CN112945221A - 相位角校正值计算装置和计算相位角校正值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及相位角校正值计算装置和计算相位角校正值的方法。一种相位角误差计算装置(100)，包括：光源(102)，该光源(102)根据间接飞行时间(iToF)测量技术发射射线。该光子混合器单元(104)生成并存储与多个预定相位偏移值相对应的多个电输出信号。信号处理电路根据iToF测量技术处理电输出信号，以便从中计算参考向量和参考相位角。输出信号与以第一精度水平进行的测量相对应。该电路根据iToF测量技术处理输出信号的子集，并据此计算测量向量和测量相位角。输出信号的子集与以低于第一精度水平的第二精度水平进行的测量相对应。该电路使用参考相位角和测量相位角计算相位角校正值。

Description

相位角校正值计算装置和计算相位角校正值的方法

技术领域

本发明涉及一种类型的相位角校正值计算装置，该类型的相位角校正值计算装置例如被配置为根据间接飞行时间测量技术来发射射线并处理所接收的反射光。本发明还涉及一种计算相位角校正值的方法，该方法是例如采用间接飞行时间测量技术的类型。

背景技术

在所谓的飞行时间感测系统和其他系统(例如游戏控制台视觉系统)中，已知采用照明源来照射在照明源的视场内的周围环境(有时被称为“场景”)，并且处理由该场景的特征反射的射线。此类所谓的LiDAR(光检测和测距)系统使用照明源利用射线来照射场景，并且使用检测设备(例如光电二极管阵列、一些光学元件和处理单元)检测从场景中的对象反射的射线。从场景中的对象反射的射线由检测设备接收并且被转换成电信号，然后由处理单元通过应用飞行时间(ToF)计算来处理该电信号，以便确定该对象与该检测设备的距离。尽管已知不同种类的LiDAR系统基于不同的操作原理，但此类系统基本上是照射场景并检测反射光。

在这方面，作为直接ToF测距技术的所谓的“闪光LiDAR”技术采用一种光源，该光源发射随后被场景的特征反射并且被检测器设备检测的射线的脉冲。在此类技术中，直接使用射线的脉冲进行去往反射特征并且返回到检测器设备的往返行程的测得的时间来计算到反射特征的距离。在时域中以非常高的采样率对入射到检测器设备上的射线的脉冲进行采样。因此，实现此类技术的处理电路中的信号路径需要信号的高带宽以及大的硅“占地(real estate)”，即此类实现方式需要硅晶圆上相对大的面积，这进而限制了集成电路上可以支持的通道的数量。因此，此类闪光LiDAR传感器可以支持的通道的实际空间数量通常低于100。为了克服该限制，实现需要移动部件的机械扫描系统。

另一种已知的LiDAR系统采用所谓的“间接飞行时间”(iToF)测距技术。iTOF系统发射连续波光信号，并且该连续波光信号的反射被检测器设备接收并被分析。获取从场景的特征反射的射线的多个样本(例如四个样本)，每个样本按例如90°进行相位步进。使用该照射和采样方法，可以确定照射和反射之间的相位角，并且所确定的相位角可以用于确定到场景的反射特征的距离。

在iToF系统中，高频信号处理(解调)发生在像素级，且因此在同一芯片上集成大量像素所需的像素后信号带宽较低。结果，与直接ToF系统相比，iToF系统可以支持更大量的通道，且因此支持更高的空间分辨率测量。然而，iToF系统具有有限的距离测量能力。在这方面，为了实现低随机距离测量误差，iToF系统需要高调制频率，这进而又降低了可以明确测量的距离范围。例如，100MHz调制频率导致1.5m的近似明确测量范围。此外，传统的iToF系统容易受到由于多次反射和多个传播路径引起的误差的影响。

如上文所解释，iToF系统关于不同的施加相位进行采样。典型的iToF系统包括缓冲器，该缓冲器存储由所谓的光子混合器设备生成的关于用于后续的信号处理的m个相位的模拟信号。离散傅里叶变换单元依据信号的同相分量和正交分量来计算由缓冲器存储的复信号的基频。使用同相分量和正交分量的值，可以计算复信号的相位角和振幅，并且可以使用相位角信息求解到对象的距离。

然而，此类振幅调制连续波型系统由于发射的射线信号与参考信号相关性函数的混叠而遭受固有的深度测量误差。这是由于发射的射线信号和参考信号两者中都存在高次谐波，在建模或测量中未考虑这些高次谐波。这种误差被称为摆动误差或循环误差(见“将‘摆动’建模为AMCW ToF成像中的多路径干涉问题”(Modeling“wiggling”as a multi-pathinterference problem in AMCW ToF imaging)，Feigin等，OSA Optics Express，2015)。

为了避免或至少减轻误差，已知采用现象学方法来补偿循环误差。在这方面，已知基于B样条或基于查找表的校正方法，例如如“用于精确距离感测的飞行时间传感器校准”(Time-of-Flight sensor calibration for accurate range sensing)(Lindner等人，《计算机视觉和图像理解(Computer Vision and Image Understanding)》，114(2010)，第1318-1328页)中所述，用于补偿误差现象的聚集。然而，此类技术对系统属性(例如用于调制由光源发射的光学照射信号并解调由光子混合器设备所接收的光信号的温度和频率)的变化敏感。

对于一些实现方式，大量相位的应用将给定相位角测量的循环误差降低到可忽略的水平，特别是当采用的相位偏移值的数目为奇数时。然而，该方法的显著的缺点是光子混合器设备生成大量电输出信号所需的时间量。在这方面，由于场景的结果是动态的，因此花费时间越多，相位角测量将受所谓运动伪影影响的机会就越大。因此，从实际的角度来看，在测量相位角时采用(比最小化循环误差所需的相对较高数量的相位偏移值)更小数量的相位偏移值并使用如上文所建议的预测循环误差幅度的模型来补偿循环误差是有利的。

通常，在iToF系统的制造过程结束时的校准阶段期间，以一次性方式部署了用于减少循环误差的常见方法。在校准期间，将对象放置在iToF相机前方，并且以若干步长规律地将该对象从到iToF相机的最小可测量距离到最大可测量距离重新定位。在每个重新定位步长处，使用在iToF系统的正常操作期间采用的相对较低数量的相位(例如四个相位偏移值)测量到对象的距离，该所测得的距离与已知的到对象的理想距离一起被记录。在进行了关于每个重新定位步长的测量之后，曲线被构建，并且可以估计每个相位角测量的循环误差。然后，可将经估计的循环误差记录在查找表中，并在iToF系统的实时操作中用于循环误差补偿。然而，此类校准技术是耗时的，因为它需要物理对象重新定位。

美国专利第7,936,449号描述了一种用于循环误差补偿的改进的校准过程，在校准期间，对象被静态地定位在已知的距离处，而不是将对象重新定位到距iToF相机的多个不同的距离处，对被引入到每个距离测量中的一组已知的相位延迟执行测量。该方法减少了校准所需的时间，但需要提供已知相位延迟的高度准确的延迟线，这会增加iToF系统的硅管芯的生产成本和/或校准的成本和时间。而且，由于该校准也仅在生产周期结束时执行一次，因此对于iToF系统中由于老化或温度变化而随时间发生的循环误差的漂移没有进行校正。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于光学测距系统的相位角误差计算装置，该装置包括：光源，光源被配置成用于根据间接飞行时间测量技术发射射线；光子混合器单元，光子混合器单元被配置成用于生成并存储分别与根据间接飞行时间测量技术在测量周期内所施加的多个预定相位偏移值相对应的多个电输出信号；信号处理电路，信号处理电路被配置成用于根据间接飞行时间测量技术处理多个电输出信号，以便计算参考向量和来自参考向量的参考相位角，多个电输出信号与以第一精度水平进行的测量相对应；其中信号处理电路被配置成用于根据间接飞行时间测量技术处理来自多个电输出信号的电输出信号的子集，以便计算测量向量和来自测量向量的测量相位角，电输出信号的子集与以低于第一精度水平的第二精度水平进行的测量相对应；并且信号处理电路被配置成用于使用参考相位角和测量相位角来计算相位角校正值。

该装置可进一步包括：飞行时间修改单元，该飞行时间修改单元被配置成用于将相位延迟引入到发射并往回反射到光子混合器单元的射芯中；其中信号处理电路可以被配置成用于在测量周期之后的多个测量周期内对相位角校正值执行重复计算，以便计算多个相位角校正值。

相位延迟可能是未知的。

飞行时间修改单元可以是延迟网络，该延迟网络提供多个不同的时间延迟，并且可以被配置成用于在多个测量周期之间以不同的量延迟由光源发射的射线的相位。

光子混合器单元可包括光电探测器元件。基本上静态的对象可以位于光电探测器元件的前方。基本上静态的对象可以提供到光电探测器元件的基本上单个的距离。

延时网络可以包括模拟延迟线。

延迟网络的多个不同的时间延迟的施加可以提供包括相应的相位误差的一系列相位测量；这一系列相位测量范围可以至少在循环误差周期内。

该装置可进一步包括：多个光子混合器单元，该多个光子混合器单元包括光子混合器单元，该多个光子混合器单元分别包括多个光电探测器元件；飞行时间修改单元，该飞行时间修改单元被配置成用于将多个相应的相位延迟引入到往回反射到该多个光电探测器元件的射线中；其中该信号处理电路可以被配置成用于在测量周期内执行对相位角校正值的计算，以便计算多个相位角校正值。

飞行时间修改单元可以是位于场景中的对象，并且相对于多个光电探测器元件被布置，以便充分地远离多个光电探测器元件延伸从而能够关于循环误差周期并至少在循环误差周期内计算出一系列相位角校正值。

信号处理电路可被配置成用于支持误差建模单元，该误差建模单元被配置成用于分析多个相位角校正值并用于生成多个相位角校正值的模型。

误差建模单元被配置成用于生成查找表，该查找表包括关于以第二精度水平进行的测量的针对预定系列的经计算的相位角的相位误差校正值。

相位误差校正值可以与多个未校正的测量相位角相对应；未校正的测量相位角的范围可以包括循环误差周期。多个未校正的测量相位角可以包括其间的相位角区间；相位角区间可以是一致的。

关于以第一精度水平进行的测量的多个电输出信号包括关于以第二精度水平进行的测量的第一组电输出信号和关于以第二精度水平进行的测量的第二组电输出信号。

多个预定相位偏移值可以包括第一组预定相位偏移值和第二组预定相位偏移值；并且关于以第二精度水平进行的测量的第一组电输出信号可以与第一组预定相位偏移值相对应，关于以第二精度水平进行测量的第二组电输出信号可以与第二组预定相位偏移值相对应。

第二组相位偏移值可以不同于第一组相位偏移值。第一组相位偏移值可以包括与第二组相位偏移值共同的相位偏移值数目。第一组相位偏移值可以与第二组相位偏移值相同。

信号处理电路可以被配置成用于支持运动检测单元，该运动检测单元被配置成用于在生成多个电输出信号期间检测运动，并且用于响应于检测到运动而省略对相位角校正值的计算。

运动检测单元被配置成用于通过将关于多个预定相位偏移值的第一预定相位偏移值中的第一电输出信号与关于多个预定相位偏移值的后续的第二预定相位偏移值中的第二电输出信号进行比较来检测运动，第二后续预定相位偏移值可以在施加数个多个预定相位偏移值之后，并且第二相位偏移值可以与第一相位偏移值基本上相同。

信号处理电路可以被配置成用于通过计算第一电输出信号与第二电输出信号之间的差来检测运动。

根据本发明的第二方面，提供了一种光学测距系统，该系统包括如上所阐述的与本发明第一方面有关的相位角误差计算装置，该系统进一步包括：信号处理电路，信号处理电路被配置成用于将经计算的相位角校正值施加于测量相位角，以便对所测得的相位角进行校正；并且信号处理电路被配置成用于使用经校正的所测得的相位角来计算范围。

根据本发明的第三方面，提供了一种计算相位角校正值的方法，该方法包括：光源根据间接飞行时间测量技术发射射线；光子混合器单元生成并存储分别与根据间接飞行时间测量技术在测量周期内所施加的多个预定相位偏移值相对应的多个电输出信号；信号处理电路根据间接飞行时间测量技术处理多个电输出信号，以便计算参考向量和来自参考向量的参考相位角，多个电输出信号与第一精度水平进行的测量相对应；其中，信号处理电路根据间接飞行时间测量技术处理来自多个电输出信号的电输出信号的子集，以便计算测量向量和来自所述测量向量的测量相位角，电输出信号的子集是比多个电输出信号更小的集合并且与以低于第一精度水平的第二精度水平进行的测量相对应；并且信号处理电路使用参考相位角和测量相位角来计算相位角校正值。

根据本发明的第四方面，提供了一种减少间接飞行时间测量系统的误差的方法，该方法包括：照射场景；根据间接飞行时间测量技术关于单个测量周期使用电输出信号反复计算第一精度的第一相位角和第二精度的第二相位角，第一相位角的计算采用多个相位偏移值，并且第二相位角的计算采用多个相位偏移值的子集；延迟由场景反射的射线的传播；使用经计算的第一相位角和第二相位角计算多个相位误差；使用多个相位误差的模型校正后续的相位角测量。

因此，提供一种在无需知晓校准场景中到对象的距离的情况下各自都能够计算循环误差或所谓的“摆动”的装置和方法。由于使用关于测量周期的一组电输出信号作为测量的库，可以避免对先验距离数据的依赖，该测量库可用于在两个不同精度水平上计算相位角并将两者进行比较。此外，减少依赖于先验的距离数据的需求使得能够使用任意场景进行校准。这还用于改善相位误差值的计算的准确性，迄今为止，相位误差值的计算依赖于场景中参考对象的机械移动作为校准过程的一部分。另外，该装置和方法在执行校准的时序方面提供了更大的灵活性，因为校准可以在现场被执行，而不需要任何特殊或专用的校准对象或布置。该装置和方法还提供了对热变化(漂移)和装置中组件老化的一定程度的免疫力。

附图说明

现在，参考附图，将仅通过示例的方式来描述本发明的至少一个实施例，在附图中：

图1是构成本发明的实施例的相位角误差计算装置的示意图；

图2是由图1的装置执行并构成本发明的另一个实施例的计算相位角校正值的方法的流程图；

图3和图4是由图1的装置和图2的方法所使用的场景中的一个或多个对象的示意图；

图5是补偿数据和使用图1的装置和图2的方法来使用该补偿数据校正相位角值的曲线图建模；

图6是校正使用图2的方法获得的计算的相位角的方法的流程图；

图7是构成本发明的进一步实施例的另一种相位角误差计算装置的示意图；

图8是由图7的装置执行并构成本发明的又一实施例的计算相位角校正值的另一方法的流程图；

图9是由图7的装置和图9的方法所使用的场景中的对象的示意图；以及

图10是关于图1或图7的装置、或者图2或图8的方法的用于检测运动的测量帧的示意图。

具体实施方式

在整个以下描述中，相同的附图标记将用于标识相同的部件。

参考图1，第一相位角误差计算装置100包括电磁辐射的源102，例如激光二极管(LD)或发光二极管(LED)。在该示例中，电磁辐射的源是根据间接飞行时间测量技术进行振幅调制以便作为连续波光信号发射的红外射线。该装置100的检测和测距模块包括光学接收器光子混合器像素设备104，该光学接收器光子混合器像素设备104包括光检测器元件(例如光电二极管106)，该光检测器元件具有阳极和阴极，该阳极可操作地耦合到调制电压源，该阴极耦合到光子混合器108的第一输入，该光子混合器108的输出耦合到积分器110的输入。尽管为了描述的简洁和清晰而正在描述单个光子混合器像素设备104，但本领域技术人员将领会，检测和测距模块包括上述种类的光子混合器像素设备的阵列。

相位信号生成器112被配置为生成连续波电信号。连续波信号的相位偏移可经由控制输入114选择，该连续波信号的相位可从一组相位偏移[θ0,θ1,…,θm-1]中选择。相位信号生成器112的第一输出被耦合到光子混合器108的第二输入，并且相位信号生成器112的第二输出被可操作地耦合到电磁辐射的源102。

积分器110的输出被耦合到数字傅里叶变换(DFT)单元116的输入。在这方面，相位角测量被串行地传输到DFT单元116，从而减少了用于检测和测距模块的存储器需求。DFT单元116包括内部缓冲器(未示出)以支持来自积分器110的测量的串行传输。为了支持该布置，DFT单元116可操作地耦合到时序控制单元118以保持数据处理的同步。

时序控制单元118具有同步输出120，该同步输出120可操作地耦合到DFT单元116的时序输入122。时序控制单元118的控制输出124被可操作地耦合到相位信号生成器112的控制输入114。

在该示例中，DFT单元116具有多个数字同相(I)/正交(Q)输出126。在该示例中，DFT单元116包括对应于测得的信号的不同谐波的b对数字I/Q输出。由于积分器110的输出是累积电荷，并且在该示例中，在模拟域中，积分器110的输出需要被转换到数字域。这可以例如通过采用光子计数器作为积分器110或在DFT单元116之前提供模-数转换器来实现。

与所接收的反射光信号的一次谐波有关的多个数字I/O输出126中的第一对I/Q输出被耦合到相位角计算单元，例如反正切单元128。反正切单元128的第一输出被耦合到角度误差分析单元132的输入130，在该示例中，该角度误差分析单元132具有数据建模功能。提供角度误差分析单元132以计算相位误差值，并且在该示例中，生成被保存在数据存储中的查找表。结果，角度误差分析单元132被可操作地耦合到由例如数字存储器支持的数据存储。数据存储存储查找表134。反正切单元128的第二输出被可操作地耦合到角度校正单元138的输入136，角度校正单元138的端口140能够访问查找表134。角度校正单元138的输出被耦合到更下游的处理单元，这些处理单元执行各种其他功能，例如，使用经校正的测量角度进行距离计算。然而，因为下游硬件的结构和操作不是理解本文阐述的实施例的核心，所以出于描述的清楚和简洁的目的，本文将不再进一步描述下游硬件。在该示例中，DFT单元116、反正切单元128、角度误差分析单元132、数据存储、和/或角度校正单元138构成信号处理电路。

在操作(图2)中，电磁辐射的源102发射照射(步骤200)场景的连续波光信号。为了使得本文描述的示例能够操作，有必要将相位延迟引入到由电磁辐射的源102发射的射线中和/或在发射和接收之间(包括发射和接收)的某处将相位延迟施加于射线。在该示例中，将对象放置在场景中以充当飞行时间修改器，该对象反射所发射的光信号。在这方面，并参考图3，可以有意地相对于电磁辐射的源102放置对象300，以便向电磁辐射的源102呈现远离光子混合器像素设备104的阵列延伸的表面，从而提供了距装置100一定距离的多个反射。在此类示例中，对象300(图3)可以是简单的倾斜对象，该对象提供到光子混合器像素设备104的阵列的多个距离，该多个距离跨越足够的距离范围以覆盖一个循环误差周期。在采用四个相位偏移值的正常工作模式的情况下，循环误差周期是π/2。在另一示例中，对象300(图4)可以是随机定位在场景中、但是提供到光子混合器像素设备104的阵列的足够数量的不同距离以跨越对应于至少循环误差周期的距离范围的任何一个或多个对象。然而，应当领会，到对象的任何部分的距离不为装置100所知或不由装置100存储。在这些示例中，对象300构成飞行时间修改单元。

由装置100的光子混合器设备的阵列的每个光子混合器像素设备104接收(步骤202)由对象反射的光信号。相位信号生成器112生成连续波电信号，时序控制单元118相对于连续波光信号控制关于电信号循环通过相位偏移的集合。在该示例中，出于校准目的，相位信号生成器112循环通过对应于高精度测量的多个相位偏移值，例如这得到具有非常低水平循环误差的测量，例如，八个相位偏移值。然而，可以采用不同数量的相位偏移值，例如更多数量的相位偏移值。还由同步输出120将同步信号施加于DFT单元116。

为了简洁起见，现在将关于像素阵列中的单个像素描述相位误差值的计算，但是本领域技术人员应当领会，所描述的功能也由像素阵列中的其他像素执行。因此，为了计算相位角误差，通过将由相位角生成器112生成的电信号施加于光子混合器108来计算参考相位角。使电信号的相位偏移循环通过上文提及的相位偏移值的集合，并且关于由DFT单元相继接收的一组相位偏移值中的每个相位偏移值在积分器110中生成并存储(步骤204)的电荷的数字表示(其构成测量结果)，并且关于由相位信号生成器112施加的所有相位偏移值使用由光子混合器108生成的所有电输出信号来将所述电荷的数字表示转换(步骤206)成参考I/Q输出对。在这方面，在测量周期或帧周期期间生成的多个电输出信号构成第一精度水平的测量。参考I/Q输出构成I/Q参考向量VR，该I/Q参考向量VR表示关于基频的复数值模拟电测量结果。

应当领会，积分器110提供串联的多个相位分离振幅测量输出，该多个相位分离振幅测量输出表示关于光子混合器像素设备102的施加的相位偏移值的各自累积电荷水平。因此，DFT单元116针对每一个测量周期计算分别地串行接收的相位分离振幅测量的中间I值和Q值，该中间I值和Q值关于测量循环累积以生成最终I值和Q值结果。在该示例中，此类布置的操作包括使用DFT单元116关于每一个传入相位角测量迭代地计算向量。因此，作为计算(步骤206)的参考I/Q输出对的一部分，DFT单元116关于多对电输入值的子集并对应于由相位信号生成器112施加的相位偏移值的子集生成(步骤208)构成测量I/Q输出的临时结果。所使用的电输出信号的子集构成第二精度水平的测量结果。该测量I/Q输出对构成I/Q测量向量VM，该I/Q测量向量VM表示关于基频的复数值模拟电测量结果。DFT单元116还可以生成关于由积分器108测量的电荷的谐波的其他I/Q向量。

还应当领会，在针对第一精度水平的测量结果施加足够大量的相位偏移值的情况下，多个电输出信号可包括对应于第二精度水平的测量结果的多组电输出信号。例如，在采用9相位偏移值以第一精度水平测量的情况下，多个电输出信号(八个)包括第一组电输出信号(四个)和第二组电输出信号(四个)，两者都对应于第二精度水平的测量结果。因此得出结论，可以在概念上将用于生成多个电输出信号的多个相位偏移值划分为多组预定相位偏移值，例如，第一组相位偏移值对应于第一组电输出信号，并且第二组相位偏移值对应于第二组电输出信号。在此类示例中，不同组的预定相位偏移值集包括不同相位偏移值，即，就集合论而言，该多个集合的交集产生空集。因此，第一组预定相位偏移值与第二组预定相位偏移值不同。然而，在其他示例中，第一组预定相位偏移值可包括与第二组预定相位偏移值共同的多个相位偏移值，即，交集不是空集。在一些示例中，第一组预定相位偏移值可以与第二组预定相位偏移值相同。

在将电测量信号转换到频域之后，由DFT单元116在其输出处提供关于参考I/Q输出对和测量I/Q输出对的基频的I值和Q值。在该示例中，同步信号确保反正切单元128同步地接收DFT单元116的电流测量帧的基频I/Q输出。然后，反正切单元128根据间接飞行时间测量技术，从基频参考I值和Q值来计算(步骤210)构成复平面中参考相位角φref的参考向量VR的角度。类似地，并且反正切单元128还根据间接飞行时间测量技术，从基频测量I值和Q值来计算(步骤212)构成复平面中测量相位角

的测量向量VM的角度。参考相位角φref对应于第一精度水平的测量结果，并且测量相位角

对应于第二精度水平的测量结果，第一精度水平大于第二精度水平。角度误差分析单元132接收所计算的参考相位角φref和所计算的测量相位角

并计算(步骤214)误差或校正值，例如在所计算的参考相位角φref和所计算的测量相位角

之间的差值。关于阵列的光子混合器像素设备104中的每个光子混合器像素设备104执行上述过程，并且角度误差分析单元132关于光子混合器设备的阵列的所有光子混合器像素设备104接收所计算的参考相位角φref和所计算的测量相位角

(除非关于阵列的像素中的一个或多个像素的数据被忽略)并计算(步骤214)多个校正/误差值。在这方面，在该示例中，对象300有效地对由电磁辐射的源102发出的光施加不同的相位延迟，并且因此阵列的每个光子混合器像素设备能够提供用于计算关于不同相位延迟的一对相位角(参考

和测量

)的数据。因此，一个或多个对象300充分远离光子混合器显示设备延伸，以使得能够关于循环误差周期并在循环误差周期内计算一系列相位角误差值。

一旦角度误差分析单元132具有足够数量的计算的误差值(在循环误差周期内)，角度误差分析单元132就分析多个计算的相位误差并使用相应计算的测量相位角

来对(步骤216)多个误差值的分布进行建模。典型地，可以将该分布拟合为一个正弦曲线或多于一个正弦曲线。可以例如藉由任何合适的正弦拟合算法来进行建模。

转到图5，在绘制时，相对于计算的测量相位角

参考的误差值310具有正弦曲线形状。建模的正弦信号312遵循误差值的曲线图。实际上，当将建模的正弦信号312用于从相应绘制的相位角误差值

310中减去从模型中直接获得的预期误差值时，与相应绘制的误差值相比，得到的补偿误差数据314大大减小。在一些示例中，在进行建模之前，可以对误差值进行分拣(binning)处理。

可以看出，当相对于关于第二精度水平使用测量矢量VM计算的测量相位角

绘制所计算的相位角误差值φ误差时，该曲线图是周期性的。在这方面，由于循环误差是周期性的，在该示例中以2π周期，对于四相位偏移值测量(即，π/2)，存储在查找表134中的所计算的值的数量可以任选地减少到原来的四分之一。这是循环误差周期。

返回参考图2，此后，在该示例中，角度误差分析单元132选择与构成未校正测量相位角的所计算的测量相位角

相对应的、构成预定的相位角间隔的多个等间隔的点以及这些等间隔的点的对应的经建模的期望相位误差值，并将它们存储(步骤218)在查找表134中，以供后续当装置100不是正在执行校正过程时使用。在该示例中，查找表134包括在0与π/2之间且与经建模的期望相位误差值相对应的64个等间隔的测量相位角

在其他示例中，模型可直接经由角度误差分析单元132而不是使用查找表134被访问，并且替代地在接收到特定的所计算的测量相位角

时被使用。在此类示例中，角度校正单元138可操作地耦合至角度误差分析单元132，因为查找表134不是必要的。

在非校准操作(图6)期间，查找表134如下所述被使用。在这方面，将参照单个光子混合器像素设备104描述操作，但是本领域技术人员应当领会，所描述的操作同等地适用于阵列的其他像素。

电磁辐射102的源再次发射照射(步骤220)场景的连续波光信号。例如场景中的对象反射所发射的光信号。相位信号生成器112生成连续波电信号，时序控制单元118控制循环通过关于电信号相对于连续波光信号的相位偏移的集合。在该示例中，更低水平的第二精度被使用，并且因此由相位信号生成器生成四个相位偏移值。还由同步输出120将同步信号施加于DFT单元116。

为了计算经校正的相位角，相位角通过将由相位信号生成器112生成的电信号施加于光子混合器108来计算，并且使电信号的相位偏移循环通过上文提及的相位偏移的集合，并且由DFT单元116接收关于相位偏移值的集合中的每个相位偏移值的、构成测量的、生成并存储(步骤222)在积分器110中的电荷的数字表示，该DFT单元116与I/Q输出对串联并被转换为I/Q输出对，该I/Q输出构成表示关于基频的复数值的模拟电测量的I/Q向量(步骤224)V。

如在与查找表的生成有关的先前示例中那样，DFT单元116还可生成关于由积分器110测得的电荷的谐波的其他I/Q向量。在电测量信号被转换到频域之后，由DFT单元116在其输出处提供用于基频的I值和Q值。在该示例中，同步信号确保DFT单元116的当前测量帧的基频I/Q输出同步地由反正切(arctan)单元128接收。随后，反正切单元128根据间接飞行时间测量技术，从基频I值和Q值来计算(步骤226)构成复平面中所提取的(测得的)所计算的相位角

的向量V的角度。

所提取的相位角

随后被传递到角度校正单元138，该角度校正单元138随后可访问由查找表134存储的查找表。响应于对所提取的相位角

的接收，角度校正单元138访问(步骤228)查找表134，并获得与所接收的所提取的相位角的值

相对应的相位角校正值

该角度校正值

由角度校正单元138施加(步骤230)(例如，添加)至所获得的所提取的相位角

所提取的相位角

与相位校正值-φerr的组合产生经校正的相位角

该经校正的相位角

在角度校正单元138的输出处被提供。经校正的相位角

随后可由信号处理电路用于计算至所发射的射线的反射的源的距离。

重复(步骤232)上述步骤(步骤220到步骤230)，直到不再需要对测得角度的校正。

在另一示例中，不必出于校准目的专门设立一个或多个对象300，并且可由用户从自然发生的场景中寻找一个或多个对象。在该方面，在装置100正在针对其被使用的测量应用之前、期间或之后在现场执行校准。由此，可实时地“在场”或现场执行校准。为了收集跨越循环的误差周期的足够量的数据，可选择变化的场景。场景中的移动程度可从周期性且不经常地变为更频繁地。在场景中的变化足够快而产生破坏在校准期间收集的数据的情况下，可采用运动检测以忽略在移动已在测量周期内发生的情况下进行的测量。此类运动检测的示例稍后在本文中描述。

参考图7，按照与上文关于前述示例描述的方式不同的方式将相位延迟施加于由电磁辐射102的源发射的射线。替代于或附加于使用远离电磁辐射102的源延伸的一个或对象，多个相位延迟的源被设置在电磁辐射102的源与相位信号生成器112之间。由此，图7的装置与图1的装置不同，体现在装置100包括延迟网络，例如，延迟线，诸如，模拟延迟线142。在该示例中，延迟线是低准确性延迟线。在该方面，由延迟线生成的给定延迟拥有固有误差界限，并且因此可变化高达相位误差周期的分数，例如，高达该时段的约一半到约四分之一。在其他示例中，误差界限可变化大于该相位误差周期的约一半。在该示例中，多个相位延迟的源被配置成生成多个相位延迟，使得这些相位延迟是随机的。多个相位延迟因此包括不同的相位延迟，这些相位延迟中的每个相位延迟都不为装置100所知，并且由此不被存储。

在操作(图8)中，电磁辐射102的源发射照射(步骤240)场景的连续波光信号。然而，模拟延迟线142将相位延迟引入照射场景的光信号。参考图9，另一对象300可被放置成与电磁辐射102的源相对(例如，直接与电磁辐射102相对地朝向)使得电磁辐射102的源不对远离其延伸的表面呈现，但是替代地对基本上静态的、且提供至光子混合器像素设备104的光电二极管106的基本上恒定的距离或单个距离的表面呈现。

在该示例中，模拟延迟线142被配置成将多个相位延迟提供给电磁辐射102的源，以便跨越针对每个测量周期的一个循环误差周期。在采用四个相位偏移值的正常操作模式的情况下，循环误差周期为π/2。结果，多个相位延迟的施加使得能够得出一系列测量，这一系列测量分别包括多个相位误差。然而，在该示例中，这一系列相位测量在循环误差周期内。

由光子混合器像素设备104接收(步骤242)由对象300反射的光信号。相位信号生成器112生成连续波电信号，时序控控制单元118控制循环通过关于电信号相对于连续波光信号的相位偏移的集合。在该示例中，出于校准的目的，相位信号生成器112再次循环通过与高精度测量相对应的多个相位偏移值，该高精度测量例如产生具有非常低的循环误差水平的测量，诸如，八个相位偏移值。还由同步输出120将同步信号施加于DFT单元116。

为了计算相位角误差，参考相位角

通过将由相位信号生成器112生成的电信号施加于光子混合器108来计算，并且使电信号的相位偏移循环通过上文提及的相位偏移的集合，并且由DFT单元116接收关于相位偏移值的集合中的每个相位偏移值的、构成测量的、生成并存储(步骤244)在积分器110中的电荷的数字表示，该DFT单元116与参考I/Q输出对串联并被转换为参考I/Q输出对，该参考I/Q输出对使用关于由相位信号生成器112施加的所有相位偏移值的、由光子混合器108生成的所有电输出信号。参考I/Q输出对构成表示关于基频的复数值的模拟电测量的I/Q参考向量V_R。

应当领会，积分器110提供表示针对关于光子混合器像素设备102的所施加的相位偏移值的相应的累积的电荷水平的相继的多个相位分开的幅度测量输出。由此，DFT单元116为每个帧周期或测量周期计算针对相继被分别接收到的针对相位分开的幅度测量的中间I值和中间Q值，该中间I值和中间Q值在帧周期上被累积以生成最终I值结果和Q值结果。此类布置的操作包括：使用DFT单元针对每个传入相位角测量来迭代地计算向量。结果，作为用于计算参考I/Q输出对的过程的部分，DFT单元116生成(步骤246)临时结果，该临时结果构成关于由相位信号生成器112施加的相位偏移值的子集的测量I/Q输出对。测量I/Q输出对构成表示关于基频的复数值的模拟电测量的I/Q测量向量V_M。如在先前示例中那样，DFT单元116还可生成关于由积分器108所测得的电荷的谐波的其他I/Q向量。

在电测量信号被转换到频域后，由DFT单元116在其输出处提供针对关于参考I/Q输出对和测量I/Q输出对的基频的I值和Q值。在该示例中，同步信号确保DFT单元116的当前测量帧的基频I/Q输出同步地由反正切单元128接收。随后反正切单元128根据间接飞行时间测量技术，从基频参考I值和Q值来计算(步骤250)构成复平面中参考相位角

的参考向量VR的角度。类似地，并且根据间接飞行时间测量技术，反正切单元128从基频测量I值和Q值来计算(步骤252)构成复平面中测量相位角

的测量向量VM的角度。参考相位角

构成第一精度水平的测量，并且测量相位角

构成第二精度水平的测量，第一精度水平高于第二精度水平。角度误差分析单元132接收所计算的参考相位角

和所计算的测量相位角

并且计算(步骤254)误差值，该误差值例如所计算的参考相位角

与所计算的测量相位角

之间的差。

由于将相位延迟施加于电磁辐射102的源以及后续计算误差值的过程关于单个像素，因此该过程不得不被重复，直到角度误差分析单元132已收集到例如跨越循环误差周期的足够量的数据。信号处理电路因此判定(步骤256)角度误差分析单元132是否已计算出足够量的数据，以便能够分析多个所计算的相位误差并对所计算的数据进行建模。在角度误差分析单元132需要进一步的误差值数据点的情况下，由模拟延迟线142生成的随机的相位延迟被自动改变，并且上述过程对相继的测量周期(即，多个测量周期)重复(步骤240到254)，直到在循环误差周期内足够量的误差校正值已被生成。在该方面，应当领会，在相继的测量周期之间，不同量的相位延迟被施加于由电磁辐射102的源发射的射线。

此后，角度误差分析单元132对多个误差值相对于所计算的测量相位角

的分布进行建模。如关于参考图1-图4所描述的示例那样，该分布可被拟合为一个正弦或多于一个正弦。建模可例如通过任何合适的正弦拟合算法。在该方面，图5的曲线图表示关于当前实施例所收集的数据。在一些示例中，在建模之前，误差值可受制于分拣(binning)过程。

返回参考图8，在该示例中，角度误差分析单元132选择与所计算的相位角

相对应的多个等间隔的点以及这些等间隔的点的对应的经建模的误差值，并且将它们存储在关于例如在循环误差周期内以第二精度水平计算的测得的相位角的预定范围的查找表134中，以供后续在装置100不是正在执行校正过程时使用。在该示例中，查找表134包括在0与π/2之间且与经建模的期望相位误差值相对应的64个等间隔的测量相位角

在其他示例中，模型可直接经由角度误差分析单元132而不是使用查找表134被访问，并且替代地在接收到特定的所计算的测量相位角

时被使用。在此类示例中，角度校正单元138可操作地耦合至角度误差分析单元132，因为查找表134不是必要的。

作为使用存储在查找表134中的数据来校正以第二精度水平测得的所计算的测得相位角的过程，应当领会，根据图6的方法的描述相关于使用上文关于图8描述的方法而生成的误差校正数据来应用。

在上述示例中，期望检测相对于场景的运动，因为场景中的运动会使在校准期间准确地测量相位角的尝试受阻。参考图10，信号处理电路可以包括运动检测单元，使得可以任选地通过比较在连续的帧(即测量周期)内生成的电输出信号来检测运动，其中电输出信号与将相同的相位偏移值施加到光子混合器108相关。例如，在采用12个相位偏移值的重复测量周期310内，由混合器像素108关于第一相位偏移值312生成第一电输出信号。根据间接飞行时间测量技术，在测量周期310的持续时间的剩余部分内，其他相位偏移值314依次被施加到光子混合器108，直到在后续测量周期开始时重复施加相位偏移值的模式。在该方面，在下一个测量周期开始时，第一相位偏移值312再次被施加到光子混合器108，并且生成第二电输出信号。在该示例中，这可以应用于上文已经描述的示例中的任何一个示例，使用任何合适的比较方式(例如减法和与零的比较)将第一电输出值与第二电输出值进行比较，以便确定第一电输出信号是否与第二电输出信号基本上不同。在该方面，差值的程度可以参照系统噪声来定义，例如系统噪声的标准偏差数。在第一电输出信号与第二电输出信号相差超过预定的运动阈值的情况下，信号处理电路忽略处于校准目的而计算的相位角值，它们被认为是被场景中的运动污染。因此，被丢弃的所计算的相位测量值不会得到相应的相位误差值的计算，并且不会对其随后在上述示例中建模的数据集有贡献。在运动阈值未被超过的情况下，所计算的相位角值可在出于建模目的的数据集中使用。然而，应当领会的是，上述运动检测技术的使用纯粹是示例性的，并且可以采用其他运动检测技术，例如，如共同未决欧洲专利申请第20192948.6号中所述，该申请的内容由此通过引用结合于此。

技术人员应当认识到，上述实现方式仅仅是在所附权利要求的范围内可想到的各种实现方式的示例。实际上，应当领会，可以采用其他技术来计算上述相位角。例如，关于采用四个相位偏移值的第二精度水平，可以采用利用三角计算技术来计算振幅和/或相位的三角计算单元，而不是采用上述的arctan单元128。在该方面，可以使用基于DFT的测量在第一精度水平上进行的“三角”相位测量来实时校正所计算的相位角的循环误差。

还应当领会，尽管在上述示例中，采用了模拟延迟线，但不应认为排除了数字延迟线。

在上文阐述的关于图1的示例(即不采用延迟线的示例)中，多个相位偏移值由相位信号发生器112施加于光子混合器108。然而，技术人员应当领会，在间接飞行时间方法的上下文内，其他实施例也是可能的，其他实施例例如，光子混合器108可以被提供有连续的电信号并且可以由相位信号发生器112将多个相位偏移值施加于电磁辐射102的源，而不是将多个相位偏移值施加于光子混合器108。

应当认识到，除非另外明确说明，否则本文中对“射线”的引用旨在作为涉及电磁频谱的光学范围的引用，例如在约350nm与约2000nm之间，诸如在约550nm与约1400nm之间、或在约600nm与约1000nm之间。

Claims (15)

1.一种用于光学测距系统的相位角误差计算装置，所述装置包括：

光源，所述光源被配置成用于根据间接飞行时间测量技术发射射线；

光子混合器单元，所述光子混合器单元被配置成用于生成并存储多个电输出信号，所述多个电输出信号分别与根据所述间接飞行时间测量技术在测量周期内所施加的多个预定相位偏移值相对应；

信号处理电路，所述信号处理电路被配置成用于根据所述间接飞行时间测量技术处理所述多个电输出信号，以便计算参考向量和来自所述参考向量的参考相位角，所述多个电输出信号与以第一精度水平进行的测量相对应；其中

所述信号处理电路被配置成用于根据所述间接飞行时间测量技术处理来自所述多个电输出信号的电输出信号的子集，以便计算测量向量和来自所述测量向量的测量相位角，所述电输出信号的子集与以低于所述第一精度水平的第二精度水平进行的测量相对应；并且

所述信号处理电路被配置成用于使用所述参考相位角和所述测量相位角来计算相位角校正值。

2.如权利要求1所述的装置，进一步包括：

飞行时间修改单元，所述飞行时间修改单元被配置成用于将相位延迟引入到被发射并往回反射到所述光子混合器单元的所述射线中；其中

所述信号处理电路被配置成用于在所述测量周期之后的多个测量周期内执行对所述相位角校正值的重复计算，以便计算多个相位角校正值。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述飞行时间修改单元是延迟网络，所述延迟网络提供多个不同的时间延迟，并被配置成用于在所述多个测量周期之间以不同的量延迟由所述光源发射的所述射线的相位。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述延迟网络包括模拟延迟线。

5.如权利要求3或权利要求4所述的装置，其特征在于，对所述延迟网络的所述多个不同的时间延迟的施加提供包括相应的相位误差的一系列相位测量范围，所述一系列相位测量至少在循环误差周期内。

6.如权利要求1所述的装置，进一步包括：

多个光子混合器单元，所述多个光子混合器单元包括所述光子混合器单元，所述多个光子混合器单元分别包括多个光电探测器元件；

飞行时间修改单元，所述飞行时间修改单元被配置成用于将多个相应的相位延迟引入到往回反射到所述多个光电探测器元件的所述射线中；其中

所述信号处理电路被配置成用于在所述测量周期内并关于所述多个光子混合器单元执行对所述相位角校正值的计算，以便计算多个相位角校正值。

7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述飞行时间修改单元是位于场景中的对象，并且相对于所述多个光电探测器元件被布置，以便充分地远离所述多个光电探测器元件延伸，从而使得能够关于循环误差周期并至少在循环误差周期内计算一系列相位角校正值。

8.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述信号处理电路被配置成用于支持误差建模单元，所述误差建模单元被配置成用于分析所述多个相位角校正值并用于生成所述多个相位角校正值的模型。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述误差建模单元被配置成用于生成查找表，所述查找表包括关于以所述第二精度水平进行的测量的针对预定系列的经计算的相位角的相位误差校正值。

10.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，关于以所述第一精度水平进行的测量的所述多个电输出信号包括关于以所述第二精度水平进行的测量的第一组电输出信号和关于以所述第二精度水平进行的测量的第二组电输出信号。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于

所述多个预定相位偏移值包括第一组预定相位偏移值和第二组预定相位偏移值；以及

关于以所述第二精度水平进行的测量的所述第一组电输出信号与所述第一组预定相位偏移值相对应，并且关于以所述第二精度水平进行的测量的所述第二组电输出信号与所述第二组预定的相位偏移值相对应。

12.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述信号处理电路被配置成用于支持运动检测单元，所述运动检测单元被配置成用于在生成所述多个电输出信号期间检测运动，并用于响应于检测到运动而省略对所述相位角校正值的计算。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述运动检测单元被配置成用于通过将关于所述多个预定相位偏移值中的第一预定相位偏移值的第一电输出信号与关于所述多个预定相位偏移值中的后续的第二预定相位偏移值的第二电输出信号进行比较来检测所述运动，所述第二后续预定相位偏移值在施加数个所述多个预定相位偏移值之后，并且所述第二相位偏移值与所述第一相位偏移值基本上相同。

14.一种光学测距系统，所述系统包括如权利要求1至4中任一项所述的相位角误差计算装置，所述系统进一步包括：

信号处理电路，所述信号处理电路被配置成用于将经计算的相位角校正值施加于所述测量相位角，以便对测得的相位角进行校正；并且

所述信号处理电路被配置成用于使用经校正的测得的相位角来计算距离。

15.一种计算相位角校正值的方法，所述方法包括：

光源根据间接飞行时间测量技术发射射线；

光子混合器单元生成并存储多个电输出信号，所述多个电输出信号分别与根据所述间接飞行时间测量技术在测量周期内所施加的多个预定相位偏移值相对应；

信号处理电路根据所述间接飞行时间测量技术处理所述多个电输出信号，以便计算参考向量和来自所述参考向量的参考相位角；所述多个电输出信号与以第一精度水平进行的测量相对应；其中

所述信号处理电路根据所述间接飞行时间测量技术处理来自所述多个电输出信号的电输出信号的子集，以便计算测量向量和来自所述测量向量的测量相位角，所述电输出信号的子集是比所述多个电输出信号更小的集合并且与以低于所述第一精度水平的第二精度水平进行的测量相对应；并且

所述信号处理电路使用所述参考相位角和所述测量相位角来计算所述相位角校正值。

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