CN113126473A - 用于时间数字转换器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于时间数字转换器的方法和装置。该时间数字转换器可包括状态机，该状态机根据输入信号和计数值来递增/递减。该时间数字转换器还可包括寄存器以根据该输入信号来存储该计数值。

Description

用于时间数字转换器的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于时间数字转换器的方法和装置。

背景技术

时间数字转换器用于许多不同的应用中，其中应确定两个信号脉冲(起动脉冲和停止脉冲)之间的时间间隔。例如，光探测和测距(LiDAR)系统通常使用时间数字转换器来确定发射脉冲与反射脉冲之间的时间间隔。

采用了单光子雪崩二极管(SPAD)的LiDAR直接飞行时间(dToF)传感器遭受来自随机光子(诸如太阳能光子)的非常高水平的干扰。为了准确确定目标的距离，常规时间数字转换器计算直方图，对多个激光脉冲上的每个距离门的SPAD事件的数量进行计数，其中激光脉冲组被称为帧。该方法可适用于一维阵列和非常小的二维阵列。然而，该方法无法很好地扩展到视频图形阵列(VGA)大小的二维阵列，在这种情况下，即使考虑使用堆叠晶圆方法，TDC消耗的面积也必须与像素间距相同。直方图TDC方法要求每个像素存储N个距离库，其中N是可测量的距离的数量并且通常在128至1024的距离内。此外，必须先读取N个计数，然后才能进一步处理以确定峰值位置和置信度，这意味着每个像素每帧可生成数千字节的数据。此外，必须先清除直方图，然后再开始下一帧。因此，读出的更新与构成帧的激光脉冲的数量有关。

SPAD的VGA 2-D阵列通常会用在快闪LiDAR系统中，其中整个场景同时由激光器照射。对于150米的最大距离，对于300m往返行程，脉冲可相隔不超过1μs，并且33ms的帧时间允许帧内具有33,000个此类脉冲。

因此，可能期望提供一种不需要直方图、存储最少量计数并且适用于大型2D阵列，具体地适用于快闪LiDAR系统的TDC。

发明内容

本发明涉及用于时间数字转换器的方法和装置。本技术的各种实施方案可提供用于时间数字转换器的方法和装置。该时间数字转换器可包括状态机，该状态机根据输入信号和计数值来递增/递减。该时间数字转换器还可包括寄存器，用于根据该输入信号来存储该计数值。

本发明解决的技术问题是，由于存储器需求，采用了直方图TDC方法的常规系统对于视频图形阵列(VGA)大小的二维阵列可能表现不佳。

根据第一方面，一种能够从有源测距传感器接收事件信号并从第一计数器接收数字值的时间数字转换器包括：寄存器，该寄存器被配置为连接到第一计数器并且根据数字值和第二比较器值来存储寄存器值；第一比较器，该第一比较器连接到寄存器的输出端子并且被配置为：接收数字值；比较寄存器值和数字值；以及根据比较来生成第一比较器值；状态机，该状态机被配置为接收事件信号和第一比较器值并且基于当前状态、第一比较器值和事件信号而改变为新状态；和第二比较器，该第二比较器连接到状态机的输出端子并且被配置为将状态机的当前状态与起始状态进行比较并且根据该比较来生成第二比较器值。

在一个实施方案中，时间数字转换器还包括第二计数器，该第二计数器被配置为生成对应于在预先确定的时间段期间所接收的事件信号的总数的第二计数值。

在一个实施方案中，时间数字转换器还包括第三计数器，该第三计数器响应于第一比较器值并且被配置为生成对应于状态机的当前状态大于零的时间长度的第三计数值。

在一个实施方案中，时间数字转换器还包括增益计算电路，该增益计算电路被配置为基于当前状态和第二计数值来计算增益值；其中状态机被配置为基于增益值而从当前状态递增到新状态，并且增益值大于一。

在一个实施方案中，时间数字转换器还包括逻辑电路，该逻辑电路被配置为：接收事件信号；接收数字值；接收指示状态机的状态是解除锁定还是被锁定的信号；接收寄存器值；基于状态、数字值、事件信号和寄存器值来生成第一输出信号，其中状态机响应于第一输出信号；以及基于第一输出信号和复位脉冲来生成第二输出信号。

在一个实施方案中，时间数字转换器还包括辅助寄存器，该辅助寄存器被配置为：接收第二输出信号；防止状态机在每个接收间隔经历多于一次转变；以及复位寄存器。

根据第二方面，一种用于使用有源测距传感器和时间数字转换器(TDC)来确定目标的距离的方法，其中有源测距传感器生成事件信号，该方法包括：利用计数器生成数字值序列；将距离值存储在寄存器中，其中距离值来自数字值序列；利用TDC从测距传感器接收第一事件信号；改变状态机的状态，包括：如果状态机接收到第一事件信号，则将状态机的状态从起始状态递增到非起始状态；以及如果状态机处于起始状态并且状态机接收到第二事件信号，则将来自数字值序列的新距离值存储在寄存器中。

在一个实施方案中，改变状态机的状态进一步包括以下至少一项：当距离值与计数器的数字值相同时，如果状态机未接收到第二事件信号，则将状态机的状态从非起始状态递减到起始状态；或如果状态机接收到第二事件信号并且存储在寄存器中的距离值等于计数器的数字值，则将状态机的状态从非起始状态递增到新状态。

在一个实施方案中，该方法还包括：对状态机的状态大于零的时间长度进行计数；以及将当前状态和计数的时间长度除以二。

在一个实施方案中，该方法还包括：对事件信号的总数进行计数；基于状态机的状态和事件信号的总数来计算增益值；以及基于增益值来使状态机的状态递增，其中增益值大于一。

本发明实现的技术效果是提供一种不需要直方图、存储最少量计数并且适用于大型2D阵列，具体地适用于快闪LiDAR系统的TDC。

附图说明

当结合以下示例性附图考虑时，可参照具体实施方式更全面地了解本技术。在以下附图中，通篇以类似附图标记指代各附图中的类似元件和步骤。

图1代表性地示出了根据本技术的各种实施方案的LiDAR系统；

图2是根据本技术的第一实施方案的以状态机为特征的时间数字转换器的框图；

图3代表性地示出了根据本技术的各种实施方案的状态机的操作；

图4是根据本技术的示例性实施方案的图2所示的时间数字转换器的时序图；

图5是根据本技术的第二实施方案的时间数字转换器的框图；

图6是根据本技术的示例性实施方案的图5所示的时间数字转换器的时序图；

图7是根据本技术的第三实施方案的时间数字转换器的框图；

图8是根据本技术的示例性实施方案的图7所示的时间数字转换器的时序图；

图9是根据本技术的第四实施方案的时间数字转换器的框图；

图10A代表性地示出了根据本技术的各种实施方案的图9所示状态机的操作；

图10B代表性地示出了根据本技术的各种实施方案的图9所示状态机的操作；

图11是根据本技术的第五实施方案的时间数字转换器的框图；

图12是根据本技术的各种实施方案的时间数字转换器的推迟操作的流程图；

图13是根据本技术的示例性实施方案的图11所示的时间数字转换器的时序图；

图14A代表性地示出了不提供距离跟随的状态机的行为；

图14B代表性地示出了根据本技术的各种实施方案的确实提供距离跟随的状态机的行为；

图15A代表性地示出了不提供方位角/仰角跟随的状态机的行为；

图15B代表性地示出了根据本技术的各种实施方案的确实提供方位角/仰角跟随的状态机的行为；以及

图16是根据本技术的各种实施方案的时间数字转换器的部分框图。

具体实施方式

本技术可在功能块部件和各种加工步骤方面进行描述。此类功能块可通过被配置为执行指定功能并且实现各种结果的任何数量的部件来实现。例如，本技术可采用可执行多种功能的各种计数器、逻辑门、存储器设备、半导体设备，诸如晶体管和电容器等。此外，本技术可集成在任何数量的电子系统(诸如汽车、航空、“智能设备”、便携式设备和消费性电子产品)中，并且所描述的系统仅为本技术的示例性应用。

参考图1，根据本技术的各个方面的用于时间数字转换器(TDC)的方法和装置可集成在有源测距传感器(诸如光探测和测距(LiDAR)系统100)中，该有源测距传感器被配置为发射脉冲、检测反射脉冲并且基于发射脉冲到检测脉冲之间的时间延迟(即，往返延迟)来确定到目标的距离。一般来讲，LiDAR系统和其他有源测距传感器可通过直接飞行时间(往返延迟)来测量到目标的距离。在该方法中，激光器或其他发射器(未示出)在目标处激发激光脉冲(传输信号)，并且由光电探测器(诸如单光子雪崩二极管(SPAD))检测来自目标的返回光子。从激发激光脉冲时开始，SPAD以高速率f_s操作，并且计数n保持为操作次数。如果SPAD检测到光子，则可根据r＝cn/(2f_s)推断出距离r，其中c为光的速度。根据示例性实施方案，系统100可包括像素阵列105、时间数字转换器(TDC)阵列110(该阵列包括多个TDC120)和计数器115。

像素阵列105可被配置为包含多个像素的二维阵列。多个像素中的每个像素125均可被配置为检测光，并且可包括单光子雪崩二极管(SPAD)或任何其他合适的光电探测器。每个像素125均可生成对应于该像素125中的活动/非活动的输入信号P。指示检测到的光子的输入信号可被称为SPAD事件并且可被表示为第一值(例如，大于0的任何值并且可被称为SPAD脉冲)，而非事件(其中未检测到光子)可由第二值(例如，0)表示。表示SPAD事件和非事件的信号可被传输到TDC阵列110并且可被称为输入信号，其中输入信号包括第一值(例如，大于0的任何值)和第二值(例如，0)。

计数器115可被配置为生成计数值并且将计数值传输到TDC阵列110中的每个TDC120。计数器115可包括适用于生成表示计数值的二进制代码的任何电路和/或系统。例如，计数器115可被配置为格雷码计数器，其中计数器115生成n位二进制代码。计数值可在每个时钟循环递增1，直到其在每个激光周期(LP)和接收间隔(RI)开始时被复位为0。激光周期和接收间隔的开始是相同的，并且可通过触发激光脉冲的传输来发起。激光周期是连续传输的激光脉冲之间的时间。根据各种实施方案，激光周期和接收间隔可具有相同的持续时间。

在一些实施方案中，接收间隔可小于激光周期的持续时间。在此类情况下，接收间隔结束与激光周期结束之间的间隙可能是由于执行激光的各种计算(如下所述)和/或规格所需的时间量所致。

在各种实施方案中，接收间隔可取决于要由LiDAR系统100要测量的最大距离。例如，对于150m的最大距离，接收间隔将为1μs(往返距离300m除以光的速度)。在接收间隔期间，TDC 120响应于输入信号P(例如，SPAD事件)。

根据各种实施方案，来自TDC阵列110的每个TDC 120均可接收各种信号诸如计数值和输入信号，并且估计反射光子的到达时间。在一个实施方案中，每个TDC 120均可从协同定位的像素125接收输入信号。在另选的实施方案中，可在两个或更多个像素125之间共享TDC 120的一部分。TDC 120可被配置为生成状态和距离，每个状态和距离均表示为二进制数。根据各种实施方案，TDC 120可包括状态机200和距离寄存器210。

根据各种实施方案，状态机200可被配置为基于输入信号来改变状态。例如，状态机200可包括马尔可夫状态机。状态机可被配置为具有使能输入，使得状态机只有在使能输入被置位为特定值时才能改变状态。状态机200可被初始化为状态0，并且可在每个启用的时间步长处被配置为如果接收到1则递增，并且如果接收到0则递减。状态机200可通过利用时钟和使能信号而在具有log₂ P个位的计数器上的单个递增/递减来实现，其中P-1是可以计数的最大数目，其中1引起计数的递增，并且0引起任何启用的时钟循环的递减。

根据各种实施方案，状态机200可包括任何数量的状态。状态的数量可基于特定应用，并且状态的最大数量可等于δx g_max，其中δ为激光脉冲的数量，并且g_max为最大增益值。

根据各种实施方案，TDC 120可包括一个或多个寄存器，诸如距离寄存器210和辅助寄存器505。距离寄存器210可从计数器115接收计数值。距离寄存器210可被配置为基于状态机200的当前状态和输入信号来存储计数值。所存储的计数值可被称为距离值。例如，当当前状态为0时，SPAD事件到达导致距离寄存器210被置位为计数器115的值。状态机200递增到状态1。此后，忽略相同接收间隔期间的另外的SPAD事件。在由下一个激光脉冲引起的下一个接收间隔内，TDC 200忽略计数值已达到距离值之前发生的SPAD事件。如果当计数值等于距离值时发生SPAD事件，则当前状态递增，从而加强TDC 200正在估计正确距离的置信度，并且忽略该接收间隔内的另外的SPAD事件。如果当计数值等于距离值时没有发生SPAD事件，则当前状态递减。如果所得状态为0，则下一个SPAD事件导致距离寄存器210锁定到新的计数器值。这可发生在相同的接收间隔内或任何后续的接收间隔内。因此，当锁定状态为0时，状态机200可有机会锁定到计数器115的比距离寄存器210中存储的值更晚的值，然后可有机会锁定到可防止称为堆积的状况的较早值，由此，由环境光产生的随机光子导致电路在其被解除锁定时在每个接收间隔提早进入锁定，从而防止电路锁定到对应于远目标的计数值。

辅助寄存器505可被配置为允许状态机在每个接收间隔经历一次状态转变，同时保留其有机会在可能考虑较早值之前锁定到计数器115的较晚值的行为。当状态为1并且当计数器115的值等于距离值时甚至不发生SPAD时，状态递减到0并且辅助寄存器505被置位。状态机200现在已经历状态转变，并且忽略在相同接收间隔内发生的任何SPAD事件。在下一个接收间隔中，辅助寄存器505保持置位，直到计数值等于锁定值，此后其被解除置位。忽略在置位辅助寄存器505时发生的任何SPAD事件。

距离寄存器210和辅助寄存器505可包括适用于存储二进制数据的任何电路和/或设备，诸如一组级联触发器等。

根据各种实施方案，状态机200可包括用于存储当前状态S的状态寄存器(未示出)，并且锁定脉冲计数器705可包括用于存储当前计数值L的计数寄存器(未示出)。

逻辑电路可包括适用于实现TDC 120的期望操作的任何数量的电路和/或逻辑设备。例如，并且参考图2、图7和图9，逻辑电路可包括第一比较器205、第二比较器215和“与”门。第一比较器205可连接到状态机200并且接收当前状态。第一比较器205可基于当前状态和参考值(例如，0)生成第一比较器输出。

“与”门220可连接在第一比较器205和距离寄存器210之间。例如，“与”门220可在一个输入端子处接收第一比较器输出以及在第二输入端子处接收输入信号。“与”门可基于两个输入执行逻辑“与”功能并且将“与”输出传输到距离寄存器210，其中“与”输出可用于启用距离寄存器210。

第二比较器215可连接到距离寄存器210的输出并且接收所存储的距离值。第二比较器215还可从计数器115接收计数值。第二比较器215可基于所存储的距离值和计数值来生成第二比较器输出。

根据另选的实施方案，并且参考图5和图11，逻辑电路可包括用于执行期望的逻辑功能并且将信号传输到状态机200和距离寄存器210的任何数量的电路和/或系统。根据本实施方案，逻辑电路可接收以下至少一项：同步信号Y、计数值T和输入信号P。

参考图9和图12，TDC 120可包括附加的内部计数器，诸如事件计数器700和锁定脉冲计数器705。在各种实施方案中，事件计数器700可被配置为对在给定接收间隔内发生的SPAD事件U的总数进行计数。锁定脉冲计数器705可被配置为对自状态机200处于状态零(计数值L)以来激光脉冲的总数进行计数。

根据各种实施方案以及图9和图11，TDC 120可包括被配置为计算增益g的增益计算器1000。在各种实施方案中，增益计算器1000可基于SPAD事件U的数量计算来增益g，并且将增益g传输到状态机200。根据各种实施方案，增益g可根据以下等式来计算：

增益计算器1000可包括适用于执行上述等式的任何数量的电路和/或设备。

根据各种实施方案，并且参考图11，TDC 120还可包括各种闩锁，用于指示期望的状况或事件。例如，TDC 120可包括命中闩锁1210，该命中闩锁被配置为生成命中信号h，该命中信号指示如果状态机锁住，则已发生预期的SPAD事件，或者如果状态机200失锁，则已建立新的锁定。TDC 120还可包括锁丢失闩锁1215，该锁丢失闩锁被配置为生成锁丢失信号r，该锁丢失信号模拟状态机200在稍后的时间但在相同接收间隔中掉出锁定和重新锁定的行为。

在一个实施方案中，并且参考图11，TDC 120可包括以与时钟相同的速度操作的第一子电路1200和在对应的接收间隔结束之后每个激光周期操作一次的第二子电路1205。在这种情况下，第一子电路1200可包括事件计数器600、命中闩锁1210、锁丢失闩锁1215、距离寄存器210和组合逻辑电路500。第二子电路1205可包括增益计算器1000、状态机200和锁定脉冲计数器705。

在本实施方案中，组合逻辑电路500可根据以下等式操作：

W′＝(s₀+(T＝＝R)+r).P

E＝(r+s₀).P

R0＝(r＝＝1).(h＝＝0)

R1＝(r＝＝1).(h＝＝1)

在本实施方案中，每个像素125均可直接连接到对应的第一子电路1200和第二子电路1205。换句话讲，针对每个像素125复制第一子电路1200和第二子电路1205。

在另选的实施方案中，像素125可直接连接到对应的第一子电路1200，但可与多个其他像素125共享单个第二子电路1205，诸如直接相邻、在限定的局部区域内、在同一行内、在同一列内等的那些像素。

根据各种实施方案，TDC 120根据状态机200来操作，该状态机根据SPAD事件和SPAD事件的定时而改变状态，这可通过将计数器115的值与距离寄存器210的值进行比较来实现。状态机200被初始化为状态0。最初，距离寄存器210的值是“无所谓”。当状态机200的当前状态为0时，SPAD事件到达导致距离寄存器210被置位为计数器115的值。然后状态机200递增到状态1。此后，忽略相同接收间隔期间的另外的SPAD事件。在下一个激光脉冲上，忽略在距离寄存器210中存储的值之前发生的SPAD事件。如果在存储在距离寄存器210中的时间发生SPAD事件，则状态递增，这增加了状态机200正在预测正确距离的置信水平，并且在该时间之后发生的附加SPAD事件被忽略，直到下一个激光脉冲。如果在存储在距离寄存器210中的时间没有发生SPAD事件，则状态递减。如果状态为0，则下一个SPAD事件导致距离寄存器210在开始时锁定到新的计数器值。

在一个示例性实施方案和操作中，并且参考图2至图4，该系统在每个激光脉冲之间具有10个时钟循环，并且计数器从0到9重复计数。从0到9的每个计数都可称为接收间隔(RI)，在这种情况下，该接收间隔是与激光周期相同的持续时间。当当前状态为0时，距离寄存器210的初始值R没有意义。在示例性操作中，并且参考图4，TDC 120可经历以下事件序列：

在时间A，第1Tx同步指示第1RI的开始，并且这导致计数复位为0(所有后续Tx同步也是如此)。

在时间B，接收到指示SPAD已检测到光子的脉冲。在状态机200处于状态0的情况下，距离寄存器R加载有计数器1的值，并且状态从0递增到1。

在时间C，在第1RI内接收到第二SPAD脉冲，并且忽略该脉冲。

在时间D，当计数器为0时，在第2RI内接收到SPAD脉冲。距离寄存器为1，因此忽略该事件。

在时间E，当计数器等于距离寄存器时，没有接收到SPAD脉冲。这导致状态下降到0。

在时间F，当计数器为4并且状态为0时，接收到SPAD脉冲。这导致距离寄存器210加载有计数器值4，并且状态递增到1。

在时间G，当计数值为4时，在第3RI内，距离寄存器已为4。这使状态从1递增到2。

在时间H，在第4RI内，距离寄存器210为4，并且当计数值为4时，没有接收到SPAD脉冲。这使状态机200的状态从2递减到1。

在时间I，在第5RI内，距离寄存器210为4，并且当计数值为4时，没有接收到SPAD脉冲。这使状态机200的状态从1递减到0。

在时间J，MSM状态为0时，距离寄存器210加载有计数器115、5的值，并且状态机200的状态从0递增到1。

在时间K，在第6RI内，距离寄存器210为5，并且当计数值为5时，没有接收到SPAD脉冲。这使状态机的状态从1递减到0。

在时间L，在K与第7RI的开始之间没有检测到另外的SPAD脉冲。在第7RI内，状态为0时，检测到SPAD脉冲，因此距离寄存器210加载有计数器115、1的值，并且状态机的状态从0递增到1。

在第二实施方案和操作中，并且参考图5和图6，TDC 120可包括具有输出Q的辅助寄存器505和逻辑电路500。在本实施方案中，逻辑电路500可生成由以下等式给出的各种输出W、X、V和Z：

W＝(R＝＝T).(S>0)+P.(S＝＝0)

辅助寄存器505和相关联的门允许状态机200在每个RI仅经历一个状态转变(这可改善流水线)，并且在完整RI期间没有发生状态转变时复位距离寄存器210。

当状态机200失锁，进入状态0时，状态机200不能锁定到相同RI内的稍后SPAD脉冲。相反，在锁定丢失之后的第一RI上，状态机200仅被允许锁定到大于R的距离值。这确保了考虑距离的所有值。

根据本实施方案，TDC 120可经历以下事件序列：

在时间A，由第一同步Y复位计数值T。

在时间B，在第1RI中，状态为0并且距离为0。T＝1的SPAD脉冲导致距离寄存器210加载有1并且状态递增到1。

在时间C，忽略第1RI中的第2SPAD脉冲。两个阻断条件为真：1)状态S不为0；以及2)辅助寄存器505被置位(＝1)，这指示状态机200已在该RI中经历了状态转变。

在时间D，在第2RI中，当计数值T等于距离值R时，发生第1SPAD脉冲，因此状态S增加到2。与在时间C一样，忽略下一个SPAD事件。

在时间E，在第3RI中，当计数值T与锁定距离值R匹配时不存在SPAD脉冲，因此状态减小到1。

在时间F，在第4RI中，当计数值T与锁定距离值R匹配时不存在SPAD脉冲。因此状态减小到0。

在时间G，仍然在第4RI内，当计数值T大于锁定距离和状态时，发生SPAD脉冲。然而，它被忽略，因为Q被置位，状态机200已经历状态转变。

在时间H，在第5RI开始时，当计数值T小于距离值R时，发生SPAD脉冲。即使状态机200失锁，该事件也被状态机200忽略。

在时间I，仍然在第5RI内，当计数值T大于距离值R时，发生SPAD脉冲。这导致距离值R增加到计数值T，并且状态机的状态增加到1。

在时间J，在第6RI中，当预期并且状态下降到0时，不发生SPAD脉冲。

在时间K，在第7RI结束时，尚未发生状态转变。状态机200现在已有机会锁定到比先前锁定距离更晚的所有值。距离值R被清除为0，并且系统处于与第1RI之前相同的状态，准备好锁定到任何距离。

在第三实施方案和操作中，并且参考图7、图8和图16，TDC 120包括状态机200、距离寄存器210、锁定脉冲计数器705和事件计数器700。在本实施方案中，状态机200的寄存器1600和锁定脉冲计数器705的寄存器1605被截断，使得在锁定脉冲计数器705达到最大值或返回到零之前，状态机200的逻辑电路1610将计数值L和状态S除以2。这可保持概率计算(下文所述)大致正确，其中所报告的锁定的置信度略微降低。

在本实施方案中，逻辑1610可执行以下功能：

在本实施方案中，每当状态机200处于状态0时，复位锁定脉冲计数器705，并且每当距离寄存器210等于输入计数器值T时，该锁定脉冲计数器前进。在操作结束时，如果状态机200被锁定，则锁定脉冲计数器705包含状态机200已被锁定为大于0的状态的循环数。事件计数器700对在激光脉冲帧期间已经看到的所有SPAD事件进行计数。

在状态机200被锁定到特定距离的每个循环，该状态机都上移或下移。我们知道，对于S个循环，该状态机在上移。但剩余的L-S循环必须在上移5和下移事件之间平均分配，因此系统100可添加额外的(L-S)/2个脉冲。因此，最终状态为S的L个脉冲上的正命中总数H为：

根据本实施方案，TDC 120可经历以下事件序列：

在时间A，由Tx同步复位事件计数器(这发生在每个RI的开始时)。

在时间B，SPAD脉冲导致状态机200进入锁定(S>0)。锁定脉冲计数器增加到1，并且事件计数器对SPAD脉冲进行计数。

在时间C，事件计数器700对该RI中的第二SPAD脉冲进行计数。

在时间D，事件计数器700对第2RI中的第1SPAD脉冲进行计数。

在时间E，在预期时间不存在SPAD脉冲导致状态机200失锁(S＝0)并且清除锁定脉冲计数器705。

在时间F，第2RI中的第2SPAD脉冲导致状态机200进入锁定，锁定脉冲计数器705增大，并且事件计数器700对事件进行计数。从此处开始，省略了事件计数器700的行为。

在时间G，锁定脉冲计数器705增加，因为状态机200仍锁住。

在时间H，锁定脉冲计数器705增大，因为即使状态减小，状态机200也仍然锁住。

在时间I，由于状态机200已失锁，锁定脉冲计数器705被复位。

根据上述实施方案和方法，可根据贝叶斯定理来描述确定状态机200的最终状态是否正确的概率：

使用二项式定理，假定正确匹配，则对于单个事件概率，在概率为p_r的情况下，在H个样本中精确获得L次命中的概率为：

其中假定TDC 120处于正确距离，则p_r为在计数器115等于距离值的时间内每个激光脉冲发生SPAD事件的概率。同样：

其中假定TDC 120处于不正确距离，则p_n为在计数器115等于距离值的时间内每个激光脉冲发生SPAD事件的(均匀)概率。

随机选择的距离是正确的概率是距离门的数量的倒数：

数据出现的概率是2种可能性的总和。状态机200处于正确状态或N-1个不正确状态之一。

该像素中的p_r和p_n的估计值可描述为：

概率计算可每脉冲帧每个像素进行一次，并且可在像素外部的信号处理链中执行。像素本身可返回数字值Q、S、U和L。

因此，已经计算或估计了表达式P(range is correct|H,L)中的所有项。如果P(range is correct|H,L)>p_t，其中p_t为所选择的阈值概率，则可得出结论，距离是正确的。还观察到P(H,L)和P(H,L|range is correct)包含相同的二项式系数项

该项在表达式P(range is correct|H,L)中消去，该表达式变为：

假定H和L的数量很少但值很大，则可通过除以分子来改善表达式：

此外，可通过以下表达式避免超出距离的正数：

根据第四实施方案和操作，并且参考图9、图10A至图10B和图16，TDC 120可包括增益计算器1000，其中增益g大于1。当噪声电平为低时，状态机200在其接收到SPAD事件时可递增多于一个状态，而如果其未接收到预期SPAD事件，则仍然仅递减1个状态。当检测到正确的SPAD事件时，这增加了锁定的可能性，即系统保持锁住多于一个脉冲，等待另一个SPAD事件。例如，当增益g＝2时，状态机200递增2个状态(例如，如图10A所示)，并且当增益g＝3时，状态机200递增3个状态(例如，如图10B所示)。

在本实施方案中，状态机200可具有等于Pxg_max的最大状态数，其中P为脉冲数(例如，P＝16)，并且g_max为最大增益。

在本实施方案中，状态机200的寄存器1600和锁定脉冲计数器705的寄存器1605被截断，使得在锁定脉冲计数器705达到最大值或返回到零之前，状态机200的逻辑1610将计数值L和状态S除以2。下面的图表示出了随着除数N的变化，各种寄存器中的位数，以及可应用于指定N的最大增益。

在本实施方案中，状态机200动态地适应于对应像素正在经历的条件，这些条件可根据检测概率p_r和噪声概率p_n来测量。对应于激光源的反射的检测到的SPAD事件之间的预期平均到达间隔时间可为1/p个激光脉冲。为了以检测概率p_r获得对目标的锁定，在预期下一个脉冲在第一脉冲之后到达1/p_r个激光脉冲之前，状态机200不应掉出锁定。相反地，为了确保状态机200掉出错误锁定，状态机200在概率为p_n的下一个噪声SPAD事件到达同一库之前不得掉出错误锁定。在本实施方案中，状态机200在锁定时间没有发生SPAD事件的每个激光脉冲下降1个状态，并且在发生SPAD事件时增加g个状态。因此，1/p_n>g>1/p_r，其中

现在，该状态在每次命中时(锁定时间的SPAD事件)以增益g递增，而在每次未命中时则递减1。

因此：

S＝gH-(L-H)，

其还可表示为：

可以与上述相同的方式来计算概率，然后可表示为：

其中

根据各种实施方案，并且参考图12，TDC 120可被配置为将状态机200的递增推迟到接收间隔结束之后但在激光周期结束之前。虽然状态机200每个接收间隔仅递增一次，但其可递减以掉出锁定，然后在同一接收间隔期间递增(例如，步骤1100、1105、1110、1115、1120、1125、1135、1140、1145、1150)。在这种情况下，增益计算器1000基于在接收间隔(例如，步骤1155、1160、1170)期间所接收的所有SPAD事件的计数U来计算增益g，这是对Np_n的估计。增益计算器1000可通过在每个激光周期结束时执行一个除法来计算增益g。例如，增益计算器1000可被配置为在多个周期上在同一寄存器上迭代地执行长除法。

在这种情况下，并且假设在接收间隔结束之后有足够的时间，如果TDC 120在预期位置(当状态机200被锁定时)或在任何其他位置(当状态机200被解除锁定时)检测到光子，则TDC 120使命中信号h生效。当状态机200处于状态1并且TDC 120未检测到SPAD事件时，TDC 120将清除状态机200和锁定脉冲计数器705，这导致它们掉出锁定并准备好锁定到下一个检测到的SPAD事件上。在接收间隔结束时，如果状态机200失锁，则TDC 120可等待下一个光子检测(在1140处)。如果状态机200锁住，则TDC 120经过更新阶段(1155、1170、1160、1165、1175和1180)，然后再返回到开始1100并等待下一个激光脉冲。在更新阶段期间，如果锁定脉冲计数器705达到最大值(Lmax)，则状态机200的逻辑电路(例如，500、1610)可将计数值L和状态S除以2。

在第五操作中，并且参考图11和图13，系统100可被配置为推迟状态机200的操作。具体地，系统100可将更新计算(诸如增益计算和/或状态机200的递增)推迟(即，延迟)到激光脉冲返回到TDC阵列110之后的时间。将更新计算推迟到接收间隔结束的设施意味着可由较小较慢逻辑执行计算，并且可由再循环除法电路执行诸如除法的大功能，该再循环除法电路小于流水线除法电路。

在本实施方案中，第一子电路1200可将指示该接收间隔U中的SPAD脉冲计数的信号、锁定距离R和五个1位信号传输到第二子电路1205。当事件计数器600已超过某个最大值并且指示状态机200应开始更新时，信号V生效。在增益计算器1000已执行增益计算之后的某个时间信号V’生效，并且导致状态机200自身更新。信号s₀用于指示状态机200处于解除锁定状态(0)和刚锁定状态(1)。如果错过下一个预期的SPAD事件，则信号s₁用于指示状态机200将掉出锁定。命中信号h指示如果状态机200锁住，则已发生预期的SPAD事件，或者如果状态机200失锁，则已建立新的锁定。锁定丢失信号r用于复制状态机200掉出锁定时的行为，并且允许状态机200稍后在相同的接收间隔中重新锁定。上述信号的逻辑方程可描述如下：

W′＝(s₀+(T＝＝R)+r).P；

E＝(r+s₀).P；

R0＝(r＝＝1).(h＝＝0)；以及

R1＝(r＝＝1).(h＝＝1)。

根据本实施方案，TDC 120可经历以下事件序列：

在时间A，在第一Tx同步上，状态机200处于状态0，h＝0并且r＝0。

在时间B，所接收的第一SPAD脉冲递增U，锁定距离值R，并将h发送为高。

在时间C，第二SPAD脉冲递增U。

在时间D，过脉冲(V)开始增益计算。U＝2时，获得g＝1并且V′被置位。

在时间E，V’导致状态S增加g至S＝1，并且L递增至1。同时，新的激光同步清除U和h。

在时间F，第2Ri中的第1SPAD脉冲递增U。

在时间G，当T＝＝R并且S＝＝1时，如果缺少预期的SPAD脉冲，则发送锁定丢失信号r为高并且系统表现得好像状态机200如图2所示已变为状态0一样。

在时间H，r＝＝1时，系统锁定第2RI内的下一个SPAD脉冲的距离，并且h被置位，指示SPAD脉冲和正向锁定。

在时间I，r＝＝1并且h＝＝1时，系统失去锁定并且重新获得锁定。增益g被置位为比正常递增值小1。在这种情况下，g＝1-1＝0。R1生效，因此锁定计数器保持在L＝1。

在时间J，状态递增g＝1，因为h＝1，S＝1并且r＝0。L也递增。

在时间K，当h＝0，S>1并且r＝0时，状态递减g＝-1。L递增。

在时间L，系统在同一循环中失去锁定并且重新获得锁定。R1生效，因此锁定计数器同步地复位为L＝1。

在时间M，当h＝0、S＝1并且r＝0时，系统失去锁定并且状态递减g＝-1。R0生效，因此锁定脉冲计数器清除至L＝0。

在时间N，系统像在时间E一样重新获得锁定。

根据各种实施方案，TDC 120可被配置为执行距离跟随。距离的变化意味着反射光子的到达时间将增加或减少。如果是同一对象，则该距离将相对于仅几μs的激光脉冲重复时间而缓慢变化。为了适应这一点，状态机200可使在锁定距离的几个循环(通常为±1)内发生的SPAD事件上的状态递增，并且锁定距离可朝向新到达时间移动时钟循环的一小部分。因此，锁定距离可具有几个小数位。

参考图14A至图14B，接受窗口由框的宽度表示，并且状态机200的状态由框的高度表示。其为非零的事实意味着状态机200锁住。

顶图示出初始状态。在无距离跟随时，接受窗口的宽度为

在具有距离跟随时，接受窗口的宽度为

当SPAD事件在预期时间到达时，标准状态机(SSM)(如图14A所示)和本技术的状态机200的实施方案(如图14B所示)两者均使其状态递增g。当脉冲从锁定时间(底部)经过很长路程到达时，SSM和状态机200两者都拒绝该脉冲，并且状态递减。当SPAD事件在接近预期时间的时间到达时，SSM拒绝该SPAD事件，从而使状态递减。状态机200接受该SPAD事件，并且状态递增g。接受窗口朝向到达时间移动(在这种情况下，移动时间刻度的1/4)。此外，可根据到达时间与预期时间不同的量来对移动量和增益g进行加权。

如果考虑到对象(一般大于一个像素)跨像素阵列移动，则在某个点处，该对象将开始冲击新像素。该像素的状态机200将失去对旧距离的锁定并且开始搜索新距离。若干方法可以协助失锁状态机200快速获取锁定。一种可能性是，当新的锁定距离与邻接像素的锁定距离(大致或精确)匹配时，仅使状态机200递增超过g。

根据各种实施方案，TDC 120可被配置为执行方位/仰角跟随。在一些情况下，对象(一般大于一个像素)跨像素阵列移动将在某个点开始冲击新像素。该像素的状态机200将失去对旧距离的锁定并且开始搜索新距离。在本技术的各种实施方案中，当新锁定距离与相邻TDC 120的锁定距离(大致或精确)匹配时，状态机200可通过将状态递增超过g来快速获取锁定。

参考图15A至图15B，顶线示出了根据本技术的实施方案的SSM失锁的状态(图15A)和离相邻状态机200的距离被锁定的状态(图15B)。SSM对其接收到的下一个SPAD事件敏感。在中线上，SSM和状态机200两者在任何时间都对下一个检测到的SPAD事件敏感。在底线处，SSM和状态机200在接收到SPAD事件时进入锁定，但状态机200的状态由于与相邻状态机200的匹配而增加更多。

另选地(未示出)，失锁状态机200可仅能够锁定到锁定相邻像素的距离几个脉冲(如果其在正确的时间接收到SPAD事件)，否则其可在任何距离开始重新获取锁定。

在各种实施方案中，TDC 120可采用相对于图14至图15所述的跟踪方法以及状态机200和锁定脉冲计数器705的截断寄存器。在此类情况下，不需要在激光脉冲的每一帧开始时复位TDC 120，因为寄存器可以永久运行而不会溢出。因此，信息的输出速率可以是任何任意速率，而不是每帧一次，这提高了TDC 120的性能，因为它可更快地适应场景的变化。

在上述描述中，已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。所示和所述特定具体实施方式用于展示所述技术及其最佳模式，而不旨在以任何方式另外限制本技术的范围。实际上，为简洁起见，方法和系统的常规制造、连接、制备和其它功能方面可能未详细描述。此外，多张图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或步骤。在实际系统中可能存在多个替代的或另外的功能关系或物理连接。

已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下作出各种修改和变化。以示例性而非限制性方式考虑说明和附图，并且所有此类修改旨在包括在本技术的范围内。因此，应通过所述的一般实施方案及其在法律意义上的等同形式，而不是仅通过上述具体示例确定所述技术的范围。例如，除非另外明确说明，否则可以任何顺序执行任何方法或工艺实施方案中列举的步骤，并且不限于具体示例中提供的明确顺序。另外，任何装置实施方案中列举的部件和/或元件可以多种排列组装或者以其它方式进行操作配置，以产生与本技术基本上相同的结果，因此不限于具体示例中阐述的具体配置。

上文已经针对具体实施方案描述了有益效果、其它优点和问题解决方案。然而，任何有益效果、优点、问题解决方案或者可使任何具体有益效果、优点或解决方案出现或变得更明显的任何要素都不应被解释为关键、所需或必要特征或组成部分。

术语“包含”、“包括”或其任何变型形式旨在提及非排它性的包括，使得包括一系列要素的过程、方法、制品、组合物或装置不仅仅包括这些列举的要素，而且还可包括未明确列出的或此类过程、方法、制品、组合物或装置固有的其它要素。除了未具体引用的那些，本技术的实施所用的上述结构、布置、应用、比例、元件、材料或部件的其它组合和/或修改可在不脱离其一般原理的情况下变化或以其它方式特别适于具体环境、制造规范、设计参数或其它操作要求。

上文已结合示例性实施方案描述了本技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下对示例性实施方案作出改变和修改。这些和其它改变或修改旨在包括在本技术的范围内，如以下权利要求书所述。

根据第一方面，一种能够从有源测距传感器接收事件信号并从第一计数器接收数字值的时间数字转换器包括：寄存器，该寄存器被配置为连接到第一计数器并且根据数字值和第二比较器值来存储寄存器值；第一比较器，该第一比较器连接到寄存器的输出端子并且被配置为：接收数字值；比较寄存器值和数字值；以及根据比较来生成第一比较器值；状态机，该状态机被配置为接收事件信号和第一比较器值并且基于当前状态、第一比较器值和事件信号而改变为新状态；和第二比较器，该第二比较器连接到状态机的输出端子并且被配置为将状态机的当前状态与起始状态进行比较并且根据该比较来生成第二比较器值。

在一个实施方案中，时间数字转换器还包括第二计数器，该第二计数器被配置为生成对应于在预先确定的时间段期间所接收的事件信号的总数的第二计数值。

在一个实施方案中，时间数字转换器还包括第三计数器，该第三计数器响应于第一比较器值并且被配置为生成对应于状态机的当前状态大于零的时间长度的第三计数值。

在一个实施方案中，时间数字转换器还包括增益计算电路，该增益计算电路被配置为基于当前状态和第二计数值来计算增益值；其中状态机被配置为基于增益值而从当前状态递增到新状态，并且增益值大于一。

在一个实施方案中，状态机包括逻辑电路，该逻辑电路被配置为将第三计数值和当前状态除以二。

在一个实施方案中，时间数字转换器还包括逻辑电路，该逻辑电路被配置为：接收事件信号；接收数字值；接收指示状态机的状态是解除锁定还是被锁定的信号；接收寄存器值；基于状态、数字值、事件信号和寄存器值来生成第一输出信号，其中状态机响应于第一输出信号；以及基于第一输出信号和复位脉冲来生成第二输出信号。

在一个实施方案中，时间数字转换器还包括辅助寄存器，该辅助寄存器被配置为：接收第二输出信号；防止状态机在每个接收间隔经历多于一次转变；以及复位寄存器。

根据第二方面，一种用于使用有源测距传感器和时间数字转换器(TDC)来确定目标的距离的方法，其中有源测距传感器生成事件信号，该方法包括：利用计数器生成数字值序列；将距离值存储在寄存器中，其中距离值来自数字值序列；利用TDC从测距传感器接收第一事件信号；改变状态机的状态，包括：如果状态机接收到第一事件信号，则将状态机的状态从起始状态递增到非起始状态；以及如果状态机处于起始状态并且状态机接收到第二事件信号，则将来自数字值序列的新距离值存储在寄存器中。

在一个实施方案中，改变状态机的状态还包括：当距离值与计数器的数字值相同时，如果状态机未接收到第二事件信号，则将状态机的状态从非起始状态递减到起始状态。

在一个实施方案中，改变状态机的状态还包括：如果状态机接收到第二事件信号并且存储在寄存器中的距离值等于计数器的数字值，则将状态机的状态从非起始状态递增到新状态。

在一个实施方案中，该方法还包括在接收间隔开始时将数字值递增1并且将数字值复位为零。

在一个实施方案中，该方法还包括对状态机的状态大于零的时间长度进行计数。

在一个实施方案中，该方法还包括将当前状态和计数时间长度除以二。

在一个实施方案中，该方法还包括：对事件信号的总数进行计数；基于状态机的状态和事件信号的总数来计算增益值；以及基于增益值来使状态机的状态递增，其中增益值大于一。

根据第三方面，一种飞行时间测距系统包括：发射器，该发射器被配置为在目标处激发传输信号；第一计数器，该第一计数器被配置为生成数字值序列；测距传感器，该测距传感器包括像素阵列，该像素阵列包含多个像素，其中每个像素根据从目标返回的传输信号生成输入信号；和多个时间数字转换器，其中每个时间数字转换器：连接到来自多个像素的至少一个像素；响应于计数器；并且其中每个时间数字转换器包括：状态机，该状态机包括有限数量的状态；和寄存器，该寄存器被配置为输出距离值；其中：状态机被配置为：接收对应像素的输入信号；根据距离值接收第一使能信号；基于当前状态、当前数字值、距离值和输入信号而从当前状态改变为新状态；以及输出状态机的当前状态；并且寄存器被配置为：接收数字值的序列；基于输入信号和状态机的当前状态来接收第二使能信号；以及基于第二使能信号将来自数字值序列的一个值存储为距离值。

在一个实施方案中，该系统还包括：第二计数器，该第二计数器被配置为生成对应于在预先确定的时间段期间所接收的事件信号的总数的第二计数值；和第三计数器，该第三计数器被配置为生成对应于状态机的当前状态大于零的时间长度的第三计数值。

在一个实施方案中，该系统还包括增益计算电路，该增益计算电路被配置为基于当前状态和第二计数值来计算增益值；其中状态机被配置为基于增益值而从当前状态改变为新状态。

在一个实施方案中，其中状态机包括逻辑电路，该逻辑电路被配置为将第三计数值和当前状态除以二。

在一个实施方案中，该系统还包括逻辑电路，该逻辑电路被配置为：当第二计数值超过预先确定的值时，生成第一控制信号；将第一控制信号传输到增益计算电路；从状态机接收第一条件信号，其中第一条件信号指示状态是起始状态还是非起始状态；从状态机接收第二条件信号，其中第二条件信号指示状态机的状态将递减到起始状态；基于第一条件信号、当前数字值、输入信号和距离值来生成第二控制信号；以及基于第二条件信号、当前数字值、输入信号和距离值来生成第三控制信号。

在一个实施方案中，状态机基于直接相邻状态机的状态而从当前状态改变为新状态。

Claims (10)

1.一种能够从有源测距传感器接收事件信号并从第一计数器接收数字值的时间数字转换器，所述时间数字转换器的特征在于包括：

寄存器，所述寄存器被配置为连接到所述第一计数器并根据所述数字值和第二比较器值来存储寄存器值；

第一比较器，所述第一比较器连接到所述寄存器的输出端子并被配置为：

接收所述数字值；

比较所述寄存器值和所述数字值；以及

根据所述比较来生成第一比较器值；

状态机，所述状态机被配置为接收所述事件信号和所述第一比较器值并基于当前状态、所述第一比较器值和所述事件信号而改变为新状态；和

第二比较器，所述第二比较器连接到所述状态机的输出端子并被配置为将所述状态机的所述当前状态与起始状态进行比较并根据所述比较来生成所述第二比较器值。

2.根据权利要求1所述的时间数字转换器，其特征还在于所述时间数字转换器包括第二计数器，所述第二计数器被配置为生成对应于在预先确定的时间段期间所接收的事件信号的总数的第二计数值。

3.根据权利要求1所述的时间数字转换器，其特征还在于所述时间数字转换器包括第三计数器，所述第三计数器响应于所述第一比较器值并被配置为生成对应于所述状态机的所述当前状态大于零的时间长度的第三计数值。

4.根据权利要求2所述的时间数字转换器，其特征还在于所述时间数字转换器包括增益计算电路，所述增益计算电路被配置为基于所述当前状态和所述第二计数值来计算增益值；其中所述状态机被配置为基于所述增益值而从所述当前状态递增到所述新状态，并且所述增益值大于一。

5.根据权利要求1所述的时间数字转换器，其特征还在于所述时间数字转换器包括逻辑电路，所述逻辑电路被配置为：

接收所述事件信号；

接收所述数字值；

接收指示所述状态机的所述状态是解除锁定还是被锁定的信号；

接收所述寄存器值；

基于所述状态、所述数字值、所述事件信号和所述寄存器值来生成第一输出信号，其中所述状态机响应于所述第一输出信号；以及

基于所述第一输出信号和复位脉冲来生成第二输出信号。

6.根据权利要求1所述的时间数字转换器，其特征还在于所述时间数字转换器包括辅助寄存器，所述辅助寄存器被配置为：

接收所述第二输出信号；

防止所述状态机在每个接收间隔经历多于一次转变；以及

复位所述寄存器。

7.一种用于使用有源测距传感器和时间数字转换器(TDC)来确定目标的距离的方法，其中所述有源测距传感器生成事件信号，所述方法的特征在于包括：

利用计数器生成数字值序列；

将距离值存储在寄存器中，其中所述距离值来自所述数字值序列；

利用所述TDC从所述测距传感器接收第一事件信号；

改变状态机的状态，包括：

如果所述状态机接收到所述第一事件信号，则将所述状态机的所述状态从起始状态递增到非起始状态；以及

如果所述状态机处于所述起始状态并且所述状态机接收到第二事件信号，则将来自所述数字值序列的新距离值存储在所述寄存器中。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于改变所述状态机的所述状态还包括以下之中的一项：

当所述距离值与所述计数器的所述数字值相同时，如果所述状态机未接收到所述第二事件信号，则将所述状态机的所述状态从所述非起始状态递减到所述起始状态；或者

如果所述状态机接收到所述第二事件信号并且存储在所述寄存器中的所述距离值等于所述计数器的所述数字值，则将所述状态机的所述状态从所述非起始状态递增到新状态。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征还在于所述方法包括：

对所述状态机的所述状态大于零的时间长度进行计数；以及

将所述当前状态和所计数的时间长度除以二。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征还在于所述方法包括：

对事件信号的总数进行计数；

基于所述状态机的所述状态和所述事件信号的总数来计算增益值；以及

基于所述增益值来使所述状态机的所述状态递增，其中所述增益值大于一。

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