JP2020534510A - 光チャープレンジ検出のために方形波デジタルチャープ信号を使用するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

光チャープレンジ検出のために方形波デジタルチャープ信号を使用するための装置が提供されている。レーザ源が光信号を放射して、ＲＦ波形発生器が方形波デジタルチャープ信号に基づいて入力デジタルチャープ信号を発生させる。光信号の周波数が、入力デジタルチャープ信号に基づいて変調される。スプリッタが、光信号を送信光信号と参照光信号とに分割する。検出器が、参照光信号と対象物からの戻り光信号を結合する。検出器が、結合された参照光信号と戻り光信号に基づいて電気出力信号を発生させる。プロセッサが、電気出力信号のフーリエ変換の特性に基づいて対象物までのレンジを決定する。光チャープレンジ検出のために方形波デジタルチャープ信号を使用するための方法も提供されている。【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、２０１７年７月２７日に出願された米国特許出願第１５／６６１，３７７号の利益を主張し、その全体内容が、参照により本明細書に完全に記載されているかのように組み込まれる。

光検出と測距のために、しばしばニーモニック、ＬＩＤＡＲによって参照される、レンジの光学的検出は、高度計測から、イメージング、衝突回避まで、様々なアプリケーションに使用されている。ＬＩＤＡＲは、電波検出および測距（ＲＡＤＡＲ）などの従来のマイクロ波測距システムよりも小さいビームサイズで、より細かいスケールレンジ分解能を提供する。レンジの光学的検出は、ターゲットへの光パルスの往復走行時間に基づく直接測距、および送信されたチャープ光信号とターゲットから散乱した戻り信号との間の周波数差に基づくチャープ検出を含めて、いくつかの異なる手法で成し遂げることができる。

許容レンジ精度と検出感度とを達成するために、直接長距離ＬＩＤＡＲシステムは、低いパルス繰り返しレートと非常に高いパルスピークパワーを備えた短パルスレーザを使用する。高いパルスパワーは、光学部品の急速な劣化につながる可能性がある。チャープＬＩＤＡＲシステムは、比較的低いピーク光パワーを備えた長い光パルスを使用する。この構成では、レンジ精度は、パルス幅よりもむしろチャープ帯域幅に依存し、それゆえに優れたレンジ精度を依然として得ることができる。

光搬送波を変調するために広帯域無線周波数（ＲＦ）電気信号を使用して、有用な光チャープ帯域幅が達成されている。チャープＬＩＤＡＲの最近の進歩には、同じ変調された光搬送波を参照信号として使用し、光検出器で戻り信号と結合され、結果の電気信号において、参照信号と戻り光信号との間の周波数の差に比例する比較的低いビート周波数を生成することが含まれる。検出器での周波数差のこの種のビート周波数検出は、ヘテロダイン検出と呼ばれている。それは、準備ができて安価な可用性のＲＦ部品を使用する利点など、当技術分野で知られているいくつかの利点を有する。特許第７，７４２，１５２号に記載されている最近の研究は、本明細書で使用されている用語と一致しない用語を除き、参照光信号として、送信された光信号から分割された光信号を使用する、光学部品の新規の単純な構成を示している。この構成は、その特許ではホモダイン検出と呼ばれている。

従来のチャープＬＩＤＡＲシステムでは、ＲＦ源は、光搬送波を変調するために、帯域幅（例えば、５００メガヘルツ、ＭＨｚ、１ＭＨｚ＝１０^６ヘルツ〜１０ギガヘルツ、ＧＨｚ、１ＧＨｚ＝１０^９Ｈｚ）でＲＦ電気信号を生成するように提供されている。本発明者らは、従来のＲＦ源により生成されるＲＦ電気信号には顕著な欠点があることを認識した。例えば、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）またはダイレクトデジタル合成（ＤＤＳ）デバイスによって生成されるＲＦ電気信号の帯域幅は通常、約４ＧＨｚで最大になり、ＬＩＤＡＲシステムのレンジ精度を制限する。加えて、ＤＡＣまたはＤＤＳデバイスはかさばり、そのため限られたサイズと重量のパッケージにおいて貴重なスペースを消費し、かつ高価である（例えば、２０万ドル）。さらに、ＤＡＳまたはＤＤＳデバイスによって生成されるＲＦ電気信号の帯域幅は約１０ＧＨｚに増やすことができるが、これは追加のステップ（例えば、ＲＦ乗算、光乗算）を伴い、それは高パワーを必要とし、信号に望まない特性をもたらす。チャープＬＩＤＡＲシステムの従来のＲＦ源によって提供される従来のＲＦ信号の欠点に対処する装置および方法が提供されている。この装置および方法は、チャープＬＩＤＡＲシステムにおいてフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）トランシーバを使用したデジタル化されたチャープ生成を伴う。

実施形態の第１のセットでは、光チャープレンジ検出のために方形波デジタルチャープ信号を使用するための装置が提供されている。本装置は、光信号を放射するためのレーザ源を含む。本装置はまた、方形波デジタルチャープ信号に基づく入力デジタルチャープ信号を発生させるためのＲＦ波形発生器を含む。本装置はまた、入力デジタルチャープ信号に基づいて光信号の周波数を変調するための変調器も含む。加えて、本装置は、光信号を送信光信号と参照光信号とに分割するスプリッタを含む。本装置は、参照光信号と対象物から後方散乱された送信光信号に基づく戻り光信号とを結合するための検出器をさらに含む。検出器は、結合された参照光信号および戻り光信号に基づいて電気出力信号を発生させるように構成されている。本装置は、電気出力信号のフーリエ変換の特性に基づいて対象物までのレンジを決定するプロセッサをさらに含む。

実施形態の第２のセットでは、光チャープレンジ検出のために方形波デジタルチャープ信号を使用するための方法が提供されている。本方法は、レーザ源から光信号を放射するステップ、およびＲＦ波形発生器からの入力デジタルチャープ信号に基づいて変調器で光信号の周波数を変調するステップを含む。入力デジタルチャープ信号は、方形波デジタルチャープ信号に基づく。加えて、本方法は、スプリッタで光信号を送信光信号と参照光信号とに分割するステップを含む。本方法は、検出器で参照光信号と戻り光信号とを結合するステップをさらに含む。戻り光信号は、対象物から後方散乱された送信光信号に基づく。加えて、本方法は、結合ステップに基づいて検出器から電気出力信号を発生させるステップを含む。本方法は、出力電気出力信号のフーリエ変換の特性に基づいて、プロセッサで対象物までのレンジを決定するステップをさらに含む。

さらに他の態様、特徴、および利点が、本発明を実行するために考えられる最良の様式を含めて、単にいくつかの特定の実施形態および実装形態を例示することによって、以下の詳細な説明から容易に明らかになる。他の実施形態は、他の、かつ異なる特徴および利点を有することも可能であり、そのいくつかの詳細は、すべて本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な明らかな点で修正することができる。したがって、図面および説明は、本質的に例示と見なされるべきであり、限定と見なされるべきではない。

実施形態は、同様の参照番号が同様の要素を指す添付図面の図において、限定としてではなく例として示されている。

一実施形態による、レンジの例示的な光チャープ測定を図示する一組のグラフである。 一実施形態による、デチャーピングから生じるビート周波数の例示的な測定値を図示するグラフであり、レンジを示す。 様々な実施形態による、高分解能ＬＩＤＡＲシステムの例示的な構成要素を図示するブロック図である。 様々な実施形態による、高分解能ＬＩＤＡＲシステムの例示的な構成要素を図示するブロック図である。 一実施形態による、図２ＡのＬＩＤＡＲシステムのＲＦ波形発生器の例示的な構成要素を図示するブロック図である。 一実施形態による、図３ＡのＲＦ波形発生器のＲＦ調整の例示的な構成要素を図示するブロック図である。 一実施形態による、図２ＢのＬＩＤＡＲシステムのＲＦ波形発生器の例示的な構成要素を図示するブロック図である。 一実施形態による、従来のＬＩＤＡＲシステムで使用される入力デジタルチャープ信号の例を図示するグラフである。 一実施形態による、図４Ａの入力デジタルチャープ信号の周波数スペクトルの例を図示するグラフである。 一実施形態による、図２Ａおよび図２ＢのＬＩＤＡＲシステムで使用される方形波デジタルチャープ信号の例を図示するグラフである。 一実施形態による、図５Ａの方形波デジタルチャープ信号の周波数スペクトルの例を図示するグラフである。 一実施形態による、図３ＡのＲＦ波形発生器の方形波デジタルチャープ信号の伝達関数の例を図示するグラフである。 一実施形態による、図３ＢのＲＦ調整構成要素の等化器の伝達関数の例を図示するグラフである。 一実施形態による、図３ＡのＲＦ波形発生器から出力された入力デジタルチャープ信号の結果としての関数の例を図示するグラフである。 一実施形態による、図４Ａの入力デジタルチャープ信号を使用した従来のＬＩＤＡＲシステムにおけるデチャーピングから生じるビート周波数の例示的な測定を図示するグラフである。 一実施形態による、図５Ａの方形波デジタルチャープ信号を使用するＬＩＤＡＲシステムにおけるデチャーピングから生じるビート周波数の例示的な測定を図示するグラフである。 一実施形態による、光チャープレンジ検出のために方形波デジタルチャープ信号を使用するための例示的な方法を図示するフローチャートである。 本発明の実施形態が実装され得るコンピュータシステムを図示するブロック図である。 本発明の実施形態が実装され得るチップセットを図示する。

光チャープレンジ検出のために方形波デジタルチャープ信号を使用するための方法と装置とシステムとコンピュータ可読媒体とが説明される。以下の説明では、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために多数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、本発明は、これらの具体的な詳細なしで実施され得ることが当業者には明らかであろう。他の実例では、本発明を不必要に曖昧にすることを避けるために、周知の構造およびデバイスがブロック図形式で示されている。

広い範囲を示す数値範囲およびパラメータは近似値であるにもかかわらず、具体的な非限定的な例で示される数値は、可能な限り正確に報告されている。しかしながら、どの数値も、この執筆の時点でそれぞれの試験測定値に見られる標準偏差から必然的に生じる一定の誤差を本質的に含む。さらに、文脈から特に明確でない限り、本明細書に提示される数値は、最下位桁によって与えられる暗黙の精度を有する。このため、値１．１は１．０５から１．１５の値を意味する。「約」という用語は、与えられた値を中心とするより広い範囲を示すために使用され、文脈から特に明確でない限り、「約１．１」は１．０から１．２の範囲を意味するなど、最下位桁の周りのより広い範囲を意味する。最下位桁が不明確な場合、「約」という用語は係数２を意味し、例えば「約Ｘ」は、０．５Ｘから２Ｘの範囲の値を意味し、例えば約１００は、５０から２００の範囲の値を意味する。さらに、本明細書に開示されるすべての範囲は、その中に含まれるありとあらゆるサブ範囲を包含すると理解されるべきである。例えば、「１０未満」の範囲は、最小値ゼロと最大値１０の間（およびそれらを含む）のありとあらゆるサブ範囲、つまり、ゼロ以上の最小値および１０以下の最大値を有するありとあらゆるサブ範囲、例えば１〜４、を含むことができる。

本発明のいくつかの実施形態は、チャープＬＩＤＡＲシステム内の１つ以上の光搬送波を変調するために広帯域ＲＦ電気信号を使用する文脈で以下に説明される。しかしながら、本発明は、この文脈に限定されない。他の実施形態では、本発明は、広帯域波形発生器を使用して、位相シフトキーイング、オンオフキーイング、周波数シフトキーイングまたは広帯域ノイズの位相コードを含む、測距に有用な波形を生成するという文脈で使用することができる。

１．チャープ検出の概要
図１Ａは、一実施形態による、レンジの例示的な光チャープ測定を図示する一組のグラフ１１０、１２０、１３０、１４０である。水平軸１１２は、４つのグラフすべてに対して同じであり、ミリ秒（ｍｓ、１ｍｓ＝１０^−３秒）のオーダの、任意の単位で時間を示す。グラフ１１０は、送信される光信号として使用される光ビームのパワーを示している。グラフ１１０の垂直軸１１４は、送信信号のパワーを任意の単位で示している。トレース１１６は、パワーが、時間０から始まる限られたパルス持続時間τの間オンであることを示している。グラフ１２０は、送信信号の周波数を示している。垂直軸１２４は、任意の単位の送信された周波数を示す。トレース１２６は、パルスの持続時間τにわたってパルスの周波数がｆ_１からｆ_２に増加し、したがって帯域幅Ｂ＝ｆ_２−ｆ_１を有することを示している。周波数の変化率は、（ｆ_２−ｆ_１）／τ．．

戻り信号が、時間を示す水平軸１１２と、グラフ１２０のように周波数を示す垂直軸１２４とを有するグラフ１３０に示されている。グラフ１２０のチャープ１２６もまた、グラフ１３０上に点線としてプロットされている。第１の戻り信号は、トレース１３６ａによって与えられており、これは、強度が減少した送信された参照信号（図示せず）であり、Δｔだけ遅延している。戻り信号が２Ｒの距離をカバーした後に外部対象物から受信された場合、ここでＲはターゲットまでのレンジ、戻り信号は、２Ｒ／ｃで与えられる遅延信号Δｔで開始し、ｃは媒体内の光の速度（約３ｘ１０^８メートル／秒、ｍ／ｓ）である。この時間をかけて、周波数は、ｆ_Ｒと呼ばれるレンジに依存する量だけ変化し、周波数の変化率に遅延時間を掛けたもので与えられる。これは式１ａで与えられる。

ｆ_Ｒの値は、デチャーピングと呼ばれる時間領域のミキシング動作における送信信号１２６と戻り信号１３６ａとの間の周波数差によって測定される。したがって、レンジＲは式１ｂで与えられる。

もちろん、パルスが完全に送信された後に戻り信号が到着する場合、つまり２Ｒ／ｃがτより大きい場合、式１ａおよび１ｂは無効である。この場合、戻り信号が参照信号と重なることを保証するために、参照信号は既知または固定量だけ遅延される。参照信号の固定または既知の遅延時間に光の速度ｃを掛けて、式１ｂから計算されたレンジに追加される追加のレンジを与える。媒体内の光の速度の不確実性により絶対レンジがオフになる場合があるが、これはほぼ一定の誤差であり、周波数差に基づく相対レンジは依然として非常に正確である。

状況によっては、送信された光ビームによって照らされたスポットは、半透明の対象物の前面と背面、またはＬＩＤＡＲから様々な距離にある対象物のより近い部分とより遠い部分、あるいは照らされたスポット内の２つの別々の対象物など、異なるレンジで２つ以上の異なる散乱体に遭遇する。そのような状況では、第２の減少した強度で異なる遅延の信号も受信され、グラフ１３０上でトレース１３６ｂによって示されている。これは、ｆ_Ｒの異なる測定値を有し、それは、式１ｂを使用して異なるレンジを与える。状況によっては、複数の戻り信号が受信される。

グラフ１４０は、第１の戻り信号１３６ａと参照チャープ１２６との間の差周波数ｆ_Ｒを示している。水平軸１１２は、図１Ａの他の整列したグラフすべてのように時間を示し、垂直軸１３４は、はるかに拡大したスケールでの周波数差を示す。トレース１４６は、送信されたチャープ中に測定された一定周波数ｆ_Ｒを表しており、これは式１ｂによって与えられる特定のレンジを示す。第２の戻り信号１３６ｂは、存在する場合、デチャーピング中にｆ_Ｒの異なるより大きな値（図示せず）を生じさせ、結果として、式１ｂを使用してより大きなレンジを生む。

デチャーピングの一般的な方法は、参照光信号と戻り光信号との両方を同じ光検出器に向けることである。検出器の電気出力信号は、検出器に収束する２つの信号の周波数の差に等しい、または依存するビート周波数によって支配される。この電気出力信号のフーリエ変換は、ビート周波数でピークを生み出す。このビート周波数は、テラヘルツ（ＴＨｚ、１ＴＨｚ＝１０^１２ヘルツ）の光周波数レンジではなく、メガヘルツ（ＭＨｚ、１ＭＨｚ＝１０^６ヘルツ＝１０^６サイクル／秒）の無線周波数（ＲＦ）レンジである。このような信号は、マイクロプロセッサで走る高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムや特別に構築されたＦＦＴまたは他のデジタル信号処理（ＤＳＰ）集積回路などの一般的で安価なＲＦ構成要素によって容易に処理される。他の実施形態では、戻り信号は、（局部発振器としてのチャープに対して）局部発振器として作用する連続波（ＣＷ）トーンと混合される。これは、それ自体がチャープ（または送信された波形）である検出信号につながる。この場合、検出された信号は、本明細書で使用されている用語と矛盾する用語を除いて、Ｋａｃｈｅｌｍｙｅｒ １９９０に記載されているようにデジタルドメインで整合フィルタリングを受ける。欠点は、デジタイザ帯域幅要件が概して高いことである。それ以外は、コヒーレント検出の肯定的な態様は保持される。

図１Ｂは、一実施形態による、レンジを示す、デチャーピングから生じるビート周波数の例示的な測定値を図示するグラフである。水平軸１５２は、周波数をメガヘルツで示しており、垂直軸は、送信パワー密度Ｉ_Ｔに対する戻り信号パワー密度Ｉ_Ｒをデシベル（ｄＢ、ｄＢのパワー＝２０ｌｏｇ（Ｉ_Ｒ／Ｉ_Ｔ））で示す。トレース１５６は、ＦＦＴ回路によって生成されような、光検出器による電気出力信号のフーリエ変換であり、Ａｄａｎｙ他、２００９によって公表されたデータに基づく。ピークの水平位置はｆ_Ｒを与え、式１ｂを使用してレンジを推定するために使用される。加えて、ピークの他の特性を使用して、戻り信号を記述することができる。例えば、ピークでのパワー値は、トレース１５６の最大値によって、または、より一般的には、ピークの肩でのピーク値（図１Ｂでは約−３１ｄＢ）とノイズフロア（図１Ｂでは約−５０ｄＢ）との間の差１５７（図１Ｂでは約１９ｄＢ）によって特徴付けられ、および、ピークの幅は、半値幅（ＦＷＨＭ）での周波数幅１５８（図１Ｂでは約０．０８ＭＨｚ）によって特徴付けられる。複数の識別可能な戻りがある場合、光検出器の電気出力のＦＦＴに複数のピークがあり、おそらく複数の異なるパワーレベルおよび幅を有する。任意の方法を使用して、トレース内のピークを自動的に識別し、それらのピークを位置、高さ、および幅によって特徴付けることができる。例えば、いくつかの実施形態では、ＭＡＴＬＡＢ−Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ＴｏｏｌｂｏｘによるＦＦＴＷまたはピーク検出が使用され、マサチューセッツ州ネイティックのＭＡＴＨＷＯＲＫＳ（商標）のＭＡＴＬＡＢ（商標）から入手可能である。カリフォルニア州サンタクララのＮＶＩＤＩＡ（商標）から入手可能な、ＣＵＤＡのＦＦＴＷおよびＣＵＤＡ（商標）のカスタムピーク検出に依拠するカスタム実装を使用することもできる。カスタム実装は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）にプログラムされている。一般的に使用されるアルゴリズムは、レンジプロファイルの閾値を設定することであり、重心アルゴリズム、ピークフィッティングアルゴリズム（３点ガウス分布フィット）、またはある関数のピークの非線形フィット（ガウス分布など）を走らせて、ピークの位置をより正確に決定する。

検出された対象物（ソース）が速度ｖ_ｓで移動し、ＬＩＤＡＲシステム（観測者）が２つを結ぶベクトル上を速度ｖ_ｏで移動している場合、戻り信号はドップラシフトされ得、検出されたビート周波数ｆ_Ｒもシフトされ、検出されたレンジにおいてで誤差につながり得る。多くの状況において、検出されている対象物の形状は、複数の戻りの相対位置に基づいて識別される。このため、対象物の形状が誤差を有する可能性があり、対象物を識別する能力が損なわれる可能性がある。

戻りの観測された周波数ｆ’は、ドップラ効果によって戻りの正しい周波数ｆとは異なり、式２ａで近似される。

ここで、ｃは媒体内の光の速度である。観測者とソースとが２つの間のベクトル上を同じ方向に同じ速度で移動している場合、２つの周波数は同じであることに留意されたい。２つの周波数の間の差Δｆ＝ｆ’−ｆは、ドップラシフト、Ｄ、であり、これは、補正されていない場合、レンジ測定において誤差の構成要素となり、式２ｂで与えられる。

誤差の大きさは、信号の周波数ｆとともに増加することを留意されたい。また、静止ＬＩＤＡＲシステム（ｖ_ｏ＝０）、１０メートル／秒で移動するターゲット（ｖ_ｏ＝１０）、および周波数が約５００ＴＨｚの可視光の場合、誤差のサイズは、図１Ｂにおいて約２２ＭＨｚであるｆ_Ｒのサイズの７５％である１６ＭＨｚのオーダであり、これは、ｆ_Ｒの７５％誤差、このため、レンジの７５％誤差につながることに留意されたい。様々な実施形態において、ドップラシフト誤差が検出され、レンジを訂正するために使用される。

２．チャープ検出ハードウェアの概要
チャープ検出アプローチが実装される方法を示すために、いくつかの一般的および具体的なハードウェアアプローチについて説明する。図２Ａおよび図２Ｂは、様々な実施形態による、高分解能ＬＩＤＡＲシステムの例示的な構成要素を図示するブロック図である。図２Ａにおいて、レーザ源２１２は、帯域幅Ｂおよび持続時間τを有するパルスを生成するために、ＲＦ波形発生器２１５からの入力に基づいて変調器２１４で周波数変調される搬送波２０１を放射する。後のセクションでより詳細に説明する様々な実施形態において、ＲＦ波形発生器２１５からの電気入力は、方形波デジタルチャープ信号に基づく入力デジタルチャープ信号である。一実施形態では、方形波デジタルチャープ信号は、ＲＦ波形発生器２１５によって発生され、ＲＦ波形発生器２１５によってさらに調整され、入力デジタルチャープ信号をもたらす。これらの実施形態のいくつかでは、入力デジタルチャープ信号は、そのような調整のない方形波デジタルチャープ信号そのものである。いくつかの実施形態では、方形波デジタルチャープ信号は、ＲＦ波形発生器２１５のメモリにアップロードされた方形波命令２１７に基づいて、ＲＦ波形発生器２１５によって発生される。他の実施形態では、処理システム２５０のレンジ決定モジュール２７０が、方形波デジタルチャープ信号の発生を含めて、ＲＦ波形発生器２１５を制御する。例示的な実施形態では、方形波命令は、レンジ決定モジュール２７０で提供される。

スプリッタ２１６は、変調された光波形を、ビーム２０３のエネルギーの大部分を有する送信信号２０５と、それでもなおターゲット（図示せず）から散乱された戻り光２９１との良好なヘテロダインまたはホモダイン干渉を生成するのに十分な、はるかに少ない量のエネルギーを有する参照信号２０７とに分割する。いくつかの実施形態では、走査光学系２１８を使用して、送信ビームを複数の角度にわたって走査して、その経路内の任意の対象物をプロファイルする。

参照ビームは、散乱光とともに検出器アレイ２３０に到達するように十分に参照経路２２０で遅延される。いくつかの実施形態では、スプリッタ２１６は、変調器２１４の上流にあり、参照ビーム２０７は変調されていない。いくつかの実施形態では、参照信号は、新しいレーザ（図示せず）を使用して独立して発生され、参照経路２２０内の別個の変調器（図示せず）および発生器２１５からの入力デジタルチャープ信号を使用して別個に変調される。いくつかの実施形態では、図２Ｂを参照して以下で説明するように、異なる変調器が使用され、しかし、ただ１つのレーザ源２１２が、コヒーレンスを保証するために送信および参照信号の両方に使用される。様々な実施形態において、柔軟性の低いアプローチからより柔軟なアプローチまで、参照は、以下の方法によって、散乱または反射されたフィールドとともに到着させられる。１）シーンにミラーを配置して、経路長がよく一致するように、送信ビームの一部を反射して検出器アレイに戻す、２）ファイバ遅延を使用して経路長を厳密に一致させ、図２Ａで示唆されているように、特定のレンジに対して観測または予想される位相差を補正するために、経路長調整の有無にかかわらず、検出器アレイの近くの光学系で参照ビームをブロードキャストする、３）周波数シフトデバイス（音響光学変調器）または局部発振器波形変調の時間遅延を使用して、経路長の不整合を補正するために別個の変調を生成する、またはいくつかの組み合わせ。いくつかの実施形態では、ターゲットが十分に近く、パルス持続時間が十分に長く、戻りが遅延なしで参照信号と十分に重なる。いくつかの実施形態では、参照信号２０７ｂは、１つ以上の光ミキサ２３２で戻り信号２９１と光学的に混合される。

いくつかの実施形態では、参照経路２２０は、ＲＦ波形発生器２１５から入力デジタルチャープ信号を受信する位相変調器を含み、入力デジタルチャープ信号は方形波デジタルチャープ信号に基づく。これらの実施形態では、参照経路２２０で受信される入力デジタルチャープ信号は、変調器２１４で受信される入力デジタルチャープ信号から独立している。一実施形態では、参照信号２０７の位相は、入力デジタルチャープ信号に基づいて位相変調器によって変調され、光ミキサ２３２における参照ビーム２０７ｂと戻り信号２９１との間の強度ノイズ変動を有利に低減する。

様々な実施形態において、ターゲットの複数の部分は、各走査ビームに対してそれぞれの戻り光ビーム２９１を検出器アレイ２３０に散乱させ、複数のビームおよび複数の戻りによって照らされたターゲットのそれぞれの複数の部分の複数のレンジに基づいた点群をもたらす。検出器アレイは、ターゲットからの戻りビーム２９１にほぼ垂直な平面に配置された単一または平衡対の光検出器、またはそのような光検出器の１Ｄまたは２Ｄアレイである。インターフェースパターンの位相または振幅、またはいくつかの組み合わせは、パルス持続時間τの間に複数回、各検出器について取得システム２４０によって記録される。パルス持続時間ごとの時間サンプルの数は、ダウンレンジの範囲に影響する。多くの場合、この数は、パルス繰り返しレートと使用可能なカメラフレームレートに基づいて選択される実際的な考慮事項である。フレームレートはサンプリング帯域幅であって、しばしば「デジタイザ周波数」と呼ばれる。基本的に、Ｙレンジ幅の分解能ビンを有するパルス中にＸ個の検出器アレイフレームが収集される場合、Ｘ＊Ｙレンジ範囲を観察することができる。取得されたデータは、図１０を参照して以下で説明するコンピュータシステム、または図１１を参照して以下で説明するチップセットなどの処理システム２５０で利用可能になる。いくつかの実施形態では、取得されたデータは、ターゲットのそれぞれの複数の部分の複数のレンジに基づく点群である。

レンジ決定モジュール２７０は、検出器アレイ２３０からの電気出力信号に基づいてターゲットまでのレンジを計算する。いくつかの実施形態では、レンジ決定モジュール２７０は、電気出力信号のフーリエ変換を行って出力信号の周波数スペクトルを得、周波数スペクトルの１つ以上の特性に基づいてターゲットまでのレンジを計算する。一実施形態では、レンジ決定モジュール２７０は、図１Ｂに示された電気出力信号の周波数スペクトルのピークの１つ以上の特性（例えば、周波数値またはｆ_Ｒ）に基づいてレンジを計算する。この実施形態では、レンジ決定モジュール２７０は、式（１ｂ）および検出器アレイ２３０からの出力信号の周波数スペクトルのピークの特性（例えばｆ_Ｒ）を使用してレンジを計算する。レンジ決定モジュール２７０は、式（１ｂ）を使用して複数のレンジを計算し、ここには複数のピーク（例えば、ｆ_Ｒの複数の値）が、検出器アレイ２３０からの出力信号の周波数スペクトルに存在する。

他の実施形態では、モジュール２７０は、ドップラシフトのサイズおよびその上の補正レンジを決定するドップラ補正モジュールである。ドップラ補正モジュールについては、２０１６年１１月３０日に出願された米国仮出願第６２／４２８，１６９号で考察されている。

図２Ｂは、方形波デジタルチャープ信号に基づく入力デジタルチャープ信号が、ＲＦ波形発生器２１５からＬＯ信号を生成する参照経路に導入されることを可能にする代替ハードウェア構成を示す。いくつかの実施形態では、参照経路に導入される入力デジタルチャープ信号は、送信経路に導入される入力デジタルチャープ信号から独立している。レーザ源２１２、スプリッタ２１６、送信信号２０５、走査光学系２１８、光ミキサ２３２、検出器アレイ２３０、取得システム２４０および処理システム２５０は、図２Ａを参照して上述したとおりである。図２Ｂにおいて、発生器２１５からの入力デジタルチャープを光搬送波に課するために、送信経路に２１４ａ、参照経路２８２に２１４ｂの２つの別個の光変調器がある。

スプリッタ２１６は、レーザ源２１２と変調器２１４ａおよび２１４ｂとの間に移動して、変調器２１４ａに突き当たる光信号２８３と修正された参照経路２８２の変調器２１４ｂに突き当たる低振幅参照経路信号２８７ａとを生成する。この実施形態では、光２０１は、変調が起こる前に、送信（ＴＸ）経路ビーム２８３と参照／局部発振器（ＬＯ）経路ビーム２８７ａとに分割され、かつ、別個の変調器が各経路で使用される。デュアル変調器アプローチでは、オフセット開始周波数および／またはオフセット開始時間および／またはオフセット開始位相にある入力デジタルチャープ信号を用いていずれかの経路をプログラムできる。各レンジゲートで使用される遅延をシフトすることによって、システムは、他のシステムの制限（検出器およびデジタイザ帯域幅、測定時間、など）にもかかわらず、明確に高分解能で測定できる。次いで、ソフトウェア制御された遅延参照信号２８７ｂは、上述のように戻り信号２９１と混合される。他の実施形態では、ＬＯ参照経路２８２のソフトウェア制御された遅延が、適応走査アプローチをダウンレンジ次元でも同様に適応可能にする。

いくつかの実施形態では、ＲＦ波形発生器２１５は一対のチャネルを含み、第１のチャネルは第１の入力デジタルチャープ信号を変調器２１４ａに出力し、第２のチャネルは第２の入力デジタルチャープ信号を変調器２１４ｂに出力する。いくつかの実施形態では、第１の入力デジタルチャープ信号は第１の方形波デジタルチャープ信号に基づき、第２の入力デジタルチャープ信号は第２の方形波デジタルチャープ信号に基づく。

一実施形態では、変調器２１４ａは、第１の入力デジタルチャープ信号を受信して送信ビーム２８３の周波数を変調し、帯域幅Ｂおよび持続時間τを有する送信信号２０５パルスを生成する周波数変調器である。別の実施形態では、変調器２１４ｂは、ＲＦ波形発生器２１５から第２の入力デジタルチャープ信号を受信する位相変調器である。これらの実施形態では、変調器２１４ａで受信される第１の入力デジタルチャープ信号は、変調器２１４ｂで受信される第２の入力デジタルチャープ信号から独立している。一実施形態では、参照信号２０７の位相は、第２の入力デジタルチャープ信号に基づいて位相変調器によって変調され、光ミキサ２３２における参照ビーム２０７ｂと戻り信号２９１との間の強度ノイズ変動を有利に低減する。

いくつかの実施形態では、使用されるレーザは、レーザを駆動する電流に適用される変調により能動的に線形化された。実験は、変調を提供する電気光学変調器でも行われた。システムは、様々な実施形態について以下により詳細に説明するように、所望のダウンレンジ分解能に適した帯域幅Ｂおよび持続時間τのチャープを生成するように構成されている。例えば、いくつかの例示された実施形態では、Ｂの値は約９０ＧＨｚのおよびτの値は約２００ミリ秒（ｍｓ、１ｍｓ＝１０^−３秒）が、行われた実験において比較的低い検出器アレイフレームレートの限界内で機能するように選択された。これらの選択は、約３０ｃｍのかなり大きなレンジウィンドウを観察するためになされ、これは、対象物の形状および対象物の識別を決定する際にしばしば重要である。この手法は、１０ＭＨｚ〜５ＴＨｚのチャープ帯域幅に対して機能する。しかしながら、３Ｄイメージングアプリケーションの場合、典型的なレンジは、約３００ＭＨｚ〜約２０ＧＨｚのチャープ帯域幅、約２５０ナノ秒（ｎｓ、ｎｓ＝１０^−９秒）〜約１ミリ秒（ｍｓ、１ｍｓ＝１０^−３秒）のチャープ持続時間、約０メートル〜約２０ｋｍのターゲットへのレンジ、約３ミリメートル（ｍｍ、１ｍｍ＝１０^−３メートル）〜約１メートル（ｍ）のターゲットでのスポットサイズ、約７．５ｍｍ〜約０．５ｍのターゲットでの深度分解能である。これらの条件下では、レンジウィンドウを数キロメートルまで拡張できること、およびドップラ分解能も非常に高くなり得る（チャープの持続時間に応じて）ことに留意されたい。

プロセス、機器、およびデータ構造が、例示の目的で特定の配置の不可欠なブロックとして、図２Ａおよび図２Ｂに示されているが、他の実施形態では、１つ以上のプロセスまたはデータ構造、あるいはその一部が、異なる様態で、同じまたは異なるホスト上に、１つ以上のデータベース内に、配置されているか、または省略されているか、あるいは１つ以上の異なるプロセスまたはデータ構造が、同じまたは異なるホスト上に含まれている。例えば、スプリッタ２１６および参照経路２２０は、ゼロ以上の光カプラを含む。

図３Ａは、一実施形態による、図２ＡのＬＩＤＡＲシステム２００のＲＦ波形発生器２１５の例示的な構成要素を図示するブロック図である。一実施形態では、ＲＦ波形生成器２１５は、方形波デジタルチャープ信号３０６を発生させるトランシーバ３０２を含む。いくつかの実施形態では、トランシーバ３０２は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）のトランシーバである。一実施形態では、ＦＰＧＡは、他の機能を行うためにＬＩＤＡＲシステム２００によって使用され、１つ以上のさもなければ使用されないＦＰＧＡのトランシーバ３０２は、ＲＦ波形発生器２１５によってアクセスされる。一実施形態では、ＦＰＧＡのトランシーバ３０２は、約３２ＧＨｚの帯域幅を有する。この説明の目的のために、デジタル信号のパラメータを議論するとき、単位のヘルツ（Ｈｚ）は、単位の秒あたりのサンプル（ＳＰＳ）と交換可能に使用される。この実施形態は、ＬＩＤＡＲシステム２００の既存の構成要素を有利に採用して、広帯域デジタル化チャープ信号を発生し、ＬＩＤＡＲシステム２００において光搬送波を変調する。例示的な実施形態では、ＦＰＧＡはまた、処理システム２５０によっても使用されて、ターゲットまでのレンジを計算し、および／または計算されたレンジに基づいて画像データを生成する。

一実施形態では、デジタルチャープ波形は、ＦＰＧＡ上のプロセッサコア上で走るソフトウェアで発生される。従来のＦＰＧＡ上のいくつかの実施形態では、これらのプロセッサはＦＰＧＡファブリックに実装されたソフトコアプロセッサである。システムオンチップ（ＳｏＣ）ＦＰＧＡ上の他の実施形態では、プログラマブルロジックファブリックと並んでシリコンに永続的に実装されたハードコアプロセッサが存在する。

一実施形態では、ソフトウェアアルゴリズムは、チャープ繰り返しレート、チャープ開始周波数、チャープ帯域幅、チャープ方向、および出力サンプルレートなどのいくつかのパラメータを入力として取り、出力としてチャープ波形データを生成する。ソフトウェア発生の波形は、ＦＰＧＡのプログラマブルロジックファブリックに実装されたデュアルポートブロックランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）要素にロードされる。これらのＲＡＭブロックの１つのポートは、この波形のロードを可能にするためにプロセッサコアに接続され、他のポートは、プログラマブルロジックの有限状態マシン（ＦＳＭ）に接続される。このＦＳＭは、シームレスな繰り返しチャープ発生に必要な厳しいタイミング要件の下で、波形を読み出して、それらをＦＰＧＡのマルチギガビットトランシーバ（ＭＧＴ）に供給するように設計されている。ＦＳＭはまた、それ自体プロセッサコア上で走るソフトウェアによって制御可能であり、ソフトウェア環境からの完全な波形発生と制御とを可能にする。

方形波波形は、ＦＰＧＡトランシーバ３０２にアップロードされ、方形波デジタルチャープ信号３０６を発生させるための入力として使用される命令２１７の少なくとも一部を構成する。いくつかの実施形態では、方形波命令２１７は、方形波デジタルチャープ信号３０６の１つ以上のパラメータに基づいてパラメータ化されたビットストリームである。一実施形態では、パラメータは、開始周波数、停止周波数、パルス持続時間、およびパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）のうちの１つ以上を含む。例示的な実施形態では、開始周波数は約５００ＭＨｚであり、停止周波数は約１４ＧＨｚであり、パルス持続時間は約１００マイクロ秒（μ秒）であり、ＰＲＦは約１０キロヘルツ（ｋＨｚ）である。いくつかの実施形態では、方形波命令２１７は、トランシーバ３０２の第１のクロックサイクル数（例えば、１１１０００）にわたって固定振幅の出力を示すビットストリームを含み、第１の周波数を出力し、その後、第１のクロックサイクル数よりも少ない第２のクロックサイクル数（例えば、１１００）にわたって固定振幅の出力が続き、第１の周波数よりも大きい第２の周波数を出力する。他の実施形態では、方形波命令は、レンジ決定モジュール２７０に含まれ、ＦＰＧＡトランシーバ３０２にアップロードされるのではなく、処理システム２５０からＦＰＧＡトランシーバ３０２に送信される。

いくつかの実施形態では、方形波命令２１７は、コサインチャープ波形（例えば、図４Ａのコサインチャープ４０６信号）をデジタル化することにより決定される。一実施形態では、各クロックサイクルでの方形波命令２１７のビットストリームは、各クロックサイクルに対応する時間増分でのコサインチャープ波形の偏角に基づいて決定される。一実施形態では、ビットストリームは、コサインチャープ波形の偏角が単位円の右半分にある時間増分に対して１に設定される。この実施形態では、ビットストリームは、コサインチャープ波形の偏角が単位円の左半分にある時間増分に対して０に設定される。これは、リソースを集中的に使用するステップ、例えば、ルックアップテーブルまたはコサイン関数を計算する他の方法を使用すること、を有利に回避し、方形波命令２１７を計算するための効率的な方法を提供する。

図４Ａは、一実施形態による、従来のＬＩＤＡＲシステムで使用される入力デジタルチャープ信号の一例を図示するグラフ４００である。水平軸４０２は時間であり、任意の単位で測定される。電圧での垂直軸４０４は、任意の単位で測定される。一実施形態では、入力デジタルチャープ信号は、時間とともに第１の周波数から第１の周波数よりも大きい第２の周波数まで直線的に増加するコサインチャープ４０６信号である。図４Ｂは、一実施形態による、図４Ａの入力デジタルチャープ信号の周波数スペクトルの一例を図示するグラフ４５０である。水平軸４５２はギガヘルツ（ＧＨｚ）単位の周波数であり、垂直軸４５４はデシベル（ｄＢ）単位のパワーである。一実施形態では、曲線４５６は、コサインチャープ４０６信号の周波数スペクトルを表す。周波数スペクトルの帯域幅４６０は、第１の周波数から第２の周波数まで広がっている。一実施形態では、帯域幅４６０は、約５００ＭＨｚから約１０ＧＨｚのレンジにある。加えて、ダイナミックレンジ４６２は、帯域幅４６０内の曲線４５６の振幅と帯域幅４６０外の曲線４５６の振幅との間の差として定義される。ダイナミックレンジ４６２は、少なくとも５０ｄＢである。

図５Ａは、一実施形態による、図２Ａおよび図２ＢのＬＩＤＡＲシステム２００、２８０で使用される方形波デジタルチャープ信号３０６の一例を図示するグラフ５００である。水平軸５０２は時間であり、任意の単位で測定される。垂直軸５０４は電圧であり、任意の単位で測定される。一実施形態では、方形波デジタルチャープ信号３０６は、時間とともに第１の周波数から第１の周波数よりも大きい第２の周波数まで直線的に増加する。図５Ｂは、一実施形態による、図５Ａの方形波デジタルチャープ信号３０６の周波数スペクトルの一例を図示するグラフ５５０である。水平軸５５２はギガヘルツ（ＧＨｚ）単位の周波数であり、垂直軸５５４はデシベル（ｄＢ）単位のパワーである。

いくつかの実施形態では、図３ＡのＲＦ波形発生器２１５は、方形波デジタルチャープ信号３０６を、変調器２１４に入力される図３Ａの入力デジタルチャープ信号３０８に変換する１つ以上の調整ステップを行うＲＦ調整３０４の構成要素を含む。いくつかの実施形態では、調整ステップは、図５Ｂの方形波デジタルチャープ信号３０６の周波数スペクトルを変更し、それにより入力デジタルチャープ信号３０８の結果としての周波数スペクトルは、図４Ｂの入力デジタルチャープ信号の周波数スペクトルと１つ以上の特性を共有する。一実施形態では、図４Ｂの入力デジタルチャープ信号の周波数スペクトルの特性は、帯域幅４６０および／またはダイナミックレンジ４６２を含む。

図３Ｂは、一実施形態による、図３ＡのＲＦ波形発生器２１５のＲＦ調整３０４の例示的な構成要素を図示するブロック図である。いくつかの実施形態では、ＲＦ調整３０４の構成要素は、図５Ｂの方形波デジタルチャープ信号３０６の周波数スペクトルからあるレンジの周波数を除去するために使用されるフィルタ３１０を含む。一実施形態では、フィルタ３１０は、帯域幅４６０と重複する周波数のレンジを通過させ、図４Ｂのコサインチャープ４０６信号の帯域幅４６０の外側にある周波数のレンジを除去する帯域通過フィルタである。いくつかの実施形態では、方形波デジタルチャープ信号３０６の周波数スペクトル内の高次高調波５５５、５５７は、フィルタ３１０によって除去される。この実施形態では、フィルタ３１０は、図５Ｂの方形波デジタルチャープ信号３０６の周波数スペクトルからあるレンジの周波数（例えば５ＧＨｚより上）を除去する。例示的な実施形態では、高次ローパスフィルタを使用して、３次およびより高次の高調波を大幅に減衰させる。いくつかの実施形態では、フィルタリングは、デジタル波形をＲＦ回路で使用するための正弦波形に有利に変換する。例示的な実施形態では、除外される周波数のレンジが高次高調波５５５、５５７を包含するように、周波数のレンジが除去される。当業者には理解されるように、高次高調波５５５、５５７は、図５Ａの方形波チャープ３０６の結果として起きる周波数成分である。

フィルタ３１０を使用して周波数スペクトルから周波数のレンジを除去した後、結果の帯域幅５６０は、入力デジタルチャープ信号３０８の周波数スペクトルである。いくつかの実施形態では、帯域幅５６０は、図４Ｂの入力デジタルチャープ信号の帯域幅４６０と重なる。いくつかの実施形態では、入力デジタルチャープ信号３０８の帯域幅５６０は、入力デジタルチャープ信号の帯域幅４６０を超える。様々な実施形態において、帯域幅５６０は、約２ＧＨｚから約３０ＧＨｚのレンジである。好ましくは、帯域幅５６０は、約１０ＧＨｚから約３０ＧＨｚのレンジである。例示的な一実施形態では、帯域幅５６０は、約２ＧＨｚから約３ＧＨｚのレンジである。一般に、入力デジタルチャープ信号３０８の帯域幅は、第１の周波数から第２の周波数まで広がる。例示的な実施形態では、第１の周波数は約５００ＭＨｚから約２ＧＨｚのレンジにあり、第２の周波数は約３ＧＨｚから約３２ＧＨｚのレンジにある。図５Ｂは、２〜３ＧＨｚのレンジの帯域幅５６０を示しているが、これは単なる一例示的実施形態に過ぎない。

他の実施形態では、フィルタ３１０は、入力デジタルチャープ信号３０８の最小ダイナミックレンジを確立するために、図５Ｂの方形波デジタルチャープ信号３０６の周波数パワースペクトルから周波数のレンジを除去する。ダイナミックレンジは、帯域幅５６０内の周波数パワースペクトルの振幅と帯域幅５６０の外側の周波数パワースペクトルの振幅との差として定義される。図５Ｂに示されるように、フィルタ３１０で周波数のレンジ（例えば、高調波５５５、５５７）を除去する前に、ダイナミックレンジ５６３は約１０ｄＢである、例えば帯域幅５６０内の約０ｄＢと高次高調波５５５での約−１０ｄＢとの間の差。フィルタ３１０で周波数のレンジ（例えば、高調波５５５、５５７）を除去した後、ダイナミックレンジ５６２は、約２０ｄＢまで増加した、例えば、帯域幅５６０内の約０ｄＢとノイズフロアでの約−２０ｄＢとの間の差。一実施形態では、入力デジタルチャープ信号３０８の最小ダイナミックレンジは、約２０ｄＢから約５０ｄＢのレンジにある。

図５Ｂに示された周波数スペクトルの振幅は帯域幅５６０にわたって比較的平坦であるが、いくつかの実施形態では、振幅は帯域幅５６０にわたって平らではない。一実施形態では、振幅が、帯域幅５６０内のより低い周波数でより大きく、より高い周波数でより小さくなるように、振幅がより高い周波数で先細りになっている。入力デジタルチャープ信号３０８の周波数スペクトルが帯域幅５６０にわたって等しい振幅を有する場合、混合にとって有利である。

いくつかの実施形態では、図３ＢのＲＦ調整３０４の構成要素は、帯域幅５６０にわたって入力デジタルチャープ信号３０８の周波数スペクトルの振幅を平坦化するために使用される等化器３１２を含む。図６Ａは、帯域幅５６０にわたる周波数スペクトルの振幅を示す伝達関数６０６の例を図示するグラフである。水平軸６０２は任意単位の周波数であり、垂直軸６０４は任意単位のパワーである。フィルタ３１０が方形波デジタルチャープ信号３０６から周波数のレンジを除去した後、フィルタリングされた信号３１１は、振幅が帯域幅５６０にわたって伝達関数６０６に似ている周波数スペクトルを有する等化器３１２で受信される。いくつかの実施形態では、伝達関数６０６はトランシーバ３０２の特性であり、帯域幅５６０にわたる方形波デジタルチャープ信号の周波数スペクトルの振幅を示す。図６Ｂは、別の実施形態による、トランシーバの何かの不利な形状および／またはフィルタリングされた伝達関数６０６を補正するために挿入された図３ＢのＲＦ調整構成要素の等化器３１２の伝達関数６０８の例を図示するグラフである。水平軸６０２は任意単位の周波数であり、垂直軸６０４は任意単位のパワーである。いくつかの実施形態では、等化器３１２は、フィルタ３１０からフィルタリングされた信号３１１を受信し、伝達関数６０８に従って帯域幅５６０にわたってフィルタリングされた信号の周波数スペクトルの振幅を拡大する。図６Ｃは、一実施形態による、図３ＡのＲＦ波形発生器２１５から出力される入力デジタルチャープ信号３０８の結果としての関数６１０の例を図示するグラフである。等化器３１２が、伝達関数６０８を使用して帯域幅５６０にわたってフィルタリングされた信号３１１の周波数スペクトルを拡大した後、結果としての関数６１０は、帯域幅５６０にわたる入力デジタルチャープ信号３０８の周波数スペクトルの振幅を示す。いくつかの実施形態では、周波数スペクトルの振幅は、帯域幅５６０にわたってほぼ等しい。例示的な一実施形態では、周波数スペクトルの振幅は、帯域幅５６０にわたって約１０％の平坦度内にある。別の例示的な実施形態では、周波数スペクトルの振幅は、帯域幅５６０にわたって３〜６ｄＢの変動を特徴とする。いくつかの実施形態では、ＲＦ増幅器３１４が、変調器２１４に入力される前に入力デジタルチャープ信号３０８を増幅するために設けられる。

図３Ｃは、一実施形態による、図２ＢのＬＩＤＡＲシステム２８０のＲＦ波形発生器２１５の例示的な構成要素を図示するブロック図である。図３ＣのＲＦ波形発生器２１５は、ＦＰＧＡトランシーバ３０２が複数の方形波デジタルチャープ信号３０６ａ、３０６ｂを発生させるために複数のチャネル（例えば、２つのチャネル）を含むことを除いて、図３Ａの波形発生器２１５と同様である。加えて、図３ＣのＲＦ波形発生器２１５は、入力デジタルチャープ信号３０８ａ、３０８ｂを発生させるために方形波デジタルチャープ信号３０６ａ、３０６ｂの各々について１つ以上の調整ステップを行うＲＦ調整３０４の構成要素を含む。一実施形態では、第１の入力デジタルチャープ信号３０８ａは、変調器２１４ａに入力されて送信経路ビーム２８３の周波数を変調し、第２の入力デジタルチャープ信号３０８ｂは、変調器２１４ｂに入力されて参照経路信号２８７ａの位相を変調する。参照経路信号２８７ａの位相の変調は、参照経路信号２８７ｂと戻り光２９１との間の強度変動に起因する検出器アレイ２３０でのノイズを有利に低減する。いくつかの実施形態では、方形波デジタルチャープ信号３０６ａ、３０６ｂは独立しており、それにより、１つ以上の別個のパラメータ（例えば、開始周波数、停止周波数、パルス持続時間、パルス繰り返し周波数）を特徴とする。一実施形態では、図３ＣのＦＰＧＡトランシーバ３０２にアップロードされた方形波命令２０７は、各方形波デジタルチャープ信号３０６ａ、３０６ｂに対する別個の命令を含む。

図７は、一実施形態による、図４Ａの入力デジタルチャープ信号４０６を使用する従来のＬＩＤＡＲシステムにおけるデチャーピングから生じるビート周波数の例示的な測定を図示するグラフである。水平軸７０２は、ＭＨｚ単位の周波数である。垂直軸７０４は、送信パワー密度Ｉ_Ｔに対する戻り信号パワー密度Ｉ_Ｒをデシベル（ｄＢ、ｄＢのパワー＝２０ｌｏｇ（Ｉ_Ｒ／Ｉ_Ｔ））で示す。曲線７０６は、ビート周波数にわたるパワースペクトルの振幅を示す。複数のレンジリターンピーク７０８ａ、７０８ｂ、７０８ｃが描かれており、各レンジリターンピークは、例えば、対象物の異なる部分または異なる対象物に対する、それぞれのレンジ測定値を示している。一実施形態では、各ピーク７０８ａ、７０８ｂ、７０８ｃの水平位置は、それぞれのレンジを計算するために式（１ｂ）で使用されるｆ_Ｒの別個の値を与える。ダイナミックレンジ７１２は、リターンピーク７０８での曲線７０６の振幅（例えば、−４０ｄＢ）とノイズフロアでの曲線７０６の振幅（例えば、−８０ｄＢ）との間で測定される。一実施形態では、ダイナミックレンジ７１２は約４０ｄＢである。いくつかの実施形態では、約２０ｄＢから約４０ｄＢの間の最小ダイナミックレンジが、正確なレンジ検出を保証する。

図８は、一実施形態による、図５Ａの方形波デジタルチャープ信号３０６を使用するＬＩＤＡＲシステム２００におけるデチャーピングから生じるビート周波数の例示的な測定を図示するグラフである。水平軸８０２は、ＭＨｚ単位の周波数である。垂直軸８０４は、送信パワー密度Ｉ_Ｔに対する戻り信号パワー密度Ｉ_Ｒをデシベル（ｄＢ、ｄＢのパワー＝２０ｌｏｇ（Ｉ_Ｒ／Ｉ_Ｔ））で示す。曲線８０６は、ビート周波数にわたるパワー周波数スペクトルの振幅を示す。複数のレンジリターンピーク８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃが描かれており、各レンジリターンピークは、例えば、対象物の異なる部分または異なる対象物に対する、それぞれのレンジ測定値を示している。各ピーク８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃの水平位置は、それぞれのレンジを計算するために式（１ｂ）でレンジ決定モジュール２７０によって使用されるｆ_Ｒの別個の値を与える。加えて、複数のスプリアスピーク８１０ａ、８１０ｂが描かれており、これらは、例えば、ＲＦ調整３０４がない場合に、方形波デジタルチャープ信号３０６が変調器２１４に入力される場合に得られる。スプリアスピーク８１０ａ、８１０ｂは、図７において対応するピークを持たず、このため、ＲＦ調整３０４が方形波デジタルチャープ信号３０６に行われない限り、誤ったレンジ計算をもたらす。ＲＦ調整３０４は、ビート周波数曲線８０６からスプリアスピーク８１０ａ、８１０ｂを有利に除去し、それにより誤ったレンジ計算を回避する。

ダイナミックレンジ８１２は、リターンピーク８０８での曲線８０６の振幅（例えば、−３５ｄＢ）とノイズフロアでの曲線８０６の振幅（例えば、−８０ｄＢ）との間で測定される。一実施形態では、ダイナミックレンジ８１２は約３５ｄＢであり、これは正確なレンジ検出のための最小ダイナミックレンジ（例えば、２０ｄＢ）よりも大きい。スプリアスピーク８１０ａ、８１０ｂを除去することによって、ＲＦ調整はまた、正確なレンジ検出のために最小ダイナミックレンジより上に、ダイナミックレンジ８１２を有利に増加する。いくつかの実施形態では、ＲＦ調整３０４は、例えば、戻りピーク７０８の振幅に対して、戻りピーク８０８の振幅を減少させるが、ダイナミックレンジ８１２は、正確なレンジ検出のために最小ダイナミックレンジを超える。

図９は、一実施形態による、光チャープレンジ検出のために方形波デジタルチャープ信号３０６を使用するための例示的な方法９００を図示するフローチャートである。図９の流れ図は、例示の目的のために特定の順序で不可欠なステップとして示されているが、他の実施形態では、１つ以上のステップまたはその一部が、異なる順序で行われるか、時間的に重複して、直列または並列で行われ、あるいは、省略されるか、１つ以上の追加ステップが追加されるか、または方法が仕方のいくつかの組み合わせに変更される。

ステップ９０１において、光信号がレーザ源からが放射される。一実施形態では、ステップ９０１において、図２Ａのシステム２００内のレーザ源２１２から搬送波２０１が放射される。他の実施形態では、ステップ９０１において、搬送波２０１がレーザ源２１２から放射され、スプリッタ２１６がその後、搬送波２０１を図２Ｂのシステム２８０の送信経路ビーム２８３と参照経路信号２８７ａに分割する。

ステップ９０３において、方形波デジタルチャープ信号がトランシーバで発生される。一実施形態では、ステップ９０３において、方形波デジタルチャープ信号３０６がトランシーバ３０２内でＦＰＧＡから発生される。別の実施形態では、方形波デジタルチャープ信号３０６は、チップ上の任意の高速シリアルトランシーバによって発生される。例示的な実施形態では、方形波デジタルチャープ信号３０６は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）によって発生される。例示的な一実施形態では、ＤＳＰは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）上に実装される。いくつかの実施形態では、ステップ９０３において、ＦＰＧＡトランシーバ３０２にアップロードされた方形波命令２０７が実行されて、方形波デジタルチャープ信号３０６を発生させる。他の実施形態では、ステップ９０３において、方形波命令はレンジ決定モジュール２７０に含まれ、処理システム２５０からＦＰＧＡトランシーバ３０２に通信されて方形波デジタルチャープ信号３０６を発生させる。他の実施形態では、デジタル信号の他のソースが使用される。

一実施形態では、ステップ９０３において、単一の方形波デジタルチャープ信号３０６がトランシーバ３０２内で発生され、トランシーバ３０２の単一のチャネルから出力される。他の実施形態では、ステップ９０３において、複数の方形波デジタルチャープ信号３０６ａ、３０６ｂがトランシーバ内で発生され、トランシーバ３０２の複数のチャネルから出力される。

ステップ９０５において、ステップ９０３で発生された方形波デジタルチャープ信号３０６の周波数スペクトルが決定される。一実施形態では、方形波デジタルチャープ信号３０６の周波数スペクトルは図５Ｂに示されており、高次高調波５５５、５５７を含む。いくつかの実施形態では、方形波デジタルチャープ信号３０６の周波数スペクトルは予め決められおり、ステップ９０５は省略される。

ステップ９０７において、ステップ９０５で決定された方形波デジタルチャープ信号３０６の周波数スペクトルからあるレンジの周波数が除去される。いくつかの実施形態では、ステップ９０７において、周波数のレンジはフィルタ３１０で除去される。いくつかの実施形態では、ステップ９０７において、フィルタ３１０は、帯域幅５６０内のあるレンジの周波数を送信し、周波数スペクトルの帯域幅５６０の外側の周波数の１つ以上のレンジを除去する帯域通過フィルタである。一実施形態では、帯域幅５６０は、コサインチャープ信号４０６の周波数スペクトルの帯域幅４６０に基づく。いくつかの実施形態では、ステップ９０７において、帯域幅５６０が帯域幅４６０と重なり、帯域幅５６０が約１０ＧＨｚから約３０ＧＨｚのレンジになるように、周波数のレンジがフィルタ３１０で除去される。他の実施形態では、ステップ９０７において、ダイナミックレンジ５６３（例えば、１０ｄＢ）がダイナミックレンジ５６２（例えば、２０ｄＢ）に増大するように、周波数のレンジがフィルタ３１０で除去される。いくつかの実施形態では、増加されたダイナミックレンジ５６２は、正確なレンジ検出のために最小ダイナミックレンジ（例えば、２０ｄＢ）を超える。いくつかの実施形態では、ステップ９０７において、フィルタ３１０は、高次高調波５５５、５５７を包含する周波数のレンジを除去する。例示的な実施形態において、フィルタ３１０は、閾値周波数（例えば、５ＧＨｚ）より上の周波数のレンジを除去して、高次高調波５５５、５５７を除去する。方形波デジタルチャープ信号３０６の周波数スペクトルが予め決められたいくつかの実施形態では、ステップ９０５は省略され、ステップ９０７は、予め決められた周波数スペクトルに基づいて周波数のレンジを除去する。いくつかの実施形態では、ステップ９０７において、フィルタ３１０は、方形波デジタルチャープ信号３０６を、等化器３１２に入射するフィルタリングされた信号３１１に変換する。

ステップ９０９では、入力デジタルチャープ信号３０８を発生させるためにステップ９０７からの周波数スペクトルの振幅が等化される。一実施形態では、帯域幅５６０にわたってフィルタリングされた信号３１１の周波数スペクトルの振幅は、伝達関数６０６に似ており、例えば、帯域幅５６０内のより高い周波数で先細りになっている。一実施形態では、ステップ９０９において、等化器６１２が、伝達関数６０８で帯域幅５６０にわたってフィルタリングされた信号３１１の周波数スペクトルの振幅を拡大する。帯域幅５６０にわたる入力デジタルチャープ信号３０８の周波数スペクトルの結果として生じる振幅は、結果としての伝達関数６１０に似ており、例えば、帯域幅５６０にわたってほぼ等しい。いくつかの実施形態では、入力デジタルチャープ信号３０８は、ＲＦ増幅器３１４によって増幅され、その後、変調器２１４に入力される。

他の実施形態では、アップロードされた方形波命令２０７に基づいて入力デジタルチャープ信号３０８を発生させるために、ステップ９０３、９０５、９０７、９０９で、またはステップ９０３、９０５、９０７、９０９の代わりに、任意のデジタルアナログ変換器を使用することができる。当業者には理解されるように、デジタルアナログ変換器の選択は、ビット深度と帯域幅との間のトレードオフを伴う。

ステップ９１１において、ステップ９０１の光信号の周波数は、ステップ９０９からの入力デジタルチャープ信号３０８に基づいて変調器で変調される。一実施形態では、ステップ９１１において、搬送波２０１の周波数は、ＲＦ波形発生器２１５からの入力デジタルチャープ信号３０８に基づいて図２Ａの変調器２１４で変調され、帯域幅Ｂおよび持続時間τを有するパルスを生成する。他の実施形態では、ステップ９１１において、搬送波２０１がレーザ源２１２から放射され、図２Ｂのスプリッタ２１６がその後、搬送波２０１を送信経路ビーム２８３と参照経路信号２８７ａとに分割し、送信経路ビーム２８３の周波数は、ＲＦ波形発生器２１５からの第１の入力デジタルチャープ信号３０８ａに基づいて変調器２１４ａで変調される。

ステップ９１３において、ステップ９１１の光信号が送信光信号と参照光信号に分割される。一実施形態では、ステップ９１３において、図２Ａの変調器２１４からの変調ビーム２０３は、スプリッタ２１６で送信信号２０５と参照信号２０７ａに分割される。一実施形態では、ステップ９１１での変調の前にスプリッタ２１６が光信号を既に分割しているため、図２Ｂの実施形態に関してステップ９１３は省略される。

ステップ９１４において、参照経路信号２８７ａの位相は、ステップ９０９からの入力デジタルチャープ信号に基づいて変調器で変調される。一実施形態では、ステップ９１４において、参照経路信号２８７ａの位相は、ＲＦ波形発生器２１５からの入力デジタルチャープ信号３０８ｂに基づいて図２Ｂの変調器２１４ｂで変調される。いくつかの実施形態では、入力デジタルチャープ信号３０８ｂは、送信経路ビーム２８３の周波数を変調するためにステップ９１１で変調器２１４ａに入射する入力デジタルチャープ信号３０８ａとは異なる。いくつかの実施形態では、ステップ９１４は省略される。

ステップ９１５において、参照経路光信号と戻り信号２９１とは検出器で結合される。一実施形態では、ステップ９１５において、参照経路信号２０７ｂと戻り信号２９１とは、図２Ａの検出器アレイ２３０で結合される。別の実施形態では、ステップ９１５において、参照経路信号２８７ｂと戻り信号２９１とは、図２Ｂの検出器アレイ２３０で結合される。

ステップ９１７において、検出器から電気出力信号が発生される。一実施形態では、ステップ９１５に基づいて、検出器アレイ２３０から電気出力信号が発生される。一実施形態では、電気出力信号は、参照信号と戻り信号との間の周波数差に基づく１つ以上のビート周波数を含む。

ステップ９１９において、ステップ９１７での電気出力信号のフーリエ変換の特性に基づいて、対象物までのレンジが決定される。一実施形態では、レンジ決定モジュール２７０に基づいて、処理システム２５０が、検出器アレイ２３０から受信した電気出力信号のフーリエ変換を行い、電気出力信号の周波数スペクトルを得る（例えば、図８の曲線８０６）。加えて、処理システム２５０は、電気出力信号の周波数スペクトル内の１つ以上のレンジ戻りピーク８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃを識別する。処理システム２５０は、ピークおよびゼロ以上のドップラシフトの１つ以上の特性（例えば、周波数値またはｆ_Ｒ）をさらに決定する。次いで、処理システム２５０は、検出された周波数および、またはドップラ補正された周波数と式（１ｂ）に基づいて各ピークのレンジを計算する。

３．計算ハードウェアの概要
図１０は、本発明の実施形態が実装され得るコンピュータシステム１０００を図示するブロック図である。コンピュータシステム１０００は、コンピュータシステム１０００の他の内部および外部構成要素間で情報を受け渡すためのバス１０１０などの通信機構を含む。情報は、測定可能な現象、典型的には電圧、の物理信号として表されるが、他の実施形態では、磁気、電磁気、圧力、化学、分子原子、および量子相互作用などの現象を含む。例えば、北および南の磁場、またはゼロおよび非ゼロの電圧は、二進数（ビット）の２つの状態（０、１）を表す。他の現象は、上位の桁数を表すことができる。測定前の複数の同時量子状態の重ね合わせは、量子ビット（ｑｕｂｉｔ）を表す。１つ以上の数字のシーケンスは、特性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、特定のレンジ内の測定可能な値のほぼ連続体によって表される。コンピュータシステム１０００またはその一部は、本明細書に記載の１つ以上の方法の１つ以上のステップを行うための手段を構成する。

一連の二進数は、特性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。バス１０１０は、情報がバス１０１０に連結されたデバイス間で迅速に転送されるように、情報の多くの並列伝導体を含む。情報を処理するための１つ以上のプロセッサ１００２がバス１０１０に連結されている。プロセッサ１００２は、情報に対して一組の動作を行う。動作のセットには、バス１０１０から情報を取り込むこと、バス１０１０上へ情報を置くことが含まれる。動作のセットには、典型的には、２つ以上の情報ユニットの比較、情報ユニットの位置のシフト、加算や乗算などによる２つ以上の情報ユニットの結合も含まれる。プロセッサ１００２によって実行される一連の動作は、コンピュータ命令を構成する。

コンピュータシステム１０００は、バス１０１０に連結されたメモリ１００４も含む。ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または他のダイナミック記憶デバイスなどのメモリ１００４は、コンピュータ命令を含む情報を記憶する。ダイナミックメモリは、そこに記憶された情報がコンピュータシステム１０００によって変更されることを可能にする。ＲＡＭは、メモリアドレスと呼ばれる場所に記憶されている情報のユニットが、近隣アドレスの情報とは無関係に記憶および検索されることを可能にする。メモリ１００４はまた、コンピュータ命令の実行中に一時的な値を記憶するためにプロセッサ１００２によって使用される。コンピュータシステム１０００はまた、コンピュータシステム１０００によって変更されない命令を含むスタティック情報を記憶するためのバス１０１０に連結された読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）１００６または他のスタティック記憶デバイスを含む。命令を含む情報を記憶するための、磁気ディスクまたは光ディスクなどの不揮発性（永続的）記憶デバイス１００８もまたバス１０１０に連結され、コンピュータシステム１０００の電源が切られた場合さもなければ電力が失われた場合でも持続する。

命令を含む情報は、人間のユーザによって動作される英数字キーを含むキーボード、またはセンサなどの外部入力デバイス１０１２からプロセッサが使用するためにバス１０１０に提供される。センサはその周辺の状態を検出し、それらの検出を、コンピュータシステム１０００の情報を表すために使用される信号と互換性のある信号に変換する。主に人間と対話するために使用されるバス１０１０に連結された他の外部デバイスは、陰極線管（ＣＲＴ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの、画像を提示するためのディスプレイデバイス１０１４、および、マウスまたはトラックボールあるいはカーソル方向キーなどの、ディスプレイ１０１４上に提示される小さなカーソル画像の位置を制御し、ディスプレイ１０１４上に提示されるグラフィック要素に関連付けられたコマンドを発行するためのポインティングデバイス１０１６を含む。

図示の実施形態では、特定用途向け集積回路（ＩＣ）１０２０などの、特別目的のハードウェアがバス１０１０に連結されている。特別目的のハードウェアは、特別目的のために十分に速くプロセッサ１００２によって行われない動作を行うように構成されている。特定用途向けＩＣの例には、ディスプレイ１０１４用の画像を生成するグラフィックアクセラレータカード、ネットワークを介して送られるメッセージを暗号化および解読するための暗号化ボード、音声認識、およびハードウェア内でより効率的に実装されるいくらかの複雑なシーケンスの動作を繰り返し行うロボットアームや医療スキャン機器などの、特別な外部デバイスへのインターフェースが含まれる。

コンピュータシステム１０００はまた、バス１０１０に連結された通信インターフェース１０７０の１つ以上の実例も含む。通信インターフェース１０７０は、プリンタ、スキャナ、外部ディスクなどの、独自のプロセッサで動作する様々な外部デバイスへの双方向通信連結を提供する。一般に、連結は、独自のプロセッサを備えた様々な外部デバイスが接続されているローカルネットワーク１０８０に接続されているネットワークリンク１０７８で行われる。例えば、通信インターフェース１０７０は、パーソナルコンピュータ上のパラレルポートまたはシリアルポートあるいはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポートであり得る。いくつかの実施形態では、通信インターフェース１０７０は、統合サービスデジタルネットワーク（ＩＳＤＮ）カードまたはデジタル加入者線（ＤＳＬ）カード、あるいは対応するタイプの電話線への情報通信接続を提供する電話モデムである。いくつかの実施形態では、通信インターフェース１０７０は、バス１０１０上の信号を、同軸ケーブルを介した通信接続用の信号に、または光ファイバケーブルを介した通信接続用の光信号に、変換するケーブルモデムである。別の例として、通信インターフェース１０７０は、イーサネット（登録商標）などの互換性のあるＬＡＮへのデータ通信接続を提供するローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）カードであってもよい。無線リンクが実装されてもよい。音波や電磁波などの搬送波は、ワイヤやケーブルなしで空間を走行する無線波、光波、および赤外線波を含む。信号には、搬送波の振幅、周波数、位相、偏波、または他の物理的属性の人為的な変動が含まれる。無線リンクの場合、通信インターフェース１０７０は、デジタルデータなどの情報ストリームを運ぶ、赤外線および光信号を含む電気、音響または電磁信号を送受信する。

本明細書では、コンピュータ可読媒体という用語は、実行のための命令を含めて、情報をプロセッサ１００２へ提供することに関与する任意の媒体を指すために使用される。そのような媒体は、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含むが、これらに限定されない、多くの形態を取り得る。不揮発性媒体には、例えば、記憶デバイス１００８などの光ディスクまたは磁気ディスクが含まれる。揮発性メディアには、例えば、ダイナミックメモリ１００４が含まれる。伝送媒体には、例えば、同軸ケーブル、銅線、光ファイバケーブル、および音波や電磁波など、無線波、光波、および赤外線波を含めて、ワイヤやケーブルなしで空間を走行する波が含まれる。本明細書では、コンピュータ可読記憶媒体という用語は、伝送媒体を除き、情報をプロセッサ１００２へ提供することに関与する任意の媒体を指すために使用される。

コンピュータ可読媒体の一般的な形態には、例えば、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、または任意のその他の磁気媒体、コンパクトディスクＲＯＭ（ＣＤ−ＲＯＭ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、または任意のその他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、または穴のパターンを有する任意のその他の物理媒体、ＲＡＭ、プログラマブルＲＯＭ（ＰＲＯＭ）、消去可能ＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、または任意のその他のメモリチップまたはカートリッジ、搬送波、またはコンピュータが読み取れる任意のその他の媒体、が含まれる。本明細書では、非一時的コンピュータ可読記憶媒体という用語は、搬送波および他の信号を除き、情報をプロセッサ１００２へ提供することに関与する任意の媒体を指すために使用される。

１つ以上の有形の媒体に符号化されたロジックには、コンピュータ可読記憶媒体上のプロセッサ命令およびＡＳＩＣ１０２０などの特別目的のハードウェアの一方または両方が含まれる。

ネットワークリンク１０７８は、典型的には、１つ以上のネットワークを通じて、情報を使用または処理する他のデバイスへの情報通信を提供する。例えば、ネットワークリンク１０７８は、ローカルネットワーク１０８０を通じて、ホストコンピュータ１０８２へ、またはインターネットサービスプロバイダー（ＩＳＰ）によって運営される機器１０８４への接続を提供し得る。ＩＳＰ機器１０８４は、今度は、今一般にインターネット１０９０と呼ばれるネットワークの公共の世界規模のパケット交換通信ネットワークを通じてデータ通信サービスを提供する。インターネットに接続されたサーバ１０９２と呼ばれるコンピュータは、インターネットを介して受信した情報に応答してサービスを提供する。例えば、サーバ１０９２は、ディスプレイ１０１４でのプレゼンテーション用のビデオデータを表す情報を提供する。

本発明は、本明細書に記載の手法を実装するためのコンピュータシステム１０００の使用に関する。本発明の一実施形態によれば、これらの手法は、プロセッサ１００２が、メモリ１００４に含まれる１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスを実行することに応答して、コンピュータシステム１０００によって行われる。ソフトウェアおよびプログラムコードとも呼ばれるそのような命令は、記憶デバイス１００８などの別のコンピュータ可読媒体からメモリ１００４に読み込まれてもよい。メモリ１００４に含まれる命令のシーケンスの実行は、プロセッサ１００２に本明細書に記載の方法のステップを実行させる。代替実施形態では、特定用途向け集積回路１０２０などのハードウェアが、ソフトウェアの代わりに、またはソフトウェアと組み合わせて使用されて、本発明を実施し得る。このため、本発明の実施形態は、ハードウェアおよびソフトウェアのいずれか特定の組み合わせに限定されない。

通信インターフェース１０７０を通じてネットワークリンク１０７８および他のネットワークを介して送信される信号は、コンピュータシステム１０００との間で情報をやり取りする。コンピュータシステム１０００は、とりわけネットワーク１０８０、１０９０を通じて、ネットワークリンク１０７８および通信インターフェース１０７０を通じて、プログラムコードを含む情報を送受信することができる。インターネット１０９０を使用する例では、サーバ１０９２が、インターネット１０９０、ＩＳＰ機器１０８４、ローカルネットワーク１０８０、および通信インターフェース１０７０を通じて、コンピュータ１０００から送られたメッセージによって要求された特定のアプリケーションのためのプログラムコードを送信する。受信されたコードは、受信されたときにプロセッサ１００２によって実行されてもよく、または後で実行するために記憶デバイス１００８または他の不揮発性ストレージに記憶されてもよく、両方でもよい。このようにして、コンピュータシステム１０００は、搬送波上の信号の形態でアプリケーションプログラムコードを取得し得る。

様々な形態のコンピュータ可読媒体は、実行のためにプロセッサ１００２に命令またはデータあるいはその両方の１つ以上のシーケンスを運ぶことに関与する場合がある。例えば、命令およびデータは、最初はホスト１０８２などのリモートコンピュータの磁気ディスク上に運ばれてもよい。リモートコンピュータは、命令およびデータをダイナミックメモリにロードし、モデムを使用して電話回線を介して命令およびデータを送る。コンピュータシステム１０００にローカルなモデムは、電話回線上で命令およびデータを受信し、赤外線送信器を使用して、命令およびデータをネットワークリンク１０７８として機能する赤外線搬送波上の信号に変換する。通信インターフェース１０７０として機能する赤外線検出器は、赤外線信号で運ばれる命令およびデータを受信し、命令およびデータを表す情報をバス１０１０に置く。バス１０１０は、情報をメモリ１００４に搬送し、そこからプロセッサ１００２は、命令とともに送られたデータの一部を使用して命令を検索および実行する。メモリ１００４で受信された命令およびデータは、プロセッサ１００２による実行の前または後のいずれかに、記憶デバイス１００８上に任意選択的に記憶されてもよい。

図１１は、本発明の実施形態が実装され得るチップセット１１００を図示する。チップセット１１００は、本明細書に記載の方法の１つ以上のステップを行うようにプログラムされ、例えば、１つ以上の物理パッケージ（例えば、チップ）に組み込まれた図１０に関して説明したプロセッサおよびメモリ構成要素を含む。例として、物理的パッケージは、物理的強度、サイズの保存、および／または電気的相互作用の制限などの１つ以上の特性を提供するために、構造アセンブリ（例えば、ベースボード）上の１つ以上の材料、構成要素、および／またはワイヤの配置を含む。ある実施形態では、チップセットは単一のチップに実装できることが企図されている。チップセット１１００またはその一部は、本明細書に記載の方法の１つ以上のステップを行うための手段を構成する。

一実施形態では、チップセット１１００は、チップセット１１００の構成要素間で情報を受け渡すためのバス１１０１などの通信機構を含む。プロセッサ１１０３は、バス１１０１への接続性を有し、命令を実行し、例えば、メモリ１１０５に記憶された情報を処理する。プロセッサ１１０３は、１つ以上の処理コアを含んでもよく、各コアは独立して行うように構成されている。マルチコアプロセッサは、単一の物理パッケージ内でマルチ処理を可能にする。マルチコアプロセッサの例には、２、４、８、またはそれ以上の数の処理コアが含まれる。代替的または追加して、プロセッサ１１０３は、バス１１０１を介して縦に並んで構成された１つ以上のマイクロプロセッサを含み、命令、パイプライン化、およびマルチスレッド化の独立した実行を可能にし得る。プロセッサ１１０３はまた、１つ以上のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１１０７、または１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１１０９などの一定の処理機能およびタスクを行う１つ以上の特化された構成要素を伴ってもよい。ＤＳＰ１１０７は、典型的には、プロセッサ１１０３から独立して現実世界の信号（例えば、音）をリアルタイムで処理するように構成されている。同様に、ＡＳＩＣ１１０９は、汎用プロセッサでは容易に行えない特化された機能を行うように構成することができる。本明細書に記載の本発明の機能を行うのを助ける他の特化された構成要素には、１つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）（図示せず）、１つ以上のコントローラ（図示せず）、または１つ以上の他の専用コンピュータチップが含まれる。

プロセッサ１１０３および付随する構成要素は、バス１１０１を介してメモリ１１０５への接続性を有する。メモリ１１０５は、実行時に、本明細書に記載の方法の１つ以上のステップを行う実行可能命令を記憶するための、ダイナミックメモリ（例えば、ＲＡＭ、磁気ディスク、書き込み可能光ディスク、など）およびスタティックメモリ（例えば、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、など）の両方を含む。メモリ１１０５はまた、本明細書に記載の方法の１つ以上のステップの実行に関連付けられた、またはそれによって発生されたデータを記憶する。

４．変更、拡張、および修正
前述の明細書では、本発明を、その具体的な実施形態を参照して説明した。しかしながら、本発明のより広い精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更がそれになされ得ることは明らかであろう。したがって、本明細書および図面は、制限的な意味ではなく、例示的な意味で見なされるべきである。本明細書および特許請求の範囲を通して、文脈がそうでないことを要求しない限り、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という語、および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」もしくは「備える（ｃｏｍｐｒｉｎｇ）」などのその変形は、述べられた項目、要素またはステップあるいは項目の群れ、要素（複数）またはステップ（複数）の包含を含意するが、いずれかの他の項目、要素またはステップあるいは項目の群れ、要素（複数）またはステップ（複数）の排除ではないことが理解されるべきである。さらに、不定冠詞「ある（ａ）」または「ある（ａｎ）」は、冠詞によって修飾された項目、要素、またはステップのうちの１つ以上を示すことを意味する。本明細書で使用する場合、文脈からそうでないことが明確でない限り、他の値の２の係数（２倍または半分）以内であれば、値は「約」別の値である。例示的なレンジが与えられているが、文脈からそうでないことが明確でない限り、任意の含まれるレンジもまた、様々な実施形態で意図されている。したがって、いくつかの実施形態では、０〜１０のレンジは１〜４のレンジを含む。
５．参考文献
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Claims (21)

1. 装置であって、
   光信号を放射するためのレーザ源と、
   入力デジタルチャープ信号を発生させるためのＲＦ波形発生器であって、前記入力デジタルチャープ信号は、方形波デジタルチャープ信号に基づく、ＲＦ波形発生器と、
   前記入力デジタルチャープ信号に基づいて前記光信号の周波数を変調するための変調器と、
   前記光信号を送信光信号と参照光信号とに分割するスプリッタと、
   対象物から後方散乱された前記送信光信号に基づいて、前記参照光信号と戻り光信号とを結合する検出器であって、前記検出器が、前記結合された参照光信号と前記戻り光信号とに基づいて、電気出力信号を発生させるように構成されている、検出器と、
   前記電気出力信号のフーリエ変換の特性に基づいて、前記対象物までのレンジを決定するプロセッサと、を備える、装置。
2. 前記入力デジタルチャープ信号が、第１の周波数から第２の周波数までの帯域幅を有し、前記ＲＦ波形発生器が、
   前記方形波デジタルチャープ信号を発生させるように構成されたトランシーバを含むフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）と、
   前記帯域幅の外側の前記方形波デジタルチャープ信号の周波数スペクトルからあるレンジの周波数を除去するように構成されたフィルタと、を備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記ＲＦ波形発生器が、前記帯域幅にわたって前記周波数スペクトルの振幅を平坦化するように構成された等化器をさらに備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記ＲＦ波形発生器が、第２の方形波デジタル信号に基づいて第２の入力デジタルチャープ信号を発生させるようにさらに構成され、前記装置が、前記第２の入力デジタルチャープ信号に基づいて前記参照光信号の位相を変調するための位相変調器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記ＲＦ波形発生器が、第１のチャネルおよび第２のチャネルを有するトランシーバを備えたフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を備え、前記第１のチャネルが、前記入力デジタルチャープ信号を前記変調器に送信するように構成されており、前記第２のチャネルが、前記第２の入力デジタルチャープ信号を前記位相変調器に送信するように構成されている、請求項４に記載の装置。
6. 方法であって、
   レーザ源から光信号を放射するステップと、
   ＲＦ波形発生器からの入力デジタルチャープ信号に基づいて変調器で前記光信号の周波数を変調するステップであって、前記入力デジタルチャープ信号が、方形波デジタルチャープ信号に基づく、変調するステップと、
   前記光信号をスプリッタで送信光信号と参照光信号とに分割するステップと、
   検出器において前記参照光信号と戻り光信号とを結合するステップであって、前記戻り光信号が、対象物から後方散乱された前記送信光信号に基づく、結合するステップと、
   前記検出器を用いて、前記結合するステップに基づいて電気出力信号を発生させるステップと、
   プロセッサを用いて、前記電気出力信号のフーリエ変換の特性に基づいて前記対象物までのレンジを決定するステップと、を含む、方法。
7. 前記入力デジタルチャープ信号が、前記方形波デジタルチャープ信号である、請求項６に記載の方法。
8. 前記ＲＦ波形発生器が、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を備える、請求項６に記載の方法。
9. 前記入力デジタルチャープ信号が、第１の周波数から第２の周波数までの帯域幅を有し、前記方法は、前記ＲＦ波形発生器を用いて、
   前記ＲＦ波形発生器のトランシーバを用いて、前記方形波デジタルチャープ信号を発生させることと、
   前記方形波デジタルチャープ信号の周波数スペクトルを決定することと、
   前記ＲＦ波形発生器のフィルタを用いて、前記帯域幅の外側の前記周波数スペクトルからあるレンジの周波数を除去することと、を含む、前記入力デジタルチャープ信号を形成するステップを含む、請求項６に記載の方法。
10. 前記周波数スペクトルが、周波数パワースペクトルであり、前記レンジの周波数を除去することは、前記帯域幅内の前記周波数パワースペクトルの振幅と前記帯域幅の外側の前記周波数パワースペクトルの振幅との間に最小ダイナミックレンジを確立することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記最小ダイナミックレンジが、少なくとも２０ｄＢである、請求項１０に記載の方法。
12. 前記入力デジタルチャープ信号を前記形成するステップは、前記ＲＦ波形発生器の等化器を用いて、前記第１の周波数から前記第２の周波数までの前記帯域幅にわたる前記周波数スペクトルの振幅を平坦化することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記トランシーバは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）のトランシーバである、請求項９に記載の方法。
14. 前記帯域幅が、約１０ＧＨｚ〜約３０ＧＨｚのレンジにある、請求項９に記載の方法。
15. 前記入力デジタルチャープ信号が、第１の周波数から第２の周波数までの帯域幅を有し、前記方法は、前記ＲＦ波形発生器を用いて、
    前記方形波デジタルチャープ信号の周波数スペクトルを決定することと、
    ＲＦ波形発生器の等化器を用いて、前記第１の周波数から前記第２の周波数までの前記帯域幅にわたる前記周波数スペクトルの振幅を平坦化することと、を含む、前記入力デジタルチャープ信号を形成するステップを含む、請求項６に記載の方法。
16. 前記方形波デジタルチャープ信号を前記発生させることは、
    前記方形波デジタルチャープの第１の数のクロックサイクルにわたり、第１の周波数を出力するために、前記ＲＦ波形発生器の前記トランシーバを用いて、前記第１の数のクロックサイクルにわたり、固定振幅信号を出力することと、
    前記方形波デジタルチャープの前記第１の数のクロックサイクルとは異なる第２の数のクロックサイクルにわたり、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を出力するために、前記ＲＦ波形発生器の前記トランシーバを用いて、前記第２の数のクロックサイクルにわたり、固定振幅信号を出力すること、を含む、請求項９に記載の方法。
17. 複数の命令を前記トランシーバのメモリにアップロードすることをさらに含み、前記複数の命令が、前記第１の数のクロックサイクルにわたって出力される前記固定振幅信号と、前記第２の数のクロックサイクルにわたって出力される前記固定振幅信号と、を示す、データを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ＲＦ波形発生器からの第２の入力デジタルチャープ信号に基づいて位相変調器で前記参照光信号の位相を変調することをさらに含み、前記第２の入力デジタルチャープ信号は、第２の方形波デジタルチャープ信号に基づく、請求項６に記載の方法。
19. 前記送信光信号の前記周波数が、前記ＲＦ波形発生器の第１のチャネルからの前記入力デジタルチャープ信号に基づいて変調されており、前記参照光信号の前記位相が、前記ＲＦ波形発生器の第２のチャネルからの前記第２の入力デジタルチャープ信号に基づいて変調されている、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第２のチャネルからの前記第２の入力デジタルチャープ信号が、前記第１のチャネルからの前記入力デジタルチャープ信号である、請求項１９に記載の方法。
21. 前記トランシーバが、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）のトランシーバである、請求項９に記載の方法。