CN113267786A - 光学距离计算装置和扩展可测量范围的方法 - Google Patents

光学距离计算装置和扩展可测量范围的方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了光学距离计算装置和扩展可测量范围的方法。装置包括光源，该光源发射选择性地在第一调制频率和第二调制频率处调制的射线。光子混合器单元生成并存储多个电输出信号，该多个电输出信号分别与根据间接飞行时间技术施加的相位偏移值相对应并且关于所选的调制频率。信号处理电路处理该第一调制频率处的第一数量的电输出信号以根据所计算的第一测量向量计算第一测量相位角，并且处理该第二调制频率处的第二数量的电输出信号以根据所计算的第二测量向量计算第二测量相位角。然后计算该第一测量相位角和第二测量相位角之间的相位角差，并将校正值施加到相位角差以产生用于计算距离的扩展范围相位角。

Description

光学距离计算装置和扩展可测量范围的方法
技术领域
本发明涉及一种光学距离计算装置，该装置具有例如，采用间接飞行时间测量技术的类型。本发明还涉及一种扩展可测量范围的方法，该方法具有例如，使用间接飞行时间测量技术来测量范围的类型。
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(射线检测和测距)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射线。
在这方面，作为直接ToF测距技术的所谓的“闪光LiDAR”技术采用光源，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系统发射连续波射线信号，并且该连续波射线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得的距离范围。例如，100MHz调制频率导致1.5m的近似明确测量范围。
如上文所解释的，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随后的信号处理的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，可以估计复信号的相位角和振幅，并且可以使用所估计的相位角信息求解到对象的距离。
然而，由于可检测的相位角信息受到照射射线信号的调制频率的约束，此类振幅调制连续波型系统遭受固有的深度模糊。在这方面，调制照射射线的周期等于2π的全相位。结果，在到照明源一定距离处导致飞行时间超过调制照明信号的周期的反射对象仍然出现在以调制照明信号的周期为界的距离范围内，并因此在其调制频率内。该效应被称为范围混叠。位于由调制照明信号的周期限定的所谓的“明确范围(unambiguous range)”中的对象可以被正确检测，但是超过明确范围的对象被混叠回到明确范围内，并且因此在错误的距离处被检测。如上文所提及的，由照射连续波射线信号的调制频率来确定系统的明确可测量范围(UR)：
Figure BDA0002924535620000021
其中c是光速，fmod是照射连续波射线信号的调制频率。
因此，根据上面的等式(1)，可以通过减小调制频率来增加明确可测量范围，从而调整该明确可测量范围，使得场景中更多的对象可以被检测到。然而，测得的范围的精度取决于所估计的相位角的信噪比SNRΦ。在这方面，所估计的相位角的信噪比SNRΦ影响系统以预定分辨率解析对象的能力，其由以下表达式给出：
Figure BDA0002924535620000031
如从上面的等式(2)可见的，如果需要提高的分辨率，则必须增加调制频率，但是这与降低调制频率以增加明确可测量范围的期望相冲突。因此，期望对落在系统的明确可测量范围之外的对象距离的测量进行去混叠(de-alias)，以作为在没有不利地影响信噪比的情况下增加明确可测量范围的方法。
“Analysis of errors in ToF Range Imaging With Dual-frequencyModulation(利用双频调制对ToF距离成像中的误差的分析)”(Jongenelen等人，IEEETransactions on Instrumentation and Measurement (IEEE仪器与测量学报)，第60卷，第5期，2011年5月，第1861页至第1868页)提出了一种采用两个调制频率来对距离测量进行去混叠的技术，该技术使用乘法逆元(multiplicative inverse)来确定分别与两个调制频率相关联的一对混叠。然而，该计算需要一定程度的处理能力，这对于该种类的ToF系统来说并不具备成本效益。
DE-B3-102013214677公开了一种替代的去混叠技术，该技术也采用了两个调制频率，但是计算两个混叠距离估计值之间的差，然后使用查找表来标识关于所选择的给定调制频率的正确混叠。
US 10,024,966公开了另一种去混叠技术，该技术通过计算两个相位角之间的加权相位差来在相位角域中执行去混叠。所使用的每个相位角由相应的预定加权因子来预加权。然而，与上文所述的其他去混叠技术一样，必须执行至少一个乘法运算，这在计算上是昂贵的并且增加了对ToF系统的现有有限处理资源的需求。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种光学距离计算装置，包括：光源，该光源被配置为根据间接飞行时间测量技术发射射线，该光源被配置为根据预定频率选择方案选择性地在第一调制频率和第二调制频率处调制该射线；光子混合器单元，该光子混合器单元被配置为生成并存储多个电输出信号，该多个电输出信号分别与根据该间接飞行时间测量技术施加的相位偏移值相对应并且关于所选的调制频率；以及信号处理电路，该信号处理电路被配置为处理关于该第一调制频率的第一数量的该多个电输出信号，以便计算第一测量向量和根据该第一测量向量计算第一测量相位角，并且处理关于该第二调制频率的第二数量的该多个电输出信号，以便计算第二测量向量和根据该第二测量向量计算第二测量相位角；其中该信号处理电路被配置为计算该第一测量相位角和该第二测量相位角之间的相位角差，并将校正值施加到该相位角差以产生扩展范围相位角；并且该信号处理电路被配置为使用该扩展范围相位角来计算去混叠范围。
该信号处理电路可以被配置为响应于与该第一调制频率和该第二调制频率相关联的各自的混叠参数的比较来施加该校正值。
该信号处理电路可以被配置为将该第一调制频率和该第二调制频率进行比较。
该装置可以进一步包括：第一明确可测量范围，该第一明确可测量范围与该第一测量相位角相关联；以及第二明确可测量范围，该第二明确可测量范围与该第二测量相位角相关联；其中该信号处理电路可以被配置为将该第一明确可测量范围和该第二明确可测量范围进行比较。
该校正值的计算可以取决于该各自的混叠参数的该比较的结果。
该信号处理电路可以被配置为通过该相位角差与相位角卷叠阈值的比较，来检测该相位角差的卷叠。
该信号处理电路可以被配置为将该第一测量相位角量化为第一n位值并且将该第二测量相位角量化为第二n位值；该第一n位值和该第二n位值可以在n位空间内，该n位空间表示该n位空间上在基本为0和基本为2π之间的角度范围；并且该信号处理电路可以被配置为通过使用所量化的第一测量相位角和所量化的第二测量相位角执行减法运算来同时计算该相位角差并且将该校正值施加到该相位角差。
该信号处理电路可以被配置为取决于该各自的混叠参数的该比较的该结果的值，选择该第一测量相位角或该第二测量相位角作为该减法运算的被减数。
该扩展范围相位角可以具有与该扩展范围相位角相关联的明确扩展范围；并且该信号处理电路可以被配置为通过使用该扩展范围相位角对该明确扩展范围进行缩放，来使用该扩展范围相位角来计算距离。
该信号处理电路可以被配置为将具有与该第一测量相位角相关联的第一明确可测量范围的该第一测量相位角转换成具有与该扩展范围相位角相关联的扩展明确可测量范围的细化扩展相位角。
该信号处理电路可以被配置为通过以下操作将该第一测量相位角转换成相对应的细化扩展相位角：乘法压缩该第一测量相位角，并且加法平移所压缩的第一测量相位角，从而展开所压缩的第一测量相位角。
用于压缩该第一测量相位角的压缩比率可以是比例常数；并且该信号处理电路可以被配置为通过评估该第一明确可测量范围与该扩展明确可测量范围的比率来计算该比例常数。
该信号处理电路可以被配置为使用所压缩的第一测量相位角和该扩展范围相位角之间的差来计算该第一测量相位角的卷叠重复数量；并且该信号处理电路可以被配置为使用该卷叠重复数量来展开所压缩的第一测量相位角。
该信号处理电路可以被配置为通过加上基于该卷叠重复数量和由该比例常数缩放的最高角度范围值的缩放平移值来展开该第一测量相位角。
该信号处理电路可以被配置为将具有与该第一测量相位角相关联的第一明确可测量范围的该第一测量相位角转换成具有与该扩展范围相位角相关联的第一扩展明确可测量范围的第一细化扩展相位角；该信号处理电路还可以被配置为将具有与该第二测量相位角相关联的第二明确可测量范围的该第二测量相位角转换成具有与该扩展范围相位角相关联的第二扩展明确可测量范围的第二细化扩展相位角；并且该信号处理电路可以被配置为计算该第一细化扩展相位角和该第二细化扩展相位角的平均值。
该信号处理电路可以被配置为通过以下操作将该第一测量相位角和该第二测量相位角转换成相对应的第一细化扩展相位角和第二细化扩展相位角：分别乘法压缩该第一测量相位角和该第二测量相位角，并且分别加法平移所压缩的第一测量相位角和所压缩的第二测量相位角，从而展开所压缩的第一测量相位角和所压缩的第二测量相位角。
该信号处理电路可以被配置为在将所求和的第一测量相位角和第二测量相位角转换成具有与该扩展范围相位角相关联的扩展明确可测量范围的细化扩展相位角之前，对该第一测量相位角和该第二测量相位角求和。
该信号处理电路可以被配置为通过以下操作将该第一测量相位角和该第二测量相位角的和转换成相对应的细化扩展相位角：乘法压缩该第一测量相位角和该第二测量相位角的和，并且加法平移第一测量相位角和第二测量相位角的所压缩的和，从而展开第一测量相位角和第二测量相位角的所压缩的和。
用于压缩该第一测量相位角和该第二测量相位角的和的压缩比率可以是比例常数；并且该信号处理电路可以被配置为通过计算关于该第一测量相位角和该第二测量相位角的和的组合明确可测量范围，并且评估所计算的组合明确可测量范围与该扩展明确可测量范围的比率来计算该比例常数。
根据本发明的第二方面，提供了一种扩展光学距离计算装置的可测量范围的方法，该方法包括：光源根据间接飞行时间测量技术发射射线，该光源根据预定频率选择方案选择性地在第一调制频率和第二调制频率处调制该射线；光子混合器单元生成并存储多个电输出信号，该多个电输出信号分别与根据该间接飞行时间测量技术施加的相位偏移值相对应并且关于所选的调制频率；以及信号处理电路处理关于该第一调制频率的第一数量的该多个电输出信号，以便计算第一测量向量和根据该第一测量向量计算第一测量相位角，并且处理关于该第二调制频率的第二数量的该多个电输出信号，以便计算第二测量向量和根据该第二测量向量计算第二测量相位角；其中该信号处理电路计算该第一测量相位角和该第二测量相位角之间的相位角差，并将校正值施加到该相位角差以产生扩展范围相位角；并且该信号处理电路使用该扩展范围相位角来计算去混叠范围。
根据本发明的第三方面，提供了一种扩展光学距离计算装置的可测量范围的方法，该方法包括：根据间接飞行时间测量技术发射射线，根据预定频率选择方案选择性地在第一调制频率和第二调制频率处调制该射线；生成并存储多个电输出信号，该多个电输出信号分别与根据该间接飞行时间测量技术施加的相位偏移值相对应并且关于所选的调制频率；以及处理关于该第一调制频率的第一数量的该多个电输出信号，以便计算第一测量向量和根据该第一测量向量计算第一测量相位角，并且处理关于该第二调制频率的第二数量的该多个电输出信号，以便计算第二测量向量和根据该第二测量向量计算第二测量相位角；计算该第一测量相位角和该第二测量相位角之间的相位角差，并将校正值施加到该相位角差以产生扩展范围相位角；以及使用该扩展范围相位角来计算去混叠范围。
因此，提供一种减轻可归因于间接飞行时间测量技术固有的混叠效应的可检测范围的限制的装置和方法是可能的。在这方面，该装置和方法使得能够生成与更长的检测范围相对应的相位角测量。该方法和装置还可以使用简单的计算技术来实现，从而避免计算密集型技术的时间、成本和能量损失。此外，该装置和方法实现了抗混叠，但不以所计算的相位角的信噪比为代价。
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光学距离计算装置的示意图；
图2是图1的去混叠单元的示意图；
图3是由图1和图2的装置执行并且构成本发明的另一个实施例的扩展可测量范围的方法的流程图；
图4是在第一相对调制频率条件下并且在由图2的去混叠单元处理之前的范围混叠的图；
图5是在第一相对调制频率条件下的相位角差和校正相位角的图；
图6是在第一相对调制频率条件下由图2的去混叠单元生成的去混叠相位角的图；
图7是在第二相对调制频率条件下并且在图2的去混叠单元之前的范围混叠的图；
图8是在第二相对调制频率条件下的相位角差和校正相位角的图；
图9是在第二相对调制频率条件下由图2的去混叠单元生成的去混叠相位角的图；
图10是构成本发明的又一个实施例的图2的去混叠单元的替代去混叠单元的示意图；
图11是由图1和图10的装置执行并且构成本发明的进一步实施例的扩展可测量范围的另一个方法的流程图；
图12是在第一相对调制频率条件下并且在由图10的替代去混叠单元处理之前的范围混叠的图；
图13是在第一相对调制频率条件下由图10的替代去混叠单元生成的去混叠相位角的图；
图14是构成本发明的另一个实施例的另一个光学距离计算装置的示意图；
图15是图14的相位角细化单元的示意图；
图16是由图14和图15的装置执行并且构成本发明的又一个实施例的扩展可测量范围的方法的流程图；
图17是示出了在第一相对调制频率条件下并且在由图14和图15的装置的去混叠单元和相位角细化单元处理之前的范围混叠的图；
图18是在第一相对调制频率条件下由图14的装置生成的去混叠相位角的图；以及
图19是基于由图1的装置计算的扩展范围相位角和由图14的装置计算的细化扩展相位角对距离中的误差进行比较的图。
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，间接飞行时间距离计算装置100包括电磁辐射源(未示出)，例如激光二极管(LD)或发光二极管(LED)。在该示例中，电磁辐射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102，该光学接收器光子混合器像素设备102包括光电二极管104，该光电二极管104具有可操作地耦合到地电位的阳极和耦合到光子混合器106的第一输入的阴极，该光子混合器106的输出耦合到积分器108的输入。在该示例中，为了描述的简洁和清晰，正在描述单个光子混合器像素设备102。然而，技术人员将理解，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。
相位信号发生器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相位偏移集合中选择：[θ0,θ1,…,θm-1]。相位信号发生器112的输出耦合到光子混合器106的第二输入。
积分器108的输出耦合到数字傅里叶变换(DFT)单元110的输入。DFT单元110由装置100的信号处理电路(未示出)来支持。在这方面，相位角测量被串行地传输到DFT单元110，从而减少了用于检测和测距模块的存储器需求。DFT单元110包括内部缓冲器(未示出)以支持来自积分器108的测量的串行传输。为了支持该布置，DFT单元110可操作地耦合到由信号处理电路支持的时序控制单元116以保持数据处理的同步。
时序控制单元116具有同步输出118，该同步输出118可操作地耦合到DFT单元110的时序输入120。时序控制单元116的控制输出122耦合到相位信号发生器112的控制输入114。
DFT单元110具有多个数字同相(I)/正交(Q)输出126。在该示例中，DFT单元110包括与测得的信号的不同谐波相对应的b对数字I/Q输出。由于积分器108的输出是累积电荷，因此在该示例中，在模拟域中，积分器108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108或在DFT单元110之前提供模-数转换器来实现。
与接收到的反射光信号的一次谐波有关的多个数字I/Q输出126中的第一对I/Q输出耦合到相位角计算单元，例如由信号处理电路支持的反正切单元124。在该示例中，反正切单元124包括帧缓冲器(未示出)，该帧缓冲器串行地接收所计算的相位角，并且在该反正切单元124的第一相位角输出128和第二相位角输出130处提供所计算的相位角对，尽管应当理解，在其他示例中帧缓冲器可以与反正切单元124分离。第一相位角输出128耦合到范围去混叠单元134的第一相位角输入132，该范围去混叠单元134也由信号处理电路支持。第二相位角输出130耦合到范围去混叠单元134的第二相位角输入136。范围去混叠单元134还包括明确范围比较结果输入138和阈值输入140。范围去混叠单元134进一步包括扩展相位角输出142。
转到图2，范围去混叠单元134包括第一输入选择器144，该第一输入选择器144具有第一输入、第二输入和输出。范围去混叠单元134还包括第二输入选择器146，该第二输入选择器146同样具有第一输入、第二输入和输出。第一输入选择器144的第一输入耦合到范围去混叠单元134的第一相位角输入132，并且第一输入选择器144的第二输入耦合到第二相位角输入136。第二输入选择器146的第一输入耦合到第二相位角输入136，并且第二输入选择器146的第二输入耦合到第一相位角输入132。第一输入选择器和第二输入选择器耦合到明确范围比较结果输入138。第一输入选择器144的输出耦合到第一求和单元148的第一正输入，并且第二输入选择器146的输出耦合到第一求和单元148的第二负输入。第一求和单元148的输出耦合到第二求和单元150的第一输入。第一求和单元148的输出还耦合到比较器152的第一输入。比较器152的第二输入耦合到范围去混叠单元134的阈值输入140。比较器的输出耦合到第一乘法器单元154的第一输入，第一乘法器单元154的第二输入耦合到提供恒定2π输出值的源(未示出)。第一乘法器单元154的输出耦合到第二求和单元150的第二输入，第二求和单元150的输出耦合到范围去混叠单元134的扩展相位角输出142。
在操作(图3)中，光源发射(步骤200)照射场景的连续波光信号。在该示例中，光源发射交替次序的光信号：第一调制频率处的第一光信号，随后为第二调制频率处的第二光信号。第一调制频率和第二调制频率处的发射在时间帧上发生，并且在该示例中，相等地共享时间帧的持续时间。在这方面，第一调制频率处的第一光信号的发射发生在时间帧的第一半部分，并且第二调制频率处的第二光信号的发射发生在该时间帧的第二半部分。这种所发射的调制频率的交替模式在随后的时间帧上重复。调制频率之间的切换由时序控制单元116控制。
为了简单起见，场景中的至少一个对象将在下文中被称为对象，其反射以不同调制频率发射的光信号。在这方面，第一调制频率处的射线和第二调制频率处的射线分别从场景中的对象背向散射，并且该背向散射的射线中的一些被光子混合器像素设备102接收(步骤202)。
相位信号发生器112同步于第一光信号和第二光信号的发射的时序，以第一调制频率生成第一连续波电信号并以第二调制频率生成第二连续波电信号。再次，时序控制单元116控制调制频率的选择，但是也在应用于第一电信号和第二电信号的相位偏移集合中循环。还通过同步输出118将同步信号施加到DFT单元110。
通过将由相位信号发生器112生成的第一电信号施加到光子混合器106，对由对象背向散射并入射到光子混合器像素设备102上的第一调制频率处的第一射线进行解调(步骤204)。第一电信号的相位偏移在上文所提及的相位偏移集合中循环，并且电荷的数字表示存储在积分器108中，并且因此关于每个相位偏移进行测量。
在光子混合器106接收到第一射线之后，还通过将由相位信号发生器112生成的第二电信号施加到光子混合器106，对由对象背向散射并入射到光子混合器像素设备102上的第二调制频率处的第二射线进行解调(步骤204)。第二电信号的相位偏移在上文所提及的相位偏移集合中循环，并且电荷的数字表示存储在积分器108中，并且因此关于每个相位偏移进行测量。
因此，对于每个调制频率，接收到的第一射线和接收到的第二射线的测量包括相位偏移测量集合，然后该相位偏移测量集合由DFT单元110串联地接收并转换为构成I/Q向量V的一对I/Q输出(步骤204)，该向量表示关于该接收到的第一射线和随后接收到的第二射线的基频的模拟电测量的相位角。在这方面，积分器108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的累积电荷电平。DFT单元110针对每个帧循环，计算关于接收到的第一射线或接收到的第二射线分别串联接收到的相位分离振幅测量的第一和第二中间I和Q值，该第一和第二中间I和Q值分别在帧(测量)循环上累积以生成相对应的第一和第二I和Q值结果。此类布置的操作包括使用DFT单元110关于每个相关联的传入相位角测量迭代地计算各自的向量。DFT单元110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。
在电测量信号被转换到频域之后，由DFT单元110在其输出处提供关于接收到的第一射线和随后接收到的第二射线的基频的I值和Q值。在该示例中，同步信号确保DFT单元110的当前测量帧的基频I/Q输出同步地由反正切单元124接收。然后根据间接飞行时间测量技术，反正切单元124(步骤206)根据基频I和Q值来计算关于接收到的第一射线的向量V1的第一角度，然后根据基频I和Q值来计算关于接收到的第二射线的向量V2的第二角度，该第一角度构成了复平面中的第一提取(测得)计算的相位角
Figure BDA0002924535620000121
该第二角度构成了复平面中的第二提取(测得)计算的相位角
Figure BDA0002924535620000122
该第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000124
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000123
被分别提供作为第一相位角输出128和第二相位角输出130处的输出。
该第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000125
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000126
被范围去混叠单元134接收，以便计算扩展(范围)相位角
Figure BDA0002924535620000127
然后，所计算的扩展相位角可被用于使用相位角、明确范围和距离之间的已知关系来计算去混叠范围。扩展相位角
Figure BDA0002924535620000128
的计算方式如下文所示。
如图4所示，第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000129
和第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001210
解析不同的最大范围。第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001211
具有第一卷叠点300，并且第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001212
具有第二卷叠点302。对于给定的光子混合器像素设备，相位角之间的差
Figure BDA00029245356200001316
如下所示。
Figure BDA0002924535620000131
其中UR1是关于第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001317
的第一明确范围，UR2是关于第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000132
的第二明确范围，d是到被测量的对象的距离，并且k1和k2是表示各自的混叠的数量的整数值。第一明确范围UR1和第二明确范围UR2构成本文稍后使用的各自的混叠参数。重新布置等式(3)得到以下表达式。
Figure BDA0002924535620000133
从等式(4)可以看出，相位角差
Figure BDA0002924535620000134
在新的、扩展的、明确范围URext的边界处接近零：
Figure BDA0002924535620000135
根据等式(5)，假设相位角差
Figure BDA0002924535620000136
在-2π和+2π之间，因为第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000137
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000138
中的每一个都在0到2π内。此外，假设相位角差
Figure BDA0002924535620000139
在扩展明确范围URext内与距离d单调相关。
根据上面的等式(5)，存在两个用例：
Figure BDA00029245356200001318
和
Figure BDA00029245356200001319
因此，根据调制频率和明确范围(等式(1))之间的关系，该两个用例也可以用明确范围表示：UR1<UR2，和UR1>UR2。如上文所使用的，还应当理解，调制频率也构成混叠参数。
图4到图6涉及第一用例，其中UR1小于UR2。参考图5，相位角差
Figure BDA00029245356200001310
在扩展明确范围URext上随着距离d的增加而增大，并且等式(4)的Δk跟踪第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001311
和第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001312
的卷叠(wrap)状态的差异。因此，Δk根据提取相位角中的两者还是仅一者已经卷叠而重复或切换其整数值。在该示例中，Δk为单位(正)，尽管在最高调制频率的幅度大于所采用的最低调制频率的幅度的两倍的其他示例中，Δk的幅度可以大于单位。根据图4，可以看出第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001313
在第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001314
之前卷叠。这样，再次参考图5，其中第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001315
已经卷叠，但是第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000141
还没有卷叠，相位角差
Figure BDA0002924535620000142
移位了-2π。结果，使用关于-2π移位的这种信息，扩展相位角
Figure BDA0002924535620000143
计算如下：
Figure BDA0002924535620000144
因此，通过将校正角
Figure BDA0002924535620000145
施加到所计算的相位角差
Figure BDA0002924535620000146
Figure BDA0002924535620000147
来计算扩展相位角
Figure BDA0002924535620000148
其中校正角
Figure BDA0002924535620000149
为：
Figure BDA00029245356200001410
现在，采取其中UR1大于UR2的第二用例(图7到图9)，相位角差
Figure BDA00029245356200001411
在扩展明确范围URext上随着d的增加而增大，并且等式(4)的Δk再次跟踪第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001412
和第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001413
的卷叠状态的差异。因此，Δk根据提取相位角中的两者还是仅一者已经卷叠而重复或切换其整数值。在该示例中，Δk为单位(负)，尽管在最高调制频率的幅度大于所采用的最低调制频率的幅度的两倍的其他示例中，Δk的幅度可以大于单位。不过根据图7，可以看出第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001414
现在在第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001415
之前卷叠。这样，再次参考图8，其中第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001416
已经卷叠，但是第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001417
还没有卷叠，相位角差
Figure BDA00029245356200001418
移位了+2π。结果，使用关于+2π移位的这种信息，扩展相位角
Figure BDA00029245356200001419
计算如下：
Figure BDA00029245356200001420
因此，再次通过将校正角
Figure BDA00029245356200001421
施加到所计算的相位角差
Figure BDA00029245356200001422
的负值
Figure BDA00029245356200001423
来计算扩展相位角
Figure BDA00029245356200001424
其中校正角
Figure BDA00029245356200001425
为：
Figure BDA00029245356200001426
在这两个用例中，通过与零比较，可以很容易地标识卷叠点。然而，作为对其中所计算的提取相位角是有噪声的实现方式的预防措施，可以取代地使用构成判决阈值
Figure BDA00029245356200001427
的相位角卷叠阈值，并取决于第一调制频率和第二调制频率的相对幅度将判决阈值
Figure BDA00029245356200001428
设置为略高于或略低于零的适当值，以促进可靠地标识提取相位角的卷叠。
返回参考图4并特别参考图2，在由反正切单元124生成第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000151
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000152
之后，分别在范围去混叠单元134的第一相位角输入132和第二相位角输入136处接收该第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000153
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000154
当然，因为由于所发射的光信号以及第一电信号和第二电信号的调制频率的设置的交替性质使得第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000155
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000156
是串行地生成的，所以第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000157
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000158
中的一者由反正切单元124缓冲，直到第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000159
和第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001510
中的两者都被接收以进行处理。
在这方面，一旦接收到第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001511
和第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001512
两者，则接收指示第一明确范围UR1是否小于第二明确范围UR2的控制信号。为了描述的简单和清楚，本文不描述对该不等式的评估。然而，本领域技术人员将会理解，在本示例中，装置100的检测和测距模块的信号处理电路的另一个功能模块执行此类评估并提供该控制信号。
响应于该控制信号，第一输入选择器144和第二输入选择器146被致动以将第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001513
连接到第一求和单元148的正输入并且将第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001514
连接到第一求和单元148的负输入，或者将第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001515
连接到第一求和单元148的负输入并且将第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001516
连接到第一求和单元148的正输入。因此在这方面，可以看出校正角
Figure BDA00029245356200001517
和校正方式取决于产生控制信号的上述混叠参数(
Figure BDA00029245356200001528
相对于
Figure BDA00029245356200001529
或UR1相对于UR2)的比较结果。
然后，根据上述的合适的用例，取决于对上述的明确范围不等式的评估，由第一求和单元148执行第一提取相位角和第二提取相位角的减法。在这方面，控制信号被用于选择由第一求和单元148执行的减法运算的被减数，该选择基于上文所提及的混叠参数的比较结果。因此，根据通过评估UR1是否小于UR2而确定的相关用例，第一求和单元148生成相位角之间的差
Figure BDA00029245356200001518
(步骤208)。然后由比较器152将所计算的相位角差
Figure BDA00029245356200001519
与判决阈值
Figure BDA00029245356200001520
进行比较，以便标识(步骤210)相位角差
Figure BDA00029245356200001521
是否已经到达卷叠点。如果相位角差
Figure BDA00029245356200001522
在卷叠点处或已经超过卷叠点，则需要在相位角差
Figure BDA00029245356200001523
上加2π。为了实现这一点，比较器152取决于相位角差
Figure BDA00029245356200001524
是否小于判决阈值
Figure BDA00029245356200001525
来提供逻辑0或逻辑1的二进制输出。在相位角差
Figure BDA00029245356200001526
小于判决阈值
Figure BDA00029245356200001527
的情况下，比较器152在其输出处生成逻辑1，否则，比较器152生成逻辑0。乘法器单元154将比较器152的输出与乘法器单元154的第二输入处的2π相乘。乘法器单元154的乘法结果被传递到第二求和单元150。在比较器生成逻辑1的情况下，乘法器单元154的输出为2π(步骤212)，否则，输出为0(步骤214)。这样，取决于相位角差
Figure BDA0002924535620000161
在第一用例的情境下是小于判决阈值
Figure BDA0002924535620000162
还是大于或等于判定阈值
Figure BDA0002924535620000163
2π被选择性地加到相位角差
Figure BDA0002924535620000164
(步骤216)。第二求和单元150向相位角差
Figure BDA0002924535620000165
加2π或者0以产生扩展相位角
Figure BDA0002924535620000166
在扩展相位角输出142处输出(步骤218)该扩展相位角
Figure BDA0002924535620000167
使用由范围去混叠单元134计算的扩展(去混叠)相位角
Figure BDA0002924535620000168
装置100随后使用相位角(在本示例中为扩展相位角
Figure BDA0002924535620000169
)、明确范围和距离之间的已知关系来计算到对象的去混叠距离，并且因此使用扩展相位角
Figure BDA00029245356200001610
对与扩展相位角
Figure BDA00029245356200001611
相对应的扩展明确范围进行缩放。
重复上述步骤(步骤202到步骤218)直到不再需要距离测量。
由于第一相位角
Figure BDA00029245356200001612
和第二相位角
Figure BDA00029245356200001613
的范围在0和2π之间，因此在另一个示例中，相位角的范围可以映射到具有0和2n-1之间的值的n位二进制字上，并因此由n位二进制字表示。作为该映射的结果，相位角差
Figure BDA00029245356200001614
的计算是模2π算术运算，因此不需要施加前述示例的校正角
Figure BDA00029245356200001615
这样，扩展相位角
Figure BDA00029245356200001616
的计算简化为：
Figure BDA00029245356200001617
参考图10，通过反正切单元124使用从DFT单元110获取的所计算的I和Q值结果，来生成第一相位角
Figure BDA00029245356200001618
和第二相位角
Figure BDA00029245356200001619
来实现扩展相位角
Figure BDA00029245356200001620
的该计算，该计算使用到n位二进制字的相位角映射。
在该示例中，范围去混叠单元134包括第一输入选择器144，该第一输入选择器144具有第一输入、第二输入和输出。范围去混叠单元134还包括第二输入选择器146，该第二输入选择器146同样具有第一输入、第二输入和输出。第一输入选择器144的第一输入耦合到范围去混叠单元134的第一相位角输入132，并且第一输入选择器144的第二输入耦合到第二相位角输入136。第二输入选择器146的第一输入耦合到第二相位角输入136，并且第二输入选择器146的第二输入耦合到第一相位角输入132。第一输入选择器和第二输入选择器耦合到明确范围比较结果输入138。第一输入选择器144的输出耦合到第三数字求和单元156的第一正输入，并且第二输入选择器146的输出耦合到第三数字求和单元156的第二负输入。第三求和单元148的输出耦合到范围去混叠单元134的扩展相位角输出142。
参考图11，图1和图10的装置操作如下。
如上文关于前述示例所述，光源发射(步骤300)照射场景的连续波光信号。在该示例中，光源发射交替次序的光信号：第一调制频率处的第一光信号，随后为第二调制频率处的第二光信号。
场景中的至少一个对象反射在不同调制频率处的所发射的光信号。在这方面，第一调制频率处的射线和第二调制频率处的射线分别从场景中的对象背向散射(步骤302)，并且被光子混合器设备或单元102接收(步骤302)。
以上述方式施加相位偏移电信号，由光子混合器设备102接收到的第一背向散射射线和第二背向散射射线被解调(步骤304)并且被传递到DFT单元110，该DFT单元110计算关于接收到的第一射线和随后接收到的第二射线的基频的I值和Q值，该I值和Q值由DFT单元110在其输出处提供。然后根据间接飞行时间测量技术，反正切单元124(步骤306)根据基频I和Q值来计算关于接收到的第一射线的第一向量V1的第一角度，然后根据基频I和Q值来计算关于接收到的第二射线的第二向量V2的第二角度，该第一角度构成了复平面中的第一提取(测得)计算的相位角
Figure BDA0002924535620000171
该第二角度构成了复平面中的第二提取(测得)计算的相位角
Figure BDA0002924535620000172
然而，在该示例中，反正切单元124附加地将在0到2π的期望范围内的所计算的第一相位角
Figure BDA0002924535620000173
和第二相位角
Figure BDA0002924535620000174
表示为离散n位数，即，使用预定的n位量化空间(例如8位量化空间)，并将它们提供给具有如图10所示的架构的范围去混叠单元134。在该示例中，代替相对于阈值评估所计算的相位角差
Figure BDA0002924535620000175
以便确定是否需要校正角
Figure BDA0002924535620000176
简单地计算相位角差
Figure BDA0002924535620000177
因为关于第一相位角
Figure BDA0002924535620000178
和第二相位角
Figure BDA0002924535620000179
的卷叠不需要校正，因为使用第一量化相位角
Figure BDA00029245356200001710
和第二量化相位角
Figure BDA00029245356200001711
的减法运算固有地施加校正角
Figure BDA00029245356200001712
这样，在由反正切单元124生成第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000181
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000182
之后，分别在范围去混叠单元134的第一相位角输入132和第二相位角输入136处接收该第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000183
和第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001827
当然，因为由于所发射的光信号以及第一电信号和第二电信号的调制频率的交替性质使得第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000184
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000185
是串行地生成的，所以第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000186
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000187
中的一者由反正切单元124缓冲，直到第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000188
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000189
中的两者都被接收以进行处理。
在这方面，一旦接收到数字化的第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001810
和第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001811
两者，则以与上文关于前述示例所述的方式类似的方式接收指示第一明确范围UR1是否小于第二明确范围UR2的控制信号。再次，为了描述的简单和清楚，本文不描述对该不等式的评估。
响应于该控制信号，第一输入选择器144和第二输入选择器146被致动以将第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001812
连接到第三数字求和单元156的正输入并且将第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001813
连接到第三求和单元156的负输入，或者将第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001814
连接到第三求和单元156的负输入并且将第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001815
连接到第三求和单元156的正输入。然后，根据上述的合适的用例，取决于对上述的明确范围不等式的评估，由第三求和单元156执行第一提取相位角和第二提取相位角的减法(步骤310)。在这方面，控制信号被用于选择由第三求和单元156执行的减法运算的被减数，该选择基于上文所提及的混叠参数的比较结果。因此，根据通过评估UR1是否小于UR2而确定的相关用例，第三求和单元156生成相位角之间的差
Figure BDA00029245356200001816
然后，所计算的相位角差
Figure BDA00029245356200001817
被用作扩展去混叠相位角
Figure BDA00029245356200001818
在扩展相位角输出142处输出(步骤312)该扩展去混叠相位角
Figure BDA00029245356200001819
使用由范围去混叠单元134计算的扩展(去混叠)相位角
Figure BDA00029245356200001820
装置100的信号处理电路随后使用相位角(在本示例中为扩展相位角
Figure BDA00029245356200001821
)、明确范围和距离之间的已知关系来计算到对象的去混叠距离，并且因此，使用扩展相位角
Figure BDA00029245356200001822
对与扩展相位角
Figure BDA00029245356200001823
相对应的扩展明确范围进行缩放。
重复上述步骤(步骤300到步骤312)直到不再需要距离测量。
转到图12，在UR1小于UR2的情境下，从第一相位角
Figure BDA00029245356200001824
减去第二相位角
Figure BDA00029245356200001825
得到图13的去混叠扩展相位角
Figure BDA00029245356200001826
在另一个示例(图14)中，通过使用缩放技术，可以对来自使用两个不同调制频率进行的相位角测量的噪声贡献进行平均。这是通过将第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000191
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000192
中的一者变换成为细化扩展相位角
Figure BDA0002924535620000193
来实现的，该第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000194
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000195
分别具有与之相关联的第一明确范围UR1和第二明确范围UR2，该细化扩展相位角
Figure BDA0002924535620000196
具有与之相关联的扩展明确范围URext。例如，对第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000197
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000198
中的所选的提取相位角进行乘法压缩，然后进行加法展开(unwrap)和解压缩。
在这方面，选择与扩展明确范围URext相关联的第一明确范围UR1和第二明确范围UR2中的一者URl，以便计算细化相位角
Figure BDA0002924535620000199
该细化相位角
Figure BDA00029245356200001910
在卷叠和缩放的方面跟踪所选的明确范围URl和扩展明确范围URext之间的关系。该细化相位角
Figure BDA00029245356200001911
同样具有与上文前述示例中计算的扩展相位角
Figure BDA00029245356200001912
相同的梯度。细化相位角
Figure BDA00029245356200001913
计算如下，该细化相位角
Figure BDA00029245356200001914
构成了从第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001915
和第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001916
中选择的提取相位角的压缩版本。
Figure BDA00029245356200001917
其中
Figure BDA00029245356200001918
是从第一相位角
Figure BDA00029245356200001919
和第二相位角
Figure BDA00029245356200001920
中选择的相位角(图17)，并且与第一明确范围UR1和第二明确范围UR2中的一者相对应。S是构成压缩比的缩放因子，其为上述等式(11)中的比例常数并且由以下比率定义。
Figure BDA00029245356200001921
例如，并且参考图18，选择第一明确范围UR1和第一提取相位角
Figure BDA00029245356200001922
仍然得到如上文所指示地卷叠的细化相位角
Figure BDA00029245356200001930
(实际上，应当理解，如果选择第二明确范围UR2和第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001923
也会类似地发生细化相位角
Figure BDA00029245356200001924
的卷叠，但遵循第二提取相位角
Figure BDA00029245356200001925
的卷叠)。这样，就有必要按照以下方式调整细化相位角
Figure BDA00029245356200001926
以便得到细化扩展相位角
Figure BDA00029245356200001927
Figure BDA00029245356200001928
其中U定义如下。
Figure BDA00029245356200001929
其中nint是舍入到方括号中的评估结果的最接近整数值的函数，并且产生U，U为细化相位角
Figure BDA0002924535620000201
的卷叠复制品的数量，该U构成了与接收到的被对象散射的射线相对应的所选的提取相位角
Figure BDA0002924535620000202
的卷叠重复数量。该方法用于去除扩展相位角
Figure BDA0002924535620000203
的噪声贡献，同时通过缩放因子S对所选的提取相位角
Figure BDA0002924535620000204
的噪声贡献进行缩放。
尽管在上述示例中，使用明确范围来计算缩放因子S，但是缩放因子S可以替代地通过评估第一调制频率和第二调制频率之间的差与所选的调制频率的商来计算。
参考图14，为了实现上述技术，图1的装置100被调整为使得除了范围去混叠单元134之外，信号处理电路还支持相位角细化单元158。相位角细化单元158包括第一相位角输入160和第二相位角输入162。以与范围去混叠单元134相似的方式，相位角细化单元158的第一相位角输入160耦合到反正切单元124的第一相位角输出128，并且相位角细化单元158的第二相位角输入162耦合到反正切单元124的第二相位角输出130。相位角细化单元158还包括缩放因子输入164和扩展相位角输入166，该扩展相位角输入166耦合到范围去混叠单元134的扩展相位角输出142。相位角细化单元158进一步包括调制频率指数输入168和细化扩展相位角输出170。
转到图15，相位角细化单元158包括第三输入选择器172，该第三输入选择器172具有第一输入、第二输入和输出。第三选择器172还可操作地耦合到调制频率指数输入168。第三输入选择器172的第一输入耦合到第一相位角输入160，并且第三输入选择器172的第二输入耦合到第二相位角输入162。第三输入选择器172的输出耦合到第二乘法器单元174的第一输入，第二乘法器单元174的第二输入耦合到缩放因子输入164。第二乘法器单元174的输出耦合到第四求和单元176的第一输入，第四求和单元176的输出耦合到细化扩展相位角输出170。第二乘法器单元174的输出还耦合到用作减法器的第五求和单元178的负输入。第五求和单元178的正输入耦合到扩展相位角输入166。第五求和单元178的输出耦合到第三乘法器单元180的第一输入，该第三乘法器单元180的第二输入耦合到提供恒定1/(2πS)输出值的源(未示出)。第三乘法器单元180的输出可操作地耦合到最接近整数计算单元182，该最接近整数计算单元182的输出耦合到第四乘法器单元184的输入。第四乘法器单元184的第二输入耦合到提供恒定2πS输出值的另一个源(未示出)。第四乘法器单元184的输出耦合到第四求和单元176的第二输入。
在操作(图16)中，如上文关于与图1相关的先前示例中的一个所述来计算扩展相位角
Figure BDA0002924535620000211
然而，在该示例中，使用第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000212
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000213
中的一者以及由范围去混叠单元134计算的扩展相位角
Figure BDA0002924535620000214
以便根据等式(11)到等式(14)和图17到图19来计算细化扩展相位角
Figure BDA0002924535620000215
在这方面，相位角细化单元158从反正切单元124接收(步骤400)第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000216
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000217
并从范围去混叠单元134接收扩展相位角
Figure BDA0002924535620000218
如下文进一步所详细描述的，相位角细化单元158还接收第一相位角
Figure BDA0002924535620000219
和第二相位角
Figure BDA00029245356200002110
中的一者的选择的标识。该选择是与其相关的相对应的明确范围URl的隐含选择。尽管未示出，但是图1的信号处理电路被配置为选择(步骤402)明确范围URl和提取相位角
Figure BDA00029245356200002111
并根据等式(12)使用与扩展相位角
Figure BDA00029245356200002112
相对应的扩展明确范围URext来计算(步骤404)缩放因子S并且存储以供后续使用。此后，对于随后的扩展相位角
Figure BDA00029245356200002113
计算，简单地从存储中检取缩放因子S来而不是重复地计算，所以在该示例中步骤404通常仅执行一次。
作为所选的提取相位角
Figure BDA00029245356200002114
的对第一提取相位角
Figure BDA00029245356200002115
或第二提取相位角
Figure BDA00029245356200002116
的选择被施加到调制频率指数输入168，并且所计算的缩放因子S被施加到比例因子输入164。作为施加到调制频率指数输入168的信号的结果，第一提取相位角
Figure BDA00029245356200002117
或第二提取相位角
Figure BDA00029245356200002118
被施加到第二乘法器单元174的第一输入，所计算并且被施加到缩放因子输入164的缩放因子S被施加到第二乘法器单元174的第二输入。因此，将所选的提取相位角
Figure BDA00029245356200002119
乘以(步骤406)缩放因子S，以便根据等式(11)产生细化相位角
Figure BDA00029245356200002120
此后，根据等式(14)，使用细化相位角
Figure BDA00029245356200002121
来计算(步骤408)卷叠复制品数量U。在这方面，第五求和单元178(步骤410)从扩展相位角
Figure BDA00029245356200002122
减去计算出的细化相位角
Figure BDA00029245356200002123
其结果由第三乘法器单元180乘以(步骤412)1/(2πS)。然后，该乘法的结果由最接近整数计算单元182处理(步骤414)，以便计算与接收到的值最接近的整数值，从而计算卷叠复制品数量U。如等式(13)中所述，卷叠复制品数量U然后由第四乘法器单元184乘以(步骤416)2πS以产生缩放平移值，该缩放平移值通过第四求和单元176与由第二乘法器单元174计算出的细化相位角
Figure BDA0002924535620000221
求和(步骤418)，以产生经去混叠的细化扩展相位角
Figure BDA0002924535620000222
在这方面，卷叠复制品数量U与缩放的最高角度范围值(2πS)结合使用，以附加地平移细化相位角
Figure BDA0002924535620000223
并因此展开该细化相位角
Figure BDA0002924535620000224
经展开的细化相位角尽管具有与细化相位角
Figure BDA0002924535620000225
相同的梯度，但仍如上文所暗示地卷叠。然后在细化扩展相位角输出170处提供(步骤420)细化扩展相位角
Figure BDA0002924535620000226
从图19中可以看出，细化扩展相位角
Figure BDA0002924535620000227
信号比扩展相位角
Figure BDA0002924535620000228
信号噪声更小。使用由相位角细化单元158计算出的细化扩展相位角
Figure BDA0002924535620000229
装置100随后使用相位角(在本示例中为细化扩展相位角
Figure BDA00029245356200002210
)、明确范围和距离之间的已知关系来计算到对象的去混叠距离，并且因此，使用细化扩展相位角
Figure BDA00029245356200002211
对与细化扩展相位角
Figure BDA00029245356200002212
相对应的扩展明确范围进行缩放。
重复上述步骤(步骤400到步骤418)直到不再需要距离测量。
在另一个示例中，可以采用上述相位角范围到n位二进制值的映射，从而将由第二乘法器174执行的缩放操作简化为位移位(bit shift)操作。
在上述实施例中，基于与第一提取相位角
Figure BDA00029245356200002213
相关联的第一明确范围UR1是小于还是大于与第二提取相位角
Figure BDA00029245356200002214
相关联的第二明确范围UR2，采用第一提取相位角
Figure BDA00029245356200002215
或第二提取相位角
Figure BDA00029245356200002216
中的一者来计算细化扩展相位角
Figure BDA00029245356200002217
在上述实施例中计算出的去混叠扩展相位角
Figure BDA00029245356200002218
的SNR远大于关于低频调制信号进行的相位角测量的SNR。较低频率的调制信号的使用转换为在较长的距离内的明确范围。从扩展明确范围URext内的细化扩展相位角
Figure BDA00029245356200002219
信号计算出的细粒度距离的限制因子是光功率。在另一个实施例中，可以通过使用可用的提取相位角
Figure BDA00029245356200002220
两者而不是选择其中一者来改进使用关于图14到图16的前述实施例的装置和方法来获取的去混叠扩展相位角
Figure BDA00029245356200002221
的SNR。
在本实施例中，对图15的装置进行修改，使得图15的相位角细化单元包括第一相位角细化电路和第二相位角细化电路。第一相位角细化电路类似于图15的电路，但是省略了第三输入选择器172，并且第一相位角输入160更直接地耦合到第二乘法器单元174。第二相位角细化电路是第一相位角细化电路的副本，并且第二相位角输入162耦合到第二相位角细化电路的相对应的第二乘法器单元。在该示例中，扩展相位角输入166可操作地耦合到第一相位角细化电路和第二相位角细化电路两者的第五求和单元178的各自的正输入。作为上述调整的结果，修改后的相位角细化单元包括关于第一相位角细化电路的第一细化扩展相位角输出170和关于第二相位角细化电路的第二细化扩展相位角输出。在该示例中，第一细化扩展相位角输出和第二细化扩展相位角输出分别耦合到进一步的求和单元的输入，该进一步的求和单元的输出可操作地耦合到除法器的输入，该除法器将输入信号除以二，并在该除法器的输出处提供该除法的结果。除法器的输出构成组合的扩展相位角
Figure BDA0002924535620000231
输出。
在操作中，图14的信号处理电路被配置为根据等式(12)计算关于第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000232
的第一缩放因子S1和关于第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000233
的第二缩放因子S2，而不是单个缩放因子S。以上文相对于图15所述的方式，分别关于第一相位角细化电路的第三乘法器单元180和第四乘法器单元184施加第一缩放因子S1(即，1/(2πS1)和2πS1)。类似地，以相似的方式，分别关于第二相位角细化电路的第三乘法器单元和第四乘法器单元施加第二缩放因子S2(即，1/(2πS2)和2πS2)。第一相位角细化电路和第二相位角细化电路以与上文相对于图15和图16所述的方式相似的方式操作，但是使用上述第一缩放因子S1和第二缩放因子S2。以与相对于图15和图16所述的方式相似的方式，第一相位角细化电路和第二相位角细化电路分别生成第一扩展相位角
Figure BDA0002924535620000234
和第二扩展相位角
Figure BDA0002924535620000235
其通过进一步的求和单元和除法器的组合操作进行平均以产生如上文所提及的组合扩展相位角
Figure BDA0002924535620000236
该进一步的求和单元分别耦合到第一细化扩展相位角输出和第二细化扩展相位角输出。本实施例的装置和方法受益于与单个频率测量相比提高的测量分辨率和提高了近似30％的SNR两者。
如上文相对于前述示例所述的，可以使用位移位操作而不是采用第一相位角细化电路和第二相位角细化电路的第三乘法器单元和第四乘法器单元，来实现由第一缩放因子S1和第二缩放因子S2执行的缩放。
在又一个实施例中，采用比前述实施例更少的硬件元件，而不是复制图15的相位角细化电路使得相位角细化单元包括第一相位角细化电路和第二相位角细化电路，图15的相位角细化电路修改如下。
鉴于图15的相位角细化电路包括经由第三输入选择器172耦合到第二乘法器单元174的第一相位角输入160和第二相位角输入162，在本实施例中，第三输入选择器172被相位角求和单元替换，该相位角求和单元具有可操作地耦合到第一相位角输入160和第二相位角输入162的输入和可操作地耦合到第二乘法器单元174的输出。
在操作中，不是在第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000241
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000242
中的一者之间进行选择，而是由相位角求和单元对第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000243
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000244
求和，并且由修改后的相位角细化电路相对于图15和图16以与所选的提取相位角相似的方式对所求和的相位角
Figure BDA0002924535620000245
进行处理。然而，所采用的缩放因子是基于与第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000246
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000247
相对应的第一明确范围UR1和第二明确范围UR2的缩放因子。在这方面，计算组合明确范围URC：
Figure BDA0002924535620000248
其中c是光速，fmod1和fmod2是照明信号的调制频率。然后，使用该组合明确范围URC来计算缩放因子：
Figure BDA0002924535620000249
由相位角细化电路生成的扩展相位角
Figure BDA00029245356200002410
是去混叠的，并且随着系统与位于扩展明确范围URext内的对象之间的距离单调变化。本实施例的装置和方法受益于与单个频率测量相比提高的测量分辨率和提高了近似30％的SNR两者。
与前述实施例的情境一样，可以使用位移位操作而不是采用相位角细化电路的第三乘法器单元180和第四乘法器单元184，来实现由缩放因子S执行的缩放。
技术人员应当理解，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，应当理解，例如，对于第一调制频率处的第一电信号和第二调制频率处的第二电信号中的每一个施加相同数量的相位偏移是不必要的，并且施加到第一电信号的相位偏移的数量与施加到第二电信号的相位偏移的数量可以不同。实际上，即使对第一电信号和第二电信号施加相同数量或不同数量的相位偏移，相位偏移值也不必相同，或者在不同的相位偏移的数量的情况下，相位偏移值不必重叠。在其他实现方式中，相位偏移不需要以本文所述的循环递增顺序来施加，并且可以关于第一电信号和第二电信号中的每一个单独地或两者采用相位偏移的完全不同的施加顺序。
在上述示例中，第一电信号和第二电信号的交替生成包括在交替模式中的后续电信号生成之前施加到该第一电信号和第二电信号中的每一个的相位偏移的完整集合。然而，本领域技术人员应当理解，可以在较短持续时间内采用在时间帧期间的第一电信号和第二电信号之间的多个交替，并且在该较短持续时间期间仅施加各个相位值的全部集合中的一些。在此类实现方式中，剩余的相位偏移值被施加到第一电信号和第二电信号的一个或多个后续代，从而有效地交织第一电信号和第二电信号以及它们各自施加的相位角集合。例如，可以采用以下模式：f1/p1，f1/p2，f2/p1，f2/p2，f1/p3，f1/p4，f2/p3，f4/p4，f1/p1，f1/p2…。当然，可以采用其他相位偏移和/或频率选择方案。
在上述示例中，在生成第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000251
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000252
两者之后生成去混叠扩展相位角
Figure BDA0002924535620000253
这是一种可能的实现方式，其中装置100在计算去混叠扩展相位角
Figure BDA0002924535620000254
之前等待生成新的第一提取相位角
Figure BDA0002924535620000255
和第二提取相位角
Figure BDA0002924535620000256
然而，在另一个示例中，当提取新的相位角
Figure BDA0002924535620000257
时，可以将紧接新提取的相位角
Figure BDA0002924535620000258
之前提取的相位角
Figure BDA0002924535620000259
与新提取的相位角
Figure BDA00029245356200002510
一起使用，以便计算下一个去混叠扩展相位角
Figure BDA00029245356200002511
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)

1.一种光学距离计算装置，所述装置包括：
光源，所述光源被配置为根据间接飞行时间测量技术发射射线，所述光源被配置为根据预定频率选择方案选择性地在第一调制频率和第二调制频率处调制所述射线；
光子混合器单元，所述光子混合器单元被配置为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施加的相位偏移值相对应并且关于所选的调制频率；以及
信号处理电路，所述信号处理电路被配置为处理关于所述第一调制频率的第一数量的所述多个电输出信号，以便计算第一测量向量和根据所述第一测量向量计算第一测量相位角，并且处理关于所述第二调制频率的第二数量的所述多个电输出信号，以便计算第二测量向量和根据所述第二测量向量计算第二测量相位角；其中
所述信号处理电路被配置为计算所述第一测量相位角和所述第二测量相位角之间的相位角差，并将校正值施加到所述相位角差以产生扩展范围相位角；并且
所述信号处理电路被配置为使用所述扩展范围相位角来计算去混叠范围。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理电路被配置为响应于与所述第一调制频率和所述第二调制频率相关联的各自的混叠参数的比较来施加所述校正值。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述信号处理电路被配置为将所述第一调制频率和所述第二调制频率进行比较。
4.如权利要求2所述的装置，进一步包括：
第一明确可测量范围，所述第一明确可测量范围与所述第一测量相位角相关联；以及
第二明确可测量范围，所述第二明确可测量范围与所述第二测量相位角相关联；其中
所述信号处理电路被配置为将所述第一明确可测量范围和所述第二明确可测量范围进行比较。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述校正值的计算取决于所述各自的混叠参数的所述比较的结果。
6.如前述权利要求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为通过所述相位角差与相位角卷叠阈值的比较，来检测所述相位角差的卷叠。
7.如权利要求1-5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为将所述第一测量相位角量化为第一n位值并且将所述第二测量相位角量化为第二n位值，所述第一n位值和所述第二n位值在n位空间内，所述n位空间表示所述n位空间上在基本为0和基本为2π之间的角度范围；并且
所述信号处理电路被配置为通过使用所量化的第一测量相位角和所量化的第二测量相位角执行减法运算来同时计算所述相位角差并且将所述校正值施加到所述相位角差。
8.如权利要求7所述的装置，当从属于权利要求2时，其特征在于，所述信号处理电路被配置为取决于所述各自的混叠参数的所述比较的所述结果的值，选择所述第一测量相位角或所述第二测量相位角作为所述减法运算的被减数。
9.如权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于，
所述扩展范围相位角具有与所述扩展范围相位角相关联的明确扩展范围；并且
所述信号处理电路被配置为通过使用所述扩展范围相位角对所述明确扩展范围进行缩放，来使用所述扩展范围相位角来计算距离。
10.如权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述信号处理电路被配置为将具有与所述第一测量相位角相关联的第一明确可测量范围的所述第一测量相位角转换成具有与所述扩展范围相位角相关联的扩展明确可测量范围的细化扩展相位角。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，
所述信号处理电路被配置为通过以下操作将所述第一测量相位角转换成相对应的细化扩展相位角：乘法压缩所述第一测量相位角，并且加法平移所压缩的第一测量相位角，从而展开所述所压缩的第一测量相位角。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，
用于压缩所述第一测量相位角的压缩比率是比例常数；并且
所述信号处理电路被配置为通过评估所述第一明确可测量范围与所述扩展明确可测量范围的比率来计算所述比例常数。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，
所述信号处理电路被配置为使用所述所压缩的第一测量相位角和所述扩展范围相位角之间的差来计算所述第一测量相位角的卷叠重复数量；并且
所述信号处理电路被配置为使用所述卷叠重复数量来展开所述所压缩的第一测量相位角。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，
所述信号处理电路被配置为通过加上基于所述卷叠重复数量和由所述比例常数缩放的最高角度范围值的缩放平移值来展开所述第一测量相位角。
15.一种扩展光学距离计算装置的可测量范围的方法，所述方法包括：
光源根据间接飞行时间测量技术发射射线，所述光源根据预定频率选择方案选择性地在第一调制频率和第二调制频率处调制所述射线；
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施加的相位偏移值相对应并且关于所选的调制频率；以及
信号处理电路处理关于所述第一调制频率的第一数量的所述多个电输出信号，以便计算第一测量向量和根据所述第一测量向量计算第一测量相位角，并且处理关于所述第二调制频率的第二数量的所述多个电输出信号，以便计算第二测量向量和根据所述第二测量向量计算第二测量相位角；其中
所述信号处理电路计算所述第一测量相位角和所述第二测量相位角之间的相位角差，并将校正值施加到所述相位角差以产生扩展范围相位角；并且
所述信号处理电路使用所述扩展范围相位角来计算去混叠范围。
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