專利名稱：光電混合裝置系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種PMD(光電混合裝置)系統(tǒng)以及用于調(diào)節(jié)PMD系統(tǒng)的方法。
原則上一個PMD對應著一個CMOS攝像芯片的一個像素。在PMD中，可以對由發(fā)射器發(fā)射的并由PMD接收的經(jīng)過強度調(diào)制的光波的強度和傳播時間進行測量。在PMD中，該光線如同在一個常規(guī)的光電二極管上一樣產(chǎn)生載流子，其數(shù)量與光的強度成比例。
該PMD設(shè)備的特征在于，交替地斷開兩個相對的輸出A和B。在這兩個輸出之間的切換通過施加在所述PMD上的調(diào)制電壓Umod來實現(xiàn)。該調(diào)制電壓Umod如同由發(fā)射器發(fā)射的光波的振幅一樣用同一調(diào)制頻率fmod來進行調(diào)制。如果該光線沒有延遲地到達所述PMD，那么輸出A的斷開時間就對應著產(chǎn)生載流子的時間。所產(chǎn)生的電荷從而完全到達輸出A。如果該光波在該PMD上發(fā)生了延遲，那么該載流子則相應晚一點產(chǎn)生。從而該電荷的一部分在輸出A的斷開時間期間產(chǎn)生，而另一部分相反則在輸出B的斷開時間期間產(chǎn)生。因此輸出A和輸出B之間的差值是信號的傳播時間的量度，而A和B的和數(shù)值相反則是所投射光線的強度的量度，參見德國專利DE197 04 496 A1或者R.Schwarte等人的“Schnelle und einfache optische Formerfassungmit einem neuartigen Korrelations-Photodetekter-Array”，DGZfP-GMA Fachtagung in Langen出版，1997年4月28/29。
輸出A的讀出電壓Ua和輸出B的讀出電壓Ub在所謂的無積分運行中直接由所生成的電荷電流產(chǎn)生。在所謂的積分運行中，讀出電壓Ua和Ub為如下電壓，該電壓在電荷積分之后在電荷勢阱上生成。積分式PMD具有的特點在于，其上聚集載流子的勢阱必須有規(guī)律地借助一個復位信號R來清空。這種復位要么在固定的、具有頻率fi＝1/ti的給定時間間隔ti之后進行，要么自適應地在所述電荷勢阱上達到一個給定電壓閾值時進行。
對于所述PMD的輸出信號Ua和Ub，其中這些信號與投射的電磁波與調(diào)制信號UPMDmod或者移相180°的調(diào)制信號UPMDmod的乘積相對應，在正弦調(diào)制的情況下，按照積累門(積分/無積分)的實施情況，假定投射的強度調(diào)制的光波和調(diào)制信號具有相同的頻率，并且具有緊接著的高頻成分抑制，從而得出a)在積分實施方案中Ua＝k·ti·PM·cos(Δ)+k·ti·PH/2 (1.1)Ub＝k·ti·PM·cos(Δ+180°)+k·ti·PH/2(1.2)b)在無積分實施方案中Ua＝k·PM·cos(Δ)+k·PH/2 (2.1)Ub＝k·PM·cos(Δ+180°)+k·PH/2(2.2)在 Δ對應著所述投射光波與所述調(diào)制信號之間的相位偏移，PM對應著投射光波的功率，ti對應著積分時間，k對應著考慮了PMD的靈敏度與調(diào)制電壓幅度的比例系數(shù)，而PH對應著背景光的功率。通過形成差值信號抑制了背景光，并且對于差值信號Ud＝Ua-Ub而得出Ud＝2·k·ti·PM·cos(Δ) (3)或者Ud＝2·k·PM·cos(Δ) (4)。
這種直接計算相位偏移的問題在于所述輸出信號不僅依賴于cos(Δ)還依賴于PM。
所述相位偏移Δ是由傳播時間的相位差tof和相位延遲(可調(diào)節(jié))的相位差d組成的。從而由傳播時間τtof、調(diào)制頻率fmod和附加的相位延遲d得出Δ＝tof+d＝2π·fmod·τtof+d(5)在理想情況下d為零或者一個精確的可調(diào)節(jié)的值。如果把用于根據(jù)傳播時間τtof確定距離的方程式(5)進行變換，從而得到d＝(c/2)·((Δ-d)/(2·π·fmod))(6)本發(fā)明的任務在于，對PMD系統(tǒng)的所述傳播時間τtof和/或所述取決于傳播時間的相位差的確定進行改善而提供了一種可能。
該任務通過如權(quán)利要求1所述的一種PMD系統(tǒng)以及如權(quán)利要求18和19所述的用于調(diào)節(jié)PMD系統(tǒng)的方法而得到解決。
為此一個PMD系統(tǒng)具有至少一個PMD元件以及至少一個用于強度調(diào)制地發(fā)射電磁波的發(fā)射器。所述PMD系統(tǒng)可以實施為積分的或者無積分的。所述發(fā)射器典型地為一個光源，但是也可以發(fā)射其他合適的電磁射線，比如象微波或雷達波的通常無線電波。
另外還具有至少一個控制電子電路，借助該電子電路，所述PMD元件和所述發(fā)射器可以分別用同一調(diào)制頻率的至少一個調(diào)制電壓來進行控制。在此，PMD元件和發(fā)射器的調(diào)制電壓的信號強度相互不同，比如為了匹配諸如最大輸入電平的設(shè)備特征參數(shù)。所述的控制電子電路不但可以從外部輸入脈沖信號而且可以包含由一個頻率發(fā)生器。
所述控制電子電路可以改變相位偏移Δ。這是按照方程式(5)通過改變調(diào)制頻率fmod和/或通過調(diào)節(jié)相位延遲d來發(fā)生的。相位偏移Δ的改變是通過一個輸送到所述控制電子電路上的調(diào)節(jié)信號來進行控制的。
另外還具有一個調(diào)節(jié)段，其中可以作為一個調(diào)節(jié)值U′d來輸入至少一個輸出信號Ua、Ub或者這些輸出信號的組合，比如所述PMD元件的差值信號Ud。所述調(diào)節(jié)段可以實施為模擬的或者數(shù)字的。所述的至少一個輸出信號Ua、Ub、Ud可以直接用作調(diào)節(jié)值U′d，或者在信號處理之后，比如在兩個輸出信號Ua、Ub相減和/或后面的信號預處理之后。
所述調(diào)節(jié)段與所述控制電子電路相連，如此使得把一個輸出信號用作所述電子電路的控制信號。由此所述相位偏移Δ可以通過所述調(diào)節(jié)段如此來進行調(diào)節(jié)，使得所述調(diào)節(jié)值U′d可以調(diào)節(jié)到一個給定目標值的值。由此所述PMD系統(tǒng)可以自動地作為調(diào)節(jié)回路來進行調(diào)節(jié)。那么表征所述PMD系統(tǒng)或者所述調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)值U′d借助所述調(diào)節(jié)段而被調(diào)節(jié)到所述目標值。
所述相位延遲d可以比如通過一個移相器來直接進行調(diào)節(jié)。有選擇地或者另外可以對所述調(diào)制頻率fmod進行改變。在這兩種類型中，所述變化如此來實施，使得所述全部相位差Δ根據(jù)方程式(5)對應著一個特征值，比如90°、180°、270°或360°。這分別對應著調(diào)節(jié)值U′d＝0、最小、0或最大。在U′d＝最小或最大的調(diào)節(jié)過程中，能夠生成一個與所接收的調(diào)制光的功率PM成比例的電壓信號和一個與背景光PH成比例的電壓信號。全部的信號有利地、相互無關(guān)地提供，期望的相位信息和強度信息可以用一個單獨的測量來進行錄入。但是也可以調(diào)節(jié)到其他特征值上。
在把所述頻率用于調(diào)節(jié)所述PMD系統(tǒng)過程中是有利的假如選擇最低的頻率作為啟始點來開始調(diào)節(jié)，并且隨后向下一更高頻率方向進行調(diào)節(jié)，其中該下一更高頻率調(diào)節(jié)到所述調(diào)節(jié)值U′d的期望值。
由于由所述積分PMD的復位而引起中斷，所以所述調(diào)節(jié)段前有利地接了一個信號預處理裝置。
由于所述積分PMD的輸出信號的特殊變化過程，所以如下做法是特別有利的，即所述信號預處理裝置具有至少一個第一低通濾波器、之后的一個隨時間的微分裝置、之后的可以由復位信號控制的開關(guān)和之后的一個第二低通濾波器。所述復位信號可以是標準的或者進行處理的，比如反相。
為了通過所述的可控制的開關(guān)來抑制干擾，所述信號預處理裝置優(yōu)選地具有至少一個低通濾波器、之后的一個可以由復位信號控制的開關(guān)和之后的一個采樣-與-保持門。
為了簡化技術(shù)上的實現(xiàn)以下做法也是合適的所述信號預處理裝置具有至少一個第一低通濾波器、之后的一個隨時間的微分裝置和之后的一個第二低通濾波器。
為了在信號預處理過程中靈敏而同時地對所述信號進行穩(wěn)定的微分如下做法是合適的，即所述第一低通濾波器的一個界限頻率位于5.5倍的積分頻率fti范圍內(nèi)，所述第二低通濾波器的一個界限頻率位于三倍的積分時間fti范圍內(nèi)。
有利的是，控制所述PMD元件的至少一個調(diào)制電壓和控制所述發(fā)射器的至少一個調(diào)制電壓可以相互有一個相位延遲d。這可以比如通過這兩個調(diào)制電壓之一的相位延遲d或者通過這兩個調(diào)制電壓的不同的相位延遲來產(chǎn)生。
為了較好地確定對相位延遲d的調(diào)節(jié)，有利的是具有至少一個相位比較器，該比較器對至少一個施加在所述PMD元件上的調(diào)制電壓的和至少一個施加在所述發(fā)射器上的調(diào)制電壓的相位進行比較。這比如通過如下方式實現(xiàn)在所述相位比較器的一個輸入上施加了一個控制所述PMD元件的調(diào)制電壓，并且在另一輸入上施加了一個控制所述發(fā)射器的調(diào)制電壓。通過對這至少兩個調(diào)制電壓進行比較來確定相位差。
有利的是，所述控制電子電路包含至少一個可以借助脈沖信號來控制的驅(qū)動器，其中該驅(qū)動器給所述PMD元件提供至少一個調(diào)制電壓(Umod、Umod)。所述脈沖信號不僅可以由一個外部的信號源來提供，而且也可以由一個所述控制電子電路中所具有的、諸如為頻率發(fā)生器的脈沖發(fā)生器來生成。從而提供了一個可以由所述調(diào)節(jié)段來控制的延相器，借助該延相器，所述脈沖信號可以作為調(diào)制電壓并以一個相位延遲d繼續(xù)傳輸給所述發(fā)射器。然而也有可能把所述延相器，最好是一個移相器，設(shè)置在所述PMD元件之前。
尤其有利的是把所述延相器以一個移相器的形式來構(gòu)造，其中該延相器包含有一個比較器，該比較器具有后接的D觸發(fā)器來作為脈沖二分頻器。尤其有利的是，所述PMD系統(tǒng)作為一個集成元件來實現(xiàn)，比如一個這種移相器以及一個調(diào)節(jié)段被集成在所述PMD元件中。由此在每個PMD元件PMD中都具有一個直接與所述傳播時間τtof或者與離目標的距離有關(guān)的信號，典型的是一個電壓值。這在由較多的PMD元件構(gòu)成的矩陣應用中是特別合適的。由多個上述PMD系統(tǒng)構(gòu)成的一個矩陣在其他的結(jié)構(gòu)形式中也得到優(yōu)選。
為了通過所述調(diào)制頻率fmod來調(diào)節(jié)所述PMD系統(tǒng)，如下做法也是合適的，即所述PMD系統(tǒng)包含至少一個控制電子電路，其中該控制電子電路包含有一個可以借助脈沖信號來控制的驅(qū)動器以及一個可控制的頻率源，其中該驅(qū)動器給所述PMD元件提供至少一個調(diào)制電壓，該頻率源為所述驅(qū)動器和所述發(fā)射器的調(diào)制電壓生成所述脈沖信號。一種壓控振蕩器尤其得到優(yōu)選。所述可控制的頻率源比如可以是一個壓控振蕩器(“Voltage Controlled Oscillator”，VCO)、一個數(shù)字直接數(shù)字合成元件(“Direct Digital Synthesis”，DDS)或者一個PLL元件(“Phase Lock Loop”，鎖相環(huán))。
為了對所述PMD系統(tǒng)的調(diào)節(jié)頻率進行簡化頻率測量，有利的是，所述可控頻率源的所調(diào)節(jié)的脈沖信號被輸入到一個f-U變換器中，特別是一個加計數(shù)的f-U變換器中。
所述PMD系統(tǒng)的測量值可以直接進行模擬的或數(shù)字的繼續(xù)處理，以比如進行合適的求平均。
在下列實施例中結(jié)合附圖對用于確定相位差的所述方法來進行詳細解釋。
附

圖1示出了按照現(xiàn)有技術(shù)的PMD元件的典型輸出信號和復位信號，附圖2示出了按照現(xiàn)有技術(shù)的、具有可變化相位延遲d的一種PMD系統(tǒng)，附圖3示出了按照現(xiàn)有技術(shù)的、具有可變化調(diào)制頻率fmod的一種PMD系統(tǒng)，附圖4示出了具有可變化相位延遲d和調(diào)節(jié)段的一種PMD系統(tǒng)，附圖5示出了一種信號預處理設(shè)備的多種實施方案，附圖6示出了信號預處理設(shè)備中的不同信號，附圖7示出了具有可變化相位延遲d和模擬調(diào)節(jié)段的另一種PMD系統(tǒng)，附圖8示出了附圖7中的PMD系統(tǒng)中的不同信號過程，附圖9示出了具有可變化調(diào)制頻率fmod和調(diào)節(jié)段的一種PMD系統(tǒng)。
在附圖1中，針對于按照Schwarte等人的、在Laser 97、Munich出版的“A new electrooptical mixing and correlatingsensorFacilities and Applications of the Photonic Mixer Device(PMD)”(一種新型的光電混合及相關(guān)傳感器光混合裝置(PMD))”的一種積分PMD元件PMD，PMD元件PMD的輸出信號Ua和Ub、差值信號Ud以及微處理器MP的復位信號R相對于以μs計的時間t以V來進行了描繪。
輸出信號Ua和Ub在時延tint內(nèi)是分段地成線性，并且通過時延tR的復位信號R來復位。
附圖2用電路簡圖示出了用于確定相位偏移的一種PMD系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)借助了按照Heinol等人的“Laufzeitbasierte 3D-Kamereasysteme-Smart Pixel lsungen”(基于時滯的3D照相系統(tǒng)-智能成像解決方案)，DGZIP Fachtagung Optische Formerfassung，斯圖加特1999年9月5.-6.所述的一種PSK方法。
在此可調(diào)節(jié)的移相器PS和驅(qū)動器T借助脈沖信號TS來被輸入脈沖，其中該脈沖信號典型地由一個脈沖發(fā)生器來產(chǎn)生。所述驅(qū)動器T把調(diào)制信號UPMDmod和相位偏移180°的調(diào)制信號UPMDmod繼續(xù)傳輸給PMD元件PMD。首先從投射光波的功率PM由PMD元件PMD來生成輸出信號Ua和Ub。所屬的差值信號Ud可以或者用數(shù)字化來獲得，或者借助一個優(yōu)選為模擬的減法器SUB來獲得。該減法器SUB可以集成在PMD像素中。
所述差值信號Ud通過一個A/D變換器ADW輸入到一個微處理器MP中，其中該微處理器根據(jù)差值信號Ud的值不僅把復位信號R輸出給PMD元件PMD，而且把相位信號Ud輸出給移相器PS。所述移相器PS從而由微處理器MP調(diào)節(jié)為一個確定的相位延遲d。
發(fā)射器E通過為其所確定的調(diào)制信號UTXmod由移相器PS來進行控制。UPMDmod和UTxmod為了與受控設(shè)備匹配而僅僅在其信號強度上是不相同的。
由發(fā)射器E所發(fā)射的經(jīng)過強度調(diào)制的光波經(jīng)過傳輸段并且以相位差Δ＝d+tof而到達所述PMD元件PMD，其中tof是由于走過發(fā)射器-PMD段而引起的相位差/傳播時間差。所述PMD元件PMD然后按照方程式(1.1)-(1.2)及(2.1)-(2.2)來生成輸出信號Ua、Ub。緊接著按照方程式(3)及(4)來形成差值信號Ud，并借助A/D變換器ADW來進行數(shù)字化。所述微處理器MP把該結(jié)果存儲起來，并調(diào)節(jié)成一個新的相位延遲值d。采用這種方式，與相位延遲d在0°至360°范圍內(nèi)的不同不連續(xù)值相對應的輸出信號Ud的值被記錄下來。所產(chǎn)生的相關(guān)曲線在Δ＝360°時具有最大值。tof則可以通過確切確定該最大值并借助內(nèi)插法從這些不連續(xù)的測量值中來進行確定，從而得到tof＝360°-d(Ud；max)。
該方法所產(chǎn)生的技術(shù)耗費是很顯著的，這樣必須記錄并存儲更多的測量值，隨后必須找到所述最小值或最大值。由于采用內(nèi)插法來盡可能精確地確定最大值而產(chǎn)生了額外的計算耗費。比如在Heinol等人的論文中借助直接數(shù)字頻率合成(“DDS”)和數(shù)字相位寄存器來產(chǎn)生相位延遲。
附圖3以電路簡圖示出了具有可變化的調(diào)制頻率fmod而不具有調(diào)節(jié)段CTR的一種PMD系統(tǒng)。
一個可變調(diào)諧的振蕩器OSC發(fā)送出具有第一調(diào)制頻率fmod的調(diào)制信號Umod。其輸出信號UTXmod被發(fā)射器E強度調(diào)制后被發(fā)射器E發(fā)射，并且作為UPMDmod同時通過驅(qū)動器T而到達所述PMD。在那里與附圖2相類似地進行迭加。該差值信號Ud直接由A/D變換器進行采樣并存儲在微處理器MP中。在那里進行光譜分析以確定多普勒頻率以及計算相位。該微處理器MP則調(diào)節(jié)出一個新的調(diào)制頻率fmod值，并錄入Ud的最接近值。并且在有些情況下在集成的PMD上由該微處理器MP向該PMD發(fā)送一個復位信號R，其中該PMD之后有意義地連接了一個減法器。
距離計算或者可以通過直接解傳播時間ttof和系數(shù)K的方程式(在FSK方法中)以及通過在相關(guān)曲線(在FSK方法中)搜索最大值來進行，或者可以借助傅立葉分析(FMCW方法)來進行。這里的缺點在于還要錄入較多的測量值，并且必須對測量數(shù)據(jù)進行數(shù)學分析。
為了確定相位差及傳播時間差，可能要錄入較多的測量值，比如借助PSK(“Phase Shift Key”相移鍵控)調(diào)制、FSK(“Frequency ShiftKey”頻移鍵控)、FMCW調(diào)制或者PN調(diào)制。
附圖4以電路簡圖示出了具有可變化的相位延遲d和調(diào)節(jié)段CTR的一種PMD系統(tǒng)。
該PMD系統(tǒng)具有一個可調(diào)制的發(fā)射器E、一個PMD元件PMD、一個PMD驅(qū)動器T、作為移相器PS形式的一個可調(diào)諧的相位延遲元件、一個減法器SUB、一個調(diào)節(jié)段CTR和一個用于信號預處理的裝置PSP。為了提高精確度，可以另外增加一個相位比較器PCOMP。
該脈沖輸入信號TS被輸入給所述PMD驅(qū)動器T和所述移相器PS。所述PMD驅(qū)動器T由所述脈沖信號TS生成調(diào)制電壓UPMDmod和偏移180°的互補信號UPMDmod。這兩個電壓被輸入給所述PMD元件PMD。所述移相器PS在脈沖信號TS傳輸給發(fā)射器E之前把它偏移相位延遲d。相位延遲d在此取決于施加在移相器PS上的調(diào)節(jié)值U1phs。相位延遲信號UTXmod由發(fā)射器E發(fā)射，并且通過具有相位延遲Δ＝d+tof的傳輸段而到達所述PMD元件PMD。
在所述PMD元件PMD的輸出門上生成了方程式(1.1)、(1.2)及(2.1)、(2.2)所描述的輸出信號Ua和Ub，這兩個值與Δ成比例。由輸出信號Ua和Ub按照方程式(3)及(4)形成了差值信號Ud。該差值信號在有的情況下在信號預處理裝置PSP中進行信號預處理，緊接著作為調(diào)節(jié)值U′d輸出到調(diào)節(jié)段CTR中。沒有信號預處理時對應于Ud＝U′d。
通過一個由所述調(diào)節(jié)段CTR所輸出的信號，這里是指電壓U1phs，所述移相器PS如此來進行調(diào)節(jié)，使得調(diào)節(jié)值U′d盡可能精確地等于預定目標值。所述電壓U1phs那么則是一個代表發(fā)射光與接收光之間的相位延遲d的值。
為了提高精確度，可以采用一個附加的相位比較器PCOMP來確定被調(diào)節(jié)的相位延遲。其輸出電壓U2phs則同樣代表一個代替相位延遲d的值。在該實施例中，所述相位比較器PCOMP連接到所述驅(qū)動器T的輸出上和所述移相器PS的輸出上，并且把UPMDmod與UTXmod相比較。
尤其適合于調(diào)節(jié)回路的可能的目標值為a)U′d＝0；b)U′d＝maximal；c)U′d＝minimal。
情況a)如果U′d＝0，則自動調(diào)節(jié)為Δ＝90°，見方程式(3)及(4)。在這種情況下，由于傳播時間τtof而引起的相位延遲對應于tof＝90-d。相位延遲d和tof可以直接由移相器PS的特性曲線以及所被調(diào)節(jié)的電壓U1phs來進行確定。
為了提高測量精確度，也可以直接由相位比較器PCOMP的輸出信號U2phs來確定d。由于目標值U′d＝0，在這兩種情況下d的確定與所調(diào)制光線的功率PM無關(guān)。然而這里的缺點在于單值性范圍限制為180°。
情況b)在U′d＝maximal的情況下，相位角調(diào)節(jié)到Δ＝180°。tof可以通過tof＝90-d來確定，與相位延遲d成比例的相應電壓值與情況a)相類似地來得到。與情況a)相對的一個優(yōu)點在于完全隔絕了雜光和調(diào)制光。如果Δ＝180°，那么根據(jù)方程式(1.1)及(2.1)在Ua中基于調(diào)制光的電壓成分變?yōu)榱悖鶕?jù)方程式(1.2)及(2.2)在Ub中相反則變?yōu)樽畲?。從而在方程?3)及(4)中Ud的值則仍舊與所投射的調(diào)制光量的功率PM成比例。此外相應位于對面的門只產(chǎn)生與背景光量成比例的電壓信號，從而Ua與背景光的功率PM成比例。與情況a)相反，其單值性范圍為360°。
在該設(shè)備中，在一次單獨的測量錄入中首先得到與相位差、調(diào)制光的功率和背景光的功率成電壓比例的信號。這些相應的測量值可以直接進行模擬的或數(shù)字的繼續(xù)處理，比如進行合適的取平均。
情況c)U′d＝maximal提供與情況b)相同的結(jié)果，僅僅是輸出電壓Ua、Ub和Ud的正負號被互換。
也有可能調(diào)節(jié)到另一目標值，比如最大梯度的范圍。
信號預處理的方式取決于所述PMD元件PMD的輸出信號的種類。在按照[Schwarte，專利文件DE19704496 A1]的積分PMD元件PMD中，典型地后接了一個減法器TDiff，在沒有對輸出積分的同樣可能的PMD元件PMD中，常常可以放棄信號預處理，則得到Ud＝U′d。
調(diào)節(jié)段CTR的參數(shù)確定可以比如按照[H.Unbehauen“Regelungtechnik Bd.1-3”(調(diào)節(jié)技術(shù))，Vieweg出版社，Wiesbaden]來進行實施。
為了實現(xiàn)該PMD系統(tǒng)，優(yōu)選地采用了提供低噪聲和可再現(xiàn)傳播時間延遲的一種控制裝置來用于相位延遲，這里是一個移相器PS。也可以有選擇地或額外地借助一個精確的相位比較器PCOMP來進行相位測量。所述相位比較器的構(gòu)造和工作原理比如在U.Rhode的“Microwaveand Wireless Synthesizers”(微波和無線合成器)4.4章，288頁及之后，1997，Wiley出版社，紐約M.Meade的“Lock-inanplifiersprinciples and applications”(閉環(huán)放大器原理和應用)第3章，31頁及之后，1983IEE電子測量系列1或模擬器件“DataSheet AD9901”(數(shù)據(jù)頁AD9901)修訂B中進行了描述。
所述PMD系統(tǒng)也可以用其他周期的調(diào)制信號Umod、Umod、UPMDmod、UPMDmod、UTXmod來進行驅(qū)動，比如方波信號或三角波信號。
附圖5在各附圖5a至5c中示出了用于信號預處理裝置PSP的實施方案，其中信號預處理是用于具有積分輸出的PMD元件PMD的。在此以規(guī)則的間隔觸發(fā)復位信號R(見附圖1)。
在附圖5a中，左邊輸入的鋸齒形差值信號Ud(見附圖1)通過一個低通濾波器TP1來進行低通濾波，并且另外在一個減法器TDiff中隨時間進行相減。所述低通濾波器TP1和所述減法器TDiff可以作為一個元件或分開來實施。借助一個由所述復位信號R來控制的開關(guān)S1，調(diào)節(jié)回路CTR在沒有復位信號R時則閉合。緊接著的第二低通濾波器TP2用于抑制開關(guān)尖峰。
在該方法中，在用于調(diào)節(jié)回路起震的兩個復位信號R之間只有調(diào)節(jié)時間ti，而測量錄入被中斷了復位時間tR。在此以符合目的的方式在起震狀態(tài)中直接在開關(guān)S1斷開之前對與距離成比例的電壓值進行錄入。
附圖5b示出了一種設(shè)備，其中在觸發(fā)反相復位信號R之前所達到的尖峰值借助一個采樣與保持門SHT來進行取樣，并且把該值用作調(diào)節(jié)值U′d。從而避免了在斷開和閉合調(diào)節(jié)回路時在附圖5a的設(shè)備中所產(chǎn)生的干擾，該解決方案當然相對較慢。第一低通濾波器TP1這里用于使信號帶寬與“采樣與保持”門SHT的開關(guān)速度相匹配。S1也可以用不反相的復位信號R來進行開關(guān)。
附圖5c示出了一種設(shè)備，其中沒有使用開關(guān)。這里所述信號Ud借助第一低通濾波器TP1來進行平滑、求微分，并借助第二低通濾波器TP2來進行整流。如此得到的調(diào)節(jié)值U′d被輸出給調(diào)節(jié)段CTR。在這種情況下優(yōu)選地選擇U′d＝0。從而理想地得到了一個恒定調(diào)節(jié)值U′d，原因在于U′d在復位階段期間為零(見附圖1)，并且在測量階段期間該調(diào)節(jié)值U′d由所述調(diào)節(jié)回路保持為零。
同樣有可能運行于U′d＝maximal，然而由于U′d的波動而要求較精確地設(shè)計所述低通濾波器TP1、TP2。如同在附圖5a的設(shè)備中一樣，TP1用于對鋸齒波信號的階躍進行平滑。所述第一低通濾波器TP1的界限頻率因此與附圖5a的設(shè)備中所做的考慮相類似而設(shè)計為約5.5fti。
第二低通濾波器TP2這里用于對微分信號進行完全平滑。在界限頻率的確定中，必須在盡可能快的調(diào)節(jié)和對整流信號進行良好的平滑之間進行選擇，其中盡可能快的調(diào)節(jié)要求一個較高的界限頻率，而優(yōu)良的平滑要求一個低的界限頻率。在所述第二低通濾波器TP2的界限頻率中一個可能的折中此處對應著大約0.3fti。由于PMD輸出信號Ua、Ub具有一個約1kHz的頻率(見附圖1)，那么則得到第一低通濾波器TP1的界限頻率為7.5kHz，而第二低通濾波器TP2為約300Hz。
當然也可以采用其他方法來進行信號預處理。
附圖6示出了具有調(diào)節(jié)回路的PMD系統(tǒng)的各種信號過程(V，t)，從上到下為PMD元件PMD的輸出信號Ua、復位信號R、反相復位信號R、附圖5a中的開關(guān)S1的開關(guān)過程以及附圖5b的開關(guān)S1的開關(guān)過程。
用“a)”來標識的信號過程示出了附圖5a的開關(guān)S1的相應時序。選擇低通濾波器TP1、TP2的界限頻率在該設(shè)備中是重要的。一方面微分電壓Ud的鋸齒波應由第一低通濾波器TP1來進行大體上的平滑，使得陡峭的上升沿不會引起后接的微分器TDiff的大的階躍。另一方面該信號的下降部分盡可能線性并從而經(jīng)過微分后以恒定值來提供作為調(diào)節(jié)值U′d。優(yōu)選采用信號的基波和第一雙諧波，因而為第一低通濾波器TP1選擇了約5.5fti的界限頻率。第二低通濾波器TP2則僅僅用于濾除附加的、由所述微分器引起的干擾。其界限頻率因而選擇為和第一低通濾波器的界限頻率一致。對于具有約1kHz頻率的輸出信號(見附圖1)，因而得出不但第一低通濾波器TP1而且第二低通濾波器TP2的約7.5kHz的界限頻率。
用“b)”來標識的信號過程示出了附圖5b的開關(guān)S1的相應時序。這里直接根據(jù)取樣門的、優(yōu)選的是采樣與保持門SHT的采樣時間來選擇低通濾波器TP的界限頻率。根據(jù)尼奎斯特判據(jù)(采樣理論)，被采樣信號的頻率必須限制于采樣頻率的一半[J.Proakis、D.Manolakis“Digital Signal Processing”(數(shù)字信號處理)第6章，395頁及其后，第二版，MacMillan出版]。從而對于一個比如具有10μs的采樣時間ts的采樣門，得出低通濾波器的界限頻率為fg＝1/(2·ts)＝50kHz。
附圖7以電路簡圖示出了一種PMD系統(tǒng)，其中移相器PS構(gòu)造為具有一個D觸發(fā)器DF來作為脈沖二分頻器的比較器CMP。
在此，所述比較器CMP用一種單調(diào)的、在最小值和最大值之間連續(xù)交變的諸如正弦波或三角波的脈沖信號TS來進行控制。由閾值電壓Us來確定導通和斷開的時間點。在達到閾值電壓Us的情況下，比較器輸出把其輸出電壓UKmod切換到“邏輯1”，在低于閾值電壓Us的情況下，其輸出切換回到“邏輯零”。這除了導致開關(guān)時間點的變化，還導致相應脈沖寬度的變化，其原因在于其后連接了一個按照[U.Tietze、T.Schenk的“Halbleiter-Schaltungstechnik”(半導體電路技術(shù))第10章，232頁及之后，第十版，柏林Springer出版社]的脈沖二分頻器，該分頻器再次產(chǎn)生脈沖比例為1∶1。
移相器PS這種實現(xiàn)的優(yōu)點在于借助標準元件(比如CMOS技術(shù))的簡單的可實現(xiàn)性，并且在于在將來的PMD-CMOS芯片中的簡單的可集成性。缺點在于對于相位延遲d限制于90°的調(diào)節(jié)范圍。
為了避開這種限制，并且也為了避免在調(diào)節(jié)范圍的邊緣上出現(xiàn)非線性，該設(shè)備可以通過附加的、可接通的移相器PS而確定的延遲器來進行擴展。另一種實現(xiàn)可能性在于使用具有相應群時延的濾波器來作為可開關(guān)的延遲器。
在用于調(diào)節(jié)相位延遲d的調(diào)節(jié)回路方面，也可以使用一種用于調(diào)節(jié)調(diào)制頻率fmod的調(diào)節(jié)回路。
附圖8以(V、t)圖示出了附圖7中PMD系統(tǒng)的開關(guān)過程，包括波形為正弦的平均值不為0的脈沖信號TS、D觸發(fā)器DF的輸出電壓Ukmod和調(diào)制電壓UTxmod，其中所述發(fā)射器E的振幅由該調(diào)制電壓來進行控制。
尤其有利的一種設(shè)備是其中采用了由單個PMD元件PMD組成的一個矩陣，并且在每一個PMD矩陣中按照該實施例把一個移相器PS與相應的控制段集成在一起。從而在每個PMD元件PMD中提供了與傳播時間τtof或者與離目標的距離有關(guān)的、典型為電壓值的信號。
附圖9以電路簡圖示出了具有可變化的調(diào)制頻率fmod和調(diào)節(jié)段CTR的一種PMD系統(tǒng)。
如前所述的相位調(diào)節(jié)回路中，這里在該電壓調(diào)節(jié)回路中也可以直接生成與距離成比例的電壓。該設(shè)備包含一個作為可調(diào)諧振蕩器OSC的VCO調(diào)節(jié)器VCO，其中調(diào)節(jié)段CTR的輸出電壓U1fc用作該調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)信號。該VCO調(diào)節(jié)器VCO的輸出信號象前述的一樣在PMD驅(qū)動器T中轉(zhuǎn)變?yōu)樵揚MD元件PMD所必要的調(diào)制信號Umod、Umod，并由此到達PMD元件PMD。該發(fā)射器E再次由VCO調(diào)節(jié)器VCO的輸出信號進行強度調(diào)制。調(diào)制的光波要么直接到達要么反射到該PMD元件PMD上，并且在那兒象前述的一樣生成與相位偏移Δ成比例的差值信號Ud。理想情況下在傳播時間或調(diào)制中不出現(xiàn)額外的延遲，則得到Δ＝tof。該差值信號，在某些情況下作為調(diào)節(jié)值U′d來進行預處理，并再次輸出給調(diào)節(jié)段CTR。該調(diào)節(jié)段CTR則對以下情況的調(diào)節(jié)值的調(diào)制頻率fmod分別進行調(diào)節(jié)a)U′d＝0、b)U′d＝maximal、或者c)U′d＝minimal。
在情況a)中各調(diào)制頻率fmod則進行調(diào)節(jié)，使得該頻率的半周期T/2為傳播時間差值τtof的整數(shù)分之一。
在情況b)中各調(diào)制頻率fmod相反則進行調(diào)節(jié)，使得其四分之一周期或者其四分之一周期加上整數(shù)倍的基頻周期為傳播時間差值的約數(shù)τtof＝n·T+3·T/4。
在情況c)中傳播時間差值τtof＝n·T+3·T/4則類似地進行調(diào)節(jié)。為了避免多義性，優(yōu)選地選擇最低可能的頻率來作為啟始點開始調(diào)節(jié)。由此向第一個最接近的較大頻率方向進行調(diào)節(jié)，其中該頻率被調(diào)節(jié)為U′d的期望值。從而傳播時間差值τtof就得到a)τtof＝T/2，b)τtof＝T/4，c)τtof＝3T/4。
該頻率可以通過測量在VCO調(diào)節(jié)器VCO上所調(diào)節(jié)的電壓U1fc來進行確定，或者優(yōu)選地通過一個附加的f-U變換器(FUC)來進行確定。按照b)或c)來選擇目標值與在相位調(diào)節(jié)過程中的相應方法相類似，也提供了背景光與調(diào)制光之間的直接區(qū)分。
可調(diào)節(jié)的最小和最大頻率fmin和fmax確定了清晰的測量范圍。由此得到了與傳感器的最小距離dmin和最大距離dmaxa)dmin=c4·fmax,]]>dmax=c4·fmin]]>b)dmin=c8·fmax,]]>dmax=c8·fmin]]>c)dmin=3·c8·fmax,]]>dmax=3·c8·fmin]]>對于具有fmin＝10MHz和fmax＝160MHz的PMD元件PMD來說，則得到的測量范圍為a)0.5m-7.5m，b)0.25m-3.75m，c)0.75m-11.25m。
調(diào)節(jié)值U′d的錄入可以類似于為相位調(diào)節(jié)回路所推薦的方法一樣來進行，原因在于典型輸出信號(見附圖1)的積分時間為所推薦帶寬的一半，并且在理想情況下與所使用的調(diào)制方法無關(guān)。
對于f-U變換可以使用具有模擬輸出電壓的f/U變換器。f/U變換器比如在[E.Schrüfer的“Elektrische Messtechnik”(電子測量技術(shù))第6.4.2章，385頁及之后，第4版，慕尼黑Carl Hanser出版社或者D.Nührmann的“Praxis der Messtechnik”(實用測量技術(shù))第8章，F(xiàn)ranzis出版社]中進行了描述。優(yōu)選地借助一種諸如按照[D.Nührmann的“Praxis der Messtechni k”(實用測量技術(shù))第8.2章，F(xiàn)ranzis出版社]所述的計數(shù)器來進行頻率確定，其中該計數(shù)器在每個脈沖時增加一。通過讀出在固定時間間隔內(nèi)的計數(shù)器狀態(tài)則直接就具有了調(diào)制頻率fmod的數(shù)字化字，并從而具有了傳播時間差值τtof，隨后的用于在微處理器MP中繼續(xù)處理的A/D變換就不再是必須的。
在該附圖中優(yōu)選地借助VCO調(diào)節(jié)器VCO來進行頻率生成。然而其他可調(diào)節(jié)的頻率源，諸如數(shù)字頻率合成器，比如PLL合成器或直接數(shù)字合成器(DDS)，在VCO調(diào)節(jié)器VCO的位置也可以同樣被應用。
在此處所示出的具有調(diào)節(jié)回路的PMD系統(tǒng)的實施例中，移相器PS通常聯(lián)接在發(fā)射器E之前。而移相器PS以及一般的延相器同樣可以聯(lián)接在PMD元件PMD之前。但是相位關(guān)系僅僅必須為負的延遲而進行轉(zhuǎn)換。
具有調(diào)節(jié)回路的該PMD系統(tǒng)并不局限于光波。相反該方法通?？梢詰糜诰哂蠵MD類型的設(shè)備的元件來接收諸如微波的電磁波。相應地，比如發(fā)射器E可以是激光、二極管和二極管陣列、熒光燈，而也可以是微波發(fā)射器和雷達發(fā)射器。
權(quán)利要求
1.PMD系統(tǒng)，具有-至少一個PMD元件(PMD)，-至少一個可強度調(diào)制的發(fā)射器(E)，-至少一個控制電子電路(FG)，借助該電子電路可以對所述PMD元件(PMD)和所述發(fā)射器(E)分別用相同調(diào)制頻率(fmod)的至少一個調(diào)制電壓(Umod、Umod、UTXmod)來進行控制，并且可以借助該電子電路通過一個調(diào)節(jié)信號來改變相位偏移(Δ)，其特征在于，具有一個調(diào)節(jié)段(CTR)，向該調(diào)節(jié)段中可以作為一個調(diào)節(jié)值(U′d)饋入所述PMD元件(PMD)的至少一個輸出信號(Ua、Ub、Ud)，并且其輸出信號(U1phs、U1fc)可以作為調(diào)節(jié)信號被饋入所述控制電子電路(FG)中，其中可以通過所述的調(diào)節(jié)段(CTR)把所述的調(diào)節(jié)值(U′d)調(diào)節(jié)到預定目標值的值。
2.如權(quán)利要求1所述的PMD系統(tǒng)，其中所述調(diào)節(jié)段(CTR)之前聯(lián)接了一個信號預處理裝置(PSP)。
3.如權(quán)利要求2所述的PMD系統(tǒng)，其中所述信號預處理裝置(PSP)具有一個第一低通濾波器(TP1)、之后的一個隨時間的微分裝置(TDiff)、之后的可以由復位信號(R、R)控制的一個開關(guān)(S1)和之后的一個第二低通濾波器(TP2)。
4.如權(quán)利要求2所述的PMD系統(tǒng)，其中所述信號預處理裝置(PSP)具有一個第一低通濾波器(TP1)、之后的可以由復位信號(R)控制的一個開關(guān)(S1)和之后的一個采樣與保持門(SHT)。
5.如權(quán)利要求2所述的PMD系統(tǒng)，其中所述信號預處理裝置(PSP)具有一個第一低通濾波器(TP1)、之后的一個隨時間的微分裝置和之后的一個第二低通濾波器(TP2)。
6.如權(quán)利要求3或5之一所述的PMD系統(tǒng)，其中所述第一低通濾波器(TP1)的一個界限頻率位于5.5倍的積分時間(fti)范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的PMD系統(tǒng)，其中所述第二低通濾波器(TP2)的一個界限頻率位于三倍的積分時間(fti)的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1至7之一所述的PMD系統(tǒng)，其中借助所述控制電子電路(FG)，控制所述PMD元件(PMD)的至少一個調(diào)制電壓(Umod、Umod)和控制所述發(fā)射器(E)的至少一個調(diào)制電壓(UTXmod)可以互相設(shè)有一個相位延遲(d)。
9.如權(quán)利要求8所述的PMD系統(tǒng)，其中具有一個相位比較器(PCMP)，在其一個輸入上可以施加控制所述PMD元件(PMD)的調(diào)制電壓(Umod、Umod)，并且在其另一輸入上可以施加控制所述發(fā)射器(E)的調(diào)制電壓(UTXmod)，從而可以確定所述輸入的調(diào)制電壓(Umod、Umod、UTXmod)的相位差。
10.如權(quán)利要求8或9之一所述的PMD系統(tǒng)，其中所述控制電子電路(FG)至少包含-一個可控制的驅(qū)動器(T)，該驅(qū)動器給所述PMD元件(PMD)提供至少一個由脈沖信號(TS)所產(chǎn)生的調(diào)制電壓(Umod、Umod)，-一個可以由所述調(diào)節(jié)段(CTR)控制的延相器(PS)，借助該延相器可以把所述脈沖信號(TS)作為調(diào)制電壓(UTXmod)并以一個相位延遲(d)而繼續(xù)傳輸給所述發(fā)射器(E)。
11.如權(quán)利要求10所述的PMD系統(tǒng)，其中所述延相器以一個移相器(PS)的形式來提供，其中該移相器包含具有一個后按的D觸發(fā)器(DF)的一個比較器(CMP)來作為脈沖二分頻器。
12.如權(quán)利要求11所述的PMD系統(tǒng)，其中至少一個移相器(PS)分別連同至少一個調(diào)節(jié)段(CTR)被集成在所述PMD元件(PMD)中。
13.如權(quán)利要求12所述的PMD系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包含多個PMD元件(PMD)。
14.如權(quán)利要求1至7之一所述的PMD系統(tǒng)，其中借助所述的控制電子電路(FG)可以對所述的調(diào)制頻率(fmod)進行調(diào)節(jié)。
15.如權(quán)利要求14所述的PMD系統(tǒng)，其中所述控制電子電路(FG)至少包含-一個可控制的驅(qū)動器(T)，該驅(qū)動器給所述PMD元件(PMD)提供至少一個由脈沖信號(TS)所生成的調(diào)制電壓(Umod、Umod)，-一個可調(diào)諧的頻率源(OSC)，借助該頻率源可以為所述驅(qū)動器(T)生成所述脈沖信號(TS)并且可以為所述發(fā)射器(E)生成所述調(diào)制電壓(UTXmod)。
16.如權(quán)利要求15所述的PMD系統(tǒng)，其中可調(diào)諧的頻率源(OSC)的所述脈沖信號(TS)可以被供給到一個f-U變換器(FUC)中，特別是一個加計數(shù)的f-U變換器(FUC)中。
17.如權(quán)利要求1至16之一所述的PMD系統(tǒng)，其中作為調(diào)節(jié)值(U′d)的值可以調(diào)節(jié)為零、最小或最大。
18.用于調(diào)節(jié)如權(quán)利要求14至16之一所述的PMD系統(tǒng)的方法，其中選擇最低的頻率作為啟始點來開始調(diào)節(jié)，并且向下一更高頻率方向進行調(diào)節(jié)，其中該下一更高頻率被調(diào)節(jié)到調(diào)節(jié)值(U′d)的期望值。
19.用于調(diào)節(jié)PMD系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)至少包含-一個PMD元件(PMD)，-用于強度調(diào)制地發(fā)射電磁波的一個發(fā)射器(E)，-至少一個控制電子電路(FG)，借助該電子電路，所述的PMD元件(PMD)和所述的發(fā)射器(E)分別可以用同一調(diào)制頻率(fmod)的至少一個調(diào)制電壓(Umod、Umod、UTXmod)來進行控制，并且借助該電子電路可以通過一個調(diào)節(jié)信號來改變相位偏移(Δ)，其特征在于，借助一個調(diào)節(jié)段(CTR)把所述的調(diào)節(jié)信號輸出到所述控制電子電路(FG)上，使得表征所述PMD系統(tǒng)的調(diào)節(jié)值(U′d)自動調(diào)節(jié)到一個給定目標值的值，其中所述PMD元件(PMD)的至少一個輸出信號(Ua、Ub、Ud)被考慮用來確定所述的調(diào)節(jié)值(U′d)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述相位偏移(Δ)通過調(diào)諧所述相位延遲(d)和/或所述調(diào)制頻率(fmod)來進行變化。
全文摘要
PMD系統(tǒng)包含有至少一個PMD元件(PMD)和至少一個可強度調(diào)制的發(fā)射器(E)，以及至少一個控制電子電路(FG)，借助該電子電路，所述的PMD元件(PMD)和所述的發(fā)射器(E)分別可以用至少一個調(diào)制電壓(U
文檔編號G01S7/48GK1537356SQ01818770
公開日2004年10月13日 申請日期2001年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月22日
發(fā)明者P·古爾登, P·黑德, M·沃西克, P 古爾登, 骺 申請人:西門子公司