CN116868082A - 使用有效相位测量的飞行时间检测系统 - Google Patents
使用有效相位测量的飞行时间检测系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116868082A CN116868082A CN202280015377.7A CN202280015377A CN116868082A CN 116868082 A CN116868082 A CN 116868082A CN 202280015377 A CN202280015377 A CN 202280015377A CN 116868082 A CN116868082 A CN 116868082A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- gain
- adc
- single frequency
- received signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 69
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 88
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 33
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 29
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims description 8
- 238000010252 digital analysis Methods 0.000 claims description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 13
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 10
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 10
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 9
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000006870 function Effects 0.000 description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 4
- 101100458289 Drosophila melanogaster msps gene Proteins 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000002366 time-of-flight method Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101150114976 US21 gene Proteins 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 210000003813 thumb Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/491—Details of non-pulse systems
- G01S7/4912—Receivers
- G01S7/4915—Time delay measurement, e.g. operational details for pixel components; Phase measurement
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/06—Systems determining position data of a target
- G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
- G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
- G01S17/36—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/491—Details of non-pulse systems
- G01S7/4912—Receivers
- G01S7/4918—Controlling received signal intensity, gain or exposure of sensor
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
装置和相关方法涉及包括发射器和接收器的选择频率相位测量(SFPM)飞行时间(TOF)系统。发射器可以生成以至少一个频率调制的发射信号。发射信号可以例如是脉冲光信号。接收器可以响应于接收到发射信号从目标物体的反射而生成信号。ADC元件可以数字化由接收元件生成的信号和由调制发射信号的监测信号生成的参考信号。处理元件可以使用数字化信号的单频分析来生成相位信号。可以根据相位信号生成距离测量信号。各种实施例可以例如使用商用处理元件有利地实现亚毫秒传感器响应时间。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求由Ashley Wise于2021年9月17日提交的题为“Time of FlightDetection Systems with Efficient Phase Measurement”的美国临时申请序列号63/261,317的权益。
本申请通过引用将前述申请的全部内容并入本文。
本申请的主题可与下列申请的主题具有共同的发明权和/或可以与下列申请的主题相关：
由Ashley Wise于2017年6月16日提交的题为“Open-Loop Laser Power-Regulation”的美国申请序列号15/625,949，并且该美国申请于2018年5月29日被发布为美国专利号9985414；
由Ashley Wise等人于2021年8月27日提交的题为“Open-Loop Photodiode GainRegulation”的美国申请序列号PCT/US21/71304；
由David S.Anderson等人于2020年10月29日提交的题为“Frequency DomainOpposed-Mode Photoelectric Sensor”的美国申请序列号63/107,311；
由Ashley Wise等人于2020年9月29日提交的题为“Near Range Radar”的美国申请序列号17/036,255；
由Ashley Wise等人于2019年10月21日提交的题为“Near Range Radar”的美国申请序列号62/924,025；
由Ashley Wise等人于2021年8月26日提交的题为“Open-Loop Photodiode GainRegulation”的美国申请序列号17/446,142；以及
由Ashley Wise等人于2020年8月27日提交的题为“Open-Loop Photodiode GainRegulation”的美国申请序列号63/071,080。
本申请通过引用将前述申请的全部内容并入本文。
技术领域
各种实施例总体上涉及相位测量。
概述
装置和相关方法涉及包括发射器和接收器的选择频率相位测量(SFPM)飞行时间(TOF)系统。发射器可以生成以至少一个频率调制的发射信号。发射信号可以例如是脉冲光信号。接收器可以响应于接收到发射信号从目标物体的反射而生成信号。ADC元件可以数字化由接收元件生成的信号和数字化由调制发射信号的监测信号生成的参考信号。处理元件可以使用数字化信号的单频分析来生成相位信号。可以根据相位信号生成距离测量信号。各种实施例可以例如使用商用处理元件有利地实现亚毫秒传感器响应时间。
各种实施例可以实现一个或更多个优点。各种实施例可以，例如，使用基于选择(例如，已知的)频率应用的有效相位计算算法来有利地确定发射信号和接收信号之间的相位偏移。各种实施例可以，例如，使用商用处理电路(例如，廉价的微处理器，通过组合商品级集成电路(IC))有利地实现快速响应时间。例如，一些SFPM实施例可以使用廉价的微处理器在TOF传感器中有利地实现亚毫秒响应时间。各种实施例可以有利地提供有效的、间接的TOF测量系统。例如，一些实施例可以应用多个调制频率来有利地被用于分辨出(disambiguate)超过相移的全波长的距离。一些实施例可以，例如，同时采样发射信号和接收信号，以有利地允许更快的响应速度。一些实施例可以，例如，提供增益控制以有利地跨越1:10000的动态范围或更多的可能输入。
在附图和下面的描述中阐述多种实施例的细节。从描述和附图以及从权利要求中，其他特征和优点将是明显的。
附图简述
图1描绘了在说明性用例场景中采用的示例性选择频率相位测量(SFPM)飞行时间(TOF)传感器。
图2描绘了示例性SFPM TOF系统的示例性框图。
图3描绘了用于检测相位的示例性振幅调制方案。
图4描绘了示例性脉冲串(pulse-train)飞行时间相位检测方案。
图5描绘了被噪声遮蔽的示例性接收检测脉冲。
图6描绘了示例性相位积分方案。
图7描绘了示例性离散接收信号和通过频率分析确定的对应示例性幅度和相位信号。
图8描绘了对应于被噪声遮蔽的弱反射的示例性数字信号。
图9描绘了对应于进行了平均的弱反射的示例性数字信号。
图10描绘了具有增益控制的说明性用例场景中的示例性SFPM TOF系统的示例性框图。
图11描绘了有限采样窗口中的示例性频谱泄漏和频谱插值。
图12描绘了与由监测电路测量的发射信号相比较的，在发射器处接收的示例性信号。
图13描绘了与由监测电路测量的发射信号相比较的，在发射器处接收的示例性信号的示例性相位信号。
图14描绘了可用于分辨出相位的三个频率的示例性集合。
图15描绘了使用SFPM TOF传感器测量距离的示例性方法。
在各个绘图中的相似参考符号表示相似的元素。
说明性实施例的详细描述
为了帮助理解，本文档进行了如下组织。首先，为了帮助介绍各种实施例的讨论，参考图1-图2介绍了选择频率相位测量(SFPM)飞行时间(TOF)传感器。第二，该介绍引出参考图3-图4对TOF传感器的一些示例性实施例的描述。第三，参考图5-图9，描述了实用的测量和确定方法被应用于示例性SFPM TOF传感器。第四，参考图10，讨论转向示出具有高选择性动态增益的SFPM TOF系统的示例性实施例。第五，参考图11-图14，本公开转向实验数据的回顾和基于反射调制波形的相位测量的讨论。第七，该文档参考图15介绍了示例性SFPMTOF方法。最后，该文档讨论了与SFPM TOF距离测量系统相关的另外的实施例、示例性应用和方面。
图1描绘了在说明性用例场景中采用的示例性选择频率相位测量(SFPM)飞行时间(TOF)传感器。在示例性用例场景100中，目标105相对于传感器110之间的距离减小。例如，目标可以是移动物体。例如，目标可以包括传送带上的物体。例如，目标可以包括(一部分)机器。例如，目标可以包括储液器中的流体。传感器110可以例如被配置成测量到目标105的距离。
传感器110包括发射器模块115。发射器模块115发射脉冲发射信号120。脉冲发射信号120至少部分地从目标105反射，导致反射信号125返回到传感器110。反射信号125的相位相对于脉冲发射信号120的相位偏移一个相位偏移φ。传感器110包括接收器模块130。接收器模块130接收反射信号125。
脉冲发射信号120可以例如包括光信号。脉冲发射信号120的调制可以例如是数字调制。脉冲发射信号120的相位可以例如是已知的。如图所示，发射器模块115可操作地耦合到控制器135(例如，包括一个或更多个(微)处理器)。控制器135例如可以监测发射信号的相位。
控制器135可操作地耦合到接收器模块130。控制器135可以被配置成基于φ确定传感器110和目标105之间的距离。接收器模块130可以例如响应于反射信号125而生成接收信号140。接收信号可以例如包括噪声。噪声可以例如包括电路效应。噪声可以例如包括环境光。反射信号125对接收信号140的贡献可能例如被噪声遮蔽。控制器135处理接收信号140以生成对应于反射信号125中的脉冲的信号145。控制器135可以将信号145与对应于脉冲发射信号120中的脉冲的经处理发射信号150进行比较。控制器135确定信号145的振幅(A)。控制器135可以基于信号145和经处理的发射信号150之间的相位差(例如，在频域中)确定φ。在所描绘的示例中，传感器110可以根据相位偏移φ和振幅A确定距离测量值155(例如，与时间的关系，如图所示)。
控制器135可以例如对对应于接收信号140的数字化信号进行操作。控制器135可以例如在接收信号140中的选择频率上进行操作。例如，发射器模块115可以发射包括至少一个已知频率的脉冲发射信号120。例如，控制器135可以仅在已知频率下对接收信号140执行频率分析。频率分析可以包括单频分析算法。单频分析算法可以，例如，包括单仓(bin)离散傅立叶变换算法。频率分析算法可以，例如，包括Goertzel分析。
各种实施例可以，例如，使用基于选择(例如，已知的)频率应用的有效相位计算算法来有利地确定发射信号和接收信号之间的相位偏移。各种实施例可以，例如，使用商用处理电路(例如，廉价的微处理器，通过组合商品级集成电路(IC))有利地实现快速响应时间。例如，一些SFPM实施例可以使用廉价的微处理器在TOF传感器中有利地实现亚毫秒响应时间。各种实施例可以有利地提供有效的、间接的TOF测量系统。
图2描绘了示例性SFPM TOF系统的示例性框图。SFPM TOF系统200包括控制器205(标记为“微控制器”)。控制器205可以包括至少一个处理器。例如，如图所示，控制器205包括微控制器。控制器205可操作地耦合到随机存取存储器模块(RAM存储器210)。控制器205可操作地耦合到程序存储器模块215。例如，程序存储器模块215可以包括指令程序。控制器205可以被配置成执行指令程序。例如，程序存储器模块215可以包括非易失性存储器。
控制器205还可操作地耦合到发射器模块220(例如，发射器模块115)。控制器205可以将调制信号传送到发射器模块220(例如，发射器1005和/或发射器功率模块1010)，使得发射器模块220使用已知调制方案(例如，包括相位)生成信号(例如，脉冲发射信号120)。
监测器光电二极管225可以被配置成监测由发射器模块220发射的信号。例如，由发射器模块220发射的信号可能被信号噪声(例如，由发射器电路引入的噪声)失真。在一些示例中，监测器光电二极管225可以测量具有信号噪声的实际发射信号。在一些实现中，发射器模块可以包括可调整的发射器功率。例如，微控制器205可以增加发射器模块220的增益输出。在一些示例中，使用来自监测器光电二极管225的测量信号可以有利地补偿发射器功率的变化。因此，SFPM TOF系统200可以使用精确的发射信号以进行单频分析。
监测器光电二极管225可操作地耦合到ADC 230。控制器205还可操作地耦合到ADC230。ADC 230可以根据由监测器光电二极管225生成的对应于发射信号的信号生成(数字化的)信号。
ADC 230可以根据从电路235接收的信号生成(数字化的)信号。电路235可以根据从接收器光电二极管240(例如，接收器模块130的一部分)接收的信号生成该信号。接收器光电二极管240可以，例如，接收发射信号的反射(例如，反射信号125)。
各种实施例可以，例如，提供具有小产品尺寸和/或处于低价格点的(工业)距离测量传感器。各种实施例可以，例如，有利地允许使用低成本微处理器电路来代替专用集成电路(ASIC)。例如，微处理器电路可以通过使用一个或更多个集成电路(IC)来实现。因此，这样的实施例可以有利地在ASIC的开发中节省例如数百万美元。
各种实施例可以，例如，有利地允许使用低成本微处理器电路来代替现场可编程门阵列(FPGA)。因此，各种这样的实施例可以有利地允许较小的板尺寸和/或较低的成本。各种实施例可以有利地在没有ASIC、FPGA和/或更高端处理器的情况下实现TOF。
在各种实现中，SFPM TOF系统200基于相位偏移来确定传感器设备(例如，传感器110)与目标物体(例如，目标105)之间的距离，该相位偏移使用来自接收器光电二极管240的接收信号的第一数字单频分析和由监测器光电二极管225测量的参考信号的第二数字单频分析确定。参考信号例如可以基于由发射器模块220发射的调制波形来生成。接收信号例如可以包括调制波形的来自目标物体的反射。例如，接收信号和参考信号可以由ADC 230数字化。例如，第一数字单频分析和第二数字单频分析各自在调制波形的预定驱动频率下执行。
图3描绘了用于检测相位的示例性振幅调制方案。各种实施例可以例如被配置为间接TOF传感器。例如，一些实施例可以被配置成使用振幅调制，如图示300所描绘的。可以在一个或更多个频率下发射(例如，光的)调制波305。接收信号310可以包括与发射的调制波305混合的反射波。在该示例中，接收信号310可以由混频器315处理。混频器315的输出例如可以与调制波305和接收信号之间的相移和/或发射器320和目标325之间的距离成比例。
在一些实现中，可以例如使用多于一个的频率来测量距离。例如，可以有利地采用多个频率来分辨出超过相移的全波长的距离。
图4描绘了示例性脉冲串飞行时间相位检测方案。各种实施例可应用脉冲串TOF的形式，如图示400所描绘的。脉冲串TOF是一种可以发射调制光信号的间接方法。调制光信号可能，例如不一定是正弦波。例如，可以使用模拟延迟锁相环(DLL 405)来处理接收信号，该模拟延迟锁相环可以确定入射光脉冲的相移。
模拟间接TOF方法可能，例如，需要用于模拟混频器(例如，如参考图3所描绘的混频器315)或模拟DLL 405(例如，如参考图4所描绘的)的硬件。在一些示例中，在硬件中执行测量可能要求接收信号的足够的信噪比。
图5描绘了被噪声遮蔽的示例性接收检测脉冲。示例性图示500可以，例如，对应于传输信号505从暗目标的(光)反射和/或在远距离处的(光)反射。在所描绘的示例中，接收信号510可能，例如与噪声太相似而使得模拟测量无效。一些实施例可以提供数字信号处理(例如，混合或脉冲串分析)以降低噪声水平来进行距离测量分析。
图6描绘了示例性相位积分方案。一些实施例可以例如实现相位积分，例如示例性相位积分方案600。相位积分可以，例如，将接收信号从具有低信噪比的信号中的噪声有利地分辨出来。相位积分可以例如对多个脉冲上的电荷进行积分。例如，一些方案可以对数百个或数千个脉冲进行积分。如图所示，在多个预定相移处测量相位测量值。基于测量值，可以基于发射波形的预定调制频率来计算发射器和目标之间的距离。
相位积分可能例如需要很长的积分时间。例如，相位积分可能需要几百微秒或几千微秒，并且可能需要在几个相移周期上重复，导致几十毫秒的总响应时间。相比之下，工业传感器TOF解决方案可能需要亚毫秒的响应时间。长积分时间可能例如使系统非常容易受到环境光噪声的影响。例如，强烈的环境光可能会使信号饱和。
各种实施例可以例如有利地提供有效的间接飞行时间系统。各种实施例可以例如有利地克服模拟相移测量的限制。例如，接收信号可以被数字化。在一些实施例中，接收信号可以例如使用高速模数转换器(例如，如参考图10所描绘的ADC 1040)来数字化。ADC可以例如集成到微处理器中。在各种示例性实施例中，作为示例而非限制，ADC可以具有介于每秒2兆样本(Msps)至7.5Msps之间的能力。在一些实施例中，可以提供专用ADC。ADC可以，例如，具有在几十Msps范围内的处理能力。
在各种实施例中，发射信号(例如，发射的光信号)的调制频率可以低于ADC采样的奈奎斯特频率(Nyquist frequency)。作为说明性示例，如果提供了40Msps ADC，则发射信号可以具有低于20MHz的调制。
图7描绘了示例性离散接收信号和通过频率分析确定的对应示例性幅度和相位信号。在曲线图700中，对接收的ADC采样信号705应用频率分析。频率分析可以，例如，包括快速傅立叶变换(FFT)。频率分析可以，例如，包括离散傅立叶变换(DFT)。频率分析生成对应于接收的ADC采样信号705的相位信号710。频率分析还生成对应于接收的ADC采样信号705的幅度信号715。
例如，可以相对于系统时钟(例如，控制器205的时钟)来计算相位。系统时钟可以，例如，用于驱动发射器调制。相移可以与光的飞跃时间距离(transit-time-distance)成正比。对于10MHz的光调制，1mm的距离分辨率相当于0.0004弧度的相位分辨率。
全DFT或FFT可能例如在计算上是昂贵的。例如，在某些微控制器上，计算全DFT或FFT可能需要几百微秒。各种实施例可以例如通过利用单频分析方法实现快速相位测量。单频分析方法可以例如计算DFT的单个频率仓。这种计算可能比全FFT快几个数量级。各种实施例可以采用被配置成测量相位的一个或更多个单频测量方法。因此，各种实施例可以有利地被配置成快速确定与距离相关的反射信号(例如，相对于发射信号)的相位。
在一些实施例中，单频测量可以例如包括Goertzel分析。在示例性Goertzel实现中，第一级可以计算中间序列s(n)：
方程1：s(n)＝x(n)+2cos(ω0)s(n-1)-s(n-2)
其中：
x(n)是输入序列(例如，对应于输入信号)，
ω0是要分析的频率(例如，被标准化为每样本的弧度)，以及
n是一个索引变量。
例如，第一级可以对输入信号应用无限脉冲响应滤波器。余弦项可以例如被实现为(预先计算的)常数(例如，有利地节省运行时的计算成本)。
在示例性Goertzel实现中，第二级可以将滤波器应用于s(n)，产生输出序列y(n)：
方程2：
其中：j＝√(-1)，即虚数。
在第二级中应用的滤波器可以例如是有限脉冲响应滤波器。Goertzel算法可以例如有利地实现计算效率高的单频分析。
在调制频率已知的实施例中，频率分析可能只需要单个频率。各种实施例可以有利地应用Goertzel算法来计算相位。相位可以与距离直接相关。因此，各种实施例可以将单频Goertzel分析有利地应用于一个或更多个选择频率(例如，调制频率)以根据接收信号(例如，相对于发射信号)确定距离。
例如，各种实施例可以通过对许多测量值进行平均来提高信噪比。由于信号已经被ADC数字化，所以可以例如有利地实现对接收信号进行平均。
图8描绘了对应于被噪声遮蔽的弱反射的示例性数字信号。在所描绘的曲线图800中，在没有平均的情况下，噪声在弱反射上相对于信号占主导地位。
图9描绘了对应于进行了平均的弱反射的示例性数字信号。在所描绘的曲线图900中，在与图8相同的部署环境中，信号相对于噪声占主导地位。
图10描绘了具有增益控制的说明性用例场景中的示例性SFPM TOF系统的示例性框图。在所描绘的示例性SFPM TOF系统1000中，发射器1005由发射器功率模块1010控制。在所描绘的说明性示例中，发射器功率模块可以，作为示例而非限制，通过改变到激光器的电流来调整发射器功率。发射器功率模块可以例如提供在1:5到1:20之间的发射器功率动态范围。在各种示例中，发射器1005可以向目标物体1015发射信号(例如，电磁信号)。发射器1005可以例如包括光电发射器。发射器1005可以例如包括激光器，并且发射信号可以包括光束。发射器1005可以例如包括LED。发射器1005可以例如发射脉冲信号。脉冲信号可以例如被计时(clocked)。监测器光电二极管可以例如测量发射信号的特性。
各种实施例可以通过调整系统增益来增加动态范围。例如，对于给定的系统响应时间，可能两者都需要相位测量的多次(例如，许多次)迭代。为了保持响应时间小于预定最大响应时间，可以采用足够有效的相位测量。例如，一些实施例可以被配置成具有小于1ms的响应时间。
接收器可以，例如，接收发射信号从目标物体1015反射的反射。接收器可以例如包括光电检测器。如图所示，光电检测器可以包括雪崩光电二极管(APD 1020)。APD 1020由APD电压1025(例如，反向偏置电压)驱动。如图所示，APD电压1025可以例如表示从1:1到1:20的动态增益范围。
在所描绘的示例中，电子电路增益被施加到APD 1020的输出(例如，电压、电流)。如图所示，电子电路增益可由跨阻抗放大器(TIA1030)提供。TIA1030可以例如被实现以调整APD 1020的输出的增益。
在所描绘的示例中，电子电路增益可以由增益级(例如，运算放大器增益级)电路(增益级1035)提供。级1035可以例如被实现以调整APD 1020的输出的增益。在一些实施例中，级1035可以直接在APD 1020的输出上操作。在一些实施例中，级1035可以例如在TIA1030的输出上操作。电子电路增益(例如，TIA1030和/或级1035)可以例如在可调整增益中提供在1:5到1:20之间的动态范围。在一些实施例中，可以例如省略TIA 1030。在一些实施例中，可以例如省略级1035。
如图所示，模数转换器(ADC 1040)电路可以在级1035的输出上操作。ADC 1040可以例如在TIA 1030的输出上操作。ADC 1040可以例如提供在1:50到1:200之间的动态(增益)范围作为系统的示例动态范围，其中目标距离(1:100)和目标反射率(1:10000)要求高达1:100000的动态范围，而ADC测量可能仅具有大约1:200的动态范围。
在一些实施例中，可以提供增益控制，例如参考图10所公开的。在所描绘的示例中，与本底噪声(noise floor)相结合的ADC输入电压范围可能仅产生大约1:200的动态范围。目标可以例如跨越1:10000或更大的动态范围。改变增益可以在可能输入的整个1:10000范围内有利地移动1:200可见窗口。
各种实施例可以被配置成在传感器更新速率时提供足够的时间，以允许重复的平均和增益改变周期。例如，可以基于ADC样本的振幅来确定是否需要改变增益。例如，可以使用频率分析来计算频率的振幅。各种实施例可以基于频率分析执行增益决策。例如，各种实施例可以有利地隔离特定频率的期望增益电平。
在一些实施例中，例如，可以计算单频分析。例如，可以在多于一个的频率上执行单频分析。例如，一些实施例可以在靠近中心频率的频率处执行单频分析。这样的实施例可以例如有利地分析噪声频率的功率谱。这样的实施例可以例如有利地对不在预期的离散频率分析(例如，离散傅立叶变换(DFT))仓处对齐的频率进行插值(例如，参见图11)。
图11描绘了有限采样窗口中的示例性频谱泄漏和频谱插值。图示1100描绘了由于有限采样窗口导致的频谱泄漏，以及由于频率没有恰好落在DFT仓处导致的频谱插值。
在各种实施例中，距离可以被确定为与接收信号相对于调制信号的相移的测量值的比例。在一些实施例中，发射器(例如，激光器、VCSEL、EEL、LED)不可以发射与来自主处理元件的调制信号具有相同波形形状和/或占空比的光。各种实施例可以，例如，具有受电路延迟、温度变化、开启阈值、上升时间或其某些组合影响的发射信号。因此，发射信号(例如，光)的实际时间可能不同于调制(例如，命令)信号。
各种实施例可以测量发射的信号。例如，至少参考图2公开的实施例使用监测器光电二极管监测发射的光信号。在各种实施例中，光发射器组件(例如，激光器)可以包括(集成的)监测器光电二极管。各种实施例可以包括独立的光电二极管。例如，独立的光电二极管可以检测实际发射光的一小部分。
图12描绘了与由监测电路(例如，监测器光电二极管225)测量的发射信号相比较的，在发射器处接收的示例性信号。在所描绘的示例曲线图1200中，接收光1205的相位比发射光1210的相位小揭示了比单独接收光的相位明显更准确的距离测量值。
图13描绘了与由监测电路测量的发射信号相比较的，在发射器处接收的示例性信号的示例性相位信号。在所描绘的示例曲线图1300中，从接收信号测量相位1305。从监测被反射并对应于接收信号的发射信号的监测器光电二极管测量相位1310。例如，如果发射器发射相对于调制信号被延迟，则在监测器相位和接收相位中都存在对应的移位。各种实施例可以例如减去该移位。因此，各种实施例可以有利地产生具有提高的精度的接收相位测量值。
在一些实施例中，接收信号可以与监测器光电二极管分开测量。这样的实施例可以例如有利地仅需要单个ADC(例如，节省尺寸和/或成本)。一些这样的实施例可能例如需要更长的时间来收集所有需要的样本(例如，发射信号和接收信号的样本)。一些实施例可以例如同时采样两个信号(例如，发射信号和接收信号)。这样的实施例可以例如有利地允许更快的响应速度。这样的实施例，例如，对于第二ADC可能需要更多的板空间和/或成本。
对于给定的调制频率，信号可以以2π弧度或一个波长进行相位缠绕(phasewrap)。例如，10MHz调制将在100ns处进行相位缠绕，这可能对应于15米的范围。各种实施例可以例如被配置成测量比相位缠绕距离更远的距离。各种实施例可以例如将非预期反射与超出相位缠绕距离区分开。
在一些实施例中(例如，如至少参考图14所公开的)，可以使用多于一个的调制频率。可以组合距离测量值以分辨出真实距离，对于任何单个调制频率，该真实距离可以比相位缠绕距离更远。
图14描绘了可用于分辨出相位的三个频率的示例性集合。使用多个(已知)发射器调制频率可以例如使SFPM TOF系统能够分辨出比单个频率的相位缠绕距离更远的距离。例如，可以通过单频分析来分析至少两个(已知的发射器调制)频率。在一些实施例中，频率分析可以被配置成同时对多个选定的频率执行频率分析。一些实施例可以例如使用三个频率(例如，如曲线图1400中所描绘的)。一些实施例可以使用多于三个的频率。
图15描绘了使用SFPM TOF传感器测量距离的示例性方法。在方法1500中，接收信号可由ADC采样。ADC值可以一起平均以提高信噪比。可以执行有效的单频分析以确定例如信号的振幅和相位。如有必要，增益控制可以调整增益。对于监测器光电二极管，可以重复ADC采样和平均过程。两者的结果可以被组合以确定系统的距离测量值。
在该示例中，当在步骤1505中发射驱动调制信号时，方法1500开始。在步骤1510中，从监测器光电二极管接收ADC样本。接下来，在步骤1515中，通过步骤1505在不同频率下的多次迭代来接收平均ADC样本。在计算出平均ADC样本之后，在步骤1520中对监测器光电二极管信号的平均ADC样本执行单频分析。在步骤1525中，确定监测器光电二极管相位。
在步骤1530中，从接收器接收ADC样本。接下来，在步骤1535中，通过步骤1505在不同频率下的多次迭代来接收平均ADC样本。在步骤1540中，对接收信号的ADC样本执行单频分析。在步骤1545中确定接收信号相位。在决策点1550，确定接收信号的ADC样本是否是以期望增益被采样。例如，可以例如基于ADC样本的振幅来确定是否需要改变增益。如果确定接收信号的ADC样本是以期望增益采样的，则在步骤1555，基于监测器光电二极管相位和接收信号相位计算距离测量值，并且方法1500结束。如果确定接收信号的ADC样本是以期望增益采样的，则在步骤1560施加经调整的输出增益，并重复步骤1505。
尽管已经参考附图描述了各种实施例，但是其他实施例也是可能的。
尽管已经参考附图描述了示例性系统，但是其他实现可以部署在其他工业、科学、医疗、商业和/或住宅应用中。
在各种实施例中，一些旁路电路实现可以响应于来自模拟或数字部件的信号来进行控制，模拟或数字部件可以是分立的、集成的或它们中的每一个的组合。一些实施例可以包括编程的设备、可编程的设备或其某种组合(例如，PLA、PLD、ASIC、微控制器、微处理器)，并且可以包括一个或更多个数据储存器(例如，单元、寄存器、块、页)，数据储存器提供单级或多级数字数据存储能力，并且可以是易失性的、非易失性的或其某种组合。一些控制功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。
计算机程序产品可以包含当由处理器设备执行指令时使得处理器执行规定的功能的指令集合。这些功能可以结合与处理器可操作通信的受控设备来执行。可以包括软件的计算机程序产品可以存储在有形地嵌入在存储介质上的数据储存器中，所述存储介质诸如电子、磁性或旋转存储设备，并且可以是固定的或可移动的(例如，硬盘、软盘、拇指驱动器、CD、DVD)。
尽管已经参考以上附图描述了可以便携的系统的示例，但是其他实现可以部署在其他处理应用中，例如桌面和联网环境。
例如，可以从可充电或一次性电池接收临时辅助能量输入，这可以实现在便携式或远程应用中的使用。一些实施例可以使用其他DC电压源进行操作，例如使用9V(标称)电池。可以经由整流器和适当的缩放来接收例如从50/60Hz电源端口或从便携式发电机提供的交流(AC)输入。AC(例如，正弦波、方波、三角波)输入的供应可以包括线路频率变换器，以提供电压升压、电压降压和/或隔离。
尽管已经描述了体系结构的特定特征，但是可以结合其他特征来改进性能。例如，可以使用缓存(例如，L1、L2、......)技术。可以包括随机存取存储器，例如，以提供记事本存储器(scratch pad memory)和/或加载被存储用于在运行时操作期间使用的可执行代码或参数信息。可以提供其他硬件和软件来执行操作，例如使用一个或更多个协议的网络或其他通信、无线(例如，红外)通信、存储的操作能量和电源(例如，电池)、开关和/或线性电源电路、软件维护(例如，自测、升级)等。可以提供一个或更多个通信接口来支持数据存储和相关操作。
一些系统可以被实现为可以用于各种实现的计算机系统。例如，各种实现可以包括数字电路、模拟电路、计算机硬件、固件、软件或它们的组合。装置可以在计算机程序产品中实现，该计算机程序产品被有形地体现在信息载体中，例如体现在机器可读存储设备中，以用于由可编程处理器执行；方法可以由执行指令程序的可编程处理器来执行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行各种实施例的功能。各种实施例可以有利地在一个或更多个计算机程序中实现，该一个或更多个计算机程序可在可编程系统中执行，该可编程系统包括至少一个可编程处理器，其被耦合以从数据存储系统、至少一个输入设备和/或至少一个输出设备接收数据和指令并向数据存储系统、至少一个输入设备和/或至少一个输出设备传输数据和指令。计算机程序是指令集合，其可以在计算机中直接或间接地用于执行特定的活动或产生特定的结果。计算机程序可以以任何形式的编程语言编写，包括编译语言或解释语言，且其可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适合在计算环境中使用的其他单元部署。
作为示例，用于执行指令程序的合适处理器包括通用和专用微处理器，其可以包括任何类型计算机的单个处理器或多个处理器之一。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的关键元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或更多个存储器。通常，计算机还将包括用于存储数据文件的一个或更多个大容量存储设备，或者可操作地耦合到该一个或更多个大容量存储设备以与之通信；这种设备包括磁盘，例如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘；和光盘。适用于有形地体现计算机程序指令和数据的存储设备包括非易失性存储器的所有形式，作为示例，包括半导体存储器设备，诸如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，诸如内置硬盘和可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由ASIC(专用集成电路)补充或可并入ASIC中。
在一些实现中，每个系统可以用相同或相似的信息编程和/或用存储在易失性和/或非易失性存储器中的基本相同的信息初始化。例如，一个数据接口可以被配置为当耦合到适当的主机设备(诸如台式计算机或服务器)时，执行自动配置、自动下载和/或自动更新功能。
在一些实现中，一个或更多个用户界面特征可以被定制配置为执行特定功能。各种实施例可以在包括图形用户界面和/或互联网浏览器的计算机系统中实现。为了提供与用户的交互，一些实现可以在计算机上实现，该计算机具有用于向用户显示信息的显示设备(例如，CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监测器)、键盘和指向设备(例如，鼠标或轨迹球)，用户可以通过它们向计算机提供输入。
在各种实现中，系统可以使用合适的通信方法、装备和技术进行通信。例如，系统可以使用点对点通信与兼容设备(例如，能够向系统和/或从系统传输数据的设备)通信，在点对点通信中，消息通过专用物理链路(例如，光纤链路、点对点布线、菊花链)从源直接传输到接收器。系统的部件可以通过任何形式或介质的模拟或数字数据通信来交换信息，包括通信网络上基于分组的消息。通信网络的示例包括，例如，LAN(局域网)、WAN(广域网)、MAN(城域网)、无线和/或光网络、形成互联网的计算机和网络或它们的某种组合。其他实现可以通过广播到由通信网络耦合在一起的所有或基本上所有设备来传输消息，例如通过使用全向射频(RF)信号。还有其他实现可以传输以高方向性为特征的消息，例如使用定向(即，窄波束)天线传输的RF信号或可以可选地与聚焦光学器件一起使用的红外信号。使用适当的接口和协议，例如，作为示例但并非旨在限制，USB 2.0、Fire wire、ATA/IDE、RS-232、RS-422、RS-485、802.11a/b/g、Wi-Fi、以太网、IrDA、FDDI(光纤分布式数据接口)、令牌环网、基于频分、时分或码分的复用技术或它们的某种组合，其他实现也是可能的。一些实现可以可选地结合诸如用于数据完整性的差错检测和修正(ECC)的特征，或者诸如加密(例如，WEP)和密码保护的安全措施。
在各种实施例中，计算机系统可以包括物联网(IoT)设备。IoT设备可以包括嵌入了电子设备、软件、传感器、致动器和网络连接的对象，电子设备、软件、传感器、致动器和网络连接使这些对象能够收集和交换数据。IoT设备可以通过接口向另一个设备发送数据，从而与有线或无线设备一起使用。IoT设备可以收集有用的数据，然后在其他设备之间自主传输数据。
可以使用包括各种电子硬件的电路来实现模块的各种示例。作为示例而非限制，硬件可以包括晶体管、电阻器、电容器、开关、集成电路、其他模块或它们的某种组合。在各种示例中，模块可以包括在硅衬底上制造的模拟逻辑、数字逻辑、分立组件、迹线和/或存储器电路，包括各种集成电路(例如，FPGA、ASIC)，或者它们的某种组合。在一些实施例中，模块可以涉及预编程指令、由处理器执行的软件或其某种组合的执行。例如，各种模块可能涉及硬件和软件两者。
在示例性方面中，间接飞行时间距离测量的方法可以包括发射器元件发射由一个或更多个频率调制的光子。接收元件可以响应于接收那些光子的从目标物体反射的一小部分而生成信号。ADC元件可以数字化由接收元件生成的信号。处理元件可以使用至少一个选定频率的频率分析来生成相位信号。可以根据相位信号生成距离测量信号。
频率分析可以包括单频分析。单频分析可以包括Goertzel滤波器。
至少一个选定频率可以是所发射光子的调制频率。频率分析可以包括调制频率下的单频分析。
至少一个选定频率可以包括所发射光子的至少两个调制频率。频率分析可以包括在至少两个调制频率中的每一个处的单频分析，使得超过至少两个频率中的任何一个频率的相位缠绕距离的距离被分辨出来。
可以根据接收信号和监测器光电二极管信号之间的差来生成相位信号。
在生成相位信号之前，ADC采样的多次迭代可以被一起平均。
在说明性方面，距离测量设备可以包括发射器(例如，115)，该发射器被配置成以至少一个预定驱动频率发射调制波形(例如，120)。该设备可以包括监测光电二极管(例如，225)，该监测光电二极管被配置成响应于测量发射的调制波形而生成参考信号。该设备可以包括接收器(例如，130)，该接收器被配置成响应于接收到的波形(例如，125)而生成接收信号。接收到的波形可以包括所发射的调制波形的反射。该设备可以包括至少一个模数转换器(ADC)(例如，230)，该模数转换器被配置成通过数字化参考信号和数字化接收信号来生成ADC样本。该设备可以包括至少一个增益控制级(例如，1000中示出的一个或更多个级)，该增益控制级被配置成选择性地控制ADC的输出增益，使得动态范围从1:50跨越到至少1:100000。该设备可以包括处理电路(例如，135)，该处理电路被配置成通过距离确定操作(例如，1500中示出的一个或更多个步骤)来确定发射器和目标表面之间的距离。操作可以包括通过对接收信号的多个ADC样本进行平均来生成预平均的接收信号。操作可以包括使用接收信号的平均的ADC样本的第一数字单频分析和参考信号的ADC样本的第二数字单频分析来确定相位偏移。第一数字单频分析和第二数字单频分析可以各自在调制波形的预定驱动频率下执行。
至少一个增益控制级可以包括雪崩光电二极管增益、放大器电路增益和ADC增益中的至少两个。
处理电路可以被配置成根据使用第一数字单频分析计算出频率振幅选择性地施加输出增益。
选择性施加的输出增益可以包括被施加到发射器的输出的第一可选择增益。选择性施加的输出增益可以包括被施加到接收器的控制电压的第二可选择增益。选择性施加的输出增益可以包括被施加到由接收器生成的接收信号的第三可选择增益。
发射器可以以至少两个预定调制频率发射调制波形，使得超出预定调制频率的相位缠绕距离的距离被分辨出来。
第一数字单频分析和第二数字单频分析可以各自包括单频Goertzel分析。
处理电路可以包括商用集成电路。
距离测量设备可以包括两个ADC，使得参考信号和接收信号被同时采样。
在说明性方面，距离测量设备可以包括发射器(例如，115)，该发射器被配置成以至少一个预定驱动频率发射调制波形(例如，120)。该设备可以包括监测光电二极管(例如，225)，该监测光电二极管被配置成响应于测量发射的调制波形而生成参考信号。该设备可以包括接收器(例如，130)，该接收器被配置成响应于接收到的波形(例如，125)而生成接收信号。接收到的波形可以包括所发射的调制波形的反射。该设备可以包括至少一个模数转换器(ADC)(例如，230)，该模数转换器被配置成数字化参考信号和接收信号。该设备可以包括处理电路(例如，135)，该处理电路被配置成通过距离确定操作(例如，1500中示出的一个或更多个步骤)来确定发射器和目标表面之间的距离。操作可以包括通过对接收信号的多个ADC样本进行平均来生成预平均的接收信号。操作可以包括使用预平均的接收信号的第一数字单频分析和参考信号的ADC样本的第二数字单频分析来确定相位偏移。第一数字单频分析和第二数字单频分析可以各自在调制波形的预定驱动频率下执行。
距离测量设备可以包括至少一个增益控制级，该增益控制级被配置成控制ADC的输出增益，使得动态范围从1:50跨越到至少1:100000。
至少一个增益控制级可以包括发射器增益、放大器电路增益和ADC增益中的至少两个。
处理电路可以被配置成根据使用第一数字单频分析计算出的频率振幅选择性地施加输出增益。
选择性施加的输出增益可以包括被施加到发射器的输出的第一可选择增益。选择性施加的输出增益可以包括被施加到接收器的控制电压的第二可选择增益。选择性施加的输出增益可以包括被施加到由接收器生成的接收信号的第三可选择增益。
发射器可以以至少两个预定调制频率发射调制波形，使得超出预定调制频率的相位缠绕距离的距离被分辨出来。
第一数字单频分析和第二数字单频分析可以包括单频Goertzel分析。
处理电路可以包括商用集成电路。
距离测量设备可以包括两个ADC，使得参考信号和接收信号被同时采样。
在说明性方面中，间接飞行时间距离测量方法可以包括以第一预定调制频率发射第一调制信号。该方法可包括接收第一调制信号的第一测量的ADC样本。该方法可以包括以第二预定调制频率发射第二调制信号。该方法可以包括接收第二发射的调制信号的第二测量的ADC样本。该方法可以包括基于第一测量的ADC样本和第二ADC样本确定平均的发射器ADC样本。该方法可以包括接收第一接收信号的第三测量的ADC样本。可以基于来自目标物体的第一调制信号的测量反射信号来生成第一接收信号。该方法可包括接收第二接收信号的第四测量的ADC样本。可以基于第二调制信号的来自目标物体的测量反射信号来生成第二接收信号。该方法可以包括将输出增益施加到第三测量的ADC样本和第四ADC样本，使得噪声信号比率降低。该方法可以包括基于第三测量的ADC样本和第四ADC样本确定平均的接收器ADC样本。该方法可以包括使用第一单频数字分析基于平均的接收器ADC样本确定接收信号相位，并且使用第二单频数字分析基于平均的发射器ADC样本确定发射器信号相位。该方法可以包括根据接收信号相位和发射器信号相位确定距离测量值。
第一数字单频分析和第二数字单频分析可以包括单频Goertzel分析。
该方法可以包括基于使用第一数字单频分析计算出的频率振幅来确定输出增益是否在预定增益范围内。该方法可包括施加经调整的输出增益，使得平均的接收器ADC样本的输出增益在预定增益范围内。
描述了许多实现。然而，应当理解，可以进行各种修改。例如，如果以不同的顺序执行所公开技术的步骤，或者如果以不同的方式组合所公开系统的部件，或者如果用其他部件补充这些部件，则可以获得有利的结果。因此，在所附权利要求的范围内设想了其他实现。
Claims (20)
1.一种距离测量设备，包括：
发射器(115)，所述发射器被配置成以至少一个预定驱动频率发射调制波形(120)；
监测光电二极管(225)，所述监测光电二极管被配置成响应于测量发射的调制波形而生成参考信号；
接收器(130)，所述接收器被配置成响应于接收波形(125)生成接收信号，其中所述接收波形包括所述发射的调制波形的反射；
至少一个模数转换器(ADC)(230)，所述模数转换器被配置成通过数字化所述参考信号和数字化所述接收信号来生成ADC样本；
至少一个增益控制级(1000)，所述至少一个增益控制级被配置成选择性地控制所述ADC的输出增益，使得动态范围从1:50跨越到至少1:100000；以及
处理电路(135)，所述处理电路被配置成通过距离确定操作(1500)确定所述发射器与目标表面之间的距离，所述操作包括：
通过对所述接收信号的多个ADC样本进行平均来生成预平均的接收信号，以及
使用所述接收信号的平均的ADC样本的第一数字单频分析和所述参考信号的ADC样本的第二数字单频分析来确定相位偏移，其中
所述第一数字单频分析和所述第二数字单频分析各自在所述调制波形的所述预定驱动频率下执行。
2.根据权利要求1所述的距离测量设备，其中，所述至少一个增益控制级包括雪崩光电二极管增益、放大器电路增益和ADC增益中的至少两项。
3.根据权利要求1所述的距离测量设备，其中，所述处理电路被配置成根据使用所述第一数字单频分析计算出的频率振幅选择性地施加所述输出增益。
4.根据权利要求3所述的距离测量设备，其中，选择性施加的输出增益包括：
被施加到所述发射器的输出的第一可选择增益；
被施加到所述接收器的控制电压的第二可选择增益；以及
被施加到由所述接收器生成的接收信号的第三可选择增益。
5.根据权利要求1所述的距离测量设备，其中，所述发射器以至少两个预定调制频率发射所述调制波形，使得超过所述预定调制频率的相位缠绕距离的距离被分辨出来。
6.根据权利要求1所述的距离测量设备，其中，所述第一数字单频分析和所述第二数字单频分析各自包括单频Goertzel分析。
7.根据权利要求1所述的距离测量设备，其中，所述处理电路包括商用集成电路。
8.根据权利要求1所述的距离测量设备，还包括两个ADC，使得所述参考信号和所述接收信号同时被采样。
9.一种距离测量设备，包括：
发射器(115)，所述发射器被配置成以至少一个预定驱动频率发射调制波形(120)；
监测光电二极管(225)，所述监测光电二极管被配置成响应于测量发射的调制波形而生成参考信号；
接收器(130)，所述接收器被配置成响应于接收波形(125)生成接收信号，其中所述接收波形包括所述发射的调制波形的反射；
至少一个模数转换器(ADC)(230)，所述模数转换器被配置成数字化所述参考信号和所述接收信号；以及
处理电路(135)，所述处理电路被配置成通过距离确定操作(1500)确定所述发射器与目标表面之间的距离，所述操作包括：
通过对所述接收信号的多个ADC样本进行平均来生成预平均的接收信号，以及
使用所述预平均的接收信号的第一数字单频分析和所述参考信号的ADC样本的第二数字单频分析来确定相位偏移，其中所述第一数字单频分析和所述第二数字单频分析各自在所述调制波形的所述预定驱动频率下执行。
10.根据权利要求9所述的距离测量设备，还包括至少一个增益控制级，所述至少一个增益控制级被配置成控制所述ADC的输出增益，使得动态范围从1:50跨越到至少1:100000。
11.根据权利要求9所述的距离测量设备，其中，所述至少一个增益控制级包括发射器增益、放大器电路增益和ADC增益。
12.根据权利要求9所述的距离测量设备，其中，所述处理电路被配置成根据使用所述第一数字单频分析计算出的频率振幅选择性地施加所述输出增益。
13.根据权利要求12所述的距离测量设备，其中，选择性施加的输出增益包括：
被施加到所述发射器的输出的第一可选择增益；
被施加到所述接收器的控制电压的第二可选择增益；以及
被施加到由所述接收器生成的接收信号的第三可选择增益。
14.根据权利要求9所述的距离测量设备，其中，所述发射器以至少两个预定调制频率发射所述调制波形，使得超过所述预定调制频率的相位缠绕距离的距离被分辨出来。
15.根据权利要求9所述的距离测量设备，其中，所述第一数字单频分析和所述第二数字单频分析包括单频Goertzel分析。
16.根据权利要求9所述的距离测量设备，其中，所述处理电路包括商用集成电路。
17.根据权利要求9所述的距离测量设备，还包括两个ADC，使得所述参考信号和所述接收信号同时被采样。
18.一种间接飞行时间距离测量的方法，包括：
以第一预定调制频率发射第一调制信号；
接收所述第一调制信号的第一测量的ADC样本；
以第二预定调制频率发射第二调制信号；
接收所述第二发射调制信号的第二测量的ADC样本；
基于所述第一测量的ADC样本和所述第二ADC样本确定平均的发射器ADC样本；
接收第一接收信号的第三测量的ADC样本，其中所述第一接收信号是基于所述第一调制信号的来自目标物体的测量反射信号而生成的；
接收第二接收信号的第四测量的ADC样本，其中所述第二接收信号是基于所述第二调制信号的来自目标物体的测量反射信号而生成的；
将输出增益施加到所述第三测量的ADC样本和所述第四ADC样本，使得噪声与信号的比率降低；
基于所述第三测量的ADC样本和所述第四ADC样本确定平均的接收器ADC样本；
使用第一单频数字分析基于所述平均的接收器ADC样本确定接收信号相位，并且使用第二单频数字分析基于平均的发射器ADC样本确定发射器信号相位；以及
根据所述接收信号相位和所述发射器信号相位确定距离测量值。
19.根据权利要求18所述的间接飞行时间距离测量的方法，其中，所述第一数字单频分析和所述第二数字单频分析包括单频Goertzel分析。
20.根据权利要求18所述的间接飞行时间距离测量的方法，还包括：
基于使用所述第一数字单频分析计算出的频率振幅，确定所述输出增益是否在预定增益范围内；以及
施加经调整的输出增益，使得所述平均的接收器ADC样本的输出增益在所述预定增益范围内。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202163261317P | 2021-09-17 | 2021-09-17 | |
| US63/261,317 | 2021-09-17 | ||
| PCT/US2022/076600 WO2023044449A1 (en) | 2021-09-17 | 2022-09-16 | Time of flight detection systems with efficient phase measurement |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116868082A true CN116868082A (zh) | 2023-10-10 |
Family
ID=85603646
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202280015377.7A Pending CN116868082A (zh) | 2021-09-17 | 2022-09-16 | 使用有效相位测量的飞行时间检测系统 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4285146A1 (zh) |
| CN (1) | CN116868082A (zh) |
| WO (1) | WO2023044449A1 (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070024841A1 (en) * | 2005-07-13 | 2007-02-01 | Mariusz Kloza | Device for precise distance measurement |
| US20100191418A1 (en) * | 2007-06-18 | 2010-07-29 | Yvan Mimeault | Lighting system with driver assistance capabilities |
| US20100277713A1 (en) * | 2007-12-21 | 2010-11-04 | Yvan Mimeault | Detection and ranging methods and systems |
| CN102694998A (zh) * | 2011-03-24 | 2012-09-26 | 三星电子株式会社 | 深度传感器、深度信息误差补偿方法及信号处理系统 |
| CN103748479A (zh) * | 2011-07-15 | 2014-04-23 | 软动力学传感器公司 | 用于提供距离信息的飞行时间摄像机及方法 |
| CN108732578A (zh) * | 2016-03-14 | 2018-11-02 | 查尔斯·朱 | 测距仪系统及对其校准并确定到外部对象的距离的方法 |
| CN112816950A (zh) * | 2019-11-18 | 2021-05-18 | 半导体元件工业有限责任公司 | 最小化fmcw雷达中的相位噪声及检测雷达外壳涂覆物 |
-
2022
- 2022-09-16 EP EP22870988.7A patent/EP4285146A1/en active Pending
- 2022-09-16 WO PCT/US2022/076600 patent/WO2023044449A1/en active Application Filing
- 2022-09-16 CN CN202280015377.7A patent/CN116868082A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070024841A1 (en) * | 2005-07-13 | 2007-02-01 | Mariusz Kloza | Device for precise distance measurement |
| US20100191418A1 (en) * | 2007-06-18 | 2010-07-29 | Yvan Mimeault | Lighting system with driver assistance capabilities |
| US20100277713A1 (en) * | 2007-12-21 | 2010-11-04 | Yvan Mimeault | Detection and ranging methods and systems |
| CN102694998A (zh) * | 2011-03-24 | 2012-09-26 | 三星电子株式会社 | 深度传感器、深度信息误差补偿方法及信号处理系统 |
| CN103748479A (zh) * | 2011-07-15 | 2014-04-23 | 软动力学传感器公司 | 用于提供距离信息的飞行时间摄像机及方法 |
| CN108732578A (zh) * | 2016-03-14 | 2018-11-02 | 查尔斯·朱 | 测距仪系统及对其校准并确定到外部对象的距离的方法 |
| CN112816950A (zh) * | 2019-11-18 | 2021-05-18 | 半导体元件工业有限责任公司 | 最小化fmcw雷达中的相位噪声及检测雷达外壳涂覆物 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023044449A1 (en) | 2023-03-23 |
| EP4285146A1 (en) | 2023-12-06 |
| US20240134046A1 (en) | 2024-04-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN206147097U (zh) | 一种激光测距装置 | |
| US7791715B1 (en) | Method and system for lossless dealiasing in time-of-flight (TOF) systems | |
| EP2198323B1 (en) | Time delay estimation | |
| US9213085B2 (en) | System and method for measuring the phase of a modulated optical signal | |
| US11106030B2 (en) | Optical distance measurement system using solid state beam steering | |
| US11112502B2 (en) | Laser radar system | |
| US11333760B2 (en) | Frequency modulation for interference free optical time of flight system | |
| WO2019116549A1 (ja) | 測距装置及び制御方法 | |
| WO2019050572A1 (en) | LIDAR SYSTEM SUPPORTING DOUBLET WAVEFORM FOR SEQUENTIAL PHASE (I) AND QUADRATURE (Q) PROCESSING | |
| US10852402B2 (en) | Phase anti-aliasing using spread-spectrum techniques in an optical distance measurement system | |
| EP3961257A1 (en) | Lidar device using time delayed local oscillator light and operating method thereof | |
| US20220365213A1 (en) | Linearization of chirp in coherent lidar systems | |
| CN116868082A (zh) | 使用有效相位测量的飞行时间检测系统 | |
| US20240230902A9 (en) | Time of flight detection systems with efficient phase measurement | |
| CN111830487A (zh) | 生成时域回波波形的方法和电磁辐射回波波形生成系统 | |
| EP3789793B1 (en) | An optical proximity sensor and corresponding method of operation | |
| US20220373681A1 (en) | Systems and methods for chirp linearization using a partial reflector as a reference reflector | |
| US20220365184A1 (en) | Systems and methods for chirp linearization using two continuous wave (CW) lasers | |
| RU2152595C1 (ru) | Бесконтактный импульсно-фазовый способ измерения уровня раздела разнородных жидкостей, а также относительного изменения уровня с повышенной точностью | |
| EP3913401A1 (en) | Method of optical detection and optical detection apparatus | |
| Liu et al. | Phase-laser ranging system based on digital signal processing for optoelectronics theodolite application | |
| US11768285B2 (en) | Systems and methods for chirp linearization using external reflector(s) as a reference reflector | |
| US20210328402A1 (en) | Optical phase locked loops for generating highly-linear frequency chirps | |
| US20240004072A1 (en) | Distance measuring device, distance measuring method, and program | |
| Baranov et al. | Data processing technique for the all-fiber wind profiler |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |