CN107968658A - 用于lidar***的模数转换器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于LIDAR***的模数转换器。本公开的实施方案提出特别适于光检测和测距(LIDAR)实施的模数转换(ADC)***。示例性提出的ADC***被构造为确定模拟值的绝对值是否大于阈值，并且在肯定确定时，将预定数字值分配为与模拟值相对应的数字值，而不继续进行模拟值的模数转换。因为ADC***只能进行模数转换，使用ADC，当输入模拟值小于阈值时，否则输入模拟值只是简单地分配一些预定的数字值，与LIDAR应用中使用的常规ADC相比***的设计复杂度和功耗可明显降低。

Description

用于LIDAR***的模数转换器
优先数据的交叉参考
本申请是非临时申请，并要求于2016年10月20日提交的名称为“用于LIDAR***的模数转换器”的PCT申请系列No.PCT/CN16/102651的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及转换器的领域，特别涉及LIDAR***中使用的模数转换器。
背景技术
模数转换器(ADC)是将模拟输入信号转换为数字输出信号的装置，例如用于进一步的数字信号处理。ADC可以在诸如宽带通信***、音频***、接收机***等的许多电子应用中找到，其中用于数据处理目的，ADC翻译代表现实世界现象的模拟电信号，例如光、声音、温度或压力。例如，在光检测和测距(LIDAR)***中，光传感器例如光电检测器被提供用于测量入射到其上的光，并且这些传感器可以产生模拟信号。然后将模拟信号作为输入提供给ADC，以产生数字输出信号以进行进一步处理。
设计ADC是一项非平凡的任务，因为每个应用在性能、功耗、成本和尺寸上可能都有不同的需求。ADC设计的改进始终是期望的。
发明内容
与LIDAR应用中使用的传统ADC相比，本公开的实施方案提供的ADC***特别适合LIDAR***，并具有降低的设计复杂性和功耗的特征。
本公开的一个方面提供LIDAR***，包括：光源、被构造为实施飞行时间测量以确定与一个或多个目标的距离信息的光传感器、和被构造为存储指示光传感器读取的模拟值的传感器存储阵列。LIDAR***还包括通过下列方式将模拟值转换为数字值的ADC***：确定是否所述多个模拟值的模拟值绝对值大于阈值，以及在肯定确定时，将预定数字值分配为与所述模拟值相对应的数字值，而不进行所述模拟值的模数转换。由于ADC***只进行模数转换，使用ADC，当输入模拟值小于阈值时，否则输入模拟值只是分配一些预定的数字值，功耗和设计复杂度可显著降低。建立对应于光传感器读取的所述多个模拟值的数字值的这种方法本文称为“非线性模数转换”。
本公开另一方面提供一种操作LIDAR***的方法，特别是在LIDAR***中实施非线性模数转换的方法。该方法包括：获得指示由LIDAR***中使用的飞行时间相机的光传感器检测的光强度的模拟值，并且确定是否模拟值绝对值大于阈值。在否定确定时(即当模拟值被确定为小于阈值时)，该方法包括：使用ADC，例如逐次逼近常规(SAR)ADC或三级闪存ADC，将所述模拟值转换为数字值，并将转换的数字值提供为与所述模拟值对应的数字值。在肯定确定时(即当模拟值被确定为大于阈值时)，该方法包括：向所述模拟值分配预定的数字值，而不完成或甚至开始所述模拟值的模数转换，并提供所述预定数字值为与所述模拟值对应的数字值。
本领域技术人员将理解，本公开的方面，特别是本文提出的LIDAR***中的非线性模数转换的方面，可以以各种方式实施-例如方法、***、计算机程序产品或计算机可读存储介质。因此，本公开的方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)的形式或组合软件和硬件方面的实施例，其可以通常为本文称为的“电路”、“模块”或“***”。本公开中描述的功能可以被实施为由一个或多个计算机的一个或多个处理单元(例如一个或多个微处理器)执行的算法。在各种实施例中，本文描述的每种方法的步骤的不同步骤和部分可以由不同的处理单元执行。此外，本公开的方面可以采用体现在一个或多个计算机可读介质(优选非暂时的)中的计算机程序产品的形式，其具有在其上实施的例如存储的计算机可读程序代码。在各种实施例中，这样的计算机程序可以例如被下载(更新)到现有设备和***(例如，现有的LIDAR***、ADC和/或LIDAR和ADC的控制器等)或存储在制造这些设备和***。
从以下描述和权利要求中，本公开的其它特征和优点是显而易见的。
附图说明
为了更全面地了解本公开及其特征和优点，参考结合附图进行以下描述，其中相同的附图标记表示相同的部分，其中：
图1根据一些本公开的实施方案示出可用在LIDAR***中的示例性飞行时间相机；
图2根据一些本公开的实施方案示出其中可操作LIDAR***的环境；
图3根据一些本公开的实施方案示出LIDAR***的光传感器的示例性读取；
图4根据一些本公开的实施方案示出示例性LIDAR***；
图5根据一些本公开的实施方案示出在LIDAR***中用于非线性模数转换的方法步骤的流程图；
图6根据一些本公开的实施方案示出用于LIDAR***中的非线性模数转换的示例性ADC***；以及
图7根据一些本公开的实施方案示出用于ADC的采样电容器阵列的例子。
具体实施方式
模数转换器(ADC)的基本原理
模数转换器(ADC)是将由模拟信号承载的连续物理量转换为表示数量幅度的数字数字(或携带该数字的数字信号)的电子设备。该转换涉及模拟输入信号的量化，因此转换通常引入少量误差。通常，通过模拟输入信号的周期性采样来进行量化。结果是将连续时间和连续幅度模拟输入信号转换为离散时间和离散幅度数字信号的数字值(即数字信号)的序列。
有许多类型的ADC技术，如闪存、Σ-Δ、SAR转换器等。这些不同风格的转换器可以组合使用。在一些转换器拓扑中，在模数转换发生之前，将输入信号采样到电容器或电容器阵列，其通常被称为“采样电容器”。在采样操作期间，在采样电容器和驱动采样电容器的电路之间交换电荷，使得采样电容器被充电到与此时的输入信号的值相对应的电压。驱动电路通常具有阻抗，使得花费时间将采样电容器充电和放电到其正确的电压。可以使用诸如“获取/获取阶段”或“采样阶段”这样的术语来描述这样的时间段，即当连接到接收输入信号的输入节点的采样电容器正被充电至对应输入电压的电压。换句话说，“获取阶段”或“采样阶段”是指当采样电容器对模拟输入信号进行采样以将模拟输入信号转换为数字输出信号时的时间段。术语“采样”和“获取阶段”可以互换地用于指连接到输入节点的一个或多个采样电容器在特定时间段期间采样或获取输入信号的动作。在获取阶段后，可以但不一定要立即接连(即可能连接或可能不会连续完成)，通过通常被称为“转换阶段”的阶段，其中通过将采样电容器上积累的电荷与一个或多个参考电压值进行比较，将采样电容器上采样的输入信号的模拟值转换为数字值。在完成用于转换一个模拟输入值的采集和转换阶段之后，针对下一个模拟输入值重复上述处理。
ADC通常由以下操作特性定义，通常作为应用要求的一部分提供：其带宽(可以正确转换为数字信号的模拟信号的频率范围)、其分辨率(即最大模拟信号可分为数字信号并表示为数字信号)、其信噪比(SNR)比(ADC可以如何准确测量信号相对于ADC引入的噪声)及其动态范围(最小可分辨步长、以及最大和最小可能输入之间的比率)。ADC有许多不同的设计，其可以根据不同应用所需的操作特性进行选择。
LIDAR***的基本原理
LIDAR是光检测和测距的缩写。一般来说，LIDAR是指通过下列方式测量关于目标的距离信息的测量技术：用激光灯照射目标，检测从目标反射的光，并使用飞行时间技术根据已知的光速、光线从LIDAR***到目标和返回之间所需的时间来解决与目标的距离。LIDAR也可用于确定目标的深度和/或速度。除了LIDAR***使用光波，LIDAR***可以被看作是类似于使用声波的声纳***的***，或者使用无线电波来测量与目标的距离的雷达***。
图1示出可用在LIDAR***中的示例性飞行时间***(本文称为“飞行时间相机”)。飞行时间相机通常包括可以发出有源照明脉冲或光线脉冲的光源102和带有电子快门的光传感器104。虽然未示出，但飞行时间相机将包括可以计算相机视野中目标的距离的组件。
通常，飞行时间相机通过使用光源102产生有源照射脉冲、和通过捕获光传感器104中的反射光来测量场景深度，其中照射脉冲从场景中的目标反射。光源102可例如包括激光器、激光器二极管、发光二极管(LED)或用于发射其强度和波长范围适合于特定的激光雷达实施的光线脉冲的任何合适的组件。例如，在一些实施方案中，光源102可以发射波长在600至2600纳米之间的光。光传感器104可以包括光电检测器，例如光电二极管或任何合适的光/光/图像传感器，通常用电子快门实施，其可以检测由光源102发射的光脉冲。
例如，光源102可以被构造为脉冲在场景中目标处的红外光，并且光传感器104可以捕获反射光，例如以例如电荷耦合装置(CCD)光传感器阵列或任何其他合适类型的光传感器阵列实施。光源102可以由导致光源102闪烁的电脉冲驱动。光传感器104的快门驱动器可以由电脉冲驱动，电脉冲使快门打开以允许捕获图像和/或产生图像信号。
在一些实施方案中，光源102和光传感器104可以单独提供，或者光源102可被偏置以起到光传感器104的作用。在一些实施方案中，光源102和光传感器104可以彼此靠近设置在飞行时间相机100的壳体或构件中，或以其中光传感器104可以测量由光源102发射的光的反射的任何合适的配置。
注意，从光源102到目标和从目标到光传感器104的光的往返时间将根据目标与飞行时间相机的距离而变化。此外，光的速度是已知的。因此，根据目标与飞行时间相机之间的距离，击中光传感器104的反射光将相对于光源102产生光的时间具有延迟。基于该信息，可以协调光源102的阶段和光传感器104的快门驱动器以捕获反射光。通过以多个定时相位差对光源102和光传感器104触发脉冲，来自光传感器104的这些相位差和捕获的图像信号可以直接用于计算目标与相机的距离。本领域技术人员将理解，存在可以用于飞行时间相机来确定距离的几种合适的技术/算法(例如，利用照明和快门脉冲之间的已知相位差的技术)。
最近，LIDAR***已被汽车行业考虑用于确定与其他车辆的距离或通常为其他目标的车辆。图2示根据一些本公开的实施方案示出其中可以操作车辆202的LIDAR***的示例性环境200(车载202的LIDAR***未在图2中具体显示)。第一车辆202的LIDAR***可包括飞行时间相机，例如图1中所示的飞行时间相机100。
第一车辆202的LIDAR***，特别是LIDAR***的飞行时间相机的光源，通过在LIDAR***的视野204上扫描光脉冲来发射光脉冲，如图2的示例所示。换句话说，第一车辆202的LIDAR***的飞行时间相机的光源在某一视野内沿不同方向发射光脉冲。例如，视野可以在20到180度之间，包括其中的所有值和范围，例如34度。通过分析在第一车辆202处的LIDAR***的飞行时间相机的光传感器检测到的光(检测的光可以包括来自飞行时间***的光源发射并从目标反射的光线脉冲的贡献)到目标的距离，可以确定例如到车辆206和208的距离。
更具体地，当光源面向特定第一方向时，例如图2中用实线标记为D1的方向，第一车辆202处的LIDAR***的光源发射一个或多个光线脉冲，并且LIDAR***的光传感器检测其上入射的光。对于图2的示例，沿方向D1发射的光脉冲将从第二车辆206反射，并且将由车辆202中的LIDAR***的光传感器感测到。然后第一车辆处光源改变其方向为在图2中用虚线标示为D2的方向，在该方向上发射一个或多个光脉冲，并且LIDAR***的光传感器再次检测其上入射的光，对于图2的示例，其将再次包括从第二车辆206反射的光线脉冲。在某点上，光源可以将其发光方向改变为图2中用虚线标为D3所示的方向，并在该方向上发射一个或多个光脉冲。这次，由于方向D3恰好在两个车辆206和208之间，只要在一定距离范围内进一步向下的光线脉冲没有遇到其他目标，由那时第一车辆202的LIDAR***的光传感器检测的光可不包括从方向D3发射的光脉冲的任何贡献。在这种情况下，光传感器通常仍然会检测到一些光，例如环境光，从而导致传感器读取，然后这可被视为噪声。类似地，以虚线D4和D5所示的方向发射的光脉冲将从第三车辆208反射，并且这些反射将由第一车辆202的LIDAR***的光传感器检测，而以实线所示方向D6发射的光线脉冲将导致光传感器的噪声读取。
对应于光源的每个方向的传感器读取可以存储在合适的存储元件阵列中，例如电容器阵列中的电容器两端的电压。因此，可以在车辆202中的LIDAR***中使用六个电容器C1-C6(图2中未示出)，用于在光源在方向D1-D6中的每一个方向上发光时，存储指示由光传感器检测的光的电压。此外，模拟传感器读取指示由光电二极管产生的电流量，作为LIDAR***的示例性光传感器，由一个或多个ADC转换为数字值以用于进一步处理。这样的“进一步处理”包括对各种目标的距离信息的确定，例如在一定距离范围内确定目标的存在、确定到该目标的距离、确定各种目标的速度等。
以上参考图2提供的LIDAR***的描述纯粹是为了显示一般概念而进行说明。不同的实施可以包括许多不同的变体，所有这些变化都在本公开的范围内。例如，在LIDAR***的飞行时间相机的光源的每个方向上，可以发射多于一个的光线脉冲，并且可以以任何其他方式对与光源的每个方向相对应的传感器读取进行平均或组合，这可能导致改善传感器读取。在另一个示例中，在各种其他实施例中，图2中所示的视野中的另一个可以用于扫描光脉冲，并且可以使用除图2中所示的方式之外的增量，其中可以使用方向D1-D6(即第一车辆202的LIDAR***的飞行时间相机可以发射和检测比图2中所示的六个方向D1-D6多、通常更多的光脉冲)。在另一示例中，LIDAR***的飞行时相相机可以安装在车辆上的不同位置，如图2中具有位置210所示，例如飞行时间相机可以安装在车辆202的前面(例如在前保险杠处)。
图3示出了LIDAR***的光传感器的示例性读取，例如，可以由第一车辆202的LIDAR***的光传感器104获取读取。更具体地，图3示出了用于LIDAR***的飞行时间相机的光源的一些方向，特别是对应图3中标为读取306-1和306-2以及读取308-1和308-2的传感器读取的方向，光传感器比其他方向检测到更多的光。LIDAR***可以构造为识别与这些方向对应的传感器读取，指示靶目标的存在，并基于这些读取来确定靶目标的位置。例如，当图2所示的车辆202的LIDAR***的光源沿方向D1和D2发射光脉冲时，读取的306-1和306-2可以对应于光传感器读取，而当图2所示的车辆202的LIDAR***的光源发射方向D4和D5的光脉冲时，读取308-1和308-2可以对应于光传感器读取。图3中标记的“靶位置2”可以指示图2所示的第二车辆206的位置，而图3中标记的“靶位置3”可以指示图2所示的第三车辆208的位置。一定水平以下的传感器读取可被认为是噪声，如图3所示，带有椭圆形的标记为“噪音”的椭圆形圈绕着一些这样较小的传感器读取。
上面提供的描述说明LIDAR***可以很快变得相当复杂。例如，在适用于城市驾驶场景的实施中，车辆LIDAR***可能需要能够检测距离携带LIDAR***的车辆的40厘米至40米之间的范围内的目标，例如40厘米分辨率LIDAR***，ADC动态范围为80分贝(dB)。对于这样***，可以使用每秒225万个采样(MSps)26位Δ西格玛ADC。因为人们的安全取决于能够准确地测量从车辆到其他目标的距离，传统的方法是不保存在LIDAR***中使用的ADC。结果，更高分辨率、更高功率、更低SNR的ADC通常标记为LIDAR***的设计方式一直在发展。改进这种ADC的各种操作特性的任何尝试通常都将出现用于高分辨率ADC的智能但复杂的ADC架构以及用于操作高分辨率ADC的技术。具有汽车LIDAR***的ADC在功耗和处理资源方面极为苛刻，传统上被认为是可接受的成本，因为人身安全受到威胁。
与本传统智慧相反，本公开的发明人认识到，对于LIDAR***特有的/特定的特征可以有利地用于使得在这种***中实施的ADC明显更简单且耗电更少。特别地，本公开的发明人认识到，在LIDAR应用中，传感器读取主要是将信号与噪声区别开来，从而可以放宽对于非常准确的信号转换的某些要求。特别地，高于某个阈值的传感器读取可以被认为是指示目标目标的存在。在这种情况下，传感器读取的精确值可能不是那么重要，在这种情况下，可能总共跳过资源和功率密集型模数转换，而是仅仅分配一个代表这样信号值的某个数字值。另一方面，如果传感器读取相对较小，则传感器信号可以在模数转换之前被放大，以便提高在LIDAR中使用的ADC***的SNR。按照这种方法，可以例如为先前要求26位ADC的场景实施22位ADC，从而在功耗、操作速度和设计复杂性方面提供了显着的优势。
图4根据一些本公开的实施方案示出一种示例性LIDAR***400，其被构造为实施非线性模数转换。LIDAR***400可以作为上述第一车辆200的LIDAR***实施。
如图4所示，LIDAR***400可以包括至少一个光源402、至少一个光传感器404、至少一个传感器存储406和最后一个ADC 408。如图4所示，LIDAR***400可以进一步包括LIDAR逻辑410、至少一个处理器412和至少一个存储元件414。
光源402和光传感器404可以分别包括如上所述的光源和传感器，诸如光源102和光传感器104，其被构造为根据本文所述的飞行时间原理进行操作。为了简洁起见，这些说明在这里不再重复。
传感器存储406可以包括存储元件的任何阵列，其被构造为存储指示由光源402发射的各种照射脉冲的方向的光传感器404的读取的值。在一些实施方案中，传感器存储406可以包括电容器阵列，其中每个电容器上的电压指示用于光源402的特定方向的光传感器404的光读取。
根据待转换的需要，ADC 408可以包括用于转换由LIDAR逻辑410确定的那些模拟输入值的任何合适的模数转换器，如下文更详细描述的。
可以以硬件、软件、固件或这些中的一个或多个的任何合适的组合来实施的LIDAR逻辑410被构造为控制本文所述的LIDAR***400中的非线性模数转换的实施。为此，LIDAR逻辑410可以包括至少一个处理器412和至少一个存储元件414以及任何其它合适的硬件和/或软件，以实施其在如本文所述的LIDAR***中的模数转换的预期功能。在一些实施方案中，处理器412可以执行软件或算法来执行本说明书中讨论的活动，例如，处理器412可以执行触发输入模拟值与本文所述的一个或多个阈值的比较的算法，例如参考图5。因此，虽然在图4中示出为单独的元件，但是处理器412和/或存储器414可以被认为是LIDAR逻辑410的一部分。
处理器412可以被构造为经由一个或多个互连或总线通信地耦合到其它***元件。这种处理器可以包括提供可编程逻辑的硬件、软件或固件的任何组合，包括非限制性示例：微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)或虚拟机处理器。处理器412可以通信地耦合到存储元件414，例如以直接存储存取(DMA)配置。这种存储元件可以包括任何合适的易失性或非易失性存储器技术，包括双数据速率(DDR)、随机存取存储器(RAM)、同步RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、闪存、只读存储器(ROM)、光学介质、虚拟存储器区域、磁性或磁带存储器或任何其它合适的技术。除非另有说明，本文中讨论的任何存储器项应被解释为包含在广义术语“存储元件”内。可以在任何数据库、寄存器、控制列表、高速缓存或存储器中提供被跟踪或发送到LIDAR逻辑410、光源402、光传感器404、传感器存储器406、处理器412或存储器414的信息结构，所有这些都可以在任何合适的时间段被引用。任何这样的存储选项可以包括在如本文所使用的广义术语“存储元件”中。类似地，本文描述的任何潜在的处理元件，模块和机器应被解释为包含在广义术语“处理器”内。图4中所示的每个元件，例如LIDAR逻辑410和光传感器404，还可以包括用于在网络环境中接收、发送和/或以其它方式传送数据或信息的适合的接口。
在某些示例实施中，如本文所概述的LIDAR***中的非线性模数转换的机制可以通过编码在一个或多个有形介质中的逻辑来实施，可包括非瞬时介质，例如提供在ASIC、在DSP指令中由处理器或其他类似机器等执行的软件(可能包括目标代码和源代码)。在这些实例中的某些实例中，存储元件如图4所示的存储器414，可以存储用于本文所述的操作的数据或信息。这包括能够存储执行以执行本文所述的活动的软件、逻辑、代码或处理器指令的存储元件。处理器可以执行与数据或信息相关联的任何类型的指令以实施本文详细描述的操作。在一个示例中，处理器，如图4所示的处理器412，可以将元件或文章(例如数据)从一个状态或事物转换到另一个状态或事物。在另一示例中，本文概述的活动可以用固定逻辑或可编程逻辑(例如，由处理器执行的软件/计算机指令)来实施，并且本文标识的元素可以是某种类型的可编程处理器、可编程数字逻辑(例如FPGA、DSP、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))或包括数字逻辑、软件、代码、电子指令或其任何适当组合的ASIC。
图5根据一些本公开的实施方案示出在LIDAR***进行非线性模数转换的方法的流程图。虽然参考图4所示的LIDAR***400的元件进行了描述，但任何被构造为以任何顺序实施方法500的步骤的***都在本公开的范围内。
方法500可以在LIDAR***400的上下文中实施，从而操作以确定到各种目标的距离信息。如上所述，在本文中，光源402沿不同方向发射光线脉冲，并且光传感器404检测光，其中检测的光可以包括由光源402发射并从目标反射的光线脉冲的贡献。传感器存储406，例如以多个电容器实施，存储指示光传感器404的传感器读取(即指示从一个或多个目标反射的光线脉冲的贡献)的多个模拟值。可以看作包括ADC 408和LIDAR逻辑410的LIDAR***400的ADC***然后实施方法500，以确定对应传感器存储406中存储的模拟值的数字值。
该方法可以从步骤502开始，其中ADC***，例如LIDAR逻辑410，获得在传感器存储406中存储的多个模拟值的模拟值，对于该值将确定相应的数字值。
在步骤504中，LIDAR逻辑410将接收的模拟值与一个或多个阈值进行比较，以确定该模拟值的绝对值是否大于任何阈值。该步骤的目的是确定ADC***是否应该使用ADC 408进行模拟值的实际转换，或者模拟值是否足够大以获得LIDAR读取中的“峰值”，并且能够通过简单地为其分配预定义的数字值来跳过转换。
在最简单的形式中，步骤504可以包括将接收到的模拟值与单个阈值进行比较。然后在步骤506中由LIDAR逻辑410解释大于该阈值的模拟值，作为指示不需要进行该转换。在这种情况下，方法500进行到步骤508，其中LIDAR逻辑410将预定义的数字值分配给在步骤502中获得的模拟值，而不用继续ADC 408的模拟值的实际转换(即，ADC 408不必参与，例如可以适当的低功耗模式)。然而，如果模拟值与阈值的比较显示模拟值小于阈值，则在步骤506中，LIDAR逻辑410确定需要由ADC 408进行的转换。在这种情况下，方法500继续向ADC408提供模拟值，并且ADC 408进行模数转换以将模拟值转换为数字值，如图5中步骤512所示。可选地，在ADC 408转换该值之前模拟值可以被放大，如图5所示，在转换步骤512之前的步骤510。在这样的实施例中，ADC 408被构造为继续进行放大的模拟值的转换。
在略复杂的实施例中，步骤504可以包括将接收到的模拟值与多于一个阈值进行比较。每个这样的阈值可以与不同的数字值相关联。如果比较显示模拟值大于多个阈值中的任一个，则LIDAR逻辑410将在步骤506中解释不需要继续进行ADC 408的转换。
在这种情况下，在一些实施方案中，LIDAR逻辑410可以被构造为例如分配与被确定为小于模拟值的多个阈值中的最大阈值相关联的预定义数字值。
考虑具有三个阈值T1、T2和T3的示例，使得T1<T2<T3，并且三个数字值D1、D2和D3分别与阈值T1、T2和T3相关联。还要考虑，步骤504的比较揭示了在步骤502中获得的模拟值大于T1和T2但小于T3。在这种情况下，LIDAR逻辑410将在步骤508中将数字值D2分配给在步骤502中获得的模拟值，因为阈值T2是小于模拟值的最大阈值(因为在该示例中T2大于T1，并且T3不小于模拟值)。
在存在与不同数字值相关联的多个阈值的其他实施例中，步骤504的比较可以从模拟值与最大阈值的比较开始。如果比较显示模拟值大于该最大阈值，则在步骤508中不必执行与进一步阈值的比较，并且将对应于最大阈值的数字值分配给模拟值。然而，如果步骤504的比较揭示了模拟值小于最大阈值，则可以将模拟值与第二最大阈值进行比较，其中如果比较显示模拟值大于第二最大阈值，那么在步骤508中，不需要执行与另外的阈值(如果有的话)的比较，并且将对应于第二大阈值的数字值分配给模拟值，等等。
考虑具有三个阈值T1、T2和T3的示例，使得T1<T2<T3，并且三个数字值D1、D2和D3分别与阈值T1、T2和T3相关联。还要考虑步骤504的比较开始于在步骤502中获得的模拟值与最大阈值T3的比较，并且揭示模拟值小于T3。在这种情况下，步骤504的比较继续，以比较模拟值和第二最大阈值T2。如果这样的比较显示模拟值大于T2，则LIDAR逻辑410将在步骤508中将数字值D2分配给在步骤502中获得的模拟值，因为这是对应于阈值T2的数字值。
作为实施方法500的结果获得的数字值，在步骤508中分配的数字值或在步骤512中转换的数字值可以存储为与步骤502中获得的模拟值对应的数字值。方法500可以对于传感器存储406中存储的所有模拟值重复，其需要确定相应数字值。
图6根据一些本公开的实施方案示出在LIDAR***中非线性模数转换的示例性ADC***600。ADC***600可用于实施本文描述的ADC***的功能，例如实施上述ADC 408和LIDAR逻辑410的功能。
图6示出ADC***600可以包括比较器602和604、具有增益G的放大器606、和ADC608。图6中所示的V模拟表示将被翻译为相应数字值V数字的模拟电压值，也显示在图6。图6中所示的参考值VREF表示与进入模拟值V模拟进行比较的阈值。如图6所示，阈值电压VREF的正值和负值分别提供给比较器602和604。组合在一起，比较器602和604允许确定输入模拟值V模拟的绝对值是否大于阈值电压VREF。在这种情况下，比较器602和604之一将在其输出(即OVER＝1或UNDER＝1)处具有值1。可以将比较器602和604的输出OVER和UNDER提供给LIDAR逻辑410，并且当这些信号中的任一个为1时，LIDAR逻辑410可以指示ADC 608不执行输入值V模拟的转换，而是分配与阈值电压VREF对应的预定数字值。在一些实施方案中，在这种情况下，LIDAR逻辑410还可以指示放大器606不放大输入值V模拟。
作为示例，通过如本文所述实施非线性模数转换，以前需要实施具有13位有效位数(ENOB)的16位ADC的部署场景现在可以用12位ADC实施，其中9位的ENOB作为ADC 608，当选择±VREF＝±VFS(其中VFS是ADC***的满量程范围)，放大器606的G等于16。在这样的示例中，功耗可以减少到之前实施的30％左右。
根据另外的实施例，用于实施LIDAR***中的转换的ADC，例如图中所示的ADC 408或ADC 608也可以被设计为具有非线性阈值。在这种ADC以逐次逼近常规(SAR)ADC实施的情况下，可以通过改变各种采样电容器的重量来实施，如图7所示。
图7根据一些本公开的实施方案示出用于12-位SAR ADC的三个采样电容器阵列的例子。如现有技术中已知的那样，在转换输入信号的所谓“获取阶段”中，由SAR ADC进行的转换开始将被称为“采样电容器”的电容器的阵列进行采样的输入信号。采集阶段之后是“转换阶段”，在此期间，采样电容器的电荷由积分器转换为输出数字值。通常，采样电容器的阵列包括二进制加权电容器，如图7所示的第一电容器阵列702所示，12采样电容器(对于12位SAR ADC的示例)的权重是二进制权重，由右(LSB电容器)向左(MSB电容器)显示为1C、1C、2C、4C、8C等。
另一方面，用于实施LIDAR***中的转换的ADC可以用一些MSB采样电容器组合在一起来实施转换的非线性阈值。这样的例子，对于12位SAR ADC，示出了采样阵列712，其中阵列702的两个MSB采样电容器(即电容器1024C和512C)组合成阵列712中的一个采样电容器1538C，其中下一个阵列702的两个MSB采样电容器(即电容器256C和128C)组合成阵列712中的一个采样电容器384C，并且其中最后，阵列702的接下来的两个MSB采样电容器(即电容器64C和32C)组合成阵列712的一个采样电容器96C。阵列712中的剩余采样电容器是二进制加权的。
具有二进制或非二进制加权的MSB采样电容器的SAR ADC对于实施本文所描述的非线性模数转换的实施例是特别有利的，因为当MSB结果对于正输入电压为1或对于负输入为0时，转换可以停止(即，SAR ADC不必进行转换阶段)，因为这样的MSB结果指示输入信号大于某个阈值。
图7底部所示的采样阵列722示出了当MSB电容器如阵列712所示的组合时，可以使用桥电容724以有利地减小MSB电容器的尺寸。图7所示的示例示出了使用连接到三进制电容器(它是非二进制加权的)的重量为1C的桥电容724允许对MSB电容器使用较小的权重，而不是使用如下所示的电容器1538C、384C和96C在阵列722中，在阵列724中MSB电容器分别具有48C、12C和3C的权重。
变化和实施
在上述实施方案的讨论中，光源和传感器、电容器、比较器、放大器、开关、数字核心、晶体管和/或其他部件可以容易地被替换、替代或以其它方式进行修改，以适应特定的电路需求，从而在LIDAR***中实施非线性模数转换。此外，应当注意，使用互补电子设备、硬件、软件等为实施本公开的教导提供了同样可行的选择。
在一个示例实施方案中，可以在相关电子设备的板上实施用于在LIDAR***中实施非线性模数转换的任何数量的电路。该板可以是可容纳电子设备的内部电子***的各种组件的通用电路板，并且还可以为其它***设备提供连接器。更具体地，电路板可以提供电连接，通过该电连接***的其他部件可以电气交流。基于特定的配置需求、处理需求、计算机设计等，任何合适的处理器(包括数字信号处理器、微处理器、支持芯片组等)，计算机可读的非暂时性存储元件等可以适当地耦合到板。其他组件如外部存储器、附加传感器、用于音频/视频显示的控制器和***设备可以作为插件卡通过电缆连接到板上，或者集成到板本身中。在各种实施方案中，本文描述的LIDAR***中的非线性模数转换可以以仿真形式、作为在支持这些功能的结构中布置的一个或多个可配置(例如可编程)元件内运行的软件或固件实施。提供仿真的软件或固件可以设置在包括允许处理器执行这些功能的指令的非暂时性计算机可读存储介质上。
在另一个示例实施方案中，图的电路可以作为独立模块(例如，具有被构造为执行特定应用或功能的相关联的组件和电路的装置)实施或作为插件模块到应用程序特定硬件电子设备实施。注意，与本文所述的LIDAR***中的非线性模数转换相关的各种实施方案可以容易地包括在片上***(SOC)封装中、部分或全部。SOC表示将计算机或其他电子***的组件集成到单个芯片中的IC。它可能包含数字、模拟、混合信号和通常的射频功能：所有这些都可以设置在单个芯片基板上。其他实施方案可以包括多芯片模块(MCM)，其中多个单独的IC位于单个电子封装内并被构造为通过电子封装彼此紧密地相互作用。在各种其他实施方案中，非线性模数转换功能可以在专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其他半导体芯片中的一个或多个硅芯中实施。
还必须注意的是，与本文概述的LIDAR***(例如处理器数量、逻辑操作等)中的非线性模数转换相关的所有规格、尺寸和关系仅仅是仅为示例和教学而提供。在不脱离本公开的精神或所附权利要求的范围的情况下，这样的信息可以相当大地变化。这些规范仅适用于一个非限制性实例，因此，它们应被解释为如此。在前面的描述中，已经参考特定的处理器和/或组件布置描述了示例性实施方案。在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以对这些实施方案进行各种修改和改变。因此，描述和附图被认为是说明性的而不是限制性的。
注意，上述参考图所讨论的活动适用于涉及信号处理的任何集成电路，特别是那些可执行专门软件程序或算法的集成电路，其中一些可能与将模拟信号转换为数字信号有关并处理这样的数字信号。某些实施方案可以涉及多DSP信号处理、浮点处理、信号/控制处理、固定功能处理、微控制器应用等。在某些上下文中，本文讨论的特征可以应用于医疗***、科学仪器、无线有线通信、雷达、工业过程控制、音频和视频设备、电流检测、仪器仪表(可以高精度)以及其他基于数字处理的***利用模数转换。此外，上述讨论的某些实施方案可以用于数字信号处理技术、用于医学成像、患者监视、医疗仪器和家庭保健。这可能包括肺监护仪、加速度计、心率监测器、起搏器等。其他应用可涉及安全***的汽车技术(例如，稳定性控制***、驾驶员辅助***、制动***、信息娱乐和任何种类的内部应用)。此外，动力总成***(例如，混合动力和电动车辆)可以在电池监控、控制***、报告控制、维护活动等方面使用高精度或高速数据转换产品。在其他示例情况下，本公开可适用于包括有助于提高生产力，能源效率和可靠性的过程控制***的工业市场。在消费者应用中，上述非线性模数转换的教导可用于与图像处理相关的产品。
注意，通过本文提供的许多示例，交互可以用两个、三个、四个或更多个电气部件来描述。然而，这仅仅是为了清楚和示例的目的而实施的。应当理解，可以以任何合适的方式来巩固该***。沿着类似的设计替代方案，图中所示的组件，模块和元件中的任何一个可以以各种可能的配置组合，所有这些配置都明确地在本说明书的广泛范围内。在某些情况下，仅通过参考有限数量的电气元件来描述给定的一组流的一个或多个功能可能更容易。应当理解，图的电路及其教导是易于扩展的，并且可以适应更大数量的部件以及更复杂/复杂的布置和配置。因此，所提供的实施方案不应该限制范围或抑制潜在地应用于无数其他架构的电路的广泛教导。
注意，在本说明书中，针对“一个实施方案”、“示例实施方案”、“实施方案”、“另一实施方案”、“一些实施方案”、“各种实施方案”、“其他实施方案”、“替代实施方案”等中包括的各种特征(例如，元件、结构、模块、部件、步骤、操作、特性等)旨在表示任何这样的特征被包括在一个或多个本公开的实施方案中，但可以或可以不必在相同的实施方案中组合。
同样重要的是要注意，与LIDAR***中的非线性模数转换相关的功能只显示了可能由图中所示***执行的或可能的功能。这些操作中的一些可以在适当的情况下被删除或去除，或者这些操作可以在不脱离本公开的范围的情况下被修改或改变。此外，这些操作的时间可能会相当大的改变。上述业务流程是为了举例和讨论的目的而提供的。本文描述的实施方案提供了实质的灵活性，因为在不脱离本公开的教导的情况下，可以提供任何合适的布置、年表、配置和定时机制。
本领域技术人员可以确定许多其它改变、替换、变化、修饰和修改，并且本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的所有这样的改变、替换、变化、修饰和修改。注意，上述装置的所有可选特征也可以针对本文描述的方法或过程来实施，并且示例中的具体内容可以在一个或多个实施方案中的任何地方使用。
如本文所述的LIDAR***中用于非线性模数转换的各种装置的部分可以包括执行本文所述功能的电子电路。在一些情况下，设备的一个或多个部分可以由专门配置用于执行本文所述功能的处理器提供。例如，处理器可以包括一个或多个应用特定组件，或者可以包括被构造为执行本文描述的功能的可编程逻辑门。电路可以在模拟域、数字域或混合信号域中工作。在一些情况下，处理器可以被构造为通过执行存储在非暂时计算机介质上的一个或多个指令来执行本文描述的功能。
注意，上述装置的所有可选特征也可以针对本文描述的方法或过程来实施，并且示例中的具体内容可以在一个或多个实施方案中的任何地方使用。

Claims (20)

1.LIDAR***，包括：
发射光线脉冲的光源；
检测包括从一个或多个目标反射的光线脉冲的贡献的光线的光传感器；
存储指示所述从一个或多个目标反射的光线脉冲的贡献的多个模拟值的传感器存储阵列；
通过下列方式将所述多个模拟值转换为数字值的模数转换器(ADC)***：
确定是否所述多个模拟值的模拟值绝对值大于阈值，
在肯定确定时，将预定数字值分配为与所述模拟值相对应的数字值，而不进行所述模拟值的模数转换，以及
在否定确定时，进行所述模数转换以将所述模拟值转换为所述数字值。
2.根据权利要求1所述的LIDAR***，其中:
所述阈值是多个阈值中的一个阈值，并且预定值是与多个阈值对应的多个预定值中的一个预定值，
所述确定包括确定是否模拟值的绝对值大于多个阈值中的任一个，以及
在肯定确定时，所述指定包括分配对应于小于模拟值绝对值的多个阈值的最大阈值的预定数字值。
3.根据权利要求1所述的LIDAR***，其中所述ADC***包括三级闪存ADC用于实施所述模数转换。
4.根据权利要求1所述的LIDAR***，其中所述ADC***包括放大器以在所述模数转换以前放大所述模拟值。
5.根据权利要求1所述的LIDAR***，其中所述ADC***包括逐次逼近常规(SAR)转换器用于实施所述模数转换。
6.根据权利要求5所述的LIDAR***，其中:
所述SAR转换器包括多个采样电容器以在获取阶段中采样所述模拟值，以及
多个采样电容器中的一个或多个相对于所述多个采样电容器的剩余采样电容器是非二进制加权的。
7.根据权利要求6所述的LIDAR***，其中所述一个或多个非二进制加权的采样电容器包括一个或多个最高有效位(MSB)采样电容器。
8.根据权利要求6所述的LIDAR***，还包括连接所述一个或多个非二进制加权的采样电容器的桥电容。
9.根据权利要求1所述的LIDAR***，还包括LIDAR逻辑，以基于所述ADC***产生的数字值确定一个或多个目标的距离和/或速度。
10.根据权利要求1所述的LIDAR***，其中所述光源包括激光器或激光器二极管。
11.根据权利要求1所述的LIDAR***，其中所述光传感器包括电荷耦合装置。
12.根据权利要求1所述的LIDAR***，其中所述光源和所述光传感器被构造为能够进行飞行时间测量。
13.根据权利要求1所述的LIDAR***，其中所述传感器存储阵列包括多个电容器，其中每个电容器上的电荷表示所述多个模拟值的不同模拟值。
14.一种将模拟值转换为数字值的方法，该方法包括：
确定是否模拟值绝对值大于阈值，
在否定确定时，使用模数转换器(ADC)将所述模拟值转换为数字值，并将转换的数字值提供为与所述模拟值对应的数字值；以及
在肯定确定时，向所述模拟值分配预定的数字值，而不完成所述模拟值的模数转换，并提供所述预定数字值为与所述模拟值对应的数字值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中使用ADC包括：在获取阶段期间对ADC的多个采样电容器采样所述模拟值，然后在转换阶段期间将多个采样电容器上的电压转换为数字值。
16.根据权利要求14所述的方法，其中:
所述阈值是多个阈值中的一个阈值，并且预定值是与所述多个阈值对应的多个预定值中的一个预定值，
所述确定包括确定模拟值的绝对值是否大于所述多个阈值中的任一个，以及
在肯定确定时，所述分配包括分配对应于小于模拟值的绝对值的多个阈值的最大阈值的预定数字值。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述模数转换之前放大所述模拟值。
18.根据权利要求14所述的方法，包括使用逐次逼近常规(SAR)转换器来实施所述模数转换。
19.根据权利要求18所述的方法，其中:
所述SAR转换器包括多个采样电容器以在获取阶段中采样所述模拟值，以及
所述多个采样电容器中的一个或多个相对于所述多个采样电容器的剩余采样电容器是非二进制加权的。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述一个或多个非二进制加权的采样电容器包括一个或多个最高有效位(MSB)采样电容器。
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