JP6840164B2

JP6840164B2 - Ｌａｄａｒ振動測定のための光学的フェイゾグラム

Info

Publication number: JP6840164B2
Application number: JP2018547976A
Authority: JP
Inventors: ハルモス，マウリス，ジェイ．
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2021-03-10
Anticipated expiration: 2037-02-08
Also published as: WO2017196415A1; JP2019512692A; IL261489A; EP3408683A1; TW201740133A; US10261187B2; IL261489B; TWI652495B; US20170329013A1

Description

レーザレーダとして参照されることもあるレーザ検出及び測距（laser detection and ranging；ＬＡＤＡＲ）センサは、レーザビームを用いて距離（又はレンジ）及び瞬時速度を測定する。ＬＡＤＡＲセンサを用いて、高い精細度（例えば、１０００メートルを超えるレンジで１５ｃｍ又はそれより良い解像度）でシーンの画像を形成することができる。ＬＡＤＡＲセンサは、静止物体、又は例えば車両若しくは航空機などの移動物体に搭載され得る。特に、ＬＡＤＡＲセンサを用いて、例えば走行中のモータなどの振動する物体の存在及び動きを決定し得る。

この概要は、詳細な説明で更に後述される複数の概念の一部を簡略化した形態で紹介するために提示されるものである。この概要は、特許請求される事項の主要な又は本質的な特徴を特定することを意図したものではないし、特許請求される事項の範囲を限定するために使用されることを意図したものでもない。

一態様において、レーザ検出及び測距（ＬＡＤＡＲ）システムを動作させる方法が提供される。ＬＡＤＡＲシステムは、一連のコヒーレントパルスを含むレーザ信号を送信し、ターゲットから反射された、送信されたレーザ信号に基づくリターン信号を受信する。ＬＡＤＡＲシステムは、リターン信号の１つ以上のレンジビン（本願において、“レンジ瓶”とも称する）を形成する。各レンジビンは、送信されたレーザ信号に基づいて形成された一連のコヒーレントパルスを含む。各レンジビンについて、ＬＡＤＡＲシステムは、一連のコヒーレントパルスに関するフェイゾグラムを生成する。該フェイゾグラムは、リターン信号と基準信号との間の相対位相を決定することによって生成される。ＬＡＤＡＲシステムは、生成されたフェイゾグラムに基づいてリターン信号の振動スペクトルを生成する。

当該方法は更に、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことができる：スペックル、フェーディング、及びＬＡＤＡＲシステムの動き、のうちの少なくとも１つを補償すること、リターン信号が閾値よりも小さい場合に、リターン信号の、１つ以上の最近の値に基づいて、リターン信号の値を補間すること、ＬＡＤＡＲシステムのローカル発振器信号に基づいて基準信号を生成し、各レンジビンについて、一連の相互相関位相信号を生成し、各相互相関位相信号は、リターン信号と基準信号との間の相対位相のピークを有し、各相互相関位相信号のピークを追跡し、且つ追跡されたピークに基づいて、時間の関数としてフェイゾグラムの列を生成すること、決定された相対位相に基づいてリターン信号の周波数履歴を決定すること、生成されたフェイゾグラムに基づいてリターン信号の振動スペクトルを生成することは、追跡されたピークに基づいて、アンラップ位相信号を決定し、アンラップ位相信号の導関数を決定することによってリターン信号の周波数履歴を決定し、且つ決定された周波数履歴に対してフーリエ変換を実行する、ことを有すること、フーリエ変換は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）であること、フェイゾグラムはレンジ分解されること、アンラップ位相信号を決定することは、追跡されたピークの１つ以上の位相ジャンプを除去すること、各レンジビンについて、一連のコヒーレントパルスに関するスペクトログラムを生成し、該スペクトログラムは、リターン信号の１つ以上の瞬時速度測定値に基づくこと、及び／又は、生成されたスペクトログラムに基づいて粗振動スペクトルを生成し、且つ生成されたフェイゾグラムに基づいて微振動スペクトルを生成すること。

他の一態様において、実行可能な命令を格納した非一時的な機械読み取り可能媒体を有する物品が提供され、該命令は、レーザ検出及び測距（ＬＡＤＡＲ）システムに、一連のコヒーレントパルスを含むレーザ信号を送信させ、且つ、ターゲットから反射された、送信されたレーザ信号に基づくリターン信号を受信させる。ＬＡＤＡＲシステムは、リターン信号の１つ以上のレンジビンを形成する。各レンジビンは、送信されたレーザ信号に基づいて形成された一連のコヒーレントパルスを含む。各レンジビンについて、ＬＡＤＡＲシステムは、一連のコヒーレントパルスに関するフェイゾグラムを生成する。該フェイゾグラムは、リターン信号と基準信号との間の相対位相を決定することによって生成される。ＬＡＤＡＲシステムは、生成されたフェイゾグラムに基づいてリターン信号の振動スペクトルを生成する。

当該物品は更に、以下の特徴のうちの１つ以上のための命令を含むことができる：スペックル、フェーディング、及びＬＡＤＡＲシステムの動き、のうちの少なくとも１つを補償すること、リターン信号が閾値よりも小さい場合に、リターン信号の、１つ以上の最近の値に基づいて、リターン信号の値を補間すること、ＬＡＤＡＲシステムのローカル発振器信号に基づいて基準信号を生成し、各レンジビンについて、一連の相互相関位相信号を生成し、各相互相関位相信号は、リターン信号と基準信号との間の相対位相のピークを有し、各相互相関位相信号のピークを追跡し、且つ追跡されたピークに基づいて、時間の関数としてフェイゾグラムの列を生成すること、決定された相対位相に基づいてリターン信号の周波数履歴を決定すること、生成されたフェイゾグラムに基づいてリターン信号の振動スペクトルを生成することは、追跡されたピークに基づいて、アンラップ位相信号を決定し、アンラップ位相信号の導関数を決定することによってリターン信号の周波数履歴を決定し、且つ決定された周波数履歴に対してフーリエ変換を実行する、ことを有すること、フーリエ変換は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）であること、フェイゾグラムはレンジ分解されること、アンラップ位相信号を決定することは、追跡されたピークの１つ以上の位相ジャンプを除去すること、各レンジビンについて、一連のコヒーレントパルスに関するスペクトログラムを生成し、該スペクトログラムは、リターン信号の１つ以上の瞬時速度測定値に基づくこと、及び／又は、生成されたスペクトログラムに基づいて粗振動スペクトルを生成し、且つ生成されたフェイゾグラムに基づいて微振動スペクトルを生成すること。

他の一態様において、レーザ検出及び測距（ＬＡＤＡＲ）装置が提供される。ＬＡＤＡＲ装置は、一連のコヒーレントパルスを含むレーザ信号を送信する送信器と、ターゲットから反射された、送信されたレーザ信号に基づくリターン信号を受信する受信器とを含む。ＬＡＤＡＲ装置は、リターン信号の１つ以上のレンジビンを形成する回路を含む。各レンジビンは、送信されたレーザ信号に基づいて形成された一連のコヒーレントパルスを含む。ＬＡＤＡＲ装置は、各レンジビンについて一連のコヒーレントパルスに関するフェイゾグラムを生成する回路を含む。該フェイゾグラムは、リターン信号と基準信号との間の相対位相を決定することによって生成される。ＬＡＤＡＲ装置は、生成されたフェイゾグラムに基づいてリターン信号の振動スペクトルを生成する回路を含む。

当該装置は更に、以下の特徴のうちの１つ以上を含むように構成されることができる：スペックル、フェーディング、及びＬＡＤＡＲシステムの動き、のうちの少なくとも１つを補償すること、リターン信号が閾値よりも小さい場合に、リターン信号の、１つ以上の最近の値に基づいて、リターン信号の値を補間すること、ＬＡＤＡＲシステムのローカル発振器信号に基づいて基準信号を生成し、各レンジビンについて、一連の相互相関位相信号を生成し、各相互相関位相信号は、リターン信号と基準信号との間の相対位相のピークを有し、各相互相関位相信号のピークを追跡し、且つ追跡されたピークに基づいて、時間の関数としてフェイゾグラムの列を生成すること、決定された相対位相に基づいてリターン信号の周波数履歴を決定すること、生成されたフェイゾグラムに基づいてリターン信号の振動スペクトルを生成することは、追跡されたピークに基づいて、アンラップ位相信号を決定し、アンラップ位相信号の導関数を決定することによってリターン信号の周波数履歴を決定し、且つ決定された周波数履歴に対してフーリエ変換を実行する、ことを有すること、フーリエ変換は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）であること、フェイゾグラムはレンジ分解されること、アンラップ位相信号を決定することは、追跡されたピークの１つ以上の位相ジャンプを除去すること、各レンジビンについて、一連のコヒーレントパルスに関するスペクトログラムを生成し、該スペクトログラムは、リターン信号の１つ以上の瞬時速度測定値に基づくこと、及び／又は、生成されたスペクトログラムに基づいて粗振動スペクトルを生成し、且つ生成されたフェイゾグラムに基づいて微振動スペクトルを生成すること。

この特許又は出願ファイルは、カラーで行われた少なくとも１つの図を含んでいる。カラーの（１つ以上の）図を有するこの特許又は特許出願公報の複製は、請求及び必要な手数料の支払いを受けて庁によって提供されるであろう。

記載される実施形態のその他の態様、特徴、及び利点が、以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面から、より十分に明らかになるであろう。図面において、同様又は同一の要素は似通った参照符号によって識別される。図面の図に関連して明細書に導入される参照符号は、その他の特徴に関する文脈を提供するために、明細書中での更なる記述なしで、１つ以上の後続図で繰り返されることがある。
記載される実施形態に従ったＬＡＤＡＲシステムの例示的な用途の図である。記載される実施形態に従った例示的なＬＡＤＡＲシステムを示すブロック図である。図２のＬＡＤＡＲシステムの例示的な送信信号及び受信信号を示す図である。図２のＬＡＤＡＲシステムの例示的な基準信号と例示的なリターン信号との例示的なビートを示すプロットである。図３Ｂに示した例示的な基準信号と例示的なリターン信号との間の相互相関を示すプロットである。図２のＬＡＤＡＲシステムによって受信される例示的なリターン信号の時間ドメイン信号特性を示すプロットである。図２のＬＡＤＡＲシステムによって受信される例示的なリターン信号のスペクトログラムを示すプロットである。図４Ｂのスペクトログラムのパワースペクトル密度を示すプロットである。図２のＬＡＤＡＲシステムによって受信される例示的なリターン信号のスペクトログラムを示す別のプロットである。図５Ａのスペクトログラムについて達成されるノイズ等価速度（ＮＥＶＶ）を周波数に対して示すプロットである。図２のＬＡＤＡＲシステムによって受信される例示的なリターン信号の時間ドメイン相互相関信号特性を示すプロットである。図６Ｃに示す試験信号についての、図２のＬＡＤＡＲシステムによって受信される例示的なリターン信号の信号特性のラップフェイゾグラムを示すプロットである。図２のＬＡＤＡＲシステムの例示的な試験信号の信号特性を示すプロットである。図６Ｃに示す試験信号についての、図２のＬＡＤＡＲシステムによって受信される例示的なリターン信号の信号特性のアンラップフェイゾグラムを示すプロットである。図５Ａのスペクトログラムについて、１０なるキャリア対ノイズ比（ＣＮＲ）で達成されるノイズ等価速度（ＮＥＶＶ）を周波数に対して示すプロットである。図６Ｄのフェイゾグラムについて、１０なるキャリア対ノイズ比（ＣＮＲ）で達成されるノイズ等価速度（ＮＥＶＶ）を周波数に対して示すプロットである。図５Ａのスペクトログラム及び図６Ｄのフェイゾグラムについて、達成されるノイズ等価速度（ＮＥＶＶ）をキャリア対ノイズ比（ＣＮＲ）に対して示すプロットである。図６Ｄのフェイゾグラムについて、３なるキャリア対ノイズ比（ＣＮＲ）で達成されるノイズ等価速度（ＮＥＶＶ）を周波数に対して示すプロットである。図６Ｄのフェイゾグラムについて、１なるキャリア対ノイズ比（ＣＮＲ）で達成されるノイズ等価速度（ＮＥＶＶ）を周波数に対して示すプロットである。記載される実施形態に従った、図２のＬＡＤＡＲシステムを動作させる方法を示すフロー図である。記載される実施形態に従った、図１０のプロセスのうちフェイゾグラムを生成するステップの更なる詳細を示すフロー図である。図２のＬＡＤＡＲシステムのＬＡＤＡＲプロセッサのハードウェアアーキテクチャを示すブロック図である。

レーザレンジ分解振動イメージング（“振動測定”）を実行する方法及び装置がここに記載される。レーザレンジ分解振動イメージングは、ターゲットの振動の周波数スペクトル表現である振動スペクトルを提供する能力である。一例において、レーザ検出及び測距（ＬＡＤＡＲ又はＬＩＤＡＲ）センサとターゲットとの間の見通し線（ラインオブサイト）内にこれまたあり得るターゲットの周囲からのクラッタ（ノイズ）を無視しながら、ターゲットの表面の振動トーンの固有周波数分解であるターゲットの振動特徴（シグネチャ）を識別するために、レーザレンジ分解振動イメージングが使用され得る。通常は近距離で観察される必要があるターゲット情報を遠隔で取得するために、コヒーレントＬＡＤＡＲがますます使用されている。特に、遠隔振動センシングは、埋設された地雷を検出するため、災害地帯の医療トリアージのため、又は例えばアイドリング中の車両などのターゲットの小さい動きを検出するために使用され得る。

例えば、図１は、ＬＡＤＡＲ振動測定の例示的な用途を示している。図１に示すように、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４が、航空機１０２として示されているＬＡＤＡＲ照準システム上に搭載され得る。航空機１０２として示されているが、ＬＡＤＡＲ照準システムは、例えば車両、船舶、航空機などの移動システム上で使用されてもよいし、静止したシステム、又はその他の可搬式システムに実装されてもよい。移動システムでは、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４は速度Ｖ_Ｐで進んでいるとし得る。

一例において、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４は、ターゲット１１０の表面の小さい動きから生じるターゲット１１０の振動シグネチャを測定し得る。そのような動きは、比較的小さくてもよく、また、以下に限られないがＬＡＤＡＲトランシーバ１０４に向かう動き及びそれから遠ざかる動きを含め、如何なる方向にあってもよい。

他の一例において、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４は、レーザレンジ分解振動イメージングを実行して、延びたボディの様々な部分（例えば、航空機の機体の機首部、胴体部、及び尾部）が異なる振動特性を有し得る場合に、延びたボディにわたって存在し得る様々な振動を分離し得る。

ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４は、ターゲット１１０を照射するビーム１０６を放射する。ターゲット１１０は、概して、アイドリング中の車両、又はその振動を検出することに基づいてその存在が検出され得るその他の装置若しくは物体とし得る。ターゲット１１０は、１つ以上の妨害物によって部分的に覆われていることがある。妨害物は、図１に示す例示的な用途では樹冠１０８として概略的に示されているが、例えばカモフラージュ装置などのその他のアイテムを含み得る。また、ターゲット１１０は、例えば建造物や他の車両又は表面（地面１１２として概略的に示されている）などの、ビーム１０６を反射し得る物体の上又は近くに位置していることがある。ビーム１０６の少なくとも一部が、ターゲット１１０に突き当たり、それによってリターン信号１１４として反射される。リターン信号１１４の少なくとも一部が、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４によって受信される。

典型的に、戻り信号１１４は、送信された信号１０６と同じ全体波形を有するが、（例えば、ドップラー効果のために）時間及び周波数においてシフトされる。さらに、リターン信号１１４は、（例えば、スペックル、レイリーフェージング及び／又はマルチパスによる）建設的及び／又は相殺的干渉ベクトルを含むことがある。記載される実施形態では、ビーム１０６は、一連のコヒーレント短レーザパルス（コヒーレント短レーザパルスのトレイン）とし得る。しかしながら、ビーム１０６は、それに代えて、振動イメージングのために使用されることが可能な、線形（又は非線形）周波数変調（ＦＭ）チャープ波形、ランダム周波数シフトキーイング波形、ランダム位相シフトキーイング波形などの連続波（ＣＷ）トレインであってもよい。

ターゲットの振動スペクトルを測定するために、従来技術のシステムは、リターン信号の一連の瞬時速度又はドップラー測定を行った。故に、従来技術のシステムは、周波数データ（例えば、スペクトログラム）の高速時間（fast time；ＦＴ）変換を行うことによって、時間の関数として周波数を直接的に測定する振動スペクトルを生成した。

スペクトログラムを使用することは、中心周波数を正確に知る必要がない点で有益であり、この点は、ドップラーシフトが測定されないターゲットを扱うときに重要である。しかしながら、小さいターゲット振動を正確に検出するためには、スペクトログラムは、かなり高い光キャリア対ノイズ比（carrier-to-noise ratio；ＣＮＲ）を必要とする。

従来技術のシステムとは対照的に、ここに記載されることになるように、例示的な実施形態は、リターン信号と基準信号との間で一連の瞬時位相シフト測定を実行して、ターゲットの振動スペクトル（例えば、“フェイゾグラム（phasogram）”）を時間の関数として決定する。また、記載される実施形態は、オプションで、フェイゾグラムデータの導関数を導出することによって、フェイゾグラムからスペクトログラムを生成し得る。

図２を参照するに、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４の例示的な実施形態のブロック図が、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４’として示されている。図２に示すように、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４’は、レーザ発振器２０６に結合された入力とレーザパルス送信器２０４に結合された出力とを有する波形発生器２０２を含んでいる。レーザパルス送信器２０４は電力増幅器２２６を含んでいる。レーザ発振器２０６は、２００ＴＨｚの帯域内の信号（例えば、光信号）である光信号２６５を波形発生器２０２に提供する。波形発生器２０２は、（例えば、ＬＡＤＡＲ送信信号２５７（Ｔ）として）送信されるべきＬＡＤＡＲ信号の所望波形を生成し、光信号２６５に該所望波形を混合して、又は光信号２６５を該所望波形で変調して、レーザ信号２５１を生成する。レーザパルス送信器２０４は、レーザ信号２５１を受け取って、レーザ信号２５１に対して信号処理を実行して（例えば、電力増幅器２２６によってレーザ信号２５１を増幅するとともに、対応するレーザパルスを生成して）、レーザパルス信号２５３を生成する。

レーザパルス信号２５３は、ミラー２１０（例えば、ミラー２１０内の開口（図示せず））を介して、パルスレーザビーム２５５の焦点、サイズ及び方向を制御し得るものである指向・ビーム制御回路２１２に提供される。パルスレーザビーム２５５（Ｔ）は、光学ズーム２１４及び／又は望遠鏡、又はＬＡＤＡＲ送信信号２５７（Ｔ）を処理するその他の光学デバイスを含み得るものである光学系２１４に提供される。ＬＡＤＡＲ送信信号２５７（Ｔ）は、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４’から（例えば、図１に示したビーム１０６として）ターゲット（例えば、図１に示したターゲット１１０）に送信される。

図２に示すように、一部の実施形態において、指向・ビーム制御回路２１２及び光学系２１４は、送信信号（例えば、２５７（Ｔ））及び受信信号（例えば、リターン信号２５７（Ｒ））の双方に共用され得る。一部の実施形態において、ＬＡＤＡＲ送信信号２５７（Ｔ）は、繰り返しレーザパルスのコヒーレントトレインである。上述のように、ＬＡＤＡＲ送信信号２５７（Ｔ）は、（例えば、ターゲット１１０及び／又は地面１１２及び樹冠１０８によって）反射され、ＬＡＤＡＲリターン信号２５７（Ｒ）としてＬＡＤＡＲトランシーバ１０４’の光学系２１４によって受け取られる。故に、ＬＡＤＡＲリターン信号２５７（Ｒ）は、繰り返しレーザパルスのコヒーレントトレインである。

光学系２１４は、戻りレーザビーム２５５（Ｒ）を、戻りレーザビーム２５５（Ｒ）の焦点を制御し得るものである指向・ビーム制御回路２１２に提供する。指向・ビーム制御回路２１２は、戻りレーザ信号２５９（これは、ミラー２１０及び２１６として概略的に示されている１つ以上の光学構造によって向け直され得る）を、コヒーレント受信器２１８に向け、又はその他の方法で提供する。

レーザ発振器２０６はまた、光基準信号２６７をローカル発振器２０８に提供する。光基準信号２６７に基づいて、ローカル発振器２０８は、コヒーレント受信器２１８に提供されるものである基準信号２６９を生成する。コヒーレント受信器２１８は、戻りレーザ信号２５９の少なくとも一部を基準信号２６９と混合し、例えば、光周波数（例えば、２００ＴＨｚ）から、例えばＲＦ周波数（例えば、１００ＭＨｚの帯域内）といった、より低い周波数にダウンコンバートする。コヒーレント受信器２１８はまた、戻りレーザ信号２５９又はダウンコンバートされた信号をフィルタリングするための１つ以上のフィルタ（図示せず）を含んでいてもよい。一部の実施形態において、コヒーレント受信器２１８は、ガイガーモードアバランシェフォトダイオード（ＧＭＡＰＤ）受信器として実装され得る。

より低い周波数の出力信号２６１は、ＬＡＤＡＲプロセッサ２２２に提供される。一部の実施形態において、より低い周波数の出力信号２６１は、基準信号２６９及び戻りレーザ信号２５９の相対位相を表し得る。故に、ＬＡＤＡＲプロセッサ２２２は、基準信号２６９と戻りレーザ信号２５９との間の位相差を処理し得る。一部の実施形態において、ＬＡＤＡＲプロセッサ２２２はまた、戻りレーザ信号２５９の例えば周波数や振幅などの１つ以上のその他の信号属性も処理し得る。一部の実施形態において、より低い周波数の出力信号２６１は、ＬＡＤＡＲプロセッサ２２２によってデジタル化されることができ、より低い周波数の出力信号２６１に対応するデータが、メモリ２２０に格納され得る。より低い周波数の出力信号２６１の格納データは、ターゲット１１０からのＬＡＤＡＲリターン信号２５７（Ｒ）を表すデジタルデータである。

一部の実施形態において、ＬＡＤＡＲプロセッサ２２２は、ＬＡＤＡＲリターン信号２５７（Ｒ）を表すデジタルデータを１つ以上のレンジビンにグループ分けする。画像プロセッサ２２４が、各レンジビンを処理して、（例えば、図６Ｄに示すような）各レンジビンについてのレンジ分解された振動フェイゾグラム画像を生成する。また、一部の実施形態において、ＬＡＤＡＲプロセッサ２２２は、フェイゾグラム画像及び位相データからスペクトログラム画像及び周波数データを導出し得る。ＬＡＤＡＲプロセッサ２２２は、フェイゾグラム画像、及びフェイゾグラム画像に関連付けられた位相データを、ＬＡＤＡＲ出力信号２６３として、更なる処理（例えば、ターゲット１１０を識別するなど）のために提供する。スペクトログラム画像及び周波数データも導出する実施形態では、ＬＡＤＡＲ出力信号は、スペクトログラム画像及び周波数データも含み得る。

図３Ａを参照するに、ＬＡＤＡＲ送信信号２５７（Ｔ）’は、一連のパルス３０２（１）、３０２（２）、…、３０２（Ｎ）を含んでいる。ターゲット１１０によって反射された後、ＬＡＤＡＲリターン信号２５７（Ｒ）’も、ＬＡＤＡＲ送信信号２５７（Ｔ）’と実質的に同じパルス間隔を持つ一連のパルスである。図示のように、ＬＡＤＡＲリターン信号２５７（Ｒ）’は、１つ以上の戻りパルストレイン３０４（１）−３０４（Ｎ）を含み得る。戻り各パルストレイン３０４は、レンジビン３０６（１）−３０６（３）として示している１つ以上のレンジビンにグループ分けされることができるものである１つ以上の戻りパルス３０８を含む。

レンジビンは、元パルスが送信された後の或る一定の時間内に到着する戻りパルスを表す。例えば、第１のレンジビン３０６（１）において、戻りパルス３０８（１）（１）は、パルス３０２（１）が送信された後に第１の一定時間内に受信されたものであり、戻りパルス３０８（２）（１）は、パルス３０２（２）が送信された後に第１の一定時間内に受信されたものであり、等々である。同様に、第２のレンジビン３０６（２）において、戻りパルス３０８（１）（２）は、パルス３０２（１）が送信された後に第２の一定時間内に受信されたものであり、戻りパルス３０８（２）（２）は、パルス３０２（２）が送信された後に第２の一定時間内に受信されたものであり、等々である。故に、レンジビンは、所与のパルス時間隔たりＴに関して分解されることが可能な、ターゲットまでのレンジ（例えば、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４とターゲット１１０との間のレンジ）を表す。各レンジビン３０６に含まれる戻りパルストレイン３０４の数Ｎは、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４のコヒーレント処理期間（coherent processing interval；ＣＰＩ）に基づいて決まる。パルス間隔周期でＬＡＤＡＲリターン信号２５７（Ｒ）’をサンプリングすることにより、所与のレンジビン３０６の信号が取得される。

ＣＰＩは、パルス時間隔たりＴに基づいた、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４の“低速時間”である一方で、分解されることができるレンジビンの数は、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４に関する“高速時間”である。分解されることができるレンジビンの数は、一義的な最大レンジを決めるものであるパルス時間隔たりよりも速いサンプリング時間に基づく。パルス間隔を超えた戻りパルスは、第１の送信パルス３０２（１）又は第２の送信パルス３０２（２）の何れにも対応するとして誤って解釈され得る。例えば、パルス間隔が１０マイクロ秒であり、分解ビンが１ナノ秒幅である場合、曖昧さなく１０，０００個のレンジビンを得ることができる。

記載される実施形態において、一連のパルス（例えば、３０４）は、戻り信号（例えば、戻りレーザ信号２５９）とローカル発振器（例えば、基準信号２６９）との間のビート周波数をサンプリングする。図３Ａに示すように、ＬＡＤＡＲ送信信号２５７（Ｔ）’は、ターゲット１１０に送られるコヒーレント波形（例えば、一連のコヒーレントパルス３０２）であり、反射又は戻りレーザ信号２５９はコヒーレント受信器２１８に戻される。コヒーレント受信器２１８は、ターゲットリターン信号（例えば、信号２５９）を基準信号（例えば、ローカル発振器信号２６９）に混合（ミキシング）する。２つの信号を混合することは、これら２つの信号間の周波数差の“ビート”トーン（うなり）を生成する。ダウンミキシングされた信号の周波数及び位相は、（例えば、信号２５９の）光周波数及び位相の直接的な翻訳である。決定されたビート周波数は、戻り信号の相対位相を決定するために、期待される信号周波数に対して周波数において近いものであるデジタル作成された基準信号と比較される。

図３Ｂは、ヘテロダイン処理されたリターン信号（例えば、カーブ３２４）及び内部作成された基準信号（例えば、カーブ３２２）のパルスを示しており、どちらも５０ｋＨｚで脈動している。リターン信号と基準信号との相対位相を抽出することには、数多くの取り得る手法が存在する。一部の実施形態は、信号がノイズで損ねられたときにジャンプを有しないようにするため、相互相関技術を使用する。図３Ｃは、基準信号及びターゲット信号に基づいてＬＡＤＡＲプロセッサ２２２によって生成された相互相関信号を示している。

戻り信号がレンジビンに分けられると、単一のレンジビンが各々選択される。一部の実施形態において、短い時間量（例えば、単一の送信パルス３０２のサンプリング時間）で収集されたデータを使用するので高速変換として参照される第１のフーリエ変換を実行するために、コヒーレント積分時間Ｔ_ｃｉｔにわたって信号が積分される。コヒーレント積分時間Ｔ_ｃｉｔに対応する期間にわたってサンプルが収集され、そのデータに対して第２のフーリエ変換が実行される。この第２の変換は、より長い期間で（例えば、複数の送信パルス３０２にわたって）収集されたデータを使用するので、低速変換（例えば、低速フーリエ変換）として参照される。典型的に、（例えば、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４の速度Ｖ_Ｐのために）低速変換のデータに対して何らかの動き補償が行われる。低速フーリエ変換は、スペクトログラムを作成するために使用される周波数スライスのうちの１つになる。このプロセスは、図４Ａ及び４Ｂによって例示される。

図３Ｂの検査は、リターン信号２５９をローカル発振器基準信号２６９と混合することが、例えば５０ｋＨｚといった期待される中間周波数（ＩＦ）でビートトーンを生成することを明らかにする。記載される実施形態において、信号サンプル期間Ｔ_ｃは、最大振動周波数周期の１／２である１／（２ｆ_ｖｍａｘ）に一致する。ビートトーンは、レンジ分解波形を使用するときはレンジビンごとに生成され、レンジ分解されないときは全体波形に対して生成される。

一部の実施形態において、ドップラー速度のコヒーレントサンプルを使用して、各スペクトログラム列（カラム）を生成するために使用される瞬時速度拡散の測定値が生成される。スペクトログラムは、時間の関数としての、信号の周波数成分の図的表現である。信号は、信号が静止していると仮定される短い時間インターバルであるコヒーレント処理期間（ＣＰＩ）に分割される。

図４Ａに示すように、所与の各レンジビンについて一連のフーリエ変換４０２（１）−４０２（８）（経時的にシフトする周波数ピークを示す）が生成される。所与のレンジビンについてのこの一連のフーリエ変換に基づいて、図４Ｂに示されるように、結果として得られるスペクトログラム４０４の単一の列が生成される。スペクトログラムの各垂直スライスから、ピークの推定が行われ、それから、ドップラー周波数を時間の関数として表すものであるカーブ４０６が導き出され得る。故に、スペクトログラム内の個々のフーリエ変換の積分時間によって、ドップラーナイキスト周波数が設定される。

図４Ｃに示すように、ドップラー推定の時系列のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）（これはフーリエ変換の大きさである）を取ることによって、ターゲット振動スペクトルが生成され得る。このようなアプローチは、振動の周波数に対応する１つ以上のピーク４２４を持つスペクトル４２２を生み出す。このプロセスは各レンジビンについて行われるので、得られるスペクトログラム及び振動スペクトルはレンジ分解されている。

故に、スペクトログラムは、瞬時ターゲット速度（例えば、ドップラーシフト）を時間の関数として追跡する。瞬時ターゲット速度のフーリエ変換を取ることは、ターゲットの振動スペクトルを生成する。振動測定の感度は、振動のノイズ等価速度（Noise Equivalent Velocity of Vibration；ＮＥＶＶ）として参照される測定のノイズフロアによって決定される。様々な効果がＮＥＶＶに寄与し、そのうちの１つはスペクトログラム測定のキャリア対ノイズ比（ＣＮＲ）である。例えば、ＮＥＶＶはＣＮＲの平方根に比例し、ＮＥＶＶ∝√ＣＮＲによって与えられる。記載される実施形態では、ＮＥＶＶに対する信号ＣＮＲの寄与を無視できるように保つために、ＣＮＲは有利には約１０ｄＢ又はそれよりも良好（例えば、より高いＣＮＲ値）に制限される。

図５Ａは、表１のパラメータを用いてシミュレーションしたリターン信号についてのスペクトログラムの一例を示している。

瞬時周波数推定は、白色（例えば、ピーク５０２）で示されるスペクトログラムの各スライスのピークを選択することによって得られる。信号が減衰（フェード）するとき（例えば、スペックルのために）、ピークは中心から外れたノイズピークであり、故に、信号減衰が検出されるとき、緑色のトレース５０４として示されるように結果が補間される。緑色トレースのフーリエ変換の大きさを取ることで、図５Ｂに示されるような信号の振動スペクトルが得られる。図５Ｂに示すように、１００Ｈｚ、５００Ｈｚ、及び９ｋＨｚにあるシミュレーションされた振動周波数は、ピーク５５２（１）、５５２（２）及び５５２（３）に対応する。振動スペクトルのフロア（底）は、達成される感度（例えば、ＬＡＤＡＲセンサの感度）を表し、それが、ＮＥＶＶ５５４として示されるノイズ等価振動速度すなわちＮＥＶＶとして参照される。

スペクトログラムによって達成される感度を改善するために、記載される実施形態は、フェイゾグラムを使用してリターン信号位相を経時的に追跡する。ドップラーシフトを時間の関数として追跡するとともに、ターゲットの振動スペクトルを生成するフーリエ変換を有するスペクトログラムとは対照的に、フェイゾグラムは、リターン信号の位相変化を時間の関数として追跡して、遥かに高感度の振動スペクトルの測定をもたらす。図３Ａ−３Ｃに関して説明したように、一連のコヒーレントパルスが送信され、ターゲットによってリターン信号として受信器に反射される。図３Ｂに示したように、リターン信号２５９をローカル発振器基準信号２６９と混合することにより、例えば５０ｋＨｚといった期待される中間周波数（ＩＦ）でビートトーンが生成される。

戻って図３Ｃを参照するに、一部の実施形態は、各リターンパルストレインの相互相関によって、リターン信号と基準信号との相対位相を決定する。図３Ｃに示すように、相互相関を取られた信号３３２は各々、ピーク振幅３３４を持つ。一部の実施形態において、各サンプル（５０μｓのコヒーレンス積分時間Ｔ_ｃｉｔ）について、所与のレンジビンにおける各相互相関のピークを見つけることによって、リターン信号の位相が追跡される。一部の例において、１つ以上のその他の、第２のピーク３３８は、オフセット３３６として示されるように、ピーク３３４から２πの位相オフセットを有し得る。

例えば、図６Ａに示すように、所与の各レンジビンについて、一連の相互相関６０２（１）−６０２（８）（経時的にシフトする相対位相ピークを示す）が生成される。所与のレンジビンについてのこの一連の相互相関６０２（１）−６０２（８）に基づいて、結果として得られるフェイゾグラムの単一の列が生成され、図６Ｂに示されるように、時間の関数としてプロットされる。フェイゾグラムの各垂直スライスから、ピークの推定が行われ、６０４として示されるように、時間の関数として導き出された位相信号が生成される。

図６Ｃに示すように、アンラップ位相信号の導関数を取って周波数履歴を決定し、次いで、該導関数のフーリエ変換（例えば、ＦＦＴ）の大きさを決定することにより振動スペクトルを決定することによって、ターゲット振動スペクトルが生成される。振動スペクトルは、振動の周波数を示す１つ以上のピーク６１２（この例では、表１からの１００Ｈｚ、５００Ｈｚ、及び９ｋＨｚにある試験振動周波数に対応する３つのピーク６１２ａ、６１２ｂ及び６１２ｃ）を持つカーブ６１４として示されている。このプロセスは各レンジビンについて行われるので、得られるフェイゾグラム及び振動スペクトルはレンジ分解されている。

図６Ｂに示すように、位相プロットのピークは、位相がドリフトするにつれて２πだけジャンプし得る（位相ジャンプ６０６として示されている）。位相ジャンプを抑制する、又は理想的に排除するために、記載される実施形態は、決定された相互相関位相ピークを“アンラップ”する（巻き付きを解く）。“ラップ”（巻き付いた）位相信号は、２πのインターバル（例えば、−πからπ、又は０から２πなど）を超えて変化するが、各２πインターバルの終わりで信号不連続（例えば、ジャンプ）を有し得る。位相アンラッピングとは、立て続けの位相値間に（例えば、各２πインターバルの終わりに）大きいジャンプが存在するときにラップ位相信号に２πの倍数を加算（又は減算）する信号処理技術である。“アンラップ”位相信号は、故に、例えば図６Ｄにアンラップ位相信号６４２として示すように、２πインターバルでの不連続（例えば、ジャンプ）のない連続した信号である。

また、記載される実施形態は、リターン信号の信号強度を追跡する。リターン信号強度が、（例えば、フェーディングのスペックルのために）ノイズ閾値を下回るとき、信号値が、１つ以上の周辺値（例えば、１つ以上の以前のサンプル）に基づいて（例えば、ＬＡＤＡＲプロセッサ２２２によって）補間され得る。

位相信号の導関数を取り、次いで、該導関数のフーリエ変換の大きさを見ることによって、図６Ｃに示すように、ターゲットの振動スペクトルが決定される。図６Ｄに示すように、プロット６４４はラップ位相信号を示し、カーブ６４２は、如何なる２π位相ジャンプもないアンラップ位相信号である。ピーク信号６４６として白色で示されるフェイゾグラムの各スライスのピークを選択することによって、瞬時位相推定が得られる。次に、曖昧な２πジャンプを除去するために位相をアンラップするとともに、例えばスペックルに起因して信号が減衰するときに補間を行うことによって、アンラップ位相信号６４２がもたらされる。アンラップ位相信号６４２のフーリエ変換の大きさを取ることで、図６Ｃに示されるターゲットの振動スペクトルが与えられる。

スペクトログラムに関してと同様に、振動測定の感度は、振動のノイズ等価速度すなわちＮＥＶＶとして参照される測定のノイズフロアによって決定される。図７Ａ及び７Ｂは、表１の試験条件（例えば、１００Ｈｚ、５００Ｈｚ、及び９ｋＨｚにおける試験振動トーン）について、スペクトログラム７００を介して得られた振動スペクトル（図７Ａ）と、フェイゾグラム７０２を介して得られた振動スペクトル（図７Ｂ）とを比較している。図７Ａ及び７Ｂは、１０なるＣＮＲ（例えば、低いリターン信号強度）で達成される振動スペクトルを例示している。示されているように、フェイゾグラムは、スペクトログラムよりも高い感度を達成する（例えば、図７ＢのＮＥＶＶ７２４の方が、図７Ａの平均ＮＥＶＶ７１４よりも遥かに低い）。１０なるＣＮＲの場合、振動シグネチャは、スペクトログラム処理では、図７Ａに示されるようにノイズフロア（例えば、７１２又は７２２）の中に完全に消失するが、フェイゾグラム処理では、図７Ｂに示されるように容易に決定される（例えば、ピーク７２６ａ、７２６ｂ及び７２６ｃはノイズフロアよりも十分上にある）。

図８は、スペクトログラム処理の平均ＮＥＶＶ（カーブ８０２）及びフェイゾグラム処理の平均ＮＥＶＶ（カーブ８０４）の信号ＣＮＲに対するプロット８００を示している。図８は、表１に与えられているような例示的な１００Ｈｚのスペックル周波数に対して導出されている。図８に示すように、低いＣＮＲレベル（例えば、１０以下）でフェイゾグラムを使用するＬＡＤＡＲシステムの達成感度は、スペクトログラムを使用するＬＡＤＡＲシステムの達成感度よりも１００倍近く良好となり得る。

例えば、図９Ａ及び９Ｂは、３なるＣＮＲ（図９Ａ）及び１なるＣＮＲ（図９Ｂ）の場合に、表１の試験条件（例えば、１００Ｈｚ、５００Ｈｚ及び９ｋＨｚおける試験振動トーン）でフェイゾグラムを介して得られた振動スペクトルを示している。図９Ａに示されるように、３ｄＢのＣＮＲでは、９ｋＨｚ信号はもはや検出されないが、フェイゾグラムは依然としてピーク７２６ａ及び７２６ｂを検出することができる。図９Ｂに示されるように、１なるＣＮＲでは、ピーク７２６ａ及び７２６ｂはＮＥＶＶノイズフロアのほんの僅か上にある。

スペクトログラム及びフェイゾグラムの双方の計算を同じリターン信号に対して実行することができるので、一部の実施形態において、粗い速度時間履歴を生成するためにスペクトログラムも使用してもよく、そして、位相オフセットを参照するために、その粗い速度時間履歴をフェイゾグラムによって使用することができる。フェイゾグラムのサンプリングレートは、位相の曖昧さが誤ったオフセットを生じさせるのを避けるために、サンプル当たり２πよりも大きく位相がシフトしないように選定される。

図１０を参照するに、図４のＬＡＤＡＲトランシーバ１０４によって実行され得るＬＡＤＡＲフェイゾグラムプロセス１０００のフロー図が示されている。ブロック１００２にて、プロセス１０００が開始する。ブロック１００４にて、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４が、ＬＡＤＡＲ送信信号（例えば、図２のＬＡＤＡＲ送信信号２５７（Ｔ））を生成して送信する。ブロック１００６にて、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４が、ターゲットによって反射されたリターン信号（例えば、図２のＬＡＤＡＲリターン信号２５７（Ｒ））を受信する。ブロック１００８にて、ＬＡＤＡＲプロセッサ２２２が、リターン信号を１つ以上のレンジビン（例えば、図３のレンジビン３０６）にグループ分けする。ブロック１０１０にて、一部の実施形態において、オプションで、例えば、ＬＡＤＡＲトランシーバ１０４の動きを補正するため、又はその他の信号フィルタリング及び補正のため、リターン信号に対して信号補正が実行される。ブロック１０１２にて、ＬＡＤＡＲプロセッサ２２２が、図１１に関して説明するように、各レンジビンについてフェイゾグラムを生成する。ブロック１０１４にて、一部の実施形態において、各レンジビンについてスペクトログラムも導出され得る。ブロック１０１６にて、例えばブロック１０１２で生成されたフェイゾグラムに基づいて、ターゲット振動スペクトルがＬＡＤＡＲプロセッサ２２２によって生成される。一部の実施形態において、ブロック１０１６にて、ＬＡＤＡＲプロセッサ２２２は、ブロック１０１４で生成されたスペクトログラムに基づいて粗（コース）振動スペクトルを導出し、次いで、ブロック１０１２で生成されたフェイゾグラムに基づいて微（ファイン）振動スペクトルを導出し得る。生成された振動スペクトル（又は複数のスペクトル）は、更なる処理のためにＬＡＤＡＲ出力２６３として提供され得る。ブロック１０１８にて、プロセス１０００が完了する。

図１１は、サブプロセス１０１２’として示されたブロック１０１２のフェイゾグラム生成プロセスの更なる詳細を示しており、これが各レンジビンに対して繰り返される。ブロック１１０２にて、サブプロセス１０１２’が開始する。ブロック１１０４にて、相互相関位相信号が生成されて、ターゲットで反射されたリターン信号と基準信号（例えば、ローカル発振器信号２６９）との間の相対位相が決定される。一部の実施形態において、相互相関位相信号はデジタル化される（例えば、サンプリングされる）。ブロック１１０６にて、例えば図６Ａに示したように、一連の相互相関が、所与の各レンジビンについて生成される。所与のレンジビンについてのこの一連の相互相関に基づいて、結果として得られるフェイゾグラムの単一の列が生成され、図６Ｂに示すように、時間の関数としてプロットされる。フェイゾグラムの各垂直スライスから、ピークの推定が行われ、時間の関数として導き出された位相信号が生成される（例えば、図６Ｂの６０４）。所定の観測時間ほどの長さにわたってスペクトログラムに垂直な線が付加される。

ブロック１１０８にて、位相がアンラップされて（例えば、各２πインターバルの終わりでの位相ジャンプが除去されて）、例えば図６Ｄに示したものなどのアンラップ位相信号が生成される。一部の実施形態において、ブロック１１１０及び１１１２がオプションで実行され得る。ブロック１１１０でリターン信号が閾値未満である場合に、ブロック１１１２にて、例えばスペックル及びフェーディングの影響を低減するために、信号レベルが、１つ以上の周囲の信号サンプル値に基づいて補間され得る。もし、ブロック１１１０でリターン信号が閾値以上であった場合には、サブプロセス１０１２’はブロック１１１４に進む。ブロック１１１０及び１１１２が実行されない実施形態では、サブプロセス１０１２’は、ブロック１１０８からブロック１１１４に進む。

ブロック１１１４にて、リターン信号の周波数履歴が決定される。記載される実施形態において、周波数履歴は、ブロック１１０８で生成されたアンラップ位相信号の導関数を導出することによって決定される。ブロック１１１６にて、ブロック１１１４で導出された導関数のフーリエ変換（例えば、高速フーリエ変換すなわちＦＦＴ）を実行することによって、例えば図６Ｃに示した振動スペクトルなどの振動スペクトルが決定される。ブロック１１１８にて、サブプロセス１０１２’が完了する。

図１２を参照するに、一部の実施形態において、ＬＡＤＡＲプロセッサ２２２は、１つ以上のコンピュータとして実装され得る。コンピュータ１２００は、プロセッサ１２０２、揮発性メモリ１２０４（例えば、ＲＡＭ）、不揮発性メモリ１２０６（例えば、ハードディスクドライブ、フラッシュドライブなどのソリッドステートドライブ、ハイブリッド型磁気及びソリッドステートドライブなど）、グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）１２０８（例えば、ディスプレイ又はタッチスクリーンなど）、及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置１２２０（例えば、マウス、キーボード、タッチスクリーンなど）を含み得る。不揮発性メモリ１２０６は、コンピュータ命令１２１２、オペレーティングシステム１２１６、及びデータ１２１８を格納し、それにより、例えば、プロセス１０００及び１０１２’（例えば、図１０及び１１）の少なくとも一部を実行するよう、コンピュータ命令１２１２が揮発性メモリ１２０４からプロセッサ１２０２によって実行される。プログラムコードは、ＧＵＩ１２０８の入力装置を使用して入力されたデータ又はＩ／Ｏ装置１２２０から受信されたデータに適用されてもよい。

プロセス１０００及び１０１２’（例えば、図１０及び１１）は、図１２のハードウェア及びソフトウェアとの使用に限定されるものではなく、任意のコンピューティング環境又はプロセッシング環境での並びにコンピュータプログラムを走らせることができる任意のタイプのマシン又はマシンセットでの適用性を見出し得る。プロセス１０００及び１０１２’（例えば、図１０及び１１）は、ハードウェア、ソフトウェア、又はこれら２つの組み合わせにて実装され得る。

ここに記載されるプロセスは、記載される特定の実施形態に限定されるものではない。例えば、プロセス１０００及び１０１２’は、図１０及び１１に示された特定の処理順序に限定されるものではない。むしろ、プロセス１０００及び１０１２’のブロックのうち何れも、ここに記載された結果を達成するよう、必要に応じて並べ替えられ、結合若しくは除去され、並列若しくは直列に実行され得る。

プロセッサ１２０２は、システムの機能を実行するために１つ以上のコンピュータプログラムを実行する１つ以上のプログラム可能プロセッサによって実装され得る。ここで使用されるとき、用語“プロセッサ”は、関数、演算、又は一連の演算を実行する電子回路を記述するために使用される。関数、演算、又は一連の演算は、電子回路にハードコードされることができ、又はメモリデバイスに保持された命令によってソフトコードされることができる。“プロセッサ”は、デジタル値又はアナログ信号を使用して、関数、演算、又は一連の演算を実行することができる。一部の実施形態において、“プロセッサ”は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）にて具体化されることができる。一部の実施形態において、“プロセッサ”は、付随するプログラムメモリを備えたマイクロプロセッサにて具現化されることができる。一部の実施形態において、“プロセッサ”は、ディスクリート電子回路にて具現化されることができる。“プロセッサ”は、アナログ、デジタル、又はミックストシグナルとすることができる。

回路のプロセスに関して例示的な実施形態を記載してきたが、記載された実施形態は、単一の集積回路、マルチチップモジュール、単一のカード、又はマルチカード回路パックとして実装されてもよい。また、当業者に明らかなように、回路要素の様々な機能はまた、ソフトウェアプログラム内の処理ブロックとして実装されてもよい。そのようなソフトウェアは、例えば、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ、又は汎用コンピュータにて使用され得る。故に、記載された実施形態は、ハードウェア、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせ、ソフトウェア、又は１つ以上のプロセッサによる実行中のソフトウェアにて実施されてもよい。

一部の実施形態は、方法及びそれらの方法を実施する装置の形態で実装され得る。記載された実施形態はまた、例えば、記憶媒体に格納される、マシンにロードされ且つ／或いはそれによって実行される、あるいは、電気配線若しくはケーブル上で、光ファイバを通して、又は電磁放射線を介してなど何らかの伝送媒体又はキャリア上で伝送される、プログラムコードの形態で実装されてもよい。非一時的な機械読み取り可能媒体は、以下に限られないが、例えば、ハードドライブ、フロッピーディスク（登録商標）及び磁気テープ媒体を含む磁気記録媒体、コンパクトディスク（ＣＤ）及びデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）を含む光記録媒体、フラッシュメモリなどのソリッドステートメモリ、ハイブリッド磁気及びソリッドステートメモリ、不揮発性メモリ、揮発性メモリなどの、有形媒体を含み得るが、一時的な信号それ自体は含まない。非一時的な機械読み取り可能媒体にて具現化され、プログラムコードが例えばコンピュータなどのマシンにロードされてそれによって実行されるとき、そのマシンはその方法を実施する装置となる。

プロセッシングデバイス上に実装されるとき、プログラムコードセグメントがプロセッサと組み合わさって、特定の論理回路と同様に動作する特有のデバイス装置を提供する。そのようなプロセッシングデバイスは、例えば、汎用マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、複合命令セットコンピュータ（ＣＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、マイクロコントローラ、組込コントローラ、マルチコアプロセッサ、及び／又は以上のものの組み合わせを含めてその他のものを含み得る。記載される実施形態はまた、媒体を介して電気的又は光学的に伝送され、磁気記録媒体における磁場変化などとして記憶され、請求項に記載の方法及び／又は装置を用いて生成されるビットストリーム又はその他の信号値シーケンスの形態で実装されてもよい。

単一の実施形態の文脈で説明される様々な要素は、別個に設けられてもよいし、好適なサブコンビネーションで設けられてもよい。更に理解されることには、ここに記載及び図示されてきた部分の詳細、材料、及び配置における様々な変更が、以下の請求項の範囲を逸脱することなく、当業者によって為され得る。

Claims

レーザ検出及び測距（ＬＡＤＡＲ）システムを動作させる方法であって、
一連のコヒーレントパルスを有するレーザ信号をターゲットに向けて送信し、
前記送信されたレーザ信号の前記ターゲットからの反射に基づくリターン信号を受信し、
前記リターン信号から１つ以上のレンジビンを形成し、該１つ以上のレンジビンは各々、前記送信されたレーザ信号に基づいて形成された一連のコヒーレントパルスを有し、
各レンジビンについて、
前記一連のコヒーレントパルスに関するフェイゾグラムを生成し、該フェイゾグラムは、前記リターン信号と基準信号との間の相対位相を決定することによって生成される一連の瞬時位相シフト測定結果であり、且つ
前記生成されたフェイゾグラムに基づいて前記リターン信号の振動スペクトルを生成する、
ことを有する方法。
スペックル、フェーディング、及び前記ＬＡＤＡＲシステムの動き、のうちの少なくとも１つを補償する、
ことを更に有する請求項１に記載の方法。
前記補償することは、
前記リターン信号が閾値よりも小さい場合に、前記リターン信号の、１つ以上の最近の値に基づいて、前記リターン信号の値を補間する、
ことを有する、請求項２に記載の方法。
前記ＬＡＤＡＲシステムのローカル発振器信号に基づいて前記基準信号を生成し、
各レンジビンについて、
一連の相互相関位相信号を生成し、各相互相関位相信号は、前記リターン信号と前記基準信号との間の前記相対位相のピークを有し、
各相互相関位相信号の前記ピークを追跡し、且つ
前記追跡されたピークに基づいて、時間の関数として前記フェイゾグラムの列を生成する、
ことを更に有する請求項１に記載の方法。
前記決定された相対位相に基づいて前記リターン信号の周波数履歴を決定する、ことを更に有する請求項４に記載の方法。
前記生成されたフェイゾグラムに基づいて前記リターン信号の前記振動スペクトルを生成することは、
前記追跡されたピークに基づいて、アンラップ位相信号を決定し、
前記アンラップ位相信号の導関数を決定することによって前記リターン信号の前記周波数履歴を決定し、且つ
前記決定された周波数履歴に対してフーリエ変換を実行する、
ことを有する、請求項５に記載の方法。
前記フーリエ変換は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）である、請求項６に記載の方法。
前記フェイゾグラムはレンジ分解される、請求項６に記載の方法。
前記アンラップ位相信号を決定することは、前記追跡されたピークの１つ以上の位相ジャンプを除去する、請求項６に記載の方法。
各レンジビンについて、前記一連のコヒーレントパルスに関するスペクトログラムを生成し、該スペクトログラムは、前記リターン信号の１つ以上の瞬時速度測定値に基づく、
ことを更に有する請求項１に記載の方法。
前記生成されたスペクトログラムに基づいて粗振動スペクトルを生成し、且つ
前記生成されたフェイゾグラムに基づいて微振動スペクトルを生成する、
ことを更に有する請求項１０に記載の方法。
実行可能な命令を格納した非一時的な機械読み取り可能媒体を有する物品であって、前記命令は、機械に、
一連のコヒーレントパルスを有するレーザ信号をターゲットに向けて送信するステップと、
前記送信されたレーザ信号の前記ターゲットからの反射に基づくリターン信号を受信するステップと、
前記リターン信号から１つ以上のレンジビンを形成するステップであり、該１つ以上のレンジビンは各々、前記送信されたレーザ信号に基づいて形成された一連のコヒーレントパルスを有する、ステップと、
各レンジビンについて、
前記一連のコヒーレントパルスに関するフェイゾグラムを生成するステップであり、該フェイゾグラムは、前記リターン信号と基準信号との間の相対位相を決定することによって生成される一連の瞬時位相シフト測定結果である、ステップ、及び
前記生成されたフェイゾグラムに基づいて前記リターン信号の振動スペクトルを生成するステップと、
を実行させる、物品。
一連のコヒーレントパルスを有するレーザ信号をターゲットに向けて送信する送信器と、
前記送信されたレーザ信号の前記ターゲットからの反射に基づくリターン信号を受信する受信器と、
回路であり、
前記リターン信号から１つ以上のレンジビンを形成し、該１つ以上のレンジビンは各々、前記送信されたレーザ信号に基づいて形成された一連のコヒーレントパルスを有し、
各レンジビンについて、
前記一連のコヒーレントパルスに関するフェイゾグラムを生成し、該フェイゾグラムは、前記リターン信号と基準信号との間の相対位相を決定することによって生成される一連の瞬時位相シフト測定結果であり、且つ
前記生成されたフェイゾグラムに基づいて前記リターン信号の振動スペクトルを生成する、
回路と、
を有する装置。
スペックル、フェーディング、及びＬＡＤＡＲシステムの動き、のうちの少なくとも１つを補償する補償回路、を更に有する請求項１３に記載の装置。
前記リターン信号が閾値よりも小さい場合に、前記補償回路は、前記リターン信号の、１つ以上の最近の値に基づいて、前記リターン信号の値を補間するように構成される、請求項１４に記載の装置。
ＬＡＤＡＲシステムのローカル発振器信号に基づいて前記基準信号を生成し、
各レンジビンについて、
一連の相互相関位相信号を生成し、各相互相関位相信号は、前記リターン信号と前記基準信号との間の前記相対位相のピークを有し、
各相互相関位相信号の前記ピークを追跡し、且つ
前記追跡されたピークに基づいて、時間の関数として前記フェイゾグラムの列を生成する
回路、を更に有する請求項１３に記載の装置。
前記決定された相対位相に基づいて前記リターン信号の周波数履歴を決定する回路、を更に有する請求項１６に記載の装置。
前記追跡されたピークに基づいて、アンラップ位相信号を決定し、
前記アンラップ位相信号の導関数を決定することによって前記リターン信号の前記周波数履歴を決定し、且つ
前記決定された周波数履歴に対してフーリエ変換を実行する
回路、を有する請求項１７に記載の装置。
各レンジビンについて、前記一連のコヒーレントパルスに関するスペクトログラムを生成する回路、を更に有し、該スペクトログラムは、前記リターン信号の１つ以上の瞬時速度測定値に基づく、請求項１３に記載の装置。
前記生成されたスペクトログラムに基づいて粗振動スペクトルを生成し、且つ
前記生成されたフェイゾグラムに基づいて微振動スペクトルを生成する
回路、を更に有する請求項１９に記載の装置。
前記受信器は、ガイガーモードアバランシェフォトダイオード（ＧＭＡＰＤ）受信器を有する、請求項１３に記載の装置。