JP6541325B2 - 合成波レーザー測距を使用する位置の決定 - Google Patents
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Description
f=n×frep+foであり、ここで、nは整数であり、frepはパルス繰り返し周波数であり、かつfoは搬送波オフセット周波数である。
Z=λ*θ、ここで、Zは距離であり、λは波長であり(例えば、nm)、かつθは位相である(例えば、ラジアン又は周期)。
目標に対して連続波光のセンサビームを向けるように各々が構成される少なくとも3つのレーザー測距センサを備え、前記センサビームのビーム拡がりは、前記目標の幅よりも大きい幅を有し;
前記レーザー測距センサは、各々、前記目標によって反射されてかつ前記センサビームと干渉する光からもたらされる干渉ビームと、局部発振器ビームとを組み合わせて合成波ビームを発生させるように構成され;
前記レーザー測距センサは、各々、前記合成波ビームを感知し、かつ一連の光検出器からの出力に基づいて前記目標までの距離を測定するように構成される前記一連の光検出器を備える、光検出装置を含み;及び
前記レーザー測距センサの各々から距離測定値を受信し、かつ前記距離測定値に基づいて座標系の中で前記目標の位置を計算するように構成されるコントローラを備える、機構。
前記一連の光検出器は、デジタルカメラの中に構成要素を備える、条項1に記載の機構。
前記レーザー測距センサのうちの少なくとも1つは、
第1の光線を発生させるように構成される第1の連続波レーザー;
第2の光線を発生させるように構成される第2の連続波レーザー;
第3の光線を発生させるように構成される第3の連続波レーザー;
前記第1、第2、及び第3の光線を組み合わせて前記センサビームを発生させるように構成される第1の光コンバイナ;
前記センサビームを前記目標の上に集中させるように構成されるテレスコープを備え、前記目標からの反射光はセンサビームと干渉して干渉ビームをもたらし;
前記第1、第2、及び第3の光線の一部分を受信し、かつ前記第1、第2、及び第3の光線を周波数シフトして、第1、第2、及び第3の局部発振器ビームを発生させるように構成される周波数シフターユニット;
前記干渉ビーム、及び前記第1、第2、及び第3の局部発振器ビームを組み合わせて、前記合成波ビームを発生させるように構成される第2の光コンバイナ;
前記合成波ビームを感知して出力信号を発生させるように構成される、前記一連の光検出器を備える前記光検出装置;及び
前記第1の光線及び前記第1の局部発振器ビームの組み合わせによって生み出される第1のヘテロダインを検出し、前記第2の光線及び前記第2の局部発振器ビームの組み合わせによって生み出される第2のヘテロダインを検出し、前記第3の光線及び前記第3の局部発振器ビームの組み合わせによって生み出される第3のヘテロダインを検出し、かつ前記第1、第2、及び第3のヘテロダインの各々に対して光位相を決定するために、前記一連の光検出器からの前記出力信号を処理するように構成される、シグナルプロセッサを備え;
前記シグナルプロセッサは、前記第1の光線の第1の周波数及び前記第2の光線の第2の周波数の間の差異に基づいて第1の合成波に対する第1の合成波長を決定し、前記第1のヘテロダインの第1の光位相及び前記第2のヘテロダインの第2の光位相の間の差異に基づいて前記第1の合成波に対する第1の合成位相を決定し、かつ前記第1の合成波長及び前記第1の合成位相に基づいて前記目標までの距離を決定するように構成される、条項1に記載の機構。
前記シグナルプロセッサは、前記第1の光線の前記第1の周波数及び前記第3の光線の第3の周波数の間の差異に基づいて第2の合成波に対する第2の合成波長を決定し、前記第1のヘテロダインの前記第1の光位相及び前記第3のヘテロダインの第3の光位相の間の差異に基づいて前記第2の合成波に対する第2の合成位相を決定し、かつ前記第2の合成波長及び前記第2の合成位相にさらに基づいて前記目標までの前記距離を決定するように構成される、条項3に記載の機構。
前記シグナルプロセッサは、前記第1の合成波長及び前記第1の合成位相を乗じて、前記第1の合成波に対して前記目標までの第1の距離測定値を計算するように構成される、条項4に記載の機構。
前記シグナルプロセッサは、前記第1の合成波に対して計算された前記第1の距離測定値を、前記第2の合成波の前記第2の合成波長で割ることによって、前記第2の合成波の推定位相を計算し、前記第2の合成位相に対して前記推定位相の整数部分を加えて、前記第2の合成波に対する全位相を得て、かつ前記第2の合成波に対する前記全位相及び前記第2の合成波長を乗じて、前記第2の合成波に対して第2の距離測定値を計算するように構成される、条項5に記載の機構。
前記レーザー測距センサのうちの少なくとも1つはさらに:
光周波数コムを含む1組の光線を発生させるように構成される光周波数コムレーザー;
前記光周波数コムレーザーからの前記1組の光線と、前記第1、第2、第3の連続波レーザーからの前記第1、第2、第3の光線とを組み合わせるように構成される第3の光コンバイナ;及び
前記第1、第2、及び第3の光線の前記周波数を前記光周波数コムレーザーによって発生される前記光周波数コムと比較し、かつ前記第1、第2、及び第3の連続波レーザーからの前記第1、第2、及び第3の光線の前記周波数を、前記光周波数コムの種々のティースに対して調整するように構成される位相固定コントローラを備える、条項3に記載の機構。
前記光周波数コムの前記ティースは、前記光周波数コムレーザーのパルス繰り返し周波数によって分離され、
前記光周波数コムレーザーの前記パルス繰り返し周波数は、周波数標準に結び付けられる、条項7に記載の機構。
前記周波数標準は、米国標準技術局(NIST)によって定義される、条項8に記載の機構。
前記シグナルプロセッサは、前記一連の光検出器の中の個別の画素に対して距離測定値を計算するように構成される、条項3に記載の機構。
座標系の中で目標の位置を測定する方法であって、前記方法は、
少なくとも3つのレーザー測距センサの各々から連続波光のセンサビームを前記目標に対して向けることを含み、前記センサビームのビーム拡がりは、前記目標の幅よりも大きい幅を有し、
前記レーザー測距センサの各々において、前記目標によって反射されてかつ前記センサビームと干渉する光からもたらされる干渉ビームと、局部発振器ビームとを組み合わせて、合成波ビームを発生させること;
前記レーザー測距センサの各々において、一連の光検出器を使用して前記合成波ビームを感知すること;
前記一連の光検出器からの出力に基づいて、前記レーザー測距センサの各々において前記目標までの距離を測定すること;及び
前記レーザー測距センサからの前記距離測定値に基づいて、前記座標系の中で前記目標の前記位置を計算することを含む、方法。
前記合成波ビームを感知することは:
デジタルカメラの中の前記一連の光検出器を用いて、前記合成波ビームを感知することを含む、条項11に記載の方法。
前記センサビームを向け、干渉ビームを感知し、かつ前記レーザー測距センサのうちの少なくとも1つにおいて前記目標までの距離を測定するステップはさらに:
第1の連続波レーザー、第2の連続波レーザー、及び第3の連続波レーザーの各々において光線を発生させること;
前記第1、第2、及び第3の連続波レーザーから受信した前記光線を組み合わせて、前記センサビームを発生させること;
前記センサビームを前記目標の上に集中させることを含み、前記目標からの反射光は前記センサビームと干渉して前記干渉ビームをもたらし;
前記連続波レーザーから分割された前記光線の周波数をシフトして、局部発振器ビームを発生させること;
前記干渉ビーム、及び前記局部発振器ビームを組み合わせて前記合成波ビームを発生させること;
前記一連の光検出器を備える光検出装置を用いて前記合成波ビームを感知すること;
前記第1の連続波レーザーからの第1の光線及び第1の局部発振器ビームの組み合わせによって生み出される第1のヘテロダインを検出し、前記第2の連続波レーザーからの第2の光線及び第2の局部発振器ビームの組み合わせによって生み出される第2のヘテロダインを検出し、かつ前記第3の連続波レーザーからの第3の光線及び第3の局部発振器ビームの組み合わせによって生み出される第3のヘテロダインを検出するために、前記一連の光検出器からの出力を処理すること;
前記第1、第2、及び第3のヘテロダインの各々に対して光位相を決定すること;
前記第1の光線の第1の周波数及び前記第2の光線の第2の周波数の間の差異に基づいて、第1の合成波に対する第1の合成波長を決定すること;及び
前記第1のヘテロダインの第1の光位相及び前記第2のヘテロダインの第2の光位相の間の差異に基づいて、前記第1の合成波に対する第1の合成位相を決定すること;及び
前記第1の合成波長及び前記第1の合成位相に基づいて、前記目標までの前記距離を決定することを含む、条項11に記載の方法。
前記第1の光線の前記第1の周波数及び前記第3の光線の第3の周波数の間の差異に基づいて、第2の合成波に対する第2の合成波長を決定すること;
前記第1のヘテロダインの前記第1の光位相及び前記第3のヘテロダインの第3の光位相の間の差異に基づいて、前記第2の合成波に対する第2の合成位相を決定すること;及び
前記第2の合成波長及び前記第2の合成位相にさらに基づいて、前記目標までの前記距離を決定することをさらに含む、条項13に記載の方法。
前記第1の合成波長及び前記第1の合成位相を乗じて、前記第1の合成波に対して前記目標までの第1の距離測定値を計算することを含む、条項14に記載の方法。
前記第1の合成波に対して計算された前記第1の距離測定値を、前記第2の合成波の前記第2の合成波長で割ることによって、前記第2の合成波の推定位相を計算すること;
前記第2の合成位相に対して前記推定位相の整数部分を加えて、前記第2の合成波に対する全位相を得ること;及び
前記第2の合成波に対する前記全位相及び前記第2の合成波長を乗じて、前記第2の合成波に対する第2の距離測定値を計算することをさらに含む、条項15に記載の方法。
光周波数コムレーザーを用いて光周波数コムを含む1組の光線を発生させること;
前記光周波数コムレーザーからの前記1組の光線と、前記第1、第2、第3の連続波レーザーからの前記第1、第2、第3の光線とを組み合わせること;
前記第1、第2、及び第3の光線の周波数を、前記光周波数コムレーザーによって発生される前記光周波数コムと比較すること;及び
前記第1、第2、及び第3の連続波レーザーからの前記第1、第2、及び第3の光線の前記周波数を、前記光周波数コムの種々のティースに対して調整することをさらに含む、条項13に記載の方法。
前記光周波数コムの前記ティースは、前記光周波数コムレーザーのパルス繰り返し周波数によって分離され;かつ
前記光周波数コムレーザーの前記パルス繰り返し周波数は、周波数標準に結び付けられる、条項17に記載の方法。
前記周波数標準は、米国標準技術局(NIST)によって定義される、条項18に記載の方法。
少なくとも3つのレーザー測距センサを備え、各々のレーザー測距センサは:
センサビームを目標に向けて投射し、前記センサビームは少なくとも3つの連続波レーザーからの光線の組み合わせを含み;
前記目標によって反射されてかつ前記センサビームと干渉する光からもたらされる干渉ビームと、局部発振器ビームとを組み合わせて、合成波ビームを発生させ;
一連の光検出器を使用して、前記合成波ビームを感知し;かつ
干渉分光法を使用して前記合成波ビームを処理して、前記目標までの距離を測定するように構成され;及び
前記レーザー測距センサの各々から距離測定値を受信し、かつ前記距離測定値に基づいて座標系の中で前記目標の位置を計算するように構成されるコントローラを備える、機構。
110 測定ユニット
112 レーザー
113 レーザー
114 レーザー
116 分割器
117 分割器
118 分割器
120 分割器
121 分割器
122 分割器
124 周波数シフター
125 周波数シフター
126 周波数シフター
128 コンバイナ
130 コンバイナ
131 分割器
132 サーキュレーター
134 テレスコープ
136 干渉ビーム
138 コンバイナ
140 光検出装置
144 シグナルプロセッサ
146 光検出装置
150 コンバイナ
160 校正ユニット
162 光周波数コムレーザー
164 分割器
166 コンバイナ
167 コンバイナ
168 コンバイナ
169 位相固定コントローラ
202 物体
204 目標
301 光線
302 光線
303 光線
306 光線
311 光線
312 光線
313 光線
321 制御信号
322 制御信号
323 制御信号
401 光線
402 光線
403 光線
411 局部発振器ビーム
412 局部発振器ビーム
413 局部発振器ビーム
420 センサビーム
422 集合的な局部発振器ビーム
430 合成波ビーム
440 参照合成波ビーム
700 方法
702 ステップ
704 ステップ
706 ステップ
708 ステップ
710 ステップ
712 ステップ
714 ステップ
716 ステップ
718 ステップ
720 ステップ
800 システム
801 レーザー測距センサ
802 レーザー測距センサ
803 レーザー測距センサ
806 コントローラ
810 物体
812 目標
821 センサビーム
822 センサビーム
823 センサビーム
900 方法
902 ステップ
903 ステップ
904 ステップ
906 ステップ
908 ステップ
1000 光検出装置
1004 光検出器の配列
1008 干渉ビーム
1010 局部発振器ビーム
1012 コンバイナ
1014 合成波ビーム
Claims (15)
- 目標に対して連続波光のセンサビームを向けるように各々が構成される少なくとも3つのレーザー測距センサを備え、前記センサビームのビーム拡がりは、前記目標の幅よりも大きい幅を有し;
前記レーザー測距センサは、各々、前記目標によって反射されてかつ前記センサビームと干渉する光からもたらされる干渉ビームと、局部発振器ビームとを組み合わせて合成波ビームを発生させるように構成され;
前記レーザー測距センサは、各々、前記合成波ビームを感知し、かつ一連の光検出器からの出力に基づいて前記目標までの距離を測定するように構成される前記一連の光検出器を備える、光検出装置を含み;及び
前記レーザー測距センサの各々から距離測定値を受信し、かつ前記距離測定値に基づいて座標系の中で前記目標の位置を計算するように構成されるコントローラを備え、
前記レーザー測距センサのうちの少なくとも1つは、
第1の光線を発生させるように構成される第1の連続波レーザー;
第2の光線を発生させるように構成される第2の連続波レーザー;
第3の光線を発生させるように構成される第3の連続波レーザー;及び
前記第1、第2、及び第3の光線を組み合わせて前記センサビームを発生させるように構成される第1の光コンバイナを備える、機構。 - 前記一連の光検出器は、デジタルカメラの中に構成要素を備える、請求項1に記載の機構。
- 前記レーザー測距センサのうちの前記少なくとも1つはさらに、
前記センサビームを前記目標の上に集中させるように構成されるテレスコープを備え、前記目標からの反射光はセンサビームと干渉して干渉ビームをもたらし;
前記第1、第2、及び第3の光線の一部分を受信し、かつ前記第1、第2、及び第3の光線を周波数シフトして、第1、第2、及び第3の局部発振器ビームを発生させるように構成される周波数シフターユニット;
前記干渉ビーム、及び前記第1、第2、及び第3の局部発振器ビームを組み合わせて、前記合成波ビームを発生させるように構成される第2の光コンバイナ;
前記合成波ビームを感知して出力信号を発生させるように構成される、前記一連の光検出器を備える前記光検出装置;及び 前記第1の光線及び前記第1の局部発振器ビームの組み合わせによって生み出される第1のヘテロダインを検出し、前記第2の光線及び前記第2の局部発振器ビームの組み合わせによって生み出される第2のヘテロダインを検出し、前記第3の光線及び前記第3の局部発振器ビームの組み合わせによって生み出される第3のヘテロダインを検出し、かつ前記第1、第2、及び第3のヘテロダインの各々に対して光位相を決定するために、前記一連の光検出器からの前記出力信号を処理するように構成される、シグナルプロセッサを備え;
前記シグナルプロセッサは、前記第1の光線の第1の周波数及び前記第2の光線の第2の周波数の間の差異に基づいて第1の合成波に対する第1の合成波長を決定し、前記第1のヘテロダインの第1の光位相及び前記第2のヘテロダインの第2の光位相の間の差異に基づいて前記第1の合成波に対する第1の合成位相を決定し、かつ前記第1の合成波長及び前記第1の合成位相に基づいて前記目標までの距離を決定するように構成される、請求項1に記載の機構。 - 前記シグナルプロセッサは、前記第1の光線の前記第1の周波数及び前記第3の光線の第3の周波数の間の差異に基づいて第2の合成波に対する第2の合成波長を決定し、前記第1のヘテロダインの前記第1の光位相及び前記第3のヘテロダインの第3の光位相の間の差異に基づいて前記第2の合成波に対する第2の合成位相を決定し、かつ前記第2の合成波長及び前記第2の合成位相にさらに基づいて前記目標までの前記距離を決定するように構成され;
前記シグナルプロセッサはさらに、前記第1の合成波長及び前記第1の合成位相を乗じて、前記第1の合成波に対して前記目標までの第1の距離測定値を計算するように構成され;
前記シグナルプロセッサはまた、前記第1の合成波に対して計算された前記第1の距離測定値を、前記第2の合成波の前記第2の合成波長で割ることによって、前記第2の合成波の推定位相を計算し、前記第2の合成位相に対して前記推定位相の整数部分を加えて、前記第2の合成波に対する全位相を得て、かつ前記第2の合成波に対する前記全位相及び前記第2の合成波長を乗じて、前記第2の合成波に対して第2の距離測定値を計算するように構成される、請求項3に記載の機構。 - 前記レーザー測距センサのうちの少なくとも1つはさらに:
光周波数コムを含む1組の光線を発生させるように構成される光周波数コムレーザー;
前記光周波数コムレーザーからの前記1組の光線と、前記第1、第2、第3の連続波レーザーからの前記第1、第2、第3の光線とを組み合わせるように構成される第3の光コンバイナ;及び
前記第1、第2、及び第3の光線の前記周波数を前記光周波数コムレーザーによって発生される前記光周波数コムと比較し、かつ前記第1、第2、及び第3の連続波レーザーからの前記第1、第2、及び第3の光線の前記周波数を、前記光周波数コムの種々のティースに対して調整するように構成される位相固定コントローラを備える、請求項3に記載の機構。 - 前記光周波数コムの前記ティースは、前記光周波数コムレーザーのパルス繰り返し周波数によって分離され;かつ
前記光周波数コムレーザーの前記パルス繰り返し周波数は、周波数標準に結び付けられ;
前記周波数標準は、米国標準技術局(NIST)によって定義される、請求項5に記載の機構。 - 前記シグナルプロセッサは、前記一連の光検出器の中の個別の画素に対して距離測定値を計算するように構成される、請求項3に記載の機構。
- 座標系の中で目標の位置を測定する方法であって、前記方法は、
少なくとも3つのレーザー測距センサの各々から連続波光のセンサビームを前記目標に対して向けることを含み、前記センサビームのビーム拡がりは、前記目標の幅よりも大きい幅を有し、
前記レーザー測距センサの各々において、前記目標によって反射されてかつ前記センサビームと干渉する光からもたらされる干渉ビームと、局部発振器ビームとを組み合わせて、合成波ビームを発生させること;
前記レーザー測距センサの各々において、一連の光検出器を使用して前記合成波ビームを感知すること;
前記一連の光検出器からの出力に基づいて、前記レーザー測距センサの各々において前記目標までの距離を測定すること;及び
前記レーザー測距センサからの前記距離測定値に基づいて、前記座標系の中で前記目標の前記位置を計算することを含み、
前記センサビームを向け、干渉ビームを感知し、かつ前記レーザー測距センサのうちの少なくとも1つにおいて前記目標までの距離を測定するステップはさらに:
第1の連続波レーザー、第2の連続波レーザー、及び第3の連続波レーザーの各々において光線を発生させること;及び
前記第1、第2、及び第3の連続波レーザーから受信した前記光線を組み合わせて、前記センサビームを発生させることを含む、方法。 - 前記合成波ビームを感知することは:
デジタルカメラの中の前記一連の光検出器を用いて、前記合成波ビームを感知することを含む、請求項8に記載の方法。 - 前記センサビームを向け、干渉ビームを感知し、かつ前記レーザー測距センサのうちの少なくとも1つにおいて前記目標までの距離を測定するステップはさらに:
前記センサビームを前記目標の上に集中させることを含み、前記目標からの反射光は前記センサビームと干渉して前記干渉ビームをもたらし;
前記連続波レーザーから分割された前記光線の周波数をシフトして、局部発振器ビームを発生させること;
前記干渉ビーム、及び前記局部発振器ビームを組み合わせて前記合成波ビームを発生させること;
前記一連の光検出器を備える光検出装置を用いて前記合成波ビームを感知すること;
前記第1の連続波レーザーからの第1の光線及び第1の局部発振器ビームの組み合わせによって生み出される第1のヘテロダインを検出し、前記第2の連続波レーザーからの第2の光線及び第2の局部発振器ビームの組み合わせによって生み出される第2のヘテロダインを検出し、かつ前記第3の連続波レーザーからの第3の光線及び第3の局部発振器ビームの組み合わせによって生み出される第3のヘテロダインを検出するために、前記一連の光検出器からの出力を処理すること;
前記第1、第2、及び第3のヘテロダインの各々に対して光位相を決定すること;
前記第1の光線の第1の周波数及び前記第2の光線の第2の周波数の間の差異に基づいて、第1の合成波に対する第1の合成波長を決定すること;
前記第1のヘテロダインの第1の光位相及び前記第2のヘテロダインの第2の光位相の間の差異に基づいて、前記第1の合成波に対する第1の合成位相を決定すること;及び
前記第1の合成波長及び前記第1の合成位相に基づいて、前記目標までの前記距離を決定することを含む、請求項8に記載の方法。 - 前記第1の光線の前記第1の周波数及び前記第3の光線の第3の周波数の間の差異に基づいて、第2の合成波に対する第2の合成波長を決定すること;
前記第1のヘテロダインの前記第1の光位相及び前記第3のヘテロダインの第3の光位相の間の差異に基づいて、前記第2の合成波に対する第2の合成位相を決定すること;
前記第2の合成波長及び前記第2の合成位相にさらに基づいて、前記目標までの前記距離を決定すること;及び
前記第1の合成波長及び前記第1の合成位相を乗じて、前記第1の合成波に対して前記目標までの第1の距離測定値を計算することをさらに含む、請求項10に記載の方法。 - 前記第1の合成波に対して計算された前記第1の距離測定値を、前記第2の合成波の前記第2の合成波長で割ることによって、前記第2の合成波の推定位相を計算すること;
前記第2の合成位相に対して前記推定位相の整数部分を加えて、前記第2の合成波に対する全位相を得ること;及び
前記第2の合成波に対する前記全位相及び前記第2の合成波長を乗じて、前記第2の合成波に対する第2の距離測定値を計算することをさらに含む、請求項11に記載の方法。 - 光周波数コムレーザーを用いて光周波数コムを含む1組の光線を発生させること;
前記光周波数コムレーザーからの前記1組の光線と、前記第1、第2、第3の連続波レーザーからの前記第1、第2、第3の光線とを組み合わせること;
前記第1、第2、及び第3の光線の周波数を、前記光周波数コムレーザーによって発生される前記光周波数コムと比較すること;及び
前記第1、第2、及び第3の連続波レーザーからの前記第1、第2、及び第3の光線の前記周波数を、前記光周波数コムの種々のティースに対して調整することをさらに含む、請求項10に記載の方法。 - 前記光周波数コムの前記ティースは、前記光周波数コムレーザーのパルス繰り返し周波数によって分離され;かつ
前記光周波数コムレーザーの前記パルス繰り返し周波数は、周波数標準に結び付けられる、請求項13に記載の方法。 - 前記周波数標準は、米国標準技術局(NIST)によって定義される、請求項14に記載の方法。
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