CN108231094B - 使用彼此区分的信号修正传感器的光学引导系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在实施方式中，引导系统确定目标的位置参数，并包括：至少一个振荡元件，定位在所述目标处，用于发射调制的光学辐射；至少两个彼此区分的信号修正电光传感器，每个所述电光传感器具有检测器、以及用于响应于对所述调制的光学辐射的至少一部分的检测而生成解调的电信号的解调器；以及处理器，用于从所述解调的电信号确定所述位置参数。在另一实施方式中，引导系统进行畸变校正的成像，并包括：多个电光传感器，共享视场并从所述多个电光传感器彼此区分地提供相应的多个改变的图像；以及图像生成模块，用于线性地和非线性地处理所述多个改变的图像的空间频率特性，以合成用于成像系统的畸变校正的图像。

Description

使用彼此区分的信号修正传感器的光学引导系统和方法
背景技术
对用于向顾客配送产品的无人驾驶飞行器(UAV)的商业用途的关注在增加。在2013年，每家知名公司都演示或试验了将UAV用作自主配送车。其他公司建议在缺乏交通基础设施的发展中国家将UAV用于配送医疗用品和其他关键物品。
UAV的这些商业演示依赖于用于引导的GPS导航系统。该技术的弱点在于GPS信号不能到达所有配送位置。这样的GPS“死区”通常位于可能发生多个配送的城市环境中的建筑物附近。
车道偏离警告系统位于包括在新型车辆中的驾驶员辅助特征中。现有技术的系统使用基于视觉的定位，这既低效又只是间歇性地可靠。它们需要使用数百万的图像传感器像素来捕获图像，且需要进行计算图像处理以获取车道位置。这些基于图像的系统取决于车道标线清晰视图，不被例如雨、冰和雾阻碍。
为了追求更高的燃料效率和增加的有效载荷容量，商业航空公司调查了机翼变体，该机翼变体涉及响应于飞行状况使飞机的机翼形状动态变形。用于测量机翼变体例如偏转和扭转的技术包括平面图像和立体图像两者的后处理。这些系统在计算上低效且对环境因素例如云和雨敏感，这可使图像模糊并因此导致不精确的测量。如果需要高分辨率相机，则系统还笨重--对于需要两个相机的立体照相系统尤其如此。
发明内容
在实施方式中，引导系统确定目标的位置参数，并包括：至少一个振荡元件，定位在所述目标处，用于发射调制的光学辐射；至少两个彼此区分的信号修正电光传感器，每个所述电光传感器具有检测器、以及用于响应于对所述调制的光学辐射的至少一部分的检测而生成解调的电信号的解调器；以及处理器，用于从所述解调的电信号确定所述位置参数。
在实施方式中，引导系统进行畸变校正的成像，并包括：多个电光传感器，共享视场并从所述多个电光传感器彼此区分地提供相应的多个改变的图像；以及图像生成模块，用于线性地和非线性地处理所述多个改变的图像的空间频率特性，以合成用于成像系统的畸变校正的图像。
附图说明
图1示出了实施方式中的、使用具有彼此区分的信号修正电光传感器的光学引导系统的无人机配送方案。
图2示出了实施方式中的、使用彼此区分的信号修正传感器以提供驾驶员辅助系统来提高驾驶员安全性的光学引导系统。
图3示出了实施方式中的、用于使用对飞机机翼的表面轮廓的测量的、彼此区分的信号修正电光传感器测量动态运动的引导系统。
图4描述了实施方式中的、使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统，其中定位器使点运动以定位到参考目标。
图5示出了实施方式中的、使用彼此区分的信号修正传感器和振荡元件的光学引导系统。
图6示出了实施方式中的、使用彼此区分的信号修正传感器和发射器的光学引导系统。
图7示出了实施方式中的、使用彼此区分的信号修正传感器、发射器以及回射器的光学引导系统。
图8示出了实施方式中的、使用三个彼此区分的信号修正传感器和三个振荡元件的光学引导系统。
图9是示出实施方式中的、使用彼此区分的信号修正传感器以确定目标的位置参数的光学引导方法的流程图。
图10是示出实施方式中的用于处理振荡元件所特有的、解调的信号以确定目标的位置参数的方法的流程图。
图11是示出实施方式中的、用于确定目标相对于彼此区分的信号修正电光传感器阵列的三维位置和三维方位的光学引导方法的流程图。
图12示出了实施方式中的、用于使用彼此区分的信号修正电光传感器的光学引导系统的传感器和对应的振荡元件。
图13示出了实施方式中的、用于在存在环境噪声时获得目标的位置参数并使用彼此区分的信号修正电光传感器的光学引导系统。
图14是表示为系统块图的图13。
图15示出了实施方式中的、用于使用彼此区分的信号修正电光传感器的光学引导系统的电光传感器阵列。
图16示出了实施方式中的、用于使用彼此区分的信号修正电光传感器的光学引导系统的电光传感器阵列，其中发生像素级光学解调。
图17示出了实施方式中的、使用彼此区分的信号修正电光传感器的光学引导系统的使用的示例，其中发射的调制的光学辐射被步进频率式调制。
图18示出了具有电光传感器的发射器的实施方式。
图19示出了实施方式中的、用于使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统的一个传感器的实施方式。
图20示出了实施方式中的、具有包含共同的视场的、彼此区分的信号修正传感器的示例性光学引导系统。
图21示出了具有作为成像目标的部件的信号修正元件的传感器阵列的实施方式。
图22示出了具有作为与成像目标不同的元件的信号修正元件的传感器阵列的实施方式。
图23示出了实施方式中的、包括内存、处理器以及接口的图像生成模块。
图24示出了实施方式中的、进行畸变校正的成像的示例性引导方法。
图25示出了实施方式中的、使用非线性处理以计算复合OTF振幅响应和使用线性处理以计算复合OTF相位响应的、进行畸变校正的成像的示例性引导方法。
图26示出了实施方式中的、使用非线性处理以计算复合OTF振幅响应和使用线性处理以计算复合OTF相位响应的、进行畸变校正的成像的示例性引导方法。
图27示出了实施方式中的、使用彼此区分的信号修正电光传感器的一个引导系统，该引导系统通过正交采样从远距离目标辐射或反射的能量，测量关于远距离目标的信息。
图28描述了实施方式中的、用于具有彼此区分的信号修正传感器的光学引导系统的、电光传感器的三个光学配置。
图29描述了实施方式中的、由于畸变导致的、传统成像系统的空间分辨率的衰退，如由系统的调制传递函数(MTF)量化的。
图30示出了从基于射线的视角得到的MTF功率损失。
图31示出了实施方式中的复杂系统响应(CSR)以及如何在使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统中恢复损失的MTF功率。
图32示出了实施方式中的、在使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统中基于传感器的出瞳形成CSR。
图33描述了实施方式中的、基于像散组件的、CSR滤波器的构造单元。
图34示出了实施方式中的、基于圆柱形组件的、用于CSR滤波器的一组构造单元。
图35示出了实施方式中的、从CSR构造单元构造的CSR滤波器。
图36示出了实施方式中的、来自图35的、用于4个角度的单个 CSR滤波器示例以及来自图33的正弦和余弦像散构造单元两者。
图37示出了实施方式中的、与来自图34的圆柱形构造单元相关的CSR滤波器。
图38描述了实施方式中的、包括像散和散焦的一组CSR滤波器。
图39示出了实施方式中的、与来自图38的、用于多个角度的散焦和振幅的线性组合以及正弦和余弦像散构造单元两者相关的CSR 滤波器。
图40示出了实施方式中的、类似于图38的CSR滤波器，但是具有图34和图37的圆柱形CSR构造单元。
图41示出了实施方式中的、使用CSR滤波以记录并随后恢复由于三次相位畸变而损失的OTF的示例。
图42示出了实施方式中的、用于图41的三次畸变媒介的CSR滤波器和CSR 2910。
图43示出了在使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统中恢复损失的OTF的示例，其中中间畸变媒介是一个球面畸变波。
图44示出了实施方式中的、表示图43的畸变的CSR。
图45示出了在使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统中恢复损失的OTF，其中畸变是1.25个彗形波。
图46示出了实施方式中的、用于图45的彗形畸变的CSR。
图47示出了实施方式中的、正交CSR滤波的示例，示出了在经典的MTF中而不是在正交采样系统中产生零点的畸变。
图48示出了用于与图47相关的畸变的CSR。
图49示出了实施方式中的、多个彼此区分的孔，每个孔具有构成具有彼此区分的信号修正传感器的光学引导系统的、独特的CSR构造单元。
图50示出了实施方式中的、图49的线性处理组件。
图51示出了实施方式中的、图49的非线性处理组件。
图52示出了实施方式中的、从振幅估计的乘积的二维逆傅里叶变换形成畸变校正的图像。
图53示出了实施方式中的、通过光学/数字引导系统的一个信道的射线追踪。
图54示出了实施方式中的、在图53中示出的透镜元件的球面组件和非球面组件。
图55示出了图53中的透镜系统的畸变。
图56示出了用于图53中的光学系统的照明的带通性质。
图57示出了使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统的3 ×1信道。
图58示出了实施方式中的、共同地优化目标侧和接收器侧的子系统的成本和复杂性的系统和方法。
图59示出了实施方式中的、图58的独特的目标侧投射光学。
图60示出了实施方式中的、与图59相关的、Zemax型格式的光学配置。
具体实施方式
于2013年1月3日提交的题目为“Coded localization systems, methods andapparatus(编码定位系统、方法和设备)”的第 WO2013103725A1号的国际专利申请通过全文引用整体并入本文。
GPS死区的存在是基于GPS的UAV和其他系统，尤其是用作自主配送车的系统的缺点。本文公开的是可补充或替代GPS导航以例如在UAV行程的最后几百米期间将UAV引导到其目的地的光学引导系统和方法。本文公开的、具有彼此区分的信号修正传感器的光学引导系统和方法配置有电光传感器以用于光学辐射的检测。射频信号一直存在于人口稠密的区域中，例如源于蜂窝网络或无线互联网。本光学系统和方法从本质上避免了来自周围射频信号的干扰，其原因是这样的信息不被电光传感器检测。在本公开中，光学辐射是具有位于横跨紫外频率、可见光频率和红外频率的光学范围内的载波频率的辐射。射频是位于从约3kHz至约300GHz的范围内的频率。本系统还使用时间调制以抑制电光传感器的载波频率时的干扰。
在本文中，“彼此区分的”信号修正指的是彼此区分的信号修正，使得例如入射到传感器上的、相同的或基本上相同的信号的修正产生相互彼此区分的修正信号。此外在本文中，彼此区分的信号修正传感器是具有彼此区分的信号修正的传感器。从数学视角看，“彼此区分的”可被理解为在空间域或时间域中信号修正如何正交的度。在本文中，术语“彼此区分的”和“正交的”可互换地使用。
图1示出了使用具有下面更详细地描述的、彼此区分的信号修正电光传感器122的光学引导系统的无人机配送方案100。给无人机120 的任务是将包裹124配送到建筑物105。无人机120使用光学引导系统执行该任务。光学引导系统包括安装在无人机120上的、彼此区分的信号修正电光传感器122，以及定位在配送区的三个振荡元件106。在本公开中，振荡元件可以是生成并发射光学辐射的发射器，或者振荡元件可以是反射来自定位于其他位置的发射器的光学辐射的一部分的回射器。例如，在振荡元件是回射器的实施方式中，发射器可定位在用于检测光学辐射的电光传感器附近。电光传感器122检测由三个振荡元件106发射的光学辐射。电光传感器122包括用于彼此区分地修正检测的信号的多个传感器。基于此，引导系统确定由振荡元件106 提供的三个定位参考，并使用这三个定位参考估计配送区的地面相对于包裹配送无人机120的位置和方位。
方案100包括与包裹配送无人机120在相同区域中操作的另一包裹配送无人机130。包裹配送无人机130配备有振荡元件132。包裹配送无人机120的电光传感器122检测来自振荡元件132的光学辐射。引导系统由此提供包裹配送无人机130对于包裹配送无人机120的位置和方位，以避免碰撞。
方案100进一步包括建筑物110，建筑物110具有包括振荡元件 162的配送区。该配送区是不起作用的，其原因是建筑物110不期望包裹配送并不操作振荡元件162。振荡元件162可例如由房主触发或通过来自包裹配送跟踪系统的信息自动地触发。在多个配送器到达附近位置例如到达与振荡元件162和106相关的配送区的情况下，由振荡元件162和106提供的光学辐射可在调制、极化和波长中的至少一个方面不同。此外，来自振荡元件106，132和162的光学辐射可例如以射频频率或更高的频率调制，以能够与其他辐射区分。其他辐射包括例如来自太阳150的阳光、来自在该区域中操作且不会引起包裹配送无人机120关注的其他振荡元件的光学辐射、或者来自远离建筑物 105，110，115的窗的振荡元件的光学辐射的反射。来自振荡元件106 和/或振荡元件162的光学辐射可被调制以识别具体建筑物的地址。电光传感器122彼此区分地解调与接收的光学辐射相关的信号，以在入射到电光传感器122上的不同的光学辐射信号之间进行区分。
图2示出了在提高驾驶员安全性的运输方案200中使用彼此区分的信号修正传感器224，234，264，274，278的一个示例性光学引导系统。传统的车道偏离警告系统受制于高带宽需求，这增加了系统成本，以及对于车道标线的未受障碍的视图的依赖，这束缚了功能。图2的光学引导系统对常见的车道标线障碍例如雾或雨不敏感。
系统200包括振荡元件，例如沿着车行道280的边缘和沿着中心线215的有源发射器和无源回射器210。助力车260接近斜坡并使用传感器264精确估计道路边缘位置。助力车260还控制发射器262，发射器262使得对于具有传感器的其他车辆来说助力车更加可见。发射器262配置为例如与车辆220上的传感器224通信，以使车辆220 可估计助力车260的位置、方向、速度和方位中的至少一个。类似地，车辆220支撑与助力车传感器264协作的发射器222，以估计车辆220 的姿态、位置、方向、速度和方位中的至少一个。货车205下坡朝着车辆220和助力车260运动，但没有看得见导向车行道的传感器，以及在没有通过标牌或其他装置获得进一步辅助的情况下不能从基础设施获益。
系统200还包括塔台，塔台具有发射器240以提供位于与车行道的平面不同的平面内的全局参考。在例如由于雪、尘土、沙和碎物位于车行道上而导致的模糊时，这些发射器增补车行道发射器。来自塔台系统的方位可能不比来自基于车行道的系统的方位精确。在极其模糊时，对于“道路在哪儿？”塔台至少提供低精度的估计，而在良好条件时，对于“车道的边缘在哪儿？”车行道传感器提供高精度信息。还可基于车行道传感器的性能估计路面状况，其中在极端天气条件时，基于可见光波长散射和模糊效应，车行道传感器的性能将降级。
为了向基础设施提供维修并向旅行者提供安全，空气监测车230 配备有与车行道振荡元件：发射器和无源回射器210、发射器222和 262以及发射器272通信的传感器234。发射器272例如定位在应急车辆270的投射灯条276中，并可以以将车辆识别为应急车辆的方式调制。应急车辆270还具有面朝天空以与空气监测车230上的发射器232 通信的传感器274，而能够使维修人员跟踪彼此的位置和方位。传感器234和278还可与发射器222，210，262和240通信，以评估车行道情况并将消息传送到起作用标牌252，例如使可能未配备有本文公开的传感器的货车205警觉即将到来的交通状况。发射器和传感器调制，以去除太阳250的环境影响以及来自其他车辆220和车行道280 的反射。
在一个实施方式中，传感器264，224和278容纳有源发射器，该有源发射器提供沿着车行道280和中心线215朝着210的无源回射器部指向的调制的照明。在另一实施方式中，传感器264，224和278 具有有源发射器，该有源发射器提供朝着车辆的无源回射器部例如前反射器、侧反射器和后反射器、车牌照、安全条带或标记指向的调制的照明。
在另一实施方式中，传感器264，224和278还对它们相应的视场中的目标例如由于雨或雾阻碍的车道标线产生畸变校正的图像。
现有技术的、用于测量飞机机翼变形的成像系统存在类似于车道检测的现有技术的缺陷：需要计算处理并对机翼和成像系统之间的畸变媒介敏感。因此，发明人开发了克服这些问题的动态运动测量系统。
图3示出了用于使用对飞机机翼的表面轮廓的测量的、彼此区分的信号修正电光传感器测量动态运动的引导系统。系统300示出了使用传感器318以监测发射器312，314和316的飞机310。在本实施方式中，发射器312分布在场或阵列中以提供高精度表面轮廓监测。发射器314定位在翼面上以提供机翼弯曲、方位、迎角和平移的测量。发射器316例如位于控制面上并提供直接表面角度信息。在一个实施方式中，位于控制面上的发射器316可用作反馈回路的一部分以影响控制机构319。在另一实施方式中，飞机330配置为通过具有未安装在机翼上并与振荡元件332通信的传感器334，在风切事件期间测量相对于传感器334的机翼弯曲336，其中振荡元件332可以是发射器或回射器。在另一实施方式中，飞机350包含与定位在旋转的螺旋桨叶片上的回射器352通信的传感器354。在本实施方式中，传感器354 例如提供反射离开352并回到354的调制的照明信号。传感器356还提供反射离开352并回到356的、并在调制、极化和波长中的至少一个方面与来自传感器354的信号区分的调制的照明信号。
图4描述了具有彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统400。定位器402使点405运动以定位到参考目标406的顶部。定位器402 和参考目标406包括振荡元件404和408，例如通过传感器阵列410 经由潜在畸变媒介(传感器阵列410和元件404，408之间的媒介)检测的发射器或回射器。在本实施方式中，振荡元件404和408是发射器，例如发射待由传感器阵列410接收的、彼此区分的电磁信号的 LED。传感器阵列410和元件404，408之间的潜在畸变媒介作用而减少引导系统400的精度；该潜在畸变媒介是例如具有对于光学质量不平坦或透明的光学表面的窗或盖。
传感器阵列410中的传感器元件包括成像透镜，该成像透镜将由 404和408发射的入射信号的角度映射到传感器上的位置。包括传感器阵列410的一个传感器具有正弦强度响应函数415，其中正弦强度响应函数415具有在4mm范围内的连续灰度级。传感器阵列410中的检测器的宽度是4mm。第二传感器具有更高的频率强度响应函数417，其中频率强度响应函数417具有一个周期大约为IRF 415的周期的 1/100的连续灰度级。IRF 417大约4mm宽。因此在本示例中，在相同大小的检测区上IRF 417具有与IRF 415的循环的100倍一样多的循环。其他IRF(未示出)是纯的或没有灰度衰减。该纯信道是参考信道。从IRF 415和IRF417到纯信道的检测的振幅水平的比较能够进行到振荡元件的角度低分辨率和高分辨率估计。
IRF是振幅传输函数，例如位置决定传输函数。另外，一个传感器可具有不包含位置决定传输函数的IRF。如果发射的强度或范围未知，则该信道用作参考或纯信道。
这些传感器的视场重叠，并且由接收每个传感器阵列元件上的检测的强度的定位处理器412确定目标相对于传感器的角度。由于传感器阵列元件包括空间变化的IRF，所以每个传感器元件上的测量的强度可映射到传感器上的位置(在具有IRF 415的传感器元件的情况下) 或多个候选位置(在具有IRF 417的传感器元件的情况下)。具有IRF 415的传感器提供“航向”估计相对目标角度，其原因是每个强度值对应于传感器元件上的、映射成相对角度值的一个位置。由具有IRF 417的传感器元件测量的信号强度在振荡周期内提供更多的精度。如果发射的功率未知，则可通过与纯信道的比较解码相对的角度。
在本实施方式的示例，一个测量示例中，具有IRF 415和IRF 417 的传感器元件中的每个通过单像素传感器测量相对于来自振荡元件 404和406的入射信号强度的强度为0.4。(或者如果入射信号强度未知，则它们测量相对于纯信道的值为0.4。)在具有IRF 416的传感器元件上，这意味着信号本可在对应于IRF 417等于0.4的多个位置入射到传感器上。定位处理器412根据具有IRF 415的传感器上的单个位置在这些位置之间选择，使得入射信号可导致测量的相对强度为0.4。在计算点4450和参考406之间的相对位置之后，定位处理器使用迭代反馈算法以将指令发送到定位器402，该算法确定定位器402将如何运动到下一点450。
图418示出了作为距目标点406的距离的函数的、由传感器阵列 410检测的电压的信噪比(SNR)。实曲线和虚曲线分别示出了在存在环境光干扰430时和在不存在环境光干扰430时的SNR。通过调制来自振荡元件的辐射并解调检测的信号，可大大减少非调制的环境光干扰430对SNR的影响。在检测和解调之后非调制的环境光干扰430的影响的主要部分是散粒噪声。
图420示出了在存在环境光干扰430时和在不存在环境光干扰 430时的、作为上述距离的函数的相对角精度。相对角精度归一化到以度计的引导系统的视场。系统400具有±20度的视场。图420示出了例如在距目标点4.5米的距离处，即使存在强干扰信号，使用彼此区分的信号修正电光传感器的该引导系统的相对精度也比10,000中的一部分好。
在引导系统400的实施方式中，畸变媒介432位于定位器402和点405之间。在本实施方式中，传感器阵列410执行畸变校正的成像，如在图31至图57中描述的。
图5示出了使用彼此区分的信号修正传感器531的一个示例性光学引导系统500。光学引导系统500包括振荡元件511、传感器阵列530、以及处理模块540。光学引导系统500可以以方案100(图1)， 200(图2)，300(图3)和/或400(图4)实现。例如，振荡元件511 和传感器阵列530可分别实现为振荡元件106(图1)和电光传感器 122(图1)。在另一示例中，振荡元件511和传感器阵列530可分别实现为振荡元件210(图2)和电光传感器224(图2)。
振荡元件511至少包括振荡元件511(1)并可进一步包括任意数量的振荡元件511(2)至511(N)。振荡元件511提供调制的光学辐射。传感器阵列530包括多个彼此区分的光学传感器531。传感器阵列530可进一步包括彼此不区分的一个或多个电光传感器，而不背离本文的范围。传感器阵列530可包括任意数量的传感器531。在实施方式中，传感器阵列530包括至少三个传感器531。每个传感器531 包括用于检测光学辐射的光学检测器533、以及用于解调与光学辐射相关的信号以生成解调的电信号的解调器532。
解调器532(i)彼此区分，使得每个传感器531(i)生成与不同调制频率的入射光学辐射相关的、解调的电信号，其中不同调制频率的入射光学辐射包括由振荡元件511发射的光学辐射。解调器532 (1,2,...,N)中的每个解调器使用与N个解调器532(1,2,…,N)中的任何其他解调器不同的调制频率解调与入射光学辐射相关的信号。在一个实施方式中，每个解调器532解调由对应的光学检测器533生成的电信号。在另一实施方式中，每个解调器532解调朝着对应的光学检测器533传播的光学辐射。
在一些实施方式中，传感器531进一步包括彼此区分的信号修正光学元件534，例如在通过引用整体并入本文的WO2013103725A1中公开的信号修正光学元件。信号修正光学元件534将例如改变施加到入射光学辐射的相位、振幅或极化。即，N个信号修正光学元件534 (1,2,…,N)中的每个信号修正光学元件将与N个信号修正光学元件 534(1,2,…,N)中的任何其他信号修正光学元件不同的修正施加到入射到所述每个信号修正光学元件上的光学辐射。在实施方式中，信号修正光学元件534与解调器532协作，使得传感器531施加(a)与入射光学辐射相关的信号的解调和(b)例如入射光学辐射的相位、振幅或极化的改变的组合。在本实施方式中，由解调器532产生的解调的电信号表示由解调器532和信号修正光学元件534施加的修正。
处理模块540与传感器531通信地结合，以处理从传感器531接收的、解调的电信号，来确定振荡元件511的一个或多个位置参数。示例性位置参数包括从振荡元件511到传感器阵列530的距离、传感器阵列530相对于振荡元件511的方位、振荡元件511和传感器阵列 530的相对位置和方位。
在实施方式中，振荡元件511提供具有位于射频(RF)范围内的调制频率或更高频率的光学辐射。在另一实施方式中，解调器532配置为通过匹配具体关注的光学辐射的调制频率的信号来解调。例如，解调器532的信号和解调频率配置为匹配振荡元件511的相应的信号和调制频率。
在实施方式中，每个光学检测器533是单像素光电检测器，例如光电二极管。在另一实施方式中，实施方式的光学检测器533以像素阵列实现，使得每个光学检测器533对应于像素阵列的不同像素。像素阵列是例如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器或电荷耦合器件(CCD)图像传感器。
传感器531可以以任何空间配置布置在传感器阵列530内。在一个实施方式中，传感器531沿着线布置。在另一实施方式中，传感器 531布置在平面内，但不是都位于相同的线上，使得传感器531限定平面。例如，当待确定的位置参数包括传感器阵列530相对于一个或多个振荡元件511的三维方位时，或者当待确定的位置参数包括一个或多个振荡元件511相对于传感器阵列530的三维方位时，本实施方式是实用的。
在另一实施方式中，传感器531以球形模式布置，使得传感器的子集作用在整个系统的视场(FOV)的子集上。本实施方式允许相对简单且低成本的系统的集合，以共同具有非常宽的视场。
可选地，在存在环境光学辐射550例如来自太阳150(图1)的光、和/或光学引导系统500不感兴趣的其他振荡元件570例如振荡元件 162(图1)时，光学引导系统500操作。在实施方式中，解调器532 配置为抑制与环境光学辐射550和振荡元件570相关的信号。例如，振荡元件570配置为发射具有与振荡元件511的调制频率不同的调制频率的光学辐射。在另一示例中，振荡元件570是与振荡元件511(1)， 511(2)等相关的反射。在这种情况下，抑制来自振荡元件570的信号，其原因是与振荡元件511(1)，511(2)等的测量范围(相位) 相比，振荡元件570的测量范围或时间相位较大。通常的环境光学辐射例如阳光或路灯不被调制，以及因此由解调器532抑制相关的信号。
在一个实施方式中，处理模块540与传感器阵列530集成。例如，处理模块540和传感器阵列530可定位在相同的电路板上。处理模块 540可集成在一个传感器531中，然后这一个传感器531用作主机而其他传感器531是从属。在另一实施方式中，处理模块540与传感器阵列530分隔开。例如，处理模块540和传感器阵列530共享外壳，或者处理模块定位在距传感器阵列530一定距离的单独的计算机上。
图6示出了使用发射器和彼此区分的信号修正传感器的一个示例性光学引导系统600。光学引导系统600是光学引导系统500(图5) 的实施方式。光学引导系统600与光学引导系统500(图5)相同，除了振荡元件511(图5)被发射器611替代之外。发射器611生成并发射调制的光学辐射。发射器611是振荡元件511的实施方式。
图7示出了使用回射器和彼此区分的信号修正传感器的一个示例性光学引导系统700。光学引导系统700是光学引导系统500(图5) 的实施方式。光学引导系统700与光学引导系统500(图5)相同，除了光学引导系统700进一步包括发射器710以及振荡元件511(图5)被回射器711替代之外。发射器710生成并发射调制的光学辐射。回射器711朝着传感器阵列230反射由发射器710发射的调制的光学辐射中的至少一部分。回射器711是振荡元件511的实施方式。在一些实施方式中，发射器710定位在传感器阵列530附近。例如，发射器 710与传感器阵列530集成以最小化形成光学引导系统700所需的单独的模块的数量。可通过例如基于MEMS的镜朝着回射器711(1)， 711(2)等间歇性地转动发射器710。
图8示出了使用振荡元件和彼此区分的信号修正传感器的一个示例性光学引导系统800。光学引导系统800是图5的光学引导系统500 的实施方式。光学引导系统800包括三个振荡元件511(1)，511(2) 和511(3)(图5)、传感器阵列830、以及处理模块540(图5)。传感器阵列830是传感器阵列530(图5)的实施方式。传感器阵列830 包括三个彼此区分的信号修正电光传感器831(1)，832(2)和832 (3)。每个传感器831是传感器531(图5)的实施方式。每个传感器 831包括检测器533和解调器832，解调器832用于解调响应于对入射到检测器533上的光学辐射的检测而由检测器533生成的电信号。在实施方式中，解调器832包括用于抑制更高频分量的滤波器，使得解调器832的输出是较低频率的信号。解调器832是解调器532(图5) 的实施方式。
传感器阵列830从相应的振荡元件511(1)，511(2)和511(3) 接收调制的光学辐射810(1)，810(2)和810(3)。每个调制的光学辐射810(i)可入射到检测器533(i)中的一个、两个或所有检测器上。调制的光学辐射810(1)，810(2)和810(3)具有彼此区分的调制频率。响应于入射的光学辐射，每个检测器533(i)生成通信到对应的解调器832(i)的电检测器信号820(i)。每个解调器832(i) 生成解调的电信号835(i)。解调器832(1)，832(2)和832(3)匹配于相应的振荡元件511(1)，511(2)和511(3)，使得解调器832 (i)的解调频率与由振荡元件511(i)发射的、调制的光学辐射810 (i)的调制频率相同。因此，解调器832(i)将在检测到调制的光学辐射810(i)时生成解调的电信号835(i)，解调的电信号835(i) 表示由调制的光学辐射810(i)在从振荡元件511(i)行进到检测器 533(i)时引起的调制相位移动。滤波器834(i)确保与其他振荡元件511(j)相关的信号被抑制并因此不会促成解调的电信号835(i)，其中i不同于j。
处理模块540处理解调的电信号835，以从解调的电信号的相对振幅和相位计算每个振荡元件511(i)和对应的检测器533(i)之间的距离和相对位置。在实施方式中，振荡元件511以非线性配置布置，传感器831以非线性配置布置。在本实施方式中，处理模块540可通过三角测量确定振荡元件511相对于传感器阵列830的三维位置和三维方位。
图9是示出使用彼此区分的信号修正传感器确定目标的位置参数的一个示例性光学引导方法900的流程图。可通过光学引导系统500 (图5)，600(图6)，700(图7)或800(图8)执行光学引导方法 900。光学引导方法900包括对于定位在目标处的至少一个振荡元件中的每个执行的步骤920、对于多个彼此区分的信号修正电光传感器中的每个执行的步骤930和940、以及处理步骤950。光学引导方法900 例如用于方案100(图1)以确定振荡元件106相对于安装在包裹配送无人机120上的电光传感器122的位置参数。
在步骤920中，由振荡元件发射调制的光学辐射。调制频率是具体振荡元件所特有的。例如，振荡元件511(i)(图5和8)发射调制的光学辐射810(i)(图8)。
在步骤930中，通过与多个彼此区分的信号修正电光传感器中的一个相关的检测器检测在步骤920中生成的、调制的光学辐射。例如，检测器533(i)(图5和8)检测调制的光学辐射810(i)(图8)。在步骤940中，使用与由步骤920中至少一个振荡元件中的具体振荡元件发射的、调制的光学辐射具有相同频率的解调信号，解调响应于步骤930中的检测而生成的检测器信号。这生成步骤920中至少一个振荡元件中的具体振荡元件所特有的、解调的电信号。例如，解调器832 (i)(图8)解调电检测器信号820(i)(图8)以生成解调的电信号 835(i)(图8)。
在步骤950中，处理至少一个振荡元件中的具体振荡元件所特有的、所有解调的电信号，以确定目标的位置参数。例如，处理模块540 (图5和8)处理解调的电信号835(1)，835(2)和835(3)，以确定每个振荡元件511(i)和对应的检测器833(i)之间的距离，或者确定振荡元件511(图5和8)相对于传感器阵列830(图8)的三维位置和三维方位。
图10是示出用于执行方法900(图9)的步骤950的一个示例性方法1000的流程图。对于在方法900(图9)的步骤940中生成的每个解调的电信号，执行方法1000的步骤1010，1020和1030。在步骤 1040中，解调的电信号发送到处理模块。例如，系统800(图8)的解调器832(i)向处理模块540(图5和8)发送振荡元件511(i)(图 5和8)所特有的、解调的电信号835(i)(图8)。
在步骤1020中，处理模块确定由调制的光学辐射在从振荡元件传播到与之相关的传感器时引起的振幅和相移。振幅通常将是到振荡目标的、与电光传感器的方位相关的角度的函数，而相位将是距振荡目标的距离的函数。例如，处理模块540(图5和8)处理从解调器832 (i)(图8)接收的、解调的电信号835(i)，以确定由调制的光学辐射810(i)在从振荡元件511(i)(图5和8)行进到检测器532(i) (图5和8)或传感器831(i)(图8)时引起的振幅和相移。在步骤 1030中，处理模块处理在步骤1020中生成的振幅和相移，以确定与解调的电信号相关的传感器和振荡元件之间的距离。例如，处理模块 540(图5和8)处理与解调的电信号835(i)(图8)相关的振幅和相移，以确定从振荡元件511(i)(图5和8)到检测器532(i)(图5 和8)或传感器831(i)(图8)的距离。
距离确定的分辨率是调制频率的函数。在调制频率ν＝20MHz的情况下，该信号的波长λ约为λ＝c/ν＝15m，其中c是光速。用于来自相干相位检测的距离估计的一般规则是距离分辨率约为λ/SNR，其中SNR是信噪比。对于调制频率为20MHz和SNR为1000的情况，距离分辨率约为1.5cm。在SNR为1000时，30GHz的调制频率转换成10mm的波长和约为10微米的距离分辨率。这说明了对于由振荡元件发射的辐射使用光学载波频率的益处。通过使用光学载波频率，调制频率可以高些。例如，调制频率可位于上射频范围(30GHz或更大) 内或甚至在射频范围之外，例如可以是微波或光频。这能够以高分辨率进行距离确定。这还可通过足够的分辨率能够进行深度辨别，以避免与由振荡元件发射然后在到达引导系统之前从其他表面反射离开的 r光学辐射的干扰。使用方法1000，即使在存在来自其他辐射源例如阳光的强干扰或来自其他振荡元件的调制的光学辐射时，本文公开的光学引导系统也能够实现大约几千至几万的SNR。
在步骤1040中，处理在步骤1030中确定的距离以确定目标位置参数。例如，处理模块540(图5和8)处理振荡元件511(i)(图5 和8)和相应的传感器831(i)(图8)之间的距离，以确定振荡元件 511(图5和8)相对于传感器阵列830(图8)的三维位置和三维方位。在实施方式中，步骤1040包括对振荡元件和目标或目标内的特定点之间的距离进行校正。在另一实施方式中，步骤1040使用三角测量确定位置参数。
图11是示出用于确定目标相对于彼此区分的信号修正电光传感器阵列的三维位置和三维方位的一个示例性光学引导方法1100的流程图。方法1100是方法900(图9)的实施方式，使用为了用于光学引导系统800而定制的方法1000(图10)。目标配备有至少三个振荡元件，例如图8的、以非线性配置布置的振荡元件511(1)，511(2) 和511(3)。传感器阵列包括三个传感器，例如传感器阵列830的传感器831(1)，831(2)和831(3)。可如结合具有三个不同的振幅角度响应关系的引导系统400(图4)讨论的那样布置传感器阵列。图 12示出了表示传感器阵列的方案1200。
在步骤1110中，对于定位在目标上的三个振荡元件中的每个，方法1100执行方法900(图9)的步骤910。在步骤1120中，对于包括在传感器阵列中的三个电光传感器中的每个，方法1100执行方法900 (图9)的步骤930和940。在步骤1130中，对于由这三个电光传感器中相应的电光传感器生成的、三个解调的电信号中的每个，方法1100 执行方法1000(图10)的步骤1010，1020和1030。在步骤1140中，方法1100处理在步骤1130中确定的三个距离，以确定相对于传感器阵列的三维位置和三维方位。
图12示出了用于使用彼此区分的信号修正电光传感器的一个示例性光学引导系统的传感器831和对应的振荡元件511。在实施方式中，传感器831共线地布置。在另一实施方式中，传感器831不共线地布置。
图13和图14分别示出了在存在环境噪声时获得目标的位置参数并使用彼此区分的信号修正电光传感器的示例性光学引导系统1300， 1400。光学引导系统1300或1400是例如光学引导系统500(图5)的实施方式。光学引导系统1300包括振荡元件511(图5)和传感器阵列1330。振荡元件511包括特定的振荡元件511(1)和511(2)。振荡元件1311(0)表示来自振荡元件511(1)的反射，这样振荡元件 1311(0)位于明显比511(1)远的距离处。传感器阵列1330包括作为传感器531(图5)的实施方式的、多个彼此区分的信号修正电光传感器1331。每个传感器1331(i)包括用于检测由振荡元件511发射的调制的光学辐射的检测器533(i)(图5)、以及用于解调响应于入射的调制的光学辐射而由检测器533生成的电信号的解调器1332。可选地，每个传感器1331(i)进一步包括作为信号修正光学元件534(图 5)的实施方式的信号修正光学元件1334。解调器1332是解调器532 (图5)的实施方式。每个检测器533(i)与其他检测器533(j)彼此区分，使得每个解调的信号的振幅是533(i)的光子和电子的具体配置的函数。
每个解调器1332(i)包括与检测器533(i)通信地结合的倍增器 1360(i)、与倍增器1360(i)通信地结合的滤波器1370(i)、以及与滤波器1370(i)通信地结合的模数转换器1380(i)。每个倍增器1360 (i)使响应于入射到对应的检测器533(i)上的、调制的光学辐射而由对应的检测器533生成的电信号倍增，并使调制的电信号具有与由振荡元件511中对应的振荡元件发射的、调制的光学辐射的调制频率相同的调制频率。由倍增器1360(i)生成的倍增的信号通过滤波器 1370(i)滤波以去除高频分量。滤波器1370(i)因此抑制源自调制的光学辐射的、具有与倍增器1360(i)所使用的信号的调制频率不同的调制频率的信号。滤波器1370(i)是例如带通滤波器或低通滤波器。因此，倍增器1360(i)和滤波器1370(i)协作以使传感器1331(i) 与具体振荡元件例如振荡元件511(1)匹配，如结合用于振荡元件511(i)和对应的传感器831(i)的图8所讨论的。模数转换器1380(i) 将滤波器1370(i)的模拟输出转换成数字信号。在实施方式中，该数字信号是从滤波器1370(i)接收的信号的振幅估计。在另一实施方式中，由模数转换器1380(i)生成的数字信号包括对由调制的光学辐射在从对应的匹配的振荡元件511(i)行进到检测器533(i)时引起的调制相位移动的估计。
如果来自不同的电光传感器1331(i)的相对物理距离与调制波长相比较小，则不同的调制信号1360(i)可以相同。如果电光传感器 1331(i)之间的距离与调制波长相比较大，则每个调制信号1360(i) 可具有不同的相位。在这种情况下，不同的调制1360(i)实质上是光束形成的。
作为处理模块540(图5)的实施方式的处理模块1340与模数转换器1380通信地结合，用于处理从模数转换器1380接收的数字信号，以确定振荡元件511或与之相关的目标的一个或多个位置参数。
在示例性使用方案中，光学引导系统1300在存在强环境光学辐射 1350例如阳光时操作。在较宽的波长范围内，强环境光学辐射1350 可极大地影响振荡元件511的测量精度。为了减少强环境照明的负影响，光学引导系统1300包括彼此区分的时间信号修正和彼此区分的空间信号修正。由匹配于振荡元件511中单独的振荡元件的解调器1360 提供光学引导系统1300的时间信号修正。由信号修正光学元件1334 提供光学引导系统1300的空间信号修正。在本示例中，信号修正元件 1334可包括彼此区分的、空间改变的振幅传输功能，以提高定位能力。在一些实施方式中，空间信号修正元件和时间信号修正元件两者协作配置，以减小光学引导系统1300的尺寸、重量、功率和成本，同时实现振荡元件511的最高的三维定位精度。
图1365示出了接近与具体振荡元件511例如振荡元件511(1) 相关的中心频率1361的信号，和与强环境光学辐射1350相关的信号 1363、以及与由光学引导系统1300感测的所有需要的和不需要的信号相关的散粒噪声1364的分离。由光学引导系统1300使用的调制方案可以是振幅调制。振荡元件511可发射在时间上遵循偏置正弦模式的调制的光学辐射。每个振荡元件511以不同的调制频率辐射。时间处理电光传感器1332的解调信号1360特意设置为用作相对于一个目标的辐射的匹配滤波器。由倍增器1360使用的解调信号是例如接近中心频率1361的正弦波。滤波器1370是例如特意设置为中心频率1361 的、具有带宽1362的带通滤波器。通过不进行调制，强环境照明光谱的大部分位于DC，远离中心频率1361。其他源还可存在于中心频率 1361和带宽1362之外，并与信号1363一样表示干扰信号。通过对由振荡元件511发射的光学辐射的调制和随后通过传感器1332的解调，大大减少了这些干扰信号的影响。这些干扰信号的主要影响是他们增加到散粒噪声1364。可通过最小化带宽1362而最小化由传感器1331 中的模数转换器1380采样的散粒噪声1364。
可通过距离辨别最小化作为来自振荡元件511(1)的不需要的反射的、振荡元件1311(0)的影响。例如，通过改变振荡元件511的频率和对应的解调信号的解调信号1360，可执行距离估计和距离辨别。由于反射总是出现在明显更大的距离处，所以距离辨别可用于去除反射的影响。见图17和随附文本，描述了直接信号和多路径信号之间的辨别。
在一个实施方式中，传感器阵列1330配置为孤立的单像素的集合。在另一实施方式中，传感器阵列1330配置为像素阵列，类似于在例如移动电话的相机和其他成像系统中找到的普通CMOS像素阵列。
图15示出了用于使用彼此区分的信号修正电光传感器的光学引导系统的一个示例性电光传感器阵列1500。传感器阵列1500是图13 的传感器阵列1330的实施方式，其中传感器阵列1500的像素的至少一个子集中每个子集是图13的传感器1331。在本实施方式中，传感器1331是用于传感器阵列1500的每个像素的并行模拟信道的一个组件。传感器1331的调制/解调特意配置为遵守CMOS检测器的限制，例如晶体管的有限面积或数量，以减少成本。倍增器1560所使用的解调信号是例如通过开关的晶体管实现的二进制信号。二进制开关的信号的相位可改变以匹配发射的信号的相位，例如通过锁相环(PLL)、正交采样或预先获知。通过仅由两个二进制信号值解调，可仅通过每个像素中极少量的开关的晶体管实现解调。滤波器1570可实现为模数转换器1380的部件。模数转换器1580可在多个像素例如多个像素的行或列或另一集合之间共享，即在多个传感器1331之间共享。在以高性能为目的的一些实施方式中，每个传感器1331具有它自己的模数转换器1580。这种类型的配置可在背照式图像传感器(BSI)中容易地实现，其中附加金属层可设计用于倍增器1560、滤波器1570、以及模数转换器1580。
图16示出了用于使用彼此区分的信号修正电光传感器的光学引导系统的一个示例性电光传感器阵列1600。电光传感器阵列1600可实现为光学引导系统500(图5)的传感器阵列530。传感器阵列1600 的像素的至少一部分中的每个是电光传感器1680。传感器1680是传感器531(图5)的实施方式，配置用于入射的调制的光学辐射的光学解调。传感器阵列1600因此实用于光学引导系统500(图5)的实施方式，其中由振荡元件511(图5)发射的调制的光学辐射的调制频率位于光学或THz范围内。
传感器1680包括光学分束器1687、电光检测器1681、以及解调器1690。入射的、调制的THz辐射1685与THz解调信号1686在分束器1687处干涉，以产生干扰信号1688。干扰信号1688具有比入射的、调制的THz辐射1685和THz解调信号1686低的频率。干扰信号 1688通过电光检测器1681采样并进一步由解调器1690处理。解调器 1690可在GHz和MHz范围内解调。在实施方式中，传感器阵列1600 的多个解调器1690共享相同的模数转换器。在另一实施方式中，每个解调器1690具有它自己的模数转换器。
图17示出了使用彼此区分的信号修正电光传感器的光学引导系统700(图7)的使用的示例，其中由发射器710(图7)发射的调制的光学辐射被步进频率式调制。图1720示出了步进频率式调制的仿真，其中由发射器710(图7)发射具有调制频率步进的范围的、调制的光学辐射。来自回射器711的、由传感器531(图5和7)接收的信号通过与发射器710(图7)的发射信号混合而解调，解调信号的角度被低通滤波，产生相位角估计1721。
通过使接收的信号乘以复杂信号exp(jω(t)t+φ)实现解调，其中ω(t)是发射信号角频率，t是时间，φ是发射信号相位。相位角估计 1721是低通滤波器的输出。1721Rxl表示从来自振荡元件的期望的信号解调的相位。1721Rx2表示源自相同的振荡元件的光学辐射的不期望的反射。在一个实施方式中，相位角估计1721是位于每个发射的频率的、解调的信号的平均。相位角估计1721经过傅里叶变换并乘以光速，以对于回射器711和传感器531之间的距离产生距离估计1723。 1723Rxl表示来自振荡元件的期望的信号的振幅，而1723Rx2表示不期望的反射的振幅。距离辨别处理可用于选择具有最近距离的信号，从而抑制不期望的反射。在本示例中使用的信号处理还可应用于光学引导系统500(图5)，600(图6)和800(图8)，以及光学引导方法 900(图9)和1000(图10)。
图18示出了一个示例性发射器1830、发射器611(图6)或发射器710(图7)连同电光传感器1740的实施方式、传感器530(图5) 的实施方式。
发射器1830包括信号生成部1831，信号生成部1831与偏置部 1832通信地结合，而偏置部1832与晶体管1834、发光二极管(LED) 1835、以及电阻器部1833结合。LED 1835发射调制的光学辐射。信号生成部1831提供均值为零的正弦波，信号生成部1831结合到偏置部1832。偏置部1832的输出驱动晶体管1834，而晶体管1834驱动 LED 1835。LED1835的功率输出由电阻器部1833中的电阻器、LED 的操作电压和转换效率限制。信号生成部1831提供调制信号，同时偏置部1832确保了到LED 1835的电压总是正的。因此对于信号的所有部分，LED辐射。
如果发射器1830的调制频率小于模数数字化频率的一半，则对应的传感器可以是传感器1840。传感器包括电光检测器1841，电光检测器1841与具有大于1的通带增益的高通滤波器(HPF)1842通信地结合。HPF 1842与在滤波器的通带中具有约为1的增益且在阻带中具有远小于1的增益的低通滤波器(LPF)1843通信地结合。HPF 1842用于向通带内的高频提供增益同时抑制DC和低频干扰。LPF 1843与模数转换器(ADC)1844通信地结合，而模数转换器(ADC)1844数字化带通滤波的、调制的信号，以用于数字信号处理。然后使用软件解调信号1845和LPF 1846执行传感器1840中的解调。LPF 1846是在软件中实现的低通滤波器，例如移动平均有限冲激响应(FIR)滤波器。
图19示出了作为传感器1940的实施方式的一个示例性传感器 1900。光电检测器元件1952包括结合到增益电阻器R9的光电检测器 X12S5106。选择增益电阻器R9，使得Ιpd×R9＜＜Vsupply，其中Ιpd是光电检测器电流以及Vsupply是例如图19中的V3和V6。由低频干扰光学辐射例如环境照明和调制的光学辐射中的至少一个生成光电检测器电流。电阻器R9用于将由于调制的或环境照明导致的所有光电检测器电流转换成电压，所以与高的电阻值R9结合的高的环境照明将生成可能高得足以使电路饱和的高电压。用于R9的低值允许原始光电检测器电流的小幅放大，允许在处理之后应用高增益。高通滤波器部 1954去除低频干扰信号并向高频提供增益，其中高频的增益与电阻器 RF和R3之比相关。低通部1856减少总带宽和噪声同时在通带中提供近似统一的增益。高通滤波器部1954和低通滤波器部1956的组合提供带通滤波器功能。虽然示出的滤波器是有源滤波器，但是可在不要求增益大于1的阶段使用无源RC滤波器。截止频率由滤波器部1954 和1956中的每个中的RC组合确定，其中对于高通滤波器部1354，fc＝l/(2π·R4·C2)，以及对于低通滤波器部1956，fc＝l/(2π·R8·C3)。在实施方式中，数字化该调制的信号，以及在软件中发生对数字化的信号的解调。
图20示出了具有彼此区分的信号修正传感器2000的一个示例性光学引导系统。传感器阵列2010包括具有共同的视场(FOV)2080 的、数量为N的电光传感器2011。中间媒介2090可存在于FOV 2080 中的目标和传感器阵列之间。中间媒介2090向FOV 2080中的目标的图像引入引导系统2000能够校正的畸变。
每个电光传感器2011(i)包括信号修正元件2014(i)。信号修正光学元件2014相互彼此区分。即，N个信号修正光学元件2014中的每个信号修正光学元件将修正施加在入射到与N个信号修正光学元件 2014中的每个不同的信号修正光学元件上的光学辐射上。信号修正光学元件可例如以空间依赖的方式改变入射的光学辐射的相位、振幅或极化。
信号修正光学元件2011还可存在于使用传感器531(i)(图5) 将彼此区分的时间修正施加在信号上的引导系统的实施方式中。这些系统包括系统500(图5)、系统600(图6)、系统700(图7)、以及系统1400(图14)。
每个电光传感器2011(i)还包括图像传感器2016(i)。在实施方式中，N个图像传感器2016中的每个是单独的图像传感器模块。在不同的实施方式中，N个图像传感器2016中的每个实现为图像传感器模块上的像素区，其中每个电光传感器2011(i)成像到图像传感器模块的像素阵列上的不同像素区。
图像生成模块2020接收响应于入射到图像传感器2011上的光学辐射由图像传感器2011生成的信号。图像生成模块2020包括合成模块2030。图像生成模块2020包括用于分别线性地和非线性地处理从传感器阵列2010接收的信号的线性处理模块2032和非线性处理模块 2034。转换模块2040与合成模块2030通信地结合，并转换从合成模块2030接收的信号，以确定畸变校正的图像或相关参数。例如，转换模块2040可确定FOV 2080内的目标的参数，例如目标的位置或方位。
图21示出了作为传感器阵列2010(图20)的实施方式的一个示例性传感器阵列2110。传感器阵列2110包括N个传感器2111，其中相应的信号修正元件2112合并进相应的成像目标中。
图22示出了作为传感器阵列2010(图20)的实施方式的一个示例性传感器阵列2210。传感器阵列2210包括N个传感器2211，其中对目标2212成像的、相应的信号修正元件2211是单独的传感器组件。
图23示出了一个示例性图像生成模块2320，其作为图像生成模块2020的实施方式的、包括内存2330、处理器2380、以及接口2390。内存2330与处理器2380通信地结合，而处理器2380与接口2390通信地结合。内存2330包括编码在内存2330的非易失性部分中的机器可读指令2340。指令2340包括合成指令2350和转换指令2360。合成指令2350连同处理器2380是合成模块2030(图20)的实施方式，使得处理器2380可执行合成指令2350以执行合成模块2030(图20)的功能。同样，转换指令2360连同处理器2380是转换模块2040(图20) 的实施方式。合成指令2350包括线性处理指令2352和非线性处理指令2354。线性处理指令2352连同处理器2380是线性处理模块2032 (图20)的实施方式。非线性处理指令2354连同处理器2380是非线性处理模块2034(图20)的实施方式。内存2330还包括数据存储器 2370，数据存储器2370包括由每个传感器2011捕获的图像2371。空间频率表示2372是图像2371的二维傅里叶变换，其中独立的变量是沿着两个正交方向的空间频率。在最一般的情况下，空间频率表示 2372的值是复量。复合MTF响应2373和复合相位响应2374从空间频率表示2372计算并存储在内存2330中。数据存储器2370还可包括用于计算复相位响应的权重2375、参考MTF2376、以及归一化因子 2377。接口2390与传感器阵列2010(图20)通信地结合，使得图像生成模块2320可接收由图像传感器2016(图20)捕获的图像。在实施方式中，接口2390进一步通信地结合到单独的计算机系统或用户。接口2390可例如处理以下项中的一个或两个：提供用于观看的图像和提供对于引导的响应。
图24示出了用于在具有彼此区分的信号修正传感器的光学引导系统中进行畸变校正的成像的一个示例性方法2400。方法2400例如在引导系统2000内实现。虽然下面针对引导系统2000讨论方法2400，但是方法2400可用于通过畸变媒介执行成像的其他系统。另外，引导系统2000可在除了图24的方法之外的方法作用下操作。
在步骤2410中，方法2400使用相应的多个彼此区分的信号修正电光传感器捕获共享共同的视场的、多个改变的图像。每个电光传感器将与由其他传感器施加的修正彼此区分的修正施加在信号上。在步骤2410的示例中，图20中的系统2000的传感器阵列2010捕获共享共同的视场的多个图像。
在步骤2420中，方法2400生成相应的多个改变的图像的多个空间频率域表示。如上面说明的，在最一般的情况下，空间频率表示的值是复量。在步骤2420的示例中，系统2000的合成模块2030的线性处理模块2032(图20)线性地处理从传感器阵列2010接收的多个图像，以生成图像的空间频率表示。
在步骤2430中，方法2400线性地和非线性地处理多个空间频率域表示，以生成畸变校正的图像。在步骤2430的示例中，图像生成模块2020(图20)的线性处理模块2032和非线性处理模块2034分别线性地和非线性地处理多个空间频率域表示，以生成畸变校正的图像。
图25示出了作为方法2400的步骤2430的实施方式的一个示例性方法2500。在步骤2510中，方法2500合成多个空间频率表示，以生成复合MTF响应。步骤2510包括线性处理步骤2515。在步骤2520 中，方法2500合成多个空间频率表示，以生成相位响应。步骤2520 包括线性处理步骤2525。在步骤2530中，方法2500合成来自步骤2510 的复合MTF响应和来自2520的复相位响应。在步骤2530中，方法 2500转换组合的复合MTF响应和相位响应，以生成畸变校正的图像。
图26示出了使用非线性处理以计算复合OTF振幅响应和使用线性处理以计算复合OTF相位响应的、用于恢复图像清晰度的第二示例性方法。方法2600与方法2500(图25)相同，除了方法2500的步骤 2515，2525和2530被其相应的实施方式的步骤2615，2625和2630替代之外。步骤2515计算多个空间频率域表示的均方根(rms)振幅。步骤2525计算多个空间频率域表示的相位的加权平均值。步骤2530 使复合MTF响应、复相位响应、以及归一化因子相乘，以生成由传感器阵列捕获的图像的复合复杂空间频率域表示。在实现的方法2600 的示例中，系统2000的图像生成模块2020执行方法2600。
图27示出了使用彼此区分的信号修正电光传感器的一个示例性光学引导系统2700。光学引导系统2700是系统2000的实施方式。光学引导系统2700通过正交采样从目标2730辐射或反射的能量，测量关于目标2730的信息。彼此区分的传感器2701(i)的检测器可以是单像素或阵列检测器。
位于引导系统2700和目标2730之间的是用于改变由目标403生成的或反射离开目标403的光学辐射的光学特性的、潜在畸变媒介 2720。畸变媒介2720的特性可以是已知的或未知的。多个电光传感器 2701包括相应的多个彼此区分的信号修正组件2702和相应的多个光学检测器2703。信号修正组件2702可以一般来说是具有不同相位/振幅分布和/或在检测器2703附近具有不同相位振幅分布的透镜。检测器2703可以是单像素检测器或检测器阵列。引导系统2700的传感器 (2701(1,2,...,N))彼此区分，以正交采样关于位于一些域中的并与 2700的其他信道相关的目标2730的信息。进行正交采样减少了成对的传感器之间的交错信息并最大化系统的费希尔信息，从而增加总的系统精度。光学引导系统2700可进一步包括彼此不区分的或不与传感器2701区分的附加电光传感器，而不背离本文的范围。
光学引导系统2700还可具有极低的成本，其原因是光学引导系统 2700由低成本的组件构成。系统2700表示特有的低成本正交传感器 2701的一个配置，从而尽可能精确地测量关于目标2730的三维定位的信息。
图28描述了使用信号修正光学元件534(图5)的、用于图5的彼此区分的传感器531的，或用于图20的彼此区分的传感器2011的三个普通的光学配置。系统2810描述了在改变光学分量2812中的至少一个所需的时间量程上目标静止，以及通过改变分离件2814或通过2812处的二阶相位项可使目标作为焦点的情况下相关的时变系统。可例如通过液体透镜装置例如由法国里昂Varioptic公司提供的液体透镜装置，光电机械地执行2812和2814二者的时间修正。
系统2820描述了具有彼此区分的光学元件2822，一般来说是非球面光学元件的阵列的系统。由光学元件2822形成的、单独的光学信道设计为产生彼此区分的测量。2820中的检测器2821可以是阵列检测器或单像素检测器的集合。
系统2830类似于系统2820，除了在彼此区分的光学元件2832的阵列之前使用普通物镜2835之外。普通物镜2835可向光学元件阵列 2832呈现平行光、聚焦光或之间的光。图28的一般光学特性可单独地或一起用于具体系统。
再次参照光学引导系统1300(图13和14)，在实施方式中，引导系统1300中的传感器阵列包括图27的、实现为信号修正光学元件 1334的、彼此区分的信号修正光学元件2702。本实施方式包括将两种类型的彼此区分的修正施加在信号上的传感器。一种是如系统2700 中那样作为入射光学辐射的信号的空间改变的修正。另一种是在信号从光学辐射转换成电流之后信号的、时间改变的修正。
图29描述了传统成像系统的空间分辨率的衰退，如由系统的调制传递函数(MTF)量化的。畸变导致经典的成像系统中的MTF功率的损失。系统中的畸变，例如图13和图27中的畸变可作用以大大减少目标的定位估计的精度。例如由于图27的畸变媒介2720导致的畸变为一个这样的示例。畸变还可特意用于系统，例如以实现扩展的景深。在示例中，通过图4中的引导系统400的彼此区分的电光传感器401 的仔细设计，可实现由于畸变导致的“损失OTF”的恢复，并能够进行最高精度定位估计。
衍射受限制的成像系统产生由图29中的2910确定的二维MTF，其中峰值MTF振幅位于中心。通过该二维MTF的原点的水平条产生 MTF 2911。具有一个彗形波长的系统产生二维MTF 2920。通过该二维MTF的水平条产生MTF 2921。具有一个像散波长的系统产生二维MTF 2930。通过该MTF的水平条产生MTF 2931。
图30通过示例描述了从基于射线的视角得到的MTF功率的基本损失。理想系统3010作用在来自基本上无穷远处的远距离点的射线 3011上，以形成理想点扩展函数(PSF)或点的图像3012。点的图像 3012的实际特性与理想系统3010的细节相关。
系统3020类似于理想系统3010，除了畸变媒介3050改变来自基本上无穷远处的远距离点的射线的相对方向(和/或振幅和相位)之外。在点的图像3022处产生的射线不再是理想的并产生远距离点的畸变的图像。畸变的图像通常与位于一些空间频率的MTF的损失相关。重要的问题是“该MTF功率去哪了？”。如果可理解该损失功率，在下文中称为损失的OTF，则是否能够恢复损失的OTF以及如何恢复？
图31示出了复杂系统响应(CSR)以及如何在使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统中恢复损失的MTF功率。空间频率系统 3100使来自基本上无穷远处的远距离点的平行光3101形成图像。空间频率系统3100上的透镜是特意由三次相位函数3102修正的理想透镜，其中函数是(x＾3+y＾3)。该相位函数是容易描述的畸变形式。
产生的、远距离点的图像由PSF 3110表示在空间域中以及由其对应的OTF 3120表示在空间频率域中。在图31中仅示出了MTF或OTF 3120的振幅。这两个表示中任何一个均未描述损失的OTF功率去哪了。包含振幅和相位的具体OTF点3121和3122分别表示在复杂系统响应(CSR)3130和3140中。OTF点3121位于水平空间频率，OTF 点3122位于对角空间频率，OTF点3121和3122均位于距原点相同的径向距离处。一般来说，CSR表示根据在竖直方向和水平方向上的广义散焦的具体复杂OTF点。CSR 3130和3140的原点分别表示OTF 点3121和3122，同时3130和3140的其余区域表示用于具有不同的广义散焦的OTF点3121和3122处具体空间频率的OTF点。广义散焦是一维散焦，例如α·x＾2或β·y＾2，其中两个正交维度具有不同的散焦特性。经典的散焦是二维的，例如α·(x＾2+y＾2)，其中两个正交维度具有相同的散焦特性。CSR的原点处的值表示具有零散焦的具体空间频率的OTF。
CSR 3130上的经典的散焦线3150是水平的。CSR 3140上的经典的散焦线3160是对角的。这些表示分别用于OTF点3121和3122处两个具体空间频率的经典的散焦线。
为了理解散焦线3150的方位，回想到CSR 3130表示用于对包含非零水平空间频率νx和以零为中心范围极小的竖直空间频率Δνy的目标进行成像的OTF值，如点3121所示的。在图中仅示出了OTF或 MTF的振幅。因此，在Δνy→0的限制下，对于|νy|>0，CSR 3130 中的OTF值是常数。散焦线3160类似于3150，但是旋转了45度，其原因是CSR 3140中的、对应于OTF点3122的OTF值位于对角空间频率。
CSR 3130显示沿着经典的散焦线3150散布的系统功率。所以该空间频率系统3100显示扩展的景深。CSR 3140描述具有远离经典的散焦线3160的功率的系统。虽然存在沿着经典的散焦线的功率，但是空间频率系统3100在此具有损失的OTF功率以及多个其他空间频率。
通过理解CSR和特意设计正交采样系统400(图4)，2000(图 20)和2700(图27)的电光传感器401以通过设计CSR滤波器利用 CSR，可大大减少畸变对特定系统的影响。系统400(图4)，2000(图 20)和2700(图27)的传感器的信号修正光学元件可包括如本文讨论的CSR滤波器。例如，多个信号修正光学元件2014(图20)可以是相应的多个彼此区分的CSR滤波器。在一些实施方式中，多个彼此区分的CSR滤波器形成用于横跨广义散焦的基组。
图32示出了在使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统中基于传感器的出瞳形成CSR。CSR是成像系统的出瞳的双线性函数。图32描述了基于出瞳3201P(x，y)形成CSR的过程。一般来说，该出瞳是包含作为空间位置的函数的振幅和相位的复量。出瞳的变换体3202P(x-u/2,y-v/2)以及变换和结合体3203P*(x+u/2,y+v/2)逐点相乘。结果是二维关联3210C(u，v)。该关联是二维变换u和v 两者的函数。C(u,v)的二维傅里叶变换产生CSRCSRu,v(wu,wv)3220。与两个变换u和v相关的经典的OTF通过由关联函数C(u，v)对u 和v求和得到。用于两个空间变换u和v的经典的OTF等于CSR的原点或OTF(u，v)＝CSR(0，0)。CSR的重要特性是对于每个空间频率，对于出瞳3201的每个相位畸变，CSR的平方值之和是常数。
由于出瞳P(x,y)一般来说是复量，所以C(x,y)和CSR(wu,wv) 也是复量。本文示出的CSR的所有图将显示振幅，同时所有计算将涉及实际复值。
图33描述了CSR滤波器的“构建块”。构建块正交，所以能够使图27的电光传感器2701的单独的信道具有最少量的交错信息和最大量的费希尔信息。CSR滤波器用于控制畸变的系统影响并恢复损失的 OTF功率。图3310和图3320描述了用于四个不同角度的一个空间频率的CSR。全部CSR的空间频率将归一化到为1.0的最大值，并示出为在该最大值之外的0.25。图A，B，C和D分别表示水平空间频率、左对角空间频率、右对角空间频率和竖直空间频率。经典的散焦线在 A中是水平的，在B中是斜向上到右边，在C中是斜向下到右边，在 D中是竖直的。
通过具有像散组件的成像系统形成图3310和3320的CSR块。或者，图32中的出瞳3201特意设计用于图27的正交采样系统2700的信号修正组件2702中的每个。对于图3310，像散组件限定为P(R,θ) ＝R＾2sin(2θ)，而对于图3320，像散组件限定为P(R,θ)＝R＾2cos(2θ)。在本文中，R＝(x＾2+y＾2)＾(1/2)以及θ＝arctan(y/x)，其中R是采光平面的半径以及θ是关于采光平面的角度。
图3310和3320中的对应的图A，B，C，D是正交的。作为用于两个组件功能的、广义散焦的函数的功率生成不重叠的CSR。这些CSR 的线性组合可横跨整个广义散焦空间。
将散焦增加到来自图32的出瞳3201具有平行于散焦线平移CSR 功率的效果。改变像散组件的振幅而关于散焦轴线性地平移CSR功率。这两个像散组件称为CSR滤波器的构建块，其原因是它们的线性组合可横跨CSR的任何期望的区域。
图34示出了这一次来自圆柱形组件的、用于CSR滤波器的不同组的构建块。圆柱形组件具有来自图32的出瞳3201，具有一维透镜的形式例如x＾2或y＾2。图3410与P(x，y)＝x＾2形式的圆柱形组件相关，而图3420与P(x，y)＝y＾2形式的圆柱形组件相关。对于每个相应的图A，B，C或D，圆柱形组件还形成正交组。对于图 34中的任意两个图，基本上不存在CSR重叠。但是，水平空间频率和竖直空间频率A和D仅沿着相应的散焦轴平移。不存在具有来自图33的像散组件的情况。
图33的构建块33用于形成图35中示出的CSR滤波器。构建块 3501、3502和3503描述了用于三个不同的构建块P(r,θ)＝a R＾2 sin(2,θ)、P(r,θ)＝0以及P(r,θ)＝-a R＾2sin(2θ)的水平空间频率(具有为0.25的、归一化的辐射空间频率)的复CSR，其中a＝波长的3/4。线性地改变像散组件的振幅将CSR线性地平移。通过对复CSR 构建块线性地求和，产生所导致的CSR滤波器3510。该滤波器关于以零散焦为中心的散焦线宽广散布。一般来说，虽然本文将使用统一的权重，但是复权重可用于通过对由构建块3501，3502，3503描述的每个CSR加权而形成CSR滤波器。
图36示出了来自图35的、用于4个角度的单个CSR滤波器以及来自图33的正弦和余弦像散构建块的示例。图3610表示来自具有+a， 0和-a振幅的正弦像散构建块的线性组合的CSR滤波器，其中a＝3/4波长。图3620表示来自具有+a，0和-a振幅的余弦像散构建块的线性组合的CSR滤波器，再次a＝3/4波长。CSR滤波器3610A与图35中的 CSR滤波器3510相同。CSR滤波器3610A，3610D，3620B和3620C 均垂直于它们各自的经典的散焦线。在恢复通常由于经典的成像系统中的畸变而损失的OTF功率时，这些滤波器尤其有用。其他CSR滤波器(3610B，3610C，3620A和3620D)均沿着相应的经典的散焦线聚集并可展示出扩展的景深特性。可仅在一个参数上不同的这些CSR 滤波器是一维CSR滤波器。
图37示出了与来自图34的圆柱形构建块相关的CSR滤波器3710 和3720。CSR滤波器3710和3720类似于图36中的、相应的CSR滤波器3610和3620，除了CSR滤波器3710和3720的功率与来自图34 的像散构建块相比更紧密地聚集在相应的散焦轴上或相应的散焦轴附近之外。
图38描述了包括像散和散焦的一组CSR滤波器3811-3813， 3801-3803以及3821-3823。CSR滤波器是来自图35的、增加了散焦的正弦像散构建块的线性组合。这些CSR滤波器在两个参数上不同且是二维CSR滤波器。CSR构建块3801，3802和3803与图35的CSR 构建块3501，3502和3503相同。通过将+1散焦波增加到相应的出瞳，平行于散焦线平移位于图38的最上一排的CSR构建块。最下一排表示相同的情况，但是-1散焦波使CSR构建块沿着相反的方向平移。所有构建块的线性组合产生CSR滤波器3830。该具体CSR滤波器通常是矩形的且以零散焦点为中心。
图39示出了与来自图38的、用于多个角度的散焦和振幅的线性组合以及正弦和余弦像散构建块两者相关的CSR滤波器3910A至 3910D以及3920A至3920B。CSR滤波器3910A，3910D，3920B和 3920C具有以散焦轴为中心的、相同的矩形形式，这类似于图38的 CSR滤波器。
CSR滤波器4010A-4010D和4020A-4020D类似于图38，但是除了在图40中示出图34和图37的圆柱形CSR构建块之外。再次，通过圆柱形构建块与通过像散构建块相比使功率更紧密地聚集在相应的散焦轴附近。
图41至图48详细描述了使用CSR滤波以记录且随后恢复由于畸变而损失的OTF的四个示例。对于这些示例，使用图28的、具有位于每个信道2822后面的阵列检测器的系统2820。系统2820的每个孔具有导致在CSR域中进行正交采样的独特相位。通过捕获来自每个孔的图像数据并执行合适的处理，所产生的图像可具有比在不进行正交采样的情况下损失的OTF功率小得多的损失的OTF功率。
在图41中，假设给予中间畸变媒介非理想相位的形式P(x，y) ＝α·(x＾3+y＾3)，α＝作为来自图31的三次相位畸变的1波长。图 4110示出了以轮廓形式显示的经典的二维OTF振幅(即MTF)。4110 (以及4120和4130)的水平轴和竖直轴以归一化的空间频率为单位，其中最大的归一化值为1.0。所有MTF示出为在归一化的空间频率之外，为0.25。图4120表示在任何处理之前的、用于图36中的像散一维CSR滤波器(改变像散量)的二维MTF。图4130表示在任何处理之前的、用于图39中的像散二维CSR滤波器(改变像散和散焦两者) 的二维MTF。图4120中的一维像散CSR滤波器的二维MTF与5个正交孔相关，而图4130中的二维像散CSR滤波器的二维MTF与15 个正交孔相关。在一维图4150中示出的MTF 4111，4121和4131是分别来自图4110，4120和4130的水平条。
在图4130中示出的二维像散CSR滤波器的二维MTF高于在图 4120中示出的一维像散CSR滤波器(具有更少正交孔)的二维MTF，而两者均明显高于图4110的经典的二维MTF。
一维图4150示出了经典的衍射受限制的MTF 4140。经典的二维 MTF(经典的二维MTF的水平条表示为一维图4150中的模糊MTF 4111)的线性重构可匹配衍射受限制的MTF。这样的线性重构可以是例如设计有作为目标响应的、衍射受限制的MTF 4140和作为对恢复的响应的模糊MTF 4111的维纳滤波器。为了通过线性滤波使模糊 MTF 4111恢复到经典的、衍射受限制的MTF 4140，需要具有RMS 增益为gRMS＝2.25的滤波器。这样的滤波将通过该因子gRMS＝2.25 增加附加噪声标准偏差。
用于图4120的一维像散CSR滤波器的二维MTF的RMS噪声增益是0.85，以及用于二维像散CSR滤波器的二维MTF 4130的RMS 噪声增益是0.57。因此，在由于正交采样而处理之后，用于正交采样系统的附加噪声功率减小。
图42示出了用于图41的三次畸变媒介的CSR滤波器4210A-D 和CSR滤波器4220A-D。4210A-D示出了用于在之前描述的相同的四个角度处为0.25的空间频率的四个CSR。在4210B和4210C中CSR 功率在两个对角上宽广地散布。该功率可由来自图39的3910A，3920B，3920C和3910D所构成的CSR滤波器4220捕获。虽然经典的聚焦可捕获沿着散焦线的功率，但是CSR滤波方法捕获横跨散焦线的功率，即可能另外损失的功率。CSR滤波器捕获在经典的成像时通常损失的OTF功率。本文公开的CSR处理然后用于恢复OTF中的大部分或全部。
在CSR 4210中，位于归一化的散焦空间4210中的非零MTF值的面积超过二维CSR滤波器4220的非零MTF面积。因此，不是所有的畸变MTF功率将由CSR滤波器4220A-D捕获。这导致与理想的、衍射受限制的MTF偏离的系统MTF。但是，少量的数字处理例如对采样数据的维纳滤波可用于形成匹配衍射受限制的响应的最终图像或类似物。
图43示出了在使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统中恢复损失的OTF的示例，其中中间畸变媒介是相位为P(R，θ)＝ R＾4的一个球面畸变波。图4350中的MTF4311，4321和4331分别是图4310，4320和4330的水平条(位于零竖直空间频率)。在图4310 中示出的经典的散焦二维MTF和经典的散焦一维MTF 4311示出了来自衍射受限制的系统的大幅MTF降低。两个正交CSR滤波器的MTF 明显更高些，在图4330中示出的二维CSR滤波器的二维MTF和一维 MTF 4331明显高于在图4320中示出的正交系统的一维CSR滤波器的二维MTF和一维MTF 4321。对于经典的系统，RMS噪声增益是4.04，而对于在图3020中示出的二维MTF，RMS噪声增益是4.04，以及对于在图4330中示出的二维CSR滤波器的二维MTF，RMS噪声增益是 0.48。
图44示出了表示图43的畸变的CSR。再次，图39的二维CSR 滤波器比来自图36的一维CSR滤波器更好地匹配畸变的CSR。这种更好的匹配导致更高的MTF和更小的处理噪声增益。
图45描述了在使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统中恢复损失的OTF的示例，其中畸变是1.25个彗形波或者P(R，θ) ＝1.25R＾3*sin(θ+π/4)。图4550中的MTF4511，4521和4531分别是图4510，4520和4530的水平条(位于零竖直空间频率)。再次，最低的MTF来自经典的成像系统，而最高的MTF来自二维CSR滤波系统。对于经典的系统4510，噪声增益是1.94，而对于与4520相关的一维CSR滤波器，噪声增益是0.83，以及对于4530的二维CSR滤波器，噪声增益是0.58。
图46描述了用于图45的彗形畸变的CSR。对于4610B中的对角空间频率，该CSR非常宽广。这导致4510的低对角MTF。
图47中的正交CSR滤波的示例示出了在经典的MTF中而不是在正交采样系统中产生零点的畸变。在本示例中存在球面畸变和像散两者。畸变描述为P(R，θ)＝(3/8)R＾4+(3/4)R＾2cos(2θ)。图 4750中的MTF 4711，4721和4731分别是图4710，4720和4730的水平条(位于零竖直空间频率)。4710和4711中的经典的MTF示出了在水平空间频率和对角空间频率处足够小的值以产生零点。在这些宽广区域中，由于畸变效应导致基本上没有信息通过信道传递。 4720/4721和4730/4731的二维/一维MTF示出了非常高的值。实际上，尤其是当与经典的系统中的大的MTF改变相比时，相对于之前提到的畸变，MTF没有明显改变。对于经典的系统，用于图47的示例的噪声增益是10＾5，对于一维CSR滤波系统，噪声增益是0.73，以及对于二维CSR滤波系统，噪声增益是0.56。
图48示出了用于与图47相关的畸变的CSR。在4810A和4810B 中，原点(0，0)处的CSR功率基本上为零，而在4810D中，原点处的CSR功率相对高。这是图47中的4710的二维MTF的CSR变体，其中水平MTF和对角MTF非常低。但是一维CSR滤波器4720 和二维CSR滤波器4730两者均可适当地匹配畸变的CSR，导致极少的MTF损失或信息通过畸变的信道。
图49至图52描述了光学配置和CSR处理以产生图41、图43、图45和图47的结果的示例。图49描述了多个彼此区分的孔4901，每个孔具有构成电光传感器4901(1),4902(2),…,4901(N)的独特的CSR构建块。对于上面的示例，5个电光传感器用于一维CSR滤波器，以及15个电光传感器用于二维CSR滤波器。
图49示出了用于生成畸变校正的图像的光学引导系统4900。系统4900包括多个彼此区分的孔，每个孔具有构成具有彼此区分的信号修正传感器的光学引导系统的独特的CSR构建块。图49中的系统4900 表示CSR处理链的线性分量和非线性分量两者。位于多个彼此区分的孔4901后面的电光传感器4901(1),4902(2),…,4901(N)的输出经历二维傅里叶变换，然后通过非线性处理步骤4910和线性处理步骤 4920起作用。线性处理步骤和非线性处理步骤的输出然后组合并进行逆傅里叶变换，产生用于系统的其他部件的清晰图像。其他实现方式也可位于空间域中。根据系统的目的，可在滑过重叠区域的或用于整个图像的、来自电光传感器4901(1),4902(2),…,4901(N)的采样的图像上的块中进行处理。
图50描述了图49的线性处理组件5000。线性处理与形成适当的相位响应相关。位于多个彼此区分的孔5001后面的、电光传感器 S1,S2,...,SN的二维傅里叶变换的相位分量是5030。这些相位分量然后通过取决于复杂系统的权重5040加权，求和，形成所产生的相位角估计5050。取决于复杂系统的权重5040表示用于5030中的、与位于多个彼此区分的孔5001后面的每个电光传感器S1...SN相关的每个空间频率的CSR的相位的结合。可通过校准信号例如投射平行光或通过关于目标的一些先验信息例如边缘、线、稀疏性等，来测量相位。在组合了加权的空间频率信息之后，估计用于每个空间频率的、所产生的相位角。部分5020类似于图49中的线性处理步骤4920。
图51的系统5100是与CSR处理系统相关的非线性处理组件。部分5110表示图49中的非线性处理步骤4910。来自多个彼此区分的孔 5101的空间数据的傅里叶变换的平方振幅形成在5130中。这些平方振幅量然后逐点求和。每个求和的值的平方根然后形成在5140中。结果5150是用于5130的每个空间频率的、与位于多个彼此区分的孔 5101后面的正交电光传感器S1,S2,...,SN相关的、校正的MTF值。该非线性处理基本上形成用于每个测量的空间频率的RMS值。
图52示出了用于从振幅估计5210(来自图51的部分5110)和复相位角估计5220(来自图50的相位角估计5050)的乘积的二维逆傅里叶变换形成畸变校正的图像的方法5200。选择归一化项5210b，从而当不存在畸变时MTF匹配衍射受限制的MTF或其他具体目标。形成最终清晰图像5250。
光学/数字正交采样系统的实际实施方式表示在图53-57中。光学系统的一个信道由图53中的系统5300表示。由系统5300表示的信道的孔径光阑位于第一透镜元件5300a的前部，区分的相位滤波器5310 的后面。第二透镜元件5300b用于使系统5300具有远心性，或者来自像平面5300c处每个目标点的主射线平行于光轴并垂直于像平面。像平面处图像点的位置随后独立于焦点。
来自图27的彼此区分的相位和振幅信号修正组件2702可直接配置在系统5300中，位于信道的前部和/或后部。如已知的，由于孔径光阑位于前部，所以不同的相位滤波器5310可用于直接改变出瞳。区分的相位还可直接形成为第一透镜元件5300a的一部分。不同的振幅和相位还可放置在像平面5300c附近，位于检测器之前。
+20度FOV以上的MTF基本上是衍射受限制的，如MTF 5320 所示的。并且在5330中示出的相对照明在整个场中基本上是恒定的。相对照明特意设计成作为FOV的函数是恒定的，以最大化整个场上的 SNR。
图54描述了由图53的系统5300表示的信道的透镜元件5300a 和5300b的球面5410组件和非球面5411组件。由系统5300表示的该信道设计为在950nm的波长时操作。该系统的轴上焦距是5.5mm，以及F/#＝8。
图55描述了图53中的系统5300的畸变。为了保持相对照明恒定，对于这样简单和低成本的系统，畸变必须增加。换句话说，替代相对照明在场上以类似余弦方式减少，系统5300的局部焦距F/#适当地设计为以较大的视场角稍微减小，以补偿相对于目标成一定角度的表观孔尺寸的损失。F/#的这种改变导致场的局部焦距的改变，因此导致放大或畸变的改变。对于本透镜，畸变在6％以下。
图56描述了在图53中的系统5300中使用的照明的带通性质。使用的检测器是滨松S5106单像素检测器，并具有在超过λ＝970nm时快速减少的感光性，如5630中所示的。长通滤光器5610(由Midwest Optical Systems提供的LP920)对925nm以下的照明波长具有强的截止性。另外，对于+20度之间的角度，该滤光器的、作为入射角的函数的截止频率几乎不改变，如5620中所示的。长通滤光器和检测器的低通性质导致以λ＝950nm为中心的带通效应。
用于多个孔的、机械方面稳健且可以以低成本制造的一个光学配置是整片或晶圆级。图57示出了完整的引导系统的3×1信道。系统 5700示出了该系统的侧视图，高亮显示第一透镜阵列5710和第二透镜阵列5720。在实施方式中，尺寸5759和5760分别是12mm和45mm。分别由5730和5740给出将透镜元件和检测器分隔开的间隔件。整体配置的所有组件可具有光学吸收涂层(除了光学元件的中心之外)，以减少来自强源例如太阳的杂光的影响。为了更小的制造体积，透镜阵列可以是装配到形成透镜阵列的透镜支架中的、机加工的，研磨的，打磨的或注射成型的透镜。为了更高的制造体积，包括光学元件的透镜阵列可直接成型成单体件。成型可在玻璃或类似基板上通过注射成型或用特定环氧树脂复制。
整个系统的电气组件安装在像平面附近。对于系统5700，电阵列 5770由安装在单独的电子电路板上的、单独的检测器5770a，5770b 和5770c构成。在实施方式中，尺寸5770和5771是15mm，尺寸5772 是23mm。每个检测器板直接安装到第二间隔件，或者安装到安装于第二间隔件的插入件，而允许容易使用和改变。5770的所有检测器还可根据制造数量安装在单个电路板上。
根据用于不同子系统的数量和/或成本以及目标复杂性，存在多种多样的潜在不同的系统配置。系统由两个主要子系统中的至少一个构成，这两个主要子系统由i)与待定位的目标相关的光学元件/电子元件和ii)与接收信息并形成定位估计的系统相关的光学元件/电子元件构成。这些分别称为目标侧子系统和接收器侧子系统。
在一些情况下，可存在大量分布式目标侧子系统和相对少的接收器侧子系统。在这种情况下，可能有益的是，减少目标侧子系统的成本和复杂性。在其他情况下，可存在大量接收器侧子系统或可能需要减少每个接收器侧子系统的成本。例如，极敏感的光子计数检测器可用于接收器侧子系统，以能够使人眼安全的传输功率行进长距离。然后，减少接收器侧子系统的总成本和复杂性可以是整个系统的权衡，其中附加成本和复杂性增加到目标侧子系统。又一种情况是总成本和复杂性在目标侧子系统和接收器侧子系统之间平衡。
图58至60描述了共同地优化目标侧和接收器侧的子系统的成本和复杂性的系统和方法。58100描述了一般的成本/复杂性权衡空间。为了减少目标侧子系统的成本和/或复杂性，需要增加接收器侧子系统的成本和复杂性，反之亦然。还可存在平衡了目标侧子系统和接收器侧子系统两者的成本和复杂性的中间情况。
目标侧子系统58200和接收器侧子系统58300描述了减少接收器侧子系统的成本和复杂性同时增加目标侧子系统的成本和复杂性的一个示例。在投射的信息方面区分的多个目标侧系统可与具有最小复杂性的、相对少量的接收器侧系统一起使用。
目标侧子系统58200包含照明58210和彼此区分的目标侧投射光学元件58220o和58220i。电子元件58230用于驱动照明58210，以使 LED 58210的照明输出之间的相对差低于某个期望的水平，以及提供时间调制的信号。彼此区分的目标侧投射光学元件58220o和58220i 用于朝着远距离处的接收器侧子系统以基本上恒定的功率角度关系或通过特意改变的功率角度关系投射光。不同的目标侧子系统可在不同的功率角度关系方面区分。右圆偏振器58220R和左圆偏振器58220L 能够使接收器侧子系统58300处的、独立于子系统58200和58300的相对物理方位的两个输出分隔开。
接收器侧子系统58300由将从目标侧子系统投射的、两个正交极化的信号分隔开的右圆偏振器58320R和左圆偏振器58320L构成。光学信道58310由光学元件构成，检测器可以相同，如58300中所示的。 RF解调和处理电子元件58330用于解调来自类似于58200的、远距离处的多个目标侧系统的信号。注意的是，接收器侧子系统58300具有最小物理复杂性，而目标侧子系统58200具有较高复杂度。正交极化器用于将由58220R和58220L限定的两个信道分隔开。
用于接收器侧子系统的相关改变在58400中示出。该接收器侧子系统类似于58300的接收器侧子系统，但多增加了一个产生附加信息的信道以增加估计精度。58400的不同的信道具有右圆偏振器或左圆偏振器(例如58420R，58420L和58420L2)。假设与58420R和58420L 相关的光学元件和检测器与58300中对应的信道相同。通过增加58411 而区分与58420L2相关的光学元件。58411是改变从光轴检测的强度角度关系的、独特的强度和/或相位组件。58411用于与58200i协作以给出可增加估计精度的不同的测量值。例如，58411可增加由彼此区分的目标侧投射光学元件58220i提供的、上面检测的光学功率角度关系的斜率。独特的目标侧投射光学元件58220o投射检测的并认为是控制量的光学功率。
图59详细描述了图58的彼此区分的目标侧投射光学元件58220o 和58220i。59100是两个彼此区分的光学元件的图。LED安装在59110 处，用作系统59100的孔径光阑。59111是第一表面，59112是这种类型的投射光学元件的第二表面。59120表示从59100接收投射的功率的、远距离处的子系统。
59200描述了用于59100的两个不同变体的相对照明。59220描述了在20度的视场内基本上恒定的相对照明，而59230描述了在视场内基本上线性地改变的相对照明。59220可表示来自图58的58220ο， 59230可表示来自图58的58220i。相对照明是可根据59120至59100 的角度由远距离处的接收器59120看见的、投射功率的相对量。假设图58的LED58210的输出功率角度关系。如果LED输出角度关系不是恒定的，则它可通过非球面设计过程补偿，以使LED功率角度关系和非球面光学功率角度关系的组合匹配设计规范。
59230通过特意设计非球面光学元件实现了独特的相对照明分布，以使作为视场的函数的有效焦距改变。在这种情况下，作为视场的函数的焦距线性地减少。可实施多个其他相对照明分布。59230的益处是仅有一个不昂贵的光学组件用于修正目标侧子系统的功率角度关系。
图60详细描述了与图59的59220和59230相关的、已知的Zemax 型格式的光学配置。表60100和60101描述了形成59220的单个透镜光学系统，表60200和60201描述了形成59230的光学系统。表60101 和60201描述了圆对称的非球面项，例如4阶、6阶等。图60的光学系统意在用于900nm照明。
_特征的组合_
上述特征以及下面请求保护的特征可以以各种方式组合，而不背离本文的范围。例如，将认识到的是，本文描述的一个引导系统或方法的诸方面可合并或交换本文描述的另一引导系统或方法的特征。下面的示例示出了上述实施方式的可能的、非限制性的组合。应该明白的是，可对本文中的方法和装置作出多种其他改变和修改，而不背离本发明的精神和范围：
(A1)用于确定目标的位置参数的引导系统，包括：(a)至少一个振荡元件，定位在所述目标处，用于发射调制的光学辐射；(b)至少两个彼此区分的信号修正电光传感器，每个所述电光传感器具有检测器、以及用于响应于对所述调制的光学辐射的至少一部分的检测而生成解调的电信号的解调器；以及处理器，用于从所述解调的电信号确定所述位置参数。
(A2)如(A1)所表示的引导系统，所述至少一个振荡元件包括发射彼此区分调制的光学辐射的三个发射器，以及所述位置参数是所述目标相对于所述电光传感器的三维位置和三维方位。
(A3)在如(A1)或(A2)所表示的引导系统中，所述解调器与至少三个电光传感器中相应的电光传感器相关，每个所述解调的电信号与相关的、调制的光学辐射相关。
(A4)如(A1)至(A3)所表示的引导系统中的任何引导系统，至少一个发射器配置为使得所述调制的光学辐射与入射到所述电光传感器上的其他光学辐射区分。
(A5)如(A1)至(A4)所表示的引导系统中的任何引导系统，光学检测器包括用于检测所述调制的光学辐射的单像素光电检测器。
(A6)如(A1)至(A5)所表示的引导系统中的任何引导系统，每个解调器进一步包括用于抑制所述解调的电信号的更高频分量的滤波器。
(A7)如(A1)至(A6)所表示的引导系统中的任何引导系统，所述调制的光学辐射包括用于确定具有相应的多个精度的所述目标参数的多个调制频率。
(A8)如(A1)至(A7)所表示的引导系统，其中所述调制的光学辐射包括多个调制频率以通过时间处理估计距离并通过彼此区分的信号修正传感器估计角度。
(A9)如(A1)至(A8)所表示的引导系统，其中所述调制的光学辐射包括多个调制频率以抑制由于反射产生的信号。
(A10)如(A1)至(A9)所表示的引导系统，其中所述至少一个振荡元件中的每个是回射器，所述系统进一步包括用于向所述回射器发射所述调制的光学辐射以反射到所述电光传感器的发射器。
(A11)如(A10)所表示的引导系统，所述发射器配置为使得所述调制的光学辐射与入射到所述电光传感器上的其他电磁辐射区分。
(A12)如(A1)至(A11)所表示的引导系统，其中所述调制的光学辐射具有位于射频范围内的调制频率。
(A13)如(A1)至(A12)所表示的引导系统，其中所述调制的光学辐射具有大于300GHz的调制频率。
(A14)如(A1)至(A13)所表示的引导系统，其中通过将彼此区分的、依赖空间的修正施加在入射的光学辐射上，使所述电光传感器彼此区分。
(A15)如(A14)所表示的引导系统，其中具有空间改变的相位传输功能的相位板将所述彼此区分的、依赖空间的修正施加在入射的光学辐射上。
(A16)具有畸变校正的成像的引导系统，包括：多个电光传感器，共享视场并彼此区分地提供相应的多个改变的图像；以及图像生成模块，用于线性地和非线性地处理所述多个改变的图像的空间频率特性，以合成用于成像系统的畸变校正的图像。
(A17)如(A16)所表示的引导系统，其中位于所述共享的视场中的目标和所述多个电光传感器之间的中间媒介产生通过成像系统校正的畸变。
(A18)如(A17)所表示的引导系统，所述多个电光传感器包括用于空间地修正入射的光学辐射的相位的、相应的多个彼此区分的信号修正光学元件。
(A19)如(A18)所表示的引导系统，每个电光传感器包括图像传感器和用于在其上形成图像的成像物镜，所述成像物镜包括所述信号修正元件。
(A20)如(A18)所表示的引导系统，每个电光传感器包括图像传感器和用于在其上形成图像的成像物镜，所述信号修正元件与所述成像物镜分隔开。
(A21)如(A16)至(A20)所表示的引导系统，所述图像生成模块包括：合成模块，用于合成多个复杂空间频率域表示，每个所述复杂空间频率域表示是所述多个改变的图像中相应的改变的图像的复杂空间频率域表示，以确定复合调制传递函数响应和复合相位响应；以及转换模块，用于将所述复合调制传递函数和复合相位响应组合和转换，以生成畸变校正的图像。
(A22)如(A21)所表示的引导系统，所述合成模块从所述多个复杂空间频率域表示的均方根幅值确定所述复合调制传递函数响应。
(A23)如(A22)所表示的引导系统，所述合成模块从所述多个复杂空间频率域表示的相位的加权平均确定所述复合相位响应。
(A24)如(A23)所表示的引导系统，所述多个电光传感器包括相应的多个彼此区分的信号修正光学元件，以用于空间地修正入射的光学辐射的相位，并且其中，从所述多个信号修正光学元件的相位确定所述加权平均中的权重。
(A25)如(A22)至(A24)所表示的引导系统，所述转换模块进一步应用归一化因子，使得所述复合调制传递函数响应最佳匹配参考调制传递函数响应。
(A26)如(A22)至(A25)所表示的引导系统，所述图像生成模块包括：处理器；以及内存，与所述处理器通信地结合，所述内存包括非易失性部分，所述非易失性部分包括(a)当由处理器执行时执行合成功能的机器可读合成指令以及(b)当由处理器执行时执行组合和转换功能的机器可读转换指令。
(A27)如(A26)所表示的引导系统，所述机器可读合成指令进一步包括用于从所述多个复杂空间频率域表示的均方根幅值确定所述复合调制传递函数响应的指令。
(A28)如(A26)至(A27)所表示的引导系统，所述机器可读合成指令进一步包括用于从所述多个复杂空间频率域表示的相位的加权平均确定所述复合相位响应的指令。
可在上面的系统和方法中作出改变，而不背离本文的范围。应该因此注意到的是，包含在上面的描述中并在附图中示出的物件应该被解释为说明性的，并不是限制性的意义。下面的权利要求意在覆盖本文描述的一般的和特定的特征，以及可以说对本方法和系统的范围的、在语言上的所有陈述落在它们之间。

Claims (16)

1.光学传感器，包括：
第一透镜阵列，包括多个第一透镜，所述多个第一透镜包括透镜L1以及不与透镜L1共轴的透镜L2；
光电检测器阵列，包括多个光电检测器，所述多个光电检测器中的每个光电检测器均与所述多个第一透镜中的相应的第一透镜对齐；以及
多个信号修正元件，所述多个信号修正元件中的每个信号修正元件均与所述多个第一透镜中的相应的第一透镜对齐，所述多个信号修正元件包括：
(i)第一信号修正光学元件，对齐至透镜L1，并且具有第一空间决定传输函数，以及
(ii)第二信号修正光学元件，对齐至透镜L2，并且具有与所述第一空间决定传输函数不同的第二空间决定传输函数。
2.根据权利要求1所述的光学传感器，所述多个第一透镜中的每个第一透镜的相对照明在零与二十度之间的视场角处变化低于百分之五。
3.根据权利要求1所述的光学传感器，还包括：
第二透镜阵列，包括多个第二透镜，所述多个第二透镜中的每个第二透镜均与所述多个第一透镜中的相应的第一透镜对齐。
4.根据权利要求3所述的光学传感器，所述第二透镜阵列位于所述第一透镜阵列和所述光电检测器阵列之间，并且还包括：
多个复合透镜，所述多个复合透镜中的每个复合透镜均包括与所述多个第二透镜中的相应的第二透镜对齐的、所述多个第一透镜中的相应的第一透镜，并具有随着增大的视场角而减小的焦距。
5.根据权利要求4所述的光学传感器，还包括：
多个成像系统，所述多个成像系统中的每个成像系统均包括与所述多个光电检测器中的相应的光电检测器对齐的、所述多个复合透镜中的相应的复合透镜，并被配置为使得穿过每个成像系统的照明减小低于以下至少之一之间的百分之一：(a)在零与每毫米二十线对之间的空间频率，及(b)在零和所述多个成像系统中的每个成像系统的最大视场角的百分之七十之间的视场角。
6.根据权利要求5所述的光学传感器，在确定在所述光学传感器的数十米之内的物体的角位置时具有超过一千的信噪比以及小于10-5的相对角精度。
7.根据权利要求4所述的光学传感器，还包括：
多个成像系统，所述多个成像系统中的每个成像系统均包括与所述多个光电检测器中的相应的光电检测器对齐的、所述多个复合透镜中的相应的复合透镜，并且具有的信噪比减小低于以下至少之一之间的百分之一：(a)在零与每毫米二十线对之间的空间频率，及(b)在零和所述多个成像系统中的每个成像系统的最大视场角的百分之七十之间的视场角。
8.根据权利要求4所述的光学传感器，所述多个第一透镜中的每个第一透镜均是负弯月透镜并且所述多个第二透镜中的每个第二透镜均是双凸透镜。
9.根据权利要求8所述的光学传感器，所述多个第一透镜中的每个第一透镜均具有：(i)曲率半径为R1的像侧表面，以及(ii)在所述像侧表面和所述第二透镜阵列之间的、曲率半径为R2的物侧表面，其中|R1|＞|R2|。
10.根据权利要求1所述的光学传感器，以下至少之一：
(a)所述多个第一透镜中的每个第一透镜均直接成型成单体件；以及
(b)所述多个光电检测器中的每个光电检测器均安装在同一单个电路板上。
11.根据权利要求1所述的光学传感器，所述多个第一透镜阵列、所述光电检测器阵列和所述多个信号修正元件中的至少之一均包括光学吸收涂层。
12.根据权利要求1所述的光学传感器，还包括解调电路，通信地结合至所述多个光电检测器中的至少之一。
13.根据权利要求1所述的光学传感器，所述第二空间决定传输函数与所述第一空间决定传输函数的不同在于空间改变相位传输和空间改变振幅传输中的至少之一。
14.根据权利要求2所述的光学传感器，所述多个第一透镜中的每个第一透镜均为单元件透镜。
15.根据权利要求1所述的光学传感器，所述多个第一透镜包括三个透镜，所述多个光电检测器包括三个多个光电检测器，并且所述多个信号修正元件包括多个信号修正元件。
16.根据权利要求1所述的光学传感器，所述多个光电检测器中的每个光电检测器均为单像素光电检测器。
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