JP2022040019A - 時間遅延された局部発振光を用いたライダー装置及びその作動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】時間遅延された局部発振光を用いたライダー装置及びその作動方法を提供する。【解決手段】ライダー装置は、連続波の光を送信し、送信された光に対応する局部発振光を提供するように構成された送信器、局部発振光を時間遅延させるように構成された遅延回路、対象体から反射された光を受信するように構成された受信器、及び時間遅延された局部発振光と受信された光に基づいて、対象体までの距離を決定するように構成された検出回路を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、時間遅延された局部発振光を用いたライダー装置及びその作動方法に関する。
範囲を探知する方式には、代表的なものとして、ＴｏＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式及びＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式がある。ＴｏＦ方式は、送信されたパルスと受信されたパルスを時間領域で分析することで、範囲を探知する方式である。ＦＭＣＷ方式は、送信された連続波と受信された連続波を周波数領域で分析することで、範囲を探知する方式である。
ＴｏＦ方式は、パルスの広い周波数帯域を含んでいるので、広域受信器が使用されねばならず、これにより、ノイズ抑制が困難である。ＦＭＣＷ方式は、正確度が連続波の周波数チャープ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈｉｒｐ）の線形性に依存するので、数百ＴＨｚの非常に高い周波数を有する光ではＦＭＣＷ方式を具現し難い。
本発明が解決しようとする課題は、時間遅延された局部発振光を用いたライダー装置及びその作動方法を提供することである。本実施例が解決しようとする技術的課題は、前述したような技術的課題に限定されず、以下の実施例からさらに他の技術的課題が類推されうる。
一側面によれば、ライダー装置は、連続波の光を送信し、前記送信された光に対応する局部発振光を提供するように構成された送信器；前記局部発振光を時間遅延させるように構成された遅延回路；対象体から反射された光を受信するように構成された受信器；及び前記時間遅延された局部発振光と前記受信された光に基づいて、前記対象体までの距離を決定するように構成された検出回路；を含む。
他の側面によれば、ライダー装置の作動方法は、連続波の光を送信し、前記送信された光に対応する局部発振光を提供する段階；前記局部発振光を時間遅延させる段階；前記対象体から反射された光を受信する段階；及び前記時間遅延された局部発振光と前記受信された光に基づいて、前記対象体までの距離を決定する段階；を含む。
さらに他の側面によれば、ライダー装置は、連続波の光を送信し、前記送信された光に対応する局部発振光を提供するように構成された送信器；前記局部発振光を時間遅延させるように構成された遅延回路；対象体から反射された光を受信するように構成された受信器；及び前記時間遅延された局部発振光と前記受信された光に基づいて、前記対象体までの距離及び前記対象体の速度を決定するように構成された検出回路；を含む。
一実施例によるライダー装置を示すブロック図である。 一実施例によるライダー装置を示すブロック図である。 一実施例による任意の周波数チャープを説明するための図面である。 一実施例による局部発振光及び時間遅延された局部発振光を説明するための図面である。 一実施例によるライダー装置が距離を探知する原理を説明するための図面である。 一実施例によるライダー装置の作動原理を説明するための図面である。 一実施例によるライダー装置の距離測定方法を説明するための図面である。 一実施例によるライダー装置の距離測定方法及び時間遅延値を説明するための図面である。 一実施例によるライダー装置の距離測定方法を説明するための図面である。 一実施例によるライダー装置の距離測定方法を説明するための図面である。 一実施例によるライダー装置の作動方法を示すフローチャートである。 一実施例によるライダー装置の作動方法を示すフローチャートである。 一実施例によるライダー装置を示すブロック図である。 一実施例によるライダー装置の速度及び距離探知方法を説明するための図面である。 一実施例によるライダー装置の速度及び距離探知方法を説明するためのフローチャートである。
実施例で使用される用語は、可能な限り、現在広く使用される一般的な用語を選択したが、これは、当分野に係わる技術者の意図または判例、新たな技術の出現などによっても異なる。また、特定の場合は、出願人が任意に選定した用語もあり、その場合、当該説明部分で詳細にその意味を記載する。したがって、明細書で使用される用語は、単なる用語の名称ではない、その用語が有する意味と明細書の全般にわたる内容に基づいて定義されねばならない。
本実施例で使用される「構成される」または「含む」などの用語は、明細書上に記載の多くの構成要素、または多くの段階を必ずしもいずれも含むと解釈されてはならず、そのうち、一部構成要素または一部段階が含まれないか、または追加的な構成要素または段階をさらに含むと解釈されねばならない。
以下、添付図面に基づいて実施例について詳細に説明する。しかし、実施例は、様々な互いに異なる形態に具現され、ここで説明する例に限定されない。
図１は、一実施例によるライダー装置を示すブロック図である。
図１を参照すれば、一実施例において、ライダー装置１００は、送信器１１０、受信器１２０、遅延回路１３０、及び検出回路１４０を含む。
ライダー装置１００は、範囲探知が要求される多様な分野で使用されうる。例えば、ライダー装置１００は、宇宙航空、地質学、３次元マップ、自動車、ロボット、ドローンなどで使用されうる。例えば、ライダー装置１００は、自動車、飛行機、携帯機器、または観測装備などに搭載されうる。
一実施例において、送信器１１０は、連続波の光（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｌｉｇｈｔ）を送信し、送信された光１１に対応する局部発振光（ｌｏｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｌｉｇｈｔ： ＬＯ ｌｉｇｈｔ）１２を提供するように構成される。受信器１２０は、送信された光１１が対象体１に反射された光１４を受信するように構成される。遅延回路１３０は、局部発振光１２を時間遅延させるように構成される。検出回路１４０は、時間遅延された局部発振光１３と受信された光１５に基づいて対象体１までの距離を決定するように構成される。
図２は、一実施例によるライダー装置を示すブロック図である。
一実施例において、ライダー装置２００は、周波数変調器２１１、光源２１２、スプリッタ２１３、送信用アンテナ２１４、受信用アンテナ２２０、遅延回路２３０、ミキサー２４１、信号変換器２４２、及びプロセッサ２４３を含む。
周波数変調器２１１、光源２１２、スプリッタ２１３、及び送信用アンテナ２１４は、図１の送信器１１０に含まれうる。受信用アンテナ２２０は、図１の受信器１２０に含まれうる。遅延回路２３０は、図１の遅延回路１３０に対応しうる。ミキサー２４１、信号変換器２４２、及びプロセッサ２４３は、図１の検出回路１４０に含まれうる。図１及び図２は、ライダー装置の実施例を図示しただけであり、他の実施例において、ライダー装置は、図１及び図２と異なって具現されうるということは、通常の技術者に自明である。
光源２１２は、持続的に発振し、例えば、正弦波のような波形を有する連続波光を発生させるように構成される。連続波の光は、数百ＴＨｚの周波数帯域またはｎｍの波長を有する。例えば、連続波の光は、約８００ｎｍ～約２，０００ｎｍ帯域の波長を有する。但し、必ずしもその限りではなく、光源２１２は、多様な周波数帯域の光を発生させるように構成され、互いに異なる周波数帯域の光を同時に発生させるように構成される。
周波数変調器２１１は、光源２１２の駆動を制御するように構成されうる。例えば、周波数変調器２１１は、光源２１２に制御信号を印加することで、光源２１２の駆動を制御することができる。光源２１２は、周波数変調器２１１によって制御されて周波数変調された連続波の光（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｌｉｇｈｔ）を発生させうる。
周波数変調器２１１は、光源２１２で発生する光が任意の周波数チャープ信号（ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈｉｒｐ ｓｉｇｎａｌ）になるように、光源２１２を制御することができる。
図３は、一実施例による任意の周波数チャープを説明するための図面である。
図３を参照すれば、周波数チャープ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈｉｒｐ）は、光の周波数が経時的に連続して異なる現象を意味する。周波数チャープ信号（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈｉｒｐ ｓｉｇｎａｌ）は、周波数が信号によって連続して異なる光学信号（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ）を意味する。
線形周波数チャープ（ｌｉｎｅａｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈｉｒｐ）は、図３のグラフ（ａ）のように光の周波数が経時的に線形的に変化する現象を意味する。非線形周波数チャープ（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈｉｒｐ）は、図３のグラフ（ｂ）のように光の周波数が経時的に非線形的に変化する現象を意味する。
任意の周波数チャープ（ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈｉｒｐ ｓｉｇｎａｌ）は、光の周波数が経時的に連続して変化する現象を総称し、線形周波数チャープ及び非線形周波数チャープを包括する。すなわち、任意の周波数チャープ信号（ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈｉｒｐ ｓｉｇｎａｌ）は、周波数が経時的に連続して変化する光学信号（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ）を意味する。
一方、場合によって任意の周波数チャープ信号は、光の周波数が経時的に連続して増加する光学信号に解釈されうるが、それに限定されるものではない。
再び図２を参照すれば、光は、数百ＴＨｚの周波数を有するので、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号のために使用されるＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）とＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）では、光が線形周波数チャープ信号（ｌｉｎｅａｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈｉｒｐ ｓｉｇｎａｌ）になるように具現され難い。また、ＯＰＬＬ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）は、技術的成熟度が低い。
一実施例において、周波数変調器２１１は、光源２１２で発生した光が任意の周波数チャープ信号になるように光源２１２を制御するように構成される。すなわち、周波数変調器２１１及び光源２１２は、光源２１２で発生した光が線形周波数チャープ信号である条件のように限定された条件に拘束されない。したがって、一実施例において、周波数変調器２１１及び光源２１２は、線形周波数チャープ信号を発生させるように構成される必要がない。
スプリッタ２１３によって分割された光の一部は、送信用アンテナ２１４に提供され、他の一部、すなわち、局部発振光２２は、遅延回路２３０に提供される。送信用アンテナ２１４によって送信された光２１は、対象体２から反射されて受信用アンテナ２２０によって受信される。
遅延回路２３０は、局部発振光２２を時間遅延させるように構成される。遅延回路２３０からミキサー２４１に時間遅延された局部発振光２３が提供される。
図４は、一実施例による局部発振光及び時間遅延された局部発振光を説明するための図面である。
時間遅延された局部発振光４２は、局部発振光４１と比較したとき、時間シフト（ｔｉｍｅ ｓｈｉｆｔ）された同じ周波数チャープ信号である。すなわち、時間遅延された局部発振光４２と局部発振光４１との間には、時間遅延値Δｔほどの時間的差のみあり、周波数は同一である。
再び図２を参照すれば、一実施例において、遅延回路２３０は、局部発振光２２を時間遅延させるための時間遅延値（ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｖａｌｕｅ）を変更するように構成される。遅延回路２３０の時間遅延値の範囲は、ｎｓ～ｍｓでもあるが、それに限定されるものではない。
遅延回路２３０は、光繊維（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ）またはシリコンフォトニクス（ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ）に基づいて光を遅延させるように構成された回路でもあるが、それに限定されるものではない。
遅延回路２３０は、時間遅延値がプログラミングされるように構成された回路でもあるが、それに限定されるものではない。例えば、遅延回路２３０は、外部装置によって時間遅延値がプログラミングされるように構成されうる。
または、遅延回路２３０は、受信された入力信号に基づいて時間遅延値を変更させるように構成されるが、それに限定されるものではない。例えば、入力信号は、プロセッサ２４３、または外部装置から提供されうる。
信号変換器２４２は、光学信号（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ）を電気信号（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ）に変換するように構成されうる。例えば、信号変換器２４２は、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ： ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ： ＡＰＤ）、及びシングルフォトアバランシェダイオード（Ｓｉｎｇｌｅ Ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ： ＳＰＡＤ）のうち、少なくとも１つを含んでもよいが、それに制限されるものではない。
一実施例において、ミキサー２４１は、時間遅延された局部発振光２３と受信された光２５を干渉させるように構成される。ミキサー２４１によって干渉された光２６が信号変換器２４２によって電気信号２７に変換されうる。信号変換器２４２は、アナログ信号として電気信号２７を生成するか、アナログ－デジタル変換器（Ａｎａｌｏｇ－ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ： ＡＤＣ）を用いてデジタルサンプリングすることで、電気信号２７を生成することができる。
一実施例において、プロセッサ２４３は、電気信号２７に基づいて対象体２までの距離を決定するように構成される。プロセッサ２４３は、アナログ信号または時間領域でサンプリングされたデジタル信号である電気信号２７をプロセッシングすることで、対象体２までの距離を決定するように構成される。プロセッサ２４３は、電気信号２７をＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）でフィルタリングし、フィルタリングされた信号に基づいて対象体２までの距離を決定するように構成されうる。プロセッサ２４３は、フィルタリングされた信号が減少した区間に対応する時間遅延値からＴｏＦを獲得することで、対象体２までの距離を決定するように構成されうる。
プロセッサ２４３は、多数の論理ゲートのアレイに具現され、汎用的なマイクロプロセッサとマイクロプロセッサで実行されるプログラムが保存されたメモリの組合わせによっても具現される。また、プロセッサ２４３は、信号をフィルタリングするフィルタ及びフィルタリングされた信号を処理する信号処理器（Ａｎａｌｏｇ－ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ： ＡＤＣ）などをいずれも包括することができる。
図５は、一実施例によるライダー装置が距離を探知する原理を説明するための図面である。
図５には、互いに異なる時間遅延値だけ時間遅延された局部発振光と受信された光のグラフが図示されている。
グラフ（ａ）は、０である時間遅延値Δｔを有する時間遅延された局部発振光ＬＯと受信された光Ｒｘのグラフであり、グラフ（ｂ）は、ＴｏＦの０．５倍である時間遅延値Δｔを有する時間遅延された局部発振光ＬＯと受信された光Ｒｘのグラフであり、グラフ（ｃ）は、ＴｏＦと同じ時間遅延値Δｔを有する時間遅延された局部発振光ＬＯと受信された光Ｒｘのグラフであり、グラフ（ｄ）は、ＴｏＦの１．５倍の時間遅延値Δｔを有する時間遅延された局部発振光ＬＯと受信された光Ｒｘのグラフである。
図４に基づいて説明したように、局部発振光は、遅延回路を通過しても周波数に変化がない。また、対象体が停止した場合、反射された光には、周波数の変化が発生しない。したがって、グラフ（ｃ）のように、時間遅延値ΔｔがＴｏＦと同一であれば、干渉された光から獲得されるビート周波数（ｂｅａｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）Δｆの成分が消える。この際、ビート周波数は、時間遅延された局部発振光の周波数と受信された光の周波数との差を意味する。
一方、グラフ（ａ）、（ｂ）、及び（ｄ）のように、時間遅延値ΔｔがＴｏＦと異なると、干渉された光から獲得されるビート周波数（ｂｅａｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）Δｆの成分が存在しうる。
ビート周波数の成分が消えた区間では、信号の高周波成分が減少する。したがって、信号の高周波成分が減少した区間に対応する時間遅延値ΔｔからＴｏＦ、すなわち対象体までの距離が決定されうる。
図６は、一実施例によるライダー装置の作動原理を説明するための図面である。
スプリッタ２１３によって分割されて送信された光２１は、ライダー装置と対象体との間を、ＴｏＦの間ほど飛行した後、受信される。遅延回路２３０は、局部発振光２２を時間遅延させることで、時間遅延された局部発振光２３を発生させる。ミキサー２４１は、受信された光２５と時間遅延された局部発振光２３を干渉させる。
遅延回路２３０がＴｏＦほど局部発振光ＬＯを遅延させれば、干渉された光のビート周波数の成分が消えるので、電気信号の高周波成分が減少する。したがって、遅延回路２３０の時間遅延値を適切に変更させることで、電気信号の高周波成分の減少する区間が探知され、対象体までの距離が決定されうる。
図７は、一実施例によるライダー装置の距離測定方法を説明するための図面である。
図２及び図７を参照すれば、遅延回路２３０は、時間遅延値を変化させ、時間遅延された局部発振光２３を発生させる。ミキサー２４１は、時間遅延された局部発振光２３と受信された光２５を干渉させることで、干渉された光２６を信号変換器２４２に提供する。信号変換器２４２は、干渉された光２６から生成された電気信号２７をプロセッサ２４３に提供する。
プロセッサ２４３は、電気信号２７を、ＨＰＦを使用してフィルタリングすることで、フィルタリングされた信号を生成することができる。時間遅延値がＴｏＦである場合、干渉された光２６のビート周波数Δｆの成分が消えるので、電気信号２７の高周波成分が減少し、フィルタリングされた信号が減少することになる。したがって、フィルタリングされた信号が減少した区間が探知されれば、探知された区間に対応する時間遅延値が獲得され、獲得された時間遅延値からＴｏＦ及び対象体までの距離が決定されうる。したがって、プロセッサ２４３は、時間領域でフィルタリングされた信号を分析することで、対象体までの距離を決定することができる。
プロセッサ２４３は、フィルタリングされた信号が減少した区間を探知することができる。例えば、プロセッサ２４３は、フィルタリングされた信号の大きさと既決定の値とを比較することで、フィルタリングされた信号が減少した区間を探知することができる。または、プロセッサ２４３は、フィルタリングされた信号の大きさが既決定の値より小さいか否かを判断することで、フィルタリングされた信号が減少した区間を探知することができる。または、プロセッサ２４３は、フィルタリングされた信号サイズの平均値が既決定の値より小さいか否かを判断することで、フィルタリングされた信号が減少した区間を探知することができる。または、プロセッサ２４３は、フィルタリングされた信号の大きさが最小である区間からフィルタリングされた信号が減少した区間を決定することができる。または、プロセッサ２４３は、フィルタリングされた信号の大きさの平均値が最小である区間からフィルタリングされた信号が減少した区間を決定することができる。
図７には、自動車、人、及び自転車までの距離を決定する実施例が図示されている。
自動車までの距離を決定する場合、フィルタリングされた信号の大きさが減少した区間は、Ｄである。プロセッサ２４３は、区間Ｄに対応する時間遅延値Ａから自動車までの距離を決定する。
同様に、人までの距離を検知する場合、フィルタリングされた信号サイズが減少する区間は、Ｅである。プロセッサ２４３は、区間Ｅに対応する時間遅延値Ｃから人までの距離を決定することができる。
同様に、自転車までの距離を検知する場合、フィルタリングされた信号サイズが減少する区間は、Ｆである。プロセッサ２４３は、区間Ｆに対応する時間遅延値Ｂから自転車までの距離を決定する。
プロセッサ２４３が時間領域でフィルタリングされた信号を分析することで、対象体までの距離を決定するので、一実施例によるライダー装置２００は、周波数領域での信号を分析するためのコンポーネント（例えば、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）回路など）を要求しない。
図８は、一実施例によるライダー装置の距離測定方法及び時間遅延値を説明するための図面である。
ライダー装置の時間遅延値は、ライダー装置の性能に基づいて決定されうる。
ライダー装置の最大測定可能な距離ＭａｘＲを考慮する。最大測定可能な距離ＭａｘＲに対応するＴｏＦは、２＊ＭａｘＲ／ｃであり、時間遅延値は、２＊ＭａｘＲ／ｃである。ライダー装置の距離分解能ΔＲを考慮する。距離分解能ΔＲに対応する時間遅延値は、２＊ΔＲ／ｃである。この際、ｃは、光の速度である。
したがって、ライダー装置の性能を満足するためには、時間遅延値が０～２＊ＭａｘＲ／ｃの範囲において２＊ΔＲ／ｃの間隔に制御される必要がある。例えば、ライダー装置の最大測定可能な距離が２００ｍであり、距離分解能が１０ｃｍである場合、時間遅延値は、０～１．３３μｓの範囲で０．６６ｎｓの間隔に制御される必要がある。
一実施例において、ライダー装置は、時間遅延値を最小遅延値から最大遅延値ＭａｘＤまで単位遅延値ｇａｐＤで等差的に増加させるように構成されうる。
最大遅延値ＭａｘＤは、ライダー装置の最大測定可能な距離ＭａｘＲに基づいて決定されうる。単位遅延値ｇａｐＤは、ライダー装置の距離分解能ΔＲに基づいて決定されうる。最小遅延値は、測定しようとする距離の最小値に基づいて決定されうる。例えば、最大遅延値ＭａｘＤは、２＊ＭａｘＲ／ｃと決定され、単位遅延値ｇａｐＤは、２＊ΔＲ／ｃと決定されうる。例えば、ライダー装置の最大測定可能な距離が２００ｍであり、距離分解能が１０ｃｍである場合、最大遅延値ＭａｘＤは、１．３３μｓと決定され、単位遅延値ｇａｐＤは、０．６６ｎｓと決定されうる。すなわち、時間遅延値は、０から１．３３μｓまで０．６６ｎｓずつ増加するように決定されうる。
プロセッサは、フィルタリングされた信号が減少した区間Ｌに対応する時間遅延値Ｋから対象体までの距離を決定することができる。例えば、時間遅延値Ｋが０．６６μｓ（＝０．６６ｎｓ＊１０００）である場合、ＴｏＦが０．６６μｓと獲得されることで、対象体までの距離が、約９９ｍ（＝０．６６μｓ＊ｃ／２）と決定されうる。
時間遅延値が一定期間である単位遅延期間ｉｎｔｅｒＴは、（遅延期間ＭａｘＴ）／（最大遅延値ＭａｘＤ－最小遅延値）＊（単位遅延値ｇａｐＤ）と決定されうる。この際、遅延期間ＭａｘＴは、局部発振光が最小遅延値から最大遅延値ＭａｘＤまで時間遅延される期間である。遅延期間ＭａｘＴが最大遅延値ＭａｘＤ－最小遅延値と同一である場合、単位遅延期間ｉｎｔｅｒＴは、単位遅延値ｇａｐＤと決定されうる。
例えば、遅延期間ＭａｘＴが２．６６μｓであり、最大遅延値ＭａｘＤが１．３３μｓであり、最小遅延値が０であり、単位遅延値ｇａｐＤが０．６６ｎｓである場合、単位遅延期間ｉｎｔｅｒＴは、１．３２ｎｓ（＝２．６６μｓ／１．３３μｓ＊０．６６ｎｓ）と決定されうる。他の例として、遅延期間ＭａｘＴ及び最大遅延値ＭａｘＤが１．３３μｓであり、最小遅延値が０であり、単位遅延値ｇａｐＤが０．６６ｎｓである場合、単位遅延期間ｉｎｔｅｒＴは、０．６６ｎｓ（＝１．３３μｓ／１．３３μｓ＊０．６６ｎｓ）と決定されうる。
したがって、単位遅延期間ｉｎｔｅｒＴを増加させるためには、遅延期間ＭａｘＴを増加させるか、最大遅延値ＭａｘＤを減少させるか、最小遅延値を増加させるか、単位遅延値ｇａｐＤを増加させる必要がある。
図９は、一実施例によるライダー装置の距離測定方法を説明するための図面である。
一実施例において、ライダー装置は、最小遅延値から最大遅延値まで単位遅延値ずつ増加する時間遅延値で局部発振光を時間遅延させる遅延作動を複数回遂行することができる。いずれか１回の遅延作動の最小遅延値及び最大遅延値のうち少なくともいずれか１つは、他の１回の遅延作動の対応する値と異なってもいる。
ライダー装置は、複数回の遅延作動に対応するフィルタリングされた信号が減少した区間に対応する時間遅延値から対象体までの距離を決定することができる。
一実施例において、ライダー装置は、単位遅延期間を増加させるために増加した単位遅延値を用いるように構成される。具体的に、ライダーの距離分解能ΔＲを満足させる最小単位遅延値がΔＴ０（＝２＊ΔＲ／ｃ）であるとき、一実施例において、ライダー装置は、最小単位遅延値ΔＴ０よりも大きい単位遅延値を用いるように構成される。
図９を参照すれば、一実施例において、ライダー装置は、最小単位遅延値の３倍である３＊ΔＴ０（＝６＊ΔＲ／ｃ）を単位遅延値として用いて局部発振光を時間遅延させる。具体的に、ライダー装置は、第１遅延作動Ｓ１において、時間遅延値を第１最小遅延値ΔＴ０から３＊ΔＴ０ずつ増加させ、第２遅延作動Ｓ２において、時間遅延値を第２最小遅延値Δ２＊Ｔ０から３＊ΔＴ０ずつ増加させ、第３遅延作動Ｓ３において、時間遅延値を第３最小遅延値Δ３＊Ｔ０から３＊ΔＴ０ずつ増加させる。
例えば、ライダー装置の距離分解能が１０ｃｍである場合、距離分解能に対応する最小単位遅延値ΔＴ０は、０．６６ｎｓなので、最小単位遅延値の３倍は、１．９８ｎｓ（＝０．６６ｎｓ＊３）である。第１遅延作動Ｓ１において、時間遅延値は、０．６６ｎｓ、２．６４ｎｓ（＝０．６６ｎｓ＋３＊０．６６ｎｓ）、４．６２ｎｓ（＝０．６６ｎｓ＋６＊０．６６ｎｓ）、…に増加し、第２遅延作動Ｓ２において、時間遅延値は、１．３２ｎｓ（＝２＊０．６６ｎｓ）、３．３ｎｓ（＝２＊０．６６ｎｓ＋３＊０．６６ｎｓ）、５．２８ｎｓ（＝２＊０．６６ｎｓ＋６＊０．６６ｎｓ）、…に増加し、第３遅延作動Ｓ３において、時間遅延値は、１．９８ｎｓ（＝３＊０．６６ｎｓ）、３．９６ｎｓ（＝３＊０．６６ｎｓ＋３＊０．６６ｎｓ）、５．９４ｎｓ（＝３＊０．６６ｎｓ＋６＊０．６６ｎｓ）、…に増加する。
一般化して、最小単位遅延値のＮ倍である単位遅延値を用いる場合、ライダー装置は、第１遅延作動で時間遅延値を第１最小遅延値Ｎ＊ΔＴ０ずつ増加させ、第２遅延作動で時間遅延値を第２最小遅延値からＮ＊ΔＴ０ずつ増加させ、第Ｎ遅延作動で時間遅延値を第Ｎ最小遅延値からＮ＊ΔＴ０ずつ増加させうる。この際、第Ｎ最小遅延値は、Ｎ＊ΔＴ０でもあるが、それに限定されるものではない。
図８に基づいて説明したように、単位遅延期間は、単位遅延値に比例する。したがって、単位遅延値がＮ倍増加することで、単位遅延期間がＮ倍増加する。
各遅延作動では、単位遅延値としてＮ＊ΔＴ０が使用されるが、全体遅延作動Ｓ１～Ｓ３を考慮すれば、実質的に単位遅延値は、ΔＴ０である。したがって、ライダー装置の距離分解能を満足しながら、単位遅延期間がＮ倍増加する。
プロセッサは、全体遅延作動Ｓ１～Ｓ３から生成されたフィルタリングされた信号に基づいて対象体までの距離を決定する。プロセッサは、フィルタリングされた信号が最も減少した区間を探知することで、対象体までの距離を決定することができる。
図９において、プロセッサは、フィルタリングされた信号が減少した区間Ｏ、Ｐ、Ｑのうち、フィルタリングされた信号が最も減少した区間Ｐに対応する時間遅延値Ｍを獲得して対象体までの距離を決定することができる。
図１０は、一実施例によるライダー装置の距離測定方法を説明するための図面である。
一実施例において、ライダー装置は、最小遅延値から最大遅延値まで単位遅延値ずつ増加する時間遅延値で局部発振光を時間遅延させる遅延作動を複数回遂行することができる。いずれか１回の遅延作動の最小遅延値、最大遅延値、及び単位遅延値のうち少なくともいずれか１つは、他の１回の遅延作動の対応する値と異なってもいる。
ライダー装置は、最大遅延値を減少させ、最小遅延値を増加させ、遅延作動を複数回遂行することができる。すなわち、時間遅延値の範囲を減らし、遅延作動を複数回遂行することができる。
ライダー装置は、単位遅延値を減少させ、遅延作動を複数回遂行することができる。すなわち、時間遅延値を徐々に小さく変更させ、遅延作動を複数回遂行することができる。
図１０を参照すれば、一実施例において遅延回路は、第１遅延作動Ｓ１において第１最小遅延値ＡＨから第１最大遅延値ＡＧまで第１単位遅延値（６＊ΔＴ０）ずつ増加する時間遅延値で局部発振光を時間遅延させる。この際、ΔＴ０（＝２＊ΔＲ／ｃ）は、ライダーの距離分解能ΔＲを満足させる最小単位遅延値である。
プロセッサは、第１遅延作動Ｓ１に対応するフィルタリングされた信号が最も減少した区間Ｕに対応する時間遅延値ＡＡ、ＡＢを獲得する。
プロセッサは、獲得された時間遅延値ＡＡ、ＡＢから第２最小遅延値ＡＤ及び第２最大遅延値ＡＣを決定することができる。例えば、プロセッサは、時間遅延値ＡＢを最小単位遅延値ΔＴ０だけ減少させることで、第２最小遅延値ＡＤを決定し、時間遅延値ＡＡを最小単位遅延値ΔＴ０だけ増加させることで、第２最大遅延値ＡＣを決定することができる。
遅延回路は、第２遅延作動Ｓ２において、第２最小遅延値ＡＤから第２最大遅延値ＡＣまで第２単位遅延値２＊ΔＴ０ずつ増加する時間遅延値で局部発振光を時間遅延させる。第２単位遅延値は、第１単位遅延値より小さい値でもある。一実施例において、第２単位遅延値は、第１単位遅延値の１／３倍であるが、これは、例示的な値に過ぎず、それに限定されるものではない。一実施例において、第２単位遅延値は、最小単位遅延値ΔＴ０の２倍であるが、これは、例示的な値に過ぎず、それに限定されるものではない。
プロセッサは、第２遅延作動Ｓ２に対応するフィルタリングされた信号が最も減少した区間Ｗに対応する時間遅延値ＡＥ、ＡＦを獲得する。
プロセッサは、獲得された時間遅延値ＡＥ、ＡＦから第３最小遅延値ＡＪ及び第３最大遅延値ＡＫを決定することができる。例えば、プロセッサは、時間遅延値ＡＦを最小単位遅延値ΔＴ０だけ減少させることで、第３最小遅延値ＡＪを決定し、時間遅延値ＡＥを最小単位遅延値ΔＴ０だけ増加させることで、第３最大遅延値ＡＫを決定することができる。
遅延回路は、第３遅延作動Ｓ３において、第３最小遅延値ＡＪから第３最大遅延値ＡＫまで第３単位遅延値ΔＴ０ずつ増加する時間遅延値で局部発振光を時間遅延させる。第３単位遅延値は、第２単位遅延値より小さい値でもある。一実施例において、第３単位遅延値は、第２単位遅延値の１／２倍であるが、これは、例示的な値に過ぎず、それに限定されるものではない。一実施例において、第３単位遅延値は、最小単位遅延値ΔＴ０と同一であるが、これは、例示的な値に過ぎず、それに限定されるものではない。
プロセッサは、第３遅延作動Ｓ３に対応するフィルタリングされた信号が減少した区間Ｘに対応する時間遅延値Ｓを獲得して対象体までの距離を決定することができる。
図８に基づいて説明したように、最大遅延値－最小遅延値を減少させるか、単位遅延値を増加させれば、単位遅延期間が増加されうる。
第１遅延作動Ｓ１では、増加した単位遅延値が用いられるので、単位遅延期間が増加し、第２遅延作動Ｓ２では、増加した単位遅延値及び差が減少した最大遅延値及び最小遅延値が用いられるので、単位遅延期間が増加し、第３遅延作動Ｓ３では、最大遅延値及び最小遅延値が用いられるので、単位遅延期間が増加しうる。
また、最終遅延作動Ｓ３において単位遅延値は、ΔＴ０である。したがって、ライダー装置の距離分解能を満足しながら、増加した単位遅延期間で対象体までの距離が探知されうる。
図１１は、一実施例によるライダー装置の作動方法を示すフローチャートである。
図１及び図１１を参照すれば、１１０１段階において、送信器１１０は、連続波の光を送信し、送信された光１１に対応する局部発振光１２を提供することができる。
１１０２段階において、遅延回路１３０は、局部発振光１２を時間遅延させうる。遅延回路１３０は、時間遅延された局部発振光１３を検出回路１４０に提供することができる。
１１０３段階において、受信器１２０は、対象体１から反射された光１４を受信することができる。受信器１２０は、受信された光１５を検出回路１４０に提供することができる。
１１０４段階において、検出回路１４０は、時間遅延された局部発振光１２と受信された光１５に基づいて対象体までの距離を決定することができる。検出回路１４０は、時間遅延された局部発振光１２と受信された光１５が干渉された光から獲得される電気信号を時間領域で分析することで、対象体までの距離を決定することができる。
図１２は、一実施例によるライダー装置の作動方法を示すフローチャートである。
図２及び図１２を参照すれば、１２０１段階において、光源２１２は、任意の周波数チャープを有する連続波の光を発生させうる。周波数変調器２１１は、光源２１２で発生した光が任意の周波数チャープ信号になるように光源２１２を制御することができる。
１２０２段階において、スプリッタ２１３及び送信用アンテナ２１４は、発生した光の一部を送信させ、他の一部を局部発振光２２に提供することができる。具体的に、スプリッタ２１３によって光源２１２で発生した光が送信用光と局部発振光２２に分割され、送信用アンテナ２１４によって光が送信されうる。
１２０３段階において、遅延回路２３０は、局部発振光２２を時間遅延させうる。遅延回路２３０は、変更される時間遅延値で局部発振光２２を時間遅延させることで、時間遅延された局部発振光２３をミキサー２４１に提供することができる。
１２０４段階において、受信用アンテナ２２０は、対象体２から反射された光２４を受信することができる。
１２０５段階において、ミキサー２４１は、時間遅延された局部発振光２３と受信された光２５を干渉することで、干渉された光２６を獲得することができる。
１２０６段階において、信号変換器２４２は、干渉された光２６を光電変換して電気信号２７を獲得することができる。
プロセッサ２４３は、１２０７段階において、電気信号をＨＰＦでフィルタリングすることで、フィルタリングされた信号を獲得し、１２０８段階において、フィルタリングされた信号が最も小さい区間に対応する時間遅延値を獲得し、１２０９段階において、獲得された時間遅延値に基づいて対象体までの距離を決定することができる。
図１３は、一実施例によるライダー装置を示すブロック図である。
図１３のライダー装置１３００は、図２のライダー装置２００と比較したとき、プロセッサ１３４３が時間領域と周波数領域で信号を分析するように構成される点で差がある。したがって、図１４に図示された構成は、図２に図示された構成と同一または類似した機能を遂行するように構成されうる。
プロセッサ１３４３は、信号変換器１３４２から提供された電気信号を時間領域で分析することで、対象体２までの距離を決定し、電気信号を周波数領域で分析することで、対象体２の速度を決定するように構成されうる。
プロセッサ１３４３は、電気信号を時間領域で分析するためのフィルタ及び電気信号を周波数領域で分析するためのＦＦＴ回路を含んでもよい。
図１４は、一実施例によるライダー装置の速度及び距離探知方法を説明するための図面である。
図１３及び図１４を参照すれば、ライダー装置１３００は、第１遅延作動Ｓ１に基づいて対象体までの距離を決定し、第２遅延作動Ｓ２に基づいて対象体の速度を決定することができる。
ライダー装置１３００が第１遅延作動Ｓ１に基づいて対象体までの距離を決定する方法は、以上の図１ないし図１２を参照して説明した方法と同一である。具体的に、プロセッサ１３４３は、フィルタリングされた信号が減少した区間Ｚに対応する時間遅延値Ｙから対象体までの距離を決定することができる。
遅延回路１３３０は、第２遅延作動Ｓ２で時間遅延値Ｙで局部発振光を時間遅延させうる。
ミキサー１３４１は、時間遅延値Ｙで時間遅延された局部発振光と受信された光を干渉することで、信号変換器１３４２に干渉された光を提供することができる。
信号変換器１３４２は、干渉された光を電気信号に変換することで電気信号をプロセッサ１３４３に提供することができる。
プロセッサ１３４３は、ＦＦＴ回路を用いて電気信号からビート周波数Δｆを獲得し、ドップラー効果に基づいてビート周波数Δｆから対象体の速度を決定することができる。
第２遅延作動Ｓ２の第２単位遅延期間ｉｎｔｅｒＴ２は、第１遅延作動Ｓ１の第１単位遅延期間ｉｎｔｅｒＴ１より大きくなる。第２単位遅延期間ｉｎｔｅｒＴ２は、ビート周波数Δｆの成分を分析するのに十分な期間でもある。
例えば、対象体が２００ｋｍ／ｈの速度で移動する場合、対象体の速度から算出されるドップラー周波数は、約４２．４ＭＨｚである。４周期のドップラー周波数の電気信号を獲得するように第２単位遅延期間ｉｎｔｅｒＴ２は、約９４ｎｓ（＝１／（４２．４ＭＨｚ／４））と決定されうる。
例えば、対象体がマッハ１．０の速度で移動する場合、対象体の速度から算出されるドップラー周波数は、約９４３ＭＨｚである。６周期のドップラー周波数の電気信号を獲得するように、第２単位遅延期間ｉｎｔｅｒＴ２は、約６ｎｓ（＝１／（９４３ＭＨｚ／６））と決定されうる。
図１５は、一実施例によるライダー装置の速度及び距離探知方法を説明するためのフローチャートである。
図１３及び図１５を参照すれば、１５０１段階において、送信用アンテナ１３１４は、連続波の光を送信し、スプリッタ１３１３は、送信された光に対応する局部発振光を提供する。周波数変調器１３１１は、光源１３１２から発生した光が任意の周波数チャープ信号になるように光源１３１２を制御することができる。
１５０２段階において、遅延回路１３３０は、局部発振光を時間遅延させうる。遅延回路１３３０は、最小遅延値から最大遅延値まで単位遅延値ずつ増加する時間遅延値を用いて局部発振光を時間遅延させうる。
１５０３段階において、受信用アンテナ１３２０は、対象体から反射された光を受信することができる。
１５０４段階において、プロセッサ１３４３は、時間遅延された局部発振光と受信された光に基づいて対象体までの距離を決定し、対象体までの距離に対応する時間遅延値を獲得することができる。
１５０５段階において、送信用アンテナ１３１４は、連続波の光を送信し、スプリッタ１３１３は、送信された光に対応する局部発振光を提供することができる。
１５０６段階において、遅延回路１３３０は、プロセッサ１３４３によって獲得された時間遅延値に基づいて局部発振光を時間遅延させうる。
１５０７段階において、受信用アンテナ１３２０は、対象体から反射された光を受信することができる。
１５０８段階において、プロセッサ１３４３は、時間遅延された局部発振光と受信された光に基づいて対象体の速度を決定することができる。プロセッサ１３４３は、時間遅延された局部発振光と受信された光のビート周波数の成分を分析することで、対象体の速度を決定することができる。
本実施例に係わる技術分野で通常の知識を有する者は、前記記載の本質的な特性から外れない範囲で実施例が変形された形態に具現可能であるということを理解できるであろう。したがって、開示された実施例は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されねばならない。権利範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に開示されており、それと同等な範囲内にある全ての相違点は、本実施例に含まれていると解釈されねばならない。
１００、２００ ライダー装置
１１０ 送信器
１２０ 受信器
１３０ 遅延回路
１４０ 検出回路
２１１ 周波数変調器
２１２ 光源
２１３ スプリッタ
２１４ 送信用アンテナ
２２０ 受信用アンテナ
２３０ 遅延回路
２４１ ミキサー
２４２ 信号変換器
２４３ プロセッサ

Claims (20)

  1. 連続波の光を送信し、前記送信された光に対応する局部発振光を提供するように構成された送信器と、
    前記局部発振光を時間遅延させるように構成された遅延回路と、
    対象体から反射された光を受信するように構成された受信器と、
    前記時間遅延された局部発振光と前記受信された光に基づいて、前記対象体までの距離を決定するように構成された検出回路と、を含む、ライダー装置。
  2. 前記遅延回路は、前記局部発振光を時間遅延させるための時間遅延値を変更するように構成される、請求項１に記載のライダー装置。
  3. 前記遅延回路は、最小遅延値から最大遅延値まで単位遅延値ずつ前記局部発振光を時間遅延させるための時間遅延値を増加させるように構成される、請求項１または２に記載のライダー装置。
  4. 前記送信器は、光源及び前記光源が周波数変調された光を発生させるように前記光源を制御するように構成された周波数変調器を含み、
    前記周波数変調器は、前記光源から発生した光が任意の周波数チャープ信号になるように前記光源を制御する、請求項１～３のいずれか一つに記載のライダー装置。
  5. 前記送信器は、前記光源から発生した光を、前記送信された光と前記局部発振光に分割し、前記局部発振光を前記遅延回路に提供するスプリッタをさらに含む、請求項４に記載のライダー装置。
  6. 前記検出回路は、前記時間遅延された局部発振光と前記受信された光を干渉することで、干渉された光を出力するように構成されたミキサーを含む、請求項１～５のいずれか一つに記載のライダー装置。
  7. 前記検出回路は、前記干渉された光を光電変換することで、電気信号を出力するように構成された信号変換器をさらに含む、請求項６に記載のライダー装置。
  8. 前記検出回路は、前記電気信号に基づいて、前記対象体までの距離を決定するように構成されたプロセッサをさらに含む、請求項７に記載のライダー装置。
  9. 前記プロセッサは、前記電気信号をＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）でフィルタリングすることで、フィルタリングされた信号を生成し、前記フィルタリングされた信号が減少した区間に対応する前記時間遅延された局部発振光の時間遅延値を獲得し、前記獲得された時間遅延値から前記対象体までの距離を決定するように構成された、請求項８に記載のライダー装置。
  10. ライダー装置の作動方法において、
    連続波の光を送信し、前記送信された光に対応する局部発振光を提供する段階と、
    前記局部発振光を時間遅延させる段階と、
    対象体から反射された光を受信する段階と、
    前記時間遅延された局部発振光と前記受信された光に基づいて、前記対象体までの距離を決定する段階と、を含む、方法。
  11. 前記局部発振光を時間遅延させる段階は、
    変わる時間遅延値を用いて前記局部発振光を時間遅延させる段階を含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記局部発振光を時間遅延させる段階は、
    最小遅延値から最大遅延値まで単位遅延値ずつ増加する時間遅延値を用いて前記局部発振光を時間遅延させる段階を含む、請求項１０または１１に記載の方法。
  13. 前記局部発振光を時間遅延させる段階は、
    最小遅延値から最大遅延値まで単位遅延値ずつ増加する時間遅延値で前記局部発振光を時間遅延させる遅延作動を複数回遂行する段階を含み、
    少なくともいずれか１回の遅延作動の最小遅延値、最大遅延値、及び単位遅延値のうち少なくとも１つは、他の１回の遅延作動の対応する値と異なる、請求項１０～１２のいずれか一つに記載の方法。
  14. 前記局部発振光を時間遅延させる段階は、
    第１最小遅延値から第１最大遅延値まで単位遅延値ずつ増加する時間遅延値で前記局部発振光を時間遅延させる段階と、
    第２最小遅延値から第２最大遅延値まで前記単位遅延値ずつ増加する時間遅延値で前記局部発振光を時間遅延させる段階と、を含み、
    前記単位遅延値は、前記第１最小遅延値と前記第２最小遅延値との差に比例する、請求項１０～１３のいずれか一つに記載の方法。
  15. 前記局部発振光を時間遅延させる段階は、
    第１最小遅延値から第１最大遅延値まで第１単位遅延値ずつ増加する時間遅延値で前記局部発振光を時間遅延させる段階と、
    第２最小遅延値から第２最大遅延値まで第２単位遅延値ずつ増加する時間遅延値で前記局部発振光を時間遅延させる段階と、を含み、
    前記第２最大遅延値と前記第２最小遅延値との差が前記第１最大遅延値と前記第１最小遅延値との差よりも小さいか、前記第２単位遅延値が前記第１単位遅延値よりも小さい、請求項１０～１４のいずれか一つに記載の方法。
  16. 前記対象体までの距離を決定する段階は、
    前記時間遅延された局部発振光と前記受信された光を干渉させることで、干渉された光を獲得する段階と、
    前記干渉された光を光電変換することで、電気信号を獲得する段階と、
    前記電気信号に基づいて、前記対象体までの距離を決定する段階と、を含む、請求項１０～１５のいずれか一つに記載の方法。
  17. 前記電気信号に基づいて、前記対象体までの距離を決定する段階は、
    前記電気信号をフィルタリングすることで、フィルタリングされた信号を獲得する段階と、
    前記フィルタリングされた信号に基づいて、前記対象体までの距離を決定する段階と、を含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記フィルタリングされた信号に基づいて、前記対象体までの距離を決定する段階は、
    前記フィルタリングされた信号が減少した区間に対応する前記時間遅延された局部発振光の時間遅延値を獲得する段階と、
    前記獲得された時間遅延値から前記対象体までの距離を決定する段階と、を含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 連続波の光を送信し、前記送信された光に対応する局部発振光を提供するように構成された送信器と、
    前記局部発振光を時間遅延させるように構成された遅延回路と、
    対象体から反射された光を受信するように構成された受信器と、
    前記時間遅延された局部発振光と前記受信された光に基づいて、前記対象体までの距離及び前記対象体の速度を決定するように構成された検出回路と、を含む、ライダー装置。
  20. 前記検出回路は、前記対象体までの距離に対応する前記局部発振光の時間遅延値を獲得するように構成され、
    前記遅延回路は、前記獲得された時間遅延値で前記局部発振光を時間遅延させるように構成され、
    前記検出回路は、前記獲得された時間遅延値で時間遅延された局部発振光と、前記獲得された時間遅延値で時間遅延された局部発振光に対応する受信された光に基づいて、前記対象体の速度を決定するように構成される、請求項１９に記載のライダー装置。
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