專利名稱：運(yùn)行光電混合裝置系統(tǒng)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運(yùn)行PMD系統(tǒng)的方法和裝置。
PMD(光電混合裝置)原理上相當(dāng)于CMOS攝象芯片的象素。在PMD中，除光的強(qiáng)度之外，也可測(cè)量在已發(fā)射的強(qiáng)度調(diào)制波(典型地為光)和由PMD接收到的波PM之間的傳播時(shí)間τ。對(duì)此，發(fā)射設(shè)備測(cè)定按強(qiáng)度調(diào)制的波，該波在通過(guò)傳輸路線以后到達(dá)PMD。在那里，所述的波象在常用的光電二極管上那樣產(chǎn)生載流子。在此，產(chǎn)生的載流子數(shù)與波的強(qiáng)度成正比。
PMD系統(tǒng)的特點(diǎn)在于交替地?cái)嚅_(kāi)2個(gè)彼此相對(duì)的輸出端A和B。通過(guò)施加在PMD上的調(diào)制信號(hào)Umod實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輸出端之間的切換。這個(gè)電壓象發(fā)射設(shè)備那樣用同一個(gè)頻率fmod進(jìn)行調(diào)制。如果波現(xiàn)在無(wú)延遲地到達(dá)PMD，則產(chǎn)生載流子的時(shí)間相當(dāng)于輸出端A的斷開(kāi)時(shí)間。由此，所產(chǎn)生的電荷完全到達(dá)輸出端A。如果波到達(dá)PMD延遲了，則載流子也相應(yīng)地推遲產(chǎn)生。由此，在輸出端A斷開(kāi)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生部分電荷，相反，另一部分電荷則在輸出端B的斷開(kāi)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生。因此，輸出端A和B之間的差是度量信號(hào)傳播時(shí)間τ的量值，相反，輸出端A和B的和則是度量入射光的強(qiáng)度的量值，對(duì)此，請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)DE197 04 496 A1或R.Schwarte等人撰寫的文章“具有新型相關(guān)光電探測(cè)器矩陣的快速和簡(jiǎn)單的光學(xué)測(cè)形”，該文刊登在1997年4月28/29日于Langen召開(kāi)的DGZfP-GMA專業(yè)會(huì)議錄報(bào)告中。
讀出電壓Ua、Ub直接由生成的電荷流產(chǎn)生(非積分運(yùn)行)。在積分運(yùn)行過(guò)程中，讀出電壓Ua、Ub是在將電荷集成在空腔諧振器內(nèi)之后形成的電壓。積分的PMD具有的特性是集中載流子的空腔諧振器通常必須利用長(zhǎng)度tR的復(fù)位信號(hào)R騰空。復(fù)位或可按照具有頻率fint＝1/tint的預(yù)先固定的時(shí)間間隔tint實(shí)現(xiàn)，或在電荷諧振腔上達(dá)到某個(gè)電壓閾時(shí)自適應(yīng)地實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于PMD的輸出信號(hào)Ua、Ub-該輸出信號(hào)相當(dāng)于入射電磁波與調(diào)制信號(hào)UPMD mod或相移180°的互補(bǔ)調(diào)制信號(hào)UPMD mod之積，分別根據(jù)實(shí)施累積門電路(積分的/非積分的)的情況，假定入射的強(qiáng)度調(diào)制的正弦形光波和調(diào)制信號(hào)具有相同的頻率，并且接著利用低通濾波抑制高頻部分，則得出下列方程式Ua＝k·PM·cos(Δφ)+k·PH/2 (1)Ub＝k·PM·cos(Δφ+180°)+k·PH/2(2)已經(jīng)優(yōu)選在積分讀出電路內(nèi)實(shí)現(xiàn)低通濾波，因此所述低通濾波不需要作為外部系統(tǒng)單元使用。在方程式(1)和(2)中，Δφ為于入射電磁波和調(diào)制信號(hào)之間的相移，PM為于入射波的功率，k為考慮了PMD的靈敏度、調(diào)制電壓的幅度、目標(biāo)上的反射系數(shù)以及線路衰減的比例系數(shù)，PH為背景照明的功率。在使用積分的PMD時(shí)，k也包括積分時(shí)間ti。通過(guò)構(gòu)成差分信號(hào)Ud，于是抑制了背景照明，下列方程式適用于差分信號(hào)Ud＝Ua-UbUd＝k·PM·cos(Δφ)＝const·cos(Δφ) (3)然后，信號(hào)的相移由受傳播時(shí)間限制的部分和一個(gè)固定相移φd組成，這譬如是固電子裝置中不同的傳播時(shí)間τ或還有延遲網(wǎng)絡(luò)造成的Δφ＝2π·fmod·τ+φd(4)在此，輸出信號(hào)Ua、Ub或Ud不僅與cos(Δφ)，而且與PM有關(guān)，證明直接計(jì)算相移是有問(wèn)題的。如果背景照明得到抑制不一定是必須的，則傳播時(shí)間τ、并且由此還有目標(biāo)的距離、或多普勒頻率fd和由此還有目標(biāo)的速度都可直接由方程式(1)或方程式(2)求出。
從1999年9月5-6日在斯圖加特召開(kāi)的光學(xué)測(cè)形的DGZIP專業(yè)會(huì)議錄刊登的，Heinol、Xu和Schulte撰寫的“以傳播時(shí)間為基礎(chǔ)的3D攝象系統(tǒng)-智能象素方案”中，已經(jīng)公開(kāi)了通過(guò)接收多個(gè)測(cè)量值并借助相位調(diào)制法(PSK方法)或PN調(diào)制來(lái)確定相位差或傳播時(shí)間差。對(duì)此，通常采用積分的PMD。這樣就可調(diào)諧相位延遲φd。接著，尋找所獲得的相關(guān)曲線的最大值，并且從2π·fmod·τ＝2π-φdmax中確定傳播時(shí)間。采用這種方法在技術(shù)上的耗費(fèi)是相當(dāng)可觀的，這樣，譬如利用直接數(shù)字頻率合成(DDS)和數(shù)字相位寄存器產(chǎn)生相位延遲φd。
在DE197 04 496 A1已經(jīng)說(shuō)明了替代的方法(I-Q方法)，其中或依次或利用特殊的象素結(jié)構(gòu)/裝置接收Ud的2個(gè)彼此相移90°的值。然后，從這個(gè)方程式計(jì)算相位Δφ
在DE197 04 496 A1中建議有選擇地使用正交偽噪聲碼(PN)，該碼提供了多目標(biāo)能力的優(yōu)點(diǎn)。
已知的方法是從靜止的、也即在測(cè)量攝像范圍內(nèi)的不運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)的。如果相反在測(cè)量攝像期間目標(biāo)物在動(dòng)，則在測(cè)量期間傳播時(shí)間τ不再是恒定的。用τ(t)＝2·d(t)/c＝2/c·(vd·t+d0)適用于在此，d為當(dāng)前的距離，d0為對(duì)應(yīng)于起始傳播時(shí)間τ0的起始距離， c為光速，并且vd為目標(biāo)速度。通過(guò)將方程式(5)插入方程式(3)，就可得到差分信號(hào)Ud 這個(gè)信號(hào)具有一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的相位。在此，相位與時(shí)間有關(guān)的部分含有速度信息、常數(shù)部分含有距離信息。通過(guò)對(duì)相位的求導(dǎo)確定與時(shí)間有關(guān)的部分，該部分也相當(dāng)于信號(hào)的頻率 其中按照1993年在Heidelberg會(huì)議上由Hüthing出版的文獻(xiàn)中，E.Pehl撰寫的“應(yīng)用中的微波”，與時(shí)間有關(guān)的部分相當(dāng)于多普勒頻率fd＝vd/λ＝vd·fmod/c。然后，按照方程式(6)借助信號(hào)的頻譜分析(譬如FFT)來(lái)確定頻率和以此也確定速度。接著，譬如作為在頻譜中最大值的相位來(lái)確定所尋找的相位，并且從其中利用方程式(4)計(jì)算距離。在此，基本上假定多普勒頻率比低通濾波的界限頻率小得多。
在進(jìn)行積分測(cè)量情況下，采用與多普勒信號(hào)的基本周期相比較短的積分時(shí)間tint＜＜1/fd時(shí)，通過(guò)共同積分的與時(shí)間相關(guān)的部分獲得一個(gè)測(cè)量誤差。在較長(zhǎng)的積分持續(xù)時(shí)間tint＞＞1/fd時(shí)，不再得到與Δφ的傳播時(shí)間成正比的差分信號(hào)。由此，就可在最佳情況下用增大的測(cè)量誤差來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離。另外，兩個(gè)最先提到的方法只能獲取和測(cè)量一個(gè)目標(biāo)。
對(duì)上述方法都共用的是，這些方法在方程式(4)中是以相位延遲φd的調(diào)制為基礎(chǔ)的。
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種運(yùn)行一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和測(cè)量精度提高的PMD的可能性以及一種測(cè)量速度和/或距離的可能性。
這個(gè)任務(wù)可由權(quán)利要求1和3所述的方法和權(quán)利要求17所述的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)用PMD使測(cè)量速度成為可能，其中利用具有一個(gè)任意的、但卻為固定選擇的調(diào)制頻率fmod的調(diào)制信號(hào)Umod和利用對(duì)此互補(bǔ)的調(diào)制信號(hào)Umod進(jìn)行控制，并且發(fā)射設(shè)備發(fā)射利用至少一個(gè)調(diào)制信號(hào)Umod進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的電磁輻射。
這種方法的特征在于，通過(guò)從方程式(1)、(2)中對(duì)輸出信號(hào)Ua、Ub的至少一個(gè)進(jìn)行取樣，和/或，優(yōu)選地從方程式(3)中通過(guò)對(duì)模擬地產(chǎn)生的差分信號(hào)Ud進(jìn)行取樣獲得多個(gè)測(cè)量值。在此，也可用數(shù)字方式從輸出信號(hào)Ua、Ub來(lái)確定差分信號(hào)Ud。
從所求得的測(cè)量系列，特別是從差分信號(hào)Ud中，利用頻譜分析，特別是利用快速傅立葉變換至少可形成一個(gè)所屬的頻譜。
然后，在頻譜中確定具有有效的、特別是最大的幅度的信號(hào)部分，并且測(cè)定具有該有效幅度的信號(hào)部分的所屬頻率fmax。當(dāng)存在多個(gè)需要測(cè)出的目標(biāo)時(shí)，這可能是屬于目標(biāo)的一個(gè)或多個(gè)頻率。特別是優(yōu)選具有最大幅度的頻率fmax以進(jìn)行速度測(cè)量。
于是，譬如，那就從具有有效的、特別是最大的幅度的一個(gè)或多個(gè)頻率中，來(lái)確定分別所屬的多普勒頻率fd。再?gòu)亩嗥绽疹l率fd中確定速度。在具有多個(gè)已確定的速度中，譬如通過(guò)加權(quán)的取平均值來(lái)獲得提高精確度。
優(yōu)選利用沒(méi)有給PMD串接積分儀的裝置來(lái)實(shí)施這種方法，以致于差分信號(hào)Ud就可直接在時(shí)間上進(jìn)行取樣。可是，使用一個(gè)積分的PMD和給該積分的PMD串接一個(gè)(時(shí)間)微分器也是可能的，當(dāng)然，在此信噪比明顯變壞。
此外，在需要時(shí)，譬如也可直接在復(fù)合的傅立葉頻譜中從最大的相位上確定用來(lái)進(jìn)行距離測(cè)量的傳播時(shí)間τ。
除了進(jìn)行速度測(cè)量外，采用這種方法也可進(jìn)行目標(biāo)的距離測(cè)量時(shí)，特別是當(dāng)利用有效幅度的相位Δφ來(lái)確定距離時(shí)，則是優(yōu)選的。
實(shí)現(xiàn)所述任務(wù)的另一個(gè)方法在于，利用至少一個(gè)調(diào)制信號(hào)Umod控制PMD，并且發(fā)射設(shè)備發(fā)射利用至少一個(gè)調(diào)制信號(hào)Umod進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的電磁輻射，其中調(diào)制信號(hào)Umod則在至少2個(gè)調(diào)制頻率之間變化。以典型方式除了用Umod外，也可用對(duì)此互補(bǔ)的調(diào)制信號(hào)Umod實(shí)現(xiàn)控制；當(dāng)譬如在PMD中按電路技術(shù)產(chǎn)生互補(bǔ)的調(diào)制信號(hào)Umod時(shí)，而只使用調(diào)制信號(hào)Umod進(jìn)行控制也是可能的。還介紹一種PMD的結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)PMD的物理結(jié)構(gòu)就可省略互補(bǔ)的調(diào)制信號(hào)Umod。
在調(diào)制頻率(譬如2-FSK、n-FSK、FMCW、FSCW)變化情況下采用的方法產(chǎn)生一個(gè)裝置簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榕c現(xiàn)有技術(shù)水平相比就可省略產(chǎn)生相位延遲的裝置。對(duì)此，減少在調(diào)制電路上的單元數(shù)量使得準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量和特別是減少溫度漂移成為可能。再者，在采用適當(dāng)?shù)姆治鏊惴〞r(shí)，同時(shí)測(cè)量速度和距離是可能的。這譬如對(duì)安裝在移動(dòng)系統(tǒng)上象汽車或機(jī)器人平臺(tái)上都是重要的。此外，按照所述的方法這些系統(tǒng)都將成為具有多目標(biāo)能力。
在兩種方法中，不限于使用一種已確定的發(fā)射設(shè)備，而是以典型的方式在實(shí)際上由使用目的來(lái)確定，例如，至少可使用一種光源(激光、激光矩陣、水銀燈、LED或LED矩陣、日光燈等等)或一種在其它頻帶中進(jìn)行輻射的發(fā)射設(shè)備(微波發(fā)射機(jī)等等)。
此外，在兩種方法中，使用調(diào)制信號(hào)Umod或互補(bǔ)的調(diào)制信號(hào)Umod都是等效的，譬如可用調(diào)制信號(hào)Umod或互補(bǔ)的調(diào)制信號(hào)Umod來(lái)控制發(fā)射設(shè)備。但是，采用具有2個(gè)彼此相移的、卻不互補(bǔ)的調(diào)制信號(hào)的裝置也是可以想象的。
還有，在使用多個(gè)調(diào)制頻率f1、f2、fi時(shí)，從方程式(1)、(2)中，通過(guò)對(duì)至少輸出信號(hào)Ua、Ub的一個(gè)進(jìn)行取樣，和/或優(yōu)選地通過(guò)從方程式(3)對(duì)模擬地產(chǎn)生的差分信號(hào)Ud進(jìn)行取樣獲得多個(gè)測(cè)量值。在此，也可用數(shù)字的方式從輸出信號(hào)Ua、Ub來(lái)確定差分信號(hào)Ud。只要這些組合允許單值地計(jì)算目標(biāo)的速度和/或目標(biāo)的距離，也還有輸出信號(hào)的其它適當(dāng)?shù)慕M合是可用的。
下面來(lái)說(shuō)明運(yùn)行PMD的多種方法。當(dāng)然，本發(fā)明不限于這些。
a)單頻方法通過(guò)取消迄今按現(xiàn)有技術(shù)所用的積分器(譬如參見(jiàn)R.Schwarte等人文章)和在遵循取樣原理情況下，取消連續(xù)地對(duì)差分信號(hào)Ud進(jìn)行取樣或者是對(duì)輸出信號(hào)Ua、Ub進(jìn)行取樣，來(lái)獲得測(cè)量系列。在此，也可通過(guò)Ua和Ub的數(shù)字相減來(lái)求出Ud(t)。從方程式(6)的離散的值或信號(hào)Ua、Ub中，利用對(duì)已經(jīng)取樣的信號(hào)的頻譜分析(譬如FET)可獲取多普勒頻率fd。
在這里去掉積分器可能是不成問(wèn)題的，因?yàn)橐阎念l譜分析方法都是從所有的測(cè)試點(diǎn)來(lái)確定平均的頻率，這相當(dāng)于通過(guò)所有的測(cè)試點(diǎn)取平均數(shù)。由此，在對(duì)現(xiàn)在的目標(biāo)采用這種方法時(shí)的信噪比類似于在積分過(guò)程結(jié)束后的信噪比。
為進(jìn)行繼續(xù)分析要構(gòu)成頻譜譬如傅立葉頻譜。在這種頻譜中，要找出具有有效的、特別是最大的幅度的信號(hào)部分，并且求出所屬的頻率fmax。由此求出速度。這優(yōu)選通過(guò)用fd＝fmax/2確定多普勒頻率fd來(lái)實(shí)現(xiàn)。
此外，也可通過(guò)信號(hào)的相位φges確定距離，或者直接作為在復(fù)合頻譜中具有有效的、最大的幅度的信號(hào)部分的相位，或者也可譬如利用“最小二乘方法近似”(對(duì)此參見(jiàn)G.Stang撰寫的“線性代數(shù)及其應(yīng)用”，刊登在3rded 1988、Harcourt Brace Jovanovich學(xué)院出版物)。從相位也可獲得傳播時(shí)間τ＝(φges-φd)/(2π·fmod)。
為簡(jiǎn)單地獲得頻譜可優(yōu)選使用非積分的PMD?？墒鞘褂脦Т拥奈⒎制鞯姆e分PMD也是可能的，但其只具有明顯地變壞的信噪比。
一般來(lái)說(shuō)其缺點(diǎn)是，延遲偏差φd必須是準(zhǔn)確已知的，調(diào)制頻率的半波長(zhǎng)也對(duì)應(yīng)于所述方法的單值性范圍。
b)2-頻率方法(2-FSK方法)用2-頻率方法可避免單頻方法的缺點(diǎn)。在此，將具有調(diào)制頻率f1的幅度調(diào)制的或強(qiáng)度調(diào)制的信號(hào)Umod(和Umod)送到PMD和發(fā)射設(shè)備。在PMD中，用調(diào)制信號(hào)Umod疊加到已接收到的由目標(biāo)反射的信號(hào)上，并且或用模擬地或用數(shù)字地構(gòu)成第一輸出信號(hào)，優(yōu)選為差分電壓Ud1。這時(shí)，調(diào)節(jié)第二調(diào)制頻率f2并且以同樣的方式接收第二輸出信號(hào)，典型地為接收第二差分電壓Ud2。
現(xiàn)在對(duì)移動(dòng)目標(biāo)，使用兩個(gè)調(diào)制頻率f1、f2的每一個(gè)可分別分開(kāi)地實(shí)現(xiàn)求速度和/或距離，并且接著使用較低的調(diào)制頻率f2來(lái)確定單值性范圍，和使用較高的調(diào)制頻率f1來(lái)提高精確度。
這譬如通過(guò)如下方式就可以實(shí)現(xiàn)，即對(duì)兩個(gè)測(cè)試順序確定各自的多普勒頻率fd1、fd2。接著象以前那樣對(duì)頻譜中兩個(gè)最大值的每一個(gè)確定相位。從相位中重構(gòu)距離，其中特別是為達(dá)到大的單值性范圍而使用較低的頻率f2的相位。相反，較高的調(diào)制頻率f1的相位特別可被考慮用來(lái)精確地求出距離。因此，用典型的方式使用2個(gè)彼此遠(yuǎn)離的調(diào)制頻率f1、f2，以便在具有較高精度的同時(shí)達(dá)到如此大的單值性范圍。調(diào)制頻率f1、f2的順序可任意變化。
特別是在采用高的頻率時(shí)，得出的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)低的頻率f2來(lái)確定單值性范圍，通過(guò)此，較高頻率f1的精度的優(yōu)點(diǎn)與大的單值性范圍的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。當(dāng)差值大大地小于調(diào)制頻率時(shí)，則對(duì)此通過(guò)附加的傳播時(shí)間在兩個(gè)路徑上引起的相位延遲會(huì)取得一致。于是，這些相位延遲無(wú)須是已知的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是取消了用于相移的部件。
可是，2-頻率方法在靜止測(cè)試狀態(tài)下也提供了優(yōu)點(diǎn)，特別是在采用積分讀出方法時(shí)更是如此。另外，優(yōu)選如此選擇f2，以使單值地測(cè)量所想要的測(cè)量范圍dw。在單值性范圍π/2時(shí)，就可得出方程式f2＝(π/4)·(C/dw)。這樣用方程式(3)就可得出2個(gè)值Ud1、Ud2。
確定距離的方法在于，對(duì)兩個(gè)頻率的每一個(gè)頻率都獲得2個(gè)其它的值，并且按照I-Q方法或PSK方法用每個(gè)頻率計(jì)算距離。接著，使用低頻率的距離值來(lái)確定單值性范圍，使用高頻率的距離值達(dá)到高精度。
確定速度可這樣來(lái)進(jìn)行，以至于重新從頻譜中的與所述具有有效幅度的信號(hào)部分的頻率fmax有關(guān)的相位Δφ中首先分開(kāi)地確定屬于這個(gè)頻率fmax的距離。
另一種計(jì)算方法是直接構(gòu)成Ud1和Ud2的系數(shù)，由此，以相同的信號(hào)幅度和積分時(shí)間為根據(jù)，得出以下方程式Ud1Ud2=cos(2πf1·τ)cos(2πf2·τ)---(7)]]>這樣形成的函數(shù)只與傳播時(shí)間τ有關(guān)。
簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和只使用2個(gè)測(cè)量值是采用這種方法所具有的優(yōu)點(diǎn)。缺乏多目標(biāo)能力、將測(cè)量范圍限制到較大頻率的T/4和使用查詢表是缺點(diǎn)。
特別優(yōu)選采用f1＝2f2，因?yàn)樵谶@種情況下方程式(7)按照τ進(jìn)行分析是可解的，其中K＝Ud1/Ud2τ=12πf1·arccos[k4±k216+1]]]>此外，在微處理機(jī)中解這個(gè)方程以替代查詢表，無(wú)須存儲(chǔ)空間。
正弦形調(diào)制信號(hào)的使用提供的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電實(shí)施，當(dāng)然，接收的信號(hào)的相位和差分信號(hào)Ud之間的關(guān)系成非線性，參見(jiàn)方程式(3)。
因此，在某種情況下，采用按強(qiáng)度調(diào)制的矩形調(diào)制信號(hào)Umod是有利的。再則，相位和差分信號(hào)之間的關(guān)系成線性，于是，在周期2π內(nèi)，對(duì)于積分的和非積分的PMD產(chǎn)生以下方程式 使用這種線性關(guān)系也可利用矩形脈沖調(diào)制的2-頻率方法(2-FSK)實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，其中譬如傳播時(shí)間τ可按照以下方程式重新從2個(gè)存儲(chǔ)的調(diào)制頻率f1和f2進(jìn)行分析計(jì)算τ=(Ud1-Ud2)4·(Ud1·f2-Ud2·f1)---(9)]]>或在采用已知的頻率f1和f2，k＝f1/f2時(shí)，則得出方程式τ=14·f2·(Ud1-Ud2)(Ud1-Ud2·k)---(10)]]>這提供的優(yōu)點(diǎn)是，方程式(10)中的第二個(gè)分式可直接模擬地實(shí)現(xiàn)，以至于沒(méi)必要采用微處理機(jī)了。
c)n-頻移鍵控方法(n-FSK)當(dāng)不只用2個(gè)頻率而是確定多個(gè)頻率的傳播時(shí)間時(shí)，就可得出采用一般化的方法。采用表示2-FSK方法一般化的n頻率方法(n-FSK方法)提供了提高精度的優(yōu)點(diǎn)。
為此，類似于2-FSK方法可獲得N個(gè)不同的離散頻率的N個(gè)不同的測(cè)量值，并在微處理機(jī)中存儲(chǔ)起來(lái)。一般來(lái)說(shuō)都使用在2-FSK方法時(shí)所用的分析方法。可是也有可能利用“最小二乘方法近似”來(lái)直接分析。
傳播時(shí)間τ直接包含在每個(gè)測(cè)量值i中，對(duì)此得出方程式Udi＝2·k·PM·cos(Δi)其中Δi＝2·π·fi·τ (11)
在此，包括積分時(shí)間tint和靈敏度的參數(shù)k對(duì)所有的i個(gè)頻率都是相同的和已知的。接收到的調(diào)制過(guò)的輻射、典型的為光，在采用快速彼此跟隨地測(cè)量時(shí)同樣是恒定的，但因未知的反射性和未知的運(yùn)行路徑而確定不了量值。相位Δφi對(duì)所有的頻率都是不同的，同樣也是不知道的。按照方程式(11)也可綜合寫成Udi＝K·PM·Ci(12)其中，K＝2·k·tint和Ci＝cos(Δφi)。由此在獲得N個(gè)不同的頻率的測(cè)量值時(shí)就有N+1個(gè)未知數(shù)。
解這個(gè)方程系統(tǒng)可用解不確定的方程系統(tǒng)，譬如“最小二乘方法近似”的慣用方法來(lái)解。對(duì)此，現(xiàn)有技術(shù)譬如在G.Strang文章中可找到。提高精度的可能性在于使用所謂的“加權(quán)的最小二乘法”。在此，更多地考慮了較高頻率的值。從方程式(12)對(duì)Ci的解中，可得到傳播時(shí)間τ＝(2π·fi)-1arccos(Ci)。優(yōu)選通過(guò)接著對(duì)所有i值取平均值，提高τ的精度。在此，將根據(jù)采用較高頻率時(shí)較好的精度來(lái)更大地對(duì)相應(yīng)的τ值加權(quán)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，可使用所有的值來(lái)計(jì)算距離。
在使用矩形調(diào)制信號(hào)時(shí)也可提供n-FSK方法。類似于2-FSK方法可連續(xù)地調(diào)節(jié)頻率fi，并且每次都可獲得各自的差值Ud1。這樣，在假定只有一個(gè)反射器時(shí)可得到超定的方程系統(tǒng)Ud1=k·tint·PM·[1-2·ωi·τ2π]---(13)]]>這個(gè)方程式可用解超定的方程系統(tǒng)的慣用方法按照τ解開(kāi)，參見(jiàn)G.Strang文章。
d)頻率特性曲線方法確定傳播時(shí)間/距離的另一種頻率調(diào)制方法在于，利用失調(diào)的頻率發(fā)生器，譬如壓控振蕩器(＝VCO“壓控振蕩器”)，產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)Umod。在此，將調(diào)制信號(hào)的頻率Umod通過(guò)微處理機(jī)調(diào)到一定的值。VCO的輸出信號(hào)直接饋送到發(fā)射設(shè)備上，并且象采用FSK方法那樣通過(guò)驅(qū)動(dòng)器到達(dá)PMD。形成的差分信號(hào)Ud進(jìn)行A/D變換并由微處理機(jī)存儲(chǔ)。然后，微處理機(jī)再調(diào)節(jié)一個(gè)新的頻率值，并獲得Ud的下一個(gè)值。
如上所述，差分信號(hào)與反射性、積分時(shí)間ti、相位因數(shù)cos(Δφ)成正比。不同調(diào)制頻率的相位差由方程式(4)求出。假定不同頻率的反射性和積分時(shí)間相同，則就可得到關(guān)于頻率的相位差的特性曲線。在此，特性曲線的最高位、最低位和0位對(duì)應(yīng)于Δφ的某個(gè)值最大值Δφ＝2π最小值Δφ＝π0位 Δφ＝1π/2或Δφ＝3π/2由此，利用方程式(4)確定關(guān)于頻率的特性曲線Ud的最高位、最低位或0位的距離。因此，適用于距離在最高位d=c2·fmax]]>在最低位d=c4·fmin]]>在0位d=c8·fNull1]]>或d=3·c8·fNull2]]>由此，通過(guò)在特性曲線Ud中尋找關(guān)于f1的最高位、最低位或0位獲得距離。在此，優(yōu)選通過(guò)離散的頻率值之間的內(nèi)插法提高精度。
e)頻率調(diào)制連續(xù)波(FMCW)方法上述頻率調(diào)制的分析方法不是多目標(biāo)能力的。這可通過(guò)使用FMCW(頻率調(diào)制連續(xù)波)方法解決。
PMD單元根據(jù)其功能作為混頻器，也適用于利用FMCW方法測(cè)量速度。在此，測(cè)定目標(biāo)相對(duì)于PMD傳感器的徑向速度vd。在許多應(yīng)用中，希望同時(shí)測(cè)量距離d和速度Vd。從依次獲取的距離圖象的差值中確定速度的方法在此通常太慢并且不準(zhǔn)確。
由此，除了距離值以外在每個(gè)PMD象素中也優(yōu)選提供速度值。對(duì)此，在測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離時(shí)可提高精度，因?yàn)橐紤]在方程式(6)中速度受限制的部分。
此外，F(xiàn)MCW方法是多目標(biāo)能力的，這除了識(shí)別一個(gè)接一個(gè)的目標(biāo)外，還提供了其它目標(biāo)干擾小的優(yōu)點(diǎn)。
同樣FMCW方法可用積分的PMD并且優(yōu)選根據(jù)較好的干擾信號(hào)間隔用非積分的PMD來(lái)實(shí)現(xiàn)。
f)頻率分級(jí)連續(xù)波(FSCW)方法在使用積分的PMD時(shí)，可使用FSCW方法代替連續(xù)掃描。象在前面采用n-FSK方法時(shí)那樣，依次可獲取或者是差分信號(hào)Ud的值，或者是不同頻率值的輸出信號(hào)Ua、Ub。在此，優(yōu)選從低的啟始頻率f0譬如1MHz開(kāi)始，連續(xù)提高頻率一個(gè)穩(wěn)定的值Δf。對(duì)于如此獲取的值，假定只有一個(gè)信號(hào)路徑和一個(gè)只由發(fā)射設(shè)備-PMD傳播時(shí)間造成的延遲(Δφ＝Δφtof)，通過(guò)變換方程式(3)和(4)得到Udi＝k·PM·cos(Δtof)＝k·PM·cos(2·π·(f0+i·Δf)·τ) (15)然后，相位的導(dǎo)數(shù)相當(dāng)于混合信號(hào)頻率ω，即所謂的拍頻。則對(duì)于N個(gè)測(cè)試值和在使用全部的帶寬情況下適合以下方程式 那么，傳播時(shí)間或距離則為τ＝(N/Δfg)·f或者di＝(c·N)/(2·Δfg)·f。如果將所有的N個(gè)值按向量順序排序，并且計(jì)算傅立葉變換，則可獲得測(cè)量系列的頻譜。由此，可從傅立葉頻譜中最大值的位置確定傳播時(shí)間或距離。如果與原假定相反有多個(gè)信號(hào)路徑，則在頻譜中出現(xiàn)多個(gè)最大值而不是一個(gè)。于是，相應(yīng)的最大值的位置給出了各自信號(hào)路徑的傳播時(shí)間/距離。
用傅立葉分析的FSCW方法使得優(yōu)選的多目標(biāo)能力的PMD單元工作成為可能。如前所述，通過(guò)離散的頻率值之間的內(nèi)插法可提高精確度。
也可利用已知的頻譜分析的其它的方法，譬如AR、ARMA或Prony方法代替FFT，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)下混頻的信號(hào)的頻率來(lái)確定距離。在此，現(xiàn)有技術(shù)譬如在Steven M.Kay撰寫的“現(xiàn)代頻譜估測(cè)”的文章中(1988年在新澤西州的PTR Prentice Hall出版)已經(jīng)給出了。
對(duì)于FSCW方法，得出一種特別簡(jiǎn)單的應(yīng)用是在這里允許擴(kuò)展方程式(12)用于多個(gè)目標(biāo){Q}，并且可變換成Udi=Σk=1Qk·PMk·Cik=Σk=1Qak·yk(i)]]>這種方程式形式被成之為“線性預(yù)測(cè)方程式”，并且對(duì)在此假定的周期信號(hào)用頻譜分析的慣用方法來(lái)解。
為提高因頻譜分析譬如FFT所限制的解法，或也減少計(jì)算時(shí)間，可按照Ybrra等人文章“頻率分級(jí)連續(xù)波雷達(dá)數(shù)據(jù)的最佳信號(hào)處理”(刊登在IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques1995年1月43卷第1期上)使用擴(kuò)展的n-FSK方法的FSCW方法。由此附加地解多個(gè)連續(xù)目標(biāo)。對(duì)此，假定Q個(gè)反射的目標(biāo){Q}，這樣就可得到所有N個(gè)頻率的方程系統(tǒng)。依據(jù)所選擇的系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)則或是便于解或是計(jì)算耗費(fèi)少。這種原為微波系統(tǒng)研制的算法在這里直接可被實(shí)現(xiàn)用于PMD。
在下面實(shí)施例中，以框圖詳細(xì)說(shuō)明PMD的用頻率調(diào)制的工作。


圖1示出按現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的PMD單元的典型的輸出信號(hào)和復(fù)位信號(hào)，圖2示出按現(xiàn)有技術(shù)利用PSK方法確定相移的裝置，圖3示出在單頻調(diào)頻工作制式中使用PMD的情況下的裝置，圖4示出了在2-頻方法中使用PMD的情況下的裝置，圖5示出了在2-頻方法中使用PMD的情況下的另一種裝置，圖6示出了集成在CMOS-PMD-象素上的與圖5相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)方案，圖7示出了按FMCW方法使用非積分的PMD的情況下的裝置，圖8示出了按FMCW方法使用積分的PMD的情況下的裝置，圖9示出了采用FMCW方法時(shí)，信號(hào)時(shí)序和差分信號(hào)Ud取樣的時(shí)序，圖10示出了采用FMCW方法時(shí)，進(jìn)行控制的線性上升和下降斜坡信號(hào)，圖11示出了采用FMCW方法時(shí)的典型的頻譜，圖12示出了FSCW方法的實(shí)施過(guò)程。
在圖1中，作為現(xiàn)有技術(shù)—按照Schwarte等人所述的用于積分的PMD單元—針對(duì)以微秒為單位的時(shí)間而描繪了以V為單位的PMD的輸出信號(hào)Ua和Ub、差分信號(hào)Ud以及微處理機(jī)MP的復(fù)位信號(hào)R。輸出信號(hào)Ua和Ub逐步地與時(shí)延tint成線性，并且通過(guò)時(shí)延tR的復(fù)位信號(hào)R來(lái)進(jìn)行復(fù)位。按照Heinol等人所述，圖2作為電路圖屬于現(xiàn)有技術(shù)示出了一種利用PSK方法確定相移的裝置。
在此，移相器PS和驅(qū)動(dòng)器T利用典型地由鐘脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)TS發(fā)出脈沖。驅(qū)動(dòng)器將調(diào)制信號(hào)UPMD mod和相移180°的調(diào)制信號(hào)UPMD mod切換到PMD上。再由PMD根據(jù)其中入射波的功率PM產(chǎn)生輸出信號(hào)Ua和Ub。所屬的差分信號(hào)Ud或者以數(shù)字式地求出，或者優(yōu)選地利用一個(gè)優(yōu)選模擬的減法器SUB求出。對(duì)此，這個(gè)減法器SUB可集成在PMD象素上。差分信號(hào)Ud通過(guò)一個(gè)A/D變換器ADW輸入到一個(gè)微處理機(jī)MP，該微處理機(jī)MP還根據(jù)Ud的值不僅將復(fù)位信號(hào)R轉(zhuǎn)給PMD，而且還將相位信號(hào)Uφd轉(zhuǎn)給移相器PS。發(fā)射設(shè)備E、優(yōu)選激光器通過(guò)為它確定的調(diào)制信號(hào)UTX mod由移相器PS控制。UPMD mod和UTX mod不同之處只在于其信號(hào)電平，以便與所控制的設(shè)備匹配。
在此，產(chǎn)生相當(dāng)準(zhǔn)確的和調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單的相位延遲在技術(shù)上的耗費(fèi)相當(dāng)可觀，這樣譬如在Heinol等人所述的文章中，利用直接的數(shù)字頻率合成(DDS)和數(shù)字相位寄存器產(chǎn)生相位延遲。
作為電路圖，圖3示出了使用單頻工作的PMD的情況下的一種裝置。
振蕩器OSC發(fā)射具有恒定的調(diào)制頻率Fmod的調(diào)制信號(hào)Umod。其輸出信號(hào)UTX mod由發(fā)射設(shè)備E以強(qiáng)度調(diào)制發(fā)射出去，并且同時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器T作為UPMD mod送達(dá)PMD。在那里，再類似圖2進(jìn)行疊加。差分信號(hào)Ud直接由A/D轉(zhuǎn)換器取樣并放置在微處理機(jī)MP中。此后，在那里實(shí)現(xiàn)頻譜分析以確定多普勒頻率和計(jì)算相位。有時(shí)，在采用合理地串接微分器的積分PMD時(shí)，也可由微處理機(jī)MP發(fā)射復(fù)位信號(hào)R到PMD。
圖4示出了用2-頻率方法控制PMD裝置工作的可能電路圖。
首先，由發(fā)射設(shè)備E、典型的為光源發(fā)射具有調(diào)制頻率f1的、用壓控振蕩器VCO產(chǎn)生的周期性的、特別是正弦形的、進(jìn)行了強(qiáng)度調(diào)制的信號(hào)。對(duì)此，把這個(gè)信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器T作為調(diào)制信號(hào)給壓控振蕩器VCO送到PMD上。在那里，如前所述再將接收到的信號(hào)PM與調(diào)制信號(hào)Umod疊加。差分電壓Ud在時(shí)間范圍內(nèi)利用A/D轉(zhuǎn)換器ADW足夠快地、也即至少用最大期望的多普勒頻率的2倍進(jìn)行取樣，并由微處理機(jī)MP存儲(chǔ)器起來(lái)。
現(xiàn)在，可調(diào)節(jié)第二頻率f2，并且獲取在此得出的值Ud2。對(duì)于兩種測(cè)量系列利用頻譜分析確定多普勒頻率fd。再?gòu)亩嗥绽招盘?hào)的相位得出距離。在此，使用低的頻率f2來(lái)達(dá)到盡可能大的單值性范圍，用較高的頻率f1來(lái)獲取良好的精確度。也可直接利用“最小二乘方法近似”確定兩個(gè)相位。
在這個(gè)圖中所示的設(shè)備也適合在靜止的測(cè)量狀態(tài)下工作。對(duì)于所述的在靜止測(cè)量狀態(tài)下工作，優(yōu)選使用積分讀出方法的PMD。
譬如，首先由發(fā)射設(shè)備E發(fā)射具有第一調(diào)制頻率f1的正弦形強(qiáng)度調(diào)制的信號(hào)，并且對(duì)此作為調(diào)制信號(hào)Umod被送給PMD。在那里，將接收到的信號(hào)PM與調(diào)制信號(hào)Umod疊加，并且把在積分時(shí)間tint過(guò)后對(duì)差分電壓Ud得出的差分信號(hào)Ud1由微處理機(jī)MP存儲(chǔ)。這時(shí)，可調(diào)節(jié)第二個(gè)低的調(diào)制頻率f2，并且對(duì)該頻率得出的值Ud2同樣也可存儲(chǔ)起來(lái)。
這樣來(lái)優(yōu)選低的調(diào)制頻率f2，以至于明確地測(cè)量所希望的測(cè)量范圍dw。在單值性范圍為π/2時(shí)則可得出f2＝(π/4)·(c/dw)。這樣，就可用方程式(3)得到2個(gè)值。
然后，分開(kāi)地確定兩個(gè)調(diào)制頻率f1、f2的距離，這在接下來(lái)合并值時(shí)，使得在采用較大的單值性范圍時(shí)獲得較高的精確度成為可能。
另一種分析就是差分信號(hào)Ud1、Ud2的除法。在相同信號(hào)幅度和積分時(shí)間的前提條件下可得到方程式(7)。這樣形成的函數(shù)只與傳播時(shí)間τ相關(guān)，當(dāng)然它不能用非公開(kāi)的分析求解。由此，優(yōu)選將已調(diào)頻率的查詢表存儲(chǔ)在微處理機(jī)中。這時(shí)，單值的傳播時(shí)間范圍有較大頻率的四分之一周期(T/4)就可夠了。在方法的使用上，譬如要形成測(cè)量值Ud1/Ud2的系數(shù)，然后，在查詢表中求出對(duì)應(yīng)于系數(shù)的那個(gè)傳播時(shí)間τ。
選擇f1＝2·f2，是特別有利的，因?yàn)樵谶@種情況下方程式(7)按照τ分析是可解的。在使用k＝Ud1/Ud2的情況下，適用于下列式Ud1Ud2=cos(2ω2·τ)cos(ω2·τ)⇔k·cos(ω2·τ)-cos(2ω2·τ)=0]]>通過(guò)加法定理的應(yīng)用，可獲得(ω2·τ)=2·cos2(ω2·τ)-1⇔cos2(ω2·τ)-k2·cos(ω2·τ)-1=0]]>由此，可得出傳播時(shí)間τ的分析解法τ=12πf1·arccos[k4±k216+1]]]>然后，在微處理機(jī)中代替查詢表而解這個(gè)方程式，無(wú)須存儲(chǔ)空間。
在這個(gè)附圖中所述的裝置也適合應(yīng)用在矩形調(diào)制的2-FSK方法。為此，壓控振蕩器(VCO)被構(gòu)成為矩形振蕩器。這樣，在工作時(shí)，由光源發(fā)射確定的調(diào)制頻率f1的矩形信號(hào)，并且作為調(diào)制信號(hào)送給PMD。第二頻率f2優(yōu)選以與f1相同的數(shù)量級(jí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。從2個(gè)存儲(chǔ)的頻率中得出傳播時(shí)間為τ=(Ud1-Ud2)4·(Ud1·f2-Ud2·f1)---(9)]]>同樣這個(gè)裝置也適用于實(shí)施譬如用正弦形或矩形調(diào)制信號(hào)的n-FSK方法。
從這個(gè)圖中看出，裝置也適用于利用頻率-特性曲線方法進(jìn)行工作。
作為電路圖，圖5示出了另一個(gè)PMD系統(tǒng)，特別是應(yīng)用2-FSK方法的PMD系統(tǒng)。兩個(gè)頻率f1和f2是已知的，則k＝f2/f1也是已知的。
由此，譬如傳播時(shí)間τ可按照方程式(10)確定。這種裝置提供的優(yōu)點(diǎn)是直接模擬地實(shí)現(xiàn)方程式(10)的第二分式。然后，所述的裝置提供的模擬電壓信號(hào)直接與傳播時(shí)間τ成正比，因?yàn)榈谝环质街槐硎疽粋€(gè)恒定的因子。于是就象圖4那樣不需要微處理機(jī)MP。
還有，優(yōu)選可將方程式(10)的模擬分析電路直接集成到PMD上。為此，可以用一個(gè)其輸出頻率借助分頻器進(jìn)行下變換的固定頻率產(chǎn)生器LO來(lái)代替壓控振蕩器(VCO)?，F(xiàn)有技術(shù)和其中在U.Tietze，T.Schenk撰寫的“半導(dǎo)體電路技術(shù)”(刊登在柏林Springer出版社出版的第10版，第10章，232頁(yè)以及其后)就闡述了相應(yīng)的分頻器。于是，就得到一個(gè)集成的分頻器。
在圖4和5中，振蕩器也可用DDS部件代替。
作為電路圖，圖6示出了一個(gè)系統(tǒng)方案，以按照?qǐng)D5將PMD集成在一個(gè)CMOS-PMD-象素上。
開(kāi)始測(cè)量時(shí)，先調(diào)節(jié)第一頻率f1。相應(yīng)的載流子流入各自的積分器內(nèi)。按一定的時(shí)間間隔切換到頻率f2。同時(shí)也切換積分器，以至于載流子這時(shí)流入第二個(gè)積分器內(nèi)。然后，將分別屬于2個(gè)積分器的值在第二積分周期結(jié)束處再讀出，并且利用復(fù)位信號(hào)R使積分器復(fù)位。如果讀出時(shí)間減少到期望值，則也可在第二個(gè)積分階段期間就讀出第一積分器。
將圖5的電路直接集成到PMD象素上是特別有利的。此外，在每個(gè)象素中都擁有一個(gè)模擬的、與傳播時(shí)間τ成正比的電壓值。以此，特別取消了采用大量象素?cái)?shù)量時(shí)所耗費(fèi)的再處理，譬如兩個(gè)值的數(shù)字式減法。對(duì)此，在測(cè)量后就擁有一個(gè)距離信號(hào)。這時(shí)，特別優(yōu)選使用現(xiàn)有的積分能力作為“取樣和保持”電路。
圖4、5和6所示的裝置以有利的方式可擴(kuò)展一個(gè)具有可轉(zhuǎn)換放大率的放大器，以便在小信號(hào)時(shí)完全使用A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍。
作為電路圖，圖7示出了利用FMCW方法控制PMD的裝置，其中使用具有非積分的輸出端的PMD單元。
或者通過(guò)微處理機(jī)MP或者優(yōu)選通過(guò)斜坡產(chǎn)生器RG產(chǎn)生線性升高的斜坡信號(hào)Ufc。斜坡信號(hào)Ufc送到VCO并且通過(guò)帶寬為Δfg以基本頻率為基礎(chǔ)而連續(xù)調(diào)諧這個(gè)VCO。VCO的調(diào)頻的輸出信號(hào)由發(fā)射設(shè)備E發(fā)射，并且通過(guò)PMD驅(qū)動(dòng)器T作為調(diào)制信號(hào)送到PMD，在那里，以上述方式與接收到的信號(hào)疊加。下列方程式用相應(yīng)的時(shí)間值t和斜坡時(shí)延T適用于混頻信號(hào)Ud1 按照τ＝(T/Δfg)·f或者di＝(c·T/(2Δfg))·f，作為頻率信息得出傳播時(shí)間/距離。然后用對(duì)FMCW-雷達(dá)系統(tǒng)已知的方法(FFT、ARMA或時(shí)域方法)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率信息的分析。對(duì)于FFT譬如已經(jīng)在A.Oppenheim，W.Schfer撰寫的“離散時(shí)間信號(hào)處理”中(刊登在1989 Prentice Hall，Englewood Cliffs上)描述了頻譜分析的現(xiàn)有技術(shù)，對(duì)于ARMA和Prony方法，譬如S.Kay和S.L.Marple撰寫的“數(shù)字頻譜分析與應(yīng)用”(刊登在1988 Prentice Hall EnglewoodCliffs上)作了描述，對(duì)于時(shí)域方法，譬如在文獻(xiàn)DE19736693中作了描述。
所有頻譜分析方法從所有測(cè)量點(diǎn)產(chǎn)生中頻，由此，在信/噪比不損失的情況下，按照本發(fā)明優(yōu)選省去積分器是可能的。
對(duì)此，利用快速A/D變換器(ADW)直接逐個(gè)連續(xù)地使混頻信號(hào)數(shù)字化。這時(shí)，取樣頻率按照取樣理論應(yīng)這樣選擇，以致于它相當(dāng)于混頻信號(hào)最大頻率的雙倍的值fi＝2·(T/Δfg)·τmax。這時(shí)，τmax是最大的要測(cè)量的傳播時(shí)間，也即測(cè)量范圍確定了必須的鍵控頻率。使用距離為0-10m的典型的距離測(cè)量?jī)x，在斜坡時(shí)延為10ms并且?guī)挒?00MHz時(shí)，得出極限額率約為1.3kHz。
用于PMD象素的FMCW方法優(yōu)選做以下的擴(kuò)展，以致于作為控制信號(hào)使用首先是線性升高的斜坡，然后是線性降落的斜坡來(lái)代替簡(jiǎn)單增長(zhǎng)的斜坡。這使得在分析時(shí)除距離測(cè)量外同時(shí)通過(guò)多普勒效應(yīng)測(cè)量速度成為可能。在此，在方程式(6)中，使發(fā)射頻率偏移所謂的多普勒頻率fd，參見(jiàn)譬如E.Pehl文章。
在此，測(cè)量原則如下在斜坡升高期間，下混頻的信號(hào)的頻率相當(dāng)于由傳播時(shí)間引起的頻率部分fe和由徑向速度引起的頻率部分fd的和。相反，在斜坡降落期間，下混頻的信號(hào)的頻率由傳播時(shí)間引起的頻率部分fe和由徑向速度引起的頻率部分fd的差構(gòu)成。
作為電路圖，圖8示出了積分的PMD進(jìn)行FMCW工作的裝置。
在此，PMD的控制過(guò)程如下微處理機(jī)/控制器MP啟動(dòng)斜坡產(chǎn)生器RG。這將導(dǎo)通一個(gè)作為信號(hào)Ufc傳送到VCO上的斜坡，其中優(yōu)選對(duì)2個(gè)復(fù)位信號(hào)R之間的全部帶寬進(jìn)行調(diào)諧。對(duì)于此時(shí)獲得的PMD的在圖1所示的典型的信號(hào)，在積分時(shí)間約為1ms時(shí)和帶寬約為100MHz時(shí)，得出100GHz/s的斜坡升高。在積分期間，如果需要，可連續(xù)求PMD的輸出信號(hào)的微分。在每種情況下，可對(duì)兩種復(fù)位信號(hào)R之間的輸出信號(hào)順序地取樣并使之?dāng)?shù)字化。在積分時(shí)間之后或在達(dá)到斜坡末端時(shí)，觸發(fā)復(fù)位信號(hào)R。
在圖7和圖8的兩種裝置中，VCO和斜坡產(chǎn)生器的組合譬如也可用DDS部件DDS或鎖相環(huán)合成器PLL代替，它直接產(chǎn)生一個(gè)線性升高的頻率信號(hào)。
在采用兩種FMCW方法時(shí)，相利的是在已經(jīng)具有第一距離結(jié)果之后的較短的時(shí)間，和多目標(biāo)能力。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)則是同時(shí)測(cè)量速度和距離。對(duì)此，這與現(xiàn)有技術(shù)相比將導(dǎo)致更準(zhǔn)確地測(cè)量移動(dòng)目標(biāo)的距離，因?yàn)樵诓捎矛F(xiàn)有技術(shù)的方法時(shí)，測(cè)量目標(biāo)的移動(dòng)將產(chǎn)生系統(tǒng)的測(cè)量誤差。頻譜分析的計(jì)算耗費(fèi)是缺點(diǎn)。
圖9為在采用積分的PMD的FMCW方法時(shí)，譬如按照?qǐng)D8實(shí)施，示出了一個(gè)典型的信號(hào)和差分信號(hào)取樣的時(shí)序。
最上邊的一行示出了一個(gè)以V為單位的典型的差分信號(hào)Ud，第二行為以V為單位的復(fù)位信號(hào)R和URS，第三行為以V為單位的斜坡信號(hào)Ufc，最下邊一行為以Hz為單位的斜坡信號(hào)的頻率f，它們是分別相對(duì)于相同的時(shí)間軸而繪出的。
圖10示出了在采用FMCW方法時(shí)，針對(duì)進(jìn)行控制的首先是線性升高的斜坡信號(hào)，然后是線性降落的斜坡信號(hào)而標(biāo)繪出了相對(duì)于時(shí)間t的頻率f。
如果現(xiàn)在象以前那樣用A/D變換器AD對(duì)混頻信號(hào)取樣，并執(zhí)行FFT，則頻譜在fup＝fe+fd和fdw＝fe-fd位置具有最大值。再用適當(dāng)?shù)睦谐绦蛞部纱_定最大值，然后從fe＝1/2·(fup+fdw)和fd＝1/2·(fup-fdw)中獲取距離或速度。由此，也可從只接收一個(gè)頻譜情況下同時(shí)確定速度和距離。
作為用對(duì)數(shù)標(biāo)繪的相對(duì)于頻率的幅度值A(chǔ)，圖11示出了典型的頻譜，該頻譜在采用FMCW方法時(shí)用圖10控制過(guò)程來(lái)確定。
作為流程圖，圖12示出了使用積分PMD的FMCW方法的算法過(guò)程。
優(yōu)選在最低值基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)起始頻率fi，譬如1MHz。在等待積分時(shí)間結(jié)束后獲取和存儲(chǔ)所屬的測(cè)量值i，接著進(jìn)行復(fù)位。然后將頻率fi有利地逐漸提高一個(gè)恒定的值Δf，并且對(duì)這個(gè)頻率進(jìn)行測(cè)量獲取。
在獲取所有的N個(gè)值后，就可進(jìn)行頻譜分析譬如FFT，通過(guò)此就可得到測(cè)量系列的譜分量。這樣，就可從譜分量的頻率中來(lái)確定傳播時(shí)間或距離。
權(quán)利要求
1.利用PMD系統(tǒng)測(cè)量速度的方法，其中-利用至少一個(gè)具有調(diào)制頻率(fmod)的調(diào)制信號(hào)(Umod)和與此互補(bǔ)的調(diào)制信號(hào)(Umod)控制PMD(PMD)，-發(fā)射設(shè)備(E)發(fā)射利用至少一個(gè)調(diào)制信號(hào)(Umod)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的電磁輻射，其特征在于，-接收PMD(PMD)的至少一個(gè)輸出信號(hào)(Ua、Ub)或至少一個(gè)由此推導(dǎo)出來(lái)的信號(hào)(Ud)，特別是差分信號(hào)(Ud)，-利用頻譜分析，特別是快速傅立葉變換(FFT)，從至少一個(gè)輸出信號(hào)(Ua、Ub)和/或至少一個(gè)由此推導(dǎo)出來(lái)的信號(hào)(Ud)構(gòu)成頻譜，-在頻譜中確定具有有效的、特別是最大的幅度的信號(hào)部分，-求出所屬的頻率(fmax)，并且-從具有有效的幅度的信號(hào)部分的這個(gè)頻率(fmax)計(jì)算速度。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中在頻譜中從屬于所述具有有效的幅度的信號(hào)部分的頻率(fmax)的相位(φges)中附加地確定屬于這個(gè)頻率(fmax)的距離。
3.用于運(yùn)行PMD系統(tǒng)的方法，其中-利用至少一個(gè)調(diào)制信號(hào)(Umod)控制PMD(PMD)，-發(fā)射設(shè)備(E)發(fā)射利用至少一個(gè)調(diào)制信號(hào)(Umod)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的電磁輻射，其特征在于，在至少2個(gè)調(diào)制頻率(f1、f2、fi)之間改變調(diào)制信號(hào)(Umod)。
4.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中在2個(gè)調(diào)制頻率(f1、f2)之間切換調(diào)制信號(hào)(Umod)。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中對(duì)于兩個(gè)調(diào)制頻率(f1、f2)的每一個(gè)分別分開(kāi)地實(shí)現(xiàn)求速度和/或距離，并且接著使用較低的調(diào)制頻率(f2)確定單值性范圍，使用較高的調(diào)制頻率(f1)提高精確度。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，分別為調(diào)制頻率(f1、f2)的一個(gè)求出速度，其中-接收PMD(PMD)的至少一個(gè)輸出信號(hào)(Ua、Ub)或至少一個(gè)由此推導(dǎo)出來(lái)的信號(hào)(Ud)，特別是差分信號(hào)(Ud)，-利用頻譜分析，特別是快速傅立葉變換(FFT)，從至少一個(gè)輸出信號(hào)(Ua、Ub)或至少一個(gè)由此推導(dǎo)出來(lái)的信號(hào)(Ud)構(gòu)成頻譜，-在頻譜中確定具有有效的、特別是最大的幅度的信號(hào)部分，-求出所屬的頻率(fmax)，并且從具有有效的幅度的信號(hào)部分的這個(gè)頻率(fmax)計(jì)算所述分別進(jìn)行調(diào)節(jié)的調(diào)制頻率(f1、f2)的速度。
7.按照權(quán)利要求5或6所述的方法，分別為調(diào)制頻率(f1、f2)的一個(gè)求出距離，其中在頻譜中從屬于所述具有有效的幅度的信號(hào)部分的頻率(fmax)的相位(φges)中確定屬于這個(gè)頻率(fmax)的距離。
8.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中對(duì)于兩個(gè)調(diào)制頻率(f1、f2)的每一個(gè)都用I-Q-方法或PSK方法分開(kāi)地實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離，并且接著使用較低的調(diào)制頻率(f2)確定單值性范圍，并且使用較高的調(diào)制頻率(f1)提高精確度。
9.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中利用系數(shù)Ud1/Ud2確定距離，特別是在使用查詢表或在分析確定傳播時(shí)間(τ)的情況下確定距離。
10.按照權(quán)利要求4-9之一所述的方法，其中在超過(guò)2個(gè)調(diào)制頻率(f1、f2、fi)之間切換調(diào)制信號(hào)(Umod)。
11.按照權(quán)利要求10所述的方法，其中利用最小二乘近似法確定傳播時(shí)間(τ)。
12.按照權(quán)利要求4-11之一所述的方法，其中以周期性的、特別是正弦形方式，用幅度調(diào)制調(diào)制信號(hào)(Umod)。
13.按照權(quán)利要求4-12之一所述的方法，其中按照方程式f2＝(π/4)·(c/dw)選擇符合測(cè)量范圍dw的較低的調(diào)制頻率(f2)，其中c為波速。
14.按照權(quán)利要求13所述的方法，其中較高的調(diào)制頻率(f1)和較低的調(diào)制頻率(f2)以關(guān)系式f1＝2·f2彼此存在。
15.按照權(quán)利要求4-14之一所述的方法，其中以矩形的方式用幅度調(diào)制調(diào)制信號(hào)(Umod)。
16.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中-在使用頻率特性曲線方法情況下，改變調(diào)制頻率(f1、f2、fi)，并且-利用確定至少一個(gè)特性曲線點(diǎn)，特別是0位或極限值來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離。
17.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中-在使用FMCW方法情況下，連續(xù)地改變調(diào)制頻率(f1、f2、fi)，-實(shí)施對(duì)PMD(PMD)的至少一個(gè)輸出信號(hào)(Ua、Ub)和/或至少一個(gè)由此推導(dǎo)出來(lái)的信號(hào)(Ud)，特別是差分信號(hào)(Ud)的頻譜分析，-接著在由頻譜分析得出的頻譜中尋找一個(gè)或多個(gè)最大值，-從至少一個(gè)最大值的所屬的頻率中計(jì)算速度或/和距離。
18.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中-在使用FMCW方法情況下，以已知的離散的步距改變調(diào)制頻率(f1、f2、fi)，-實(shí)施對(duì)PMD(PMD)的至少一個(gè)輸出信號(hào)(Ua、Ub)或至少一個(gè)由此推導(dǎo)出來(lái)的信號(hào)(Ud)，特別是差分信號(hào)(Ud)的頻譜分析，-接著在由頻譜分析得出的頻譜中尋找一個(gè)或多個(gè)最大值，-從至少一個(gè)最大值的所屬的頻率中計(jì)算速度或/和距離。
19.用于運(yùn)行PMD系統(tǒng)的裝置，具有-至少一個(gè)PMD(PMD)，-至少一個(gè)發(fā)射設(shè)備(E)，-至少一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生器(OSC、LO、DDS、VCO、PLL)，利用該信號(hào)產(chǎn)生器發(fā)射一個(gè)調(diào)制信號(hào)(Umod)給PMD(PMD)和給發(fā)射設(shè)備(E)，其特征在于，利用信號(hào)產(chǎn)生器(OSC、LO、DDS、VCO、PLL)，調(diào)制信號(hào)(Umod)在至少2個(gè)頻率(f1、f2、fi)之間有選擇地轉(zhuǎn)換。
20.按照權(quán)利要求19所述的裝置，其中發(fā)射設(shè)備(E)至少具有一個(gè)激光器、一個(gè)LED、水銀燈、日光燈或微波發(fā)射設(shè)備。
21.按照權(quán)利要求19或20之一所述的裝置，其中信號(hào)產(chǎn)生器具有一個(gè)振蕩器(OSC)、特別是一個(gè)壓控振蕩器(VCO)或固定頻率振蕩器(LO)或一個(gè)PLL合成器(PLL)或一個(gè)DDS部件。
22.按照權(quán)利要求19至21之一所述的裝置，其中PMD(PMD)通過(guò)A/D變換器(ADW)與微處理機(jī)(MP)連接。
23.按照權(quán)利要求19至22之一所述的裝置，其中至少2個(gè)取樣保持電路集成在PMD(PMD)中，存儲(chǔ)在其中的有PMD(PMD)的至少一個(gè)輸出信號(hào)(Ua、Ub)或至少一個(gè)由此推導(dǎo)出來(lái)的信號(hào)(Ud)，特別是差分信號(hào)(Ud)，這些信號(hào)交替地根據(jù)已調(diào)節(jié)的調(diào)制頻率(f1、f2、fi)是可切換的。
24.按照權(quán)利要求23所述的裝置，其中每個(gè)讀出輸出端都使用2個(gè)取樣保持電路，該電路在隨調(diào)制頻率(f1、f2、fi)之間切換的同時(shí)可以進(jìn)行切換。
25.按照權(quán)利要求24所述的裝置，其中至少給一個(gè)取樣保持電路串接一個(gè)模擬分析電路，該電路或在外部，或直接集成在包括PMD(PMD)的芯片上。
26.按照上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其中PMD(PMD)是以非積分方式實(shí)施的。
全文摘要
用來(lái)控制PMD系統(tǒng)的方法，其中利用至少一個(gè)調(diào)制信號(hào)(U
文檔編號(hào)G01S17/00GK1466812SQ01816612
公開(kāi)日2004年1月7日 申請(qǐng)日期2001年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月11日
發(fā)明者P·古爾登, M·沃斯克, P·海德, P 古爾登, 箍 申請(qǐng)人:西門子公司