JP2020522706A

JP2020522706A - 光学距離測定システムのための狭帯域トランスインピーダンス増幅器及びシグナリング

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Publication number: JP2020522706A
Application number: JP2019567234A
Authority: JP
Inventors: エスハルーンバヘル; シーワルケニルマル; ピーマギーデビッド
Original assignee: 日本テキサス・インスツルメンツ合同会社; テキサスインスツルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 2017-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2020-07-30
Also published as: CN110662941B; US11428790B2; US20220397649A1; US20180348345A1; WO2018226716A2; WO2018226716A8; WO2018226716A3; CN110662941A

Abstract

光学距離測定システム（１００）が、送信回路（１７０）及び受信回路（１８０）を含む。送信回路（１７０）は、周波数の第１の帯域にわたる狭帯域の強度変調された光送信信号（１５２）を生成し、狭帯域光送信信号（１５２）をターゲットオブジェクト（１１６）に向ける。受信回路（１８０）は、ターゲットオブジェクト（１１６）で反射された光（１５４）を受信し、反射された光（１５４）を、反射された光（１５４）の強度に比例する電流信号（１５６）に変換し、電流信号（１５６）から、周波数の第２の帯域外の周波数をフィルタして、フィルタされた電流信号をつくり、フィルタされた電流信号を電圧信号に変換する。周波数の第２の帯域は、周波数の第１の帯域に対応する。

Description

光検出及び測距（ＬｉＤＡＲ）は、ターゲットオブジェクトまでの距離を、レーザーパルスシーケンス（単一狭パルス、又は変調された狭パルスのシーケンス）をターゲットで反射し、反射された光を分析することによって測定するシステムである。より具体的には、ＬｉＤＡＲシステムは、典型的に、レーザーパルスがレーザーからターゲットオブジェクトまで移動して戻る飛行時間（ＴＯＦ）を、直接、或いは、反射された光信号と送信された光信号との間の位相シフトを分析することによって判定する。その後、ターゲットオブジェクトまでの距離がＴＯＦに基づいて判定され得る。これらのシステムは、地理学、地質学、地形学、地震学、輸送、及びリモートセンシングなど、多くの用途に用いられ得る。例えば、輸送において、車両と他の物体（例えば、別の車両）との間の距離を監視するために、自動車がＬｉＤＡＲシステムを含み得る。また、例えば、車両は、別の車両などの他の物体が近づき過ぎていないかどうかを判定するため及び自動的にブレーキをかけるために、ＬｉＤＡＲシステムによって判定された距離を用い得る。

少なくとも一例において、光学距離測定システムが、送信回路及び受信回路を含む。送信回路は、周波数の第１の帯域にわたる狭帯域光送信信号を生成し、その狭帯域光送信信号をターゲットオブジェクトに向けるように構成される。受信回路は、ターゲットオブジェクトで反射された光を受信し、反射された光を、反射された光の強度に比例する電流信号に変換し、電流信号から周波数の第２の帯域外の周波数をフィルタしてフィルタされた電流信号をつくり、フィルタされた電流信号を電圧信号に変換するように構成される。周波数の第２の帯域は、周波数の第１の帯域に対応する。

別の例示の例は、フォトダイオード、帯域ネットワーク、及びトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）を含む、光学距離測定受信器である。フォトダイオードは、周波数の第１の帯域にわたる、ターゲットオブジェクトで反射された光を受信するように構成される。また、フォトダイオードは、反射された光を、反射された光の強度に比例する第１の電流信号に変換するように構成される。帯域ネットワークは、フォトダイオードから第１の電流信号を受信し、第１の電流信号から周波数の第２の帯域外の周波数をフィルタして、第１のフィルタされた電流信号をつくるように構成される。周波数の第２の帯域は、周波数の第１の帯域に対応する。ＴＩＡは、帯域ネットワークから第１のフィルタされた電流信号を受信し、第１のフィルタされた電流信号を、第１のフィルタされた電流信号に対応する第１の電圧信号に変換するように構成される。

さらに別の例示の例は、ターゲットオブジェクトまでの距離を判定するための方法である。この方法は、周波数の第１の帯域にわたる、ターゲットオブジェクトで反射された光を受信することを含む。また、この方法は、反射された光を、反射された光の強度に比例する電流信号に変換することを含む。また、この方法は、電流信号から周波数の第２の帯域外の周波数をフィルタして、フィルタされた電流信号をつくることを含み、周波数の第２の帯域は、周波数の第１の帯域に対応する。また、この方法は、フィルタされた電流信号を電圧信号に変換することを含む。また、この方法は、電圧信号に基づきターゲットオブジェクトまでの距離を判定することを含む。

種々の例に従った例示の光学距離測定システムを示す。

種々の例に従った例示の光学距離測定受信器を示す。

種々の例に従った光学距離測定受信器応答に関する振幅対周波数の例示のグラフを示す。

種々の例に従った、ターゲットオブジェクトまでの距離を判定するための方法の例示のフローチャートを示す。

本記載において、「結合する」という用語は、間接的或いは直接的接続を意味する。そのため、第１のデバイスが第２のデバイスに結合する場合、そうした接続は、直接的接続を介するもの、又は、他のデバイス及び接続を介した間接的接続を介するものであり得る。また、本記載において、「〜に基づく」という記載は、「〜の少なくとも一部に基づく」ことを意味する。そのため、ＸがＹに基づく場合、Ｘは、Ｙ及び任意の数の他の要因に基づき得る。

ＬｉＤＡＲシステムなどの光学距離測定システムは、種々のターゲットオブジェクトまでの距離を、ターゲットオブジェクトまでの光学信号（すなわち、光信号）と、ＬｉＤＡＲシステムまで戻るターゲットオブジェクトでの光学信号の反射（リターン信号）との飛行時間（ＴＯＦ）を用いて判定する。これらのシステムは、地理学、地質学、地形学、地震学、輸送、及びリモートセンシングを含む多くの用途に用いられ得る。例えば、輸送において、車両と他の物体（例えば、別の車両）との間の距離を監視するために、自動車がＬｉＤＡＲシステムを含み得る。例えば、車両は、別の車両などの他の物体が近づき過ぎていないかどうかを判定するため及び自動的にブレーキをかけるために、ＬｉＤＡＲシステムによって判定された距離を用い得る。

従来のＬｉＤＡＲシステムは、光信号をターゲットオブジェクトに送信するためのトランスミッタと、リターン信号を受信するための受信器とを含む。従来のＬｉＤＡＲ受信器は、リターン信号を受信し、リターン信号における光を電流に変換するために、フォトダイオード（すなわち、検出器）を含む。その後、ＴＩＡが、電流を電圧に変換し、この電圧が、ＴＯＦを及び最終的にターゲットオブジェクトまでの距離を判定するために、プロセッサによって分析され得る。広い光学視野（ＦｏＶ）のＬｉＤＡＲシステムを実現するために、リターン信号における反射された光を受信するために大面積フォトダイオードが用いられる。そのような大面積フォトダイオードは、本質的に、高い静電容量を有する。フォトダイオードの高い静電容量は、ＬｉＤＡＲシステムの性能を低下させる２つの影響、すなわち、（ａ）帯域幅の制限、及び、（ｂ）ＴＩＡの電圧ノイズの増幅を有する。測距性能（すなわち、測距判定の精度）は、２つのパラメータ、すなわち、（ａ）送信／受信された波形の傾斜、及び、（ｂ）受信した信号におけるノイズによって決定される。例えば、

であり、ここで、σ_ｔはタイミング標準偏差であり、σ_ｎはノイズの標準偏差であり、ｓｌｏｐｅは、受信された波形の傾斜であり、Ｎ_{ｅｄｇｅｓ}は、タイミング推定のために用いられる、送信／受信された波形におけるエッジの数である。測距性能の低下につながる大面積フォトダイオードの高い静電容量によって、傾斜とノイズの両方が不利に影響される。それゆえ、例示の実施形態は、送信／受信された波形の傾斜を増大させること、及び／又は、受信した信号におけるノイズを低減することによって、向上した測距性能を提供するＬｉＤＡＲシステムを含む。

種々の例に従って、受信器が、高周波数に調整される狭帯域ネットワークを含む、光学距離測定システムが提供される。いくつかの実施形態において、この帯域ネットワークは、ＴＩＡの入力に配置される。帯域ネットワークは、帯域内に最大の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を有するように最適化される。ノイズシェーピング技法が用いられて、ノイズが帯域外に移動され、受信した信号から除去される。いくつかの実施形態において、この狭帯域受信器を充分に用いるために、送信された光信号は、調整された周波数において狭帯域であるように変調される。この設計により、送信／受信された波形の高い傾斜、及び低ノイズが、高精度の測距性能を提供し得る。

図１は、種々の例に従った例示の光学距離測定システム１００を示す。いくつかの実施形態において、光学距離測定システム１００はＬｉＤＡＲシステムである。例示の図１に示すように、光学距離測定システム１００は、トランスミッタ１７０、受信器１８０、光学素子１０８ａ及び１０８ｂ、並びにターゲットオブジェクト１１６を含む。トランスミッタは、変調信号生成器１０２、送信ドライバ１０４、及びレーザーダイオード１０６を含む。変調信号生成器１０２は、周波数の第１の帯域において、変調された狭帯域キャリア信号を生成するように構成される。従って、変調信号生成器１０２は、変調されたキャリア信号を生成するように構成される。

変調信号生成器１０２は、キャリア信号の位相、周波数、振幅、及び／又は位置変調を提供するように構成される。例えば、或る実施形態において、変調信号生成器１０２は、シングルトーン信号を生成するように構成される。いくつかの実施形態において、変調信号生成器１０２は、シングルトーン（すなわち、連続波）、位相変調（例えば、位相シフトキーイング）を備えるシングルトーン、振幅変調（例えば、振幅シフトキーイング）を備えるシングルトーン、固定周波数（例えば、周波数シフトキーイング）を備えるマルチトーン、狭帯域周波数範囲（例えば、チャープ）にわたる周波数変調を備える信号、及び／又は、狭帯域のパルス位置変調を備える信号を生成するように構成される。

送信ドライバ１０４は、レーザーダイオード１０６を駆動（電流をレギュレート）するように構成され、そのため、レーザーダイオード１０６は、変調信号生成器１０２によって生成された変調された狭帯域キャリア信号に対応する光学送信信号１５２（狭帯域光送信信号）を生成する。いくつかの実施形態において、変調信号生成器１０２によって生成された信号は、変調された狭帯域キャリア信号であるので、送信ドライバ１０４は、レーザーダイオード１０６を介した電流の狭帯域変調のために最適化される。そのため、レーザーダイオード１０６は、周波数の第１の帯域にわたる狭帯域光送信信号を生成する。従って、例えば、変調されたキャリア信号がシングルトーン信号である場合、生成された狭帯域光送信信号のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）は、所望の動作周波数（例えば、１００ＭＨｚ）においてピークとなる。システムにおける帯域幅を増加させるために、上述したように、変調信号生成器１０２はマルチトーン信号を生成し得る。そのため、所望の動作周波数近辺で、信号の周波数は離散間隔で変化され、これが、生成された狭帯域光送信信号のＰＳＤがピークにある周波数帯域を広げる。レーザーダイオード１０６を図１に示したが、光学送信信号を生成するために任意のタイプの光学信号生成器（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ））が用いられ得る。

光学素子１０８ａは、生成された狭帯域光送信信号１５２をターゲットオブジェクト１１６に向けるように構成される。例えば、或る実施形態において、光学素子１０８ａは、ターゲットオブジェクト１１６上に光送信信号１５２を集束する一つ又は複数のレンズを含む。光学素子１０８ａは、生成された狭帯域光送信信号１５２をターゲットオブジェクト１１６に向けるために、任意のタイプの光学システムを含み得る。

光送信信号１５２は、反射された光信号１５４としてターゲットオブジェクト１１６で反射する。その後、反射された光信号１５４は、光学素子１０８ｂによって受け取られ、光学素子１０８ｂは、反射された光信号１５４を集束し、及び／又は、受信器１８０に、より詳細にはフォトダイオード１１０上に向ける。例えば、或る実施形態において、光学素子１０８ｂは、反射された光信号１５４をフォトダイオード１１０上に集束する一つ又は複数のレンズを含む。光学素子１０８ｂは、反射された光信号を受信器１８０に向けるために任意のタイプの光学システムを含み得る。

受信器１８０は、フォトダイオード１１０、チューニングネットワーク１１８、ＴＩＡ１１２、及びプロセッサ１１４を含む。また、いくつかの実施形態において、受信器１８０は、フォトダイオード１２０、チューニングネットワーク１２８、及びＴＩＡ１２２を含む。フォトダイオード１１０は、反射された光信号１５４を受信し、反射された光信号１５４を、受信した反射された光の強度に比例する電流信号１５６に変換するように構成される。チューニングネットワーク１１８は、受信器１８０を、光送信信号１５２の及びそれゆえ反射された光信号１５４の共振周波数に調整するように構成される。或る実施形態において、チューニングネットワーク１１８は、チューニングコンデンサを用いて、及び／又は、インダクタネットワークを介したチューニングを用いて、調整可能である。例えば、或る実施形態において、チューニングネットワーク１１８は、帯域ネットワークと、帯域ネットワークを電子的に（アナログ又はデジタルに）調整可能にして最適の帯域フィルタ応答を実現し得る、チューニングコンデンサ及び／又はインダクタとを含む。帯域ネットワークは、電流信号１５６から周波数の第２の帯域外の周波数をフィルタする。周波数の第２の帯域は、狭帯域光送信信号１５２が送信される、周波数の第１の帯域に対応する。例えば、狭帯域光送信信号１５２の所望の動作周波数が１００ＭＨｚである場合、周波数の第２の帯域は、１００ＭＨｚの所望の動作周波数に対応し得る（例えば、周波数の第２の帯域は９０ＭＨｚから１１０ＭＨｚまでであり得、所望の動作周波数は、周波数の第２の帯域の中心周波数である）。このように、電流信号１５６と、周波数の第２の帯域内の電流信号１５６内のノイズとのみが、フィルタされた電流信号として、ＴＩＡ１１２に提供される。従って、電流信号１５６における、受信器１８０によって受信されるノイズのほとんどは、ターゲットオブジェクト１１６までの距離を判定するために信号が分析される前に、フィルタ除去される。

ＴＩＡ１１２は、フィルタされた電流信号を、フィルタされた電流信号に対応する電圧信号１５８に変換するように構成される。いくつかの実施形態において、チューニングネットワーク１１８（例えば、帯域ネットワーク）とＴＩＡ１１２とは逆にされ、ＴＩＡ１１２が、電流信号１５６を、電流信号に対応する電圧信号に変換し、チューニングネットワーク１１８が、電圧信号から、周波数の第２の帯域外の周波数をフィルタ除去して、フィルタされた電圧信号を生成するようにする。いくつかの実施形態において、チューニングネットワーク１１８はＴＩＡ１１２に組み込まれる。

或る実施形態において、フォトダイオード１２０は、レーザーダイオード１０６から直接、光送信信号１５２を又は光送信信号１５２の一部を受信し、光送信信号１５２を、電流参照信号１６６（レーザーダイオード１０６から直接受信された光の強度に比例する電流）に変換する。或る実施形態において、チューニングネットワーク１２８（例えば、チューニングネットワーク１１８と類似の及び／又は同じチューニングネットワーク）は、帯域ネットワークとして作用するように、及び、電流信号１６６から周波数の第２の帯域外の周波数をフィルタするように構成される。周波数の第２の帯域は、狭帯域光送信信号１５２が送信される、周波数の第１の帯域に対応する。そのため、電流信号１６６と、周波数の第２の帯域内の電流信号１６６内のノイズとのみが、フィルタされた電流信号としてＴＩＡ１２２に提供される。従って、電流参照信号１６６における、受信器１８０によって直接受信されたノイズのほとんどが、ターゲットオブジェクト１１６までの距離を判定するために信号が分析される前に、フィルタ除去される。ＴＩＡ１２２は、電流参照信号１６６を受信するように、及び、電流参照信号１６６を、電圧参照信号１６８と呼ばれる電圧信号に変換するように構成される。この電圧信号は、電流参照信号１６６に対応する。いくつかの実施形態において、電流参照信号１６６が、ＴＩＡ１２２により受信される前にチューニングネットワーク１２８によってフィルタされることに加えて又はその代わりに、電圧参照信号１６８は、プロセッサ１１４により受信される前にチューニングネットワーク１２８によってフィルタされる。別の実施形態において、レーザーダイオード１０６から直接受信された光送信信号１５２又は光送信信号１５２の一部と、反射された光信号１５４とが、いずれも、電圧信号１５８及び電圧参照信号１６８を生成するために、同じ経路（例えば、フォトダイオード１２０、帯域ネットワーク１１８、ＴＩＡ１１２）を用いる。

プロセッサ１１４は、ＴＯＦ及び／又はターゲットオブジェクト１１６までの距離を判定するために電圧信号１５８及び／又は電圧信号１６８を処理するために最適化されたアーキテクチャを備える、任意のタイプのプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、及び／又はマイクロプロセッサである。例えば、プロセッサ１１４は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、中央処理装置（ＣＰＵ）、アドバンストＲＩＳＣマシン（ＡＲＭ）コアなどの縮小命令セットコンピューティング（ＲＩＳＣ）コア、ミックスドシグナルプロセッサ（ＭＳＰ）等であり得る。そのため、例えば、プロセッサ１１４は、狭帯域光送信信号１５２及び反射された光１５４がトランスミッタ１７０から受信器１８０まで移動するＴＯＦを判定するための計算を行うように構成されるマイクロプロセッサであり得る。

例えば、或る実施形態において、プロセッサ１１４は、狭帯域光送信信号１５２の直接的な飛行時間に基づき、ＴＯＦを判定する。ＴＯＦを直接判定するために、参照信号（すなわち、光送信信号１５２に対応する電圧参照信号１６８）及び受信した信号（すなわち、反射された光信号１５４に対応する電圧信号１５８）を用いて相関関数が行われる。相関関数におけるピークが、受信された反射された光信号１５４の時間遅延（すなわち、ＴＯＦ）に対応する。その後、ターゲットオブジェクトまでの距離が推定され得る。例えば、光の速度は既知であり、そのため、ターゲットオブジェクトまでの距離１１６は、

として判定及び／又は推定され、ここで、ｄはターゲットオブジェクトまでの距離であり、ｃは光の速度であり、ＴＯＦは飛行時間である。ターゲットオブジェクト１１６への及びターゲットオブジェクト１１６からの光パルスの移動を説明するために、光の速度×ＴＯＦは２分の１にされる。他の実施形態において、受信した信号（すなわち、反射された光信号１５４に対応する電圧信号１５８）及び／又は参照信号（すなわち、光送信信号１５２に対応する電圧参照信号１６８）に対してＦＦＴが行われる。その後、受信した信号における遅延（すなわち、ＴＯＦ）を推定するために、トーンの位相が用いられる。その後、上述した式を用いて距離が推定され得る。

図２は、種々の例に従った、図示したプロセッサ１１４を備えない、例示の光学距離測定受信器１８０である。上述したように、受信器１８０は、フォトダイオード１１０、チューニングネットワーク１１８、及びＴＩＡ１１２を含む。図２に示すように、ＴＩＡ１１２は、演算増幅器２０４、フィードバックレジスタ２０６、及びフィードバックコンデンサ２０８を含む。図２に示す実施形態において、レジスタ２０６は、演算増幅器２０４及びコンデンサ２０８に並列に接続される。反射された光１５４がフォトダイオード１１０によって受信されると、フォトダイオード１１０は、フォトダイオード１１０によって受信された光の強度に比例する電流信号１５６を生成する。チューニングネットワーク１１８は、任意のタイプの帯域ネットワーク（例えば、任意のタイプの帯域フィルタ）を含み得、所望の動作周波数を中心とする周波数の帯域外の周波数が電流信号１５６からフィルタされて、フィルタされた電流信号を生成するように、電流信号１５６をフィルタする。図２に示すように、演算増幅器２０４は、差動入力シングルエンド出力電子増幅器である。いくつかの実施形態において、演算増幅器２０４は比較的高いインピーダンスを有し、そのため、フィルタされた電流信号はレジスタ２０６を介して流れる。そのため、電圧信号１５８として示す出力電圧は、フィルタされた電流信号にレジスタ２０６の値を乗じたものに等しい。コンデンサ２０８は、ＴＩＡ１１２に安定性を提供する。帯域ネットワークとして作用するチューニングネットワーク１１８なしに（すなわち、従来の構成において）、ＴＩＡ１１２は、図２に示すように帯域フィルタの代わりに電流信号１５６に対してローパスフィルタとして作用する。それゆえ、従来の構成では、システムを介した一層のノイズを可能とし、測距精度が低減される。

図３は、種々の例に従った、例示の帯域ネットワーク１１８を備える例示の光学距離測定受信器１８０を示す。図３の例示のチューニングネットワーク１１８は、フォトダイオード１１０とＴＩＡの入力とに直列に接続されるシャントインダクタ３０２を含む。或る実施形態において、シャントインダクタ３０２は、高周波数で、狭帯域信号（すなわち、狭帯域強度変調された信号）のために最適化される。

図３に示す実施形態において、シャントインダクタ３０２は、ＴＩＡ１１２の入力に位置し、入力における総容量性リアクタンス（すなわち、フォトダイオード１１０によって提供された基本的静電容量）に整合させる。いくつかの実施形態において、インダクタ３０２のインダクタンス値は、並列ＬＣタンク回路のための共振周波数に基づき、

であり、ここで、ｆは所望の動作周波数であり、Ｃは総入力静電容量であり、Ｌはシャントインダクタ３０２の値である。いくつかの実施形態において、シャントインダクタ３０２の値の一層精密な判定のため、周波数の狭帯域の周波数における平均ＳＮＲが最大化される。或る実施形態において、ＳＮＲ最適化を実現するために、ＴＩＡ１１２出力における全てのノイズ成分がパワードメインに付加される。ＴＩＡ１１２の出力におけるＳＮＲは、各周波数で演算される。いくつかの実施形態において、周波数の狭帯域における平均ＳＮＲは、数値的ツール（例えば、ＭＡＴＬＡＢ）を用いて最適化される。いくつかの実施形態において、最高動作周波数が、光送信信号１５２の狭帯域のために選ばれる。なぜなら、高周波数が、最速の信号立ち上がり時間（傾斜）を提供し、それに応じて、最良の測距精度を提供するからである。

図４は、種々の例に従った、光学距離測定受信器応答のための振幅対周波数の例示のグラフ４００を示す。いくつかの実施形態において、所望の動作周波数ｆ_０は中心周波数であり、周波数の帯域の上限は周波数ｆ_２であり、周波数の下限は周波数ｆ_１である。グラフ４００に示し及び上述したように、帯域ネットワークとして作用するチューニングネットワーク１１８は、周波数ｆ_１及びｆ_２によって境界を付けられる周波数の狭帯域外の周波数をフィルタ除去する。従って、いくつかの実施形態において、受信器１８０は、ｆ_１及びｆ_２によって境界を付けられた周波数内に入る受信信号（反射された光１５４及び関連するノイズを含む）のみを分析し、全てのその他の周波数をフィルタ除去する。そのため、フィルタされた電流信号は、４０２で示される振幅を有し、４０４で示される帯域幅（周波数ｆ_１とｆ_２との間）を有する。それゆえ、受信器において帯域ネットワークを用いること、及び、帯域ネットワークの周波数の帯域内の光信号を送信することによって（すなわち、狭帯域にすることよって）、その帯域におけるノイズが低減される。また、受信器における共振ネットワークに起因して、信号の周波数は、広帯域システムを備えるものより高くなり得る。従って、狭帯域信号の傾斜が増大される。このように、図１〜図４に関連して上述したような光学距離測定システムは、従来の光学距離測定システムよりも測距精度を増大し得る。

図５は、種々の例に従った、ターゲットオブジェクトまでの距離を判定するための方法５００の例示のフローチャートを示す。便宜上、順に示すが、示されるアクションの少なくとも幾つかが、異なる順に行われ得、及び／又は並行して行われ得る。また、いくつかの実施形態が、示されるアクションのいくつかのみを行い得る。いくつかの実施形態において、方法５００の動作の少なくともいくつか、及び、本願において説明されるその他の動作が、トランスミッタ１７０（これは、変調信号生成器１０２、送信ドライバ１０４、及び／又はレーザーダイオード１０６を含む）及び／又は受信器１８０（これは、フォトダイオード１１０、チューニングネットワーク１１８、ＴＩＡ１１２、及び／又はプロセッサ１１４を含む）によって行われ、ロジックにおいて、及び／又は、非一時的コンピュータ読出し可能記憶媒体に記憶された命令を実行するプロセッサによって、実装される。

方法５００は、変調された狭帯域キャリア信号を生成するブロック５０２において始まる。例えば、変調信号生成器１０２は、周波数の第１の帯域において狭帯域キャリア信号を生成し、この狭帯域キャリア信号を変調する。いくつかの実施形態において、狭帯域キャリア信号は、２０〜３０ＭＨｚの周波数の帯域内の信号であり、所望の動作周波数は狭帯域の中心である。いくつかの実施形態において、狭帯域キャリア信号の所望の動作周波数は、１ＭＨｚから９９９ＧＨｚまでである。

ブロック５０４において、方法５００は、狭帯域光送信信号を生成することで継続する。例えば、レーザーダイオード１０６は、変調された狭帯域キャリア信号に整合する狭帯域光送信信号を生成し得る。そのため、例えば、所望の動作周波数が１００ＭＨｚであり、変調された狭帯域キャリア信号が、９０ＭＨｚから１１０ＭＨｚの間の周波数帯域におけるキャリア信号を含む場合、レーザーダイオード１０６は、同じ９０ＭＨｚから１１０ＭＨｚの周波数帯域において光送信信号を生成する。

方法５００は、ブロック５０６において、狭帯域光送信信号をターゲットオブジェクトに向けることで継続する。例えば、レーザーダイオード１０６は、単体で、或いは、光学素子１０８と共に、狭帯域光信号１５２をターゲットオブジェクト１１６に向け得る。ブロック５０８において、方法５００は、ターゲットオブジェクトで反射された光を受信することで継続する。例えば、狭帯域光送信信号の周波数帯域内の周波数を有する反射された光１５４は、フォトダイオード１１０によって受信される。

方法５００は、ブロック５１０において、受信した反射された光を電流信号に変換することで継続する。例えば、フォトダイオード１１０は、受信した反射された光を、受信した光の強度に比例する電流信号１５６に変換するように構成される。ブロック５１２において、方法５００は、電流信号から周波数の帯域外の周波数をフィルタして、フィルタされた電流信号をつくることで継続する。例えば、帯域ネットワークとして作用するチューニングネットワーク１１８は、電流信号１５６から、送信された狭帯域光送信信号の周波数帯域に対応する周波数帯域外の周波数を受信及びフィルタし、この信号からノイズを除去するように構成される。

方法５００は、ブロック５１４において、フィルタされた電流信号を電圧信号に変換することで継続する。例えば、ＴＩＡ１１２は、チューニングネットワーク１１８から、フィルタされた電流信号を受信し、フィルタされた電流信号を電圧信号１５８に変換する。ブロック５１６において、方法５００は、電圧信号に基づいてターゲットオブジェクトまでの距離を判定することで継続する。例えば、プロセッサ１１４は、電圧信号１５８を受信するように、及び、送信された狭帯域光送信信号１５４のＴＯＦを、直接的に（すなわち、狭帯域光送信信号が、レーザーダイオード１０６からターゲットオブジェクトまで移動し、ターゲットオブジェクトで反射し、反射された光としてフォトダイオード１１０によって受信されるために必要とされる時間を計ることによって）、及び／或いは、送信された狭帯域光送信信号１５２と受信した反射された光１５４との間の検出された位相シフトに基づいて、判定するように構成される。ＴＯＦが判定された後、ターゲットオブジェクトまでの距離１１６が判定され得る。

特許請求の範囲内で、説明される実施形態における改変が可能であり、他の実施形態が可能である。

Claims

光学距離測定システムであって、
周波数の第１の帯域にわたる狭帯域光送信信号を生成し、前記狭帯域光送信信号をターゲットオブジェクトに向けるように構成される送信回路、並びに、
受信器回路、
を含み、
前記受信器回路が、前記ターゲットオブジェクトで反射された光を受信し、前記反射された光を前記反射された光の強度に比例する電流信号に変換し、前記電流信号から周波数の第２の帯域外の周波数をフィルタしてフィルタされた電流信号をつくり、前記フィルタされた電流信号を電圧信号に変換するように構成され、周波数の前記第２の帯域が、周波数の前記第１の帯域に対応する、
光学距離測定システム。
請求項１に記載のシステムであって、前記送信回路が、
周波数の前記第１の帯域において、変調された狭帯域キャリア信号を生成するように構成される変調信号生成器と、
レーザーダイオード回路に結合される送信ドライバと、
を含み、
前記送信ドライバが、前記レーザーダイオード回路を介する電流の狭帯域変調のために最適化される、
システム。
請求項２に記載のシステムであって、前記変調された狭帯域キャリア信号がシングルトーン信号である、システム。
請求項２に記載のシステムであって、前記変調された狭帯域キャリア信号が、位相変調を有するシングルトーン信号である、システム。
請求項２に記載のシステムであって、前記変調された狭帯域キャリア信号が、振幅変調を有するシングルトーン信号である、システム。
請求項２に記載のシステムであって、前記変調された狭帯域キャリア信号が、固定周波数を有するマルチトーン信号である、システム。
請求項２に記載のシステムであって、前記変調された狭帯域キャリア信号が、狭帯域周波数範囲にわたる周波数変調を有する信号である、システム。
請求項２に記載のシステムであって、前記変調された狭帯域キャリア信号が、狭い周波数範囲にわたるパルス位置変調を有する信号である、システム。
請求項２に記載のシステムであって、前記受信回路がさらに、前記変調された狭帯域キャリア信号と前記電圧信号との間の推定された位相シフトに基づいて、前記システムから前記ターゲットオブジェクトまでの距離を判定するように構成される、システム。
請求項１に記載のシステムであって、前記受信回路がさらに、前記狭帯域光送信信号の直接的な飛行時間に基づいて、前記システムから前記ターゲットオブジェクトまでの距離を判定するように構成される、システム。
光学距離測定受信器であって、
基本静電容量を有するフォトダイオードであって、周波数の第１の帯域にわたる、ターゲットオブジェクトで反射された光を受信するように、及び、前記反射された光を前記反射された光の強度に比例する第１の電流信号に変換するように構成される、前記フォトダイオード、
前記フォトダイオードから前記第１の電流信号を受信するように、及び、前記第１の電流信号から周波数の第２の帯域外の周波数をフィルタして、第１のフィルタされた電流信号をつくるように構成される帯域ネットワーク、並びに、
前記帯域ネットワークから前記第１のフィルタされた電流信号を受信するように、及び、前記第１のフィルタされた電流信号を前記第１のフィルタされた電流信号に対応する第１の電圧信号に変換するように構成されるトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）、
を含み、
周波数の前記第２の帯域が、周波数の前記第１の帯域に対応する、
光学距離測定受信器。
請求項１１に記載の光学距離測定受信器であって、前記変調された反射された光の周波数に対応する共振周波数に前記受信器が調整されるように、前記帯域ネットワークが調整可能である、光学距離測定受信器。
請求項１１に記載の光学距離測定受信器であって、
前記フォトダイオードがさらに、周波数の第３の帯域にわたる、前記ターゲットオブジェクトで反射された光を受信するように、及び、前記反射された光を前記反射された光の強度に比例する第２の電流信号に変換するように構成され、周波数の前記第３の帯域が、周波数の前記第１の帯域を含まず、
前記帯域ネットワークがさらに、前記フォトダイオードから前記第２の電流信号を受信するように、及び、前記第２の電流信号から周波数の第４の帯域外の周波数をフィルタして、第２のフィルタされた電流信号をつくるように構成され、周波数の前記第４の帯域が、周波数の前記第３の帯域に対応し、
前記ＴＩＡがさらに、前記帯域ネットワークから前記第２のフィルタされた電流信号を受信するように、及び、前記第２のフィルタされた電流信号を、前記第２のフィルタされた電流信号に対応する第２の電圧信号に変換するように構成される、
光学距離測定受信器。
請求項１１に記載の光学距離測定受信器であって、前記帯域ネットワークが、前記フォトダイオードと前記ＴＩＡとに結合されるインダクタを含む、光学距離測定受信器。
請求項１４に記載の光学距離測定受信器であって、前記ＴＩＡが、コンデンサ及び演算増幅器と並列のフィードバックレジスタを含み、前記インダクタが、前記フォトダイオード及び前記演算増幅器と直列に結合される、光学距離測定受信器。
請求項１５に記載の光学距離測定受信器であって、前記インダクタのインダクタンスが、周波数の前記第１の帯域と前記フォトダイオードの前記基本静電容量とに基づく、光学距離測定受信器。
請求項１１に記載の光学距離測定受信器であって、さらに、前記第１の電圧信号に基づいて前記光学距離測定受信器から前記ターゲットオブジェクトまでの距離を判定するように構成される処理回路を含む、光学距離測定受信器。
ターゲットオブジェクトまでの距離を判定するための方法であって、
周波数の第１の帯域にわたる、前記ターゲットオブジェクトで反射された光を受信すること、
前記反射された光を前記反射された光の強度に比例する電流信号に変換すること、
前記電流信号から周波数の第２の帯域外の周波数をフィルタして、フィルタされた電流信号をつくること、
前記フィルタされた電流信号を電圧信号に変換すること、及び、
前記電圧信号に基づいて前記ターゲットオブジェクトまでの距離を判定すること、
を含み、
周波数の前記第２の帯域が、周波数の前記第１の帯域に対応する、
方法。
請求項１８に記載の方法であって、さらに、
周波数の前記第１の帯域において、変調された狭帯域キャリア信号を生成すること、
周波数の前記第１の帯域にわたる狭帯域光送信信号を生成すること、及び、
前記狭帯域光送信信号を前記ターゲットオブジェクトに向けること、
を含み、
前記狭帯域光送信信号が、前記変調された狭帯域キャリア信号に対応する、
方法。
請求項１９に記載の方法であって、前記変調された狭帯域キャリア信号が、変調を有するシングルトーン信号である、方法。
請求項１８に記載の方法であって、前記距離を判定することが、前記変調された狭帯域キャリア信号と前記電圧信号との間の推定された位相シフトに基づく、方法。
請求項１８に記載の方法であって、前記距離を判定することが、前記狭帯域光送信信号の直接的な飛行時間に基づく、方法。