JP7498338B2 - Lidarシステム、標的の距離及び速度を決定する方法、集積フォトニックチップ - Google Patents
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Description
[0001]本出願は、2018年5月10日に出願された、LIDAR SYSTEM BASED ON COMPLEMENTARY MODULATION OF MULTIPLE LASERS AND COHERENT RECEIVER FOR SIMULTANEOUS RANGE AND VELOCITY MEASUREMENT(同時の測距距離および速度測定のための、複数個のレーザおよびコヒーレント受信器の相補的変調に基づくLIDARシステム)と題された、米国仮特許出願第62/669,803号、2018年5月10日に出願された、LIDAR SYSTEM BASED ON LIGHT MODULATOR AND COHERENT RECEIVER FOR SIMULTANEOUS RANGE AND VELOCITY MEASUREMENT(同時の測距距離および速度測定のための、光変調器およびコヒーレント受信器に基づくLIDARシステム)と題された、米国仮特許出願第62/669,801号、および、2018年5月10日に出願された、LIDAR SYSTEM BASED ON MULTI-CHANNEL LASER MODULE FOR SIMULTANEOUS BEAM SCANNING OF TARGET ENVIRONMENT(標的環境の同時のビーム走査のための多チャネルレーザモジュールに基づくLIDARシステム)と題された、米国仮特許出願第62/669,808号の、米国特許法第119条(e)のもとでの優先権を主張するものであり、これらの米国仮特許出願の各々は、ここに、その米国仮特許出願の全体が本明細書において参照により組み込まれている。
[0031]図1は、本開示の1つの態様による、FMCW LIDARシステムの例を示すブロック線図である。この例において、システムは、レーザ変調器2(例えば、光学強度変調器)に結合されるレーザ1を含む。レーザ変調器2を、例えばレーザ1により出力されるレーザビームの、強度または振幅を変調するように構成する。システムは、分割器3(例えば、2×2分割器または結合器)をさらに含むことができる。レーザ変調器2からの出力光を、分割器3内へと注入する場合があり、その分割器3を、光を2つの経路へと(例えば、方向性結合器または多モード干渉計を使用して)分離するように構成する。システムは、コンバイナ5(例えば、2×4コンバイナまたは結合器)をさらに含むことができる。レーザ2により(レーザ変調器2により変調されるように)生成される一部の光を、分割器3を介して、コンバイナ5の一方の入力に直接的に結合する場合がある。レーザ2により生成される光の残部を、コンバイナ5の他方の入力に結合する前に、分割器3を介して、標的経路を通して、標的アーム4(その標的アーム4の例を、図8A~8Cに関して下記で説明する)に送信する場合がある。1つの態様において、コンバイナ5を、「光学ハイブリッド」または「90度光学ハイブリッド」として実現する場合があり、その「光学ハイブリッド」または「90度光学ハイブリッド」を、さらには「I-Q検出器」と称する4チャネルフォト受信器6において検出されるように、光を4つの経路へと分割するように構成する。光学ハイブリッドを、2つの光学信号(SおよびL)を受信し、応答して、4つの出力信号:S+L、S-L、S+jL、S-jL(ここで、jは虚数である)を生成するように構成する。I-Q検出器6の出力は、2つの電気信号:Iチャネル7およびQチャネル8の形式でのものである場合がある。システムは、I-Q検出器6に結合される制御回路9をさらに含むことができる。制御回路9を、IおよびQチャネル7、8を同時に処理するように構成することができる。
[0034]図4は、2つほどの少数のレーザによって構成することができる、本開示の1つの態様による、N個のレーザと、N×1インコヒーレントコンバイナとを含むレーザバンクの線図である。様々な態様において、Nは任意の整数>1であることがある。例において、システムは、第1のレーザ52に結合され、その第1のレーザ52を直接的に変調する、第1のレーザ駆動器51を含むことができる。システムは、第1のレーザ駆動器51から独立して、第2のレーザ54に結合され、その第2のレーザ54を直接的に変調する、第2のレーザ駆動器53をさらに含むことができる。この構成は、レーザ対55を含む場合がある。レーザ対55を、図4において示されるシステムの個別の例において第2のレーザ対60により明示されるように、多くの回数繰り返す場合がある。各々のレーザを、N×1光学結合器61によって単一の導波路内へと結合する場合がある。1つの態様において、第1のレーザ52を変調して、正の周波数掃引を有するレーザビームを放出する場合があり、第2のレーザ54を同時に変調して、負の周波数掃引を有するレーザビームを放出する場合がある。N×1光学結合器61を、レーザ52、54、57、59により生成されるレーザビームの各々からレーザ場を生成するように構成することができる。正および負の周波数掃引を有するレーザビームから生成されるレーザ場を、次いで、レーザバンクから出力する。
[0038]図8A~8Cは、図1~7に関して上の方で説明されたシステムの任意のものと併せて利用することができる、標的アームの3つの例解的な実現形態を例解する。これらの様々な実現形態において、光を、ファイバサーキュレータまたは2×2結合器(方向性結合器または多モード干渉計など)などの離散ファイバ構成要素を通して、同軸光学送受信器に結合することができる。さらに、光を、機械的走査と組み合わされるレンズにより成形およびステアリングすることができ、または、光を、集積フォトニック送受信器により成形およびステアリングすることができる。図8A~8Cにおいて例解される各々の例実現形態は、同軸光学送受信器を含み、入力光は、走査光学素子内へと結合され、標的物体に送信され、同じ走査光学素子により受信され、標的アーム4、64の出力に送り出される。図8Aにおいて示される標的アームの第1の例実現形態において、入力光を、ファイバサーキュレータ502の入力アーム501に送り出す。サーキュレータ502の第1の出力光を、ファイバファセット503に送り出し、出力ビームを、光学素子504により成形する。成形されたビームを、走査光学素子505(ガルバノメトリック走査鏡、または、MEMSに基づく走査鏡など)を通して送信する。ステアリングおよび成形されたビーム506を、光の一部を反射させる標的に送信する。走査光学素子505を使用して、反射させられた光を受信することができ、光学素子504を使用して、受信された光を、ファイバファセット503内へと戻るように合焦させることができる。ファイバファセット503からの入力光を、ファイバサーキュレータ502に戻るように送り出し、ファイバサーキュレータ502の出力507に結合する。
[0041]図9は、本開示の1つの態様による、多チャネルFMCW LIDARシステムの一例の線図である。1つの態様において、システムは、フォトニクス組立体228に結合される、Nが整数≧2であるN個のレーザダイオード212を伴う、レーザモジュール211を含むことができる。例解される例において、システムは、単一の対のレーザダイオード212(すなわち、N=2)を含む。後に続く説明において、システムを、主に、2つの、すなわち1対のレーザダイオード212を有することの見地において論じることになるが、この見地は、ただ単に簡潔さのためのものであり、制限的ではないと理解すべきものである。1つの態様において、システムは、レーザモジュール211に、そのレーザモジュール211からレーザビームを生成するために結合されるレーザ駆動装置227と、レーザ駆動器227に結合される制御回路218とをさらに含む。この例において、レーザダイオード212を、レーザ駆動器227からの信号により変調し、そのレーザ駆動器227を、制御回路218により制御して、レーザダイオード212の各々から周波数掃引波形を生成する。レーザダイオード212からの2つの出力は、別個の、ただし同一の経路215、216を通り抜け、各々の経路215、216は、周波数測定のための干渉計構造を含む。システムは、各々の経路215、216に結合される光学パワータップ214(さらには「光学分割器」と称することができる)をさらに含む。光学パワータップ214を、ビームステアリングモジュール229に(および、間接的にはコヒーレント受信器220に)つながる(光学パワータップ214の第1のポートにおいての)「標的」経路221、および、(光学パワータップ214の第2のポートにおいての)「局所」経路213に沿って、レーザダイオード212から受信される光出力を導くように構成する。例解される態様において、標的経路221は、光学サーキュレータ217を含む。他の態様において、標的経路221は、光学サーキュレータ217の代わりに方向性結合器を含むことができる。光学サーキュレータ217(または方向性結合器)を、外出ビーム223をビームステアリングモジュール229に導き、戻りビーム222をコヒーレント受信器220の信号ポートに導くように構成する。例解される態様において、局所経路213は、コヒーレント受信器220の局部発振器(LO)ポートに直接的につながる。それゆえに、各々のコヒーレント受信器220を、レーザモジュール211のそれぞれのレーザダイオード212から生成される、標的から反射させられる第1の、または標的レーザビーム、および、直接的にレーザモジュール211からの第2の、または局所レーザビームを受信するように構成する。1つの態様において、光学パワータップ214、サーキュレータ217、および、それぞれのコヒーレント受信器220の、各々の組み合わせを、集合的に「光学システム」と称することができる。図9において例解されるフォトニクス組立体228は、2つの光学システムを含むが、この2つの光学システムを含むことは、ただ単に例解的なものであり、フォトニクス組立体228は、n個の光学システムを含むことができ、ここで、nは整数>0である。
例
Claims (20)
- LIDARシステムであって、
第1コヒーレント受信器と、第2コヒーレント受信器と、制御回路とを備え、
前記第1コヒーレント受信器は、
ビームステアリングモジュールを介して標的から反射された第1ビームを受信することと、
第1光学分割器からの第2ビームを受信することと、
前記第1ビームと前記第2ビームとを混合して第1出力信号を生成する、混合することであり、前記第1出力信号は、第1同相(I)信号及び第1直交位相(Q)信号を含む、混合することと、
を行うように構成されており、
前記第2コヒーレント受信器は、
前記ビームステアリングモジュールを介して前記標的から反射された第3ビームを受信することと、
第2光学分割器からの第4ビームを受信することと、
前記第3ビームと前記第4ビームとを混合して第2出力信号を生成する、混合することであり、前記第2出力信号は、第2同相(I)信号及び第2直交位相(Q)信号を含む、混合することと、
を行うように構成されており、
前記制御回路は、
前記第1同相信号、前記第1直交位相信号、前記第2同相信号及び前記第2直交位相信号を処理することと、
前記標的の距離及び速度の双方の推定値を略同時に生成することと、
を行うように構成されている、LIDARシステム。 - 前記制御回路は、前記第1同相信号、前記第1直交位相信号、前記第2同相信号及び前記第2直交位相信号に基づいて、パワースペクトル密度(PSD)を決定するようにさらに構成されており、
前記推定値は、前記PSDに基づいて決定される、請求項1に記載のLIDARシステム。 - 前記制御回路は、
正の周波数値に関する第1ピークPSDを決定することと、
負の周波数値に関する第2ピークPSDを決定することと、
前記正の周波数値と前記負の周波数値との差に基づいて、名目うなり周波数を決定することであり、前記標的の距離は、前記名目うなり周波数に対応する、決定することと、
前記正の周波数値と前記負の周波数値との和に基づいて、前記名目うなり周波数からの周波数偏移を決定することであり、前記標的の速度は、前記周波数偏移に対応する、決定することと、
を行うようにさらに構成されている、請求項2に記載のLIDARシステム。 - 前記第1コヒーレント受信器は、I-Q検出器を含む、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記第1コヒーレント受信器は、光学ハイブリッドを含み、
前記光学ハイブリッドは、前記I-Q検出器に向けられた複数の経路に光を分割するように構成されている、請求項4に記載のLIDARシステム。 - 前記第1コヒーレント受信器は、一対のバランス型フォトダイオードを含み、
前記バランス型フォトダイオードは、前記第1出力信号を出力するようにさらに構成されている、請求項1に記載のLIDARシステム。 - 前記第1光学分割器は、光学パワータップを含み、
前記光学パワータップは、周波数変調レーザビームを前記第1ビームと前記第2ビームとに光学的に分割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。 - 前記第1光学分割器をさらに備えており、
前記第1光学分割器は、正の周波数掃引及び負の周波数掃引を有するレーザ場を生成するように構成されており、
前記レーザ場の第1部分は、前記第1ビームとして前記標的に向けられて、前記標的から反射され、
前記レーザ場の第2部分は、前記第2ビームとして前記第1コヒーレント受信器に向けられる、請求項1に記載のLIDARシステム。 - 前記第1光学分割器は、光学サーキュレータを含み、
前記光学サーキュレータは、
前記第1ビームを前記ビームステアリングモジュールに送り出すことと、
前記標的により反射された前記第1ビームを前記ビームステアリングモジュールから受信することと、
前記標的により反射された前記第1ビームを前記第1コヒーレント受信器に送り出すことと、
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。 - 前記第1コヒーレント受信器、前記第2コヒーレント受信器、前記ビームステアリングモジュール、前記第1光学分割器、及び前記第2光学分割器を含む集積チップを備える、請求項1に記載のLIDARシステム。
- LIDARシステムを介して標的の距離及び速度を決定する方法であって、
第1コヒーレント受信器が、ビームステアリングモジュールを介して前記標的から反射された第1ビームを受信するステップと、
前記第1コヒーレント受信器が、第1光学分割器からの第2ビームを受信するステップと、
前記第1ビームと前記第2ビームとを混合して第1出力信号を生成する、混合するステップであり、前記第1出力信号は、第1同相(I)信号及び第1直交位相(Q)信号を含む、混合するステップと、
第2コヒーレント受信器が、前記ビームステアリングモジュールを介して前記標的から反射された第3ビームを受信するステップと、
前記第2コヒーレント受信器が、第2光学分割器からの第4ビームを受信するステップと、
前記第3ビームと前記第4ビームとを混合して第2出力信号を生成する、混合するステップであり、前記第2出力信号は、第2同相(I)信号及び第2直交位相(Q)信号を含む、混合するステップと、
前記第1同相信号、前記第1直交位相信号、前記第2同相信号及び前記第2直交位相信号の処理に基づいて、前記標的の距離及び速度の双方の推定値を略同時に生成するステップと、
を含む、方法。 - 前記第1同相信号、前記第1直交位相信号、前記第2同相信号及び前記第2直交位相信号に基づいて、パワースペクトル密度(PSD)を決定するステップであり、前記推定値は、前記PSDに基づいて決定される、決定するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 正の周波数値に関する第1ピークPSDを決定するステップと、
負の周波数値に関する第2ピークPSDを決定するステップと、
前記正の周波数値と前記負の周波数値との差に基づいて、名目うなり周波数を決定するステップであり、前記標的の距離は、前記名目うなり周波数に対応する、決定するステップと、
前記正の周波数値と前記負の周波数値との和に基づいて、前記名目うなり周波数からの周波数偏移を決定するステップであり、前記標的の速度は、前記周波数偏移に対応する、決定するステップと、
をさらに含む、請求項12に記載の方法。 - 周波数変調レーザビームを前記第1ビームと前記第2ビームとに光学的に分割するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 正の周波数掃引及び負の周波数掃引を有するレーザ場を生成するステップと、
前記レーザ場の第1部分を前記第1ビームとして前記標的に向けるステップと、
前記レーザ場の第2部分を前記第2ビームとして向けるステップと、
をさらに含む、請求項11に記載の方法。 - 集積フォトニックチップであって、
ビームステアリングモジュールと、第1コヒーレント受信器と、第2コヒーレント受信器と、制御回路とを備え、
前記ビームステアリングモジュールは、
第1ビームを標的に向け、前記標的から反射された後の前記第1ビームを受信することと、
第2ビームを前記標的に向け、前記標的から反射された後の前記第2ビームを受信することと、
を行うように構成されており、
前記第1コヒーレント受信器は、前記ビームステアリングモジュールに対して配置されており、
前記第1コヒーレント受信器は、
前記標的から反射された前記第1ビームを受信することと、
第1光学分割器からの第3ビームを受信することと、
前記第1ビームと前記第3ビームとを混合して第1出力信号を生成する、混合することであり、前記第1出力信号は、第1同相(I)信号及び第1直交位相(Q)信号を含
む、混合することと、
を行うように構成されており、
前記第2コヒーレント受信器は、前記ビームステアリングモジュールに対して配置されており、
前記第2コヒーレント受信器は、
前記標的から反射された前記第2ビームを受信することと、
第2光学分割器からの第4ビームを受信することと、
前記第2ビームと前記第4ビームとを混合して第2出力信号を生成する、混合することであり、前記第2出力信号は、第2同相(I)信号及び第2直交位相(Q)信号を含む、混合することと、
を行うように構成されており、
前記制御回路は、
前記第1同相信号、前記第1直交位相信号、前記第2同相信号及び前記第2直交位相信号を処理することと、
前記標的の距離及び速度の双方の推定値を略同時に生成することと、
を行うように構成されている、集積フォトニックチップ。 - 前記制御回路は、前記第1同相信号、前記第1直交位相信号、前記第2同相信号及び前記第2直交位相信号に基づいて、パワースペクトル密度(PSD)を決定するようにさらに構成されており、
前記推定値は、前記PSDに基づいて決定される、請求項16に記載の集積フォトニックチップ。 - 前記制御回路は、
正の周波数値に関する第1ピークPSDを決定することと、
負の周波数値に関する第2ピークPSDを決定することと、
前記正の周波数値と前記負の周波数値との差に基づいて、名目うなり周波数を決定することであり、前記標的の距離は、前記名目うなり周波数に対応する、決定することと、
前記正の周波数値と前記負の周波数値との和に基づいて、前記名目うなり周波数からの周波数偏移を決定することであり、
前記標的の速度は、前記周波数偏移に対応する、決定することと、
を行うようにさらに構成されている、請求項16に記載の集積フォトニックチップ。 - 前記第1コヒーレント受信器は、I-Q検出器を含む、請求項16に記載の集積フォトニックチップ。
- 前記第1コヒーレント受信器は、一対のバランス型フォトダイオードを含み、
前記バランス型フォトダイオードは、前記第1出力信号を出力するように構成されている、請求項16に記載の集積フォトニックチップ。
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