JP2022534024A - ３６０°の視野を有する周波数変調スキャンｌｉｄａｒ - Google Patents

Abstract

ＬＩＤＡＲシステムにおいて、可動部品を使用せずに、３６０°のＦＯＶにわたって送信ビームをスキャンするための方法。方法は、レーザビームを生成し、レーザビームを周波数変調し、周波数変調されたレーザビームを、スパイラル位相プレート共振器（ＳＰＰＲ）デバイスに向けることを含む。方法はさらに、ＳＰＰＲデバイスからのビームを円錐ミラーに向けることと、ターゲットからの反射ビームを受け取ることとを含む。方法は、送信ビームと反射ビームとを混合し相関付け、混合された送信ビームおよび反射ビームを表す信号の高速フーリエ変換を計算し、混合および変換された信号におけるビート周波数を判定し、ビート周波数における中間周波数を特定し、ターゲットまでの距離を判定するために、ビート周波数から、送信ビームと反射ビームとの間の時間遅延を推定し、ターゲットの速度を判定するために、ビート周波数からドップラ周波数を判定する。【選択図】図１

Description

[0001]本開示は、一般に、測距目的のために、ＬＩＤＡＲシステムから３６０°の視野（ＦＯＶ）にわたってレーザビームをスキャンし、ターゲットから反射されたビームを処理するための方法に関し、より詳細には、測距目的のために、スパイラル位相プレート共振器（ＳＰＰＲ）デバイスを使用して、ＬＩＤＡＲシステムから３６０°の視野にわたって周波数変調されたレーザビームをスキャンし、ターゲットから反射されたビームを処理するための方法に関する。

[0002]光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）は、ターゲットから反射された変調パルス光ビームを送信し、戻りビームが検出される動作であり、ここでは、ターゲットまでの距離を判定するために、ビームの飛行時間が使用される。この方式で距離測定の点群を提供することにより、オブジェクトの画像を構築できる。そのような測距を実行するＬＩＤＡＲシステムは、通常、レーザビーム源、光ビームのスキャンを提供する素子、およびビーム反射を検出するための検出器を含む。

[0003]ＬＩＤＡＲシステムは、たとえば、ゲーム、ソーシャルメディア、通信アプリケーションなどを含む種々のコンピュータアプリケーションにおける使用のために、航空宇宙車両、自動運転車両、または自律型車両を使用した地形のマッピング、静止オブジェクトのマッピング、部屋や他のオブジェクトの３Ｄモデルの構築のような多くのアプリケーションで使用される。多くのアプリケーションでは、自律型無人航空宇宙機、有人航空宇宙車両、および自動運転車両など、０から３６０°の全視野（ＦＯＶ）で送信ビームをスキャンすることに関心がある。

[0004]ＬＩＤＡＲシステムにおいて光ビームをスキャンするには、通常、可動の機械的構成要素が使用される。多くの場合、光ビームスキャン構成要素は、固定された光のビームをミラーに向けるために回転するミラーであるか、または光ビーム源が、ジンバルに取り付けられ、ジンバルが回転する。ある設計では、ミラーは、圧電素子などの電気機械的構成要素に取り付けられ、ミラーが向いている方向を変化させるように制御される。ビーム方向における変化を生み出す力を提供する機械的および／または電気的構成要素に関わらず、ミラーまたはビーム源自体の位置の物理的変化が使用される。機械的な可動部品がある場合、システムは、機械的な故障のリスクが高くなる。また、回転速度は、これらのメカニズムと、その寿命にわたって非常に多くのサイクルを実行すると予想される構成要素の通常の摩耗に関する考慮事項によって制限される。あるいは、複数のＬＩＤＡＲシステムを組み合わせて、０から３６０°の全ＦＯＶをカバーすることができる。

[0005]可動部品がなく、低コストで、０から３６０°までの方位角の全範囲にわたって瞬間的なＦＯＶを提供するＬＩＤＡＲシステムに対する要求が高まっている。この要求は一般に、自動運転車両のための誘導システムのみならず、地形マッピングおよび構造マッピング用のシステムを含む、有人および無人の自律型陸上、空中および海上車両用のイメージングおよび測距システムを作成したいという要望によって推進されている。しかしながら、可動部品を使用しない単一ＬＩＤＡＲシステムで、０から３６０°の全投影スキャン範囲を達成することは困難である。

[0006]ＬＩＤＡＲシステムにおいてビームをスキャンするために、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスが適用されている。ＭＥＭＳデバイスの振動の振幅は小さく、スキャンの周波数は高いため、機械的な故障のリスクは低くなるが、ＦＯＶのスキャンは、通常、制限される。光学フェーズドアレイ技術は新しい技術であるが、視野のスキャンも制限され、測距距離は比較的短い。液晶スキャナは、この目的で使用されることが知られているが、液晶のアクティブな電気的制御が必要であり、角度範囲が狭くなる。低反射ＳＰＰＲデバイスの共振器効果を示す基本的な科学的研究がある。これらのシステムは、３６０°のＦＯＶを提供するための多くの長所と短所を与える。しかしながら、特に高いスキャン速度で動作する場合、可動構成要素を使用せずに実質的なＦＯＶの周りの光ビームをスキャンすることができる光学スキャナの必要性が依然として存在する。

[0007]本開示の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれる、「Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ａｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ａｂｏｕｔ Ａ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｒｅｇａｒｄ Ｗｉｔｈ Ｎｏ Ｍｏｖｉｎｇ Ｐａｒｔｓ」（可動部品のない関連視野の周りの光ビームのスキャン）と題され、２０１８年３月２２日に出願された米国特許出願第１５／９２８，３４７号は、ＬＩＤＡＲシステム用の可動部品のない０から３６０°のスキャンメカニズムとして、スパイラル位相プレート共振器（ＳＰＰＲ）を適用することを開示している。ＳＰＰＲデバイスは、デバイスで光を反射するか、デバイスを介して光を透過することにより、光渦のコヒーレントな重ね合せを生成できる小型化された光学素子である。ＳＰＰＲデバイスは、単一のＳＰＰＲにおける光渦の干渉に基づいているため、光渦を生成する他の一般的なデバイスと比較して、ＳＰＰＲデバイスのコンパクトさ、高い電力耐性、反射または透過構成において光渦を生成する機能のみならず、振動やミスアライメントに対する回復力を含む多くの利点を有する。

[0008]以下の議論は、ＬＩＤＡＲシステムとターゲットとの間の距離を判定するために、周波数変調された送信ビームを３６０°のＦＯＶにわたってスキャンし、ＬＩＤＡＲシステムからターゲットから反射されたビームを処理するための方法に関し、ＬＩＤＡＲシステムは、送信機サブシステムおよび受信機サブシステムを含む。この方法は、送信機サブシステムによって第１の周波数で送信されるレーザビームを生成し、送信機サブシステムおよび／または受信機サブシステムにおける光学および電気光学構成要素の温度を判定し、送信機サブシステムおよび／または受信機サブシステムにおける光学および電気光学構成要素の温度における変化を補償するために、レーザビームの第１の周波数を調整する。この方法は、スパイラル位相プレート共振器（ＳＰＰＲ）デバイスにおいてレーザビームを前後に反射させる、対向する反射面を有する送信機サブシステムにおいて、レーザビームをＳＰＰＲデバイスに向け、反射面のうちの１つの反射面は、スパイラルステップインデクスを含み、スパイラルステップインデクスは、ＳＰＰＲデバイスの片側から放射され、光渦強度パターンのコヒーレントな重ね合せを有する送信ビーム、および、ＳＰＰＲデバイスの反対側から放射され、光渦強度パターンのコヒーレントな重ね合せを有する処理ビームとして、異なる位相を有する複数の内部反射ビームを結合させる。この方法は、ＳＰＰＲデバイスからの送信ビームを円錐ミラーに向け、レーザビームの第１の周波数に応じて、円錐ミラーから特定の角度に送信ビームを向け、送信ビームが円錐ミラーから向けられる角度を変化させるために、レーザビームの周波数を第２の周波数にシフトさせ、レーザビームを周波数変調範囲にわたって第２の周波数で周波数変調する。ターゲットからの反射ビームは、受信機サブシステムで受信され、この方法は、送信ビームと反射ビームとを混合し相関付け、混合された送信ビームおよび反射ビームを表す信号の高速フーリエ変換を計算する。この方法は、混合および変換された信号におけるビート周波数を判定し、ビート周波数における中間周波数を特定し、ターゲットへの距離を判定するために、ビート周波数から、送信ビームと反射ビームとの間の時間遅延を推定し、ターゲットの速度を判定するために、ビート周波数からドップラシフト周波数を判定する。方法は、その後、送信ビームが３６０°の完全なスキャンにわたって円錐ミラーから向けられる角度を変化させるために、レーザビームの光周波数を、他の複数の周波数にシフトさせ、各個別の光周波数について、周波数変調するステップ、ターゲットから反射ビームを受信するステップ、混合し相関付けるステップ、高速フーリエ変換を計算するステップ、ビート周波数を判定するステップ、中間周波数を特定するステップ、時間遅延を推定するステップ、およびドップラシフト周波数を判定するステップを繰り返す。

[0009]本開示の追加の特徴は、添付の図面と併せて、以下の説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

３６０°の全ＦＯＶを提供するためのＳＰＰＲデバイスを含むＬＩＤＡＲシステムの等角図である。 ＬＩＤＡＲシステムにおける送信機サブシステムの正面図である。 送信機サブシステムの上面図である。 ＬＩＤＡＲシステムにおける受信機サブシステムの断面上面図である。 振幅変調されたスキャン型レーザビームを送信する送信機サブシステムと、ターゲットからの反射ビームを、直接検出を使用して受信および処理する受信機サブシステムとを示すＬＩＤＡＲシステムの概略ブロック図である。 送信機サブシステムにおいてＳＰＰＲデバイスの出力面上で送信されたレーザビームの図である。 ＳＰＰＲデバイスの入力面上で反射されたレーザビームの図である。 送信されたレーザビームの水平方向ｃおよび垂直方向ｄの視野を示す図である。 送信機および受信機サブシステムとインターフェースする中央信号プロセッサおよび二次信号プロセッサを含む、ＬＩＤＡＲシステムにおけるプロセッササブシステムのブロック図である。 送信機サブシステムにおける検出器のための信号処理要素を示す回路の概略図である。 スキャンされたビームの方位を判定する送信機サブシステムにおける検出器の図である。 図１１に示される検出器によって生成される信号の信号処理要素を示す回路の概略図である。 送信機サブシステムにおいてＤＦＢレーザビーム源の周波数を制御するための回路の概略図である。 送信機サブシステムにおいてレーザビームを変調するための変調器を制御するドライバを制御するための回路の概略図である。 送信機サブシステムの温度および受信機サブシステムの温度を読み取る回路のブロック図である。 受信機モジュールにおけるターゲットからの反射ビームを処理するための回路の概略図である。 単一ピクセル検出器にバイアス電圧入力を提供するための回路の概略図である。 距離データの点群を表示するための表示システムのブロック図である。 図５に示されるＬＩＤＡＲシステムの動作を示すフローチャート図である。 アルゴリズムが送信機サブシステムおよび受信機サブシステムの温度をどのように取得するかを示す方法の処理を示すフローチャート図である。 図５および図２７に示されるＬＩＤＡＲシステムにおける波長へのビーム方位の内部追跡およびロックを説明するフローチャート図である。 異なる単一ピクセル検出器間の切替を説明するフローチャート図である。 縦軸にレーザビーム周波数掃引、横軸に時間を示すグラフであり、図５に示されるＬＩＤＡＲシステムにおける送信ビームおよびターゲットからの反射ビームの周波数変調を示す図である。 縦軸にビート周波数、横軸に時間を示すグラフであり、周波数変調された送信ビームによる、送信された光ビームと、受信された光ビームとの間の光ビート周波数対時間の関係を示す図である。 縦軸にレーザビーム周波数、横軸に時間を示すグラフであり、図５および図２７に示すＬＩＤＡＲシステムにおける送信ビームと、３６０°のスキャンのための送信ビームの周波数において段階的に増加するスキャンでのターゲットからの反射ビームとの周波数変調を示す図である。 図２５に示されるグラフの拡大部分を示す図である。 周波数変調されたスキャン型レーザビームを送信する送信機サブシステムと、ヘテロダイン検出またはホモダインコヒーレント検出を使用してターゲットからの反射ビームを受信および処理する受信機サブシステムとを含むＬＩＤＡＲシステムの概略ブロック図である。 図２７に示されるＬＩＤＡＲシステムの動作を示すフローチャート図である。

[0038]周波数変調された送信ビームを３６０°のＦＯＶにわたってスキャンし、ターゲットから反射されたビームを処理するための方法に関する本開示の実施形態の以下の議論は、本質的に単なる例示であり、開示またはその用途もしくは使用を限定することは決して意図されない。

[0039]以下で詳細に論じられるように、本開示は、送信機サブシステム、受信機サブシステム、および信号プロセッササブシステムを含むＬＩＤＡＲシステムを説明する。送信機サブシステムおよび受信機サブシステムは、信号プロセッサを介して互いにフィードバックを提供するために、同期される。信号プロセッササブシステムはまた、関連する量を計算し、測距距離の点群を出力する。

[0040]図１は、送信機サブシステム１２および受信機サブシステム１４を含むＬＩＤＡＲシステム１０の等方タイプの図である。図２は、送信機サブシステム１２の正面図、図３は、上面図であり、図４は、受信機サブシステム１４の上面断面タイプの図である。送信機サブシステム１２は、分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザなどの狭線幅のコヒーレントレーザビーム源２０を含み、ここで、コヒーレントレーザビーム源２０は、周波数調整され、制限されたモードホッピングを伴う過酷な環境で動作することができ、たとえば、可視ＩＲ周波数範囲において、特定の用途に応じて様々な光学構成要素を含むオプトエレクトロニクスアーキテクチャ１６へ、コヒーレントレーザビーム１８を放射する。たとえば、アーキテクチャ１６は、レーザビーム１８がレーザビーム源２０に逆反射するのを防ぐための光アイソレータを含み得る。具体的には、レーザビーム源２０に反射して戻される光は、レーザキャビティにおけるビームジッタを引き起こし、出力レーザビーム１８の強度変動またはレーザ波長におけるスプリアス周波数シフトを引き起こし得、これは、レーザキャビティにおけるモードを不安定にし、レーザビーム源２０をロックから外す。光アイソレータからのビーム１８は、レーザビーム強度を変調する変調器、たとえば音響光学変調器（ＡＯＭ）にファイバ結合され、駆動回路構成は、レーザパルス変調のタイミングを追跡する。アーキテクチャ１６はまた、単一光学モード、たとえば、ＴＥＭ_００ガウスモードにおいて、ビーム１８を維持する光ファイバなどの導波路を含み得る。代替実施形態では、単一モード光ファイバの代わりに他の光学素子を使用して、ＴＥＭ_００ガウスモードを提供することができる。アーキテクチャ１６はまた、その偏光に基づいて光ビームを分離する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）（以下でさらに詳細に説明する）、および偏光回転子（ＰＲ）を含み得る。この実施形態では、ＤＦＢレーザは、レーザビーム源２０であるが、周波数調整可能ダイオードレーザ、周波数調整可能ファイバレーザ、外部キャビティレーザ、および分散ブラッグ反射体（ＤＢＲ）レーザなどの複数の他の狭線幅またはパルスレーザ源が適切である。レーザビーム源２０の出力、および場合によっては他の電気光学構成要素の電力定格に応じて、高出力電力のために、ＰＢＳの前に光増幅器を含めることができる。

[0041]単一モードビーム１８は、エタロン２２を介してＳＰＰＲデバイス２６に送られ、ＳＰＰＲデバイス２６は、３６０°のＦＯＶにおいてスキャンできるように、ビーム１８の形状を変更し、円錐反射体２４に向けて放射し、ここで、スキャン方向は、レーザビーム１８の増加または減少する光周波数に基づく。ターゲットにおけるスペックルは、円錐反射体２４の周りにディフューザを使用するか、円錐反射体２４の粗い表面を設計することによって回避できる。上記で参照された第１５／９２８，３４７号出願は、この文脈におけるＳＰＰＲデバイス２６のより詳細な説明を提供する。ＳＰＰＲデバイス２６は、ガラスなどの光学的に透明なブロック２８と、反射材料コーティングを有するポリマ層などの段階的スパイラル反射体３２とを含み、出力ビームが伝播し、デバイス２６から出力されるように、十分に光学的に透過性のあるブロック２８の出力側に、高さΔｈを有する方位角方向に変化するステップ３６を有する。この設計では、ブロック２８上に反射面を提供するために、滑らかな反射材料コーティングが採用されているが、代替設計では、ブロック２８におけるビーム１８の反射率を提供するために、ナノスケール構造を使用できる。

[0042]ビーム１８が、表面反射率なしでブロック２８を通って伝播した場合、明確に定義された回転数を有する光渦ビームが、デバイス２６の出力面上に生成され、デバイス２６は、スパイラル位相プレートとして機能するであろう。デバイス２６の対向する表面に、有限の反射率を提供し、徐々に変化する方位角厚さを有する反射体３２を提供することにより、デバイス２６は、スパイラル位相プレート共振器として動作し、ビーム１８は、特定の正の回転数で分離された光渦のコヒーレントな重ね合せとしてデバイス２６から出力される。言い換えれば、デバイス２６内のビーム１８の各反射は、デバイス２６から出力される固有の位相を有する個々の光渦ビームを生成する。

[0043]受信機サブシステム１４は、以下で論じられるシステム１０に関連付けられた様々なプロセッサおよび電気ハードウェアを収容する円筒形状のハウジング４０を含む。アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）またはシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）など、高速かつ高感度の検出器４４を各々含む多数の検出器モジュール４２は、特定の構成でハウジング４０に取り付けられ、これによって、検出器４４は、任意のビーム方向で対象のターゲットから反射されたビームを検出する位置にあるように、適切な行および列におけるようなハウジング４０の外面４６に配置される。別の実施形態では、単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）も使用することができる。各検出器モジュール４２は、ハウジング４０内に延びる回路基板４８を含む。この実施形態では、３６０°の全ＦＯＶをカバーするために、３６個の単一ピクセル検出器のネットワークが提供され、検出器４４の列が、ハウジング４０において３０°離れているが、検出器の視野のために、複数の配置において、異なる数の検出器が存在し得る。

[0044]図５は、ＬＩＤＡＲシステム１０の１つの非限定的な例を表すＬＩＤＡＲシステム５０の概略ブロック図であり、システム５０は、送信機サブシステム５２と、複数の検出器モジュール５６を含む受信機サブシステム５４と、信号プロセッササブシステム５８とを含む。送信機サブシステム５２は、レーザビーム源７０と、アイソレータ７２と、変調器７４と、導波路７６と、ＰＢＳ７８と、ＰＲ８０と、高フィネスエタロン６８に取り付けられたＳＰＰＲデバイス８２と、オブジェクト８８までの距離を判定できるように、受信機サブシステム５４によって受信される反射ビーム１０８としてオブジェクト８８から反射され、上述した方式で３６０°のＦＯＶで送信およびスキャンされたビーム８６を提供する円錐ミラー８４とを含む。特に示されていないが、レーザビーム源７０によって生成されたレーザビーム８６は、光増幅器によって増幅される可能性が高いことに留意されたい。送信機サブシステム５２を通過し、送信されるすべての段階での前方伝搬レーザビームは、以下、ビーム８６と呼ばれる。

[0045]変調器７４からのビーム８６は、導波路７６の端部においてコリメータ（図示せず）によって導波路７６に、そしてＰＢＳ７８にファイバ結合される。ＰＲ８０は、デバイス８２へのビーム８６の各通過中、ビーム８６の偏光を、４５°回転させる。より具体的には、ＰＲ８０を前方に通過し、その後、ＰＲ８０を後方に通過する光ビームの場合、偏光は９０°回転される。その後、ビーム８６は、ＳＰＰＲデバイス８２に結合され、ここで、ＳＰＰＲデバイス８２からの弱い反射による後方伝搬ビーム１２２が生成され、そのために、ビーム８６の方位が内部的に判定される。ＰＲ８０とＰＢＳ７８とが結合すると、レーザビーム源７０に向かう後方伝搬ビーム１２２が低減する。ＳＰＰＲデバイス８２からの反射ビーム１２２は、ＰＲ８０によって偏光回転されて、入射ビーム８６とは異なる偏光を有し、その結果、ＰＢＳ７８を通って送信されるのではなく、ＰＢＳ７８によって反射される。ＳＰＰＲデバイス８２から出現する送信ビーム８６は、コリメートされ、ビーム８６は、円錐ミラー８４から所望のＦＯＶに反射される。

[0046]図６は、ビーム８６の方向における光領域６２を示す、ＳＰＰＲデバイス８２の出力面における透過レーザビーム８６の図であり、図７は、ヌル６４を示すＳＰＰＲデバイス８２の入力面における反射レーザビーム１２２の図であり、図８は、水平ｃおよび垂直ｄの視野を示すビーム８６の図である。

[0047]ビーム８６のスキャンは、以下に従って、送信機サブシステム５２におけるＳＰＰＲデバイス８２によって達成される。

ここで、φ_０は、送信機から出現する光ビームの角度位置であり、δ_νは、レーザ周波数の変化であり、νは、中心レーザ周波数であり、Δｈは、デバイス８２の方位角ステップ高さであり、ｈ_０は、基板高さである。式（１）は、ほとんどのＳＰＰＲ設計に典型的であるΔｈ＜＜ｈ_０を仮定し、デバイス８２は均一な屈折率を有する。

[0048]ビーム８６の回転速度は、以下のように定義される。

[0049]上記式から、レーザビーム８６のスキャン速度は、レーザビームの周波数の変化速度に正比例することが明らかである。レーザビーム源７０は、非常に高速に調整できるので、調整速度は、ビーム８６の３６０°のスキャンで例示される。

[0050]エタロン６８なしで、ＳＰＰＲデバイス８２の全調整範囲をカバーするようにビーム８６が広げられた場合、ビーム８６は３６０°の全ＦＯＶにおいて円錐ミラー８４から同時に出現するので、スキャン分解能が低下する。エタロン６８は、調整可能な広帯域レーザが使用される場合、光学フィルタとして機能するが、それにも関わらず、レーザビーム周波数調整の増分は、３６０°の角度内で、ビーム８６の方位を変えることを可能にする。位置合わせは、送信機サブシステム５２における光学構成要素によって維持される。これは、ほとんどの光学素子が互いにファイバ結合されており、ＰＢＳ７８からＳＰＰＲデバイス８２までの光学素子間に小さなエアギャップがあるためである。これは、ビーム８６の方位に関する情報を与える後方反射光学モードを保ち続けることを可能にする。エアギャップは、エバネッセント場の減衰を可能にし、内部散乱光を排除するのに十分な大きさであるが、システムをコンパクトに保つのに十分な小ささである。このエアギャップを囲む光学素子は、動きを防ぐために堅固に固定される。この位置合わせは、システムの振動が存在する場合でさえも、維持されることが期待される。

[0051]信号プロセッササブシステム５８は、送信機サブシステム５２および受信機サブシステム５４に入るデジタル信号を調整および合成する。これは、パルスのタイミング、変調周波数、ビーム８６の大きさ、および送信機サブシステム５２および受信機サブシステム５４の電子信号の位相を含む。また、送信機と受信機の電子デジタル信号を、ヘテロダイン化するためのプラットフォームも提供する。言い換えれば、直接検出によって得られる送信機および受信機の信号は、信号の振幅の時間遅延を判定するために電子的に混合される。サブシステム５８は、信号を生成、受信、および合成することができるフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を有するフレキシブルデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含み得る。ＦＰＧＡデジタルプロセッサは、組み込まれた有限パルス応答フィルタ（および、他のフィルタ）、高速フーリエ関数、離散コサイン関数のみならず、乗算結果を効率的に組み合わせるための組み込まれた加算、減算、および累積ユニットを有する。プロセッサはまた、送信機サブシステム５２および受信機サブシステム５４と通信するための複数の入力／出力インターフェース、ならびに外部メモリ、および他の制御のためのインターフェースを有する。複数のＦＰＧＡを並列に接続して、処理を高速化できる。別の実施形態では、マイクロコントローラユニットまたはグラフィックプロセシングユニット（ＧＰＵ）を、デジタル信号プロセッサ、またはデジタル信号プロセッサの一部として使用できる。

[0052]送信機サブシステム５２および受信機サブシステム５４における構成要素とインターフェースするいくつかの二次信号プロセッサがある。二次プロセッサは、いくつかのアルゴリズムを使用して信号出力を計算する、中央信号プロセッサに接続される。図９は、中央信号プロセッサ９０と、レーザビーム源７０および変調器７４を制御する二次信号プロセッサ９２と、以下に詳細に論じられる検出器信号を受信および処理する二次信号プロセッサ９４と、また以下に詳細に論じられる送信機サブシステムおよび受信機サブシステムの温度センサから温度信号を受信する二次信号プロセッサ９６と、受信機サブシステム５４を制御する二次信号プロセッサ９８とを含む、信号プロセッササブシステム５８のブロック図である。様々なプロセッサクロックも、適切なタイミングのために同期される。システム５０において診断を実行するための中央信号プロセッサ９０への入力もある。

[0053]二次信号プロセッサ９２、９４、および９６と連携して中央信号プロセッサ９０によって実施される選択アルゴリズムは、０から３６０°まで送信ビームをスキャンし、受信機サブシステム５４によって反射ビーム１０８を検出するアルゴリズムと、ビーム位置の内部追跡のためのアルゴリズムと、異なる単一ピクセル検出器を切り替えるためのアルゴリズムと、送信機サブシステム５２および受信機サブシステム５４の温度を報告するためのアルゴリズムとを含む。信号プロセッサ９２と中央信号プロセッサ９０との交換は、レーザビーム８６の周波数のスキャン、ならびに変調器７４のタイミングを制御する。二次信号プロセッサ９４と中央信号プロセッサ９０との交換は、以下に論じるように、送信機サブシステム５２における検出器の積分時間、ならびに送信ビーム８６の初期方位の判定、およびビーム８６の波長に対するビーム方位の定期的な較正およびロックを制御する。中央信号プロセッサ９０と二次信号プロセッサ９６との交換は、検出器モジュール５６における検出器を制御し、これは、検出器モジュール５６間の切替のためのバイアス電圧、ならびに反射ビーム１０８のタイミングおよび利得を含む。検出器モジュール５６の積分時間は、可変である可能性がある。二次信号プロセッサ９８と中央信号プロセッサ９０との交換は、送信機サブシステム５２および受信機サブシステム５４のチップ温度を読み取り、温度によって引き起こされる変化を補正する。信号プロセッサ９２、９４、９６および９８は、中央信号プロセッサ９０を介して情報を交換することに留意されたい。これらのアルゴリズムのより詳細な議論は、この議論の後半で与えられる。

[0054]ＰＢＳ７８からの反射ビーム１２２は、ビームスプリッタ１００によって分割され、分割ビームのうちの１つの分割ビームは、検出器１０２に送られ、他の分割ビームは、送信機サブシステム５２におけるいくつかの検出器１０６を含む検出器アセンブリ１０４に送られる。検出器１０２は、高速ダイオードなどの高速検出器であり、ＳＰＰＲデバイス８２におけるビーム８６のタイミングおよび強度変調のみならず、発生する可能性のあるエタロン６８の自由スペクトル範囲における変化による縦モードにおける任意のシフトを追跡する。検出器１０２からの電気信号は、二次信号プロセッサ９４に送られる前に、回路１１０によって調整される。

[0055]図１０は、検出器１０２からの電気信号を処理する回路１１０の概略図であり、ここで、検出器１０２は、ダイオード１１２として示され、二次信号プロセッサ９４は、信号プロセッサ１１４として示される。ダイオード１１２からの電気信号は、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１１６によって増幅され、帯域通過フィルタ１１８によって帯域通過フィルタリングされ、その後、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）１２０によってデジタル信号に変換される。検出器１０２からの電気信号は、レーザビーム源７０に提供される信号を変更し、受信機サブシステム５４の一部を選択する。送信機サブシステム５２からの電気信号のいくつかは、距離範囲判定および誤り訂正のために、受信機サブシステム５４における適切な検出器モジュール５６からの電子信号と混合される。

[0056]円錐ミラー８４からＦＯＶに反射されるときのビーム８６の角度方位は、検出器アセンブリ１０４によって内部的に測定される。より具体的には、方位角度は、ＳＰＰＲデバイス８２からの弱い後方反射を測定することによって内部的に測定される。検出器アセンブリ１０４は、ビームの方位角をリアルタイムで認識するための、ならびに波長を較正し、送信ビーム８６の角度位置にロックするための内部メカニズムを形成する。二次信号プロセッサ９４に提供されるフィードバックはまた、受信機サブシステム５４における検出器モジュール５６間の適切なパワーサイクリングを可能にする。

[0057]図１１は、反射ビーム１２２を分割するビームスプリッタ１００を示す検出器アセンブリ１０４の概略図である。反射ビーム１２２は、その後、ＧＲＩＮレンズなどの短焦点距離レンズ１３０を使用して、回折遠方場に投射される。アパーチャデバイス１３２は、レンズ１３０の後ろに配置され、高速ダイオードなどの８つの単一ピクセル検出器１３６に個別にファイバ結合された８つのアパーチャ１３４を含む。レーザビーム８６の周波数は、ある周波数から別の周波数に調整されるので、光は、１つまたは複数のアパーチャ１３４を通過しない。各アパーチャ１３４は、対応する検出器１３６にファイバ結合されているので、ヌル６４を読み取る検出器１３６は、ビームの方位角を示し、したがって、検出器１３６は、ビーム８６の対応するスキャン投影角度も読み取る。

[0058]検出器アセンブリ１０４は、４５°離された８つの検出器１３６を含むが、多かれ少なかれ単一ピクセル検出器と、アパーチャとの組合せが、存在し得る。精度および正確さを向上させるために、アパーチャと検出器との組合せを、非対称方式で、円に沿って配置することができる。つまり、一部のアパーチャと検出器との組合せは、４５°離されているが、他は、より重要な数字で、より小さな、またはより大きな角度で離される。このようにして、これらの角度がわかれば、ビームの正確な初期方位もわかる。

[0059]検出器１３６からの電気信号は、二次信号プロセッサ９４に送られる前に処理される回路１４０に提供される。図１２は、特定の要素を示し、各検出器１３６のための検出器モジュール１４４と、二次信号プロセッサ９４を表す信号プロセッサ１４６とを含む回路１４０の概略図である。各検出器モジュール１４４は、検出器モジュール１４４からの信号を受信および増幅するトランスインピーダンス増幅器１４８と、増幅された信号をフィルタリングする帯域通過フィルタ１５０と、増幅およびフィルタリングされた信号をデジタル信号へ変換するアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）１５２とを含む。すべての検出器モジュール１４４からのデジタル信号は、信号プロセッサ１４６に送られ、その結果、システム５０は、レーザビーム源７０からのレーザビーム８６の波長が変化するときにビーム８６の方位を知る。

[0060]二次信号プロセッサ９２は、信号をレーザビーム源７０に送り、回路１６０を介してビーム８６の周波数を調整する。図１３は、回路１６０の概略図であり、二次信号プロセッサ９２を表す信号プロセッサ１６２と、レーザビーム源７０を表すダイオード１６４とを示す。信号プロセッサ１６２からのデジタル調整信号は、ＤＡＣ１６６によってアナログ信号に変換され、その後、ＦＥＴスイッチ１７０を制御して、ダイオード１６４に電力を供給する相互コンダクタンス増幅器１６８によって増幅される。指定された開始時間において、ＤＦＢレーザの波長は、ダイオード１６４へのダイオード電流を変えるか、または、適切なコマンド信号を介して調整される。

[0061]変調器７４は、レーザビーム８６の振幅または強度変調を提供する。変調器７４を駆動する信号はまた、二次信号プロセッサ９２によって生成され、回路１７４およびドライバ１７６を介して変調器７４に提供され、回路１７０は、プロセッサ９２からのデジタル信号をアナログ信号へ変換するためのＤＡＣを含む。レーザビーム８６は、ＡＯＭによって直接強度変調することができるか、またはマッハツェンダ変調器を使用して、さらに高い帯域幅で強度を変調できることに留意されたい。ＡＯＭと同様に、バイアスがマッハツェンダ変調器に適用される。

[0062]図１４は、回路１７４の代わりに使用することができる回路１８０の概略図であり、プロセッサ９２からデジタル信号を受信する振幅変調器１８２、振幅変調信号を受信するミキサ１８４、および変調信号を増幅する無線周波数増幅器１８６を含む。

[0063]温度センサ１９０は、送信機サブシステム５２の温度を測定し、各検出器モジュール５６における温度センサ１９２は、受信機サブシステム５４の温度を測定する。温度測定値は、クロックジェネレータ１９６を含む、図１５に一般的に示される回路１９４に提供される。送信機サブシステム５２からの温度の定期的な更新は、レーザビーム８６の波長を調整して、ＳＰＰＲデバイス８２およびレーザビーム源７０が受ける遅い熱ドリフトを補償する。エタロン６８からの後方反射はまた、縦モードにおけるシフト、すなわち、測距のために、強度変調の高速時間スケールと比較して非常に遅い時間スケールでの、ＳＰＰＲデバイス８２の自由スペクトル範囲における変化を通じて、同様の情報を提供する。特殊なアルゴリズムを使用すると、ＳＰＰＲデバイス８２における熱光学効果によって、有害な測定値が得られるとは考えられない。これは、ビーム８６を回転させるためにレーザビーム周波数が変化する時間スケールが、ＳＰＰＲデバイス８２の温度誘導膨張が存在する時間スケールよりもはるかに高速であるためである。温度を読み取って、熱的に誘発される可能性のあるレーザ周波数シフト、およびＳＰＰＲデバイス８２の膨張を補正するための１つのアルゴリズムが、この説明の後半で論じられる。

[0064]送信機サブシステム５２からのビーム８６は、オブジェクト８８に移動し、反射ビーム１０８として反射して受信機サブシステム５４に戻され、そこで１つまたは複数の検出器モジュール５６によって検出される。狭帯域通過光学フィルタ２００は、モジュール５６の各々の前に配置され、たとえば日光のような、周囲の任意の背景光を大幅に低減する。レーザビーム８６の周波数は、送信ビーム８６の方向を変化させるために、中心レーザ周波数ν_０と比較して比較的狭い範囲Δνにわたって調整される。これは、ＳＰＰＲデバイス８２に入る光周波数

におけるわずかな変化によって定量化できる。送信機サブシステム５２から出現する狭周波数範囲は、帯域通過フィルタ２００が１ｎｍよりもはるかに狭くなることを可能にし、したがって、かなりの背景光を戻す。レンズ２０２は、各モジュール５６における単一ピクセル検出器２０４の前に配置され、検出器のＦＯＶを拘束し、したがって、たとえば日光のような背景光をさらに低減する。代替実施形態では、レンズ２０２からの光は、光ファイバを介して各検出器２０４に結合される。

[0065]検出器２０４からの電気信号は、図１６に示される回路２１０を介して二次信号プロセッサ９８に送られ、ここで、信号プロセッサ９８は、信号プロセッサ２１４によって示され、検出器２０４は、ダイオード２１２によって示される。特に、ダイオード２１２からの信号は、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）２１６および可変利得増幅器（ＶＧＡ）２１８によって増幅され、ここで、ＶＧＡ２１８は、信号プロセッサ２１４から利得信号を受信し、帯域通過フィルタ２２６によってフィルタリングされ、その後、ＡＤＣ２２２によってデジタル信号に変換される。

[0066]二次信号プロセッサ９８は、ＶＧＡ２１８を介して検出器２０４の適切な利得レベルを、回路２２４を介して検出器２０４の適切な変調バイアスを判定して、検出器２０４をオンまたはオフにする。図１７は、回路２２４の概略図であり、信号プロセッサ２１４からの変調バイアス信号が、ＤＡＣ２２６によってアナログ信号に変換され、その後、ダイオード２１２に送られる前にＴＣＡ２２８によって増幅されることを示す。検出器２０４を適切な時間にオンおよびオフにすること、すなわち、パワーサイクリングは、低電力動作のために重要である。別の実施形態では、時間デジタル変換器（ＴＤＣ）を使用して、パルス到着時間を信号プロセッサのデジタル出力に直接変換することができる。

[0067]中央信号プロセッサ９０は、距離発見情報をディスプレイ２３０に表示する。図１８は、距離発見情報をどのように表示できるかを示すシステム２３２の概略ブロック図である。信号プロセッサ２３４によって表される信号プロセッサ９０からのデータは、データを周波数領域に変換する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）モジュール２３６に、その後、記憶のために、メモリアレイ２３８に送られる。メモリアレイ２３８からのデジタルデータは、その後、ＤＡＣ２４０によってアナログデータに変換され、その後、ＶＧＡ２４２によって増幅され、ディスプレイ２４４に表示される。

[0068]いくつかの０から３６０°のＦＯＶ ＬＩＤＡＲシステムのために、異なる送信機エミッタと、受信機検出器との間にクロストークが発生する可能性があり得、この場合、１つのレーザ源から放射された光が、別の検出器によって誤って受信される。送信機におけるＳＰＰＲデバイスに基づく３６０°のＦＯＶ ＬＩＤＡＲシステムは、３６０°の全ＦＯＶにおいてレーザビームをスキャンできる送信機が１つしかないため、この問題を軽減し、外向きに伝搬するビームの各角度は、対応する受信機角度ＦＯＶにロックされる。レーザビームがスキャンされるときに異なる受信機検出器２０４を切り替えることにより、クロストークを防止し、したがって、距離範囲推定における誤った値を低減する。

[0069]システム５０がビーム８６を０から３６０°までスキャンし、オブジェクト８８からの反射ビーム１０８を検出できるように、レーザビーム源７０は、周波数υ_１でレーザビーム８６を生成し、これは、角度φ１でミラー８４から反射されたビーム８６の方位に対応し、ここで、ν_１∝φ_１∈［０，２π］である。周波数υ_１は、角度φ_１においてビーム方位を得るためのレーザビーム８６の第１の周波数である。温度補償後、信号プロセッサ９２は、ソース７０のダイオード電流を増減するコマンド信号を送り、レーザビーム８６の周波数を周波数υ_２に変化させる。その後、周波数υ_２において、レーザビーム８６は、Ｎ個の変調された強度パルスを用いて、時間τ_２の間、変調器７４によって、変調周波数Ω_０で振幅または強度変調される。レーザビーム周波数υ_２は、送信機サブシステム５２から伝搬する明確に定義されたビーム角度φ_１に対応する。プロセッサ９２におけるクロックは、信号を送信機の光学構成要素、すなわち、レーザビーム源７０および変調器７４へ送り、Ｎ個のパルスまたは変調を生成する。この電子信号はまた、プロセッサ９４、９６と同期され、プロセッサ９４、９６は、電子信号を送り、受信機サブシステム５４における関連する検出器モジュール５６をオンおよびオフにする。マルチパス干渉の緩和を含む高い信号対雑音比を保証するために、変調器７４は、レーザビーム周波数υ_２に対して、いくつかの異なる強度変調周波数、すなわち、Ω_１、Ω_２、Ω_３、．．．で変調され、レーザビーム８６は、受信機サブシステム５４において「オン」である検出器モジュール５６と同期される。後述する図２１を参照されたい。その後、距離範囲は、送信機サブシステム５２においてビーム８６を変調するために送られた電子デジタル信号と、検出器モジュール５６の列に入射して返された光強度から判定される受信機サブシステム５４からの電子デジタル信号受信機信号と、信号プロセッサ９２によって内部的に生成された基準信号との相互相関から計算される。場合によっては、基準信号は、変調された電子送信信号と同じである。この相互相関は、デジタル信号プロセッサ９２によって実行され、送信された信号と、受信された信号との間の位相を追跡し、その結果、オブジェクト８８までの距離を計算する。上記のステップは、レーザビーム８６が０から３６０°すべてを描く、すなわち、φ_３、φ_４、φ_５、．．、φ_Ｎ＝２πｒａｄまで、レーザビーム８６の周波数υ_３、υ_４、υ_５、．．、υ_Ｎについて繰り返される。送信ビーム８６を反射するターゲットまでの測距のための点群が計算され、表示される。横方向の分解能を改善する目的で、ビーム８６をスキャンしている間、レーザビーム周波数を各角度でディザリングすることができる。

[0070]ビーム８６の方位反射角は、送信機サブシステム５２において内部的に追跡される。ＳＰＰＲデバイス８２からのビーム８６の後方反射は、ＳＰＰＲデバイス８２の出力面上のビーム方位を示す。各高速検出器１３６の位置は、送信機サブシステム５２から出現するビーム８６の角度φ_１に対応する。高速検出器１３６のうちの１つの高速検出器１３６は、後方反射ビーム、すなわちヌル信号を読み取り、ビーム角度位置を信号プロセッサ９４に報告する。検出器光信号からのデジタル信号と、特定のレーザ周波数に対応するデジタル信号（レーザ電流）との間の重み付けられた相互相関は、ＳＰＰＲデバイス８２の出力面上の方位に波長をロックするプロセッサ９２によって実行される。これは、ビーム方位を波長に動的にロックするスキームである。良好な測定の場合、システム５０から出現する送信ビーム８６の位置が報告される。不良な測定の場合、レーザビーム８６の周波数は増分で調整され、良い測定が得られるまでステップが再度実行される。この動作を実行する時間は、ビーム８６が３６０°の全スキャンを行うのに費す時間よりも短くする必要がある。最初の較正測定後、この測定は、３６０°のＦＯＶにわたるビーム８６のスキャン内で、連続する時間間隔で実行される。これは、送信機サブシステム５２から出現するビーム８６の正確で高精度な角度、ならびに検出器２０４の適切なパワーサイクリングを保証する。

[0071]アルゴリズムは、送信機サブシステム５２から放射されるビーム８６の角度位置に応じて、受信機サブシステム５４における単一ピクセル検出器２０４のうちの別の単一ピクセル検出器２０４を、オン状態およびオフ状態に切り替える。レーザビーム源７０に入る電流またはコマンド信号に対応するレーザビーム８６の特定の周波数について、プロセッサ９２は、レーザビーム８６の現在位置を、レーザビーム８６の新しい位置に変化させる。新しい検出器位置に対応するバイアス電圧がオンになり、古い検出器位置に対応するバイアス電圧がオフになる。検出器モジュール５６の列が、反射ビーム１０８からあまりにも多くの光を受け取る場合、アルゴリズムはより短い期間で完了し、送信機サブシステム５２からのビーム８６のピーク強度を低減する。検出器２０４が反射ビーム１０８から受け取る光が少なすぎる場合、アルゴリズムはより長い期間で完了する。アルゴリズムは、スキャン角度ごとに短時間の完了と長時間の完了とを交互に行う。これにより、高い動作速度を保証しながら、より多くのノイズ源を排除できる。

[0072]温度の変化を報告するために、デジタル信号プロセッサ９６は、センサ１９０、１９２から初期温度を読み取る。これらの測定値から、ＳＰＰＲデバイス８２における縦モードの数および幅が推定され、そのために、ＳＰＰＲデバイス８２の自由スペクトル範囲が計算される。ＳＰＰＲデバイス８２における縦モードにおける変化またはシフト、ならびにサブシステム５２、５４それぞれにおけるセンサ１９０、１９２からの温度の変化について、アルゴリズムは、送信機サブシステム５２におけるレーザビーム８６の周波数と、受信機サブシステム５４における検出器モジュール５６のバイアス電圧とを調整する。温度が読み取られる時間間隔は、送信機のスキャン速度から判定される。

[0073]上記の議論は、以下のフローチャート図で示される。図１９は、上記で論じたようなＬＩＤＡＲシステム５０の動作を示すフローチャート図２５０である。ボックス２５２において、アルゴリズムは、ボックス２５４において提供された送信機サブシステム５２および受信機サブシステム５４の個々の重要な構成要素のいくつかの温度に基づいて、レーザビーム源７０によって生成されるレーザビーム８６の光周波数υ_１を設定する。温度を判定する目的は、光学および電気光学構成要素のみならず、電子構成要素に熱光学効果を引き起こす温度におけるあらゆる変化が、適切に補償されることを保証するためである。ほとんどの電子構成要素には、デジタル信号プロセッサを含む温度センサがすでに組み込まれている。

[0074]図２０は、アルゴリズムが、送信機サブシステム５２および受信機サブシステム５４の温度を、どのように取得し得るのかに関する処理を示すフローチャート図２６０である。二次信号プロセッサ９６において動作するアルゴリズムは、ボックス２６２において、センサ１９０、１９２から温度測定値を読み取り、二次プロセッサ９４において動作するアルゴリズムは、ボックス２６４において、検出器１０２、１０４の出力を読み取る。その後、アルゴリズムは、ボックス２６６において、ＳＰＰＲデバイス８２における縦モードの数および幅を推定する。この測定値から、ＳＰＰＲデバイス８２の自由スペクトル範囲を判定できる。自由スペクトル範囲からのＳＰＰＲデバイス８２における縦モードにおける変化もしくはシフト、またはセンサ１９０、１９２からの温度測定がある場合、アルゴリズムは、ボックス２６８において、受信機サブシステム５４において、レーザビーム８６の周波数と、検出器モジュール５６のバイアス電圧とを変化させる。アルゴリズムは、その後、ボックス２７０において、ビーム８６のスキャン速度によって判定された速度で温度を読み取る。

[0075]図１９に戻って示すように、アルゴリズムは、その後、ボックス２７２において、ビーム８６の光周波数を周波数υ_２にシフトさせ、その後、時間τの間、強度変調周波数Ω_０でビーム８６を強度変調する。アルゴリズムは、その後、ボックス２７４において、オブジェクト８８に向かって送信される強度変調ビーム８６を内部的に追跡する。

[0076]図２１は、アルゴリズムがビーム８６の内部追跡をどのように提供するかを示すフローチャート図２８０である。アルゴリズムは、ボックス２８２において、ＳＰＰＲデバイス８２からの反射ビーム１２２を監視し、ボックス２８４において、検出器２０４をオン状態にし、ボックス２８６において、検出器２０４のうちの１つの検出器２０４で、反射ビーム１０８を読み取る。アルゴリズムは、その後、ボックス２８８において、検出器デジタル信号と、レーザビーム周波数υ_２に対応する信号との重み付けされた相関付けを提供する。アルゴリズムは、その後、ボックス２９０において、良好な測定の場合、レーザビーム８６の角度位置を報告し、不良な初期測定の場合、レーザビーム８６の周波数にシフトさせ、再度測定を行う。初期較正後、アルゴリズムは、ボックス２９２において、連続した間隔で測定値を報告する。

[0077]再び図１９に戻って示すように、アルゴリズムは、ボックス２９４において、プロセッサ９０、９２、９４、９６、９８、１１４、１４６、１６２、２１４、および２３４におけるクロックと、送信機サブシステム５２および受信機サブシステム５４におけるオプトエレクトロニクス構成要素における電子構成要素とを同期させる。その後、アルゴリズムは、ボックス２９６において、複数の強度変調周波数Ω_１、Ω_２、Ω_３、．．．、Ω_Ｎにおいてレーザビーム８６を体系的に強度変調し、強度変調されたレーザビーム８６を、検出器モジュール５６と同期させる。この同期は、プロセッサ９０、９２、９４、９６、９８、１１４、１４６、１６２、２１４、および２３４が、オン状態の検出器２０４に電子信号を送信して、プロセッサへの戻り電子信号が存在する戻り光強度パルスを受信し、信号をレーザビーム源７０および変調器７４に送信することによって発生する。アルゴリズムは、その後、ボックス２９８において、オブジェクト８８への測距パラメータを計算するために、電気光学素子信号、すなわち、送信機サブシステム５２におけるレーザビーム源７０および変調器７４、受信機サブシステム５４における検出器２０４の信号と、信号プロセッサ９０によって生成された基準信号との間の相関付けを実行する。その後、ボックス２５２、２７２、２０４、２９６、および２９８からの処理が、３６０°のＦＯＶのために、様々なレーザビーム周波数υ_３、υ_４、υ_５、．．．、υ_Ｎに対してボックス３００において繰り返される。この動作は、検出器モジュール５６における別の検出器モジュール５６を使用する必要があり、ボックス３０２では、モジュール５６間の切替が行われる。

[0078]図２２は、検出器２０４のうちの別の検出器２０４間で切替またはパワーサイクリングするための処理を示すフローチャート図３０４である。ボックス３０６において、アルゴリズムは、フローチャート図２８０から得られたビームの角度位置を報告する。各レーザ周波数において、検出器２０４の１つまたは複数の列は「オン」状態にあり、他の検出器２０４は「オフ」状態にある。検出器２０４のネットワークにおける「オン」状態と「オフ」状態との間のパワーサイクリングは、電力損失を低減し、その結果、構成要素の内部加熱を低減する。レーザビーム８６の周波数変化に比例する、送信されたレーザビーム８６の空間位置は、レーザビーム８６の角度スキャン中にそれらの「オフ」状態から「オン」状態になる検出器２０４の列を判定する。これは、信号プロセッサ９８が回路２２４を介してバイアス電圧を返し、検出器モジュール５６の切替動作を実行する、送信機サブシステム５２における検出器アセンブリ１０４からの内部信号の合成によって行われる。これらの単一ピクセル検出器の応答速度は、数十メガヘルツを超え、したがって、検出器２０４間のパワーサイクリングは非常に高速である。アルゴリズムは、その後、ボックス３０８において、検出器２０４の適切な列をオンにし、ボックス３１０において、反射ビーム１０８を受信する。アルゴリズムは、ボックス３１２において、スキャン動作中、新しい検出器の位置に対応するバイアス電圧をオンにし、古い検出器の位置をオフにする。完了時間は、ボックス３１４において、異なる受信光レベルに対して変化する。その後、ボックス３１６において、オブジェクト８８の測距点群が計算され、表示される。

[0079]上記で論じたシステム５０は、レーザビーム８６の振幅または強度変調を使用して、オブジェクト８８の距離範囲点群を抽出する。代替実施形態では、システム５０は、レーザビーム８６の周波数変調を使用することによって、オブジェクト８８の距離範囲点群を抽出するように変更できる。ターゲットの範囲および速度を得るために、ＬＩＤＡＲシステムにおいてレーザビームを周波数変調することは、当該技術分野で知られている。しかしながら、本開示は、その技法を、ＳＰＰＲデバイス８２と組み合わせて、可動部品なしで３６０°のスキャンを提供する。周波数変調方法の利点は、同じ光信号から距離と速度、最も重要なことには、長距離かつ高分解能の測距の情報を明確に抽出することを含む。この実施形態では、変調器７４は、ビーム８６のオブジェクト８８への移動時間およびその逆の移動時間に対してレーザビーム８６を振幅変調しないが、ビーム８６の強度を、長い方形パルスで変調することによってビーム８６に周波数バイアスを加え、ノイズ除去およびタイミング同期のために、送信されたレーザビーム８６および反射されたビーム１０８をゲート制御するのに役立つ。

[0080]ビーム周波数変調を適用するこのタイプのＬＩＤＡＲシステムでは、レーザビーム８６の周波数は、ΔＦ＝Ｆ_２－Ｆ_１の周波数範囲にわたって線形三角波形によって変調され、ここで、Ｆ_１およびＦ_２はそれぞれ、ビーム８６の波形の開始（低）周波数および停止（高）周波数である。レーザビーム８６を送信してから、反射されたビーム１０８を受信するまでの時間遅延Δｔおよびレーザ掃引速度ｓ_{ｌａｓｅｒ}

は、周波数ｆ_Ｄｉｓからオブジェクト８８までの距離範囲Ｄ_Ｒを判定するために使用され、ここで、

であり、ここで、Ｃは光の速度であり、

は、三角波形でレーザビーム周波数を変調するための時間または期間であり、ｆ_Ｄｉｓは、中間レーザビーム周波数ｆ_ＩＦ１、ｆ_ＩＦ２から判定され、ｆ_ｍｏｄは、一定の期間にわたってレーザビーム８６を駆動する波形の変調周波数である。

[0081]オブジェクト８８が静止している場合、１つの中間周波数ｆ_ＩＦ１が存在するが、オブジェクト８８が移動している場合、２つの中間周波数ｆ_ＩＦ１、ｆ_ＩＦ２が存在し、中間周波数ｆ_ＩＦ１、ｆ_ＩＦ２は、オブジェクト８８への送信ビーム８６と、オブジェクト８８からの反射ビーム１０８との混合された光信号を表すビート周波数から判定される。オブジェクト８８までの距離は、中間周波数ｆ_ＩＦ１、ｆ_ＩＦ２の平均から以下のように判定される。

[0082]オブジェクト８８が動いている場合、オブジェクト８８の速度は、以下のように、ドップラシフトによる中間周波数ｆ_ＩＦ１、ｆ_ＩＦ２における差に関連している。

ここで、ｆ_{Ｄｏｐｐｌｅｒ}は、ドップラシフト周波数、Ｖは、オブジェクト８８の速度であり、ν_０は、レーザビーム８６の中心周波数である。

[0083]連続またはパルス状の三角波形で周波数変調された送信レーザビーム８６と、上記の議論に基づいて得られた反射ビーム１０８との関係は、図２３のグラフに示され、ここで、時間は横軸にあり、周波数は縦軸にある。変調周波数範囲ΔＦにわたる特定のビーム角度周波数νにおけるレーザビーム８６の変調は、グラフ線３２０によって示され、反射ビーム１０８は、グラフ線３２２によって示され、ここで、ｓ_{ｌａｓｅｒ}は、線３２０、３２２の勾配である。図２４は、横軸に時間、縦軸にビート周波数を示すグラフであり、経時的なビーム８６、１０８におけるビート周波数を示す。中間周波数ｆ_ＩＦ１、ｆ_ＩＦ２は、オブジェクト８８からの反射ビーム１０８の、送信ビーム８６との混合または相関付けから判定される。オブジェクト８８からの反射ビーム１０８はまた、基準信号を提供する局部発振器と相関付けることができる。線３２０、３２２と中間周波数ｆ_ＩＦ１、ｆ_ＩＦ２との間の時間遅延Δｔは、オブジェクト８８までの距離を判定するために使用され、ドップラシフト周波数ｆ_{Ｄｏｐｐｌｅｒ}は、オブジェクト８８の速度を判定するために使用される。

[0084]周波数変調を提供するために、レーザビーム源７０によって生成されるビーム８６の周波数を制御するダイオード電流は、レーザビーム８６の狭線幅周波数を変化させ、したがって、送信したレーザビーム８６を３６０°のＦＯＶにおいて回転させるように調整され、ここで、レーザビーム８６のコヒーレンス長さは、測距距離の少なくとも２倍でなければならない。ＳＰＰＲデバイス８２の設計パラメータに応じて、周波数調整範囲Δυは、３６０°にわたってレーザビーム８６をスキャンするために、数十ＧＨｚから数百ＧＨｚの範囲である可能性がある。信号プロセッササブシステム５８は、レーザビーム源７０にレーザビーム８６を生成させ、それにより、レーザビーム８６が３６０°のＦＯＶに投射されるように、周波数がステップ状かつランプ状に、線形的に系統的に増加する。信号プロセッササブシステム５８はまた、線形的に増加するレーザビーム周波数ランプ上に小さな三角変調波形を配置して、各ビーム周波数υで、レーザビーム８６を周波数変調し、ここで、この三角波形の周波数範囲ΔＦは、数十ＭＨｚのオーダであり、変調量は、ビーム８６がミラー８４から反射される角度を大幅に変化させる。これは、高い横方向分解能を可能にし、距離測定のために、送信したレーザビーム８６の周波数と、反射したビーム１０８の周波数との間のビート周波数を得ることを可能にする。

[0085]このビーム周波数および変調制御は、送信したレーザビーム８６の周波数が、周波数範囲Δυにわたって、周波数においてステップ状に増加すると、ビーム８６は、三角波形で変調されることを示す図２５および図２６のグラフによって示される。グラフ線３２４は、送信したレーザビーム８６であり、グラフ線３２６は、反射したビーム１０８であり、図２５のグラフは、図２６におけるグラフの拡大部分である。

[0086]信号プロセッササブシステム５８は、送信したビーム８６と、反射したビーム１０８との間の時間遅延Δｔを得る。直接検出の場合、信号プロセッササブシステム５８はまた、検出器１０２、１０６、および２０４からの送信および受信周波数領域チャープパルスの電子信号を混合し、信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を計算して、中間周波数ｆ_ＩＦ１、ｆ_ＩＦ２を抽出する。ビーム８６を３６０°の角度にわたって回転させるように周波数調整された変調ビームのビート周波数は、同様の形状を有するであろう。その後、オブジェクト８８までの距離およびオブジェクト８８の速度を計算できる。

[0087]ＬＩＤＡＲシステム５０は、ビーム８６を強度変調するか周波数変調するかに関わらず、説明したように、受信機サブシステム５４における反射ビーム１０８の直接検出を提供する。しかしながら、受信機サブシステム５４は、コヒーレント検出を提供する平衡受信機と置き換えることができる。言い換えれば、送信ビーム８６および反射ビーム１０８は、システム５０において、ビーム同期および相関付けの目的のために電気的に混合される。しかしながら、送信ビーム８６および反射ビーム１０８は、同じ目的のために光学的に混合することもできる。

[0088]図２７は、上記で論じた方式でレーザビーム８６の周波数変調を提供するＬＩＤＡＲシステム３３０の概略ブロック図であるが、送信機サブシステム５２および受信機サブシステム５４は、直接検出の代わりに、送信ビーム８６と反射ビーム１０８とを光学的に混合するために、反射ビーム１０８のヘテロダインまたはホモダインのコヒーレント検出を提供するように変更され、システム５０と同様の要素は、同じ参照番号によって識別される。この実施形態では、ビームスプリッタ１００からの分割ビームと、レンズ２０２からの反射ビーム１０８とは、送信ビーム８６と反射ビーム１０８とが互いに干渉するように、送信機サブシステム５２における３ｄＢカプラなどの５０－５０ビームスプリッタ３３２においてコヒーレントにまたは光学的に混合される。その後、混合ビームは、ビーム追跡を提供する、送信機サブシステム５２における検出器１０２に送られ、戻りビーム検出を提供する、受信機サブシステム５４における検出器２０４へ送られる。検出器１０２、２０４からの信号は、信号プロセッササブシステム５８に送られ、信号プロセッササブシステム５８は、検出器１０２、２０４からの混合信号に対してＦＦＴを実行して、信号を周波数領域に変換し、時間の関数としてビート周波数を生成する。その後、サブシステム５８は、ビート周波数から中間周波数ｆ_ＩＦ１、ｆ_ＩＦ２を推定し、これらは、本明細書で論じられた方式で、オブジェクト８８までの距離およびオブジェクト８８の速度を判定するために使用される。代替実施形態では、ビーム８６は、上記のように強度変調することができ、ビーム８６およびビーム１０８は、ビームスプリッタ３３２を使用して光学的に混合できることに留意されたい。さらに、ビーム８６の回転（角度および回転速度）を内部的に追跡するための技法、および検出器２０４のパワーサイクリングは、コヒーレント検出技法と、反射ビーム１０８の直接検出技法との両方についてほぼ同じである。

[0089]図２８は、システム５０に関連付けられた直接検出技法と、システム３３０に関連付けられたコヒーレント検出技法との両方のために、ビーム８６の周波数変調を使用して、オブジェクト８８までの距離およびオブジェクト８８の速度を判定するために、信号プロセッササブシステム５８で実行される動作およびアルゴリズムを示すフローチャート図３４０である。ボックス３４２において、アルゴリズムは、ミラー８４からのビーム８６の開始角度φを提供する送信機サブシステム５２および受信機サブシステム５４の個々の重要な構成要素の温度に基づいて、レーザビーム源７０によって生成されるレーザビーム８６の周波数υ_１を設定する。レーザビーム８６の周波数は、ボックス３４４において、ミラー８４からのビーム８６の角度φを調整するために、周波数υ_２である次の周波数ステップにシフトされる。周波数υ_２におけるビーム８６は、ボックス３４６において、周波数範囲ΔＦにわたって変調周波数ｆ_ｍｏｄにおいて三角波形で変調され、ここで、変調周波数ｆ_ｍｏｄの範囲ΔＦは、ΔＦ＜＜Δυであり、これは、測距中に、ビーム８６が、オブジェクト８８を外れることを阻止する。たとえば、システム５０または３３０は、変調周波数ｆ_ｍｏｄの範囲ΔＦが、数十または数百ＭＨｚのオーダであり、３６０°の全ＦＯＶスキャンを提供するためのレーザビーム８６の周波数範囲Δυにおける変化は、数十ＧＨｚまたは数百ＧＨｚであるように設計できる。

[0090]ビーム８６が現在設定されている周波数υ_２は、ボックス３４８において、検出された反射ビーム１０８から差し引かれ、これは、変調周波数ｆ_ｍｏｄを残す。その後、アルゴリズムは、ボックス３５０において、オブジェクト８８から差し引かれた反射ビーム１０８を、送信ビーム８６と混合し相関付ける。混合は、上記で論じたように、コヒーレント検出の場合は光学領域で、直接検出の場合は電子領域で実行される。アルゴリズムは、ボックス３５２において、混合ビームを表す信号のＦＦＴを計算して、信号を周波数領域に変換し、ボックス３５４において、時間の関数として混合およびフーリエ変換された信号におけるビート周波数を判定し、ボックス３５６において、ビート周波数から中間周波数ｆ_ＩＦ１、ｆ_ＩＦ２を特定し、ボックス３５８において、オブジェクト８８までの距離を判定するために、ビート周波数から、送信ビーム８６と反射ビーム１０８との間の時間遅延Δｔを推定し、ボックス３５８において、オブジェクト８８の速度を判定するために、ビート周波数からのドップラシフト周波数ｆ_{Ｄｏｐｐｌｅｒ}を判定する。アルゴリズムは、その後、判定ダイヤモンド３６０において、３６０°のスキャンが完了したか否かを判定し、完了していないと判定すると、３６０°の全ＦＯＶが掃引されるまで、ミラー８４を反射するビーム８６の角度φを変化させるために、次のステップの周波数υ_３－υ_ｎのためにボックス３４４に戻る。ボックス３４６～３５８におけるステップは、各ステップ周波数υについて繰り返され、判定ダイヤモンド３６０において３６０°のスキャンが完了すると、ボックス３６２において、オブジェクト８８の測距点群および速度が計算され表示される。

[0091]前述の議論は、単に、本開示の例示的な実施形態を開示および説明しているに過ぎない。当業者は、そのような議論から、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から、以下の特許請求の範囲で定義される開示の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変化、修正、および変形を行うことができることを容易に認識するであろう。

Claims (24)

1. 光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システムとターゲットとの間の距離と、前記ターゲットの速度とを判定するために、前記ＬＩＤＡＲシステムにおいて、送信ビームを３６０°の視野（ＦＯＶ）にわたってスキャンし、前記ターゲットから反射されたビームを処理するための方法であって、前記ＬＩＤＡＲシステムは、送信機サブシステムおよび受信機サブシステムを含み、前記方法は、
   前記送信機サブシステムによって第１の周波数で送信されるレーザビームを生成するステップと、
   前記送信機サブシステムおよび／または前記受信機サブシステムにおける光学および電気光学構成要素の温度を判定するステップと、
   前記送信機サブシステムおよび／または前記受信機サブシステムにおける前記光学および電気光学構成要素の前記温度における変化を補償するために、前記レーザビームの前記第１の周波数を調整するステップと、
   スパイラル位相プレート共振器（ＳＰＰＲ）デバイスにおいて前記レーザビームを前後に反射させる、対向する反射面を有する前記送信機サブシステムにおいて、前記レーザビームを前記ＳＰＰＲデバイスに向けるステップであって、前記反射面のうちの１つの反射面は、スパイラルステップインデクスを含み、前記スパイラルステップインデクスは、前記ＳＰＰＲデバイスの片側から放射され、光渦強度パターンのコヒーレントな重ね合せを有する前記送信ビーム、および、前記ＳＰＰＲデバイスの反対側から放射され、光渦強度パターンのコヒーレントな重ね合せを有する処理ビームとして、異なる位相を有する複数の内部反射ビームを結合させる、向けるステップと、
   前記ＳＰＰＲデバイスからの前記送信ビームを円錐ミラーに向け、前記レーザビームの前記第１の周波数に応じて、前記円錐ミラーから特定の角度に前記送信ビームを向けるステップと、
   前記送信ビームが前記円錐ミラーから向けられる角度を変化させるために、前記レーザビームの光周波数を第２の周波数にシフトさせるステップと、
   前記レーザビームを、周波数変調範囲にわたって前記第２の周波数で周波数変調するステップと、
   前記ターゲットからの反射ビームを、前記受信機サブシステムにおいて受信するステップと、
   前記処理ビームと前記反射ビームとを混合し相関付けるステップと、
   前記混合された処理ビームおよび反射ビームを表す信号の高速フーリエ変換を計算するステップと、
   前記混合および変換された信号におけるビート周波数を判定するステップと、
   前記ビート周波数における中間周波数を特定するステップと、
   前記ターゲットまでの距離を判定するために、前記ビート周波数から、前記送信ビームと前記反射ビームとの間の時間遅延を推定するステップと、
   前記ターゲットの速度を判定するために、前記ビート周波数からドップラシフト周波数を判定するステップと、
   前記送信ビームが３６０°の完全なスキャンにわたって前記円錐ミラーから向けられる角度を変化させるために、前記レーザビームの前記光周波数を、他の複数の周波数にシフトさせるステップと、
   各個別の光周波数について、周波数変調するステップ、前記ターゲットから反射ビームを受信するステップ、混合し相関付けるステップ、高速フーリエ変換を計算するステップ、ビート周波数を判定するステップ、中間周波数を特定するステップ、時間遅延を推定するステップ、およびドップラシフト周波数を判定するステップを繰り返すステップとを備える、方法。
2. 前記処理ビームと前記反射ビームとを混合し相関付けるステップは、コヒーレント検出によって前記処理ビームと前記反射ビームとを光学的に混合するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記処理ビームと前記反射ビームとを混合し相関付けるステップは、コヒーレント検出によって前記処理ビームと前記反射ビームとを電気的に混合するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記周波数変調範囲は、前記レーザビームの周波数よりもはるかに小さい、請求項１に記載の方法。
5. 前記周波数変調範囲は、数十から数百ＭＨｚにあり、前記レーザビームの周波数は、数十から数百ＧＨｚにある、請求項４に記載の方法。
6. 前記ビート周波数における中間周波数を特定するステップは、前記ターゲットが動いていない場合に、１つの中間周波数を特定し、前記ターゲットが動いている場合に、２つの中間周波数を特定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記レーザビームを周波数変調するステップは、連続的またはパルス状の三角波形を使用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記レーザビームの前記光周波数をシフトさせるステップは、前記レーザビームの前記光周波数を、ステップ状かつランプ状にシフトさせるステップを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記送信機サブシステムおよび／または前記受信機サブシステムにおける前記光学および前記電気光学構成要素の温度を判定するステップは、前記送信機サブシステムおよび／または前記受信機サブシステムにおける温度センサから温度測定値を読み取るステップ、または、前記ＳＰＰＲデバイスにおける幅および縦モードを推定して、その自由スペクトル範囲を判定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記送信ビームが前記ミラーから反射される角度を判定するために、前記送信ビームの前記周波数変調における変化に応じて、前記処理ビームを内部的に追跡するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
11. 前記処理ビームを内部的に追跡するステップは、複数の単一ピクセル検出器を含む前記送信機サブシステムにおける検出器アセンブリに、前記処理ビームを向けるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記検出器アセンブリは、各々が前記単一ピクセル検出器に個別にファイバ結合された複数のアパーチャを有するアパーチャデバイスを含み、前記レーザビームの周波数のうちの周波数が、１つの周波数から別の周波数にシフトされると、前記単一ピクセル検出器のうちの１つの単一ピクセル検出器が、前記送信ビームの角度方向を示すヌルを読み取る、請求項１１に記載の方法。
13. 前記送信ビームが前記送信機サブシステムから放射される角度に応じて、前記受信機サブシステムにおける検出器モジュールをオンおよびオフにするステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
14. 前記検出器モジュールをオンおよびオフにするステップは、前記検出器モジュールをパワーサイクルするステップを含む、請求項１３に記載の方法。
15. ターゲットまでの距離および前記ターゲットの速度を判定するための方法であって、
    送信されるレーザビームを生成するステップと、
    周波数変調範囲にわたって前記レーザビームを周波数変調するステップと、
    前記周波数変調されたレーザビームを、スパイラル位相プレート共振器（ＳＰＰＲ）デバイスに向けるステップと、
    前記ＳＰＰＲデバイスからの送信ビームを円錐ミラーに向け、前記レーザビームの周波数に応じて、前記円錐ミラーから特定の角度に前記送信ビームを向けるステップと、
    前記ターゲットから反射ビームを受信するステップと、
    前記送信ビームと前記反射ビームとを混合し相関付けるステップと、
    前記混合された送信ビームおよび反射ビームを表す信号の高速フーリエ変換を計算するステップと、
    前記混合および変換された信号におけるビート周波数を判定するステップと、
    前記ビート周波数における中間周波数を特定するステップと、
    前記ターゲットまでの距離を判定するために、前記ビート周波数から、前記送信ビームと前記反射ビームとの間の時間遅延を推定するステップと、
    前記ターゲットの速度を判定するために、前記ビート周波数からドップラシフト周波数を判定するステップとを備える、方法。
16. 処理ビームと前記反射ビームとを混合し相関付けるステップは、前記処理ビームと前記反射ビームとを光学的に混合するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 処理ビームと前記反射ビームとを混合し相関付けるステップは、前記処理ビームと前記反射ビームとを電気的に混合するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記送信ビームが３６０°の完全なスキャンにわたって前記円錐ミラーから向けられる角度を変化させるために、前記レーザビームの前記周波数を、他の複数の周波数にシフトさせるステップと、各個別の周波数について、周波数変調するステップ、前記ターゲットから反射ビームを受信するステップ、混合し相関付けるステップ、高速フーリエ変換を計算するステップ、ビート周波数を判定するステップ、中間周波数を特定するステップ、時間遅延を推定するステップ、およびドップラシフト周波数を判定するステップを繰り返すステップとをさらに備える、請求項１５に記載の方法。
19. 前記送信ビームは、３６０°の視野（ＦＯＶ）にわたってスキャンされる、請求項１８に記載の方法。
20. 前記レーザビームを周波数変調するステップは、連続的またはパルス状の三角波形を使用するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
21. 前記レーザビームの光周波数をシフトさせるステップは、前記レーザビームの前記光周波数を、ステップ状かつランプ状にシフトさせるステップを含む、請求項１５に記載の方法。
22. 送信機サブシステムおよび／または受信機サブシステムにおける光学および電気光学構成要素の温度を判定するステップは、前記送信機サブシステムおよび／または前記受信機サブシステムにおける温度センサから温度測定値を読み取るステップ、または、前記ＳＰＰＲデバイスにおける幅および縦モードを推定して、その自由スペクトル範囲を判定するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
23. 前記送信ビームが前記ミラーから反射される角度を判定するために、前記送信ビームの前記周波数変調における変化に応じて、処理ビームを内部的に追跡するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
24. 光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システムを使用して、３６０°の視野（ＦＯＶ）にわたってビームをスキャンし、ターゲットから反射するビームを処理することによって、前記ターゲットまでの距離および前記ターゲットの速度を判定するための方法であって、
    送信されるレーザビームを生成するステップと、
    周波数変調範囲にわたって前記レーザビームを周波数変調するステップと、
    前記周波数変調されたレーザビームを、スパイラル位相プレート共振器（ＳＰＰＲ）デバイスに向けるステップと、
    前記ＳＰＰＲデバイスからの送信ビームを円錐ミラーに向け、前記レーザビームの周波数に応じて、前記円錐ミラーから特定の角度に前記送信ビームを向けるステップと、
    前記ターゲットから反射ビームを受信するステップと、
    前記反射ビームを処理するステップとを備える、方法。
    

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