通过无模糊范围切换增大飞行时间系统范围的方法及系统与流程
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2018年8月17日、名称为“methodforidentifyingandcorrectingerroneous3dpointsandforincreasingtherangeofindirecttime-of-flightcameraswithoutincreasingphaseerror(识别及校正错误的3d点并增大间接飞行时间相机范围而不增加相位误差的方法)”、申请号为us62/719,182的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用归并本文。
本公开涉及lidar系统，更具体地涉及在飞行时间lidar系统中更准确地确定距目标的距离的方法和设备。
背景技术：
诸如物联网(iot)和自主导航等许多新兴技术可能涉及在三维(3d)空间中探测与测量距对象的距离。例如，能够自主驾驶的汽车可能需要3d探测与识别来进行基本操作，并满足安全要求。室内导航也可能需要3d探测与识别，例如工业或家用机器人或玩具。
在一些情况下，基于光的3d测量可能优于雷达(测角精度不高，体积庞大)或超声波(精度极低)。例如，基于光的3d传感器系统可以包括探测器(诸如光电二极管或相机)和发光设备(诸如发光二极管(led)或激光二极管)作为光源，其发光通常会超出可见波长范围。垂直腔面发射激光器(vcsel)是一种类型的发光设备，可在基于光的传感器中用于测量3d空间中的距离和速度。vcsel阵列可允许功率缩放，并能在更高的功率密度下提供极短的脉冲。
基于飞行时间(tof)的成像已用于许多应用中，包括测距、深度剖析和3d成像(例如，光探测与测距(lidar))。tof3d成像系统可以分类为间接tof(itof)系统或直接tof系统。
直接tof测量包括由直接测量tof系统的发射器元件发射的辐射与由tof系统的探测器元件感测到从对象或其他目标反射后的辐射(本文中又称回波信号)之间的时长。根据该时长，能够估计距目标的距离。间接飞行时间测量包括调制发射信号的幅度以及测量回波信号的相位延迟或相移。能够根据探测到的回波信号相移来计算距目标的距离。
技术实现要素：
本文描述的一些实施方案涉及诸如vcsel或其他表面发射激光二极管、边缘发射激光二极管的激光二极管和/或其他半导体激光器以及上述组合的阵列。
根据一些实施方案，一种操作飞行时间系统的方法，包括：探测包含具有第一无模糊范围的第一频率的第一光信号，该第一光信号是反射自目标；处理第一光信号以确定距目标的第一估计距离；以及基于第一估计距离和距目标的第二估计距离，生成包含距目标的真实距离的输出帧，其中，第二估计距离曾用于生成先前输出帧。
在一些实施方案中，通过处理包含具有第二无模糊范围的第二频率的第二光信号来生成第二估计距离，该第二无模糊范围不同于第一无模糊范围。
在一些实施方案中，在处理第二光信号之后生成先前输出帧，并且在生成先前输出帧之后处理第一光信号。
在一些实施方案中，在输出帧的第一子帧期间处理第一光信号，并且在先前输出帧的第二子帧期间处理第二光信号，该第二子帧在第一子帧之先。
在一些实施方案中，确定距目标的真实距离包括基于计算出的第一估计距离与第二估计距离之差值来调整第一估计距离。
在一些实施方案中，使用第一光信号中的第一相移来确定距目标的第一估计距离。
在一些实施方案中，由探测器阵列的各个探测器元件探测第一光信号和第二光信号。
在一些实施方案中，第一频率是多个频率的组合，该多个频率的组合具有第一无模糊范围。
在一些实施方案中，目标是多个目标之一，并且距目标的第一估计距离是在第一子帧期间所生成的距多个目标的估计距离阵列中的一个估计距离。
根据一些实施方案，一种飞行时间(tof)系统，包括：探测器阵列，其配置为探测包含具有第一无模糊范围的第一频率的第一光信号，该第一光信号是反射自目标；以及控制电路，其配置为：处理第一光信号以确定距目标的第一估计距离，并且基于第一估计距离和距目标的第二估计距离，生成包含距目标的真实距离的输出帧，其中，第二估计距离曾用于生成先前输出帧。
在一些实施方案中，探测器阵列进一步配置为探测包含具有第二无模糊范围的第二频率的第二光信号，该第二无模糊范围不同于第一无模糊范围，并且控制电路进一步配置为通过处理第二光信号来生成第二估计距离。
在一些实施方案中，在处理第二光信号之后生成先前输出帧，并且在生成先前输出帧之后处理第一光信号。
在一些实施方案中，确定距目标的真实距离包括基于计算出的第一估计距离与第二估计距离之差值来调整第一估计距离。
在一些实施方案中，距目标的真实距离是第一估计距离与第一无模糊范围的第一倍数之第一和值和/或第二估计距离与第二无模糊范围的第二倍数之第二和值，并且响应于确定从第一估计距离减去第二估计距离得出正数，通过下式计算第二倍数：(td1–td2)/(ur2–ur1)，其中，ur1是第一无模糊范围，ur2是第二无模糊范围，td1是第一估计距离，并且td2是第二估计距离。
在一些实施方案中，控制电路进一步配置为使用第一光信号中的第一相移来确定距目标的第一估计距离。
在一些实施方案中，第一频率是多个频率的组合，该多个频率的组合具有第一无模糊范围。
在一些实施方案中，发射器阵列，其包括第一多个配置为发射包含第一频率的第一光信号的发射器以及第二多个配置为发射包含第二频率的第二光信号的发射器。
在一些实施方案中，目标是多个目标之一，并且距目标的第一估计距离是在第一子帧期间所生成的距多个目标的估计距离阵列中的一个估计距离。
根据一些实施方案，一种用于确定距目标的距离的控制电路，该控制电路配置为执行以下操作：控制在第一子帧中以具有第一无模糊范围的第一调制频率传输第一光信号，以获得距目标的第一估计距离；以及基于第一估计距离和距目标的第二估计距离，生成包含距目标的真实距离的输出帧，其中，第二估计距离曾用于生成先前输出帧。
在一些实施方案中，通过处理包含具有第二无模糊范围的第二频率的第二光信号来生成第二估计距离，该第二无模糊范围不同于第一无模糊范围，并且确定距目标的真实距离包括将计算出的距目标的第一估计距离与距目标的第二估计距离之差值与计算出的第一无模糊范围与第二无模糊范围之差值进行比较。
在一些实施方案中，在处理第二光信号之后生成先前输出帧，并且在生成先前输出帧之后处理第一光信号。
在一些实施方案中，控制电路进一步配置为在第一光信号从目标反射之后，基于计算出的传输第一光信号与由探测器探测第一光信号之间的持续时间来确定距目标的第一估计距离。
根据一些实施方案，一种操作飞行时间系统的方法，包括：探测包含具有第一无模糊范围的第一频率的第一光信号，该第一光信号是反射自目标；处理第一光信号以确定距目标的第一估计距离；基于第一估计距离，生成包含第一真实距离的第一输出帧；探测包含具有第二无模糊范围的第二频率的第二光信号，该第二无模糊范围不同于第一无模糊范围，该第二光信号是反射自目标；处理第二光信号以确定距目标的第二估计距离；以及基于距目标的第一估计距离和第二估计距离，生成包含第二真实距离的第二输出帧。
在一些实施方案中，生成第二输出帧包括通过基于第二估计距离与第一估计距离的比较来调整距目标的第二估计距离来生成第二真实距离。
附图说明
参照附图及具体实施方式，本发明将更加清楚，在说明书全文中，相同的附图标记或相同的参考标记代表相同的元素。
图1示出根据本发明实施例的闪光lidar系统或电路的的示例。
图2示出图1的控制电路的细节图。
图3是根据本文描述的一些实施例的发射信号和接收信号的曲线图。
图4是根据本文描述的一些实施例的利用两个调制频率的发射光的曲线图。
图5a至图5e是根据本文描述的一些实施例的使用多个频率组合来计算目标距离的示例的示意图。
图6示出根据本文描述的一些实施例的操作飞行时间系统的方法。
图7是示出基于以两个不同频率摄取的两个子帧来计算距目标的真实距离以生成输出帧的算法的流程图。
图8是示出根据本文描述的实施例的改进算法的流程图，该改进算法通过基于在先帧的子帧调整估计距离来计算距目标的真实距离。
图9示出利用本文描述的实施例来比较输出帧。
图10示出利用本文描述的实施例来比较直接tof系统的输出帧。
具体实施方式
本发明一些实施例可以认识到，使用扫描频率的交替组合来提供lidar系统中的技术改进，能够提高确定距目标的距离的精确度，而不会大幅增加处理时间和/或用于计算距离的物理资源。
图1示出根据本发明实施例的闪光lidar系统或电路100的示例，该系统100配置为执行距目标150的距离的计算。系统100包括控制电路105、定时电路106、包括多个发射器115e的发射器阵列115以及包括多个探测器110d的探测器阵列110(例如，单光子探测器阵列)。发射器阵列115的发射器元件115e各自在由定时发生器和/或驱动器电路116控制的时间发射辐射脉冲(例如，通过扩散器和/或光学滤波器114，这可以是可选的)。在特定实施例中，发射器115e可以为脉冲光源，诸如led或激光器(诸如vcsel)。辐射从目标150反射回去，并由探测器阵列110感测。控制电路105实现像素处理器，该像素处理器使用tof测量技术来测量从发射器阵列115到目标150再回到探测器阵列110的整个过程中光照脉冲的飞行时间，该技术可以包括直接和/或间接测量技术。
发射器阵列115包括多个发射器115e，并且探测器阵列110包括多个探测器110d。在一些实施例中，发射器阵列115中的每个发射器元件115e连接到各自的驱动器电路116并由其驱动。在其他实施例中，发射器阵列115中的各组发射器元件115e(例如，空间上彼此接近的发射器元件115e)可以连接到同一驱动器电路116。驱动器电路或电路系统116可以包括一个或多个驱动晶体管，其配置为控制从发射器115e输出的光发射信号的时序和幅度。从多个发射器115e发射光信号为闪光lidar系统100提供单个图像帧。发射器115e的最大光功率输出可以选择为在最亮的背景照明条件下产生根据本文描述的实施例能够探测到的来自反射最少的最远目标的回波信号的信噪比。如图所示，扩散器114扩大发射器阵列115的视场，但本发明不限于此。
从一个或多个发射器115e输出的发光射到一个或多个目标150上并由其反射，并且反射光被一个或多个探测器110d(例如，经由一个或多个透镜112)探测为光信号，转换为电信号表示，并进行处理(例如，基于飞行时间)以定义视场190的3d点云表示170。如本文所述，根据本发明实施例的lidar系统的操作可以由一个或多个处理器或控制器(诸如图1中的控制电路105)执行。
在一些实施例中，发射器115e中的各发射器可以发射具有特定频率的光。在一些实施例中，发射器阵列115可以配置为共同发射具有多个不同频率的光。例如，发射器115e的第一子集可以配置为发射具有第一频率的光，而发射器115e的第二子集可以配置为发射具有第二频率的光。在一些实施例中，各个发射器115e可以配置为发射可选自多个频率的光。可以在控制电路105和/或驱动器电路116的控制下基于发射器115e的子集选择由发射器阵列115发射的光的频率或选择各个发射器115e的频率。用于生产lidar系统的方法、系统和装置(包括控制发射器115e的操作的机制)的示例可参阅申请日为2018年4月12日、名称为“deviceswithultra-smallverticalcavitysurfaceemittinglaseremittersincorporatingbeamsteering(具有结合光束转向的超小型垂直腔表面发射激光发射器的器件)”、申请号为us15/951,824的美国专利申请，其全部内容通过引用归并本文。
在一些实施例中，探测器阵列110可以包括多个单光子探测器110d，诸如单光子雪崩探测器(spad)110d。spad阵列110可以在需要高灵敏度和定时分辨率的成像应用中用作固态探测器110d。在一些实施例中，探测器110d中的各探测器可以配置为探测具有特定频率的光。在一些实施例中，探测器阵列110可以配置为共同探测具有多个不同频率的光。例如，探测器110d的第一子集可以配置为探测具有第一频率的光，而探测器110d的第二子集可以配置为探测具有第二频率的光。在一些实施例中，各个探测器110d可以配置为探测可选自多个频率的光。
一些lidar系统100针对探测器阵列110的每个像素传送、接收和测量以多个(例如，两个)频率调制的光信号的相位而运行，又称间接tof(itof)。相位可以均与包含在像素中或由像素成像的目标150的距离相关，但它们可以不同的速率变化。然而，所用频率的相关波长通常比读取范围或成像范围更短，这样能够使用两个相位的组合来唯一标识距离。间接飞行时间设备可以测量与目标150在每个像素处的距离相关联的相位而运行。可以用一系列单独的测量来测量这些相位，这可以在图像帧的不同子帧内进行测量。这些测量的结果产生多个(例如，两个)矢量分量，这些分量形成的角度为相位。
如本文所用，子帧可以是一组用于生成距目标的距离估计的一个或多个样本。估计距离可能并非距目标的真实距离(例如，未经证实)。如本文所用，帧可以是子帧集合，这些子帧用于生成距目标的真实距离(例如，经证实)。帧可以包括子帧集合。帧、输出帧和图像帧在本文中可互换使用。
例如，tof系统可以生成一个或多个目标的一列范围(例如，估计距离)。使用一个或多个频率的一列范围估计的集合可以视为子帧。一帧可以包括来自一个以上子帧的数据的集合(例如，每个子帧具有唯一频率或多个频率)。帧可以是信息单位，其包含距视场中一个或多个目标的报告范围(例如，真实距离)。尽管本文关于各实施例使用了术语“帧”和“子帧”，但这些术语并非旨在限制本文描述的实施例。在一些实施例中，子帧可以包含其他类型的测量，诸如相位分量测量。例如，在一些实施例中，子帧可以包含其他子帧。在一些实施例中，帧和子帧可以包含基本上相似次数的测量，例如，当可能直接根据估计距离生成真实距离而无需进一步测量时(即，当子帧与帧一一对应时)。
在本文描述的实施例中，不同于先前的技术方案，lidar系统的帧速率可以基本上等于子帧速率。这样可以减少获取全部子帧所需的时间，因此可以允许通过减少所需的发射器功率而提高解决运动伪影或降低系统功率的能力。
在itof系统中，探测器阵列110中的每个探测器元件110d可以连接到定时电路106。定时电路106可以锁相到发射器阵列115的驱动器电路116。每个探测器元件110d或每组探测器元件110d的操作时序和灵敏度可以由定时电路106来控制。定时电路106可以操作探测器阵列110的各像素(包括一个或多个探测器元件110d)，以在与各测量子帧相对应的各相位偏移(例如，90°、180°、270°)处对回波信号进行采样。应当理解，本文关于0°、90°、180°和270°相移的四次测量的描述仅作示例，本公开的实施例可以利用更少或更多的分量测量来进行距离范围计算。照此，从探测器阵列110输出的每个探测信号可以包括以不同的相位偏移(例如分别为0°、90°、180°、270°或其他相位偏移)采样的多分量测量。
在一些实施例中，探测器阵列110中的探测器元件110d可以包括第一累积阱和第二累积阱，每个阱由控制电路105或相关联的定时电路106激活以探测每个测量子帧的各部分的入射光子。每个测量子帧可以延迟或“移位”由相应的测量频率fm定义的周期分数(其中周期＝1/fm)。因此，每个子帧可以是相对于参考光信号脉冲或其他参考信号相移(或偏移)0°、90°、180°或270°的相位分量测量，对于图像帧的四个子帧中的每个子帧，探测器操作为移位与测量频率相对应的周期的四分之一。
譬如，对于从发射器阵列115以20mhz的调制频率(因此，以50纳秒(ns)的周期)发射的光信号，测量0°子帧可以包括在0ns至25ns的时间范围内(例如，50ns周期的二分之一)激活探测器110d的第一累积阱，并在25ns至50ns的时间范围内(例如，50ns周期的另二分之一)激活探测器110d的第二累积阱。激活第一累积阱和第二累积阱的时序可以均同样地移位或偏移12.5ns(例如，50ns周期的四分之一)以对测量帧的每个后续子帧(例如，90°、180°、270°)进行测量。例如，如本文所述的lidar系统使用两个测量频率，可以使用图像帧内的八个子帧(即，四分量测量或两个测量频率中的每个频率下的子帧)来测量距离。
图2示出图1的控制电路105的细节图。在一些实施例中，控制电路105可以包括像素处理器，该像素处理器测量在从发射器阵列115到目标150并返回到探测器阵列110的整个过程中光照脉冲的相位延迟或相移(如从探测器阵列110输出的各探测信号所指示，由发射器阵列115发射的光信号与在探测器阵列110处接收到的反射光信号或回波之间的相位差)，并计算距目标150的距离。在一些实施例中，本文描述的部分或整体控制电路可以集成在发射器阵列115和/或探测器阵列110中。
itof系统可以通过调制电磁能的幅度来操作。能够根据探测到的回波信号相移来计算距目标150的距离:
其中，c是光速，t是光子从发射器115e传播到目标150并返回到探测器110d所需的时间，
如上所述，itof系统100可以用特定频率的光信号照射目标150，以便基于探测到的从目标150反射的光的相位来确定距目标的距离。光从视场190中的目标150反射之后，可以测量返回光的相位延迟。然后，可以例如使用正交采样技术来测量相位延迟并将其转换为距离。与直接tof系统相比，间接tof系统可能因较低的计算和/或处理要求而具有较高的帧速率。
例如，对于调制频率为fm的光传输，发送信号s(t)和接收信号r(t)作为时间t的函数，延迟为τ：
s(t)＝acos(2πfmt)等式1
r(t)＝acos(2πfm(t-τ))+b等式2
其中，a和b是反射信号的未知比例和偏移。例如，a是接收信号r(t)的幅度，并可以取决于目标150的反射率和/或探测器110d的灵敏度。b可能起因于与操作环境相关的环境照明。可以在发射器和/或控制电路处估计这些参数。
s(t)和r(t)的互相关为：
在等式3中，幅度a、偏移b和延迟τ为未知。可以通过r.p.horaud于2013年4月所著的“tutorialon3dsensors(3d传感器教程)”中描述的四相测量法来解出这些变量。在该四相法中，可以在调制周期内的位置(x0,x1,x2,x3)处捕获四个等距样本，请参阅图3。
这四个输出与源信号s(t)的互相关由c(x0)、c(x1)、c(x2)、c(x3)表示。可以基于这些相关性解出三个未知变量。幅度a可解为：
偏移量b可能归因于背景照明，并可解为：
延迟τ是光从发射器115e发送、从目标150的表面反射并被探测器110d接收的飞行时间，并可解为：
τ的值与tof系统100与光照目标150之间的距离d成正比，为τ＝2d/c，其中c是光速。s(t)与r(t)之间的延迟相位则可表示为
在一些实施例中，两个以上调制频率的组合可以用于增大无模糊范围。可以针对多个不同调制频率中的每个频率进行四相测量(例如，针对两个主要测量频率，可以采取八次测量)。例如，光学系统可以使用取自以两个频率(例如，大约18mhz和21mhz)操作的光信号的相位测量。通过使用两个频率，基于两个频率之间的差异，无模糊范围可以增大到50米，但具有相对更高的分辨率。例如，以18mhz和21mhz操作的两个频率可以具有50米的无模糊范围，这会与3mhz系统的无模糊范围相匹配。然而，与3mhz系统相比，以18mhz和21mhz操作的系统因使用频率更高的光而能具有更高的分辨率。
在使用两个调制频率的实施例中，探测到两个相位–每个调制频率一个相位。这一实例请参阅图4。图4示出两个调制频率f1和f2的发射光的信号幅度与时间的曲线图，每个频率具有各自的无模糊范围410。如图4所示，频率f1、f2的组合的无模糊范围可以增大到两个频率f1、f2的最大公约数的范围。
为itof系统选择的一个或多个频率可能影响itof系统的运行。例如，系统中使用低调制频率的距离计算可能易受相位噪声的影响。如果调制频率较低，则既定的相位误差可能转换为较大的范围误差。因此，使用高频组合以减少相位噪声/相位误差与使用低频以增大范围之间可以存在折衷。
itof系统的范围计算中的另一错误来源可能起因于在双频率模式(或更多频率模式)下整数周期数的错误计算。整数周期数能够使用几种算法来计算。一般而言，已知既定无模糊范围内的相位对(对应于调制频率对)的允许组合。因此，鉴于一对探测到的相位(例如，通过比较来自发射信号的回波信号)，能够例如使用查找表来正确估计距目标的范围。当两个频率对接近时(例如，频率差很小，在本文中又称分离间隔)，存在更多这样的允许对。因此，相位误差可能造成错误估计整数周期数，从而导致大范围误差。因此，使用两个接近频率(例如，具有小分离间隔)以增大无模糊范围与使用具有更大分离间隔的两个频率以减少错误估计整数周期数并因此错误估计实际范围的概率之间可以存在折衷。
某些采集模式可以在每帧中使用两个以上频率来增大无模糊范围。然而，这可能需要输出更多的光能，这在许多应用中不甚理想，特别是在附加频率仅用于解析无模糊范围而未用于收集更多目标数据的情况下。因此，可能降低这种系统的效率(例如，既定一组帧中返回的数据量对比该组帧中利用的功率)。
在itof系统中，可以使用至少两个测量值，在大多数情形下可以使用三次、五次、九次或十七次测量来获取单个范围帧(例如，参阅m.herediaconde所著的compressivesensingforthephotonicmixerdevice(光子混合器设备的压缩传感)第2.3.3章，doi10.1007/978-3-658-18057-7_2)。使用至少两次测量来计算范围。通常进行第三次测量来表征场景的被动光照。可以使用附加的两次测量来抵消像素不对称性。在一些实施方式中，可以使用附加的四次测量来增大系统的无模糊范围。在一些实施方式中，以不同的积分时间来复制八次测量，以增大传感器的动态范围。本发明一些实施例描述了一种测量方案，包括针对一个无模糊范围的四次测量以及针对第二无模糊范围的四次测量，它们的交替和/或切换可以增大系统的整体范围。四次测量中的每一测量在本文中均称为子帧。在一些实施例中，可以包括附加的被动测量来表征场景的光照。
已经报道了至少两种执行lidar系统测量的方法-子帧顺序和子帧并行。在子帧顺序方案中(例如参阅lange等人的德国专利公布de102012223295a1)，针对每次测量，未收集到四分之三的光能，因此这些系统可能利用高功率激光器，可能具有高功耗，或者可能范围有限。子帧顺序方案的优势在于，它使用了每像素小面积，因此能够使用低分辨率和/或低成本的半导体技术在小裸片上制造大阵列。
在子帧并行方案中(例如参阅galera等人的美国专利us9,921,300)，可以在单个激光周期内收集从全部帧和/或相位收集的信号。这种配置可以在每个像素中利用四个存储节点和支持电路系统。这类系统可以具有更低的激光和/或功率并能够实现更长的范围。然而，对于相同的半导体技术节点，它们的像素尺寸相比子帧顺序方案更大。与itof相比，这可能导致阵列的分辨率更低或传感器的成本更高。
在这两种方案中，调制频率与测量误差之间存在折衷。增大调制频率可以提高测量精度，但缩小无模糊范围。因此，可以采用双频方案。然而，如上所述，在这种方案中，浪费了7/8光能(在顺序子帧的情形下)，因为在八个子帧的既定子帧处，仅收集到一个频率的一个相位。在并行方案中，例如，如果一帧使用两个频率来同时收集四相测量，则该比率可能上升到1/2。
本文描述的实施例提供了在保持范围精度和硅利用率的同时实现更远范围的系统和方法。这是通过交替和/或切换频率或频率对并向系统引入单帧延时来完成。
如本文所述，如果从位于无模糊范围之外的目标返回回波信号，则可能发生范围反转误差。例如，如果示例双频系统的无模糊范围为50米，则可能错误地将55米远的目标范围计算为5米远。常规机制可能尝试通过使用具有更大无模糊范围的更低频率或频率组合来解决这种潜在误差，可能会因相位估计或整数周期估计而易受测量误差的影响。
本发明一些实施例能够减少或防止lidar系统的可工作范围内的反转误差。另外，本发明一些实施例可以将lidar系统的无模糊范围扩大若干倍，而不会增加可能因相位估计或整数周期估计而引起的误差率。
在一些实施例中，在一个帧子集中，使用具有第一无模糊范围的第一调制频率组合。在一个或多个其他帧子集中，使用具有不同的第二无模糊范围的不同的第二调制频率组合。在一帧的第一调制频率组合和第二调制频率组合的无模糊范围内的目标跨越不同的帧子集似乎或可能表现出处于相同的目标距离。一个或多个调制频率组合的无模糊范围之外的目标似乎或可能表现出处于不同的帧子集之间的交替估计距离处，估计距离之差值为无模糊范围之差值的倍数。通过识别具有不同频率的不同帧子集之间的估计距离似乎根据那些频率的无模糊范围的差异而变化的那些目标，系统可以识别出反转范围测量值。通过计算估计的目标距离之差值，系统可以计算距目标的正确距离。
在一些实施例中，第一组合的调制频率可以被第一分离间隔分离，而第二组合的调制频率可以被第二分离间隔分离，第二分离间隔不同于第一分离间隔，但本发明不限于此。
在不失一般性的情况下且仅以本发明的一种实施方式为例，系统可以使用包括第一帧子集中的第一频率和第二频率的第一调制频率对以及包括第二帧子集中的第三频率和第四频率的第二调制频率对。第一调制频率对的第一频率和第二频率可以具有第一无模糊范围ur1。第二调制频率对的第三频率和第四频率可以具有第二无模糊范围ur2。第二无模糊范围ur2可以不同于第一无模糊范围ur1。例如，ur1可以小于ur2。
例如，系统可以在第一帧子集中(例如，奇数帧中)使用18mhz和21mhz的调制频率对作为第一调制频率对，而在第二帧子集中(例如，偶数帧中)使用18mhz和20mhz作为第二调制频率对。这种频率对组合分别对应于3mhz和2mhz的最大公约数，18mhz/21mhz频率对的无模糊范围为50米(ur1)，而18mhz/20mhz频率对的无模糊范围为75米(ur2)。如本例所示，在一些实施例中，第一调制频率对的第一频率或第二频率可以与第二调制频率对的第三频率或第四频率相同。
图5a示出一种根据本发明实施例的示例，其中目标150距lidar系统100的距离d1小于相应的第一调制频率对和第二调制频率对的第一无模糊范围ur1和第二无模糊范围ur2。在此情形下，基于第一调制频率对计算的估计距离将为d1(例如，距目标150的实际距离)，而基于第二调制频率对计算的估计距离也将为d1。在一个示例中，目标150处于20米的实际距离(d1)处，并且将在使用18/21mhz调制频率的帧和使用18/20mhz调制频率的帧中正确地进行测量。换而言之，将在这两种帧中正确地测量距目标150的距离d1。在此场景下，两个频率组合返回的估计距离之差值将为零(例如，d1(如基于第一调制频率对计算)-d1(如基于第二调制频率对计算)＝0)。
图5b示出一种根据本发明实施例的示例，其中目标150距lidar系统100的距离d2大于第一调制频率对的第一无模糊范围ur1，但小于第二调制频率对的第二无模糊范围ur2。在此情形下，由于第一无模糊范围ur1的“反转”，基于第一调制频率对计算出的估计距离将为d2-ur1；由于d2处于第二调制频率对的第二无模糊范围ur2内，基于第二调制频率对计算出的估计距离将为d2。在此场景下，估计距离之差值将为ur1。(例如，(d2-ur1)–d2＝-ur1)。在一个示例中，目标150处于60米处，并且lidar系统100利用具有50米无模糊范围ur1的第一调制频率对以及具有75米无模糊范围ur2的第二调制频率对。在利用第一调制频率对的帧(例如，奇数帧)中，目标150会被估计为处于10米的距离处，而在利用第二调制频率对的帧(例如，偶数帧)中，目标150会被估计为处于60米的距离处。两个估计距离之差值为50米，等于第一调制频率对的无模糊范围。处理单元将计算出目标150的真实范围为60米，如下文进一步论述。
图5c示出一种根据本发明实施例的示例，其中目标150距lidar系统100的距离d1超出相应的第一调制频率对和第二调制频率对的第一无模糊范围ur1和第二无模糊范围ur2。在此情形下，由于第一无模糊范围ur1的反转，基于第一调制频率对计算出的估计距离将为d3–ur1；由于第二无模糊范围ur2的反转，基于第二调制频率对计算出的估计距离将为d3–ur2。在此场景下，估计距离之差值将为ur2-ur1。(例如，(d3-ur1)–(d3-ur2)＝ur2-ur1)。此场景的示例包括，目标150处于90米处，并且lidar系统100利用具有50米无模糊范围ur1的第一调制频率对以及具有75米无模糊范围ur2的第二调制频率对。在利用第一调制频率对的帧(例如，奇数帧)中，目标150会表现出处于40米的距离处，而在利用第二调制频率对的帧(例如，偶数帧)中，目标150会表现出处于15米的距离处。因此，系统将计算出距目标150的真实距离为90米。应当指出，在本例中，测量范围之差值为25米，这是两个调制频率对的无模糊范围之间的差值。
图5d示出一种根据本发明实施例的示例，其中目标150距lidar系统100的距离d4为第一调制频率对的第一无模糊范围ur1的两倍以上(例如m倍，其中m是自然数)，并且该距离d4为第二调制频率对的第二无模糊范围ur2的两倍以上(例如n倍，其中n是自然数)。在此情形下，由于第一无模糊范围ur1的反转，基于第一调制频率对计算出的估计距离将为d4–mur1；由于第二无模糊范围ur2的反转，基于第二调制频率对计算出的估计距离将为d4–nur2。在此场景下，估计距离之差值将为nur2-mur1。(例如，(d4-mur1)–(d4-nur2)＝nur2-mur1)。
应当指出，如果m＝n，则两个估计距离之差值将为n(ur1-ur2)，或是两个无模糊范围之差值的倍数。换而言之，当目标距离(例如d4)除以第一无模糊范围ur1之第一商值等于目标距离(例如d4)除以第二无模糊范围ur2之第二商值时，两个估计距离之差值将为两个无模糊范围之差值的倍数。图5e示出一种根据本发明实施例的示例，其中目标150处于距lidar系统100的距离d5处，m等于n。换而言之，目标150处于距离d5处，使得第一调制频率对和第二频率对反转相同的次数。在此情形下，第一调制频率对将生成估计距离d5-nur1，而第二调制频率对将生成估计距离d5-nur2。两个估计距离之差值为(d5-nur1)–(d5-nur2)＝n(ur1-ur2)。
在一种示例性实施例中，使用具有50米的第一无模糊范围ur1的第一调制频率对(例如，18mhz/21mhz的频率对)以及具有51米的第二无模糊范围ur2的第二调制频率对(例如，17.64mhz/20.58mhz的频率对)。如果目标处于110米远，则使用第一调制频率对的帧(例如，奇数帧)将确定距离为10米，而使用第二调制频率对的帧(例如，偶数帧)将确定距离为8米。估计距离之差值为2(例如，10-8)，这是第一无模糊范围ur1与第二无模糊范围ur2之差值的两倍。因此，系统计算出的真实距离为2x50+10，即2x51+8＝110米。
应当指出，另一种场景是m比n大1，例如m＝n+1。在此情形下，其中一个调制频率对比另一个调制频率对多反转一次。图5d示出这样的示例。如前所述，第一调制频率对可以生成d4-mur1的估计距离td1，而第二调制频率对可以生成d4-nur2的估计距离td2。因此，距目标d4的实际距离为mur1+td1或nur1+td2。然而，当假定m＝n+1时，距离d4为(n+1)ur1+td1或nur2+td2。将这两个距离设置为相等，并求解n，得出等式：
n＝(ur1+(td1–td2))/(ur2–ur1)
图5b示出m＝1且n＝0(例如，仅第一调制频率对已反转)的示例。当目标距离超出一个调制频率对的无模糊范围(例如，ur1)的某个第一倍数且超出另一个调制频率对的无模糊范围(例如，ur2)的某个第二倍数时，估计距离(例如，td1-td2)将为负。因此，可以通过检查估计目标距离之差值来检测m＝n+1的条件。
例如，使用具有50米的第一无模糊范围ur1的第一调制频率对(例如，18mhz/21mhz的频率对)以及具有51米的第二无模糊范围ur2的第二调制频率对(例如，17.64mhz/20.58mhz的频率对)。如果目标处于101米远，则使用第一调制频率对的帧(例如，奇数帧)将确定距离为1米，而使用第二调制频率对的帧(例如，偶数帧)将确定距离为50米。估计距离之差值为-49(例如，1-50)。由于该数字为负，上述等式可用于求解n，即n＝(50–49)/(1)＝1。因此，系统计算出真实距离为(1+1)x50+1，即1x51+50＝101米。
在m和n可为任何数字的实施例中，若无附加数据，可能难以确定距目标150的真实距离。然而，lidar系统并非设计为在无限可能的距离操作，因此可能选择可在实际lidar系统中实际使用的频率，而无需考虑诸如更远距离的理论限制。例如，lidar系统的预期操作距离可能受限于发射器中使用的功率以及支持有限分析区域的设计目标。例如，针对为汽车或其他交通工具设计的lidar系统，辨别200米以内的目标便可足矣。因此，本发明人认识到，可选择在最远支持目标距离内具有无模糊范围的现实频率配对，以便在lidar系统的最远支持目标距离上，m＝n或m＝(n-1)。换而言之，针对代表lidar应能探测目标的最远距离的距离tmax，本发明实施例选择多个频率组，使得在整个距离tmax上，距离tmax除以第一频率组的第一无模糊范围ur1的第一商值等于距离tmax除以第二频率组的第二无模糊范围ur2的第二商值，或在其一以内。
例如，针对配置为具有200米tmax的系统，能够选择两个频率对，使得200米除以第一频率对的无模糊范围的商值等于200米除以第二频率对的无模糊范围的第二商值，或在其一以内。例如，第一频率对可以具有40米的无模糊范围，并且第二频率对可以具有43米的无模糊范围。200米除以40米的商值为5，并且200米除以43米的商值为4。可以选择具有40米的无模糊范围的第一调制频率对，并可以选择具有43米的无模糊范围的第二调制频率对。在一些实施例中，两个无模糊范围可以选择为使得它们在系统的操作范围内不具有公因数。
在这样的系统中，如本文所述，能够检查在不同帧内采取的两个频率对的估计距离之差值。在一些实施例中，计算估计距离之差值可以是通过从具有第一无模糊范围的第一频率对的第一估计距离减去具有第二无模糊范围的第二频率对的第二估计距离，第一无模糊范围小于第二无模糊范围。
如果两个估计距离之差值为零，则两个估计距离都可以是距目标的真实距离。如果两个估计距离之差值为正，则可以通过将两个估计距离之差值除以两个无模糊范围之差值(例如，ur2–ur1)的绝对值得出两个估计距离的倍数(例如m或n，即无模糊范围的反转次数)。距目标的真实距离将是无模糊范围乘以估计距离的倍数。
如果两个估计距离之差值为负，则可以通过以下等式得出具有较大无模糊范围的调制频率对(例如，第二频率对)的倍数：
n＝(ur1+(td1–td2))/(ur2–ur1)
其中，ur1是第一频率对的第一无模糊范围，ur2是第二频率对的第二无模糊范围，并且(td1–td2)是两个估计距离之差值。若计算出n，则m＝n+1。距目标的真实距离将是无模糊范围乘以估计距离的相应倍数。例如，针对第一调制频率对，真实距离将为m(ur1)+td1，和/或针对第二调制频率对，真实距离将为n(ur2)+td2。如图5a至图5e所示，可以基于先前帧中采取的测量和/或子帧来确定一帧内距目标的真实距离。
图6示出根据本文描述的一些实施例的操作飞行时间系统的方法。如图6所示，该方法可以包括框610，其中包括探测包含具有第一无模糊范围的第一频率的第一光信号子集。在一些实施例中，如图1所示，第一光信号子集可以由发射器115e发射，从目标150反射，并被lidar系统100的探测器阵列110中的探测器110d探测到。在一些实施例中，第一频率可以包括多个频率，并且第一无模糊范围可以基于多个频率。在一些实施例中，可以在第一子帧期间探测第一光信号子集。
操作可以继续进行到框620，其中包括探测包含具有第二无模糊范围的第二频率的第二光信号子集。在一些实施例中，如图1所示，第二光信号子集可以由发射器115e发射，从目标150反射，并被lidar系统100的探测器阵列110中的探测器110d探测到。在一些实施例中，第二频率可以包括多个频率，并且第二无模糊范围可以基于多个频率。在一些实施例中，可以在第一子帧中探测第一光信号子集，并且可以在第二子帧中探测第二光信号子集。
操作可以继续进行到框630，其中包括处理第一光信号子集以确定距目标的第一估计距离。在一些实施例中，处理第一光信号子集可以包括探测第一光信号子集中的第一相移，并且可以基于探测到的第一相移来确定距目标的第一估计距离。
操作可以继续到框640，其中包括处理第二光信号子集以确定距目标的第二估计距离。在一些实施例中，处理第二光信号子集可以包括探测第二光信号子集中的第二相移，并且可以基于探测到的第二相移来确定距目标的第二估计距离。
操作可以继续到框650，其中包括基于第一估计距离和第二估计距离之差值来确定距目标的真实距离。可以将真实距离作为tof系统的帧的一部分输出。确定真实距离可以通过诸如本文参照图5a至图5e所述的操作来执行。
本文描述的实施例包括数学等式的描述，但应当理解，本发明不限于使用这些等式来计算真实距离。在一些实施例中，可以使用查找表来基于第一估计距离和第二估计距离确定真实距离。在一些实施例中，使用其他等式(和/或查找表)可以是基于其他输入值，诸如噪声估计或可能影响真实距离确定的其他数据。在一些实施例中，以数字方式生成可能测量范围组合与真实范围的表。在每帧n个频率的系统中，针对n个频率中任一频率的每个测量子帧，可以使用先前n个子帧所测量的估计距离值在可能测量范围组合表中进行查找，以确定最可能的真实距离。在一些实施例中，在所测量的估计距离中存在诸如相位噪声等测量噪声的情况下，可以使用诸如最大似然法的适当统计算法来确定最可能的真实距离。
本发明实施例可以利用基于由第一频率报告的第一估计距离以及由第二频率报告的第二估计距离来确定距目标的真实距离的方法，以进一步改善lidar系统。
通过交替lidar系统的顺序帧的子帧(例如，利用第一频率的第一帧的第一子帧和利用第二频率的后续第二帧的第二子帧)中使用的频率，先前第一帧可以用于校正距后续第二帧的估计距离。换而言之，在第二子帧中基于距在先帧的第一子帧的估计距离来确定估计距离，可以基于调整该估计距离来生成包括距目标的真实距离的输出帧。这样可以允许系统在距离估计方面具有高精度，同时在较低的能量输出下保持高帧速率。
图7和图8是示出在两个itof系统之间进行比较以突出本发明的优点的流程图。图7是示出基于以两个不同频率摄取的两个子帧来计算距目标的真实距离以生成输出帧的算法的流程图。图8是示出根据本文描述的实施例的改进算法的流程图，该改进算法通过基于在先帧的子帧调整估计距离来计算距目标的真实距离。
参照图7，系统基于取自两个不同频率的两个子帧来确定距目标的真实距离，这可以开始于操作710，其中可以基于第一子帧中的第一频率的光信号来计算第一估计距离(例如，td1)。第一频率可以具有第一无模糊范围。下文的论述可以涉及第一频率和第二频率，但应当理解，在一些实施例中，第一频率和/或第二频率可以分别为多个频率。
操作可以继续进行到操作720，其中可以基于第二子帧中的第二频率的光信号来计算第二估计距离(例如，td2)。第二频率可以具有与第一无模糊范围不同的第二无模糊范围。
操作可以继续进行到操作730，其中可以基于第一估计距离和第二估计距离这两者来计算距目标的真实距离。该真实距离可以是基于第一频率与第二频率之间的关系以及第一估计距离和第二估计距离。
操作可以继续进行到操作740，其中将包括基于来自两个子帧的第一估计距离和第二估计距离的距目标的真实距离的输出帧(例如，frame(td1,td2))输出到lidar系统。如图7所示，为了输出帧，系统处理光信号的两个子帧(在第一频率和第二频率下)，并计算两个估计距离。例如，可以已在每个帧中采样光信号的多个子帧以捕获光信号的一个或多个相位偏移。
在释放输出帧之后，操作可以继续进行到操作750，其中确定处理是否完成。如果完成，则系统退出。如果未完成，则帧处理继续进行到操作710，其中再次计算第一估计距离。该方法将继续，其中每个操作利用两个子帧(每个子帧可能包括多个子帧)，利用两个频率来生成输出帧。
参照图8，运用本文所述技术的对比系统可以开始于操作810，其中可以基于第一频率的光信号的采样子帧(例如，捕获子帧)来计算第一估计距离(例如，td1)。第一频率可以具有第一无模糊范围。在一些实施例中，捕获子帧可以包括多个子帧，其中已经采样光信号以捕获光信号的一个或多个相位偏移。
操作可以继续进行到操作820，其中切换调制频率，并可以基于第二频率的光信号的采样子帧(例如，捕获子帧)来计算第二估计距离(例如，td2)。第二频率可以具有与第一无模糊范围不同的第二无模糊范围。
操作可以继续进行到操作830，其中可以通过利用本文所述技术调节第二估计距离td2来计算距目标的真实距离。例如，基于在先子帧的第一估计距离td1与第二估计距离td2之差值，可以确定距目标的真实距离。例如，第一估计距离td1和第二估计距离td2之差值可以指示关于第二估计距离td2已发生反转。本文参照图5a至图5e论述了确定距目标的真实距离和/或是否已发生反转的方法。例如，可以基于第二估计距离td2的第二无模糊范围确定其反转次数的倍数。可以基于第一估计距离td1与第二估计距离td2之差值来调整第二估计距离td2以创建调整后的第二估计距离td2’。
利用前文论述的示例，可以使用具有50米的第一无模糊范围ur1的第一调制频率对(例如，18mhz/21mhz的频率对)以及具有51米的第二无模糊范围ur2的第二调制频率对(例如，17.64mhz/20.58mhz的频率对)。鉴于这些无模糊范围，使用第一频率对的第一测量可以确定第一估计距离td1为1米，并且使用第二频率对的第二测量可以确定第二估计距离td2为50米。利用本文描述的一些实施例，系统可以确定两个估计距离之差值指示使用第二频率对的测量已反转一次(例如，通过计算倍数n)。因此，系统可以计算出调整后的第二估计距离td2’为1x51+51＝101米。
本文论述的示例描述了使用数学等式和/或其他分析来调整估计距离，但应当理解，本文描述的实施例不限于这些操作。在一些实施例中，可以基于查找表来调整第二估计距离，例如，其中输入第一估计距离和第二估计距离。
操作可以继续到操作840，其中将包括基于调整后的第二估计距离的真实距离的输出帧(例如，frame(td2’))输出到lidar系统。
操作可以继续进行到操作850，其中切换频率，并且基于第一频率的光信号在子帧中再次计算第一估计距离td1。这可以类似于本文所述的操作810。然而，不同于操作810，系统此时具有在先估计距离(td2)，用于与所确定的第一估计距离td1进行比较。因此，在操作860中，基于在先前的输出帧(例如，frame(td2’))中计算出的第二估计距离，通过利用本文所述的技术来调整第一估计距离td1，可以计算距目标的真实距离。例如，基于来自在先帧的第一估计距离td1与第二估计距离td2之差值，可以确定距目标的真实距离。例如，第一估计距离td1与第二估计距离td2之差值可以指示关于第一估计距离td1已发生反转。本文参照图5a至图5e论述了确定距目标的真实距离和/或是否已发生反转的方法。例如，可以确定第一估计距离td1已反转次数的倍数。可以基于第一估计距离td1与第二估计距离td2之差值将第一估计距离td1调整为调整后的第一估计距离td1’。
使用前述具有50米的第一无模糊范围ur1的第一调制频率对、具有51米的第二无模糊范围ur2的第二调制频率对以及分别为1米和50米的第一估计距离和第二估计距离的示例，系统可以确定两个估计距离之差值指示使用第一频率对的测量已反转两次(例如，通过计算倍数m)。因此，系统可以计算出调整后的第一估计距离td1’为2×50+1＝101米。
操作可以继续进行到操作870，其中将包括基于调整后的第一估计距离的真实距离的输出帧(例如，frame(td1’))输出到lidar系统。
因此，图8示出一种实施例，其中lidar系统探测从目标反射的包含具有第一无模糊范围的第一频率的第一光信号，处理该第一光信号以确定距目标的第一估计距离，并基于第一估计距离以及曾用于生成先前输出帧的距目标的第二估计距离来生成包含距目标的真实距离的输出帧。
通过比较输出帧(例如，frame(td1’)和frame(td2’))的时序，能够看出图8的系统与图7的系统之间的差异。图8的系统能够在由第一频率或第二频率作出的每次测量(例如，每个捕获子帧)之后输出输出帧。图7的系统针对每个输出帧利用两次测量(例如，两个捕获子帧)。在本文描述的实施例中，即使在捕获子帧期间顺序收集来自n个频率的光信号，也可以通过每个频率的收集时间而非通过全部n个频率的收集时间来确定lidar系统的更新或帧速率(如图7所示)。出于多种原因，图8的系统示出对图7的系统的改进。
例如，针对大致相同数目的捕获子帧(例如，用于确定估计距离的光信号样本)，图8的系统能够输出大约双倍的输出帧。(图8的系统确实具有不对应于输出帧的初始捕获子帧，但后续的捕获子帧可以采用一对一的方式对应于输出帧。)图9示出利用本文描述的实施例来比较输出帧。图9并非旨在按比例绘制，并仅出于示例目的而提供。在图9中，系统a对应于利用关于图7所述过程的lidar系统，而系统b对应于利用关于图8所述过程的lidar系统。如图9所示，针对相同的样本(例如，捕获子帧)时序和生成估计距离(例如，td1和td2)，系统b能够以更高的频率生成输出帧。因此，根据本文所述实施例的系统能够在不牺牲结果(例如，计算出的目标距离)准确性的情况下具有更高的帧速率。
当特定的帧速率(例如，生成输出帧的速率)固定时，出现第二种可能的优点。在这样的环境中，可以看出，通过利用半数采样，根据图8的实施例的系统就能提供与图7的实施例相同的帧速率。换而言之，图8的实施例能够匹配图7的系统的精度和输出帧速率，但仅用大约半数的光信号样本(例如，捕获子帧)。因此，图8的系统减少了有关生成光信号(以及为这种生成控制光源)的要求，因此可以利用更少的能量。采用这种方式，系统配置为基于来自在先帧的信息来调整估计距离(例如，通过比较估计距离)，可以表示相对于可用的其他技术的改进系统。
本说明书集中于利用itof的lidar系统，但本文描述的实施例也可以类似地应用于直接tof系统。回顾图1，在直接tof系统中，发射器115e可以发射光信号(例如，激光等光脉冲)，该光信号将被传输到目标150并被反射回探测器阵列110。基于直接tof的lidar系统100可以基于从发射器阵列115到目标150并返回探测器阵列110的往返时间来探测距目标150的距离(即，如在itof系统中，与返回信号的相位相反)。
直接tof系统也可以具有与采集中使用的频率相关联的无模糊范围。针对直接tof系统的既定操作范围，频率可以选择为使得为后续捕获子帧发射的光信号不会干扰在先捕获子帧的那些光信号。无模糊范围定义为：
其中c是光速，t是光脉冲的重复间隔(例如，周期时间1/f)。针对1.3μs的脉冲宽度，无模糊范围约为200米。这样允许1ms的帧中大约1000次光脉冲。
为了在既定帧内获得更多样本，可以缩短脉冲的周期时间(例如，增加脉冲频率)。然而，当周期时间缩短时，无模糊范围ur也减小。因此，常规系统通过无模糊范围增加脉冲频率的能力可能受到限制。正如itof系统，超出无模糊范围的目标将表现为“反转”。换而言之，从目标返回将表现在后续子帧中(并解释为距离更近)。正如itof系统，具有10米无模糊范围的直接tof系统可以将11米处的目标报告为具有1米的估计距离。
为了解决反转问题，可以使用多个频率。例如，可以使用多个捕获子帧，每个子帧包含既定脉冲周期的一系列激光突发。可以针对每个脉冲周期确定各自的估计距离。可以基于每个估计距离的比较(例如，经由查找表)来确定距目标的真实距离。然而，正如本文所论述的itof示例，这样的过程可能需要针对每个输出帧执行多个捕获子帧。
本文描述的实施例可以在直接tof系统中采用如同itof系统的方式工作。例如，通过交替捕获周期或具有交替周期时间的交替突发，每个交替捕获子帧利用具有相应第一无模糊范围和第二无模糊范围的第一脉冲周期时间和第二脉冲周期时间之一。可以针对每个子帧计算距目标的第一估计距离和第二估计距离。在一些实施例中，可以计算第一估计距离与第二估计距离之差值。基于第一估计距离和第二估计距离之间的距离，能够通过调整第一估计距离和第二估计距离之一来计算距目标的真实距离。在一些实施例中，能够通过基于查找表调整第一估计距离和第二估计距离之一来计算距目标的真实距离，其中输入第一估计距离和第二估计距离。因此，直接tof系统可以类似于图8所示的流程图进行操作。第一脉冲频率和第二脉冲频率的每个无模糊范围均可以小于lidar系统的操作距离。例如，lidar系统的操作距离可以为200米，但各个脉冲频率可以具有更小的无模糊范围，例如分别为50米和51米。
图10示出利用本文描述的实施例来比较直接tof系统的输出帧。图10并非旨在按比例绘制，并仅出于示例目的而提供。
如图10所示，比较直接tof系统，系统c可以在多个捕获子帧上利用多个脉冲周期。例如，图10示出具有第一无模糊范围ur1的第一频率/脉冲周期、具有第二无模糊范围ur2的第二频率/脉冲周期以及具有第n无模糊范围urn的第n频率/脉冲周期。在第一捕获子帧中，可以使用具有第一脉冲周期的光脉冲来照射目标。可以分析来自每个脉冲的返回以确定距目标的第一估计距离td1。在第二捕获子帧中，可以使用具有第二脉冲周期的光脉冲来照射目标。可以分析来自每个脉冲的返回以确定距目标的第二估计距离td2。该过程可以重复至第n捕获子帧，在该第n个捕获子帧中，具有第n脉冲周期的光脉冲照射目标，并确定第n估计距离tdn。然后，系统可以比较第一估计距离至第n估计距离以确定距目标的真实距离。例如，对多个估计距离(例如，td1到tdn)的分析可以确定与每个估计距离和基本无模糊范围相关联的公共距离(例如，经由查找表)。然后，可以基于第一捕获子帧到第n捕获子帧生成具有真实距离的输出帧(frame(td1…tdn))。正如参照图7和图9论述的系统和方法，系统c可以利用n个捕获子帧来生成一个具有距目标的真实距离的输出帧。
反之，如本文所述，通过在具有不同和/或交替的无模糊范围的不同频率下发射交替脉冲并探测与每个交替频率相对应的估计距离，可以获得一种改进的系统，如图10中的系统d所示。系统d在第一捕获子帧期间发射具有与第一无模糊范围相对应的第一频率的脉冲。可以根据第一捕获子帧确定第一估计距离td1。在第一捕获子帧之后，系统在第二捕获子帧期间发射具有与第二无模糊范围相对应的第二频率的脉冲。可以根据第二捕获子帧确定第二估计距离td2。利用本文描述的方法(例如，参照图8)，根据本文所述实施例的直接tof系统可以基于第一估计距离和第二估计距离来生成距目标的真实距离。
在一些实施例中，可以基于第一捕获子帧和第二捕获子帧(例如，两个子帧的估计距离之差值和/或经由查找表)来生成真实距离。例如，在确定第二估计距离td2之后，可以基于计算出的第一估计距离td1与第二估计距离td2之差值来调整第二估计距离td2，以生成调整后的第二估计距离td2’。可以在输出帧(例如，frame(td2’))中报告真实距离。
在一些实施例中，通过使用第一估计距离和第二估计距离作为输入，可以基于使用查找表来生成真实距离。例如，在确定第二估计距离td2之后，可以基于来自查找表的输出来调整第二估计距离td2，以生成调整后的第二估计距离td2’。可以在输出帧(例如，frame(td2’))中报告真实距离。
在一些实施例中，系统可以在第一频率和第二频率的突发之间切换。在一些实施例中，第一频率和第二频率可以各自对应于比系统操作范围更短的无模糊范围。通过分析切换无模糊范围(和相应频率)的交替捕获子帧的估计距离，能够计算距目标的真实距离。
针对输出帧的既定持续时间，将系统c与系统d进行比较，针对既定数目的捕获子帧，系统d能够输出更多的计算距离(例如，更多的输出帧)。例如，如图10所示，与系统c的1:n基础相比，根据本文所述实施例的系统d在稳态操作期间能够大致在1:1的基础上提供输出帧。这样可以允许提高系统的帧速率，或者针对既定的帧速率可以更有效地使用功率。因此，根据本文所述实施例操作的系统d能够在不牺牲精度的情况下获得更多的数据和/或更高的功率效率。
诸如本文所述的系统和方法相对于常规系统具有诸多优势。例如，如本文所述，在不同的采集子帧上使用不同的频率和/或频率对可以允许更精确地确定目标的位置，而不会损失光能或硅片空间。如本文所述，除非使用更低的调制频率，否则常规系统使用单个频率或频率对可能因范围反转而无法推断出目标的真实位置，这会导致较大的范围误差。这类常规系统通常不得不使用附加子帧才能解决目标的无模糊范围。这些附加子帧可以不提供数据(例如，点云的点)，但可以单独或主要用于确定无模糊距离。在本发明实施例中，使用多个频率对允许连续采集数据，所采集的数据之间的差异用于精确地定位目标，而不必诉诸使用附加子帧来解决无模糊范围问题。结果，本发明实施例可以比常规系统更加有效和/或更加准确。本文描述的实施例在校正估计距离之前可能经历一帧的延迟，例如30ms，但多数系统能够容忍这一延迟，尤其是当这种反转事件相对罕见时。本文描述的实施例可以查看最后n个子帧(n是唯一激光周期或激光突发的数目)，并可以报告每个子帧的真实距离(通过利用来自在先输出帧的子帧)而非每n个子帧。在一些实施例中，本文描述的实施例可以保持帧更新速率(报告目标范围的频率)，但可以利用明显更低的系统功率(在nominal_power/sqrt(n)的量级上)，因为本文描述的实施例可以用n倍的时间从每个脉冲突发中获取信息。
本文已参照表明示例性实施例的附图描述了各种实施例。但这些实施例可以体现为不同的形式，而不应解释局限于本文阐述的实施例。确切而言，提供这些实施例的目的是使本公开透彻完整，并将本发明构思充分传达给本领域技术人员。对本文描述的示例性实施例及一般原理和特征的各种修改将显而易见。
本文参照根据本公开的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本发明构思的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个框以及流程图和/或框图中的框组合可由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以生成机器，使得经由计算机或其他可编程指令执行装置的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的机制。
这些计算机程序指令也可存储在计算机可读介质中，它们被执行时可指导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定方式工作，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括指令的制品，这些指令被执行时促使计算机实施流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作。计算机程序指令也可加载到计算机、其他可编程指令执行装置或其他设备，以促使在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列可操作步骤来产生计算机实现的过程，使得计算机或其他可编程装置上执行的指令提供实施流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的过程。
附图中的流程图和框图说明了根据本发明构思各方面的系统、方法和计算机程序产品的可行实施方式的架构、功能和操作。就此而言，流程图或框图中的每个框可代表模块、分段或代码部分，其包括用于实施一个或多个指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应指出，在一些替代实施方式中，框中指出的功能可不按图中所示的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可基本上同时执行，或者这些框可按相反顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应指出，框图和/或流程图中的每个框以及这些框图和/或流程图中框的组合可通过执行这些指定功能或动作的专用基于硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实施。
示例性实施例主要是依据特定实施方式中提供的特定方法和设备来描述。然而，这些方法和设备可以在其他实施方式中有效地操作。诸如“一些实施例”、“某一实施例”和“另一实施例”的短语可以指相同或不同的实施例以及多个实施例。将参照具有某些组件的系统和/或设备来描述实施例。然而，系统和/或设备可以包括相比图示更少或更多的组件，在不脱离本发明构思范围的情况下，可对这些组件的布置和类型作出变更。还将在具有某些步骤或操作的特定方法的上下文中描述示例性实施例。然而，这些方法和设备可以针对具有不同和/或附加的步骤/操作以及不同顺序的步骤/操作的其他方法有效地操作，这与示例性实施例互不矛盾。因此，本发明构思并非旨在局限于所示的实施例，而是应覆盖符合本文描述的原理和特征的最宽范围。
还应理解，本文可使用术语第一、第二等来描述各种元素，但这些元素不应局限于这些术语。这些术语仅用于区分一个元素与另一个元素。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一元素可称为第二元素，类似地，第二元素可称为第一元素。
本发明说明书中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。如本发明说明书及所附权利要求书中所用，单数形式“一种”、“一个”和“所述”旨在同样包括复数形式，除非上下文另作指明。
还应理解，本文所用的术语“和/或”是指并涵盖一个或多个相关列举项目的任何和全部可能组合。另应理解，本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其群组。
本发明公开的实施例中使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员常规理解相同的含义，而不必局限于描述本发明时公知的具体定义，除非另作定义。据此，这些术语可包括该时间之后创建的等同术语。另应理解，诸如词典中常规定义的那些术语应解释为其含义符合其在本说明书及相关技术领域背景下的含义，而不应采用理想化或过度形式化的解释，除非本文另作明确定义。
结合上文描述和附图，本文公开了许多不同的实施例。应当理解，不会逐字描述和说明这些实施例的每种组合和子组合以免不当赘述和混淆。据此，本说明书(包括附图)应解释为构成本文所述的本发明实施例的全部组合和子组合以及形成和使用这些组合和子组合的方式和过程的完整书面说明，并应支持权利要求涵盖任何这类组合或子组合。
本文已参照各种实施例来描述本发明，但应当理解，在本发明原理的范围和精神内可以作出进一步的变更和修改。虽采用了特定术语，但这些术语仅就一般性和描述性意义使用，而非出于限制目的。提供所附权利要求以确保本申请满足各司法管辖区作为优先权申请的法定要求，而不应解释为表明本发明的保护范围。
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