KR102481212B1 - 굴절 빔 조향 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

광 검출 및 거리 측정(LIDAR; Light Detection And Ranging) 시스템이 굴절 빔 조향을 위해 제시된다. 상기 LIDAR 시스템은 광축을 따라 전송된 빔을 수신하고, 상기 빔을 상기 광축에 대해 정의되는 제1 각도와 제2 각도 사이의 제1 평면에 복수의 스캔 라인으로 투영하는 제1 스캐너; 상기 제1 스캐너에 결합된 모터; 특정 파형의 하나 이상의 컴포넌트에 기초하여 회전 정보를 생성하고, 상기 모터로 하여금 상기 회전 정보에 기초하여 상기 제1 스캐너를 회전시키도록 하는 신호를 상기 모터로 전송하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함한다.

Description

굴절 빔 조향 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR REFRACTIVE BEAM-STEERING}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 전체 개시 내용이 본 명세서에 참조로서 포함되는 2019년 1월 4일자 출원된 미국 임시 출원 번호 제62/788,304호에 대한 우선권 및 그 이익을 주장한다.
컴퓨팅 및 차량레이저 레이더(RADAR)라고도 불리는, 광 검출 및 거리 측정(Light detection and ranging)을 위한, 종종 니모닉(mnemonic)인 라이다(LIDAR)로 불리는 레이저를 이용한 거리의 광학 검출은 고도계에서 영상(imaging), 충돌 방지에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 사용된다. 라이다는 전파 검출 및 거리 측정(radio-wave detection and ranging, RADAR)과 같은 종래의 마이크로파 거리 측정 시스템(microwave ranging system)보다 더 작은 빔 크기로 더 미세한 스케일의 거리 해상도(range resolution)를 제공한다. 거리의 광학적 검출은 광 펄스의 물체까지의 왕복 이동 시간에 기초한 직접 거리 측정을 포함하고, 전송된 처프(chirp) 광학 신호와 물체로부터 산란되어 리턴된 신호 사이의 주파수 차이에 기초하는 처프 검출을 포함하고, 자연 신호로부터 구별할 수 있는 일련의 단일 주파수 위상 변화에 기초하여 위상 인코딩 검출(phase-encoded detection)을 포함하는 여러 가지 다른 기술들로 수행될 수 있다.
현재 개시된 측면은 일반적으로 광학 분야의 광 검출 및 거리 측정(LIDAR)과 관련이 있으며, 특히 LIDAR 시스템에서의 굴절 빔 조향을 위한 시스템 및 방법과 관련된다.
이 문서에 개시된 일 구현 예는 굴절 빔 조향을 위한 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템과 직결된다. 일부 구현 예들에서, 상기 LIDAR 시스템은 광축을 따라 전송된 빔을 수신하고, 상기 빔을 제1 평면에 제1 각도와 제2 각도 사이의 복수의 스캔 라인으로 투영하는 제1 스캐너를 포함한다. 일부 구현 예들에서, 제1 각도 및 제2 각도는 상기 광축에 대해 정의된다. 일부 구현 예들에서, 상기 LIDAR 시스템은 상기 제1 스캐너(또한 이 문서에서 "광학 컴포넌트"로 언급되는)에 결합된 모터를 포함한다. 일부 구현 예들에서, 상기 시스템은 특정 파형의 하나 이상의 컴포넌트에 기초하여 회전 정보를 생성하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 일부 구현 예들에서, 상기 하나 이상의 프로세서는 상기 모터에 신호를 전송하도록 추가로 구성된다. 일부 구현 예들에서, 상기 신호는 상기 모터로 하여금 상기 회전 정보에 기초하여 상기 제1 스캐너를 회전시키도록 한다.
다른 측면에서는, 현재 개시된 사항은 LIDAR 시스템에서 굴절 빔 조향을 위한 방법과 직결된다. 일부 구현 예들에서, 상기 방법은 광축을 따라 전송된 빔을 수신하는 단계를 포함한다. 일부 구현 예들에서, 상기 방법은 특정 파형의 하나 이상의 컴포넌트에 기초하여 제1 스캔 패턴 및 제2 스캔 패턴을 생성하는 단계를 포함한다. 일부 구현 예들에서, 상기 방법은 상기 제1 스캔 패턴에 기초하여 상기 빔을 제1 평면에 복수의 스캔 라인으로 투영하는 단계를 포함한다. 일부 구현 예들에서, 상기 방법은 상기 제1 평면에 투영된 상기 복수의 스캔 라인을 수신하는 단계를 포함한다. 일부 구현 예들에서, 상기 방법은 상기 제2 스캔 패턴에 기초하여 상기 복수의 스캔 라인을 제2 평면에 복수의 제2 스캔 라인으로 투영하는 단계를 포함한다. 일부 구현 예들에서, 상기 제1 평면은 상기 제2 평면에 직교한다.
다른 측면에서는, 현재 개시된 사항은 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금 삼각 파형의 복수의 푸리에 컴포넌트 파형을 결정하는 동작을 포함하는 작업을 수행하도록 하기 위한 명령어를 저장하는 비휘발성 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(non-transitory computer-readable storage medium)와 직결된다. 일부 구현 예들에서, 상기 비휘발성 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금 상기 복수의 푸리에 컴포넌트 파형의 제1 파라미터 값에 기초하여 하나 이상의 광학 컴포넌트의 파라미터 값을 결정하는 동작을 포함하는 작업을 수행하도록 하기 위한 명령어를 저장한다. 일부 구현 예들에서, 상기 비휘발성 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금 상기 푸리에 컴포넌트 파형들의 제2 파라미터 값에 기초하여 상기 하나 이상의 광학 컴포넌트 각각의 각주파수 및 상대적 위상을 결정하는 동작을 포함하는 작업을 수행하도록 하기 위한 명령어를 저장한다. 일부 구현 예들에서, 상기 비휘발성 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 상기 하나 이상의 광학 컴포넌트로 하여금 광축을 따라 전송된 빔을 수신하고, 상기 빔을 상기 삼각 파형에 기초하여 제1 평면에 제1 각도와 제2 각도 사이의 복수의 스캔 라인으로 투영하도록 하기 위해, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금 상기 하나 이상의 광학 컴포넌트 각각의 상기 각주파수 및 상대적 위상에 기초하여 상기 하나 이상의 광학 컴포넌트를 회전시키는 동작을 포함하는 작업을 수행하도록 하기 위한 명령어를 저장한다. 일부 구현 예들에서, 상기 제1 및 제2 각도 각각은 상기 광축에 대한 것이다.
그러나 다른 측면들, 특징들 및 이점들은 다음의 구체화된 설명으로부터, 간단하게는 본 발명을 수행하기 위해 숙고된 최선의 실시 형태를 포함하는 다수의 특정 구현 예들 및 실행들을 도시함으로써, 용이 명백하다. 다른 구현 예들은 또한 다른 다양한 특징들 및 이점들일 수 있고, 그것들의 몇몇 구체적 사항은 모두 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 선에서 다양하고 명백한 측면에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면과 설명은 제한을 위한 것이 아닌, 사실상 예시적인 것으로 간주될 수 것이다.
구현 예들은 제한적인 방식이 아니라 예시적인 방식으로 설명되고, 첨부된 도면들에서 유사한 구성 요소들은 유사한 참조 번호들이 부여되었으며:
도 1a는 일 구현 예에 따라, 거리의 측정을 위해 리턴된 광 신호들과 함께 일련의 이진 숫자들로서, 전송된 신호의 예를 도시하는 개략적인 그래프(schematic graph)이고;
도 1b는 일 구현 예에 따라, 기준 신호의 스펙트럼 및 도플러 시프트된 리턴 신호의 스펙트럼의 예를 도시하는 개략적인 그래프이고;
도 1c는 일 구현 예에 따라, 도플러 시프트된 리턴 신호의 위상 컴포넌트의 교차 스펙트럼의 예를 도시하는 개략적인 그래프이고;
도 1d는 일 구현 예에 따라, 거리에 관한 광 처프 측정의 예를 도시하는 그래프 세트이고;
도 1e는 일 구현 예에 따라, 대칭 LO 신호를 사용하는 그래프이고, 도플러 시프트가 없을 때 주파수-시간 플롯(frequency time plot)의 리턴 신호를 점선으로 도시하는 그래프이고;
도 1f는 일 구현 예에 따라, 대칭 LO 신호를 사용하는 도 1e와 유사한 그래프이고, 0이 아닌 도플러 시프트가 있을 때 주파수-시간 플롯의 리턴 신호를 점선으로 도시하는 그래프이고;
도 2a는 일 구현 예에 따라 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 컴포넌트들의 예를 도시하는 블록도이고;
도 2b는 일부 구현 예들에서 사용되는, 고해상도 도플러 시스템을 위한 톱니형(saw tooth) 스캔 패턴을 도시하는 블록도이고;
도 2c는 일 구현 예에 따라, 고해상도 도플러 LIDAR 시스템에 의해 생성된 속도 포인트 클라우드(speed point cloud)의 예를 도시하는 이미지이고;
도 3은 일 구현 예에 따라, 도 2a의 시스템의 스캐닝 광학 장치의 컴포넌트들의 예를 도시하는 블록도이고;
도 4a는 일 구현 예에 따라, 축에 대한 광학 컴포넌트의 회전에 기초하여 원추형 표면을 정의하기 위한 각도로 입사 빔을 조향하는 도 3의 스캐닝 광학 장치의 광학 컴포넌트의 예를 도시하는 이미지이고;
도 4b는 일 구현 예에 따라, 도 4a의 광학 컴포넌트의 특징들의 예를 도시하는 이미지이고;
도 4c는 일 구현 예에 따라, 축 쪽으로 도 4a의 스캔된 빔의 투영된 각도를 나타내는 사인 곡선(sinusoid curve)의 예를 도시하는 그래프이고;
도 4d는 일 구현 예에 따라, 도 4c의 사인 곡선에 기초하여 축을 따라 간격이 동일하지 않은 스캔 라인들의 예를 도시하는 그래프이고;
도 4e는 일 구현 예에 따라, 축 쪽으로 도 2a의 스캔된 빔의 투영된 각도를 나타내는 삼각 파형의 예를 도시하는 그래프이고;
도 4f는 일 구현 예에 따라, 도 4e의 삼각 파형에 기초하여 축을 따라 간격이 동일한 스캔 라인들의 예를 도시하는 그래프이고;
도 4g는 일 구현 예에 따라, 광학 컴포넌트들의 집합적 회전(collective rotation)에 기초하여 광축에 대해 수직인 빔을 집합적으로 조향하는, 광축을 따라 연속적으로 배열된 광학 컴포넌트들의 예를 도시하는 이미지이고;
도 4h는 일 구현 예에 따라, 제1 광학 컴포넌트 및 제1 광학 컴포넌트의 각속도 벡터에 의해, 축에 대해 직교하는 2차원 평면에서 도 4a의 조향된 빔 각도의 투영의 예를 도시하는 그래프이고;
도 4i는 일 구현 예에 따라, 제2 광학 컴포넌트 및 제2 광학 컴포넌트의 각속도 벡터에 의해, 축에 대해 직교하는 2차원 평면에서 도 4a의 조향된 빔 각도의 투영의 예를 도시하는 그래프이고;
도 4j는 일 구현 예에 따라, 제3 광학 컴포넌트 및 제3 광학 컴포넌트의 각속도 벡터에 의해, 축에 대해 직교하는 2차원 평면에서 도 4a의 조향된 빔 각도의 투영의 예를 도시하는 그래프이고;
도 4k는 일 구현 예에 따라, 제1 광학 컴포넌트의 회전으로 인해 시간에 대해 2차원 평면의 수직 축을 따라 도 4h의 조향된 빔 각도의 투영을 나타내는 사인 곡선의 예를 도시하는 그래프이고;
도 4l은 일 구현 예에 따라, 제2 광학 컴포넌트의 회전으로 인해 시간에 대해 2차원 평면의 수직 축을 따라 도 4i의 조향된 빔 각도의 투영을 나타내는 사인 곡선의 예를 도시하는 그래프이고;
도 4m은 일 구현 예에 따라, 제3 광학 컴포넌트의 회전으로 인해 시간에 대해 2차원 평면의 수직 축을 따라 도 4j의 조향된 빔 각도의 투영을 나타내는 사인 곡선의 예를 도시하는 그래프이고;
도 4n은 일 구현 예에 따라, 2차원 평면의 수직 방향을 따라 도 4g의 조향된 빔의 투영된 각도를 나타내는 도 4k 내지 4m의 사인 곡선 파형(sinusoid waveform)들을 결합함으로써 생성되는 파형의 예를 도시하는 그래프이고;
도 4o는 일 구현 예에 따라, 단위 진폭의 삼각 파형 및 단위 진폭의 사인 곡선 파형의 예를 도시하는 그래프이고;
도 4p는 일 구현 예에 따라, 삼각 파형 및 도 4k 내지 4m의 사인 곡선을 결합함으로써 생성되는 파형의 예를 도시하는 그래프이고;
도 5는 일 구현 예에 따라, 차량에 탑재된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 시스템의 예를 도시하는 블록도이고;
도 6은 일 구현 예에 따라, 원하는 파형에 따라 제1 각도 및 제2 각도 사이의 제1 평면에서 빔의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 방법의 예를 도시하는 흐름도이고;
도 6b는 일 구현 예에 따라, LIDAR 시스템에서 굴절 빔 조향을 위한 방법의 예를 도시하는 흐름도이고;
도 7은 본 발명의 일 구현 예가 실행될 수 있는 컴퓨터 시스템을 도시하는 블록도이고;
도 8은 본 발명의 일 구현 예가 실행될 수 있는 칩 셋(chip set)을 도시한다.
수용 가능한 거리 정확도 및 검출 감도를 달성하기 위해서, 직접 장거리 LIDAR 시스템은 낮은 펄스 반복률(pulse repetition rate)과 높은 펄스 피크 전력(pulse peak power)를 갖는 단 펄스 레이저(short pulse laser)를 사용한다. 상기 높은 펄스 전력은 광학 컴포넌트들의 빠른 저하를 유발할 수 있다. 처프(Chirped) 및 위상-인코딩된 LIDAR 시스템들은 상대적으로 낮은 피크 광 출력을 갖는 긴 광 펄스들을 사용한다. 이 구성에서, 상기 거리 정확도는 펄스 지속 기간보다는 처프 대역폭(chirp bandwidth) 또는 길이(length) 및 위상 코드들의 대역폭에 따라 증가하고, 그러므로 여전히 탁월한 거리 정확도가 획득될 수 있다.
광 반송파(optical carrier)를 변조하기 위해 광대역 무선 주파수(RF; Radio Frequency) 전기 신호를 사용하여 유용한 광 대역폭들이 달성되어왔다. 최근 LIDAR에서의 발전은 동일한 변조 광 반송파를 광 검출기에서 리턴된 신호와 결합된 기준 신호로서 사용하여 RF 대역에서 기준 신호와 리턴된 광 신호 사이의 주파수 차이 또는 위상차에 비례하는 상대적으로 낮은 진동 주파수의 결과 전기 신호를 생성하는 것을 포함한다. 검출기에서의 주파수 차이에 대한 이 같은 종류의 진동 주파수 검출은 헤테로다인(heterodyne) 검출이라 불린다. 이는 준비된 RF 컴포넌트의 사용과 저렴한 유용성에 따른 이점 등의 몇몇 이점들을 갖는다.
현재 발명자들의 최근 연구는 LIDAR 시스템과 각 외부 물체 사이의 벡터에 향상된 범위 뿐만 아니라 상대적으로 서명된 속도를 제공하는, 리턴된 신호에서 도플러 시프트를 검출하기 위한 광학 컴포넌트들의 새로운 배열 및 일관된 처리를 보여준다. 이러한 시스템들은 이 문서에서 고해상도 거리-도플러 LIDAR라 불린다. 특허 협력 조약(PCT; Patent Cooperation Treaty) 특허출원 PCT/US2017/062703 및 PCT/US2018/016632에 기반한 세계 지식 재산 기구(WIPO; World Intellectual Property Organization) 공보의 예를 참조하라.
이러한 개선에 따라 적절한 주파수 또는 위상 콘텐츠의 연필 두께의 레이저 빔에 목표 속도의 유무에 관계없이 범위가 제공된다. 이러한 빔들이 씬(scene) 위를 스치면, 주변 물체의 위치와 속도에 대한 정보가 획득될 수 있다. 이 정보는 자율 주행 또는 운전자 보조 자동차와 같은 차량 자동 제어 시스템에서 가치가 있을 것으로 예상된다.
레이저 광의 광-메카트로닉(Opto-mechatronic) 편향은 관습적으로 LIDAR 시스템의 빔 조향에 사용된다. 이러한 매크로 스케일 상의 관습적인 LIDAR 시스템들은 공간적으로 일관된 광원을 선택된 방향으로 유도하기 위해 재료 특성에 따라 반사, 굴절 및 회절 성분들의 선택을 수반한다. 이러한 시스템들은 고 전력 데이터 및 광범위한 조정을 필요로 하는 정교한 2차 전자기 상태 측정 시스템에서 작동하는 고성능 전류 측정(galvanometric) 스캐너들을 사용한다.
그러나, 전술한 스캐너들은 투영된 빔에서 불균일한 간격을 생성하는 스캔 패턴들을 이용하며, 이는 결국 리턴된 빔의 불균일한 커버리지(coverage)를 초래한다.
따라서, 현재 개시된 사항은 LIDAR 시스템의 굴절 빔 조향을 위한 시스템 및 방법과 직결된다. 즉, 현재 개시된 사항은 투영된 빔에서 균일 또는 거의 균일한 간격을 생성하는 개선된 굴절 빔 조향 시스템 및 방법을 서술하며, 이는 리턴된 빔의 균일한 커버리지를 초래한다. 게다가, 상기 개시된 방법 및 시스템은 1차원에 따른 선형 파형(예를 들어, 삼각형)에서 빔을 조향하는 데 필요한 전력을 경감시키고 조정을 위한 요구사항을 제거한다.
다음의 서술에서는, 설명의 목적대로, 본 발명에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 수많은 구체적인 세부사항이 제시된다. 그러나, 이러한 구체적인 세부사항 없이도 본 발명이 실행될 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 다른 예시들에서는, 본 발명을 불필요하게 흐리지 않기 위해 잘 알려진 구조 및 장치가 블록도 형태로 표시된다.
1. 위상-인코딩된 검출 개요(Phase-encoded Detection Overview)
거리 측정을 위한 광 위상 인코딩 신호를 이용하면, 송신된 신호는 신호의 일부에 대한 반송파(carrier)와 동 위상(in phase)이고(위상=0), 그 다음, 짧은 시간 간격 동안 심벌 Φ에 의해 표현되는 하나 이상의 위상 변화만큼 변동하고 (따라서, 위상=Φ), 송신된 신호에 대하여 반복적으로 2 이상의 위상 값 사이에서 전후로 스위칭한다.
일정한 위상의 최단 간격은 펄스 지속 시간 τ으로 불리는 인코딩 파라미터이며, 일반적으로 대역에서 최저 주파수의 다수의 주기들의 지속 시간이다. 역(1/τ)은 보드 레이트(baud rate)이고, 각각의 보드는 심벌을 나타낸다. 송신된 신호의 시간 동안 이러한 일정한 위상 펄스의 개수(N)는 심벌의 개수(N)이며 인코딩의 길이를 나타낸다. 이진 인코딩(binary encoding)에서는, 2개의 위상 값이 있으며 최단 간격의 위상은 하나의 값에 대해서는 0으로 간주될 수 있고, 다른 하나에 대해서는 1로 간주될 수 있으며, 따라서 심벌은 1 비트(bit)이고 보드 레이트는 비트 레이트(bit rate)라고도 불린다. 다중(multiple) 위상 인코딩에서, 다수의 위상 값이 존재한다. 예를 들어, Φ*{0, 1, 2 and 3}과 같은 4개의 위상 값은 Φ=π/2 (90도)에 대하여 {0, π/2, π, and 3π/2}와 각각 동일하고, 따라서 4개의 위상 값은 각각 0, 1, 2, 3을 나타낼 수 있다. 이 예에서, 각각의 심벌은 2 비트이고, 비트 레이트는 보드 레이트의 2배이다.
위상 편이 변조(PSK; Phase-shift keying)는 기준 신호(반송파)의 위상을 변경(변조)하여 데이터를 전달하는 디지털 변조 방식을 말한다. 변조는 정확한 시간에 사인 입력 및 코사인 입력을 변화시킴으로써 각인된다. 무선 주파수(RF)들에 있어서, PSK는 무선 근거리 네트워크(LANs; Local Area Networks), 무선 주파수 인식(RFID) 및 블루투스(Bluetooth) 통신에 광범위하게 사용된다. 대안적으로, 일정한 기준파(reference wave)에 대해 동작하는 대신, 송신은 자기 자신에 대해 동작할 수 있다. 단일 송신된 파형의 위상 변화는 심벌로 간주될 수 있다. 이 시스템에서, 복조기(demodulator)는 (기준파에 대한) 위상 그 자체가 아닌, 수신 신호의 위상 변화를 결정한다. 이 방식이 연속하는 위상들 사이의 차이에 의존하기 때문에, 이것은 차동 위상 편이 변조(DPSK; Differential Phase-Shift Keying)라 칭해진다. 복조기가 수신 신호의 정확한 위상을 결정하기 위해 기준 신호의 사본을 가질 필요가 없기 때문에, DPSK는 통신 애플리케이션에서 보통의 PSK보다 상당히 더 간단하게 구현될 수 있다 (따라서, 그것은 논-코히런트(non-coherent), 즉 비동기 방식이다).
송신기 및 수신기가 동일한 장치 내에 있기 때문에, 광 거리 측정 응용에 코히런트 PSK가 사용될 수 있다. 반송파 주파수(carrier frequency)는 광 주파수(fc)이고 RF 주파수(f0)는 광 반송파(optical carrier)로 변조된다. 심벌의 개수(N)와 지속 시간(τ)은 요구되는 거리 정확도와 해상도를 성취하기 위하여 선택된다. 심벌들의 패턴은 노이즈와 코드화된 신호들의 다른 소스로부터 구별 가능하도록 선택된다. 따라서, 송신된 신호와 리턴된 신호 사이의 강한 상관 관계는 반사되거나 후방 산란된(backscattered) 신호의 강한 표시일 수 있다. 송신된 신호는 하나 이상의 심벌 블록으로 구성되고, 각각의 블록은 노이즈가 존재하는 경우에서도 반사되거나 후방 산란된 리턴과의 강한 상관 관계를 제공할 만큼 충분히 길다. 송신된 신호는 블록 당 N개 심볼의 M개 블록으로 구성될 수 있고, M과 N은 음이 아닌 정수이다.
도 1a는, 일 구현 예에 따라, 일련의 이진수(binary digit)로서 예시적인 송신된 신호를 거리의 측정을 위하여 리턴된 광 신호들과 함께 도시하는 개략적인 그래프(120)이다. 수평 축(122)은 0(zero)에서의 시작 시간 후의 시간을 임의 단위(arbitrary unit)로 나타낸다. 수직 축(124a)은 주파수 fc+f0에서 광 송신 신호의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타낸다. 수직 축(124b)은 주파수 fc+f0에서 광 리턴 신호의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타내고; 트레이스를 분리하기 위하여 축(124a)으로부터 오프셋된다. 트레이스(125)는 00011010으로부터 시작하여 생략 부호로 표시된 바와 같이 계속하는 코드를 생성하기 위하여 도 1a에 도시된 바와 같은 위상 변화를 갖는 M*N 이진 심벌의 송신된 신호를 나타낸다. 트레이스(126)는 움직이지 않는 물체로부터 산란된 이상적인 (노이즈가 없는) 리턴 신호를 나타낸다(따라서, 리턴은 도플러 시프트되지 않는다). 진폭은 감소되지만, 코드 00011010는 인식 가능하다. 트레이스(127)는 움직이고 있는 물체로부터 산란되고, 따라서, 도플러 시프트된 이상적인 (노이즈가 없는) 리턴 신호를 나타낸다. 리턴은 적절한 광 주파수(fc+f0)에 있지 않고, 예상된 주파수 대역 내에서 잘 검출되지 않으며, 따라서 진폭이 줄어든다.
리턴의 관찰된 주파수(f')는 수학식 1에 의해 주어진 도플러 효과에 의한 리턴의 정확한 주파수(f = fc+f0)와 상이하다.
[수학식 1]
Figure 112022035588939-pat00001
여기서, c는 매질 내의 빛의 속도이고, v0는 관찰자의 속도이고, vs는 소스와 수신기를 연결하는 벡터에 따른 소스의 속도이다. 관찰자와 소스가 둘 사이의 벡터 상에서 동일한 방향으로 동일한 속도로 움직이고 있으면, 2개의 주파수는 동일하다는 것에 주목하라. 2개의 주파수 사이의 차이(Δf = f'-f)는 거리 측정에 대하여 문제점을 야기하는 도플러 시프트(ΔfD)이고, 수학식 2에 의해 주어진다.
[수학식 2]
Figure 112022035588939-pat00002
오차의 크기는 신호의 주파수(f)에 따라 증가한다는 것에 주목하라. 또한, 정지된 LIDAR 시스템(v0 = 0)의 경우, 초당 10 미터(v0 = 10)로 이동하는 물체와 대략 500 THz의 주파수를 갖는 가시 광선에 대한 도플러 시프트의 크기는 대략 16 메가헤르츠(MHz, 1MHz = 106 헤르츠(Hz), 1 Hz = 초당 1 사이클)인 것에 주목하라. 아래에 설명되는 다양한 구현 예에서, 거리 계산을 위한 데이터를 처리하기 위해 도플러 시프트 오차가 검출되어 사용된다.
위상 코드화된 거리 측정에서, 위상 코드화된 반사의 도착은 전송된 신호 또는 다른 기준 신호를 리턴된 신호와 교차 상호 연관시킴으로써 리턴에서 검출되며, 실제로 헤테로다인 검출을 사용하여 광 검출기로부터의 전기 신호와 RF 신호의 코드를 교차 상호 연관시킴으로써 실행되고, 따라서 RF 대역으로 다시 다운 믹싱(down-mixing)된다. 하나의 지연에 대한 교차 상관관계는 두 트레이스를 연관시킴으로써, 즉, 두 트레이스에서 대응되는 값들을 곱하고 두 트레이스의 모든 점들에 대해 합한 다음, 각 시간 지연에 대해 반복함으로써 계산된다. 또는 그 대신에, 교차 상관관계는 역 푸리에 변환에 뒤이어 두 트레이스 각각의 푸리에 변환의 곱으로 산출될 수 있다. 고속 푸리에 변환(FFT; Fast Fourier Transform)을 위한 효율적인 하드웨어 및 소프트웨어 실행은 순 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환 모두에 대해 범용적으로 이용가능하다.
교차 상관관계 계산이 일반적으로 광 검출기에서 리턴의 진폭 및 위상이 검출된 이후에 아날로그 또는 디지털 전기 신호와 함께 수행된다는 점에 주목하라. 광 검출기의 신호를 쉽게 디지털화될 수 있는 RF 주파수 범위로 바꾸기 위해, 광 리턴 신호는 검출기에 충돌하기 전에 기준 신호와 광학적으로 혼합된다. 위상 인코딩된 전송된 광 신호의 사본은 기준 신호로서 사용될 수 있으나, 종종 바람직하게는, 레이저에 의해 출력된 연속 파형 반송 주파수 광 신호를 기준 신호로 사용하고, 검출기에 의해 출력되는 전기 신호의 진폭 및 위상을 모두 캡처하는 것도 가능하다.
움직이지 않는 물체로부터 반사되는 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호의 경우(따라서 리턴은 도플러 시프트되지 않음), 전송된 신호의 시작 이후 시간 t에서 피크가 발생한다. 이는 리턴된 신호가 시간 t에서 시작하는 전송된 위상 코드의 버전을 포함함을 나타낸다. 반사하는(혹은 후방 산란하는) 물체까지의 거리 R은 수학식 3에 주어진 바와 같이, 매질 내의 빛의 속도 c에 기초하여 양방향 이동 시간의 지연으로부터 산출된다.
[수학식 3]
Figure 112022035588939-pat00003
움직이고 있는 물체로부터 산란된 (따라서, 리턴이 도플러 시프트됨) 이상적인 (노이즈가 없는) 리턴 신호에 대하여, 리턴 신호는 적절한 주파수 빈(frequency bin) 내의 위상 인코딩을 포함하지 않고, 상관 관계는 모든 타임 래그(time lag)에 대해 낮게 유지되고, 피크는 용이하게 검출되지 않으며, 노이즈가 있는 경우에는 종종 검출 가능하지 않다. 따라서, Δt는 용이하게 결정되지 않고; 거리(R)는 용이하게 생성되지 않는다.
발명자의 이전 연구의 다양한 구현 예들에 따르면, 도플러 시프트는 리턴된 신호의 전기적 프로세싱에서 결정되고; 도플러 시프트는 교차 상관관계 계산을 정정하기 위해 사용된다. 그러므로 피크는 보다 쉽게 발견되고 거리는 보다 쉽게 결정될 수 있다. 도 1b는 일 구현 예에 따른, 전송된 신호의 예시 스펙트럼 및 도플러 시프트된 콤플렉스 리턴 신호의 예시 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프(140)이다. 수평 축(142)은 임의의 유닛들에서 광 반송파 fc로부터의 RF 주파수 오프셋을 나타낸다. 수직 축(144a)은 스펙트럼 밀도로도 불리는, 0과 비교하여 임의의 유닛들에서의 특정 좁은 주파수 빈의 진폭을 나타낸다. 수직 축(144b)은 0과 비교하여 임의의 유닛들에서의 스펙트럼 밀도를 나타내고, 축(144a)과 별도의 트레이스로 오프셋된다. 트레이스(145)는 전송된 신호를 나타내며, 피크는 적절한 RF f0에서 발생한다. 트레이스(146)는 움직이는 물체로부터 LIDAR 시스템 방향으로 후방 산란되는 이상적인(노이즈가 없는) 콤플렉스 리턴 신호를 나타내며, 따라서 더 높은 주파수로 도플러 시프트된다(이른바 청색 편이됨). 해당 리턴은 적절한 RF f0에서 피크를 갖지 않으나, 대신, 시프트된 주파수 fs로 fD만큼 청색 편이된다. 실제로, 리턴의 동상(in-phase) 및 직각(quadrature)-입출력- 컴포넌트들을 모두 나타내는 콤플렉스 리턴은 fD에서 피크를 결정하기 위해 사용되며, 따라서 도플러 시프트의 방향과, 센서 및 물체 사이에서 벡터에 대한 타겟의 움직임의 방향은 단일 리턴으로부터 분명하다.
일부 도플러 보정 구현 예들에서는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 전송된 신호와 리턴된 신호 모두의 스펙트럼을 획득하고, 각각에서 피크들을 탐색한 다음, 대응되는 피크들의 주파수를 감산함으로써 fD를 찾는 것보다, RF 대역에서 다운 믹싱된(down-mixed) 리턴된 신호의 동상 및 직각 컴포넌트의 교차 스펙트럼을 획득하는 것이 더 효율적이다. 도 1c는 일 구현 예에 따라, 예시 교차 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프(150)이다. 수평 축(152)은 기준 스펙트럼과 비교하여 임의의 유닛들에서의 주파수 시프트를 나타내고, 수직 축(154)은 0과 비교하여 임의의 유닛들에서의 교차 스펙트럼의 진폭을 나타낸다. 트레이스(155)는 LIDAR 시스템 방향으로 움직이는 제1 물체(도 1b에서 fD1의 청색 편이=fD) 및 LIDAR 시스템으로부터 멀어지는 제2 물체(fD2의 적색 편이)에 의해 생성되는 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호로 교차 스펙트럼을 나타낸다. 한 피크는 컴포넌트들 중 하나가 fD1 청색 편이된 경우 발생하며, 또 다른 피크는 컴포넌트들 중 하나가 fD2 적색 편이된 경우 발생한다. 그러므로 도플러 시프트들이 결정된다. 이러한 시프트들은 LIDAR의 부근에서 접근하는 물체들의 부호화된 속도를 결정하기 위해 사용될 수 있고, 충돌 회피 응용에 있어서도 중요할 수 있다. 그러나, 만일 입출력 프로세싱이 수행되지 않으면, 피크들은 +/- fD1 모두와 +/- fD2 모두에서 나타나고, 따라서 도플러 시프트의 부호 및 그에 따라 움직임의 방향이 모호하게 된다.
발명자의 이전 연구의 추가 세부사항에 기술된 대로, 교차 스펙트럼에서 검출된 도플러 시프트는 교차 상관관계를 보정하기 위해 사용되고 그 결과 래그 t에서 도플러 보정된 도플러 시프트된 리턴에서 피크(135)는 분명하고, 거리 R이 결정될 수 있다. 몇몇 구현 예들에서 S.Crouch 등에 의한 "Method and System for Doppler detection and Doppler correction of optical phase-encoded range detection"라는 제목의, 전체 내용이 여기에 충분히 기술된 바와 같이 통합된, 특허 출원 공개공보의 세부사항에 기술된 바와 같이, 동시 입출력 프로세싱이 수행된다. 다른 구현 예들에서, S.Crouch 등에 의한 "Method and System for Time Separated Quadrature Detection of Doppler Effects in Optical Range Measurements"라는 제목의, 전체 내용이 여기에 충분히 기술된 바와 같이 통합된, 특허 출원 공개공보의 세부사항에 기술된 바와 같이, 도플러 리턴의 부호를 결정하기 위해 순차적인 입출력 프로세싱이 사용된다. 다른 구현 예들에서, 도플러 보정을 결정하기 위해 다른 수단들이 사용되며, 다양한 구현 예들에서, 해당 분야의 알려진 어떤 방법이라도 도플러 보정을 수행하기 위해 사용된다. 몇몇 구현 예들에서, 도플러 시프팅으로 인한 에러들은 허용되거나 무시되며, 도플러 보정은 거리 측정에 적용되지 않는다.
2. 처프 검출 개요(Chirped Detection Overview)
도 1d는 일 구현 예에 따라, 거리에 관한 광 처프 측정의 예를 도시하는 그래프 세트이다. 수평 축(102)은 네 그래프 모두에 대해 동일하며 임의의 유닛들에서의 시간을 밀리초(ms, 1ms=10-3 초) 순서로 나타낸다. 그래프(100)는 전송된 광 신호로서 사용되는 빛의 빔의 세기를 나타낸다. 그래프(100) 내 수직 축(104)은 임의의 유닛들에서의 전송된 신호의 세기를 나타낸다. 트레이스(106)는 시간 0에서 시작하여 한정된 펄스 나비(pulse duration) τ 동안의 세기를 나타낸다. 그래프(110)는 전송된 신호의 주파수를 나타낸다. 수직 축(114)은 임의의 유닛들에서 전송된 주파수를 나타낸다. 트레이스(116)는 펄스의 주파수가 펄스의 지속시간 τ에 걸쳐 f1에서 f2로 증가하고, 따라서 대역폭 B=f2-f1을 가짐을 나타낸다. 주파수 변화율은 (f2-f1)/τ이다.
리턴된 신호는 그래프(110)에서처럼 시간을 나타내는 수평 축(102) 및 주파수를 나타내는 수직 축(114)을 갖는 그래프(160) 상에 표현된다. 그래프(110)의 처프(116) 또한 그래프(160) 상의 점선으로 도시된다. 제1 리턴된 신호는 트레이스(166a)로 주어지는, 단지 세기가 줄어들며(미도시) t만큼 지연된 전송된 기준 신호이다. R이 타겟까지의 거리일 때, 리턴된 신호가 2R의 거리를 간 후 외부 물체로부터 수신된 경우, 지연된 시간 t에서의 리턴된 신호 시작은 상술한 수학식 3에 따라, 2R/c -c는 매질에서의 빛의 속도(대략 3*108 m/s)- 로 주어진다. 이 시간 동안, 주파수는 거리에 따른 양만큼, 이른바 fR만큼 변화하며, 주파수 변화율에 지연 시간을 곱하여 수학식 4a에 의해 주어진다.
[수학식 4a]
Figure 112022035588939-pat00004
fR의 값은 디처핑(de-chirping)으로 지칭되는 시간 도메인 믹싱 동작에서 송신된 신호(116)와 리턴된 신호(166a) 사이의 주파수 차이에 의해 측정될 수 있다. 따라서 거리 R은 수학식 4b에 의해 주어진다.
[수학식 4b]
Figure 112022035588939-pat00005
펄스가 완전히 송신된 후 리턴된 신호가 도착하면, 즉 2R/c가 τ보다 크면, 수학식 4a 및 4b는 유효하지 않다. 이 경우에, 기준 신호는 리턴된 신호가 기준 신호와 중첩하는 것을 보장하도록 알려진 양 또는 정해진 양만큼 지연될 수 있다. 기준 신호의 정해진 지연 시간 또는 알려진 지연 시간은 수학식 4b로부터 계산된 거리에 추가되는 추가 거리를 제공하기 위해 광의 속도(c)와 곱해질 수 있다. 매질에서 광의 속도의 불확실성으로 인하여 절대 거리는 부정확할 수 있지만, 이는 거의 일정한 오차(near-constant error)이며 주파수 차이를 기반으로 한 상대적 거리는 여전히 매우 정확하다.
일부 환경에서, 송신된 광 빔에 의해 조명된 지점(펜슬 빔 단면(pencil beam cross section))은 반투명 물체의 전방 및 후방, 또는 LIDAR로부터 다양한 거리에 있는 물체의 더 가까운 부분과 더 먼 부분, 또는 조명된 지점 내에서 두 개의 분리된 물체와 같이 상이한 거리에 있는 2개 이상의 상이한 산란체를 만난다. 이러한 환경에서, 그래프(160)에 트레이스(166b)로 표시된 것과 같이, 제2 감소된 강도 및 상이하게 지연된 신호 또한 수신될 것이다. 이것은 수학식 4b를 사용하여 다른 거리를 제공하는 fR의 다른 측정 값을 가질 것이다. 일부 환경에서는, 여러 개의 추가적인 리턴된 신호들이 수신된다.
그래프(170)는 제1 리턴된 신호(166a)와 기준 처프(116) 사이의 차이 주파수 fR을 도시한다. 수평 축(102)은 도 1d에서 정렬된 다른 모든 그래프와 같이 시간을 나타내고, 수직 축(164)은 더 확대된 스케일 상에서 주파수 차이를 나타낸다. 트레이스(176)는 송신된 처프에 응답하여 측정된 일정한 주파수 fR을 나타내며, 수학식 4b에 의해 주어지는 특정 거리를 나타낸다. 제2 리턴된 신호(166b)는, 존재한다면, 디처핑 동안에 다른 더 큰 값의 fR(도시되지 않음)을 발생시킬 것이고; 결과적으로 수학식 4b를 사용하여 더 큰 거리를 산출할 것이다.
디-처핑을 위한 일반적인 방법은 기준 광 신호와 리턴된 광 신호를 동일한 광 검출기에 겨냥하는 것이다. 검출기의 전기적 출력은 검출기로 수렴하는 2개의 신호의 주파수 차이와 같거나, 아니면 이에 의존하는 비트 주파수(beat frequency)에 의해 좌우될 수 있다. 이러한 전기적 출력 신호의 푸리에 변환은 비트 주파수에서의 피크를 산출할 것이다. 이 비트 주파수는 테라헤르츠(THz, 1THz=1012Hertz)의 광 주파수 범위가 아닌 메가헤르츠(MHz, 1MHz=106Hertz=106cycles per second)의 무선 주파수(RF) 범위에 속한다. 이러한 신호들은 마이크로프로세서 또는 특수 제작된 FFT(Fast Fourier Transform) 또는 기타 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing, DSP) 집적 회로에서 실행되는 FFT 알고리즘과 같은 RF 컴포넌트들에 의해 처리될 수 있다. 리턴 신호는 (국부 발진기(local oscillator)의 역할을 하는 처프와 비교하여) 국부 발진기의 역할을 하는 연속파(continuous wave, CW) 톤(tone)과 믹스될 수 있다. 이것은 그 자체가 처프인 (또는 어떤 파형이 송신되건 간에) 검출된 신호로 이어진다. 이 경우 검출된 신호는, 디지타이저(digitizer) 대역폭 요구 사항이 일반적으로 더 높을 수 있지만, 디지털 도메인에서 정합 필터링(matched filtering)될 수 있다. 그렇지 않은 경우 코히런트 검출의 긍정적인 면은 유지된다.
일부 구현 예에서, LIDAR 시스템은 동시 업 및 다운 처프(simultaneous up and down chirps)를 생성하도록 변경된다. 이 접근 방식은, 다른 것들 중에서도, 물체 속도 차이, 실제로 거리를 변경하는 물체에 대한 LIDAR 위치 변경 또는 빔 내의 일시적인 산란체들(scatterers), 또는 이들의 조합에 의해 유발되는 변동성을 제거할 수 있다. 이 접근 방식은 업 및 다운 처프에서 측정된 도플러 시프트 및 거리가 사실상 동일하고 가장 유용하게 결합될 수 있다는 것을 보장할 수 있다. 도플러 방식은 높은 확률의 정확한 보상을 위하여 주파수 공간에서 비대칭으로 시프트된 리턴 쌍들의 병렬 캡처(parallel capture)를 보장할 수 있다.
도 1e는, 일 구현 예에 따라, 대칭 LO 신호를 사용하는 그래프이고; 도플러 시프트가 없을 때 리턴 신호를 주파수-시간 플롯(frequency time plot)에서 점선으로 도시한다. 수평 축은 시간을 10-5 초(수십 마이크로초)의 예시적인 단위로 나타낸다. 수직 축은 반송파 주파수 fc 또는 기준 신호에 대한 송신된 광 신호의 주파수를 기가헤르츠(GHz, 1 GHz = 109 헤르츠)의 예시적인 단위로 나타낸다. 펄스 지속 시간 동안, 2개의 광 주파수를 포함하는 광 빔이 언제든지 생성된다. 하나의 주파수가 f1로부터 (예를 들어, 광 반송파보다 1 내지 2GHz 높은) f2로 증가하고 동시에 다른 주파수가 f4로부터 (예를 들어, 광 반송파보다 1 내지 2GHz 낮은) f3으로 감소한다. 2개의 주파수 대역(예를 들어, f1 내지 f2의 대역 1과 f3 내지 f4의 대역 2)은 중첩되지 않아, 송신된 신호 및 리턴 신호가 통과 주파수 fp에서 시작하는 통과 대역을 갖는 고역 통과 필터나 저역 통과 필터 또는 이들의 조합에 의해 광학적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, f1<f2<fp<f3<f4일 수 있다. 도시되는 바와 같이, 더 높은 주파수가 업 처프를 제공하고 더 낮은 주파수가 다운 처프를 제공할 수 있다. 일부 구현 예에서, 더 높은 주파수가 다운 처프를 생성하고 더 낮은 주파수가 업 처프를 생성한다.
일부 구현 예에서, 2개의 상이한 레이저 소스가 매시간마다 각각의 빔에서 2개의 상이한 광 주파수를 생성하는 데 사용된다. 일부 구현 예에서, 단일 광 반송파는 단일 RF 처프에 의해 변조되어 동시 업 및 다운 처프의 역할을 하는 대칭적인 측파대(symmetrical sideband)를 생성한다. 일부 구현 예에서, 일반적으로, 반송파 주파수에 많은 에너지를 남기지 않을 수 있는 이중 측파대 마하-젠더 강도 변조기(double sideband Mach-Zehnder intensity modulator)가 사용되고; 대신에, 거의 모든 에너지가 측파대로 들어간다.
측파대 대칭(sideband symmetry)의 결과로서, 동일한 차수의 측파대가 사용되면 2개의 광 처프의 대역폭은 동일할 수 있다. 일부 구현 예에서, 다른 측파대가 사용되며, 예를 들어, 2개의 2차 측파대가 사용되거나, 1차 측파대 및 중첩하지 않는 2차 측파대가 사용되거나, 일부 다른 조합이 사용된다.
Crouch 등에 의한, "Method and System for Doppler Detection and Doppler Correction of Optical Chirped Range Detection,"라는 제목의 미국 특허 출원 공개공보에 기술된 바와 같이, 전송(TX) 및 국부 발진기(LO) 처프 파형을 선택할 때, 시스템의 주파수 시프트된 대역이 이용 가능한 디지타이저 대역폭을 최대한 이용하도록 확실히 하는 것이 유리하다. 일반적으로 이는 거리 주파수 비트가 0에 가깝게 되도록 업 처프 또는 다운 처프를 이동시킴으로써 이루어진다.
도 1f는 대칭 LO 신호를 사용하는, 도 1e와 유사한 그래프이며, 0이 아닌 도플러 시프트가 있을 때 이 주파수-시간 플롯에서 리턴 신호를 점선으로 표시한다. 처핑된 파형의 경우, 위에서 설명한 다른 접근 방식의 하드웨어 요구 사항들을 극복하기 위해 시간 분리 I/Q 프로세싱(일명 시간 도메인 멀티플렉싱)이 사용될 수 있다. 이 경우, AOM은 실제 값 신호(valued signal)에 대한 거리-도플러 모호성을 없애기 위해 사용된다. 몇몇 구현 예들에서는, 스코어링 시스템을 사용하여 S.Crouch 등에 의한, "Method and system for Doppler detection and Doppler correction of optical chirped range detection"라는 제목의, 전체 내용이 여기에 충분히 기술된 바와 같이 통합된, 특허 출원 공개공보 내 세부사항에 기술된 대로 업 및 다운 처프의 짝을 맞춘다. 다른 구현 예들에서, I/Q 프로세싱은 S.Crouch 등에 의한, "Method and system for Time Separated Quadrature Detection of Doppler Effects in Optical Range Measurements"라는 제목의, 전체 내용이 여기에 충분히 기술된 바와 같이 통합된, 특허 출원 공개공보 내 세부사항에 기술된 대로 도플러 처프의 부호를 결정하는 데 사용된다.
3. 광 검출 하드웨어 개요(Optical Detection Hardware Overview)
고해상도 거리-도플러 검출 시스템의 사용 방법을 묘사하기 위해, 일부 포괄적인 하드웨어 접근 방법이 기술된다. 도 2a는, 일 구현 예에 따라, 고해상도 거리 LIDAR 시스템(200)의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이다. 광 신호들은 화살표로 표시된다. 전자적인(electronic) 유선 또는 무선 연결은 화살촉이 없는 선분으로 표시된다. 레이저 소스(212)는, 지속 시간 D를 갖는 위상 코드화되거나 처프된 광 신호(203)를 생성하기 위하여, 스플리터(216) 이전 또는 이후에, 변조기(282a)에서 위상 또는 주파수 변조된 빔(예를 들어, 반송파)(201)을 방출한다. 스플리터(216)는 기준 경로(220)에 사용하기 위한 변조된(또는, 도시된 바와 같이, 변조되지 않은) 광 신호를 분리한다. 빔(201)의 에너지의 대부분을 갖는, 본 명세서에서 송신된 신호(transmitted signal)라고도 불리는, 타겟 빔(205)이 생성될 수 있다. 또한, 적은 양이기는 하지만 물체(도시되지 않음)로부터 산란된 리턴된 광(291)과 잘 믹스되기에 충분한 양의 에너지를 가질 수 있는 변조되거나 변조되지 않은 기준 빔(207a)이 생성된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 기준 빔(207a)은 변조기(282b)에서 개별적으로 변조된다. 기준 빔(207a)은 기준 경로(220)를 통과하고, 기준 빔(207b)으로서 하나 이상의 검출기로 지향된다. 일부 실시예에서, 기준 경로(220)는 기준 빔(207a)이 관심 거리의 범위(spread of ranges of interest) 내에서 LIDAR 외부의 물체로부터 산란된 광과 함께 검출기 어레이(230)에 도달하기에 충분한 알려진 지연을 도입한다. 일부 구현 예에서, 예를 들어, 기준 빔(207b)이 별개의 발진기로부터 국부적으로 생성되었다면, 기준 빔(207b)은 국부 발진기(Local Oscillator LO) 신호로 불린다. 다양한 구현 예에서, 덜 유연한 접근 방식으로부터 더 유연한 접근 방식까지 망라하여, 기준 빔(207b)은 1) 경로 길이들이 잘 매칭되도록 검출기 어레이에서 송신된 빔의 일부를 다시 반사시키기 위해 장면(scene) 내에 거울을 배치하는 것; 2) 경로 길이를 가깝게 매칭시키고, 특정 거리에 대해 관찰되거나 예측된 위상 또는 주파수 차이를 보상하기 위한 경로 길이 조절을 이용하거나 이용하지 않으면서, 도 2a에서 제안된 바와 같이, 검출기 어레이 부근의 광학 장치를 이용하여 기준 빔을 브로드캐스트(broadcast)하기 위해 섬유 지연(fiber delay)을 이용하는 것; 또는 3) 경로 길이 불일치(path length mismatch)를 보상하기 위한 별개의 변조를 생성하기 위해 주파수 시프팅(frequency shifting) 디바이스(음향 광학 변조기(acousto-optic modulator, AOM) 또는 (예를 들면 변조기(282b) 내) 국부 발진기 파형 변조의 시간 지연을 이용하는 것; 또는 일부의 조합을 통해 산란되거나 반사된 필드(시야)를 갖고 도착하게 될 수 있다. 일부 구현 예에서, 물체는 충분히 가깝고 송신된 지속 시간은 충분히 길어서 리턴이 지연 없이 기준 신호와 충분히 중첩한다.
송신된 신호는 예를 들어 하나 이상의 스캐닝 광학 장치(scanning optics)(218)를 통해 관심 영역을 조명하기 위해 송신된다. 검출기 어레이는 쌍을 이루거나 또는 쌍을 이루지 않은 단일의 검출기 또는 물체로부터 리턴된 빔(291)들에 대략 수직인 평면에 배열된 쌍을 이루거나 또는 쌍을 이루지 않은 검출기의 1차원(1D) 또는 2차원(2D) 어레이일 수 있다. 기준 빔(207b) 및 리턴된 빔(291)은 적절하게 검출될 광 특성 신호를 생성하기 위하여 0 또는 그 이상의 광 믹서(284)에서 결합될 수 있다. 간섭 패턴의 주파수, 위상 또는 진폭 또는 일부 조합은 획득 시스템(240)에 의해 각각의 검출기에 대해 신호 지속 시간(D) 동안 여러 번 기록될 수 있다. 신호 지속 시간 당 처리되는 시간적(temporal) 샘플의 개수 또는 누적 시간(integration time)은 다운-레인지 규모(down-range extent)에 영향을 미칠 수 있다. 개수 또는 누적 시간은 신호 당 심벌의 개수, 신호 반복률(signal repetition rate) 및 가용 카메라 프레임률(available camera frame rate)에 기초하여 선택되는 실질적인 고려 사항일 수 있다. 프레임률은 샘플링 대역폭이고, 흔히 "디지타이저 주파수(digitizer frequency)"로 불린다. 거리 규모(range extent)의 유일한 근본적인 한계는 레이저의 코히런스(coherence) 길이 및 (명확한 거리 측정을 위해) 그것이 반복하기 전의 처프 또는 고유 위상 코드의 길이다. 이는 리턴된 헤테로다인(heterodyne) 신호 또는 비트들(bits)의 디지털 레코드가 이전 송신 이력으로부터 송신된 비트들의 임의의 부분과 비교되거나 교차 상관될 수 있기 때문에 가능하게 된다.
획득된 데이터는 도 7을 참조하여 후술되는 컴퓨터 시스템 또는 도 8을 참조하여 후술되는 칩셋(chip set)과 같은 처리 시스템(250)에 이용 가능하게 만들어진다. 스캐너 제어 모듈(270)은 스캐닝 광학 장치(218)를 구동하기 위한 스캐닝 신호들을 제공한다. 스캐너 제어 모듈(270)은 도 6의 순서도에 관련된 방법(600)의 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 명령어를 포함할 수 있다. 처리 시스템(250)에서 부호를 가진 도플러 보상(signed Doppler compensation) 모듈(도시되지 않음)은 도플러 시프트의 부호와 크기를 결정할 수 있고, 임의의 다른 보정과 함께 그에 기초한 보정된 거리를 결정할 수 있다. 처리 시스템(250)은 변조기(282a, 282b)를 구동하는 하나 이상의 전기 신호를 전송하기 위한 변조 신호 모듈(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 일부 구현 예에서, 처리 시스템은 시스템(200)이 설치되는 차량을 제어하기 위한 차량 제어 모듈(272)을 더 포함한다.
레이저 소스(212), 변조기(282a, 282b), 빔 스플리터(216), 기준 경로(220), 광 믹서(284), 검출기 어레이(230), 스캐닝 광학 장치(218), 또는 획득 시스템(240)을 구현하기 위해 임의의 알려진 장치나 시스템이 사용될 수 있다. 타겟 상의 초점 또는 투광 조명(flood) 또는 동공면(pupil plane)을 지나간 초점에 대한 광 커플링(optical coupling)은 도시되지 않는다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 광 커플러(optical coupler)는, 다른 것들 중에서도, 진공, 공기, 유리, 크리스탈, 거울, 렌즈, 광 서큘레이터(optical circulator), 빔 스플리터, 위상판(phase plate), 편광자(polarizer), 광 섬유(optical fiber), 광 믹서와 같은 다른 컴포넌트를, 단독으로 또는 일부 조합과 같이, 하나의 컴포넌트로부터 다른 컴포넌트로 광을 지향시키기 위하여 공간 좌표 내에서 광의 전파(propagation)에 영향을 미치는 임의의 컴포넌트이다.
또한, 도 2a는 일 구현 예에 따른 동시 업 및 다운 처프 LIDAR 시스템을 위한 컴포넌트들의 예를 도시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 변조기(282a)는 송신된 빔(205)의 광 경로에 추가된 주파수 시프터일 수 있다. 일부 구현 예에서, 주파수 시프터가 리턴된 빔(291)의 광 경로 또는 기준 경로(220)에 추가된다. 변조기(예를 들어, AOM(acousto-optic modulator))로서 사용되는 장치가 연관된 손실을 가지며, 손실이 많은 컴포넌트들을 수신 측에 배치하거나 광 증폭기 뒤에 배치하는 것은 불리할 수 있기 때문에, 주파수 시프터가 국부 발진기(Local Oscillator(LO), 기준 경로라고도 함) 측 또는 송신 측(광 증폭기 앞)에 변조기(282b)로서 추가될 수 있다. 광 시프터(optical shifter)는 광 검출기(230)에 의해 출력되는 전기 신호의 분석에 있어서, 예를 들어, 처리 시스템(250)에서 FFT 컴포넌트에 의해 픽업될 수 있는 상이한 주파수 대역에서 업 및 다운 처프의 비트(beat) 주파수가 발생하도록, 기준 신호의 주파수에 대하여 송신된 신호(또는 리턴 신호)의 주파수를 알려진 양(ΔfS)만큼 시프트할 수 있다. 예를 들어, 거리 효과를 발생시키는 청색 편이가 fB면, 업 처프의 비트 주파수는 오프셋만큼 증가되어 fB + ΔfS로 나타날 것이고, 다운 처프의 비트 주파수는 fB - ΔfS로 오프셋만큼 감소될 것이다. 따라서, 업 처프는 다운 처퍼보다 더 높은 주파수 대역 내에 있을 것이고, 이에 의해 이들을 분리한다. ΔfS가 예상된 도플러 효과보다 더 크면, 업 처프 및 다운 처프와 연관된 거리에서의 모호성은 없을 것이다. 그 다음, 측정된 비트는 적합한 업 처프 및 다운 처프 거리를 얻기 위하여 알려진 ΔfS의 정확하게 부호가 부여된 값으로 보정될 수 있다. 일부 구현 예에서, 일부 실시예에서, 평형 검출기(balanced detector)로부터 유래하는 RF 신호는 FFT를 통해 분리되는 대역과 함께 직접 디지털화된다. 일부 구현 예에서, 평형 검출기로부터 유래하는 RF 신호는 직접 디지털화될 수 있는 저대역(업 처프 또는 다운 처프 중 하나에 대응)과 기저 대역에 전자적으로 다운 믹스된(down-mixed) 후 디지털화될 수 있는 고대역(반대하는 처프에 대응)으로 분리하기 위하여 아날로그 RF 전자 장치를 이용하여 전처리된다. 다양한 이러한 구현 예들은 검출된 신호들의 대역들을 사용 가능한 디지타이저 자원(digitizer resource)에 일치시키는 경로를 제공한다. 일부 (예를 들어, 직접 거리 측정) 구현 예에서, 변조기(282a)는 제외된다.
도 2b는 고해상도 도플러 시스템을 위한 톱니형(saw tooth) 스캔 패턴을 도시하는 블록도이다. 스캔은 (수평으로) 방위각(azimuth angle) 범위를 스윕(sweep)하고 경사각(inclination angle) 범위를 (0 경사에서 수평 방향(level direction)의 상하로 축(224)을 따라 수직으로) 스윕한다. 후술된 다양한 구현 예들에서, 다른 스캔 패턴들이 사용된다. 기존에 알려진 모든 스캔 패턴은 다양한 구현 예들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현 예들에서, 적응형 스캐닝(adaptive scanning)은 Crouch에 의한, "Method and system for adaptive scanning with optical ranging systems," 또는 "Method and system for automatic real-time adaptive scanning with optical ranging systems,"라는 제목의, 전체 내용이 여기에 충분히 기술된 바와 같이 통합된, PCT 특허 출원 내 기술된 방법들을 사용하여 수행된다. 도 2c는 고해상도 도플러 LIDAR 시스템에 의해 생성된 예시적인 속도 포인트 클라우드를 도시하는 이미지이다.
도 3은 일 구현 예에 따른, 도 2a의 시스템(200)의 스캐닝 광학 장치(218)의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이다. 일 구현 예에서, 스캐닝 광학 장치(218)는 한 축(예를 들어, 도 2b의 축(222)을 따라 각도 -A에서 +A 사이)을 따라 빔(205)의 액츄에이션(actuation)을 제어하는 진동 스캔 요소(oscillatory scan element, 302) 및 다른 축(예를 들어, 도 2b의 축(224)를 따라)을 따라 빔(205)의 액츄에이션을 제어하는 단방향 등속 스캔 요소(unidirectional constant speed scan element, 304)(예를 들어, 폴리곤 스캐너)를 포함하는 2-성분 스캔 시스템이다. 일 구현 예에서, 스캐닝 광학 장치(218)는 하나 이상의 진동 스캔 요소(302) 및 단방향 등속 스캔 요소(304)을 포함하고 모터(306) 및 처리 시스템(250)은 제외하며, 스캐닝 광학 장치(218)는 시스템(200)보다 다른 시스템에서 사용된다. 예시적인 일 구현 예에서, 단방향 등속 스캔 요소(304)이 빔(205)을 축(224)을 따라 구동하는 것과 동시에, 진동 스캔 요소(302)은 빔(205)을 축(222)을 따라 각 -A에서 +A 사이로 구동한다. 예시적인 일 구현 예에서, 진동 스캔 요소(302)의 액츄에이션 속도는 양 방향이며 등속 스캔 요소(304)의 단방향 액츄에이션 속도보다 크고, 이로 인해 빔(205)은 빔이 축(224)을 따라(예를 들어, 각도는 D에서 +D 사이) 스캔되는 매 인스턴스마다 여러 번 축(222)을 따라(예를 들어, 각도 -A에서 +A 사이) 스캔된다.
일부 구현 예들에서, 스캐너 제어 모듈(270)은 처리 시스템(250)으로부터 진동 스캔 요소(302) 및/또는 단방향 스캔 요소(304)에 기계적으로 결합된 모터(306)로 전송되는 신호를 생성한다. 일 구현 예에서, 진동 스캔 요소(302)에 기계적으로 결합된 한 모터와, 단방향 스캔 요소(304)에 기계적으로 결합된 다른 모터가 제공된다. 예시적인 일 구현 예에서, 처리 시스템(250)으로부터 수신된 신호들에 기초하여, 모터(306)는 신호 내 파라미터(예를 들어, 각속도 등)의 값에 기초하여 진동 스캔 요소(302) 및/또는 단방향 스캔 요소(304)를 회전시킨다. 스캐너 제어 모듈(270)은 신호 내 파라미터의 값을 결정하여, 빔(205)이 진동 스캔 요소(302)에 의해 바람직한 스캔 패턴(예를 들어, 축(222)을 따라 각도 -A에서 +A 사이로)으로 스캔되거나/스캔되고 단방향 등속 스캔 요소(304)에 의해 바람직한 스캔 패턴(예를 들어, 축(224)을 따라 각도 D에서 +D 사이로)으로 스캔되도록 한다.
4. 굴절 빔 조향을 위한 코히런트 LIDAR 시스템(Coherent LIDAR System for Refractive Beam-Steering)
도 4a 및 4b는 일 구현 예에 따라, 축(417)에 대한 광학 컴포넌트(402)의 회전에 기초하여 콘 형상의 표면(424)을 정의하는 조향 각(406)에서 입사 빔(408)을 조향하는 도 3의 스캐닝 광학 장치(218)의 광학 컴포넌트(402)를 포함하는 어셈블리(400)의 예시를 도시하는 이미지이다. 일 구현 예에서, 광학 컴포넌트(402)는 제1 및 제2 각도 사이(예를 들어, 도 2b의 축(222)을 따라 -A와 +A 사이)에서 축(417)에 직교하는 축(414)을 따라 입사 빔(408)의 스캐닝을 최적화하기 위한 진동 스캔 요소(302)이다. 광학 컴포넌트(402)는 축(414)에 대해 측정되는 광학 스캔 성분(402)의 각도(404)를 달리하는 각속도(410)에 기초하여 축(417)에 대해 회전된다.
일 구현 예에서, 광학 컴포넌트(402)는 프리즘의 베이스에 직교하는 각지지 않은 면(non-angled face, 411)에 대해 측정된 프리즘 각도(407)에 의해 정의되는 각진 면(angled face, 409)을 갖는 리즐리 프리즘이다. 일반적인 기술 중 하나에서 알 수 있듯이, 조향 각도(406)는 외부 매질(예를 들어, 공기)에 대한 리즐리 프리즘(402)의 굴절 지수 비율 및 굴절이 발생하는 각진 면(409) 상의 입사각에 따른 스넬의 법칙(Snell's law)을 이용하여 산출된다. 예시적인 일 구현 예에서, 조향 각도(406)는 입사 빔(408)의 방향에 대해 측정되며, 따라서 각진 면(409)에서의 굴절 각도보다 작다(예를 들어, 각진 면(409)에 대해 정위로 측정).
리즐리 프리즘(402)이 축(417)에 대해 회전하면서, 조향된 빔(408')은 축(417)을 따라 스위프하고 리즐리 프리즘(402)으로부터 축(417)을 따라 축 분리(426)가 발생하는 2차원 평면에서 원형 베이스(430) 및 반지름(428)으로 콘 형상의 표면(424)을 정의한다. 조향된 벡터 빔(408)은 다음의 파라미터 방정식(수학식 5a 내지 5c)으로 정의되는 벡터 (Sx, Sy, Sz)에 의해 정의된다.
[수학식 5a]
Figure 112022035588939-pat00006
[수학식 5b]
Figure 112022035588939-pat00007
[수학식 5c]
Figure 112022035588939-pat00008
이때, θ는 [0, 2π]의 도메인에서 정의된 각도(404), h는 축 분리(426), r은 반지름(428), u는 [0, h]의 도메인에서 정의된 변수, c는 빔이 리즐리 프리즘(402)을 떠나고 콘 형상의 표면(424)의 내프(nappe)가 배치된 축(417)에 따른 좌표를 나타낸다. 각 수학식 5a-5c 마다, 콘 반지름(428)은 u=0일 때 최대이고 (Sx, Sy)는 축(417)에 대해 직교하는 2차원 평면에서 반지름이 r인 원을 정의한다. 수학식 5a마다, x 축(414)에 따라 조향된 빔(408')의 컴포넌트는 r sinθ이다. 각도(406), 반지름(428) 및 축 분리(426) 사이의 관계는 다음의 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
Figure 112022035588939-pat00009
이때, A는 조향 각도(406), r은 반지름(428), h는 축 분리(426)를 나타낸다.
시간이 지나며 축(414)에 따라 조향된 빔 각도(406)의 투영이 사인 곡선(sinusoid)인 커브(415)에 의해 표현된다. 수평 축(412)은 임의의 유닛들에서의 시간이다. 수직 축(414)은 임의의 유닛들에서의 각도이다. 일 구현 예에서, 커브(415)는 조향된 빔(408')이 시간이 지나며 원형 베이스(430) 주위를 회전함에 따라 축(414)(예를 들어, 도 4a의 수직 컴포넌트)에 따른 조향 각도(406)의 투영을 나타낸다.
도 4c는 일 구현 예에 따른, 축(414) 쪽으로 도 4a의 조향 각도(406)의 투영을 나타내는 사인 곡선 커브(415)의 예시를 도시하는 그래프이다. 스캔 라인들(418)은 커브(415)를 따라 표현되고 스캔 라인들(418)은 리턴 빔 데이터가 타겟으로부터 수신된 때 커브(415)에 따른 시간을 각각 나타낸다. 일 구현 예에서, 스캔 라인들(418)은 비교적 일정한 거리의 타겟에 기초하여 동일한 시간 간격을 갖는다. 도 4c는 커브(415)에 따른 스캔 라인들(418) 사이에 축(414)에 따른 불균일한 공간(416a, 416b)을 나타낸다. 본 발명의 발명자들은 빔(408')이 축(414)을 따라 스캔되므로 이러한 불균일한 공간은 리턴 데이터의 균일하지 않은 커버리지(coverage)를 나타내는 바, 이 불균일한 공간(416a, 416b)이 바람직하지 않다는 것을 인식했다. 본 발명의 발명자는 빔(408')이 축(414)의 각도 범위에 걸쳐 스캔되므로 리턴 빔 데이터의 균일한 커버리지를 달성하기 위해서 스캔 라인들(418) 사이에 상대적으로 균일한 간격을 갖는 것이 바람직함을 인식했다. 도 4d는 일 구현 예에 따라, 도 4c의 사인 곡선 커브(415)에 기초하여 축(414)에 따라 간격이 일정하지 않은 스캔 라인들(418)의 예시를 도시하는 그래프이다. 축(416)은 축(414)에 대해 직각이며, 일 구현 예에서, 축(416)은 빔이 단방향 스캔 요소(304)에 의해 스캔되는 방향(예를 들어, 도 2b 내 축(224))을 나타낸다.
도 4e는 일 구현 예에 따라, 도 2a의 스캔된 빔(205)의 조향 각도(406)의 축(414)에 대한 투영을 나타내는 삼각 파형(420)의 예시를 도시하는 그래프이다. 본 발명의 발명자들은 삼각 파형(420)과 같은 선형 기울기가 있는 곡선은 축(414)에 따른 스캔 라인들(418) 사이의 간격(416a', 416b')이 일치하므로 도 4c의 커브(415)의 단점을 방지한다는 점을 인식했다. 이는 빔이 축(414)의 각도 범위에 걸쳐서 스캔되므로 리턴 빔 데이터의 균일한 커버리지를 달성하기에 유리하다. 도 4f는 일 구현 예에 따라, 도 4e의 삼각 파형(420)에 기초하여 축(414)에 따라 일정한 간격의 스캔 라인들(418')의 예시를 도시하는 그래프이다. 박스(422)는 단방향 스캔 요소(304)가 축(416)을 따라 빔을 움직이고 이후의 스캔이 축(414)에 걸친 제1 및 제2 각도 사이에서 수행되기에 앞서 축(414)에 걸친 제1 각도 및 제2 각도 사이(예를 들어, 도 2b의 축(222)에 따른 -A에서 +A 사이)에서의 스캔 라인들(418)을 포함하는 각도 범위에 걸친 빔의 단일 스캔을 나타낸다.
본 발명의 발명자들은 진동 스캔 요소(302)에서 하나 이상의 광학 컴포넌트(예를 들어, 하나 이상의 리즐리 프리즘)를 결합하여 사인 곡선 파형(415)(예를 들어, 축(414)을 따라 스캔 라인들의 간격이 불균일 및/또는 리턴 빔 데이터의 커버리지가 불균일)보다 삼각 파형(420)(예를 들어, 축(414)을 따라 스캔 라인들의 간격이 균일 및/또는 리턴 빔 데이터의 커버리지가 균일)에 근접한 파형을 얻는 것이 유리하다는 것을 인식했다.
도 4g는 일 구현 예에 따라, 광학 컴포넌트들의 집단 회전에 기초하여 광축(417)에 직교하는 빔(408)을 총체적으로 조향하는 광축(417)을 따라 순차적으로 배열된 광학 컴포넌트들의 어셈블리(400')의 예시를 도시한 이미지이다. 일 구현 예에서, 광학 컴포넌트들은 리즐리 프리즘(402a, 402b, 402c)이다. 다른 구현 예에서, 세 광학 컴포넌트들이 제공된다. 그러나, 세 개보다 적거나 많은 광학 컴포넌트들이 광축(417)을 따라 순차적으로 배열될 수 있다. 일 구현 예에서, 각 리즐리 프리즘(402a, 402b, 402c)의 하나 이상의 파라미터 값(예를 들어, 프리즘 각도(407), 인덱스 n, 조향 각도(406) 등)은 도 6의 방법에 기초하여 결정된다. 예시적인 일 구현 예에서, 각 리즐리 프리즘(402a, 402b, 402c)의 파라미터 값들은 각 리즐리 프리즘이 원하는 파형(예를 들어, 삼각 파형(420))의 각 푸리에 컴포넌트 파형에 기초하여 빔(408)을 조향하도록 결정된다. 추가적으로, 다른 구현 예에서는, 리즐리 프리즘(402a, 402b, 402c)들은 각 각속도(410a, 410b, 410c)에 기초하여 회전된다. 일 구현 예에서, 각속도(410a, 410b, 410c)의 값은 도 6의 방법에 기초하여 결정된다. 예시적인 일 구현 예에서, 각속도(410a, 410b, 410c)의 값은 원하는 파형(예를 들어, 삼각 파형(420))의 각 푸리에 컴포넌트 파형들의 주파수들에 기초하여 결정된다. 일 구현 예에서, 리즐리 프리즘(402a, 402b, 402c)들 및 그들의 각 각속도(410a, 410b, 410c)는 시간이 지나며 축(414)에 따라 조향된 빔(408'')의 집단 조향이 도 4e의 삼각 파형(420)에 근사하도록 선택된다. 이는 빔이 축(414)을 따라 스캔되므로 스캔 라인들(418) 사이에 균일한 간격을 달성하거나 균일한 간격에 가까워지는 데 유리하다.
도 4h는 일 구현 예에 따라, 제1 리즐리 프리즘(402a) 및 제1 리즐리 프리즘(402a)의 각속도 벡터에 의해 축(417)에 직각인 2차원 평면에서 도 4a의 조향 각도(406a)의 예시적인 투영을 도시한 그래프이다. 일 구현 예에서, 도 4h는 축(414, 416)에 의해 정의되는 평면에서 제1 리즐리 프리즘(402a)에 의해 조향된 빔(408')의 조향 각도(406a)를 나타내고, 더 나아가 제1 리즐리 프리즘(402a)의 각속도(410a)를 추가로 나타낸다. 도 4k는 일 구현 예에 따라, 제1 리즐리 프리즘(402a)의 회전으로 인해 시간에 따른 2차원 평면의 수직 축(414)에 따라 도 4h의 조향 빔 각도(406a)의 투영을 나타내는 사인 곡선 커브(415a)의 예시를 도시하는 그래프이다.
도 4i는 일 구현 예에 따라, 제2 리즐리 프리즘(402b) 및 제2 리즐리 프리즘(402b)의 각속도 벡터에 의해 축(417)에 직각인 2차원 평면에서 도 4a의 조향 각도(406b)의 예시적인 투영을 도시한 그래프이다. 일 구현 예에서, 도 4i는 축(414, 416)에 의해 정의되는 평면에서 제2 리즐리 프리즘(402b)에 의해 조향된 빔(408')의 조향 각도(406b)를 나타내고, 더 나아가 제2 리즐리 프리즘(402b)의 각속도(410b)를 추가로 나타낸다. 일 구현 예에서, 제2 리즐리 프리즘(402b)에 의해 조향된 빔(408')의 조향 각도(406b)는 제1 리즐리 프리즘(402a)에 의해 조향된 빔(408')의 조향 각도(406a)보다 작다. 도 4l은 일 구현 예에 따라, 제2 리즐리 프리즘(402b)의 회전으로 인해 시간에 따른 2차원 평면의 수직 축(414)에 따라 도 4i의 조향 빔 각도(406b)의 투영을 나타내는 사인 곡선 커브(415b)의 예시를 도시하는 그래프이다.
도 4j는 일 구현 예에 따라, 제3 리즐리 프리즘(402c) 및 제3 리즐리 프리즘(402c)의 각속도 벡터에 의해 축(417)에 직각인 2차원 평면에서 도 4a의 조향 각도(406c)의 예시적인 투영을 도시한 그래프이다. 일 구현 예에서, 도 4j는 축(414, 416)에 의해 정의되는 평면에서 제3 리즐리 프리즘(402c)에 의해 조향된 빔(408')의 조향 각도(406c)를 나타내고, 더 나아가 제3 리즐리 프리즘(402c)의 각속도(410c)를 추가로 나타낸다. 일 구현 예에서, 제3 리즐리 프리즘(402c)에 의해 조향된 빔(408')의 조향 각도(406c)는 제1 및 제2 리즐리 프리즘(402a, 402b)에 의해 조향된 빔(408')의 조향 각도(406a, 406b)보다 작다. 도 4m은 일 구현 예에 따라, 제3 리즐리 프리즘(402c)의 회전으로 인해 시간에 따른 2차원 평면의 수직 축(414)에 따라 도 4j의 조향 빔 각도(406c)의 투영을 나타내는 사인 곡선 커브(415c)의 예시를 도시하는 그래프이다.
도 4n은 일 구현 예에 따라, 도 4k-4m의 사인 곡선 파형들(415a, 415b, 415c)을 조합하여 생성된 파형(427)의 예시를 도시한 그래프이고, 여기서 파형(427)은 2차원 평면의 축(414)을 따라 도 4g의 조향된 빔(408'')의 조향 각도(406)의 투영을 나타낸다. 도 4n에 도시된 대로, 사인 곡선 파형들(415a, 415b, 415c)은 특정 시간 기간-예를 들어 모두 함께 피크되거나 파형(427)의 피크를 생성하거나 모두 밸리(valley)에 위치하여 파형(427)의 밸리를 생성하는 경우- 에서의 위상에 있다. 일 구현 예에서, 파형(427)은 도 4e의 삼각 파형(420)에 근접하여 축(414)을 따라 스캔 라인들(418')의 균일하거나 거의 균일한 간격(416')을 얻기 위한 것이다.
도 4o는 유닛 진폭을 가진 삼각 파형(440) 및 유닛 진폭을 가진 사인 곡선 파형(442)의 예시를 도시한 그래프이다. 도 4p는 일 구현 예에 따라, 삼각 파형(420) 및 도 4k-4m의 사인 곡선들을 조합하여 생성되는 파형(427)의 예시를 도시한 그래프이다. 본 발명의 발명자는 빔(408)을 조향하기 위해 사용되는 광학 컴포넌트들(예를 들어, 리즐리 프리즘들(402))의 개수와 삼각 파형(420)의 근사치 사이의 트레이드오프(tradeoff)를 인식했다. 예시적인 일 구현 예에서, 본 발명의 발명자들은 사인 곡선 파형(442)(예를 들어, 하나의 리즐리 프리즘으로 생성될 수 있는)이 삼각 파형(440)의 약 37%의 평균 제곱 오차(mean-squared error)를 보이는 반면, 세 개의 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)을 사용하여 생성되는 파형(427)은 삼각 파형의 3.4%에 불과한 평균 제곱 오차를 보임을 인식했다. 그러므로, 일 구현 예에서, 본 발명의 발명자는 삼각 파형(420)을 근사하기 위해 세 개의 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)을 사용하여 파형(427)을 생성한다.
5. 차량 제어 개요(Vehicle control overview)
일부 구현 예에서, 차량은 차량에 장착된 고해상도 도플러 LIDAR 시스템으로부터 수신된 데이터에 기초하여 적어도 부분적으로 제어된다.
도 5는, 일 구현 예에 따라, 차량(510)에 장착된 적어도 하나의 고해상도 도플러 LIDAR 시스템(520)을 포함하는 예시적인 시스템(501)을 도시하는 블록도이다. 일 구현 예에서, LIDAR 시스템(520)은 LIDAR 시스템들(200) 중 하나와 유사하다. 차량은 별(511)로 표시된 질량 중심을 가지며 화살표(513)에 의해 주어진 전방 방향으로 이동한다. 일부 구현 예에서, 차량(510)은 처리 시스템(250)의 차량 제어 모듈(272)과 같은 프로세서의 신호에 응답하여 동작되는 조향 또는 제동 시스템(미도시)과 같은 컴포넌트를 포함한다. 일부 구현 예에서, 차량은 도 8에 도시된 칩셋과 같은 온-보드(on-board) 프로세서(514)를 가진다. 일부 구현 예에서, 온-보드 프로세서(514)는 도 7에 도시된 바와 같이 원격 프로세서와 유선 또는 무선 통신한다. 일 구현 예에서, LIDAR 시스템의 처리 시스템(250)은 온-보드 프로세서(514)와 통신 가능하게 결합되거나, 차량 제어 모듈(272)이 처리 시스템(250)으로 하여금 차량의 방향 및 속도를 제어하기 위해 차량의 조향 또는 제동 시스템에 하나 이상의 신호를 송신하게 하도록 온-보드 프로세서(514)의 동작을 수행하는데 사용된다. 고해상도 도플러 LIDAR는 방위각 시야(524)뿐만 아니라 차량(510) 주변의 스폿들(spots)을 조명하는 수직 각도들을 통해서 일측으로부터 장래의(future) 빔(523)에 의해 표시되는 타측으로 스윕(sweep)하는 스캐닝 빔(522)을 사용한다. 일부 구현 예에서, 시야는 360도의 방위각이다. 일부 구현 예에서, 진동 스캔 요소(302)를 포함하는 스캐닝 광학 장치(218)가 방위각 시야(524) 또는 수직 각도들을 통해 빔을 스캔하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현 예에서, 경사각 시야는 대략 +10도 내지 대략 -10도이거나 또는 이의 부분 집합이다. 일 구현 예에서, 시야(524)에 걸친 최대 설계 거리(maximum design range)는 약 200 미터 또는 약 150 미터 내지 약 300 미터 범위이다.
일부 구현 예들에서, 차량은 GPS 센서, 주행 기록계(odometer), 회전 속도계(tachometer), 온도 센서, 진공 센서, 전압 또는 전류 센서와 같은 보조 센서(ancillary sensor, 미도시)들을 포함한다. 일부 구현 예들에서는, 회전 정보를 제공하기 위해 자이로스코프(gyroscope, 330)가 포함된다.
6. 코히런트 LIDAR 시스템에서 스캔 패턴을 최적화하기 위한 방법(Method for Optimization of Scan Pattern in Coherent LIDAR System)
도 6은 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 예시적인 방법(600)을 도시하는 순서도이다. 일 구현 예에서, 방법(600)은 선형 기울기를 갖는 요구되는 파형에 기초하여 제1 각도와 제2 각도 사이에서 제1 방향으로 빔의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 것이다. 일부 구현 예에서, 시스템(600)은 자율 주행 차량에 장착된 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 것이다. 단계들이 도 6에서 예시적인 목적으로 특정 순서에 따른 통합 단계들로서 도시되지만, 하나 이상의 단계 또는 그 일부는 상이한 순서로 수행되거나, 직렬 또는 병렬로 시간적으로 중첩되어 수행되거나, 생략되거나 할 수 있고, 또는 하나 이상의 추가 단계가 추가되거나, 방법이 몇몇 조합 방식으로 변경된다.
601 단계에서, 원하는 파형에 대한 복수의 푸리에 컴포넌트 파형들이 결정된다. 일 구현 예에서, 원하는(예를 들어, 특정한) 파형은 도 4e의 삼각 파형(420) 같은 선형 기울기를 갖는 파형이다. 일 구현 예에서, 일반적인 기술 중 하나에서 알 수 있듯이, 601 단계의 푸리에 컴포넌트 파형들은 삼각 파형(420)의 푸리에 시리즈 분해의 홀수 시리즈 고조파들이다. 다른 구현 예들에서는, 삼각 파형보다 다른 선형 기울기를 갖는 파형들이 사용된다. 일 구현 예에서, 단일 주기, 범위 [1, -1], 2T의 주기를 갖는 삼각 파형의 푸리에 시리즈는 아래의 수학식 7a에 의해 정의된다.
[수학식 7a]
Figure 112022035588939-pat00010
일 구현 예에서, 조향된 빔(408')을 생성하는 원하는 삼각 파형(420)에 대해, 이 푸리에 시리즈는 아래의 수학식 7b처럼 다시 기재될 수 있다.
[수학식 7b]
Figure 112022035588939-pat00011
이때, B는 콘 형상의 표면(424)에 의해 정의되는 콘 각도 또는 x-z 평면(예를 들어, 축(414, 417)에 의해 정의되는 평면)에서의 각도(406)의 두 배이고, f는 축(417)에 대한 리즐리 프리즘(402)과 조향된 빔(408')의 회전 주파수(헤르츠 단위, Hz)이고, Ajx는 j번째 리즐리 프리즘의 회전에 기초하여 x축(414)에 따른 조향 각도(406)의 투영이되, j는 제1 리즐리 프리즘(402a)에 대해서는 A, 제2 리즐리 프리즘(402b)에 대해서는 B, 제3 리즐리 프리즘(402c)에 대해서는 C이고, 인덱스 i는 수학식 7b의 첫 항이나 AAx에 대해서는 1, 수학식 7b의 두번째 항이나 ABx에 대해서는 3, 수학식 7b의 세번째 항이나 ACx에 대해서는 5이다. 일 구현 예에서, 수학식 7b 내 사인 곡선의 진폭 Aj는 아래의 수학식 7c와 같다.
[수학식 7c]
Figure 112022035588939-pat00012
또한 Aj는 장치 내 각 리즐리 프리즘에 대해 산출된다. 일 구현 예에서, 장치에 3개의 리즐리 프리즘이 사용되는 경우, AA는 제1 리즐리 프리즘(402a)에 기초한 스위프된 빔(swept beam, 408')의 각도(406a)이며 j=A, i=1일 때 수학식 7b 또는 수학식 7c의 첫 항의 사인 곡선의 진폭이다. 마찬가지로, AB는 제2 리즐리 프리즘(402b)에 기초한 스위프된 빔(408')의 각도(406b)이며 j=B, i=3일 때 수학식 7b 또는 수학식 7c의 두번째 항의 사인 곡선의 진폭이다. 마찬가지로, AC는 제3 리즐리 프리즘(402c)에 기초한 스위프된 빔(408')의 각도(406c)이며 j=C, i=5일 때 수학식 7b 또는 수학식 7c의 세번째 항의 사인 곡선의 진폭이다.
추가적으로, 일 구현 예에서, 수학식 7b 내 사인 곡선의 주파수(if)는 각 리즐리 프리즘에 대한 각 주파수 w를 산출하기 위해 이용된다. 일 구현 예에서, 각 리즐리 프리즘의 각 주파수 w는 다음의 수학식 7d와 같다.
[수학식 7d]
Figure 112022035588939-pat00013
이때, i는 제1 리즐리 프리즘(402a)에 대해서 1, 제2 리즐리 프리즘(402b)에 대해서 3, 제3 리즐리 프리즘(402c)에 대해서 5이다.
일 구현 예에서, 수학식 7b의 첫 항(예를 들어, j=A, i=1)은 사인 곡선 커브(415a) 또는 제1 리즐리 프리즘(402a)의 회전에 기초한 축(414)에 따른 조향 각도(406a)의 투영을 나타낸다. 이 구현 예에서, 사인 곡선 커브(415a)의 진폭은 첫 항에 대한 수학식 7b의 사인 곡선의 상기 진폭에 기초한다(예를 들어, j=A, i=1일 때의 수학식 7c). 또한, 이 구현 예에서, 사인 곡선 커브(415a)의 각 주파수는 2πf의 상기 각 주파수에 기초한다(예를 들어, i=1일 때의 수학식 7d). 일 구현 예에서, 수학식 7b의 두번째 항(예를 들어, j=B, i=3)은 사인 곡선 커브(415b) 또는 제2 리즐리 프리즘(402b)의 회전에 기초한 축(414)에 따른 조향 각도(406b)의 투영을 나타낸다. 이 구현 예에서, 사인 곡선 커브(415b)의 진폭은 두번째 항에 대한 수학식 7b의 사인 곡선의 상기 진폭에 기초한다(예를 들어, j=B, i=3일 때의 수학식 7c). 또한, 이 구현 예에서, 사인 곡선 커브(415b)의 각 주파수는 6πf의 상기 각 주파수에 기초한다(예를 들어, i=3일 때의 수학식 7d). 일 구현 예에서, 수학식 7b의 세번째 항(예를 들어, j=C, i=5)은 사인 곡선 커브(415c) 또는 제3 리즐리 렌즈(402c)의 회전에 기초한 축(414)에 따른 조향 각도(406c)의 투영을 나타낸다. 이 구현 예에서, 사인 곡선 커브(415c)의 진폭은 세번째 항에 대한 수학식 7b의 사인 곡선의 상기 진폭에 기초한다(예를 들어, j=C, i=5일 때의 수학식 7c). 또한, 이 구현 예에서, 사인 곡선 커브(415c)의 각 주파수는 10πf의 상기 각 주파수에 기초한다(예를 들어, i=5일 때의 수학식 7d). 일 구현 예에서, 오로지 광학 컴포넌트들의 개수와 대응되는 수학식 7b의 푸리에 컴포넌트 파형들만이 601 단계에서 사용된다(예를 들어, 첫 3개의 푸리에 컴포넌트 파형들은 3개의 리즐리 프리즘(402a, 402b, 402c)에 대해 사용된다). 전술한 대로, 601 단계에서는 3개보다 많거나 적은 광학 컴포넌트들이 사용될 수도 있다.
603 단계에서, 광학 컴포넌트들의 파라미터 값은 601 단계에서의 푸리에 컴포넌트 파형들의 제1 파라미터의 값에 기초하여 결정된다. 일 구현 예에서, 리즐리 프리즘들(402)의 파라미터는 하나 이상의 프리즘 각도 또는 컷 각도(407), 굴절 인덱스 n, 지름(405), 두께(432) 및/또는 조향 각도(406)이다. 다른 구현 예에서, 601 단계에서의 푸리에 컴포넌트 파형의 제1 파라미터는 진폭 Aj(예를 들어, 수학식 7c를 사용) 및/또는 주파수 또는 각 주파수 w(예를 들어, 수학식 7d를 사용)이다.
일 구현 예에서, 603 단계에서 조향 각도(406)는 각 리즐리 프리즘(402)에 대해 산출된다. 예시적인 일 구현 예에서, 조향된 빔(408')이 약 10도의 콘 각도 B와 약 30Hz의 주파수 f를 갖도록 하는 원하는 삼각 파형(420)의 경우, 각기 AA, AB, AC로 표현되는 각 리즐리 프리즘(402a, 402b, 402c)에 대한 조향 각도들(406a, 406b, 406c)을 산출하기 위해 이 문서에서 수학식 7b 내지 7d가 사용된다. 일 구현 예에서, 리즐리 프리즘이 빔(408')을 조향하기 위해서만 사용된다면 각 리즐리 프리즘의 조향 각도는 빔(408')의 조향 각도를 나타낸다. 일 구현 예에서, 모든 리즐리 프리즘들에 의해 조향된 빔(408')(예를 들어, 콘 각도 B 또는 5도)의 원하는 조향 각도가 A일 때, 이러한 세 각도는 대략 0.8106A, 0.0901A, 그리고 0.0324A로 산출된다. 이 예시적인 구현 예에서, 3개의 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)의 세 조향 각도들은 각각 약 4.05도, 0.451도, 0.162도로 산출된다.
다른 구현 예에 따르면, 603 단계에서 각 리즐리 프리즘(402)에 대한 컷 각도(407)는 산출된 조향 각도(406a, 406b, 406c) 및/또는 수학식 7c의 진폭 및/또는 수학식 7d의 각 주파수에 기초하여 산출된다. 상기 예시적인 구현 예에서, 3개의 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)에 대한 조향 각도들(406a, 406b, 406c)이 약 4.05, 0.451, 0.162도로 산출되는 경우, 3개의 프리즘들의 컷 각도(407)는 각각 약 11.75, 1.318, 0.473도로 산출된다. 일 구현 예에서, 조향 각도(406)에 기초하여 컷 각도(407)를 산출하기 위한 하나 이상의 방정식이 부록 A에 수록된다.
추가적으로, 일 구현 예에 따르면, 603 단계에서 지름(405)은 입사 빔(408)의 하나 이상의 파라미터에 기초하여 결정된다. 예시적인 일 구현 예에서, 지름(405)은 입사 빔(408)의 지름 이상 및/또는 입사 빔(408)의 지름의 약 150%이다(예를 들어, 펀더멘털 트랜스버스 모드 가우시안 빔(fundamental transverse mode Gaussian beam) 또는 00 TEM). 예시적인 일 구현 예에서, 입사 빔(408)의 지름이 약 8밀리미터(mm)이거나 약 6mm에서 약 10mm의 범위 내인 경우, 지름(405)은 약 12밀리미터이거나 약 9mm에서 약 15mm의 범위 내에 있다. 일부 구현 예들에서, 굴절 인덱스는 표준 크라운 유리에 대한 것이다(예를 들어, n=1.52). 추가적으로, 603 단계에서, 예시적인 일 구현 예에 따르면, 두께(432)는 아래의 수학식 7e에 기초하여 산출된다.
[수학식 7e]
Figure 112022035588939-pat00014
이때, T는 두께(432), d는 지름(405),
Figure 112022035588939-pat00015
는 컷 각도(407)이다. 일 구현 예에서, 수학식 7e를 사용하면, 3개의 각 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)에 대한 두께(432)는 각각 약 3mm, 0.4mm, 그리고 0.15mm로 산출된다. 예시적인 일 구현 예에서, 제조 가능성 및 내구성을 촉진하기 위해 리즐리 프리즘들(402b, 402c)에 대한 후자의 두께는 최소 두께로 증가될 수 있다. 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)의 산출된 파라미터로 볼 때, 어셈블리는 매우 컴팩트하게 만들어질 수 있다.
605 단계에서, 각 주파수의 값 및/또는 광학 컴포넌트들의 상대적 위상은 601 단계에서의 푸리에 컴포넌트 파형들의 제2 파라미터 값에 기초하여 결정된다. 다른 구현 예에서, 푸리에 컴포넌트 파형의 제2 파라미터는 각 주파수 w 및/또는 t>0 일 때의 파형의 부호이다. 추가적으로, 이 예시적인 구현 예에서, f=30Hz이고 수학식 7d를 사용하면, 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)에 대한 각 주파수들은 각각 약 1800rpm, 5400rpm, 그리고 9000rpm으로 산출된다. 일 구현 예에 따르면, 수학식 7b의 (-1) 파라미터는 각 푸리에 컴포넌트 파형의 부호에 영향을 미치고 이에 따라 각 푸리에 컴포넌트 파형의 상대적 위상에도 영향을 미친다(예를 들어, 반대 부호는 위상 이탈을 나타낸다). 일 구현 예에서, 제1 리즐리 프리즘(402a)의 각 주파수는 i=1 일 때의 수학식 7b 또는 수학식 7d의 제1 푸리에 컴포넌트 파형의 각 주파수 wa에 기초하여 선택된다. 일 구현 예에서, 제2 리즐리 프리즘(402b)의 각 주파수는 i=3 일 때의 수학식 7b 또는 수학식 7d의 제2 푸리에 컴포넌트 파형의 각 주파수 3wa(i=3)에 기초하여 선택된다. 일 구현 예에서, 제3 리즐리 프리즘(402c)의 각 주파수는 i=5 일 때의 수학식 7b 또는 수학식 7d의 제3 푸리에 컴포넌트 파형의 각 주파수 5wa(i=5)에 기초하여 선택된다. 따라서, 일 구현 예에서, 제3 리즐리 프리즘(402c)의 각 주파수는 제1 리즐리 프리즘(402a)의 각 주파수의 약 5배이고, 제2 리즐리 프리즘(402b)의 각 주파수는 제1 리즐리 프리즘(402a)의 각 주파수의 약 3배이다. 일 구현 예에 따르면, 605 단계에서 광학 컴포넌트들의 상대적 위상은, 도 4n 내 커브들(415a, 415b, 415c)에 묘사된 것처럼, 수학식 7b의 첫 3개의 푸리에 컴포넌트 파형들 사이의 상대적 위상에 기초하여 결정된다.
607 단계에서, 601 단계와 603 단계에서 파라미터가 결정된 광학 컴포넌트들이 획득되어 광축을 따라 순차적으로 배치된다. 일 구현 예에서, 3개의 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)은 광축(417)을 따라 순차적으로 배열된다. 일 구현 예에서, 3개의 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)은 광축(417)을 따라 순차적으로 배열되어 인접한 리즐리 프리즘들의 각진 면(409)이 서로 임계 거리(예를 들어, 약 1 센티미터, cm) 이내에 있도록 한다. 일 구현 예에서, 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)은 각 프리즘(402a, 402b, 402c)의 (각지지 않은 면(411)에 의해 정의되는)세로 축이 축(417)과 직교하도록 순차적으로 배열된다. 일 구현 예에서, 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)은 각지지 않은 면(411)이 입사 빔(408)이 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)을 향해 전송되는 시작 방향을 지향하도록 배열된다.
609 단계에서, 신호가 각 주파수 및 각 광학 컴포넌트의 상대적 위상을 나타내는 데이터를 포함할 경우, 해당 신호는 605 단계에서 결정된 각 주파수 및 각 광학 컴포넌트의 상대적 위상에 기초하여 모터(306)로 전송된다. 일 구현 예에 따르면, 609 단계에서, 신호는 제1 리즐리 프리즘(402a)에 대한 각 주파수 wa, 제2 리즐리 프리즘(402b)에 대한 각 주파수 3wa 및 제3 리즐리 프리즘(402c)에 대한 각 주파수 5wa를 나타내는 데이터를 포함한다. 추가적으로, 일 구현 예에 따르면, 609 단계에서 신호는 수학식 7b의 3개의 푸리에 컴포넌트 파형들 사이의 상대적 위상에 기초하여 3개의 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c) 사이의 상대적 위상을 나타내는 데이터를 포함한다. 예시적인 일 구현 예에서, 신호 데이터는 도 4n에 도시된 바와 같이, 3개의 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)이 특정 시간의 위상에 해당하는 3개의 파형(415a, 415b, 415c)과 일치하는 특정 시간의 위상에 해당함을 나타낸다(예를 들어, 그들은 공통된 피크 또는 공통된 밸리를 갖는다).
611 단계에서, 모터(306)는 609 단계에서 모터(306)에 의해 수신된 신호에 기초하여 복수의 광학 컴포넌트들을 회전시킨다. 일 구현 예에 따르면, 611 단계에서, 모터(306)는 609 단계에서 신호 내에 수신된 각 주파수 및 상대적 위상에 기초하여 3개의 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)을 회전시킨다.
613 단계에서, 빔(408)은 광축(417)을 따라 광원(예를 들어, 소스(212))에 의해 전송되고, 복수의 광학 컴포넌트들에 입사한다. 예시적인 일 구현 예에 따르면, 613 단계에서, 빔(408)은 광원(212)에 의해 전송되어 611 단계에 기초하여 회전하고 있는 복수의 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)에 축(417)을 따라 입사한다.
615 단계에서, 빔(408)은 원하는 파형에 따라 제1 및 제2 각도 사이의 제1 평면 상에서 조향되거나 스캔된다. 일 구현 예에서, 빔(408)은 삼각 파형(420)에 근접한 파형(427)에 따라 제1 및 제2 각도 사이의 제1 평면(예를 들어, 축(414, 417)에 의해 정의되는 평면) 상에서 복수의 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)에 의해 조향된 빔(408'')으로 조향된다. 추가적인 구현 예에 따르면, 615 단계에서 복수의 리즐리 프리즘들(402a, 402b, 402c)은 제1 평면 상에서 제1 및 제2 각도 사이로(예를 들어, 도 2b의 축(222)을 따라 각도 -A에서 +A 사이) 빔(408'')을 반복적으로 스캔한다. 다른 구현 예에 따르면, 615 단계에서 단방향 스캔 요소(304)(예를 들어, 폴리곤 스캐너).
도 6b는 일 구현 예에 따라, LIDAR 시스템에서 굴절 빔 조향을 위한 예시적인 방법(600)을 도시하는 흐름도이다. 비록 도 6b에서 단계들이 도해의 목적에 따라 특정한 순서를 갖는 전체적인 단계로 도시되어 있으나, 다른 구현 예에 따르면, 하나 이상의 단계들, 또는 그 일부가 다른 순서로 수행되거나, 시간 상으로 직렬 또는 병렬로 중복되거나, 생략되거나, 하나 이상의 추가 단계가 부가되거나, 방법이 일부 방식들의 조합으로 변경된다. 일부 구현 예에서, 방법(400b)의 일부 또는 전체 동작이 임의의 시스템(예를 들어, 도 2의 LIDAR 시스템(200)) 및/또는 이 문서에 기술된 하나 이상의 컴포넌트(예를 들어, 도 2의 처리 시스템(250), 도 4a의 리즐리 프리즘(402))에 의해 수행될 수 있다.
방법(600b)은 광축을 따라 전송된 빔을 수신하는 동작(602b)을 포함한다. 방법(600b)은 원하는 파형의 하나 이상의 컴포넌트에 기초하여 제1 스캔 패턴 및 제2 스캔 패턴을 생성하는 동작(604b)을 포함한다. 방법(600b)은 제1 스캔 패턴에 기초하여 빔을 제1 평면에 복수의 스캔 라인들로 투영하는 동작(606b)을 포함한다. 방법(600b)은 제1 평면에 투영된 복수의 스캔 라인들을 수신하는 동작(608b)을 포함한다. 방법(600b)은 제2 스캔 패턴에 기초하여 복수의 스캔 라인들을 제2 평면에 복수의 제2 스캔 라인들로 투영하는 동작(610b)을 포함한다. 일부 구현 예들에서, 제1 평면은 제2 평면과 직교한다.
7. 컴퓨터 하드웨어 개요(Computational Hardware Overview)
도 7은 본 발명의 구현 예가 수행될 수 있는 컴퓨터 시스템(700)을 도시한 블록도이다. 컴퓨터 시스템(700)은 컴퓨터 시스템(700)의 다른 내부 및 외부 컴포넌트들 사이에 정보를 전달하기 위한 버스(710)와 같은 통신 메커니즘을 포함한다. 정보는 전형적으로는 전압인 측정 가능한 현상의 물리적 신호들로 표현되지만, 다른 구현 예에서는 자기 상호 작용, 전자기 상호 작용, 압력 상호 작용, 화학 상호 작용, 분자 원자 상호 작용 및 양자 상호 작용과 같은 현상을 포함한다. 예를 들어, N극 및 S극 자기장, 또는 0인 전압 및 0이 아닌 전압은, 2 진수(비트)의 두 가지 상태(0, 1)를 나타낸다. 다른 현상은 더 높은 베이스의 숫자를 나타낼 수 있다. 측정 전에 여러 개의 동시 양자 상태의 중첩은 양자 비트(큐비트)를 나타낸다. 하나 이상의 숫자들 시퀀스는 숫자 또는 문자에 대한 코드를 나타내는데 사용되는 디지털 데이터를 구성한다. 일부 구현 예에서, 아날로그 데이터라 불리는 정보는 특정 범위 내의 측정 가능한 값의 근접 연속체(near continuum)로 표시된다. 컴퓨터 시스템(700) 또는 그 일부는, 본 명세서에 설명된 하나 이상의 방법 중 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 수단을 구성한다.
이진수 시퀀스는 숫자 또는 문자에 대한 코드를 나타내는데 사용되는 디지털 데이터를 구성한다. 버스(710)는 정보가 버스(710)에 연결된 장치들 사이에 빠르게 송신될 수 있도록 많은 병렬 정보 컨덕터(parallel conductors of information)를 포함할 수 있다. 정보를 처리하기 위한 하나 이상의 프로세서(702)가 버스(710)와 결합된다. 프로세서(702)는 정보에 대한 일련의 동작을 수행한다. 일련의 동작은 정보를 버스(710)로부터 가져오는 것과 정보를 버스(710) 상에 배치하는 것을 포함한다. 또한, 일련의 동작은 통상적으로 2개 이상의 정보 단위의 비교, 정보 단위의 위치 시프트, 덧셈 또는 곱셈과 같은 2개 이상의 정보 단위의 결합을 포함한다. 프로세서(702)에 의해 실행되는 동작 시퀀스는 컴퓨터 명령어를 구성한다.
또한, 컴퓨터 시스템(700)은 버스(710)에 결합된 메모리(704)를 포함한다. 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM)) 또는 다른 동적 저장 장치와 같은 메모리(704)는 컴퓨터 명령어를 포함하는 정보를 저장한다. 동적 메모리는 그 안에 저장된 정보가 컴퓨터 시스템(700)에 의해 변경되도록 한다. RAM은 메모리 어드레스로 불리는 위치에 저장된 정보 단위가 이웃하는 어드레스의 정보와 독립적으로 저장되고 검색되도록 한다. 또한, 메모리(704)는 컴퓨터 명령어의 실행 동안 임시 값을 저장하기 위하여 프로세서(702)에 의해 사용된다. 또한, 컴퓨터 시스템(700)은 리드 온리 메모리(read only memory, ROM)(706) 또는 컴퓨터 시스템(700)에 의해 변경되지 않는 명령어를 포함하는 정적 정보를 저장하기 위해 버스(710)에 결합된 다른 정적 저장 장치를 포함한다. 또한, 컴퓨터 시스템(700)이 꺼지거나 아니면 전원이 손실될 때에도 지속되는 명령어를 포함하는 정보를 저장하기 위한, 자기 디스크 또는 광 디스크와 같은 비휘발성(영구) 저장 장치(708)가 버스(710)에 결합될 수 있다.
명령어를 포함하는 정보는, 인간 사용자에 의해 조작되는 문자-숫자 키를 포함하는 키보드와 같은 외부 입력 장치(712) 또는 센서로부터 프로세서에 의한 사용을 위해 버스(710)에 제공된다. 센서는 그 부근의 상태를 검출하고 이러한 검출들을 컴퓨터 시스템(700)에서 정보를 나타내는데 사용되는 신호들과 호환 가능한 신호들로 변환한다. 주로 인간과 상호 작용하기 위해 사용되는 버스(710)에 결합된 다른 외부 장치는, 이미지를 제공하기 위한 CRT(Cathode Ray Tube) 또는 액정 디스플레이(LCD)와 같은 디스플레이 장치(714)를 포함하고, 디스플레이(714)에 제공되는 작은 커서 이미지의 위치를 제어하고 디스플레이(714) 상에 제공되는 그래픽 요소에 연관된 명령을 발행하기 위한, 마우스 또는 트랙볼 또는 커서 방향 키와 같은, 포인팅 장치(716)를 포함한다.
도시된 구현 예에서, 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit, ASIC)(720)와 같은 특수 목적 하드웨어가 버스(710)에 결합된다. 특수 목적 하드웨어는 특별한 목적을 위해 프로세서(702)에 의해 신속하게 수행되지 않는 동작을 충분히 빠르게 수행하도록 구성된다. ASIC의 예는, 디스플레이(714)를 위한 이미지를 생성하기 위한 그래픽 가속기 카드, 네트워크를 통해 전송된 메시지를 암호화 및 복호화하기 위한 암호화 보드(cryptographic board), 음성 인식 및 하드웨어 내에서 보다 효율적으로 구현된 일부 복잡한 일련의 동작을 반복적으로 수행하는 로봇 암(robotic arm) 및 의료 스캐닝 장비와 같은 특별한 외부 장치들과의 인터페이스를 포함한다.
또한, 컴퓨터 시스템(700)은 버스(710)에 결합된 통신 인터페이스(770)의 하나 이상의 예를 포함한다. 통신 인터페이스(770)는 프린터, 스캐너 및 외부 디스크와 같은 자신의 프로세서로 동작하는 다양한 외부 장치에 대한 양방향 통신 커플링을 제공한다. 일반적으로, 커플링은 자신의 프로세서를 갖는 다양한 외부 장치가 접속되는 로컬 네트워크(780)에 접속되는 네트워크 링크(778)를 통해 이루어진다. 예를 들어, 통신 인터페이스(770)는 개인용 컴퓨터상의 병렬 포트 또는 직렬 포트 또는 USB(universal serial bus) 포트일 수 있다. 일부 구현 예에서, 통신 인터페이스(770)는 ISDN(Integrated Services Digital Network) 카드 또는 DSL(digital subscriber line) 카드 또는 대응하는 유형의 전화선으로의 정보 통신 연결을 제공하는 전화 모뎀이다. 일부 구현 예에서, 통신 인터페이스(770)는 버스(710) 상의 신호들을 동축 케이블을 통한 통신 연결을 위한 신호들 또는 광섬유 케이블을 통한 통신 연결을 위한 광 신호들로 변환하는 케이블 모뎀이다. 다른 예로서, 통신 인터페이스(770)는 이더넷(Ethernet)과 같은 호환 가능한 근거리 통신망(Local Area Network, LAN)으로의 데이터 통신 연결을 제공하는 LAN 카드일 수 있다. 또한, 무선 링크들이 구현될 수 있다. 전파(radio wave), 광파(optical wave) 및 적외선 파(infrared wave)를 포함하는, 음파 및 전자기파와 같은 반송파는 와이어 또는 케이블 없이 공간을 통과한다. 신호들은 진폭, 주파수, 위상, 편광 또는 반송파의 다른 물리적 특성들의 인공적인 변화를 포함한다. 무선 링크에 대하여, 통신 인터페이스(770)는 디지털 데이터와 같은 정보 스트림을 운반하는 적외선 및 광 신호들 포함하는, 전기, 음향 또는 전자기 신호들을 송수신한다.
본 명세서에서 컴퓨터 판독 가능한 매체라는 용어는 실행을 위한 명령어를 포함하는 정보를 프로세서(702)에 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭하는데 사용된다. 이러한 매체는 비휘발성 매체, 휘발성 매체 및 전송 매체를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 형태를 취할 수 있다. 비휘발성 매체는, 예를 들어 저장 장치(708)와 같은, 광 또는 자기 디스크를 포함한다. 휘발성 매체는 예를 들어 동적 메모리(704)를 포함한다. 전송 매체는 예를 들어 동축 케이블, 구리선, 광섬유 케이블 및 전파, 광파 및 적외선 파를 포함하는, 음파 및 전자기파와 같은, 유선 또는 케이블 없이 공간을 통과하는 파를 포함한다. 본 명세서에서 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체라는 용어는 전송 매체를 제외하고, 프로세서(702)에 정보를 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭하기 위해 사용된다.
컴퓨터 판독 가능한 매체의 일반적인 형태는, 예를 들어, 플로피 디스크, 플렉시블(flexible) 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프 또는 임의의 다른 자기 매체, 콤팩트 디스크 ROM(CD-ROM), 디지털 비디오 디스크(DVD) 또는 다른 광 매체, 펀치 카드, 종이 테이프 또는 홀 패턴을 갖는 임의의 다른 물리적 매체, RAM, PROM(programmable PROM), EPROM(erasable EPROM), FLASH-EPROM 또는 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 반송파, 또는 컴퓨터 판독할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다. 본 명세서에서 컴퓨터 판독 가능한 비일시적인(non-transitory) 저장 매체라는 용어는 프로세서(702)에 정보를 제공하는데 참여하는 매체로서, 반송파 및 다른 신호들을 제외한 임의의 매체를 지칭하기 위해 사용된다.
하나 이상의 유형의 매체(tangible media) 내에 인코딩된 로직은 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체 상의 프로세서 명령어 및 ASIC(720)과 같은 특수 목적 하드웨어 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다.
네트워크 링크(778)는 통상적으로 정보를 사용하거나 처리하는 다른 장치로의 하나 이상의 네트워크를 통한 정보 통신을 제공한다. 예를 들어, 네트워크 링크(778)는 로컬 네트워크(780)를 통해 호스트 컴퓨터(782) 또는 인터넷 서비스 제공자(ISP)에 의해 운영되는 장비(784)에 접속을 제공할 수 있다. ISP 장비(784)는 현재 일반적으로 인터넷(790)으로 지칭되는 네트워크의 공개적이고 전세계적인 패킷 교환 통신 네트워크를 통해 데이터 통신 서비스를 제공한다. 인터넷에 접속된 서버(1192)로 불리는 컴퓨터는 인터넷을 통해 수신된 정보에 응답하여 서비스를 제공한다. 예를 들어, 서버(792)는 디스플레이(714)에서 프리젠테이션하기 위한 비디오 데이터를 나타내는 정보를 제공한다.
컴퓨터 시스템(700)은 본 명세서에 설명된 다양한 기술을 구현하는 데 사용될 수 있다. 메모리(704)에 포함된 하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를 실행하는 프로세서(702)에 응답하여 컴퓨터 시스템(700)에 의해 여러 기술을 수행할 수 있다. 소프트웨어 및 프로그램 코드라고도 불리는 이러한 명령어는 저장 장치(708)와 같은 다른 컴퓨터 판독 가능한 매체로부터 메모리(704)로 읽혀질 수 있다. 메모리(704)에 포함된 명령어 시퀀스의 실행은 프로세서(702)로 하여금 본 명세서에 설명된 방법의 단계들을 수행하게 한다. 대안적인 구현 예에서, ASIC(720)와 같은 하드웨어가 여기에 설명된 다양한 동작들을 구현하기 위해 소프트웨어 대신에 또는 소프트웨어와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 다양한 구현 예들은 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 특정 조합으로 제한되지 않는다.
네트워크 링크(778) 및 통신 인터페이스(770)를 통한 다른 네트워크를 통해 송신된 신호들은 컴퓨터 시스템(700)으로 그리고 그로부터 정보를 운반한다. 컴퓨터 시스템(700)은, 다른 것들 중에서도, 네트워크(780, 790)를 통해, 네트워크 링크(778) 및 통신 인터페이스(770)를 통해, 프로그램 코드를 포함하는 정보를 송수신할 수 있다. 인터넷(790)을 이용한 일 예에서, 서버(792)는, 인터넷(790), ISP 장비(784), 로컬 네트워크(780) 및 통신 인터페이스(770)를 통해, 컴퓨터(1100)로부터 전송된 메시지에 의해 요청된, 특정 애플리케이션을 위한 프로그램 코드를 송신한다. 수신된 코드는 수신될 때 프로세서(702)에 의해 실행되거나, 나중에 실행하기 위해 저장 장치(708) 또는 다른 비휘발성 저장 장치에 저장되거나, 이들 모두일 수 있다. 이러한 방식으로, 컴퓨터 시스템(700)은 반송파 상의 신호의 형태로 애플리케이션 프로그램 코드를 얻을 수 있다.
다양한 형태의 컴퓨터 판독 가능한 매체는 실행을 위한 명령어 또는 데이터, 또는 이 모두의 하나 이상의 시퀀스를 프로세서(702)에 운반하는데 관련될 수 있다. 예를 들어, 명령어 및 데이터는 초기에 호스트(782)와 같은 원격 컴퓨터의 자기 디스크 상에 운반될 수 있다. 원격 컴퓨터는 명령어 및 데이터를 그의 동적 메모리에 로딩하고 모뎀을 사용하여 전화선을 통해 명령어 및 데이터를 전송한다. 컴퓨터 시스템(700)에 국지적인 모뎀은 전화선 상에서 명령어 및 데이터를 수신하고 적외선 송신기를 사용하여 명령어 및 데이터를 네트워크 링크(778)의 역할을 하는 적외선 반송파 상의 신호로 변환한다. 통신 인터페이스(770)의 역할을 하는 적외선 검출기는 적외선 신호 내에 운반된 명령어 및 데이터를 수신하고, 명령어 및 데이터를 나타내는 정보를 버스(710) 상에 위치시킨다. 버스(710)는 정보를 메모리(704)로 옮기고, 프로세서(702)는 명령어와 함께 전송된 데이터의 일부를 이용하여 메모리(704)로부터 명령어를 검색하고 실행한다. 메모리(704)에서 수신된 명령어 및 데이터는 프로세서(702)에 의한 실행 전 또는 후에 저장 장치(708)에 선택적으로 저장될 수 있다.
도 8은 본 발명의 구현 예를 구현할 수 있는 칩 셋(800)을 도시한다. 칩 셋(800)은 본 명세서에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하도록 프로그래밍되며, 예를 들어, 하나 이상의 물리적 패키지(예를 들어, 칩들)에 포함된 도 7과 관련하여 설명된 프로세서 및 메모리 컴포넌트들을 포함한다. 예로서, 물리적 패키지는, 물리적 강도, 크기 보존 및/또는 전기적 상호 작용의 제한과 같은 하나 이상의 특성을 제공하기 위해 구조적 어셈블리(예를 들어, 베이스 보드) 상의 하나 이상의 재료, 컴포넌트 및/또는 와이어의 배열을 포함한다. 소정의 구현 예에서 칩셋은 단일 칩으로 구현될 수 있다는 것이 고려된다. 칩 셋(800) 또는 그 일부는, 본 명세서에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 수단을 구성한다.
하나의 구현 예에서, 칩 셋(800)은 칩 셋(800)의 컴포넌트들 사이에서 정보를 전달하기 위한 버스(801)와 같은 통신 메커니즘을 포함한다. 프로세서(803)는 명령어를 실행하고, 예를 들어, 메모리(805)에 저장된 정보를 처리하기 위해 버스(801)에 연결된다. 프로세서(803)는 각각의 코어가 독립적으로 수행하도록 구성된 하나 이상의 프로세싱 코어를 포함할 수 있다. 멀티 코어 프로세서는 단일 물리적 패키지 내에서 다중 처리를 가능하게 한다. 멀티 코어 프로세서의 예는 2개, 4개, 8개 또는 그 이상의 프로세싱 코어를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 프로세서(803)는 명령어, 파이프라이닝(pipelining) 및 멀티스레딩(multithreading)의 독립적인 실행을 가능하게 하기 위해 버스(801)를 통해 직렬로 구성된 하나 이상의 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다. 또한, 프로세서(803)는 하나 이상의 디지털 신호 프로세서(digital signal processor, DSP) 또는 하나 이상의 ASIC(809)와 같은 소정의 처리 기능 및 작업을 수행하기 위한 하나 이상의 특수 컴포넌트를 수반할 수 있다. DSP(807)는 통상적으로 프로세서(803)와 독립적으로 실세계 신호들(예를 들어, 사운드)을 실시간으로 처리하도록 구성된다. 유사하게, ASIC(809)은 범용 프로세서에 의해 쉽게 수행되지 않는 특수 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에 설명된 발명적 기능을 수행하는데 도움이 되는 다른 특수 컴포넌트들은 하나 이상의 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA)(미도시), 하나 이상의 컨트롤러(미도시) 또는 하나 이상의 다른 특수 목적 컴퓨터 칩을 포함한다.
프로세서(803) 및 수반하는 컴포넌트들은 버스(801)를 통해 메모리(805)에 연결된다. 메모리(805)는 실행될 때 본 명세서에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하도록 실행 가능한 명령어를 저장하기 위한 동적 메모리(예를 들어, RAM, 자기 디스크, 기록 가능한 광디스크 등) 및 정적 메모리(예를 들어, ROM, CD-ROM 등) 모두를 포함한다. 또한, 메모리(805)는 본 명세서에 설명된 방법 중 하나 이상의 단계의 실행과 연관되거나 그에 의해 생성된 데이터를 저장한다.
8. 변경, 확장 및 수정(Alterations, Extensions and Modifications)
상기 명세서에서, 본 발명은 발명의 구체적인 구현 예들과 관련하여 기술되었다. 그러나, 본 발명의 보다 넓은 정신 및 범위에서 벗어나지 않고도 다양한 변경 및 변화가 이루어질 수 있음은 자명하다. 따라서, 본 명세서 및 도면은 제한적인 의미보다는 예시적인 의미로 간주되어야 한다. 이 명세서 및 청구범위 전반에서, 문맥이 달리 요하지 않는 한, "포함"이라는 단어와 그 변형은 명시된 항목, 요소, 단계, 항목들의 그룹, 요소들의 그룹 또는 단계들의 그룹을 포함하되, 다른 항목, 요소, 단계, 항목들의 그룹, 요소들의 그룹, 또는 단계들의 그룹을 제외하는 것은 아니라는 의미로 이해될 것이다. 추가로, 부정 관사 "하나"나 "한"은 문서의 수정된 항목, 요소 또는 단계 중 하나 이상을 나타내기 위한 것이다.
넓은 범위를 제시하는 수치 범위와 파라미터들이 근사치임에도 불구하고, 특정한 한정되지 않은 사례에서 제시된 수치 값들은 가능한 한 정확하게 기록된다. 그러나 모든 수치 값은 본질적으로 본 문서의 작성 시 각 테스트 측정에서 발견되는 표준 편차로 인해 필연적으로 발생하는 특정 오류를 포함한다. 더욱이, 문맥에서 달리 명시하지 않은 한, 여기에 표시된 수치 값은 최하위 숫자(least significant digit)에 의해 암시되는 정밀도를 지닌다. 그러므로 값 1.1은 1.05에서 1.15 사이의 값을 의미한다. "대략", "약"이라는 용어는 주어진 값을 중심으로 보다 넓은 범위를 나타내기 위해 사용되며, 문맥에서 달리 명시하지 않은 한, "약 1.1"이 1.0에서 1.2의 범위를 암시하듯이 최하위 숫자 주변의 보다 넓은 범위를 암시한다. 만일 최하위 숫자가 불분명하다면, "대략", "약"이라는 용어는 두 배를 암시하는 바, 예를 들어 "대략 X"는 0.5X에서 2X의 범위 내 값을 암시하고, 대략 100이라 함은 50에서 200의 범위 내 값을 암시한다. 게다가, 여기에 공개된 모든 범위는 해당 범위에 포함된 모든 하위 범위를 아우르는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 양수 전용 파라미터에 대한 "10 미만"이라는 범위는 최소 값 0과 최대 값 10 사이의 모든 하위 범위를 포함할 수 있는 바, 즉 최소값이 0 이상이고 최대 값이 10 이하인 모든 하위 범위(예를 들어, 1에서 4)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 구현 예들은 아래에 고해상도 LIDAR 시스템의 맥락에서 기술된다. 본 발명의 일 구현 예는 LIDAR 시스템의 진동 스캔 요소에 의한 빔 스캐닝의 최적화에 대한 맥락에서 기술된다. 본 발명의 다른 구현 예들은 개인용 차량의 단일 전방 탑재된 고해상도 도플러 LIDAR 시스템의 맥락에서 기술되나, 구현 예들은 이 맥락에 한정되지 않는다. 다른 구현 예들에 따르면, 동일한 타입 또는 다른 고해상도 LIDAR의 하나 이상의 시스템들이 도플러 컴포넌트들의 유무, 시야의 중복 유무 또는 보다 작거나 더 큰 육지, 바다, 또는 항공 차량에 탑재되어 조종되거나 자율 제어되는 하나 이상의 시스템의 유무에 상관없이 채택된다.

Claims (20)

  1. 빔을 수신하고, 상기 빔을 투영하는 스캐너;
    상기 스캐너에 결합된 모터; 및
    하나 이상의 프로세서들을 포함하고,
    상기 하나 이상의 프로세서들은:
    입력 파형을 수신하고;
    상기 입력 파형의 하나 이상의 컴포넌트들에 기초하여 회전 정보를 생성하고; 그리고
    상기 모터를 제어함으로써, 상기 모터가 상기 회전 정보에 기초하여 상기 스캐너를 회전시키도록 하는, LIDAR(Light Detection And Ranging) 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 입력 파형은, 삼각 파형(triangular waveform) 또는 톱니 파형(sawtooth waveform)인, LIDAR 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스캐너의 상기 회전은 상기 스캐너로 하여금, 상기 빔을 균등하게 또는 거의 균등하게 이격되는 복수의 스캔 라인들로 투영하도록 하는, LIDAR 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 스캐너가 상기 빔을 상기 복수의 스캔 라인들로 투영하는 것에 응답하여 리턴된 신호를 수신하도록 구성되는 수신기를 더 포함하고;
    상기 하나 이상의 프로세서들은 상기 리턴된 신호에 기초하여 차량을 작동시키도록 구성되는, LIDAR 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 하나 이상의 프로세서들은:
    상기 스캐너와 연관된 하나 이상의 파라미터들을 결정하고; 그리고
    상기 하나 이상의 파라미터들 및 상기 하나 이상의 컴포넌트들에 기초하여 상기 회전 정보를 생성하도록 구성되는, LIDAR 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 하나 이상의 파라미터들은,
    상기 스캐너와 연관된 프리즘 각도, 상기 스캐너와 연관된 굴절률, 또는 상기 스캐너의 지름 중 적어도 하나를 포함하는, LIDAR 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 입력 파형의 상기 하나 이상의 컴포넌트들은 상기 입력 파형의 하나 이상의 푸리에(Fourier) 컴포넌트 파형을 포함하는, LIDAR 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 하나 이상의 푸리에 컴포넌트 파형 중 제1 푸리에 컴포넌트 파형은 상기 하나 이상의 푸리에 컴포넌트 파형 중 제2 푸리에 컴포넌트 파형의 진폭보다 더 큰 진폭을 갖는, LIDAR 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 푸리에 컴포넌트 파형은 상기 제2 푸리에 컴포넌트 파형의 주파수보다 낮은 주파수를 갖는, LIDAR 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전 정보는, 각주파수(angular frequency), 주파수, 위상 또는 진폭 중 적어도 하나를 포함하는, LIDAR 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 스캐너의 상기 회전은 상기 스캐너로 하여금, 상기 빔을 제1 각도와 제2 각도 사이의 제1 평면에서 복수의 스캔 라인들로 투영하도록 하고,
    상기 시스템은:
    상기 스캐너로부터 상기 제1 평면에 투영된 상기 복수의 스캔 라인들을 수신하고, 상기 복수의 스캔 라인들을 제3 각도와 제4 각도 사이의 제2 평면에서 복수의 제2 스캔 라인으로 투영하는 제2 스캐너를 더 포함하는, LIDAR 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제3 각도와 상기 제4 각도의 차이는 상기 제1 각도와 상기 제2 각도 사이의 절대 차이보다 큰, LIDAR 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 프로세서들은 추가적으로:
    상기 모터가 상기 회전 정보에 기초하여 상기 스캐너를 회전시키도록 하기 위한 신호를 상기 모터로 송신하도록 구성되는, LIDAR 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2 스캐너는, 폴리곤(polygon) 스캐너를 포함하는, LIDAR 시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 스캐너는 제1 축을 따라 상기 빔의 작동(actuation)을 제어하고, 상기 제2 스캐너는 제2 축을 따라 상기 빔의 작동을 제어하는, LIDAR 시스템.
  16. 청구항 15항에 있어서,
    상기 제1 축은 상기 제2 축에 직교하는, LIDAR 시스템.
  17. 청구항 1항에 있어서,
    상기 스캐너는, 하나 이상의 리즐리 프리즘(Risley prism)을 포함하는, LIDAR 시스템.
  18. LIDAR(Light Detection And Ranging) 시스템의 스캐너를 제어하기 위한 방법으로서,
    LIDAR 시스템의 프로세싱 회로에서, 입력 파형을 수신하는 단계;
    상기 프로세싱 회로에서, 상기 입력 파형의 하나 이상의 컴포넌트들에 기초하여 회전 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 프로세싱 회로에서, 상기 회전 정보에 기초하여 스캐너의 회전을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 스캐너의 상기 회전은 상기 스캐너로 하여금, 상기 빔을 균등하게 또는 거의 균등하게 이격되는 복수의 스캔 라인들로 투영하도록 하고,
    상기 방법은:
    상기 스캐너가 상기 빔을 상기 복수의 스캔 라인들로 투영하는 것에 응답하여 리턴된 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 리턴된 신호에 기초하여 차량을 작동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 자율 차량 제어 시스템으로서,
    빔을 수신하고, 상기 빔을 투영하는 스캐너;
    상기 스캐너에 결합된 모터; 및
    하나 이상의 프로세서들을 포함하고,
    상기 하나 이상의 프로세서들은:
    입력 파형을 수신하고;
    상기 입력 파형의 하나 이상의 컴포넌트들에 기초하여 회전 정보를 생성하고;
    상기 모터를 제어함으로써, 상기 모터가 상기 회전 정보에 기초하여 상기 스캐너를 회전시키도록 하되, 상기 스캐너의 상기 회전은 상기 스캐너로 하여금 상기 빔을 복수의 스캔 라인들로 투영하도록 하고,
    상기 스캐너가 상기 빔을 상기 복수의 스캔 라인들로 투영하는 것에 응답하여 복수의 전기 신호를 수신하고; 그리고
    상기 복수의 전기 신호를 이용하여 자율 차량의 작동을 제어하도록 구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
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