DE102021101790A1

DE102021101790A1 - Detektionssystem und verfahren dafür

Info

Publication number: DE102021101790A1
Application number: DE102021101790.4A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Maierbacher; Florian Kolb; Martin Schnarrenberger
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-07-28
Also published as: US20240142584A1; CN116745639A; WO2022161702A1

Abstract

Gemäß verschiedenen Aspekten kann ein Detektionssystem (100) aufweisen: einen Detektor (102, 201) eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Signals (104, 202); und eine Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet zum: Bereitstellen von quantisierten Signalen (108, 204), wobei jedes quantisierte Signal (108, 204) repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals (104, 202) ist, in denen ein Signalpegel größer ist als ein jeweiliger Schwellenwert (206); Bereitstellen eines kodierten Signals, das erste und zweite kodierte Signalwerte (110-1, 110-2, 208-1, 208-2) aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals (104, 202) sind, in denen der Signalpegel größer bzw. kleiner wird als einer der Schwellenwerte (206); und Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals (110, 208), um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen, wobei das digitalisierte Signal (112, 214) erste digitalisierte Werte (112-1, 214-1), die mit den ersten kodierten Signalwerten (110-1, 208-1) assoziiert sind, und zweite digitalisierte Werte (112-2, 214-2), die mit den zweiten kodierten Signalwerten (110-2, 208-2) assoziiert sind, aufweist.

Description

Verschiedene Aspekte betreffen ein Detektionssystem und Verfahren dafür (z.B. ein Verfahren zum Detektieren eines Lichtsignals), und verschiedene Aspekte betreffen ein LIDAR-System („Light-Detection-And-Ranging“) aufweisend ein Detektionssystem.
Lichtdetektion und Abstandsmessung sind eine Erfassungstechnik, welche beispielsweise in dem Gebiet des autonomen Fahrens verwendet wird, um detaillierte Informationen über die Umgebung eines automatisierten oder teilweise automatisierten Fahrzeugs bereitzustellen. Licht wird verwendet, um eine Szene abzutasten, und die Eigenschaften (z.B. die Lage, die Geschwindigkeit, die Bewegungsrichtung und dergleichen) der darin vorhandenen Objekte zu ermitteln. Ein LIDAR-System verwendet üblicherweise die Laufzeit (ToF) des emittierten Lichts, um den Abstand zu einem Objekt zu messen. Ein LIDAR-System kann einen Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Wandler (ADC) oder einen Zeit-Digital-Wandler (TDC) aufweisen, um das von der Szene empfangene Licht zu verarbeiten. Eine ADC-basierte Lösung kann Amplitudeninformationen bereitstellen, welche für eine Objekterkennung und eine Objektzusammenführung nützlich sein können (die jeweiligen Algorithmen können die Amplitudeninformationen nutzen). Darüber hinaus kann bei einer ADC-basierten Lösung das Signal-Rausch-Verhältnis abgeleitet werden, welches ein Maß dafür bereitstellen kann, wie zuverlässig die Messung war. Ein Hochgeschwindigkeits-ADC kann jedoch hinsichtlich des Stromverbrauchs, der Wärme, der Kosten, der Komplexität usw. aufwendig sein. Außerdem erzeugt das kontinuierliche Sampling mit hohen Sampling-Raten große Datenmengen, welche übermittelt und verarbeitet werden müssen. Darüber hinaus stellen nicht alle Detektoren Amplitudeninformationen bereit (z.B. stellen Einzelphotonen-Lawinendiode-(SPAD)-Detektoren keine solchen Informationen bereit). Eine LIDAR-Architektur, welche einen TDC-Ansatz anwendet, kann gegenüber einem ADC-Ansatz verschiedene Vorteile haben: (1) einen einfachen Systemaufbau, welcher die Anzahl der teuren Komponenten reduziert, während er für Hochgeschwindigkeits-Implementierungen geeignet ist; (2) im Vergleich zu Wellenform-Sampling-Lösungen wird kein Hochgeschwindigkeits-ADC benötigt, was in Hinblick auf Stromverbrauch und Kosten vorteilhaft sein kann; und (3) angesichts des ereignisbasierten Charakters eines TDC-Detektionsschemas kann die Menge der erzeugten Daten relativ klein sein, wodurch die zu verarbeitende Datenmenge reduziert ist (anschaulich wird weniger CPU-Last erzeugt) und die benötigte CPU-Leistung reduziert ist, was zu einer Verringerung des Stromverbrauchs und der Kosten des Systems führt. Eine Einschränkung eines üblichen TDC-basierten Systems ist jedoch, dass es keine detaillierten Informationen über die Eigenschaften eines Lichtsignals bereitstellt, z.B. Puls-Amplituden- und/oder Pulsform-Informationen. Ein Ansatz aufweisend eine Mehrzahl von Vergleichern, wobei jeder Vergleicher seine Ausgabe an einen jeweiligen Zeit-Digital-Wandler bereitstellt, wird in US 10802120 B1 beschrieben.
Verschiedene Aspekte können ein Detektionssystem betreffen, das nach einem Zeit-zu-Digital-Umwandlungsansatz eingerichtet ist und dazu angepasst ist, zusätzliche Informationen (z.B. Amplituden- und/oder Forminformationen) zu ermitteln, die mit einem detektierten Signal assoziiert sind und die in einem herkömmlichen TDC-basierten Detektionssystem nicht ermittelt werden. Verschiedene Aspekte betreffen ein Detektionssystem, das eingerichtet ist zum Verarbeiten eines empfangenen Signals in einer Weise, die im Vergleich zu einem konventionellen TDC-Ansatz die Extraktion von Amplituden- und/oder Forminformationen (z.B. zusätzlich zu Laufzeitinformationen) ermöglicht. Das hierin beschriebene Detektionssystem kann eingerichtet sein zum Verarbeiten eines empfangenen Signals derart, dass bei der Zeit-Digital-Wandlung des verarbeiteten Signals das resultierende digitalisierte (mit anderen Worten digitale) Signal das Ermitteln der zusätzlichen Informationen ermöglicht. Der hierin beschriebene TDC-Ansatz kann im Folgenden auch als angepasster TDC-Ansatz bezeichnet werden.
Verschiedene Aspekte können ein Verfahren zum Verarbeiten eines empfangenen Signals betreffen, das im Vergleich zu einer herkömmlichen TDC-basierten Verarbeitung das Ermitteln von zusätzlichen, mit dem empfangenen Signal assoziierten Informationen (z.B. Amplituden- und/oder Forminformationen) ermöglicht. Das hierin beschriebene Verfahren kann eingerichtet sein zum Bereitstellen einer digitalisierten Repräsentation des empfangenen Signals durch eine Zeit-Digital-Umwandlung in einer angepassten Weise, die dafür sorgt, dass Amplituden- und/oder Forminformationen aus der digitalisierten Repräsentation ermittelt werden können.
Die zusätzlichen Informationen, die durch die hierin beschriebene angepasste TDC-Strategie bereitgestellt werden, können beispielsweise bei dem Ermitteln des Reflexionsgrads oder anderer Oberflächeneigenschaften eines Objekts vorteilhaft sein. Als weiteres Beispiel kann die hierin beschriebene Strategie vorteilhaft sein für die Signalmittelung und für fortgeschrittene Signalverarbeitungszwecke und/oder für die Erkennung von Störsignalen und die Unterdrückung von Übersprechen. Als weiteres Beispiel kann die hierin beschriebene Strategie für andere nachfolgende Verarbeitungsschritte wie Objekterkennung, Objektverfolgung und Sensor-Zusammenführungsstufen vorteilhaft sein.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung kann auf die Detektion und die Verarbeitung eines „Signals“ Bezug genommen werden. Das „Signal“ kann jede Art von analogem Signal sein oder aufweisen, für das der hierin beschriebene angepasste TDC-Ansatz angewendet werden kann. Das Detektionssystem und das hierin beschriebene Verarbeitungsverfahren können für verschiedene Arten von analogen Signalen verwendet werden, wie ein Lichtsignal, ein Ultraschallsignal, ein RADAR-Signal, ein Hochfrequenzsignal, als Beispiele. Es kann insbesondere auf die Detektion und Verarbeitung eines „Lichtsignals“ Bezug genommen werden, z.B. im Rahmen von LIDAR-Anwendungen. Es versteht sich jedoch, dass ein Lichtsignal nur ein Beispiel ist, um eine mögliche Anwendung des hierin beschriebenen angepassten TDC-Ansatzes zu veranschaulichen.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung kann auf Amplituden- und/oder Forminformationen Bezug genommen werden, um die „zusätzlichen Informationen“ zu beschreiben, die der angepasste TDC-Ansatz bereitstellen kann. Es versteht sich jedoch, dass die hierin beschriebene Verarbeitung auch dafür sorgen kann, dass andere Arten von signalbezogenen Informationen aus einem ermittelten digitalisierten Signal extrahiert werden können, wie eine Schwingungsfrequenz eines periodischen Signals, das auf den Puls moduliert ist, oder eine Anzahl von Pulsen, die in dem Signal enthalten sind, oder die Anzahl und relative Amplitude von Pulsen in einem Multipulssignal, als weitere Beispiele.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung kann auf ein LIDAR-System Bezug genommen werden, welches das hierin beschriebene Detektionssystem aufweisen kann. Ein LIDAR-System kann verschiedene Bauteile und Sensoren zur Überwachung einer Szene (z.B. der Umgebung, die ein Fahrzeug umgibt) aufweisen, wie in der Technik allgemein bekannt ist. Beispielsweise kann ein LIDAR-System einen Helligkeitssensor, einen Anwesenheitssensor, eine optische Kamera, ein RADAR-Abtastungssystem, ein Ultraschall-Abtastungssystem und/oder ein lichtbasiertes Abtastungssystem aufweisen. Ein LIDAR-System kann einen oder mehrere Aktuatoren zur Anpassung der Umgebungsüberwachungsbedingungen aufweisen, z.B. einen oder mehrere Aktuatoren zur Anpassung der Abstrahlrichtung von Licht, zur Anpassung der Ausrichtung einer optischen Kamera, zur Anpassung der Abstrahlrichtung von Ultraschallwellen und dergleichen. Ein LIDAR-System kann eine Datenverarbeitungsschaltung aufweisen zur Verarbeitung der von den Sensoren bereitgestellten Daten. Die Datenverarbeitungsschaltung kann beispielsweise ein Sensor-Zusammenführung-Modul aufweisen zum Kombinieren der von verschiedenen Sensortypen bereitgestellten Daten und zum Verbessern der Überwachung der Szene. Die Datenverarbeitungsschaltung kann eingerichtet sein zum Durchführen einer Objekterkennung und/oder einer Objektklassifizierung, um das(die) in der überwachten Szene vorhandene(n) Objekt(e) zu analysieren. Die Objekterkennung und/oder die Objektklassifizierung kann/können auf den von den Sensoren (z.B. von einem oder mehreren der verfügbaren Sensoren) bereitgestellten Daten basieren. Ein LIDAR-System kann einen oder mehrere Speicher aufweisen, welche Informationen und Anweisungen speichern, wie die abgetasteten Daten, die ermittelten Objektinformationen, Anweisungen für den Betrieb der Sensoren und dergleichen. Ein LIDAR-System kann eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen aufweisen, um mit anderen Systemen zu kommunizieren (z.B. anderen Systemen desselben Fahrzeugs oder einem anderen LIDAR-System eines anderen Fahrzeugs, als Beispiele), z.B. eingerichtet für drahtgebundene und/oder drahtlose Kommunikation.
Es versteht sich, dass ein LIDAR-System ein Beispiel für eine mögliche Anwendung der hierin beschriebenen angepassten TDC-basierten Detektionsstrategie ist. Das hierin beschriebene Verfahren und das hierin beschriebene Detektionssystem können auch zur Verwendung in anderen Arten von Anwendungen oder Systemen vorgesehen werden, in denen das Ermitteln von zusätzlichen Informationen (z.B. Amplitude und/oder Form) eines Signals vorteilhaft sein kann, beispielsweise in einem optischen Übertragungssystem (z.B. drahtlos oder mit optischen Fasern), z.B. in einem System, in dem Daten und Informationen mittels Lichts übertragen werden können. Das hierin beschriebene Verfahren und das hierin beschriebene Detektionssystem können zur Verwendung in Anwendungen vorgesehen werden, in denen eine zeitbasierte Detektion eines kurzen Signals (z.B. mit einer Dauer von weniger als 500 ns, oder weniger als 100 ns) bereitgestellt werden soll. Die Hochgeschwindigkeit-Zeitliches-Signal-Erfassung-Fähigkeiten in Verbindung mit den Amplituden-/Pulsform-Rekonstruktion-Eigenschaften stellen die Mittel bereit zum Erfassen, zum Speichern und zum Verarbeiten von Hochgeschwindigkeitssignalen mit beliebiger Wellenform. Dies kann insbesondere bei Anwendungen relevant sein, bei denen Hochgeschwindigkeits-ADC-Lösungen entweder zu aufwendig, zu komplex in der Implementierung oder einfach noch nicht schnell genug sind. Mögliche Anwendungen reichen von Detektoren, die in Teilchenbeschleunigern verwendet werden, bis hin zu kostengünstigen Signalerfassungsanwendungen im Verbraucher- und Automobilbereich.
In verschiedenen Aspekten kann ein Detektionssystem aufweisen: einen Detektor eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Signals; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet zum: Bereitstellen einer Mehrzahl von quantisierten Signalen, wobei jedes quantisierte Signal mit einem jeweiligen Schwellenwert assoziiert ist, und wobei jedes quantisierte Signal repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals ist, in denen ein Signalpegel des empfangenen Signals größer ist als der jeweilige Schwellenwert; Bereitstellen eines kodierten Signals basierend auf der Mehrzahl von quantisierten Signalen, wobei das kodierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals größer wird als einer der Schwellenwerte, und eine zweite Mehrzahl von zweiten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals kleiner wird als einer der Schwellenwerte; und Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals, um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen, wobei das digitalisierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten digitalisierten Werten aufweist, die mit den ersten kodierten Signalwerten assoziiert sind, und eine zweite Mehrzahl von zweiten digitalisierten Werten aufweist, die mit den zweiten kodierten Signalwerten assoziiert sind.
In verschiedenen Aspekten kann ein Detektionssystem aufweisen: einen Detektor eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Signals; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet zum: Kodieren der Form des empfangenen Signals basierend auf der Steigung des empfangenen Signals, um ein kodiertes Signal bereitzustellen, wobei das kodierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten kodierten Signalwerten, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen eine Steigung einer Tangente an das empfangene Signal positiv ist, und eine zweite Mehrzahl von zweiten kodierten Signalwerten, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen die Steigung der Tangente an das empfangene Signal negativ ist, aufweist; und Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals, um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen, wobei das digitalisierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten digitalisierten Werten aufweist, die mit den ersten kodierten Signalwerten assoziiert sind, und eine zweite Mehrzahl von zweiten digitalisierten Werten aufweist, die mit den zweiten kodierten Signalwerten assoziiert sind.
In verschiedenen Aspekten kann ein Detektionssystem aufweisen: einen Detektor eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Signals; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet zum: Kodieren des Signalpegels des empfangenen Signals basierend auf einer Mehrzahl von Schwellenwerten, um ein kodiertes Signal bereitzustellen, wobei das kodierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen ein Signalpegel des empfangenen Signals größer als ein Schwellenwert der Mehrzahl von Schwellenwerten wird, und eine zweite Mehrzahl von zweiten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals kleiner als ein Schwellenwert der Mehrzahl von Schwellenwerten wird; und Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals, um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen, wobei das digitalisierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten digitalisierten Werten aufweist, die mit den ersten kodierten Signalwerten assoziiert sind, und eine zweite Mehrzahl von zweiten digitalisierten Werten aufweist, die mit den zweiten kodierten Signalwerten assoziiert sind.
In verschiedenen Aspekten kann ein Verfahren zum Detektieren eines Signals aufweisen: Bereitstellen eines empfangenen Signals; Bereitstellen einer Mehrzahl von quantisierten Signalen, wobei jedes quantisierte Signal mit einem jeweiligen Schwellenwert assoziiert ist, und wobei jedes quantisierte Signal repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals ist, in denen ein Signalpegel des empfangenen Signals größer ist als der jeweilige Schwellenwert; Bereitstellen eines kodierten Signals basierend auf der Mehrzahl von quantisierten Signalen, wobei das kodierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals größer wird als einer der mit den quantisierten Signalen assoziierten Schwellenwerte, und eine zweite Mehrzahl von zweiten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals kleiner wird als einer der mit den quantisierten Signalen assoziierten Schwellenwerte; und Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals, um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen, wobei das digitalisierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten digitalisierten Signalwerten aufweist, die mit den ersten kodierten Signalwerten assoziiert sind, und eine zweite Mehrzahl von zweiten digitalisierten Signalwerten aufweist, die mit den zweiten kodierten Signalwerten assoziiert sind.
Der Ausdruck „Signalpegel“ kann hierin verwendet werden, um einen Parameter zu beschreiben, der mit einem Signal oder mit einem Anteil eines Signals (z.B. mit einem Peak) assoziiert ist. Ein „Signalpegel“, wie hierin verwendet, kann mindestens einen von einem Leistungspegel, einem Strompegel, einem Spannungspegel oder einem Amplitudenpegel (hierin auch als Amplitude bezeichnet) aufweisen.
Der Begriff „Amplitude“ kann hierin verwendet werden, um die Höhe eines Peaks zu beschreiben, z.B. die Höhe eines Pulses. Der Begriff „Amplitude“ kann den Signalpegel des Signals an dem Peak in Bezug auf einen Referenzwert für den Signalpegel beschreiben. Der Begriff „Amplitude“ kann hierin auch in Bezug auf ein Signal verwendet werden, welches keine symmetrische periodische Welle ist, z.B. auch in Bezug auf eine asymmetrische Welle (beispielsweise in Bezug auf ein Signal, das periodische Pulse in einer Richtung aufweist). In dieser Hinsicht kann der Begriff „Amplitude“ derart verstanden werden, dass er die Amplitude des Signals (z.B. des Peaks) beschreibt, wie sie vom Referenzwert des Signalpegels aus gemessen wird.
Der Begriff „Prozessor“, wie hierin verwendet, kann als jede Art von technischer Einheit verstanden werden, welche die Bearbeitung von Daten ermöglicht. Die Daten können gemäß einer oder mehrerer spezifischer Funktionen bearbeitet werden, welche von dem Prozessor ausgeführt werden. Ferner kann ein Prozessor, wie hierin verwendet, als jede Art von Schaltung verstanden werden, z.B. jede Art von analoger oder digitaler Schaltung. Ein Prozessor kann somit eine analoge Schaltung, eine digitale Schaltung, eine Mixed-Signal-Schaltung, eine Logik-Schaltung, ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein Hauptprozessor (CPU), ein Grafikprozessor (GPU), ein digitaler Signalprozessor (DSP), ein Universalschaltkreis (FPGA), eine integrierte Schaltung, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), usw. oder eine beliebige Kombination davon sein oder aufweisen. Jede andere Art von Implementierung der jeweiligen Funktionen, welche im Folgenden noch detaillierter beschrieben werden, kann ebenfalls als Prozessor oder Logikschaltung verstanden werden. Es versteht sich, dass jede zwei (oder mehr) der hierin beschriebenen Prozessoren oder Logik-Schaltungen als eine einzige Einheit mit äquivalenter Funktionalität oder Ähnlichem realisiert werden können, und dass umgekehrt jede(r) einzelne hierin detailliert beschriebene Prozessor oder Logik-Schaltung als zwei (oder mehr) separate Einheiten mit äquivalenter Funktionalität oder Ähnlichem realisiert werden kann.
Der Begriff „Berechnen“, wie hierin verwendet, umfasst sowohl „direkte“ Berechnungen durch einen mathematischen Ausdruck/eine Formel/eine Beziehung als auch „indirekte“ Berechnungen durch Nachschlage- oder Hash-Tabellen und andere Array-Indizierungs- oder Suchoperationen.
Die Begriffe „differentiell“, „differenzieren“ und „differenziert“ können hierin in ihrem allgemeinen mathematischen Sinn verwendet werden, um eine Operation anzuzeigen, bei der eine Ableitung einer Funktion ermittelt wird. Die Begriffe „differentiell“, „differenzieren“ und „differenziert“ können hierin in Bezug auf die Verarbeitung eines Signals verwendet werden, um eine Operation anzuzeigen, bei der Änderungen des Signalpegels des Signals (z.B. in seiner Amplitude) über die Zeit ermittelt werden, z.B. eine Operation, bei der Änderungen der Steigung des Signals über die Zeit ermittelt werden.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen allgemein über die unterschiedlichen Ansichten hinweg auf dieselben Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird allgemein ein Schwerpunkt darauf gelegt, die hierin offenbarten Prinzipien zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene hierin offenbarte Aspekte unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1A, 1B, 1C, 1D, und 1E jeweils schematisch ein Detektionssystem gemäß verschiedenen Aspekten zeigen;
1F ein mit einer Zeitmessung assoziiertes Timing-Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
1G ein mit einer Zeitmessung assoziiertes Timing-Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
2A einen Detektor und ein mit einem empfangenen Signal assoziiertes Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
2B eine Quantisierungsstufe und ein mit einem quantisierten Signal assoziiertes Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
2C eine Kodierungsstufe und ein mit einem kumulierten Signal assoziiertes Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
2D eine Kodierungsstufe und ein mit einem differenzierten Signal assoziiertes Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
2E eine Kodierungsstufe und ein mit einem kodierten Signal assoziiertes Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
2F eine Digitalisierungsstufe und ein mit einem digitalisierten Signal assoziiertes Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
3A, 3B, 3C, und 3D jeweils ein jeweiliges mit Signalform-Inferenz assoziiertes Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigen;
3E eine Reihe von mit einer Signalverarbeitung assoziierten Diagrammen gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
4 ein LIDAR-System in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
5A ein LIDAR-System in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
5B eine Analog-Signalverarbeitung-Stufe in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
5C eine Digital-Signalverarbeitung-Stufe in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
5D eine Digital-Signalverarbeitung-Stufe in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
5E eine Fein-Zeit-Digital-Umwandlungsstufe in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten zeigt; und
6 eine angezapfte Verzögerungsleitung in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten zeigt.

Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, die zur Veranschaulichung spezifische Details und Implementierungen zeigen, in denen die hierin beschriebenen Aspekte praktiziert werden können. Diese Aspekte werden ausreichend detailliert beschrieben, um es Fachleuten zu ermöglichen, die offenbarten Implementierungen zu praktizieren. Andere Aspekte können verwendet werden, und strukturelle, logische und elektrische Änderungen können gemacht werden, ohne von dem Umfang der offenbarten Implementierungen abzuweichen. Die verschiedenen Aspekte schließen sich nicht notwendigerweise gegenseitig aus, da einige Aspekte mit einem oder mehreren anderen Aspekten kombiniert werden können, um neue Aspekte zu bilden. Verschiedene Aspekte werden in Verbindung mit Verfahren beschrieben, und verschiedene Aspekte werden in Verbindung mit Vorrichtungen (z.B. einem Detektionssystem, einer Verarbeitungsschaltung, einem Detektor, usw.) beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass in Verbindung mit Verfahren beschriebene Aspekte in ähnlicher Weise für die Vorrichtungen gelten können, und umgekehrt.
1A bis 1E zeigen jeweils ein schematisches Diagramm eines Detektionssystems 100 gemäß verschiedenen Aspekten. In einigen Aspekten kann das Detektionssystem 100 ein Lichtdetektionssystem sein, z.B. falls ein zu detektierendes (und zu verarbeitendes) Signal ein Lichtsignal ist oder aufweist. In einigen Aspekten kann das Detektionssystem 100 ein Lichtdetektionssystem zur Verwendung in einem LIDAR-System sein. In einigen Aspekten kann ein LIDAR-System ein oder mehrere Detektionssysteme 100 aufweisen.
Das Detektionssystem 100 kann einen Detektor 102 aufweisen, der eingerichtet ist zum Bereitstellen eines empfangenen Signals 104. Der Detektor 102 kann eingerichtet sein zum Empfangen eines Signals, wie eines Lichtsignals, eines Ultraschallsignals, eines RADAR-Signals, eines Hochfrequenzsignals, als Beispiele, und zum Bereitstellen einer analogen Repräsentation des empfangenen Signals 104. In einigen Aspekten kann das Bereitstellen eines empfangenen Signals 104 als ein Detektieren eines Signals und ein Bereitstellen einer Repräsentation des detektierten Signals verstanden werden. Als Beispiel kann der Detektor 102 eingerichtet sein zum Bereitstellen eines analogen Signals (z.B. eines Stroms oder einer Spannung), das mit dem am Detektor 102 empfangenen Signal assoziiert ist, z.B. ein analoges Signal, das das am Detektor 102 empfangene Signal repräsentiert. In einigen Aspekten kann ein empfangenes Signal 104 als eine Repräsentation bereitgestellt werden, die von einer Verarbeitungsschaltung 106 verarbeitet werden kann, wie unten noch detaillierter beschrieben wird. Das am Detektor 104 empfangene Signal kann selbst ein analoges Signal sein und kann in einer analogen Repräsentation bereitgestellt werden, die eine weitere Verarbeitung ermöglicht. Anschaulich kann das empfangene Signal 104 als eine analoge Repräsentation eines am Detektor 102 empfangenen (analogen) Signals verstanden werden.
Das Detektionssystem 100 kann eine Verarbeitungsschaltung 106 aufweisen, welche eingerichtet ist zum Verarbeiten des empfangenen Signals 104. Der Detektor 102 und die Verarbeitungsschaltung 106 können miteinander verbunden sein, und der Detektor 102 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen (z.B. zum Übertragen oder zum Kommunizieren) des empfangenen Signals 104 an die Verarbeitungsschaltung 106.
Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen (z.B. zum Generieren) einer Mehrzahl von quantisierten Signalen 108 (in einigen Aspekten eine Sequenz von quantisierten Signalen 108). In der beispielhaften Repräsentation in 1 kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Bereitstellen eines ersten quantisierten Signals 108-1, eines zweiten quantisierten Signals 108-2,..., und eines L-ten quantisierten Signals 108-L. Jedes quantisierte Signal 108 kann mit einem jeweiligen Schwellenwert (hierin auch als Referenzpegel bezeichnet) assoziiert sein und kann für die Abschnitte des empfangenen Signals 104 repräsentativ sein, in denen ein Signalpegel des empfangenen Signals 104 größer ist als der jeweilige Schwellenwert. Die quantisierte Repräsentation des empfangenen Signals 104 kann die Möglichkeit bieten, das empfangene Signal 104 in einer Weise zu kodieren, die es ermöglicht, die gewünschten (zusätzlichen) Informationen zu extrahieren, wie unten noch detailliert beschrieben wird. Ein Schwellenwert kann einen Schwellensignalpegel aufweisen, der mit einer Signalamplitude, einer Signalleistung oder einer Signalintensität assoziiert sein kann (z.B. kann in Bezug auf diese ausgedrückt werden), z.B. kann ein Schwellenwert mindestens einen Schwellenstrom oder eine Schwellenspannung aufweisen.
In einigen Aspekten kann das Bereitstellen (z.B. das Generieren) der Mehrzahl von quantisierten Signalen 108 für jedes quantisierte Signal 108 ein Vergleichen des Signalpegels des empfangenen Signals 104 mit dem jeweiligen Schwellenwert aufweisen. Anschaulich kann der Signalpegel des empfangenen Signals 104 im Laufe der Zeit variieren, und der Vergleich kann für jedes quantisierte Signal 108 ein Ermitteln im Laufe der Zeit aufweisen, ob der Signalpegel des empfangenen Signals 104 über oder unter dem assoziierten Schwellenwert liegt. Ein quantisiertes Signal 108 kann ein (weiteres) analoges Signal sein oder aufweisen, das eine quantisierte Repräsentation des Signalpegels des empfangenen Signals 104 in Bezug auf den assoziierten Schwellenwert bereitstellt. Als Beispiel kann für jedes quantisierte Signal 108 ein mit dem empfangenen Signal 104 assoziierter Strompegel oder Spannungspegel mit dem jeweiligen Schwellenstrom oder der jeweiligen Schwellenspannung verglichen werden.
Ein quantisiertes Signal 108 kann eine quantisierte Repräsentation aufweisen, ob (und wo) der Signalpegel des empfangenen Signals 104 über oder unter dem jeweiligen Schwellenwert liegt. Ein quantisiertes Signal 108 kann einen ersten Wert (z.B. einen hohen Wert, der einer logischen „1“ entspricht), der mit den Abschnitten des empfangenen Signals 104 assoziiert ist, in denen der Signalpegel größer ist als der jeweilige Schwellenwert, und einen zweiten Wert (z.B. einen niedrigen Wert, der einer logischen „0“ entspricht), der mit den Abschnitten des empfangenen Signals 104 assoziiert ist, in denen der Signalpegel kleiner als der jeweilige Schwellenwert ist, aufweisen (anschaulich annehmen). Anschaulich kann ein quantisiertes Signal 108 entsprechend den Abschnitten des empfangenen Signals 104, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals 104 größer ist als der jeweilige Schwellenwert, auf einem ersten (z.B. hohen) Pegel liegen, und kann entsprechend den Abschnitten des empfangenen Signals 104, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals 104 kleiner als der jeweilige Schwellenwert ist, auf einem zweiten (z.B. niedrigen) Pegel liegen. Es versteht sich, dass die Definition von hohem Pegel, niedrigem Pegel, hohem Wert und niedrigem Wert für ein quantisiertes Signal 108 beliebig gewählt werden kann.
In der beispielhaften Repräsentation in 1 kann das erste quantisierte Signal 108-1 mit einem ersten Schwellenwert assoziiert sein, das zweite quantisierte Signal 108-2 kann mit einem zweiten Schwellenwert assoziiert sein, und das L-te quantisierte Signal 108-L kann mit einem L-ten Schwellenwert assoziiert sein. Jedes quantisierte Signal 108-1, 108-2, 108-L kann einen jeweiligen niedrigen Wert und einen jeweiligen hohen Wert gemäß dem Verhalten des empfangenen Signals 104 in Bezug auf den jeweiligen Schwellenwert aufweisen (annehmen). In der beispielhaften Konfiguration in 1A bis 1E kann der zweite Schwellenwert größer sein als der erste Schwellenwert, so dass das zweite quantisierte Signal 108-2 im Vergleich zum ersten quantisierten Signal 108-1 für eine kürzere Zeitperiode auf einem hohen Niveau ist (anschaulich schaltet das zweite quantisierte Signal 108-2 im Vergleich zum ersten quantisierten Signal 108-1 zu einem späteren Zeitpunkt vom niedrigen Wert auf den hohen Wert und schaltet im Vergleich zum ersten quantisierten Signal 108-1 zu einem früheren Zeitpunkt vom hohen Wert auf den niedrigen Wert). Der L-te Schwellenwert kann größer sein als der zweite Schwellenwert, so dass das L-te quantisierte Signal 108-L im Vergleich zum zweiten quantisierten Signal 108-2 (und im Vergleich zum ersten quantisierten Signal 108-1) für eine kürzere Zeitperiode auf einem hohen Niveau liegt.
Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen (z.B. zum Generieren) eines kodierten Signals 110 basierend auf der Mehrzahl von quantisierten Signalen 108. Das kodierte Signal 110 kann Signalwerte (kodierte Signalwerte) aufweisen, die das Verhalten des empfangenen Signals 104 über die Zeit repräsentieren. Die kodierten Signalwerte können anschaulich repräsentieren, wo der Signalpegel des empfangenen Signals 104 ansteigt (z.B. von größer als ein Schwellenwert zu größer als ein höherer Schwellenwert) oder abfällt (z.B. von kleiner als ein Schwellenwert zu kleiner als ein niedrigerer Schwellenwert). Das Bereitstellen des kodierten Signals 110 ermöglicht es, das empfangene Signal 104 in einer Weise zu repräsentieren, die es ermöglicht, die gewünschten Informationen zu extrahieren, wie unten noch detaillierter beschrieben wird.
Das kodierte Signal 110 kann eine erste Mehrzahl (z.B. eine erste Sequenz) von ersten kodierten Signalwerten 110-1 aufweisen, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals 104 sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals 104 größer wird als einer der Schwellenwerte, die mit den quantisierten Signalen 108 assoziiert sind. Das kodierte Signal 110 kann eine zweite Mehrzahl (z.B. eine zweite Sequenz) von zweiten kodierten Signalwerten 110-2 aufweisen, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals 104 sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals 104 kleiner (mit anderen Worten niedriger) wird als einer der Schwellenwerte, die mit den quantisierten Signalen 108 assoziiert sind. Anschaulich können die ersten kodierten Signalwerte 110-1 für die Abschnitte des empfangenen Signals 104 repräsentativ sein, in denen eine Steigung einer Tangente an das empfangene Signal 104 positiv ist, und die zweite Mehrzahl von zweiten kodierten Signalwerten 110-2 kann für die Abschnitte des empfangenen Signals 104 repräsentativ sein, in denen die Steigung der Tangente an das empfangene Signal 104 negativ ist.
Das Bereitstellen (z.B. das Generieren) des kodierten Signals 110 basierend auf der Mehrzahl von quantisierten Signalen 108 kann das Ermitteln der Stelle(n) im empfangenen Signal 104 aufweisen, wo der Signalpegel derart ansteigt, dass ein quantisiertes Signal 108 auf einen hohen Pegel geht (um die ersten kodierten Signalwerte 110-1 zu ermitteln), oder derart abfällt, dass ein quantisiertes Signal 108 auf einen niedrigen Pegel geht (um die zweiten kodierten Signalwerte 110-2 zu ermitteln).
Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals 110, um ein digitalisiertes Signal 112 (mit anderen Worten ein digitales Signal 112) bereitzustellen. Das digitalisierte Signal 112 kann eine erste Mehrzahl von ersten digitalisierten Werten 112-1 aufweisen, die mit den ersten kodierten Signalwerten 110-1 assoziiert sind. Anschaulich kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Bereitstellen der ersten digitalisierten Werte 112-1 durch Zeit-Digital-Umwandlung der ersten kodierten Signalwerte 110-1. Das digitalisierte Signal 112 kann eine zweite Mehrzahl von zweiten digitalisierten Werten 112-2 aufweisen, die mit den zweiten kodierten Signalwerten 110-2 assoziiert sind. Anschaulich kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Bereitstellen der zweiten digitalisierten Werte 112-2 durch Zeit-Digital-Umwandlung der zweiten kodierten Signalwerte 110-2. Das digitalisierte Signal 112 kann (zur weiteren Verarbeitung) als ein einziges Signal (an einem einzigen Ausgang, siehe 1B bis 1E) oder als zwei separate Signale (zwei separate Ausgänge, siehe 1A) bereitgestellt werden.
Die Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals 110 kann ein Generieren eines digitalisierten Wertes entsprechend jedem kodierten Signalwert aufweisen. Das digitalisierte Signal 112 kann als eine Sequenz von digitalisierten Werten verstanden werden, die eine digitalisierte Repräsentation der zeitlichen Entwicklung des kodierten Signals 110 (und damit des empfangenen Signals 104) bereitstellt. Die Zeit-Digital-Umwandlung kann ein Bereitstellen eines digitalisierten Wertes eines ersten Typs (z.B. einer logischen „1“) entsprechend den Abschnitten des kodierten Signals 110, in denen ein kodierter Signalwert vorhanden ist, und ein Bereitstellen eines digitalisierten Wertes eines zweiten Typs (z.B. einer logischen „0“) entsprechend den Abschnitten des kodierten Signals 110, in denen ein kodierter Signalwert fehlt, aufweisen, wie unten noch detaillierter beschrieben wird.
Das wie hierin beschrieben bereitgestellte digitalisierte Signal 112 ermöglicht es, die Form des empfangenen Signals 104 zu rekonstruieren und Amplitudeninformationen des empfangenen Signals 104 zu ermitteln. Anschaulich bieten die Informationen, die das digitalisierte Signal 112 repräsentiert (z.B. digital kodiert), in Anbetracht der Art und Weise, wie es generiert wurde, die Möglichkeit der Amplituden- und/oder Formrekonstruktion. Die Bereitstellung von quantisierten Signalen 108 gewährleistet, dass Informationen über den Signalpegel des empfangenen Signals 104 in dem digitalisierten Signal 112 enthalten sind, und die Bereitstellung des kodierten Signals 110 gewährleistet, dass Informationen über die zeitliche Veränderung (und die Steilheit der Veränderung) des Signalpegels des empfangenen Signals 104 in dem digitalisierten Signal 112 enthalten sind.
1A bis 1E zeigen in schematischer Weise verschiedene Möglichkeiten zum Bereitstellen des kodierten Signals 110 und/oder des digitalisierten Signals 112.
In der beispielhaften Konfiguration in 1A können sich die ersten kodierten Signalwerte 110-1 von den zweiten kodierten Signalwerten 110-2 hinsichtlich der Polarität unterscheiden, z.B. können die ersten kodierten Signalwerte 110-1, die mit der positiven Steigung des empfangenen Signals 104 assoziiert sind, eine positive Polarität haben, und die zweiten kodierten Signalwerte 110-2, die mit der negativen Steigung des empfangenen Signals 104 assoziiert sind, können eine negative Polarität haben.
In der beispielhaften Konfiguration in 1B können die ersten kodierten Signalwerte 110-1 eine gleiche Polarität haben wie die zweiten kodierten Signalwerte 110-2, und die Unterscheidung zwischen den ersten kodierten Signalwerten 110-1 und den zweiten kodierten Signalwerten 110-2 kann mittels zeitlichen Trennens der ersten kodierten Signalwerte 110-1 von den zweiten kodierten Signalwerten 110-2 erfolgen.
In der beispielhaften Konfiguration in 1C können sich die ersten kodierten Signalwerte 110-1 von den zweiten kodierten Signalwerten 110-2 hinsichtlich der Pulsbreite unterscheiden, z.B. können die ersten kodierten Signalwerte 110-1 mit ersten Pulsen (z.B. Strom- oder Spannungspulsen) assoziiert sein, die eine erste Breite haben, und die zweiten kodierten Signalwerte 110-2 können mit zweiten Pulsen assoziiert sein, die eine zweite Breite haben. In der beispielhaften Konfiguration in 1C können die zweiten Pulse breiter sein als die ersten Pulse, es versteht sich jedoch, dass die Wahl, welche Pulse breiter sind, beliebig ist. Dies kann dazu führen, dass das digitalisierte Signal 112 digitalisierte Signalwerte 112-1, 112-2 hat, die sich hinsichtlich der Breite voneinander unterscheiden, gemäß der Differenz zwischen den ersten kodierten Signalwerten 110-1 und den zweiten kodierten Signalwerten 110-2.
In der beispielhaften Konfiguration in 1D und 1E ist eine digitale Kodierung gezeigt, bei der die ersten kodierten Signalwerte 110-1 und die zweiten kodierten Signalwerte 110-2 auf unterschiedliche Sequenzen von Digitalwerten digital kodiert sind. Jeder erste kodierte Signalwert 110-1 wird auf eine jeweilige (gleiche) erste Sequenz von digitalisierten Werten kodiert, und jeder zweite kodierte Signalwert 110-2 wird auf eine jeweilige (gleiche) zweite Sequenz von digitalisierten Werten kodiert.
In der beispielhaften Konfiguration in 1D, nur als Beispiel, kann ein erster digitalisierter Wert 112-1, der mit einem ersten kodierten Wert 110-1 assoziiert ist, die erste Sequenz von digitalisierten Werten aufweisen, z.B. einen „10“-Puls, und ein zweiter digitalisierter Wert 112-2, der mit einem zweiten kodierten Wert 110-2 assoziiert ist, kann die zweite Sequenz von digitalisierten Werten aufweisen, z.B. einen „11“-Puls. In der beispielhaften Konfiguration in 1E, nur als weiteres Beispiel, kann ein erster digitalisierter Wert 112-1, der mit einem ersten kodierten Wert 110-1 assoziiert ist, die erste Sequenz von digitalisierten Werten aufweisen, z.B. einen „100“-Puls, und ein zweiter digitalisierter Wert 112-2, der mit einem zweiten kodierten Wert 110-2 assoziiert ist, kann die zweite Sequenz von digitalisierten Werten aufweisen, z.B. einen „101“-Puls. Es versteht sich, dass die Wahl der Sequenz, die den ersten oder zweiten kodierten Signalwerten 110-1, 110-2 zugewiesen werden soll, beliebig ist.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Ermitteln (z.B. zum Berechnen oder zum Schätzen) der mit dem empfangenen Signal 104 assoziierten Amplitudeninformationen mittels des digitalisierten Signals 112 und/oder zum Ermitteln einer Form des empfangenen Signals 104 mittels des digitalisierten Signals 112, wie unten noch detaillierter erläutert wird. In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Rekonstruieren der Form des empfangenen Signals 104 mittels des digitalisierten Signals 112. Beispielsweise kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Rekonstruieren der Form des empfangenen Signals 104 mittels Vergleichens des digitalisierten Signals 112 mit einer Mehrzahl von bekannten digitalisierten Signalen. Die Verarbeitungsschaltung 106 kann die Form des empfangenen Signals gemäß dem Ergebnis des Vergleichs rekonstruieren, z.B. basierend darauf, welches bekannte digitalisierte Signal dem ermittelten digitalisierten Signal 112 ähnlicher ist (z.B. welches bekannte digitalisierte Signal mehr Merkmale mit dem ermittelten digitalisierten Signal 112 gemeinsam hat).
Der angepasste TDC-Ansatz stellt inhärent Timing-Informationen über den Beginn und auch das Ende eines erfassten Pulses bereit (wie unten noch detaillierter beschrieben wird). Dies bietet die Möglichkeit, binäre Korrelationsempfängerkonzepte zu übernehmen (z.B. kann die Verarbeitungsschaltung 106 einen oder mehrere Korrelationsempfänger aufweisen, die eingerichtet sind zum Verarbeiten des empfangenen Signals 104). Ein binärer Korrelationsempfänger kann beispielsweise mit dem digitalisierten Signal 112 arbeiten, um eine Korrelationsausgabe bereitzustellen, die zum Ermitteln verschiedener Eigenschaften des empfangenen Signals 104 verwendet werden kann, wie unten noch detaillierter beschrieben wird.
Fortschrittlichere nicht-binäre Korrelationsempfängerkonzepte, beispielsweise Konzepte basierend auf Korrelationsempfängern, die auf diskretisierten Mehrpegelsignalen arbeiten (z.B. wie das unten in Bezug auf 2F beschriebene kumulierte Summationssignal), können übernommen werden, da die Form des emittierten Pulses entweder bekannt ist oder gemessen werden kann. Außerdem wird die Form des detektierten Pulses inhärent erfasst, was es ermöglicht, die Form des Pulses in die Berechnung der Kreuzkorrelation einzufügen und so die Dekodierleistung zu verbessern.
Ein (z.B. jeder) Korrelationsempfänger kann mit mindestens einer Referenzsignalsequenz (z.B. mit einer jeweiligen Referenzsignalsequenz von einer oder mehreren Referenzsignalsequenzen) assoziiert sein. Eine Referenzsignalsequenz kann repräsentativ für eine (z.B. bekannte oder vorbestimmte) Sequenz von erfassten und digitalisierten Signalwerten sein. Ein (z.B. jeder) Korrelationsempfänger kann eingerichtet sein zum Korrelieren mindestens eines von dem digitalisierten Signal 112 und/oder dem kumulierten Summationssignal (unten noch detaillierter beschrieben, z.B. in Bezug auf 2F) mit der (jeweiligen) Referenzsignalsequenz, um eine (jeweilige) Korrelationsausgabe (z.B. eine jeweilige Korrelationsausgabe von einer oder mehreren Korrelationsausgaben) bereitzustellen. Anschaulich kann jeder Korrelationsempfänger eingerichtet sein zum Korrelieren eines erfassten Signals mit der (jeweiligen) Referenzsignalsequenz, um eine (jeweilige) Korrelationsausgabe bereitzustellen. Das erfasste Signal kann mindestens eines von dem digitalisierten Signal 112 und/oder dem kumulierten Summationssignal aufweisen. Eine Korrelation des erfassten Signals mit einer Referenzsignalsequenz kann ausgeführt werden, wie es in der Technik allgemein bekannt ist.
Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum (gemeinsamen) Verwenden der einen oder der mehreren Korrelationsausgaben (die von den einen oder mehreren Korrelationsempfängern bereitgestellt werden), um das erfasste Signal mit (jeder von) der einen oder der mehreren Referenzsignalsequenzen zu vergleichen. Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Ermitteln, welche Referenzsignalsequenz das erfasste Signal am besten repräsentiert, basierend auf den Korrelationsausgaben. Anschaulich kann jede Korrelationsausgabe repräsentativ für eine Übereinstimmung zwischen dem erfassten Signal und der jeweiligen Referenzsignalsequenz sein (z.B. kann ein hoher Wert der Korrelationsausgabe einen hohen Grad der Übereinstimmung repräsentieren, und ein niedriger Wert der Korrelationsausgabe kann einen niedrigen Grad der Übereinstimmung repräsentieren).
Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Ermitteln der Referenzsignalsequenz, die das erfasste Signal am besten repräsentiert, basierend darauf, welche Referenzsignalsequenz die größte damit assoziierte Korrelationsausgabe hat. Eine solche Referenzsignalsequenz kann hierin als ausgewählte Referenzsignalsequenz bezeichnet werden.
Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Ausführen der Verarbeitung des empfangenen Signals 104 basierend auf (mit anderen Worten gemäß) dem Ergebnis des Vergleichs, anschaulich basierend auf der Korrelation zwischen dem erfassten Signal und der einen oder mehreren Referenzsignalsequenzen. Als Beispiel kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Ermitteln von Amplitudeninformationen, die mit dem empfangenen Signal 104 assoziiert sind, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs (z.B. basierend auf bekannten Amplitudeninformationen der ausgewählten Referenzsignalsequenz). Als weiteres Beispiel kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Rekonstruieren der Form des empfangenen Signals 104, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs (z.B. basierend auf bekannten Forminformationen der ausgewählten Referenzsignalsequenz). Als weiteres Beispiel kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Ermitteln einer mit dem empfangenen Signal 104 assoziierten Laufzeit, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs.
Zum Zweck der Erläuterung kann die Verarbeitungsschaltung 106 eine Quantisierungsstufe 120, eine Kodierungsstufe 130 (die hierin auch als analoge Kodierungsstufe bezeichnet wird) und eine Digitalisierungsstufe 140 (die in einigen Aspekten zusätzlich eingerichtet ist zum Durchführen einer digitalen Kodierung) aufweisen (kann in diese unterteilt sein), um die Verarbeitung des empfangenen Signals 104 auszuführen. Es versteht sich jedoch, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Funktionen nicht notwendigerweise in getrennten Stufen oder in Stufen, die getrennt sind, wie hierin beispielhaft dargestellt ist, ausgeführt werden. Anschaulich können die hierin in Bezug auf eine „Stufe“ einer Verarbeitungsschaltung beschriebenen Funktionen so verstanden werden, dass sie von der Verarbeitungsschaltung durchgeführt werden.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Ermitteln einer mit dem empfangenen Signal 104 assoziierten Laufzeit. Die mit dem empfangenen Signal 104 assoziierte Laufzeit kann eine Zeit beschreiben, die zwischen der Emission des Signals und dem Empfang des Signals (z.B. am Detektor 102) verging. Als Beispiel kann das empfangene Signal ein Lichtsignal aufweisen, und die mit dem empfangenen Lichtsignal assoziierte Laufzeit kann verwendet werden, um eine Entfernung zu einem Objekt zu ermitteln, das das Lichtsignal reflektiert hat. Als weiteres Beispiel kann das empfangene Signal ein Ultraschallsignal aufweisen, und die mit dem empfangenen Lichtsignal assoziierte Laufzeit kann verwendet werden, um die Entfernung zu einem Objekt zu ermitteln, das das Ultraschallsignal reflektiert hat. Eine Laufzeitmessung basierend auf einem TDC-Ansatz ist im Allgemeinen in der Technik bekannt, eine kurze Beschreibung wird hierin gegeben, um die für den angepassten TDC-Ansatz relevanten Aspekte zu diskutieren. Die Ermittlung der Laufzeit wird in Bezug auf 1F und 1G weiter detaillierter beschrieben.
Die Verarbeitungsschaltung 106 (z.B. die Digitalisierungsstufe 140) kann eingerichtet sein zum Empfangen eines Taktsignals 114 und zum Ermitteln der mit dem empfangenen Signal 104 assoziierten Laufzeit gemäß dem Taktsignal 114. Das Taktsignal 114 kann ein Taktsignal sein oder aufweisen, wie es in der Technik verstanden wird (z.B. erzeugt von einem Taktgeber), das zwischen einem hohen Zustand und einem niedrigen Zustand oszilliert und zur Koordinierung der Funktionen der Verarbeitungsschaltung 106 verwendet wird.
Die Verarbeitungsschaltung 106 (z.B. die Digitalisierungsstufe 140) kann eingerichtet sein zum Empfangen eines Startsignals 116, das einen Beginn einer Emission des empfangenen Signals 104 anzeigt, und zum Ermitteln der mit dem empfangenen Signal 104 assoziierten Laufzeit gemäß dem Startsignal 116. Das Startsignal 116 kann beispielsweise von einem Emissionssystem bereitgestellt werden, das das Signal 104 emittiert (z.B. von einem Lichtemissionssystem, das ein Lichtsignal emittiert). Das Startsignal 116 kann als Ausgangspunkt für den Start der Messung der Laufzeit verwendet werden (siehe auch 1F und 1G).
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 106 (z.B. die Quantisierungsstufe 120) eingerichtet sein zum Bereitstellen (z.B. zum Generieren) eines Stoppsignals 118 bei dem Empfang des empfangenen Signals 104. Anschaulich kann das Stoppsignal 118 verwendet werden, um zu repräsentieren, dass das (emittierte) Signal am Detektor 102 empfangen wurde, so dass die Messung der Laufzeit gestoppt werden kann. In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Bereitstellen des Stoppsignals 118, wenn das quantisierte Signal 108, das mit dem kleinsten Schwellenwert assoziiert ist, auf den hohen Pegel ansteigt. Ein solches quantisierte Signal (z.B. das erste quantisierte Signal 108-1 in dem Beispielszenario in 1A bis 1E) kann als Stoppsignal 118 verwendet werden. Anschaulich kann das Hoch-Werden des quantisierten Signals 108, das mit dem kleinsten Schwellenwert assoziiert ist, anzeigen, dass ein Signal (z.B. anders als ein Rauschpegel) empfangen wurde. Die Verarbeitungsschaltung 106 (z.B. die Digitalisierungsstufe) kann eingerichtet sein zum Ermitteln der mit dem empfangenen Signal 104 assoziierten Laufzeit gemäß dem Stoppsignal 118.
Im Allgemeinen kann ein Zeit-Digital-Wandler (z.B. die Verarbeitungsschaltung 106) als ein elektronisches System verstanden werden, das die Zeitdauer zwischen zwei auftretenden Ereignissen eines angegebenen Signals misst. Ein Zeit-Digital-Wandler kann eingerichtet sein zum Umwandeln von zeitlichen Informationen in ein für die Datenverarbeitung geeignetes digitales Format. Der Zeit-Digital-Wandler sollte idealerweise einen großen zeitlichen Bereich mit einer guten Präzision und Genauigkeit abdecken. Allerdings sollte die Implementierung nicht zu komplex sein, um überschaubar zu bleiben. Daher kann in einigen Aspekten die Zeitdauermessung nicht in einer einzigen Stufe erfolgen, sondern in zwei oder sogar mehr Stufen aufgeteilt werden.
Die Verarbeitungsschaltung 106 (z.B. die Digitalisierungsstufe 140) kann eine oder mehrere Zeit-Digital-Umwandlungsstufen aufweisen, die eingerichtet sind zum Bereitstellen der Messung der mit dem empfangenen Signal 104 assoziierten Laufzeit. In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 106 mindestens eine Grob-Zeit-Digital-Umwandlungsstufe (hierin auch als Grobstufe bezeichnet) aufweisen, die eingerichtet ist zum Bereitstellen einer groben Messung der mit dem empfangenen Signal 104 assoziierten Laufzeit, und eine Fein-Zeit-Digital-Umwandlungsstufe (hierin auch als Feinstufe bezeichnet), die eingerichtet ist zum Bereitstellen einer feinen Messung der mit dem empfangenen Signal 104 assoziierten Laufzeit. Die Grobstufe und die Feinstufe können zusammenarbeiten, um eine große Reichweite und eine gute Präzision zu erreichen. Diese Konfiguration wird unter Bezugnahme auf 1F und 1G noch detaillierter beschrieben.
1F und 1G zeigen ein jeweiliges Timing-Diagramm 150f, 150g, das die Zeitmessung gemäß einem Zeit-Digital-Umwandlung-Ansatz veranschaulicht. Die Timing-Diagramme 150f, 150g werden insbesondere unter Bezugnahme auf dem Fall beschrieben, in dem die gemessene Zeit eine mit einem Signal assoziierte Laufzeit ist, es versteht sich jedoch, dass die gemessene Zeit auch andere Arten von Ereignissen oder Eigenschaften beschreiben kann.
Die Grob-Zeit-Digital-Umwandlungsstufe kann eingerichtet sein zum Bereitstellen eines Grobzeitmesssignals 122 basierend auf einer ganzzahligen Anzahl von Taktzyklen des Taktsignals 114. Das Grobzeitmesssignal 122 kann eine Grobzeitmessdauer 123 (T_coarse) bereitstellen, z.B. die Dauer, für die das Grobzeitmesssignal 122 auf einem hohen Pegel liegt. Die Grobzeitmessung kann eine ganzzahlige Anzahl von Taktzyklen zwischen dem Startsignal 116 und dem Stoppsignal 118 aufweisen. Anschaulich kann die Grobstufe eingerichtet sein zum Durchführen der Messung durch Zählen der Anzahl der Taktperioden zwischen zwei zeitlichen Ereignissen (die üblicherweise nicht mit dem Takt synchronisiert sind).
Die Fein-Zeit-Digital-Umwandlungsstufe kann eingerichtet sein zum Bereitstellen eines (ersten) Feinzeitmesssignals 124 basierend auf dem Stoppsignal 118 und auf einem Referenzpunkt des Taktsignals 114. Das erste Feinzeitmesssignal 124 kann eine erste Feinzeitmessdauer 125 (T_{fine_stop}) bereitstellen, z.B. die Dauer, für die das erste Feinzeitmesssignal auf einem hohen Pegel liegt. Als Beispiel kann der Referenzpunkt des Taktsignals 114 eine positive Flanke oder eine negative Flanke des auf das Stoppsignal 118 folgenden Taktzyklus aufweisen. Es versteht sich jedoch, dass jeder geeignete Referenzpunkt verwendet werden kann zum Ermitteln des Feinzeitmesssignals 124 und der Feinzeitmessdauer 125.
In einigen Aspekten kann die Fein-Zeit-Digital-Umwandlungsstufe optional eingerichtet sein zum Bereitstellen eines (zweiten) Feinzeitmesssignals 126 basierend auf dem Startsignal 116 und auf einem Referenzpunkt des Taktsignals 114 (z.B. einer positiven Flanke oder einer negativen Flanke des auf das Startsignal 116 folgenden Taktzyklus), siehe 1F. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Emission des Signals nicht mit dem Taktsignal 114 synchronisiert ist, wie unten noch detaillierter beschrieben wird. Das zweite Feinzeitmesssignal 126 kann eine zweite Feinzeitmessdauer 127 (T_{fine_}start) bereitstellen, z.B. die Dauer, für die das zweite Feinzeitmesssignal 126 auf einem hohen Pegel liegt.
Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Ermitteln der mit dem empfangenen Signal 104 assoziierten Laufzeit 129-2 (einer zweiten Laufzeitmessdauer 129-2, die mit einem zweiten Laufzeitmesssignal 128-2 assoziiert ist), basierend auf dem Grobzeitmesssignal 122 und dem (ersten) Feinzeitmesssignal 124 (siehe 1G). Als Beispiel kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Ermitteln der Laufzeit 129-2 als eine Differenz zwischen dem Grobzeitmesssignal 122 und dem (ersten) Feinzeitmesssignal 124 (eine Differenz zwischen der Grobzeitmessdauer 123 und der ersten Feinzeitmessdauer 125). Optional (siehe 1F) kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Ermitteln der mit dem empfangenen Signal 104 assoziierten Laufzeit 129-1 basierend auf dem Grobzeitmesssignal 122, dem ersten Feinzeitmesssignal 124 und dem zweiten Feinzeitmesssignal 126, z.B. durch Addieren der Grobzeitmessdauer 123 und der zweiten Feinzeitmessdauer 127 und Subtrahieren der ersten Feinzeitmessdauer 125.
Das Timing-Diagramm 150f in 1F bezieht sich auf das Szenario, in dem die Zeitmessung in drei Schritten ausgeführt wird: zwei Feinmessschritte und einem einzigen Grobmessschritt. Die Feinstufe kann eingerichtet sein zum Ermitteln der Sub-Taktzyklus-Differenzen zwischen dem Ereignis und den Taktzyklen selbst auf beiden Seiten (anschaulich zu Beginn und am Ende der Grobmessung), die von der Grobstufe nicht aufgelöst werden können, da ihre Dauer kürzer ist als die Taktperiode.
Wie im Timing-Diagramm 150 veranschaulicht ist, ist das zu messende Zeitintervall 129-1 (T_meas) (eine erste Laufzeitdauer 129-1, die mit einem ersten Laufzeitsignal 128-1 assoziiert ist) eine Kombination aus drei einzelnen Dauern:

a) T_coarse 123, die die gemessene Zeitdauer der Grobmessung ist (erhalten durch Zählen der Anzahl N_coarse der Taktperioden T_clk von der Aktivierung bis zur Deaktivierung der Grobmessung);
b) T_{fine_start} 127, die die Zeit zwischen dem Startereignis, das beispielsweise durch die aktive Flanke des Startsignals 116 definiert ist, und der ersten folgenden steigenden Taktflanke ist; und
c) T_{fine_stop} 125, die die Zeit zwischen dem Stoppereignis, das beispielsweise durch die aktive Flanke des Stoppsignals 118 definiert ist, und der folgenden steigenden Taktflanke ist.

Dementsprechend kann die gemessene Zeit T_meas 129-1 wie folgt ausgedrückt werden: $T_{meas} = T_{fine_start} + T_{coarse} - T_{fine_stop}$
wobei, $T_{coarse} = N_{coarse} * T_{clk}$
und folglich, $T_{meas} = T_{fine_start} + N_{coarse} + T_{clk} - T_{fine_stop}$
In einigen Aspekten kann das Startereignis mit dem Taktsignal 114 synchronisiert sein. Daher kann auf die Messung von T_{fine_start} 127 verzichtet werden, und T_meas 129-2 (siehe das Timing-Diagramm 150g in 1G) kann durch die Messung von T_coarse 123 und T_{fine_stop} 125 ermittelt werden. Im weiteren Verlauf dieser Beschreibung kann davon ausgegangen werden, dass das Startereignis (die Emission des Signals) mit dem Taktsignal 114 synchronisiert ist, und T_{fine_stop} 125 kann als T_fine bezeichnet werden. Unter Verwendung dieser Notation kann T_meas 129-2 ausgedrückt werden als, $T_{meas} = N_{coarse} * T_{clk} - T_{fine}$
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 106 derart eingerichtet sein, dass sie nicht nur die Zeitdauer zwischen zwei Ereignissen misst, sondern auch die Messung anpasst, um das detektierte Signal 104 zu erfassen. Anschaulich kann die Verarbeitungsschaltung 106 derart eingerichtet sein, dass sie die Messung nicht bei der Ausgabe des Stoppsignals 118 stoppt, sondern die Signaldetektion für eine vorbestimmte Zeit nach der Erzeugung des Stoppsignals 118 fortsetzt, um sicherzustellen, dass das am Detektor 102 empfangene Signal vollständig erfasst wird. Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Fortsetzen des Erfassens des empfangenen Signals 104 für eine vorbestimmte Zeitperiode 134 (die mit einem Zeiterfassungssignal 132 assoziiert ist) nach dem Stoppsignal 118 (anschaulich, nachdem sie das Stoppsignal 118 generiert hat), siehe 1G. Die vorbestimmte Zeitperiode 134 kann die (erste) Feinzeitmessdauer 125 und eine vorbestimmte Anzahl von Taktzyklen des Taktsignals 114 aufweisen. Als Beispiel kann die vordefinierte Zeitperiode 134 eine Summe aus der Feinzeitmessdauer 125 und einer vorbestimmten (ganzzahligen) Anzahl von Taktzyklen des Taktsignals 114 sein.
Das erfasste Signal 104 kann einen oder mehrere Pulse aufweisen, die in Form und/oder Dauer variieren können. Eine maximale Dauer des zu erfassenden Signals kann als T_{signal_max} definiert werden. Um das erfasste Signal 104 vollständig zu erfassen, und unter der Annahme, dass die Feinstufe auch für die Erfassung des erfassten Signals 104 verwendet werden kann, wie unten noch detaillierter beschrieben wird, kann ermittelt werden, dass T_fine um eine (vorbestimmte) Zeit verlängert werden kann, die mindestens so lang ist wie T_{signal_max}. Diese Verlängerungszeit 134 (anschaulich die vorbestimmte Zeitperiode) kann im Prinzip beliebig gewählt werden. Als Beispiel kann unter Berücksichtigung der Implementierung die vorbestimmte Zeitspanne 134 basierend auf dem Taktzyklus definiert werden, z.B. als ein Vielfaches von Taktzyklen (während es sichergestellt wird, dass sie länger als T_{signal_max} ist) . Die verlängerte Zeitperiode 134, die T_fine 125 aufweist, kann als Erfassungszeit T_capture bezeichnet werden. In der in 1G gezeigten beispielhaften Konfiguration kann die Erfassungszeit 134 als um eine Taktperiode T_clk verlängerte T_fine 125 definiert werden.
In einigen Aspekten kann die Verlängerung der Erfassungszeit T_capture 134 Multi-Hit-Erkennung-Fähigkeiten bieten, z.B. für den Fall, dass das empfangene Signal 104 eine Mehrzahl von Pulsen (z.B. eine Mehrzahl von Lichtpulsen) aufweist. Die Erfassungszeit T_capture 134 kann verlängert werden, so dass eine längere Zeitdauer nach einem ersten Puls im empfangenen Signal 104 überwacht werden kann. Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Analysieren der erfassten Sequenz auf zusätzliche, auf den anfänglichen Puls folgende Pulse und zum Ermitteln der entsprechenden Zeitverschiebungen sowie von anderen gewünschten Parametern wie Amplituden- und Impulsforminformationen. Dieser Ansatz kann für Pulse geeignet sein, die in kurzer zeitlicher Abfolge auftreten, und kann eine schnelle und genaue Detektion ermöglichen.
Die Funktionen einer Verarbeitungsschaltung (z.B. der Verarbeitungsschaltung 106) werden noch detaillierter unter Bezugnahme auf 2A bis 2F beschrieben, welche verschiedene Aspekte der Verarbeitung eines Signals (z.B. des empfangenen Signals 104) zeigen.
2A zeigt einen Detektor 201 und ein Diagramm 200a assoziiert mit einem Signal 202 gemäß verschiedenen Aspekten. Der Detektor 201 kann eine beispielhafte Implementierung des Detektors 102 sein, und das Signal 202 kann ein Beispiel für ein empfangenes Signal sein (z.B. das empfangene Signal 104, das in Bezug auf 1A bis 1E beschrieben wurde). Das Diagramm 200a kann ein beispielhaftes Signal 202 darstellen, das (z.B. an einem Detektionssystem 100) empfangen oder detektiert wird und das von einer Verarbeitungsschaltung verarbeitet werden kann, z.B. von der in Bezug auf 1A bis 1E beschriebenen Verarbeitungsschaltung 106. In einigen Aspekten kann das Signal 202 ein Beispiel eines erfassten LIDAR-Signals sein, das z.B. einen oder mehrere emittierte Lichtpulse aufweist, denen Rauschen (und/oder Licht aus anderen Quellen) überlagert sein kann. Das Diagramm 200a kann das Signal 202 (s(t), auf der vertikalen Achse) über der Zeit (t, auf der horizontalen Achse) zeigen. Die Repräsentation in 2A kann hinsichtlich jedes geeigneten mit dem Signal assoziierten Parameters erfolgen, wie einer Leistung, eines Stroms, einer Amplitude oder einer Spannung.
Der Detektor 201 kann eingerichtet sein zum Empfangen eines Signals (z.B. eines Lichtsignals, eines RADAR-Signals, eines Ultraschallsignals, eines Hochfrequenzsignals usw.) und zum Bereitstellen eines empfangenen Signals 202, das das am Detektor 201 empfangene Signal repräsentiert.
Der Detektor 201 kann ein Messelement 203 (oder eine Mehrzahl von Messelementen) aufweisen, das für das zu detektierende Signal empfindlich ist. Das Messelement 203 kann eingerichtet sein zum Generieren eines Reaktionssignals, in Antwort darauf, dass ein Signal auf das Messelement 203 auftrifft. Das Reaktionssignal kann ein (erstes) analoges Signal eines ersten Typs aufweisen, z.B. einen Strom. Das Reaktionssignal kann proportional zu dem von dem Messelement 203 erfassten Signal sein (und kann dem Verhalten des erfassten Signals folgen).
In einigen Aspekten kann der Detektor 201 eine Mehrzahl von Messelementen 203 aufweisen (z.B. vom gleichen Typ oder von verschiedenen Typen). In dieser Konfiguration kann die Mehrzahl von Messelementen 203 ein Array bilden, z.B. ein ein- oder zweidimensionales Array. Anschaulich können die Messelemente 203 entlang einer Richtung (z.B. einer vertikalen oder horizontalen Richtung) oder entlang zweier Richtungen angeordnet sein, z.B. einer ersten (z.B. horizontalen) Richtung und einer zweiten (z.B. vertikalen) Richtung.
In einigen Aspekten kann der Detektor 201 (z.B. das Messelement 203) mindestens eine Photodiode aufweisen, z.B. für den Fall, dass das zu detektierende Signal ein Lichtsignal ist oder aufweist. Der Detektor kann in diesem Fall als Photodetektor verstanden werden, der ein optisches Signal detektiert und es in ein analoges Signal (z.B. in ein elektrisches Stromsignal) umwandelt. Die mindestens eine Photodiode kann eingerichtet sein zum Generieren eines analogen Signals (z.B. eines Photostroms) als Reaktion auf ein auf die mindestens eine Photodiode auftreffendes Lichtsignal. Als Beispiele kann die Photodiode mindestens eine von einer PIN-Photodiode, einer Lawinen-Photodiode (APD), einer Einzelphotonen-Lawinendiode oder einem Silizium-Photomultiplizierer aufweisen. Es versteht sich, dass das Messelement 203 basierend auf der Art des zu detektierenden Signals angepasst (z.B. ausgewählt) werden kann und anstelle oder zusätzlich zu einer Photodiode ein(en) Radarempfänger (z.B. mit Antenne), ein(en) Ultraschallwandler, usw. sein oder aufweisen kann.
Der Detektor 201 kann mindestens eine Verstärkerschaltung 205 aufweisen, die eingerichtet ist zum Verstärken des von dem Messelement 203 generierten Reaktionssignals (z.B. des von der mindestens einen Photodiode generierten Reaktionssignals). Die Verstärkerschaltung 205 kann mit dem Messelement 203 gekoppelt sein und kann eingerichtet sein zum Empfangen des von dem Messelement bereitgestellten (ersten) analogen Signals, und kann eingerichtet sein zum Verstärken des empfangenen analogen Signals. Die Verstärkerschaltung 205 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen eines (zweiten) analogen Signals mittels Verstärkens des empfangenen (ersten) analogen Signals.
In einigen Aspekten kann die Verstärkerschaltung 205 eingerichtet sein zum Verändern eines Typs des empfangenen analogen Signals, z.B. von einem Strom zu einer Spannung, oder umgekehrt. Anschaulich kann die Verstärkerschaltung 205 eingerichtet sein zum Bereitstellen eines zweiten analogen Signals eines zweiten Typs basierend auf dem empfangenen ersten Signal eines ersten Typs. Die Verstärkerschaltung 205 kann mindestens einen von einem Stromverstärker, einem Spannungsverstärker oder einem Transimpedanzverstärker aufweisen. Als Beispiele kann die Verstärkerschaltung 205 mindestens einen von einem logarithmischen Verstärker, einem Transimpedanzverstärker oder einem logarithmischen Transimpedanzverstärker aufweisen. Unter Berücksichtigung des Falles, in dem das Messelement 203 eine oder mehrere Photodioden (z.B. PIN oder APD) aufweist, als Beispiel, kann das Eingangssignal an die Verstärkerschaltung 205 ein Stromsignal sein, und die Verstärkerschaltung 205 kann einen Transimpedanzverstärker (TIA) aufweisen, um das Signal zu verstärken und in ein Spannungssignal umzuwandeln. Logarithmische Verstärker können vorgesehen sein, falls die empfangene Signalamplitude einen großen Dynamik-Bereich abdeckt. Eine Repräsentation in logarithmischer Skala kann eine sehr feine Auflösung bieten.
Das Messelement 203 und die Verstärkerschaltung 205 können ein empfangenes Signal 202 (bezeichnet als s(t)) an einem Ausgang des Detektors 201 (z.B. an einem mit einer Verarbeitungsschaltung gekoppelten Ausgang, z.B. mit der Verarbeitungsschaltung 106, mit der unten beschriebenen Verarbeitungsschaltung 250) bereitstellen, anschaulich eine analoge (und verstärkte) Repräsentation eines vom Messelement 203 erfassten Signals.
In 2B bis 2F werden verschiedene Bauteile einer Verarbeitungsschaltung 250 beschrieben. Die Verarbeitungsschaltung 250 (und ihre Bauteile) kann eine beispielhafte Implementierung der in Bezug auf 1A bis 1E beschriebenen Verarbeitungsschaltung 106 sein.
2B zeigt eine Quantisierungsstufe 220 und die Quantisierung eines Signals 202 gemäß verschiedenen Aspekten. Die Diagramme 200a und 200b in 2B können die Bereitstellung einer Mehrzahl von quantisierten Signalen 204 (q_n(t)) darstellen, die mit dem empfangenen Signal 202 assoziiert sind. Die Mehrzahl von quantisierten Signalen 204 kann ein Beispiel der in Bezug auf 1A bis 1E beschriebenen Mehrzahl von quantisierten Signalen 108 sein. Die Quantisierungsstufe 220 kann ein Bauteil einer Verarbeitungsschaltung (z.B. der Verarbeitungsschaltung 106, 250) sein. Anschaulich kann die Quantisierungsstufe 220 ein Beispiel der in Bezug auf 1A bis 1E beschriebenen Quantisierungsstufe 120 sein.
Die Verarbeitungsschaltung 250 (z.B. die Quantisierungsstufe 220) kann eingerichtet sein zum Vergleichen des Signalpegels des empfangenen Signals 202 mit einer Mehrzahl von Schwellenwerten 206, um die Mehrzahl von quantisierten Signalen 204 bereitzustellen. Anschaulich kann die Verarbeitungsschaltung 250 eingerichtet sein zum Vergleichen des Signalpegels des empfangenen Signals 202 mit jedem Schwellenwert, der mit den quantisierten Signalen 204 assoziiert ist. Die Schwellenwerte 206 können gemäß einer gewünschten Auflösung der Rekonstruktion der Signalinformationen angepasst werden, z.B. kann eine Anzahl von Schwellenwerten 206 und/oder ein Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Schwellenwerten 206 ausgewählt werden, um eine gewünschte Auflösung für die Quantisierung bereitzustellen.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 250 (z.B. die Quantisierungsstufe 220) eine Mehrzahl von Vergleichern 222 (z.B. ein Vergleicher-Array) aufweisen, die jeweils mit einem jeweiligen Referenzwert 206 assoziiert sind. Ein Vergleicher (z.B. jeder Vergleicher) kann eingerichtet sein zum Empfangen des empfangenen Signals 202, als Eingabe, und zum Vergleichen des empfangenen Signals 202 mit dem jeweiligen Referenzwert 206. Ein mit einem Vergleicher assoziierter Referenzwert 206 kann einem entsprechenden Schwellenwert 206 entsprechen oder mit diesem assoziiert sein. Ein Referenzwert 206 kann einen Signalwert aufweisen, der mit einer Signalamplitude, einer Signalleistung oder einer Signalintensität assoziiert sein kann (z.B. kann in Bezug auf diese ausgedrückt werden), z.B. kann ein Referenzwert 206 mindestens einen von einem Stromwert oder einem Spannungswert aufweisen. Beispielsweise kann die Mehrzahl von Vergleichern 222 mindestens einen hochverstärkenden Differenzverstärker aufweisen (z.B. ein, oder mehr als ein, oder jeder Vergleicher kann ein hochverstärkender Differenzverstärker sein oder einen hochverstärkenden Differenzverstärker aufweisen), z.B. ein schnelles diskretes Bauteil, wie es in der Technik bekannt ist. In einigen Aspekten können die Vergleicher 222 parallel zueinander geschaltet sein. Das empfangene Signal 202 kann auf jeden Vergleicher 222 verteilt werden, und die Mehrzahl von Vergleichern 222 kann eine Mehrzahl von parallelen Ausgangssignalen bereitstellen, wie unten noch weiter detailliert beschrieben. Anschaulich kann die Quantisierungsstufe 220 ein Array mit einer Anzahl von L Vergleichern 222 aufweisen, die zur Quantisierung der Amplitude des erfassten Signals 202 (s(t)) verwendet werden können. Die L Vergleicher 222 können im Wesentlichen parallelgeschaltet sein und alle das Signal s(t) als gemeinsame Eingabe haben.
Ein Vergleicher 222 (z.B. jeder Vergleicher) kann eingerichtet sein zum Bereitstellen eines jeweiligen ersten Ausgangssignals (z.B. eines Hochsignals, wie einer Hochspannung), falls der Signalpegel des empfangenen Signals 202 größer ist als der jeweilige Referenzwert 206, und zum Bereitstellen eines jeweiligen zweiten Ausgangssignals (z.B. eines Niedersignals, wie einer Niederspannung), falls der Signalpegel des empfangenen Signals 202 kleiner ist als der jeweilige Referenzwert 206.
Die mit verschiedenen Vergleichern 222 assoziierten Referenzwerte 206 können basierend auf einer gewünschten Auflösung der Quantisierung und/oder basierend auf einem erwarteten Verhalten des empfangenen Signals 202 angepasst werden. Als Beispiel können Referenzwerte 206, die mit verschiedenen Vergleichern assoziiert sind, linear im Abstand voneinander sein. Der lineare Abstand kann zusammen mit einem logarithmischen Eingangsverstärker zu Schwellenwerten führen, die im logarithmischen Abstand voneinander sind, was es ermöglicht, Eingangssignale mit einem großen Dynamikbereich abzudecken, während es nur eine relativ geringe Anzahl von Vergleichern (z.B. weniger als 10 oder weniger als 5) erfordert. Als weiteres Beispiel können Referenzwerte 206, die mit verschiedenen Vergleichern assoziiert sind, logarithmisch im Abstand zueinander sein. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Arten von Abständen vorgesehen werden können, basierend auf der gewünschten Auflösung und/oder auf dem erwarteten Signal.
Anschaulich können die Vergleicher 222 jeweils einen Referenzpegel, z.B. eine Spannungseingabe, haben, der einen Schwellenwert für das Umschalten seiner Ausgabe von einem Zustand in den anderen Zustand definiert. Der Referenzpegel kann für alle Vergleicher 222 in dem Array individuell gewählt werden. Durch die Wahl von Vergleicher-Schwellenwerten, die im logarithmischen Abstand zueinander sind, kann ein großer Dynamikbereich abgedeckt werden. Dies ermöglicht im Wesentlichen die Erfassung des gesamten Dynamikbereichs des empfangenen Signals, der für LIDAR-Anwendungen sehr groß sein kann, während nur eine sehr begrenzte Anzahl von Vergleichern erforderlich ist.
In der in 2B dargestellten beispielhaften Konfiguration kann die Mehrzahl von Schwellenwerten 206 einen ersten bis siebten Schwellenwert 206-1 (ref₁), 206-2 (ref₂), 206-3 (ref₃), 206-4 (ref₄), 206-5 (refs), 206-6 (ref₆), 206-7 (ref₇) aufweisen. Anschaulich kann die Mehrzahl von Vergleichern 222 sieben Vergleicher aufweisen (z.B. einen ersten bis siebten Vergleicher 222-1, 222-2, 222-3, 222-4, 222-5, 222-6, 222-7), die jeweils mit einem jeweiligen Referenzwert des ersten bis siebten Referenzwerts 206-1, 206-2, 206-3, 206-4, 206-5, 206-6, 206-7 assoziiert sind.
In einigen Aspekten kann eine Differenz zwischen Referenzwerten 206, die mit verschiedenen Vergleichern 222 assoziiert sind, für die Mehrzahl von Vergleichern 222 konstant sein. Beispielsweise kann der zweite Referenzwert 206-2 größer sein als der erste Referenzwert 206-1, der dritte Referenzwert 206-3 kann größer sein als der zweite Referenzwert 206-2, usw. Eine Differenz zwischen dem dritten Referenzwert 206-3 und dem zweiten Referenzwert 206-2 kann gleich einer Differenz zwischen dem zweiten Referenzwert 206-2 und dem ersten Referenzwert 206-1 sein, usw. In anderen Aspekten kann eine Differenz zwischen Referenzwerten 206, die mit verschiedenen Vergleichern 222 assoziiert sind, zwischen verschiedenen Paaren von Vergleichern 222 variieren. Die Auswahl der Referenzwerte kann gemäß einem erwarteten Verhalten des empfangenen Signals 202 erfolgen.
Die Mehrzahl von quantisierten Signalen 204 kann das Ergebnis des Vergleichs zwischen dem empfangenen Signal 202 und den Schwellenwerten 206 repräsentieren. In der in 2B dargestellten beispielhaften Konfiguration kann die Mehrzahl von quantisierten Signalen 204 ein erstes bis siebtes quantisiertes Signal 204-1 (q₁(t)), 204-2 (q₂(t)), 204-3 (q₃(t)), 204-4 (q₄(t)), 204-5 (q₅(t)), 204-6 (q₆(t)), 204-7 (q₇(t)) aufweisen, die jeweils mit einem jeweiligen Schwellenwert 206 assoziiert sind.
In einigen Aspekten kann die Mehrzahl von quantisierten Signalen 204 eine Funktion der jeweiligen Ausgangssignale der Mehrzahl von Vergleichern 222 sein. Ein quantisiertes Signal kann eine Funktion eines Ausgangssignals eines der Vergleicher 222 sein, z.B. kann es ein gleiches Verhalten wie das Ausgangssignal des Vergleichers haben. Die Signale q₁(t) bis q₇(t) können als die jeweiligen Ausgaben der Vergleicher 222 verstanden werden.
Wie im Diagramm 200b gezeigt ist, kann das erste quantisierte Signal 204-1 mit dem ersten Schwellenwert 206-1 assoziiert sein und kann auf einem hohen Pegel entsprechend den Abschnitten des empfangenen Signals 202 sein, die einen Signalpegel größer als der erste Schwellenwert 206-1 haben. Das zweite quantisierte Signal 204-2 kann mit dem zweiten Schwellenwert 206-2 assoziiert sein und kann auf einem hohen Pegel entsprechend den Abschnitten des empfangenen Signals 202 sein, die einen Signalpegel größer als der zweite Schwellenwert 206-2 haben. Analog dazu können das dritte bis siebte quantisierte Signal 204-3, 204-4, 204-5, 204-6, 204-7 auf einem hohen Pegel entsprechend den Abschnitten des empfangenen Signals 202 sein, die einen Signalpegel größer als den jeweiligen Schwellenwert 206-3, 206-4, 206-5, 206-6, 206-7 haben. Jedes quantisierte Signal 204 kann auf einem niedrigen Pegel entsprechend den Abschnitten des empfangenen Signals 202 sein, die einen Signalpegel kleiner als den jeweiligen Schwellenwert 206 haben.
Die Dauer, für die sich ein quantisiertes Signal 204 auf dem jeweiligen hohen Pegel befindet, hängt von dem assoziierten Schwellenwert 206 ab. Anschaulich wird mit steigenden Schwellenwerten 206 die Dauer der Zeit, in der sich das assoziierte quantisierte Signal 204 auf hohem Pegel befindet, kleiner.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 250 eingerichtet sein zum Ermitteln der mit dem empfangenen Signal 202 assoziierten Laufzeit mittels des Ausgangssignals von mindestens einem Vergleicher 222 der Mehrzahl von Vergleichern 222. Anschaulich kann die Verarbeitungsschaltung 250 eingerichtet sein zum Verwenden des Ausgangssignals des mindestens einen Vergleichers 222 als Stoppsignal zum Stoppen einer Laufzeitmessung (z.B. kann die Ausgabe des Vergleichers als das in 1A bis 1E beschriebene Stoppsignal 118 bereitgestellt werden). Als Beispiel kann der mindestens eine Vergleicher der Vergleicher 222 sein, der den kleinsten damit assoziierten Referenzwert unter der Mehrzahl von Vergleichern 222 hat. Anschaulich kann der mit dem mindestens einen Vergleicher assoziierte Referenzwert der kleinste Referenzwert unter den mit der Mehrzahl der Vergleicher assoziierten Referenzwerten sein. Die Ausgabe des Vergleichers mit dem niedrigsten oder möglicherweise sogar einem höheren Referenzwert kann zum Bereitstellen des Stoppsignals verwendet werden, da das Vorhandensein eines detektierten Signals 202 anzeigt, dass die ToF-Messung gestoppt werden kann.
In einigen Aspekten kann die Quantisierungsstufe 220 fortschrittlichere Flankendetektoren anstelle von einfachen Vergleichern aufweisen. Die Flankendetektoren können derart eingerichtet sein, dass sie bei der steigenden oder der fallenden Flanke aktiv sind, und sie können zum Quantifizieren des empfangenen Signals 202 (s(t)) verwendet werden.
2C, 2D, 2E stellen eine Kodierungsstufe 230 und die Bereitstellung eines kodierten Signals 208 (siehe das Diagramm 200e in 2E) mittels der Mehrzahl von quantisierten Signalen 204 dar. Das kodierte Signal 208 kann ein Beispiel für das in 1A bis 1E beschriebene kodierte Signal 110 sein. Die Kodierungsstufe 230 kann ein Bauteil einer Verarbeitungsschaltung sein (z.B. der Verarbeitungsschaltung 106, 250). Anschaulich kann die (analoge) Kodierungsstufe 230 ein Beispiel für die in Bezug auf 1A bis 1E beschriebene (analoge) Kodierungsstufe 130 sein.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 250 (z.B. die Kodierungsstufe 230) für die Bereitstellung des kodierten Signals 208 eingerichtet sein zum Bereitstellen eines kumulierten Signals 210 (sum(t), siehe das Diagramm 200c in 2C) basierend auf der Mehrzahl von quantisierten Signalen 204 und zum Differenzieren des kumulierten Signals 210, um ein kumuliertes differentielles Signal 212 (diff(t), siehe das Diagramm 200d in 2D) bereitzustellen. Alternativ (nicht gezeigt) kann die Verarbeitungsschaltung 250 (z.B. die Kodierungsstufe 230) eingerichtet sein zum Differenzieren jedes quantisierten Signals der Mehrzahl von quantisierten Signalen 204, um eine Mehrzahl von differentiellen Signalen bereitzustellen, und zum Bereitstellen eines kumulierten differentiellen Signals 212 mittels der Mehrzahl von differentiellen Signalen. Anschaulich können die in Bezug auf 2C und 2D beschriebenen Aspekte in der in den Figuren gezeigten Reihenfolge oder in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Die Reihenfolge der Addier- und Differentiationsstufe kann umgeschaltet werden. Es kann (im Hinblick auf die Summenregel für Ableitungen) möglich sein, zunächst eine Differentiation der Vergleicher-Ausgaben q₁ (t) , q₂ (t) , ..., q_L (t) vorzunehmen und dann die Addition der differenzierten Vergleicher-Ausgaben durchzuführen. Dies kann je nach den Einzelheiten des Schaltungsentwurfs von Vorteil sein.
Die Verarbeitungsschaltung 250 (z.B. die Kodierungsstufe 230) kann eine Addierstufe 232 aufweisen, die eingerichtet ist zum Bereitstellen des kumulierten Signals 210 (hierin auch als Gesamtsignal 210 bezeichnet) mittels Addierens der Mehrzahl von quantisierten Signalen 204. Die Aufgabe der Addierstufe 232 kann so verstanden werden, dass sie alle Vergleicher-Ausgangssignale q₁ (t) , q₂ (t) , ..., q_L (t) zu einem einzigen Signal für die nachfolgende Kodierung zusammenfügt. Anschaulich kann die Addierstufe 232 eingerichtet sein zum Zusammenfügen der quantisierten Signale 204 (des ersten bis L-ten, z.B. des ersten bis siebten in dem in 2C gezeigten Beispielfall) wie folgt, $sum (t) = q_{1} (t) + q_{2} (t) + \dots + q_{L} (t)$
Das Signal sum(t) kann als eine diskrete und quantifizierte Version des Ausgangssignals s(t) des Eingangsverstärkers betrachtet werden. Das Signal sum(t) kann maximal L + 1 Werte annehmen. Die Addierstufe 232 kann eingerichtet sein zum Addieren der Pegel der quantisierten Signale 204 zu jedem Zeitpunkt, um einen Pegel des kumulierten Signals 210 bereitzustellen. Geht man beispielsweise von einem Pegel von 1 (in willkürlichen Einheiten) aus, wenn ein quantisiertes Signal 204 auf einem hohen Pegel ist, und von einem Pegel von 0 (in willkürlichen Einheiten), wenn ein quantisiertes Signal 204 auf einem niedrigen Pegel ist, so kann das kumulierte Signal 210 zu jedem Zeitpunkt einen Pegel haben, der durch Addition der jeweiligen Pegel jedes quantisierten Signals 204 bereitgestellt wird. Wie im Beispielsfall in 2C gezeigt ist, kann das kumulierte Signal 210 einen Pegel von 1 für die Abschnitte des empfangenen Signals 202 haben, in denen der Signalpegel nur größer als der erste Schwellenwert 206-1 ist (und somit nur das erste quantisierte Signal 204-1 auf dem hohen Pegel ist), einen Pegel von 2 für die Abschnitte des empfangenen Signals 202, in denen der Signalpegel auch größer als der zweite Schwellenwert 206-2 ist, einen Pegel von 3 für die Abschnitte des empfangenen Signals 202, in denen der Signalpegel auch größer als der zweite Schwellenwert 206-3 ist, usw. Aus der Mehrzahl von quantisierten Signalen 204 kann ein einziges kumuliertes Signal 210 bereitgestellt werden.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung (z.B. die Addierstufe 232) eingerichtet sein zum Addieren der Ausgangssignale der Mehrzahl von Vergleichern 222, um das kumulierte Signal 210 bereitzustellen. Die Addierstufe 232 kann eingerichtet sein zum Empfangen der Ausgangssignale der Mehrzahl von Vergleichern 222 und zum Addieren der Ausgangssignale. Als Beispiel kann die Addierstufe 232 mindestens einen Operationsverstärker aufweisen.
Das Bereitstellen des kumulierten differentiellen Signals 212 kann ein Ermitteln des Verhaltens des kumulierten Signals 210 über die Zeit aufweisen, z.B. das Ermitteln der Abschnitte des kumulierten Signals 210, in denen das kumulierte Signal 210 ansteigt, abfällt oder im Wesentlichen flach bleibt (z.B. konstant). Das Differenzieren eines Signals (z.B. das Differenzieren des kumulierten Signals 210 oder das Differenzieren eines quantisierten Signals 204 im Falle einer invertierten Reihenfolge der Operationen) kann ein Zuweisen von einem unterschiedlichen differentiellen Wert zu unterschiedlichen Abschnitten des Signals, gemäß dem Verhalten des Signals. Da das Summensignal sum(t) L + 1 Werte annehmen kann, ist es für die Erfassung und Verarbeitung durch eine digitale Signalverarbeitungskette (DSP) nicht sehr geeignet. Die Differentiation kann Signale bereitstellen, die binäre Werte in {0, 1} annehmen. Anschaulich kann die Differentiation (und die nachfolgende Polaritätsaufteilung) dafür sorgen, dass sum(t) angemessen kodiert wird, so dass es durch binäre Werte in {0, 1} repräsentiert werden kann.
Wie in 2D gezeigt ist, kann die Verarbeitungsschaltung (z.B. die Kodierungsstufe 230) eine Differentiationsstufe 234 aufweisen, die eingerichtet ist zum Differenzieren des kumulierten Signals 210 mittels Zuweisens eines ersten differentiellen Wertes (z.B. eines Wertes mit einer positiven Polarität, z.B. +1) zu den Abschnitten des kumulierten Signals 210, in denen das kumulierte Signal 210 ansteigt, und mittels Zuweisens eines zweiten differentiellen Wertes (z.B. eines Wertes mit einer negativen Polarität, z.B. -1) zu den Abschnitten des kumulierten Signals 210, in denen das kumulierte Signal 210 abfällt. In einigen Aspekten kann die Differentiationsstufe 234 eingerichtet sein zum Differenzieren des kumulierten Signals 210 mittels Zuweisens eines dritten differentiellen Wertes (z.B. 0) zu den Abschnitten des kumulierten Signals 210, in denen das kumulierte Signal 210 im Wesentlichen flach ist. Anschaulich wird in der Differentiationsstufe 234 das Signal sum(t) durch „Differentiation“ kodiert. Obwohl die Verwendung des Begriffs „Differentiation“ im strengsten mathematischen Sinne nicht genau ist, ist es im Wesentlichen das, was gemacht wird.
In dem in 2D gezeigten Beispielfall kann die Differentiation des kumulierten Signals 210 ein Zuweisen eines ersten differentiellen Wertes 212-1 zu den Abschnitten des kumulierten Signals 210, bei denen der Pegel des kumulierten Signals 210 von einem niedrigeren Pegel auf einen höheren Pegel ansteigt (z.B. von 0 auf 1, von 1 auf 2, von 2 auf 3, usw.), aufweisen. Die Differentiation des kumulierten Signals 210 kann ein Zuweisen eines zweiten differentiellen Wertes 212-2 zu den Abschnitten des kumulierten Signals 210, bei denen der Pegel des kumulierten Signals 210 von einem höheren Pegel auf einen niedrigeren Pegel abfällt (z.B. von 5 auf 4, von 4 auf 3, von 3 auf 2, usw.), aufweisen. In einigen Aspekten kann die Differentiation des kumulierten Signals 210 ein Zuweisen eines dritten differentiellen Wertes zu den Abschnitten des kumulierten Signals 210, bei denen der Pegel des kumulierten Signals 210 im Wesentlichen flach bleibt, aufweisen.
Das resultierende kumulierte differentielle Signal 212 kann einen oder mehrere erste differentielle Werte 212-1 und einen oder mehrere zweite differentielle Werte 212-2 aufweisen. Der eine oder die mehreren ersten differentiellen Werte 212-1 können eine entgegengesetzte Polarität in Bezug auf den einen oder die mehreren zweiten differentiellen Werte 212-2 haben.
Zur Veranschaulichung kann das Ziel der Differentiation darin bestehen, das Signal sum(t), das als treppenförmiges Signal verstanden werden kann, durch ein Signal zu kodieren, das leicht erfasst und verarbeitet werden kann. Das Summensignal sum(t) kann spärlich sein, d.h. es hat viele Einträge, die vernachlässigt werden können, und es ist geeignet, danach durch ein binäres Signal repräsentiert zu werden. Da das Summensignal ein Treppensignal ist, d.h. ein Signal mit einigen steilen Anstiegen und Abfällen und übrigen Signalabschnitten, die größtenteils flach sind, kann das Durchführen einer Differentiation des Summensignals ein spärliches Signal ergeben.
Bezeichnet man beispielsweise die differenzierte Version des Summensignals sum(t) mit diff(t) (anschaulich das kumulierte differentielle Signal 212) und berücksichtigt man ein treppenförmiges Summensignal zur Differentiation, so kann diff(t) durch ein wertdiskretes Signal repräsentiert werden, das nur Werte in {a, b, c} annimmt, wobei a eine positive Zahl (erster differentieller Wert) ist, die den Abschnitt des Signals repräsentiert, in dem die Flanke ansteigt (was einer vergleichsweise kurzen Zeitdauer entspricht), b Null ist (dritter differentieller Wert), was den flachen Abschnitt des Signals repräsentiert, und c eine negative Zahl (zweiter differentieller Wert) ist, die den Abschnitt des Signals repräsentiert, in dem die Flanke abfällt (was wiederum einer vergleichsweise kurzen Zeitdauer entspricht). Somit kann diff(t) als ein spärliches ternäres Signal bereitgestellt werden.
In einer beispielhaften Implementierung kann die Differentiationsstufe 234 einen Hochpassfilter aufweisen, der eingerichtet ist zum Empfangen des kumulierten Signals 210 und zum Ausgeben des kumulierten differentiellen Signals 212. Der Hochpassfilter kann ein RC-Filter niedriger Ordnung sein oder aufweisen, mit einer angemessen gewählten Zeitkonstante, die zur Zeitauflösung der TDC-Feinmessstufe passt, um ein geeignetes Ausgangssignal zu erzeugen. In anderen Aspekten kann die Differentiationsstufe 234 eine Mehrzahl von Hochpassfiltern aufweisen, die eingerichtet sind zum Empfangen der Mehrzahl von quantisierten Signalen 204 und zum Ausgeben einer Mehrzahl von differentiellen Signalen (die dann verwendet werden, um das kumulierte differentielle Signal 212 bereitzustellen). Jeder Hochpassfilter kann eingerichtet sein zum Empfangen eines jeweiligen quantisierten Signals und zum Ausgeben eines jeweiligen differentiellen Signals.
Das Bereitstellen des kumulierten Signals 210 und das Differenzieren dieses (oder das Bereitstellen der Mehrzahl von differentiellen Signalen und das nachfolgende Addieren der differentiellen Signale, um das kumulierte differentielle Signal bereitzustellen) kann eine Repräsentation des quantisierten Signals 204 bereitstellen, die sicherstellt, dass die nachfolgende Kodierung (siehe 2E) ein kodiertes Signal 208 bereitstellt, das die Verarbeitung im digitalen Bereich ermöglicht (z.B. ein kodiertes Signal 208, das eine Zeit-Digital-Umwandlung ermöglicht).
Wie in 2E gezeigt ist, kann das Bereitstellen des kodierten Signals 208 ein Verarbeiten des kumulierten differentiellen Signals 212 aufweisen, um ein unipolares Signal zu erhalten. Anschaulich kann das Bereitstellen des kodierten Signals 208 ein Gleichrichten des kumulierten differentiellen Signals 212 aufweisen. Die Verarbeitungsschaltung (z.B. die Kodierungsstufe 230) kann eine Gleichrichterstufe 236 aufweisen, die eingerichtet ist zum Empfangen des kumulierten differentiellen Signals 212 und zum Gleichrichten des kumulierten differentiellen Signals 212. Als Beispiel kann die Gleichrichterstufe 236 eine oder mehrere Gleichrichterdioden aufweisen (die z.B. mit einem Serienwiderstand gekoppelt sind). Die Gleichrichterstufe 236 kann dimensioniert sein, um auch kompatible digitale Ausgangspegel zu erzeugen.
Die Gleichrichterstufe 236 kann eingerichtet sein zum Ausgeben des kodierten Signals 208, welches erste kodierte Signalwerte 208-1 aufweist, die mit dem einen oder den mehreren ersten differentiellen Werten 212-1 assoziiert sind, und zweite kodierte Signalwerte 208-2 aufweist, die mit dem einen oder den mehreren zweiten differentiellen Werten 212-2 assoziiert sind. Anschaulich können die ersten kodierten Signalwerte 208-1 ein erstes unipolares Signal 208p (p(t)) bilden, das den einen oder die mehreren gleichgerichteten ersten differentiellen Werte 212-1 aufweist, und die zweiten kodierten Signalwerte 208-2 können ein zweites unipolares Signal 208n (n(t)) bilden, das den einen oder die mehreren gleichgerichteten zweiten differentiellen Werte 212-2 aufweist. Der gleichgerichtete eine erste differentielle Wert oder die gleichgerichteten mehreren ersten differentiellen Werte können die gleiche Polarität wie der gleichgerichtete eine zweite differentielle Wert oder die gleichgerichteten mehreren zweiten differentiellen Werte haben (z.B. können der eine gleichgerichtete erste differentielle Wert oder die mehreren gleichgerichteten ersten differentiellen Werte und der eine gleichgerichtete zweite differentielle Wert oder die mehreren gleichgerichteten zweiten differentiellen Werte eine positive Polarität haben, wie in den Diagrammen 200e gezeigt ist).
Anschaulich kann ein zweiter Teil der Differentiation angesehen werden als ein Aufteilen des differenzierten Signals in seine positiven und negativen Bestandteile und als Durchführen einer Pegelumwandlung, um mit digitalen Signalformaten kompatibel zu sein. Das ternäre Signal diff(t) kann in seine positiven und negativen Bestandteile aufgeteilt werden. Die Polaritätsteilung kann durch einfache Gleichrichtung erfolgen, z.B. mittels schneller Dioden in Verbindung mit einem Serienwiderstand. Im Folgenden können p(t) und n(t) die positiven bzw. negativen Bestandteile des differentiellen Signals diff(t) bezeichnen.
In der Repräsentation in 2E ist das kodierte Signal 208 in zwei separaten Abschnitten des Diagramms 200e dargestellt, einer assoziiert mit dem ersten unipolaren Signal 208p (anschaulich assoziiert mit den Abschnitten, in denen das kumulierte Signal 210 ansteigt, z.B. die Abschnitte mit positiver Steigung im empfangenen Signal 202), und einer assoziiert mit dem zweiten unipolaren Signal 208n (anschaulich assoziiert mit den Abschnitten, in denen das kumulierte Signal 210 abfällt, z.B. die Abschnitte mit negativer Steigung im empfangenen Signal 202). Es versteht sich jedoch, dass das kodierte Signal 208 auch als ein einziges Signal repräsentiert (und bereitgestellt) werden kann, das die ersten kodierten Signalwerte 208-1 und die zweiten kodierten Signalwerte 208-2 aufweist. Die Kodierungsstufe 230 (z.B. die Gleichrichterstufe 236) kann das kodierte Signal 208 als eine einzige Ausgabe (die sowohl die ersten kodierten Signalwerte 208-1 als auch die zweiten kodierten Signalwerte 208-2 aufweist) oder als zwei Ausgaben (von denen eine die ersten kodierten Signalwerte 208-1 aufweist und eine die zweiten kodierten Signalwerte 208-2 aufweist) bereitstellen. Es versteht sich, dass die in 2E dargestellte Ermittlung eines kodierten Signals 208 ein Beispiel ist, und andere Ansätze möglich sind, z.B. wie in Bezug auf 1A bis 1E beschrieben wurde. Die Zusammenfügung des ersten unipolaren Signals 208p und des zweiten unipolaren Signals 208n zu einem einzigen Signal kann eine einfache Verarbeitung ermöglichen, kann aber zu einem teilweisen Informationsverlust führen, und andere Ansätze können je nach den Einzelheiten der Implementierung vorzuziehen sein.
In einigen Aspekten, z.B. falls das kodierte Signal 208 als einzige Ausgabe bereitgestellt wird, kann die Verarbeitungsschaltung (z.B. die Kodierungsstufe 230) eingerichtet sein zum Verzögern des ersten unipolaren Signals 208p und des zweiten unipolaren Signals 208n in Bezug aufeinander. Verzögerungselemente können verwendet werden, um entweder p(t) oder n(t) in Bezug aufeinander zu verzögern. Dies kann dafür sorgen, dass es keine unerwünschte Überlappung zwischen den ersten kodierten Signalwerten 208-1 und den zweiten kodierten Signalwerten 208-2 gibt. Beispielsweise kann die Verzögerung dafür sorgen, dass p(t) und n(t) nacheinander einer einzigen Fein-TDC-Stufe zugeführt werden können. Auf diese Weise kann eine einzige Fein-TDC-Stufe vorgesehen sein.
Als Beispiel kann das Verzögern von p(t) oder n(t) in Bezug aufeinander auf dem analogen Signalniveau realisiert werden mittels Aufteilens des detektierten Signals s(t) in zwei parallele Pfade. Einer dieser Pfade kann dann auf analoger Ebene verzögert werden, z.B. mittels einer analogen angezapften Verzögerungsleitung. Beide Signale können dann einem Array von Flankendetektoren zugeführt werden, z.B. einem Array, das bei steigenden Flanken aktiv ist, und einem Array, das bei fallenden Flanken aktiv ist, wodurch die Signale p(t) bzw. n(t) entstehen. Da p(t) und n(t) gegeneinander verschoben sind, können sie zur Erfassung in eine einzige TDC-Stufe eingefügt werden. Als weiteres Beispiel kann das Verzögern von p(t) oder n(t) in Bezug aufeinander auch auf dem digitalen Signalniveau realisiert werden, z.B. mittels eines FPGA.
Als zusätzliche oder alternative Option (siehe auch 1D und 1E) kann die Verarbeitungsschaltung (z.B. die Kodierungsstufe 230 oder die unten beschriebene Digitalisierungsstufe 240) eingerichtet sein zum Bereitstellen des kumulierten differentiellen Signals 208 mittels Abbildens der differentiellen Werte des kumulierten differentiellen Signals 212 auf vorbestimmte Symbole (oder Kombinationen von Symbolen). Anschaulich kann die Verarbeitungsschaltung eingerichtet sein zum Bereitstellen des kumulierten differentiellen Signals 208 mittels Repräsentierens des kumulierten differentiellen Signals 212 unter Verwendung vorbestimmter (z.B. vorgespeicherter) Symbole, die mit den möglichen differentiellen Werten assoziiert sind. Die Verarbeitungsschaltung kann eingerichtet sein zum Zuweisen einer ersten Kombination von Binärsymbolen zu jedem ersten differentiellen Wert 212-1, einer zweiten Kombination von Binärsymbolen zu jedem zweiten differentiellen Wert 212-2 und einer dritten Kombination von Binärsymbolen zu jedem dritten differentiellen Wert. Das Bereitstellen des kodierten Signals 208 kann das Bereitstellen einer Sequenz aufweisen, die die ersten Kombinationen von Binärsymbolen, die zweiten Kombinationen von Binärsymbolen und die dritten Kombinationen von Binärsymbolen aufweist.
Anschaulich kann ein ternäres Symbol des Signals diff(t) in {a(t), b(t), c(t)} auf zwei binäre Symbole in {0,1} kodiert werden, beispielsweise wie folgt (die Kodierung kann beliebig ausgewählt werden):

a(t) → ‘11’;
b(t) → ‘00’;
c(t) → ‘10’ (oder ‘01’).

Mit einem solchen Kodierverfahren kann das Signal diff(t) vollständig durch eine unipolare Sequenz mit Länge 2 * K repräsentiert werden, d.h. doppelt so lang wie bei der Kodierung von p(t) und n(t). Es sind auch andere Arten von Kodierung möglich, z.B. gemäß den in der Kommunikationssystemtechnik verwendeten Leitungscodes.
2F zeigt eine Digitalisierungsstufe 240 und eine Digitalisierung eines kodierten Signals 208 gemäß verschiedenen Aspekten. Die Diagramme 200e und 200f in 2F können die Bereitstellung eines digitalisierten Signals 214 aus dem kodierten Signal 208 veranschaulichen. Das digitalisierte Signal 214 kann ein Beispiel für das in Bezug auf 1A bis 1E beschriebene digitalisierte Signal 108 sein. Die Digitalisierungsstufe 240 kann Teil einer Verarbeitungsschaltung (z.B. der Verarbeitungsschaltung 106, 250) sein. Anschaulich kann die Digitalisierungsstufe 240 ein Beispiel für die in Bezug auf 1A bis 1E beschriebene Digitalisierungsstufe 140 sein.
In einigen Aspekten kann die Digitalisierungsstufe 240 eingerichtet sein zum Empfangen eines Startsignals 252, eines Stoppsignals 254 und eines Taktsignals 256 zum Messen einer mit dem empfangenen Signal 202 assoziierten Laufzeit, wie für das Startsignal 116, das Stoppsignal 118 bzw. das Taktsignal 114 in Bezug auf 1A bis 1G beschrieben wurde.
Die Verarbeitungsschaltung 250 (z.B. die Digitalisierungsstufe 240) kann eingerichtet sein zum Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals 208 (z.B. des ersten unipolaren Signals 208p und des zweiten unipolaren Signals 208n), um das digitalisierte Signal 214 bereitzustellen. Das digitalisierte Signal 214 kann erste digitalisierte Werte 214-1 (die mit den ersten kodierten Signalwerten 208-1 assoziiert sind) und zweite digitalisierte Werte 214-2 (die mit den zweiten kodierten Signalwerten 208-2 assoziiert sind) aufweisen.
Die Digitalisierungsstufe 240 kann eine oder mehrere Zeit-Digital-Umwandlungsstufen 242 aufweisen, z.B. eine erste Zeit-Digital-Umwandlungsstufe 244 (z.B. eine Grobstufe) und eine zweite Zeit-Digital-Umwandlungsstufe 246 (z.B. eine Feinstufe) in der beispielhaften Repräsentation in 2F. Mindestens eine der Zeit-Digital-Umwandlungsstufen 242 (z.B. die Feinstufe 246) kann eingerichtet sein zum Empfangen des kodierten Signals an einem Eingang und zum Bereitstellen des digitalisierten Signals 214 an einem Ausgang durch Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals 208. Als Beispiel können die eine oder mehreren Zeit-Digital-Umwandlungsstufen 242 mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), ein Universalschaltkreis (FPGA) oder eine FPGA-basierte angezapfte Verzögerungsleitung aufweisen. Als weiteres Beispiel können die eine oder mehreren Zeit-Digital-Umwandlungsstufen 242 mindestens eine angezapfte Verzögerungsleitung aufweisen. Die angezapfte Verzögerungsleitung kann eine Mehrzahl von D-Flip-Flops und eine Mehrzahl von Verzögerungselementen aufweisen, wobei jedes Verzögerungselement mit einem jeweiligen D-Flip-Flop assoziiert ist.
In einigen Aspekten kann die mindestens eine Zeit-Digital-Umwandlungsstufe, die die Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals 208 ausführt, mit allen Vergleichern 222 der Mehrzahl von Vergleichern 222 assoziiert sein. Anschaulich kann die mindestens eine Zeit-Digital-Umwandlungsstufe schließlich ein Signal empfangen (und verarbeiten), das aus den Ausgaben aller Vergleicher 222 (durch Addition, Differentiation und Kodierung) gewonnen wird.
In einigen Aspekten kann das Durchführen der Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals 208 ein Umwandeln des ersten unipolaren Signals 208p in ein erstes digitalisiertes Signal 214p (p(k)) aufweisen, wobei das erste digitalisierte Signal 214p die ersten digitalisierten Werte 214-1 aufweist. Darüber hinaus kann das Durchführen der Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals 208 ein Umwandeln des zweiten unipolaren Signals 208n in ein zweites digitalisiertes Signal 214n (n̂(k)) aufweisen, wobei das zweite digitalisierte Signal 214n die zweiten digitalisierten Werte 214-2 aufweist. Anschaulich kann das digitalisierte Signal 214 in einigen Aspekten so verstanden werden, dass es durch die ersten digitalisierten Werte 214-1, die ein erstes digitalisiertes Signal 214p bilden, und durch die zweiten digitalisierten Werte 214-2, die ein zweites digitalisiertes Signal 214n bilden, gebildet wird. Das digitalisierte Signal 214 kann (zur weiteren Verarbeitung) als ein einziges Signal (als eine einzige Ausgabe der Digitalisierungsstufe 240) oder als zwei separate Signale (zwei separate Ausgaben der Digitalisierungsstufe 240) bereitgestellt werden.
Im Rahmen dieser Beschreibung bezeichnen p̂(k) und n̂(k) die diskreten Ausgangssequenzen, die die erfassten Signale p(t) bzw. n(t) repräsentieren, wobei die Ganzzahl k = 1, 2, ..., K ein laufender Index ist, der die Reihenfolge der Signalabtastungen innerhalb der Sequenzen angibt (zu beachten ist, dass k auf eine Zeit abgebildet werden kann). K ist eine Ganzzahl, die die maximale Länge der Sequenzen angibt, und kann durch die Implementierung der TDC-Stufen definiert werden. Die Sequenzen p(k) und n̂(k) mit k = 1, 2, ..., K können als Ausgaben von mindestens einer der TDC-Stufen 242 (z.B. der Feinstufe 246) bereitgestellt werden.
Es versteht sich, dass es auch andere Möglichkeiten geben kann, die Signale p(t) und n(t) als Ausgabe für die nachgeschaltete Verarbeitung zu repräsentieren. Solche Repräsentationen können zum Beispiel auf den diskreten Ausgangssequenzen p̂(k) und n̂(k) mit k = 1, 2, ..., K basieren. Da die Signale p(t) und n(t) spärlich sind, werden p(k) und n̂(k) mit k = 1, 2, ..., K ebenfalls spärlich sein und jeweils nur wenige Elemente enthalten, die von Bedeutung sind, anschaulich die Elemente, die eine steigende oder fallende Flanke im Summensignal sum(t) anzeigen. Daher kann es möglich sein, nur die relevanten Einträge in entweder p(k) oder n̂(k) mit k = 1, 2, ..., K zu kodieren. N_p und N_n bezeichnen die Anzahl der relevanten Elemente in p̂(k) bzw. n̂(k) mit k = 1, 2, ..., K. Dann können p̂(k) und n̂(k) mit k = 1, 2, ..., K durch Vektoren mit Länge N_p und mit Länge N_n repräsentiert werden, die jeweils Indizes aufweisen, die die Position der signifikanten Elemente in p(k) bzw. n̂(k) mit k = 1, 2, ..., K angeben. Diese Vektoren können als Ausgaben von mindestens einer der TDC-Stufen 242 (z.B. der Feinstufe 246) bereitgestellt werden.
In einigen Aspekten können die eine oder mehrere Zeit-Digital-Umwandlungsstufen 242 eine Messung der mit dem empfangenen Signal 202 assoziierten Laufzeit bereitstellen, wie in Bezug auf 1A bis 1G beschrieben wurde.
Mindestens eine der TDC-Stufen 242 (z.B. die erste Stufe 244) kann eine grobe Messung der Laufzeit bereitstellen. Beispielsweise kann die erste Stufe 244 eingerichtet sein zum Empfangen des Startsignals 252 (start(t)) und des Stoppsignals 254 (stop(t)) und zum Generieren von internen digitalen Signalen zum Starten (start_coarse (t)) und Stoppen (stop_coarse (t)) der groben TDC-Messung. Die erste Stufe 244 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen der Grobmessung T_coarse, wie sie durch die Anzahl N_coarse der gezählten Taktzyklen quantifiziert wird, basierend auf dem empfangenen Taktsignal 256 (clk(t)) und auf dem generierten Startsignal (start_coarse (t)) und Stoppsignal (stop_coarse (t)) .
Mindestens eine der TDC-Stufen 242 (z.B. die zweite Stufe 246) kann eine Feinmessung der Laufzeit bereitstellen. Die zweite Stufe 246 kann eingerichtet sein zum Generieren eines internen digitalen Signals (stop_fine (t)) zum Stoppen der TDC-Feinmessung, basierend auf dem Stoppsignal 254 (stop(t)) und dem Taktsignal 256 clk(t). Als Beispiel kann die zweite Stufe 246 eingerichtet sein zum Generieren des internen digitalen Signals (stop_fine(t)) gemäß der aktiven Flanke des Stoppsignals 254 (stop(t)) und der aktiven Flanke des Taktsignals 256 (clk(t)).
In einigen Aspekten kann die TDC-Stufe, die die Feinmessung der Laufzeit bereitstellt (z.B. die zweite Stufe 246), eingerichtet sein zum Definieren einer verlängerten Zeit für die Detektion des empfangenen Signals 202, z.B. kann sie eine Zeit T_capture definieren, um die Detektion zu verlängern, wie in Bezug auf 1A bis 1G beschrieben wurde. N_capture bezeichne die Anzahl der Taktperioden Tclk, die für T_capture vorgesehen sind. Dann ist die aktive Flanke von stop_fine (t) durch die (N_capture+1) -te aktive Flanke des Taktsignals 256 (clk(t)) definiert, die auf die aktive Flanke des Stoppsignals 254 (stop(t)) folgt.
Die zweite Stufe 246 kann das Ergebnis der am Ende von T_meas durchgeführten zeitlichen Feinmessung bereitstellen. Die aktive Flanke des Eingangssignals (stop_fine (t)) stoppt die Feinmessung. Die Feinstufe 246 kann auch eingerichtet sein zum Bereitstellen des Ergebnisses der zeitlichen Feinmessung T_fine, beispielsweise quantifiziert durch eine Anzahl von elementaren Zeiteinheiten.
N_fine sei die Anzahl von elementaren Zeiteinheiten (mit einer vorgegebenen Zeitdauer), die T_fine repräsentieren.
Sei k_start der erste (z.B. der kleinste) Index innerhalb der erfassten Sequenz p(k) mit k = 1, 2, ..., K, der ein relevantes Element enthält. Dieser Index entspricht dem Startzeitpunkt der feinen ToF-Messung. Bei der angezapften-Verzögerungsleitung-Implementierung kann der Index k_start der Index des D-Flip-Flops sein, das am weitesten stromabwärts in der Kette liegt und eine logische 1 ausgibt, d.h. es ist das D-Flip-Flop mit dem höchsten Index in der in der Technik üblichen Nummerierungskonvention.
Bezeichne k_stop den Index innerhalb der erfassten Sequenz p(k) mit k = 1, 2, ..., K, der durch die aktive Flanke des Stoppsignals 254 stop(t) definiert ist. Bei der angezapften-Verzögerungsleitung-Implementierung kann der Index k_stop das erste D-Flip-Flop in der Kette sein, d.h. es ist das D-Flip-Flop, das in der Kette am weitesten stromaufwärts liegt.
Dann kann N_fine basierend auf den Indizes wie folgt berechnet werden, $N_{fine} = k_{stop} - k_{start} .$
Bei der angezapften-Verzögerungsleitung-Implementierung kann N_fine der Index des D-Flip-Flops sein, das in der Kette am weitesten stromabwärts liegt und eine logische 1 ausgibt. Die Feinstufe 246 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen von N_fine als Ausgabe für die Ermittlung der ToF-Messung.
In einigen Aspekten kann das digitalisierte Signal 214 das Ermitteln von Amplituden- und/oder Forminformationen ermöglichen, die mit dem empfangenen Signal 202 assoziiert sind.
Das erste digitalisierte Signal 214p kann Informationen (in einer digitalen Repräsentation) über die Abschnitte aufweisen, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals 202 ansteigt. Anschaulich können die ersten digitalisierten Werte 214-1 einen ersten logischen Wert entsprechend den Abschnitten haben, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals 202 größer wird als einer der Schwellenwerte 206, die mit den quantisierten Signalen 204 assoziiert sind, und einen zweiten logischen Wert entsprechend den übrigen Abschnitten des empfangenen Signals 202. Der erste logische Wert kann eine logische 1 und der zweite logische Wert eine logische 0 sein, als ein Beispiel. Es versteht sich, dass der erste logische Wert und der zweite logische Wert willkürlich definiert werden können. Das erste digitalisierte Signal 214p kann eine Sequenz von logischen Werten aufweisen, die repräsentieren, wo der Signalpegel des empfangenen Signals 202 ansteigt. Anschaulich repräsentiert die Reihenfolge der logischen Werte in dem ersten digitalisierten Signal 214p das zeitliche Verhalten des Signalpegels des empfangenen Signals 202 hinsichtlich der Inkremente des Signalpegels.
Das zweite digitalisierte Signal 214n kann Informationen (in einer digitalen Repräsentation) über die Abschnitte aufweisen, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals 202 abfällt. Anschaulich können die zweiten digitalisierten Werte 214-2 den ersten logischen Wert (z.B. die logische 1) entsprechend den Abschnitten haben, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals 202 kleiner wird als einer der Schwellenwerte 206, die mit den quantisierten Signalen 204 assoziiert sind, und den zweiten logischen Wert (z.B. die logische 0) entsprechend den übrigen Abschnitten des empfangenen Signals 202. Das zweite digitalisierte Signal 214p kann eine Sequenz von logischen Werten aufweisen, die repräsentieren, wo der Signalpegel des empfangenen Signals 202 abfällt. Anschaulich repräsentiert die Reihenfolge der logischen Werte in dem zweiten digitalisierten Signal 214p das zeitliche Verhalten des Signalpegels des empfangenen Signals 202 hinsichtlich der Dekremente des Signalpegels.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung eingerichtet sein zum Ermitteln von Amplitudeninformationen, die mit dem empfangenen Signal 202 assoziiert sind, mittels Kombinierens der einen oder mehreren ersten digitalisierten Werte 214-1 mit den einen oder mehreren zweiten digitalisierten Werten 214-2. Als Beispiel kann die Verarbeitungsschaltung einen oder mehrere Prozessoren aufweisen, die zur Verarbeitung des digitalisierten Signals 214 eingerichtet sind.
Das Kombinieren der einen oder mehreren ersten digitalisierten Werte 214-1 mit dem einen oder den mehreren zweiten digitalisierten Werten 214-2 kann das Bereitstellen eines kumulierten Summationssignals aufweisen. Die Verarbeitungsschaltung 250 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen des kumulierten Summationssignals mittels Inkrementierens eines kumulierten Signalwerts entsprechend jedem ersten logischen Wert der einen oder mehreren ersten digitalisierten Werte 214-1 und mittels Dekrementierens des kumulierten Signalwerts entsprechend jedem ersten logischen Wert der einen oder mehreren zweiten digitalisierten Werte 214-2. Anschaulich kann das kumulierte Summationssignal als eine Sequenz von Werten verstanden werden, die von einem Anfangswert (z.B. 0) ausgeht, für jede logische 1 in der Sequenz der digitalisierten Werte im ersten digitalisierten Signal 214p ansteigt (z.B. um einen vorbestimmten Betrag, z.B. um 1) und für jede logische 1 in der Sequenz der digitalisierten Werte im zweiten digitalisierten Signal 214n abfällt (z.B. um den vorbestimmten Betrag). Das kumulierte Summationssignal kann ein treppenförmiges Signal sein, dessen Verhalten durch das erste digitalisierte Signal 214p und das zweite digitalisierte Signal 214n definiert ist.
Das ursprüngliche Signal 202 kann mittels der erfassten Sequenzen p̂(k) und n̂(k) mit k = 1, 2, ..., K oder mittels einer anderen geeigneten Ausgangsrepräsentation rekonstruiert werden. Zum Beispiel kann das kumulierte Signal 210 sum(t) in Anbetracht dessen rekonstruiert werden, dass die erfassten Sequenzen p(t) und n(t) durch Differentiation von sum(t) erhalten wurden, was mittels Ausführens einer Integration umgekehrt werden kann. $\hat{s u m} (k)$
bezeichne eine Sequenz, die die Summensignale sum(t) repräsentiert, wobei die Ganzzahl k = 1, 2, ..., K ein laufender Index ist und K die maximale Länge der Sequenz ist. Im diskreten Fall wird die Integration zu einer Addierung, und $\hat{s u m} (k)$
kann durch Addierung wie folgt abgeleitet werden $\hat{s u m} (k) = \sum_{m = 1}^{k} (\hat{p} (m) - \hat{n} (m)),$
ŝ(k) bezeichne eine Sequenz, die das detektierte Signal 202 (s(t)) repräsentiert, wobei die Ganzzahl k = 1, 2, ..., K ein laufender Index ist und K die maximale Länge der Sequenz ist. Dann kann ŝ(k) durch eine Abbildungszuweisung (im Wesentlichen durch Invertierung der Quantisierungsstufe) ermittelt werden. Die Zuweisung kann wie folgt formuliert werden, für k = 1, 2, ..., K, zuweisen $1 \leftarrow \hat{s u m} (k),$
und zuweisen ŝ(k)← ref₁.
Anschaulich kann in einigen Aspekten die Verarbeitungsschaltung 250 eingerichtet sein zum Ermitteln von Amplitudeninformationen, die mit dem empfangenen Signal 202 assoziiert sind, mittels Zuweisens eines Referenzwert 206 aus der Mehrzahl der Referenzwerte 206, die mit der Mehrzahl von Vergleichern 222 assoziiert sind, jedem kumulierten Signalwert. Die Verarbeitungsschaltung 250 kann Amplitudeninformationen ermitteln, mittels Umwandelns der kumulierten Signalwerte in Signalpegel (z.B. in Amplitude).
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 250 eingerichtet sein zum Rekonstruieren der Form des empfangenen Signals 202 mittels des kumulierten Summationssignals. Die Rekonstruktion der Form des empfangenen Signals 202 kann eine Annäherung an die (kontinuierliche) Form des empfangenen Signals 202 basierend auf der (diskreten) Repräsentation aufweisen, die durch das kumulierte Summationssignal bereitgestellt wird.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 250 eingerichtet sein zum Verwenden der aus dem digitalisierten Signal 214 extrahierten zusätzlichen Informationen zur Verfeinerung der Laufzeitmessung. Zum Beispiel kann die Verarbeitungsschaltung 250 eingerichtet sein zum Anpassen eines Ergebnisses der Laufzeitmessung mittels der rekonstruierten Form des empfangenen Signals 202. Bei Kenntnis der Form des empfangenen Signals 202 (z.B. eines detektierten Pulses) kann die ToF-Messung, wie sie durch die grobe und feine TDC-Messung erhalten wird, verfeinert werden, möglicherweise auch unter Berücksichtigung der Kenntnis über die emittierte Pulsform. Dies kann beispielsweise dafür sorgen, dass der so genannte „Walk-Error“ reduziert wird, der bei herkömmlichen TDC-basierten ToF-Messschemata auftritt.
Die Verarbeitungsschaltung 250 kann eingerichtet sein zum Identifizieren von einem oder mehreren relevanten Abschnitten in der rekonstruierten Form des empfangenen Signals 202 basierend auf einer bekannten Form des empfangenen Signals 202 und zum Ermitteln von einem oder mehreren jeweiligen Zeitoffsets zwischen dem Beginn der Laufzeitmessung und jedem der einen oder mehreren relevanten Abschnitte. Die Form des detektierten Pulses 202, wie er von der Fein-TDC-Stufe 246 erfasst wird, kann bekannt (z.B. vorbestimmt) sein, und die Verarbeitungsschaltung 250 kann eingerichtet sein zum Identifizieren der relevanten Abschnitte in dem erfassten Signal 202, die einen emittierten Puls gemäß einigen Kriterien am ehesten repräsentieren. Die Identifizierung der Abschnitte kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden, zum Beispiel: (1) Mitte des Pulses: halber Abstand zwischen der ersten ansteigenden und der letzten ansteigenden Flanke; (2) Peak des Pulses: halber Abstand zwischen der höchsten ansteigenden Flanke und der höchsten abfallenden Flanke; (3) höchste ansteigende Flanke: Zeit, die durch die höchste ansteigende Flanke definiert ist; (4) Korrelationsanpassung: beste Kreuzkorrelation des emittierten Pulses innerhalb des erfassten Pulses; (5) und andere.
Die Verarbeitungsschaltung 250 kann eingerichtet sein, nach dem Identifizieren dieser Abschnitte, zum Identifizieren des Zeitoffsets zwischen dem Beginn der Feinmessung und dem identifizierten Abschnitt. Dies kann beispielsweise basierend auf dem Index k_start erfolgen, der den Beginn der ToF-Messung definiert, mittels Berechnens der Differenz zu den Indizes der identifizierten Signalabschnitte, was im Wesentlichen einem Zeitoffset entspricht. Dieser Zeitoffset kann dann zur Verfeinerung der ToF-Messung verwendet werden. Die Verarbeitungsschaltung 250 kann eingerichtet sein zum Anpassen des Ergebnisses der Laufzeitmessung mittels des einen oder der mehreren ermittelten Zeitoffsets.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 250 eingerichtet sein zum dynamischen Anpassen der mit den quantisierten Signalen 204 assoziierten Schwellenwerte 206 (z.B. der mit den Vergleichern 222 assoziierten Referenzwerte 206). Die Verarbeitungsschaltung 250 kann eingerichtet sein zum Anpassen der mit den quantisierten Signalen 204 assoziierten Schwellenwerte 206 basierend auf mindestens einem der Folgenden: einer mit dem empfangenen Signal 202 assoziierten Laufzeit, einer rekonstruierten Amplitude oder Form des empfangenen Signals 202 und/oder einer oder mehrerer Umweltbedingungen. Die Anpassung der Schwellenwerte 206 kann eine Anpassung des Kodierungs- und Digitalisierungsprozesses an das aktuelle Szenario (z.B. ein aktuell emittiertes Signal, eine aktuelle Umgebung des Detektionssystems, usw.) bereitstellen und somit die Genauigkeit der Messung verbessern.
Zusätzliche Aspekte, die optional in Bezug auf die Detektion und Verarbeitung von Signalen vorgesehen werden können, werden in Bezug auf die 3A bis 3E beschrieben.
3A, 3B, 3C, und 3D veranschaulichen jeweilige Diagramme 300a, 300b, 300c, 300d, 302a, 302b, 302c, 302d, die mit Signalform-Inferenz assoziiert sind.
In einigen Aspekten kann eine Verarbeitungsschaltung (z.B. die in Bezug auf 1A bis 2F beschriebene Verarbeitungsschaltung 106, 250) eingerichtet sein zum Umwandeln eines kumulierten differentiellen Signals diff(t) (z.B. das kumulierte differentielle Signal 212) in ein unipolares Signal u(t) mittels Berechnens seines Betrags derart, dass u(t)=| diff(t) |, anstatt zum Aufteilen des kumulierten differentiellen Signals in seine positiven (p(t)) und negativen (n(t)) Komponenten. Als Beispiel kann die Transformation mittels Gleichrichtens des kumulierten differentiellen Signals (diff(t)) ausgeführt werden, um das unipolare Signal (u(t)) zu erhalten.
In dieser Konfiguration wird dann nur ein Signal (das unipolare Signal u(t)) von der einen oder mehreren Zeit-Digital-Umwandlungsstufen erfasst (z.B. von der in 2F beschriebenen Feinstufe 246). Eine einzige TDC-Feinstufe kann implementiert werden, wodurch die Gesamtkomplexität reduziert wird. Während der Kodierung können Informationen verloren gehen, so dass steigende oder fallende Flanken im ursprünglichen Summensignal sum(t) (z.B. das in Bezug auf 2D beschriebene kumulierte Signal 210) nicht unterschieden werden können, wenn die Sequenz rekonstruiert wird, die das empfangene Signal repräsentiert (anschaulich die Sequenz ŝ(k)). Die Verarbeitungsschaltung kann eingerichtet sein zum Ermitteln (z.B. zum Inferieren) der Form des empfangenen Signals, mittels Kenntnis über ein typisches detektiertes Signal (z.B. ein typisches LIDAR-Signal) als Hilfsinformationen. Anschaulich kann die Verarbeitungsschaltung (z.B. die in Bezug auf 1A bis 2F beschriebene Verarbeitungsschaltung 106, 250) eingerichtet sein zum Rekonstruieren der Form des empfangenen Signals (z.B. des empfangenen Signals 104, 202), mittels Vergleichens des kumulierten Summationssignals mit einer Mehrzahl von bekannten kumulierten Summationssignalen. Die Form kann rekonstruiert werden, falls eine Übereinstimmung gefunden wird, z.B. basierend auf einem Vertrauensniveau für die Übereinstimmung.
Die Diagramme 300a, 300b, 300c, 300d in 3A bis 3D veranschaulichen beispielhafte Signale 304a, 304b, 304c, 304d, die an einem Detektionssystem (z.B. am Detektor 102, 201 eines Detektionssystems 100) empfangen werden können, z.B. ein Einzelpulssignal 304a, ein Signal 304b mit individuellen Pulsen, ein Doppelpulssignal 304c oder ein Signal 304d mit einem breiten Puls. Die Diagramme 302a, 302b, 302c, 302d in 3A bis 3D veranschaulichen beispielhafte unipolare Signale 306a, 306b, 306c, 306d (bezeichnet als û(k)), die mit den beispielhaften Signalen 304a, 304b, 304c, 304d assoziiert sind, bei der Verarbeitung der beispielhaften Signale 304a, 304b, 304c, 304d. Aus den Diagrammen 302a, 302b, 302c, 302d ist ersichtlich, dass die Pulse der verschiedenen Kategorien (Einzelpuls, Doppelpuls oder zwei individuelle Pulse) ein sehr unterschiedliches Muster in der Verteilung von û(k) haben, wodurch das Inferieren der Kategorie eines erfassten Signals ermöglicht wird. Wenn die Kategorie des Pulses bekannt ist, kann die Signalform (z.B. die Pulsform) mittels der erfassten Timing-Informationen rekonstruiert werden.
In einigen Aspekten kann der Inferenzprozess unter Verwendung fortgeschrittener Konzepte des maschinellen Lernens oder des Clusterns implementiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Inferenzprozess mit heuristischen Ansätzen implementiert werden, zum Beispiel mit einer maßgeschneiderten Abbildungstabelle.
3E zeigt eine Reihe von Diagrammen 300e-1, 300e-2, 300e-3, 300e-4, 300e-5, die eine Verarbeitung eines empfangenen Signals darstellen.
Je nach Anwendung und Eigenschaften des detektierten Signals und je nach Dimensionierung der das kodierte Signal umwandelnden TDC-Stufe (z.B. der in Bezug auf 2F beschriebenen Fein-TDC-Stufe 246) kann die Situation eintreten, dass eine steile Flanke im detektierten Signal dazu führt, dass mehrere Vergleicher (z.B. einer oder mehrere der Vergleicher 222, die jeweils mit einem verschiedenen Vergleicher-Schwellenwert arbeiten) ihre Ausgaben nahezu zeitgleich umschalten. Anschaulich können die Vergleicher ihre Ausgabe in sehr kurzer zeitlicher Abfolge umschalten, so dass die Umschaltzeitpunkte von der Fein-TDC-Stufe nicht mehr aufgelöst werden können.
In diesem Fall, wie im Diagramm 300e-1 gezeigt, würden einige der Flanken im kumulierten Signal 308 sum(t) (z.B. ein Beispiel für das kumulierte Signal 210) nicht in den Sequenzen p̂(k) und n̂(k) mit k = 1, 2, ..., K erfasst. Zum Beispiel können zwei Flanken im Summensignal 308 sum(t) auf einen einzigen Puls p(k) oder n̂(k) für einige k abgebildet werden. Wie in den Diagrammen 300e-1 bis 300e-3 gezeigt, werden beispielsweise zwei Flanken im Summensignal 308 sum(t) auf einen einzigen Puls p(k) des digitalisierten Signals 312p für einige k abgebildet (z.B. nach der Differentiation, die das kumulierte differentielle Signal 310 diff(t) bereitstellt, und nach der TDC-Umwandlung, die das erste und das zweite digitalisierte Signal 312p, 312n bereitstellt).
Um dieses mögliche Problem zu vermeiden, kann in einigen Aspekten die Verarbeitungsschaltung eingerichtet sein zum Kodieren von steilen Flanken durch eine entsprechende Anzahl nachfolgender Pulse. Diese Konfiguration kann dafür sorgen, dass die Flanken während des Erfassungsprozesses nicht verloren gehen und die Amplituden genau rekonstruiert werden können, allerdings um den Preis einer leichten zeitlichen Ungenauigkeit in Bezug auf diese Flanken, anschaulich können die Flanken dann leicht in Bezug aufeinander verschoben werden.
Wie beispielsweise in dem Diagramm 300e-4 gezeigt ist, kann das Bereitstellen der digitalisierten Signale 314p, 314n so angepasst werden, dass zwei Flanken im Summensignal 308 sum(t) durch zwei aufeinanderfolgende Pulse im ersten digitalisierten Signal 314p p̂(k) mit k = 1, 2, ..., K repräsentiert werden. Das Diagramm 300e-5 zeigt das rekonstruierte Signal 316 $\hat{s u m} (k)$
mit k = 1, 2, ..., K, wobei leichte zeitliche Ungenauigkeiten bezüglich der beiden betrachteten Flanken zu erkennen sind.
Die Implementierung der Kodierung von steilen Flanken durch eine entsprechende Anzahl nachfolgender Pulse kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Als Beispiel für eine Hochpassfilter-Implementierung der Differentiationsstufe kann sie mittels Dimensionierens der Zeitkonstante des Hochpassfilters zusammen mit den gewählten Schwellenwerten für die Digitalisierungsstufe derart erfolgen, dass die Amplitude des differentiellen Signals diff(t), dessen Amplitude von der Höhe der Flanken abhängt (unter der Annahme, dass die Zeitdauer des Flankenübergangs gleich bleibt), auf eine proportionale Zeitdauer abgebildet wird, die idealerweise durch Vielfache der feinen zeitlichen TDC-Auflösung ausgedrückt werden kann.
4 zeigt ein LIDAR-System 400 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Das LIDAR-System 400 kann ein Lichtemissionssystem 402 und ein Lichtdetektionssystem 404 aufweisen. Das Lichtdetektionssystem 404 kann wie hierin beschrieben eingerichtet sein, z.B. kann es wie das in Bezug auf 1A bis 1E beschriebene Detektionssystem 100 eingerichtet sein. Das Lichtemissionssystem 402 kann eingerichtet sein zum Emittieren von Licht (in einem Sichtfeld 406 des LIDAR-Systems 400), und das Lichtdetektionssystem 404 kann eingerichtet sein zum Detektieren des vom Lichtemissionssystem 402 emittierten Lichts (aus dem Sichtfeld 406) .
Das Lichtemissionssystem 402 kann eingerichtet sein zum Emittieren eines Lichtsignals, z.B. eines Lichtsignals, das einen oder mehrere Lichtpulse aufweist. Das Lichtemissionssystem 402 kann eine Lichtquelle 408 aufweisen, die eingerichtet ist zum Emittieren von Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge, beispielsweise im Infrarot- und/oder nahen Infrarotbereich, wie im Bereich von etwa 700 nm bis etwa 5000 nm, beispielsweise im Bereich von etwa 860 nm bis etwa 1600 nm, oder beispielsweise bei 905 nm oder 1550 nm. Die Lichtquelle 408 kann eingerichtet sein zum Emittieren von Licht in einer gepulsten Weise, beispielsweise kann die Lichtquelle 408 eingerichtet sein zum Emittieren von einem oder mehreren Lichtpulsen (z.B. einer Sequenz von Lichtpulsen). In einigen Aspekten kann die Lichtquelle 408 eine optoelektronische Lichtquelle (z.B. eine Laserquelle) aufweisen. Beispielsweise kann die Lichtquelle 408 eine oder mehrere lichtemittierende Dioden aufweisen. Als weiteres Beispiel kann die Lichtquelle eine oder mehrere Laserdioden aufweisen, z.B. eine oder mehrere kantenemittierende Laserdioden oder eine oder mehrere oberflächenemittierende Laserdioden. Die Lichtquelle 408 kann eingerichtet sein zum Emittieren von einem oder mehreren Laserpulsen, z.B. einer Sequenz von Laserpulsen.
Das Lichtemissionssystem 402 kann einen Lichtquellentreiber 410 (z.B. eine elektronische Treiberschaltung) aufweisen, der eingerichtet ist zum Steuern einer Emission von Licht von der Lichtquelle 408. Der Lichtquellentreiber 410 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen eines Ansteuersignals an die Lichtquelle 408, um eine Emission von Licht von der Lichtquelle 408 zu veranlassen (z.B. auszulösen oder zu starten).
In einigen Aspekten können Daten in einem emittierten Lichtsignal kodiert werden. Der Lichtquellentreiber 410 kann eingerichtet sein zum Steuern einer Emission von Licht von der Lichtquelle 408, um Daten in dem emittierten Licht zu kodieren, z.B. gemäß einem Datenkommunikationsprotokoll. Es können Datenkommunikationsprotokolle formuliert werden, die Informationen in der Amplitude und/oder der Pulsform zusätzlich zu den LIDAR-Abstandsmessungssignalen verwenden, um Daten (z.B. ID-Informationen, Datenverkehr oder Signalisierungsnachrichten) zu kodieren.
Die Aufgabe des Lichtemissionssystems 402 (hierin auch als Emitter bezeichnet) kann derart verstanden werden, dass es einen optischen Puls mit den gewünschten Eigenschaften bereitstellt. Unter anderem können die Dauer des Ausgangspulses, die Spitzenleistung des Pulses und die Pulsform für LIDAR-Anwendungen angepasst werden.
In einigen Aspekten kann das LIDAR-System 400 einen Taktsignalgenerator 412 aufweisen, der eingerichtet ist zum Generieren eines Taktsignals 414. Als Beispiel kann der Taktsignalgenerator 412 einen Oszillator und einen oder mehrere Phasenregelkreise aufweisen. Der Taktsignalgenerator 412 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen eines gemeinsamen Taktsignals 414 an das Lichtemissionssystem 402 und das Lichtdetektionssystem 404.
Der Lichtquellentreiber 410 kann eingerichtet sein zum Steuern der Emission von Licht von der Lichtquelle 408 gemäß (z.B. in Synchronisation mit) dem gemeinsamen Taktsignal 414. Dies kann einen synchronisierten Betrieb von Lichtemission und -detektion sowie eine vereinfachte Messung der Laufzeit des emittierten Lichts ermöglichen (wie in Bezug auf 1F und 1G beschrieben wurde).
In einigen Aspekten kann der Lichtquellentreiber 410 eingerichtet sein zum Empfangen eines Startsignals (start(t), siehe 1F und 1G), das anzeigt, dass die Emission von Licht angefangen werden soll. Der Lichtquellentreiber 410 kann das Startsignal von einem Schaltkreis oder Modul außerhalb des Lichtemissionssystems 402 empfangen, z.B. von einer Messsteuerungsschaltung des LIDAR-Systems 400. Der Lichtquellentreiber 410 kann eingerichtet sein zum Steuern der Emission von Licht von der Lichtquelle 408 in Reaktion auf das am Lichtquellentreiber 410 empfangene Startsignal. Das Startsignal kann mit dem gemeinsamen Taktsignal 414 synchronisiert sein. Nur als Beispiel kann eine steigende Flanke des Startsignals mit einer steigenden Flanke des gemeinsamen Taktsignals 414 synchronisiert sein (siehe auch 1G). Anschaulich kann der Treiber von außen durch ein elektrisches Signal getriggert werden, das eine synchronisierte Emission des optischen Pulses ermöglicht.
In einigen Aspekten können die Amplituden- und/oder Forminformationen, die durch die Rekonstruktion des am Lichtdetektionssystem 404 empfangenen Signals bereitgestellt werden, eine dynamische Anpassung der im LIDAR-System 400 implementierten Abstandsmessungsschemata ermöglichen. Die Verfügbarkeit von Amplitudeninformationen ermöglicht es, flexibel zu reagieren, basierend auf Messungen der Umgebungsbedingungen. Es kann möglich sein, die Systemeinstellungen über die Zeit anzupassen und adaptiv zu sein. Dies kann die Systemleistung, z.B. die Leistungseffizienz, verbessern oder das System vielseitiger und damit robuster in einer Vielzahl von Situationen machen.
Der Lichtquellentreiber 410 kann eingerichtet sein zum Steuern der Emission von Licht von der Lichtquelle 408 gemäß den vom Lichtdetektionssystem 404 bereitgestellten Amplituden- und/oder Forminformationen. Als Beispiel kann der Lichtquellentreiber 410 eingerichtet sein zum Steuern der Lichtquelle 408 derart, dass sie ein weiteres Lichtsignal mit erhöhter optischer Leistung emittiert, wenn die vom Lichtdetektionssystem 402 bereitgestellten Amplitudeninformationen anzeigen, dass die Amplitude des empfangenen Lichtsignals kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellenwert (oder mit reduzierter optischer Leistung, wenn die Amplitude über einem anderen Schwellenwert liegt). Diese Konfiguration kann sicherstellen, dass die Sicherheitsanforderungen erfüllt werden und gleichzeitig eine ausreichende optische Leistung zur Erkennung von Objekten (z.B. Hindernissen) im Sichtfeld 406 gewährleistet ist. Anschaulich kann eine amplitudenabhängige Leistungssteuerung implementiert werden. Das Lichtemissionssystem 402 kann mit einer Konfiguration beginnen, bei der nicht die volle optische Leistung emittiert wird (z.B. um eine Übersichtsaufnahme bereitzustellen). Nach der Identifizierung von Bereichen im Sichtfeld 406, die eine geringe empfangene Signalstärke (geringe Amplitude) haben, kann die Leistung für diese Bereiche im Sichtfeld 406 erhöht werden, um bessere Ergebnisse für die nächste Messung zu erhalten. Dieser adaptive Ansatz kann flexiblere Kompromisse zwischen Abstandsmessung/Signalintegrität und Stromverbrauch/Augensicherheit bereitstellen.
Als weiteres Beispiel kann die Verarbeitungsschaltung des Lichtdetektionssystems 404 eingerichtet sein zum Anpassen einer Anzahl von Signalmittelungszyklen basierend auf den Amplitudeninformationen. Anschaulich kann eine amplitudenabhängige Signalmittelung bereitgestellt werden. Die Amplitudeninformationen können verwendet werden, um die Anzahl der Signalmittelungszyklen am Detektor anzupassen, die zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses verwendet wird. Es kann ein Kompromiss zwischen Reichweite/Signalintegrität und Aktualisierungsrate vorgesehen werden.
Als weiteres Beispiel kann das Lichtemissionssystem 402 eingerichtet sein zum Steuern einer Emissionsrichtung des Lichts basierend auf den Amplitudeninformationen. Das Lichtemissionssystem 402 kann ein Strahllenkungselement (z.B. ein Flüssigkristall-Polarisationsgitter, LCPG) aufweisen und kann eingerichtet sein zum Steuern des Strahllenkungselements gemäß den Amplitudeninformationen. Anschaulich kann eine amplitudenabhängige Grobstrahlablenkung (LCPG-Steuerung) bereitgestellt werden. Die Informationen über die empfangene Amplitude können verwendet werden, um das grobe Abtastmuster anzupassen, z.B. wie in LCPG-basierten Systemen verwendet. Es kann ein Kompromiss zwischen Reichweite/Signalintegrität und Sichtfeldabdeckung vorgesehen werden.
In ähnlicher Weise kann die Form des empfangenen Lichts (z.B. die Pulsform) dazu verwendet werden, die Umgebungsbedingungen oder das aktuelle Zielobjekt ferner zu analysieren, um die Systemeinstellungen im Laufe der Zeit anzupassen und adaptiv zu sein. Dies kann die Systemleistung verbessern, z.B. die Energieeffizienz, oder das System vielseitiger und damit robuster in einer Vielzahl von Situationen machen.
Es versteht sich, dass die in 4 in Bezug auf das Lichtemissionssystem 402 und das emittierte Lichtsignal beschriebenen Aspekte in gleicher oder ähnlicher Weise für ein Emissionssystem gelten können, das eingerichtet ist zum Emittieren eines anderen Signaltyps, z.B. für ein Ultraschallmodul, das eingerichtet ist zum Emittieren eines Ultraschallsignals, für ein RADAR-Modul, das eingerichtet ist zum Emittieren eines RADAR-Signals, usw.
5A zeigt ein LIDAR-System 500 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Das LIDAR-System 500 kann einen LIDAR-Emitter 502 und einen LIDAR-Empfänger 504 aufweisen. Das LIDAR-System 500 kann eine beispielhafte Implementierung des in 4 beschriebenen LIDAR-Systems 400 sein, der LIDAR-Emitter 502 kann eine beispielhafte Implementierung des in Bezug auf 4 beschriebenen Lichtemissionssystems 402 sein, und der LIDAR-Empfänger 404 kann eine beispielhafte Implementierung des in Bezug auf 1A-1E und 4 beschriebenen Detektionssystems 100, 402 sein.
Der LIDAR-Emitter 502 kann eine Laserquelle 506 aufweisen (z.B. ein Beispiel für die in 4 beschriebene Lichtquelle 408), um Licht in Richtung eines Sichtfeldes des LIDAR-Systems 500 zu emittieren, z.B. in Richtung eines Objekts 508 im Sichtfeld. Das LIDAR-System 500 kann eine Emitter-Optik-Anordnung 510 (z.B. eine oder mehrere Linsen, Spiegel, usw.) aufweisen, die eingerichtet ist zum Richten des von der Laserquelle 506 emittierten Lichts auf das Sichtfeld.
Der LIDAR-Emitter 502 kann einen Treiber 512 (z.B. ein Beispiel für den in 4 beschriebenen Lichtquellentreiber 410) aufweisen, der eingerichtet ist zum Steuern der Emission von Laserlicht von der Laserquelle 506. Der Treiber 512 kann eingerichtet sein zum Empfangen eines Startsignals 514 (start(t)) von einer externen Schaltung, z.B. einer Messsteuerungsschaltung 516 (hierin auch als Messsteuerungseinheit bezeichnet).
Auf der Empfängerseite kann das LIDAR-System 500 eine Empfänger-Optik-Anordnung 518 (z.B. eine oder mehrere Linsen, Spiegel, usw.) aufweisen, die eingerichtet ist zum Sammeln von Licht aus dem Sichtfeld (z.B. von Licht, das von dem Objekt 508 reflektiert wurde) und zum Richten des gesammelten Lichts auf den LIDAR-Empfänger 504.
Der LIDAR-Empfänger 504 kann einen Detektor 520 (z.B. ein Beispiel für den in 1A-1E und 2A beschriebenen Detektor 102, 201) aufweisen, der eingerichtet ist zum Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals 526 (s(t)). Der Detektor 520 kann eine Photodiode 522, die eingerichtet ist zum Generieren eines Stromsignals als Reaktion auf das auf die Photodiode auftreffende Lichtsignal, und einen Verstärker 524 (z.B. einen Transimpedanzverstärker), der eingerichtet ist zum Verstärken des Stromsignals und zum Umwandeln desselben in ein Spannungssignal, um das empfangene Lichtsignal 526 (s(t)) bereitzustellen, aufweisen.
Der LIDAR-Empfänger 504 kann eine Verarbeitungsschaltung 528 (z.B. ein Beispiel für die in 1A bis 2F beschriebene Verarbeitungsschaltung 106, 250) aufweisen, die eingerichtet ist zum Verarbeiten des empfangenen Lichtsignals 526. Die Verarbeitungsschaltung 528 kann eine Analog-Signalverarbeitung-Stufe 530 und eine Digital-Signalverarbeitung-Stufe 532 (hierin auch als Digital-Signalverarbeitung-Einheit bezeichnet) aufweisen. Die Analog-Signalverarbeitung-Stufe 530 kann ein Beispiel für die Quantisierungsstufe 120, 220 und die Kodierungsstufe 130, 230 sein, die in Bezug auf die 1A bis 2F beschrieben wurden. Die Digital-Signalverarbeitung-Stufe 532 kann ein Beispiel für die in Bezug auf 1A bis 2F beschriebene Digitalisierungsstufe 140, 240 sein.
Die Analog-Signalverarbeitung-Stufe 530 kann ein Vergleicher-Array 534 aufweisen, das eingerichtet ist zum Bereitstellen einer quantisierten Repräsentation des empfangenen Lichtsignals 526. Die Ausgabe mindestens eines der Vergleicher des Vergleicher-Arrays 534 kann als Stoppsignal 536 (stop(t)) zum Stoppen der Laufzeitmessung bereitgestellt werden. Die Analog-Signalverarbeitung-Stufe 530 kann eine Signalkodierungsstufe 538 aufweisen, die eingerichtet ist zum Kodieren der quantisierten Repräsentation des empfangenen Lichtsignals und zum Bereitstellen eines kodierten Signals 540 (enc(t)) an die Digital-Signalverarbeitung-Stufe 532.
Die Digital-Signalverarbeitung-Stufe 532 kann eine Grob-Zeit-Digital-Umwandlungsstufe 542 und eine Fein-Zeit-Digital-Umwandlung-und-Signalerfassungsstufe 544 aufweisen (z.B. ein Beispiel für die erste und zweite Zeit-Digital-Umwandlungsstufe 244, 246, die in Bezug auf 2F beschrieben wurden). Die Digital-Signalverarbeitung-Stufe 532 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen eines rekonstruierten Signals 546 ŝ(k), das eine rekonstruierte Repräsentation des empfangenen Lichtsignals bereitstellt. Die Digital-Signalverarbeitung-Stufe 532 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen eines Zeitmesssignals 548, das repräsentativ für eine mit dem emittierten/empfangenen Lichtsignal assoziierte Laufzeit ist.
5B zeigt eine beispielhafte Implementierung der Analog-Signalverarbeitung-Stufe 530 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten.
Das Vergleicher-Array 534 kann eine Mehrzahl von Vergleichern aufweisen, z.B. ersten bis L-ten Vergleicher 534-1, 534-2, ..., 534-L in der Konfiguration in 5B, die jeweils mit einem jeweiligen Referenzwert von einer Mehrzahl von Referenzwerten assoziiert sind, z.B. ersten bis L-ten Referenzwert 550-1, 550-2,...,550-L (ref₁(t), ref₂ (t) ,..., ref_L(t)). Die Mehrzahl von Vergleichern kann eine Mehrzahl von quantisierten Signalen als Ausgaben bereitstellen, z.B. erstes bis L-tes quantisiertes Signal 552-1, 552-2,...552-L (q₁(t), q₂(t) ,..., q_L(t)). Eine der Ausgaben der Vergleicher kann als Stoppsignal 536 stop(t) bereitgestellt werden, z.B. die erste Ausgabe 552-1 des ersten Vergleichers 534-1 (z.B. des Vergleichers mit dem kleinsten assoziierten Referenzwert, als Beispiel).
Die Signalkodierungsstufe 538 kann eine Addierstufe 554 (z.B. ein Beispiel der in Bezug auf 2C beschriebenen Addierstufe 232) aufweisen, die eingerichtet ist zum Bereitstellen eines Summensignals 556 (sum(t)) mittels Addierens der Ausgaben der Vergleicher. Die Signalkodierungsstufe 538 kann eine Differentiationsstufe 558 (z.B. ein Beispiel der in Bezug auf 2D beschriebenen Differentiationsstufe 234) aufweisen, die eingerichtet ist zum Differenzieren des Summensignals 556, um ein kumuliertes differentielles Signal 560 (diff(t)) bereitzustellen, z.B. kann die Differentiationsstufe 558 als eine Hochpass-Filterstufe verstanden werden. Die Signalkodierungsstufe 538 kann eine Polaritätsabspaltung-und-Gleichrichtungsstufe 562 (z.B. ein Beispiel der in Bezug auf 2E beschriebenen Gleichrichterstufe 236) aufweisen, die eingerichtet ist zum Bereitstellen des kodierten Signals 540, z.B. mittels Abspaltens und Gleichrichtens des kumulierten differentiellen Signals 560. Das kodierte Signal 540 kann ein erstes kodiertes Signal 540p (mit ersten kodierten Signalwerten) und ein zweites kodiertes Signal 540n (mit zweiten kodierten Signalwerten) aufweisen, wie oben beschrieben wurde.
5C zeigt eine beispielhafte Implementierung der Digital-Signalverarbeitung-Stufe 532 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten.
Die Grob-TDC-Stufe kann das Startsignal 514 (start(t)), das Stoppsignal 536 (stop(t)) und ein Taktsignal 564 empfangen und kann das Grobzeitmesssignal 566 basierend auf dem Startsignal 514, dem Stoppsignal 536 und dem Taktsignal 564 bereitstellen. Das Grobzeitmesssignal 566 kann eine Anzahl von Taktzyklen (N_coarse(t)) zwischen dem Startsignal 514 und dem Stoppsignal 536 aufweisen.
Die Fein-TDC-Stufe 544 kann das Stoppsignal 536 und das Taktsignal 564 empfangen und kann das Feinzeitmesssignal 568 basierend auf dem Stoppsignal 536 und dem Taktsignal 564 bereitstellen. Das Feinzeitmesssignal 568 kann eine Anzahl N_fine von elementaren Zeiteinheiten (mit einer vorgegebenen Zeitdauer) aufweisen, die die Feinzeit T_fine repräsentieren.
Die Digital-Signalverarbeitung-Stufe 532 kann eine Laufzeitberechnungsstufe 570 aufweisen, die eingerichtet ist zum Empfangen des Grobzeitmesssignals 566 und des Feinzeitmesssignals 568 und zum Berechnen der mit dem emittierten/empfangenen Lichtsignal assoziierten Laufzeit basierend auf dem Grobzeitmesssignal 566 und dem Feinzeitmesssignal 568. Die Laufzeitberechnungsstufe 570 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen des Messsignals 548, das die ermittelte Laufzeit repräsentiert.
Die Fein-TDC-Stufe 544 kann ferner das kodierte Signal 540 (z.B. das erste und zweite kodierte Signal 540p, 540n) empfangen und kann eingerichtet sein zum Ausführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals, um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen (z.B. ein digitalisiertes Signal, das ein erstes digitalisiertes Signal 574p p̂(k) und ein zweites digitalisiertes Signal 574n n̂(k) aufweist).
Optional kann die Digital-Signalverarbeitung-Stufe 532 eine Signalrekonstruktionsstufe 576 aufweisen, die eingerichtet ist zum Bereitstellen des rekonstruierten Signals 546 ŝ(k) , das das rekonstruierte empfangene Lichtsignal repräsentiert, basierend auf dem ersten digitalisierten Signal 574p p̂(k) und dem zweiten digitalisierten Signal 574n n̂(k).
5D zeigt eine weitere beispielhafte Implementierung der Digital-Signalverarbeitung-Stufe 532 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten.
In der in 5D gezeigten Konfiguration ist es veranschaulicht, dass die Grobstufe 542 und die Feinstufe 544 zwei „Unterstufen“ zur Durchführung der jeweiligen Grob- und Feinzeitmessung aufweisen können.
Die Grobstufe 542 kann eine Grob-Start-und-Stopp-Generierungsstufe 580 aufweisen, die eingerichtet ist zum Generieren interner digitaler Signale, z.B. eines groben digitalen Startsignals 582 (start_coarse(t)) und eines groben digitalen Stoppsignals 584 (stop_coarse(t)), um die grobe TDC-Messung zu starten und zu stoppen. Die Grobstufe 542 kann eine Grobmessstufe 586 aufweisen, die eingerichtet ist zum Bereitstellen des Grobmesssignals 566 basierend auf den internen digitalen Start- und Stoppsignalen 582, 584.
Die Feinstufe 544 kann eine Fein-Start-und-Stopp-Generierungsstufe 588 aufweisen, die eingerichtet ist zum Generieren interner digitaler Signale, z.B. eines digitalen Fein-Startsignals 590 (start_fine(t)) und eines digitalen Fein-Stoppsignals 592 (stop_fine(t)), um die feine TDC-Messung zu starten und zu stoppen. Die Feinstufe 544 kann eine Feinmessstufe 594 aufweisen, die eingerichtet ist zum Bereitstellen des Feinmesssignals 568 basierend auf den internen digitalen Start- und Stoppsignalen 590, 592.
5E zeigt eine weitere beispielhafte Implementierung der Feinstufe 544 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten.
In der in 5E gezeigten Konfiguration ist es veranschaulicht, dass die Feinmessstufe eine Mehrzahl von Unterstufen (z.B. zwei Feinmess-Unterstufen 594-1, 594-2) für die Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals 540 aufweisen kann, z.B. für den Fall, dass das kodierte Signal 540 als zwei separate Signale 540p, 540n bereitgestellt wird. Eine erste Unterstufe 594-1 kann mit der Zeit-Digital-Umwandlung des ersten kodierten Signals 540p assoziiert sein, um das erste digitalisierte Signal 574p p̂(k) bereitzustellen, und eine zweite Unterstufe 594-2 kann mit der Zeit-Digital-Umwandlung des zweiten kodierten Signals 540n assoziiert sein, um das zweite digitalisierte Signal 574n n̂(k) bereitzustellen.
6 zeigt eine angezapfte Verzögerungsleitung 600 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Die angezapfte Verzögerungsleitung 600 kann eine beispielhafte Implementierung einer Zeit-Digital-Umwandlungsstufe sein, z.B. einer Feinstufe (z.B. der in 2F und 5C bis 5E beschriebenen Feinstufe 246, 594, 594-1, 594-2).
Im Allgemeinen können TDCs analog oder digital implementiert werden. Analoge Ansätze verwenden Zeitverstärker (TA) oder Zeit-Spannungs-Wandler (TVC), um eine hohe Auflösung zu erreichen, aber diese Methoden sind Silizium-Flächenverbrauchend und haben im Vergleich zu digitalen Ansätzen höhere Kosten, eine geringere Umwandlungsrate und einen höheren Stromverbrauch. Bei einem digitalen TDC kann eine hohe Auflösung erreicht werden mittels der Gate-Verzögerung der Verzögerungszelle als Quantisierungsschritt des TDCs. Für die Implementierung eines digitalen TDCs können verschiedene Strukturen vorgesehen werden, wie eine einstufige lineare Verzögerungsleitung, die einen großen Wertebereich auf Kosten der Chipfläche erreichen kann, ein Phasenregelkreis (PLL) und ein Verzögerungsregelkreis (DLL) oder eine Vernier-Verzögerungsleitung (VDL), die zwar eine ausgezeichnete Auflösung bereitstellen können, aber auch eine große Chipfläche benötigen, wenn ein großer Wertebereich erreicht werden soll. Ein DLL kann Stabilität und eine schnelle Verriegelungszeit bereitstellen.
In der beispielhaften Konfiguration in 6 ist ein TDC als angezapfte Verzögerungsleitung bereitgestellt. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Konfigurationen möglich sind, wie oben beschrieben wurde.
Die angezapfte Verzögerungsleitung 600 kann K kaskadierte Verzögerungselemente 602-1, 602-2, ..., 602-k aufweisen, deren Eingaben in D-Flip Flops (DFFs) 604-1, 604-2, ..., 604-K gespeichert sind. Anschaulich kann die angezapfte Verzögerungsleitung 600 so viele DFFs wie Verzögerungselemente aufweisen. Jedes Verzögerungselement kann mit seinem assoziierten DFF umgruppiert werden, um eine Elementarzelle des TDCs zu bilden. Die Anzahl K der Elementarzellen kann in Abhängigkeit von der Taktperiode Tclk sowie von der Ausbreitungszeit T_d des Verzögerungselements gewählt werden. Die Anzahl K kann als das Verhältnis zwischen der Taktperiode und der Ausbreitungszeit T_d ausgedrückt werden. Beispielsweise kann die Ausbreitungszeit T_d experimentell ermittelt werden.
In einigen Aspekten kann ein digitaler TDC in einer ASIC- oder FPGA-Vorrichtung implementiert werden. Beispielsweise können verschiedene Arten in ASICs implementiert werden, wie Zeitzähler, Oszillatoren, Pulsschrumpfer, Verzögerungsleitungen und Vernier-Leitungen. Der Designprozess einer ASIC-Vorrichtung kann jedoch teuer sein, vor allem, wenn er in kleinen Stückzahlen hergestellt wird, während FPGAs die Entwicklungskosten senken und mehr Flexibilität beim Design bieten. Andererseits kann das Design von hochauflösenden TDCs mit FPGAs vor allem aufgrund der FPGA-Slice-Struktur eingeschränkt sein. Obwohl es möglich ist, rekonfigurierbare Versionen von TDC-Oszillatoren und Zeitzählern zu implementieren, sind diese aufgrund der geringen Auflösung oder der hohen Kalibrierungsanforderungen nur begrenzt einsetzbar.
Bei einer angezapften-Verzögerungsleitung-TDC-Implementierung kann die Übertragskette in FPGAs anstelle von Invertern oder Puffern verwendet werden, da sie die einzige Struktur mit einem dedizierten Routingpfad ist, d.h. das Signal wird nicht durch die Schaltboxen geleitet, und sie ist die Struktur mit der geringsten Verzögerung. Darüber hinaus kann das Routing unabhängig vom Kompilator erfolgen, was die Verzögerung bei jedem Kompilierungslauf stabil macht. Die Haupteinschränkungen können diejenigen sein, die mit der FPGA-Slice-Struktur verknüpft sind: die Clock-Domains, Clock-Slew und Slack, die Carry-Look-Ahead und die ungleichmäßige Verzögerung zwischen und innerhalb der Carry-Slices. FPGA-basierte angezapfte-Verzögerungsleitung-TDC-Implementierungen können jedoch eine Auflösung im Sub-Nanosekundenbereich bis hin zu einigen Pikosekunden bieten, was für LIDAR-Anwendungen geeignet ist.
Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird eine angepasste TDC-basierte LIDAR-Architektur bereitgestellt, die in der Lage ist, Amplituden- und Pulsform-Informationen zu erfassen und so im Wesentlichen die Vorteile eines TDC und einer Vollwellenform-Abtastlösung zu kombinieren. Die Ausgabe eines Vergleicher-Arrays kann derart kodiert werden, dass sie von zwei parallelen TDC-Stufen erfasst werden kann, die möglicherweise durch Verzögerungsleitungen realisiert werden und in der Lage sind, Hochgeschwindigkeitssignale im Sub-Nanosekundenbereich zu erfassen. Die Pulsform kann nachfolgend aus dem von den beiden TDC-Stufen erfassten Muster rekonstruiert werden. In einigen Aspekten ist eine vereinfachte Lösung vorgesehen, die nur eine einzige TDC-Stufe erfordert, was eine Inferenz der Pulsform unter Berücksichtigung von Kenntnis über typische LIDAR-Muster als Hilfsinformation ermöglicht.
Mittels des hierin beschriebenen Ansatzes ist es möglich, Informationen über die Amplitude und die Pulsform eines detektierten Signals zu erfassen. Dies kann verschiedene Vorteile bieten, wie oben beschrieben wurde, und der Walk-Error einer Laufzeitmessung kann reduziert werden mittels Verwendens der erfassten Pulsform zur Verfeinerung der Laufzeitmessung, um eine verbesserte Abstandsmessungsleistung zu erzielen.
Die vorgeschlagene Architektur ermöglicht eine kostengünstige Implementierung mit geringer Komplexität (insbesondere im Vergleich zu Lösungen mit vollständiger Wellenformabtastung mittels Hochgeschwindigkeits-ADCs). Die Lösung kann unter Berücksichtigung praktischer Aspekte wie der Aufteilung des TDC in eine Grob- und eine Feinstufe implementiert werden, die für Implementierungen mit FPGAs geeignet ist, die in der Technik bekannt sind. In einigen Aspekten kann der angepasste TDC-Ansatz mit Korrelationsempfängerkonzepten kombiniert werden, was eine robustere Signaldetektion ermöglicht (z.B. bei starkem Hintergrundrauschen). Multi-Hit-Fähigkeiten können hinzugefügt werden.
Zur Veranschaulichung verwendet die vorgeschlagene Architektur im Wesentlichen ein TDC-Schema nicht nur zum Ermitteln der Laufzeit, sondern auch zum Erfassen von Amplituden- und Pulsforminformationen, die von einem Array von Vergleichern bereitgestellt werden. Die Lösung lässt sich anschaulich in die folgenden Stufen unterteilen: (1) Quantisierungsstufe (z.B. die Quantisierungsstufe 120, 220) : ein Array von parallelen Vergleichern kann verwendet werden, um die Amplitude des detektierten Signals zu quantifizieren (einer der Vergleicher kann auch verwendet werden, um das Signal zu erzeugen, das zum Stoppen der ToF-Messung verwendet wird). (2) Kodierungsstufe (Differentiation, z.B. die Kodierungsstufe 130, 230) : das quantifizierte Signal wird durch Differentiation kodiert, z.B. werden die im quantifizierten Signal gefundenen differentiellen Inkremente und Dekremente in geeigneter Weise kodiert. (3) Signalerfassungsstufe mit TDC (z.B. die Digitalisierungsstufe 140, 240) : das kodierte Signal wird mit zwei parallelen TDC-Stufen erfasst, die möglicherweise durch eine angezapfte Verzögerungsleitung realisiert werden und in der Lage sind, Hochgeschwindigkeitssignale im Sub-Nanosekundenbereich zu erfassen. Alternativ dazu kann auch eine einzelne TDC-Stufe verwendet werden. Die TDC-Stufe(n) kann (können) durch Verzögerungsleitungen oder andere für die Implementierung von TDCs bekannte Mittel implementiert werden. (4) Signalrekonstruktion (Integration oder Inferenz): mittels des erfassten Signals kann die Pulsform rekonstruiert oder inferiert werden. Im Falle von zwei parallelen TDC-Stufen kann dies durch einfache Integration des erfassten, differenzierten Signals erreicht werden. Im Falle einer einzelnen TDC-Stufe kann die Pulsform mittels Kenntnis über typische LIDAR-Muster als Nebeninformation inferiert werden. (5) ToF-Verfeinerungsstufe: die abgeleitete Pulsform kann zur Verfeinerung der ToF verwendet werden, um den Walk-Error entweder durch eine Offset-Berechnung oder durch Anwendung von Korrelationsempfängerkonzepten zu verringern.
Empfangene LIDAR-detektierte-Signale können üblicherweise nur mit einigen groben Messungen kategorisiert werden. Die Suche nach sinnvollen Kategorien für LIDAR-detektierte-Signale kann anwendungsabhängig sein. Ein Beispiel für Pulsform-Kategorien, die gefunden wurden, um Rückschlüsse auf die Pulsform-Eigenschaften des Objekts zu ziehen, wurde in 3A bis 3D dargestellt. Andere sinnvolle Möglichkeiten zur Kategorisierung von LIDARdetektierten-Signalen können die Wetterbedingungen aufweisen oder andere externe Faktoren berücksichtigen, wie die Umgebungshelligkeit. Normalerweise ist die Anzahl der benötigten Kategorien relativ gering. Insbesondere bei Kategorien, die basierend auf der Pulsform gefunden wurden, kann man davon ausgehen, dass die Pulse innerhalb der verschiedenen Kategorien unterschiedliche Merkmale aufweisen, die es dem System ermöglichen, sie voneinander zu unterscheiden. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass einige grobe Messungen in der Regel ausreichen, um die Kategorie eines bestimmten Pulses zu identifizieren.
Im Folgenden werden verschiedene Aspekte dieser Offenbarung erklärt.
Beispiel 1 ist ein Detektionssystem aufweisend: einen Detektor eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Signals; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet zum: Bereitstellen einer Mehrzahl von quantisierten Signalen, wobei jedes quantisierte Signal mit einem jeweiligen Schwellenwert assoziiert ist, und wobei jedes quantisierte Signal repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals ist, in denen ein Signalpegel des empfangenen Signals größer ist als der jeweilige Schwellenwert; Bereitstellen eines kodierten Signals basierend auf der Mehrzahl von quantisierten Signalen, wobei das kodierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals größer wird als einer der Schwellenwerte, und eine zweite Mehrzahl von zweiten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals kleiner wird als einer der Schwellenwerte; und Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals, um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen, wobei das digitalisierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten digitalisierten Werten aufweist, die mit den ersten kodierten Signalwerten assoziiert sind, und eine zweite Mehrzahl von zweiten digitalisierten Werten aufweist, die mit den zweiten kodierten Signalwerten assoziiert sind.
In Beispiel 2 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 1 optional ferner aufweisen, dass das empfangene Signal ein empfangenes Lichtsignal ist oder aufweist, und dass das Detektionssystem ein Lichtdetektionssystem ist.
In Beispiel 3 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 1 oder 2 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Vergleichen des Signalpegels des empfangenen Signals mit jedem Schwellenwert, um die Mehrzahl von quantisierten Signalen bereitzustellen.
In Beispiel 4 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 3 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eine Mehrzahl von Vergleichern aufweist, wobei jeder Vergleicher mit einem jeweiligen Schwellenwert assoziiert ist, und wobei jeder Vergleicher der Mehrzahl von Vergleichern eingerichtet ist zum Bereitstellen eines jeweiligen ersten Ausgangsignals, falls der Signalpegel des empfangenen Signals größer ist als der jeweilige Schwellenwert, und zum Bereitstellen eines jeweiligen zweiten Ausgangsignals, falls der Signalpegel des empfangenen Signals kleiner ist als der jeweilige Schwellenwert.
In Beispiel 5 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 4 optional ferner aufweisen, dass die Vergleicher der Mehrzahl von Vergleichern parallel miteinander geschaltet sind.
In Beispiel 6 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 4 oder 5 optional ferner aufweisen, dass die Referenzwerte, die mit verschiedenen Vergleichern der Mehrzahl von Vergleichern assoziiert sind, im Abstand voneinander linear sind oder im Abstand voneinander logarithmisch sind.
In Beispiel 7 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 4 bis 6 optional ferner aufweisen, dass die Mehrzahl von Vergleichern einen ersten Vergleicher, der mit einem ersten Referenzwert assoziiert ist, einen zweiten Vergleicher, der mit einem zweiten Referenzwert assoziiert ist, und einen dritten Vergleicher, der mit einem dritten Referenzwert assoziiert ist, aufweist, dass der dritte Referenzwert größer ist als der zweite Referenzwert, und dass der zweite Referenzwert größer ist als der erste Referenzwert, und dass eine Differenz zwischen dem dritten Referenzwert und dem zweiten Referenzwert gleich einer Differenz zwischen dem zweiten Referenzwert und dem ersten Referenzwert ist.
In Beispiel 8 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 4 bis 7 optional ferner aufweisen, dass die Mehrzahl von quantisierten Signalen eine Funktion der jeweiligen Ausgangssignale der Mehrzahl von Vergleichern ist.
In Beispiel 9 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 4 bis 8 optional ferner aufweisen, dass die Mehrzahl von Vergleichern mindestens einen hochverstärkenden Differenzverstärker aufweist.
In Beispiel 10 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 9 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Bereitstellen eines kumulierten Signals basierend auf der Mehrzahl von quantisierten Signalen und zum Differenzieren des kumulierten Signals, um ein kumuliertes differentielles Signal bereitzustellen, oder dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Differenzieren der quantisierten Signale der Mehrzahl von quantisierten Signalen, um eine Mehrzahl von differentiellen Signalen bereitzustellen, und zum Bereitstellen eines kumulierten differentiellen Signals mittels der Mehrzahl von differentiellen Signalen.
In Beispiel 11 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 4 bis 10 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Addieren der Ausgangssignale der Mehrzahl von Vergleichern, um das kumulierte Signal bereitzustellen, oder dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Addieren der differentiellen Signale, um das kumulierte differentielle Signal bereitzustellen.
In Beispiel 12 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 11 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung mindestens einen Operationsverstärker aufweist, der eingerichtet ist zum Empfangen der Ausgangssignale der Mehrzahl von Vergleichern und zum Addieren der Ausgangssignale miteinander.
In Beispiel 13 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 10 bis 12 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Differenzieren des kumulierten Signals mittels Zuweisens eines ersten differentiellen Wertes zu den Abschnitten des kumulierten Signals, in denen das kumulierte Signal ansteigt, und eines zweiten differentiellen Wertes zu den Abschnitten des kumulierten Signals, in denen das kumulierte Signal abfällt.
In Beispiel 14 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 13 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung ferner eingerichtet ist zum Differenzieren des kumulierten Signals mittels Zuweisens eines dritten differentiellen Wertes zu den Abschnitten des kumulierten Signals, in denen das kumulierte Signal im Wesentlichen flach ist.
In Beispiel 15 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 10 bis 14 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung einen Hochpassfilter aufweist, der eingerichtet ist zum Empfangen des kumulierten Signals und zum Ausgeben des kumulierten differentiellen Signals, oder dass die Verarbeitungsschaltung eine Mehrzahl von Hochpassfiltern aufweist, die eingerichtet sind zum Empfangen der Mehrzahl von quantisierten Signalen und zum Ausgeben einer jeweiligen Mehrzahl von differentiellen Signalen.
In Beispiel 16 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 10 bis 15 optional ferner aufweisen, dass das kumulierte differentielle Signal einen oder mehrere erste differentielle Werte und einen oder mehrere zweite differentielle Werte aufweist, und dass der eine erste differentielle Wert oder die mehreren ersten differentiellen Werte eine entgegengesetzte Polarität in Bezug auf die einen oder mehreren zweiten differentiellen Werte haben.
In Beispiel 17 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 16 optional ferner aufweisen, dass der eine erste differentielle Wert oder die mehreren ersten differentiellen Werte eine positive Polarität haben, und dass der eine zweite differentielle Wert oder die mehreren zweiten differentiellen Werte eine negative Polarität haben.
In Beispiel 18 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 16 oder 17 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Zuweisen einer ersten Kombination von Binärsymbolen zu jedem ersten differentiellen Wert, einer zweiten Kombination von Binärsymbolen zu jedem zweiten differentiellen Wert und einer dritten Kombination von Binärsymbolen zu jedem dritten differentiellen Wert.
In Beispiel 19 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 17 oder 18 optional ferner aufweisen, dass das Bereitstellen des kodierten Signals das Bereitstellen einer Sequenz aufweisen kann, die die ersten Kombinationen von Binärsymbolen, die zweiten Kombinationen von Binärsymbolen und die dritten Kombinationen von Binärsymbolen aufweist.
In Beispiel 20 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 10 bis 19 optional ferner aufweisen, dass das Bereitstellen des kodierten Signals ein Gleichrichten des kumulierten differentiellen Signals aufweist.
In Beispiel 21 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 20 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eine oder mehrere Gleichrichterdioden aufweist, die eingerichtet sind zum Empfangen des kumulierten differentiellen Signals und zum Ausgeben des kodierten Signals.
In Beispiel 22 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 20 oder 21 optional ferner aufweisen, dass die ersten kodierten Signalwerte mit dem einen oder den mehreren ersten differentiellen Werten assoziiert sind, und dass die zweiten kodierten Signalwerte mit dem einen oder den mehreren zweiten differentiellen Werten assoziiert sind.
In Beispiel 23 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 22 optional ferner aufweisen, dass die ersten kodierten Signalwerte ein erstes unipolares Signal bilden, das die gleichgerichteten ein oder mehreren ersten differentiellen Werte aufweist, dass die zweiten kodierten Signalwerte ein zweites unipolares Signal bilden, das die gleichgerichteten ein oder mehreren zweiten differentiellen Werte aufweist, und dass die gleichgerichteten ein oder mehreren ersten differentiellen Werte eine gleiche Polarität wie die gleichgerichteten ein oder mehreren zweiten differentiellen Werte haben.
In Beispiel 24 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 23 optional ferner aufweisen, dass die gleichgerichteten ein oder mehreren ersten differentiellen Werte und die gleichgerichteten ein oder mehreren zweiten differentiellen Werte eine positive Polarität haben.
In Beispiel 25 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 22 bis 24 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Verzögern des ersten unipolaren Signals und des zweiten unipolaren Signals in Bezug aufeinander.
In Beispiel 26 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 22 bis 25 optional ferner aufweisen, dass das Durchführen der Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals ein Umwandeln des ersten unipolaren Signals in ein erstes digitalisiertes Signal aufweist, wobei das erste digitalisierte Signal die ersten digitalisierten Werte aufweist, und dass das Durchführen der Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals ein Umwandeln des zweiten unipolaren Signals in ein zweites digitalisiertes Signal aufweist, wobei das zweite digitalisierte Signal die zweiten digitalisierten Werte aufweist.
In Beispiel 27 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 26 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eine oder mehrere Zeit-Digital-Umwandlungsstufen aufweist, die eingerichtet sind zum Empfangen des kodierten Signals und zum Durchführen der Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals.
In Beispiel 28 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 4 und 27 optional ferner aufweisen, dass mindestens eine Zeit-Digital-Umwandlungsstufe, die die Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals ausführt, mit allen Vergleichern der Mehrzahl von Vergleichern assoziiert sein kann.
In Beispiel 29 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 27 oder 28 optional ferner aufweisen, dass die eine oder mehreren Zeit-Digital-Umwandlungsstufen mindestens eine erste Zeit-Digital-Umwandlungsstufe und eine zweite Zeit-Digital-Umwandlungsstufe aufweisen, die parallel zueinander arbeiten.
In Beispiel 30 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 27 bis 29 optional ferner aufweisen, dass mindestens eine Zeit-Digital-Umwandlungsstufe der einen oder mehreren Zeit-Digital-Umwandlungsstufen eine angezapfte Verzögerungsleitung aufweist.
In einigen Aspekten können die eine oder mehreren Zeit-Digital-Umwandlungsstufen mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), ein Universalschaltkreis (FPGA) oder eine FPGA-basierte angezapfte Verzögerungsleitung aufweisen.
In Beispiel 31 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 30 optional ferner aufweisen, dass die angezapfte Verzögerungsleitung eine Mehrzahl von D-Flip-Flops und eine Mehrzahl von Verzögerungselementen aufweist, und dass jedes Verzögerungselement der Mehrzahl von Verzögerungselementen mit einem jeweiligen D-Flip-Flop der Mehrzahl von D-Flip-Flops assoziiert ist.
In Beispiel 32 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 31 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Ermitteln von Amplitudeninformationen, die mit dem empfangenen Signal assoziiert sind, mittels Kombinierens der einen oder mehreren ersten digitalisierten Werte mit den einen oder mehreren zweiten digitalisierten Werten.
In Beispiel 33 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 32 optional ferner aufweisen, dass der eine oder die mehreren ersten digitalisierten Werte einen ersten logischen Wert entsprechend den Abschnitten, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals größer wird als einer der Schwellenwerte, die mit den quantisierten Signalen assoziiert sind, und einen zweiten logischen Wert entsprechend den übrigen Abschnitten des empfangenen Signals haben, und dass der eine oder die mehreren zweiten digitalisierten Werte den ersten logischen Wert entsprechend den Abschnitten, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals kleiner wird als einer der Schwellenwerte, die mit den quantisierten Signalen assoziiert sind, und den zweiten logischen Wert entsprechend den übrigen Abschnitten des empfangenen Signals haben.
In Beispiel 34 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 33 optional ferner aufweisen, dass der erste logische Wert eine logische 1 ist und der zweite logische Wert eine logische 0 ist.
In Beispiel 35 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 33 oder 34 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Ermitteln von mit dem empfangenen Signal assoziierten Amplitudeninformation mittels Kombinierens des einen oder der mehreren ersten digitalisierten Werte mit dem einen oder den mehreren zweiten digitalisierten Werten, um ein kumuliertes Summationssignal bereitzustellen.
In Beispiel 36 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 35 optional ferner aufweisen, dass das Bereitstellen des kumulierten Summationssignals ein Inkrementieren eines kumulierten Signalwerts entsprechend jedem ersten logischen Wert des einen oder der mehreren ersten digitalisierten Werte und ein Dekrementieren des kumulierten Signalwerts entsprechend jedem ersten logischen Wert des einen oder der mehreren zweiten digitalisierten Werte aufweist.
In Beispiel 37 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 36 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Ermitteln von Amplitudeninformationen, die mit dem empfangenen Signal assoziiert sind, mittels Zuweisens eines Referenzwert aus der Mehrzahl der Referenzwerte, die mit der Mehrzahl von Vergleichern assoziiert sind, zu jedem kumulierten Signalwert.
In Beispiel 38 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 35 bis 37 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Rekonstruieren der Form des empfangenen Signals mittels mindestens eines von dem digitalisierten Signal und/oder dem kumulierten Summationssignal.
In Beispiel 39 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 38 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Rekonstruieren der Form des empfangenen Signals mittels Vergleichens des kumulierten Summationssignals mit einer Mehrzahl von bekannten kumulierten Summationssignalen. Zusätzlich oder alternativ kann die Verarbeitungsschaltung eingerichtet sein zum Rekonstruieren der Form des empfangenen Signals mittels Vergleichens des digitalisierten Signals mit einer Mehrzahl von bekannten digitalisierten Signalen.
In Beispiel 40 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 39 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Ermitteln einer mit dem empfangenen Signal assoziierten Laufzeit.
In Beispiel 41 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 40 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Empfangen eines Taktsignals und zum Ermitteln der mit dem empfangenen Signal assoziierten Laufzeit gemäß dem Taktsignal.
In Beispiel 42 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 40 oder 41 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Empfangen eines Startsignals, das einen Beginn einer Emission des empfangenen Signals anzeigt, und zum Ermitteln der mit dem empfangenen Signal assoziierten Laufzeit gemäß dem Startsignal.
In Beispiel 43 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 40 bis 42 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Ermitteln der mit dem empfangenen Signal assoziierten Laufzeit mittels des Ausgangssignals von mindestens einem Vergleicher der Mehrzahl von Vergleichern.
In Beispiel 44 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 43 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Verwenden des Ausgangssignals des mindestens einen Vergleichers als Stoppsignal zum Stoppen einer Laufzeitmessung.
In Beispiel 45 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 43 oder 44 optional ferner aufweisen, dass der mit dem mindestens einen Vergleicher assoziierte Referenzwert der kleinste Referenzwert unter den mit der Mehrzahl von Vergleichern assoziierten Referenzwerten ist.
In Beispiel 46 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 40 bis 45 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung mindestens eine Grob-Zeit-Digital-Umwandlungsstufe, die eingerichtet ist zum Bereitstellen einer Grobmessdauer der mit dem empfangenen Signal assoziierten Laufzeit, und eine Fein-Zeit-Digital-Umwandlungsstufe, die eingerichtet ist zum Bereitstellen einer Feinmessdauer der mit dem empfangenen Signal assoziierten Laufzeit, aufweist.
In Beispiel 47 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 46 optional ferner aufweisen, dass die Grob-Zeit-Digital-Umwandlungsstufe eingerichtet ist zum Bereitstellen einer Grobzeitmessdauer basierend auf einer ganzzahligen Anzahl von Taktzyklen des Taktsignals. Beispielsweise kann die Grobzeitmessdauer eine ganzzahlige Anzahl von Taktzyklen zwischen dem Startsignal und dem Stoppsignal aufweisen.
In Beispiel 48 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 46 oder 47 optional ferner aufweisen, dass die Fein-Zeit-Digital-Umwandlungsstufe eingerichtet ist zum Bereitstellen einer Feinzeitmessdauer basierend auf dem Stoppsignal und auf einem Referenzpunkt des Taktsignals. Beispielsweise kann der Referenzpunkt des Taktsignals eine positive Flanke oder eine negative Flanke des auf das Stoppsignal folgenden Taktzyklus aufweisen.
In Beispiel 49 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 46 bis 48 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Ermitteln der Laufzeit basierend auf der Grobzeitmessdauer und der Feinzeitmessdauer. Beispielsweise kann die Verarbeitungsschaltung eingerichtet sein zum Ermitteln der Laufzeit als eine Differenz zwischen der Grobzeitmessdauer und der Feinzeitmessdauer.
In Beispiel 50 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 46 bis 49 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Fortsetzen des Erfassens des empfangenen Signals für eine vorbestimmte Zeitperiode nach dem Stoppsignal.
In Beispiel 51 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 50 optional ferner aufweisen, dass die vorbestimmte Zeitperiode die Feinzeitmessdauer und eine vorbestimmte Anzahl von Taktzyklen des Taktsignals aufweist.
In Beispiel 52 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 40 bis 51 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Anpassen eines Ergebnisses der Laufzeitmessung mittels der rekonstruierten Form des empfangenen Signals.
In Beispiel 53 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 52 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Identifizieren von einen oder mehreren relevanten Abschnitten in der rekonstruierten Form des empfangenen Signals basierend auf einer bekannten Form des empfangenen Signals und zum Ermitteln von einen oder mehreren jeweiligen Zeitoffsets zwischen dem Beginn der Laufzeitmessung und jedem der einen oder mehreren relevanten Abschnitte.
In Beispiel 54 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 53 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Anpassen des Ergebnisses der Laufzeitmessung mittels der einen oder mehreren ermittelten Zeitoffsets.
In Beispiel 55 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 40 bis 54 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Anpassen der mit den quantisierten Signalen assoziierten Schwellenwerte basierend auf mindestens einem der Folgenden: einer mit dem empfangenen Signal assoziierten Laufzeit, einer rekonstruierten Form des empfangenen Signals und/oder einer oder mehrerer Umweltbedingungen.
In Beispiel 56 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 55 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine diskrete digitale Schaltung, einen Universalschaltkreis (FPGA), einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor aufweist.
In Beispiel 57 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 2 bis 56 optional ferner aufweisen, dass der Detektor eingerichtet ist zum Empfangen eines Lichtsignals und zum Bereitstellen des empfangenen Signals, das das empfangene Lichtsignal repräsentiert.
In Beispiel 58 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 57 optional ferner aufweisen, dass der Detektor mindestens eine Photodiode aufweist, die eingerichtet ist zum Generieren eines analogen Signals als Reaktion auf ein auf die mindestens eine Photodiode auftreffendes Lichtsignal.
In Beispiel 59 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 58 optional ferner aufweisen, dass die mindestens eine Photodiode mindestens eine von einer PIN-Photodiode, einer Lawinen-Photodiode (APD), oder einem Silizium-Photomultiplizierer aufweist.
In Beispiel 60 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 58 oder 59 optional ferner aufweisen, dass der Detektor eine Verstärkerschaltung aufweist, die eingerichtet ist zum Verstärken des von der mindestens einen Photodiode generierten analogen Signals.
In Beispiel 61 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 60 optional ferner aufweisen, dass das von der mindestens einen Photodiode generierte analoge Signal ein analoges Signal eines ersten Typs ist, und die Verstärkerschaltung eingerichtet ist zum Umwandeln des analogen Signals des ersten Typs in ein analoges Signal eines zweiten Typs.
In Beispiel 62 kann das Detektionssystem gemäß Beispiel 61 optional ferner aufweisen, dass das analoge Signal des ersten Typs ein Strom ist oder einen Strom aufweist, und dass das analoge Signal des zweiten Typs eine Spannung ist oder aufweist.
In Beispiel 63 kann das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 60 bis 62 optional ferner aufweisen, dass die Verstärkerschaltung mindestens einen von einem logarithmischen Verstärker, einem Transimpedanzverstärker oder einem logarithmischen Transimpedanzverstärker aufweist.
Gemäß einem oder mehreren der obigen Beispiele kann die Verarbeitungsschaltung einen oder mehrere Korrelationsempfänger aufweisen, wobei jeder Korrelationsempfänger mit einer jeweiligen Referenzsignalsequenz (z.B. mit mindestens einer jeweiligen Referenzsignalsequenz von einer oder mehreren Referenzsignalsequenzen) assoziiert ist, wobei jeder Korrelationsempfänger eingerichtet ist zum Korrelieren mindestens eines von dem digitalisierten Signal und/oder dem kumulierten Summationssignal mit der jeweiligen Referenzsignalsequenz, um eine jeweilige Korrelationsausgabe (z.B. eine jeweilige Korrelationsausgabe von einer oder mehreren Korrelationsausgaben) bereitzustellen. Die Verarbeitungsschaltung kann eingerichtet sein zum (gemeinsamen) Verwenden der einen oder mehreren Korrelationsausgaben (die von dem einen oder den mehreren Korrelationsempfängern bereitgestellt werden), um das digitalisierte Signal und/oder das kumulierte Summationssignal mit (jeder von) der einen oder den mehreren Referenzsignalsequenzen zu vergleichen, und die Verarbeitungsschaltung kann eingerichtet sein zum Ermitteln von mit dem empfangenen Signal assoziierten Amplitudeninformationen und/oder zum Rekonstruieren der Form des empfangenen Signals und/oder zum Ermitteln einer mit dem empfangenen Signal assoziierten Laufzeit, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs (anschaulich basierend auf der Korrelation zwischen dem digitalisierten Signal und der einen oder den mehreren Referenzsignalsequenzen und/oder basierend auf der Korrelation zwischen dem kumulierten Summationssignal und der einen oder den mehreren Referenzsignalsequenzen).
Beispiel 64 ist ein LIDAR-System aufweisend: ein Lichtemissionssystem eingerichtet zum Emittieren eines Lichtsignals; und das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 2 bis 63, das eingerichtet ist zum Empfangen des emittierten Lichtsignals.
In Beispiel 65 kann das LIDAR-System gemäß Beispiel 64 optional ferner aufweisen, dass das LIDAR-System einen Taktsignalgenerator aufweist, der eingerichtet ist zum Generieren eines Taktsignals, und dass der Taktsignalgenerator eingerichtet ist zum Bereitstellen eines gemeinsamen Taktsignals an das Lichtemissionssystem und das Lichtdetektionssystem.
In Beispiel 66 kann das LIDAR-System gemäß Beispiel 64 oder 65 optional ferner aufweisen, dass das Lichtemissionssystem aufweist: eine Lichtquelle; und einen Lichtquellentreiber, der eingerichtet ist zum Steuern einer Lichtemission von der Lichtquelle.
In Beispiel 67 kann das LIDAR-System gemäß Beispiel 66 optional ferner aufweisen, dass der Lichtquellentreiber eingerichtet ist zum Steuern der Lichtemission von der Lichtquelle gemäß dem gemeinsamen Taktsignal.
In Beispiel 68 kann das LIDAR-System gemäß Beispiel 67 optional ferner aufweisen, dass der Lichtquellentreiber eingerichtet ist zum Steuern der Lichtemission von der Lichtquelle in Synchronisation mit dem gemeinsamen Taktsignal.
In Beispiel 69 kann das LIDAR-System gemäß Beispiel 68 optional ferner aufweisen, dass der Lichtquellentreiber eingerichtet ist zum Steuern der Lichtemission von der Lichtquelle in Reaktion auf ein am Lichtquellentreiber empfangenes Startsignal, und dass das Startsignal mit dem gemeinsamen Taktsignal synchronisiert ist.
In Beispiel 70 kann das LIDAR-System gemäß Beispiel 69 optional ferner aufweisen, dass eine steigende Flanke des Startsignals mit einer steigenden Flanke des gemeinsamen Taktsignals synchronisiert ist.
In Beispiel 71 kann das LIDAR-System gemäß einem der Beispiele 64 bis 70 optional ferner aufweisen, dass die Lichtquelle eine optoelektronische Lichtquelle aufweist.
In Beispiel 72 kann das LIDAR-System gemäß Beispiel 71 optional ferner aufweisen, dass die Lichtquelle mindestens eine oder mehrere lichtemittierende Dioden oder eine oder mehrere Laserdioden aufweist.
In Beispiel 73 kann das LIDAR-System gemäß Beispiel 72 optional ferner aufweisen, dass die Lichtquelle mindestens eine oder mehrere oberflächenemittierende Laserdioden oder eine oder mehrere kantenemittierende Laserdioden aufweist.
In Beispiel 74 kann das LIDAR-System gemäß einem der Beispiele 64 bis 73 optional ferner aufweisen, dass der Lichtquellentreiber eingerichtet ist zum Steuern der Lichtemission von der Lichtquelle gemäß den von dem Lichtdetektionssystem bereitgestellten Amplitudeninformationen und/oder Forminformationen.
In Beispiel 75 kann das LIDAR-System gemäß Beispiel 74 optional ferner aufweisen, dass der Lichtquellentreiber eingerichtet ist zum Steuern der Lichtquelle derart, dass sie ein weiteres Lichtsignal mit erhöhter optischer Leistung emittiert, wenn die vom Lichtdetektionssystem bereitgestellten Amplitudeninformationen anzeigen, dass die Amplitude des empfangenen Lichtsignals kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellenwert.
Beispiel 76 ist ein Detektionssystem aufweisend: einen Detektor eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Signals; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet zum: Kodieren der Form des empfangenen Signals basierend auf der Steigung des empfangenen Signals, um ein kodiertes Signal bereitzustellen, wobei das kodierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten kodierten Signalwerten, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen eine Steigung einer Tangente an das empfangene Signal positiv ist, und eine zweite Mehrzahl von zweiten kodierten Signalwerten, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen die Steigung der Tangente an das empfangene Signal negativ ist, aufweist; und Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals, um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen, wobei das digitalisierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten digitalisierten Werten aufweist, die mit den ersten kodierten Signalwerten assoziiert sind, und eine zweite Mehrzahl von zweiten digitalisierten Werten aufweist, die mit den zweiten kodierten Signalwerten assoziiert sind.
Beispiel 77 ist das Detektionssystem gemäß Beispiel 76, das eines oder einige oder alle Merkmale des Detektionssystems gemäß einem der Beispiele 1 bis 63 aufweist.
Beispiel 78 ist ein Detektionssystem aufweisend: einen Detektor, der eingerichtet ist zum Bereitstellen eines empfangenen Signals; und eine Verarbeitungsschaltung, die eingerichtet ist zum: Durchführen einer Signalpegel-zu-Zeit-Umwandlung des empfangenen Signals basierend auf einer Mehrzahl von Schwellenwerten, um ein kodiertes Signal bereitzustellen, wobei das kodierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen ein Signalpegel des empfangenen Signals größer wird als ein Schwellenwert der Mehrzahl von Schwellenwerten, und eine zweite Mehrzahl von zweiten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals kleiner wird als ein Schwellenwert der Mehrzahl von Schwellenwerten; und zum Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals, um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen, wobei das digitalisierte Signal einen oder mehrere erste digitalisierte Werte aufweist, die mit den ersten kodierten Signalwerten assoziiert sind, und einen oder mehrere zweite digitalisierte Werte aufweist, die mit den zweiten kodierten Signalwerten assoziiert sind.
Beispiel 79 ist das Detektionssystem gemäß Beispiel 78, das eines oder einige oder alle Merkmale des Detektionssystems gemäß einem der Beispiele 1 bis 63 aufweist.
Beispiel 80 ist ein LIDAR-System aufweisend das Detektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 63.
Beispiel 81 ist ein Verfahren zum Detektieren eines Signals, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen einer Mehrzahl von quantisierten Signalen, wobei jedes quantisierte Signal mit einem jeweiligen Schwellenwert assoziiert ist, und wobei jedes quantisierte Signal repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals ist, in denen ein Signalpegel des empfangenen Signals größer ist als der jeweilige Schwellenwert, der mit dem quantisierten Signal assoziiert ist; Bereitstellen eines kodierten Signals basierend auf der Mehrzahl von quantisierten Signalen, wobei das kodierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals größer wird als einer der mit den quantisierten Signalen assoziierten Schwellenwerte, und eine zweite Mehrzahl von zweiten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals kleiner wird als einer der mit den quantisierten Signalen assoziierten Schwellenwerte; und Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals, um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen, wobei das digitalisierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten digitalisierten Signalwerten aufweist, die mit den ersten kodierten Signalwerten assoziiert sind, und eine zweite Mehrzahl von zweiten digitalisierten Signalwerten aufweist, die mit den zweiten kodierten Signalwerten assoziiert sind.
Beispiel 82 ist das Verfahren gemäß Beispiel 81, das eines oder einige oder alle Merkmale des Detektionssystems gemäß einem der Beispiele 1 bis 63 aufweist, wobei diese entsprechend angepasst sind.
Während verschiedene Implementierungen insbesondere unter Bezugnahme auf spezifische Aspekte gezeigt und beschrieben worden sind, sollten Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail darin gemacht werden können, ohne von dem wie durch die beigefügten Ansprüche definierten Geist und Umfang abzuweichen. Der Umfang wird somit durch die beigefügten Ansprüche angegeben, und alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Bereich einer Äquivalenz der Ansprüche fallen, sind deshalb als inbegriffen beabsichtigt.
Bezugszeichenliste

100: Detektionssystem
102: Detektor
104: empfangenes Signal
106: Verarbeitungsschaltung
108: quantisierte Signale
108-1: erstes quantisiertes Signal
108-2: zweites quantisiertes Signal
108-L: L-tes quantisiertes Signal
110: kodiertes Signal
110-1: erste kodierte Signalwerte
110-2: zweite kodierte Signalwerte
112: digitalisiertes Signal
112-1: erste digitalisierte Signalwerte
112-2: zweite digitalisierte Signalwerte
114: Taktsignal
116: Startsignal
118: Stoppsignal
120: Quantisierungsstufe
122: Grobzeitmesssignal
123: Grobzeitmessdauer
124: erstes Feinzeitmesssignal
125: erste Feinzeitmessdauer
126: zweites Feinzeitmesssignal
127: zweite Feinzeitmessdauer
128-1: Laufzeitmesssignal
128-2: Laufzeitmesssignal
129-1: Laufzeitmessdauer
129-2: Laufzeitmessdauer
130: Kodierungsstufe
132: Zeiterfassungssignal
134: vorbestimmte Zeitperiode
140: Digitalisierungsstufe
150f: Timing-Diagramm
150g: Timing-Diagramm
200a: Diagramm
200b: Diagramm
200c: Diagramm
200d: Diagramm
200e: Diagramm
200f: Diagramm
201: Detektor
202: empfangenes Signal
203: Messelement
204: quantisierte Signale
204-1: erstes quantisiertes Signal
204-2: zweites quantisiertes Signal
204-3: drittes quantisiertes Signal
204-4: viertes quantisiertes Signal
204-5: fünftes quantisiertes Signal
204-6: sechstes quantisiertes Signal
204-7: siebtes quantisiertes Signal
205: Verstärkerschaltung
206: Schwellenwerte
206-1: erster Schwellenwert
206-2: zweiter Schwellenwert
206-3: dritter Schwellenwert
206-4: vierter Schwellenwert
206-5: fünfter Schwellenwert
206-6: sechster Schwellenwert
206-7: siebter Schwellenwert
208: kodiertes Signal
208p: erstes unipolares Signal
208n: zweites unipolares Signal
208-1: erste kodierte Signalwerte
208-2: zweite kodierte Signalwerte
210: kumuliertes Signal
212: kumuliertes differentielles Signal
212-1: erste differentielle Werte
212-2: zweite differentielle Werte
214: digitalisiertes Signal
214p: erstes digitalisiertes Signal
214n: zweites digitalisiertes Signal
214-1: erste digitalisierte Werte
214-2: zweite digitalisierte Werte
220: Quantisierungsstufe
222: Vergleicher-Array
222-1: erster Vergleicher
222-2: zweiter Vergleicher
222-3: dritter Vergleicher
222-4: vierter Vergleicher
222-5: fünfter Vergleicher
222-6: sechster Vergleicher
222-7: siebter Vergleicher
230: Kodierungsstufe
232: Addierstufe
234: Differentiationsstufe
236: Gleichrichterstufe
240: Digitalisierungsstufe
242: Zeit-Digital-Wandler
244: erster Zeit-Digital-Wandler
246: zweiter Zeit-Digital-Wandler
250: Verarbeitungsschaltung
252: Startsignal
254: Stoppsignal
256: Taktsignal
300a: Diagramm
300b: Diagramm
300c: Diagramm
300d: Diagramm
302a: Diagramm
302b: Diagramm
302c: Diagramm
302d: Diagramm
304a: Signal
304b: Signal
304c: Signal
304d: Signal
306a: unipolares Signal
306b: unipolares Signal
306c: unipolares Signal
306d: unipolares Signal
300e-1: Diagramm
300e-2: Diagramm
300e-3: Diagramm
300e-4: Diagramm
300e-5: Diagramm
308: kumuliertes Signal
310: kumuliertes differentielles Signal
312p: erstes digitalisiertes Signal
312n: zweites digitalisiertes Signal
314p: erstes digitalisiertes Signal
314n: zweites digitalisiertes Signal
316: rekonstruiertes Signal
400: LIDAR-System
402: Lichtemissionssystem
404: Lichtdetektionssystem
406: Sichtfeld
408: Lichtquelle
410: Lichtquellentreiber
412: Taktsignalgenerator
414: Taktsignal
500: LIDAR-System
502: LIDAR-Emitter
504: LIDAR-Empfänger
506: Laser
508: Objekt
510: Emitter-Optik-Anordnung
512: Treiber
514: Startsignal
516: Messsteuerungsschaltung
518: Empfänger-Optik-Anordnung
520: Detektor
522: Photodiode
524: Verstärker
526: empfangenes Lichtsignal
528: Verarbeitungsschaltung
530: Analog-Signalverarbeitung-Stufe
532: Digital-Signalverarbeitung-Stufe
534: Vergleicher-Array
534-1: erster Vergleicher
534-2: zweiter Vergleicher
534-L: L-ter Vergleicher
536: Stoppsignal
538: Signalkodierungsstufe
540: kodiertes Signal
540p: erstes kodiertes Signal
540n: zweites kodiertes Signal
542: Grob-TDC-Stufe
544: Fein-TDC-Stufe
546: rekonstruiertes Signal
548: Zeitmesssignal
550-1: erster Referenzwert
550-2: zweiter Referenzwert
550-L: L-ter Referenzwert
552-1: erste Ausgabe
552-2: zweite Ausgabe
552-L: L-te Ausgabe
554: Addierstufe
556: kumuliertes Signal
558: Differentiationsstufe
560: kumuliertes differentielles Signal
562: Polaritätsabspaltung-und-Gleichrichtungsstufe
564: Taktsignal
566: Grobzeitmesssignal
568: Feinzeitmesssignal
570: Laufzeitberechnungsstufe
574n: erstes digitalisiertes Signal
574p: zweites digitalisiertes Signal
576: Signalrekonstruktionsstufe
580: Grob-Start-und-Stopp-Generierungsstufe
582: grobes digitales Startsignal
584: grobes digitales Stoppsignal
586: Grobmessstufe
588: Fein-Start-und-Stopp-Generierungsstufe
590: digitales Fein-Startsignal
592: digitales Fein-Stoppsignal
594: Feinmessstufe
594-1: erste Unterstufe
594-2: zweite Unterstufe
600: angezapfte Verzögerungsleitung
602-1: erstes Verzögerungselement
602-2: zweites Verzögerungselement
602-K: K-tes Verzögerungselement
604-1: erstes D-Flip-Flop
604-2: zweites D-Flip-Flop
604-K: K-tes D-Flip-Flop

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 10802120 B1 [0002]

Claims

Detektionssystem (100) aufweisend: einen Detektor (102, 201) eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Signals (104, 202); und eine Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet zum: Bereitstellen einer Mehrzahl von quantisierten Signalen (108, 204), wobei jedes quantisierte Signal (108, 204) mit einem jeweiligen Schwellenwert (206) assoziiert ist, und wobei jedes quantisierte Signal (108, 204) repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals (104, 202) ist, in denen ein Signalpegel des empfangenen Signals (104, 202) größer ist als der jeweilige Schwellenwert (206); Bereitstellen eines kodierten Signals basierend auf der Mehrzahl von quantisierten Signalen (108, 204), wobei das kodierte Signal (110, 208) eine erste Mehrzahl von ersten kodierten Signalwerten (110-1, 208-1) aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals (104, 202) sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals (104, 202) größer wird als einer der Schwellenwerte (206), und eine zweite Mehrzahl von zweiten kodierten Signalwerten (110-2, 208-2) aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals (104, 202) sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals (104, 202) kleiner wird als einer der Schwellenwerte (206); und Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals (110, 208), um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen, wobei das digitalisierte Signal (112, 214) eine erste Mehrzahl von ersten digitalisierten Werten (112-1, 214-1) aufweist, die mit den ersten kodierten Signalwerten (110-1, 208-1) assoziiert sind, und eine zweite Mehrzahl von zweiten digitalisierten Werten (112-2, 214-2) aufweist, die mit den zweiten kodierten Signalwerten (110-2, 208-2) assoziiert sind.
Detektionssystem (100) gemäß Anspruch 1, wobei das empfangene Signal (104, 202) ein empfangenes Lichtsignal ist oder aufweist, und wobei das Detektionssystem (100) ein Lichtdetektionssystem (402) ist.
Detektionssystem (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet ist zum Vergleichen des Signalpegels des empfangenen Signals (104, 202) mit jedem Schwellenwert (206), um die Mehrzahl von quantisierten Signalen (108, 204) bereitzustellen.
Detektionssystem (100) gemäß Anspruch 3, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eine Mehrzahl von Vergleichern (222) aufweist, wobei jeder Vergleicher mit einem jeweiligen Schwellenwert (206) assoziiert ist, und wobei jeder Vergleicher (222) der Mehrzahl von Vergleichern (222) eingerichtet ist zum Bereitstellen eines jeweiligen ersten Ausgangsignals, falls der Signalpegel des empfangenen Signals (104, 202) größer ist als der jeweilige Schwellenwert (206), und zum Bereitstellen eines jeweiligen zweiten Ausgangsignals, falls der Signalpegel des empfangenen Signals (104, 202) kleiner ist als der jeweilige Schwellenwert (206).
Detektionssystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet ist zum Bereitstellen eines kumulierten Signals (210) basierend auf der Mehrzahl von quantisierten Signalen (108, 204) und zum Differenzieren des kumulierten Signals (210), um ein kumuliertes differentielles Signal (212) bereitzustellen, oder wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet ist zum Differenzieren der quantisierten Signale (108, 204) der Mehrzahl von quantisierten Signalen (108, 204), um eine Mehrzahl von differentiellen Signalen bereitzustellen, und zum Bereitstellen eines kumulierten differentiellen Signals (212) mittels der Mehrzahl von differentiellen Signalen.
Detektionssystem (100) gemäß Anspruch 4 und 5, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet ist zum Addieren der Ausgangssignale der Mehrzahl von Vergleichern (222), um das kumulierte Signal (210) bereitzustellen, oder wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet ist zum Addieren der differentiellen Signale, um das kumulierte differentielle Signal (212) bereitzustellen.
Detektionssystem (100) gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet ist zum Differenzieren des kumulierten Signals (210) mittels Zuweisens eines ersten differentiellen Wertes (212-1) zu den Abschnitten des kumulierten Signals, in denen das kumulierte Signal ansteigt, und eines zweiten differentiellen Wertes (212-2) zu den Abschnitten des kumulierten Signals, in denen das kumulierte Signal abfällt.
Detektionssystem (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Bereitstellen des kodierten Signals (110, 208) ein Gleichrichten des kumulierten differentiellen Signals (212) aufweist, wobei die ersten kodierten Signalwerte (110-1, 208-1) ein erstes unipolares Signal (208n) bilden, das die gleichgerichteten ein oder mehreren ersten differentiellen Werte (110-1, 208-1) aufweist, wobei die zweiten kodierten Signalwerte (110-2, 208-2) ein zweites unipolares Signal (208p) bilden, das die gleichgerichteten ein oder mehreren zweiten differentiellen Werte (110-2, 208-2) aufweist.
Detektionssystem (100) gemäß Anspruch 8, wobei das Durchführen der Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals (110, 208) ein Umwandeln des ersten unipolaren Signals (208n) in ein erstes digitalisiertes Signal (214n) aufweist, wobei das erste digitalisierte Signal (214n) die ersten digitalisierten Werte (112-1, 214-1) aufweist, und wobei das Durchführen der Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals (110, 208) ein Umwandeln des zweiten unipolaren Signals (208p) in ein zweites digitalisiertes Signal (214p) aufweist, wobei das zweite digitalisierte Signal (214p) die zweiten digitalisierten Werte (112-2, 214-2) aufweist.
Detektionssystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet ist zum Ermitteln von mit dem empfangenen Signal (104, 202) assoziierten Amplitudeninformation mittels Kombinierens des einen oder der mehreren ersten digitalisierten Werte (112-1, 214-1) mit dem einen oder den mehreren zweiten digitalisierten Werten (112-2, 214-2), um ein kumuliertes Summationssignal bereitzustellen.
Detektionssystem (100) gemäß Anspruch 10, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet ist zum Rekonstruieren der Form des empfangenen Signals (104, 202) mittels mindestens eines von dem digitalisierten Signal (112, 214) und/oder dem kumulierten Summationssignal, wobei vorzugsweise die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet ist zum Rekonstruieren der Form des empfangenen Signals (104, 202) mittels Vergleichens des digitalisierten Signals (112, 214) mit einer Mehrzahl von bekannten digitalisierten Signalen und/oder mittels Vergleichens des kumulierten Summationssignals mit einer Mehrzahl von bekannten kumulierten Summationssignalen.
Detektionssystem (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet ist zum Ermitteln einer mit dem empfangenen Signal (104, 202) assoziierten Laufzeit mittels des Ausgangssignals von mindestens einem Vergleicher (222) der Mehrzahl von Vergleichern (222).
Detektionssystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) einen oder mehrere Korrelationsempfänger aufweist, wobei jeder Korrelationsempfänger mit einer jeweiligen Referenzsignalsequenz assoziiert ist, wobei jeder Korrelationsempfänger eingerichtet ist zum Korrelieren mindestens eines von dem digitalisierten Signal (112, 214) und/oder dem kumulierten Summationssignal mit der jeweiligen Referenzsignalsequenz, um eine jeweilige Korrelationsausgabe bereitzustellen, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet ist zum Verwenden der einen oder den mehreren Korrelationsausgaben, um das digitalisierte Signal (112, 214) und/oder das kumulierte Summationssignal mit der einen oder den mehreren Referenzsignalsequenzen zu vergleichen, und wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 250) eingerichtet ist zum Ermitteln von mit dem empfangenen Signal (104, 202) assoziierten Amplitudeninformation und/oder zum Rekonstruieren der Form des empfangenen Signals (104, 202) und/oder zum Ermitteln einer mit dem empfangenen Signal (104, 202) assoziierten Laufzeit, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs.
LIDAR-System (400) aufweisend: ein Lichtemissionssystem (402) eingerichtet zum Emittieren eines Lichtsignals; und das Lichtdetektionssystem (100, 404) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, das eingerichtet ist zum Empfangen des emittierten Lichtsignals.
Verfahren zum Detektieren von Licht, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen eines empfangenen Signals; Bereitstellen einer Mehrzahl von quantisierten Signalen, wobei jedes quantisierte Signal mit einem jeweiligen Schwellenwert assoziiert ist, und wobei jedes quantisierte Signal repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals ist, in denen ein Signalpegel des empfangenen Signals größer ist als der jeweilige Schwellenwert, der mit dem quantisierten Signal assoziiert ist, Bereitstellen eines kodierten Signals basierend auf der Mehrzahl von quantisierten Signalen, wobei das kodierte Signal eine erste Mehrzahl von ersten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals größer wird als einer der mit den quantisierten Signalen assoziierten Schwellenwerte, und eine zweite Mehrzahl von zweiten kodierten Signalwerten aufweist, die repräsentativ für die Abschnitte des empfangenen Signals sind, in denen der Signalpegel des empfangenen Signals kleiner wird als einer der mit den quantisierten Signalen assoziierten Schwellenwerte; und Durchführen einer Zeit-Digital-Umwandlung des kodierten Signals, um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen, wobei das digitalisierte Signal einen oder mehrere erste Signalwerte aufweist, die mit den ersten kodierten Signalwerten assoziiert sind, und einen oder mehrere zweite Signalwerte aufweist, die mit den zweiten kodierten Signalwerten assoziiert sind.