光学检测方法和光学检测装置与流程

1.本发明涉及一种光学检测方法，该光学检测方法具有例如采用间接飞行时间测量技术的类型。本发明还涉及一种光学检测装置，该光学检测装置具有例如采用间接飞行时间测量技术的类型。


背景技术：

2.在所谓的飞行时间感测系统和其他系统(例如夜间视觉系统)中，已知采用照明源对在该照明源的视场内的周围环境(有时被称为“场景”)进行照明，并且处理由该场景的特征反射的光。此类所谓的lidar(光检测和测距)系统使用照明源利用光来对场景进行照明，并且使用检测设备(例如光电二极管阵列、一些光学元件、以及处理单元)检测从场景中的对象反射的光。从场景中的对象反射的光被检测设备接收并且被转换成电信号，该电信号随后由处理单元通过应用飞行时间(tof)计算来处理，以便确定对象距检测设备的距离。虽然已知不同种类的lidar系统基于不同的操作原理，但此类系统基本上都对场景进行照明并检测反射光。
3.在这方面，所谓的“闪光lidar”技术(其为直接tof测距技术)采用发射光脉冲的光源，这些光脉冲随后被场景的特征反射并且由检测器设备进行检测。在此类技术中，使用针对光脉冲进行去往反射特征并且返回到检测器设备的往返行程的测得的时间来直接计算到反射特征的距离。在时域中以非常高的采样率对入射到检测器设备上的光脉冲进行采样。因此，用于实现此类技术的处理电路中的信号路径需要信号的高带宽以及大的硅片空间(“real estate”)，即此类实现方式需要硅晶圆上相对大的面积，这进而限制了集成电路上可以支持的通道的数量。因此，此类闪光lidar传感器可以支持的实际的空间通道数量通常低于100。为了克服此种限制，实现需要移动部件的机械扫描系统。
4.另一种已知的lidar系统采用所谓的“间接飞行时间”(itof)测距技术。itof系统发射连续波光信号，并且该连续波光信号的反射被检测器设备接收并被分析。取得从场景的特征反射的光的多个样本(例如四个样本)，每个样本按例如90
°
进行相位步进。使用此种照明和采样方法，可以确定照射和反射之间的相位角，并且可以使用所确定的相位角来确定到场景的反射特征的距离。
5.然而，在itof lidar系统的视场中存在多于一个经调制的光源导致相对于itof lidar系统的干扰，并且由此从测得的相位角计算出的距离易于出错。易受干扰影响尤其而非排他地是关于交通工具驾驶舱内部(即，汽车内部)的普遍问题。
6.已知存在数种不同的解决方案以便尝试缓解经调制的光的干扰源对itof lidar模块的影响。抵消共同环境(诸如交通工具驾驶舱内部)中多个itof lidar系统对彼此的干扰的影响的一种技术是，对于不同的itof lidar模块采用不同波长的光。然而，以协调的方式使用多种波长的光依赖于支持此类方法的多个itof lidar模块，这通常要求这些模块共享共同的制造商。而且，此种方法要求共同的环境是良好受控的，例如该环境中所有光源的存在需要是已知的并且被配置以免彼此干扰。
7.类似地，已知在如上文所描述的此类环境中提供采用不同调制频率的itof模块。然而，同样地，共同的环境必须是良好受控的，并且采用不同频率的这些itof模块通常需要由同一制造商制造。
8.在另一种技术中，在itof lidar模块并非源于同一制造商的情况下，一个itof的调制频率在该itof模块的操作期间“跳变”(即，连续地改变)，由此缓解来自同一共同环境中的其他itof lidar模块的干扰的影响。然而，此种统计学的干扰缓解手段在干扰抑制方面益处有限。
9.还已知对itof lidar模块的调制信号和解调信号采用所谓的开/关代码。尽管此类手段在降低干扰方面是有效的，但此种方法具有显著降低采用该手段的itof lidar模块的信噪比(snr)的不利影响。
10.第2019/285749号美国专利公开涉及对lidar脉冲进行调制以便检测并抑制干扰。处理器使用已知的调制信号在想要的接收到的脉冲与不想要的接收到的脉冲之间进行区分。
11.在第9,977,128号美国专利中，itof lidar系统通过采用检测技术检测光的二次干扰源来缓解由二次光源引起的干扰的影响。对二次光源的检测使得由itof lidar模块从该二次光源接收到的光能够被丢弃。
12.第2019/179017号美国专利公开公开了采用两种不同调制频率的itof lidar系统，其中一种调制频率可以是随机地相位调制的。此类技术缓解了干扰的影响，但要采用专用的共模消除电路来实现此类干扰缓解。


技术实现要素：

13.根据本发明的第一方面，提供了一种光学检测方法，该方法包括：发射连续波光；生成载波信号，该载波信号具有与其相关联的载波信号周期；在曝光时间段内生成代码序列，该代码序列中的每个代码包括多个码元；响应于代码序列而对载波信号应用相移，以便生成经相位调制的载波信号；将经相位调制的载波信号应用到光源，以便根据该经相位调制的载波信号来对连续波光进行调制；根据间接飞行时间测量技术发射经调制的连续波光；接收反射的经调制的连续波光；响应于反射的经调制的连续波光而生成电传感器信号；通过对经相位调制的载波信号应用多个预定的相位偏移值来生成混合信号；通过根据间接飞行时间测量技术并且针对曝光时间段将混合信号应用于电传感器信号，生成并存储多个电输出信号；其中，每个码元具有大于载波信号周期的持续时间；对载波信号的相位调制包括根据多个码元中的码元的值而对载波信号的相位进行偏移；并且在多个码元中的每个码元之间提供定时延迟。
14.在多个码元中的每个码元之间提供的定时延迟可以是防护延迟，该防护延迟被配置成用于使由多个码元中的码元之间的边界处的过渡导致的多个电输出信号的信噪比的降低最小化。
15.每个码元可包括第一二进制值或第二二进制值；第一二进制值可与第一预定相移值相对应，并且第二二进制值可与第二相移值相对应。
16.第一相移值与第二相移值之间的差可以是180度。第一相移值可以是180度而第二相位偏移值可以是0度，或者反之亦然。
17.代码序列可包括对多个码元的出现进行重复。对多个码元的出现进行重复可仅仅包括对该多个码元和定时延迟的重复。
18.方法可进一步包括选择定时延迟的持续时间，以供后续在多个码元中的每个码元之间进行插入。
19.方法可进一步包括采用模拟时间源来生成定时延迟。
20.可采用光学测距装置的系统时间源来生成定时延迟。
21.方法可进一步包括定时延迟的持续时间与每个码元的持续时间之间的定时比；该定时比可在1:2与1:50之间。定时比可在大约1:5与大约1:20之间。
22.代码序列中的每个代码可包括作为伪随机二进制序列的多个码元。
23.方法可进一步包括通过修改载波信号周期由此修改每个码元的持续时间来优化定时比。
24.方法可进一步包括：通过修改代码序列中的每个代码的每代码码元数量由此修改每个码元的持续时间来优化定时比。
25.方法可进一步包括通过修改曝光时间段的持续时间由此修改每个码元的持续时间来优化定时比。
26.方法可进一步包括：选择关于多个电输出信号的信噪比和/或关于多个电输出信号的干扰抑制；以及相对于载波频率周期的倍数选择每个码元的持续时间，以实现所选择的信噪比和/或干扰抑制；和/或选择定时延迟的持续时间，以实现所选择的信噪比和/或干扰抑制。
27.方法可进一步包括：根据间接飞行时间测量技术处理多个电输出信号，以便计算测量向量，并从该测量向量计算所测量的相位角。
28.根据本发明的第二方面，提供了一种确定到场景的特征的距离的方法，该方法包括：如上文关于本发明的第一方面所阐述的光学检测方法；以及使用所测量的相位角来计算距离。
29.根据本发明的第三方面，提供了一种光学检测装置，包括：光源，该光源被配置成用于发射连续波光；调制信号发生器，该调制信号发生器被配置成用于生成载波信号，载波信号具有与其相关联的载波信号周期；代码发生器，该代码发生器被配置成用于在曝光时间段内生成代码序列，该代码序列中的每个代码包括多个码元；移相器，该移相器被配置成用于响应于代码序列而对载波信号应用相移，以便生成经相位调制的载波信号；光源驱动器，该光源驱动器被配置成用于将经相位调制的载波信号应用于光源，以便根据经相位调制的载波信号来对连续波光进行调制；光源被配置成用于根据间接飞行时间测量技术发射经调制的连续波光；检测器，该检测器被配置成用于接收反射的经调制的连续波光，并且用于响应于该反射的经调制的连续波光而生成电传感器信号；相位信号发生器，该相位信号发生器被配置成用于通过对经相位调制的载波信号应用多个预定的相位偏移值来生成混合信号；光子混合器单元，该光子混合器单元操作地耦合至检测器，并且被配置成用于通过根据所述间接飞行时间测量技术并且针对曝光时间段将混合信号应用于电传感器信号来生成并存储多个电输出信号；其中，每个码元具有大于载波信号周期的持续时间；移相器被配置成用于根据多个码元中的码元的值来对载波信号的相位进行偏移；并且代码发生器被配置成用于在多个码元中的每个码元之间提供定时延迟。
30.根据本发明的第四方面，提供了一种光学检测方法，该方法包括：光源发射连续波光；调制信号发生器生成载波信号，载波信号具有与其相关联的载波信号周期；代码发生器在曝光时间段内生成代码序列，该代码序列中的每个代码包括多个码元；移相器响应于代码序列而对载波信号应用相移，以便生成经相位调制的载波信号；光源驱动器接收经相位调制的载波信号并应用经相位调制的载波信号，以便根据经相位调制的载波信号来对连续波光进行调制；光源根据间接飞行时间测量技术发射经调制的连续波光；检测器接收反射的经调制的连续波光，并且响应于该反射的经调制的连续波光而生成电传感器信号；相位信号发生器通过对经相位调制的载波信号应用多个预定的相位偏移值来生成混合信号；光子混合器单元通过根据所述间接飞行时间测量技术并且针对曝光时间段将混合信号应用于电传感器信号来生成并存储多个电输出信号；其中，每个码元具有大于载波信号周期的持续时间；移相器根据多个码元中的码元的值来对载波信号的相位进行偏移；并且代码发生器在多个码元中的每个码元之间提供定时延迟。
31.因此，提供一种提供对源自其他发光器(例如，lidar模块)的干扰的改善的抗扰度的检测方法和装置是可能的。该方法和装置不会牺牲信噪比性能来改善干扰性能。
附图说明
32.现在，参考所附附图，现在将仅通过示例的方式来描述本发明的至少一个实施例，在附图中：
33.图1是构成本发明的实施例的间接飞行时间测距装置的示意图；
34.图2是由图1的装置使用并构成本发明的另一个实施例的对场景进行照明的方法的流程图；
35.图3是由图1的装置以及图2和图6的方法使用并且构成本发明的又一个实施例的生成代码序列的方法的流程图；
36.图4是与图2和图3的方法有关的代码序列的结构的示意图；
37.图5是根据图2和图3的方法生成的图4的序列的码元在时间中的分布的示意图；以及
38.图6是由图1的装置使用并构成本发明的进一步的实施例的对接收到的光信号进行解调的方法的流程图。
具体实施方式
39.贯穿以下描述，相同的附图标记将用于标识相同的部分。
40.参考图1，构成光学检测装置的间接飞行时间测距装置100包括发射模块102以及检测和测距模块104。发射模块102包括载波信号发生器106和代码发生器108。载波信号发生器106和代码发生器108两者均耦合至移相器110的第一输入端和第二输入端。移相器110的输出端耦合至驱动器电路112的输入端。驱动器电路112的输出端操作地耦合至电磁辐射源114，该电磁辐射源114例如激光二极管(ld)或发光二极管(led)，其构成光源。在该示例中，电磁辐射源114发射红外光，该红外光构成连续波光学信号。在该示例中，连续波光学信号是连续波光。
41.装置100的检测和测距模块104包括光学接收器光子混合器像素设备116，该光学
接收器光子混合器像素设备116包括光电二极管108，该光电二极管108具有操作地耦合到至接地电位的阳极和耦合至光子混合器120的第一输入端的阴极，该光子混合器120的输出端耦合至积分器122的输入端。在该示例中，为了描述的简洁和清晰起见，正在描述单个光子混合器像素设备116。然而，技术人员将会领会，检测和测距模块104典型地包括更大数量的像素，例如上文所描述的种类的光子混合器像素设备的阵列。
42.定时控制单元126的控制输出端124操作地耦合至相位信号发生器130的控制信号输入端128，相位信号发生器130的输出端耦合至光子混合器120的第二输入端。移相器110的输出端还操作地耦合至相位信号发生器130的调制信号输入端132。定时控制单元126的同步输出端134操作地耦合至数字傅立叶变换(dft)单元138的定时输入端136。
43.如本文中稍后将进一步详细描述的，相位信号发生器130被配置成用于操纵由移相器110提供的连续波电信号。在这方面，可适用于连续波电信号的相位偏移可经由控制信号输入端128选择，连续波电信号的相位可从以下相位偏移集合中选择：[θ0,θ1,
…
,θ
m
‑1]。
[0044]
积分器122的输出端也耦合至dft单元138的输入端。在这方面，相位角测量被串行地传输到dft单元138，由此降低了对检测和测距模块104的存储器要求。dft单元138包括内部缓冲器(未示出)，以支持来自积分器122的测量的串行传输。
[0045]
dft单元138具有多个数字同相(i)/正交(q)输出140。在该示例中，dft单元138包括与测得的信号的不同谐波相对应的b对数字i/q输出。由于积分器122的输出是累积的电荷，并且因此在该示例中，在模拟域中，积分器122的输出需要被转换到数字域。这可以例如通过采用光子计数器作为积分器122或在dft单元136之前提供模数转换器(未示出)来实现。
[0046]
多个数字i/o输出140中与接收到的反射光学信号的一次谐波有关的第一对i/q输出耦合至相位角计算单元，例如反正切单元142。在该示例中，dft单元138和反正切单元142构成信号处理电路。
[0047]
在操作(图2)中，发射模块102根据itof测量技术发射对场景进行照明的连续波光学信号，并且检测和测距模块104根据itof测量技术检测从场景的特征(例如，对象)反射的光。使用itof测量技术的原理，检测和测距模块104还处理自所反射的光生成的电信号，以便生成指示距场景中负责反射入射光从而得到所检测的反射光的特征的距离的数据。
[0048]
首先采取发射模块102的操作，调制信号发生器106生成(步骤200)载波信号，该载波信号例如具有方波波形的连续波电信号。在这方面，虽然在光学测距领域中载波信号通常被称为调制信号，但在本文中将遵循载波信号的命名。基本上同时地，代码发生器108生成(步骤202)针对每个曝光时段的代码序列。在这方面，曝光时段是出于测距的目的而根据间接飞行时间测量技术测量反射光所需的一段时间。
[0049]
概括地看，代码序列的每个码字包括表示代码的多个码元。在该示例中，代码在代码序列中的码字实例之间不发生改变，即，该代码序列包括重复的单个代码。然而，在其他示例中，应当领会，代码序列可以包括在连贯的代码实例之间发生改变的代码。在一些示例中，代码序列中的代码可以在一轮预定数量的改变的代码之后重复。在其他示例中，每个代码的内容可以构成随机生成的代码或伪随机生成的代码。
[0050]
参考图3，如下，相对于给定的场景的曝光时段生成代码序列。首先，可以检取预先存储的码字长度，以使得能够生成形成代码序列的重复码字的基础的码字。在这方面，如上
文所指示，码字的生成可以包括伪随机地生成二进制码元，以产生符合上文所提及的码字长度的码字。然而，在该示例中，代替于码字长度，码字是预定的并且因此是预先存储的并且被检取(步骤300)。随后分析所检取的码字，并且由代码发生器108生成(步骤302)该码字的第一码元，并且该第一码元被输出至移相器110。代码发生器108随后生成(步骤304)延迟，例如定时延迟，该定时延迟将被插入在码元之间，从而构成防护延迟。
[0051]
在这方面，防护延迟的提供用于缓解由多个码元中的码元之间的边界处的转变导致的信噪比降低。定时延迟的持续时间是可选择的，由此准许调谐信噪比和对来自外部光源(例如，源自其他lidar系统)的干扰的敏感性(干扰抑制)。可以采用装置100的系统时钟(未示出)作为用于生成定时延迟的时基。然而，在其他示例中，可以采用模拟电路来生成时间延迟。
[0052]
技术人员将会领会，定时比存在于定时延迟的持续时间与每个码元的持续时间之间。在这方面，定时比可以在大约1:2与大约1:50之间，例如在大约1:5与大约1:20之间。
[0053]
在码元之后提供时间延迟之后，代码发生器108随后确定(步骤306)是否到达码字的末尾。如果尚未到达，则代码发生器108选择码字中的下一码元，并且生成下一码元并连同防护延迟一起输出该下一码元(步骤302和304)。重复该过程(步骤302至306)，直到代码发生器108已经确定已到达码字的末尾并且码字最后的码元已经被生成并被输出至移相器110。此后，代码发生器110确定是否要生成码字的进一步重复(步骤308)或者是否不要求进一步的码字，例如，装置100的操作是否应被置于待机模式。
[0054]
在需要生成更多码字的情况下，代码发生器108继续重复地生成码字(步骤302至308)，其中在连贯的码元之间具有防护延迟。
[0055]
转向图4，上文所描述的技术使得生成码字序列，该码字序列包括多个码字，例如第一码字400、第二码字402和第m码字404。具有m个码字的多个码字400、402、404中的每一者包括多个码元406。在该示例中，多个码元406由预先存储的码字定义。另外，在该示例和其他示例中，多个码元406中的每个码元具有相关联的持续时间，该持续时间比载波信号的周期大n倍。
[0056]
参考图5，多个码元406包括第一码元408、第二码元410、第三码元412、第四码元414、以及第五码元416。这纯粹是示意性的，并且构成重复码字的多个码元可以包括数量更多或更少的码元。在任何情况下，第一码元408、第二码元410、第三码元412、第四码元414和第五码元416具有持续了n个载波信号周期的持续时间。第一防护延迟418、第二防护延迟420、第三防护延迟422和第四防护延迟424分别设置在第一码元408与第二码元410之间、第二码元410与第三码元412之间、第三码元412与第四码元414之间、以及第四码元414与第五码元416之间。可以调整载波信号周期的持续时间，以优化每码元(例如，第一码元408、第二码元410、第三码元412、第四码元414和第五码元416)消逝的载波信号周期数。此种优化有助于修改防护时间与每个码元的持续时间之间的比率。在这方面，码字内防护时间总和的优势度有助于改变曝光时间内码字序列中码字的总数量。由此，构成码字序列的码字的数量影响由dft单元138接收到的信号的信噪比(本文稍后描述)并且由此影响其输出，并且装置100的干扰抑制(例如，进行优化以增加码字序列中码字的数量)提高了干扰抑制但降低了信噪比。相反，进行优化以减少码字序列中码字的数量有助于降低干扰抑制但增加了信噪比。防护时间与每个码元的持续时间之间的比率的另一种优化包括修改码字所包括的码
元的数量。此种比率的又一种优化包括修改曝光时段的持续时间。关于以上优化，装置100可以被预先配置成用于考虑改善信噪比系能参数和干扰抑制参数中的一者的修改导致另一性能参数变差、来设置信噪比性能参数和干扰抑制参数。一旦经设置，则可以采用以上优化中的一种或多种优化来实现期望的性能参数设置，根据载波信号周期数和/或每个防护延迟的持续时间的码元持续时间。在其他实施例中，可以响应于操作期间遇到的环境因素来动态地设置信噪比性能参数和干扰抑制性能参数，并由装置100(例如，由装置100的信号处理电路)随时(on
‑
the
‑
fly)对这些参数进行调整。
[0057]
返回参考图2，载波信号和代码序列由移相器110接收并由此被应用(步骤204)。在这方面，移相器110响应于代码序列中码字的每个码元的状态或值来修改载波信号的相位(步骤206)。例如，码字中的逻辑1或二进制1表示将载波信号的相位偏移0
°
，而码字中的逻辑0或二进制0表示将载波信号的相位偏移180
°
。当然，在其他示例中，由码字的码元来表示的逻辑0和逻辑1状态可以表示与上文所阐述的那些相移值相反的应用。因此可以看出，码元可以表示第一值或第二值，第一值与第一相移值相对应，而第二值与第二相移值相对应。在该示例中，第一预定相移值与第二预定相移值之间的差为180
°
。
[0058]
随后，向相位信号发生器130和驱动器电路112提供经相位调制的载波信号。由相位信号发生器130对经相位调制的载波信号的应用将稍后在本文中结合检测和测距模块104的操作来描述。然而，关于驱动器电路112，驱动器电路112调节并放大接收到的经相位调制的载波信号，并且驱动光源114以便根据经相位调制的载波信号来发射连续波光学信号，由此生成经相位调制的连续波光。
[0059]
在发射之后，例如场景的特征反射所发射的光学信号。检测和测距模块104负责检测该反射光，并且生成指示从检测和测距模块104到特征的距离的数据。在这方面，经调制的连续波光中的一些被特征反射并由光电检测器118接收，该光电检测器118响应于此而生成电传感器信号。
[0060]
在这方面，并且参考图6，相位信号发生器130接收(步骤500)由移相器110生成的经相位调制的载波信号。经相位调制的载波信号是连续波电信号。定时控制单元126对循环遍历相位偏移集合以及相对于经相位调制的连续波光学信号对经相位调制的载波信号应用相位偏移集合进行控制(步骤502)。在这方面，在使上文所提及的来自相位偏移集合的相移被应用到经相位调制的载波信号之后，相位信号发生器130输出经相位调制的载波信号。还由同步输出端134将同步信号应用到dft单元138，以确保对积分器122的输出的适当定时的处理。
[0061]
由相位信号发生器130生成的电信号连同来自光电检测器118的电传感器信号一起被应用于光子混合器116，根据itof测量技术，将电信号(经相位调制的载波信号)的相位偏移循环遍历上文所提及的相位偏移集合。积分器122针对应用每个相位偏移的每个周期存储由光子混合器116生成的、所累积的电荷，该周期构成测量子帧。在这方面，积分器122针对每个测量子帧进行重置，这与对不同相位偏移值的应用相对应。针对相位偏移集合中的每个相位偏移，测量积分器122中所存储的电荷的数字表示(步骤504)，该数字表示构成电输出信号，并且由dft单元138串行地接收并被转换成构成i/q向量v的一对i/q输出，该i/q向量v表示关于基频的复数值的模拟电测量。在这方面，积分器122串行地提供多个相位分离振幅测量输出，该多个相位分离振幅测量输出表示关于光子混合器像素设备116的所应
用的相位偏移值的各自的累积电荷电平。dft单元138针对每一个子帧计算分别地串行接收的相位分离振幅测量的中间i值和q值，该中间i值和q值在帧循环中累积以生成最终i值和q值结果。此类布置的操作包括：使用dft单元138针对每个传入的相位角测量迭代地计算向量。
[0062]
dft单元138还可以针对由积分器122测得的电荷的谐波生成其他i/q向量。在电测量信号被转换到频域之后，由dft单元138在其输出端处提供基频的i值和q值。在该示例中，同步信号确保dft单元138的当前测量帧的基频i/q输出由反正切单元142同步地接收。反正切单元142随后根据间接飞行时间测量技术来计算(步骤506)向量v的角度，其构成在复平面中从基频i值和q值提取的(测得的)所计算的相位角随后，可以使用所计算的相位角来计算到发射光的反射源的距离。
[0063]
重复(步骤508)上述步骤(步骤500到步骤506)，直到不再需要计算所测量的角度。
[0064]
技术人员应当领会，上文所描述的实现方式仅仅是在所附权利要求的范围内可想到的各种实现方式的示例。事实上，应当领会，例如上文所描述的采用0
°
和180
°
相移的技术仅是示例性的，并且可以将其他相移值(例如，分别为90
°
和270
°
)归因于码字的码元的逻辑电平。然而，以上示例采用0
°
和180
°
相移是因为相比于使用其他相移值的情况，这些值使得码字的自相关更窄。
[0065]
应当领会，除非另外明确说明，否则本文中对“光”的引用旨在作为涉及电磁频谱的光学范围的引用，该光学范围例如在约350nm与约2000nm之间，诸如在约550nm与约1400nm之间、或在约600nm与约1000nm之间。