时间数字转换器装置的制作方法

本发明的实施例涉及时间数字转换器装置、用于时间数字转换的方法以及计算机程序。

背景技术：

时间数字转换器(tdc)用于确定运行时间，例如用于距离测量的信号运行时间。为此，例如，使用cmos图像传感器技术。

cmos图像传感器技术提供了实时高速捕获测量信号的有效选项。这对于在时间关键系统中捕获三维(3d)距离图像非常有用。脉冲运行时间方法和具有连续调制光的方法用于非接触深度检测。为此，通过检测剩余强度来测量由有源辐射源发射并由目标物体反射的激光的运行时间。在本文中，这称为光检测和测距(lidar)。本文基于已知方法提出的用于距离测量的方法的重点在于提高测量准确性。将描述用于实现最佳适应的过程和规则。可能的应用领域是：

·高级驾驶员辅助系统(adas)

·自动驾驶

·安全监测

·航空电子

·医疗技术

在许多应用领域中，精确确定距离至关重要。特别是在工业测量和定位技术领域，必须以非常高的精度来确定与机器或货物的距离，以使过程尽可能高效且节省空间。例如，当将货物存储在自动高架仓库中时，为了获得最佳的空间利用，存储空间应仅比要存储的货物稍大。为此，至关重要的是，由负责的测量系统以非常高的准确性检测货物的位置。

单光子雪崩二极管(spad)是通过其击穿电压工作的雪崩光电二极管。在这个所谓的盖革(geiger)区域中，被吸收在二极管的有源区域中并产生自由电荷载流子的单个光子已经足以引起二极管的击穿，因此，宏观电流流过二极管。因此，spad允许检测单个光子。现有的基于spad的3d传感器基于不同的原理。在本文考虑的直接方法中，借助于电子计时器(例如，时间数字转换器，tdc)来检测从在目标物体处的反射的发射直到传感器中的检测的激光脉冲的运行时间。在这里，时间测量随着发射短激光脉冲而开始，随着接收到反射脉冲而停止[1]。随着传感器在开始后检测到第一事件，在第一光子方法中执行停止时间测量。在理想情况下，测得的时间与光的运行时间相对应，并且可以通过d＝ct/2直接转换为传感器与目标物体之间的距离。tdc指示时间，因此也指示可能的空间分辨率。因此，为了提高分辨率，需要产生越来越准确的tdc。

然而，由于电路技术的实现以及物理过程的限制，时间数字转换器的时间分辨率被限制在一定的底限内。因此，需要一种改进的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种为上述应用确保更高的时间分辨率的概念。

该目的通过独立权利要求解决。

本发明的实施例提供一种时间数字转换器装置，包括第一时间数字转换器以及至少一个第二时间数字转换器。第一时间数字转换器被配置为确定事件在反复出现的第一测量窗口(或在与第一时间数字转换器相关联的几个反复出现的第一测量窗口)中的存在或不存在。第二时间数字转换器被配置为确定事件在反复出现的第二测量窗口(或与第二时间数字转换器相关联的几个反复出现的第二测量窗口)中的存在或不存在。在此，与第一测量窗口相对于检测到事件的时间关系相比，第二测量窗口相对于检测到事件的时间关系被时移了第一偏移量。

本发明的实施例基于以下原理：可以通过使用具有时移采样点的几个(相同的)时间数字转换器来获得改进的测量时间分辨率。在此，时间数字转换器以时移的方式开始或停止，使得可以通过某种插值来实现与时间数字转换器相比精确的时间划分。所述方法允许通过并行运行的n个时间数字转换器将准确性提高n倍。这可得到以下优点：与现有技术相比，深度分辨率显著提高，因为所述方法可以实现更高的时间分辨率，从而实现更高的空间分辨率。这是通过并行切换几个已经存在的tdc来实现的，并且无需更改为更快的tdc，例如使用结构尺寸小的技术。因此，不需要作为部件的tdc具有高的时间分辨率，就可以获得高的时间分辨率。

可替代地，可以实现具有时移采样率的n个连续帧的时间数字转换器的运行时间之间的相关性。因此，实施例提供了一种具有至少一个第一时间数字转换器的时间数字转换器装置。其被配置为确定第一帧的事件在反复出现的第一测量窗口(或在与第一帧相关联的几个反复出现的第一测量窗口)中的存在或不存在，以及至少第二帧的相应事件在反复出现的第二测量窗口中(或与第二帧相关联的几个反复出现的第二测量窗口)中的存在或不存在。与第一测量窗口相对于检测到事件的时间关系相比，第二测量窗口相对于检测到相应事件的时间关系时移了第一偏移量。

因此，第二方面也基于这样的原理，即通过时移可以获得比仅通过单个时间数字转换器可获得的更高的时间分辨率。然而，这里，不对与一个事件相关联的一个相同信号进行评估，而是对在时间上连续的帧中与相同事件相关联的相应信号进行评估。因此，应该注意的是，当在下面陈述n个不同的时间数字转换器时，这总是被理解为使得在连续的帧中考虑时间数字转换器的时间相关性。在此，假设测量的运行时间在n帧期间没有变化或没有明显变化。

在下文中，将讨论进一步的细节，特别是关于第一方面。

根据实施例，所述时间数字转换器装置包括至少第三时间数字转换器，其被配置为确定事件在反复出现的第三测量窗口中的存在或不存在。在此，第三测量窗口相对于检测到事件的时间关系与第二测量窗口相对于检测到事件的时间关系相比被时移了第二偏移量，并且与第一测量窗口相对于检测到事件的时间关系相比被时移了第一偏移量和第二偏移量。根据实施例，第一和第二偏移量或每个偏移量可以具有相同的长度。根据另外的实施例，第一和第二测量窗口和/或第一、第二和第三测量窗口或通常所有测量窗口具有相同的持续时间(具有相同的长度)。

根据另外的实施例，所述时间数字转换器装置包括每个时间数字转换器一个计数器。在此，第一和第二时间数字转换器或每个时间数字转换器连接到一个计数器，每个计数器被配置为针对每个转换器对时间窗口进行计数，直到事件存在或不再存在。根据另外的实施例，计数器被配置为对开始和结束(信号运行时间的开始和信号运行时间的结束或评估信号并接收信号)之间的时间窗口的数量进行计数，其中结束由该事件的存在或不再存在来定义。

根据实施例，该事件例如以停止信号的形式被馈送到每个时间数字转换器。

另外的时间数字转换器的布置或用途被用于插值。在此，当计数的测量窗口的数量在第一和第二时间数字转换器之间、在第二和第三时间数字转换器之间或在递增的连续布置的时间数字转换器之间不同时，获得插值的测量值。以此方式，例如，第二或第三时间数字转换器被用于插值。例如，当计数的测量窗口的数量在第一和第二时间数字转换器之间不同时进行插值。可替代地，当测量窗口的数量在第二和第三时间数字转换器之间不同时进行插值。根据实施例，时间数字转换器装置可以包括计算单元，所述计算单元被配置为通过以下方式确定运行时间：当计数的测量窗口的数量在第一第二时间数字转换器之间不同时将第一转换器的测量窗口的数量乘以每个测量窗口的持续时间并且加上第一偏移量，或者当第三时间数字转换器的测量窗口的数量与第二时间数字转换器的测量窗口的数量不同时，将第一时间数字转换器的测量窗口的数量乘以每个测量窗口的持续时间并加上第一和第二偏移量。

实质上，有两种获取偏移量的方法。根据第一种方法，第二测量窗口的开始可以相对于第一测量窗口被偏移第一偏移量。基于相同的长度，第二时间数字转换器的测量窗口的开始和结束都将被延迟。根据另外的实施例，对于多个时间数字转换器，进行递增地偏移的开始，即，开始被偏移相应的偏移量。然后根据实施例，可以基于以下公式来计算运行时间：

其中，m是到停止信号的计数的时间窗口的数量(例如，借助于第一时间数字转换器进行计数)，n是时间数字转换器的数量，kfine是计数的精细步长的数量(直到时间数字转换器计数到不同的数字为止的时间窗口)，并且δttdc是时间窗口的持续时间。

根据第二变型，对于第二或随后的时间数字转换器，结束信号，或更准确地说，停止信号可以延迟。在此，事件被馈送到以第一偏移量偏移的第二时间数字转换器(相对于馈送到第一时间数字转换器的偏移)。类似地，当馈送给第三时间数字转换器时，馈送事件被偏移第一和第二偏移量(与馈送到第一时间数字转换器相比)。根据实施例，递增地执行偏移，即通过附加的时间数字转换器的进一步偏移来执行。在此，基本上所有时间数字转换器以及至少第一和第二时间数字转换器基本上同时开始，其中停止信号以延迟的方式被馈送到第二时间数字转换器和随后的时间数字转换器。根据另外的实施例，可以基于以下公式来计算运行时间：

关于第二方面，应当注意，根据优选实施例，帧在时间上是顺序的，使得第二帧直接跟随第一帧。根据另外的实施例，该原理显然也适用于第三帧。在此，第一时间数字转换器被配置为确定针对至少第三帧的另外的相应事件的在反复出现的第三测量窗口中存在或不存在。

关于这两个方面，利用这种时间数字转换器装置，可以提供包括相应阵列以及接收器的测量系统，所述接收器例如是cmos传感器、硅光电倍增器、雪崩二极管或用于检测事件的另一检测器。

另外的实施例提供了一种用于时间数字转换的方法。该方法包括以下步骤：借助于第一时间数字转换器确定与反复出现的第一测量窗口相关联的事件的存在或不存在；借助于第二时间数字转换器确定与反复出现的第二测量窗口相关联的事件的存在或不存在，其中第二测量窗口相对于检测到事件的时间关系与第一测量窗口相对于检测到事件的时间关系相比，被时移了第一偏移量。在此，第二测量窗口相对于检测到事件的时间关系与第一测量窗口相对于检测到事件的时间关系相比，被时移了第一偏移量。

根据另一实施例的另一方法包括以下步骤：借助于第一时间数字转换器确定第一帧的事件在反复出现的第一测量窗口中的存在或不存在；借助于第一时间数字转换器确定至少第二帧的相应事件在反复出现的第二测量窗口中的存在或不存在；其中第二测量窗口相对于检测到相应事件的时间关系与第一测量窗口相对于检测到事件的时间关系相比，时移了第一偏移量。在此，第二测量窗口相对于检测到相应事件的时间关系与第一测量窗口相对于检测到事件的时间关系相比，时移了第一偏移量。

显然，两种方法也可以以计算机实施的方式执行。因此，另一实施例提供了相应的计算机程序。

从属权利要求中定义了另外的实施例。

附图说明

将基于附图讨论本发明的实施例。附图示出：

图1是根据基本实施例的时间数字转换器装置的示意性电路框图。

图2a是用于说明根据实施例的在延迟开始时的开始定时的示意图。

图2b是根据实施例的在延迟开始时的停止定时的示意图。

图3a是根据另外的实施例的在延迟停止时的开始定时的示意图。

图3b是根据另外的实施例的在延迟停止时的停止定时的示意图。

图4是根据另一基本实施例的时间数字转换器装置的示意性框图。

具体实施方式

在下面将参考附图讨论本发明的实施例之前，应当注意，相同的元件和结构设置有相同的附图标记，使得它们的描述是可相互适用的或可互换的。

图1示出了具有第一时间数字转换器12a以及第二时间数字转换器12b的时间数字转换器装置10。两者基本上可以相同，并且每个都有内部时钟。该时钟可以例如由环形振荡器等实现。该时钟分别由时间数字转换器12a中的时间窗口a、b、c和时间数字转换器12b中的a'、b'和c'表示。时间数字转换器12a和12b中的每个被配置为分别确定向其馈送相应信号s的相应时间窗口a、b或c以及a'、b'和c'。这可以例如通过简单的计数等来进行。

信号s可以例如是光信号反射信号或借助于传感器18(例如雪崩二极管)接收的响应信号。当假设在发射激励信号时启动时间数字转换器12a或12b的相应时钟时，可以通过对相应时钟进行计数或确定相应时钟来确定发射激励信号与接收响应信号s之间的时间段。但是，时间分辨率由长度δttdc定义(根据a或b或c或a'或b'或c')。

由于在转换器装置10中设置了两个时间数字转换器12a和12b，所以第二时间数字转换器12b可以用于插值。然而，为此，时间窗口a'、b'和c'与信号s的馈送相比发生了偏移。这可以通过以下方式发生：与时间窗口a、b和c相比，将定期反复出现的时间窗口a'、b'、c'时间偏移δt。以这种方式，与第一时间数字转换器12a的时间窗口a、b和c和信号s的关系相比，第二时间数字转换器12b的时间窗口a'、b'和c'之间的关系变化了。

如本文所示，当信号s被馈送(同时馈送)到两个时间数字转换器12a和12b(其中时间数字转换器12b的周期性反复出现的信号被延迟δt启动)时，第一时间数字转换器12a将确定信号s被包括在时间窗口b中，并且第二时间数字转换器12b将确定信号s被包括在时间窗口a'中。仅从时间数字转换器12a的信息中，只能确定信号s的运行时间(在发射激励信号和通过接收器18接收响应信号s之间的运行时间)一定介于持续时间a定义的运行时间和a+b定义的运行时间之间。当考虑时间转换器12b生成的信息时，还可以确定信号运行时间最大为时间窗口a'+δt的持续时间。

根据实施例，当假设持续时间a、b和c以及持续时间a'、b'和c'都相同并且δt为例如0.5a时，将在持续时间的1.0到1.5倍之间接收到响应信号。

结果，可以以时间偏移δt进行时间插值。

在并行运行的n个tdc中，必须以时间延迟的方式开始或停止这些tdc，以便在它们之间进行时间插值。对于δttdc的tdc分辨率，n个tdc每个必须彼此相差特定的时间延迟δt来开始或停止。

这里，tdc的所有延迟的总和正好与单个tdc的分辨率相对应，从而得到n倍的时间分辨率。可以基于两个tdc之间的变化来检测准确的时间位置，其中一个tdc刚刚已经计数了一个时钟，而下一个tdc刚刚不再对该时钟计数。以此方式，可以在过渡时确定精细的时间分辨率。

如上面已经指出的，有两种选择来操作tdc结构10和延迟δt。一是所有tdc可以一同开始并以延迟的方式停止，或者也可以以延迟方式开始并一同停止。哪种方法合适可取决于应用而决定，但是，这对于时间分辨率的准确性没有任何作用。

参照图2a，将讨论tdc延迟开始且共同停止的实施例(与图1的简化变型相比)。图2a示出了对于n个不同的时间数字转换器的周期性时间窗口0x00至0x04。它们每个被时移δt＝δttdc/n。每个时间窗口的运行时间都相同，即δttdc。所有时间数字转换器都通过开始信号st来使开始延迟。在图2b中，相应时间数字转换器的停止信号被示出为与各个时间窗口相关联。

对于该变型，根据(1)，n个tdc每个的开始被延迟时间δt，其中第一tdc的开始对应于预期的开始信号st。所有tdc都与预期的停止信号s一同停止。下表列出了精细时间插值的所得的组合。

这同样说明了tdc计数器使开始延迟的过程。因此，可以计算出(2)的准确运行时间t：

如前所述，δttdc是时间分辨率，n是使用的时间数字转换器的数量，m是通过第一时间数字转换器计算的时间窗口的数量，并且kfine是上表中在计数过程中发生了相应过渡的位置。

因此，在该实施例中，假设n个tdc的开始以延迟的方式发生，如图2a的时序图中示意性地示出的。因此，每个tdc都会收到自己的启动信号。每个启动信号都以计数器设定值0来开始tdc，该计数器设定值在δttdc之后增加1。通过使开始延迟，部分tdc在任何时候都落后一个计数器读数，如图2b所示。基于尚未达到第一tdc计数器读数的tdc的数量，可以进行时间插值，因此可以获得更高的分辨率。

对tdc的共同开始和延迟停止可以获得相同的原理。开始信号的延迟开始的时序图如图3a所示，而延迟停止的时序图如图3b所示。如图3a的时序图所示，所有tdc均通过启动信号st同时启动，并从计数器读数0开始一同递增。为了也实现该组合的时间插值，tdc的停止延迟δt(参见公式1)。这在图3b中示出为基于延迟的停止信号s。这里，第一tdc的停止信号s对应于真实的停止信号(信号s的馈送时间)。基于计数器读数已增加的tdc的数量，可以进行时间插值，如下所述。同样，一些tdc对至少在开始st和停止s之间已发生的时间窗口m进行计数。在本文所示的变型中，这至少是tdc1，如下表所示。

基于tdc计数m和tdc计数m+1之间的转变(即，不同的计数时间窗口数量)，可以确定精细步长kfine。通过这一步长kfine，可以准确确定运行时间，如下所示：

总而言之，必须指出，对于第二种变型，n个tdc都与预期的开始信号st一同开始，其中第一个tdc的预期的停止信号s直接停止，而其他tdc的停止则延迟δt(参见公式1)。通过该延迟，可以获得插值。

这里应当注意，由于信号线或者由于停止信号s或开始信号st的人为引入的延迟而无论如何都会存在的延迟对所讨论的方法没有影响，而仅表示偏移或恒定的延迟。

参照图4，将说明另外的变型。在此，使用阵列10'的tdc12a。借助于传感器18，在各个帧20a、20b和20c中的不同时间(参见s'或s″)处确定信号s。假设测量的运行时间，即开始st和停止s之间的距离在n个帧20a、20b和20c期间不改变。

还有两个变型，用于将相应的延迟插入估值中。根据第一变型，信号s(参见帧20a)可以直接(在这里是在时间窗口b期间)馈送到时间数字转换器12a，同时第二帧20b的信号s'偏移δt被馈送到相同的时间数字转换器12a，并且帧20c的信号s″与信号s相比又偏移了一个δt，即2δt。这里，当假定顺序帧20a、20b和20c时，偏移总是指相对于相应帧而言的。同样，信号s、s'和s″不相同，但彼此对应，即s是对st的响应信号，而s'是对st'的响应信号，并且s″是对st'的响应信号。该偏移馈送与延迟停止的实施例具有相同的原理，参见图3a和3b，使得可以应用上面讨论的评估原理。

显然，根据另一变型，可以针对每个帧20a、20b和20c使开始延迟，则使得数字转换器12a的时间具有经过不同移位的帧。在此，可以将评估与图2a和图2b的实施例进行比较。

因此，在图4的该实施例中，可以通过跨几个帧的δt＝δttdc/n的延迟来进行插值，其中n是相加帧的数量。

在下文中，将讨论传感器18的不同变型或实施例，或者将讨论以上所有实施例的应用领域。除了集成cmos传感器的所述实施例之外，所提出的方法还可以借助于与分立组件集成或分布的硅光电倍增管(sipm)或雪崩二极管来实现，或者作为纯计算机程序来实现。所述方法还可通过晶圆对晶圆、芯片对晶圆或芯片与芯片的键合以及相关联的读出组合器来用于3d混合集成，并用于不同技术中，例如结构尺寸不同的cmos或iii-v半导体。除了在汽车领域中所述的应用之外，所述方法还可以应用于其他应用领域，例如医疗技术、分析或航空电子设备。

尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是很明显，这些方面也代表了对应方法的描述，使得装置的框或设备也对应于相应的方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对相应装置的相应块或细节或特征的描述。方法步骤中的一些或全部可以由硬件装置(或使用硬件装置)执行，硬件装置例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的一些或几个可以由这样的装置执行。

可以将诸如音频信号或视频信号或传输电流信号之类的本发明的编码信号存储在数字存储介质上，或者可以在诸如无线传输介质或有线传输介质之类的传输介质(诸如互联网)上传输。

本发明的编码音频信号可以存储在数字存储介质上，或者可以在诸如无线传输介质或有线传输介质之类的传输介质(诸如互联网)上传输。

取决于某些实现要求，本发明的实施例可以以硬件或软件来实现。可以使用数字存储介质(例如软盘、dvd、蓝光盘、cd、rom、prom、eprom、eeprom或flash存储器、硬盘驱动器或其他介质)执行该实现方式。具有存储在其上的电子可读控制信号的磁性或光学存储器，该信号与可编程计算机系统配合或能够与可编程计算机系统配合，从而执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。

根据本发明的一些实施例包括一种数据载体，该数据载体包括电子可读控制信号，该电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作，从而执行本文所述的方法之一。

通常，本发明的实施例可以被实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时间，该程序代码可操作用于执行方法之一。

程序代码可以例如被存储在机器可读载体上。

其他实施例包括用于执行本文描述的方法之一的计算机程序，其中该计算机程序被存储在机器可读载体上。

因此，换句话说，本发明方法的实施例是一种计算机程序，其包括当计算机程序在计算机上运行时间用于执行本文描述的方法之一的程序代码。

因此，本发明方法的另一实施例是一种数据载体(或数字存储介质或计算机可读介质)，其包括记录在其上的用于执行本文所述方法之一的计算机程序。数据载体、数字存储介质或计算机可读介质通常是有形的或非易失性的。

因此，本发明方法的另一实施例是表示用于执行本文所述方法之一的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接，例如经由互联网来传输。

另一实施例包括处理装置，例如计算机或可编程逻辑设备，其被配置为或适于执行本文描述的方法之一。

另一实施例包括一种计算机，该计算机上安装了用于执行本文所述方法之一的计算机程序。

根据本发明的另一实施例包括一种装置或系统，其被配置为将用于执行本文所述方法中的至少一个的计算机程序发送给接收器。传输例如可以是电子的或光学的。接收器可以是例如计算机、移动设备、存储设备或类似设备。该装置或系统可以包括例如用于将计算机程序发送到接收器的文件服务器。

在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如现场可编程门阵列fpga)可以用于执行本文描述的方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以便执行本文描述的方法之一。通常，所述方法优选地由任何硬件装置执行。这可以是通用硬件，例如计算机处理器(cpu)或所述方法专用的硬件，例如asic。

可以例如通过使用硬件装置或通过使用计算机或通过使用硬件装置和计算机的组合来实现本文描述的装置。

本文描述的装置或本文描述的装置的任何组件可以至少部分地以硬件和/或软件(计算机程序)来实现。

可以例如通过使用硬件装置或通过使用计算机或通过使用硬件装置和计算机的组合来实现本文描述的方法。

本文描述的方法或本文描述的方法的任何组件可以至少部分地通过硬件和/或软件来执行。

上面描述的实施例仅用于说明本发明的原理。应当理解，本文描述的布置和细节的修改和变化对于本领域的其他技术人员将是清楚的。因此，本发明旨在仅由所附专利权利要求的范围来限制，而不受通过本文的实施例的描述和解释而给出的具体细节的限制。

[1]p.seitz和a.j.p.theuwissen，eds.，single-photonimaging(单光子成像)，海德堡；纽约：施普林格，2011年。

附图标记列表

10、10'时间数字转换器装置(权利要求1至19)

12a第一时间数字转换器

12b第二时间数字转换器

a、b、c、a'、b'、c'测量窗口

s事件

δt偏移

10'时间数字转换器装置(在权利要求20、21、22中)

20a、20b、20c帧

18传感器。