CN109254299A - 无干扰光学飞行时间***的调频 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了无干扰光学飞行时间***的调频。光学飞行时间***100包括发射器102和接收器110。发射器102被配置为生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号，生成具有对应于调制信号的调幅的光学波形152，并将光学波形152朝向视场(FOV)106定向。接收器110被配置为接收反射离开FOV106内的物体的光学波形162，并且基于从发射器102到该物体并返回到接收器110的飞行时间确定到物体的距离。

Description

无干扰光学飞行时间***的调频
背景技术
光学飞行时间(time of flight(TOF))***一般地利用光学光信号，基于光信号到物体并返回***的飞行时间来测量到物体的距离。例如，光探测和测距(LiDAR、LIDAR、lidar、LADAR)是一种光学飞行时间***，其通过使激光(单个窄脉冲、调制窄脉冲序列和/或连续波)反射离开一个或更多个物体并分析反射的光来测量到一个或更多个物体的距离。更具体地，LiDAR***通常通过分析反射的光信号和发射的光信号之间的相关或相位偏移，来确定激光脉冲从激光器发射到物体并返回到该***的飞行时间。然后可以基于TOF确定到物体的距离。这些***可用于许多应用，包括：地理、地质、地貌、地震学、交通和遥感。例如，在交通运输中，汽车可以包括LiDAR***来监视交通工具与其他物体(例如，另一交通工具)之间的距离。交通工具可以利用由LiDAR***所确定的距离，例如，确定其他物体(诸如另一个交通工具)是否太近，并自动应用制动。
发明内容
根据本公开的至少一个实施例，一种光学飞行时间***包括发射器和接收器。发射器被配置为生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号，生成具有对应于调制信号的调幅的光学波形，并将光学波形朝向视场(FOV)定向。接收器被配置为接收反射离开物体的光学波形，并基于从发射器到物体并返回到接收器的飞行时间确定到物体的距离。
另一个说明性实施例是一种用于光学测距的光学发射***，其包括调制信号发生器和耦合到调制信号发生器的激光二极管。调制信号发生器被配置为生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号。激光二极管被配置为生成具有对应于调制信号的调幅的光学波形。
又一个说明性实施例是一种用于确定到FOV内的物体的距离的方法。该方法包括生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号。该方法还包括生成具有对应于调制信号的调幅的光学波形。该方法还包括将光学波朝向FOV内的物体定向。该方法还包括接收反射离开物体的光学波形。该方法还包括基于光学波形的飞行时间确定到物体的距离。
附图说明
针对各种的示例的详细说明，现在将参考附图，其中：
图1根据各种的示例示出了说明性光学飞行时间***；
图2根据各种的示例示出了用于光学飞行时间***的说明性发射器；
图3A根据各种的示例示出了用于光学飞行时间***的发射器的说明性调制信号发生器；
图3B根据各种的示例示出了用于光学飞行时间***的发射器的说明性调制信号发生器；
图4A根据各种的示例示出了用于具有基于规则形状连续变化频率的调制信号的说明性频率与时间的曲线图；
图4B根据各种的示例示出了用于具有基于伪随机波形连续变化的频率的调制信号的说明性频率与时间的曲线图；
图5A根据各种的示例示出了用于具有形成规则的模式的离散的频率步长的调制信号的说明性频率与时间的曲线图；
图5B根据各种的示例示出了用于具有形成伪随机模式的离散的频率步长的调制信号的说明性频率与时间的曲线图；
图6A根据各种的示例示出了用于光学飞行时间***的说明性接收器；
图6B根据各种的示例示出了用于光学飞行时间***的说明性接收器；以及
图7根据各种的示例示出了用于确定到物体的距离的方法的说明性流程图。
具体实施方式
贯穿随后的说明书和权利要求中使用的某些术语指的是特定的***组件。正如本领域的技术人员所理解的，公司可能会用不同的名称来指代一个组件。本文档不意图区分名称不同而不是功能不同的组件。在随后的讨论和在权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式的方式使用，并且因此应该被解释为意味着“包括但不限于……”。另外，术语“耦合”(“couple”或“couples”)意图意味着间接连接或直接连接。因此，如果第一器件耦合到第二器件，该连接可以通过直接连接，或者通过经由其他器件和连接的间接连接。列举“基于”意图意味着“至少部分基于”。因此，如果X是基于Y的，那么X可以是基于Y和任何数量的其他因素。
以下讨论针对本公开的各种实施例。尽管这些实施例中的一个或更多个可以是优选的，但公开的实施例不应被解释为或以其他方式用作限制本公开(包括权利要求)的范围。此外，本领域技术人员将理解，随后的说明书具有广泛的应用，而对任何实施例的讨论仅仅意味着是对该实施例的示例性说明，而不意图暗示本公开(包括权利要求)的范围受限于该实施例。
光学飞行时间***，诸如LiDAR***(点LiDAR和扫描LiDAR)和三维(3D)TOF相机，利用光学信号(例如，光信号)到物体及其离开物体回到TOF***的反射(返回信号)的TOF确定到各种物体的距离。这些***可用于许多应用，包括：地理、地质、地貌、地震学、交通和遥感。例如，在交通运输中，汽车可以包括LiDAR***，其监视交通工具与其他物体(例如，另一交通工具)之间的距离。交通工具可以利用LiDAR***确定的距离，例如，确定其他物体(诸如另一交通工具)是否太近，并自动应用制动。
一些LiDAR***扫描它们的视场(FOV)(例如，使用旋转光学***或其他波束导向(beam steering)方法)，以确定其FOV中物体的距离信息。反射光的强度是针对通过完整的360度旋转的几个垂直平面测量的。例如，这些LiDAR***可以使用一套旋转的发射和接收光学器件。对于每个扫描平面，光波束在旋转***的每个角位置处被发射和接收(例如，光波束被发射到FOV中的网格模式中的若干扫描点，并被反射离开位于扫描点处的物体)。当完成后，可以生成FOV的3D图像。
在许多应用中，多个光学TOF***在相同的环境中运行，这可能导致***之间的干扰，从而导致错误的距离测量。因此，需要开发一种光学TOF***，其可靠地区分由该***发射的信号和由其他***发射的信号。根据各种的示例，提供了一种光学TOF***，在该***中，发射的光学波形的振幅用低频波形进行调制。这种波形具有调制信号频率，其是连续变化的，或是以离散的步长变化，而不是传统***中发现的固定频率调制信号。通过改变调制信号的频率，所发射的光学波形的调幅将相应变化，从而为***发射的光学波形提供有区别的“签名”。因此，接收器能够区分意图用于***的返回信号和意图用于其他***的信号。
图1根据各种的示例示出了说明性光学TOF***100。光学TOF***100包括发射器102、接收器110和控制器112。发射器102由控制器112配置为生成一个或更多个光学波形152。控制器112可以作为处理器(例如，微控制器、通用处理器等)来实施，其执行从存储器件中检索到的指令，或者作为专用的硬件电路***来实施。在一些实施例中，光学波形152是带有调幅(例如，连续调幅波形)的单音(tone)(例如，连续波)。
在一个实施例中，发射器102也被配置为将光学波形152朝向视场(FOV)106定向。在一些实施例中，发射器102通过将光波形152直接定向到FOV 106，将光波形152朝向FOV106定向。在其他实施例中，发射器102通过将光学波形定向到波束导向器件(未显示)，波束导向器件然后将光学波形152定向到FOV 106，将光学波形152朝向FOV 106定向。在这些实施例中，波束导向器件接收来自发射器102的光学波形152，并将光学波形152导向到FOV106。因此，发射器102可以将光学波形152直接定向到FOV 106，或者可以将光学波形152定向到波束导向器件，波束导向器件将光学波形152定向到FOV 106。除了将光学波形152朝向FOV 106定向之外，在一些实施例中，多个光学波形152被定向以扫描FOV 106。更具体地，发射器102和/或波束导向器件将光学波形152定向/导向到FOV 106内的多个扫描点。例如，发射器102和/或波束导向器件(在一些实施例中，其是具有可控微反射镜或相控阵的固态器件、附接到激光器的机动平台、可旋转反射镜和/或用于波束导向的任何其他器件)被配置为将一个光学波形定向/导向到FOV 106中的第一扫描点，并将第二光学波形定向/导向到FOV 106中的第二扫描点。以这种方式，执行一个或更多个扫描区域的扫描，每个扫描区域包含FOV内的若干扫描点。
光学波形152反射离开在FOV 106内的物体，并作为反射的光学波形162朝向接收器110返回。反射的光学波形162然后被接收器110接收。在一些实施例中，附加的波束导向器件(未显示)将反射的光学波形162导向到接收器110。在一些实施例中，接收器110直接从FOV 106内的物体接收反射的光学波形162。
接收器110被配置为接收反射的光学波形162，并基于从发射器102到物体并返回到接收器110的TOF确定到FOV 106内的物体的距离。例如，光速是已知的，所以到物体的距离是用TOF来确定和/或估计的。也就是说，距离被估计为其中d是到物体的距离，c是光速，并且TOF是飞行时间。光速乘以TOF的一半用来解释光脉冲到FOV 106内的物体的行进以及来自FOV 106内的物体的行进。在一些实施例中，除了接收反射离开FOV 106内的物体的反射光学波形162外，接收器110还被配置为直接从发射器102接收光学波形152或光学波形152的一部分。在一个实施例中，接收器110被配置为将两个光学信号转换成电信号，接收的信号对应于反射的光学波形162，以及参考信号对应于直接从发射器102接收的光学波形152。然后，在一个实施例中，接收器110使用参考信号和接收的信号执行相关函数。相关函数中的峰值对应于接收的反射的光学波形162的时延(即，TOF)。然后可以利用上面讨论的公式估计距离。在其他实施例中，可以对接收的信号执行快速傅里叶变换(FFT)。音(tone)的相位然后用于估计在接收的信号中的延迟(即，TOF)。然后可以用上面讨论的公式估计距离。在其他实施例中，同相(I)分量通过将接收的反射的光学波形162与直接从发射器102接收的发射的光学波形152进行相关来确定，以及正交(Q)分量通过将接收的反射的光学波形162与直接从发射器102接收的发射的光学波形152的90度相位偏移版本(version)进行相关来确定。I/Q信号的积累(integrate)电荷用于估计直接从发射器102接收的光学波形152与接收的反射的光学波形162之间的相位偏移。然后可以用上面讨论的公式估计距离。
图2根据各种的示例示出了光学TOF***100的说明性发射器102。在一个实施例中，发射器102包括调制信号发生器202、发射驱动器206、激光二极管208和光学器件210。调制信号发生器202被配置为提供调制参考信号，示为调制信号222。例如，在一些实施例中，调制信号发生器202被配置为以根据时间变化的频率生成单音(即连续波)调制信号222。在一个实施例中，调制信号222的带宽(即，调制信号带宽)小于调制信号222的均值频率(例如，是其一小部分)。例如，假设调制信号222在9.5MHz和10.5MHz之间变化，则调制信号222的带宽为1MHz，而调制信号222的均值频率为10MHz。在该示例中，调制信号222的带宽是调制信号222的均值频率的
发射驱动器206生成驱动信号(调节电流)，以基于调制信号222控制光学发射器，诸如激光二极管208。换句话说，调制信号222调制由激光二极管208在脉冲期间发射的光的强度。例如，在一个实施例中，发射驱动器206包括一个或更多个功率开关，其调节到激光二极管208的电流。功率开关以调制信号222的频率切换。因此，通过改变调制信号222的频率(并且因此，改变发射驱动器206中的功率开关的切换频率)，光学波形152的调幅也发生变化，为光学波形152提供了区别特征。因此，在一个实施例中，调制信号发生器202被配置为根据时间改变调制信号222。在一些实施例中，调制信号222的频率根据时间不断地变化。在其他实施例中，调制信号222的频率在多个离散频率步长(step)中根据时间变化。在一些实施例中，光学波形152具有905纳米的波长，并且因此具有相对高的频率(例如，331THz)。相比之下，在一个实施例中，调制信号222的频率比光学波形152的频率小得多。虽然在图2中示出激光二极管208，但是任何类型的光学信号发生器(例如，发光二极管(LED))都可以用来生成光学波形152。在一个实施例中，光学器件210为一个或更多个透镜，该光学器件210被配置为将光学波形152(例如，调制光信号)朝向FOV 106定向(例如，聚集/聚焦(focus))。
图3A根据各种的示例示出了用于光学TOF***100的发射器102的说明性调制信号发生器202。如图3A所示，在一个实施例中，调制信号发生器202包括锁相环(PLL)300，其包括输入分频器302、相位/频率检测器(PFD)306、电荷泵308、环路滤波器310、压控振荡器(VCO)312和反馈分频器314。PLL 300生成输出信号，即调制信号222，其具有(例如，由晶体振荡器生成的)输入信号322频率的可编程的倍数的频率。在一些实施例中，输入信号322的频率是变化的。此外，输入信号322的频率在一些实施例中是连续变化的，而在其他实施例中是以离散的步长变化的。替代性地，在一些实施例中，输入信号322的频率被配置为保持恒定。在一个实施例中，输入信号322由输入分频器302分频以生成参考信号324。在一些实施例中，输入分频器302包括双模分频器、二进制计数器或其他电路***，该其他电路***允许将输入信号频率通过可编程除数系数分频。在替代性的实施例中，直接提供输入信号322，而没有分频，作为参考信号324到PFD 306。
在一个实施例中，VCO 312是一种电子振荡器，其被配置为通过电压输入来控制振荡频率。因此，所产生的振荡频率随所施加的电压变化。因此，VCO 312基于由环路滤波器310提供的控制电压生成调制信号222。虽然在图3A中显示位于PLL 300的内部，但是，在一个实施例中，VCO 312可以位于PLL 300的其余组件的外部(例如，VCO 312可以在一个独立的芯片上，而不是PLL 300的其他组件上)。由于输入信号322的频率可以变化(例如，输入信号322的频率可以在不同的时间是不同的)，所以VCO 312可以生成根据时间变化的调制信号222。
VCO 312的输出频率通过反馈分频器314降低，并且通过PFD 306与参考信号324进行比较。在一些实施例中，反馈分频器314包括双模分频器、二进制计数器或其他电路***，该其他电路***允许将VCO 312的输出信号频率通过可编程除数系数分频。PFD 306识别出反馈分频器314的输出和参考信号324的相位和/或频率的差异，并响应于识别出的相位和/或频率上的差异，生成控制电荷泵308的信号。电荷泵308生成电流，以使在环路滤波器310中的一个或更多个电容器充放电。每一个电容器两端的电压形成在给定的时间段内对VCO312施加的控制电压。例如，如果PFD 306确定参考频率324具有的频率大于由反馈分频器314输出的频率，则PFD 306输出信号，该信号致使电荷泵308将电流驱动到环路滤波器310中，由此，增加了电容器之一两端的电压并增加了VCO 312的输出频率，并且因此，增加了调制信号222的频率。
在一个实施例中，调制信号发生器202还包括控制器318，该控制器318确定和设置由PLL 300应用的频率缩放系数。控制器318可以作为处理器(例如，微控制器、通用处理器等)来实施，其执行从存储器件检索到的指令，或者作为专用硬件电路***来实施。在一些实施例中，控制器418是在控制器112的一部分中来实施或是控制器112的一部分。控制器418可以基于选择的输出频率计算输入分频器302和/或反馈分频器314的系数，可以从表中检索预先计算的系数等。换句话说，输入分频器302和/或反馈分频器314的除数值通过控制器318是可编程和/或是可改变的。因此，输入分频器302和/或反馈分频器314的除数值可以根据时间变化。这种除数值的变化导致调制信号222的频率根据时间变化。然而，由于输入分频器302和反馈分频器314的除数值是整数，因此仅基于这些除数值的改变的调制信号222的频率变化将作为离散的频率步长，而不是连续的变化。
图3B根据各种的示例示出了用于光学TOF***100的发射器102的另一个说明性调制信号发生器202。如图3B所示，在一个实施例中，调制信号发生器202包括分数频率合成器(FFS)350，其包括输入分频器352、PFD 356、电荷泵358、环路滤波器360、VCO 362、整数环路分频器364和ΔΣ调制器366。FFS 350生成输出信号，即调制信号222，其具有(例如，由晶体振荡器生成的)输入信号372频率的可编程的倍数的频率。在一些实施例中，输入信号372的频率是变化的。此外，在一些实施例中，输入信号372的频率是连续变化的，而在其他实施例中是以离散的步长变化的。替代性地，在一些实施例中，输入信号372的频率被配置为保持恒定。在一个实施例中，输入信号372通过输入分频器352分频以生成参考信号374。在一些实施例中，输入分频器352包括双模分频器、二进制计数器或其他电路***，该其他电路***允许将输入信号频率通过可编程除数系数分频。在替代性实施例中，直接提供输入信号372，而没有分频，作为参考信号324到PFD 356。
在一个实施例中，VCO 362是一种电子振荡器，用于通过电压输入来控制振荡频率。因此，所产生的振荡频率随所施加的电压变化。因此，VCO 362基于由环路滤波器360提供的控制电压生成调制信号222。虽然在图3B中示出了位于FFS 350的内部，但在一个实施例中，VCO 362可以位于FFS 350的剩余组件的外部(例如，VCO 362可以在一个独立的芯片上，而不是在FFS 350的其他组件上)。由于输入信号372的频率可以变化(例如，输入信号372的频率在不同的时间是不同的)，因此VCO 362可以生成根据时间变化的调制信号222。
VCO 362的输出频率通过整数环路分频器364降低，并且通过PFD 356与参考信号374进行比较。在一些实施例中，整数环路分频器364包括双模分频器、二进制计数器或其他电路***，该其他电路***允许将VCO 362的输出信号频率通过可编程除数系数分频。Δ-Σ调制器366控制由整数环路分频器364应用的整数值中的变化，以产生应用于VCO输出信号频率的分数除数(divisor)。例如，如果应用于VCO输出信号频率的分数除数为10.5，那么Δ-Σ调制器366致使整数环路分频器364在一半的时间将VCO输出信号频率除以10和在一半的时间将VCO输出信号频率除以11以产生10.5的平均分频。Δ-Σ调制器366在保持期望的平均除数系数的同时，随机化不同整数除数系数的应用时间。Δ-Σ调制器366可以是多级噪声整形(MASH)ΔΣ调制器。
PFD 356识别整数环路分频器364的输出和参考信号374的相位和/或频率中的差异，并响应于识别的相位和/或频率中的差异，生成控制电荷泵358的信号。电荷泵358生成电流，以使在环路滤波器360中的一个或更多个电容器充放电。每个电容器两端的电压形成在给定的时间段内应用于VCO 362的控制电压。例如，如果PFD 356确定参考频率374具有的频率大于整数环路分频器364输出的频率，则PFD 356输出信号，该信号致使电荷泵358将电流驱动到环路滤波器360中，由此，增加了电容器之一两端的电压并增加了VCO 362的输出频率，并且因此，增加了调制信号222的频率。
在一个实施例中，调制信号发生器202还包括控制器368，其确定和设置由FFS 350应用的频率缩放系数。控制器368可以作为处理器(例如，微控制器、通用处理器等)来实施，其执行从存储器件检索到的指令，或者作为专用的硬件电路***来实施。在一些实施例中，控制器468在控制器112的一部分中实施，或者是控制器112的一部分。控制器468可以基于每个选择的输出频率计算频率合成的系数，可以从表中检索预先计算的系数等。换句话说，由ΔΣ调制器366和整数环路分频器364的组合提供的到PFD 356的分数分量可由控制器368控制。因此，分数分量可以根据时间变化。分数分量的这种变化导致调制信号222的频率根据时间变化。附加地，由于分数分量可以通过任何值(例如，整数和分数)来增加和/或减少，因此基于改变这个分数值，调制信号222的频率变化可以作为离散的频率步长，以及作为根据时间的连续变化。
图4A根据各种的示例示出了用于具有基于规则形状连续变化频率的调制信号222的说明性频率与时间曲线图400。如上所述，在一个实施例中，发射器102，以及更具体地调制信号发生器202，被配置为基于规则形状根据时间不断地改变调制信号222的频率。因此，如曲线图400所示，调制信号222的频率在不断变化(例如，频率在一段时间增加，在另一段时间减少，但总是在变化)。根据时间的调制信号222的频率的形状可以采取任何规则的形状(例如，正弦形、三角形、锯齿形等)。在曲线图400示出的示例中，调制信号222的频率形状示出了三角形和锯齿形(例如，调频连续波(FMCW))。
另外，如曲线图400中由示例调制信号222所示，调制信号222的带宽为1MHz，因为频率在9.5MHz和10.5MHz之间变化。调制信号222的均值频率为10MHZ。因此，如上所述，在这种情况下，调制信号带宽小于调制信号222的频率的均值的一小部分。
图4B根据各种的示例示出了用于具有基于伪随机波形连续变化的频率的调制信号222的说明性频率与时间的曲线图450。如上所述，在一个实施例中，发射器102，更具体地，调制信号发生器202，被配置为基于伪随机波形根据时间连续地改变调制信号222的频率。因此，如曲线图450所示，调制信号222的频率在连续变化(例如，频率在一段时间增加，在另一段时间减少，但总是在变化)。调制信号222的频率的形状根据时间是伪随机的。换句话说，虽然调制信号222的频率变化满足随机性的统计检验(test)，但是该变化是由控制器112通过任意伪随机算法产生。在曲线图450中示出的示例中，调制信号222的频率根据时间的变化是伪随机的。
图5A根据各种的示例示出了用于具有形成规则的模式的离散的频率步长的调制信号222的说明性频率与时间曲线图500。如上所述，在一个实施例中，发射器102，更具体地，调制信号发生器202被配置为将调制信号频率根据时间在多个离散频率步中变化。换句话说，调制信号发生器202生成具有多个固定持续时间段的调制信号。在每个固定的持续时间段中保持恒定的调制信号频率。在每个固定持续时间段结束后，调制信号发生变化。例如，图5A中的调制信号222包括段502-516。在该示例中，调制信号发生器202被配置为生成在整个段502期间具有恒定频率的调制信号222。一旦段502结束后，调制信号222的频率改变(变化)到段504的另一个频率，其中频率再一次恒定，直到段504结束。以这种方式，调制信号222的频率根据时间在多个离散频率步长中变化。虽然图5A所示的段是连续的，但是在替代性的实施例中，段可以间隔开，以便有安静的时间(例如，调制信号发生器202在一段时间内停止调制信号的生成，直到下一个段开始)。附加地，在一些实施例中，多个离散频率步长形成一个规则模式。在图5A所示出的示例中，多个离散频率步长形成了一个规则的阶梯(stair)步长模式(例如，单调递增的连续波形(离散FMCW))。在其他实施例中，可以使用任何其他规则模式(例如，单调递减的连续波形)。
图5B根据各种的示例示出了用于具有形成伪随机模式的离散的频率步长的调制信号222的说明性频率与时间曲线图550。如上所述，在一个实施例中，发射器102，更具体地，调制信号发生器202被配置为将调制信号频率根据时间在多个离散频率步长中变化。换句话说，调制信号发生器202生成具有多个固定持续时间段的调制信号。在每个固定的持续时间段期间保持恒定的调制信号频率。在每个固定持续时间段结束后，调制信号发生变化。在一些实施例中，多个离散频率步长形成伪随机模式。例如，数字发生器(诸如伪随机二进制序列(PRBS)可以从一组可能的调制频率中进行伪随机选择。
图6A根据各种的示例示出了光学TOF***100的说明性光学接收器110。在一个实施例中，接收器110包括：一个光学器件610(例如，透镜)、两个光电二极管602和612、两个跨阻抗放大器(TIA)604和614、两个模拟-数字转换器(ADC)606和616，以及一个接收处理器608。正如上面所讨论的，在一个实施例中，反射的光学波形162在反射离开FOV 106内的物体后被接收器110接收。在一个实施例中，光学器件610接收反射的光学波形162。光学器件610将反射的光学波形162定向(例如，聚焦/聚集(focus))到光电二极管612。光电二极管612被配置为接收反射的光学波形162，并将反射的光学波形162转换为电流接收信号652(与接收的反射光的强度成比例的电流)。TIA 614被配置为接收电流接收信号652，并将电流接收信号652转换为电压信号，该电压信号被指定为与电流接收信号652对应的电压接收信号654。ADC 616被配置为接收电压接收信号654，并将电压接收信号654从模拟信号转换为对应的数字信号，该数字信号被指定为数字接收信号656。附加地，在一些实施例中，在由TIA 614接收之前，对电流接收信号652进行滤波(例如，带通滤波)，和/或在由ADC 616接收之前，对电压接收信号654进行滤波。在一些实施例中，电压接收信号654被时间数字转换器(TDC)(未显示)接收，以提供接收电压接收信号654的时间的数字表示。
在一个实施例中，光电二极管602直接从发射器102接收光学波形152或光学波形152的一部分，并将光学波形152转换为电流参考信号662(与直接从发射器102接收的光的强度成比例的电流)。TIA 604被配置为接收电流参考信号662，并且将电流参考信号662转换为电压信号，该电压信号被指定为与电流参考信号662相对应的电压参考信号664。ADC606被配置为接收电压参考信号664，并将电压参考信号664从模拟信号转换为对应的数字信号，，该数字信号指定为数字参考信号666。附加地，在一些实施例中，在由TIA 604接收之前，对电流参考信号662进行滤波(例如，带通滤波)和/或在由ADC 606接收之前对电压参考信号664进行滤波。在一些实施例中，电压参考信号664被TDC(未示出)接收以提供接收电压参考信号664的时间的数字表示。
处理器608是任何类型的处理器、控制器、微控制器和/或微处理器，其具有经优化用于处理数字接收信号656和/或数字参考信号666的体系结构。例如，处理器408可以是数字信号处理器(DSP)、中央处理单元(CPU)，精简指令集计算(RISC)内核(诸如进阶RISC机器(ARM)内核)、混合信号处理器(MSP)、现场可编程门阵列(FPGA)等。在一些实施例中，处理器608是控制器112的一部分。在一个实施例中，处理器608用于基于调制信号222解调数字接收信号656和数字参考信号666。在一个实施例中，处理器608然后通过(如上所述)使用参考信号和接收的信号执行相关函数来确定到物体106的距离。相关函数中的峰值对应于每个接收的反射光学波形162的时间延迟(即，TOF)。可以使用上面讨论的公式估计到物体106的距离。在其他实施例中，对接收的数字信号656执行FFT。然后使用音的相位来估计接收的信号中的延迟(即，TOF)。然后可以使用上面讨论的公式估计距离。
图6B根据各种的示例示出了光学TOF***100的另一个说明性接收器102。图6B示出的示例接收器102是I/Q接收器。接收器102包括一个光电二极管682、两个开关686和696以及两个电容器684和694。光电二极管682接收来自物体106的反射光学波形162，并将反射光学波形162转换成与光电二极管682接收的光量成比例的电流。由于反射光学波形162的振幅正在被调制，所以这个电流表示了反射光学波形162的调幅，并且因此表示了发射光学波形152的调幅。通过闭合开关686，该电流在电容器684上积累。电容器684积累电流并收集电荷。在一个实施例中，开关686使用调制信号222断开和闭合。该操作使发射的光学波形152与接收的反射光学波形162相关。因此，电容器684上的电荷实际上是接收的反射光学波形162与调制信号222的相关。开关696使用调制信号222(正交相位)的正交(90度相位偏移)版本闭合。因此，电容器694基于调制信号222的这个正交相位积累电流并且收集电荷。该操作使发射的光学波形152的正交相位与接收的反射光学波形162相关。电容器684和694上的电荷表示接收的反射光学信号162相对于发射的光学信号152的相关的结果。这些电荷可以用来计算I/Q信号之间的相对相位，其然后如上所述可以用来计算到FOV 106内的物体的距离。
换句话说，图6B中所示的I/Q接收器110将接收的反射光学波形162转换成电接收信号(例如，电流)。这个电接收信号与调制信号222(对应于发射的光学信号152)相关，以生成I分量。电接收信号也与调制信号222的90度相位偏移版本相关，以生成Q分量。基于I分量和Q分量估计电接收信号与调制信号222之间的相位偏移。如上所述，这个相位偏移被转换成到物体的距离。
图7根据各种的示例示出了用于确定到物体的距离的方法700的说明性流程图。尽管为了方便按顺序描绘，但可以以不同的顺序和/或并行执行所示的至少一些动作。附加地，一些实施例可能只执行所示的一些动作。在一些实施例中，方法700的操作中的至少一些操作以及本文所述的其他操作由发射器102(包括调制信号发生器202、发射驱动器206、激光二极管208和/或光学器件210)、接收器110(包括光学器件610、光电二极管602、612和/或682TIA 604和/或614、ADC 606和/或616、处理器608、开关686和/或696和/或电容器684和/或694))和/或控制器112执行，以及在逻辑电路(logic)和/或由执行存储在非临时计算机可读存储介质中的指令的处理器实施。
方法700在块702中开始，生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号。例如，在一个实施例中，调制信号发生器202被配置为生成调制信号222，其具有根据时间不断变化的频率和/或在多个离散频率步长中根据时间变化的频率。
方法700在块704中继续，生成具有对应于调制信号的调幅的光学波形。例如，在一个实施例中，发射驱动器206生成驱动信号(调节电流)来驱动激光二极管208，以便激光二极管发射对应于调制信号222的光学波形152。因此，光学波形152是基于调制信号222的频率的调幅。在块706中，方法700继续，将光学波形朝向FOV 106定向。例如，在一个实施例中，光学器件210将光学波形152朝向FOV 106定向。
方法700在块708中继续，接收反射离开FOV内的物体的光学波形。例如，在一个实施例中，光学波形152反射离开FOV 106内的物体，并被接收器110接收为反射的光学波形162。在块710中，方法700继续，基于光学波形的飞行时间确定到物体的距离。例如，在一个实施例中，接收器110将反射的光学波形162转换成接收的电信号，诸如接收的数字信号656，并且基于对应于直接从发射器102接收的光学波形152的参考信号与接收的电信号之间的比较确定该反射的光学波形162的TOF。然后基于TOF确定距离。在另一个实施例中，接收器102为I/Q接收器，其使调制信号222的I分量和Q分量与对应于接收的反射光学波形162的电信号相关。估计I和Q信号之间的相位偏移。然后将相位偏移转换为到FOV 106内的物体的距离。
上述讨论意图说明本公开的原则和各种实施例。一旦充分理解了以上的公开，许多变化和修改将对本领域的技术人员来说是明显的。意图将随附的权利要求解释为包含所有这些变化和修改。

Claims (20)

1.一种光学飞行时间***，包含：
发射器，其被配置为：
生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号；
生成具有对应于所述调制信号的调幅的光学波形；以及
将所述光学波形朝向视场即FOV定向；以及
接收器，其被配置为接收反射离开所述FOV内的物体的所述光学波形，并且基于从所述发射器到所述物体并返回到所述接收器的飞行时间确定到所述物体的距离。
2.根据权利要求1所述的光学飞行时间***，其中所述发射器被配置为生成具有小于所述调制信号频率的均值的调制信号带宽的所述调制信号。
3.根据权利要求1所述的光学飞行时间***，其中所述发射器被配置为基于规则形状根据时间连续地改变所述调制信号频率。
4.根据权利要求1所述的光学飞行时间***，其中所述发射器被配置为基于伪随机波形根据时间连续地改变所述调制信号频率。
5.根据权利要求1所述的光学飞行时间***，其中所述发射器被配置为在多个离散频率步长中根据时间改变所述调制信号频率。
6.根据权利要求5所述的光学飞行时间***，其中所述多个离散频率步长形成规则模式。
7.根据权利要求5所述的光学飞行时间***，其中所述多个离散频率步长形成伪随机模式。
8.根据权利要求1所述的光学飞行时间***，其中：
所述调制信号包括多个固定的持续时间段；以及
所述发射器被配置为在所述多个固定的持续时间段中的每一个期间维持恒定的调制信号频率，并且在所述多个固定的持续时间段中的每一个结束后改变所述调制信号频率。
9.根据权利要求8所述的光学飞行时间***，其中所述多个固定的持续时间段中的每一个与所述多个固定的持续时间段中的另一个连续。
10.根据在要求8所述的光学飞行时间***中，其中在所述多个固定的持续时间段中的每一个结束后，所述发射器被配置为在一段时间内停止所述调制信号的生成，直到在所述多个固定的持续时间段的下一个开始。
11.根据权利要求1所述的光学飞行时间***，其中所述接收器被配置为：
将接收的反射离开所述FOV内的所述物体的光学波形转换为电接收信号；
使所述电接收信号与所述调制信号相关，以生成同相分量即I分量；
使所述电接收信号与所述调制信号的90度相位偏移版本相关，以生成正交分量即Q分量；
基于所述I分量和所述Q分量估计所述电接收信号与所述调制信号之间的所述相位偏移；以及
将所述相位偏移转换为到所述物体的所述距离。
12.一种用于测距的光学发射***，包含：
调制信号发生器，其被配置为生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号；以及
激光二极管，其耦合到所述调制信号发生器，所述激光二极管被配置为生成具有对应于所述调制信号的调幅的光学波形。
13.根据权利要求12所述的光学发射***，其中所述调制信号发生器包括锁相环即PLL，所述PLL被配置为接收变化频率输入信号并输出所述调制信号。
14.根据权利要求12所述的光学发射***，其中：
所述调制信号发生器包括锁相环即PLL，其被配置为接收恒定频率输入信号并输出所述调制信号，所述PLL包含相位频率检测器即PFD、环路滤波器、压控振荡器即VCO、具有第一除法值的输入分频器以及具有第二除法值的反馈分频器；并且
所述第一除法值根据时间变化，或者所述第二除法值根据时间变化。
15.根据权利要求12所述的光学发射***，其中所述调制信号发生器包括分数频率合成器即FFS，其被配置为接收恒定频率输入信号并通过在所述FFS中改变分数分量输出所述调制信号。
16.根据权利要求15所述的光学发射***，其中：
所述FFS包含相位频率检测器即PFD、环路滤波器、压控振荡器即VCO、整数环路分频器以及具有分数分量输出的ΔΣ调制器；并且
所述分数分量根据时间变化。
17.根据权利要求12所述的光学发射***，其中：
所述调制信号发生器包括分数频率合成器即FFS，其被配置为接收恒定频率输入信号并输出所述调制信号，所述FFS包含相位频率检测器即PFD、环路滤波器、压控振荡器即VCO、整数环路分频器以及具有分数分量输出的ΔΣ调制器；并且
所述分数分量根据时间变化。
18.一种用于确定到物体的距离的方法，包含：
生成调制信号，其具有根据时间变化的调制信号频率；
生成具有对应于所述调制信号的调幅的光学波形；
将所述光学波形朝向视场即FOV定向；
接收反射离开所述FOV内的物体的所述光学波形；以及
基于所述光学波形的飞行时间确定到所述物体的距离。
19.根据权利要求18所述的方法，其中生成所述调制信号包括生成调制信号频率，所述调制信号频率根据时间连续地变化。
20.根据权利要求18所述的方法，其中生成所述调制信号包括生成调制信号频率，所述调制信号频率在多个离散频率步长中根据时间变化。
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