JP6653695B2 - レーザー位相推定及び補正 - Google Patents

Description

（関連出願）
本出願は、「レーザー位相推定及び補正」と題された2015年7月23日出願の米国特許出願第14/807,508号に基づく優先権を主張し、且つその継続出願であり、且つ、「レーザー位相推定及び補正」と題された2014年7月25日出願の米国仮特許出願第62/028,911号に基づく優先権ならびに利益を主張するものであり、当該出願の両方を参照することによりそれら全体を本明細書中に援用する。

また、本出願は、「レーザー位相推定及び補正」と題された2014年7月25日出願の米国仮特許出願第62/028,911号に基づく優先権ならびに利益を主張するものであり、当該出願を参照することによりその全体を本明細書中に援用する。

（技術分野）
本発明は、マルチ参照レーザー光検出と測距（LIDAR）システムに関する。

（背景）
いくつかの公知のLIDARシステムでは、レーザーを用いて移動物体の距離と速度を推定することができる。しかしながら、距離と速度の推定値は、例えば、位相偏差、周波数偏差、及び/又は他の干渉によって歪むことがある。このため、現状の技術の不足に対応し、他の新規及び革新的な特徴を提供するシステム、方法、及び装置の必要性が存在する。

1つの一般的な態様では、非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体は、実行した場合に、プロセッサーに処理を行わせる命令を格納するように構成することができる。該処理は、持続期間を有するレーザー信号のセグメントを生成すること；該レーザー信号に基づいて第1参照信号を生成することを含み得る。該処理は、該第1参照信号に基づいて該持続期間の第1部分に対応する第1位相偏差を算出すること；該レーザー信号に基づいて第2参照信号を生成することを含み得る。該処理は、該第2参照信号に基づいて該持続期間の第2部分に対応する第2位相偏差を算出すること；該第1位相偏差と該第2位相偏差の組合せに基づいて該レーザー信号のセグメントの位相偏差を算出することを含み得る。

（図面の簡単な説明）
図1は、レーザーシステムを示す図である。

図2は、偏差の補正の標的となる標的レーザー信号を示す。

図3は、偏差の補正の標的となる図2に示す標的レーザー信号の別の例を示す。

図4は、図3に示す標的レーザー信号の時間セグメントのシフトの別の例を示す。

図5は、実施態様による標的レーザー信号の別の例を示す図である。

（詳細な説明）
図1は、レーザーシステム100に対して静止又は動くことができる物体5の距離及び/又は速度を生成又は測定するために、レーザー光源110を使用するように構成されたレーザーシステム100（光検出と測距（LIDAR）システムとも呼ぶことができる）を示す図である。いくつかの実施態様では、物体5は、標的又は標的物体5と呼ぶことができる。レーザーシステム100は、周波数変調連続波（FMCW）適用に用いることができる。

レーザーシステム100のレーザー光源110は、例えば、コヒーレント光放出（例えば、単色光放出）又はビームであってもよい1以上の周波数での電磁放射を放出する（例えば、生成する、伝播する）ように構成されている。簡潔にするために、レーザー光源110からの放出は、電磁放射放出（例えば、電磁放射放出）、放出レーザー信号10、又は放出光と呼ばれる。

図1に示すように、レーザー信号10は、スプリッタ125によって少なくともレーザー信号11-1、11-2、12A、12B、13A、及び13Bなどのマルチレーザー信号に分割することができる。レーザー信号12A、12B、13A、及び13Bは、参照システム190A、190Bによって処理するためにスプリッタ125によって生成することができ、各参照システムは、干渉計（光信号を電気信号に変換するように構成された1以上の光検出器又は検出器（例えば、検出器150C）を含み得る）を含む。いくつかの実施態様では、レーザー信号11は、スプリットレーザー信号から導出することができ、組合せレーザー信号と呼ぶことができる。図1に示すように、干渉計を使用して、レーザー信号11を生成することができ、分析器170（復調器とも呼ぶことができる）によって1以上の補正のためにこれを分析してもよい。そのような実施態様では、レーザー信号10は、（例えば、スプリッタ125によって）レーザー信号11-1及びレーザー信号11-2にさらに分割することができる。レーザー信号11-1は、物体5からレーザー信号11-4として反射することができる。レーザー信号11-2は、遅延142Cによって（長さに相関し得る）レーザー信号11-3に遅らせることができ、レーザー信号11-3は、結合器140Cを介してレーザー信号11-4と組合わせることができる。干渉計からのレーザー信号11（干渉計信号とも呼ぶことができる）を使用して、検出器150Cを用いてレーザー信号11についての情報を集めることができる。レーザー信号11に関する以下の説明は、標的レーザー信号即ち分析器170によって分析するために標的にされたレーザー信号になり得るレーザー信号11を定義するために使用することができる構成要素となるレーザー信号11-1乃至11-4のいずれにも適用することができる。スプリッタ125は、簡単のために単一構成要素として示される。いくつかの実施態様では、スプリッタ125は、2以上のスプリッタを含み得る。同様に、図1に示す1以上の結合器は、組合わせてもよく、又はさらなる結合器を含んでもよい。

図1に示すように、レーザーシステム100は、周波数掃引モジュール120を含む。周波数掃引モジュール120は、レーザー光源110を起動させて、例えば、レーザー光源110の駆動電流を変調することによって種々の光周波数（一般に、周波数とも呼ぶことができる）を生成するように構成されている。具体的には、周波数掃引モジュール120は、レーザー光源110を起動させて、光周波数のパターン（周波数パターンとも呼ぶことができる）を生成するように構成されている。例えば、周波数掃引モジュール120は、レーザー光源110を起動させて、光周波数の正弦波パターン、光周波数の鋸歯波パターンなどを生成するように構成することができる。いくつかの実施態様では、鋸歯波パターンは、光周波数において連続的に増加する（例えば、単調に増加する、線形に増加する、非線形に増加する）部分を有することができ（アップチャープとも呼ぶことができる）、且つ、光周波数において連続的に減少する（例えば、単調に減少する、線形に減少する、非線形に減少する）部分を有することができる（ダウンチャープとも呼ぶことができる）。従って、周波数パターンは、アップチャープ及びダウンチャープを含むサイクルを有してもよい。

レーザーシステム100は、物体5に向かってレーザー光源110からの放出レーザー信号11-1（レーザー信号10から分割）に応答して、物体5から反射したレーザー信号11-4（反射レーザー信号又は散乱レーザー信号とも呼ぶことができる）（不図示）を受信するように構成された結合器140Cを含む。いくつかの実施態様では、物体5からの反射レーザー信号（戻り信号又は戻り光とも呼ぶことができる）は、放出レーザー信号10（例えば、遅延142Cによって遅延したレーザー信号11-3）の一部と混ぜた後、（検出器150Cによって電気信号に変換した後に）分析器170によって分析することができる。

レーザーシステム100の分析器170は、レーザー光源110からの放出レーザー信号11-1と、結合器140Cによって受信した反射レーザー信号11-4との組合せを分析するように構成されている。放出レーザー信号11-1は、アップチャープ、次いで、ダウンチャープ（又はダウンチャープ、次いで、アップチャープ）を含むパターンに従って放出することができる。レーザー光源110からの放出レーザー信号11-1の周波数と結合器140Cによって受信した反射レーザー信号11-4の周波数との組合せは、分析器170によって分析し、ビート周波数又は信号を得るか又は定義することができる。言い換えると、ビート周波数は、物体5までの往路（放出レーザー信号）復路（反射レーザー信号）にわたる信号周波数変化の合計であり、レーザーシステム100と物体5の間の相対距離運動から得られる反射レーザー信号のドップラー周波数シフトを含んでもよい。いくつかの実施態様では、ビート信号は、比較的一定な周波数又は変動する周波数を有することができる。いくつかの実施態様では、放出レーザー信号11-1の周波数と反射レーザー信号11-4の周波数との組合せは、差周波数、ビート周波数、又は往復周波数と呼ぶことができる。

分析器170は、往復期間を算出するように構成することができ、往復期間とは、レーザー信号10の放出から反射レーザー信号の戻りを受信するまでの期間である。放出レーザー信号11-1と反射レーザー信号11-4の組合せは、往復レーザー信号と集合的に呼ぶことができる。分析器170は、放出レーザー信号11-1と反射レーザー信号11-4の組合せに基づいて距離及び/又は速度を算出するようにも構成され得る。

レーザー出力の光パワーは、例えば、レーザー光源110の駆動電流変調の結果として周波数掃引又はアップチャープ/ダウンチャープなどの周波数パターン中に著しく変化し得る。周波数パターンは、変化、例えば、周波数、位相などを引き起こし得る不完全な駆動電流信号、レーザー光源110の不可避な熱励起などのため、特定の周波数パターンから非理想的であり得る（例えば、逸脱し得る）。

レーザーシステム100は、レーザー光源110によって生成された1以上のレーザー信号における、例えば、周波数偏差、位相偏差などを補正するのに使用することができる参照信号を生成するように構成された参照システム190A、190Bを含む。言い換えると、レーザーシステム100に含まれる参照システム190A、190Bは、レーザーシステム100からの、例えば、放出レーザー信号11-1、反射レーザー信号11-4、往復レーザー信号などの周波数パターンにおける偏差（例えば、非線形性、非理想性、誤差）を補償しやすいように構成することができる。参照システム190A、190Bは、ほぼ理想的又は理想的なFMCW LIDAR実装を達成するために使用することができる。具体的には、参照システム190A、190Bを使用して、偏差を補正し、比較的一定のビート周波数を得ることができる。参照システム190A、190Bによって補正（例えば、調整）の標的とされるレーザー信号は、標的レーザー信号と呼ぶことができ、放出レーザー信号10（又はそれから導き出された信号）、反射レーザー信号（又はそれから導き出された信号）、及び往復レーザー信号（又はそれから導き出された信号）を少なくとも含み得る。

参照システム190A、190Bの各々は、1以上の標的レーザー信号（例えば、レーザー信号11）の偏差を決定（例えば、識別、算出）するために使用することができる参照信号14A、14Bをそれぞれ定義するように構成されている。レーザー信号10は、スプリッタ125によってレーザー信号12A、12Bに分割され、参照システム190A、190Bによって処理することができる。参照信号14Aは、レーザー信号12Aと、レーザー信号13Aに基づいて生成された遅延レーザー信号13A’との組合せに基づいて（結合器140Aを用いて）生成することができる。同様に、参照信号14Bは、レーザー信号12Bと、レーザー信号13Bに基づいて生成された遅延レーザー信号13B’との組合せに基づいて（結合器140Bを用いて）生成することができる。言い換えると、参照信号14A、14Bは、それぞれ、レーザー信号12Aと遅延信号13A’との組合せと、レーザー信号12Bと遅延信号13B’との組合せによって生成されたビート信号であり得る。遅延信号13A’、13B’は、それぞれ、遅延142A、142Bを介して生成される。遅延142A、142Bは、固定遅延又は参照アーム長と各々を呼ぶことができ、参照信号14A、14Bは、参照アーム信号と呼ぶことができる。遅延142A、142Bの各々は、遅延期間を定義するように構成することができ、干渉計の一部であり得る（例えば、干渉計に含まれ得る）。

偏差検出器150A、150Bは、それぞれ、参照信号14A、14Bに関連付けられた偏差を決定するように構成することができる。いくつかの実施態様では、偏差検出器150A、150Bは、単一モジュールに組合せてもよく、又はマルチモジュールに分割してもよい。いくつかの実施態様では、1以上の偏差検出器150A、150Bは、位相シフトなどを含む種々の偏差を検出するように構成することができる。1以上の偏差検出器150A、150Bは、光検出器を含み得るか又は光検出器であり得る。

分析器170は、1以上の標的レーザー信号の偏差を直接測定するように構成されていない場合があるため、参照システム190A、190Bは、1以上の標的レーザー信号（例えば、レーザー信号11）の時間セグメントに対応することができる参照信号14A、14Bの時間セグメントの偏差を（例えば、偏差検出器150A、150Bを用いて）測定するように構成することができる。いくつかの実施態様では、標的レーザー信号に関連付けられた時間信号は、標的時間セグメントと呼ぶことができる。例えば、参照システム190A、190Bは、1以上の標的レーザー信号の時間セグメントに対応する参照信号14A、14Bの時間セグメントのレーザー位相時間履歴を測定するように構成することができる。一般に、参照信号14A、14Bのヒルベルト変換の位相時間履歴を使用して、1以上の標的レーザー信号の位相時間履歴の偏差を補正することができる。その結果、補正された標的レーザー信号（複数可）は、所望の周波数決定を行うことができる所望のトーンであり得る。

この実施態様では、マルチ参照システム‐参照システム190A、190B‐を使用して、異なる時間セグメントの偏差を測定する。具体的には、遅延142Aは、遅延142Bとは異なっていてもよいため、参照信号14A及び14Bは、異なる時間セグメント（又は遅延期間）に関連付けられるであろう。従って、異なる時間セグメントの各々に関連付けられた偏差を種々の数学的組合せに使用して、1以上の標的信号のさらに別の時間セグメントの偏差を比較的正確に決定する（例えば、算出する）ことができる。この概念の例を図2及び図3に示す。単一参照信号処理システムは、例えば、レーザー位相時間履歴を推定するために位相履歴について仮説を立てることがあるため、レーザーシステム100に含まれるマルチ参照システムは、単一参照信号処理システム又は方法を上回る多くの利点を有する。

図2は、偏差の補正の標的となる標的レーザー信号を示す。例えば、標的レーザー信号は、分析の標的となる時間T0と時間T10の持続期間中に時間セグメント20を有する。第1偏差は、参照信号Aの時間T0とT7の間で生じる時間セグメント20Aで決定（例えば、測定、算出）することができ、第2偏差は、参照信号Bの時間T7とT10の間で生じる時間セグメント20Bで決定することができる。従って、標的レーザー信号に関連付けられた時間セグメント20の全体の偏差は、時間セグメント20Aと時間セグメント20Bに関連付けられた偏差を組合わせる（例えば、合計する、連結する）ことによって決定することができる。

図3は、偏差の補正の標的となる図2に示す標的レーザー信号の別の例を示す。この例は、図2に示す例の変形である。この実施態様では、標的レーザー信号は、分析の標的となる時間T0と時間T4の間の持続期間中に時間セグメント21を有する。第1偏差は、参照信号Aの時間T0とT7の間で生じる時間セグメント21Aで決定（例えば、測定、算出）することができ、第2偏差は、参照信号Bの時間T4とT7の間で生じる時間セグメント21Bで決定することができる。従って、標的レーザー信号に関連付けられた時間セグメント20の全体の偏差は、時間セグメント21Aと時間セグメント21Bに関連付けられた偏差を組合わせる（この場合、減算する）ことによって決定することができる。

図1を再び参照すると、参照システム190A、190Bに関連付けられた時間セグメントは、分析器170のサンプリングレートに対応することができる。いくつかの実施態様では、時間セグメントは、サンプリング間隔又はサンプリング期間の整数倍（整数とも呼ぶことができる）に対応することができる。例えば、分析器170のサンプリングレートは、数ナノ秒のサンプリング期間を含み得る。参照信号14Aに関連付けられた偏差が、サンプリング期間の整数倍に対応する時間セグメントに関連付けることができるように、遅延142Aは、サンプリング期間（例えば、5整数倍×5ナノ秒のサンプリング期間=25ナノ秒遅延）の整数倍に対応するように定義することができる。そうすることで、参照信号14A、14Bの時間セグメントに関連付けられた偏差は、1以上の標的信号に関連付けられたサンプリング期間の時間セグメントと整合させることができる。従って、標的レーザー信号の時間セグメントの偏差は、正確に決定することができる。

サンプリング期間の例を、少なくとも、例えば、図2に示す。図2に示すように、時間T0からT1の期間は、サンプリング期間に対応することができる。従って、標的レーザー信号のセグメント20は、１０個のサンプリング期間を含み得る。また、図2に示すように、セグメント20Aは、RA1からRA7の7つのサンプリング期間を含み、セグメント20Bは、RB1からRB3の7つのサンプリング期間を含む。このため、参照信号Aのセグメント20Aは、標的レーザー信号のセグメント20の時間T0から時間T7のサンプリング期間と整合させることができ、参照信号Bのセグメント20Bは、標的レーザー信号のセグメント20の時間T7から時間T10の残りのサンプリング期間と整合させることができる。従って、標的レーザー信号の時間セグメント20の偏差は、セグメント持続期間の対応又は整合により、セグメント20A、20Bの偏差に基づいて正確に決定することができる。

図1を再び参照すると、参照システム190A、190Bに関連付けられた遅延は、1以上のサンプリング期間に基づいた差を有し得る。具体的には、遅延142A及び遅延142Bは、サンプリング期間（例えば、サンプリング間隔）の整数倍によって分離することができる。例えば、図2に示すように、セグメント20Aは、4つのサンプリング期間によってセグメント20Bとは異なり得る。

いくつかの実施態様では、1以上の遅延142A、142Bは、素数のサンプリング期間である遅延期間を有し得る。いくつかの実施態様では、遅延142A、142Bは、公約数を有しない遅延期間で定義することができる。

いくつかの実施態様では、非ゼロ偏差（例えば、位相測定偏差）で、2つの参照システム190A、190Bの遅延期間のより長い方が、比率（距離（距離）-LO（長さ））/（長い参照アーム長）に基づく遅延を有し得る。距離は、物体5までの往復遅延であり、LO長さは、遅延142Cに相関する長さである。（距離-LO）項は、レーザー信号10から導出された干渉計信号に関連付けられた長さの差を表すことができる。言い換えると、距離項は、標的（例えば、物体5）までの距離を含み得、且つ、往復距離であり得るレーザー信号10に関連付けられた長さであり、LO項は、遅延バージョンのレーザー信号10に関連付けられた長さとすることができる。従って、（距離-LO）は、レーザー信号10のビートと遅延バージョンのレーザー信号10とから導出された長さを表すことができる。いくつかの実施態様では、比率は、10未満であり得るかまたは10未満であるべきである。2つの参照は、例えば、比較的短い期間の偏差の差分（例えば、位相差）測定値を効率的に連結させて、比較的長い期間の位相差推定値を得るために使用することができる。いくつかの実施態様では、一緒に連結させたより少ない短時間測定値は、正確な長距離測定に望ましい場合がある。

また、いくつかの実施態様では、2つの参照システム190A、190Bに関連付けられた遅延期間のより短い方は、比較的短時間の遅延期間偏差を正確に推定するのに十分に短くてもよく、比較的少ない数の測定値を用いて、所与の（距離-LO）長さの偏差を推定してもよい。より短い遅延（又は長さ）を有する参照システム190A、190Bのうち、より短い遅延（例えば、遅延142A、遅延142B）は、例えば、レーザー信号14Bの二乗平均平方根（RMS）位相測定誤差（例えば、ノイズによる誤差）がレーザー光源110の不完全性により測定されたRMS位相偏差と比べて小さいように十分に大きくてもよい。

いくつかの実施態様では、偏差検出器150A、150Bは、サンプリング期間に対応する時間セグメントの偏差を決定（例えば、算出、測定）するように構成することができる。言い換えると、偏差は、2以上のサンプリング期間から開始する時間セグメントについて測定することができる。従って、偏差は、種々の持続期間を有し、且つ、異なる時間（例えば、サンプリング時間）から開始する標的レーザー信号の時間セグメントについて測定することができる。

いくつかの実施態様では、標的レーザー信号のセグメントの偏差は、単一参照システムを用いて測定したマルチセグメント（例えば、連結セグメント、重複するセグメント）に関連付けられた偏差に基づいて決定することができる。例えば、偏差検出器は、遅延を有する参照システムを用いて、第1時間から開始する第1時間セグメントに関連付けられた第1偏差を測定するように構成することができる。偏差検出器は、同じ遅延を有する同じ参照システムを用いて、第1時間とは異なる第2時間から開始する第2時間セグメントに関連付けられた第2偏差を測定するように構成することができる。いくつかの実施態様では、第1時間セグメントは、第2時間セグメントと相互排他的にすることができる。いくつかの実施態様では、第1時間セグメントは、第2時間セグメントとの重複を有し得る。セグメントの重複は、特に、残留偏差を測定する場合に生じ得る。残留偏差については、例えば、少なくとも図5と関連させてより詳細に説明する。

図4は、図3に示す標的レーザー信号の時間セグメントのシフトの別の例を示す。図4に示すように、時間セグメント22Aは、図3に示す時間セグメント21Aから1サンプル期間だけシフトしている。同様に、時間セグメント22Bは、図3Bに示す時間セグメント21Bから1サンプル期間だけシフトしている。従って、時間セグメント22A及び22Bに関連付けられた偏差は、図3に示す時間セグメント21から1サンプリング期間だけシフトしている時間セグメント22に関連付けられた偏差を決定するために使用することができる。参照信号Aに関連付けられた又は参照信号Bに関連付けられたさらなる時間セグメントは、図4には図示しない。

図1を再び参照すると、いくつかの実施態様では、標的レーザー信号の時間セグメントに関連付けられた全体の偏差は、参照システム190A、190Bのうちの1つのみを用いて検出された偏差に基づいて決定することができる。例えば、参照システム 190Aの参照信号14Aに関連付けられた2以上の時間セグメントに関連付けられた2以上の偏差を組合せて使用して、標的レーザー信号の時間セグメントに関連付けられた全体の偏差を決定することができる。

いくつかの実施態様では、参照システム190A、190Bに関連付けられた時間セグメントは、標的レーザーシステムの時間セグメントと望ましい態様で整合しない場合がある。そのような例では、図1に示すレーザーシステム100に含まれる残留偏差計算機180は、種々の方法（例えば、平均、切頂部分）を用いて、参照システム190A、190Bに関連付けられた1以上の時間セグメントに基づいて残留偏差を算出するように構成することができる。そのような例を図5に示す。

図5は、実施態様による標的レーザー信号の別の例を示す図である。図5に示すように、標的レーザー信号は、時間S1とS12の間の標的時間セグメント52を有する。参照信号Aの時間セグメント52Aに関連付けられた偏差は、時間S1とS8の間の標的時間セグメント52の第1部分に関連付けられた偏差を決定するために使用することができ、参照信号Bの時間セグメント52B1に関連付けられた偏差は、時間S8とS11の間の標的時間セグメント52の第2部分を決定するために使用することができる。時間セグメント52Aと時間セグメント52B1の組合せは、S11とS12の間の標的時間セグメント52に剰余（又は残差部分）を残す。この実施態様では、参照信号Bの時間セグメント52B2に関連付けられた偏差は、時間S11とS12の間の標的時間セグメント52の残差部分に関連付けられた偏差を決定するために使用することができる。標的時間セグメント52の残差部分に関連付けられた偏差は、残差偏差と呼ぶことができる。いくつかの実施態様では、時間セグメント52B2に関連付けられた偏差の一部（又は部分）又は該偏差のサンプル時間当たりの平均は、時間S11とS12の間の標的時間セグメント52の残差部分に関連付けられた偏差（又は残差偏差）を推定するために使用することができる。いくつかの実施態様では、標的時間セグメント52の残差部分に関連付けられた残差偏差を算出する（又は推定する）のに使用したセグメントは、時間S11とS12の付近に中心を合わせることができる。例えば、参照信号Bの時間S10とS13の間の時間セグメントに関連付けられた偏差（又はその一部）は、標的時間セグメント52の残差部分に関連付けられた残差偏差を推定するために使用することができ、時間S11とS12の付近に中心を合わせることができる。いくつかの実施態様では、偏差は、残差偏差計算機、例えば、図1に示す残差偏差計算機180を用いて算出することができる。

適切に構成された参照アーム（例えば、図1に示す参照システム190A、190B）を用いて、参照アーム位相測定偏差内で、（距離-LO）遅延位相時間履歴を、最も近いサンプル長さに対して正確に（例えば、完全に）推定してもよい。1サンプル期間は1/（レーザー線幅）と比較して小さく、且つ、その期間内のレーザー変化は小さくなければならないため、サブサンプル位相推定の偏差は、一般的に、比較的小さい。

以下は、（距離-LO）位相時間履歴推定の一例である。

以下のように仮定する。

Ref15は、15サンプル遅延を有し、

Ref7は、7サンプル遅延を有する。

次いで、右の整数遅延により、Ref15位相時系列をRef7位相時系列に加えて、Ref22時系列を合成してもよい。（距離-LO）遅延時間が22サンプル期間に近い距離で標的を測定する場合には、合成Ref22複合体と、標的戻り信号に対するビートは、スペクトル処理に対して完全に近いトーンをもたらすであろう。

特定の実施態様を以下に示す:

レーザー位相信号：φ（t）

φ（t）=φ0+w0*t+α*t^2+V（t） （1）、

ここで、tは時間、φ0は時刻0での位相、w0は時刻0での光周波数、αはチャープ率を定義する定数、及びV（t）はレーザー周波数掃引の偏差又は非線形性を表す。

参照アーム位相信号は以下で与えられる

R（t,τ）=φ（t）-φ（t-τ） （2）

=w0*τ+（2*α*τ）*t-α*τ^2+v（t）-v（t-τ）

=[w0*τ-α*τ^2]+[2*α]*τ*t+v（t）-v（t-τ）、

ここで、τは干渉計における2つの長さすなわち遅延間の時間差である。

以下を定義する：

K（τ）=[w0*τ-α*τ^2]=一定の位相項

2*α=2*π*（チャープ率）=2*π*hzpm*c=H、

ここで、hzpmはパス不平衡のメートル当たりのヘルツ、及びcは伝搬媒体における光の速度である。

チャープ率（hz/秒）=hzps=hzpm*c

R（t,τ）=K（τ）+H*τ*t+v（t）-v（t-τ） （3）

ここで、離散時系列について考える:

t（j）=tSamp*j、ここで、tSampはサンプル時間である。

離散移動時間の長さtSamp*kを得るために切られた参照アームについても考える。

R（j,k）=R（j*tSamp,k*tsamp） （4）

=K（τ*tSamp）+H*k*tSamp^2*j+v（j）-v（j-k）

定数を無視して、ヘテロダインをベースバンドに複素化する(complex)と、以下を有する:

R0（j,k）=v（j）-v（j-k） （5）

遅延指標k及びmに対応する2つの実際の参照を有すると仮定する。すると、

R0（j,k）+R0（j-k,m）

=v（j）-v（j-k）+v（j-k）-v（j-k-m）

=v（j）-v（j-（k+m））=R0（j,k+m） （6）

R0（j,k）及びR0（j,m）を用いてR0（j,k+m）を正確に合成している。

同様に、

R0（j,k）-R0（j-k+m,m）

=v（j）-v（j-k）-v（j-（k-m））+v（j-（k-m）-m）

=v（j）-v（j-（k-m））=R（j,k-m） （7）

定理:

互いに素の（公約数を含まない）任意の2つの非ゼロ整数k及びmに対して第3の整数nを与えると、以下のような整数因子A及びBが存在する

n=A*k+B*m （8）

結果として、一般化すると、整数が互いに素である2つの整数サンプル長さ参照アームから任意の整数サンプル長さの参照アーム信号を合成することができる。唯一の偏差は、測定ノイズであり得る。

参照セグメント推定の近似-測定ノイズを無視できないため、大きな因子である整数A及び/又はBを伴う正確な実施態様を用いるよりも、いくつかの参照長さセグメント成分を近似することが理に適う場合がある。例えば、13サンプルの参照長さセグメントは、15サンプルの参照アームを用いて、且つ、サンプル指標を選択して、近似することができ、13サンプルは15サンプルの中心にある。13サンプル位相差は、（13/15）×15サンプルの測定位相差として推定される。同様に、17サンプルの参照セグメント位相差は、（17/15）×同じ中心サンプルセグメントを有する測定された15サンプル参照の位相差として推定することができる。

長さk及びmの参照ペアについて、k*m未満の長さの整数サンプル参照を正確に合成するのに要求される、最大のセグメントの数（式(8)のabs(A)及びabs(b)の合計）は、

maxSegments=[（k-1）+（m-1）]、 （9）
であることを示すことができる。

これは、所望のものより大きな数である。セグメント長さ[（k-2）、k、（k+2）、（m-2）、m、（m+2）]に選択肢を与えることによって、参照セグメント位相測定の最大数が大きく減少する。例えば、長さ[5、7、9、13、15、17]のセグメントを用いて、長さ1〜100サンプルの任意の整数サンプル参照を合成するために、最大数は7である。1〜50サンプルでは、最大数は4である。実際には、モデリングされた経験的な参照位相測定偏差を有し、長さ測定偏差推定値を近似し、正確なセグメントと近似したセグメントをその都度選択して、偏差を最小にするであろう。あらゆる状況において、最小偏差は、公知のHS処理によって得られるものよりも良い。

長い距離を定期的に測定するのにシステムを使用する場合、より長い参照アームとLOが適切である。

この一見すると複雑な合成参照アーム推定処理は、実際には、実装はかなり単純であり、既存のHS処理実装を上回る著しい性能の利点を生じる。一貫したSNR改善に加えて、速度及び距離の推定におけるアップチャープ及びダウンチャープの差を減らすべきである。

以下は、例である1〜100サンプル長さ参照の結果である。このコンパイルでは、近似セグメントにわたる正確なセグメントに優位性は与えていない。これは、良好な推定値が正確なセグメントと近似セグメントの偏差に利用可能になると加わるであろう。

いくつかの実施態様では、図1のレーザーシステム100に示す構成要素の1以上の部分は、ハードウェアベースモジュール（例えば、デジタル信号プロセッサー（DSP）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、メモリー）、ファームウェアモジュール、及び/又はソフトウェアベースモジュール（例えば、コンピューターコードのモジュール、コンピューターで実行することができる一連のコンピューター読み取り可能な命令）であってもよく、或いは、これらを含んでもよい。例えば、いくつかの実施態様では、レーザーシステム100の1以上の部分は、少なくとも1つのプロセッサー（不図示）によって実行するように構成されたソフトウェアモジュールであってもよく、或いは、これらを含んでもよい。いくつかの実施態様では、構成要素の機能性は、図1に示すものとは異なるモジュール及び/又は異なる構成要素に含むことができる。

いくつかの実施態様では、レーザーシステム100の1以上の構成要素は、メモリーに格納された命令を処理するように構成されたプロセッサーであってもよく、或いは、これらを含んでもよい。例えば、分析器170（及び/又はその一部）は、1以上の機能を実施する処理に関する命令を実行するように構成されたプロセッサー及びメモリーの組合せであってもよい。

不図示であるが、いくつかの実施態様では、レーザーシステム100（又はその一部）の構成要素は、例えば、データセンター（例えば、クラウドコンピューティング環境）、コンピューターシステム、1以上のサーバー/ホストデバイスなど内で作動するように構成してもよい。いくつかの実施態様では、レーザーシステム100（又はその一部）の構成要素は、ネットワーク内で作動するように構成してもよい。このため、レーザーシステム100（又はその一部）は、1以上のデバイス及び/又は1以上のサーバーデバイスを含み得る種々の種類のネットワーク環境内で機能するように構成してもよい。例えば、ネットワークは、ローカルエリアネットワーク（LAN）、ワイドエリアネットワーク（WAN）などであってもよく、或いは、これらを含んでもよい。ネットワークは、ワイヤレスネットワーク及び/又は、例えば、ゲートウェイデバイス、ブリッジ、スイッチなどを用いて実装されるワイヤレスネットワークであってもよく、或いは、これらを含んでもよい。ネットワークは、インターネットプロトコル（IP）及び/又は専用通信プロトコルなどの種々のプロトコルに基づいて1以上のセグメントを含んでもよく、及び/又はこれらに基づく部分を有してもよい。ネットワークは、インターネットの少なくとも一部を含んでもよい。

いくつかの実施態様では、メモリーは、ランダムアクセスメモリー、ディスクドライブメモリー、フラッシュメモリーなどのようないずれの種類のメモリーであってもよい。いくつかの実施態様では、メモリーは、レーザーシステム100の構成要素に関連付けられた2以上のメモリー構成要素（例えば、2以上のRAM構成要素又はディスクドライブメモリー）として実装してもよい。

本明細書に記載の種々の技術の実施態様は、デジタル電子回路、又はコンピューターハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又はそれらの組合せで実装してもよい。実施態様は、コンピュータープログラム製品として、すなわち、情報担体、例えば、機械読み取り可能な記憶デバイス（コンピューター読み取り可能な媒体、非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体、タンジブルコンピューター読み取り可能な記憶媒体）、又は、データ処理装置、例えば、プログラマブルプロセッサー、コンピューター、又はマルチコンピューターで処理するための、又は該データ処理装置の操作を制御するための伝播信号に物理的に組み込まれたコンピュータープログラムとして実装してもよい。上述のコンピュータープログラム（複数可）などのコンピュータープログラムは、コンパイル言語又はインタプリタ言語を含むプログラミング言語の任意の形態で書き込んでもよく、スタンドアロンプログラムとして、又はモジュール、コンポーネント、サブルーチン、若しくはコンピューティング環境での使用に適した他のユニットとして含む任意の形態で展開してもよい。コンピュータープログラムを展開して、1台のコンピューター又は1サイトに配置され又は複数サイトをまたがって分散し、かつ、通信ネットワークによって相互接続された複数台のコンピューターによって処理することができる。

方法ステップは、コンピュータープログラムを実行する1以上のプログラマブルプロセッサーで行い、入力データ上で動作し出力を生成することによって機能を実施してもよい。方法ステップは、例えば、FPGA（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はASIC（用途特定集積回路）などの特定用途論理回路によって実施してもよく、装置は、これら回路として実装してもよい。

コンピュータープログラムを処理するのに適したプロセッサーは、一例として、汎用及び特定用途マイクロプロセッサーの双方、及び任意の種類のデジタルコンピューターの任意の1以上のプロセッサーを含む。一般に、プロセッサーは、読取専用メモリー又はランダムアクセスメモリー又はこれら双方から命令とデータを受信する。コンピューターの要素は、命令を実行する少なくとも1つのプロセッサーと、命令及びデータを格納する1以上のメモリーデバイスを含んでもよい。一般に、コンピューターはさらに、データを格納する1以上の大容量記憶デバイス、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、又は光ディスクを備え、又はこれらと動作可能に連結され、これらからデータを受信し、又はこれらへデータを送信し、又はデータを送受信してもよい。コンピュータープログラム命令とデータを格納するのに適した情報担体は、一例として、例えば、EPROMやEEPROMのような半導体メモリーデバイス、フラッシュメモリーデバイス；例えば、内部ハードディスク又はリムーバブルディスクのような磁気ディスク；光磁気ディスク；CD ROM及びDVD-ROMディスクを含む不揮発性メモリーの全ての形態を含む。プロセッサーとメモリーは、特定用途論理回路によって補充され、又はその内部に設けてもよい。

ユーザーとの相互作用を提供するために、実施態様は、ユーザーに対して情報を表示する表示デバイス、例えば、液晶ディスプレイ（LCD）モニター、キーボード、及びユーザーがコンピューターに対して入力を提供することができるマウス又はトラックボールなどのポインティングデバイスを有するコンピューター上で実装してもよい。その他の種類のデバイスもユーザーとの相互作用を提供するために使用してもよく；例えば、ユーザーに対して提供されるフィードバックは、例えば、視覚フィードバック、聴覚フィードバック、又は触覚フィードバックなどの感覚フィードバックの任意の形態であってもよく；ユーザーからの入力は、音響入力、音声入力、又は触覚入力を含む任意の形態で受信可能である。

実装は、例えば、データサーバーのようなバックエンドコンポーネントを含む、又はミドルウェアコンポーネント、例えば、アプリケーションサーバーを含む、又はフロントエンドコンポーネント、例えば、実装を用いてユーザーが相互作用することができる、グラフィカルユーザーインタフェース若しくはウェブブラウザーを有するクライアントコンピューター、又はそのようなバックエンド、ミドルウェア、若しくはフロントエンドコンポーネントの任意の組合せを含む、コンピューティングシステムで実装してもよい。コンポーネントは、デジタルデータ通信の任意の形式又は媒体、例えば、通信ネットワークによって相互接続してもよい。通信ネットワークの例としては、ローカルエリアネットワーク（LAN）、ワイドエリアネットワーク（WAN）、例えば、インターネットが挙げられる。

上記の実施態様のある特徴を本明細書に記載のように説明してきたが、当業者は多くの修正、置き換え、変更、均等物を思い浮かべるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、実施態様の範囲内にあるものとしてそのような修正及び変更の全てを網羅することが意図されていると理解すべきである。それらは、限定としてではなく例としてのみ提示されており、形態及び詳細の種々の変更を行ってもよいと理解すべきである。本明細書に記載の装置及び/又は方法の任意の部分は、相互排他的な組合せを除いて、任意の組合せで組合わせてもよい。本明細書に記載の実施態様は、記載された異なる実施態様の機能、構成要素、及び/又は特徴の種々の組合せ及び/又はサブコンビネーションを含んでもよい。
本件出願は、以下の構成の発明を提供する。
（構成1）
実行した場合に、プロセッサーに処理を行わせる命令を格納する非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体であって、前記処理は、
持続期間を有するレーザー信号のセグメントを生成すること；
該レーザー信号に基づいて第1参照信号を生成すること；
該第1参照信号に基づいて該持続期間の第1部分に対応する第1位相偏差を算出すること；
該レーザー信号に基づいて第2参照信号を生成すること；
該第2参照信号に基づいて該持続期間の第2部分に対応する第2位相偏差を算出すること；及び
該第1位相偏差と該第2位相偏差の組合せに基づいて該レーザー信号のセグメントの位相偏差を算出すること、
を含む、前記非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体。
（構成2）
前記持続期間が、標的物体への前記レーザー信号の往復期間に対応する、構成1記載の非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体。
（構成3）
前記持続期間の第1部分と前記持続期間の第2部分が、相互排他的な期間中に発生する、構成1記載の非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体。
（構成4）
前記組合せが合計である、構成1記載の非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体。
（構成5）
前記組合せが差である、構成1記載の非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体。
（構成6）
レーザー信号を生成すること；
サンプリング期間に基づいて該レーザー信号の反射信号を分析すること；
該レーザー信号と該サンプリング期間の整数倍である第1遅延持続期間とに基づいて第1参照信号を生成すること；
該第1参照信号に基づいて該第1遅延持続期間に関連付けられた位相偏差を算出すること；及び
該レーザー信号に基づいた第2参照信号と該第1遅延持続期間とは異なる第2遅延持続期間とを生成すること、
を含む、方法。
（構成7）
前記位相偏差が、第1位相偏差であり、
前記第2参照信号に基づいて前記第2遅延持続期間に関連付けられた第2位相偏差を算出すること；及び
該第1位相偏差と該第2位相偏差を用いて前記レーザー信号の往復位相偏差を算出すること、
をさらに含む、構成6記載の方法。
（構成8）
前記位相偏差が、第1位相偏差であり、
前記第2参照信号に基づいて前記第2遅延持続期間に関連付けられた第2位相偏差を算出すること；及び
該第1位相偏差及び該第2位相偏差合計に基づいて前記レーザー信号の位相偏差を算出する工程であって、該位相偏差は、前記第1遅延持続期間と前記第2遅延持続期間の合計に等しい又はこれよりも大きい往復持続期間に関連付けられている、前記工程、
をさらに含む、構成6記載の方法。
（構成9）
前記位相偏差が、第1位相偏差であり、
前記第2参照信号に基づいて前記第2遅延持続期間に関連付けられた第2位相偏差を算出すること；及び
該第1位相偏差及び該第2位相偏差の差に基づいて前記レーザー信号の位相偏差を算出する工程であって、該位相偏差は、前記第1遅延持続期間と前記第2遅延持続期間の合計よりも小さい往復持続期間に関連付けられている、前記工程、
をさらに含む、構成6記載の方法。
（構成10）
標的物体までの距離に基づいて前記レーザー信号に関連付けられた往復持続期間を決定すること；及び
該往復持続期間と、前記第1遅延持続期間及び前記第2遅延持続期間の合計との差に対応する前記レーザー信号の一部の残留位相偏差を推定すること、
をさらに含む、構成6記載の方法。
（構成11）
前記サンプリング期間の整数倍が、前記サンプリング期間の第1の整数倍であり、前記第2遅延持続期間が、前記サンプリング期間の第2の整数倍である、構成6記載の方法。
（構成12）
前記第1の整数倍及び前記第2の整数倍が、公約数をもたない、構成11記載の方法。
（構成13）
前記第1の整数倍が素数であり、前記第2の整数倍が素数である、構成11記載の方法。
（構成14）
レーザー信号を生成するように構成されたレーザー光源と；
サンプリング期間に基づいて該レーザー信号からの反射信号を分析するように構成された受信器と；
第1遅延を含み、且つ、該レーザー信号に基づいて第1参照信号を生成するように構成された第1参照モジュールと；
該第1遅延によって生成された持続期間に関連付けられた位相偏差を検出するように構成された位相検出器と；
第2遅延を含み、且つ、該レーザー信号に基づいて第2参照信号を生成するように構成された第2参照モジュールと；
該第2遅延によって生成された持続期間に関連付けられた位相偏差を検出するように構成された位相検出器であって、該第1遅延によって生成された該持続期間は、該第2遅延によって生成された該持続期間と該サンプリング期間の整数倍だけ異なっている、前記位相検出器、
を含む、装置。
（構成15）
前記第1遅延の持続期間が、前記サンプリング期間の整数倍である、構成14記載の装置。

Claims (15)

1. 実行した場合に、プロセッサーに処理を行わせる命令を格納する非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体であって、前記処理は、
   持続期間を有するレーザー信号のセグメントを生成すること；
   該レーザー信号に基づいて第1参照信号を生成すること；
   該第1参照信号に基づいて該持続期間の第1部分に対応する第1位相偏差を算出すること；
   該レーザー信号に基づいて第2参照信号を生成すること；
   該第2参照信号に基づいて該持続期間の第2部分に対応する第2位相偏差を算出すること；
   該第1位相偏差と該第2位相偏差との組合せに基づいて該レーザー信号のセグメントの位相偏差を算出すること；及び
   該算出された位相偏差に基づいて該レーザー信号の偏差を補正すること、
   を含む、前記非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体。
2. 前記持続期間が、標的物体への前記レーザー信号の往復期間に対応する、請求項1記載の非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体。
3. 前記持続期間の第1部分と前記持続期間の第2部分が、相互排他的な期間中に発生する、請求項1記載の非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体。
4. 前記組合せが合計である、請求項1記載の非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体。
5. 前記組合せが差である、請求項1記載の非一時的なコンピューター読み取り可能な記憶媒体。
6. レーザー信号を生成すること；
   サンプリング期間に基づいて該レーザー信号の反射信号を分析すること；
   該レーザー信号と該サンプリング期間の整数倍である第1遅延持続期間とに基づいて第1参照信号を生成すること；
   該第1参照信号に基づいて該第1遅延持続期間に関連付けられた第1位相偏差を算出すること；
   該レーザー信号に基づいた第2参照信号と該第1遅延持続期間とは異なる第2遅延持続期間とを生成すること；
   該第2参照信号に基づいて該第2遅延持続期間に関連付けられた第2位相偏差を算出すること；及び
   該第1位相偏差と第2位相偏差とを組み合わせて算出した位相偏差に基づいて該レーザー信号の偏差を補正すること、
   を含む、方法。
7. 前記第1位相偏差と前記第2位相偏差とを用いて前記レーザー信号の往復位相偏差を算出することをさらに含む、請求項6記載の方法。
8. 前記第1位相偏差及び前記第2位相偏差の合計に基づいて前記レーザー信号の位相偏差を算出する工程であって、該位相偏差は、前記第1遅延持続期間と前記第2遅延持続期間との合計に等しい又はこれよりも大きい往復持続期間に関連付けられている、前記工程をさらに含む、請求項6記載の方法。
9. 該第1位相偏差及び該第2位相偏差の差に基づいて前記レーザー信号の位相偏差を算出する工程であって、該位相偏差は、前記第1遅延持続期間と前記第2遅延持続期間との合計よりも小さい往復持続期間に関連付けられている、前記工程をさらに含む、請求項6記載の方法。
10. 標的物体までの距離に基づいて前記レーザー信号に関連付けられた往復持続期間を決定すること；及び
    該往復持続期間と、前記第1遅延持続期間及び前記第2遅延持続期間の合計との差に対応する前記レーザー信号の一部の残留位相偏差を推定すること、
    をさらに含む、請求項6記載の方法。
11. 前記サンプリング期間の整数倍が、前記サンプリング期間の第1の整数倍であり、前記第2遅延持続期間が、前記サンプリング期間の第2の整数倍である、請求項6記載の方法。
12. 前記第1の整数倍及び前記第2の整数倍が、公約数をもたない、請求項11記載の方法。
13. 前記第1の整数倍が素数であり、前記第2の整数倍が素数である、請求項11記載の方法。
14. レーザー信号を生成するように構成されたレーザー光源と；
    サンプリング期間に基づいて該レーザー信号からの反射信号を分析するように構成された受信器と；
    第1遅延を含み、且つ、該レーザー信号に基づいて第1参照信号を生成するように構成された第1参照モジュールと；
    該第1遅延によって生成された持続期間に関連付けられた第1位相偏差を検出するように構成された位相検出器と；
    第2遅延を含み、且つ、該レーザー信号に基づいて第2参照信号を生成するように構成された第2参照モジュールと；
    該第2遅延によって生成された持続期間に関連付けられた第2位相偏差を検出するように構成された位相検出器、
    を含み、
    該第1遅延によって生成された該持続期間は、該第2遅延によって生成された該持続期間と該サンプリング期間の整数倍だけ異なっており、該第1位相偏差と該第2位相偏差とを組み合わせて算出した位相偏差に基づいて該レーザー信号の偏差が補正される、
    装置。
15. 前記第1遅延の持続期間が、前記サンプリング期間の整数倍である、請求項14記載の装置。

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