JP6945262B2 - 光チャープレンジ検出のために方形波デジタルチャープ信号を使用するための方法およびシステム - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)の下で、2017年7月27日に出願された米国特許出願第15/661,377号の利益を主張し、その全体内容が、参照により本明細書に完全に記載されているかのように組み込まれる。
図1Aは、一実施形態による、レンジの例示的な光チャープ測定を図示する一組のグラフ110、120、130、140である。水平軸112は、4つのグラフすべてに対して同じであり、ミリ秒(ms、1ms=10−3秒)のオーダの、任意の単位で時間を示す。グラフ110は、送信される光信号として使用される光ビームのパワーを示している。グラフ110の垂直軸114は、送信信号のパワーを任意の単位で示している。トレース116は、パワーが、時間0から始まる限られたパルス持続時間τの間オンであることを示している。グラフ120は、送信信号の周波数を示している。垂直軸124は、任意の単位の送信された周波数を示す。トレース126は、パルスの持続時間τにわたってパルスの周波数がf1からf2に増加し、したがって帯域幅B=f2−f1を有することを示している。周波数の変化率は、(f2−f1)/τ..
チャープ検出アプローチが実装される方法を示すために、いくつかの一般的および具体的なハードウェアアプローチについて説明する。図2Aおよび図2Bは、様々な実施形態による、高分解能LIDARシステムの例示的な構成要素を図示するブロック図である。図2Aにおいて、レーザ源212は、帯域幅Bおよび持続時間τを有するパルスを生成するために、RF波形発生器215からの入力に基づいて変調器214で周波数変調される搬送波201を放射する。後のセクションでより詳細に説明する様々な実施形態において、RF波形発生器215からの電気入力は、方形波デジタルチャープ信号に基づく入力デジタルチャープ信号である。一実施形態では、方形波デジタルチャープ信号は、RF波形発生器215によって発生され、RF波形発生器215によってさらに調整され、入力デジタルチャープ信号をもたらす。これらの実施形態のいくつかでは、入力デジタルチャープ信号は、そのような調整のない方形波デジタルチャープ信号そのものである。いくつかの実施形態では、方形波デジタルチャープ信号は、RF波形発生器215のメモリにアップロードされた方形波命令217に基づいて、RF波形発生器215によって発生される。他の実施形態では、処理システム250のレンジ決定モジュール270が、方形波デジタルチャープ信号の発生を含めて、RF波形発生器215を制御する。例示的な実施形態では、方形波命令は、レンジ決定モジュール270で提供される。
図10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1000を図示するブロック図である。コンピュータシステム1000は、コンピュータシステム1000の他の内部および外部構成要素間で情報を受け渡すためのバス1010などの通信機構を含む。情報は、測定可能な現象、典型的には電圧、の物理信号として表されるが、他の実施形態では、磁気、電磁気、圧力、化学、分子原子、および量子相互作用などの現象を含む。例えば、北および南の磁場、またはゼロおよび非ゼロの電圧は、二進数(ビット)の2つの状態(0、1)を表す。他の現象は、上位の桁数を表すことができる。測定前の複数の同時量子状態の重ね合わせは、量子ビット(qubit)を表す。1つ以上の数字のシーケンスは、特性の数またはコードを表すために使用されるデジタルデータを構成する。.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、特定のレンジ内の測定可能な値のほぼ連続体によって表される。コンピュータシステム1000またはその一部は、本明細書に記載の1つ以上の方法の1つ以上のステップを行うための手段を構成する。
前述の明細書では、本発明を、その具体的な実施形態を参照して説明した。しかしながら、本発明のより広い精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更がそれになされ得ることは明らかであろう。したがって、本明細書および図面は、制限的な意味ではなく、例示的な意味で見なされるべきである。本明細書および特許請求の範囲を通して、文脈がそうでないことを要求しない限り、「備える(comprise)」という語、および「備える(comprises)」もしくは「備える(compring)」などのその変形は、述べられた項目、要素またはステップあるいは項目の群れ、要素(複数)またはステップ(複数)の包含を含意するが、いずれかの他の項目、要素またはステップあるいは項目の群れ、要素(複数)またはステップ(複数)の排除ではないことが理解されるべきである。さらに、不定冠詞「ある(a)」または「ある(an)」は、冠詞によって修飾された項目、要素、またはステップのうちの1つ以上を示すことを意味する。本明細書で使用する場合、文脈からそうでないことが明確でない限り、他の値の2の係数(2倍または半分)以内であれば、値は「約」別の値である。例示的なレンジが与えられているが、文脈からそうでないことが明確でない限り、任意の含まれるレンジもまた、様々な実施形態で意図されている。したがって、いくつかの実施形態では、0〜10のレンジは1〜4のレンジを含む。
5.参考文献
Adany,P.,C.Allen,およびR.Hui,“Chirped LIDAR Using Simplified Homodyne Detection,”Jour.Lightwave Tech.,v.27(16),15 August,2009.
Hui,R.,C.Allen,および P.Adany,“Coherent detection scheme for FM Chirped laser RADAR,”US patent 7,742,152,22 June 2010.
Kachelmyer,A.L.,“Range−Doppler Imaging with a Laser Radar,”The Lincoln Laboratory Journal,v.3.(1),1990.
Claims (15)
- 光検出と測距(LIDAR)システムであって、
方形波デジタルチャープ信号を使用して入力デジタルチャープ信号を発生するように構成された無線周波数(RF)波形発生器と、
前記入力デジタルチャープ信号を使用して光信号の周波数を変調するように構成された変調器と、
前記変調された光信号を使用して送信光信号を発生し、前記送信光信号を送信するように構成された1つ以上の走査光学系と、
前記送信光信号に応答する戻り光信号を受信するように構成された検出器と、
前記戻り光信号と参照光信号を使用して対象物までのレンジを決定するように構成されたプロセッサと、を備える、LIDARシステム。 - 前記参照光信号が、前記戻り光信号とともに前記検出器に到達するように、前記参照光信号を遅延させるように構成された参照経路をさらに備える、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記参照光信号が、前記光信号から分割されることにより発生されるか、前記変調光信号から分割されることにより発生されるか、または前記光信号を発生する第1のレーザ源とは別個の第2のレーザ源により発生される、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記方形波デジタルチャープ信号は、第1の周波数から第2の周波数まで直線的に増加する、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記RF波形発生器が、前記方形波デジタルチャープ信号から周波数のある周波数のレンジを除去して、前記入力デジタルチャープ信号のダイナミックレンジを約20dBから約50dBまで増加させるように構成されたフィルタを備える、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記入力デジタルチャープ信号の帯域幅が、約10GHz〜約30GHzである、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記検出器が、単一の光検出器、平衡対の光検出器、光検出器の一次元配列、または光検出器の二次元配列のうちの少なくとも1つを備える、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記プロセッサが、前記対象物までの前記レンジを使用して衝突回避を行うように構成されている、請求項1に記載のLIDARシステム。
- スプリッタであって、
前記光信号を前記送信光信号と前記参照光信号とに分割し、
前記送信光信号を前記1つ以上の走査光学系に提供し、
前記参照光信号を前記検出器に提供する、ように構成されたスプリッタ、をさらに備え、前記検出器が、前記参照光信号と前記戻り光信号とを使用して電気出力信号を発生するように構成されており、前記プロセッサが、前記電気出力信号を使用して前記対象物までの前記レンジを決定するように構成されている、請求項1に記載のLIDARシステム。 - 前記プロセッサが、前記電気出力信号を使用してフーリエ変換を行うことによって、前記対象物までの前記レンジを決定するように構成されている、請求項9に記載のLIDARシステム。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の前記LIDARシステムを使用する方法であって、
方形波デジタルチャープ信号を使用して、入力デジタルチャープ信号を発生することと、
前記入力デジタルチャープ信号を使用して、光信号の周波数を変調することと、
前記変調された光信号を使用して、送信光信号を送信することと、
前記送信光信号に応答する戻り光信号を受信することと、
前記戻り光信号および参照光信号を使用して、対象物までのレンジを決定することと、を含む、方法。 - 前記参照光信号が、前記戻り光信号とともに検出器に到達するように、参照経路に沿って前記参照光信号を遅延させることをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 前記方形波デジタルチャープ信号から周波数のある周波数レンジを除去して、前記入力デジタルチャープ信号のダイナミックレンジを約20dBから約50dBまで増加させることをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 前記戻り光信号を受信することは、単一の光検出器、平衡対の光検出器、光検出器の一次元アレイ、または光検出器の二次元アレイのうちの少なくとも1つを使用して前記戻り光信号を受信することを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記光信号を前記送信光信号と前記参照光信号とに分割することと、
前記参照光信号と前記戻り光信号とを使用して、電気出力信号を発生することと、
前記電気出力信号を使用して、前記対象物までの前記レンジを決定することと、をさらに含む、請求項11に記載の方法。
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