DE102020107429A1

DE102020107429A1 - Bestimmung der zeitlichen Position eines Signals

Info

Publication number: DE102020107429A1
Application number: DE102020107429.8A
Authority: DE
Inventors: Paul Meissner; Thomas Gigl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2020-10-01
Also published as: US20230012377A1; US20200309911A1; CN111830484B; CN111830484A; US11867836B2; US11442145B2

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen einer zeitlichen Position eines Empfangssignals innerhalb einer Abtastfolge wird offenbart. Das Verfahren beinhaltet ein Abtasten eines Sensors bei einer Abtastfrequenz, um die Abtastfolge zu erzeugen. Ein Matched-Filter-Satz von Matched-Filtern wird auf die Abtastfolge angewendet, um einen Matched-Filter-Korrelations-Satz von Matched-Filter-Korrelationen zu erzeugen, wobei Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter einem Mustersignal bei der Abtastfrequenz des Sensors entsprechen, das um eine Unterintervallverschiebung verschoben ist. Die Matched-Filter-Korrelationen werden ausgewertet, um eine Empfangssignal-Unterintervallverschiebung zu bestimmen. Die zeitliche Position des Empfangssignals innerhalb der Abtastfolge wird basierend auf zumindest der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung bestimmt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf den Bereich der Signalverarbeitung und insbesondere auf die Detektion eines Signals in einer Abtastfolge von Abtastwerten eines Sensors.
Hintergrund
Innerhalb des Bereichs der Datenverarbeitung beinhalten viele Szenarien eine Detektion eines Signals innerhalb einer Abtastfolge, wie z.B. ein Impuls, der innerhalb einer Abtastfolge auftritt. Viele solcher Szenarien beinhalten eine Sammlung von Abtastwerten von einem Sensor bei einer ausgewählten Frequenz. Die Abfolge der Abtastwerte kann ausgewertet werden, um zu detektieren, ob ein Signal innerhalb einer Abtastfolge auftritt, wie z.B. ein Impuls, der von einem Sender gesendet wurde und vom Sensor detektiert werden kann. Die Abtastfolge kann ausgewertet werden, um sowohl das Auftreten des Signals (z.B. als Vergleich mit einem Hintergrundrauschpegel der Abtastfolge) als auch die zeitliche Position innerhalb der Abtastfolge, an welcher der Abtastwert detektiert wird, wie z.B. Anfang, Spitze (Peak) und/oder Endpunkt des Signals, zu detektieren.
Beispielsweise kann ein Impuls von einem Sender zu einer Sendezeit ausgesendet werden, und der Sensor kann mit einer 500-Megahertz-Abtastfrequenz abgetastet werden, um die Ausgabe des Sensors bei 2-Nanosekunden-Abtastintervallen zu messen. Die Auswertung der Abtastfolge kann eine Detektion des Impulses innerhalb der Abtastfolge ergeben sowie einen ausgewählten Abtastwert, welcher die Spitzengröße des Impulses darstellt, wobei der ausgewählte Abtastwert zu einer bestimmten Abtastzeit aufgetreten sein kann, welche die Ankunftszeit des Abtastwerts am Sensor anzeigt. Ein Vergleich der vom Sender gemeldeten Sendezeit mit der Abtastzeit des Abtastwerts an der Spitze des Signals kann eine Bestimmung der Laufzeit des Signals durch ein Medium ermöglichen. Ein weiterer Vergleich der Laufzeit mit einer geschätzten Laufzeitgeschwindigkeit des Signals durch das Medium kann eine Bestimmung des Abstands zwischen dem Sender und dem Sensor ermöglichen. In einigen dieser Szenarien, wie z.B. bei der LIDAR-basierten Abstandsbestimmung, können Sender und Sensor nahe beieinander positioniert sein, und ein vom Sender gesendeter elektromagnetischer Impuls kann von einer Oberfläche reflektiert und vom Sensor detektiert werden. Durch Multiplikation der halben Laufzeit mit der geschätzten Geschwindigkeit des Signals kann der Abstand von der LIDAR-Sender/Sensor-Kombination zur reflektierenden Oberfläche bestimmt werden.
Kurzdarstellung
Diese Kurzdarstellung dient dazu, eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorzustellen, die weiter unten in der detaillierten Beschreibung beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung soll weder Schlüsselfaktoren oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstandes identifizieren, noch ist sie dazu gedacht, den Umfang des beanspruchten Gegenstandes einzuschränken.
In einer Ausführungsform der hier vorgestellten Techniken wird ein Verfahren zur Bestimmung einer zeitlichen Position eines Empfangssignals innerhalb einer Abtastfolge bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet ein Abtasten eines Sensors bei einer Abtastfrequenz, um die Abtastfolge zu erzeugen. Das Verfahren umfasst ferner ein Anwenden eines Matched-Filter-Satzes von Matched-Filtern auf die Abtastfolge, um einen Matched-Filter-Korrelations-Satz von Matched-Filter-Korrelationen zu erzeugen, wobei Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter einem Mustersignal bei der Abtastfrequenz des Sensors entsprechen, das um eine Unterintervallverschiebung verschoben ist. Das Verfahren umfasst ferner ein Auswerten der Matched-Filter-Korrelationen, um eine Empfangssignal-Unterintervallverschiebung zu bestimmen. Das Verfahren umfasst ferner ein Bestimmen der zeitlichen Position des Signals innerhalb der Abtastfolge basierend auf zumindest der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung.
In einer Ausführungsform der hier vorgestellten Techniken ist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer zeitlichen Position eines Empfangssignals innerhalb einer Abtastfolge bereitgestellt. Die Vorrichtung enthält Mittel zum Abtasten eines Sensors bei einer Abtastfrequenz, um die Abtastfolge zu erzeugen. Die Vorrichtung enthält ferner Mittel zum Anwenden eines Matched-Filter-Satzes auf die Abtastfolge, um einen Matched-Filter-Korrelations-Satz zu erzeugen, wobei Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter einem Mustersignal bei der Abtastfrequenz des Sensors entsprechen, das um eine Unterintervallverschiebung verschoben ist. Die Vorrichtung enthält ferner Mittel zum Auswerten der Matched-Filter-Korrelationen, um eine Empfangssignal-Unterintervallverschiebung zu bestimmen. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Bestimmen der zeitlichen Position des Signals innerhalb der Abtastfolge basierend auf zumindest der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung.
In einer Ausführungsform der hier vorgestellten Techniken ist ein Sensor zur Bestimmung einer zeitlichen Position eines Empfangssignals innerhalb einer Abtastfolge bereitgestellt. Der Sensor enthält einen Signaldetektor, um einen Matched-Filter-Satz von Matched-Filtern auf eine Abtastfolge des Sensors bei einer Abtastfrequenz anzuwenden, wobei die jeweiligen Matched-Filter einem Mustersignal bei der Abtastfrequenz entsprechen, das um eine Unterintervallverschiebung verschoben ist, um eine Empfangssignal-Unterintervallverschiebung eines Empfangssignals innerhalb der Abtastfolge zu identifizieren. Der Sensor enthält ferner einen zeitlichen Positionsbestimmer, um eine zeitliche Position des Empfangssignals innerhalb der Abtastfolge basierend auf zumindest der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung innerhalb der Abtastfolge zu bestimmen.
In einer Ausführungsform der hier vorgestellten Techniken ist eine Laufzeitvorrichtung vorgesehen, die eine Laufzeit (Time-of-Flight) eines Signals bestimmt. Die Laufzeitvorrichtung enthält einen Sender zum Senden eines Sendesignals. Die Laufzeitvorrichtung enthält ferner einen Empfänger zum Empfangen einer Reflexion des Sendesignals durch Abtasten eines Sensors bei einer Abtastfrequenz, um eine Abtastfolge zu erzeugen, die ein Empfangssignal umfasst. Die Laufzeitvorrichtung enthält ferner einen Signaldetektor, um einen Matched-Filter-Satz von Matched-Filtern auf die Abtastfolge anzuwenden, wobei Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter einem Mustersignal entsprechen, das bei der Abtastfrequenz abgetastet und um eine Unterintervallverschiebung verschoben ist, um eine Empfangssignal-Unterintervallverschiebung innerhalb der Abtastfolge zu identifizieren. Die Laufzeitvorrichtung enthält ferner einen Laufzeitbestimmer, der eine Laufzeit des Sendesignals basierend auf zumindest der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung des Empfangssignals innerhalb der Abtastfolge bestimmt.
Zur Erreichung der oben genannten und damit zusammenhängenden Ziele werden in der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen bestimmte Aspekte und Implementierungen zur Veranschaulichung dargestellt. Diese zeigen nur einige der verschiedenen Möglichkeiten auf, wie ein oder mehrere Aspekte verwendet werden können. Andere Aspekte, Vorteile und neuartige Merkmale der Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung eines Beispielszenarios mit einer Laufzeitschätzung eines Signals.
2 ist eine Darstellung eines Beispielszenarios mit einer Analyse eines Signals bei verschiedenen Abtastfrequenzen.
3 ist eine Darstellung eines Beispielszenarios mit einem ersten Beispielfiltersatz von Matched-Filtern mit Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter, die einem Signal in einer um eine Unterintervallverschiebung verschobenen Abtastfolge entsprechen gemäß den hier vorgestellten Verfahren.
4 ist eine Darstellung eines Beispielszenarios mit einem zweiten Beispielsatz von Matched-Filtern, die jeweils einem Signal in einer um eine Unterintervallverschiebung verschobenen Abtastfolge entsprechen gemäß den hier vorgestellten Techniken.
5 ist eine Darstellung eines Beispielszenarios mit einer Bestimmung einer zeitlichen Position eines Signals innerhalb einer Abtastfolge unter Verwendung eines Matched-Filter-Satzes von Matched-Filtern gemäß den hier vorgestellten Techniken.
6 ist eine Darstellung eines Beispielverfahrens zur Bestimmung einer zeitlichen Position eines Signals innerhalb einer Abtastfolge gemäß den hier vorgestellten Techniken.
7 ist ein Komponenten-Blockdiagramm, das einen Beispielsensor darstellt, der eine zeitliche Position eines Signals innerhalb einer Abtastfolge bestimmt gemäß den hier vorgestellten Techniken.
8 ist ein Komponenten-Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Laufzeit-Vorrichtung darstellt, die eine Laufzeit eines Signals bestimmt gemäß den hier vorgestellten Verfahren.
9 ist eine Darstellung eines Beispiels einer computerlesbares Speichervorrichtung, die Befehle speichert, die, wenn sie von einem Prozessor einer Vorrichtung ausgeführt werden, die Vorrichtung veranlassen, eine zeitliche Position eines Signals innerhalb einer Abtastfolge zu bestimmen gemäß den hier vorgestellten Techniken.
10A-10C sind Darstellungen von Beispielszenarien mit Matched-Filter-Sätzen, die zur Detektion von Signalen in Abtastfolgen verwendet werden können gemäß den hier vorgestellten Techniken.
11A-11B sind Darstellungen von Beispielszenarien mit Matched-Filter-Sätzen, die zur Detektion von Signalen in Abtastfolgen verwendet werden können gemäß den hier vorgestellten Techniken.
12 ist eine Darstellung einer Beispielarchitektur, die zur Implementierung der hier vorgestellten Techniken verwendet werden kann.
13A-13B sind Darstellungen eines ersten Datensatzes, der Ergebnisse einer simulierten Anwendung der hier vorgestellten Techniken bereitstellt.
14 ist eine Darstellung eines zweiten Datensatzes, der Ergebnisse einer simulierten Anwendung der hier vorgestellten Techniken bereitstellt.
15 ist eine Darstellung einer Beispiel-Rechenumgebung, in der zumindest ein Teil der hier vorgestellten Techniken verwendet werden kann.

Detaillierte Beschreibung
Der beanspruchte Gegenstand wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei durchgehend mit gleichartigen Bezugszeichen auf gleichartige Elemente verwiesen wird. In der folgenden Beschreibung werden zu Erklärungszwecken zahlreiche spezifische Details aufgeführt, um ein gründliches Verständnis des beanspruchten Gegenstands bereitzustellen. Es kann jedoch offensichtlich sein, dass der beanspruchte Gegenstand auch ohne diese spezifischen Details in die Praxis umgesetzt werden kann. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform dargestellt, um die Beschreibung des beanspruchten Gegenstandes zu erleichtern.
Einleitung
Im Bereich der Elektronik gibt es viele Szenarien, in denen ein Signal innerhalb einer von einem Sensor erzeugten Abtastfolge detektiert wird. Das Signal kann singulär (z.B. ein Impuls), aperiodisch oder periodisch sein; es kann von einer natürlichen Quelle, einem Individuum oder einer mechanischen oder elektronischen Vorrichtung erzeugt werden; es kann durch viele Medien, wie Luft, Wasser, Erde, einen leitfähigen Draht oder ein Vakuum übertragen werden; und es kann von vielen verschiedenen Vorrichtungen, wie Fotodioden, Mikrofonen, elektromagnetischen Sensoren, Drucksensoren und Wandlern detektiert werden.
In vielen Szenarien kann die Überwachung eines Sensors nur durchgeführt werden, um das Auftreten eines Signals zu detektieren. In einigen Szenarien kann jedoch eine zeitliche Position des Signals innerhalb der Abtastfolge bei Anwendungen des detektierten Signals nützlich sein. Beispielsweise kann die zeitliche Position des Signals einen zeitlichen Versatz in Bezug auf ein anderes Ereignis anzeigen, wie z.B. eine Dauer zwischen einer Startzeit der Abtastfolge und einer Zeit, bei der das Signal detektiert wurde. Zusätzlich kann in vielen Anwendungen die Genauigkeit der zeitlichen Position innerhalb der Abtastfolge von Bedeutung sein, da die Genauigkeit die Auflösung oder die Fehlerschätzung im Auftreten eines entsprechenden Merkmals beeinflussen kann, wie es vom Sensor gemessen wird.
1 ist eine Darstellung eines Beispielszenarios 100 mit einem Anwendungsbeispiel, bei dem eine Abtastfolge analysiert wird, um das Auftreten sowie die zeitliche Position eines Sendesignals 108 innerhalb einer Abtastfolge im Kontext einer LIDAR-basierten Abstandsschätzung zu detektieren. Es ist zu sehen, dass die im Beispielszenario 100 der 1 dargestellte Anwendung nur eine von vielen solchen Anwendungen ist, die eine von vielen derartigen Signalarten umfasst, die nach den hier vorgestellten Techniken analysiert werden können.
Das Beispielszenario 100 der 1 umfasst ein erstes Fahrzeug 102, das dazu ausgestattet und ausgelegt ist, dass es den Abstand zwischen dem ersten Fahrzeug 102 und einem oder mehreren Objekten, einschließlich eines zweiten Fahrzeugs 104, schätzen kann. Die Abstandsschätzung kann in Anwendungen wie der Fahrerassistenz (z.B. Bremswegdetektion und Frühwarnsysteme) und der autonomen Fahrzeugnavigation von erheblichem Wert sein. Das erste Fahrzeug 102 kann einen Sender 106 umfassen, der ein Sendesignal 108 durch die Luft aussendet in der Nähe des ersten Fahrzeugs 102. Das Sendesignal 108 kann bei einer oder mehreren ausgewählten Wellenlängen (z.B. einem Infrarotstrahl), mit einer ausgewählten Periodizität (z.B. 1000 Instanzen pro Sekunde); mit einer ausgewählten Wellenform (z.B. einem nahezu unverzögerten Impuls oder einer Gaußschen-Intensität-Wellenform); und/oder mit einer ausgewählten Richtcharakteristik und/oder Kollimation (z.B. einem nach vorn gerichteten Strahl mit einer vergleichsweise engen Kollimation, die einem Laser ähnelt) ausgestrahlt werden. Die Reflexion des Sendesignals 108 kann auf das erste Fahrzeug 102 zurückgerichtet werden und kann daher als Empfangssignal 110 von einem Sensor 112, der in der Nähe des Senders 106 positioniert ist, detektiert werden. Das Empfangssignal 110 kann zum Beispiel ein empfangener Lichtimpuls sein, der von einem Objekt zurückreflektiert wird. Der Sensor 112 kann bei einer ausgewählten Wellenlänge arbeiten (z.B. eine Fotodiode, die selektiv für die vom Sender 106 emittierte Wellenlänge empfindlich ist), und/oder ein Abtastsignal kann bei einer Abtastfrequenz abgetastet werden (z.B. Messen des Leitwerts der Fotodiode über ein Abtastintervall, z.B. 50 Nanosekunden), um eine chronologische Folge von Abtastwerten zu erzeugen, wobei jeder Abtastwert eine Messung des Sensors darstellt (z.B. Abtastwerte, die eine Messung der Fotodiode über ein Abtastintervall von 50 Nanosekunden widerspiegeln). Das Abtastintervall wird daher durch Nehmen des Inversen der Abtastfrequenz berechnet. Der Sensor 112 kann ein Pixel oder ein Cluster von eingelagerten („binned“) Pixeln sein, die ein kombiniertes Sensorsignal ausgeben.
Eine von einem Sensor 112 erzeugte Abtastfolge kann ausgewertet werden, um ein Auftreten des Sendesignals 108 zu detektieren, z.B. eine Wellenform in der Abtastfolge, die einer Musterwellenform ähnelt (z.B. die vom Sender 106 ausgesendete Wellenform). In einigen Ausführungsformen kann die zu detektierende Wellenform eine Impuls-Wellenform sein, die einer Laserimpuls-Wellenform entspricht, die vom Emitter 106 ausgesendet wird. Das Auftreten des Sendesignals 108 innerhalb der Abtastfolge kann eine Zeit des Empfangssignals 110 bezeichnen, welche die Reflexion des Sendesignals 108 an einer Oberfläche umfasst. Außerdem kann die zeitliche Position des Sendesignals 108 innerhalb der Abtastfolge die Zeit anzeigen, zu welcher der Sensor 112 das Empfangssignal 110 detektiert hat. Die Ermittlung der Detektionszeit und der Vergleich mit der Zeit, bei welcher der Sender 106 das Sendesignal 108 ausgesendet hat, kann eine Bestimmung der Gesamtlaufzeit des Sendesignals 108 zwischen dem Sender 106 und der reflektierenden Oberfläche eines Objektes, wie z.B. des zweiten Fahrzeuges 104, ermöglichen. Im Beispielszenario 100 der 1 sendet beispielsweise der Sender 106 das Sendesignal 108 bei einer Sendezeit 114 aus, und die Abtastung des Sensors 112 zeigt die Detektion des Empfangssignals 110 bei einer Detektionszeit 116 an. Die Differenz dieser Zeiten kann die Laufzeit (Time-of-Flight) 120 des Sendesignals 108 anzeigen, z.B. zwei Mikrosekunden. Zusätzlich kann die Multiplikation der Laufzeit 120 mit der Signalausbreitungsgeschwindigkeit 122 des Sendesignals 108 (z.B. die Geschwindigkeit von Infrarotlicht durch die Luft, d.h. 299,8 Meter pro Mikrosekunde) den vom Sendesignal 108 zurückgelegten Abstand anzeigen. Da eine solche Laufzeit den Weg einschließlich des Senders 106, des zweiten Fahrzeugs 104 und des Sensors 112 widerspiegeln kann, kann die resultierende Schätzung des Rundlauf (Round-Trip)-Abstands 124 (z.B. 598,6 Meter) durch zwei geteilt werden, um eine Abstandsschätzung 126 zwischen dem ersten Fahrzeug 102 und dem zweiten Fahrzeug 104 (z.B. 299,8 Meter) zu erhalten. Auf diese Weise kann eine LIDAR-Sender- und Detektorkombination die Formulierung von Abstandsschätzungen 126 zwischen dem ersten Fahrzeug 102 und nahegelegenen Objekten wie dem zweiten Fahrzeug 104 ermöglichen. Die Abstandsschätzung 126 kann z.B. verwendet werden, um den Bremsweg zu messen und einen Fahrer des ersten Fahrzeugs 102 vor unsicheren Fahrbedingungen zu warnen und/oder um die autonome Steuerung des Fahrzeugs anzupassen, wie z.B. die Anpassung der Geschwindigkeit des ersten Fahrzeugs 102, um einen sicheren Bremsweg in Bezug auf das zweite Fahrzeug 104 einzuhalten.
Wie im Beispielszenario 100 der 1 ferner veranschaulicht, ist ein wesentlicher Aspekt bei der LIDAR-basierten Abstandsschätzung die Genauigkeit der Signaldetektion, die sich als Fehler 118 zwischen dem tatsächlichen und dem geschätzten Abstand manifestiert. Die Genauigkeit der Signaldetektion kann der Varianz in der Detektionszeit 116 entsprechen. Wenn der Sensor 112 beispielsweise bei einer Abtastfrequenz von 500 Megahertz abgetastet wird, wird jede Abtastmessung des Sensors 112 über ein Abtastintervall von 2 Nanosekunden (invers zu 500 Megahertz) durchgeführt, und das Empfangssignal 110 kann zu jeder Zeit innerhalb des 2-Nanosekunden-Abtastintervalls tatsächlich beim Sensor 112 angekommen sein. Der Fehler 118 der Detektionszeit 116 wird daher als bis zu 2 Nanosekunden vor oder nach der detektierten Zeit identifiziert. Obwohl vergleichsweise kurz, werden das Abtastintervall des Abtastwerts und der daraus resultierende Fehler durch die hohe Signalausbreitungsgeschwindigkeit 122 von 299,8 Metern pro Mikrosekunde verstärkt. Daher kann die Differenz von 2 Nanosekunden zwischen einem ersten Empfangssignal 110, das zu Beginn eines Abtastintervalls eintrifft, und einem zweiten Empfangssignal 110, das am Ende eines Abtastintervalls eintrifft, zu einem Fehlerbereich in der Abstandsschätzung 126 von etwa 60 Zentimetern führen.
Wie das Beispielszenario 100 aus 1 zeigt, kann die zeitliche Position des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge - wie auch die Genauigkeit der ermittelten zeitlichen Position - die Funktionalität von Systemen, die solche Informationen nutzen, erheblich beeinflussen. Es kann ferner gesehen werden, dass die Genauigkeit der zeitlichen Position des Empfangssignals 110 des Sendesignals 108 zumindest teilweise auf der Abtastfrequenz des Sensors 112 basiert.
2 zeigt ein Beispielszenario 200 mit der Analyse eines Signals bei verschiedenen Abtastfrequenzen. 2 zeigt ein ideales Empfangssignal 110 in Abwesenheit von Rauschen, aber der Sensor 112 kann das Empfangssignal plus Rauschen 204 detektieren. Die zeitkontinuierliche Ausgabe des Sensors 112 kann (z.B. durch einen Analog-Digital-Wandler) bei einer gewählten Abtastfrequenz abgetastet werden, um eine Abtastfolge 206 von Abtastwerten zu erzeugen, die jeweils eine Messung des Sensors 112 über ein Abtastintervall umfasst. Ein Abtasten des Sensors 112 bei einer hohen Abtastfrequenz kann eine Hochfrequenz-Abtastung 208 erzeugen, wobei die jeweiligen Abtastwerte die Ausgabe des Sensors 112 über ein schmales Abtastintervall widerspiegeln. Ein Vergleich der Hochfrequenz-Abtastung 208 mit der Wellenform des idealen Empfangssignals 202 kann eine Hochfrequenz-Interpolation 210 der Hochfrequenz-Abtastung 208 ermöglichen, einschließlich einer Abgrenzung des idealen Empfangssignals 202 vom Rauschen.
Wie im Beispielszenario 200 von 2 ferner veranschaulicht, kann die Analyse der zeitdiskreten Hochfrequenz-Abtastung 208 eine Detektion einer Instanz des Empfangssignals 110 innerhalb der zeitdiskreten Abtastfolge ermöglichen. Zusätzlich kann durch die Analyse der Hochfrequenz-Interpolation die zeitliche Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der zeitdiskreten Abtastfolge identifiziert werden (z.B. die Indizes der zeitdiskreten Abtastwerte, in denen das Empfangssignal 110 erscheint und die entsprechenden Abtastzeiten, die dadurch dargestellt werden). Als Beispiel kann die zeitliche Position 212 als Spitzenabtastwert (Peak-Abtastwert) in der Abtastfolge identifiziert werden; als Mittelwert oder Medianzentrum des Empfangssignals 110 (z.B. ein Massenschwerpunkt); und/oder als Anfang oder Ende des Empfangssignals 110, wie durch den ersten oder letzten Abtastwert in der Folge von Abtastwerten angezeigt wird, über die das Empfangssignal 110 in der zeitdiskreten Abtastung erscheint. Die zeitliche Position 212 des Empfangssignals 110 kann jedoch mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die zumindest teilweise auf dem durch jeden Abtastwert dargestellten Abtastintervall 214 basiert. Wird der Sensor 112 stattdessen mit einer niedrigeren Abtastfrequenz abgetastet, was zu einer geringeren Anzahl von Abtastwerten führt, die jeweils über ein größeres Abtastintervall 214 gesammelt werden, kann die resultierende Mittelfrequenz-Interpolation 218 eine Detektion des Empfangssignals 110 bei etwa der gleichen zeitlichen Position 212 erzeugen, aber mit einem größeren Abtastintervall 214, das eine größere potentielle Varianz darstellt, innerhalb der das Empfangssignal 110 beim Sensor 112 angekommen sein kann. Eine weitere Reduzierung der Abtastfrequenz des Sensors 112 kann eine Niederfrequenz-Interpolation 220 erzeugen, wobei das Empfangssignal 110 wieder bei ungefähr der gleichen zeitlichen Position 212, aber mit einem noch größeren Abtastintervall 214, in dem das Empfangssignal 110 beim Sensor 112 angekommen sein kann, aufgebaut wird. Die Varianz der durch die Interpolationen bei verschiedenen Abtastfrequenzen erzielten Genauigkeit kann die Auflösung der resultierenden Messungen basierend auf der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge beeinflussen. Wird zum Beispiel die zeitliche Position 212 des Signals zur Schätzung eines Abstands in einem LIDAR-basierten Abstandsmesssystem verwendet, so kann jede Interpolation eine zeitliche Positionsbestimmung 216 mit der gleichen Abstandsschätzung 126 produzieren, aber mit einem anderen Fehler, der invers zur Abtastfrequenz in Beziehung steht. Das heißt, die Hochfrequenz-Interpolation 210 kann eine zeitliche Positionsbestimmung 216 und eine Abstandsschätzung 126 mit einem 10-Zentimeter-Fehlerbereich ermöglichen; die Mittelfrequenz-Interpolation 218 kann eine zeitliche Positionsbestimmung 216 und eine Abstandsschätzung 126 mit einem 45-Zentimeter-Fehlerbereich ermöglichen; und die Niederfrequenz-Interpolation 220 kann eine zeitliche Positionsbestimmung 216 und eine Abstandsschätzung 126 mit einem 80-Zentimeter-Fehlerbereich ermöglichen.
In einigen Anwendungen der Signalanalyse, bei denen die Genauigkeit der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 signifikant ist und als unzureichend bestimmt wird, kann die Genauigkeit und die daraus resultierende Auflösung der Messung durch eine Erhöhung der Abtastfrequenz des Sensors 112 erhöht werden. Einige Anwendungen können jedoch eine Erhöhung der Abtastfrequenz nicht zulassen. Als erstes Beispiel kann ein Analog-Digital-Wandler, der den Sensor 112 abtastet, eine maximale Taktrate aufweisen, und eine Erhöhung der Taktrate des Analog-Digital-Wandlers kann zusätzliche Schaltungen erfordern, die Kosten erhöhen und zu falschen Berechnungen führen. Als zweites Beispiel kann die Anzahl der Abtastwerte in der Abtastfolge 206 die Speicherkapazität einer Vorrichtung übersteigen, welche die Abtastfolge 206 analysiert, um das Empfangssignal 110 zu detektieren. Es kann daher nicht möglich sein, die volle Wellenform des Empfangssignals 110 innerhalb der Anzahl der im Speicher der Vorrichtung gespeicherten Abtastwerte zu detektieren. Als drittes Beispiel kann in Szenarien, die von einer Echtzeit- oder Nahe-Echtzeit-Detektion des Empfangssignals 110 abhängen, die Detektion des Empfangssignals 110 und die Bestimmung der zeitlichen Position 212 innerhalb einer hochvolumigen Abtastfolge so weit verzögert werden, dass sie für die Echtzeit- oder Nahe-Echtzeit-Anwendung solcher Bestimmungen nicht mehr geeignet sind. In einigen Szenarien kann eine Erhöhung der Abtastfrequenz des Sensors 112 möglich, aber unerwünscht sein. Beispielsweise kann ein Analog-Digital-Wandler den Sensor 112 bei einer höheren Abtastfrequenz abtasten, indem er auf eine höhere Taktrate skaliert, aber eine solche Skalierung kann die rechnerischen Anforderungen der Umwandlung für jede Instanz der Abtastfolge 206 erhöhen. Die erhöhten Rechenanforderungen können wiederum mehr Leistung verbrauchen, was die Lebensdauer der Batterie verkürzen kann, wenn sie in einer mobilen Vorrichtung mit einem Akku mit begrenzter Kapazität verwendet wird. Die erhöhte Taktrate und der erhöhte Rechenaufwand des Prozessors kann die Wärmeentwicklung erhöhen, was die Temperatur der Vorrichtung erhöhen kann. Übermäßige Temperaturerhöhungen können die Datenfehlerraten der Vorrichtung erhöhen und können sogar elektronische Komponenten der Vorrichtung, wie z.B. den Prozessor oder den Speicher, beschädigen.
Angesichts der im Beispielszenario 200 der 2 vorgestellten Überlegungen kann es wünschenswert sein, eine Abtastfolge zu analysieren, um die darin auftretende zeitliche Position 212 des Sendesignals 108 mit einer höheren Genauigkeit zu ermitteln. Außerdem kann es wünschenswert sein, dies unter Beibehaltung einer vergleichsweise bescheidenen Abtastfrequenz des Sensors 112 zu tun, anstatt die Abtastfrequenz zu erhöhen, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen. Es kann wünschenswert sein, Techniken bereitzustellen, welche die Genauigkeit der Bestimmung der zeitlichen Position 212 des Signals 108 innerhalb der Abtastfolge 206 erhöhen.
Vorgestellte Techniken
Vorgestellt werden hierin Techniken zur Detektion eines Empfangssignals 110 in einer Abtastfolge 206, wobei die Detektion die Bestimmung des Auftretens des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 und auch der zeitlichen Position 212 der Wellenform des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 beinhaltet. Darüber hinaus können die hier vorgestellten Verfahren die Genauigkeit der Bestimmung der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 erhöhen. Es kann beobachtet werden, dass die Abtastung des Sensors 112 bei einer ausgewählten Abtastfrequenz (z.B. 500 Megahertz Abtastfrequenz, wobei die jeweiligen Abtastwerte eine Detektion über ein Abtastintervall von 2 Nanosekunden darstellen) eine erste der Abtastfolge 206 für ein erstes Empfangssignal 110, das zu einer bestimmten Zeit am Sensor 112 ankommt erzeugen kann, und eine zweite der Abtastfolge 206 für ein zweites Empfangssignal 110, das eine Abtastung später (z.B. 2 Nanosekunden später) am Sensor 112 ankommt. Sowohl im ersten als auch im zweiten der Abtastfolge 206 kann die Spitze des Empfangssignals 110 während desselben Abtastintervalls 214 des Abtastvorgangs aufgetreten sein, und das Empfangssignal 110 kann als eine Spitze erscheinen bei dem gleichen Abtastindex und damit der gleichen zeitlichen Position 212 innerhalb der Abtastfolge 206 auftritt. Eine Bestimmung basierend auf dem Index der zeitlichen Position 212 der Spitze, wie das Beispielszenario 200 der 2, kann nur anzeigen, dass beide Empfangssignale 110 innerhalb der Abtastfolge 206 innerhalb desselben 2-Nanosekunden-Sekunden-Abtastintervalls 214 angekommen sind. Die Verteilung des Empfangssignals 110 über die benachbarte Abtastsequenz, die mit der Wellenform des Empfangssignals 110 übereinstimmt, kann jedoch als eine Reflexion davon variieren, wann jedes Empfangssignal 110 am Sensor 112 ankam. Das heißt, dass sowohl die erste als auch die zweite der Abtastfolge 206 das Empfangssignal 110 mit derselben zeitlichen Position 212 und derselben allgemeinen Form, die mit der Wellenform des Empfangssignals 110 übereinstimmt, aufweisen kann, aber die spezielle Form der Wellenform kann einem zeitlichen Positionsversatz des Empfangssignals 110 entsprechen, der kleiner als das Abtastintervall 214 ist. Zum Beispiel können, in der ersten der Abtastfolge 206 für das früher empfangene Signal 110, die Größen der der Spitze folgenden Abtastwerte höher sein als die Größen der entsprechenden Abtastwerte in der zweiten der Abtastfolge 206 für das später ankommende Empfangssignal 110; und umgekehrt können die Größen der der Spitze folgenden Abtastwerte in der ersten der Abtastfolge 206 niedriger sein als die Größen der entsprechenden Abtastwerte in der zweiten der Abtastfolge 206 für das später ankommende Empfangssignal 110.
Ein Vergleich der Form der Wellenform in der Abtastfolge 206 mit den Wellenformen der idealen Empfangssignale 202, die ihre Spitze bei der gleichen zeitlichen Position 212 haben, aber mit unterschiedlichen Unterintervallverschiebungen relativ zur Spitze ankommen, kann die Bestimmung eines zeitlichen Positionsversatzes der zeitlichen Position 212 ermöglichen, der kleiner als das Abtastintervall 214 ist. Eine Technik zur Durchführung eines solchen Vergleichs ist die Verwendung eines Matched-Filter-Satzes von Matched-Filtern, die jeweils einer Abtastung bei der Abtastfrequenz des Sensors 112 eines um eine Unterintervallverschiebung verschobenen Mustersignals entsprechen (z.B. eine Abtastung des Mustersignals, die um eine Größe verzögert oder vorverlegt ist, die kleiner ist als das Abtastintervall jeder Abtastung). Das Mustersignal kann, zum Beispiel, einer Wellenform des vom Sender 106 übertragenen Lichtimpulssignals entsprechen. Jedes Matched-Filter des Matched-Filter-Satzes kann einer Abtastung mit einer anderen Unterintervallverschiebung entsprechen. Eine Unterintervallverschiebung kann eine Verschiebung (z.B. Verzögerung) des Mustersignals um weniger als das Abtastintervall sein. Alternativ können die jeweiligen Matched-Filter einer Unterabtastfolge von Abtastwerten der überabgetasteten Version des Mustersignals entsprechen. Die Berücksichtigung des zeitlichen Positionsversatzes bei der zeitlichen Positionsbestimmung 216 basierend auf dem Vergleich der Übereinstimmung des Mustersignals mit der Art und Weise, wie das Empfangssignal 110 bei Ankunft am Sensor 112 mit unterschiedlichen Unterintervallverschiebungen wahrscheinlich erscheinen wird, kann eine genauere Bestimmung der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 ermöglichen. Außerdem kann eine solche erhöhte Genauigkeit nicht aus einer Erhöhung der Abtastfrequenz des Sensors 112 resultieren. Vielmehr kann die Anwendung der hierin vorgestellten Techniken auf eine vergleichsweise niederfrequente Abtastung des Sensors 112 zu vergleichbar hochgenauen Ergebnissen führen, welche die durch die Hochfrequenz-Abtastung 208 des Sensors 112 erreichbare Genauigkeit erreichen oder in einigen Fällen sogar übertreffen.
Die 3-4 zeigen zwei Techniken zur Bestimmung der Impulsantworten der Matched-Filter des Matched-Filter-Satzes durch Abtastung eines Mustersignals 302 bei der Abtastfrequenz des Sensors 112 mit unterschiedlichen Unterintervallverschiebungen 308.
3 zeigt ein Beispielszenario 300 mit einem ersten Beispiel von Impulsantworten eines Matched-Filter-Satzes 304, die nach den hier vorgestellten Verfahren erzeugt wurden. In diesem Beispielszenario 300 wird ein Mustersignalsatz von Mustersignalen 302 mit Unterintervallverschiebungen 308 (z.B. Phasenverschiebungen des Empfangssignals 110) erzeugt, um das Eintreffen des Mustersignals 302 am Sensor 112 zu verschiedenen Zeiten widerzuspiegeln, wobei die Unterschiede der Zeiten innerhalb des Abtastintervalls 214 der Abtastfrequenz variieren. Beträgt beispielsweise die Abtastfrequenz des Sensors 112 500 Megahertz, so dass das Abtastintervall und damit die Abtastintervalle 214 der jeweiligen Abtastwerte 2 Nanosekunden betragen, dann können verschobene Mustersignale 302 mit Unterintervallverschiebungen 308 von -0,2 mal dem Abtastintervall 214 berücksichtigt werden (z.B., -0,4 Nanosekunden); -0,1 mal das Abtastintervall 214 (z.B. -0,2 Nanosekunden); 0 mal das Abtastintervall 214 (z.B. 0 Nanosekunden, oder unverschoben); +0,1 mal das Abtastintervall 214 (z.B. +0,2 Nanosekunden); und +0,2 mal das Abtastintervall 214 (z.B. +0,4 Nanosekunden). Dieser Signalsatz kann den Bereich der Unterintervallverschiebungen für ein einzelnes Abtastintervall 214 mit einer gewählten Schrittweite von 0,2 Nanosekunden überspannen, weil weitere Signalverschiebungen die halbe Breite des Abtastintervalls 214 überschreiten und daher als zumindest eine vollständige Verschiebung des Mustersignals 302 um einen oder mehrere Abtastwerte detektiert werden. Die jeweiligen Mustersignale 302 werden dann bei der vorgesehenen Abtastfrequenz des Sensors 112 abgetastet, um einen Matched-Filter-Satz 304 aus Matched-Filtern 306 zu erzeugen, wobei eine Impulsantwort der jeweiligen Matched-Filter 306 dem Mustersignal entspricht, das mit der Abtastfrequenz des Sensors 112 abgetastet und um eine Unterintervallverschiebung 308 (z.B. ein Vorlauf oder eine Verzögerung mit einer Dauer von weniger als einem Abtastintervall 214) verschoben ist. Die Unterintervallverschiebungen 308 der jeweiligen Matched-Filter 306 entsprechen einem zeitlichen Positionsversatz der zeitlichen Position 212 des Mustersignals 302 innerhalb der Abtastfolge 206. Weist beispielsweise eine Abtastfolge 206 das Mustersignal 302 auf, das einem ersten der Matched-Filter 306 entspricht, so kann das Empfangssignal 110 innerhalb der Abtastfolge 206 als um -0,4 Abtastintervalle verschoben identifiziert werden, was einem Vorlauf von 0,4 Nanosekunden gegenüber der Abtastung des unverschobenen Mustersignals 302 entspricht.
Die Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter 306 des in der 3 dargestellten Matched-Filter-Satzes 304 können z.B. einmal durch Abtastung des Mustersignals 302 bei einer ausgewählten Unterintervallverschiebung für jedes Matched-Filter 306 erzeugt werden. Das Mustersignal 302 kann, zum Beispiel, einen empfangenen Lichtimpuls enthalten, der unter vorgegebenen Bedingungen, z.B. bei einem Kalibrierungsvorgang, gemessen wurde. In einigen Ausführungsformen kann das Mustersignal 302 eine bekannte, vom Sender 106 ausgesandte Impulswellenform umfassen. Eine Technik zur Erzeugung der Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter 306 im Beispielszenario 300 der 3 beinhaltet die Gleichung: $s_{T, i} [n] = s_{T} (n T_{s} + (\frac{M_{o s} - 1}{2} - (i - 1)) \frac{T_{s}}{M_{O S}}), i = 1, \dots, M_{O S} n = 1, \dots, N_{S},$
wobei:

N_s die Anzahl der Matched-Filter 306 des Matched-Filter-Satzes 304 umfasst;
n den Index eines Matched-Filters 306 des Matched-Filter-Satzes 304 umfasst;
i den Abtastindex innerhalb des Matched-Filters n umfasst;
S_T(...) das Mustersignal 302 bei der gewählten Zeit umfasst;
T_S die Dauer des Abtastintervalls des Mustersignals 302 umfasst;
Mos das Überabtastverhältnis relativ zur Abtastfrequenz des Sensors 112 umfasst; und
S_T,i[n] den Wert des Matched-Filters n bei dem Abtastindex i umfasst.

4 zeigt ein Beispielszenario 400 mit einem zweiten Beispiel für einen gemäß den hier vorgestellten Techniken erzeugten Matched-Filter-Satz 304. In diesem Beispielszenario 300 wird eine überabgetastete Version des Mustersignals 302 bei einer höheren Abtastfrequenz als die Abtastfrequenz des Sensors 112 ausgewertet. Umfasst der Matched-Filter-Satz 304 beispielsweise vier Matched-Filtern 306, kann die Überabtastung 402 des Mustersignals 302 eine Abtastung des Mustersignals 302 bei der vierfachen Abtastfrequenz des Sensors 112 umfassen. Die Überabtastung 402 kann in Sätze von Unterabtastungen unterteilt werden (z.B. eine erste Unterabtastfolge mit den Abtastwerten 0, 4, 8, 12,...; eine zweite Unterabtastfolge mit den Abtastwerten 1, 5, 9, 13,...; eine dritte Unterabtastfolge mit den Abtastwerten 2, 6, 10, 14,...; und eine vierte Unterabtastfolge mit den Abtastwerten 3, 7, 11, 15,...). Die jeweiligen Unterabtastwerte 404 der Überabtastung 402 können zur Erzeugung eines Matched-Filter-Satzes 304 verwendet werden, wobei die Impulsantwort der jeweiligen Matched-Filter 306 einer ausgewählten Unterabtastwertfolge von Abtastwerten der Unterabtastwerte 404 entspricht. Außerdem entspricht jede Unterabtastfolge einer Darstellung des am Sensor 112 ankommenden Empfangssignals 110 mit der jeweiligen Unterintervallverschiebung 308 (z.B. kann die erste der Unterabtastfolgen der Abtastung bei der Abtastfrequenz des Sensors 112 des mit einem Abtastintervallvorlauf von -0,4 relativ zu dem unverschobenen Empfangssignal 110 ankommenden Empfangssignals 110 entsprechen). Entsprechend werden die Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter 306 des Matched-Filter-Satzes 304 mit dem Mustersignal 302 innerhalb der Abtastfolge 206 korreliert, das von der zeitlichen Position 212 um den zeitlichen Positionsversatz 310 verschoben ist. Weist die Abtastfolge 206 beispielsweise das Empfangssignal 110 auf, das dem ersten der Matched-Filter 306 entspricht, so kann das Empfangssignal 110 als um -0,4 Abtastintervalle, was einem Vorlauf von 0,4 Nanosekunden relativ zu der Abtastung des unverschobenen Empfangssignals 110 entspricht, um die zeitliche Position 212 verschoben identifiziert werden.
Die jeweiligen Antwortfunktionen der Matched-Filter 306 des in der 4 dargestellten Matched-Filter-Satzes 304 können einmal (z.B. in einer Matched-Filter-Setup-Routine) oder mehrfach unter Verwendung einer Unterabtastfolge von Unterabtastungen einer Überabtastung 402 des Mustersignals 302 erzeugt werden. Eine Technik zur Erzeugung der jeweiligen Matched-Filter 306 im Beispielszenario 400 der 4 beinhaltet die Gleichung: $s_{T, i} [n] = s_{T} (n \frac{T_{s}}{M_{O S}}), n = i, M_{O S} + i, \dots, (N_{s} - 1) M_{O S} + i$
wobei:

N_s die Anzahl der Matched-Filter 306 des Matched-Filter-Satzes 304 umfasst;
n den Index des Matched-Filters 306 des Matched-Filter-Satzes 304 umfasst;
i den Abtastindex innerhalb des Matched-Filters n umfasst;
S_T(...) die Abtastung des Mustersignals 302 bei der gewählten Zeit entsprechend der Unterintervallverschiebung 308 umfasst;
T_S das Abtastintervall des Mustersignals 302 umfasst;
M_OS das Überabtastverhältnis relativ zur Abtastfrequenz des Sensors 112 umfasst; und
S_T,i[n] den Wert des Matched-Filters n am Abtastindex i umfasst.

In der 5 ist ein Beispielszenario dargestellt, das die Verwendung des Matched-Filter-Satzes 304, wie das erste Beispielszenario 304 im Beispielszenario 300 der 3 oder das zweite Beispielszenario 304 im Beispielszenario 400 aus 4, zur Detektion des Auftretens und der zeitlichen Position des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 zeigt. In diesem Beispielszenario 500 wird der Sensor 112 einer Abtastung 502 bei einer Abtastfrequenz 504, z.B. 500 Megahertz, unterzogen, um eine zeitdiskrete Abtastfolge 206 zu erzeugen, in der das Empfangssignal 110 vorhanden sein kann. Der Sensor 112 kann, zum Beispiel, aus ein Pixel oder ein anderes Sensorelement umfassen, welches das zu messende Empfangssignal 110 erzeugt. Auch die Startposition 506 einer Abtastfolge kann identifiziert werden (z.B. als Startzeit der Abtastfolge als 20 Nanosekunden). Die Referenzposition kann, zum Beispiel, durch den Abtastwert bestimmt werden, der zeitlich der Sendezeit des LIDAR-Impulsstrahls entspricht. Jedes der Matched-Filter des Matched-Filter-Satzes 304 empfängt die Abtastfolge 206 (entweder das Abtastfolgensignal direkt oder eine Replik der Abtastfolge). Damit jedes der Matched-Filter die Abtastfolge 206 empfängt, können die Abtastwerte der Abtastfolge mehrfach repliziert werden und die replizierten Abtastwerte werden dem Matched-Filter-Satz bereitgestellt. Der Matched-Filter-Satz 304 kann auf die Abtastfolge 206 angewendet werden, um festzustellen, ob das Empfangssignal 110 in der Abtastfolge 206 an den jeweiligen zeitlichen Positionen 212 relativ zur Startposition 506 der Abtastfolge erscheint. Die Matched-Filter des Matched-Filter-Satzes 304 können zur parallelen Verarbeitung der Abtastfolge angeordnet werden. So wird in diesem Beispielszenario 500 die Abtastfolge (z.B. durch Replikation der Original-Abtastfolge 206 zur Herstellung identischer Kopien) parallel zu jedem Matched-Filter 306 des Matched-Filter-Satzes 304 bereitgestellt, und die Matched-Filter 306 verarbeiten die Abtastfolge 206 parallel. Jedes Matched-Filter 306 gibt eine Matched-Filter-Korrelation 508 aus, welche die Korrelation des Matched-Filters 306 mit der Abtastfolge 206 basierend auf der Impulsantwort des jeweiligen Matched-Filters 306 anzeigt. Beispielsweise kann das Matched-Filter eine Folge von Korrelationswerten über die Zeit bestimmen, wenn die Abtastwerte der Abtastfolge 206 über die Zeit in das Matched-Filter 306 eingegeben werden. Für jedes der Matched-Filter 306 wird der Korrelationswert dieser Korrelationswertfolge als Matched-Filter-Korrelation 508 der Abtastfolge zusammen mit der Abtastwertnummer, welcher der maximale Korrelationswert entspricht, ermittelt. Eine zeitliche Position 516 des Empfangssignals 110 kann identifiziert werden basierend auf der Verarbeitung des Matched-Filter-Korrelationssatzes von Matched-Filter-Korrelationen 508, der durch den Matched-Filter-Satz 304 von Matched-Filtern 306 erzeugt wurde. Im Beispielszenario 500 der 5 wird die zeitliche Position 516 bestimmt durch Multiplikation der Unterintervallverschiebungen 308 der jeweiligen Matched-Filter 306 mit der Matched-Filter-Korrelation 508 und Normierung durch die Summe der Matched-Filter-Korrelationen 508, um für jedes Matched-Filter 306 eine normierte, gewichtete Unterintervallverschiebung 510 zu erzeugen. Die Summe der normierten, gewichteten Unterintervallverschiebungen 510 erzeugt eine Empfangssignal-Unterintervallverschiebung 512 für das Empfangssignal 110 von 0,186, welche die Unterintervallverschiebung 308 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 gemäß den Unterintervallverschiebungen 308 der jeweiligen Matched-Filter 306 und den Matched-Filter-Korrelationen 508 der jeweiligen Matched-Filter 306 mit dem Empfangssignal 110 innerhalb der Abtastfolge 206 widerspiegelt. Die Empfangssignal-Unterintervallverschiebung 512 von 0,186 wird mit dem Abtastintervall 214 von 2 Nanosekunden multipliziert, um den zeitlichen Positionsversatz 514 von 0,372 Nanosekunden zu bestimmen, der zur Abtastfolgen-Startposition 506 addiert wird, um eine Bestimmung der zeitlichen Position 516 als, zum Beispiel, 20,372 Nanosekunden zu erhalten. In einigen anderen Ausführungsformen kann die Position basierend auf der Zeit bestimmt werden, die sich auf den Index des maximalen Korrelationswertes des Matched-Filters mit dem maximalen Korrelationswert über die Abtastfolge im Vergleich zu den anderen maximalen Korrelationswerten der anderen Matched-Filter über die Abtastfolge bezieht.
Technische Effekte
Einige Ausführungsformen der Auswertung der Abtastfolge 206 von Abtastwerten des Sensors 112 zur Bestimmung der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 gemäß den hier vorgestellten Techniken können eine Vielzahl von technischen Merkmalen gegenüber anderen Ausführungsformen ermöglichen, welche die hier vorgestellten Techniken nicht verwenden.
Ein erstes Beispiel für einen technischen Effekt, den eine Ausführungsform der hier vorgestellten Techniken aufweisen kann, ist die hochgenaue Bestimmung des Empfangssignals 110 durch den Sensor 112, der nicht geeignet ist, auf eine höhere Abtastfrequenz 504 zu skalieren. Als erstes solches Beispiel kann der Sensor 112 dazu ausgelegt sein, dass er mit einer festen, nicht einstellbaren Abtastfrequenz 504 arbeitet. Als zweites solches Beispiel kann der Sensor 112 durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) mit einer maximalen Taktrate betrieben werden, wobei die vom Sensor 112 gewünschte Genauigkeit typischerweise eine Erhöhung der Abtastfrequenz 504 über die maximale Taktrate des ADC hinaus involviert. Als drittes solches Beispiel kann die auszuwertende Abtastfolge 206 in einem Speicherpuffer fester Länge gespeichert werden, und die Erhöhung der Abtastfrequenz 504 der Abtastfolge 206 kann das Volumen der Abtastwerte, die eine einzelne Instanz des Empfangssignals 110 darstellen, über die Kapazität des Speicherpuffers hinaus erhöhen. Als viertes solches Beispiel kann der Signal-Rausch-Pegel des Sensors 112 akzeptabel sein, wenn der Sensor 112 mit einer niedrigen Abtastfrequenz 504 abgetastet wird, aber eine Erhöhung der Abtastfrequenz 504 und eine Verkürzung des Abtastintervalls 214 kann das Signal-Rausch-Verhältnis verringern, wodurch die Korrelationszuverlässigkeit der Detektion des Empfangssignals 110 unter einen Schwellenwert gesenkt wird oder in einigen Fällen das zeitkontinuierliche Empfangssignal 110 gegenüber dem in jedem Abtastwert vorhandenen Rauschen nicht mehr detektierbar ist. Als fünftes solches Beispiel kann die Auswertung eines größeren Datenvolumens die Detektion des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 verzögern. In Szenarien, in denen eine solche Detektion in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit erfolgt, kann die verzögerte Detektion einen akzeptablen Verarbeitungsverzögerungsschwellenwert überschreiten. In diesen Szenarien kann anstelle einer Erhöhung der Abtastfrequenz 504 des Sensors 112 eine höhere Genauigkeit bei einer niedrigeren oder nativen Abtastfrequenz 504 des Sensors 112 durch die Verwendung der hier vorgestellten Techniken erreicht werden.
Ein zweites Beispiel für einen technischen Effekt, den eine Ausführungsform der hier vorgestellten Techniken aufweisen kann, ist eine hochgenaue Bestimmung des Empfangssignals 110 durch den Sensor 112, der geeignet ist, auf eine höhere Abtastfrequenz 504 hochzuskalieren, aber wobei die höhere Abtastfrequenz 504 einige potenzielle Nachteile aufweist. Als erstes solches Beispiel kann die Erhöhung der Abtastfrequenz 504 ein größeres Volumen von Abtastwerten erzeugen. Das erhöhte Datenvolumen kann einen leistungsfähigeren Bus zwischen dem Sensor 112 und dem Speicher nach sich ziehen. Als zweites solches Beispiel kann das erhöhte Abtastvolumen eine Erweiterung der Speicherkapazität der Vorrichtung, die für die Analyse verwendet wird, mit sich bringen, was die Materialkosten der Vorrichtung erhöhen, die Größe der Vorrichtung vergrößern und/oder den Speicher von anderen Funktionen der Vorrichtung ablenken kann. Alternativ kann, selbst wenn die Speicherkapazität einer Vorrichtung in der Lage ist die gesamte Abtastfolge 206 zu speichern, die Auswertung jeder Abtastfolge 206 mehr Leistung und Rechenressourcen verbrauchen. Als drittes solches Beispiel kann der Verbrauch zusätzlicher Leistung von einem leistungsfähigeren Prozessor abhängen, was die Materialkosten der Vorrichtung und/oder die Größe der Vorrichtung erhöhen kann. Als viertes solches Beispiel kann der Verbrauch von zusätzlicher Leistung die Akkulaufzeit einer mobilen Vorrichtung mit einem Akku mit begrenzter Kapazität verringern. Als fünftes solches Beispiel kann der Verbrauch von zusätzlicher Leistung die Wärmeproduktion und damit die Temperatur der Vorrichtung erhöhen. In einigen Szenarien kann die zusätzliche Wärme durch passive oder aktive Vorrichtungskühlung abgeführt werden, aber die Einbeziehung solcher Komponenten kann die Materialkosten der Vorrichtung und/oder die Größe der Vorrichtung erhöhen. In einigen Szenarien können zusätzliche Kühlkomponenten nicht mit der Architektur der Vorrichtung kompatibel sein. Als sechstes solches Beispiel kann die erhöhte Temperatur die Betriebstemperatur und den thermischen Verschleiß verschiedener Komponenten der Vorrichtung erhöhen, was eine Fehlerrate oder eine Verfälschung der gesammelten Daten oder den Rauschpegel des Sensors 112 erhöhen kann. Die erhöhte Temperatur kann auch dazu führen, dass Komponenten beschädigt oder sogar zerstört werden.
Ein drittes Beispiel für einen technischen Effekt, der sich bei einer Ausführungsform der hier vorgestellten Techniken zeigen kann, ist eine Erhöhung der Genauigkeit der detektierten zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206. Wie in den Beispieldatensätzen der 13-14 gezeigt wird, ergab die Simulation der hier vorgestellten Techniken bei einer vergleichsweise maßvollen Abtastfrequenz 504 nicht nur eine signifikante Steigerung der Genauigkeit gegenüber anderen Techniken, die bei der gleichen Abtastfrequenz 504 angewendet werden, sondern auch eine höhere Genauigkeit als bei der Auswertung von Abtastfolgen 206 des Sensors 112, die bei einer höheren Abtastfrequenz 504 gesammelt wurden. In Szenarien, in denen die zeitliche Position 212 des Empfangssignals 110 mit sehr hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit erreicht werden soll, kann die Verwendung der hier vorgestellten Techniken einen Aspekt liefern, der die resultierende Genauigkeit der zeitlichen Positionsbestimmung 216 erhöht. Darüber hinaus können einige Szenarien sowohl die hier vorgestellten Techniken als auch eine höhere Abtastfrequenz 504 des Sensors 112 nutzen, um eine Kombination von Erhöhungen der zeitlichen Positionsbestimmung 216 zu erreichen. Diese und andere technische Effekte im Bereich der Signaldetektion können durch Ausführungsformen der hier vorgestellten Techniken gezeigt werden.
Ausführungsformen
6 ist eine erste beispielhafte Ausführungsform der hier vorgestellten Techniken, die als Beispielverfahren 600 zur Bestimmung der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 dargestellt ist. Das Beispielverfahren 600 kann eine Vorrichtung umfassen und kann z.B. als ein Satz von Befehlen implementiert werden, die in einem Speicher der Vorrichtung, wie z.B. der Firmware, dem Systemspeicher, einem Festplattenlaufwerk, einer Festkörperspeicherkomponente oder einem magnetischen oder optischen Medium, gespeichert sind, wobei die Ausführung der Befehle durch einen Prozessor der Vorrichtung bewirkt, dass die Vorrichtung in Übereinstimmung mit den hier vorgestellten Techniken arbeitet.
Das Beispielverfahren 600 beginnt bei 602 und beinhaltet die Abtastung 604 eines Sensors 112 bei einer Abtastfrequenz 504, um die Abtastfolge 206 zu erzeugen. Die Abtastung kann, zum Beispiel, die zeitliche Abtastung eines zeitveränderlichen Ausgabesignals einer Fotodiode beinhalten. Das Beispielverfahren 600 beinhaltet auch die Anwendung 606 eines Matched-Filter-Satzes 304 von Matched-Filtern 306 auf die Abtastfolge 206, um einen Matched-Filter-Korrelations-Satz von Matched-Filter-Korrelationen 508 zu erzeugen, wobei Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter 306 dem Mustersignal 302 bei der Abtastfrequenz 504 des Sensors 112, verschoben um eine Unterintervallverschiebung 308, entsprechen. Das Beispielverfahren 600 beinhaltet auch die Auswertung 608 der Matched-Filter-Korrelationen 508 zur Bestimmung einer Empfangssignal-Unterintervallverschiebung 512. Die Auswertung kann zum Beispiel darin bestehen, die jeweiligen Matched-Filter-Korrelationen 508 jedes Matched-Filters 306 mit der Unterintervallverschiebung 308 des Matched-Filters 306 zu multiplizieren; die Produkte zu summieren; und die Summe mit einer zweiten Summe der Matched-Filter-Korrelationen 508 zu normieren. Das Beispielverfahren 600 umfasst auch die Bestimmung 610 der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 basierend auf zumindest der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung 512. Zum Beispiel kann die Bestimmung eine Multiplikation der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung 512 mit dem Abtastintervall 214 umfassen, um den zeitlichen Positionsversatz 514 des Empfangssignals 110 zu bestimmen, und dann die Anpassung der zeitlichen Position 516 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 durch den zeitlichen Positionsversatz 514. Nachdem die Bestimmung der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 gemäß den hier vorgestellten Techniken erreicht wurde, endet das Beispielverfahren 600 so bei 612.
7 ist eine Darstellung eines Beispielszenarios 700 mit einer zweiten Beispielausführungsform der hier vorgestellten Techniken, wobei die Beispielausführungsform einen Beispieldetektor 702 umfasst, der dazu ausgelegt ist, das Empfangssignal 110 innerhalb der vom Beispieldetektor 702 erzeugten Abtastfolge 206 mit der Abtastfrequenz 504 zu detektieren. Der Beispieldetektor 702 umfasst einen Matched-Filter-Satz 304 aus Matched-Filtern 306, wobei die jeweiligen Matched-Filter 306 dem um die Unterintervallverschiebung 308 verschobenen Mustersignal 302 bei der Abtastfrequenz 504 entsprechen. Der Beispieldetektor 702 kann ein LIDAR-Distanzmesssystem umfassen. Einige Komponenten des Beispieldetektors 702 können implementiert werden, z.B. als Befehle, die in einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher des Beispieldetektors 702 gespeichert sind und von einem Prozessor ausgeführt werden, oder als diskrete Komponenten, wie Schaltungen, die eine logische Analyse zumindest eines Teils der hier vorgestellten Techniken bereitstellen.
Der Beispieldetektor 702 enthält einen Signaldetektor, um den Matched-Filter-Satz 304 von Matched-Filtern 306 auf eine Abtastfolge 206 des Sensors 112 bei der Abtastfrequenz 504 anzuwenden, um einen Matched-Filter-Korrelations-Satz von Matched-Filter-Korrelationen 508 zu erzeugen und die Matched-Filter-Korrelationen 508 auszuwerten, um eine Unterintervallverschiebung des Empfangssignals 512 zu bestimmen. Der Beispieldetektor 702 enthält auch einen zeitlichen Positionsbestimmer 706, um eine zeitliche Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 zu bestimmen, die zumindest teilweise auf der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung 512 basiert. Als Beispiel können die Matched-Filter-Korrelationen 508 des Matched-Filters und die Unterintervallverschiebungen 308 der jeweiligen Matched-Filter 306 multipliziert werden, und die Summe kann durch Division durch die Summe der Matched-Filter-Korrelationen 508 normiert werden, wodurch eine Summe erzeugt wird, welche die Unterintervallverschiebung 512 des Empfangssignals darstellt. Die Empfangssignal-Unterintervallverschiebung 512 kann mit dem Abtastintervall 214 multipliziert werden, um den zeitlichen Positionsversatz 514 zu erzeugen. Der zeitliche Positionsversatz 514 kann zu der zeitlichen Position 212 in der Abtastfolge 206, bei der das Empfangssignal 110 detektiert wurde, addiert werden, um die zeitliche Position 516 des Empfangssignals 110 zu erzeugen. Auf diese Weise ermöglicht das Zusammenwirken der Komponenten dem Beispieldetektor 702, die zeitliche Position 516 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 gemäß den hier vorgestellten Techniken zu detektieren.
In der 8 ist ein Beispielszenario 800 mit einer dritten Beispielausführungsform der hier vorgestellten Techniken dargestellt, umfassend eine Beispiel-Laufzeit-LIDAR-Vorrichtung 804, welche die Laufzeitbestimmung des Sendesignals 108 zwischen der Laufzeit-LIDAR-Vorrichtung 804 und der Oberfläche 802 erzielt. Das Beispielszenario 800 enthält auch eine vierte Beispielausführungsform der hier vorgestellten Techniken, die ein Beispiel-Laufzeitsystem 812 umfasst, das die Ressourcen der Laufzeit-LIDAR-Vorrichtung 804 nutzt, um eine Laufzeitbestimmung des Sendesignals 108 zu erreichen. In diesem Beispielszenario 800 sind die Komponenten des Beispielsystems 812 als eine Sammlung von Befehlen in einem Speicher 810 der Beispiel-Laufzeit-LIDAR-Vorrichtung 804 gespeichert, wobei die Ausführung der Befehle die Implementierung der jeweiligen Komponenten des Beispielsystems 812 bewirkt, die zusammenwirken, um die Auswertung der Abtastfolge 206 gemäß den hier vorgestellten Techniken durchzuführen.
Die Beispiel-Laufzeit-LIDAR-Vorrichtung 804 enthält den Sender 106, der das Sendesignal 108 aussendet. Die Beispiel-Laufzeit-LIDAR-Vorrichtung 804 enthält auch den Sensor 112, der das reflektierte Signal 110 empfängt. Die Beispiel-Laufzeit-LIDAR-Vorrichtung 804 enthält ferner einen Analog-Digital-Wandler 806, der den Sensor 112 bei der Abtastfrequenz 504 abtastet, um die Abtastfolge 206 zu erzeugen. Die Beispiel-Laufzeit-LIDAR-Vorrichtung 804 enthält, als Bestandteil des Beispielsystems 812, auch den Signaldetektor 704, der den Matched-Filter-Satz 304 aus den Matched-Filtern 306 auf die Abtastfolge 206 anwendet, wobei jeweilige Matched-Filter 306 dem um die Unterintervallverschiebung 308 verschobenen Mustersignal 302 bei der Abtastfrequenz 504 entsprechen. Die Beispiel-Laufzeit-LIDAR-Vorrichtung 804 enthält, als Bestandteil des Beispielsystems 812, auch einen Laufzeitbestimmer 814, der die Ausgabe des Signaldetektors 704 auswertet, um die Empfangssignal-Unterintervallverschiebung 512 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 zu bestimmen, und der die Laufzeit 120 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 basierend auf zumindest des Empfangssignals und der Unterintervallverschiebung 512 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 bestimmt. Auf diese Weise erreichen die Beispiel-Laufzeit-LIDAR-Vorrichtung 804 und das Beispielsystem 812 eine Detektion des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 unter Verwendung der hier vorgestellten Techniken, was dazu führen kann, dass die Bestimmung der Laufzeit 120 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 mit einer größeren Genauigkeit erfolgt, als sie sonst bei der Abtastfrequenz 504 des Sensors 112 erreicht werden kann.
Noch eine weitere Ausführungsform beinhaltet ein computerlesbares Medium mit prozessorausführbaren Befehlen, die dazu ausgelegt sind, die hier vorgestellten Techniken anzuwenden. Solche computerlesbaren Medien können verschiedene Arten von Kommunikationsmedien umfassen, wie z.B. ein Signal, das sich über verschiedene physikalische Phänomene (z.B. ein elektromagnetisches Signal, ein Schallwellensignal oder ein optisches Signal) und in verschiedenen drahtgebundenen Szenarien (z.B. über ein Ethernet- oder Glasfaserkabel) und/oder drahtlosen Szenarien (z.B. ein drahtloses lokales Netzwerk (WLAN) wie WiFi, ein persönliches Netzwerk (PAN) wie Bluetooth oder ein Zellen- oder Funknetzwerk), und das einen Satz von computerlesbaren Befehlen kodiert, die, wenn sie von einem Prozessor einer Vorrichtung ausgeführt werden, die Vorrichtung veranlassen, die hier vorgestellten Techniken zu implementieren. Solche computerlesbaren Medien können auch (als eine Klasse von Technologien, die Kommunikationsmedien ausschließt) computerlesbare Speichervorrichtungen, wie z.B. ein Speicherhalbleiter (z.B. ein Halbleiter, der SRAM (Static Random Access Memory), DRAM (Dynamic Random Access Memory) und/oder SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory)-Technologien verwendet), eine Platte eines Festplattenlaufwerks, eine Flash-Speichervorrichtung oder eine magnetische oder optische Platte (wie eine CD-R, DVD-R oder Diskette), die einen Satz computerlesbarer Befehle kodiert, die, wenn sie von einem Prozessor einer Vorrichtung ausgeführt werden, die Vorrichtung veranlassen, die hierin vorgestellten Techniken zu implementieren.
Ein Beispiel für ein computerlesbares Medium, das auf diese Weise entwickelt werden kann, ist in der 9 dargestellt, wobei die Implementierung 900 eine computerlesbare Speichervorrichtung 902 (z.B. eine CD-R, DVD-R oder eine Platte eines Festplattenlaufwerks) umfasst, auf der computerlesbare Daten 904 kodiert sind. Diese computerlesbaren Daten 904 wiederum umfassen einen Satz von Computerbefehlen 906, die, wenn sie auf einem Prozessor 808 einer Vorrichtung 910 ausgeführt werden, eine Ausführungsform bereitstellen, die die Vorrichtung 910 veranlasst, gemäß den hierin vorgestellten Techniken zu arbeiten. Als ein erstes solches Beispiel können die prozessorausführbaren Befehle 906 eine Abtastung einer Abtastfolge 206 kodieren, um ein Empfangssignal 110 in einer Abtastfolge 206 zu detektieren, wie das Beispielverfahren 600 der 6. Als zweites Beispiel können die prozessorausführbaren Befehle 906 die Vorrichtung 910 dazu veranlassen, als Sensor zu arbeiten, der ein Empfangssignal 110 in einer Abtastfolge 206 detektiert, wie der Beispielsdetektor 702 im Beispielszenario 700 der 7. Als drittes Beispiel kann der prozessorausführbare Befehl 906 die Vorrichtung 910 als Beispiel-Laufzeitbestimmer arbeiten lassen, wie z.B. die Beispiel-Laufzeit-LIDAR-Vorrichtung 804 im Beispielszenario 800 der 8. Als viertes Beispiel können die prozessorausführbaren Befehle 906 ein System kodieren, das ein Empfangssignal 110 mit der Form des Mustersignals 302 in einer Abtastfolge 206 detektiert, wie das Beispielsystem 812 im Beispielszenario 800 der 8. Viele solcher computerlesbaren Medien können von denjenigen mit gewöhnlichen Fähigkeiten in der Technik entwickelt werden, die dazu ausgelegt sind, dass sie in Übereinstimmung mit den hier vorgestellten Techniken arbeiten.
Variationen
Die hier besprochenen Techniken können in vielen Aspekten variieren, und einige Variationen können zusätzliche Vorteile bieten und/oder Nachteile gegenüber anderen Variationen dieser und anderer Techniken verringern. Darüber hinaus können einige Variationen in Kombination implementiert werden, und einige Kombinationen können zusätzliche Vorteile und/oder reduzierte Nachteile durch synergistische Zusammenarbeit aufweisen. Die Variationen können in verschiedene Ausführungsformen eingebaut werden, um diesen Ausführungsformen individuelle und/oder synergistische Vorteile zu verleihen.
E1. Szenarien
Ein erster Aspekt, der je nach Szenario, in dem die Techniken eingesetzt werden können, variieren kann, betrifft die Vorrichtungen, mit denen diese Techniken eingesetzt werden können.
Als erste Variante dieses ersten Aspekts können die hier vorgestellten Techniken mit einer Vielzahl von Vorrichtungstypen verwendet werden, wie z.B. Workstations, Laptops, Konsolen, Tablets, Telefone, tragbare Medien und/oder Spielvorrichtungen, eingebettete Systeme, Vorrichtungen, Fahrzeuge und tragbare Vorrichtungen. Die Vorrichtung kann eine Sammlung von Servereinheiten umfassen, wie z.B. eine Sammlung von Serverprozessen, die auf einer Vorrichtung ausgeführt werden; eine persönliche Gruppe von interagierenden Vorrichtungen eines Benutzers; eine lokale Sammlung von Servereinheiten, die einen Rechencluster umfasst; und/oder eine geografisch verteilte Sammlung von Servereinheiten, die eine Region überspannen, einschließlich einer global verteilten Datenbank. Solche Vorrichtungen können auf verschiedene Weise miteinander verbunden sein, wie z.B. lokal verkabelte Verbindungen (z.B. eine Busarchitektur wie der Universal Serial Bus (USB) oder ein lokal verkabeltes Netzwerk wie Ethernet); lokal drahtlose Verbindungen (z.B. Bluetooth-Verbindungen oder ein WiFi-Netzwerk); drahtlose Fernverbindungen (z.B. Glasfaser-Fernverbindungen, umfassend das Internet); und/oder drahtlose Fernverbindungen (z.B. zellulare Kommunikation).
Als zweite Variante dieses ersten Aspekts können die hier vorgestellten Techniken mit einer Vielzahl von Sensoren 112 verwendet werden, um das Empfangssignal 110 innerhalb der Abtastfolge 206 zu detektieren. Zum Beispiel kann eine Fotodiode wie eine PAD (Photon Avalanche Diode) oder SPAD (Single Photon Avalanche Diode) das übertragene Signal 108 basierend auf Licht verschiedener Wellenlängen erzeugen; ein Mikrofon kann eine variable Leitfähigkeit basierend auf dem durch Schallwellen verursachten Druck aufweisen; und ein Drucksensor kann eine variable Leitfähigkeit basierend auf dem auf den Sensor ausgeübten physikalischen Druck aufweisen. Solche Szenarien können übertragene Signale 108 umfassen, die natürlich und/oder organisch oder durch eine nicht verwandte mechanische oder elektronische Vorrichtung, wie z.B. ein künstliches Signal oder ein natürliches Phänomen, entstehen, und die Detektion des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 kann durch den Sensor 112 erreicht werden. Alternativ enthalten einige Szenarien das Senden des Sendesignals 108 durch den Sender 106 zusammenarbeitend mit dem Sensor 112, wie z.B. bei der LIDAR-basierten Abstandsschätzung. Als drittes solches Beispiel können das Sendesignal 108 und das Empfangssignal 110 singulär, sich aperiodisch oder periodisch wiederholend sein. Bei wiederholt auftretenden Sendesignalen 108 und Empfangssignalen 110 kann die Detektion die Korrelation der jeweiligen Instanzen der Empfangssignale 110 beinhalten, wie z.B. Zeitunterschiede zwischen den Empfangssignalen 110. In einigen Ausführungsformen können mehrere Sender verwendet werden (z.B. MIMO-Beamforming-Anwendungen, bei denen die Sendesignale 108 mit unterschiedlicher Leistung von mehreren Antennen übertragen werden, um das Empfangssignal 110 an einen bestimmten Ort zu übertragen) und/oder mehrere Sensoren 112 verwendet werden (z. B, ein dreidimensionales visuelles Abtastsystem, worin die Sensoren 112 an verschiedenen Orten positioniert sind und die gleichzeitig oder nacheinander Bilder eines Objekts abtasten oder erfassen, um eine Darstellung aus mehreren Perspektiven zu erzeugen, oder ein Triangulationstechnik, welche die Detektion der Empfangssignale 110 durch den an verschiedene Orte bewegten Sensor 112 und/oder durch mehrere an verschiedenen Orten positionierte Sensoren 112 beinhaltet). In einigen Szenarien kann die Vorrichtung einen bidirektionalen Sendeempfänger umfassen, der sowohl das Sendesignal 108 über den Sender 106 sendet, um von einer zweiten Vorrichtung detektiert zu werden, als auch die Empfangssignale 110 über den Sensor 112 empfängt, die von der zweiten Vorrichtung gesendet werden. Diese Kommunikation kann aufeinander folgend und/oder gleichzeitig erfolgen, wie z.B. Halbduplex- oder Vollduplex-Übertragung, und/oder kann selektiv von einer ersten Vorrichtung an eine zweite Vorrichtung gesendet werden oder eine Multicast- oder Broadcastsignalübertragung umfassen. In einigen Szenarien kann das Sendesignal 108 übertragen und/oder das Empfangssignal 110 als positive oder negative Maximalamplitude detektiert werden; in anderen Szenarien kann das Sendesignal 108 übertragen und/oder das Empfangssignal 110 als niedrige Amplitude in einem typisch hochamplitudigen Medium detektiert werden.
Als dritte Variante dieses ersten Aspekts können die hier vorgestellten Techniken mit Signalen verwendet werden, die in einer Abtastfolge 206 verschiedene Formen annehmen. Zum Beispiel kann das Empfangssignal 110 einen Impuls umfassen, und der Sensor 112 kann den Impuls als einen plötzlichen Anstieg der Größe der Abtastwerte über einen Bereich von zumindest zwei Abtastwerten mit der Zeit detektieren. In einigen Szenarien kann das Empfangssignal 110 als direkter Anstieg der Amplitude übertragen und/oder detektiert werden. In einigen Szenarien kann das Empfangssignal 110 als eine hochgradige Differenz in Bezug auf einen vorhergehenden Zustand oder einen Referenzpunkt, wie z.B. eine Grundlinie (Baseline), übertragen und/oder detektiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Empfangssignal 110 eine Wellenform, wie z.B. eine Gauß-Wellenform, Sinus-Wellenform, Sinc-Welle, Rechteck-Wellenform, Dreieck-Wellenform und/oder Sägezahn-Wellenform, umfassen. In einigen Szenarien können mehrere Wellenformen übertragen werden, die verschiedenen Symbolen in einem Symbolsatz ähneln, wie z.B. eine erste Wellenform, die eine digitale 0 darstellt, und eine zweite Wellenform, die eine digitale 1 darstellt, und die Detektion eines Signals umfasst ferner eine Identifizierung des Symbols, das durch die Wellenform des Empfangssignals 110 dargestellt wird. In einigen Ausführungsformen kann die Wellenform eines Signals verschiedene Merkmale, wie z.B. Amplituden- und/oder Frequenzmodulation, enthalten. Das Empfangssignal 110 kann entsprechend der Wellenform übertragen und/oder detektiert werden (z.B. Feststellung, dass die Abtastwerte der Abtastfolge 206 der Wellenform ähneln, wie z.B. Schwingungen, die zumindest einer halben Schwingungsperiode ähneln). In einigen Ausführungsformen kann die Detektion der Wellenform des Empfangssignals 110 eine Änderung oder Anpassung der Wellenform aufgrund der Übertragung durch einen Sender 106, der Reflexion durch und/oder der Übertragung durch eine oder mehrere Oberflächen 802, der Ausbreitung durch ein Medium und/oder der Detektion durch den Sensor 112 berücksichtigen. Als ein Beispiel kann ein Abstandsschätzungssensor an Bord eines sich bewegenden Objekts und/oder die Detektion von sich bewegenden Objekten feststellen, dass eine reflektierte Wellenform aufgrund einer relativen Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Sender/Sensor und der Oberfläche 802, welche die Wellenform reflektiert, eine Dopplerverschiebung aufweisen kann.
Als dritte Variante dieses ersten Aspekts kann die zeitliche Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 verschiedene Eigenschaften darstellen. Als erstes Beispiel kann die Abtastfolge 206 über eine chronologische Skala gesammelt werden, wie z.B. die Abtastung des Sensors 112 bei dem Zeitabtastintervall 214, und die zeitliche Position 212 kann der Zeit entsprechen, zu der das Empfangssignal 110 relativ zur Zeit der Übertragung des Sendesignals 108 empfangen wurde.
Als vierte Variante dieses ersten Aspekts kann die Bestimmung der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 eine Vielzahl weiterer Bestimmungen ermöglichen, die in einer Vielzahl von Anwendungen nutzbar sein können. Wie im Beispielszenario 100 der 1 dargestellt, kann ein LIDAR-basiertes Bildgebungssystem mit Hilfe eines Laufzeit-Sensors die zeitliche Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 als Laufzeit des Sendesignals 108 über einen Abstand bestimmen, und die Laufzeit kann eine Bestimmung von Abständen und/oder Reichweiten ermöglichen, die in Szenarien wie dreidimensionaler Bildgebung, Fahrzeugassistenz und autonome Steuerung von Fahrzeugen wie Autos, Bussen, Lastwagen, Zügen, Flugzeugen und Wasserfahrzeugen, einschließlich Drohnen, nutzbar sein können. Es können viele Szenarien identifiziert werden, in denen die hier vorgestellten Techniken eingesetzt werden können.
E2. Erzeugen eines Filtersatzes
Ein zweiter Aspekt, der zwischen den Ausführungsformen der hier vorgestellten Techniken variieren kann, involviert die Erzeugung der Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter 306 des Matched-Filter-Satzes 304, die auf die Signalfolge 206 angewendet werden sollen, um das Empfangssignal 110 innerhalb der Abtastfolge 206 zu detektieren. In den 10A-10C sind einige Beispielszenarien dargestellt, die einige zusätzliche Variationen in der Erzeugung der Matched-Filter 306 gemäß diesem zweiten Aspekt aufweisen.
Als eine erste Variante dieses zweiten Aspekts kann die Impulsantwort der jeweiligen Matched-Filter 306 des Matched-Filter-Satzes 304 statisch und vor dem Empfang einer Anforderung zur Detektion des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 erzeugt werden. Beispielsweise kann der Typ des Sendesignals 108 und/oder des zu detektierenden Empfangssignals 110 im Voraus bekannt sein, und ein nichtflüchtiger Speicher einer Vorrichtung kann die verschiedenen Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter 306 des Matched-Filter-Satzes 304 zur Verwendung zur Detektion des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 auf Anfrage speichern. Alternativ kann der Matched-Filter-Satz 304 statisch, aber ad-hoc erzeugt werden, um eine Anforderung zur Detektion des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 zu erfüllen. Als weiteres Beispiel kann der Matched-Filter-Satz 304 dynamisch erzeugt werden; z.B. kann eine Vorrichtung versuchen, sich wiederholende Empfangssignale 110 innerhalb der Abtastfolge 206 zu identifizieren, und bei der Detektion eines interessierenden Empfangssignals 110 kann die Vorrichtung einen neuen Matched-Filter 306 zum Matched-Filter-Satz 304 hinzufügen, um eine Wiederholung des Empfangssignals 110 an anderer Stelle innerhalb der Abtastfolge 206 zu identifizieren.
Als zweite Variante dieses zweiten Aspekts können verschiedene mathematische Techniken verwendet werden, um die entsprechenden Matched-Filter 306 des Matched-Filter-Satzes 304 zu erzeugen. In vielen solchen Szenarien können die jeweiligen Matched-Filter 306 die Matched-Filter-Korrelation unter Verwendung eines Faltungselements bestimmen, das eine umgekehrte Konjugierte des zu detektierenden Signals 202 bereitstellt, so dass eine Faltungssumme, die das Matched-Filter 306 auf die Abtastfolge 206 anwendet (oder umgekehrt die Abtastfolge 206 auf das Matched-Filter 306), zu einer Detektion des Empfangssignals 110 bei einer ausgewählten zeitlichen Position 212 innerhalb der Abtastfolge 206 führen kann, wo die Übereinstimmung zwischen dem Matched-Filter 306 und dem Empfangssignal 110 innerhalb der Abtastfolge 206 maximal ist. Zusätzlich kann eine Vielzahl von Techniken verwendet werden, um Matched-Filter 306 zu berechnen, die dem Empfangssignal 110 innerhalb der Abtastfolge 206 bei verschiedenen Unterintervallverschiebungen 308 entsprechen. 3 stellt die erste Technik zur Berechnung der jeweiligen Matched-Filter 306 bei verschiedenen Unterintervallverschiebungen 308 dar, wobei die jeweiligen Matched-Filter 306 durch Abtastung des Mustersignals 302 bei den jeweiligen Unterintervallverschiebungen 308 erzeugt werden. 4 stellt die zweite Technik zur Berechnung der jeweiligen Matched-Filter 306 bei unterschiedlichen Unterintervallverschiebungen 308 dar, wobei die jeweiligen Matched-Filter 306 unterschiedliche Unterabtastfolgen der Überabtastung 402 des Mustersignals 302 umfassen.
10A stellt ein erstes Beispielszenario 1000 mit einer dritten Variante dieses zweiten Aspekts dar, bei dem jeweilige Matched-Filter 306 für das Empfangssignal 110 über ein Fenster 1004 der Abtastfolge 206 angewendet werden, wobei die Breite des Fensterintervalls (z.B. Anzahl der Datenpunkte) der Breite (z.B. Anzahl der Datenpunkte) der jeweiligen Matched-Filter 306 entspricht. Anstatt den Matched-Filter-Satz 304 bei jeder möglichen Startposition innerhalb der Abtastfolge 206 anzuwenden, kann eine Ausführungsform eine Spitzenamplitude innerhalb der Abtastfolge 206 identifizieren und das Fenster 1004 von sieben Abtastwerten zum Vergleich mit dem Matched-Filter-Satz 304 identifizieren. Die Anwendung der Matched-Filter 306 auf das Fenster 1004 kann die Anwendung der Matched-Filter 306 auf die Position des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 fokussieren, und die Anwendung des Matched-Filter-Satzes 304 auf das Fenster 1004 von Abtastwerten kann eine weitere Bestimmung der zeitlichen Position 212 gemäß der Unterintervallposition des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 ermöglichen.
In der 10B ist ein zweites Beispielszenario 1006 mit einer vierten Variante dieses zweiten Aspekts dargestellt, in dem die Matched-Filter 306 eine ungleichmäßige Unterintervallverschiebung 308 gegenüber benachbarten Matched-Filtern 306 des Matched-Filter-Satzes 304 aufweisen. In diesem zweiten Beispielszenario 1006 sind die Mustersignale 302, durch welche die Matched-Filter 306 erzeugt werden, nicht gleichmäßig über den Bereich der Unterintervallverschiebungen 308 verteilt, sondern sie sind in der Nähe einer bestimmten Unterintervallverschiebung 308 konzentriert (z.B. eine nominale Nullpunktverschiebung) und bei hohen Unterintervallverschiebungen 308 spärlicher verteilt. Dementsprechend entsprechen mehrere der jeweiligen Filter 306 den Mustersignalen 302 mit kleinen Unterintervallverschiebungsabständen relativ zu einem benachbarten Matched-Filter 306, und einige der jeweiligen Filter 306 entsprechen den Mustersignalen 302 mit größeren Unterintervallverschiebungsabständen relativ zu einem benachbarten Matched-Filter 306. Die Dichte der Matched-Filter 306 in der Nähe der erwarteten zeitlichen Position 212 kann eine feinkörnige Bestimmung der Varianz der zeitlichen Position 212 des Signals in diesem Bereich ermöglichen, was eine sehr kleine Änderung der gesendeten Periodizität anzeigen kann; und die geringe Anzahl von Matched-Filtern 306 mit größeren Unterintervallverschiebungen 308 kann z.B. eine große Varianz zwischen Signalinstanzen detektieren, die eine ungewöhnliche, aber signifikante Verschiebung der Periodizität des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 darstellen kann. Ein solcher ungleichförmiger Matched-Filter-Satz 304 kann z.B. nützlich sein, um eine enge Synchronität zwischen einem lokalen Takt oder Oszillator und einem entfernten (remote) Takt oder Oszillator einer anderen Vorrichtung oder mit einem periodischen physikalischen Phänomen aufrechtzuerhalten.
10C zeigt ein drittes Beispielszenario 1008 mit einer fünften Variante dieses zweiten Aspekts, in dem der Matched-Filter-Satz 304 eine Anzahl 1010 von Matched-Filtern der Matched-Filter 306 umfasst. In einigen Szenarien kann sich die gewünschte Genauigkeit des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 ändern; z.B. kann ein Fahrzeug, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, eine genauere Messung der Reichweiten nach sich ziehen als ein Fahrzeug, das sich mit niedriger Geschwindigkeit bewegt. Eine Anforderung, die eine ausgewählte Auflösung spezifiziert, kann durch Variation der Matched-Filter-Anzahl 1010 in dem Matched-Filter-Satz 304 erfüllt werden; z.B. können zusätzliche Matched-Filter 306 aktiviert und dadurch zum Matched-Filter-Satz 304 hinzugefügt werden, um eine Anforderung nach mehr Genauigkeit zu erfüllen, und einige Matched-Filter 306 können aus dem Matched-Filter-Satz 304 entfernt werden, um eine Anforderung nach weniger Genauigkeit zu erfüllen. In einigen Varianten kann der Matched-Filter-Satz 304 eine große Anzahl von Matched-Filtern 306 enthalten, die alle auf eine Abtastfolge 206 angewendet werden können, um die zeitliche Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 mit maximaler Genauigkeit zu bestimmen, und eine Bestimmung mit geringerer Genauigkeit kann erreicht werden, indem nur ein Teilsatz der Matched-Filter 306 im Matched-Filter-Satz 304 angewendet wird. In einigen Variationen kann eine Anforderung zur Bestimmung der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 mit einer zweiten ausgewählten Auflösung, die sich von einer ausgewählten Auflösung unterscheidet, durch Erneuern des Matched-Filter-Satzes 304 mit einer zweiten Matched-Filter-Anzahl 1010 erfüllt werden, die sich von einer ersten Matched-Filter-Anzahl 1010 unterscheidet, wobei die zweite Matched-Filter-Anzahl 1010 zumindest auf der zweiten ausgewählten Auflösung basieren kann. Viele Techniken können verwendet werden, um verschiedene Typen von Matched-Filter-Sätzen 304 zur Verwendung in den hier vorgestellten Techniken zu erzeugen.
E3. Anwenden von Matched-Filter auf Abtastfolgen
Ein dritter Aspekt, der zwischen den Ausführungsformen der hier vorgestellten Techniken variieren kann, beinhaltet die Anwendung des Matched-Filter-Satzes 304 auf eine Abtastfolge 206, um das Auftreten und die zeitliche Position 212 (z.B. die Zeit, bei der das Empfangssignal 110 in der Abtastfolge 206 auftritt) des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 zu bestimmen. 11 ist eine Darstellung einiger Beispielszenarien, die einige zusätzliche Variationen bei der Erzeugung von Matched-Filtern 306 gemäß diesem zweiten Aspekt aufweisen.
Als erste Variante dieses dritten Aspekts können die Matched-Filter-Korrelationen 508 jeweiliger Matched-Filter 306 mit dem Empfangssignal 110 innerhalb der Abtastfolge 206 auf vielfältige Weise bestimmt werden. Als erstes solches Beispiel kann die Matched-Filter-Korrelation 508 eine Übereinstimmung des Matched-Filters 306 mit der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 widerspiegeln basierend auf einer Integration einer Abtastwert-für-Abtastwert-Multiplikation der Signalabtastwerte und der Abtastwerte, welche die Impulsantwortfunktion darstellen. Eine vollständige Übereinstimmung ergibt eine nahezu 100%ige Matched-Filter-Korrelation und eine vollständige Abwesenheit der Übereinstimmung ergibt eine nahezu 0%ige Matched-Filter-Korrelation. Als ein zweites solches Beispiel kann die Matched-Filter-Korrelation 508 eine Unähnlichkeit des Matched-Filters 306 mit dem Empfangssignal 110 innerhalb der Abtastfolge 206 widerspiegeln, z.B. eine Summe oder ein Produkt der Größenunterschiede und/oder der Varianz der Grö-ßenunterschiede zwischen den Abtastwerten des Matched-Filters 306 und den entsprechenden Abtastwerten der Abtastfolge 206, wobei eine vollständige Übereinstimmung zu einem Aggregatabstand von Null führt und eine vollständige Abwesenheit von Übereinstimmung zu einem sehr großen Aggregatabstand führt. In einigen Variationen kann die Matched-Filter-Korrelation 508 als Standardabweichung der jeweiligen Abtastwerte der Abtastfolge 206 verglichen mit den entsprechenden Abtastwerten des Matched-Filters 306 bestimmt werden. In einigen Variationen kann die Matched-Filter-Korrelation 508 für ein erstes Matched-Filter 306 relativ zu den Matched-Filter-Korrelationen 508 für andere Matched-Filter 306 des Matched-Filter-Satzes 304 bestimmt werden.
Als zweite Variante dieses dritten Aspekts kann die Unterintervallverschiebung 512 des Empfangssignals durch die Identifizierung eines ausgewählten Matched-Filters bestimmt werden, das eine maximale Matched-Filter-Korrelation aus dem Matched-Filter-Korrelations-Satz 508 darstellt. Die Unterintervallverschiebung 308 des ausgewählten Matched-Filters kann als Empfangssignal-Unterintervallverschiebung 512 ausgewählt werden. Dementsprechend kann die zeitliche Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 um einen zeitlichen Positionsversatz 310 entsprechend der Unterintervallverschiebung 308 des ausgewählten Matched-Filters angepasst werden, um eine zeitliche Positionsbestimmung 216 gemäß den hier vorgestellten Verfahren zu erzeugen.
11A zeigt eine Darstellung eines ersten Beispielszenarios 1100 mit einer dritten Variante dieses dritten Aspekts, in der Abstände 1102 zwischen aufeinanderfolgenden Abtastwerten der jeweiligen Matched-Filter 306 und den entsprechenden Abtastwerten der Abtastfolge 206 berechnet werden. In diesem ersten Beispielszenario 1100 wird ein aggregierter Abstand zwischen den Abtastwerten der Abtastfolge 206 und den entsprechenden Abtastwerten jedes Matched-Filters 306 bestimmt, was zu einer Bestimmung einer Korrelationszuverlässigkeit 1104 als Inverses des aggregierten Abstands führt. Die Korrelationszuverlässigkeit 1104 kann z.B. zur Bestimmung einer Gesamtzuverlässigkeit für die Detektion des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Korrelationszuverlässigkeit 1104 verwendet werden, um z.B. eine Abweichung zwischen dem Empfangssignal 110 und dem idealen Empfangssignal 202 oder dem Mustersignal 302 zu bestimmen, wobei eine niedrige Korrelationszuverlässigkeit 1104 eine signifikante Abweichung und eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Korrelation durch Rauschen verursacht wurde, anzeigt. In einigen Ausführungsformen kann die Matched-Filter-Korrelation mit einem Korrelationszuverlässigkeitsschwellenwert 1106 verglichen werden, wobei ein Versagen jeglicher Matched-Filter-Korrelation 508, den Korrelationszuverlässigkeitsschwellenwert 1106 zu erfüllen, als ein Fehlen oder ein Verlust des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 gemeldet wird, was z.B. aus einem reduzierten Signal-Rausch-Verhältnis resultieren kann.
In der 11 ist ein zweites Beispielszenario 1108 mit einer vierten Variante dieses dritten Aspekts dargestellt, in dem die jeweiligen Matched-Filter 306 zu einer Kombination 1110 beitragen, wie z.B. eine Konsensbestimmung der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 als Konsens der Matched-Filter-Korrelationen 508 der jeweiligen Matched-Filter 306. In diesem Beispielszenario 1108 liefert jedes Matched-Filter 306 die Matched-Filter-Korrelation 508, und die Unterintervallverschiebungen 308 der jeweiligen Matched-Filter 306 können zu der Kombination 1110 relativ zur Matched-Filter-Korrelation 508 und/oder zur Filterkorrelationszuverlässigkeit 1104 der jeweiligen Matched-Filter 306 beitragen, wie z.B. gemäß dem Matched-Filter-Korrelationsabstand zwischen dem Matched-Filter 306 und den entsprechenden Abtastwerten der Abtastfolge 206. Eine Ausführungsform kann daher die jeweiligen Zeitpositionen unter Verwendung der Matched-Filter-Korrelationen 508 als Gewicht gewichten und eine gewichtete und normierte Summe der Matched-Filter-Korrelationen 508 aus dem Satz der Matched-Filter-Korrelationen, multipliziert mit den Unterintervallverschiebungen 308 der jeweiligen Matched-Filter 304, als Empfangssignal-Unterintervallverschiebung 512 berechnen. In einer solchen Ausführungsform wird für die jeweiligen Matched-Filter 304 ein Produkt der Unterintervallverschiebungen 308 des Matched-Filters 306 mit der Matched-Filter-Korrelation 508 des Matched-Filters 306 berechnet; eine Summe der Produkte der jeweiligen Matched-Filter 304 berechnet, wobei die Summe durch eine Matched-Filter-Korrelationssumme der Matched-Filter-Korrelationen 508 normiert wird; und die Empfangssignal-Unterintervallverschiebung 512 als Produkt der Summe und des Abtastintervalls 214 bestimmt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Summe gemäß einem Mittelwert oder Median der Matched-Filter-Korrelationen 508 unter dem Matched-Filter-Satz 304 der Matched-Filter 306 identifiziert werden.
Als fünfte Variation dieses dritten Aspekts kann der Matched-Filter-Satz 304 über eine Vielzahl von Abtastfolgen 206 angewendet und die Matched-Filter-Korrelationen 508 der jeweiligen Matched-Filter 306 können kumuliert werden. Um beispielsweise innerhalb der Abtastfolge 206 Empfangssignale 110 zu detektieren, die mit bekannter Periodizität periodisch sind, aber ein vergleichsweise schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen, können die Matched-Filter 306 auf eine über die Periode erfasste Folge von Abtastfolgen 206 angewendet werden. Das schlechte Signal-Rausch-Verhältnis kann die Zuverlässigkeit der Detektion des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 bei einer bestimmten zeitlichen Position 212 verringern. Stattdessen kann die Abtastung ein Abtasten des Sensors bei der Abtastfrequenz umfassen, um zumindest zwei replizierte Abtastfolgen zu erzeugen, wodurch zumindest zwei Sätze von Matched-Filter-Korrelationen 508 erzeugt werden. Die Sätze der Matched-Filter-Korrelationen 508 können für die aufeinanderfolgenden Abtastfolgen 206 erzeugt werden, und die Matched-Filter-Korrelationen 508 der jeweiligen Matched-Filter 306 können akkumuliert werden. Eine konsistent höhere Matched-Filter-Korrelation 508 eines bestimmten Matched-Filters 306 innerhalb des Matched-Filter-Satzes 304 über eine Vielzahl von Abtastfolgen 206 kann eine zuverlässigere Bestimmung der zeitlichen Position 212 des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 ermöglichen. Viele solcher Techniken können verwendet werden, um den Matched-Filter-Satz 304 auf eine Abtastfolge 206 gemäß den hier vorgestellten Techniken anzuwenden.
E4. Architektonische Variationen
Ein vierter Aspekt, der bei den Ausführungsformen der hier vorgestellten Techniken variieren kann, betrifft Variationen in der Architektur der bereitgestellten Ausführungsformen. 12 zeigt eine architektonische Darstellung einer Beispielausführungsform.
Als erste Variation dieses vierten Aspekts kann eine Ausführungsform die Abtastfolge 206 auf verschiedene Weise speichern. Zum Beispiel kann eine Vorrichtung ein Schieberegister mit einer Abtastlänge umfassen (z.B. von ausreichender Länge, um genügend Abtastwerte aufzunehmen, um eine Instanz des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 darzustellen, wenn es bei der Abtastfrequenz 504 des Sensors 112 abgetastet wird). Neue Abtastwerte können in das Schieberegister eingefügt werden, während alte Abtastwerte aus dem Schieberegister herausrotiert werden können. Alternativ kann eine Ausführungsform einen Speicherpuffer verwenden, um die Abtastwerte der Abtastfolge 206 zu speichern.
12 zeigt als Beispiel 1200 eine beispielhafte Ausführungsform der vorgestellten Techniken in Form eines Parallelauswerters 1202. In diesem Parallelauswerter 1202 wird die Ausgabe des Sensors 112, z.B. einer Avalanche-Fotodiode 1204 („APD“), einem Transimpedanzverstärker 1206 bereitgestellt. Das verstärkte zeitkontinuierliche Signal wird von einem Analog-Digital-Wandler 1208 („A/D“) bei der Abtastfrequenz 504 abgetastet, um die Abtastfolge 206 zu erzeugen. Die Abtastfolge 206 wird dann parallel einem Matched-Filter-Satz 304 von Matched-Filtern 306 bereitgestellt, umfassend einen Auswertersatz von Auswertern, die jeweils ein einziges Matched-Filter 306 auf die Abtastfolge 206 anwenden. Die parallelen Auswerter werten die Abtastfolge 206 gleichzeitig aus, um einen Matched-Filter-Korrelations-Satz von Matched-Filter-Korrelationen 508 zu erzeugen, und die Bestimmung 1210 der jeweiligen Auswerter wird als eine maximale und/oder mittlere 1212 berechnet, welche die Empfangssignal-Unterintervallverschiebung 1214 identifiziert. Diese Architektur kann z.B. vorteilhaft sein, um eine potenziell große Anzahl von Auswertern mit unterschiedlichen Unterintervallverschiebungen 308 auf die Abtastfolge 206 anzuwenden, um die Bestimmung des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 und deren zeitliche Position 212 zu beschleunigen. Viele solcher Architekturen können gemäß den hier vorgestellten Techniken entwickelt und eingesetzt werden.
Simulationsergebnisse
Prototyp-Implementierungen einiger Variationen der aktuell vorgestellten Techniken wurden Simulationen unterzogen, welche die Ergebnisse mit anderen Techniken vergleichen, wie z.B. eine Abtastung des Sensors 112 bei der Abtastfrequenz 504 ohne Anpassung basierend auf zumindest der Unterintervallverschiebung 308 und die Abtastung des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 bei der Überabtastfrequenz 504 des Sensors 112 ohne Anpassung basierend auf zumindest der Unterintervallverschiebung 308. Die Ergebnisse solcher Simulationen sind in den 13A, 13B und 14 dargestellt.
In der 13A wurde die Simulation der Prototypen mit einer Abtastrate von einem Gigahertz 1302 durchgeführt. In der 13B wurde die Simulation der Prototypen mit einer 500-Megahertz-Abtastrate 1312 durchgeführt. Beide Simulationen verwendeten Gaußsche Impulsformen und Monte-Carlo-Simulationen über 5.000 Versuche bei ausgewählten Signal-Rausch-Verhältnissen (ein Signal-Rausch-Verhältnis von 20dB in der ersten Simulation und ein Signal-Rausch-Verhältnis von 14dB in der zweiten Simulation). In beiden Simulationen wurde der Bereichsfehler der jeweiligen Abtasttechniken als kumulative Verteilungsfunktion bestimmt, wobei versiertere Korrelationsverfahren eine steilere Konvergenz des Bereichsfehlers aufweisen. In beiden Simulationen weist eine erste der Abtas- tungen 1304 bei der Abtastfrequenz 504 ohne Anpassung basierend auf einer Unterintervallverschiebung 308 einen schlechten Bereichsfehler auf. Eine zweite der Abtastungen 1306 bei einer fünffach höheren Abtastfrequenz 504, aber immer noch ohne Anpassung basierend auf einer Unterintervallverschiebung 308, weist einen verringerten Messfehler auf. Eine dritte der Abtastungen 1304 bei der Abtastfrequenz 504 unter Verwendung eines Matched-Filter-Satzes 304 von fünf Matched-Filtern entsprechend fünf Unterintervallverschiebungen 308 gemäß dem Beispielszenario 300 der 3 und eine vierte der Abtastungen 1304 bei der Abtastfrequenz 504 unter Verwendung eines Matched-Filter-Satzes 304 von fünf Matched-Filtern entsprechend einer Untersatzauswahl eines Satzes, abgetastet 1306 bei einer fünffach größeren Abtastfrequenz 504 gemäß dem Beispielszenario 400 der 4) weisen jedoch einen weiter verringerten Bereichsfehler auf als die erste Abtastung 1304, und sogar niedriger als die zweite Abtastung 1306 mit der höheren Abtastfrequenz. Es ist zu beachten, dass die Kurven 1308 und 1310 die gleiche kumulative Verteilungsfunktion ergeben und daher in der 13A und der 13B nicht unterscheidbar sind.
In ähnlicher Weise sind in der 14 Simulationsplots der mittleren Abstandsfehler verschiedener Abtasttechniken über einen Bereich von Signal-Rausch-Verhältnissen (dargestellt durch die horizontale Achse) dargestellt. Der mittlere Abstandsfehler für eine erste der Abtastungen 1402 bei der Abtastfrequenz 504 ohne Anpassung basierend auf einer Unterintervallverschiebung 308 zeigt eine Standardabweichung des Abstandsfehlers über einen weiten Bereich von Signal-Rausch-Verhältnissen, selbst bei einem vergleichsweise hohen Signal-Rausch-Verhältnis. Eine zweite der Abtastungen 1404 bei einer fünffach höheren Abtastfrequenz 504, aber immer noch ohne Anpassung basierend auf einer Unterintervallverschiebung 308, zeigt eine Abnahme der Standardabweichung des Abstandsfehlers mit zunehmendem Signal-Rausch-Verhältnis. Eine dritte der Abtastungen 1406 bei der Abtastfrequenz 504 unter Verwendung eines Matched-Filter-Satzes 304 gemäß dem Beispielszenario 300 der 3 und eine vierte der Abtastungen 1408 mit der Abtastfrequenz 504 unter Verwendung eines Matched-Filter-Satzes 304 gemäß dem Beispielszenario 400 der 4 zeigen jedoch eine schnellere Abnahme der Standardabweichung des Abstandsfehlers über das Signal-Rausch-Verhältnis und übertreffen sowohl die erste der Abtastungen 1402 als auch die zweite der Abtastungen 1404 bei der erhöhten Abtastfrequenz 504. Tatsächlich nimmt die Verringerung der Standardabweichung des Abstandsfehlers für beide hier vorgestellten Techniken im Vergleich zu den anderen Techniken mit zunehmendem Signal-Rausch-Verhältnis zu. Diese Simulationsergebnisse zeigen daher die Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der zeitlichen Position des Empfangssignals 110 innerhalb der Abtastfolge 206 gemäß den hier vorgestellten Verfahren.
Rechnerumgebung
15 und die folgende Diskussion stellen eine kurze, allgemeine Beschreibung einer geeigneten Rechenumgebung zur Umsetzung von Ausführungsformen einer oder mehrerer der hier aufgeführten Bestimmungen bereit. Die Betriebsumgebung der 15 ist nur ein Beispiel für eine geeignete Betriebsumgebung und soll keine Einschränkung des Nutzungsumfangs oder der Funktionalität der Betriebsumgebung suggerieren. Beispiele für Computervorrichtungen sind unter anderem Personalcomputer, Servercomputer, Handheld- oder Laptop-Vorrichtungen, mobile Vorrichtungen (wie Mobiltelefone, Personal Digital Assistants (PDAs), Medienabspielvorrichtungen und dergleichen), Multiprozessorsysteme, Unterhaltungselektronik, Minicomputer, Großrechner, verteilte Computerumgebungen, die eines der oben genannten Systeme oder Vorrichtungen enthalten, und dergleichen.
Obwohl nicht erforderlich, werden Ausführungsformen im allgemeinen Kontext von „computerlesbaren Befehlen“ beschrieben, die von einer oder mehreren Computervorrichtungen ausgeführt werden. Computerlesbare Befehle können über computerlesbare Medien verteilt werden (unten diskutiert). Computerlesbare Befehle können als Programmmodule wie Funktionen, Objekte, Application Programming Interfaces (APIs), Datenstrukturen und dergleichen implementiert sein, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. Typischerweise kann die Funktionalität der computerlesbaren Befehle beliebig kombiniert oder in verschiedenen Umgebungen verteilt werden.
15 zeigt ein Beispiel 1500 eines Systems, das aus einer Rechenvorrichtung 1502 besteht, die dazu ausgelegt ist, eine oder mehrere der hier angebotenen Ausführungsformen zu implementieren. In einer Konfiguration enthält die Rechenvorrichtung 1502 zumindest eine Verarbeitungseinheit 1506 und einen Speicher 1508. Abhängig von der genauen Konfiguration und dem Typ der Recheneinheit kann der Speicher 1508 flüchtig (wie z.B. RAM), nicht flüchtig (wie z.B. ROM, Flash-Speicher usw.) oder eine Kombination aus beiden sein. Diese Konfiguration ist in der 15 durch die gestrichelte Linie 1504 dargestellt.
In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 1502 zusätzliche Merkmale und/oder Funktionen enthalten. Beispielsweise kann die Vorrichtung 1502 auch zusätzliche Speicher (z.B. austauschbar und/oder nicht austauschbar) enthalten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf magnetische oder optische Speicher und ähnliches. Ein solcher zusätzlicher Speicher ist in der 15 durch den Speicher 1510 dargestellt. In einer Ausführungsform können sich in dem Speicher 1510 computerlesbare Befehle zur Implementierung einer oder mehrerer hierin vorgesehener Ausführungsformen befinden. Der Speicher 1510 kann auch computerlesbare Befehle zur Implementierung eines Betriebssystems, eines Anwendungsprogramms und dergleichen speichern. Computerlesbare Befehle können in den Speicher 1508 geladen werden, um zum Beispiel von der Verarbeitungseinheit 1506 ausgeführt zu werden.
Der Begriff „computerlesbare Medien“, wie er hier verwendet wird, schließt Computerspeichermedien ein. Computerspeichermedien umfassen flüchtige und nicht flüchtige, austauschbare und nicht austauschbare Medien, die in irgendeinem Verfahren oder Technologie zur Speicherung von Informationen wie computerlesbare Befehle oder andere Daten implementiert sind. Der Speicher 1508 und der Speicher 1510 sind Beispiele für Computerspeichermedien. Zu den Computerspeichermedien gehören unter anderem RAM, ROM, EEPROM, Flash-Speicher oder andere Speichertechnologien, CD-ROM, Digital Versatile Disks (DVDs) oder andere optische Speicher, Magnetkassetten, Magnetband, Magnetplattenspeicher oder andere magnetische Speichervorrichtungen oder jedes andere Medium, das zur Speicherung der gewünschten Informationen verwendet werden kann und auf das die Vorrichtung 1502 zugreifen kann. Jedes dieser Computerspeichermedien kann Teil der Vorrichtung 1502 sein.
Die Vorrichtung 1502 kann auch Kommunikationsverbindung(en) 1516 enthalten, die es der Vorrichtung 1502 ermöglichen, mit anderen Vorrichtungen zu kommunizieren. Die Kommunikationsverbindung(en) 1516 kann (können), ohne Einschränkung, ein Modem, eine Netzwerkschnittstellenkarte (NIC), eine integrierte Netzwerkschnittstelle, einen Funkfrequenz-Sender/Empfänger, eine Infrarot-Schnittstelle, eine USB-Verbindung oder andere Schnittstellen zum Anschließen der Vorrichtung 1502 an andere Computervorrichtungen umfassen. Die Kommunikationsverbindung(en) 1516 kann eine drahtgebundene oder eine drahtlose Verbindung umfassen. Die Kommunikationsverbindung(en) 1516 kann (können) Kommunikationsmedien senden und/oder empfangen.
Der Begriff „computerlesbare Medien“ kann auch Kommunikationsmedien aufweisen. Kommunikationsmedien verkörpern typischerweise computerlesbare Befehle oder andere Daten in einem „modulierten Datensignal“, wie z.B. eine Trägerwelle oder einen anderen Transportmechanismus, und schließen alle Informationslieferungsmedien ein. Der Begriff „moduliertes Datensignal“ kann ein Signal einschließen, bei dem eine oder mehrere seiner Eigenschaften so festgelegt oder geändert wurden, dass Informationen in dem Signal kodiert werden.
Die Vorrichtung 1502 kann Eingabevorrichtung(en) 1514 wie Tastatur, Maus, Stift, Spracheingabevorrichtung, Berührungseingabevorrichtung, Infrarotkameras, Videoeingabevorrichtungen und/oder jede andere Eingabevorrichtung umfassen. Ausgabevorrichtung(en) 1512, wie z.B. ein oder mehrere Displays, Lautsprecher, Drucker und/oder jede andere Ausgabevorrichtung, können ebenfalls in der Vorrichtung 1502 enthalten sein. Das (die) Eingabevorrichtung(en) 1514 und das (die) Ausgabevorrichtung(en) 1512 können mit der Vorrichtung 1502 über eine Kabelverbindung, eine drahtlose Verbindung oder eine beliebige Kombination davon verbunden werden. In einer Ausführungsform kann eine Eingabevorrichtung oder eine Ausgabevorrichtung einer anderen Rechenvorrichtung als Eingabevorrichtung(en) 1514 oder Ausgabevorrichtung(en) 1512 für die Rechenvorrichtung 1502 verwendet werden.
Die Komponenten der Rechenvorrichtung 1502 können durch verschiedene Verbindungen, wie z.B. einen Bus, miteinander verbunden sein. Solche Verbindungen können eine Peripheral Component Interconnect (PCI), wie z.B. PCI Express, einen Universal Serial Bus (USB), Firewire (IEEE 1394), eine optische Busstruktur und Ähnliches umfassen. In einer Ausführungsform können die Komponenten der Rechenvorrichtung 1502 durch ein Netzwerk miteinander verbunden sein. Zum Beispiel kann der Speicher 1508 aus mehreren physikalischen Speichereinheiten bestehen, die sich an verschiedenen physikalischen Orten befinden und durch ein Netzwerk miteinander verbunden sind.
Diejenigen, die sich in der Technik auskennen, werden erkennen, dass Speichervorrichtungen, die zur Speicherung von computerlesbaren Befehlen verwendet werden, über ein Netzwerk verteilt sein können. Zum Beispiel kann eine Computervorrichtung 1520, die über das Netzwerk 1518 zugänglich ist, computerlesbare Befehle speichern, um eine oder mehrere der hier angebotenen Ausführungsformen zu implementieren. Die Rechenvorrichtung 1502 kann auf die Rechenvorrichtung 1520 zugreifen und einen Teil oder die Gesamtheit der computerlesbaren Befehle zur Ausführung herunterladen. Alternativ kann die Rechenvorrichtung 1502 bei Bedarf Teile der computerlesbaren Befehle herunterladen, oder einige Befehle können auf der Rechenvorrichtung 1502 und einige auf der Rechenvorrichtung 1520 ausgeführt werden.
Anspruchskurzdarstellung
Eine Ausführungsform der vorliegend offenbarten Techniken umfasst ein Verfahren zur Bestimmung einer zeitlichen Position eines Empfangssignals innerhalb einer Abtastfolge. Das Verfahren umfasst: Abtasten eines Sensors bei einer Abtastfrequenz, um die Abtastfolge zu erzeugen; Anwenden eines Matched-Filter-Satzes von Matched-Filtern auf die Abtastfolge, um einen Matched-Filter-Korrelations-Satz von Matched-Filter-Korrelationen zu erzeugen, wobei die Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter einem Mustersignal bei der Abtastfrequenz des Sensors entsprechen, das um eine Unterintervallverschiebung verschoben ist; Auswerten der Matched-Filter-Korrelationen, um eine Unterintervallverschiebung des Empfangssignals zu bestimmen; und Bestimmen der zeitlichen Position des Signals innerhalb der Abtastfolge basierend auf zumindest der Unterintervallverschiebung des Empfangssignals.
Eine Ausführungsform der vorliegend offenbarten Techniken umfasst eine Vorrichtung zum Bestimmen einer zeitlichen Position eines Empfangssignals innerhalb einer Abtastfolge. Die Vorrichtung umfasst: Mittel zum Abtasten eines Sensors bei einer Abtastfrequenz, um die Abtastfolge zu erzeugen; Mittel zum Anwenden eines Matched-Filter-Satzes auf die Abtastfolge, um einen Matched-Filter-Korrelations-Satz von Matched-Filter-Korrelationen zu erzeugen, wobei Impulsantworten jeweiliger Matched-Filter einem Mustersignal bei der Abtastfrequenz des Sensors entsprechen, das um eine Unterintervallverschiebung verschoben ist; Mittel zum Auswerten der Matched-Filter-Korrelationen, um eine Empfangssignal-Unterintervallverschiebung zu bestimmen; und Mittel zum Bestimmen der zeitlichen Position des Signals innerhalb der Abtastfolge basierend auf zumindest der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung.
Eine Ausführungsform der vorliegend offenbarten Techniken umfasst einen Sensor, der einen Signaldetektor umfasst, um einen Matched-Filter-Satz von Matched-Filtern auf eine Abtastfolge des Sensors bei einer Abtastfrequenz anzuwenden, wobei die jeweiligen Matched-Filter einem Mustersignal mit der Abtastfrequenz entsprechen, das um eine Unterintervallverschiebung verschoben ist, um eine Empfangssignal-Unterintervallverschiebung eines Empfangssignals innerhalb der Abtastfolge zu identifizieren; und einen zeitlichen Positionsbestimmer, um eine zeitliche Position des Empfangssignals innerhalb der Abtastfolge basierend auf zumindest der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung des Empfangssignals innerhalb der Abtastfolge zu bestimmen.
Eine Ausführungsform der vorliegend offenbarten Techniken umfasst eine Laufzeitvorrichtung mit einem Sender zum Aussenden eines Sendesignals; einen Empfänger zum Empfangen einer Reflexion des Sendesignals durch Abtasten eines Sensors bei einer Abtastfrequenz, um eine Abtastfolge zu erzeugen, die ein Empfangssignal umfasst; einen Signaldetektor zum Anwenden eines Matched-Filter-Satzes von Matched-Filtern auf die Abtastfolge, wobei die Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter einem Mustersignal entsprechen, das mit der Abtastfrequenz abgetastet und um eine Unterintervallverschiebung verschoben ist, um eine Empfangssignal-Unterintervallverschiebung des Empfangssignals innerhalb der Abtastfolge zu identifizieren; und einen Laufzeitbestimmer, der eine Laufzeit des Sendesignals basierend auf zumindest der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung des Empfangssignals innerhalb der Abtastfolge bestimmt.
Verwendung von Begriffen
Obwohl der Gegenstand in einer Sprache beschrieben wurde, die für strukturelle Merkmale und/oder methodische Handlungen spezifisch ist, ist zu verstehen, dass der in den beigefügten Ansprüchen definierte Gegenstand nicht notwendigerweise auf die oben beschriebenen spezifischen Merkmale oder Handlungen beschränkt ist. Vielmehr werden die oben beschriebenen spezifischen Merkmale und Handlungen als Beispielformen für die Umsetzung der Ansprüche offenbart.
In dieser Anmeldung sind die Begriffe „Komponente“, „Modul“, „System“, „Schnittstelle“ und dergleichen im Allgemeinen dazu bestimmt, sich auf eine computerbezogene Einheit zu beziehen, entweder Hardware, eine Kombination aus Hardware und Software, Software oder Software in Ausführung. Eine oder mehrere Komponenten können auf einem Computer lokalisiert und/oder zwischen zwei oder mehreren Computern verteilt sein.
Darüber hinaus kann der beanspruchte Gegenstand als Verfahren, Vorrichtung oder Herstellungsgegenstand unter Verwendung von Standard-Programmier- und/oder Konstruktionstechniken zur Herstellung von Software, Firmware, Hardware oder einer Kombination davon zur Steuerung eines Computers zur Implementierung des offenbarten Gegenstands implementiert werden. Der hier verwendete Begriff „Herstellungsgegenstand“ soll ein Computerprogramm umfassen, auf das von jeder computerlesbaren Vorrichtung, Träger oder Medium aus zugegriffen werden kann. Natürlich werden diejenigen, die sich in der Technik auskennen, erkennen, dass viele Änderungen an dieser Konfiguration vorgenommen werden können, ohne vom Umfang oder Geist des beanspruchten Gegenstandes abzuweichen.
Hierin werden verschiedene Handlungen von Ausführungsformen bereitgestellt. In einer Ausführungsform können eine oder mehrere der beschriebenen Handlungen computerlesbare Befehle darstellen, die auf einem oder mehreren computerlesbaren Medien gespeichert sind und die, wenn sie von einer Computervorrichtung ausgeführt werden, die Computervorrichtung veranlassen, die beschriebenen Handlungen auszuführen. Die Reihenfolge, in der einige oder alle der beschriebenen Handlungen beschrieben werden, darf nicht so ausgelegt werden, dass diese Handlungen notwendigerweise reihenfolgenabhängig sind. Eine alternative Reihenfolge wird von einem Fachmann gewürdigt, die den Vorteil dieser Beschreibung hat. Ferner ist klar, dass nicht alle Handlungen notwendigerweise in jeder hier bereitgestellten Ausführungsform vorhanden sind.
Jeder/s hier als „Beispiel“ beschriebene Aspekt oder Design ist nicht unbedingt als vorteilhaft gegenüber anderen Aspekten oder Designs auszulegen. Vielmehr soll die Verwendung des Wortes „Beispiel“ dazu dienen, einen möglichen Aspekt und/oder eine mögliche Implementierung darzustellen, die sich auf die hier vorgestellten Techniken beziehen kann. Solche Beispiele sind für solche Techniken nicht notwendig oder als Einschränkung gedacht. Verschiedene Ausführungsformen solcher Techniken können ein solches Beispiel enthalten, allein oder in Kombination mit anderen Merkmalen, und/oder können das veranschaulichte Beispiel variieren und/oder auslassen.
Wie in dieser Anmeldung verwendet, soll der Begriff „oder“ eher ein einschließendes „oder“ als ein ausschließendes „oder“ bedeuten. Das heißt, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Zusammenhang klar ersichtlich, bedeutet „X verwendet A oder B“ eine der natürlichen einschließenden Permutationen. Das heißt, wenn X A, X B oder X sowohl A als auch B verwendet, dann ist „X verwendet A oder B“ in jedem der vorgenannten Fälle erfüllt. Darüber hinaus können die Artikel „ein“ und „eine“, wie sie in dieser Anmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, im Allgemeinen so ausgelegt werden, dass sie „einen oder mehrere“ bedeuten, es sei denn, es ist anders angegeben oder aus dem Zusammenhang klar, dass sie auf eine Singular-Form gerichtet sind.
Auch wenn die Offenbarung in Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen gezeigt und beschrieben wurde, werden äquivalente Änderungen und Modifikationen bei anderen Fachleuten basierend auf der Lektüre und des Verständnisses dieser Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen auftreten. Die Offenbarung umfasst alle derartigen Änderungen und Modifikationen und ist nur durch den Umfang der folgenden Ansprüche begrenzt. Insbesondere in Bezug auf die verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten (z.B. Elemente, Ressourcen usw.) ausgeführt werden, sollen die zur Beschreibung dieser Komponenten verwendeten Begriffe, sofern nicht anders angegeben, allen Komponenten entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente (z.B. die funktional gleichwertig ist) erfüllen, auch wenn sie nicht strukturell gleichwertig zu der offenbarten Struktur sind, welche die Funktion in den hier illustrierten Beispielimplementierungen der Offenbarung erfüllt. Darüber hinaus kann ein bestimmtes Merkmal der Offenbarung zwar nur in Bezug auf eine von mehreren Implementierungen offenbart worden sein, doch kann dieses Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es für eine gegebene oder bestimmte Anwendung gewünscht und vorteilhaft sein kann. Soweit die Begriffe „enthält“, „aufweist“, „hat“, „mit“ oder Varianten davon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, sollen diese Begriffe in ähnlicher Weise wie der Begriff „umfassend“ enthalten sein.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer zeitlichen Position eines Empfangssignals (110) innerhalb einer Abtastfolge (206), umfassend: Abtasten (604) eines Sensors (112) bei einer Abtastfrequenz, um die Abtastfolge (206) zu erzeugen; Anwenden (606) eines Matched-Filter-Satzes (304) von Matched-Filtern (306) auf die Abtastfolge (206), um einen Matched-Filter-Korrelations-Satz von Matched-Filter-Korrelationen (508) zu erzeugen, wobei Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter (306) einem Mustersignal (302) bei der Abtastfrequenz des Sensors (112) entsprechen, das um eine Unterintervallverschiebung (308) verschoben ist; Auswerten (608) der Matched-Filter-Korrelationen (508), um eine Empfangssignal-Unterintervallverschiebung (512) zu bestimmen; und Bestimmen (610) der zeitlichen Position des Empfangssignals (110) innerhalb der Abtastfolge (206) basierend auf zumindest der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung (512).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Erzeugen der jeweiligen Matched-Filter (306) durch Abtasten des Mustersignals (302) mit der Abtastfrequenz und Verwenden eines Satzes verschiedener Unterintervallverschiebungen (308) für die erhaltenen Matched-Filter (306).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Erzeugen der jeweiligen Matched-Filter (306) ferner umfasst: Erzeugen der jeweiligen Matched-Filter (306) gemäß einer Gleichung, umfassend: $\begin{matrix} s_{T, i} [n] = s_{T} (n T_{s} + (\frac{M_{O s} - 1}{2} - (i - 1)) \frac{T_{s}}{M_{O S}}), & i = 1, \dots, M_{O S}, & n = 1, \dots, N_{S}, \end{matrix}$
wobei: N_s eine Anzahl von Matched-Filtern (306) des Matched-Filter-Satzes (304) umfasst; n einen Index eines Matched-Filters (306) innerhalb des Matched-Filter-Satzes (304) umfasst; i einen Abtastindex für n umfasst; S_T(...) das Mustersignal (302) bei einer gewählten Zeit umfasst; T_S eine Dauer eines Abtastintervalls des Mustersignals (302) umfasst; Mos ein Überabtastverhältnis relativ zur Abtastfrequenz des Sensors (112) umfasst; und S_T,i[n] einen Wert eines Matched-Filters (306) bei i umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Erzeugen der jeweiligen Matched-Filter (306) unter Verwendung einer Unterabtastfolge von Abtastwerten eines überabgetasteten Musters des Empfangssignals (110).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Erzeugen der jeweiligen Matched-Filter (306) ferner umfasst: Erzeugen der jeweiligen Matched-Filter (306) unter Verwendung eines überabgetasteten Musters des Empfangssignals (110) gemäß einer Gleichung, umfassend: $S_{T, i} [n] = s_{T} (n \frac{T_{s}}{M_{O S}}), n = i, M_{O S} + i, \dots, (N_{s} - 1) M_{O S} + i$
wobei: N_s eine Anzahl von Matched-Filtern (306) des Matched-Filter-Satzes (304) umfasst; n einen Index eines Matched-Filters (306) innerhalb des Matched-Filter-Satzes (304) umfasst; i einen Abtastindex für n umfasst; S_T(...) das Mustersignal (302) bei einer gewählten Zeit umfasst; T_S eine Dauer eines Abtastintervalls des Mustersignals (302) umfasst; Mos ein Überabtastverhältnis relativ zur Abtastfrequenz des Sensors (112) umfasst; und S_T,i[n] einen Wert eines Matched-Filters (306) bei i umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anwenden (606) des Matched-Filter-Satzes (304) auf die Abtastfolge (206) ferner umfasst: Auswählen eines Fensters von Abtastwerten innerhalb der Abtastfolge (206); und Anwenden des Matched-Filter-Satzes (304) auf das Fenster der Abtastwerte.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Matched-Filter-Satz (304) ferner umfasst: ein erstes Matched-Filter (306), das sich von einem ersten benachbarten Matched-Filter (306) durch einen ersten Unterintervallverschiebungsabstand unterscheidet; und ein zweites Matched-Filter (306), das sich von einem zweiten benachbarten Matched-Filter (306) durch einen zweiten Unterintervallverschiebungsabstand unterscheidet, der sich von dem ersten Unterintervallverschiebungsabstand unterscheidet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Erzeugen der jeweiligen Matched-Filter (306) mit einer Matched-Filter-Anzahl basierend auf zumindest einer ausgewählten Auflösung der zeitlichen Position des Empfangssignals (110).
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend: Empfangen einer Anforderung zum Bestimmen der zeitlichen Position des Empfangssignals (110) mit einer zweiten ausgewählten Auflösung, die sich von der ausgewählten Auflösung unterscheidet; und in Antwort auf die Anforderung, Erneuern der entsprechenden Matched-Filter (306) mit einer zweiten Matched-Filter-Anzahl basierend auf zumindest der zweiten ausgewählten Auflösung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung (512) ferner umfasst: Identifizieren eines ausgewählten Matched-Filters (306), das eine maximale Matched-Filter-Korrelation (508) unter den Matched-Filter-Korrelationen (508) des Matched-Filter-Satzes (304) darstellt; und Auswählen der Unterintervallverschiebung (308) des ausgewählten Matched-Filters (306) als die Empfangssignal-Unterintervallverschiebung (512).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung (512) ferner umfasst: für jedes jeweilige Matched-Filter (306), Berechnen eines Produkts der Unterintervallverschiebung (308) des jeweiligen Matched-Filters (306) mit einer Matched-Filter-Korrelation (508) des Matched-Filters (306); und Berechnen einer Summe der Produkte der jeweiligen Matched-Filter (306), wobei die Summe durch eine Matched-Filter-Korrelationssumme der Matched-Filter-Korrelationen (508) normiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: das Abtasten (604) des Sensors (112) ferner umfasst: Abtasten des Sensors (112) bei der Abtastfrequenz, um zumindest zwei replizierte Abtastfolgen zu erzeugen; das Anwenden des Matched-Filter-Satzes (304) auf die Abtastfolge (206) ferner umfasst: Anwenden des Matched-Filter-Satzes (304) auf die zumindest zwei replizierten Abtastfolgen, um zumindest zwei Sätze von Matched-Filter-Korrelationen (508) zu erzeugen; und das Bestimmen der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung (512) ferner umfasst: Akkumulieren der zumindest zwei Matched-Filter-Korrelation-Sätze für die zumindest zwei replizierten Abtastfolgen; und Auswerten der zumindest zwei Matched-Filter-Korrelations-Sätze, die über die zumindest zwei replizierten Abtastfolgen akkumuliert wurden, um die Empfangssignal-Unterintervallverschiebung (512) des Empfangssignals (110) innerhalb der Abtastfolge (206) zu bestimmen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Bestimmen einer Signalzuverlässigkeit basierend auf zumindest einem Korrelationsabstand zwischen dem ausgewählten Matched-Filter (306) und der Abtastfolge (206).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bestimmen der Signalzuverlässigkeit ferner umfasst: Bestimmen des Korrelationsabstands als eine Standardabweichung von Abtastwerten der Abtastfolge (206) und entsprechenden Abtastwerten des Matched-Filters (306).
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, ferner umfassend: Vergleichen der Signalzuverlässigkeit mit einem Signalzuverlässigkeit-Schwellenwert; und in Antwort auf Fehlschlagen eines Erfüllens des Signalzuverlässigkeit-Schwellenwertes durch die Signalzuverlässigkeit, Melden eines Fehlens des Signals.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Identifizieren eines medianen Unterintervallversatzes basierend auf zumindest einem Median der jeweiligen Zeitverschiebungen, die den jeweiligen maximalen Matched-Filter-Korrelationen (508) unter dem Matched-Filter-Satz (304) entsprechen.
Sensor, umfassend: einen Signaldetektor (704) zum Anwenden eines Matched-Filter-Satzes (304) von Matched-Filtern (306) auf eine Abtastfolge (206) des Sensors (112) bei einer Abtastfrequenz, wobei jeweilige Matched-Filter (306) einem Mustersignal (302) bei der Abtastfrequenz entsprechen, das um eine Unterintervallverschiebung (308) verschoben ist, um eine Empfangssignal-Unterintervallverschiebung (512) eines Empfangssignals (110) innerhalb der Abtastfolge (206) zu identifizieren; und einen zeitlichen Positionsbestimmer (706) zum Bestimmen einer zeitlichen Position des Empfangssignals (110) innerhalb der Abtastfolge (206) basierend auf zumindest der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung (512) des Empfangssignals (110) innerhalb der Abtastfolge (206).
Sensor nach Anspruch 17, wobei: die Abtastfolge (206) in einem Schieberegister mit einer Abtastlänge gespeichert wird; jeweilige Matched-Filter (306) eine Filterlänge der Abtastlänge umfassen; und der Signaldetektor (704) den Matched-Filter-Satz (304) auf das Schieberegister anwendet.
Sensor nach Anspruch 17 oder 18, wobei: der Matched-Filter-Satz (304) ferner einen Auswertersatz von Auswertern umfasst, die jeweils die Abtastfolge (206) an ein Matched-Filter (306) auswerten, um eine Matched-Filter-Korrelation (508) zu erzeugen; und der Signaldetektor (704) den Matched-Filter-Satz (304) auf die Abtastfolge (206) anwendet, indem er die Auswerter gleichzeitig auf die Abtastfolge (206) anwendet.
Laufzeitvorrichtung, umfassend: einen Sender (106) zum Aussenden eines Sendesignals (108) ; einen Empfänger zum Empfangen einer Reflexion des Sendesignals (108) durch Abtasten eines Sensors (112) bei einer Abtastfrequenz, um eine Abtastfolge (206) zu erzeugen, die ein Empfangssignal (110) umfasst; einen Signaldetektor (704) zum Anwenden eines Matched-Filter-Satzes (304) von Matched-Filtern (306) auf die Abtastfolge (206), wobei die Impulsantworten der jeweiligen Matched-Filter (306) einem Mustersignal (302) entsprechen, das bei der Abtastfrequenz abgetastet und um eine Unterintervallverschiebung (308) verschoben ist, um eine Empfangssignal-Unterintervallverschiebung (512) des Empfangssignals (110) innerhalb der Abtastfolge (206) zu identifizieren; und ein Laufzeitbestimmer (814), der eine Laufzeit des Sendesignals (108) basierend auf zumindest der Empfangssignal-Unterintervallverschiebung (512) des Empfangssignals (110) innerhalb der Abtastfolge (206) bestimmt.