JP6811862B2 - 光学測距システムによる適応走査の方法およびシステム - Google Patents
光学測距システムによる適応走査の方法およびシステム Download PDFInfo
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Description
本出願は、2016年11月30日に出願された仮出願番号62/428,122の利益を主張するものであり、35U.S.C.§119(e)に従って、本参照により、前記仮出願の全内容が本明細書に組み込まれ、そこに記載されているものとされる。
本発明は、陸軍省により与えられた政府支援の契約W9132V−14−C−0002を得て、なされたものである。政府は、本発明に対する一定の権利を有する。
図1Aは、実施形態による光学チャープ距離測定を例示するグラフのセット110、120、130、140である。水平軸112は、4つのグラフのすべてに共通であり、ミリ秒(ms、1ms=10−3s)程度の任意の単位の時間を示す。グラフ110は、送信光信号として使用される光ビームの出力を示す。グラフ110の垂直軸114は、任意の単位での送信信号電力を示す。トレース116は、時刻0に開始する限定的なパルス時間幅τの間、電力がオンであることを示す。グラフ120は、送信信号の周波数を示す。垂直軸124は、任意の単位での送信周波数を示す。トレース126は、パルスの周波数が、パルスの時間幅τを通じて、f1からf2へ増加し、したがって、帯域幅B=f2−f1を有することを示す。周波数変化率は、(f2−f1)/τである。
fR=(f2−f1)/τ*2R/c=2BR/cτ (1a)
値fRは、脱チャープ化と呼称される時間領域混合演算において、送信信号126と戻り信号136aの周波数の差によって測定される。したがって、距離Rは、式1bによって与えられる。
R=fRcτ/2B (1b)
当然、パルスが完全に送信された後に戻り信号が到着した場合、すなわち、2R/cがτより大きい場合、式1aと1bは有効ではない。この場合、ローカルオシレータ(LO)とも呼ばれる基準信号は、戻り信号が基準信号と重なり合うように、既知の量または固定量、遅延される。式1bから計算される距離に加えられる追加距離を得るために、基準信号のこの固定または既知の遅延時間ΔtLOに光の速度cが乗算される。絶対距離は、媒質中の光の速度が不確実であるので、得られないかもしれないが、これは、ほぼ一定の誤差であり、周波数の差に基づく相対距離は、なお、非常に精度が高い。
測距方式がどのように実装されるかを描くために、いくつかの一般的なハードウェア方式を説明する。図2Aと図2Bは、様々な実施形態による高解像度LIDARシステムのコンポーネントを例示したブロック図である。図2Aでは、レーザ源212が、搬送波201を発射し、これが、変調器214において、RF波形発生器215からの入力に基づいて、振幅変調、周波数変調、位相変調、またはそれらの組み合わせによって変調されて、帯域幅Bと時間幅τを有するパルスを含む光信号203が生成される。いくつかの実施形態では、RF波形生成器215は、処理システム250からのコマンドでソフトウェア制御される。スプリッタ216は、変調された信号205を、光信号203のエネルギーのほとんどを有する送信信号205と、それよりはるかに小さいエネルギー量であるが、それでも、標的(図示せず)によって散乱された戻り信号への有効なヘテロダインまたはホモダイン干渉を生成するには十分なエネルギー量を有する基準信号207に分割する。いくつかの実施形態では、送信ビームは複数角度にわたって走査し、走査光学装置218を用いて、その経路内にある物体の輪郭を得る。基準信号は、散乱光とともに検知器アレイ230に到達するように、基準経路220において十分に遅延される。いくつかの実施形態では、スプリッタ216は、変調器214の上流側にあり、基準ビーム207は変調されない。いくつかの実施形態では、基準信号は、新たなレーザ(図示せず)を用いて、独立に生成され、基準経路にある別の変調器(図示せず)と生成器215からのRF波形を用いて、別に変調される。いくつかの実施形態では、図2Bを参照して下に述べるように、単一のレーザ源212からの出力は、基準経路220において、独立に変調される。柔軟性の小さいものから、大きなものまで、様々な実施形態において、1)経路長が十分に一致するように送信ビームの一部が反射されて検知器アレイに戻ってくるように、対象場所にミラーを置くこと、2)図2Aに示すように、特定の距離について観測または予想される位相差を補償するための経路長調整の有無にかかわらず、検知器アレイ近傍の光学装置により、経路長をほぼ一致させて、基準ビームをブロードキャストするために、ファイバ遅延を利用すること、または、3)図2Bを参照して下に詳しく述べるように、経路長の不一致を補償するために別の変調を生成するために、周波数偏移デバイス(音響−光学変調器)またはローカルオシレータ波形変調の時間遅延を用いること、または、それらの組み合わせによって、基準信号は、散乱フィールドまたは反射フィールドとともに到着させられる。いくつかの実施形態では、戻り信号が、遅延なしに、基準信号と十分に重なり合うように、標的が十分近く、パルス時間幅が十分長い。いくつかの実施形態では、基準信号207bは、1つ以上の光混合器232において、戻り信号291と光混合される。様々な実施形態において、標的の複数の部分が、各走査ビームについて、それぞれの戻り光291信号を散乱して検知器アレイ230に戻し、それにより、複数のビームおよび複数の戻り光によって、照明された標的の複数部分のそれぞれの距離に基づいて、点クラウドが生成される。
図3Aは、実施形態による、走査レーザ測距システムで走査される場所の例示画像である。この画像は、約10センチメートル距離解像度(例えば、5〜20cm)で最大約1キロメートル(例えば、0.5〜2km)の距離のために構成された走査3Dレーザ測距システムの最大水平角および垂直角解像度を用いて生成された。図3Bは、実施形態による、適応走査される図3Aの場所の水平方向部分の例を示す画像である。この水平方向の次元は、相対単位での水平角を示し、垂直方向の次元は、静止LIDARシステムから見た、相対単位での垂直角を示す。戻り信号がない角度での測定を回避し、目標空間解像度を得るために、高い角解像度標本化が望ましい、遠い標的に対してのみ、そのような標本化を用い、目標空間解像度を与えるために、低い角解像度で十分な、近い物体に対しては低い角解像度標本化を用いることにより、所望の測距情報の収集を迅速にするために、適応走査が行われる。
Δθ=arctan(s/R) (2a)
比s/Rの値が小さい場合には、Δθ≒s/Rである。ほとんどの場合、sは、Rよりもはるかに小さいので、多くの実施形態において、処理を迅速にするために、近似値Δθ=s/Rが用いられる。近距離Rnearから遠距離Rfarまでの距離間隔にあるすべての物体について、少なくとも目標空間解像度s、またはそれ以上を確かに達成するために、遠距離を式2に使用して、式2bを得る。
Δθ=arctan(s/Rfar) (2b)
小さい角の近似が有効である場合には、式2bの近似式2cを用いる。
Δθ=s/Rfar (2c)
当然、任意の所与のレーザ測距システムは、個々の光ビームの最小角幅を有し、そのような角ビーム幅よりはるかに小さい角解像度は、実際には、定義できない。したがって、大きな距離では、目標空間解像度sは、達成不可能なこともある。以下の説明では、単純化のために、計算されたΔθは必ずビーム角幅より大きいと仮定する。
Rnearn≦RGn<Rfarn (3)
値Rnearnは、下のような命令を使用して、距離R(α,ε)とそれに関連する角座標(α,ε)を1つの距離ゲートのセットに割り当てるためのゲートとして用いることができる。
For α=αmin to αmax, ε=εmin to εmax
N=0
for i=1 to N, if R(α,ε)≧Rneari, then n=i
add R(α,ε) to set RGn
そこで、距離ゲートのセットにおけるすべての各座標(α,ε)からなる角空間の各部分は、距離ゲートのうちの1つに関連づけることができる。角範囲ゲートに関連するエリアは、距離ゲートエリアと呼ばれる。図3Eは、実施形態による、図3Dに描かれた形状に対する距離ゲート内の距離の一団の内の、角走査空間における走査距離の隣接エリアの例を示すブロック図である。エリア356は、近傍の建物と柱状物のエリア322を含むRG1に割り当てられ、エリア356bは、RG2に割り当てられ、エリア356cは、壁構造物328を含むRG3に割り当てられ、エリア356dは、RG4に割り当てられ、エリア356eは、建物エリア330を含むRG5に割り当てられ、356fは、ドーム構造物332を含むRG6に割り当てられる。
ΔtLOn=RGRn/c (4)
周波数変調連続波(FMCW)チャープLIDAR測距システムでは、距離ウィンドウは、チャープ帯域幅、デジタイザ帯域幅、およびパルス反復周波数(PRF)によって規定される。したがって、基本的FMCWシステムは、より大きなPRFおよび帯域幅については、距離に限界がある。この限界は、長距離で迅速に距離データを取得するシステムの能力を制限する。この制限は、ソフトウェアプログラム可能な距離遅延に影響するように、LOおよびチャープ波形の送信器/戻り信号経路に、別々の変調器(例えば、図2Bを参照して、上に述べたように、基準経路282において、RF波形生成器215、および、別個の変調器214bを用いる)を考慮することによって、克服された。LO波形の時間遅延は、所与の距離遅延のための測距周波数帯域幅Bが低減されて、検知器/デジタイザシステムの帯域に入ることを可能にする。このコンセプトは、非ゼロ距離遅延で、距離ウィンドウ内の迅速な距離データ取得を可能にする。これは、適応走査アルゴリズムと組み合わされて、例えば、それぞれの異なる距離ゲートの走査軌跡のための異なる基準経路遅延を用いて、対象のボリュームの量のデータを、いっそう迅速に取得することができる。
図8は、本発明の実施形態が実装され得るコンピュータシステム800の例示のブロック図である。コンピュータシステム800は、コンピュータシステム800の内部および外部のコンポーネント間で、情報を送受させるためのバス810などの、通信メカニズムを備える。情報は、測定可能な現象、一般的には、電圧であるが、その他の実施形態においては、磁気、電磁気、圧力、化学、分子、原子および量子の相互作用などの現象の物理的信号として表される。例えば、NとSの磁場、または、ゼロと非ゼロの電圧は、2値桁(ビット)の2つの状態(0,1)を表す。他の現象は、より高い基数の桁を表すことができる。測定前の複数の量子状態の重ね合わせは、量子ビット(qubit)を表す。1つ以上の桁のシーケンスは、数または文字のコードを表すために使用される。いくつかの実施形態では、アナログデータと呼ばれる情報は、特定の範囲内の測定可能な値の近似連続体によって表される。コンピュータシステム800、またはその一部は、本明細書に記載する1つ以上の方法の1つ以上の工程を実行するための手段を構成する。
以上の明細において、本発明は、特定の実施形態に照らして記述された。しかし、本発明の広い精神と範囲から逸脱することなく、本発明に様々な修正および変更を加え得ることは明らかであろう。したがって、明細書および図面は、制限的意味ではなく、例示的意味を有するとみなされなければならない。本明細書および請求の範囲を通じて、文脈から別の意味に解すべき場合を除き、comprise、ならびに、comprisesおよびcomprisingなど、その変形は、述べられた項目、要素、あるいは工程、または、項目、要素、あるいは工程の集まりを含むと解されるが、任意のその他の項目、要素、あるいは工程、または、項目、要素、あるいは工程の集まりを排除するものではない。さらに、不定冠詞aまたはanは、それによって修飾される項目、要素、または工程の1つ以上を示すものである。本明細書において使用される場合、文脈から明らかである場合を除き、値は、それが他の値を2で乗除(2または1/2倍)したものである場合、他の値に「約」を付けたものである。例示の範囲が与えられた場合、文脈から明らかな場合を除き、様々な実施形態において、それに含まれる範囲もすべて意図されている。したがって、いくつかの実施形態において、1から10の範囲は、1から4の範囲を含む。
Adany, P., C. Allen, and R. Hui, “Chirped Lidar Using Simplified Homodyne Detection,” Jour. Lightwave Tech., v. 27 (16), 15 August, 2009.
Haralick, R.M., S.R. Sternberg and X. Zhuang, “”Image Analysis Using Mathematical Morphology,” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, v. PAMI-9 (4), July 1987.
Hui, R., C. Allen, and P. Adany, “Coherent detection scheme for FM Chirped laser RADAR,” US patent 7,742,152, 22 June 2010.
Claims (15)
- 光検出と測距(LIDAR)システムであって、該システムは:
光信号を生成するように構成されたレーザ源;
光信号の周波数または位相の少なくとも1つを変調するように構成された変調器;
変調光信号を送信するように構成された1つ以上の走査光学装置;および
処理回路であって;
1つ以上の走査光学装置の視野内の複数の第1の距離測定値を取得するために1つ以上の走査光学装置を動作させ;
複数の距離ゲートのうち特定の距離ゲートに対応する1つ以上の第1の距離測定値を使用して、複数の距離ゲートのうち特定の距離ゲートに第2の角解像度を割り当て;
複数の第2の距離測定値を取得するために、複数の距離ゲートの各々に割り当てられた、第2の角解像度を使用して、1つ以上の走査光学装置を動作させ;および
複数の第2の距離測定値を使用して、自律走行車を制御するように構成された、
処理回路、
を含む、光検出と測距(LIDAR)システム。 - 処理回路は、複数の距離ゲートのうち特定の距離ゲートに関する目標空間解像度を使用して、複数の距離ゲートのうち特定の距離ゲートに第2の角解像度を割り当てるように構成される、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 第1の角解像度は、目標角解像度よりも大きい、請求項2に記載のLIDARシステム。
- 処理回路は、複数の第1の距離測定値または複数の第2の距離測定値のうち少なくとも1つを取得するべく、のこぎり歯状走査軌道を使用して走査するために、走査光学装置を動作させるように構成される、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 第1の角解像度は、第2の角解像度の約10〜100倍である、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 処理回路は、複数の距離ゲートのうち特定の距離ゲートの特徴的距離を使用して、複数の第2の距離測定値を取得するために基準経路遅延時間を決定し;および
基準経路遅延時間によって複数の第2の距離測定値を取得するために使用される基準信号を遅延させる、ように構成される、
請求項1に記載のLIDARシステム。 - 処理回路は、複数の第2の距離測定値を取得するべく、戻り信号がない角空間の走査を回避するために、1つ以上の走査光学装置を動作させるように構成される、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 1つ以上の走査光学装置によって送信される変調光信号に応じて戻り信号を受信するように構成された検知器アレイをさらに含み、ここで、処理回路は、戻り信号を使用して少なくとも1つの第2の距離測定値を決定するように構成される、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 1つ以上の走査光学装置の視野内の、複数の第1の距離測定値を取得するために、第1の角解像度を使用して、1つ以上の走査光学装置を動作させる工程;
複数の距離ゲートのうち特定の距離ゲートに対応する1つ以上の第1の距離測定値を使用して、複数の距離ゲートのうち特定の距離ゲートに第2の角解像度を割り当てる工程;
複数の第2の距離測定値を取得するために、複数の距離ゲートのうち特定の距離ゲートに割り当てられた、第2の角解像度を使用して、1つ以上の走査光学装置を動作させる工程;および
複数の第2の距離測定値を使用して、自律走行車を制御する工程、
を含む、請求項1−8のいずれか1つに記載のLIDARシステムを動作させる方法。 - 複数の距離ゲートのうち特定の距離ゲートに第2の角解像度を割り当てる工程は、特定の距離ゲートに関する目標空間解像度を使用して、第2の角解像度を割り当てる工程を含み、ここで第1の角解像度は、目標空間解像度よりも大きい、請求項9に記載の方法。
- 視野内の物体のサイズの所定の値または所定の分数の少なくとも1つを使用して、目標空間解像度を決定する工程をさらに含み、前記所定の値は10センチメートル以下である、請求項10に記載の方法。
- 複数の第1の距離測定値または複数の第2の距離測定値の少なくとも1つを取得するために、1つ以上の走査光学装置を動作させる工程は、のこぎり歯状走査軌道を使用した走査のために1つ以上の走査光学装置を動作させる工程を含む、請求項9に記載の方法。
- 複数の距離ゲートのうち特定の距離ゲートの特徴的距離を使用して、複数の第2の距離測定値を取得するために基準経路遅延時間を決定する工程をさらに含み、ここで、1つ以上の走査光学装置を動作させる工程は、基準経路遅延時間によって複数の第2の距離測定値を取得するために1つ以上の走査光学装置によって使用される基準信号を遅延させる工程を含む、請求項9に記載の方法。
- 複数の第2の距離測定値を取得するために1つ以上の走査光学装置を動作させる工程は、戻り信号がない角空間の走査を回避するために1つ以上の走査光学装置を動作させる工程を含み、複数の第1の距離測定値を取得するために1つ以上の走査光学装置を動作させる工程は、垂直角解像度として第1の角解像度、及び水平角解像度として第1の角解像度とは異なる第3の角解像度を使用する工程を含む、請求項9に記載の方法。
- 複数の距離ゲートのうち特定の距離ゲートは、1つ以上の走査光学装置の視野の角空間の一部に関連づけられ、および1つ以上の第1の距離測定値は、特定の距離ゲートに割り当てられた最小距離よりも大きく、かつ特定の距離ゲートに割り当てられた最大距離未満である、請求項9に記載の方法。
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