JP2020507749A - 光学位相符号化距離検知のドップラー検知とドップラー補正のための方法とシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、35 U.S.C.§119(e)のもと、2017年2月3日に出願された米国特許出願第15/423,978号の利益を主張し、その内容の全体が、本明細書に完全に明記されているかのように参照により本明細書に組み込まれる。
図1Aは、一実施形態に係る、距離測定のための送信された光学位相符号化信号の例を例示する概略的なグラフ(110)である。横軸(112)は、0の開始時刻から任意の単位で時間を示す。左の縦軸(114a)は、任意の単位で送信信号中の電力を示す;および右の縦軸(114b)は、任意の単位で送信信号の位相を示す。最も単純に位相符号化LIDARの技術を例示するために、2進法の位相符号化が実証される。トレース(115)は、左の軸(114a)に関連する電力を示し、送信信号中で一定であり、および送信信号外で0まで落ちる。点状のトレース(116)は、持続波信号に関連する信号の位相を示す。
R=c*Δt/2 (3)
どのように位相符号化検知アプローチが実施されるかを示すために、いくつかの一般的かつ特異的なハードウェアアプローチが記載される。図2は、一実施形態に係る、高分解能LIDARシステムのコンポーネントの例を例示するブロック図である。レーザー源(212)は、シンボル長さM*Nと持続時間D=M*N*τを有する位相符号化光信号(203)を生成するために、位相モジュレータ(282)で変調された搬送波(201)を発する。スプリッタ(216)は、本明細書で送信信号とも呼ばれる標的ビーム(205)へと光信号を分割し、ビーム(203)およびはるかに少量のエネルギーを有する基準ビーム(207a)のほとんどのエネルギーを用いて、物体(図示せず)から散乱された帰還光(291)との十分な混合が行われる。いくつかの実施形態では、スプリッタ(216)は、位相モジュレータ(282)の上流に配置される。基準ビーム(207a)は基準経路(220)を通過し、および基準ビーム(207b)として1つ以上の検知器に向けられる。いくつかの実施形態では、基準経路(220)は、基準ビーム(207b)が散乱光を伴って検知器アレイ(230)に達するのに十分な既知の遅延を導入する。いくつかの実施形態では、基準ビーム(207b)は、別個の発振器から基準ビーム(207b)を局所的に生成する、より古いアプローチを指す、局部発振器(LO)信号と呼ばれる。様々な実施形態では、より少ない柔軟性からより大きな柔軟性のアプローチへと、基準は以下によって散乱または反射された場を伴って到達される:1)経路の長さが十分に一致するように、検知器アレイで送信ビームの一部が反射するように鏡をその場に置く;2)図2に示唆されるように、特定の距離に対して観察または予想される位相差を補償するために経路の長さを調節するかどうかに関わらず、検知器アレイ近くの光学素子を用いて、経路の長さをぴったりと一致させ、かつ基準信号を散布するために、ファイバー遅延を使用する;または3)経路の長さのミスマッチを補償する個別の変調を生成するために、局部発振器波形変調周波数の偏移デバイス(音響光学変調器)または時間遅延を使用する;またはいくつかの組み合わせ。いくつかの実施形態では、物体は、帰還が遅延なく基準信号に十分にオーバーラップするのに十分なだけ接近し、かつ十分に長く伝達される。
L=I0exp(iωt) (4)
式中、I0はレーザーによる強度出力であり、exp()はexp(x)=ex等の指数関数であり、iは、−1の平方根の特性を有する虚数であり、tは時間であり、およびω=2πfCは光学搬送周波数fCに対応する角周波数である。数学的には、この式は、実数部=I0Rcos(ωt)と虚数部=I0Isin(ωt)を有し、ここでI0Rは強度(同相)の実数部であり、およびI0Iは虚数部である。振動の位相は、実数部と虚数部との間の角度から得られる。したがって、L=I0Rcos(ωt)+iI0Isin(ωt)、およびI0は、実数部と虚数部の二乗の合計の根であり、I0 2=I0R 2+I0I 2である。スプリッタ(312)は、方程式5から得られる基準信号(局部発振器と呼ばれる)LOとして使用するための信号の強度の小さな部分を対象とする。
LO=ALO exp(iωt)=AR cos(ωt)+i AIsin(ωt)(5a)
式中、Aはスプリッタ(312)の強度効果を表す定数である。電界ELOは、したがって方程式5bとして書くことができる。
ELO=ALOeiωt (5b)
基準信号(LO)が未変調のレーザー信号である場合、全信号は同相であり、および虚数成分は0であり、したがって以下である。
LO=A cos(ωt) (5c)
T=C exp(i[ωt+B(t)]) (6)
式中、Cは、フラクションAの散乱、および位相モジュレータ(320)によって課された増幅またはさらなる低減による、I0における低減を説明する定数である。
Rk=Ak exp(i[(ω+ωDk)(t+Δtk)+B(t+Δtk)])(7a)
式中、Akは、物体(390)への、および物体(390)からの伝播と、k番目の物体(390)での散乱に起因する強度の損失を説明する定数であり、Δtkは、LIDARシステムとk番目の物体(390)との間の往復旅行時間であり、およびωDk=2πΔfDは、k番目の物体のドップラー周波数シフト(便宜上、本明細書ではドップラーシフトと呼ばれる)の角周波数である。次に、すべての標的に関して合計された帰還信号、ERの電界は、方程式7bから得られる。
I+=LO+RI (8a)
I−=LO−RI (8b)
Q+=LO+RQ (8c)
Q−=LO−RQ (8d)
式中、RIは、帰還信号RのAC成分の同相コヒーレント交差項であり、およびRQは、帰還信号RのAC成分の90度外れた位相コヒーレント交差項である。例えば、上記の関係の電界は、上記の方程式5bと方程式7b、および方程式8h〜8kを導く以下の方程式8e〜8kに基づいて表現され得る。
I=I+ −I− (9a)
Q=Q+ −Q− (9b)
平衡検知器(光検知器の平衡ペアを備える)の使用は、同相雑音の抹殺という利点を備え、これは、高い信号対雑音比(SNR)を備えた信頼できる測定値を提供する。いくつかの実施例では、そのような同相雑音は無視してもよく、またはそうでなければ重要ではない;したがって、単純な光検知器または不平衡ペアが、平衡ペアの代わりに使用される。その後、ドップラー補償モジュール(371)は、対応する速度で、信号IとQを使用して1つ以上のドップラーシフトωDを判定し、次にデジタルコードモジュール(372)と信号IおよびQからの値ωDと値B(t)を使用して、補正された相関トレースを生成し、該トレースにおいてピークは1つ以上の速度の各々で1つ以上のΔtを示す。多数の速度が検出される場合、各々は対応する多重相関トレースのピークに関係する。いくつかの実施例では、これは、どの電流の速度/位置ペアリングが、同様の速度/位置の先のペアリングと最も関係する可能性があるかを判定するために、一致処理によって行われる。1つ以上のΔtはその後、上記の方程式3を使用して1つ以上の距離を判定するために使用される。
示されたアプローチは、I/Q信号(電気信号または光信号のいずれか)を使用した交差スペクトルの計算のために位相差を利用し、これはドップラー周波数における明確なピークを提供する。アプローチはまた、距離を判定するための相関に関する複雑な信号を構成するためにI/Q信号の位相差を利用する。ドップラー補償は、複素帰還信号のFFTをまずとり、次に周波数ビンのアレイ内のFFTの値を偏移させることにより行われる。補正された信号は、逆FFTを偏移FFTに適用することにより回復可能であるが、偏移FFTがいくつかの実施形態ではコードFFTとの相関に直接使用されるため、これは必要ではない。他の実施形態において、複素帰還信号は、交差スペクトルで測定されたドップラー周波数から形成された複素指数関数により掛け算され、および補正された信号のFFTはコードとの相関に使用される。いくつかの実施形態では、相関は、有限のインパルス応答(FIR)フィルタを使用して判定される。相関(本明細書では距離プロファイルとも呼ばれる)が各コード/信号ブロックごとに計算された後、結果がMブロックに関して平均され、および標的への距離が、平均距離プロファイルにおけるピークの時間遅延から計算される。距離プロファイルに複数のピークがあれば、アプローチは次に、複数の標的への距離を記録する。
CodeFFT=conj(FFT(exp(iBt)) (10)
式中、conj()は複素共役動作を表し、すなわちconj(x+iy)=x−iyである。この複素FFTは、以下に記載されるように、工程(423)での続く使用のために、例えばコンピュータ可読媒体に保存される。
S=I+iQ (11a)
信号SとIとQは、少なくとも持続時間D=M*N*τの時間tの関数であることに留意されたい。
S(t)=SpC(t)=Sp(t)−SS(t) (11c)
いくつかの実施形態では、内部光は、システムの多くの続く展開のために保存されるSS(t)に関する固定値を生成するために、抑制された条件下で一旦較正される。したがって工程(410)は、方程式(11c)を適用する工程のみを含む。いくつかの実施形態では、内部光によって生成されたコードの偽のコピーは、十分に小さく、または外部物体への距離とは十分に異なる関連距離であり、その場合、工程(409)と(410)は省略することができる。したがって、いくつかの実施形態では、工程(409)と(410)は省略され、および制御は、工程(410)の方程式11cではなく工程(408)からのS(t)を使用して、工程(408)から工程(411)へと直接向かう。
XS(S)=FFF(I)*conj[FFT(Q)] (12)
方程式12から得られるXS(S)は、複素値アレイである。この交差スペクトルにおけるピークは、帰還信号における1つ以上のドップラーシフトωDを表す。任意のピーク検出法が、交差スペクトルXS(S)におけるピークを自動的に判定するために使用されてもよい。一般に、交差スペクトルの虚数成分の大きな正または負のピークの識別は、ドップラーシフトについての情報を明らかにするだろう。しかしながら、いくつかの特殊事情の下では、実数部もまたそのような情報を明らかにし得る。そのような状況の一例は、類似するドップラー値を有する多数の距離帰還の存在であろう。実数部における平面振幅は、そのような状況を示すことができる。いくつかの実施形態では、交差スペクトル動作は、各データブロック上で別々に行なわれ、およびMブロック上で平均化される。これらのドップラーシフトと対応する相対速度は、さらなる使用のために、例えば1つ以上のコンピュータ可読媒体に保存される。
F(x(t+δ))=exp(iζδ)F(ζ) (13)
式中、Fはフーリエオペレーターを示し、x(t)は時間tの関数であり、δは時間的推移であり、およびF(ζ)はx(t)のフーリエ変換を示す。次に、FFTベースの取得方法については、コードドップラーによって引き起こされたコード遅延は、周波数領域で局所的に広がるコードのFFTに複雑な指数関数を掛けることにより償うことができる。この方法の利点は、拡散コード配列のフーリエ変換が構築され、メモリに保存されている場合、後退した(拡張した)拡散コードのフーリエ変換は、単純な方法で周波数領域へと変換することができるということである。そして正確な拡散コードを素早く生成することができる。この技術は、Krasner 1998により特許取得された。ドップラーの効果は、コードのスペクトルを周波数シフトすることである。したがって、素早く相互相関を計算するために重畳積分定理を使用する場合、測定されたコードの周波数成分は、基準の周波数成分と一致しない。ドップラー補償によって、周波数スペクトルは整列(一直線)に戻され、相互相関が再び効果的になる。
SFFT=circshift(FFT(S),ωD) (14a)
式中、circshift(x,y)は、自変数の量yによって有限領域上の自変数の関数xをシフトし、それによって、有限領域の一方端からシフトされたものは何であれ、有限領域の反対の端へとシフトされる。いくつかの実施形態では、正確なスペクトルは方程式14bを使用して計算され、方程式13に示されるように、複素指数関数に乗算し、次にFFTを計算することによって、ドップラー効果が取り除かれる。
SFFT=FFT(S*exp(−i ωDt)) (14b)
これらの例実施形態では、LIDARシステムは、位相符号化光送信信号を生成するために上記に例示されるコンポーネントを使用した。これらの実施形態では、シンボル時間(パルス幅)は2ナノセカンド(ns、1ns=10〜9秒)であり、1ブロック当たりのシンボルの数Nは2048であり、およびブロックの数は5であった。約0〜約250メートルの範囲の様々な標的が使用され、直径約5〜約20mmのビームスポットサイズで照らされた。
図14は、本発明の実施形態が実施され得るコンピューターシステム(1400)を例示するブロック図である。コンピュータシステム(1400)は、コンピュータシステム(1400)の他の内部コンポーネントと外部コンポーネントとの間の情報を送信するためのバス(1410)等の通信メカニズムを含む。情報は、測定可能な現象の物理的な信号として表され、典型的には電気の電圧であり、他の実施形態では、磁気、電磁気、圧力、化学薬品、分子の原子と量子の相互作用等の現象が含まれる。例えば、北と南の磁場、または0および0でない電気的電圧は、2進数字(ビット)の2つの状態(0,1)を表す。他の現象は、より高い基数のデジットを表すことができる。測定前の多数の同時量子状態の重ね合せは、量子ビット(キュービット)を表す。1つ以上の数字列は、文字のための数またはコードを表すために使用されるデジタルデータを構成する。いくつかの実施形態では、アナログデータと呼ばれる情報は、特定の範囲内の測定可能な値の近い連続体によって表される。コンピュータシステム(1400)またはその一部は、本明細書に記載される1つ以上の方法の1つ以上の工程を行うための手段を構成する。
前述の詳細な説明において、本発明は、その特定の実施形態に関連して記載されてきた。しかしながら、様々な修正および変更が、本発明のより広い精神と範囲から逸脱することなくなされ得ることは明らかであろう。明細書および図面は、したがって、限定的意味ではなく例示的意味でとらえられる。この明細書と特許請求の範囲の全体にわたって、文脈が他で要求しない限り、単語「含む(comprise)」および「含む(comprises)」と「含んでいる(comprising)」等のその変化形は、記載されるアイテム、要素または工程、あるいはアイテム、要素または工程のグループを包含するが、他のアイテム、要素または工程、あるいはアイテム、要素または工程のグループを除外しないことを意味すると理解される。さらに、不定冠詞「a」または「an」は、冠詞によって修飾されたアイテム、要素または工程の1つ以上を示すことを意味する。本明細書で使用されるように、文脈から明確でない限り、値は、他の値の2倍(2倍または1/2)の範囲にあれば、「約」別の値である。範囲の例が提供されるが、文脈から明確でない限り、包含される範囲が様々な実施形態でも意図される。したがって、0〜10の範囲は、いくつかの実施形態では範囲1〜4を含む。
以下の参考文献が本明細書に引用され、本明細書で使用されるものと一致しない用語を除いて、本明細書で完全に明記されているかのように、その各々の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。
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Claims (17)
- 方法であって、該方法は:
位相符号化無線周波数信号に関する位相の配列を示すコードをプロセッサ上で判定する工程;
位相符号化無線周波数信号の第1のフーリエ変換をプロセッサ上で判定する行程;
位相符号化光信号を生成するために、コードに基づいてレーザーからの光信号を変調する工程;
位相符号化光信号を送信する工程;
位相符号化光信号を送信する工程に反応して、帰還光信号を受信する工程;
レーザーからの光信号に基づいて帰還光信号を基準光信号と混合する工程;
電気信号を生成するために、光学検知器で混合光信号を検知する工程;
プロセッサ上で、電気信号の同相分と電気信号の直角分との間の交差スペクトルを判定する行程;
交差スペクトルにおけるピークに基づいて、帰還光信号のドップラー周波数シフトをプロセッサ上で判定する行程;および、
ドップラー周波数シフトに基づいてデバイスを操作する行程、
を含む、方法。 - 帰還光信号を基準光信号と混合する工程は、同相光信号と直角光信号を生成するために、帰還光信号を基準光信号と混合する行程をさらに含み;
光学検知器で混合光信号を検知する工程は、第1の電気信号を生成するために第1の検知器で同相光信号を検知する工程、および第2の電気信号を生成するために第2の光検知器で直角光信号を検知する工程をさらに含み;および、
交差スペクトルを判定する工程は、第1の電気信号と第2の電気信号との間の交差スペクトルを判定する工程をさらに含む、
請求項1に記載の方法。 - 同相光信号と直角光信号を生成するために、帰還光信号を基準光信号と混合する行程は、同相帰還光信号と基準信号の和である第1の光信号、同相帰還光信号と基準信号との差である第2の光信号、直角光信号と基準信号の和である第3の光信号、直角帰還光信号と基準信号の差である第4の光信号を生成するために、帰還光信号を基準光信号と混合する行程をさらに含み;
第1の電気信号を生成するために第1の検知器で同相光信号を検知する工程は、第1の検知器で第1の光信号と第2の光信号を検知する工程をさらに含み;および、
第2の電気信号を生成するために第2の光検知器で直角光信号を検知する工程は、第2の検知器で第3の光信号と第4の光信号を検知する工程をさらに含む、
請求項2に記載の方法。 - 前記方法は、
プロセッサ上で電気信号の第2のフーリエ変換を判定する工程;
プロセッサ上で、第2のフーリエ変換とドップラー周波数シフトに基づいて第3のフーリエ変換を判定する工程;
プロセッサ上で、第1のフーリエ変換と第3のフーリエ変換に基づいて相互相関を判定する工程;
プロセッサ上で、相互相関における第1のピークのタイムラグに基づいて第1の距離を判定する行程;
をさらに含み、および、
ドップラー周波数シフトに基づいてデバイスを操作する工程は、第1の距離に基づいてデバイスを操作する行程をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - ドップラー周波数シフトに基づいてデバイスを操作する工程は、送信位相符号化光信号によって照らされた複数のスポットにある物体のドップラー補正位置を示す画像をディスプレイ装置に提示する工程をさらに含む、請求項4に記載の方法。
- ドップラー周波数シフトに基づいてデバイスを操作する工程は、送信位相符号化光信号によって照らされた複数のスポットにおけるドップラー補正位置の点群に基づいて、少なくとも1つの物体を識別するデータをデバイスに通信する工程をさらに含む、請求項4に記載の方法。
- ドップラー周波数シフトに基づいてデバイスを操作する工程は、送信位相符号化光信号によって照らされた複数のスポットにおけるドップラー周波数シフトのサイズを示す画像をディスプレイ装置に提示する工程をさらに含み、それによって移動物体は、静止物体と不在物体から識別される、請求項1に記載の方法。
- 距離に対するドップラー効果に基づいてデバイスを操作する工程は、物体との衝突を避けるために車両を移動させる工程をさらに含み、ここで車両と物体との間の閉止速度は、送信位相符号化光信号によって照らされた複数のスポットにおけるドップラー周波数シフトのサイズに基づいて判定される、請求項1に記載の方法。
- ドップラー周波数シフトに基づいてデバイスを操作する工程は、送信位相符号化光信号によって照らされた複数のスポットにおけるドップラー補正位置の点群に基づいて物体を識別する工程をさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 交差スペクトルにおけるピークに基づいてドップラー周波数シフトを判定する工程は、交差スペクトルの虚数部のピークに基づいてドップラー周波数シフトを判定する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 電気信号を生成するために光検知器で混合光信号を検知する行程は、対応する複数の位相符号化光信号の送信に応じて受信された複数の帰還光信号に対する、光検知器からの平均出力を、光検知器の出力から引くことによって、電気信号を生成する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 命令の1つ以上の配列を運ぶ非一時的コンピュータ可読媒体であって、ここで1つ以上のプロセッサによる命令の1つ以上の配列の実行は、1つ以上のプロセッサに:
位相符号化無線周波数信号に関する位相の配列を示すコードに基づいて、位相符号化無線周波数信号の第1のフーリエ変換を判定する工程;
レーザーからの光信号に基づく基準光信号と、コードに基づくレーザーからの光信号の変調によって生成された位相符号化光信号の送信に応じて受信された帰還光信号とを混合する工程に応じて、光検知器から電気信号を示す第1のデータを受信する行程;
電気信号の同相分と電気信号の直角分との間の交差スペクトルを判定する工程;
プロセッサ上で、交差スペクトルにおけるピークに基づいて帰還光信号のドップラー周波数シフトを判定する工程;および、
ドップラー周波数シフトに基づいてデバイスを操作する行程、
を行わせる、非一時的コンピュータ可読媒体。 - 命令の1つ以上の配列の実行は、1つ以上のプロセッサに:
電気信号の第2のフーリエ変換を判定する工程;
第2のフーリエ変換とドップラー周波数シフトに基づいて第3のフーリエ変換を判定する工程;
第1のフーリエ変換と第3のフーリエ変換に基づいて相互相関を判定する工程;
相互相関における第1のピークのタイムラグに基づいて第1の距離を判定する工程;
を行わせ、および、
ドップラー周波数シフトに基づいてデバイスを操作する行程は、第1の距離に基づいてデバイスを操作する行程をさらに含む、
請求項12に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。 - 装置であって、該装置は:
少なくとも1つのプロセッサ;および、
命令の1つ以上の配列を含む少なくとも1つのメモリ、
を含み、少なくとも1つのメモリと命令の1つ以上の配列は、少なくとも1つのプロセッサにより、
位相符号化無線周波数信号に関する位相の配列を示すコードに基づいて位相符号化無線周波数信号の第1のフーリエ変換を判定する工程;
レーザーからの光信号に基づく基準光信号と、コードに基づくレーザーからの光信号の変調によって生成された位相符号化光信号の送信に応じて受信された帰還光信号とを混合する工程に応じて、光検知器から電気信号を示す第1のデータを受信する行程;
電気信号の同相分と電気信号の直角分との間の交差スペクトルを判定する工程;
プロセッサ上で、交差スペクトルにおけるピークに基づいて帰還光信号のドップラー周波数シフトを判定する工程;および、
ドップラー周波数シフトに基づいてデバイスを操作させる工程、
を少なくとも装置に実行させる、装置。 - 命令の1つ以上の配列の実行はさらに:
電気信号の第2のフーリエ変換を判定する工程;
第2のフーリエ変換とドップラー周波数シフトに基づいて、第3のフーリエ変換を判定する工程;
第1のフーリエ変換と第3のフーリエ変換に基づいて相互相関を判定する工程;
相互相関における第1のピークのタイムラグに基づいて第1の距離を判定する工程;
を少なくとも1つのプロセッサに実行させ、および、
ドップラー周波数シフトに基づいてデバイスを操作する行程は、第1の距離に基づいてデバイスを操作させる工程をさらに含む、
請求項14に記載の装置。 - システムであって、該システムは:
第1の光信号を提供するように構成されたレーザー源;
位相符号化無線周波数信号に関する位相の配列を示すコードを第1の光信号に課することによって、位相符号化送信光信号を生成するように構成されたモジュレータ;
基準信号として第1の光信号のコピーを生成し、および装置外に位相符号化送信信号を配向し、かつ送信信号によって照らされた物体から後方散乱された帰還信号を受信するように構成されたオプティカルカプラ;
検知器にぶつかる1つ以上の光信号に基づいて電気信号を出力するように構成された光検知器;
光検知器に対するレーザー出力に基づいて帰還信号と基準信号を配向するように構成された光学混合器;および、
プロセッサであって:
位相符号化無線周波数信号の第1のフーリエ変換を判定する工程;
光検知器からの電気信号出力を示す第1のデータを受信する工程;
電気信号の同相分と電気信号の直角分との間の交差スペクトルを判定する工程;
交差スペクトルにおけるピークに基づいて、帰還光信号のドップラー周波数シフトを判定する工程;および、
ドップラー周波数シフトに基づいてデバイスを操作する行程、
を行うように構成されたプロセッサ、
を含む、システム。 - プロセッサは:
電気信号の第2のフーリエ変換を判定する工程;
第2のフーリエ変換とドップラー周波数シフトに基づいて第3のフーリエ変換を判定する工程;
第1のフーリエ変換と第3のフーリエ変換に基づいて相互相関を判定する工程;
相互相関における第1のピークのタイムラグに基づいて第1の距離を判定する工程;
を行うようにさらに構成され、および、
ドップラー周波数シフトに基づいてデバイスを操作する行程は、第1の距離に基づいてデバイスを操作する行程をさらに含む、
請求項16に記載のシステム。
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