JP2021518562A - 撮像ｌｉｄａｒシステムの性能を改善するためのシステム、装置、及び方法 - Google Patents

Abstract

物体または複数の物体の３次元レンジマッピングのためのシステムが提供され、本システムは光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムを備え、ＬＩＤＡＲシステムは、光ビームエミッタの配列と、少なくとも１つの検出要素と、算出ユニットとを含み、算出ユニットは、光ビームエミッタに放射光ビームを同時に放射することを命令し、放射光ビームにレンジ情報を埋め込み、各放射光ビームを固有直交波形と識別し、各検出要素で受信される各反射ビームの固有直交波形を、放射光ビームの固有直交波形と自己相関を行い、放射光ビーム及び反射光ビームの対を提供し、放射光ビーム及び反射光ビームの対のそれぞれの飛行時間を判定し、飛行時間からレンジを判定するように構成される。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本発明は、２０１８年３月１５日に出願され、題名「ＳＹＳＴＥＭ，ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ，ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ ＯＦ ＩＭＡＧＩＮＧ ＬＩＤＡＲ ＳＹＳＴＥＭＳ」（本明細書によって、全ての表、図、及び請求項を含んで全体として組み込まれる）の米国特許出願公開第６２６４３１７１号明細書の利点を要求する。

本発明の技術は、複数の光源がビームを同時に放射しビームを区別できる光検出及び測距システムを対象とする。より具体的には、各ビームがビームに固有のコードで符号化され、ビームがシステムに戻ると自己相関され、ビームの飛行時間を計算するためにビームを識別し、レンジを判定する、システムである。

ＬＩＤＡＲ（光検出及び測距）は、物体までのレンジ（可変距離）を測定するために、パルス状レーザの形態で光を使用するリモートセンシング方法である。撮像ＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲの視野で物体から取得されたレンジ画像が存在するシステムである。本システムは、一般的な画像または写真とかなり類似する画像を作るが、提示される値の配列の光強度値を有する代わりに、ＬＩＤＡＲシステムから離れた距離が提示される値である。いくつかのＬＩＤＡＲシステムの主な着眼点は、車両衝突の回避、ナビゲーション、及び車両から離れる物体の距離を判定する安全システムに使用されるＡＤＡＳ（高度な運転手支援システム）に関する。

ＡＤＡＳは様々な構成を有する。１つの係る種類は、時系列でスイッチをオン及びオフにする複数のレーザ光源から光の水平扇状ビームを作成することによって機能する走査システムである。光の一連の水平扇状ビームは、シーンを横断して垂直に走査する。プローブレーザビームが放射されるときと、反射されたレーザビームがシーン内に位置する物体に反射した後に受信機で受信されるときとの時間差を測定し、その時間差は反射物体とＬＩＤＡＲシステムとの間の距離に比例する。本システムの主な欠点の１つは、反射されたレーザビームは、連続的スキャニングにより異なる時間に受信され、ひいては、シーンを横断するレンジ情報は異なる時間で獲得される。この非同時並行性は、不正確な結果、シーン内の物体の移動の不完全な予測及び物体の歪みにつながる可能性がある（誤認につながる）。

他のシステムは、複数の異なる波長のレーザ光源を使用することによって、波長分割多重方式を適用する。本システムは、受信機が波長に基づいて異なるレーザ光源を区別することが可能であることを要求し、更に、フィルタを区別することと一緒に波長毎に１つの検出器の必要性を要求する。これは、光学的構成の複雑性を増加させる。

米国特許第７９６９５５８号明細書は、ＬＩＤＡＲベース３次元ポイントクラウド測定のシステム及び方法を開示する。例示的なシステムは、基部と、筐体と、複数の光子トランスミッタと、筐体内に含有される光子検出器と、基部を中心に筐体を回転する回転モータと、外部構成要素への光子検出器によって生成される信号の伝達を可能にする通信構成要素とを含む。回転構成要素は、外部電源から、回転モータ、光子トランスミッタ、及び光子検出器に電力を提供するように構成される回転電動継手を含む。別の実施形態では、光子トランスミッタ及び検出器のそれぞれの対は、相互に固定関係で保持される。さらに別の実施形態では、単一の検出器は、いくつかの検出領域を単一の検出器上に集中させることによって、または単一の大型検出器を使用することによって、いくつかのレーザの間で「共有」される。本システムでは、レーザは、どのレーザが放射しているかに関して曖昧さがないことを確実にするために、１回に１つずつ放射する必要がある。自己相関が行われない。２次元焦点面アレイの必要性を含むそれに関連付けられる問題があることを提示する「フラッシュＬＩＤＡＲ」の使用を減らす教示がある。

米国特許出願公開第２０１３／００４４３１０号明細書は、物体までの距離を検出するためのシステム及び方法を開示している。本方法は、視野を照らすための少なくとも１つのパルス幅が変調した可視光源を有する照明システムを提供することと、時間ｔで可視光源を使用して、期間ｙに視野を照らすための照度信号を発することと、時間ｔ−ｘから時間ｔ＋ｘまでの第１の時間周期で反射エネルギーを積分することと、第１の周期で第１の積算値を判定することと、時間ｔ＋ｙ−ｘから時間ｔ＋ｙ＋ｘまでの第２の時間周期で反射エネルギーを積分することと、第２の周期で第２の積算値を判定することと、第１の統合値と第２の統合値の差分値を計算することと、差分値に比例する伝搬遅延値を判定することと、伝搬遅延値から物体までの距離を判定することとを含む。本システムでは、レーザは、どのレーザが放射しているかに関して曖昧さがないことを確実にするために、１回に１つずつ放射する必要がある。同時の受信を可能にするために自己相関が行われない。

米国特許出願公開第２０１７／００９００３１号明細書は、空間プロファイリングのためのシステム、方法、及びプロセッサ可読媒体を開示している。一配列では、説明されるシステムは、多波長チャネルの選択されたものに少なくとも１つの時変属性を有する出射光を提供するように構成される光源であって、少なくとも１つの時変属性は、（ａ）時変強度プロファイル及び（ｂ）時変周波数偏差のいずれかまたは両方を含む、光源と、空間プロファイルを有する環境に、２次元の複数の方向のうちの１つに出射光を空間的に指向するように構成されるビーム導波器であって、複数の方向のうちの１つは、多波長チャネルの選択された１つに対応する、ビーム導波器と、環境によって反射する出射光の少なくとも一部を受信するように構成される光受信機と、複数の方向の対応する１つに関連付けられる環境の空間プロファイルを推定するために、多波長の選択された１つにおける反射光の少なくとも１つの時変属性に関連付けられる少なくとも１つの特性を判定するように構成される処理ユニットとを含む。この技術の着眼点は、環境から不要な信号を抑制することである。開示されたアプローチは、既存システムに関する複雑性及びコストの増加が必要になる。本システムでは、レーザは、どのレーザが放射しているかに関して曖昧さがないことを確実にするために、１回に１つずつ放射する必要がある。同時の受信を可能にするために自己相関が行われない。

ＬＩＤＡＲシステムの性能を改善するシステム及び方法が必要とされる。本システムが既存のＬＩＤＡＲ電気光学システムを使用しながらレンジ分解能及びレンジ更新レートを改善する場合に好ましいだろう。レーザ光源が同時に動作する場合にさらにより好ましいだろう。結果として、反射光ビームからのレンジ情報が同時に獲得することをもたらす。本システムは反射ビームを区別する場合に、さらに好ましいだろう。また、本システム及び本方法が、局所速度流推定を改善し、電力消費を減らし、ＡＤＡＳの光学装置のレーザ光源の目の安全性を増加させる場合、好ましいだろう。光電子工学的な複雑性及び構成要素の数を減らす、相関ベーススキームである場合、最も好ましい。

米国特許第７９６９５５８号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００４４３１０号明細書 米国特許出願公開第２０１７／００９００３１号明細書

本発明の技術は、既存のＬＩＤＡＲシステムの性能を改善するシステム及び方法である。本システムは、既存のＬＩＤＡＲ光学システムを使用しながら、レンジ分解能及びレンジ更新レートを改善する。一例では、本システムのレーザ光源は垂直配列に配置され、同時に動作し、レンジ情報が反射光ビームから同時に獲得されることをもたらす。本システムは、入射反射ビームのそれぞれを区別する。本システム及び本方法は、局所速度流の推定を改善し、電力消費を減らし、ＡＤＡＳの光学装置のレーザ光源に対する目の安全性を増加させる。本発明の技術は、光電子工学的な複雑性及び構成要素の数を減らす、相関ベーススキームである。

一実施形態では、物体または複数の物体の３次元レンジマッピングのためのシステムが提供され、本システムは、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムを備え、ＬＩＤＡＲシステムは、光ビームエミッタの配列と、少なくとも１つの検出要素と、算出ユニットとを含み、算出ユニットは、光ビームエミッタに放射光ビームを同時に放射することを命令し、放射光ビームにレンジ情報を埋め込み、各放射光ビームを固有直交波形と識別し、各検出要素で受信される各反射ビームの固有直交波形を、放射光ビームの固有直交波形と自己相関を行い放射光ビーム及び反射光ビームの対を提供し、放射光ビーム及び反射光ビームの対のそれぞれの飛行時間を判定し、飛行時間からレンジを判定するように構成される。

本システムでは、固有直交波形はアダマールコードであり得る。

本システムでは、埋め込み済レンジ情報は疑似雑音（ＰＮ）パルストレインであり得る。

本システムでは、ＰＮパルストレインはアダマールコードによって変換され得る。

本システムでは、算出ユニットは光ビームエミッタのそれぞれに相関器を含み得、相関器は各検出要素で受信される各反射ビームの固有直交波形を、放射光ビームの固有直交波形と自己相関を行うように構成される。

本システムでは、光ビームエミッタはレーザ光線エミッタであり得る。

別の実施形態では、物体または複数の物体の３次元レンジマッピングのためのシステムが提供され、本システムは、マイクロプロセッサと、飛行時間を判定するように構成されるタイマーと、マイクロプロセッサに命令するように構成されるメモリとを含む、コンピューティングデバイスと、マイクロプロセッサに制御され、複数の放射ビームを放射するように構成される、光源の配列と、マイクロプロセッサに制御されるレンジ情報埋め込み器であって、複数の放射ビームを埋め込むように構成される、レンジ情報埋め込み器と、マイクロプロセッサに制御され、複数の放射ビームを埋め込むように構成される、複数の直交波形発生器であって、特定の直交波形発生器は特定の光源に関連付けられ、それにより、特定の放射ビームは特定の直交波形が埋め込まれる、複数の直交波形発生器と、複数の集束ビームを受信するように構成される複数の検出要素と、マイクロプロセッサに制御され、特定の受信ビームを特定の放射ビームと相関付けるように構成される、複数の相関器であって、各相関器は各光源に対応し、タイマーと通信する、複数の相関器と、を備える。

本システムでは、直交波形発生器はアダマールコード発生器であり得る。

本システムでは、レンジ情報発生器はＰＮパルストレイン発生器であり得る。

本システムでは、光源の配列は直線配列であり得る。

本システムでは、直線配列は垂直直線配列であり得る。

本システムでは、光ビームエミッタはレーザ光線エミッタであり得る。

本システムでは、検出要素は水平に配置される検出器であり得る。

別の実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムとともに使用するための算出ユニットが提供され、ＬＩＤＡＲシステムは、光ビームエミッタの配列及び少なくとも１つの検出要素を含み、算出ユニットは、光ビームエミッタの配列の各光ビームエミッタに放射光ビームを同時に放射することを命令し、各放射光ビームにレンジ情報を埋め込み、各放射光ビームを固有直交波形と識別し、各反射ビームの固有直交波形を放射光ビームの固有直交波形と一致させ、放射光線及び反射光ビームの対のそれぞれの飛行時間からレンジを判定するように構成される。

別の実施形態では、物体または複数の物体の３次元レンジマッピングのためのシステムが提供され、本システムはＬＩＤＡＲシステムを備え、ＬＩＤＡＲシステムは、それぞれが伝達信号を発する光ビームエミッタの配列と、受信信号を受信するための少なくとも１つの検出要素と、回路制御ブロックと、回路制御ブロックに制御される伝達算出ユニットと、回路制御ブロックに制御される受信算出ユニットとを含み、伝達算出ユニットは、光ビームエミッタに伝達信号を同時に放射することを命令し、伝達信号にレンジ情報を埋め込み、伝達算出ユニットは光ビームエミッタのそれぞれに特定の算出システムを含み、受信算出システムは各伝達信号を固有直交波形と識別するように構成され、各受信信号の固有直交波形を伝達信号の固有直交波形に一致させ、伝達信号及び受信信号の対のそれぞれの飛行時間からレンジを判定するように構成される。

本システムでは、伝達算出ユニットは、放射光ビームにレンジ情報を埋め込むＰＮパルストレイン発生器を含み得る。

本システムでは、算出システムは、伝達信号を固有直交波形と識別するアダマール発生器を含み得る。

別の実施形態では、物体または複数の物体の３次元レンジマッピングの方法が提供され、本方法はＬＩＤＡＲシステムを選択することを含み、ＬＩＤＡＲシステムは、それぞれが伝達信号を発する光ビームエミッタの配列と、受信信号を受信するための少なくとも１つの検出要素と、算出ユニットとを含み、算出ユニットは光ビームエミッタのそれぞれに特定の算出システムを含み、算出ユニットは、
光ビームエミッタに伝達信号を同時に放射することを命令することと、
伝達信号にレンジ情報を埋め込むことと、
各伝達信号を固有直交波形と識別することと、
各受信信号の固有直交波形を伝達信号の固有直交波形に一致させることと、
伝達信号及び受信信号の対のそれぞれの飛行時間からレンジを判定することと、を行う。

本方法では、レンジ情報を埋め込むことは疑似雑音（ＰＮ）パルストレインを埋め込むことであり得る。

本方法では、各伝達信号を固有直交波形と識別することは、各伝達信号を固有のアダマールコードと識別することを含み得る。

本方法は、ＰＮパルストレインをアダマールコードによって変換することを含み得る。

ある配列の複数のレーザを伴うシステムの実施形態では、本システムは、
固有識別子をレーザの配列から放射される各レーザに割り当て、
配列から複数のレーザを同時に放射し、各レーザは、符号化（伝達）による固有識別子を含み、レーザは、物体に衝突し、配列及びシステムを含むデバイスに反射し、
各伝達信号に関連付けられる信号を同時に受信し（受信）、
伝達で各信号に割り当てられる固有識別子に基づいて各信号を差別化し、
システム及び配列を含むデバイスにおいて、各固有信号の伝達と受信との間の時間遅延を測定し、
識別子を使用することによって区別される全ての伝達信号と受信信号との間の時間遅延に基づいて、物体の距離を判定する。

光の放射を示す本発明の技術の光学システムの態様の概略図である。 光の受信を示す本発明の技術の光学システムの態様の概略図である。 光の伝達及び反射を示す、レーザエミッタの直線配列及び発散レンズを示す概略図である。 集束レンズ及び直線配列検出器を示す概略図である。 算出ユニットの伝達構成要素を示す概略図である。 伝達中の算出ユニットと、伝達中に作動する構成要素との動作のブロック図を示す概略図である。 受信中の算出ユニットと、受信中に作動する構成要素との動作のブロック図を示す概略図である。 光ビーム及び自己相関を受信するステップを示すブロック図である。 個々のＰＮ系列のＰＮパルストレインの図である。 光ビームを符号化及び伝達するステップを示すブロック図である。 算出ユニットの受信構成要素を示す概略図である。 レンジ及び飛行時間を判定する方法のステップを示すブロック図である。

別段に明示的に提供されるものを除いて、解釈の以下のルールは、本明細書（記載の「発明を実施するための形態」及び「特許請求の範囲」）に適用される。（ａ）本明細書に使用される全ての用語は、状況に応じて、係る性または数（単数形または複数形）であるものとして解釈するべきである。（ｂ）本明細書及び添付の請求項に使用されるような単数形の用語「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上で別段明確に指示されない限り、複数の基準を含む。（ｃ）列挙される範囲または値に適用される推定の用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、測定法から当技術分野で既知であるまたは予想される範囲または値の許容差の範囲内の近似値を示す。（ｄ）用語「本明細書では（ｈｅｒｅｉｎ）」、「本明細書によって（ｈｅｒｅｂｙ）」、「本明細書の（ｈｅｒｅｏｆ）」、「本明細書に（ｈｅｒｅｔｏ）」、「本明細書の上記に（ｈｅｒｅｉｎｂｅｆｏｒｅ）」、及び「本明細書の下記に（ｈｅｒｅｉｎａｆｔｅｒ）」、及び同様の意味の単語は、別段規定されない限り、本明細書の全体を指し、任意の特定の段落、請求項、または他の下位区分を指すわけではない。（ｅ）記述した標題は利便性のためだけであり、本明細書のいずれかの一部の意味もしくは構成を規制しない、またはそれに影響を及ぼすものではない。（ｆ）「または（ｏｒ）」及び「いずれかの（ａｎｙ）」は排他的ではなく、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は限定的ではない。さらに、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」は、別段に留意されない限り、制約がない用語（すなわち、「限定ではないが、〜を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ，）」を意味する）として解釈される。

本明細書の値の範囲の列挙は、単に、別段本明細書に示されない限り、一定の範囲内に含まれる別個の値のそれぞれを個々に指す簡単な方法としての役割を果たすことが意図され、別個の値のそれぞれは、本明細書に個々に列挙されるように、本明細書に組み込まれる。値の特定の範囲が提供される場合、文脈上で別段明確に指示されない限り、当該範囲の上限と下限との間にあり、下限の単位の１０分の１までの各介在値、及びその記述された範囲の任意の他の記述された値または介在値は、その範囲に含まれることが理解される。また、より小さい部分的範囲の全てを含む。これらのより小さい範囲の上限及び下限は、また、その範囲内に含まれ、記述された範囲内に任意の具体的に除外される制限を受ける。

別段定義されない限り、本明細書に使用される全ての技術用語及び科学用語は、関連技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。また、本明細書に説明されるものと同様または同等の任意の方法及び材料を使用できるが、ここで、容認可能な方法及び材料を説明する。

光学システム（全体的に８と称される）は、光源１２，１４，１６，１８の例示的な直線配列（全体的に１０と称される）を含み、図１に示される。４つの光源が示される一方、複数の光源があり得る。例えば、光源は、限定ではないが、レーザ光源または発光ダイオードであり得る。光源１２，１４，１６，１８のそれぞれは、発散レンズ４０を通過する放射ビーム３２，３４，３６，３８を放射し、平面に水平な扇状プローブビーム４２，４４，４６，４８（プローブビームと称される）を作成する。ある実施形態では、直線配列１０は垂直直線配列である。光源１２，１４，１６，１８は発散レンズ４０に対して位置付けられ、それにより、放射ビーム３２，３４，３６，３８のそれぞれは、配列１０の他のものに対して異なる角度５０で屈折し、プローブビーム４２，４４，４６，４８のそれぞれが、物体５２の異なる部分に突き当たることをもたらす。図２に示されるように、物体５２からの反射ビーム５２，５４，５６，５８は、集束レンズ６０を通過し、それらの反射ビームは、集束ビーム６２，６４，６６，６８に集束し、次に、検出器７０に突き当たる。集束レンズの実施形態は、非点収差の光学システムである。反射ビーム５２，５４，５６，５８及び集束ビーム６２，６４，６６，６８は、平面に水平な扇状ビームである。

図３に示されるように、例として１つのプローブビームを使用して、プローブビーム４２は第１の物体５１に反射し、第１の反射ビーム５２になる（５４，５６，５８はプローブビーム４４，４６，４８に対応する反射ビームであるが、分かり易くするために、図面から省略される）。実際には、様々な高位からの様々なレンジの受信信号と混同して、１つの検出要素９２に全てが集束する複数の受信信号（反射ビーム及び集束ビームを含む）が存在する。プローブビーム４２は第１の物体５３に反射し、第２の反射ビーム７２になる（７４，７６，７８はプローブビーム，４４，４６，４８に対応する第２の反射ビームであるが、分かり易くするために、図面から省略される）。第１の物体５２は第２の物体５３よりも直線配列１０の近くにあり、したがって、第１の反射ビーム５２の飛行時間は第２の反射ビーム７２の飛行時間よりも短くなる。

検出器７０は図４に示される。受信光学部は、検出要素９２，９４，９６の水平に整列された直線配列（全体的に９０と称される）を有するため、水平扇状ビームを受けるように構成される。３つの検出要素は図４に示されるが、当業者は、３つよりも多いものが存在する可能性があることを理解するだろう。検出器７０は任意の垂直範囲からビームを受信し、ビームを直線配列９０上にマッピングし、それにより、プローブビームの垂直変位にかかわらず、集束ビームは、常に、検出器７０に入射する。検出要素９２，９４，９６が各水平位置に存在するため水平場所は別々にあり、レンズ６０は、配列９０の物体から離れて反射光を投影する。

光源１２，１４，１６，１８の直線配列１０の垂直位置付けと、検出要素９２，９４，９６のその直線配列９０を伴う検出器７０の水平判別との組み合わせは、それが範囲値の２次元配列を算出することを可能にする。光源が同時に動作するため、２次元配列の範囲値を同時に獲得する。

図５は、光学システム８のトランスミッタ構成要素を示す。光学システム８は制御回路ブロック１１１と伝達算出ユニット１３２，１３４，１３６，１３８とを含み、これらは、光源１２，１４，１６，１８及びレンズ４０を除く図面の全ての要素である。制御回路ブロック１１１は、シリコンチップまたはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）であり得るコンピューティングデバイス１００を含む。コンピューティングデバイス１００は、マイクロプロセッサ１０２及びメモリ１０４を含み得、メモリ１０４はマイクロプロセッサ１０２に命令するように構成される。コンピューティングデバイス１００は、また、伝達ライン１０８と、制御回路ブロック１１１にある、受信ライン１１０（図１０参照）と電気通信するクロック発生器１０６とを含む。制御回路ブロック１１１は伝達算出ユニット１３２，１３４，１３６，１３８を制御して、伝達ライン１０８及び受信ライン１１０を調整する。制御回路ブロック１１１は、フレームタイミング及びフレーム更新レートを制御する信号Ｆ’を放射する。伝達疑似雑音発生器１１３等のレンジ情報埋め込み器はトランスミッタ回路１０８と電気通信する。伝達疑似雑音発生器１１３は疑似雑音（ＰＮ）パルストレインを生成する。トランスミッタ回路１０８は別々のチャネル１１２，１１４，１１６，１１８に分かれ、レーザ光エミッタ１２，１４，１６，１８のそれぞれに１つのチャネルが存在する。チャネル１１２，１１４，１１６，１１８のそれぞれは、各レーザパルストレインがその近接のものから分離可能であることを確実にするために、特定（固有）直交アダマールコードを発生させるアダマールコード発生器１２２，１２４，１２６，１２８を有する。チャネル１１２，１１４，１１６，１１８は光源１２，１４，１６，１８で終わる。アダマールコードの群は、ＰＮコードを変調させるために使用され、符号化信号を発する光源１２，１４，１６，１８を駆動するために、後続のパルストレインを使用し、したがって、同時に伝達されるが、具体的に（一意的に）符号化された放射ビーム３２，３４，３６，３８を作成する。

図６Ａに示されるように、アダマールコード発生器１２２，１２４，１２６，１２８は、メモリ１０４によって命令されるとき（２００）、ビーム特有直交コード１４２，１４４，１４６，１４８によって放射ビーム３２，３４，３６，３８のそれぞれを符号化する（２０２）。これらは、所与の光源１２，１４，１６，１８に関連付けられる特定の識別子である。放射ビーム３２，３４，３６，３８は、その光源１２，１４，１６，１８の各々から同時に放射される（２０４）。放射ビーム３２，３４，３６，３８はレンズ４０に突き当たり（２０６）、プローブビーム４２，４４，４６，４８として伝達され（２０８）、プローブビーム４２，４４，４６，４８は物体５２，５４に突き当たる（２０９）。図６Ｂに示されるように、プローブビーム２４，４４，２６，４８は、反射ビーム５２，５４，５６，５８として反射する（２１０）。反射ビーム５２，５４，５６，５８はレンズ６０によって集束ビーム６２，６４，６６，６８に集束し（２１２）、検出器７０によって受信される（２１４）。特定のコードまたは変調１４２，１４４，１４６，１４８は、プローブビーム４２，４４，４６，４８、反射ビーム５２，５４，５６，５８、第２の反射ビーム７２，７４，７６，７８、集束ビーム６２，６４，６６，６８、及び第２の集束ビーム８２，８４，８６，８８で符号化されたままである（２０６）。当業者に既知であろうように、多くの反射ビーム及び多くの集束ビームが存在する。本発明の開示は例示だけであり、分かり易くするために、２つの異なる物体から反射する参照ビームである。一実施形態では、発生するコードは、コードの群（以後、「コードブック」と呼ばれる）を完全収集として発生させるように、ウォルシュ／アダマールコード（以後、「コード」と呼ばれる）と直交する最大系列長の疑似雑音コードから成る。

図７に示されるように、マイクロプロセッサ１０２は、メモリ１０４によって命令され（２２０）、特定の集束ビーム６２，６４，６６，６８から特定のコードまたは変調１４２，１４４，１４６，１４８を抽出し（２２２）、特定の集束ビーム６２，６４，６６，６８からの特定のコードまたは変調１４２，１４４，１４６，１４８を、プローブビーム４２，４４，４６，４８からの特定のコードまたは変調１４２，１４４，１４６，１４８と一致させ（自己相関を行い）（２２４）、伝達信号（放射ビーム３２，３４，３６，３８）及び受信信号（集束ビーム６２，６４，６６，６８）の対を差別化する（２２６）。マイクロプロセッサ１０２は、メモリ１０４によって命令され、伝達信号及び受信信号の対のそれぞれの飛行時間を判定し（２２８）、レンジ情報を集める（２３０）。明らかに説明すると、アダマール発生器は、コード１４２で放射ビーム３２を符号化する。コード１４２は集束ビーム６２に戻り、アダマール発生器はコード１４４で放射ビーム３４を符号化する。コード１４４は集束ビーム６２に戻る。相関器は、放射ビーム３２を符号化したコード１４２を集束ビーム６２のコード１４２と自己相関を行う。相関器は、放射ビーム３４を符号化したコード１４４を集束ビーム６４のコード１４４と自己相関を行う。これは、伝達及び受信されるビームのそれぞれで発生する。

変調及び復調の詳細は図７及び図８から理解できる。図８では、２５６パルス長である個々のＰＮ系列ＰＮパルストレイン３００が示される。−１の表現は、光源がオフであるときのものである。

ウォルシュ／アダマールコードは２の偶数乗（例えば、２^Ｎ）である長さを有する。ＰＮのｍ系列は、２^Ｎ−１の指数のような長さを有する。追加の「ゼロ」またはオフ状態は、コード系列においてゼロの最も長く伸びる場所でｍ系列に挿入され、この「パディング」された系列を最大２^Ｎの長さまでにさせる。

図９に示されるように、アダマールコード発生器１２２，１２４，１２６，１２８は、メモリ１０４によって命令され、アダマール変換によってＰＮ系列３００を符号化し（４００）し、アダマール変換によって符号化されたＰＮ系列３０２，３０４，３０６，３０８を提供する（４０２）。放射ビーム３２，３４，３６，３８のそれぞれは、独特のアダマール変換により符号化されたＰＮ系列３０２，３０４，３０６，３０８で符号化される（４０２）。アダマール変換は、個々の放射ビーム３２，３４，３６，３８を異なる波形によって変調することを可能にする。ＰＮ系列で使用される１つは測距用途におけるものであり、したがって、独特のアダマールコードでアダマール変換により符号化されたＰＮ系列３０２，３０４，３０６，３０８を放射ビーム３２，３４，３６，３８のそれぞれに適用させることによって、伝達信号及び受信信号は、埋め込み済レンジ情報とともに送信される。システム８は、同時に、伝達信号を送信し、受信信号を受信できる。

ＰＮコードを使用する別の利点は処理利得と呼ばれる要因がある。処理利得は、復調スキームの下、相関器である復調器で経時的に複数のサンプルを再構成する事実から生じる。この復調スキームは、特定のパターンだけを強調し、信号の処理に関連付けられる（相関器における加重によって）それらのパターンに利得を与え、したがって、処理利得と呼ばれる。この処理利得のために、放射ビーム３２，３４，３６，３８はかなりの量だけ減る可能性があり、したがって、光源１２，１４，１６，１８の全ての伝達電力の合計を減らし、電力の消費を少なくしながら、目をより安全な状態にする。

一実施態様では、受信信号が飛行時間レンジ情報時間に時間調整されるため、固有のパルス繰り返し率及び本質的な滞在時間が存在する。同じ固有のパルス繰り返し率であるが、アダマールで符号化されたＰＮ配列で多いパルスを伴うシステム８を実装することによって、レンジ情報のより高い分解能を達成する。また、より長い符号化されたＰＮ系列は、測距の良好な推定を提供する。

図１０は、光学システム８の受信算出ユニット４３２，４３４，４３６，４３８の受信機構成要素を示す。例として検出要素９２を使用して、検出要素９２，９４，９６のそれぞれに別々の検出回路（算出システム）５００が存在する（明らかに説明すると、検出要素は、受信算出ユニット４３２，４３４，４３６，４３８の一部ではない）。検出回路５００は、（算出ユニットの一部ではない）ＴＩＡ（トランスインピーダンス増幅器）５０２と、それぞれが摺動相関器５０８を伴う個々の相関器チャネル５０６と通信する。ＴＩＡは高速動作を確実にする。スライディング相関器５０８は、アダマールコード発生器１２２，１２４，１２６，１２８と電子通信する。

レンジ及び飛行時間を判定する方法のステップは、図１１に示される。検出器は、複数の集束ビームを検出し（６００）、アナログ信号を、アナログデジタルコンバータに送り（６０２）、アナログデジタルコンバータは信号をデジタル化する（６０４）。デジタル化信号は、個々の相関器チャネルに複製される（６０６）。これは、各検出要素が、ビームがどのレーザから来るかを識別するために、そのようにいずれかの１つ以上のレーザから集束ビームを受信し、本システムは入射コードを発信コードと比較する必要がある。各相関器チャネルでは、アダマールコード及びＰＮコードは、ビームが最初に放射されたレーザを識別する（６０８）ために使用される。それらのコードは、また、レンジ情報を取得するために使用される。ＰＮコード及びアダマールコードは、自己相関数学的構造である（それらのコードは、それら自体の逆数である）。これは、スライディング相関器を備える。コードが整列される場合（６１０）、スライディング相関器は、コード整列が存在することを示すパルスを放射する（６１２）。コードが整列しない場合（６１４）、飛行時間の直接的尺度を提供し（６１６）、レンジを直接判定する（６１８）。各相関器の後で、タイミング比較ブロックのそれぞれからレンジを発する（６２０）。

代替の実施形態では、放射ビームをエンコードすることは、個々のノイズ等であるいずれかの群の波形を使用して達成され、個々に強く自己相関を行い、他の群の要素（例えば、限定ではないが、カザミシーケンス及びゴレイバイナリ補完シーケンス）と相互相関を行わない（または、直角する）。

代替の実施形態では、光源の配列は直線配列ではない。同様に、代替の実施形態では、検出要素の配列は検出器にはない。別の実施形態では、検出要素及び検出器の配列は直線配列にない場合がある（例えば、限定ではないが、円配列、回転配列、または球体の検出要素である）。

ＡＤＡＳのための空間プロファイリング
いくつかのＬＩＤＡＲシステムの主な着眼点は、車両衝突の回避、ナビゲーション、及び車両から離れる物体の距離を判定する安全システムに使用されるＡＤＡＳ（高度な運転手支援システム）に関することである。本発明のシステムは、既存システム（例えば、限定ではないが、米国特許出願公開第２０１７００９００３１号明細書に開示されるシステム）に統合される。本発明のシステムは、システムの複雑性を減らし、自己相関機能の結果として、光ビームの同時放射を可能にするように、米国特許出願公開第２０１７００９００３１号明細書の不備を克服する。環境の空間プロファイルの推定は、いずれかの反射面の距離（それぞれの視点における立体角または視野の範囲内で、物体または障害物の反射面等の距離）を判定することによって、１つ以上の特定の視点から分かる。説明されるシステムは、相対運動または環境の変化を監視する際に有用であり得る。

自立車両（陸地、空中、水中、または空間）の分野では、既存システムに統合される本発明のシステムは、前方にある障害物または標的等のいずれかの物体の距離を含む車両の視点から交通状況の空間プロファイルを推定できる。車両が移動するとき、別の場所で車両から視認される空間プロファイルは変化し得、再推定され得る。別の例として、ドッキングの分野では、本システムは、ドックのいずれかの部分と衝突しないでドッキングの成功を容易にするために、ドックの特定の部分への船の近さ等の、船の視点から、ドックの空間プロファイルを推定できる。

タスク自動化のための空間プロファイリング
本発明のシステムは、既存システム（例えば、限定ではないが、米国特許出願公開第２０１３００４４３１０号明細書に開示されるシステム）に統合される。本発明のシステムは、システムの複雑性を減らし、自己相関機能の結果として、光ビームの同時放射を可能にするように、米国特許出願公開第２０１３００４４３１０号明細書の不備を克服する。既存システムに統合される本発明のシステムは、工業計測及び工業オートメーション、実地調査、軍隊、安全監視及び見張り、ロボット視覚及び機械視覚の分野で使用できる。

環境モニタリングのための空間プロファイリング
本発明のシステムは、既存システム（例えば、限定ではないが、米国特許第７９６９５５８号明細書に開示されるシステム）に統合される。本発明のシステムは、自己相関機能の結果として、米国特許第７９６９５５８号明細書の不備を克服する。既存システムに統合される本発明のシステムは、農業及び精密林業、土木工学及び測量、防衛非常事態サービス、環境監視及び沿岸監視、幹線道路及び道路網、採鉱、採石及び集合体、レールマッピング及び公共事業等の分野で使用できる。

例示的な実施形態は可能性があるほとんどの実用的な実施形態及び／または適切な実施形態の例と現在考えられているものに関連して説明されているが、説明は開示された実施形態に制限されないが、逆に、例示的な実施形態の主旨及び範囲の中に含まれる様々な修正及び同等な配列を網羅するすることが意図されることを理解されたい。当業者は、単なる日常の実験を使用して、具体的に本明細書に説明される特定の例示的な実施形態の多くの同等物を認識する、または把握することが可能である。係る同等物は、本明細書に添付されるまたは続けて出願される場合、請求項の範囲に包含されることが意図される。

Claims (21)

1. 物体または複数の物体の３次元レンジマッピングのためのシステムが提供され、
   前記システムは光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムを備え、
   前記ＬＩＤＡＲシステムは、光ビームエミッタの配列と、少なくとも１つの検出要素と、算出ユニットとを含み、
   前記算出ユニットは、前記光ビームエミッタに放射光ビームを同時に放射することを命令し、前記放射光ビームにレンジ情報を埋め込み、各前記放射光ビームを固有直交波形と識別し、各前記検出要素で受信される各反射ビームの前記固有直交波形を、前記放射光ビームの前記固有直交波形と自己相関を行い前記放射光ビーム及び前記反射光ビームの対を提供し、前記放射光ビーム及び前記反射光ビームの対のそれぞれの飛行時間を判定し、前記飛行時間からレンジを判定するように構成される、システム。
2. 前記固有直交波形はアダマールコードを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 埋め込み済の前記レンジ情報は疑似雑音（ＰＮ）パルストレインを含む、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記ＰＮパルストレインはアダマールコードによって変換される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記算出ユニットは前記光ビームエミッタのそれぞれに相関器を含み、前記相関器は各前記検出要素で受信される各前記反射ビームの前記固有直交波形を、前記放射光ビームの前記固有直交波形と自己相関を行うように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記光ビームエミッタはレーザ光線エミッタを備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 物体または複数の物体の３次元レンジマッピングのためのシステムであって、
   マイクロプロセッサと、
   飛行時間を判定するように構成されるタイマーと、
   前記マイクロプロセッサに命令するように構成されるメモリとを含む、コンピューティングデバイスと、
   前記マイクロプロセッサに制御され、複数の放射ビームを放射するように構成される、光源の配列と、
   前記マイクロプロセッサに制御されるレンジ情報埋め込み器であって、前記レンジ情報埋め込み器は前記複数の放射ビームを埋め込むように構成される、レンジ情報埋め込み器と、
   前記マイクロプロセッサに制御され、前記複数の放射ビームを埋め込むように構成される、複数の直交波形発生器であって、特定の直交波形発生器は特定の光源に関連付けられ、それにより、特定の放射ビームは特定の直交波形が埋め込まれる、複数の直交波形発生器と、
   複数の集束ビームを受信するように構成される複数の検出要素と、
   前記マイクロプロセッサに制御され、特定の受信ビームを前記特定の放射ビームと相関付けるように構成される、複数の相関器であって、各前記相関器は各光源に対応し、前記タイマーと通信する、複数の相関器と、を備える、システム。
8. 前記直交波形発生器はアダマール発生器を備える、請求項７に記載のシステム。
9. 前記レンジ情報埋め込み器はＰＮパルストレイン発生器を備える、請求項７または８に記載のシステム。
10. 前記光源の配列は直線配列を含む、請求項７〜９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 前記直線配列は垂直直線配列を含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記光ビームエミッタはレーザ光線エミッタを備える、請求項７〜１１のいずれか１項に記載のシステム。
13. 前記検出要素は水平に配置される検出器にある、請求項７〜１２のいずれか１項に記載のシステム。
14. ＬＩＤＡＲシステムとともに使用するための算出ユニットであって、前記ＬＩＤＡＲシステムは、光ビームエミッタの配列及び少なくとも１つの検出要素を含み、前記算出ユニットは、前記光ビームエミッタの配列の各前記光ビームエミッタに放射光ビームを同時に放射することを命令し、各前記放射光ビームにレンジ情報を埋め込み、各前記放射光ビームを固有直交波形と識別し、各反射ビームの前記固有直交波形を前記放射光ビームの前記固有直交波形と一致させ、放射光線及び反射光ビームの対のそれぞれの飛行時間からレンジを判定するように構成される、算出ユニット。
15. 物体または複数の物体の３次元レンジマッピングのためのシステムであって、
    前記システムはＬＩＤＡＲシステムを備え、
    前記ＬＩＤＡＲシステムは、それぞれが伝達信号を発する光ビームエミッタの配列と、受信信号を受信するための少なくとも１つの検出要素と、回路制御ブロックと、前記回路制御ブロックに制御される伝達算出ユニットと、前記回路制御ブロックに制御される受信算出ユニットと、を含み、
    前記伝達算出ユニットは、前記光ビームエミッタに前記伝達信号を同時に放射することを命令し、前記伝達信号にレンジ情報を埋め込み、前記伝達算出ユニットは前記光ビームエミッタのそれぞれに特定の算出システムを含み、受信算出システムは各前記伝達信号を固有直交波形と識別するように構成され、各前記受信信号の前記固有直交波形を前記伝達信号の前記固有直交波形に一致させ、前記伝達信号及び前記受信信号の対のそれぞれの飛行時間からレンジを判定するように構成される、システム。
16. 前記伝達算出ユニットは、前記放射光ビームにレンジ情報を埋め込むＰＮパルストレイン発生器を含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記算出システムは、前記伝達信号を前記固有直交波形と識別するアダマール発生器を含む、請求項１５または１６に記載のシステム。
18. 物体または複数の物体の３次元レンジマッピングの方法であって、前記方法はＬＩＤＡＲシステムを選択することを含み、前記ＬＩＤＡＲシステムは、それぞれが伝達信号を発する光ビームエミッタの配列と、受信信号を受信するための少なくとも１つの検出要素と、算出ユニットとを含み、前記算出ユニットは前記光ビームエミッタのそれぞれに特定の算出システムを含み、前記算出ユニットは、
    前記光ビームエミッタに前記伝達信号を同時に放射することを命令することと、
    前記伝達信号にレンジ情報を埋め込むことと、
    各前記伝達信号を固有直交波形と識別することと、
    各前記受信信号の前記固有直交波形を前記伝達信号の前記固有直交波形に一致させることと、
    前記伝達信号及び前記受信信号の対のそれぞれの飛行時間からレンジを判定することと、
    を行う方法。
19. 前記レンジ情報を埋め込むことは疑似雑音（ＰＮ）パルストレインを埋め込むことを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 各前記伝達信号を固有直交波形と識別することは、各前記伝達信号を固有のアダマールコードと識別することを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記ＰＮパルストレインを前記アダマールコードによって変換することを含む、請求項２０に記載の方法。

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