号，以便计算该目标场景中该点的相应深度坐标。

Description

感测装置和用于感测的方法
技术领域
本发明整体涉及用于深度映射的系统和方法，并且具体地涉及在飞行时间(ToF)感测中使用的波束源。
背景技术
现有的和新兴的消费者应用已产生对实时三维(3D)成像器日益增长的需求。这些成像设备也称为深度传感器或深度映射器，其使得能够通过用光学束照明目标场景并分析反射的光学信号来远程测量与目标场景中每个点的距离(并且常常还有强度)-被称为目标景深。用于确定与目标场景上每个点的距离的常用技术涉及将一个或多个脉冲光学束朝向目标场景传输，然后测量光学束在从源行进到目标场景并返回到与源相邻的检测器阵列时所花费的往返时间，即飞行时间(ToF)。
一些ToF系统在测量光子到达时间中使用单光子雪崩二极管(SPAD)，也称为盖革模式雪崩光电二极管(GAPD)。
发明内容
下文描述的本发明的实施方案提供了改进的深度映射系统和此类系统的操作方法。
因此，根据本发明的一个实施方案提供了包括辐射源的感测装置，所述辐射源被配置为朝目标场景中的多个点发射光学辐射的脉冲。接收器被配置为接收从目标场景反射的光学辐射，以及响应于所接收的光学辐射而输出指示所述脉冲往返目标场景中的所述点的相应飞行时间的信号。处理和控制电路被配置为从允许的脉冲重复间隔(PRI)范围中选择第一PRI和比第一PRI大的第二PRI，以及驱动辐射源以第一PRI发射所述脉冲的第一序列和以第二PRI发射所述脉冲的第二序列，以及处理接收器响应于所述脉冲的第一序列和第二序列两者而输出的信号，以便计算目标场景中所述点的相应深度坐标。
在所公开的实施方案中，辐射源包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列。除此之外或另选地，辐射源包括布置在多个群组中的发射器的阵列，并且处理和控制电路被配置为顺序地驱动所述多个群组，使得每个群组以第一PRI和第二PRI发射所述脉冲的相应第一序列和第二序列。另外除此之外或另选地，感测元件包括单光子雪崩二极管(SPAD)。
在一些实施方案中，第一PRI限定范围极限，在该范围极限处，脉冲的飞行时间等于第一PRI，而处理和控制电路被配置为比较接收器响应于脉冲的第一序列和第二序列而输出的信号，以便将场景中相应深度坐标小于所述范围极限的点与场景中相应深度坐标大于所述范围极限的点区分开，从而解决深度坐标的距离折叠。在一个这样的实施方案中，处理和控制电路被配置为针对场景中的每个点计算第一序列和第二序列中脉冲的飞行时间的相应第一直方图和第二直方图，以及响应于第一直方图和第二直方图之间的差异检测在给定点处已经发生距离折叠。
在一些实施方案中，该装置包括一个或多个无线电收发器，其通过在至少一个分配的频带中接收信号来进行空中通信，其中处理和控制电路被配置为响应于分配的频带来标识允许的PRI范围。通常，允许的范围被定义为使得允许范围中的PRI在分配的频带内没有谐波。除此之外或另选地，处理和控制电路被配置为响应于无线电收发器的分配的频带的变化来修改允许的范围，以及选择第一PRI和第二PRI中一者或两者的新值，使得新值落入修改后的范围内。
在所公开的实施方案中，处理和控制电路被配置为存储多组PRI的记录，标识装置的操作环境，以及响应于所标识的操作环境而选择所述组中的一组来应用于驱动辐射源。处理和控制电路可被配置为响应于装置正在其中操作的地理区域来选择所述组中的所述一组。除此之外或另选地，PRI的组具有响应于干扰无线电收发器所使用的频率的可能性而分配的相应优先级，并且处理和控制电路被配置为响应于相应优先级而选择所述组中的所述一组。在一个实施方案中，每个组中的PRI相对于该组中的其他PRI是互质的。
在另一实施方案中，处理和控制电路被配置为从允许的PRI范围中选择比第二PRI大的第三PRI，以及驱动辐射源以第三PRI发射所述脉冲的第三序列，以及处理接收器响应于所述脉冲的第一序列、第二序列和第三序列而输出的信号，以便计算目标场景中所述点的相应深度坐标。
除此之外或另选地，处理和控制电路被配置为选择第一PRI和第二PRI以最大化深度坐标的范围，同时保持深度坐标的分辨率不大于预定义的分辨率极限。
根据本发明的一个实施方案还提供了一种感测方法，该方法包括从允许的脉冲重复间隔(PRI)范围中选择第一PRI和比第一PRI大的第二PRI。辐射源被驱动以朝向目标场景中多个点中的每个点以第一PRI发射光学辐射的脉冲的第一序列和以第二PRI发射所述光学辐射的脉冲的第二序列。接收从目标场景反射的光学辐射，并且响应于所接收的光学辐射而输出指示所述脉冲往返目标场景中的所述点的相应飞行时间的信号。响应于所述脉冲的第一序列和第二序列两者来处理信号，以便计算目标场景中所述点的相应深度坐标。
结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更全面地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1是根据本发明一实施方案的示意性地例示具有深度映射相机的移动通信设备的框图；
图2是根据本发明一实施方案的深度映射相机的示意性侧视图；
图3是根据本发明一实施方案的可在深度映射相机中使用的发射器阵列的示意性前视图；
图4A、图4B、图4C和图4D是根据本发明的实施方案的示意性地示出深度映射相机中的定时信号的曲线图；
图5是根据本发明一实施方案的示意性地例示使用多群组发射器的深度映射相机的操作的框图；
图6是根据本发明一实施方案的示意性地例示参考蜂窝通信频带选择的一对脉冲重复间隔的谐波频率的曲线图；
图7是根据本发明一实施方案的示意性例示用于选择用于在深度映射中使用的脉冲重复间隔的方法的流程图；并且
图8是根据本发明另一实施方案的示意性例示用于选择用于在深度映射中使用的脉冲重复间隔的方法的流程图。
具体实施方式
概述
本发明的实施方案提供了基于ToF的深度感测装置，其中辐射源朝向目标场景中的多个点发射光学辐射的脉冲。(在本说明书和权利要求的上下文中，术语“光学辐射”与术语“光”可互换使用，意指在可见、红外和紫外光谱范围中任一者中的电磁辐射。)接收器接收从目标场景反射的光学辐射，并且输出指示所述脉冲往返目标场景中的所述点的相应飞行时间的信号。处理和控制电路驱动辐射源并处理接收器所输出的信号，以便计算目标场景中所述点的相应深度坐标。
这种装置常常遇到低信噪比(SNR)的问题。为了提高SNR，处理和控制电路在辐射源所发射的多个脉冲的序列上收集并分析来自接收器的信号。在一些情况下，处理和控制电路计算从目标场景中的每个点反射的脉冲序列的飞行时间的直方图，并且使用直方图的分析(例如，每个点处直方图的模式)作为对应深度坐标的指示。为了以合理的帧速率(例如，30帧/秒)生成和输出深度坐标，在多个脉冲的序列上收集信号时，希望辐射源以高脉冲重复频率(PRF)或等同地以低脉冲重复间隔(PRI)发射脉冲序列。例如，辐射源可以以40ns-50ns的PRI输出约1ns持续时间的脉冲。
然而，使用短的PRI会产生距离折叠问题：由于光学辐射以大约30cm/ns的速度传播，因此当在PRI为40ns的序列中发射的脉冲从与装置相距不止约6m的对象反射时，反射的辐射将仅在辐射源已发射下一脉冲之后才到达接收器。于是，处理和控制电路将不能确定所接收的辐射是由于来自附近对象的反射而源自最新近发射的脉冲，还是由于远处对象而源自序列中较早发射的脉冲。因此，PRI有效地限定范围极限，该范围极限与PRI成比例并且设定能被该装置感测的对象的距离的上限。
本发明的实施方案通过连续使用两个或更多个不同的PRI解决该问题。处理和控制电路从允许的PRI范围中(至少)选择第一PRI和第二PRI。然后驱动辐射源以第一PRI发射所述脉冲的第一序列和以第二PRI发射所述脉冲的第二序列，并且处理接收器响应于脉冲的第一序列和第二序列两者而输出的信号，以便计算目标场景中所述点的深度坐标。所述序列可一个接一个地传输，或者它们可交错，其中脉冲交替地以第一PRI和第二PRI传输。虽然为简单起见，下文所述的实施方案主要涉及仅第一PRI和第二PRI，但这些实施方案的原理可容易地扩展至三个或更多个不同的PRI。
更具体地讲，为了解决和消除可能的距离折叠的歧义，处理和控制电路将接收器响应于第一脉冲序列而输出的信号与响应于第二序列而输出的信号进行比较，以便将场景中相应深度坐标小于PRI所限定的范围极限的点与场景中相应深度坐标大于所述范围极限的点区分开。例如，处理和控制电路可针对场景中的每个点计算第一序列和第二序列中脉冲的飞行时间的相应第一直方图和第二直方图。对于比范围极限更近的对象，两个直方图将大致相同。然而，超出范围极限的对象将响应于第一脉冲序列和第二脉冲序列的不同PRI而产生不同的直方图。因此，处理和控制电路能够基于每个点处第一直方图和第二直方图之间的相似性或差异来检测在目标场景中的每个点处已经发生距离折叠。
当深度感测装置结合到移动通信设备诸如智能电话中时，出现另一问题：移动通信设备包括至少一个无线电收发器(并且常常包括多个无线电收发器)，其通过在所分配的频带(例如由用于蜂窝通信的普遍存在的LTE标准定义的频带之一)中接收信号而进行空中通信。此外，所分配的频带常常将随着设备从一个小区漫游至另一小区而改变。同时，用于以高PRF驱动辐射源的短的强电流脉冲的序列产生谐波，其中一些谐波可能落入收发器的分配的频带内。由于这些谐波引起的噪声可严重劣化无线电收发器的SNR。
为了克服该问题，在本发明的一些实施方案中，处理和控制电路以避免干扰无线电收发器的分配的频带的方式标识允许的PRI范围，并且选择第一PRI值和第二PRI值在该允许范围内。换言之，允许的范围优选地被定义为使得允许范围中的PRI在所分配的频带内没有谐波。允许范围可例如被定义成允许的PRI值的列表，或者一组可在里面选择PRI值的间隔。除此之外或另选地，多组两个或更多个PRI可被预先定义并被存储在装置所保持的记录中。然后可根据装置的无线电操作环境来标识和使用适当的组。
当无线电收发器的分配的频带改变时，处理和控制电路将相应地修改PRI值的允许范围或组。在必要时，处理和控制电路将选择一个或所有PRI的新值，使得新值落入修改后的范围内。在受到这些范围约束的情况下，可通过应用预定义的优化标准来选择PRI，例如以使深度坐标的范围最大化，同时将深度坐标的分辨率保持在不大于预定义分辨率极限的值。
如前所述，尽管为了简单起见，本文所述的一些实施方案涉及使用两个PRI值的场景，但本发明的原理可类似地应用于选择和使用三个或更多个PRI值。在增强深度映射的范围和分辨率方面，在允许范围的不同部分内使用更大数量的PRI值可以是有用的。
系统描述
图1是根据本发明一实施方案的示意性地例示包括基于ToF的深度相机20的移动通信设备10的框图。设备10在图1中被图示成智能电话，但本发明的原理可类似地应用于执行无线电通信(通常但非排他性地，通过蜂窝网络)和高脉冲重复率的光学感测两者的任何种类的设备中。
设备10包括多个无线电收发器12，其向相应的网络传输无线电信号和/或从相应的网络接收无线电信号。例如，对于LTE蜂窝网络，无线电信号可在多个不同频带中的任何频带中，通常在800MHz和3000MHz之间的范围内，具体取决于地区和服务类型。当设备10漫游时，其传输和接收信号的频带通常将改变。设备10中的频率控制器14选择收发器12在任何给定时间在无线电通信中使用的频率。
相机20通过朝目标场景输出光学脉冲串并测量从场景反射回相机的脉冲的飞行时间来感测深度。参考以下附图描述相机20的结构和操作的细节。
从相机20发射的光学脉冲的生成在相机20的脉冲重复频率(PRF，其为脉冲重复间隔或PRI的倒数)以及在PRF的谐波均在设备10内产生显著电噪声。为了避免干扰收发器12的操作，频率控制器14为相机20提供允许的PRI的当前范围，所述允许的PRI的谐波完全落在收发器12当前正在其上进行传输和接收的频带之外。(另选地，频率控制器可向相机通知收发器当前正在其上进行传输和接收的频带，并且相机可自己在此基础上推导允许的PRI的当前范围。)该范围可具有例如以下形式：允许的PRI(或等同地，PRF)的列表、或可在其中选择PRI(或PRF)的一组间隔。相机20从允许范围中选择将给出最佳深度映射性能的一对PRI，或者可能三个或更多个PRI，同时因此避免干扰设备10的通信。下面说明用于选择的标准和过程的细节。
图2是根据本发明一实施方案的深度相机20的示意性侧视图。相机20包括辐射源21，其发射M个单独脉冲束(例如，M可为大约500)。辐射源包括布置成二维阵列22的发射器(其可被分组为多个群组(如图3中详细所示))、以及波束光学器件37。发射器通常包括固态器件，诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)或其他类型的激光器或发光二极管(LED)。发射器由控制器26驱动以两个不同的PRI发射光学脉冲，如下文进一步所述。
波束光学器件37通常包括准直透镜并且可包括衍射光学元件(DOE)，该衍射光学元件复制阵列22所发射的实际波束以产生投影到场景32上的M个波束。(例如，每个群组中具有4×4布置的16个VCSEL的四个群组的阵列可用于创建8×8波束，并且DOE可将每个波束分成3×3复本以给出总共24×24个波束。)为简单起见，波束光学器件37的这些内部元件未示出。
相机20中的接收器23包括二维检测器阵列，诸如SPAD阵列24，连同J个处理单元28和用于将处理单元耦接到SPAD的选择线31。组合单元35将处理单元28的数字输出传递到控制器26。SPAD阵列24包括多个检测器元件N，其可等于M或可能远大于M，例如100×100像素或200×200像素。处理单元28的数量J取决于每个处理单元耦接到的SPAD阵列24的像素的数量。
阵列22发射光的M个脉冲波束30，其被波束光学器件37朝向目标场景32引导。尽管波束30在图2中被描绘为宽度恒定的平行波束，但每个波束如衍射所指示的那样发散。此外，波束30彼此发散以覆盖场景32的所需区域。场景32反射或以其他方式散射入射在场景上的那些波束30。反射和散射的波束被物镜光学器件34收集，该物镜光学器件由图2中的透镜表示，其在阵列24上形成场景32的图像。因此，例如，波束30a已入射于的场景32上的小区域36被成像到SPAD阵列24上的小区域38上。
笛卡尔坐标系33限定深度相机20和场景32的取向。x轴和y轴在SPAD阵列24的平面中取向。z轴垂直于阵列并指向被成像到SPAD阵列32上的场景32。
为了清楚起见，处理单元28被图示成好像与SPAD阵列24分开，但是它们通常与SPAD阵列集成。类似地，组合单元35通常与SPAD阵列24集成。处理单元28与组合单元35一起包括硬件放大和逻辑电路，其感测和记录相应像素或像素组(被称为“超像素”)中SPAD所输出的脉冲。因此，这些电路测量产生所述脉冲的光子的到达时间、以及入射在SPAD阵列24上的光学脉冲的强度。
处理单元28与组合单元35一起可组装阵列22所发射的多个脉冲的到达时间的一个或多个直方图，并且因此输出指示与场景32中相应点的距离以及信号强度的信号。可用于此目的的电路例如在美国专利申请公布2017/0176579中有所描述，该美国专利申请公布的公开内容以引用方式并入本文。另选地或除此之外，处理单元28和组合单元35的一些或所有部件可与SPAD阵列24分开，并且可例如与控制器26集成。为了一般性起见，控制器26、处理单元28和组合单元35在本文中统称为“处理和控制电路”。
控制器26耦接到辐射源21和接收器23两者。控制器26交替地以适当的PRI驱动阵列22中的发射器群组以发射脉冲波束。控制器还向接收器23中的处理和组合单元提供外部控制信号29，并且从处理和组合单元接收输出信号。输出信号可包括直方图数据，并且可被控制器26用于推导入射时间和信号强度两者。控制器26由VCSEL阵列22发射波束30的定时和由M个处理单元28所测量的到达时间来计算M个波束的飞行时间，从而映射与场景32中的对应M个点的距离。
在一些实施方案中，为了最佳地利用可用的感测和处理资源，控制器26标识从目标场景32的对应区域反射的光学辐射的脉冲被透镜34成像到的SPAD阵列24的相应区域，并且选择超像素以对应于这些区域。不使用由这些区域之外的感测元件输出的信号，因此这些感测元件可被去激活，例如通过降低或关断这些感测元件的偏置电压。
为清楚起见，发射器阵列22和SPAD阵列24的尺寸在图2中相对于场景32被放大。发射器阵列22和SPAD阵列24的横向分离(称为“基线”)实际上比从发射器阵列22到场景32的距离小得多。因此，从场景32到SPAD阵列24的主光线40(穿过物镜光学器件34的中心的光线)几乎平行于光线30，仅导致少量视差。
控制器26通常包括可编程处理器，该可编程处理器以软件和/或固件编程来执行本文所述的功能。另选地或除此之外，控制器26包括执行控制器的至少一些功能的硬连线和/或可编程硬件逻辑电路。虽然为了简单起见，控制器26在图中被图示成单个单片功能块，但在实施过程中，控制器可包括单个芯片或者一组两个或更多个芯片，其具有用于接收和输出信号的合适的接口，所述信号在图中示出并且在本文中描述。
控制器26的功能单元之一是深度处理单元(DPU)27，其接收和处理来自两个处理单元28的信号。DPU 27计算每个波束30中的光子的飞行时间，并且因此映射与目标场景32中的对应点的距离。这个映射是基于发射器阵列22发射波束30的定时和处理单元28所测量的到达时间(即，反射光子的入射时间)。DPU 27利用在发射器阵列22的两个不同PRI处累积的直方图来消除可能发生的任何“距离折叠”的歧义，如下文参考图4所解释的。控制器26通常将深度坐标存储在存储器中，并且可以输出对应的深度图以用于显示和/或进一步处理。
图3是根据本发明一实施方案的波束源21中发射器阵列22的示意性前视图。四个群组62a、62b、62c和62d的竖直发射器54被交错成基板64(诸如半导体芯片)上的交替竖直条带。每个群组包括多个条带，它们在基板上与其他群组中的条带交替。另选地，可使用其他交错方案。发射器54朝向光学器件37发射相应波束30，该光学器件将波束准直并朝向目标场景投射。在一典型具体实施中，发射器54包括VCSEL，所述VCSEL由约1ns宽的电脉冲驱动，具有急剧的上升沿和下降沿并且具有超过1A的峰值脉冲电流，并且具有大约40ns的PRI。另选地，根据应用程序要求，可使用其他定时和电流参数。
为了使得能够实现不同群组之间的选择和切换，阵列22可安装在驱动器芯片(未示出)上，例如，具有用于选择和驱动各个VCSEL或VCSEL群组的CMOS电路的硅芯片。在这种情况下，VCSEL群组可物理地分开以便于制造和控制，或者它们可在VCSEL芯片上交错，具有与驱动器芯片的合适连接以使得能够交替地致动这些群组。因此，波束30同样以时分复用模式照射目标场景，其中不同组波束在不同时间入射在场景的相应区域上。
作为图示实施方案的另外替代形式，阵列22可包括更多或更少数量的群组和发射器。通常，为了用静态(非扫描)波束充分覆盖目标场景，阵列22包括至少四个群组62，每个群组中具有至少四个发射器54，并且可能具有DOE以用于分割每个发射器发射的辐射。对于更密集的覆盖，阵列22包括至少八个群组，其中每个群组中具有二十个或更多个发射器。这些选项在光学和电功率预算以及处理资源的时分复用方面增强了相机20的灵活性。
PRI选择和控制
图4A是根据本发明一实施方案的示意性示出深度相机20中的定时信号的曲线图。在该示例中，控制器26已选择两个不同的PRI：PRI1＝40ns，并且PRI2＝44ns。控制器驱动发射器54与PRI2的脉冲序列交替地发射PRI1的脉冲序列。PRI1产生与相机20相距大约6m的范围极限75。在该图所示的实施方案中，由对这两个PRI具有相同斜率的时间-数字转换器(TDC)测量PRI1和PR2的脉冲的飞行时间，这意味着时间分辨率在这两个PRI是相同的。
在图示的场景中，辐射源22传输脉冲70。近距离(例如，与相机20相距2.4m)处的对象返回反射脉冲72，该反射脉冲在16ns的ToF之后到达接收器23。为了测量ToF，接收器23对所传输脉冲70和反射脉冲72的接收之间所经过的时间进行计数。PRI1的脉冲序列的计数值在图4A中由第一锯齿76表示，而PRI2的脉冲序列的值由第二锯齿78表示。这两个锯齿波形的形状相同，但由于PRI的差异，连续波形之间的间隔存在偏移。因此，对于反射脉冲72，在PRI1和PRI2两者将在这两个脉冲序列中测量到16ns的相同ToF。为了TDC重新同步的目的，该实施方案中的每个锯齿之后跟着复位周期。
另一方面，距离超过范围极限(例如，与相机20相距8.4m)的对象将返回反射脉冲74，该反射脉冲在56ns的ToF之后到达接收器23。因此，在辐射源22已经传输序列中的下一脉冲之后，并且在锯齿76和锯齿78所表示的计数器已经归零之后，脉冲74到达接收器。因此，接收器23将在PRI1的序列期间对于脉冲74记录16ns的ToF。然而，由于PRI2的序列期间PRI较大，所以接收器在该序列期间将记录12ns的ToF。
图4B和图4C是根据本发明其他实施方案的示意性地示出深度相机20中的定时信号的曲线图。这些定时方案在操作上与上文参考图4A所述的定时方案类似，但不使用TDC复位周期。在图4B的实施方案中，TDC对PRI1的锯齿76和PRI2的较长锯齿78两者使用相同的计数分辨率(相同的最大计数数量)。该方法在减少在直方图累积中使用的存储器箱的数量方面是有利的。在图4C的实施方案中，TDC在PRI1和PRI2两者以相同的绝对时间分辨率检测光子到达时间，这意味着深度分辨率可得到增强，但代价是使用更多数量的直方图箱。
在处理ToF导致任何上述方案时，控制器26将检测到场景32中的某个点在这两个不同PRI值的脉冲序列期间具有两个不同的ToF值。这两个不同的ToF值由PRI值之间的差值(4ns)分开。这样，控制器26能够检测到在这个点已发生距离折叠。因此，控制器将场景中相应深度坐标小于范围极限75的点与场景中相应深度坐标大于范围极限的点区分开，从而解决深度坐标的距离折叠。根据PRI值之间的差异(或等同地，PRF值的拍频频率)，控制器26可以能够区分范围极限75的不同倍数，并且因此甚至进一步扩展检测范围。
图4D是根据本发明另外一实施方案的示意性示出深度相机20中的定时信号的曲线图。在该示例中，控制器26选择三个或更多个不同的PRI：PRI1、PRI2、PRI3、...、PRIk。控制器驱动辐射源22以不同的PRI顺序地交替传输脉冲70。在这种情况下，假定对象处于超过距离折叠极限的距离D(对应于飞行时间T)，从而每个反射脉冲72在下一所传输脉冲70已被传输之后到达接收器23。换句话讲，每个反射脉冲j在脉冲j+1已被传输之后的时间Tj到达接收器。与对象的实际距离(根据飞行时间)由下式给出：T＝T1+PRI1＝T2+PRI2＝T3+PRI3。
接收器23可紧接着每个所传输脉冲70之后经历“死区”，其中接收器由于相机20内的散乱反射而不能检测从目标对象反射的脉冲。这个死区由图4D中的最后一个反射脉冲k示例，这最后一个反射脉冲k在下一所传输脉冲之后的小时间Tk到达接收器23。因此，控制器26可忽略接收器在死区内所输出的信号。如在本示例中那样，使用三个或更多个不同的PRI在避免由于这种死区引起的含糊以及提高深度测量的准确性方面是有利的。在使用三个或更多个不同的PRI时，也可能选择相对较短的PRI值，而没有由于距离折叠和死区引起的含糊的风险，从而增大谐波的频率以及降低干扰无线电收发器12的概率(图1)。
有利的是，选择在图4D所示的方案种类中一起使用的PRI值，使得每个PRI(PRI1、PRI2、PRI3、...)相对于其他PRI是互质的(意味着任何一对PRI的最大整数公约数为1)。在这种情况下，根据中国剩余定理，给定的一组测量T1、T2、T3、...将恰好具有一个独特的解T，如上面给出的公式中那样，而不管距离折叠。
图5是根据本发明一实施方案的示意性地例示使用多群组发射器的相机20的操作的框图，诸如图3中的发射器54的群组62。控制器26顺序地驱动群组62，使得每个群组连续地以这两个不同的PRI发射相应的脉冲序列。另选地，这个实施方案的原理可扩展到驱动群组62以三个或更多个不同的PRI发射脉冲。
图5示出了相机22在深度图生成的单个帧80(例如33ms的周期)上的操作。帧80被分成八个片段82、84、...，具有被分配给四个群组62a、62b、62c和62d中的每一者的两个连续片段。在第一片段82期间，第一群组(例如群组62a)传输按PRI1所给定的间隔的脉冲的序列，然后是片段84中按PRI2所给定的间隔的脉冲的序列。在每个这样的片段期间，接收器23为SPAD阵列24中已经接收从目标场景32中的点反射的脉冲的像素(或超像素)生成ToF直方图。因此，控制器26相对于场景32中被群组62a照射的点将在每个帧80中接收两个ToF直方图。控制器26然后可以比较这两个直方图，以便消除任何距离折叠的歧义，如上所述，并且因此将ToF直方图转换成精确的深度坐标。
针对其他群组62b、62c和62d中的每一者重复这个按PRI1和PRI2传输脉冲序列的过程，因此控制器26接收双直方图并提取接收器23中对应像素组的深度坐标。控制器26组合在所有四个群组的发射器上生成的深度坐标，以便创建和输出场景32的完整深度图。
虽然图5通过分别在PRI1和PRI2收集直方图来例示数据帧的捕获，但在一另选实施方案中，ToF数据可以并发或交替的方式在同一直方图中收集，该直方图对于每个群组仅被读出一次(例如，在图5中的框84之后)。直方图在这种情况下将包括对应于两个PRI值的峰。如在图5的实施方案中那样，使用两个直方图读出就在直方图数据可被明确分配给特定PRI的意义上提供更多信息。此外，由于更短的暴露时间，所以ToF数据更少地受环境噪声影响，从而改善距离折叠可检测性。另一方面，相对于为两个PRI使用单个读出，在这种情况下所需的附加读出消耗时间并因此减少光子计数。
图6是根据本发明一实施方案的示意性地例示参考蜂窝通信频带90选择的一对脉冲重复间隔的谐波频率92、94的曲线图。在该示例中，频率控制器14已接收频谱中频带90的分配，并且已向相机20输出在频带90内将不生成任何谐波的允许的PRI值的列表。控制器26从允许值的列表中选择脉冲速率间隔PRI1和PRI2。因此，谐波频率92和94完全落在频带90之外，从而最小化对收发器12的性能的任何可能的干扰。
图7是根据本发明一实施方案的示意性例示用于选择用于在深度映射中使用的脉冲重复间隔的方法的流程图。为了清楚和简洁起见，参考设备10的部件(图1)描述该方法。然而，该方法的原理可类似地应用于组合无线电通信和脉冲范围测量的功能的其他设备中。
在频率分配步骤100，频率控制器14标识收发器12将通过其进行通信的无线电频带。基于该分配，在PRI列表生成步骤102，频率控制器计算在所分配的无线电频带中没有谐波的PRI的列表。另选地，频率控制器14可计算并输出可用的PRI值。另外另选地，频率控制器14可将无线电频带的分配传达给相机20，然后控制器26可计算可用PRI的列表。
相机20的控制器26在第一PRI选择步骤104从该列表中选择第一PRI值(PRI1)，并且在第二PRI选择步骤106选择第二PRI值(PRI2)。任选地，在进一步PRI选择步骤107，控制器26可选择一个或多个附加PRI值，直到PRIk。控制器在选择PRI值中可应用任何合适的优化标准。例如，控制器26可选择PRI1和PRI2以优化SNR并最大化相机20可测量的深度坐标的范围，同时保持深度坐标的分辨率不大于(即，不差于)预定义分辨率极限。就这一点而言可应用的标准包括：
·优化PRI差异以最大化在长范围的可检测性和可测量性，同时根据要覆盖的最小范围设置PRI的下限。
·优化与无线电收发器12的兼容性，包括：
○保证不干扰收发器12。
○利用蜂窝频率信道变化的先验知识(如果可能的话，基于某些环境中信道使用的概率)。
○选择从统计角度覆盖各式各样的无线信道的PRI，以便最小化PRI的潜在重新分配。
○使用避免在可能时需要切换设备10内的内部同步电路的PRI，以便避免可能引入瞬态深度误差的采集延迟和定时变化。
○任何需要改变内部同步频率的时候，使步长大小最小化，以便使瞬态深度误差最小化。
上述标准仅以举例的方式给出，并且可使用另选的优化标准，具体取决于系统设计和操作环境。下文参考图8描述用于选择有利地可一起使用的PRI值的组的系统方法。
在选择PRI值之后，在深度映射步骤108，相机20通过连续地以PRI1和PRI2发射脉冲序列来捕获深度数据，如上所述。
相机20通常继续以所选择的一对PRI值操作，直到频率控制器14在新频率分配步骤110为收发器12的通信分配新频带。在这种情况下，该方法返回到步骤100，其中频率控制器14修改相机20的允许PRI范围。然后，控制器26将选择PRI1和PRI2中一者或两者的新值，使得这些新值落在修改后的范围内。相机20的操作继续使用这些新值。
图8是根据本发明另一实施方案的示意性例示用于选择用于在深度映射中使用的脉冲重复间隔的方法的流程图。如前所述，该具体方法的原理可集成到上文所述的更一般性的方法中。
具体地讲，图8的方法构建相互兼容的PRI值的组，并使控制器26能够存储这些组的记录。(该方法可由控制器26自身执行，但更典型地，记录可由通用计算机离线生成，然后存储在控制器可访问的存储器中。)在任何给定时间，控制器26然后可标识移动通信设备10的操作环境，诸如设备正操作于其中的地理区域，并且可基于操作环境的特性来选择要在驱动辐射源21中应用的PRI组。例如，如果控制器26发现某些频带常常用于给定环境中的无线电通信，则控制器于是可选择一组PRI以降低干扰这些频带的可能性。控制器可例如通过分析收发器12的操作或基于从外部源接收的信息来推导该信息。
在典型使用中，移动通信设备10包括在不同频带中并行操作的多个收发器，诸如在1.5GHz-1.7GHz的范围中工作的全球定位系统(GPS)；在2.4GHz和5GHz附近的信道上工作的无线局域网(Wi-Fi)；以及600MHz和5GHz之间的各种蜂窝频带。在选择PRI值的组时，控制器26可为某些频率给予优先级，从而避免在高优先级无线电频带中具有谐波的PRI。例如，因为GPS信号弱并且需要灵敏的接收器，所以GPS频带将具有高优先级。在临界信令中使用的蜂窝信道以及更易受干扰影响的较低范围的蜂窝频率也可进行优先级排序。Wi-Fi信道可具有较低优先级，只要对于任何给定组的PRI值，存在至少一个Wi-Fi信道无干扰。
在图8的方法中，计算机开始于在PRI编译步骤120编译相机20可支持的所有可能PRI值的列表。然后在PRI排除步骤122，计算机排除其谐波易于在某些目标无线电频率上引起电磁干扰(EMI)的某些PRI值。例如，计算机可排除：
在GPS频带中具有谐波的PRI值。
具有将干扰临界蜂窝信道和/或高优先级蜂窝频带的谐波的PRI值。
具有将干扰Wi-Fi信道的整个频带的谐波的PRI值。
从在步骤122之后剩余的PRI值的列表开始，计算机在组构建步骤124构建相互兼容PRI值的组。每个此类组将包括k个成员，其中k≥2。控制器26存储这些组的记录。在移动通信设备10的操作期间，控制器然后将例如基于操作环境和收发器12实际使用的无线电频率来选择要在相机20中使用的PRI值组中的一者，如上所述。
在步骤124，在构建PRI值组中可采用各种方法。在本实施方案中，例如，在开始PRI选择步骤130处，计算机从选择列表中剩余的最大PRI值开始。然后在进一步PRI选择步骤132，计算机搜索与已经选择用于包括在该组中的其他值互质的另一较小PRI值。计算机开始于搜索接近已经在组中的值的PRI值，同时确保存在该组中的任何PRI的谐波都不会干扰的至少一个Wi-Fi频带。在步骤132中不选择不满足这后一要求的PRI值。在组完成步骤134，这个添加和评估PRI值以结合在本组中的过程迭代地继续，直到该组具有k个成员PRI值。
在已装配给定的一组k个PRI值之后，计算机返回到步骤130以便构建下一组PRI值。在记录完成步骤136，构建PRI组的过程继续，直到已经构建并存储足够数量的组。例如，计算机可检查每个组中的PRI的谐波，以确保对于收发器12可使用的每个无线电频带(包括蜂窝频带和Wi-Fi频带)，存在至少一组PRI值将不干扰该频带。然后，控制器26将能够在步骤126选择适当的PRI组，以便适应在任何给定时间使用的实际无线电频率。
应当理解，上文所描述的实施方案以示例的方式引用，并且本发明不限于上文已特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征，以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。

Claims (18)

1.一种感测装置，包括：
辐射源，所述辐射源被配置为朝向目标场景中的多个点发射光学辐射的脉冲；
接收器，所述接收器被配置为接收从所述目标场景反射的所述光学辐射，以及响应于所接收的光学辐射而输出指示所述脉冲往返所述目标场景中的所述点的相应飞行时间的信号；
处理和控制电路，所述处理和控制电路被配置为从脉冲重复间隔PRI的允许范围中选择第一PRI和比所述第一PRI大的第二PRI，以及驱动所述辐射源以所述第一PRI发射所述脉冲的第一序列和以第二PRI发射所述脉冲的第二序列，以及处理所述接收器响应于所述脉冲的所述第一序列和所述第二序列两者而输出的所述信号，以便计算所述目标场景中所述点的相应深度坐标；以及
无线电收发器，所述无线电收发器通过在分配的频带中接收信号来进行空中通信，其中所述处理和控制电路被配置为响应于所述分配的频带来标识PRI的允许范围。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述辐射源包括垂直腔面发射激光器VCSEL的阵列。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述辐射源包括布置在多个群组中的发射器的阵列，并且其中所述处理和控制电路被配置为顺序地驱动所述多个群组，使得每个群组以所述第一PRI和所述第二PRI发射所述脉冲的相应第一序列和第二序列。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述接收器包括单光子雪崩二极管SPAD。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一PRI限定范围极限，在所述范围极限处，所述脉冲的飞行时间等于所述第一PRI，并且其中所述处理和控制电路被配置为比较所述接收器响应于脉冲的所述第一序列和所述第二序列而输出的所述信号，以便将所述场景中相应深度坐标小于所述范围极限的点与所述场景中相应深度坐标大于所述范围极限的点区分开，从而解决所述深度坐标的距离折叠。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述处理和控制电路被配置为针对所述场景中所述点中的每一个点计算所述第一序列和所述第二序列中所述脉冲的飞行时间的相应第一直方图和第二直方图，以及响应于所述第一直方图和所述第二直方图之间的差异来检测在给定点处已经发生的距离折叠。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中所述允许范围被定义为使得所述允许范围中的PRI在所述分配的频带内没有谐波。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中所述处理和控制电路被配置为响应于所述无线电收发器的所述分配的频带的变化来修改所述允许范围，以及选择所述第一PRI和所述第二PRI中的一者或两者的新值，使得所述新值落入修改后的范围内。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中所述处理和控制电路被配置为存储所述PRI的多个组的记录，标识所述装置的操作环境，以及响应于所标识的操作环境而选择所述组中的一个组来在驱动所述辐射源时应用。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述处理和控制电路被配置为响应于所述装置正操作于其中的地理区域来选择所述组中的所述一个组。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述PRI的所述组具有响应于干扰所述无线电收发器所使用的频率的可能性而分配的相应优先级，并且其中所述处理和控制电路被配置为响应于所述相应优先级而选择所述组中的所述一个组。
12.根据权利要求9所述的装置，其中每个组中的PRI与所述组中的其他PRI是互质的。
13.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述处理和控制电路被配置为从所述PRI的所述允许范围中选择比所述第二PRI大的第三PRI，以及驱动所述辐射源以所述第三PRI发射所述脉冲的第三序列，以及处理所述接收器响应于所述脉冲的所述第一序列、所述第二序列和所述第三序列而输出的所述信号，以便计算所述目标场景中所述点的所述相应深度坐标。
14.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述处理和控制电路被配置为选择所述第一PRI和所述第二PRI以最大化所述深度坐标的范围，同时保持所述深度坐标的分辨率不大于预定义的分辨率极限。
15.一种用于感测的方法，包括：
从脉冲重复间隔PRI的允许范围中选择第一PRI和比所述第一PRI大的第二PRI，
其中选择所述第一PRI和所述第二PRI包括响应于无线电收发器的分配的频带来标识PRI的允许范围，以及从所述允许范围中选择所述第一PRI和所述第二PRI，所述无线电收发器邻近辐射源在所述分配的频带中进行空中通信；
驱动辐射源朝向目标场景中多个点中的每个点以所述第一PRI发射光学辐射的脉冲的第一序列以及以所述第二PRI发射所述光学辐射的所述脉冲的第二序列；
接收从所述目标场景反射的所述光学辐射，以及响应于所接收的光学辐射而输出指示所述脉冲往返所述目标场景中的所述点的相应飞行时间的信号；以及
处理响应于所述脉冲的所述第一序列和所述第二序列两者而输出的所述信号，以便计算所述目标场景中所述点的相应深度坐标。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一PRI限定范围极限，在所述范围极限处，所述脉冲的飞行时间等于所述第一PRI，并且其中处理所述信号包括比较响应于脉冲的所述第一序列和所述第二序列而输出的所述信号，以便将所述场景中相应深度坐标小于所述范围极限的点与所述场景中相应深度坐标大于所述范围极限的点区分开，从而解决所述深度坐标的距离折叠。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述允许范围被定义为使得所述允许范围中的所述PRI在所述分配的频带内没有谐波。
18.根据权利要求15或16所述的方法，并且包括从所述PRI的所述允许范围中选择比所述第二PRI大的第三PRI，其中驱动所述辐射源包括将所述第三PRI的所述脉冲的第三序列朝向所述目标场景引导，并且其中处理所述信号包括使用响应于所述脉冲的所述第一序列、所述第二序列和所述第三序列而输出的所述信号，以便计算所述目标场景中所述点的所述相应深度坐标。
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