用于生成并处理发送器信号的方法与装置的制作方法
专利名称：用于生成并处理发送器信号的方法与装置的制作方法
技术领域：
在此所述的技术涉及用于生成并处理编码的发送信号的装置和方法，及此类装置 和方法的各种应用。
背景技术：
到物体的距离测量可以通过发送并接收发送信号来进行。所发送的信号从发送器 朝物体发送。所发送的信号被物体反射并被位于与发送器相同位置的接收器检测。假定具 有关于所发送和反射信号的传播速度的某些知识，到物体的距离就可以通过确定何时信号 被发送器发送和何时其被接收器接收之间的时间量来计算。
发明内容
根据一个方面，提供了一种产生编码的连续波发送器信号的方法。该方法包括产 生连续波载波信号，及利用代码来调制该连续波载波信号，以便产生编码的连续波发送器 信号，该代码以非脉冲形式表示脉冲。根据另一方面，提供了一种处理编码的连续波信号的方法。所述编码的连续波信 号包括利用代码调制的连续波载波信号，其中所述代码以非脉冲形式表示脉冲。该方法包 括对编码的连续波信号的至少一部分执行逆变换，以复原所述脉冲，其中所述逆变换消除 脉冲到非脉冲形式的变换。根据另一方面，一种方法包括发送连续波发送器信号，其中所述连续波发送器信 号包括利用代码调制的连续波载波信号，该代码以非脉冲形式表示脉冲。该方法还包括接 收该连续波发送器信号，并处理该连续波发送器信号，以复原所述脉冲。根据另一方面，一种发送系统包括配置成生成代码的计算引擎和配置成产生由该 代码调制的信号的信号发生器，其中所述代码以非脉冲形式表示脉冲。根据另一方面，一种接收系统包括配置成接收由连续波载波信号构成的编码的连 续波信号的计算引擎，其中所述连续波载波信号利用以非脉冲形式表示脉冲的代码进行调 制。该计算引擎还配置成处理编码的连续波信号，以复原所述脉冲。根据另一方面，一种系统包括配置成发送包括连续波载波信号的发送器信号的发 送器，其中所述连续波载波信号利用以非脉冲形式表示脉冲的代码进行调制。该系统还包 括配置成接收发送器信号并处理发送器信号以便复原所述脉冲的接收器。根据另一方面，提供了一种处理所接收到的信号的方法，其中所接收到的信号包 括利用表示脉冲的代码进行调制的连续波载波信号。该方法包括以一个采样速率采样所接收到的信号，创建多个样本点，每个样本点都在时间上与相邻的样本点隔开一个样本间隔。 该方法还包括识别多个样本点的特征，并对该多个样本点进行傅立叶变换，以便产生FT信 号。该方法还包括确定特征附近的作为频率的函数的FT信号相位变化的速率。
附图并不意图按比例绘制。图中，在各个图中所示出的每个完全相同或几乎完全 相同的部件是由相同的标号表示的。为了清晰，不是每个部件都在每个图中标出。在附图 中图1是根据一种实施方式可以确定到物体的距离的系统；图2是根据一种实施方式生成并处理发送信号的方法的流程图；图3是根据一种实施方式如在图2方法中使用的生成表示脉冲的代码的方法的流 程图；图4A和4B示出了强激励脉冲(impulse)的一个非限制性例子，及可以在图3所 示出的方法中使用的时间域代码；图4C示出了利用图4B中所示类型的代码形成的示例发送器信号；图5是如在图2方法中使用的处理信号以便复原脉冲的方法的例子流程图；图6A和6B示出了利用图5方法从反射的发送器信号重构的脉冲的例子；图7是根据一种实施方式能够根据图2方法运行的发送器/接收器系统；图8是根据一种实施方式可以用于方便确定所接收到的发送器信号定时的图类 型的例子；图9A-9D示出了根据一种实施方式相对于彼此移动恒定的延迟量的发送器信号 的例子；图9E示出了对应于图9A-9D中所示的信号组合的、可以被接收器接收的信号；图9F示出了从图9E的信号重构的脉冲；图IOA示出了根据一种实施方式包括单个发送器与多个接收器的系统；图IOB示出了根据另一种实施方式包括多个发送器与单个接收器的系统；图IOC示出了根据一种实施方式包括能够扫描视场的单个发送器与单个接收器 的系统；图IlA和IlB分别示出了根据一种实施方式的所接收到的具有消波(clipping) 的发送器信号和从所接收到的发送器信号重构的脉冲；以及图12是示出根据一种实施方式生成并处理编码的连续波信号的方法的流程图。
具体实施例方式给出了可以用于有效地将连续波发送系统作为脉动系统操作的装置与方法，发送 信号的连续波本质改变得很少或者不改变。发送器信号可以利用代码或者序列来编码，所 述代码或序列包括非脉冲形式(例如噪声形式)的脉冲信息。因此，利用代码编码连续波载 波信号只改变很少或者不改变发送器信号的连续波本质，同时承载脉冲的信息。因此，可以 实现连续波发送系统的益处，例如更低的成本、设计的简化及更容易实现的功率需求(例 如，更低的峰值功率与平均功率之比)，以及脉动发送形态的益处，例如高精度和检测多反
8射的能力，等等。这种装置和方法可以在测距系统(即，距离测量系统)或其它环境中应用。 该方法和系统可以实现为扩展频谱或超宽带技术，等等。根据本发明的一方面，连续波(CW)载波信号利用以非脉冲形式表示脉冲的代码 来编码。因为本发明的各方面不限于使用任何特定类型的脉冲，因此任何类型的脉冲都可 以使用。合适的脉冲的例子可以包括强激励脉冲(impulse)、方形脉冲或者三角形脉冲，等 等。为形成代码，脉冲可以变换成的非脉冲形式的例子是高斯噪声型序列。但是，本发明的 各方面和实施方式不限于使用任何特定的非脉冲形式，因为存在许多脉冲可以变换成的非 脉冲形式。此外，所使用的非脉冲形式的类型可以选择成具有有利的特性。例如，与脉冲相 比，代码可以具有低峰值-平均功率比。而且，脉冲到非脉冲形式的变换可以利用任何合适 类型的变换完成，变换的例子可以包括傅立叶变换、拉普拉斯变换或者阿达玛变换，等等。 变换可以包括扰乱(scramble)脉冲的值、利用由一组数形成的钥匙修改脉冲，或者任何其 它合适的步骤。编码的信号，包括利用代码调制的连续波载波信号，随后可以由发送器发送并由 接收器接收。然后，接收器可以对所接收到的信号执行逆变换，以复原脉冲，即，消除脉冲到 非脉冲形式的变换。以这种方式，发送器_接收器系统可以有效地运行，虽然实际上所发送 和接收的信号不像脉冲，但就好像发送和接收脉冲一样。应当认识到，根据一些实施方式， 接收器可能了解在将脉冲变换成非脉冲形式以便形成代码时由发送器所使用的变换的类 型，因此在接收到所发送的信号时接收器可以准确地消除变换。在一些实施方式中，这种了 解可以通过在接收器和发送器之间发送信息、通过使用用于接收器和发送器的共享部件或 者通过任何其它合适的方式来提供。图12示出了根据一种实施方式用于发送和处理信号的方法的一个例子。如所示 出的，方法1200可以包括发送过程1202和接收过程1204。发送过程1202可以在1206开 始，通过将脉冲变换成非脉冲形式来生成代码或序列。例如，根据一种实施方式，可以是任 何脉冲类型(例如，强激励脉冲、方形脉冲、三角形脉冲或者任何其它类型的脉冲)的脉冲 可以是时间域信号，该信号可以变换到不同的域。一旦变换到其它域中，脉冲就可能被修 改，例如通过随机化、加扰或者以别的方式改变脉冲的值。然后，修改后的脉冲可以被进一 步修改，以便将其返回到时间域信号，由此完成动作1206。修改可能导致脉冲在形式上不再 像脉冲，而是更像噪声，或者某种其它非脉冲的形式，就用作发送和接收信号而言，所述非 脉冲的形式可能具有有利的特性。应当认识到，动作1206可以以各种方式执行，而且不是 所有执行动作1206的方式都可能涉及在不同信号域之间(例如，时间域和频率域之间)的 移动。随后，在1208，可以非脉冲形式再次承载脉冲信息的代码然后可以用于调制连续 波载波信号。在1210，然后可以发送发送器信号，该发送器信号包括利用该代码编码的连续 波载波信号。根据图12的实施方式，所发送的信号可以从物体反射，但应当认识到，这种反 射不必在所有实施方式中都出现。然后，在1214，所反射的信号可以被接收器接收。在1216，所接收到的信号可以被处理，以便通过将所接收到信号的代码变换回脉 冲来复原脉冲。在一些实施方式中，代码向脉冲的变换可以包括执行动作1206中所使用的 从脉冲形成代码的变换的逆变换。应当认识到，根据一些实施方式，将来自所接收信号的代 码变换成脉冲所采取的步骤可能不是在1206将脉冲变换到代码所使用的变换的精确逆变换。相反，如在此所使用的，逆变换可以包括消除不同变换的效果的变换，而不管该逆变换 事实上是否需要以相反次序执行不同变换的相同步骤。根据本发明的一方面，连续波载波信号可以利用代码或序列来调制，然后被发送， 所述代码或序列表示脉冲的随机化版本。所发送的信号可以从物体反射并被位于发送器附 近的接收器接收。所接收的信号可以被处理，以便复原脉冲，从中可以确定脉冲的飞行时 间。然后，利用脉冲的飞行时间和脉冲传播的速度，可以确定从发送器和接收器到物体的距罔。图1示出了根据一种实施方式的系统的一个例子，该系统可以使用以上所述的一 种或多种方法。如所示出的，系统100包括发送器102和接收器104。发送器102和接收 器104可以位于基本相同的位置，使得它们中每一个都位于距离任何周围物体基本相同的 距离。发送器102和接收器104可以是独立的、可以是同一个(即，用作发送器和接收器的 收发器)、可以在具有某些独立部件的同时共享某些部件、或者可以采取任何合适的形式， 因为本发明的各方面在这方面没有限制。发送器102可以生成并发送发送器信号106，如以下进一步描述的，该信号可以是 编码的连续波发送器信号。发送器信号106可以撞击物体108，并至少部分地从物体108反 射，由此生成反射信号110，即，发送器信号106的反射版本。物体108可以是汽车、树木、人 或者任何其它类型的物体，因为本发明的各方面不限于使用任何特定类型的物体。而且，物 体108可以是固定的或者移动的。反射信号110可以被接收器104接收，从该反射信号可 以利用等式(1)确定接收器和发送器与物体108之间的距离X1 X1 = (vt/2) 等式(1)其中ν是发送器信号106和反射信号110的速度，假定对于发送器信号和反射信 号该速度是相同的，t是发送器信号106被发送器102发送的时间和反射信号110被接收 器104接收的时间之间的时间。根据本发明的一方面，发送器信号106，并且因此还有反射信号110，可以是编码 的连续波信号。代码可以非脉冲形式表示脉冲，例如作为脉冲的随机化版本。例如，如以下 将更具体讨论的，脉冲(例如，δ函数、方形脉冲、三角形脉冲或者任何其它类型的脉冲)可 以数学变换成随机化信号，例如看起来像噪声的信号。这种“噪声”信号可以充当对连续波 载波信号进行调制以便产生编码的连续波信号106的代码。然后，如先前所提到的，可以处 理反射信号110，以复原脉冲，其中所述反射信号110也因此可以包含对连续波载波信号进 行调制的代码。图2示出了用于生成和处理编码的连续波信号的方法的一个例子，其中编 码的连续波信号例如发送器信号106和反射信号110。方法200包括可以作为发送过程202的一部分执行的几个动作以及可以作为接收 过程204的一部分执行的几个动作。方法200不限于可以用于执行所列举出的各个动作的 硬件和/或软件的类型，而是可以以任何合适的方式执行。例如，发送过程202的动作可以 由与接收过程204的动作相同的硬件和/或软件、不同的硬件和/或软件或者由共享的硬 件和/或软件的任何合适组合来执行，因为该方法在这方面没有限制。如所示出的，方法200以发送过程202开始，S卩，以在206生成表示脉冲的代码开 始。生成代码可以包括生成脉冲的随机化版本，如以下关于图3进一步详细讨论的。应当认 识到，尽管图2-3的方法显示并描述了生成代码，但其它实施方式不涉及代码的实际生成。
10相反，根据一些实施方式，代码可以从包含一个或多个合适的代码的存储器、库读出或者以 任何其它合适的方式提供。一旦代码生成，在208，就可以利用该代码对载波信号进行调制。载波信号可以是 例如由连续波发送器产生的连续波载波信号。代码可以在时间上受到限制，具有任何合适 的持续时间。例如，在一些实施方式中，代码的持续时间可以选择成比期望的代码飞行时间 最大值长，而且有些时候显著地长，其中代码的飞行时间是从代码被发送器发送的时间到 代码被接收器接收的时间。例如，代码的持续时间可以是2纳秒、2微秒、4微秒、10微秒、 200微秒、几毫秒或者任何其它合适的持续时间，因为本文所述的各方面不限于使用任何特 定持续时间的代码。连续波载波信号可以利用代码的单次出现来调制，或者利用代码的多次出现来调 制。如果连续波载波信号利用代码的多次出现来调制，则该多次出现可以在时间上隔开，例 如通过用隔开5秒的两个1秒长的代码的出现来调制连续波载波信号，或者可以持续重复， 使得对于载波信号代码的出现之间没有时间间隙。然后，编码的发送器信号，即利用在206产生代码的一次或多次出现调制的连续 波载波信号，可以在210例如由图1中的发送器102或者由任何其它合适的发送器发送。如 以下将进一步详细描述的，代码可能不改变或者可能不显著地改变载波信号的连续本质， 使得发送器信号可以由连续波发送器产生。例如，代码可以包括脉冲的随机化样本点，而且 在一些实施方式中可以近似于噪声。因此，代码的峰值功率与平均功率之比可能不大，例如 小于10，在一些实施方式中甚至更低。在发送以后，在212，发送器信号可以从物体反射。应当认识到，根据一些实施方 式，所发送的信号可能经历多次反射，即，从多个物体反射，因此生成多反射信号。方法200 可以同样很好地应用到涉及多反射的情况。然后，方法200可以前进到接收过程204。特别地，在212生成的反射信号可以在 214被任何合适的接收器接收。然后，所接收的信号可以被处理，如以下针对图5进一步详 细描述的，以便复原由在206产生的代码所表示的脉冲。处理可以由接收器执行，或者可以 由接收器发送到任何合适的处理设备，例如计算机、专用集成电路(ASIC)或者任何其它用 于处理所接收信号的合适硬件、软件或者其组合。如前面所提到的，复原的代码和/或脉冲 可以用于确定由代码表示的脉冲的飞行时间，从该飞行时间可以确定到反射物体的距离。 但是，图2所示出的方法不限于为任何特定的目的而使用复原的代码和/或脉冲。而且，如所提到的，应当理解，方法200的动作可以同时对多个信号执行。例如，如 所提到的，所发送的信号可能经历多次反射，使得动作214可能涉及接收多个信号，而动作 216可能涉及处理多个信号，以便从每个所接收的信号复原脉冲。可选地，如关于图9A-9D 更详细描述的，多个信号可以由多个发送器发送，而且接收过程可以对来自各个发送器的 所有信号执行。图3示出了生成用于调制发送器信号的代码的一种示例方法，如图2中206所示 出的。代码可以表示脉冲，但不采取脉冲的形式，而且根据一些实施方式，代码表示脉冲的 随机化版本。如前面所描述的，在有些环境下，可能期望从发送器发送脉冲，因为到物体的 距离可以通过测量脉冲的飞行时间来确定。但是，存在与发送脉冲的传统系统与方法关联 的缺陷。由于生成脉冲所需的硬件及与其关联的大振幅变化本身可能是复杂和/或昂贵的，所以传统的系统常常是复杂和/或昂贵的。相反，用于生成连续波发送信号的系统可以 更简单、更便宜并且更不容易出现故障。因此，根据本发明的一方面，用于调制连续波载波 信号的代码实际上可以不采取脉冲的形式，而是可以非脉冲形式承载脉冲的信息。因此，利 用代码调制连续波载波信号可以不改变或者不显著改变载波信号的连续波本质。再次参考图3，图2中生成表示脉冲的代码的动作206因此可以包括在302通过 其傅立叶分量来定义脉冲。任何类型的脉冲都可以用于这种目的，因此在302定义的脉冲 可以是方形脉冲、三角形脉冲、强激励脉冲或者任何其它类型的脉冲。因为本发明的各方面 不限于使用任何特定类型的脉冲，因此脉冲的特性，例如持续时间、形状和振幅，可以针对 特定系统和应用按照期望来选择。为了容易解释，并且不限制在此所述任何一方面的范围， 强激励脉冲(即，δ函数)将作为示例脉冲进行描述。图4Α示出了强激励脉冲401，其具 有基本上为零的宽度，就通用单位u(例如，以伏特为单位的电压)而言，这已经标准化成具 有大约为一的振幅，而且可以用于针对图3进行解释。应当认识到，这种标准化是可选的， 而且本发明的各方面不限于标准化脉冲的使用。此外，应当认识到，图3及在此所述的其它 方法不限于使用强激励脉冲。利用其傅立叶分量定义强激励脉冲的动作302可以利用积分进行，或者在实践当 中可以利用求和进行，因为本发明的各方面在这方面没有限制。为了解释，脉冲可以在时间 或者持续时间T上分辨。脉冲可以由在持续时间T上对应于脉冲的傅立叶分量的有限数量 的样本点定义。任何数量的样本点都可以使用。在一些实施方式中，图2-3的方法可以利 用包括模数转换器(A/D转换器，也称为ADC)和/或数模转换器(D/A转换器，也称为DAC) 的系统来实现，如以下参考图7描述的。在这种情况下，分辨脉冲的样本点的数量Ns可以由 Ns = FsT给出，其中Fs是采样速率，例如对应于A/D转换器或者D/A转换器的采样速率。
在302利用其傅立叶分量定义强激励脉冲之后，产生代码的动作206还可以包括 在304，生成要添加到来自302的强激励脉冲的傅立叶分量的多个随机相位。随机相位可以 由随机数发生器、手动或者以任何其它合适的方式生成，因为本发明的各方面在这方面没 有限制。根据一种实施方式，(对于实信号)随机相位向量Φη包括在来自302的定义脉冲 的Ns个傅立叶分量之间随机分布的Ns/2个相位。根据图3的非限制性例子，所生成的随机相位随后添加到强激励脉冲的傅立叶分 量上。一个相位可以添加到每个傅立叶分量上。在308，随后对利用随机相位随机化的傅立 叶分量执行逆快速傅立叶变换(IFFT)，由此产生时间域信号。等式2示出了所产生的时间 域信号的例子，如以下更详细描述的，该时间域信号可以对应于从计算引擎发送到D/A转 换器的信号。
Ns/2~i 「 2;r1冲J二 2 exp+武)等式(2)
n=-Ns/2 Ls.其中，φη=φ*_η 并且 tm = mTs其中Φη是随机相位向量，m是样本点数量，％是采样时间，而1是在第m个时间 点的信号。等式(2)的信号具有低“峰值_平均值”比。特别地，因为傅立叶分量的相位是 在进行IFFT之前随机化的，所以脉冲的能量可以基本上跨代码的持续时间均勻地分布，而 且峰值能量与平均值能量之比可以小于大约十，或者更小。于是，在一些实施方式中，信号发生器(例如，激光、无线电波发生器，等等)可以低峰值-平均值比(例如，小于10的峰 值-平均值功率)额定运行。此外，等式(2)的信号是关于间隔T呈周期性的。对于很随 机的相位，输出振幅是以均方根(rms)振幅为1高斯分布的。在一些实施方式中，在利用等 式(2)的信号调制载波信号之前，(1-4之间的振幅或者任何其它合适的振幅的)DC项可以 添加到等式(2)的信号上，以避免实质性的消波。但是，图3的方法在这方面没有限制。还应当认识到，等式(2)是可以根据图3方法生成的合适代码的一种非限制性例 子。其它形式的代码也是可能的。例如，可选的合适代码可以由下式给出 而且其中相位向量是由下式定义的么(C，； )= ^^；) sin(rt)等式(5)针对等式(5)中c和ρ的特定值，产生高斯噪声状输出。因此，(c,ρ)对可以从一 大组可能的选项中选择，并且，尽管相位向量没有随机化，但仍然向发送-接收对提供唯一 的代码。图4B示出了可以通过对图4A的强激励脉冲401应用图3的方法来生成的时间域 代码402，而且该代码可以用于调制连续波载波信号。图4B的y轴是关于12位数模(D/A) 转换器(可选地称为“DAC”)的输出状态给出的，其中该DAC是可以用于产生代码的部件的 一个例子。因此，y轴的实际单位可以对应于任何合适的电压。可以提及图4B中所示代码402的各种特性。例如，应当认识到，在此所述的代码 不需要利用D/A转换器产生。而且，还应当认识到，图4B中所示的代码包括大约2000的DC 偏移，即，已经缩放过了，以防止信号的消波。这种缩放是可选的，而且不需要在每种情况下 进行。此外，图4B中的代码包含4096个样本点，但在此所述的方法不限于使用这种长度的 代码。图4B示出了在一些实施方式中所生成的代码看起来可以多类似于噪声。图4C示出了例如由激光器输出的发送器信号404的例子，该发送器信号包括利用 如图4B中所示代码的代码进行调制的连续波载波信号。信号的振幅由通用单位(u)给出， 例如电压的单位是微伏、伏特，或者任何其它合适的振幅，由于可以认识到信号的绝对量值 可能依赖于生成这种信号的系统的各种部件，因此本发明的各发明不限于利用任何特定量 值的信号工作。信号可以是周期性的，例如具有周期T。通过参考图4C，应当认识到，根据 本发明各方面的发送器信号不包含脉冲形式，但其可以包含脉冲的信息。图5示出了图2中的动作216的一种非限制性实施方式，该动作216用于处理从 物体反射的编码的发送器信号。根据一些实施方式，从目标接收到的信号，即反射信号，是 周期性的，且间隔为T。例如，如所提到的，图4C示出了根据一种实施方式来自信号发生器 的输出的例子，该输出可以是周期性的。从目标接收到的信号在形式上可以是基本上相同 的，振幅可能有一些衰减。如图5所示，动作216可以可选地在502通过将几个(N,个)所 接收到信号的拷贝求和而开始。例如，对于所接收的信号的每个间隔T的样本Ns可以存储
并加到来自所接收的信号下一间隔的样本。因此，该周期性信号可以连贯地添加，而信号中 的噪声可以不连贯地添加。信号中的噪声可以从环境、从电路部件(例如，光电探测器、跨 阻抗放大器或者接收系统的其它电路)或者从其它源产生。如所提到的，在图5中的502执行的求和是可选的，而且不需要在所有情况下都执 行。求和可以将所接收到的信号的信噪比(SNR)提高一个量，这个量等于所执行的相加次 数的平方根。因此，执行的相加越多，信号的改善越好。随后，在504，可以对接收到的信号执行傅立叶变换，或者在图5的非限制性实施 方式中，对在502形成的求和后的所接收信号执行傅立叶变换。所产生的傅立叶分量中的 每一个都可以包括一个相位，例如随机相位，其对应于当生成代码时在图3中动作316处所 添加的相位。因此，图5中所示出的方法可以在506继续，其中从来自504的求和后的所接收信 号的傅立叶分量中除去随机相位。这可以通过从求和后的所接收信号的傅立叶分量中减去 随机相位或者通过用等式(2)中随机相位项eXp[-i(K]的复共轭乘以每个傅立叶分量来 实现。根据这种非限制性实施方式，在506处从每个傅立叶分量中减去的随机相位对应于 在图3中306处加到每个相应傅立叶分量的随机相位，使得506的结果产生不具有任何随 机相位值的傅立叶分量。例如，从来自动作504的傅立叶变换后的信号减去用于在图3中 306处随机化所发送信号的相位向量Φη。随后，在508，可以执行在506产生的傅立叶分量的IFFT，以复原在图3中302处 定义的脉冲。IFFT产生时间域信号，如等式(6)中所示
其中，R是更新速率(例如，发送信号发送的速率)，T是总的代码持续时间或者长 度，RT是在动作502处执行的相加次数，m是样本点数量，ζ是从发送器/接收器到反射物
体的距离，c是发送和反射信号传播的速度，η'是衰减系数。项
是来自远方目标
的信号和所接收信号的平均的衰减结果。项^1对应于到目标的延迟，其中Z是到目标(或
者物体)的距离，而C是传播的速度。最后一项θΧρ[+ Φη]是在对所接收信号进行FFT之
后乘以原始“随机化”相位向量的运算。所产生的信号8_(0是在对应于&的延迟或者
在阵列位置——处的“δ函数”，其中mz是样本点数量，而^是采样时间。图6A示出了通过对例如图4C所示信号的信号应用图5的方法而产生的结果重构 脉冲602的例子，其近似为δ函数。假定振幅的绝对量值(即，电压)可以依赖实现该方 法所使用的系统的类型而不同，振幅的单位是通用单位(U)。也以通用单位(U)示出振幅 的图6Β示出了通过利用图5的方法处理如图4C所示信号的信号而获得的重构脉冲603的 另一个例子，假设所发送的信号从与发送器/接收器相距50米的物体反射。如联系图7将 要描述的，接收器可以包括具有有限采样速率的电路，例如A/D转换器。图6Β的重构采用 125MHz的采样速率。如图所示，所复原的信号不精确地是一个强激励脉冲，而是跨多个样本或区段(bin)分布，峰落在第10个和第11个区段之间。样本或者区段对应于例如图7中 A/D转换器724的A/D转换器的采样速率。如以下联系图8将要描述的，本发明的一方面提 供了确定重构脉冲在区段中设置的方法。应当提到图2、3和5的方法的几个特征，以及所产生信号的特征。例如，应当认识 到，相位向量6 对于发送_接收对是唯一的，而且因此可以用作使发送器和接收器彼此连 接的“钥匙”(key) ”，因此使得它们在存在其它发送器和接收器的时候正确地操作。对具有 与用于生成发送器信号的相位不同的相位Φη的所接收到的信号的操作将不会产生重构的 δ函数。以这种方式，由于接收器可以不复原没有正确的相位值(即正确的“钥匙”)的脉 冲，因此相位Φη可以作为“钥匙”操作。因此，图3和5所示的方法自动地提供了对于发送 器-接收器对唯一的钥匙。应当认识到，尽管相位6 可以是一种类型的钥匙，但其它类型 的钥匙也可以用于在生成代码时对脉冲进行操作，然后由接收器用于从发送器信号复原脉 冲。因此，相位值Φη仅仅是可以用于通过将脉冲变换成非脉冲形式来生成代码的钥匙的 一种非限制性例子。此外，应当认识到，根据图5方法重构的δ函数(例如图6Α的重构δ函数)的 所得到的“峰值振幅”，例如由于衰减或者其它因素，可以具有与发送信号振幅不同的振幅。
作为一种非限制性例子，重构的δ函数可以具有有效振幅f G ,其中Pa是平均功率，而
队是代码的样本点数量。三分之一(即，1/3)的因子可以是实现在此所述方法的实践结果， 例如其中三分之一的因子可以对应于DC项可添加到发送器输出信号(例如，图4C的信号 包括大约3的DC偏移)以避免发送器输出的消波的情况。因此，应当认识到，1/3的因子 仅仅是个例子，而且其它值(例如，1/2，1/4或者其它值)可以产生其它系统。平均功率Pa 可以由Pa = (2 π ) (1/2)P0R给出，其中P。是峰值功率，R是更新速率。此外，应用图5的方法可以产生令人满意的系统SNR。例如，SNR可以由等式(7) 给出 等式(7)说明SNR独立于整个发送器信号生成和处理过程中所使用的采样速率， 但依赖于更新速率R。此外，应当认识到，尽管图2、3和5中所发送和接收的信号包含脉冲 的信息，但等式(7)的SNR类似于在振幅调制和频率调制的连续波系统中所实现的SNR。此外，应当认识到，采用图2、3和5方法的系统的检测范围可能是好的。例如，这 种系统的检测范围可以等于或者大于以相同平均信号发生器输出功率(例如，激光器的输 出功率)运行的频率调制或振幅调制连续波系统的检测范围。到目前为止所说明的方法(例如，图2、3、5和12中的方法)可以由任何合适的系 统采用。例如，图1示出了可以实施到目前为止所说明的一种或多种方法的系统。此外，图7 示出了可以实施到目前为止所说明的一种或多种方法的激光器系统，常常将其称为LIDAR 系统。系统700包括几个专用于激光器操作的部件，例如激光二极管驱动器和激光器本身。 但是，应当认识到，类似的系统可以具有相同的总体配置，但是，通过切换某些部件，在不同的域(例如，RADAR)中运行。因此，图2、3、5和12的方法不限于在激光系统中使用。如图所示，系统700包括计算引擎702，例如数字信号处理器(DSP)。计算引擎702 可以执行各种处理功能，例如执行图2、3、5和12中所示出的一种或多种动作。为此，计算 引擎702可以包括周期性序列发生器728和数据重构电路730。周期性序列发生器可以用 于生成用于调制连续波发送器信号的代码，例如已经在此描述过的。周期性序列发生器可 以配置成生成长度为512到4096个样本点之间的代码，或者具有任何其它合适数量的样本 点，因为本发明的各方面在这方面没有限制。计算引擎702耦合到数模(D/A)转换器704，而且在一些实施方式中周期性序列 发生器728的输出耦合到D/A转换器704的输入。因此，周期性序列发生器可以向D/A转 换器704提供周期性序列，例如代码，其中D/A转换器728可以将数字代码转换成模拟信 号。D/A转换器704可以是8位转换器，或者可以具有任何位值。根据图7的非限制性例 子，D/A转换器704是时钟控制的D/A转换器，它从时钟发生器705接收频率在大约50MHz 到200MHz之间的输入时钟信号703。应当理解，任何时钟发生器和任何时钟频率都可以使 用，因为本发明的各方面在这方面没有限制。此外，D/A转换器704可以具有任何合适的采 样速率，而且在一些实施方式中采样速率可以变化，以便相对于给定的处理功率、最大范围 和系统的距离分辨率提供最优的SNR。根据图7的实施方式，D/A转换器704的输出连接到激光二极管驱动器(LDD)706， LDD 706又连接到激光器708，以驱动激光器。LDD 706和激光器708可以是任何合适类型 的二极管驱动器和激光器组合，因为本发明的各方面在这方面没有限制。例如，LDD 706可 以是以大约40-100mA电流运行的100MHz LDD。其它LDD也可以使用。D/A转换器704可 以向LDD 706提供模拟版本的代码，LDD 706可以利用该代码调制激光器708的输出。根 据一些实施方式，D/A转换器可以直接耦合到激光器，从而使得没有LDD。而且，根据一些实 施方式，激光器可以用发光二极管或者任何其它类型的信号源来代替。系统700还包括投射和接收器光学器件710。该投射和接收器光学器件可以配置 成方便信号的发送和接收，并因此可以具有用于完成该功能的任何合适的部件。例如，投射 和接收器光学器件710可以包括用于方便发送器信号714发送的透镜712。发送器信号714 可以是编码的连续波发送器信号，其具有代表调制连续波载波信号的脉冲的随机化版本的 代码。尽管示出了单个透镜712，但应当认识到，投射和接收器光学器件710可以包括多个 透镜、过滤器或者任何其它类型的光学器件，以方便发送器信号714的发送。投射和接收器光学器件710还可以包括用于接收反射信号718的透镜716或者任 何其它合适的光学器件(例如，附加的透镜、过滤器或者其它形式的光学器件)。反射信号 718可以对应于在反射离开一个或多个物体之后的发送器信号714。应当认识到，尽管投射和接收器光学器件710被示为在相同的结构中，如由虚线 框所指示的，但根据本发明一些方面的系统在这方面没有限制。例如，投射光学器件(例 如，透镜712)和接收器光学器件(例如，透镜716)可以包含在不同的结构中、可以共享一 个或多个部件或者可以采取任何其它合适的配置。反射信号718可以从接收器光学器件(例如透镜716)传到任何合适的检测器 720。用于检测器720的检测器类型可以依赖于所接收到信号的类型(例如，LIDAR系统、 RADAR系统，等等)。例如，检测器720可以是光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管或者针对被检测的反射信号718类型的任何其它合适类型的检测器。而且，检测器720 可以例如通过在与系统700的一个或多个其它部件相同的芯片上形成而与一个或多个其 它部件集成。在一些实施方式中，由检测器720产生的输出信号可能小。因此，可能期望放大来 自检测器720的信号。因此，在系统700中，检测器720耦合到跨阻抗放大器(TIA) 722。TIA 722可以在IOOMHz运行，具有非常低的噪声，例如具有小于2pA/rtHz的均方根(rms)噪声。 但是，具有其它运行特性的其它放大器也可以使用。此外，尽管TIA是可以在系统700中使 用的放大器的一个例子，但应当认识到，可选类型的放大器可以在其它实施方式中使用。此 外，在一些实施方式中，可以不使用放大器。而且，当使用放大器时，检测器720可以集成到 与放大器相同的芯片上。在图7的非限制性例子中，来自TIA 722的输出信号是模拟信号。为了将该信号 转换成数字信号，TIA 722的输出耦合到模数(A/D)转换器724，该A/D转换器724向计算 引擎702的数据重构电路730提供数字信号，以进行进一步的处理。A/D转换器724可以 是8位转换器、12位转换器或者可以具有任何合适的位值。就像关于D/A转换器704 —样， A/D转换器724在图7的非限制性例子中是时钟控制的转换器，并在其一个输入接收时钟 信号703。因此，D/A转换器704和A/D转换器724可以是同步的。以这种方式，由D/A转 换器704执行的采样可以与由A/D转换器724执行的采样同步，这可以提高处理反射信号 718以便复原信号中所嵌代码的准确度。此外，就像关于D/A转换器704 —样，A/D转换器 724可以具有任何合适的采样速率，而且在各种实施方式中采样速率可以变化，以便相对于 给定的处理功率、最大范围和距离分辨率提供最优的SNR。计算引擎702的数据重构电路730可以从A/D转换器724接收数字信号并处理该 信号，以便从信号(例如从对激光器708的输出进行调制的代码)复原脉冲，从而产生发送 器信号714。应当认识到，数据重构电路730也可以执行可选的或者附加的功能，因为本发 明的各方面在这方面没有限制。如所提到的，系统700是激光器系统，并且因此包括专用于以激光运行的某些部 件(例如，LDD 706和激光器708)。但是，相同的系统结构可以应用到对不同类型信号操作 的不同环境。例如，通过转换合适的部件，系统700可以修改成作为RADAR系统运行，或者 产生频率大约在30GHz到600GHz之间的毫米波信号，或者在其它环境下运行。例如，可选 地，激光器708可以是无线电波发生器，并且可选地，检测器720可以是天线，而不是光电检 测器。如果发送器产生频率大约在30GHz到600GHz之间的毫米波信号，则检测器可以是能 够检测这种信号的检测器。其它变化也是可能的。图7的系统在简单性方面提供了各种好处。例如，该系统示出了 TIA 722和A/D 转换器724之间的直接连接。此外，该系统还示出了 A/D转换器724和计算引擎702之间 的直接连接。因此，根据一些实施方式，在TIA和A/D转换器之间或者A/D转换器和计算引 擎之间都不需要混合器。而且，根据一些实施方式，D/A转换器704可以直接连接到激光器 708。此外，系统700的一个或多个部件可以在单个集成电路芯片或者管芯(die)上形 成。例如，虚线框726中的部件可以在单个芯片上实现。但是，其它变化也是可能的。而且，应当认识到，系统700可以提供对某些数据或值的共享访问。例如，如已经描述过的，根据一些实施方式，用于生成和处理发送器信号的方法涉及利用钥匙将脉冲变 换成非脉冲形式，然后利用该钥匙将所接收信号的代码变换回脉冲。因此，根据一种实施方 式，系统700的发送部分和接收部分可以都能访问这种钥匙(例如，多个相位值)。例如，该 钥匙可以存储在可以由计算引擎702访问的存储器中，或者可以让计算引擎以任何其它合 适的方式访问，因为本发明的各方面在这方面没有限制。可选地，钥匙可以在系统700的发 送部分和接收部分之间发送。如先前联系图6B所提到的，根据图5方法重构的信号可以具有落在处理系统时间 间隔或者区段之间的特征，例如峰。此外，如图6B所示，重构的脉冲可以跨越多个区段。可 能期望识别重构脉冲峰所处的特定区段。根据本发明的一方面，提供了用于确定所接收到 的脉冲落在哪个区段中的方法(例如，见图6B)。此外，还提供了以比DAC和ADC(例如，图 7的DAC和ADC)采样速率所提供分辨率更大的分辨率确定到物体的距离的方法。总的来说，可以分解的重构信号(例如，图6A和6B的重构δ函数)的最小时间 延迟由1/FS给出，这意味着最小距离分辨率Δζ由Δζ = c/(2Fs)给出，其中，&是用于采 样所接收信号的采样速率。但是，实际延迟2z/c可以写成— = Q— + m^ (8)
CC其中Q是区段的数量(即，整数，例如2、3、5或者任何其它数)，而(Δ Z) /C对应于 一个区段的持续时间。因此，参考t’是脉冲从区段边界偏移的时间片断(fraction)。因 此，重构信号的峰将出现在区段编号Q中。t’的量可以如下确定。首先，峰位于Q的重构信 号偏移或者平移，使得峰位于原点。峰到原点的这种平移可以各种方式执行，例如通过在傅 立叶域中平移峰或者通过任何其它合适的方式，因为该方法不限于以任何特定的方式平移 峰。然后，偏移、重构的信号(例如，图6B中的信号)的FFT的相位可以作为频率的函数绘 制，如由图8中的线802所示出的。水平轴的单位是FFT变换信号的频率区段数量，这等于 1/T的单位，其中T是序列的持续时间。直线拟合804的斜率提供了 t’的估计。这种估计 的质量与SNR成比例，使得越高的SNR导致越好的t’估计，这又意味着可以估计非常小的 Δ ζ片断。因此，到物体的距离可以以比单独通过采样速率提供的精度的更高的精度确定。所述用于确定区段中峰位置的方法还可以应用到涉及发送信号的多次反射的情 况中(例如作为发送信号从多个物体反射的结果)。在这种情况下，多个峰出现在所复原的 信号中。可以通过零化除感兴趣峰附近之外的所有信号并且随后应用刚联系图8描述过的 方法来确定峰的位置而确定每个峰的位置。相同的方法又可以应用到每个峰，以确定它们 的位置。以比单独的采样速率所能够实现的精度更大的精度估计距离的能力提供了各种 好处。例如，可以通过测量位置中的变化来确定的物体的位置和速度可以比不用上述方法 所能够实现的精度更高的精度来确定。在此所述的系统与方法可以在各种环境下使用。例如，确定到物体的距离的能力 在汽车应用、航空航天应用、外科手术应用、考古应用、天文应用及其它应用中可能是有用 的。此外，在此所述的系统与方法的各种特征可以方便有用的运行场景。例如，应当认识到， 编码载波信号的方法可以用于唯一地识别发送器。例如，多个发送器可以每个都实施利用 表示脉冲的代码编码载波信号的方法。如果发送器的代码是已知的，则接收由多个发送器
18所发送信号的接收器可以识别哪个信号是由给定的发送器发送的。以这种方式，发送器和 接收器可以唯一地配对，这可以方便在其中有多个发送器和/或接收器的环境中的操作。 根据本发明的一方面，多个发送器信号可以多路复用到单个接收器上。
到目前为止所描述的系统与方法可以允许多个发送器多路复用到单个接收器上。 这是由于序列周期或者持续时间T可以选择成比期望的最大延迟Tmax = 2zmax/c长得多的事 实而实现的，其中Zmax是到物体的期望最大距离，而c是所发送和反射信号的传播速度。因 此，多个发送器每个都可以提供相同的输出信号(例如，利用等式(2)的代码编码的信号)， 但是所述信号具有不同的延迟。例如，如果PmTd = T，则延迟Td可以由pTd > Tfflax给出，其中 P是发送器的编号(例如，四个发送器中的发送器编号二)，其中Pm对应于发送器的总数。 因此，等式(2)可以修改成考虑这种延迟
等式(9)图9A-9D示出了针对四个发送器的所产生的信号904、906、908和910的例子，其 中Ns= 1024。峰的单位是通用单位(u)，例如，其可以是以毫伏、伏特或者任何其它合适度 量为单位的电压。水平轴的单位是样本数量。除了它们相对彼此有偏移之外，信号是相同 的。特别地，图9B中所示的信号906相对于图9A的信号904延迟了 256个样本点。类似 地，图9C的信号908相对于图9B的信号906延迟了 256个样本点，并因此相对于图9A的 信号904是延迟了 512个样本点。图9D的信号910相对于图9C的信号908延迟了 256个 样本点，并因此相对于图9A的信号904是延迟了 768个样本点。同样，信号9A-9D中每一 个都可以由对应的发送器同时发送。为了解释多路复用功能可以如何实现，假设图9A-9D中所示的四个发送信号全部 都从一个物体反射。反射的信号将由单个接收器按间隔接收，其中间隔为pTd < t < (p+l)Td 等式(10)因此，所接收到的信号912将是四个反射信号的组合，如图9E中所示。图9E和9F示出所接收到的信号可以根据在此所述的方法(例如，根据图5的方 法)来处理，以便复原四个发送的信号，及对每个发送信号进行调制的强激励脉冲。四个强 激励脉冲902a、902b、902c和902d(强激励脉冲902a的中心在原点，因此与y轴对准)与 它们各自相邻的强激励脉冲隔开256个样本点，这对应于所发送信号之间的延迟。标为(1) 至(4)的区域对应于来自每个发送器的目标反射可能出现(即，在强激励脉冲之间的延迟 从用作例子的256个样本点稍微变化的情况下)的地方。应当认识到，尽管图9A-9F利用四个信号示出了多路复用的功能性，但几十到几 百个发送器可以多路复用到单个接收器上。总的来说，多路复用的发送器的最大数量Pmax可 以由下式给出
等式(11) 因此，作为例子，根据一种实施方式，具有单个接收器的多发送器系统以更新速率 R= 10Hz、采样速率？3= 125MHz和IOOm的最大范围运行，其中IOOm的最大范围对应于667纳秒的最大延迟。假定所发送序列的周期长度为T = Ns/Fs = 64536/125ΜΗζ = 525μ s，几 乎1000个发送器可以多路复用到单个接收器上。如所提到的，各种运行场景可以通过实施在此所述的一种或多种方法来实现。图 10A-10C示出了三个这样的例子。但是，应当认识到，其它运行场景也是可能的。图IOA示出了其中单个发送器1002与接收器1004的阵列耦合的场景，图中示出 了 8个接收器。根据这种场景，发送器1002发送信号1003，该信号可以被一个或多个物体 1006a和1006b反射。信号1003可以是编码的连续波信号，例如先前在此所描述过的那些 信号中的任何一种。每个接收器1004都能够处理从物体1006a和1006b反射的信号，以便 复原代码。因此，可以确定从接收器阵列中的单个接收器1004到反射物体的距离。图IOB示出了其中8个发送器IOlOa-IOlOh与单个接收器1012耦合的运行场 景。发送器每个都可以发送各自的信号1011a... 1010h。信号lOlla-lOllh可以是编码的 发送器信号，例如先前在此所描述的那些信号中的任何一种。信号lOlla-lOllh每个都可 以彼此相同，可以如联系图9A-9F所描述过的那样除不同的延迟之外都相同，或者可以是 独立的发送器信号。发送器信号lOlla-lOllh可以朝物体1014A和1014B发送，其中物体 1014A和1014B可以产生一个或多个反射的信号。接收器1012可以多路复用从物体1014A 和1014B反射的多个信号，以便复原反射信号上的代码，例如联系图9A-9F所描述过的。应 当认识到，尽管示出了 8个发送器1010a-1010h，但图10B中所示出的场景不限于使用8个 发送器。图10C示出了其中单个发送器1020与单个接收器1022耦合的场景。发送器1020 可以发送扫描发送器信号1024，该信号可以用于扫描其中可能存在一个或多个物体的视 场。例如，发送器可以发出扫描由图中箭头所示出的视场的信号。接收器1022可以接收 从该视场内的物体反射的任何信号，并且可以处理反射的信号，以便复原嵌在发送器信号 1024中的代码。应当认识到，图10A-10C中所示出的场景可以实施任何合适的发送器和/或接收 器。例如，发送器和接收器可能能够分别发送和检测激光信号。可选地，发送器和接收器可 能能够分别发送和检测射频(RF)信号。此类场景还可以与其它类型的发送器信号一起使 用。此外，应当认识到，图10A-10C中所示出的三种非限制性场景仅仅是例子，并且实现在 此所述的一种或多种方法和/或系统的其它运行场景也是可能的。此外，在此所述的方法与系统可以用于检测多个目标或者多个反射。例如，单个 发送器可以发送经历多次反射的信号，由此生成多个反射的信号。单个接收器可以接收反 射的信号并根据以上所述的一种或多种方法处理它们，以便复原所发送信号的每个反射版 本。应当认识到，可以对在此所述的方法与系统进行各种改变。例如，根据一些实施方 式，实施A/D转换器和D/A转换器的系统可以有可变的采样速率。转换器的采样速率可以 改变成针对给定的系统处理功率、系统的最大期望范围和期望的距离分辨率实现最优的信 噪比(SNR)。根据一些实施方式，在此所述的系统与方法可以应用到短距离检测系统，而且 也可以用在长距离检测系统中。此外，根据一些实施方式，编码的发送器信号可以具有低的 峰值功率与平均功率之比，例如小于大约十，或者在一些实施方式中更低。而且，根据一些 实施方式，系统700可以不包括D/A转换器与激光器之间的驱动器。相反，D/A转换器的输
20出可以直接提供给激光器。应当认识到，在此所述的方法具有鲁棒性。例如，图11A-11B示出在此所述的方法 甚至可以利用被消波的发射信号工作。特别地，图IlA示出了编码的发送器信号1102，该 信号是利用强激励脉冲的随机化版本编码的。y轴表示信号的振幅，单位是通用单位(U)。 信号1102包括具有1024个样本点的序列。信号被消波。消波显著地给重构的信号增加了 噪声。图IlB示出了利用在此所述方法复原的重构信号，其中插图示出了重构强激励脉冲 1104的特写视图。因此，图IlB显示发送的强激励脉冲被准确地复原，而不管发送信号的消 波。尽管已经具体描述了本发明各方面的几种实施方式，但对本领域技术人员来说， 各种修改与改进将是很容易发生的。这些修改与改进也意图包括在本发明各方面的主旨与 范围之内。例如，几种方法已经描述为实施快速傅立叶变换。应当认识到，其它形式的傅立 叶变换也可以使用，而且其它类型的变换也可以使用。因此，以上的描述仅仅是作为例子， 而不意图作为限制。本发明仅被限制为如所附权利要求及其等价物所定义的。
权利要求
一种产生编码的连续波发送器信号(106、404、714、1003、1011a 1011h、1102、1020)的方法，该方法包括产生连续波载波信号；及利用代码(402)调制所述连续波载波信号，以便产生编码的连续波发送器信号，其中所述代码(402)以非脉冲形式表示脉冲(401)。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述非脉冲形式类似于噪声。
3.如权利要求1所述的方法，还包括通过将所述脉冲变换成所述非脉冲形式来生成代码。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述代码是具有以下形式的时间域信号 s(t) = IFT[FT[h(t)]eXp[i(K]]其中s(t)是作为时间函数的代码，h(t)是作为时间函数的脉冲，FT表示傅立叶变换， IFT表示逆傅立叶变换，而Φη表示多个相位值。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述多个相位值Φη是多个随机相位值。
6.如权利要求4所述的方法，还包括通过由多个傅立叶分量定义所述脉冲以创建如由 FT [h (t)]给出的频率域信号，将多个相位值中的相位值添加到多个傅立叶分量中的每一个 以创建修改后的频率域信号并对修改后的频率域信号执行逆傅立叶变换来生成代码。
7.如权利要求6所述的方法，其中对修改后的频率域信号执行逆傅立叶变换产生多个 数字样本点，并且其中生成代码还包括将多个数字样本点转换成模拟样本点。
8.如权利要求4所述的方法，其中所述代码具有有限持续时间，并且其中利用所述代 码调制连续波载波信号包括利用所述代码的多次出现来调制连续波载波信号。
9.如权利要求4所述的方法，其中所述代码具有大约2纳秒到大约200微秒之间的持 续时间。
10.如权利要求4所述的方法，其中所述连续波载波信号具有大致恒定的频率。
11.如权利要求4所述的方法，其中编码的连续波发送器信号是激光信号。
12.如权利要求4所述的方法，其中编码的连续波发送器信号是射频信号。
13.如权利要求4所述的方法，其中编码的连续波发送器信号是毫米波信号，其具有大 致为30GHz到600GHz之间的频率。
14.如权利要求4所述的方法，其中编码的连续波发送器信号具有小于大约十的峰值 功率与平均功率之比。
15.一种处理编码的连续波信号(110、718、912)的方法，所述编码的连续波信号包 括利用代码(402)调制的连续波载波信号，其中所述代码(402)以非脉冲形式表示脉冲 (401)，该方法包括:对编码的连续波信号的至少一部分执行逆变换，以便复原脉冲(602、603、902a-902d、 1104)，所述逆变换消除脉冲到非脉冲形式的变换。
16.如权利要求15所述的方法，其中编码的连续波信号是时间域信号，并且其中所述 逆变换采用以下形式IFT[FT[s(t)]eXp[-i(K]]。其中s(t)是时间域的编码的连续波信号，FT表示傅立叶变换，IFT表示逆傅立叶变换， 而Φ n表示多个相位值。
17.如权利要求15所述的方法，其中执行逆变换包括对编码的连续波信号的至少一部 分执行傅立叶变换，以便产生第一多个样本点，并从该第一多个样本点中的每一个减去一 个相位值，以便生成第二多个样本点。
18.如权利要求17所述的方法，其中从第一多个样本点中的每一个减去的相位值是与 添加到在生成编码的连续波信号时所用的脉冲的傅立叶分量的随机相位值相对应的随机 相位值。
19.如权利要求17所述的方法，还包括接收模拟版本的编码的连续波信号并产生数字 版本的编码的连续波信号，并且其中对编码的连续波信号的至少一部分执行逆变换包括对 数字版本的编码的连续波信号的至少一部分执行逆变换。
20.如权利要求19所述的方法，其中接收模拟版本的编码的连续波信号和产生数字版 本的编码的连续波信号是利用具有可变采样速率的模数转换器执行的，并且其中该方法还 包括改变模数转换器的采样速率。
21.如权利要求17所述的方法，还包括对第二多个样本点执行逆傅立叶变换。
22.如权利要求21所述的方法，其中连续波载波信号是第一连续波载波信号，并且其 中所述代码是第一代码，并且其中编码的连续波信号是多个所发送信号的组合，多个所发 送信号中的每一个都包括由表示脉冲的代码进行调制的连续波载波信号，并且其中多个所 发送信号中的至少两个是由不同的发送器发送的。
23.如权利要求22所述的方法，其中多个所发送信号中的每一个都包括利用第一代码 进行调制的第一连续波载波信号，至少两个所发送的信号具有不同的延迟量。
24.如权利要求22所述的方法，还包括利用单个接收器接收编码的连续波信号。
25.如权利要求24所述的方法，还包括利用接收器来处理编码的连续波信号，以便复 原多个所发送信号中的每一个的脉冲。
26.如权利要求17所述的方法，其中编码的连续波信号是激光信号。
27.如权利要求17所述的方法，其中编码的连续波信号是射频信号。
28.如权利要求17所述的方法，其中编码的连续波信号是毫米波信号，其具有大致为 30GHz到600GHz之间的频率。
29.一种方法，包括发送包括连续波载波信号的连续波发送器信号(106、404、714、904、906、908、910、 1102)，其中所述连续波载波信号利用以非脉冲形式表示脉冲(401)的代码(402)调制；接收所述连续波发送器信号(110、718、912)；以及处理所述连续波发送器信号，以便复原所述脉冲(401、602、603、902a、902b、902C、 902d)。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述代码是通过利用钥匙将脉冲变换成非脉冲形 式来生成的，并且其中处理连续波发送器信号以复原脉冲包括使用该钥匙。
31.如权利要求30所述的方法，还包括生成代码。
32.如权利要求30所述的方法，其中钥匙包括多个相位值。
33.如权利要求32所述的方法，其中将所述脉冲变换成所述非脉冲形式包括向所述脉 冲添加相位值，并且其中利用钥匙处理连续波发送器信号包括从连续波发送器信号减去相 位值。
34. 一种发送器系统(700)，包括计算引擎(702)，配置成生成代码(402)，该代码以非脉冲形式表示脉冲(401)；及信号发生器(708)，配置成产生被所述代码调制的信号(714)。
35.如权利要求34所述的发送系统，其中所述代码是采用如下形式的时间域信号s(t) = IFT[FT[h(t)]eXp[i(K]]其中s(t)是作为时间函数的代码，h(t)是作为时间函数的脉冲，FT表示傅立叶变换， IFT表示逆傅立叶变换，而Φη表示多个相位值。
36.如权利要求35所述的发送系统，其中所述计算引擎是数字信号处理器。
37.如权利要求35所述的发送系统，还包括时钟控制的数模转换器，其输入配置成从 所述计算引擎接收数字版本的代码，而输出配置成提供模拟版本的代码。
38.如权利要求37所述的发送系统，还包括耦合到所述信号发生器以方便被所述代码 调制的信号的发送的光学器件。
39.如权利要求37所述的发送系统，其中所述计算引擎和所述时钟控制的数模转换器 集成到同一芯片上。
40.如权利要求37所述的发送系统，其中所述时钟控制的数模转换器的输出直接耦合 到所述信号发生器的输入。
41.如权利要求37所述的发送系统，其中所述时钟控制的数模转换器具有可变的采样速率。
42.如权利要求37所述的发送系统，其中所述信号发生器是激光器。
43.如权利要求42所述的发送系统，还包括激光二极管驱动器，其输入耦合到所述时 钟控制的数模转换器的输出，以接收模拟版本的代码，而其输出耦合到所述激光器，以驱动 所述激光器。
44.如权利要求35所述的发送系统，还包括耦合到所述信号发生器以方便被所述代码 调制的信号的发送的光学器件。
45.如权利要求35所述的发送系统，其中所述信号发生器是发光二极管。
46.如权利要求35所述的发送系统，其中所述信号发生器是射频信号发生器。
47.一种接收系统(700)，包括计算引擎(702)，配置成接收由利用代码(402)进行调制的连续波载波信号形成的编 码的连续波信号(718)，其中所述代码(402)以非脉冲形式表示脉冲(401)，所述计算引擎 还配置成处理编码的连续波信号，以复原所述脉冲。
48.如权利要求47所述的接收系统，其中编码的连续波信号是时间域信号，并且其中 编码的连续波信号的处理采用以下形式IFT[FT[s(t)]eXp[-i(K]]。其中s(t)是时间域的编码的连续波信号，FT表示傅立叶变换，IFT表示逆傅立叶变换， 而Φ n表示多个相位值。
49.如权利要求48所述的接收系统，还包括检测器，所述检测器配置成检测入射信号 并提供对应于编码的连续波信号的电输出。
50.如权利要求49所述的接收系统，其中所述检测器配置成检测射频信号。
51.如权利要求49所述的接收系统，其中所述检测器是光电探测器。
52.如权利要求49所述的接收系统，还包括光学器件，所述光学器件配置成接收入射 信号并向所述检测器提供该入射信号。
53.如权利要求49所述的接收系统，还包括耦合到所述检测器以便接收所述检测器的 电输出并放大该电输出的放大器。
54.如权利要求53所述的接收系统，其中所述放大器是跨阻抗放大器。
55.如权利要求54所述的接收系统，其中所述检测器和所述放大器集成到同一芯片上。
56.如权利要求49所述的接收系统，其中所述检测器的电输出是模拟信号，并且其中 该系统还包括耦合到所述检测器以便接收所述检测器的电输出并将该电输出转换成对应 于编码的连续波发送信号的数字信号的模数转换器。
57.如权利要求56所述的接收系统，其中所述计算引擎和所述模数转换器集成到同一 芯片上。
58.如权利要求56所述的接收系统，其中所述模数转换器具有直接连接到所述计算引 擎的输出。
59.如权利要求56所述的接收系统，其中所述模数转换器具有可变的采样速率。
60.如权利要求56所述的接收系统，还包括耦合到所述检测器以便接收所述检测器的 电输出并放大该电输出的放大器，并且其中所述放大器耦合在所述检测器和所述模数转换 器之间，并且其中所述放大器具有直接连接到所述模数转换器的输入的输出。
61.如权利要求60所述的接收系统，其中所述计算引擎、所述放大器和所述模数转换 器集成到同一芯片上。
62.一种系统(700)，包括发送器(708、728、704、706、712、1002、101(^-101011、1020)，配置成发送包括连续波载 波信号的发送器信号(714)，其中所述连续波载波信号利用以非脉冲形式表示脉冲(401) 的代码(402)进行调制；以及接收器(720、730、724、722、716、1004、1012、1022)，配置成接收所述发送器信号并处理 所述发送器信号，以便复原所述脉冲(401、602、603)。
63.如权利要求62所述的系统，其中所述代码是采用如下形式的时间域信号s(t) = IFT[FT[h(t)]eXp[i(K]]其中s(t)是作为时间函数的代码，h(t)是作为时间函数的脉冲，FT表示傅立叶变换， IFT表示逆傅立叶变换，而Φη表示多个相位值。
64.如权利要求63所述的系统，其中所述发送器和所述接收器配置成能够访问多个相 位值。
65.如权利要求64所述的系统，其中所述发送器包括时钟控制的数模转换器，所述时 钟控制的数模转换器配置成接收数字版本的代码并产生模拟版本的代码，并且其中所述接 收器包括时钟控制的模数转换器，所述时钟控制的模数转换器配置成接收对应于所述发送 器信号的模拟输入信号并提供数字输出信号，并且其中所述时钟控制的模数转换器与所述 时钟控制的数模转换器同步。
66.如权利要求65所述的系统，其中所述发送器还包括第一计算引擎，该第一计算引 擎配置成产生代码并向所述时钟控制的数模转换器输出数字版本的代码，并且其中所述接收器还包括第二计算引擎，该第二计算引擎配置成接收所述时钟控制的模数转换器的数字 输出信号并处理所述时钟控制的模数转换器的数字输出信号，以便复原所述脉冲。
67.如权利要求66所述的系统，其中所述第一计算引擎、所述第二计算引擎、所述时钟 控制的数模转换器和所述时钟控制的模数转换器都在相同的集成电路芯片上形成。
68.如权利要求67所述的系统，其中所述发送器还包括耦合到时钟控制的数模转换器 以便接收模拟版本的代码并驱动信号发生器的信号发生器驱动器，并且其中所述信号发生 器驱动器是在集成电路芯片上形成的。
69.如权利要求68所述的系统，其中所述接收器还包括放大器，该放大器配置成从检 测器接收信号并向所述时钟控制的模数转换器提供模拟输入信号，并且其中所述放大器是 在集成电路芯片上形成的。
70.—种处理所接收到的信号(110、718、912)的方法，其中所接收到的信号包括利用 表示脉冲(401)的代码(402)进行调制的连续波载波信号，该方法包括以一个采样速率采样所接收到的信号，创建多个样本点，其中每个样本点都与相邻的 样本点在时间上隔开一个采样间隔；识别多个样本点的特征(602、603、1104、902a、902b、902c、902d)；对多个样本点进行傅立叶变换来产生FT信号；以及在所述特征的附近确定作为频率的函数的FT信号相位变化(802、804)的速率。
71.如权利要求70所述的方法，其中所述特征是多个样本点的峰值振幅。
72.如权利要求70所述的方法，还包括除去出现在该特征之前的至少一部分FT信号和 出现在该特征之后的一部分FT信号。
73.如权利要求72所述的方法，其中所述特征是多个样本点的峰值振幅。
全文摘要
利用一个或多个代码调制发送器信号，其中，尽管代码不是脉冲的形状，但可以表示脉冲。代码可以通过利用其傅立叶分量定义脉冲，然后向所述傅立叶分量添加随机相位来生成。然后，可以产生时间域信号，该信号可以充当要对载波信号进行调制的代码。在发送器信号反射回后，所接收到的信号可以由接收器处理，以复原脉冲。然后，可以确定发送器信号的飞行时间，使得可以进行距离的测量。
文档编号G01S13/32GK101910864SQ200880122351
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月12日 优先权日2007年11月12日
发明者S·德立瓦拉 申请人:阿纳洛格装置公司
技术领域：
在此所述的技术涉及用于生成并处理编码的发送信号的装置和方法，及此类装置 和方法的各种应用。
背景技术：
到物体的距离测量可以通过发送并接收发送信号来进行。所发送的信号从发送器 朝物体发送。所发送的信号被物体反射并被位于与发送器相同位置的接收器检测。假定具 有关于所发送和反射信号的传播速度的某些知识，到物体的距离就可以通过确定何时信号 被发送器发送和何时其被接收器接收之间的时间量来计算。
发明内容
根据一个方面，提供了一种产生编码的连续波发送器信号的方法。该方法包括产 生连续波载波信号，及利用代码来调制该连续波载波信号，以便产生编码的连续波发送器 信号，该代码以非脉冲形式表示脉冲。根据另一方面，提供了一种处理编码的连续波信号的方法。所述编码的连续波信 号包括利用代码调制的连续波载波信号，其中所述代码以非脉冲形式表示脉冲。该方法包 括对编码的连续波信号的至少一部分执行逆变换，以复原所述脉冲，其中所述逆变换消除 脉冲到非脉冲形式的变换。根据另一方面，一种方法包括发送连续波发送器信号，其中所述连续波发送器信 号包括利用代码调制的连续波载波信号，该代码以非脉冲形式表示脉冲。该方法还包括接 收该连续波发送器信号，并处理该连续波发送器信号，以复原所述脉冲。根据另一方面，一种发送系统包括配置成生成代码的计算引擎和配置成产生由该 代码调制的信号的信号发生器，其中所述代码以非脉冲形式表示脉冲。根据另一方面，一种接收系统包括配置成接收由连续波载波信号构成的编码的连 续波信号的计算引擎，其中所述连续波载波信号利用以非脉冲形式表示脉冲的代码进行调 制。该计算引擎还配置成处理编码的连续波信号，以复原所述脉冲。根据另一方面，一种系统包括配置成发送包括连续波载波信号的发送器信号的发 送器，其中所述连续波载波信号利用以非脉冲形式表示脉冲的代码进行调制。该系统还包 括配置成接收发送器信号并处理发送器信号以便复原所述脉冲的接收器。根据另一方面，提供了一种处理所接收到的信号的方法，其中所接收到的信号包 括利用表示脉冲的代码进行调制的连续波载波信号。该方法包括以一个采样速率采样所接收到的信号，创建多个样本点，每个样本点都在时间上与相邻的样本点隔开一个样本间隔。 该方法还包括识别多个样本点的特征，并对该多个样本点进行傅立叶变换，以便产生FT信 号。该方法还包括确定特征附近的作为频率的函数的FT信号相位变化的速率。
附图并不意图按比例绘制。图中，在各个图中所示出的每个完全相同或几乎完全 相同的部件是由相同的标号表示的。为了清晰，不是每个部件都在每个图中标出。在附图 中图1是根据一种实施方式可以确定到物体的距离的系统；图2是根据一种实施方式生成并处理发送信号的方法的流程图；图3是根据一种实施方式如在图2方法中使用的生成表示脉冲的代码的方法的流 程图；图4A和4B示出了强激励脉冲(impulse)的一个非限制性例子，及可以在图3所 示出的方法中使用的时间域代码；图4C示出了利用图4B中所示类型的代码形成的示例发送器信号；图5是如在图2方法中使用的处理信号以便复原脉冲的方法的例子流程图；图6A和6B示出了利用图5方法从反射的发送器信号重构的脉冲的例子；图7是根据一种实施方式能够根据图2方法运行的发送器/接收器系统；图8是根据一种实施方式可以用于方便确定所接收到的发送器信号定时的图类 型的例子；图9A-9D示出了根据一种实施方式相对于彼此移动恒定的延迟量的发送器信号 的例子；图9E示出了对应于图9A-9D中所示的信号组合的、可以被接收器接收的信号；图9F示出了从图9E的信号重构的脉冲；图IOA示出了根据一种实施方式包括单个发送器与多个接收器的系统；图IOB示出了根据另一种实施方式包括多个发送器与单个接收器的系统；图IOC示出了根据一种实施方式包括能够扫描视场的单个发送器与单个接收器 的系统；图IlA和IlB分别示出了根据一种实施方式的所接收到的具有消波(clipping) 的发送器信号和从所接收到的发送器信号重构的脉冲；以及图12是示出根据一种实施方式生成并处理编码的连续波信号的方法的流程图。
具体实施例方式给出了可以用于有效地将连续波发送系统作为脉动系统操作的装置与方法，发送 信号的连续波本质改变得很少或者不改变。发送器信号可以利用代码或者序列来编码，所 述代码或序列包括非脉冲形式(例如噪声形式)的脉冲信息。因此，利用代码编码连续波载 波信号只改变很少或者不改变发送器信号的连续波本质，同时承载脉冲的信息。因此，可以 实现连续波发送系统的益处，例如更低的成本、设计的简化及更容易实现的功率需求(例 如，更低的峰值功率与平均功率之比)，以及脉动发送形态的益处，例如高精度和检测多反
8射的能力，等等。这种装置和方法可以在测距系统(即，距离测量系统)或其它环境中应用。 该方法和系统可以实现为扩展频谱或超宽带技术，等等。根据本发明的一方面，连续波(CW)载波信号利用以非脉冲形式表示脉冲的代码 来编码。因为本发明的各方面不限于使用任何特定类型的脉冲，因此任何类型的脉冲都可 以使用。合适的脉冲的例子可以包括强激励脉冲(impulse)、方形脉冲或者三角形脉冲，等 等。为形成代码，脉冲可以变换成的非脉冲形式的例子是高斯噪声型序列。但是，本发明的 各方面和实施方式不限于使用任何特定的非脉冲形式，因为存在许多脉冲可以变换成的非 脉冲形式。此外，所使用的非脉冲形式的类型可以选择成具有有利的特性。例如，与脉冲相 比，代码可以具有低峰值-平均功率比。而且，脉冲到非脉冲形式的变换可以利用任何合适 类型的变换完成，变换的例子可以包括傅立叶变换、拉普拉斯变换或者阿达玛变换，等等。 变换可以包括扰乱(scramble)脉冲的值、利用由一组数形成的钥匙修改脉冲，或者任何其 它合适的步骤。编码的信号，包括利用代码调制的连续波载波信号，随后可以由发送器发送并由 接收器接收。然后，接收器可以对所接收到的信号执行逆变换，以复原脉冲，即，消除脉冲到 非脉冲形式的变换。以这种方式，发送器_接收器系统可以有效地运行，虽然实际上所发送 和接收的信号不像脉冲，但就好像发送和接收脉冲一样。应当认识到，根据一些实施方式， 接收器可能了解在将脉冲变换成非脉冲形式以便形成代码时由发送器所使用的变换的类 型，因此在接收到所发送的信号时接收器可以准确地消除变换。在一些实施方式中，这种了 解可以通过在接收器和发送器之间发送信息、通过使用用于接收器和发送器的共享部件或 者通过任何其它合适的方式来提供。图12示出了根据一种实施方式用于发送和处理信号的方法的一个例子。如所示 出的，方法1200可以包括发送过程1202和接收过程1204。发送过程1202可以在1206开 始，通过将脉冲变换成非脉冲形式来生成代码或序列。例如，根据一种实施方式，可以是任 何脉冲类型(例如，强激励脉冲、方形脉冲、三角形脉冲或者任何其它类型的脉冲)的脉冲 可以是时间域信号，该信号可以变换到不同的域。一旦变换到其它域中，脉冲就可能被修 改，例如通过随机化、加扰或者以别的方式改变脉冲的值。然后，修改后的脉冲可以被进一 步修改，以便将其返回到时间域信号，由此完成动作1206。修改可能导致脉冲在形式上不再 像脉冲，而是更像噪声，或者某种其它非脉冲的形式，就用作发送和接收信号而言，所述非 脉冲的形式可能具有有利的特性。应当认识到，动作1206可以以各种方式执行，而且不是 所有执行动作1206的方式都可能涉及在不同信号域之间(例如，时间域和频率域之间)的 移动。随后，在1208，可以非脉冲形式再次承载脉冲信息的代码然后可以用于调制连续 波载波信号。在1210，然后可以发送发送器信号，该发送器信号包括利用该代码编码的连续 波载波信号。根据图12的实施方式，所发送的信号可以从物体反射，但应当认识到，这种反 射不必在所有实施方式中都出现。然后，在1214，所反射的信号可以被接收器接收。在1216，所接收到的信号可以被处理，以便通过将所接收到信号的代码变换回脉 冲来复原脉冲。在一些实施方式中，代码向脉冲的变换可以包括执行动作1206中所使用的 从脉冲形成代码的变换的逆变换。应当认识到，根据一些实施方式，将来自所接收信号的代 码变换成脉冲所采取的步骤可能不是在1206将脉冲变换到代码所使用的变换的精确逆变换。相反，如在此所使用的，逆变换可以包括消除不同变换的效果的变换，而不管该逆变换 事实上是否需要以相反次序执行不同变换的相同步骤。根据本发明的一方面，连续波载波信号可以利用代码或序列来调制，然后被发送， 所述代码或序列表示脉冲的随机化版本。所发送的信号可以从物体反射并被位于发送器附 近的接收器接收。所接收的信号可以被处理，以便复原脉冲，从中可以确定脉冲的飞行时 间。然后，利用脉冲的飞行时间和脉冲传播的速度，可以确定从发送器和接收器到物体的距罔。图1示出了根据一种实施方式的系统的一个例子，该系统可以使用以上所述的一 种或多种方法。如所示出的，系统100包括发送器102和接收器104。发送器102和接收 器104可以位于基本相同的位置，使得它们中每一个都位于距离任何周围物体基本相同的 距离。发送器102和接收器104可以是独立的、可以是同一个(即，用作发送器和接收器的 收发器)、可以在具有某些独立部件的同时共享某些部件、或者可以采取任何合适的形式， 因为本发明的各方面在这方面没有限制。发送器102可以生成并发送发送器信号106，如以下进一步描述的，该信号可以是 编码的连续波发送器信号。发送器信号106可以撞击物体108，并至少部分地从物体108反 射，由此生成反射信号110，即，发送器信号106的反射版本。物体108可以是汽车、树木、人 或者任何其它类型的物体，因为本发明的各方面不限于使用任何特定类型的物体。而且，物 体108可以是固定的或者移动的。反射信号110可以被接收器104接收，从该反射信号可 以利用等式(1)确定接收器和发送器与物体108之间的距离X1 X1 = (vt/2) 等式(1)其中ν是发送器信号106和反射信号110的速度，假定对于发送器信号和反射信 号该速度是相同的，t是发送器信号106被发送器102发送的时间和反射信号110被接收 器104接收的时间之间的时间。根据本发明的一方面，发送器信号106，并且因此还有反射信号110，可以是编码 的连续波信号。代码可以非脉冲形式表示脉冲，例如作为脉冲的随机化版本。例如，如以下 将更具体讨论的，脉冲(例如，δ函数、方形脉冲、三角形脉冲或者任何其它类型的脉冲)可 以数学变换成随机化信号，例如看起来像噪声的信号。这种“噪声”信号可以充当对连续波 载波信号进行调制以便产生编码的连续波信号106的代码。然后，如先前所提到的，可以处 理反射信号110，以复原脉冲，其中所述反射信号110也因此可以包含对连续波载波信号进 行调制的代码。图2示出了用于生成和处理编码的连续波信号的方法的一个例子，其中编 码的连续波信号例如发送器信号106和反射信号110。方法200包括可以作为发送过程202的一部分执行的几个动作以及可以作为接收 过程204的一部分执行的几个动作。方法200不限于可以用于执行所列举出的各个动作的 硬件和/或软件的类型，而是可以以任何合适的方式执行。例如，发送过程202的动作可以 由与接收过程204的动作相同的硬件和/或软件、不同的硬件和/或软件或者由共享的硬 件和/或软件的任何合适组合来执行，因为该方法在这方面没有限制。如所示出的，方法200以发送过程202开始，S卩，以在206生成表示脉冲的代码开 始。生成代码可以包括生成脉冲的随机化版本，如以下关于图3进一步详细讨论的。应当认 识到，尽管图2-3的方法显示并描述了生成代码，但其它实施方式不涉及代码的实际生成。
10相反，根据一些实施方式，代码可以从包含一个或多个合适的代码的存储器、库读出或者以 任何其它合适的方式提供。一旦代码生成，在208，就可以利用该代码对载波信号进行调制。载波信号可以是 例如由连续波发送器产生的连续波载波信号。代码可以在时间上受到限制，具有任何合适 的持续时间。例如，在一些实施方式中，代码的持续时间可以选择成比期望的代码飞行时间 最大值长，而且有些时候显著地长，其中代码的飞行时间是从代码被发送器发送的时间到 代码被接收器接收的时间。例如，代码的持续时间可以是2纳秒、2微秒、4微秒、10微秒、 200微秒、几毫秒或者任何其它合适的持续时间，因为本文所述的各方面不限于使用任何特 定持续时间的代码。连续波载波信号可以利用代码的单次出现来调制，或者利用代码的多次出现来调 制。如果连续波载波信号利用代码的多次出现来调制，则该多次出现可以在时间上隔开，例 如通过用隔开5秒的两个1秒长的代码的出现来调制连续波载波信号，或者可以持续重复， 使得对于载波信号代码的出现之间没有时间间隙。然后，编码的发送器信号，即利用在206产生代码的一次或多次出现调制的连续 波载波信号，可以在210例如由图1中的发送器102或者由任何其它合适的发送器发送。如 以下将进一步详细描述的，代码可能不改变或者可能不显著地改变载波信号的连续本质， 使得发送器信号可以由连续波发送器产生。例如，代码可以包括脉冲的随机化样本点，而且 在一些实施方式中可以近似于噪声。因此，代码的峰值功率与平均功率之比可能不大，例如 小于10，在一些实施方式中甚至更低。在发送以后，在212，发送器信号可以从物体反射。应当认识到，根据一些实施方 式，所发送的信号可能经历多次反射，即，从多个物体反射，因此生成多反射信号。方法200 可以同样很好地应用到涉及多反射的情况。然后，方法200可以前进到接收过程204。特别地，在212生成的反射信号可以在 214被任何合适的接收器接收。然后，所接收的信号可以被处理，如以下针对图5进一步详 细描述的，以便复原由在206产生的代码所表示的脉冲。处理可以由接收器执行，或者可以 由接收器发送到任何合适的处理设备，例如计算机、专用集成电路(ASIC)或者任何其它用 于处理所接收信号的合适硬件、软件或者其组合。如前面所提到的，复原的代码和/或脉冲 可以用于确定由代码表示的脉冲的飞行时间，从该飞行时间可以确定到反射物体的距离。 但是，图2所示出的方法不限于为任何特定的目的而使用复原的代码和/或脉冲。而且，如所提到的，应当理解，方法200的动作可以同时对多个信号执行。例如，如 所提到的，所发送的信号可能经历多次反射，使得动作214可能涉及接收多个信号，而动作 216可能涉及处理多个信号，以便从每个所接收的信号复原脉冲。可选地，如关于图9A-9D 更详细描述的，多个信号可以由多个发送器发送，而且接收过程可以对来自各个发送器的 所有信号执行。图3示出了生成用于调制发送器信号的代码的一种示例方法，如图2中206所示 出的。代码可以表示脉冲，但不采取脉冲的形式，而且根据一些实施方式，代码表示脉冲的 随机化版本。如前面所描述的，在有些环境下，可能期望从发送器发送脉冲，因为到物体的 距离可以通过测量脉冲的飞行时间来确定。但是，存在与发送脉冲的传统系统与方法关联 的缺陷。由于生成脉冲所需的硬件及与其关联的大振幅变化本身可能是复杂和/或昂贵的，所以传统的系统常常是复杂和/或昂贵的。相反，用于生成连续波发送信号的系统可以 更简单、更便宜并且更不容易出现故障。因此，根据本发明的一方面，用于调制连续波载波 信号的代码实际上可以不采取脉冲的形式，而是可以非脉冲形式承载脉冲的信息。因此，利 用代码调制连续波载波信号可以不改变或者不显著改变载波信号的连续波本质。再次参考图3，图2中生成表示脉冲的代码的动作206因此可以包括在302通过 其傅立叶分量来定义脉冲。任何类型的脉冲都可以用于这种目的，因此在302定义的脉冲 可以是方形脉冲、三角形脉冲、强激励脉冲或者任何其它类型的脉冲。因为本发明的各方面 不限于使用任何特定类型的脉冲，因此脉冲的特性，例如持续时间、形状和振幅，可以针对 特定系统和应用按照期望来选择。为了容易解释，并且不限制在此所述任何一方面的范围， 强激励脉冲(即，δ函数)将作为示例脉冲进行描述。图4Α示出了强激励脉冲401，其具 有基本上为零的宽度，就通用单位u(例如，以伏特为单位的电压)而言，这已经标准化成具 有大约为一的振幅，而且可以用于针对图3进行解释。应当认识到，这种标准化是可选的， 而且本发明的各方面不限于标准化脉冲的使用。此外，应当认识到，图3及在此所述的其它 方法不限于使用强激励脉冲。利用其傅立叶分量定义强激励脉冲的动作302可以利用积分进行，或者在实践当 中可以利用求和进行，因为本发明的各方面在这方面没有限制。为了解释，脉冲可以在时间 或者持续时间T上分辨。脉冲可以由在持续时间T上对应于脉冲的傅立叶分量的有限数量 的样本点定义。任何数量的样本点都可以使用。在一些实施方式中，图2-3的方法可以利 用包括模数转换器(A/D转换器，也称为ADC)和/或数模转换器(D/A转换器，也称为DAC) 的系统来实现，如以下参考图7描述的。在这种情况下，分辨脉冲的样本点的数量Ns可以由 Ns = FsT给出，其中Fs是采样速率，例如对应于A/D转换器或者D/A转换器的采样速率。
在302利用其傅立叶分量定义强激励脉冲之后，产生代码的动作206还可以包括 在304，生成要添加到来自302的强激励脉冲的傅立叶分量的多个随机相位。随机相位可以 由随机数发生器、手动或者以任何其它合适的方式生成，因为本发明的各方面在这方面没 有限制。根据一种实施方式，(对于实信号)随机相位向量Φη包括在来自302的定义脉冲 的Ns个傅立叶分量之间随机分布的Ns/2个相位。根据图3的非限制性例子，所生成的随机相位随后添加到强激励脉冲的傅立叶分 量上。一个相位可以添加到每个傅立叶分量上。在308，随后对利用随机相位随机化的傅立 叶分量执行逆快速傅立叶变换(IFFT)，由此产生时间域信号。等式2示出了所产生的时间 域信号的例子，如以下更详细描述的，该时间域信号可以对应于从计算引擎发送到D/A转 换器的信号。
Ns/2~i 「 2;r1冲J二 2 exp+武)等式(2)
n=-Ns/2 Ls.其中，φη=φ*_η 并且 tm = mTs其中Φη是随机相位向量，m是样本点数量，％是采样时间，而1是在第m个时间 点的信号。等式(2)的信号具有低“峰值_平均值”比。特别地，因为傅立叶分量的相位是 在进行IFFT之前随机化的，所以脉冲的能量可以基本上跨代码的持续时间均勻地分布，而 且峰值能量与平均值能量之比可以小于大约十，或者更小。于是，在一些实施方式中，信号发生器(例如，激光、无线电波发生器，等等)可以低峰值-平均值比(例如，小于10的峰 值-平均值功率)额定运行。此外，等式(2)的信号是关于间隔T呈周期性的。对于很随 机的相位，输出振幅是以均方根(rms)振幅为1高斯分布的。在一些实施方式中，在利用等 式(2)的信号调制载波信号之前，(1-4之间的振幅或者任何其它合适的振幅的)DC项可以 添加到等式(2)的信号上，以避免实质性的消波。但是，图3的方法在这方面没有限制。还应当认识到，等式(2)是可以根据图3方法生成的合适代码的一种非限制性例 子。其它形式的代码也是可能的。例如，可选的合适代码可以由下式给出 而且其中相位向量是由下式定义的么(C，； )= ^^；) sin(rt)等式(5)针对等式(5)中c和ρ的特定值，产生高斯噪声状输出。因此，(c,ρ)对可以从一 大组可能的选项中选择，并且，尽管相位向量没有随机化，但仍然向发送-接收对提供唯一 的代码。图4B示出了可以通过对图4A的强激励脉冲401应用图3的方法来生成的时间域 代码402，而且该代码可以用于调制连续波载波信号。图4B的y轴是关于12位数模(D/A) 转换器(可选地称为“DAC”)的输出状态给出的，其中该DAC是可以用于产生代码的部件的 一个例子。因此，y轴的实际单位可以对应于任何合适的电压。可以提及图4B中所示代码402的各种特性。例如，应当认识到，在此所述的代码 不需要利用D/A转换器产生。而且，还应当认识到，图4B中所示的代码包括大约2000的DC 偏移，即，已经缩放过了，以防止信号的消波。这种缩放是可选的，而且不需要在每种情况下 进行。此外，图4B中的代码包含4096个样本点，但在此所述的方法不限于使用这种长度的 代码。图4B示出了在一些实施方式中所生成的代码看起来可以多类似于噪声。图4C示出了例如由激光器输出的发送器信号404的例子，该发送器信号包括利用 如图4B中所示代码的代码进行调制的连续波载波信号。信号的振幅由通用单位(u)给出， 例如电压的单位是微伏、伏特，或者任何其它合适的振幅，由于可以认识到信号的绝对量值 可能依赖于生成这种信号的系统的各种部件，因此本发明的各发明不限于利用任何特定量 值的信号工作。信号可以是周期性的，例如具有周期T。通过参考图4C，应当认识到，根据 本发明各方面的发送器信号不包含脉冲形式，但其可以包含脉冲的信息。图5示出了图2中的动作216的一种非限制性实施方式，该动作216用于处理从 物体反射的编码的发送器信号。根据一些实施方式，从目标接收到的信号，即反射信号，是 周期性的，且间隔为T。例如，如所提到的，图4C示出了根据一种实施方式来自信号发生器 的输出的例子，该输出可以是周期性的。从目标接收到的信号在形式上可以是基本上相同 的，振幅可能有一些衰减。如图5所示，动作216可以可选地在502通过将几个(N,个)所 接收到信号的拷贝求和而开始。例如，对于所接收的信号的每个间隔T的样本Ns可以存储
并加到来自所接收的信号下一间隔的样本。因此，该周期性信号可以连贯地添加，而信号中 的噪声可以不连贯地添加。信号中的噪声可以从环境、从电路部件(例如，光电探测器、跨 阻抗放大器或者接收系统的其它电路)或者从其它源产生。如所提到的，在图5中的502执行的求和是可选的，而且不需要在所有情况下都执 行。求和可以将所接收到的信号的信噪比(SNR)提高一个量，这个量等于所执行的相加次 数的平方根。因此，执行的相加越多，信号的改善越好。随后，在504，可以对接收到的信号执行傅立叶变换，或者在图5的非限制性实施 方式中，对在502形成的求和后的所接收信号执行傅立叶变换。所产生的傅立叶分量中的 每一个都可以包括一个相位，例如随机相位，其对应于当生成代码时在图3中动作316处所 添加的相位。因此，图5中所示出的方法可以在506继续，其中从来自504的求和后的所接收信 号的傅立叶分量中除去随机相位。这可以通过从求和后的所接收信号的傅立叶分量中减去 随机相位或者通过用等式(2)中随机相位项eXp[-i(K]的复共轭乘以每个傅立叶分量来 实现。根据这种非限制性实施方式，在506处从每个傅立叶分量中减去的随机相位对应于 在图3中306处加到每个相应傅立叶分量的随机相位，使得506的结果产生不具有任何随 机相位值的傅立叶分量。例如，从来自动作504的傅立叶变换后的信号减去用于在图3中 306处随机化所发送信号的相位向量Φη。随后，在508，可以执行在506产生的傅立叶分量的IFFT，以复原在图3中302处 定义的脉冲。IFFT产生时间域信号，如等式(6)中所示
其中，R是更新速率(例如，发送信号发送的速率)，T是总的代码持续时间或者长 度，RT是在动作502处执行的相加次数，m是样本点数量，ζ是从发送器/接收器到反射物
体的距离，c是发送和反射信号传播的速度，η'是衰减系数。项
是来自远方目标
的信号和所接收信号的平均的衰减结果。项^1对应于到目标的延迟，其中Z是到目标(或
者物体)的距离，而C是传播的速度。最后一项θΧρ[+ Φη]是在对所接收信号进行FFT之
后乘以原始“随机化”相位向量的运算。所产生的信号8_(0是在对应于&的延迟或者
在阵列位置——处的“δ函数”，其中mz是样本点数量，而^是采样时间。图6A示出了通过对例如图4C所示信号的信号应用图5的方法而产生的结果重构 脉冲602的例子，其近似为δ函数。假定振幅的绝对量值(即，电压)可以依赖实现该方 法所使用的系统的类型而不同，振幅的单位是通用单位(U)。也以通用单位(U)示出振幅 的图6Β示出了通过利用图5的方法处理如图4C所示信号的信号而获得的重构脉冲603的 另一个例子，假设所发送的信号从与发送器/接收器相距50米的物体反射。如联系图7将 要描述的，接收器可以包括具有有限采样速率的电路，例如A/D转换器。图6Β的重构采用 125MHz的采样速率。如图所示，所复原的信号不精确地是一个强激励脉冲，而是跨多个样本或区段(bin)分布，峰落在第10个和第11个区段之间。样本或者区段对应于例如图7中 A/D转换器724的A/D转换器的采样速率。如以下联系图8将要描述的，本发明的一方面提 供了确定重构脉冲在区段中设置的方法。应当提到图2、3和5的方法的几个特征，以及所产生信号的特征。例如，应当认识 到，相位向量6 对于发送_接收对是唯一的，而且因此可以用作使发送器和接收器彼此连 接的“钥匙”(key) ”，因此使得它们在存在其它发送器和接收器的时候正确地操作。对具有 与用于生成发送器信号的相位不同的相位Φη的所接收到的信号的操作将不会产生重构的 δ函数。以这种方式，由于接收器可以不复原没有正确的相位值(即正确的“钥匙”)的脉 冲，因此相位Φη可以作为“钥匙”操作。因此，图3和5所示的方法自动地提供了对于发送 器-接收器对唯一的钥匙。应当认识到，尽管相位6 可以是一种类型的钥匙，但其它类型 的钥匙也可以用于在生成代码时对脉冲进行操作，然后由接收器用于从发送器信号复原脉 冲。因此，相位值Φη仅仅是可以用于通过将脉冲变换成非脉冲形式来生成代码的钥匙的 一种非限制性例子。此外，应当认识到，根据图5方法重构的δ函数(例如图6Α的重构δ函数)的 所得到的“峰值振幅”，例如由于衰减或者其它因素，可以具有与发送信号振幅不同的振幅。
作为一种非限制性例子，重构的δ函数可以具有有效振幅f G ,其中Pa是平均功率，而
队是代码的样本点数量。三分之一(即，1/3)的因子可以是实现在此所述方法的实践结果， 例如其中三分之一的因子可以对应于DC项可添加到发送器输出信号(例如，图4C的信号 包括大约3的DC偏移)以避免发送器输出的消波的情况。因此，应当认识到，1/3的因子 仅仅是个例子，而且其它值(例如，1/2，1/4或者其它值)可以产生其它系统。平均功率Pa 可以由Pa = (2 π ) (1/2)P0R给出，其中P。是峰值功率，R是更新速率。此外，应用图5的方法可以产生令人满意的系统SNR。例如，SNR可以由等式(7) 给出 等式(7)说明SNR独立于整个发送器信号生成和处理过程中所使用的采样速率， 但依赖于更新速率R。此外，应当认识到，尽管图2、3和5中所发送和接收的信号包含脉冲 的信息，但等式(7)的SNR类似于在振幅调制和频率调制的连续波系统中所实现的SNR。此外，应当认识到，采用图2、3和5方法的系统的检测范围可能是好的。例如，这 种系统的检测范围可以等于或者大于以相同平均信号发生器输出功率(例如，激光器的输 出功率)运行的频率调制或振幅调制连续波系统的检测范围。到目前为止所说明的方法(例如，图2、3、5和12中的方法)可以由任何合适的系 统采用。例如，图1示出了可以实施到目前为止所说明的一种或多种方法的系统。此外，图7 示出了可以实施到目前为止所说明的一种或多种方法的激光器系统，常常将其称为LIDAR 系统。系统700包括几个专用于激光器操作的部件，例如激光二极管驱动器和激光器本身。 但是，应当认识到，类似的系统可以具有相同的总体配置，但是，通过切换某些部件，在不同的域(例如，RADAR)中运行。因此，图2、3、5和12的方法不限于在激光系统中使用。如图所示，系统700包括计算引擎702，例如数字信号处理器(DSP)。计算引擎702 可以执行各种处理功能，例如执行图2、3、5和12中所示出的一种或多种动作。为此，计算 引擎702可以包括周期性序列发生器728和数据重构电路730。周期性序列发生器可以用 于生成用于调制连续波发送器信号的代码，例如已经在此描述过的。周期性序列发生器可 以配置成生成长度为512到4096个样本点之间的代码，或者具有任何其它合适数量的样本 点，因为本发明的各方面在这方面没有限制。计算引擎702耦合到数模(D/A)转换器704，而且在一些实施方式中周期性序列 发生器728的输出耦合到D/A转换器704的输入。因此，周期性序列发生器可以向D/A转 换器704提供周期性序列，例如代码，其中D/A转换器728可以将数字代码转换成模拟信 号。D/A转换器704可以是8位转换器，或者可以具有任何位值。根据图7的非限制性例 子，D/A转换器704是时钟控制的D/A转换器，它从时钟发生器705接收频率在大约50MHz 到200MHz之间的输入时钟信号703。应当理解，任何时钟发生器和任何时钟频率都可以使 用，因为本发明的各方面在这方面没有限制。此外，D/A转换器704可以具有任何合适的采 样速率，而且在一些实施方式中采样速率可以变化，以便相对于给定的处理功率、最大范围 和系统的距离分辨率提供最优的SNR。根据图7的实施方式，D/A转换器704的输出连接到激光二极管驱动器(LDD)706， LDD 706又连接到激光器708，以驱动激光器。LDD 706和激光器708可以是任何合适类型 的二极管驱动器和激光器组合，因为本发明的各方面在这方面没有限制。例如，LDD 706可 以是以大约40-100mA电流运行的100MHz LDD。其它LDD也可以使用。D/A转换器704可 以向LDD 706提供模拟版本的代码，LDD 706可以利用该代码调制激光器708的输出。根 据一些实施方式，D/A转换器可以直接耦合到激光器，从而使得没有LDD。而且，根据一些实 施方式，激光器可以用发光二极管或者任何其它类型的信号源来代替。系统700还包括投射和接收器光学器件710。该投射和接收器光学器件可以配置 成方便信号的发送和接收，并因此可以具有用于完成该功能的任何合适的部件。例如，投射 和接收器光学器件710可以包括用于方便发送器信号714发送的透镜712。发送器信号714 可以是编码的连续波发送器信号，其具有代表调制连续波载波信号的脉冲的随机化版本的 代码。尽管示出了单个透镜712，但应当认识到，投射和接收器光学器件710可以包括多个 透镜、过滤器或者任何其它类型的光学器件，以方便发送器信号714的发送。投射和接收器光学器件710还可以包括用于接收反射信号718的透镜716或者任 何其它合适的光学器件(例如，附加的透镜、过滤器或者其它形式的光学器件)。反射信号 718可以对应于在反射离开一个或多个物体之后的发送器信号714。应当认识到，尽管投射和接收器光学器件710被示为在相同的结构中，如由虚线 框所指示的，但根据本发明一些方面的系统在这方面没有限制。例如，投射光学器件(例 如，透镜712)和接收器光学器件(例如，透镜716)可以包含在不同的结构中、可以共享一 个或多个部件或者可以采取任何其它合适的配置。反射信号718可以从接收器光学器件(例如透镜716)传到任何合适的检测器 720。用于检测器720的检测器类型可以依赖于所接收到信号的类型(例如，LIDAR系统、 RADAR系统，等等)。例如，检测器720可以是光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管或者针对被检测的反射信号718类型的任何其它合适类型的检测器。而且，检测器720 可以例如通过在与系统700的一个或多个其它部件相同的芯片上形成而与一个或多个其 它部件集成。在一些实施方式中，由检测器720产生的输出信号可能小。因此，可能期望放大来 自检测器720的信号。因此，在系统700中，检测器720耦合到跨阻抗放大器(TIA) 722。TIA 722可以在IOOMHz运行，具有非常低的噪声，例如具有小于2pA/rtHz的均方根(rms)噪声。 但是，具有其它运行特性的其它放大器也可以使用。此外，尽管TIA是可以在系统700中使 用的放大器的一个例子，但应当认识到，可选类型的放大器可以在其它实施方式中使用。此 外，在一些实施方式中，可以不使用放大器。而且，当使用放大器时，检测器720可以集成到 与放大器相同的芯片上。在图7的非限制性例子中，来自TIA 722的输出信号是模拟信号。为了将该信号 转换成数字信号，TIA 722的输出耦合到模数(A/D)转换器724，该A/D转换器724向计算 引擎702的数据重构电路730提供数字信号，以进行进一步的处理。A/D转换器724可以 是8位转换器、12位转换器或者可以具有任何合适的位值。就像关于D/A转换器704 —样， A/D转换器724在图7的非限制性例子中是时钟控制的转换器，并在其一个输入接收时钟 信号703。因此，D/A转换器704和A/D转换器724可以是同步的。以这种方式，由D/A转 换器704执行的采样可以与由A/D转换器724执行的采样同步，这可以提高处理反射信号 718以便复原信号中所嵌代码的准确度。此外，就像关于D/A转换器704 —样，A/D转换器 724可以具有任何合适的采样速率，而且在各种实施方式中采样速率可以变化，以便相对于 给定的处理功率、最大范围和距离分辨率提供最优的SNR。计算引擎702的数据重构电路730可以从A/D转换器724接收数字信号并处理该 信号，以便从信号(例如从对激光器708的输出进行调制的代码)复原脉冲，从而产生发送 器信号714。应当认识到，数据重构电路730也可以执行可选的或者附加的功能，因为本发 明的各方面在这方面没有限制。如所提到的，系统700是激光器系统，并且因此包括专用于以激光运行的某些部 件(例如，LDD 706和激光器708)。但是，相同的系统结构可以应用到对不同类型信号操作 的不同环境。例如，通过转换合适的部件，系统700可以修改成作为RADAR系统运行，或者 产生频率大约在30GHz到600GHz之间的毫米波信号，或者在其它环境下运行。例如，可选 地，激光器708可以是无线电波发生器，并且可选地，检测器720可以是天线，而不是光电检 测器。如果发送器产生频率大约在30GHz到600GHz之间的毫米波信号，则检测器可以是能 够检测这种信号的检测器。其它变化也是可能的。图7的系统在简单性方面提供了各种好处。例如，该系统示出了 TIA 722和A/D 转换器724之间的直接连接。此外，该系统还示出了 A/D转换器724和计算引擎702之间 的直接连接。因此，根据一些实施方式，在TIA和A/D转换器之间或者A/D转换器和计算引 擎之间都不需要混合器。而且，根据一些实施方式，D/A转换器704可以直接连接到激光器 708。此外，系统700的一个或多个部件可以在单个集成电路芯片或者管芯(die)上形 成。例如，虚线框726中的部件可以在单个芯片上实现。但是，其它变化也是可能的。而且，应当认识到，系统700可以提供对某些数据或值的共享访问。例如，如已经描述过的，根据一些实施方式，用于生成和处理发送器信号的方法涉及利用钥匙将脉冲变 换成非脉冲形式，然后利用该钥匙将所接收信号的代码变换回脉冲。因此，根据一种实施方 式，系统700的发送部分和接收部分可以都能访问这种钥匙(例如，多个相位值)。例如，该 钥匙可以存储在可以由计算引擎702访问的存储器中，或者可以让计算引擎以任何其它合 适的方式访问，因为本发明的各方面在这方面没有限制。可选地，钥匙可以在系统700的发 送部分和接收部分之间发送。如先前联系图6B所提到的，根据图5方法重构的信号可以具有落在处理系统时间 间隔或者区段之间的特征，例如峰。此外，如图6B所示，重构的脉冲可以跨越多个区段。可 能期望识别重构脉冲峰所处的特定区段。根据本发明的一方面，提供了用于确定所接收到 的脉冲落在哪个区段中的方法(例如，见图6B)。此外，还提供了以比DAC和ADC(例如，图 7的DAC和ADC)采样速率所提供分辨率更大的分辨率确定到物体的距离的方法。总的来说，可以分解的重构信号(例如，图6A和6B的重构δ函数)的最小时间 延迟由1/FS给出，这意味着最小距离分辨率Δζ由Δζ = c/(2Fs)给出，其中，&是用于采 样所接收信号的采样速率。但是，实际延迟2z/c可以写成— = Q— + m^ (8)
CC其中Q是区段的数量(即，整数，例如2、3、5或者任何其它数)，而(Δ Z) /C对应于 一个区段的持续时间。因此，参考t’是脉冲从区段边界偏移的时间片断(fraction)。因 此，重构信号的峰将出现在区段编号Q中。t’的量可以如下确定。首先，峰位于Q的重构信 号偏移或者平移，使得峰位于原点。峰到原点的这种平移可以各种方式执行，例如通过在傅 立叶域中平移峰或者通过任何其它合适的方式，因为该方法不限于以任何特定的方式平移 峰。然后，偏移、重构的信号(例如，图6B中的信号)的FFT的相位可以作为频率的函数绘 制，如由图8中的线802所示出的。水平轴的单位是FFT变换信号的频率区段数量，这等于 1/T的单位，其中T是序列的持续时间。直线拟合804的斜率提供了 t’的估计。这种估计 的质量与SNR成比例，使得越高的SNR导致越好的t’估计，这又意味着可以估计非常小的 Δ ζ片断。因此，到物体的距离可以以比单独通过采样速率提供的精度的更高的精度确定。所述用于确定区段中峰位置的方法还可以应用到涉及发送信号的多次反射的情 况中(例如作为发送信号从多个物体反射的结果)。在这种情况下，多个峰出现在所复原的 信号中。可以通过零化除感兴趣峰附近之外的所有信号并且随后应用刚联系图8描述过的 方法来确定峰的位置而确定每个峰的位置。相同的方法又可以应用到每个峰，以确定它们 的位置。以比单独的采样速率所能够实现的精度更大的精度估计距离的能力提供了各种 好处。例如，可以通过测量位置中的变化来确定的物体的位置和速度可以比不用上述方法 所能够实现的精度更高的精度来确定。在此所述的系统与方法可以在各种环境下使用。例如，确定到物体的距离的能力 在汽车应用、航空航天应用、外科手术应用、考古应用、天文应用及其它应用中可能是有用 的。此外，在此所述的系统与方法的各种特征可以方便有用的运行场景。例如，应当认识到， 编码载波信号的方法可以用于唯一地识别发送器。例如，多个发送器可以每个都实施利用 表示脉冲的代码编码载波信号的方法。如果发送器的代码是已知的，则接收由多个发送器
18所发送信号的接收器可以识别哪个信号是由给定的发送器发送的。以这种方式，发送器和 接收器可以唯一地配对，这可以方便在其中有多个发送器和/或接收器的环境中的操作。 根据本发明的一方面，多个发送器信号可以多路复用到单个接收器上。
到目前为止所描述的系统与方法可以允许多个发送器多路复用到单个接收器上。 这是由于序列周期或者持续时间T可以选择成比期望的最大延迟Tmax = 2zmax/c长得多的事 实而实现的，其中Zmax是到物体的期望最大距离，而c是所发送和反射信号的传播速度。因 此，多个发送器每个都可以提供相同的输出信号(例如，利用等式(2)的代码编码的信号)， 但是所述信号具有不同的延迟。例如，如果PmTd = T，则延迟Td可以由pTd > Tfflax给出，其中 P是发送器的编号(例如，四个发送器中的发送器编号二)，其中Pm对应于发送器的总数。 因此，等式(2)可以修改成考虑这种延迟
等式(9)图9A-9D示出了针对四个发送器的所产生的信号904、906、908和910的例子，其 中Ns= 1024。峰的单位是通用单位(u)，例如，其可以是以毫伏、伏特或者任何其它合适度 量为单位的电压。水平轴的单位是样本数量。除了它们相对彼此有偏移之外，信号是相同 的。特别地，图9B中所示的信号906相对于图9A的信号904延迟了 256个样本点。类似 地，图9C的信号908相对于图9B的信号906延迟了 256个样本点，并因此相对于图9A的 信号904是延迟了 512个样本点。图9D的信号910相对于图9C的信号908延迟了 256个 样本点，并因此相对于图9A的信号904是延迟了 768个样本点。同样，信号9A-9D中每一 个都可以由对应的发送器同时发送。为了解释多路复用功能可以如何实现，假设图9A-9D中所示的四个发送信号全部 都从一个物体反射。反射的信号将由单个接收器按间隔接收，其中间隔为pTd < t < (p+l)Td 等式(10)因此，所接收到的信号912将是四个反射信号的组合，如图9E中所示。图9E和9F示出所接收到的信号可以根据在此所述的方法(例如，根据图5的方 法)来处理，以便复原四个发送的信号，及对每个发送信号进行调制的强激励脉冲。四个强 激励脉冲902a、902b、902c和902d(强激励脉冲902a的中心在原点，因此与y轴对准)与 它们各自相邻的强激励脉冲隔开256个样本点，这对应于所发送信号之间的延迟。标为(1) 至(4)的区域对应于来自每个发送器的目标反射可能出现(即，在强激励脉冲之间的延迟 从用作例子的256个样本点稍微变化的情况下)的地方。应当认识到，尽管图9A-9F利用四个信号示出了多路复用的功能性，但几十到几 百个发送器可以多路复用到单个接收器上。总的来说，多路复用的发送器的最大数量Pmax可 以由下式给出
等式(11) 因此，作为例子，根据一种实施方式，具有单个接收器的多发送器系统以更新速率 R= 10Hz、采样速率？3= 125MHz和IOOm的最大范围运行，其中IOOm的最大范围对应于667纳秒的最大延迟。假定所发送序列的周期长度为T = Ns/Fs = 64536/125ΜΗζ = 525μ s，几 乎1000个发送器可以多路复用到单个接收器上。如所提到的，各种运行场景可以通过实施在此所述的一种或多种方法来实现。图 10A-10C示出了三个这样的例子。但是，应当认识到，其它运行场景也是可能的。图IOA示出了其中单个发送器1002与接收器1004的阵列耦合的场景，图中示出 了 8个接收器。根据这种场景，发送器1002发送信号1003，该信号可以被一个或多个物体 1006a和1006b反射。信号1003可以是编码的连续波信号，例如先前在此所描述过的那些 信号中的任何一种。每个接收器1004都能够处理从物体1006a和1006b反射的信号，以便 复原代码。因此，可以确定从接收器阵列中的单个接收器1004到反射物体的距离。图IOB示出了其中8个发送器IOlOa-IOlOh与单个接收器1012耦合的运行场 景。发送器每个都可以发送各自的信号1011a... 1010h。信号lOlla-lOllh可以是编码的 发送器信号，例如先前在此所描述的那些信号中的任何一种。信号lOlla-lOllh每个都可 以彼此相同，可以如联系图9A-9F所描述过的那样除不同的延迟之外都相同，或者可以是 独立的发送器信号。发送器信号lOlla-lOllh可以朝物体1014A和1014B发送，其中物体 1014A和1014B可以产生一个或多个反射的信号。接收器1012可以多路复用从物体1014A 和1014B反射的多个信号，以便复原反射信号上的代码，例如联系图9A-9F所描述过的。应 当认识到，尽管示出了 8个发送器1010a-1010h，但图10B中所示出的场景不限于使用8个 发送器。图10C示出了其中单个发送器1020与单个接收器1022耦合的场景。发送器1020 可以发送扫描发送器信号1024，该信号可以用于扫描其中可能存在一个或多个物体的视 场。例如，发送器可以发出扫描由图中箭头所示出的视场的信号。接收器1022可以接收 从该视场内的物体反射的任何信号，并且可以处理反射的信号，以便复原嵌在发送器信号 1024中的代码。应当认识到，图10A-10C中所示出的场景可以实施任何合适的发送器和/或接收 器。例如，发送器和接收器可能能够分别发送和检测激光信号。可选地，发送器和接收器可 能能够分别发送和检测射频(RF)信号。此类场景还可以与其它类型的发送器信号一起使 用。此外，应当认识到，图10A-10C中所示出的三种非限制性场景仅仅是例子，并且实现在 此所述的一种或多种方法和/或系统的其它运行场景也是可能的。此外，在此所述的方法与系统可以用于检测多个目标或者多个反射。例如，单个 发送器可以发送经历多次反射的信号，由此生成多个反射的信号。单个接收器可以接收反 射的信号并根据以上所述的一种或多种方法处理它们，以便复原所发送信号的每个反射版 本。应当认识到，可以对在此所述的方法与系统进行各种改变。例如，根据一些实施方 式，实施A/D转换器和D/A转换器的系统可以有可变的采样速率。转换器的采样速率可以 改变成针对给定的系统处理功率、系统的最大期望范围和期望的距离分辨率实现最优的信 噪比(SNR)。根据一些实施方式，在此所述的系统与方法可以应用到短距离检测系统，而且 也可以用在长距离检测系统中。此外，根据一些实施方式，编码的发送器信号可以具有低的 峰值功率与平均功率之比，例如小于大约十，或者在一些实施方式中更低。而且，根据一些 实施方式，系统700可以不包括D/A转换器与激光器之间的驱动器。相反，D/A转换器的输
20出可以直接提供给激光器。应当认识到，在此所述的方法具有鲁棒性。例如，图11A-11B示出在此所述的方法 甚至可以利用被消波的发射信号工作。特别地，图IlA示出了编码的发送器信号1102，该 信号是利用强激励脉冲的随机化版本编码的。y轴表示信号的振幅，单位是通用单位(U)。 信号1102包括具有1024个样本点的序列。信号被消波。消波显著地给重构的信号增加了 噪声。图IlB示出了利用在此所述方法复原的重构信号，其中插图示出了重构强激励脉冲 1104的特写视图。因此，图IlB显示发送的强激励脉冲被准确地复原，而不管发送信号的消 波。尽管已经具体描述了本发明各方面的几种实施方式，但对本领域技术人员来说， 各种修改与改进将是很容易发生的。这些修改与改进也意图包括在本发明各方面的主旨与 范围之内。例如，几种方法已经描述为实施快速傅立叶变换。应当认识到，其它形式的傅立 叶变换也可以使用，而且其它类型的变换也可以使用。因此，以上的描述仅仅是作为例子， 而不意图作为限制。本发明仅被限制为如所附权利要求及其等价物所定义的。
权利要求
一种产生编码的连续波发送器信号(106、404、714、1003、1011a 1011h、1102、1020)的方法，该方法包括产生连续波载波信号；及利用代码(402)调制所述连续波载波信号，以便产生编码的连续波发送器信号，其中所述代码(402)以非脉冲形式表示脉冲(401)。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述非脉冲形式类似于噪声。
3.如权利要求1所述的方法，还包括通过将所述脉冲变换成所述非脉冲形式来生成代码。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述代码是具有以下形式的时间域信号 s(t) = IFT[FT[h(t)]eXp[i(K]]其中s(t)是作为时间函数的代码，h(t)是作为时间函数的脉冲，FT表示傅立叶变换， IFT表示逆傅立叶变换，而Φη表示多个相位值。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述多个相位值Φη是多个随机相位值。
6.如权利要求4所述的方法，还包括通过由多个傅立叶分量定义所述脉冲以创建如由 FT [h (t)]给出的频率域信号，将多个相位值中的相位值添加到多个傅立叶分量中的每一个 以创建修改后的频率域信号并对修改后的频率域信号执行逆傅立叶变换来生成代码。
7.如权利要求6所述的方法，其中对修改后的频率域信号执行逆傅立叶变换产生多个 数字样本点，并且其中生成代码还包括将多个数字样本点转换成模拟样本点。
8.如权利要求4所述的方法，其中所述代码具有有限持续时间，并且其中利用所述代 码调制连续波载波信号包括利用所述代码的多次出现来调制连续波载波信号。
9.如权利要求4所述的方法，其中所述代码具有大约2纳秒到大约200微秒之间的持 续时间。
10.如权利要求4所述的方法，其中所述连续波载波信号具有大致恒定的频率。
11.如权利要求4所述的方法，其中编码的连续波发送器信号是激光信号。
12.如权利要求4所述的方法，其中编码的连续波发送器信号是射频信号。
13.如权利要求4所述的方法，其中编码的连续波发送器信号是毫米波信号，其具有大 致为30GHz到600GHz之间的频率。
14.如权利要求4所述的方法，其中编码的连续波发送器信号具有小于大约十的峰值 功率与平均功率之比。
15.一种处理编码的连续波信号(110、718、912)的方法，所述编码的连续波信号包 括利用代码(402)调制的连续波载波信号，其中所述代码(402)以非脉冲形式表示脉冲 (401)，该方法包括:对编码的连续波信号的至少一部分执行逆变换，以便复原脉冲(602、603、902a-902d、 1104)，所述逆变换消除脉冲到非脉冲形式的变换。
16.如权利要求15所述的方法，其中编码的连续波信号是时间域信号，并且其中所述 逆变换采用以下形式IFT[FT[s(t)]eXp[-i(K]]。其中s(t)是时间域的编码的连续波信号，FT表示傅立叶变换，IFT表示逆傅立叶变换， 而Φ n表示多个相位值。
17.如权利要求15所述的方法，其中执行逆变换包括对编码的连续波信号的至少一部 分执行傅立叶变换，以便产生第一多个样本点，并从该第一多个样本点中的每一个减去一 个相位值，以便生成第二多个样本点。
18.如权利要求17所述的方法，其中从第一多个样本点中的每一个减去的相位值是与 添加到在生成编码的连续波信号时所用的脉冲的傅立叶分量的随机相位值相对应的随机 相位值。
19.如权利要求17所述的方法，还包括接收模拟版本的编码的连续波信号并产生数字 版本的编码的连续波信号，并且其中对编码的连续波信号的至少一部分执行逆变换包括对 数字版本的编码的连续波信号的至少一部分执行逆变换。
20.如权利要求19所述的方法，其中接收模拟版本的编码的连续波信号和产生数字版 本的编码的连续波信号是利用具有可变采样速率的模数转换器执行的，并且其中该方法还 包括改变模数转换器的采样速率。
21.如权利要求17所述的方法，还包括对第二多个样本点执行逆傅立叶变换。
22.如权利要求21所述的方法，其中连续波载波信号是第一连续波载波信号，并且其 中所述代码是第一代码，并且其中编码的连续波信号是多个所发送信号的组合，多个所发 送信号中的每一个都包括由表示脉冲的代码进行调制的连续波载波信号，并且其中多个所 发送信号中的至少两个是由不同的发送器发送的。
23.如权利要求22所述的方法，其中多个所发送信号中的每一个都包括利用第一代码 进行调制的第一连续波载波信号，至少两个所发送的信号具有不同的延迟量。
24.如权利要求22所述的方法，还包括利用单个接收器接收编码的连续波信号。
25.如权利要求24所述的方法，还包括利用接收器来处理编码的连续波信号，以便复 原多个所发送信号中的每一个的脉冲。
26.如权利要求17所述的方法，其中编码的连续波信号是激光信号。
27.如权利要求17所述的方法，其中编码的连续波信号是射频信号。
28.如权利要求17所述的方法，其中编码的连续波信号是毫米波信号，其具有大致为 30GHz到600GHz之间的频率。
29.一种方法，包括发送包括连续波载波信号的连续波发送器信号(106、404、714、904、906、908、910、 1102)，其中所述连续波载波信号利用以非脉冲形式表示脉冲(401)的代码(402)调制；接收所述连续波发送器信号(110、718、912)；以及处理所述连续波发送器信号，以便复原所述脉冲(401、602、603、902a、902b、902C、 902d)。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述代码是通过利用钥匙将脉冲变换成非脉冲形 式来生成的，并且其中处理连续波发送器信号以复原脉冲包括使用该钥匙。
31.如权利要求30所述的方法，还包括生成代码。
32.如权利要求30所述的方法，其中钥匙包括多个相位值。
33.如权利要求32所述的方法，其中将所述脉冲变换成所述非脉冲形式包括向所述脉 冲添加相位值，并且其中利用钥匙处理连续波发送器信号包括从连续波发送器信号减去相 位值。
34. 一种发送器系统(700)，包括计算引擎(702)，配置成生成代码(402)，该代码以非脉冲形式表示脉冲(401)；及信号发生器(708)，配置成产生被所述代码调制的信号(714)。
35.如权利要求34所述的发送系统，其中所述代码是采用如下形式的时间域信号s(t) = IFT[FT[h(t)]eXp[i(K]]其中s(t)是作为时间函数的代码，h(t)是作为时间函数的脉冲，FT表示傅立叶变换， IFT表示逆傅立叶变换，而Φη表示多个相位值。
36.如权利要求35所述的发送系统，其中所述计算引擎是数字信号处理器。
37.如权利要求35所述的发送系统，还包括时钟控制的数模转换器，其输入配置成从 所述计算引擎接收数字版本的代码，而输出配置成提供模拟版本的代码。
38.如权利要求37所述的发送系统，还包括耦合到所述信号发生器以方便被所述代码 调制的信号的发送的光学器件。
39.如权利要求37所述的发送系统，其中所述计算引擎和所述时钟控制的数模转换器 集成到同一芯片上。
40.如权利要求37所述的发送系统，其中所述时钟控制的数模转换器的输出直接耦合 到所述信号发生器的输入。
41.如权利要求37所述的发送系统，其中所述时钟控制的数模转换器具有可变的采样速率。
42.如权利要求37所述的发送系统，其中所述信号发生器是激光器。
43.如权利要求42所述的发送系统，还包括激光二极管驱动器，其输入耦合到所述时 钟控制的数模转换器的输出，以接收模拟版本的代码，而其输出耦合到所述激光器，以驱动 所述激光器。
44.如权利要求35所述的发送系统，还包括耦合到所述信号发生器以方便被所述代码 调制的信号的发送的光学器件。
45.如权利要求35所述的发送系统，其中所述信号发生器是发光二极管。
46.如权利要求35所述的发送系统，其中所述信号发生器是射频信号发生器。
47.一种接收系统(700)，包括计算引擎(702)，配置成接收由利用代码(402)进行调制的连续波载波信号形成的编 码的连续波信号(718)，其中所述代码(402)以非脉冲形式表示脉冲(401)，所述计算引擎 还配置成处理编码的连续波信号，以复原所述脉冲。
48.如权利要求47所述的接收系统，其中编码的连续波信号是时间域信号，并且其中 编码的连续波信号的处理采用以下形式IFT[FT[s(t)]eXp[-i(K]]。其中s(t)是时间域的编码的连续波信号，FT表示傅立叶变换，IFT表示逆傅立叶变换， 而Φ n表示多个相位值。
49.如权利要求48所述的接收系统，还包括检测器，所述检测器配置成检测入射信号 并提供对应于编码的连续波信号的电输出。
50.如权利要求49所述的接收系统，其中所述检测器配置成检测射频信号。
51.如权利要求49所述的接收系统，其中所述检测器是光电探测器。
52.如权利要求49所述的接收系统，还包括光学器件，所述光学器件配置成接收入射 信号并向所述检测器提供该入射信号。
53.如权利要求49所述的接收系统，还包括耦合到所述检测器以便接收所述检测器的 电输出并放大该电输出的放大器。
54.如权利要求53所述的接收系统，其中所述放大器是跨阻抗放大器。
55.如权利要求54所述的接收系统，其中所述检测器和所述放大器集成到同一芯片上。
56.如权利要求49所述的接收系统，其中所述检测器的电输出是模拟信号，并且其中 该系统还包括耦合到所述检测器以便接收所述检测器的电输出并将该电输出转换成对应 于编码的连续波发送信号的数字信号的模数转换器。
57.如权利要求56所述的接收系统，其中所述计算引擎和所述模数转换器集成到同一 芯片上。
58.如权利要求56所述的接收系统，其中所述模数转换器具有直接连接到所述计算引 擎的输出。
59.如权利要求56所述的接收系统，其中所述模数转换器具有可变的采样速率。
60.如权利要求56所述的接收系统，还包括耦合到所述检测器以便接收所述检测器的 电输出并放大该电输出的放大器，并且其中所述放大器耦合在所述检测器和所述模数转换 器之间，并且其中所述放大器具有直接连接到所述模数转换器的输入的输出。
61.如权利要求60所述的接收系统，其中所述计算引擎、所述放大器和所述模数转换 器集成到同一芯片上。
62.一种系统(700)，包括发送器(708、728、704、706、712、1002、101(^-101011、1020)，配置成发送包括连续波载 波信号的发送器信号(714)，其中所述连续波载波信号利用以非脉冲形式表示脉冲(401) 的代码(402)进行调制；以及接收器(720、730、724、722、716、1004、1012、1022)，配置成接收所述发送器信号并处理 所述发送器信号，以便复原所述脉冲(401、602、603)。
63.如权利要求62所述的系统，其中所述代码是采用如下形式的时间域信号s(t) = IFT[FT[h(t)]eXp[i(K]]其中s(t)是作为时间函数的代码，h(t)是作为时间函数的脉冲，FT表示傅立叶变换， IFT表示逆傅立叶变换，而Φη表示多个相位值。
64.如权利要求63所述的系统，其中所述发送器和所述接收器配置成能够访问多个相 位值。
65.如权利要求64所述的系统，其中所述发送器包括时钟控制的数模转换器，所述时 钟控制的数模转换器配置成接收数字版本的代码并产生模拟版本的代码，并且其中所述接 收器包括时钟控制的模数转换器，所述时钟控制的模数转换器配置成接收对应于所述发送 器信号的模拟输入信号并提供数字输出信号，并且其中所述时钟控制的模数转换器与所述 时钟控制的数模转换器同步。
66.如权利要求65所述的系统，其中所述发送器还包括第一计算引擎，该第一计算引 擎配置成产生代码并向所述时钟控制的数模转换器输出数字版本的代码，并且其中所述接收器还包括第二计算引擎，该第二计算引擎配置成接收所述时钟控制的模数转换器的数字 输出信号并处理所述时钟控制的模数转换器的数字输出信号，以便复原所述脉冲。
67.如权利要求66所述的系统，其中所述第一计算引擎、所述第二计算引擎、所述时钟 控制的数模转换器和所述时钟控制的模数转换器都在相同的集成电路芯片上形成。
68.如权利要求67所述的系统，其中所述发送器还包括耦合到时钟控制的数模转换器 以便接收模拟版本的代码并驱动信号发生器的信号发生器驱动器，并且其中所述信号发生 器驱动器是在集成电路芯片上形成的。
69.如权利要求68所述的系统，其中所述接收器还包括放大器，该放大器配置成从检 测器接收信号并向所述时钟控制的模数转换器提供模拟输入信号，并且其中所述放大器是 在集成电路芯片上形成的。
70.—种处理所接收到的信号(110、718、912)的方法，其中所接收到的信号包括利用 表示脉冲(401)的代码(402)进行调制的连续波载波信号，该方法包括以一个采样速率采样所接收到的信号，创建多个样本点，其中每个样本点都与相邻的 样本点在时间上隔开一个采样间隔；识别多个样本点的特征(602、603、1104、902a、902b、902c、902d)；对多个样本点进行傅立叶变换来产生FT信号；以及在所述特征的附近确定作为频率的函数的FT信号相位变化(802、804)的速率。
71.如权利要求70所述的方法，其中所述特征是多个样本点的峰值振幅。
72.如权利要求70所述的方法，还包括除去出现在该特征之前的至少一部分FT信号和 出现在该特征之后的一部分FT信号。
73.如权利要求72所述的方法，其中所述特征是多个样本点的峰值振幅。
全文摘要
利用一个或多个代码调制发送器信号，其中，尽管代码不是脉冲的形状，但可以表示脉冲。代码可以通过利用其傅立叶分量定义脉冲，然后向所述傅立叶分量添加随机相位来生成。然后，可以产生时间域信号，该信号可以充当要对载波信号进行调制的代码。在发送器信号反射回后，所接收到的信号可以由接收器处理，以复原脉冲。然后，可以确定发送器信号的飞行时间，使得可以进行距离的测量。
文档编号G01S13/32GK101910864SQ200880122351
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月12日 优先权日2007年11月12日
发明者S·德立瓦拉 申请人:阿纳洛格装置公司
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