KR102567739B1

KR102567739B1 - 펄스파 lidar용 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102567739B1
Application number: KR1020227041343A
Authority: KR
Inventors: 젭 바버; 랜디 레이블; 데블린 베이커; 에밀 카들렉
Original assignee: 오로라 오퍼레이션스, 인크.
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2021-05-26
Publication date: 2023-08-17
Also published as: US11428789B2; CN115702362B; JP2024050677A; US11029395B1; AU2021299239B2; KR102632106B1; US20220390561A1; AU2021299239A1; AU2023200838A1; EP4133305A4; EP4133305A1; KR20240014107A; US20210405156A1; CN115702362A; KR20230042155A; KR20220165283A; AU2023200838B2; CA3183070C; CA3183070A1; CN117908039A

Abstract

일부 구현예들에서, 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템은 제1 신호 전력의 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스, 복수의 이득 레벨들을 갖는 증폭기, 및 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. 증폭기는 광 신호를 수신하고 복수의 이득 구성들 중의 이득 구성에 기초하여 광 신호를 증폭하도록 구성된다. 하나 이상의 프로세서들은 증폭기가 제2 신호 전력의 펄스 엔벨로프 신호를 생성하게 하도록 복수의 이득 구성들 중의 2개 이상의 이득 구성들에 걸쳐 증폭기의 이득 구성을 조정하도록 구성된다. 제2 신호 전력은 적어도 광 신호의 듀티 사이클의 역수에 대응하는 양만큼 제1 신호 전력보다 더 크다.

Description

펄스파 LIDAR용 시스템 및 방법

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 출원은 전체 개시 내용이 본 명세서에 참조로서 포함되는 2020년 6월 30일자 출원된 미국 특허 출원 번호 제16/917,279호에 대한 우선권 및 그 이익을 주장한다.

광 검출 및 거리 측정을 위한, 종종 니모닉(mnemonic)인 라이다(LIDAR)로 불리고, 때때로 레이저 레이더(laser RADAR(radio-wave detection and ranging))라고도 불리는 레이저를 이용한 거리의 광학적 검출은 고도 측정으로부터, 이미징(imaging), 충돌 회피에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용된다. LIDAR는 RADAR와 같은 종래의 마이크로파 거리 측정 시스템(microwave ranging system)보다 작은 빔 크기로 더 미세한 스케일 범위(scale range)의 해상도를 제공한다. 거리의 광학적 검출은 객체(object)에 대한 광 펄스의 왕복 이동 시간(round trip travel time)에 기초한 직접 거리 측정과, 송신된 처프(chirped) 광 신호와 객체로부터 산란되어 리턴된 신호 사이의 주파수 차이에 기초한 처프 검출과, 자연 신호로부터 구별 가능한 단일 주파수 위상 변화의 시퀀스에 기초한 위상 인코딩 검출(phase-encoded detection)을 포함한 여러 다른 기술들로 달성될 수 있다.

본 개시 내용의 여러 양태들은 개괄적으로 광학 분야에서 광 검출 및 거리 측정(LIDAR)에 관한 것으로, 더 구체적으로는 펄스파 LIDAR가 차량의 작동을 지원하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

여기에 개시된 하나의 구현예는 LIDAR 시스템에 관한 것이다. LIDAR 시스템은 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스를 포함한다. 일부 구현예들에서, LIDAR 시스템은 복수의 이득 구성들을 갖는 증폭기(예를 들어, 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA) 또는 반도체 광 증폭기(SOA))를 포함하고, 여기서 증폭기는 광 신호를 수신하고 증폭하고 복수의 이득 구성들 중의 이득 구성을 기초로 광 신호를 증폭하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, LIDAR 시스템은 증폭기가 펄스 엔벨로프(envelope) 신호에 대응하는 증폭된 신호를 생성하도록 하기 위해 복수의 이득 구성들 중 2개 이상의 이득 구성들에 걸쳐 증폭기의 이득 구성을 조정하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함한다.

다른 양태에서, 본 개시 내용은 LIDAR 시스템에 관한 것이다. LIDAR 시스템은 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스를 포함한다. 일부 구현예들에서, LIDAR 시스템은 제1 단자, 제2 단자, 및 스위치 모드를 갖는 광 스위치를 포함한다. 일부 구현예들에서, 광 스위치는 제1 단자에서 광 신호를 수신하고; 광 스위치가 제1 모드로 구성되는 것에 응답하여, 제1 단자로부터 제2 단자로의 광 신호의 전송을 허용하고, 광 스위치가 제2 모드로 구성되는 것에 응답하여, 제2 단자로의 광 신호의 전송을 차단하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, LIDAR 시스템은 광 스위치가 펄스 엔벨로프 신호를 생성하도록 광 스위치 모드를 제1 모드와 제2 모드 사이에서 변경하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함한다.

다른 양태에서, 본 개시 내용은 LIDAR 시스템에 관한 것이다. LIDAR 시스템은 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스를 포함한다. 일부 구현예들에서, LIDAR 시스템은 광 신호와 연관된 제1 광 신호와 광 신호와 연관된 제2 광 신호 사이의 상대 위상차를 결정하거나 전기장을 이용하여 광 신호를 변조함으로써 펄스 엔벨로프 신호를 생성하도록 구성된 펄스 엔벨로프 생성기를 포함한다. 일부 구현예들에서, LIDAR 시스템은 펄스 엔벨로프 신호를 증폭하고 증폭된 펄스 엔벨로프 신호를 하나 이상의 광학 요소들을 통해 전송하도록 구성된 증폭기를 포함한다.

다른 양태에서, 본 개시 내용은 차량의 운전을 지원하기 위한 펄스파 LIDAR를 위한 방법에 관한 것이다. 일부 구현예들에서, 방법은 변조된 광 신호를 생성하도록 광 신호를 변조하는 단계를 포함한다. 일부 구현예들에서, 방법은 펄스화된 엔벨로프 신호를 생성하기 위해 변조된 광 신호로부터 복수의 펄스들을 선택하는 단계를 포함한다. 일부 구현예들에서, 방법은 하나 이상의 광학 요소들을 통해 펄스화된 엔벨로프 신호를 전송하는 단계를 포함한다. 일부 구현예들에서, 방법은 펄스화된 엔벨로프 신호를 전송하는 것에 응답하여 반사된 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 일부 구현예들에서, 방법은 반사된 신호와 연관된 전기 신호를 기초로 객체까지의 거리를 결정하는 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 본 개시 내용은 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템에 관한 것이다. LIDAR 시스템은 제1 신호 전력의 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스, 증폭기, 및 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. 증폭기는 복수의 이득 구성들을 가진다. 증폭기는 광 신호를 수신하고 복수의 이득 구성들 중의 이득 구성을 기초로 광 신호를 증폭하도록 구성된다. 하나 이상의 프로세서들은 증폭기가 제2 신호 전력의 펄스 엔벨로프 신호를 생성하도록 하기 위해 복수의 이득 구성들 중 2개 이상의 이득 구성들에 걸쳐 증폭기의 이득 구성을 조정하도록 구성된다. 제2 신호 전력은 적어도 광 신호의 듀티 사이클의 역수에 대응하는 양만큼 제1 신호 전력보다 크다.

일부 구현예들에서, 증폭기는 하나 이상의 광학 요소들을 통해 펄스 엔벨로프 신호를 전송한다. 시스템은 증폭기가 펄스 엔벨로프 신호를 전송하는 것에 응답하여 반사된 신호를 수신하도록 구성된 수신기를 포함한다. 하나 이상의 프로세서들은 반사된 신호와 연관된 전기 신호를 기초로 객체까지의 거리를 결정하도록 추가로 구성된다.

일부 구현예들에서, 펄스 엔벨로프 신호는 1 마이크로초 이상 1 밀리초 이하인 펄스 반복 주기를 가진다. 일부 구현예들에서, 레이저 소스는 증폭기가 광 신호를 수신하기 전에 광 신호를 변조한다.

일부 구현예들에서, 시스템은 레이저 소스로부터 광 신호를 수신하고; 증폭기가 광 신호를 수신하기 전에 광 신호를 변조하도록 구성된 전기-광학 변조기를 더 포함한다. 변조기는 전기-광학 변조기, 전기-흡수 변조기 또는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 변조기이다.

일부 구현예들에서, 증폭기는 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA) 또는 반도체 광 증폭기(SOA)를 포함한다. 증폭기는 SOA를 포함하고, SOA는 인덱스 변조(index modulation)를 이용하여 광 신호를 변조한다.

다른 양태에서, 본 개시 내용은 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템에 관한 것이다. LIDAR 시스템은 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스, 제1 단자, 제2 단자 및 스위치 모드를 갖는 광 스위치, 및 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. 광 스위치는 제1 단자에서 광 신호를 수신하고, 광 스위치가 제1 모드로 구성되는 것에 응답하여 제1 단자로부터 제2 단자로의 광 신호의 전송을 허용하고, 광 스위치가 제2 모드로 구성되는 것에 응답하여 제2 단자로의 광 신호의 전송을 차단하도록 구성된다. 하나 이상의 프로세서들은 광 스위치가 펄스 엔벨로프 신호를 생성하게 하도록 광 스위치 모드를 제1 모드와 제2 모드 사이에서 변경하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 레이저 소스는 광 스위치가 제1 단자에서 광 신호를 수신하기 전에 광 신호를 변조한다.

일부 구현예들에서, LIDAR 시스템은 복수의 이득 구성들을 갖는 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA)를 더 포함한다. EDFA는 광 스위치로부터 광 신호를 수신하고, 복수의 이득 구성들 중의 이득 구성을 기초로 광 신호를 증폭하고, 하나 이상의 광학 요소들을 통해 펄스 엔벨로프 신호를 전송하도록 구성된다. LIDAR 시스템은 EDFA가 펄스 엔벨로프 신호를 전송하는 것에 응답하여 반사되는 신호를 수신하도록 구성된 수신기를 더 포함한다. 하나 이상의 프로세서들은 반사된 신호와 연관된 전기 신호를 기초로 객체까지의 거리를 결정하도록 추가로 구성된다.

다른 양태에서, 본 개시 내용은 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템에 관한 것이다. LIDAR 시스템은 레이저 소스, 펄스 엔벨로프 생성기 및 증폭기를 포함한다. 레이저 소스는 제1 신호 전력의 광 신호를 제공하도록 구성된다. 펄스 엔벨로프 생성기는 광 신호와 연관된 제1 광 신호와 광 신호와 연관된 제2 광 신호 사이의 상대 위상차를 결정함으로써 제2 신호 전력의 펄스 엔벨로프 신호를 생성하도록 구성된다. 제2 신호 전력은 적어도 광 신호의 듀티 사이클의 역수에 대응하는 양만큼 제1 신호 전력보다 크다. 증폭기는 펄스 엔벨로프 신호를 증폭하고 증폭된 펄스 엔벨로프 신호를 하나 이상의 광학 요소들을 통해 전송하도록 구성된다.

일부 구현예들에서, 펄스 엔벨로프 생성기는 광 신호의 진폭을 변조한다. 일부 구현예들에서, 펄스 엔벨로프 생성기는 전기-흡수 변조기(EAM)이다. 일부 구현예들에서, 펄스 엔벨로프 생성기는 광 신호를 제1 광 신호 및 제2 광 신호로 분할하도록 구성된다. 일부 구현예들에서 펄스 엔벨로프 생성기는 마하-젠더 변조기이다. 일부 구현예들에서, 증폭기는 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA) 또는 반도체 광 증폭기(SOA)를 포함한다.

다른 양태에서, 본 개시 내용은 변조된 광 신호를 생성하도록 제1 신호 전력의 광 신호를 변조하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 방법은 제2 신호 전력의 펄스 엔벨로프 신호를 생성하도록 변조된 광 신호로부터 복수의 펄스들을 선택하는 단계를 포함한다. 제2 신호 전력은 적어도 광 신호의 듀티 사이클의 역수에 대응하는 양만큼 제1 신호 전력보다 크다. 방법은 하나 이상의 광학 요소들을 통해 펄스 엔벨로프 신호를 전송하는 단계를 포함한다. 방법은 펄스 엔벨로프 신호의 전송에 응답하여 반사되는 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 방법은 반사된 신호와 연관된 전기 신호를 기초로 객체까지의 거리를 결정하는 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 본 개시 내용은 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템에 관한 것이다. LIDAR 시스템은 제1 신호 전력의 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스, 증폭기 - 상기 증폭기는 해당 증폭기가 광 신호를 증폭하도록 구성되는 복수의 이득 레벨들을 가짐 -, 및 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. 하나 이상의 프로세서들은 펄스 신호를 생성하도록 제1 신호 전력 및 광 신호의 듀티 사이클을 기초로 복수의 이득 레벨들로부터 증폭기의 이득 레벨을 변화시키도록 구성된다. 하나 이상의 프로세서들은 증폭기로부터 환경으로 펄스 신호를 전송하고, 펄스 신호의 전송에 응답하여 반사되는 신호를 수신하고, 반사된 신호와 연관된 전기 신호를 기초로 객체까지의 거리를 결정하도록 구성된다.

일부 구현예들에서, 하나 이상의 프로세서들은 제1 신호 전력 및 광 신호의 듀티 사이클을 기초로 제2 신호 전력을 결정하도록 구성되고, 증폭기는 제2 신호 전력의 펄스 신호를 생성하도록 구성된다. 제2 신호 전력은 제1 신호 전력과 상이하다. 일부 구현예들에서, 증폭기는 하나 이상의 광학 요소들을 통해 펄스 신호를 전송한다.

일부 구현예들에서, LIDAR 시스템은 레이저 소스로부터 광 신호를 수신하고 증폭기가 광 신호를 수신하기 전에 광 신호를 변조하도록 구성된 전기-광학 변조기를 포함한다. 전기-광학 변조기는 광 신호와 연관된 제1 광 신호와 광 신호와 연관된 제2 광 신호 사이의 상대적 위상차를 결정하도록 구성된다. 전기-광학 변조기는 광 신호를 제1 광 신호 및 제2 광 신호로 분할하도록 구성된다. 전기-광학 변조기는 전기-광학 변조기, 전기-흡수 변조기 또는 마하-젠더 변조기이다.

일부 구현예들에서, 증폭기는 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA) 또는 반도체 광 증폭기(SOA)를 포함한다. 증폭기는 SOA를 포함하고, SOA는 인덱스 변조를 이용하여 광 신호를 변조한다.

다른 양태에서, 본 개시 내용은 하나 이상의 프로세서들을 포함하는 자율 주행 차량 제어 시스템에 관한 것이다. 하나 이상의 프로세서들은 레이저 소스가 제1 신호 전력의 광 신호를 제공하게 하고, 증폭기가 복수의 이득 레벨들에서 광 신호를 증폭하게 하도록 구성된다. 하나 이상의 프로세서들은 펄스 신호를 생성하도록 제1 신호 전력 및 광 신호의 듀티 사이클을 기초로 복수의 이득 레벨들로부터 증폭기의 이득 레벨을 변화시키도록 구성된다. 하나 이상의 프로세서들은 증폭기로부터 환경으로 펄스 신호를 전송하고, 펄스 신호의 전송에 응답하여 반사되는 신호를 수신하고, 반사된 신호와 연관된 전기 신호를 기초로 객체까지의 거리를 결정하도록 구성된다.

일부 구현예들에서, 하나 이상의 프로세서들은 제1 신호 전력 및 광 신호의 듀티 사이클을 기초로 제2 신호 전력을 결정하고, 증폭기가 제2 신호 전력의 펄스 신호를 생성하게 하도록 구성된다. 제2 신호 전력은 제1 신호 전력과 상이하다.

일부 구현예들에서, 하나 이상의 프로세서들은 전기-광학 변조기가 레이저 소스로부터 광 신호를 수신하게 하고, 증폭기가 광 신호를 수신하기 전에 광 신호를 변조하게 하도록 구성된다. 하나 이상의 프로세서들은 전기-광학 변조기가 광 신호와 연관된 제1 광 신호와 광 신호와 연관된 제2 광 신호 사이의 상대적 위상차를 결정하게 하도록 구성된다. 하나 이상의 프로세서들은 전기-광학 변조기가 광 신호를 제1 광 신호 및 제2 광 신호로 분할하게 하도록 구성된다. 전기-광학 변조기는 전기-광학 변조기, 전기-흡수 변조기 또는 마하-젠더 변조기이다.

다른 양태에서, 본 개시 내용은 자율 주행 차량에 관한 것이다. 자율 주행 차량은 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템, 조향 시스템 또는 제동 시스템 중 적어도 하나의 시스템, 및 차량 컨트롤러를 포함한다. LIDAR 시스템은 제1 신호 전력의 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스, 증폭기 - 상기 증폭기는 해당 증폭기가 광 신호를 증폭하도록 구성되는 복수의 이득 레벨들을 가짐 -, 및 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. 하나 이상의 프로세서들은 펄스 신호를 생성하도록 제1 신호 전력 및 광 신호의 듀티 사이클을 기초로 복수의 이득 레벨들로부터 증폭기의 이득 레벨을 변화시키도록 구성된다. 하나 이상의 프로세서들은 증폭기로부터 환경으로 펄스 신호를 전송하고, 펄스 신호의 전송에 응답하여 반사되는 신호를 수신하고, 반사된 신호와 연관된 전기 신호를 기초로 객체까지의 거리를 결정하도록 구성된다. 차량 컨트롤러는 객체까지의 거리를 기초로 조향 시스템 또는 제동 시스템 중 적어도 하나의 작동을 제어하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함한다.

또 다른 양태들, 특징들 및 장점들은 본 개시 내용을 수행하기 위해 고려되는 최상의 모드를 포함하는 다수의 특정한 구현예들을 단순히 예시함으로써 다음의 상세한 설명으로부터 확실히 분명하다. 다른 구현예들은 또한 다른 및 상이한 특징들 및 장점들을 가질 수 있고, 이들의 여러 세부 사항은 본 개시 내용의 취지 및 범위를 벗어나지 않는 다양한 자명한 측면에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면들 및 설명은 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 하며 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다.

첨부 도면에서 구현예들이 제한적인 방식이 아니라 예시적인 방식으로 설명되며, 유사한 참조 번호의 경우 유사한 요소를 지칭한다.
도 1a는 일부 구현예들에 따른 자율 주행 차량을 위한 시스템 환경의 일례의 블록도이다.
도 1b는 일부 구현예들에 따른 자율 주행 상용 트럭을 위한 시스템 환경의 일례의 블록도이다.
도 1c는 일부 구현예들에 따른 자율 주행 상용 트럭을 위한 시스템 환경의 일례의 블록도이다.
도 1d는 일부 구현예들에 따른 자율 주행 상용 트럭을 위한 시스템 환경의 일례의 블록도이다.
도 2는 CW 동작, 준-CW 동작 및/또는 펄스파 동작을 사용하는 하나 이상의 LIDAR 시스템들에 의해 형성된 파형들 간의 차이(예를 들어, 진폭, 주기, 평균 전력, 듀티 사이클 등의 차이)를 도시하는 시간-기반 그래프이다.
도 3a는 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 EDFA를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다.
도 3b는 일부 구현예들에 따른, EDFA를 사용하고 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 레이저 소스를 직접 변조하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다.
도 3c는 일부 구현예들에 따른, EDFA가 일정한 이득 펌핑 속도를 갖는 EDFA 이전의 광도의 예시적인 파형을 도시한다.
도 3d는 일부 구현예들에 따른, EDFA가 일정한 이득 펌핑 속도를 갖는 EDFA 이후의 광도의 예시적인 파형을 도시한다.
도 4a는 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 광 스위치를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다.
도 4b는 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 광 스위치를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다.
도 4c는 일 구현예에 따른, 펄스파 LIDAR가 차량의 작동을 지원하기 위한 예시적인 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 마하-젠더(Mach-Zehnder) 변조기를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다.
도 6은 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 전기-흡수 변조기(electro-absorption modulator: EAM)를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다.
도 7은 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 반도체 광 증폭기(SOA)를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다.
도 8은 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 반도체 광 증폭기(SOA) 및 인덱스 변조를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다.

LIDAR 시스템은 송신(Tx) 경로 및 수신(Rx) 경로를 포함할 수 있다. 송신(Tx) 경로는 로컬 발진기(LO) 신호로부터 유도되는 (또는 이와 연관된) 광 신호(때로는 "빔"으로 지칭됨)를 제공하기 위한 레이저 소스, 연속파(CW) 변조 또는 준-CW 변조를 이용하여 광 신호의 위상 및/또는 주파수를 변조하기 위한 하나 이상의 변조기, 및 변조된 신호를 광학 장치(예를 들어, 진동 스캐너, 단방향 스캐너, Risley 프리즘, 서큘레이터 광학 장치 및/또는 빔 콜리메이터 등)로 전송하기 전에 변조된 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 포함할 수 있다.

광학 장치는 Tx 경로로부터 수신된 증폭된 신호를 객체 측의 주어진 시야 내의 환경 내로 조향하고, 객체로부터 다시 반사된 리턴 신호를 수신하고, 리턴된 신호를 수신(Rx) 경로에 제공하도록 구성된다

Rx 경로는 하향 변환된 신호를 생성하도록 LO 신호를 리턴된 신호와 믹스하기 위한 믹서(예를 들어, 50/50), 및 하향 변환된 신호를 증폭하기 위한 트랜스임피던스(TIA) 증폭기를 포함할 수 있다. Rx 경로는 객체까지의 거리를 결정하고 그리고/또는 객체의 속도를 측정하기 위해 하향 변환된 신호(현재 증폭됨)를 하나 이상의 프로세서들에 제공한다.

자율 주행 차량을 작동시키는 것은 기존의 LIDAR 시스템의 경우 상당한 문제를 제기한다. 첫째, LIDAR 시스템은 단거리(예를 들어, 150 m 미만) 및 장거리(예를 들어, 300 m 이상)에서 객체(예를 들어, 거리 표지판, 사람, 승용차, 트럭 등)를 감지할 수 있어야 한다. 그러나, 장거리에서 객체를 감지하는 것은 기존의 LIDAR 시스템에서 쉬운 일이 아니다. 즉, 기존의 LIDAR 시스템의 증폭기는 전송된 광 신호를 장거리 객체에 도달할 만큼 충분히 증폭하기에는 전력이 충분치 않다. 둘째, 기존의 LIDAR 시스템에서 사용되는 빔 스캐닝 기술은 종종 긴 측정 시간을 형성하므로 LIDAR 시스템이 더 엄격하고 어려운 스페클(speckle) 처리 요건을 충족해야 한다.

따라서, 본 개시 내용은 펄스파 LIDAR가 차량의 작동을 지원하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 아래에서 설명되는 바와 같이, 펄스파 LIDAR 시스템의 구현예는 EDFA의 복수의 이득 구성들에 걸쳐 EDFA의 이득 구성을 변경함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, LIDAR 시스템은 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스; 복수의 이득 구성들을 갖는 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA) - EDFA는 광 신호를 수신하고 복수의 이득 구성들 중의 이득 구성을 기초로 광 신호를 증폭하도록 구성됨 -; 및 EDFA가 펄스 엔벨로프 신호에 대응하는 증폭된 신호를 생성하게 하도록 복수의 이득 구성들의 적어도 하나의 서브세트에 걸쳐 EDFA의 이득 구성을 조정하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들(예를 들어, 자율 주행 차량 제어 시스템(120), 컴퓨팅 시스템(172) 등)을 포함할 수 있다.

펄스파 LIDAR 시스템의 다른 구현예는 광 스위치를 토글(toggle)함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 펄스파 LIDAR 시스템은 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스; 제1 단자, 제2 단자, 및 스위치 모드를 갖는 광 스위치 - 상기 광 스위치는 상기 제1 단자에서 상기 광 신호를 수신하고, 스위치 모드가 제1 모드로 구성된 경우 제1 단자로부터 제2 단자로의 광 신호의 전송을 허용하거나, 스위치 모드가 제2 모드로 구성된 경우 제2 단자로의 광 신호의 전송을 차단하도록 구성됨 -; 및 광 스위치가 펄스 엔벨로프 신호를 생성하게 하도록 광 스위치 모드를 제1 모드와 제2 모드 사이에서 토글하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다.

펄스파 LIDAR 시스템의 다른 구현예는 2개의 광 신호 사이의 상대적 위상차를 감지하는 것에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 펄스파 LIDAR 시스템은 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스; 광 신호와 연관된 제1 광 신호와 광 신호와 연관된 제2 광 신호 사이의 상대적 위상차를 기초로 펄스 엔벨로프 신호를 생성하도록 구성된 펄스 엔벨로프 생성기(예를 들어, 마하-젠더 변조기); 및 펄스 엔벨로프 신호를 증폭하고 펄스 엔벨로프 신호를 하나 이상의 광학 요소들을 통해 자유 공간으로 보내도록 구성된 EDFA를 포함할 수 있다.

펄스파 LIDAR 시스템의 다른 구현예는 전기장을 이용하여 광 신호를 변조하는 것에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 펄스파 LIDAR 시스템은 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스; 전기장을 이용하여 광 신호를 변조하는 것에 의해 펄스 엔벨로프 신호를 생성하도록 구성된 펄스 엔벨로프 생성기(예를 들어, 전기-흡수 변조기(EAM)); 및 펄스 엔벨로프 신호를 증폭하고 증폭된 펄스 엔벨로프 신호를 하나 이상의 광학 요소들을 통해 자유 공간으로 보내도록 구성된 EDFA를 포함할 수 있다.

펄스파 LIDAR 시스템의 다른 구현예는 반도체 광 증폭기(SOA)의 복수의 이득 구성들에 걸쳐 SOA의 이득 구성을 변경하는 것에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 펄스파 LIDAR 시스템은 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스; 복수의 이득 구성들을 갖는 SOA - 상기 SOA는 광 신호를 수신하고 상기 복수의 이득 구성들 중의 이득 구성을 기초로 광 신호를 증폭하도록 구성됨 -; 및 SOA가 펄스 엔벨로프 신호에 대응하는 증폭된 신호를 생성하게 하도록 적어도 복수의 이득 구성들의 서브세트에 걸쳐 SOA의 이득 구성을 조정하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다.

전술한 구현예들의 펄스파 LIDAR 시스템은 자율 주행 차량 응용에 필요하고 기존 LIDAR 시스템의 증폭기들에 의해 가능한 것보다 더 많은 증폭기 전력을 형성할 필요가 없는 광범위한 거리(예를 들어, 단거리 및 장거리)에서의 객체 인식을 달성할 수 있다. 또한 펄스파 LIDAR 시스템은 스페클 처리 요건을 완화시킨다.

아래의 설명에서, 설명의 목적으로, 본 개시 내용의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정한 상세가 제시된다. 그러나, 본 개시 내용은 이들 특정한 상세 없이 실시될 수 있음이 당업자에게 분명할 것이다. 다른 경우에, 본 개시 내용을 불필요하게 모호해 지는 것을 피하기 위해 널리 알려진 구조 및 장치들이 블록도 형태로 예시된다.

1. 자율 주행 차량을 위한 시스템 환경

도 1a는 일부 구현예들에 따른 자율 주행 차량을 위한 시스템 환경의 일례를 도시하는 블록도이다.

도 1a를 참조하면, 여기에 개시된 다양한 기술들이 구현될 수 있는 예시적인 자율 주행 차량(100)이 도시되어 있다. 예를 들어, 차량(100)은 에너지 공급원(106)으로부터 동력을 공급받고 구동 트레인(108)에 동력을 제공할 수 있는 원동기(104)를 포함하는 파워트레인(102)과 방향 제어 장치(112), 파워트레인 제어 장치(114) 및 브레이크 제어 장치(116)를 포함하는 제어 시스템(110)을 포함할 수 있다. 차량(100)은 사람 및/또는 화물을 수송할 수 있고 다양한 환경에서 이동할 수 있는 차량을 포함하는 임의의 수의 상이한 유형의 차량으로 구현될 수 있으며, 전술한 구성요소들(102-116)은 이들 구성요소들이 사용되는 차량 유형에 따라 크게 달라질 수 있음을 이해할 것이다.

단순함을 위해, 이하에서 논의되는 구현예들은 승용차, 밴, 트럭, 버스 등과 같은 차륜형 육상 차량에 초점을 맞출 것이다. 이러한 구현예들에서, 원동기(104)는 (무엇보다도) 하나 이상의 전기 모터들 및/또는 내연 기관을 포함할 수 있다. 에너지 공급원은 예를 들어, (예를 들어, 가솔린, 디젤, 수소 등을 제공하는) 연료 시스템, 배터리 시스템, 태양 전지 패널 또는 다른 재생 가능한 에너지 공급원, 및/또는 연료 전지 시스템을 포함할 수 있다. 구동 트레인(108)은 원동기(104)의 출력을 차량 동작으로 변환하기 위한 변속기 및/또는 임의의 다른 기계적 구동 구성요소들과 함께 휠 및/또는 타이어뿐만 아니라, 차량을 제어 가능하게 정지하거나 감속하도록 구성된 하나 이상의 브레이크들 및 차량(100)의 궤적을 제어하기에 적절한 방향 또는 조향 구성요소(예를 들어, 차량(100)의 하나 이상의 휠들이 대체로 수직인 축을 중심으로 피벗되게 하여 차량의 종축에 대한 휠들의 회전면들의 각도를 변경시키는 랙 및 피니언 조향 연결 장치)를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, (예를 들어, 전기/가스 하이브리드 차량들의 경우) 파워트레인들과 에너지 공급원들의 조합들이 사용될 수 있으며, 일부 경우에는 (예를 들어, 개별 휠들 또는 차축들에 전용인) 다중 전기 모터들이 원동기로서 사용될 수 있다.

방향 제어 장치(112)는 차량(100)이 원하는 궤적을 따를 수 있도록 방향 또는 조향 구성요소들로부터 피드백을 제어하고 수신하기 위한 하나 이상의 액추에이터들 및/또는 센서들을 포함할 수 있다. 파워트레인 제어 장치(114)는 파워트레인(102)의 출력을 제어하여, 예를 들어, 원동기(104)의 출력 파워를 제어하여, 구동 트레인(108) 내 변속기의 기어를 제어함으로써, 차량(100)의 속도 및/또는 방향을 제어하도록 구성될 수 있다. 브레이크 제어 장치(116)는 차량(100)을 감속시키거나 정지시키는 하나 이상의 브레이크들, 예를 들어, 차량의 휠들에 결합된 디스크 또는 드럼 브레이크들을 제어하도록 구성될 수 있다.

오프로드 차량, 전 지형(all-terrain) 차량 또는 궤도 차량, 건설 장비 등을 포함하되 이에 국한되지 않는 다른 차량 유형들은 필수적으로 상이한 파워트레인들, 구동 트레인들, 에너지 공급원들, 방향 제어 장치들, 파워트레인 제어 장치들 및 브레이크 제어 장치들을 사용할 것이다. 더욱이, 일부 구현예들에서, 구성요소들 중 일부는, 예를 들어, 차량의 방향 제어가 하나 이상의 원동기들의 출력을 변경함으로써 주로 처리되는 경우, 결합될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 구현예들은 자율 주행 차륜형 육상 차량에서의 본 명세서에 설명된 기술들의 특정한 응용으로 제한되지 않는다.

차량(100)에 대한 다양한 레벨의 자율 주행 제어는, 하나 이상의 프로세서들(122) 및 하나 이상의 메모리들(124)를 포함할 수 있으며 각각의 프로세서(122)는 메모리(124)에 저장된 프로그램 코드 명령어들(126)을 실행하도록 구성된 차량 제어 시스템(120)으로 구현될 수 있다. 프로세서(들)는 예를 들어, 그래픽 처리 장치(들)(GPU(s)) 및/또는 중앙 처리 장치(들)(CPU(s))를 포함할 수 있다.

센서들(130)은 차량의 주변 환경으로부터 차량의 작동을 제어하기 위한 정보를 수집하기에 적절한 다양한 센서들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서들(130)은 레이더 센서(134), LIDAR 센서(136), 3D 포지셔닝 센서(138) - 예를 들어, 가속도계, 자이로스코프, 자력계, 또는 GPS(지구 위치 시스템), GLONASS(Globalnaya Navigazionnaya Sputnikovaya Sistema, 또는 Global Navigation Satellite System), BeiDou Navigation Satellite System(BDS), Galileo, Compass 등의 임의의 것 - 을 포함할 수 있다. 3D 포지셔닝 센서들(138)은 위성 신호들을 이용하여 지구 상의 차량 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다. 센서들(130)은 카메라(140) 및/또는 관성 측정 장치(IMU, 142)를 포함할 수 있다. 카메라(140)는 모노그래픽 또는 스테레오그래픽 카메라일 수 있고 정지영상 및/또는 동영상들을 기록할 수 있다. IMU(142)는 3개의 방향들에서 차량의 선형 및 회전 운동을 검출할 수 있는 다중 자이로스코프들 및 가속도계들을 포함할 수 있다. 휠 인코더들과 같은 하나 이상의 인코더들(미도시)이 차량(100)의 하나 이상의 휠들의 회전을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 각각의 센서(130)는 센서 데이터를 다른 센서들(130)의 데이터 속도들과 상이한 데이터 속도들로 출력할 수 있다.

센서들(130)의 출력들은 위치 파악(localization) 서브시스템(152), 계획 서브시스템(156), 지각(perception) 서브시스템(154) 및 제어 서브시스템(158)을 포함하는 제어 서브시스템들(150)의 세트에 제공될 수 있다. 위치 파악 서브시스템(152)은 차량(100)의 주변 환경 내에서, 그리고 일반적으로 일부 기준 프레임 내에서 차량(100)의 위치 및 지향(때로 "포즈(pose)"라고도 함)을 정밀하게 결정하는 등의 기능들을 수행할 수 있다. 자율 주행 차량의 위치는 레이블이 지정된 자율 주행 차량 데이터를 생성하는 기능의 일부로서 동일한 환경 내의 추가 차량의 위치와 비교될 수 있다. 지각 서브시스템(154)은 차량(100)을 둘러싼 환경 내의 객체들을 검출, 추적, 결정 및/또는 식별하는 것과 같은 기능들을 수행할 수 있다. 일부 구현예들에 따른 기계 학습 모델이 객체들의 추적에 활용될 수 있다. 계획 서브시스템(156)은 환경 내의 정지 및 이동 객체들뿐만 아니라 원하는 목적지가 주어진 상태에서 일부 시간 프레임에 걸쳐 차량(100)에 대한 궤적을 계획하는 것과 같은 기능들을 수행할 수 있다. 일부 구현예들에 따른 기계 학습 모델이 차량 궤적의 계획에 활용될 수 있다. 제어 서브시스템(158)은 차량(100)의 계획된 궤적을 구현하기 위해 차량 제어 시스템(120)의 다양한 제어 장치들을 제어하는 데 적절한 제어 신호들을 생성하는 것과 같은 기능들을 수행할 수 있다. 계획된 궤적을 구현하도록 자율 주행 차량을 제어하는 하나 이상의 신호들이 기계 학습 모델을 활용하여 생성될 수 있다.

차량 제어 시스템(120)에 대한 도 1a에 도시된 구성요소들의 집합은 본질적으로 단지 예시일 뿐이라는 것을 이해할 것이다. 일부 구현예들에서 개별 센서들은 생략될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 일부 구현예들에서, 도 1a에 도시된 유형의 다중 센서들은 중복성을 위해 그리고/또는 차량 주변의 상이한 영역들을 커버하는 데 사용될 수 있으며, 다른 유형의 센서들이 사용될 수 있다. 유사하게, 상이한 유형들 및/또는 여러 조합의 제어 서브시스템들이 다른 구현예들에서 사용될 수 있다. 또한, 서브시스템들(152-158)은 프로세서(122) 및 메모리(124)와 별개인 것으로 예시되어 있지만, 일부 구현예들에서 서브시스템(152-158)의 기능의 일부 또는 전부가 하나 이상의 메모리들(124)에 상주하고 하나 이상의 프로세서들(122)에 의해 실행되는 프로그램 코드 명령어들(126)로 구현될 수 있으며, 이들 서브시스템들(152-158)이 일부 경우에 동일한 프로세서(들) 및/또는 메모리를 사용하여 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 서브시스템들은 다양한 전용 회로 로직, 다양한 프로세서들, 다양한 필드 프로그래머블 게이트 어레이들(FPGA), 다양한 주문형 집적 회로들(ASIC), 다양한 실시간 컨트롤러들 등을 사용하여 적어도 부분적으로 구현될 수 있으며, 전술한 바와 같이, 다중 서브시스템들은 회로, 프로세서들, 센서들 및/또는 다른 구성요소들을 활용할 수 있다. 또한, 차량 제어 시스템(120)의 다양한 구성요소들은 다양한 방식으로 네트워크화될 수 있다.

일부 구현예들에서, 차량(100)은 차량(100)용 중복 또는 백업 제어 시스템으로서 사용될 수 있는 2차 차량 제어 시스템(미도시)을 더 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 2차 차량 제어 시스템은 차량 제어 시스템(120)에서 불리한 이벤트가 발생하는 경우 자율 주행 차량(100)을 완전히 작동시킬 수 있는 반면, 다른 구현예들에서 2차 차량 제어 시스템은 제한된 기능, 예를 들어, 1차 차량 제어 시스템(120)에서 검출된 불리한 이벤트에 응답하여 차량(100)을 제어 정지시키는 등의 제한된 기능만을 가질 수 있다. 또 다른 구현예들에서, 2차 차량 제어 시스템은 생략될 수 있다.

일반적으로, 소프트웨어, 하드웨어, 회로 로직, 센서들, 네트워크들 등의 다양한 조합을 포함하는 수많은 상이한 아키텍처들을 사용하여 도 1a에 도시된 다양한 구성요소들을 구현할 수 있다. 각각의 프로세서는 예를 들어, 마이크로프로세서로 구현될 수 있으며, 각각의 메모리는 주 저장 장치 및 임의의 보조 레벨들의 메모리 - 예를 들어, 캐시 메모리들, 비휘발성 또는 백업 메모리들(예를 들어, 프로그램 가능 또는 플래시 메모리들), 읽기 전용 메모리들 등 - 를 포함하는 랜덤 액세스 메모리(RAM) 장치들을 나타낼 수 있다. 또한, 각각의 메모리는 물리적으로 차량(100)의 다른 곳에 위치된, 예를 들어, 프로세서 내의 캐시 메모리인 메모리 저장 장치 및 (예를 들어 대용량 저장 장치 또는 다른 컴퓨터 컨트롤러에 격납되어) 가상 메모리로 사용되는 임의의 저장 용량을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 도 1a에 도시된 하나 이상의 프로세서들 또는 완전히 별개인 프로세서들을 사용하여 자율 주행 제어 목적 이외의 차량(100)의 추가 기능, 예를 들어, 엔터테인먼트 시스템들을 제어하고 도어들, 조명들, 편의 기능들 등을 작동시키는 추가 기능을 구현할 수 있다.

또한, 추가적인 저장 장치를 위해, 차량(100)은 하나 이상의 대용량 저장 장치들, 예를 들면, 이동식 디스크 드라이브, 하드 디스크 드라이브, 직접 접근 저장 장치(DASD), 광학 드라이브(예를 들어, CD 드라이브, DVD 드라이브 등), 고체 상태 저장 드라이브(SSD), 네트워크 연결된 저장 장치, 저장 영역 네트워크 및/또는 테이프 드라이브 등을 포함할 수 있다.

또한, 차량(100)은 차량(100)이 사용자 또는 오퍼레이터로부터 다수의 입력들을 수신하고 사용자 또는 오퍼레이터에 대한 출력들을 생성토록 하는, 예를 들어, 하나 이상의 디스플레이들, 터치스크린들, 음성 및/또는 제스처 인터페이스들, 버튼들 및 다른 촉각 제어 장치 등과 같은 사용자 인터페이스(164)를 포함할 수 있다. 그렇지 않으면, 사용자 입력은 다른 컴퓨터 또는 전자 장치, 예를 들어 모바일 장치의 앱 또는 웹 인터페이스를 통해 수신될 수 있다.

더욱이, 차량(100)은 하나 이상의 네트워크(170, 예를 들어, 근거리 통신망(LAN), 광역 통신망(WAN), 무선 네트워크 및/또는 인터넷)와의 통신에 적절한 네트워크 인터페이스(162)와 같은 하나 이상의 네트워크 인터페이스들을 포함하여, 다른 컴퓨터 및 전자 장치와의 정보의 통신을 허용할 수 있다. 상기 정보의 통신은 예를 들어, 클라우드 서비스와 같은 중앙 서비스를 포함하며, 차량(100)은 상기 서비스로부터 차량의 자율 주행 제어에 사용되는 환경 및 다른 데이터를 수신한다. 하나 이상의 센서들(130)에 의해 수집된 데이터는 네트워크(170)를 통해 컴퓨팅 시스템(172)에 업로드되어 추가적으로 처리될 수 있다. 일부 구현예들에서, 타임 스탬프가 업로드 전에 차량 데이터의 각각의 인스턴스(instance)에 추가될 수 있다.

도 1a에 도시된 각각의 프로세서 및 여기에 개시된 다양한 추가적인 컨트롤러들과 서브시스템들은 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 일반적으로 운영 시스템의 제어 하에 작동하고 다양한 컴퓨터 소프트웨어 애플리케이션들, 컴포넌트들, 프로그램들, 객체들, 모듈들, 데이터 구조들 등을 실행하거나 아니면 이들에 의존한다. 더욱이, 또한 다양한 애플리케이션들, 컴포넌트들, 프로그램들, 객체들, 모듈들 등은 네트워크(170)를 통해 차량(100)에 결합된 다른 컴퓨터의 하나 이상의 프로세서들에서, 예를 들어 분산 컴퓨팅 환경, 클라우드 기반의 컴퓨팅 환경 또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 환경에서 실행할 수 있어서 컴퓨터 프로그램의 기능들을 구현하는 데 필요한 처리가 네트워크를 통해 다수의 컴퓨터들 및/또는 서비스들에 할당될 수 있다.

일반적으로, 운영 시스템의 일부로 구현되거나, 특정한 애플리케이션, 컴포넌트, 프로그램, 객체, 모듈 또는 명령어들의 시퀀스, 또는 이들의 서브세트로서 구현되든지 간에, 여기에 설명된 다양한 구현예들을 구현하기 위해 실행되는 루틴들은 여기에서 "프로그램 코드"로 지칭될 것이다. 프로그램 코드는, 다양한 메모리들 및 저장 장치들 내에 다양한 시간에 상주하고, 하나 이상의 프로세서들에 의해 판독 및 실행될 때, 본 개시 내용의 다양한 양태들을 구현하는 단계들 또는 요소들을 실행하는 데 필요한 단계들을 수행하는 하나 이상의 명령어들을 포함할 수 있다. 더욱이, 구현예들은 완전히 기능하는 컴퓨터 및 시스템을 포함하고 이하 그 맥락에서 설명될 것이지만, 여기에 설명된 다양한 구현예들은 다양한 형태들의 프로그램 제품으로 배포될 수 있으며, 구현예들은 이러한 배포를 실제로 수행하는 데 사용되는 특정한 유형의 컴퓨터 판독 가능 매체와 무관하게 구현될 수 있음을 이해할 것이다.

컴퓨터 판독 가능 매체의 예들로는 특히, 휘발성 및 비휘발성 메모리 장치들, 플로피 및 기타 이동식 디스크들, 고체 상태 드라이브들, 하드 디스크 드라이브들, 자기 테이프 및 광 디스크들(예를 들어, CD-ROM, DVD 등)과 같은 실감형의 비일시적 매체가 포함된다.

또한, 이하에서 설명되는 다양한 프로그램 코드는 이것이 특정한 구현예로 구현되는 애플리케이션을 기초로 식별될 수 있다. 그러나, 이하의 임의의 특정한 프로그램 명명법은 단지 편의를 위해 사용된 것이며, 따라서 본 개시 내용은 그러한 명명법에 의해 식별 및/또는 암시된 임의의 특정한 애플리케이션에서만 사용하도록 제한돼서는 안된다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 컴퓨터 프로그램들이 루틴들, 절차들, 방법들, 모듈들, 객체들 등으로 체계화될 수 있는 전형적으로 무한한 수의 방식과 프로그램 기능이 전형적인 컴퓨터 내에 상주하는 다양한 소프트웨어 계층들(예를 들어, 운영 시스템들, 라이브러리들, API들, 애플리케이션들, 애플릿들 등) 중에 할당될 수 있는 다양한 방식을 고려할 때, 본 개시 내용은 여기에 설명된 프로그램 기능의 특정한 체계화 및 할당으로 제한되지 않음을 이해해야 한다.

도 1a에 도시된 환경은 여기에 개시된 구현예들을 제한하도록 의도되지 않는다. 실제로, 다른 대안적인 하드웨어 및/또는 소프트웨어 환경들이 여기에 개시된 구현예들의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

2. 자동차 애플리케이션용 FM LIDAR

트럭은 LIDAR 시스템(예를 들어, 도 1a의 차량 제어 시스템(120), 도 3a의 LIDAR 시스템(301A), 도 3b의 LIDAR 시스템(301B), 도 4a의 LIDAR 시스템(401A), 도 4b의 LIDAR 시스템(401B), 도 5의 LIDAR 시스템(501), 도 6의 LIDAR 시스템(601), 도 7의 LIDAR 시스템(701), 도 8의 LIDAR 시스템(801) 등)을 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, LIDAR 시스템은 광학 신호를 인코딩하기 위해 주파수 변조를 사용하고 인코딩된 광학 신호를 광학 장치를 사용하여 자유 공간으로 산란시킬 수 있다. FM(Frequency Modulated) LIDAR 시스템은 인코딩된 광학 신호와 객체로부터 다시 반사된 리턴 신호 간의 주파수 차이를 감지하는 것에 의해 객체의 위치를 결정하고 그리고/또는 도플러 효과를 이용하여 객체의 속도를 정확하게 측정할 수 있다. 일부 구현예들에서, FM LIDAR 시스템은 연속파("FMCW LIDAR"로 지칭됨) 또는 준연속파("FMQW LIDAR"로 지칭됨)를 사용할 수 있다. 일부 구현예들에서, LIDAR 시스템은 위상 변조(PM)를 사용하여 광학 신호를 인코딩하고 인코딩된 광학 신호를 자유 공간으로 산란시킬 수 있다.

FM 또는 위상 변조(PM) LIDAR 시스템은 자동차 및/또는 상업용 트럭 응용과 관련하여 기존의 LIDAR 시스템에 비해 상당한 장점들을 제공할 수 있다. 우선, 일부 경우에, 객체(예를 들어, 어두운 옷을 입은 보행자)는 낮은 반사율을 가지므로 객체에 부딪치는 광 중의 소량(예를 들어, 10% 이하)만을 FM 또는 PM LIDAR 시스템의 센서들(예들 들어, 도 1a의 센서들(130))로 다시 반사할 수 있다. 다른 경우에, 객체(예를 들어, 반짝이는 도로 표지판)는 높은 반사율(예를 들어, 10% 초과)을 가지므로 객체에 부딪치는 광 중의 다량을 FM LIDAR 시스템의 센서들로 다시 반사할 수 있다.

객체의 반사율에 관계없이, FM LIDAR 시스템은 기존의 LIDAR 시스템보다 더 먼 거리(예를 들어, 2배)에서 객체를 감지(예를 들어, 분류, 인식, 발견 등)할 수 있다. 예를 들어, FM LIDAR 시스템은 300 미터를 초과한 저반사 객체와 400 미터 이상의 고반사 객체를 감지할 수 있다.

검출 능력의 이러한 개선을 달성하기 위해, FM LIDAR 시스템은 센서들(예를 들어, 도 1a의 센서들(130))를 사용할 수 있다. 일부 구현예들에서, 이들 센서들은 단일 광자 감지성을 가질 수 있다. 즉 가능한 한 최소량의 광을 감지할 수 있다. FM LIDAR 시스템은 일부 응용 예들에서, 적외선 파장(예를 들어, 950nm, 1550nm 등)을 사용할 수 있지만, 적외선 파장 범위(예를 들어, 근적외선: 800nm 내지 1500nm, 중적외선: 1500nm 내지 5600nm, 및 원적외선: 5600nm 내지 1,000,000nm)에 제한되지 않는다. 적외선 파장에서 FM 또는 PM LIDAR 시스템을 작동시키는 것에 의해, FM 또는 PM LIDAR 시스템은 눈 안전 표준을 충족하면서 더 강한 광 펄스 또는 광 빔을 브로드캐스트할 수 있다. 기존의 LIDAR 시스템은 종종 단일 광자 감지성이 없으며 그리고/또는 근적외선 파장에서만 작동하므로 눈 안전을 위해 시스템의 광 출력(및 거리 감지 능력)을 제한할 필요가 있다.

따라서, FM LIDAR 시스템은 더 먼 거리에서 객체를 감지하는 것에 의해 예상치 못한 장애물에 반응할 시간을 더 많이 가질 수 있다. 실제로, 몇 밀리초의 추가 시간만으로도 특히 고속도로 속도로 운전 중인 대형 차량(예를 들어, 상업용 트럭 차량)에서 안전과 편안함이 향상될 수 있다.

FM LIDAR 시스템의 다른 장점은 각각의 데이터 포인트에 대한 정확한 속도를 즉각적으로 제공한다는 것이다. 일부 구현예들에서, 속도 측정은 레이저 신호의 반경 방향의 속도(예를 들어, 감지된 객체와 센서 사이의 방향 벡터) 또는 레이저 신호의 주파수 중 적어도 하나를 기초로 객체로부터 수신된 광의 주파수를 시트프시키는 도플러 효과를 이용하여 달성된다. 예를 들어, 속도가 100m/s 미만인 도로 상황에서 발생하는 속도들의 경우, 1550nm(나노미터)의 파장에서 이러한 시프트는 130MHz 미만인 주파수 시프트에 해당한다. 이 주파수 시프트는 작아서 광학 도메인에서 직접 감지하기 어렵다. 그러나, FMCW, PMCW 또는 FMQW LIDAR 시스템에서의 코히런트 감지를 이용하는 것에 의해 다양한 신호 처리 기술을 이용하여 주파수 시프트를 계산할 수 있도록 신호를 RF 도메인으로 변환할 수 있다. 이에 따라 자율 주행 차량 제어 시스템은 수신 데이터를 더 빠르게 처리할 수 있다.

순간 속도 계산에 의해, 또한 FM LIDAR 시스템이 떨어져 있거나 드문드문한 데이터 포인트들을 객체들로 결정하고 그리고/또는 이들 객체들이 시간에 따라 어떻게 이동하는 지를 추적하는 것이 더 쉬워진다. 예를 들어, FM LIDAR 센서(예를 들어, 도 1a의 센서(130))는 300m 떨어져 있는 객체에 대한 소수의 리턴(예를 들어, 충돌)만 수신할 수 있지만, 이러한 리턴이 관심 속도 값을 제공하는 경우(예를 들어, 70mph를 초과하는 속도로 차량을 향하는 경우), FM LIDAR 시스템 및/또는 자율 주행 차량 제어 시스템은 객체들과 관련된 확률들에 대한 개별 가중치들을 결정할 수 있다.

FM LIDAR 시스템의 더 빠른 식별 및/또는 추적은 자율 주행 차량 제어 시스템에게 차량을 조종할 더 많은 시간을 제공한다. 객체가 얼마나 빨리 움직이는지 더 잘 이해하면 자율 주행 차량 제어 시스템은 더 우수한 반응을 계획할 수 있다.

FM LIDAR 시스템의 다른 장점은 기존의 LIDAR 시스템과 비교하여 더 적은 잡음(static)을 가진다는 것이다. 즉, 더 많은 광 감지성을 갖도록 설계된 기존의 LIDAR 시스템은 일반적으로 밝은 햇빛에서 제대로 작동하지 않는다. 이러한 시스템은 또한 누화(crosstalk, 예를 들어, 센서들이 서로의 광 펄스 또는 광 빔으로 인해 혼선될 때)와 자기 간섭(예를 들어, 센서가 자체의 이전의 광 펄스 또는 광 빔으로 인해 혼선될 때)을 겪는 경향도 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 기존 LIDAR 시스템을 사용하는 차량은 이러한 "잡음(noise)"을 관리하기 위해 종종 추가 하드웨어, 복잡한 소프트웨어 및/또는 더 많은 계산 능력을 필요로 한다.

이에 대해, FM LIDAR 시스템은 각각의 센서가 고유한 광 특성(예를 들어, 광 빔, 광파, 광 펄스)에만 반응하도록 특별히 설계되기 때문에 이러한 유형의 문제를 겪지 않는다. 리턴하는 광이 원래 전송된 타이밍, 주파수 및/또는 파장과 일치하지 않는 경우, FM 센서는 해당 데이터 포인트를 필터링(예를 들어, 제거, 무시 등)할 수 있다. 이로써, FM LIDAR 시스템은 더 적은 하드웨어 또는 소프트웨어 요건으로 더 정확한 데이터를 형성(예를 들어, 생성, 유도 등)하여 보다 안전하고 부드러운 운전을 가능하게 한다.

마지막으로, FM LIDAR 시스템은 기존의 LIDAR 시스템보다 스케일링이 더 쉽다. 더 많은 자율 주행 차량(예를 들어, 자동차, 상업용 트럭 등)이 도로에 등장하는데, FM LIDAR 시스템으로 구동되는 차량은 센서 누화로 인한 간섭 문제와 씨름할 필요가 없을 것이다. 또한, FM LIDAR 시스템은 기존 LIDAR 센서들보다 광학 피크 파워를 덜 사용한다. 이로써, FM LIDAR용 광학 구성요소들의 일부 또는 전부는 단일 칩에 대해 생산될 수 있으며, 이는 여기에서 논의된 바와 같이 고유 이점을 제공한다.

2.1 상업용 트럭

도 1b는 일부 구현예들에 따른 자율 주행 상용 트럭을 위한 시스템 환경의 일례를 도시하는 블록도이다. 환경(100B)은 화물(106B)을 운반하기 위한 상업용 트럭(102B)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 상업용 트럭(102B)은 장거리 화물 운송, 지역 화물 운송, 복합운송 화물 운송(즉, 도로 기반 차량이 화물을 운송하기 위한 여러 운송 모드 중 하나로 사용됨), 및/또는 임의의 다른 도로 기반 화물 운송 응용을 위해 구성된 차량을 포함한다. 일부 구현예들에서, 상업용 트럭(102B)은 평대(flatbed) 트럭, 냉장 트럭(예를 들어, 리퍼(reefer) 트럭), 벤트 밴(vented van, 예를 들어, 드라이 밴), 이동 트럭 등일 수 있다. 일부 구현예들에서, 화물(106B)은 상품 및/또는 농산물일 수 있다. 일부 구현예들에서, 상업용 트럭(102B)은 평대 트레일러, 로우보이(lowboy) 트레일러, 스텝 데크(step deck) 트레일러, 확장 가능한 평상형 트레일러, 사이드킷(sidekit) 트레일러 등과 같은 화물(106B)을 운반하기 위한 트레일러를 포함할 수 있다.

환경(100B)은 트럭으로부터 30 미터 이하의 거리 범위 내에 있는 (도 1b에 다른 차량으로 도시된) 객체(110B)를 포함한다.

상업용 트럭(102B)은 객체(110B)까지의 거리를 결정하고 그리고/또는 객체(110B)의 속도를 측정하기 위한 LIDAR 시스템(104B, 예를 들어, FM LIDAR 시스템, 도 1a의 차량 제어 시스템(120), 도 2의 LIDAR 시스템(201) 등)을 포함할 수 있다. 도 1b는 하나의 LIDAR 시스템(104B)이 상업용 트럭(102B)의 전면에 장착된 것으로 도시되어 있지만, LIDAR 시스템의 수 및 상업용 트럭에 대한 LIDAR 시스템의 장착 영역은 특정한 수 또는 특정한 영역으로 제한되지 않는다. 상업용 트럭(102B)은 상업용 트럭(102B)에 대한 임의의 자유 공간 내의 객체의 감지를 용이하게 하기 위해 상업용 트럭(102B)의 임의의 영역(예를 들어, 전면, 후면, 측면, 상단, 하단, 하부, 아래 및/또는 바닥)에 장착되는 임의의 수의 LIDAR 시스템(104B, 또는 센서, 변조기, 코히런트 신호 발생기 등과 같은 그 구성요소들)을 포함할 수 있다.

도시된 바와 같이, 환경(100B) 내의 LIDAR 시스템(104B)은 상업용 트럭(102B)으로부터 짧은 거리(예를 들어, 30 미터 이하)에 있는 객체(예를 들어, 다른 차량, 자전거, 나무, 거리 표지판, 구덩이 등)를 감지하도록 구성될 수 있다.

도 1c는 일부 구현예들에 따른 자율 주행 상용 트럭을 위한 시스템 환경의 일례를 도시하는 블록도이다. 환경(100C)은 환경(100B)에 포함된 동일한 구성요소(예를 들어, 상업용 트럭(102B), 화물(106B), LIDAR 시스템(104B) 등)를 포함한다.

환경(100C)은 상업용 트럭(102B)으로부터 (i) 30 미터 초과 (ii) 150 미터 이하인 거리 범위 내에 있는 (도 1c에 다른 차량으로 도시된) 객체(110C)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 환경(100C) 내의 LIDAR 시스템(104B)은 상업용 트럭(102B)으로부터 소정 거리(예를 들어, 100 미터)에 있는 객체(예를 들어, 다른 차량, 자전거, 나무, 거리 표지판, 구덩이 등)를 감지하도록 구성될 수 있다.

도 1d는 일부 구현예들에 따른 자율 주행 상용 트럭을 위한 시스템 환경의 일례를 도시하는 블록도이다. 환경(100D)은 환경(100B)에 포함된 동일한 구성요소들(예를 들어, 상업용 트럭(102B), 화물(106B), LIDAR 시스템(104B) 등)을 포함한다.

환경(100D)은 상업용 트럭(102B)으로부터 150 미터를 초과하는 거리 범위 내에 있는 (도 1d에 다른 차량으로 도시된) 객체(110D)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 환경(100D) 내의 LIDAR 시스템(104B)은 상업용 트럭(102B)으로부터 소정 거리(예를 들어, 300 미터)에 있는 객체(예를 들어, 다른 차량, 자전거, 나무, 거리 표지판, 구덩이 등)를 감지하도록 구성될 수 있다.

상업용 트럭 운송 응용에서, 증가된 중량 및 그에 따라 이러한 차량에 요구되는 더 긴 정지 거리로 인해 모든 거리에 있는 객체들을 효과적으로 감지하는 것이 중요하다. FM LIDAR 시스템(예를 들어, FMCW 및/또는 FMQW 시스템) 또는 PM LIDAR 시스템은 전술한 장점들로 인해 상업용 트럭 응용에 매우 적합하다. 결국, 이러한 시스템을 갖춘 상업용 트럭은 단거리 또는 장거리에 걸쳐 사람과 물품을 모두 안전하게 이동시킬 수 있는 능력이 향상되어 상업용 트럭뿐만 아니라 주변 차량의 안전성도 향상될 수 있다. 다양한 구현예들에서, 이러한 FM 또는 PM LIDAR 시스템은 상업용 트럭에 운전자가 탑승해 있고 상업용 트럭의 일부 기능들이 FM 또는 PM LIDAR 시스템을 사용하여 자율적으로 작동되는 반자율 응용 또는 상업용 트럭이 단독으로 또는 다른 차량 시스템과 함께 FM 또는 LIDAR 시스템에 의해 전적으로 작동되는 완전 자율 응용에 사용될 수 있다.

3. CW 동작, 준-CW 동작, 펄스파 동작

CW 변조(때로 "CW 동작"으로 지칭됨)를 이용하는 LIDAR 시스템에서, 변조기는 레이저 광을 연속적으로 변조한다. 예를 들어 변조 주기가 10 마이크로초인 경우, 입력 신호는 10 마이크로초 전체에 걸쳐 변조된다.

준-CW 변조(때로 "준-CW 동작"으로 지칭됨)를 이용하는 LIDAR 시스템에서, 변조기는 활성 부분과 비활성 부분 모두를 갖도록 레이저 광을 변조한다. 예를 들어, 10 마이크로초 주기의 경우, 변조기는 2 마이크로초(때로는 "활성 부분"이라고도 함) 동안만 레이저 광을 변조하지만 8 마이크로초(때로는 "비활성 부분"이라고도 함) 동안은 레이저 광을 변조하지 않는다. 광 신호는 항상 온-상태(예를 들어, 활성화(enabled) 상태, 전원 공급 상태, 전송 상태 등)일 필요는 없기 때문에, LIDAR 시스템은 변조기가 연속 신호를 제공할 필요가 없는 시간 부분(예를 들어, 8 마이크로초) 동안 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 또한, 오프 상태(예를 들어, 비활성화 상태, 전원 꺼짐 상태 등)의 에너지가 실제 측정 시간 동안 소비될 수 있는 경우, 신호 대 잡음비(SNR)의 부스트 및/또는 신호 처리 요건의 감소가 이루어져 더 긴 시간 규모에서 모든 에너지를 일관되게 통합할 수 있다.

펄스파 변조(때로 "펄스파 동작"이라고 함)를 이용하는 LIDAR 시스템에서, 변조기는 활성 부분과 비활성 부분 모두를 갖도록 레이저 광을 변조한다. 그런 다음, 하나 이상의 게이트가 광 스위치를 통해 광 증폭기에 레이저 입력을 시드(seed)하여 모두 일정한 신호 전력을 유지하는 한편 (예를 들어, 듀티 사이클에 의해) 1/(광 듀티 사이클)의 즉각적인 출력 전력 증가 및 처리 요건의 감소를 가져오는 광 이득 증가를 이용한다.

도 2는 CW 동작, 준-CW 동작 및/또는 펄스파 동작을 사용하는 하나 이상의 LIDAR 시스템들에 의해 형성된 파형들 간의 차이(예를 들어, 진폭, 주기, 평균 전력, 듀티 사이클 등의 차이)를 나타내는 시간-기반 그래프이다. 시간-기반 그래프(200)는 파형(202a), 파형(202b), 및 파형(202c)을 포함한다. CW 동작을 사용하는 LIDAR 시스템(예를 들어, 도 1a의 LIDAR(136))은 복수의 코드들(예를 들어, 코드 1, 코드 2, 코드 3 및 코드 4)에 기초한 'h'의 진폭을 갖는 파형(202a, 예를 들어, 연속파)을 구성할 수 있다. 준-CW 동작을 사용하는 LIDAR 시스템(예를 들어, 도 1a의 LIDAR(136))은 50%와 동일한 (또는 실질적으로 동일한) 듀티 사이클 및 복수의 코드들(예를 들어, 코드 1 및 코드 2)에 기초한 파형(202a)의 진폭의 2배(예를 들어, 2h)와 동일한(또는 실질적으로 동일한) 진폭을 갖는 파형(202b, 예를 들어, 준-CW)을 구성할 수 있다. 펄스파 동작을 사용하는 LIDAR 시스템(예를 들어, 도 1a의 LIDAR(136))은 파형(202a)의 듀티 사이클의 1/12과 동일한 (또는 실질적으로 동일한) 듀티 사이클 및 복수의 코드들(예를 들어, 코드 1 및 코드 2)에 기초한 파형(202a)의 진폭의 12배(예를 들어, 12h)와 동일한(또는 실질적으로 동일한) 진폭을 갖는 파형(202c, 예를 들어, 펄스파)을 구성할 수 있다.

4. EDFA를 이용한 펄스파 동작

도 3a는 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 EDFA를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다. 환경(300A)은 송신(Tx) 경로 및 수신(Rx) 경로를 포함하는 LIDAR 시스템(301A)을 포함한다. Tx 경로는 하나 이상의 Tx 입력/출력 포트들(도 3a에 미도시)을 포함할 수 있고, Rx 경로는 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들(도 3a에 미도시)을 포함할 수 있다.

환경(300A)은 LIDAR 시스템(301A)에 결합된 하나 이상의 광학 장치(310, 예를 들어, 진동 스캐너, 단방향 스캐너, Risley 프리즘, 서큘레이터 광학 장치, 및/또는 빔 콜리메이터 등)를 포함한다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광학 장치(210)는 하나 이상의 Tx 입력/출력 포트들을 통해 Tx 경로에 결합될 수 있다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광학 장치(310)는 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들을 통해 Rx 경로에 결합될 수 있다.

환경(300A)은 LIDAR 시스템(301)에 결합된 차량 제어 시스템(120, 예를 들어, 도 1의 차량 제어 시스템(120))을 포함한다. 일부 구현예들에서, 차량 제어 시스템(120)은 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들을 통해 Rx 경로에 결합될 수 있다.

Tx 경로는 레이저 소스(302), 전기-광학 변조기(EOM, 304A), 및 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA, 306)를 포함한다. Rx 경로는 믹서(308), 검출기(312), 및 트랜스임피던스(TIA, 212)를 포함한다. 도 3a는 선택된 수의 구성요소들과 하나의 입력/출력 채널만을 보여주고 있지만, 환경(300A)은 차량의 작동을 지원하기 위한 LIDAR 시스템의 여러 기능들의 결합이 용이해지도록 임의의 배열로 상호 연결된 임의의 수의 구성요소들 및/또는 입력/출력 채널들(의 임의의 조합)을 포함할 수 있다.

레이저 소스(302)는 로컬 발진기(LO) 신호로부터 유도되는 (또는 이와 연관된) 광 신호를 생성하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 광 신호는 1550 나노미터와 동일하거나 이와 실질적으로 동일한 동작 파장을 가질 수 있다. 일부 구현예들에서, 광 신호는 1400 나노미터 내지 1600 나노미터의 동작 파장을 가질 수 있다.

레이저 소스(302)는 EOM(304A)에 광 신호를 제공하도록 구성되며, EOM(304A)은 변조된 광 신호를 생성하도록 코드 신호(예를 들어, "00011010")에 기초하여 광 신호의 위상 및/또는 주파수를 변조하도록 구성된다. EOM(304A)은 변조된 광 신호를 EDFA(306)에 전송하도록 구성된다. EDFA(306)는 복수의 이득 구성들과 연관되며, 각각의 이득 구성은 EDFA(306)가 입력 신호를 증폭(예를 들어, 부스트)해야 하는 레벨을 결정한다. 일부 구현예들에서, EDFA(306)는 정전류 모드로 구성될 수 있다.

하나 이상의 프로세서들(예를 들어, 자율 주행 차량 제어 시스템(120), 컴퓨팅 시스템(172) 등)은 EDFA(306)가 변조된 광 신호를 증폭하여 펄스 엔벨로프 신호를 생성하게 하도록 EDFA(306)의 이득 구성을 변경(예를 들어, 변경, 조정, 수정 등)하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 프로세서들은 랜덤 방식, 주기적 방식(예를 들어, 0.1 밀리초와 5 밀리초 사이 등의 임의의 시점) 또는 연속적인 방식으로 복수의 이득 구성들 중의 하나 이상의 이득 구성들(예를 들어, 복수의 이득 구성들의 서브세트 또는 전부)에 걸쳐 EDFA(306)의 이득 구성을 변경할 수 있다. EDFA(306)는 펄스 엔벨로프 신호를 광학 장치(310)에 전송하도록 구성된다.

광학 장치(310)는 Tx 경로로부터 수신한 증폭된 광 신호를 객체(318) 측의 주어진 시야 내의 자유 공간 내로 조향하고, 수신기(도 3a에 미도시)를 통해 객체(318)로부터 다시 반사된 리턴 신호를 수신하고, 리턴된 신호를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공하도록 구성된다.

일부 구현예들에서, 레이저 소스(302)는 변조되지 않은 LO 신호(도 3a에 미도시)를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예들에서, EOM(304)은 변조된 LO 신호(도 3a에 미도시)를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공하도록 구성될 수 있다.

믹서(308)는 (변조되거나 변조되지 않은) LO 신호를 리턴된 신호와 믹스(예를 들어, 결합, 곱 등)하여 하향 변환된 신호를 생성하고 하향 변환된 신호를 검출기(312)로 전송하도록 구성된다. 일부 배열들에서, 믹서(308)는 LO 신호(변조되거나 변조되지 않은 신호)를 검출기(312)로 전송하도록 구성된다.

검출기(312)는 하향 변환된 신호에 기초하여 전기 신호를 생성하고 전기 신호를 TIA(314)로 전송하도록 구성된다. 일부 배열들에서, 검출기(312)는 하향 변환된 신호 및 변조된 광 신호를 기초로 전기 신호를 생성하도록 구성된다.

TIA(314)는 전기 신호를 증폭하고 증폭된 전기 신호를 차량 제어 시스템(120)으로 전송하도록 구성된다.

차량 제어 시스템(120)은 객체(318)까지의 거리를 결정하고 그리고/또는 객체가 TIA로부터 수신하는 하나 이상의 전기 신호들을 기초로 객체(318)의 속도를 측정하도록 구성된다.

도 3b는 일부 구현예들에 따른, EDFA를 사용하고 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 레이저 소스를 직접 변조하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다. 전기-광학 변조기(EOM, 304A)가 제거된 것을 제외하면, 도 3b의 환경(300B)은 도 3a의 환경(300A)과 동일한 구성요소들(및 이 구성요소들의 적어도 동일한 기능)을 포함한다.

레이저 소스(302)는 LO 신호로부터 유도되는 (또는 이와 연관된) 광 신호를 생성하도록 구성된다. 레이저 소스(302)는 변조된 광 신호를 생성하도록 코드 신호(예를 들어, "00011010")에 기초하여 광 신호의 위상 및/또는 주파수를 변조하도록 구성되기도 한다. 레이저 소스(302)는 변조된 광 신호를 EDFA(306)에 전송하도록 구성된다. 레이저 소스(302)는 일부 구현예들에서 변조되지 않았거나 변조된 LO 신호(도 3b에 미도시)를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공하도록 구성될 수 있다.

하나 이상의 프로세서들(예를 들어, 자율 차량 제어 시스템(120), 컴퓨팅 시스템(172) 등)은 EDFA(306)가 변조된 광 신호를 증폭하여 펄스 엔벨로프 신호를 생성하게 하도록 EDFA(306)의 이득 구성을 변경(예를 들어, 변경, 조정, 수정 등)하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 프로세서들은 랜덤 방식, 주기적 방식(예를 들어, 0.1 밀리초와 5 밀리초 사이 등의 임의의 시점) 또는 연속적인 방식으로 복수의 이득 구성들 중의 하나 이상의 이득 구성들(예를 들어, 복수의 이득 구성들의 서브세트 또는 전부)에 걸쳐 EDFA(306)의 이득 구성을 변경할 수 있다. EDFA(306)는 펄스 엔벨로프 신호를 광학 장치(310)에 전송하도록 구성된다.

도 3a와 관련하여 여기에서 논의된 바와 같이, 광학 장치(310)는 Tx 경로로부터 수신한 광 신호를 객체(318) 측의 주어진 시야 내의 자유 공간 내로 조향하고, 수신기를 통해 객체(318)로부터 다시 반사된 리턴 신호를 수신하고, 리턴된 신호를 Rx 경로에 제공하도록 구성된다. Rx 경로는 리턴된 신호로부터 하나 이상의 전기 신호들을 생성하고 하나 이상의 전기 신호들을 차량 제어 시스템(120)에 전달하며, 차량 제어 시스템은 Rx 경로로부터 수신하는 하나 이상의 전기 신호들을 기초로 객체(318)까지의 거리를 결정하고 그리고/또는 객체(318)의 속도를 측정하도록 구성된다.

EDFA(예를 들어, 도 3a 및/또는 도 3b의 EDFA(306))는 일부 구현예들에서 일정한 이득 펌핑 속도를 가질 수 있으며, 이는 입력 광이 없을 때 이득이 시간이 지남에 따라 증가하도록 하여 광 펄스가 EDFA에 입력될 때 광 에너지 방출을 위한 위치 에너지가 축적될 수 있다. EDFA의 이러한 에너지 저장 메커니즘은 출력 광학 에너지를 펄스로 집중시키고 EDFA의 입력 및 출력이 연속적이거나 준-연속적인 경우와 비교적 유사한 평균 전력(예를 들어, 많은 펄스 주기에 걸진 평균)을 달성하는 것이 단순화한다.

도 3c는 일부 구현예들에 따른, EDFA가 일정한 이득 펌핑 속도를 갖는 EDFA 이전의 광도의 예시적인 파형을 도시한다. 도 3d는 일부 구현예들에 따라 EDFA가 일정한 이득 펌핑 속도를 갖는 EDFA 이후의 광도의 예시적인 파형을 도시한다. 그러나, 일부 구현예들에서, 두 경우 모두(예를 들어, 전후)에서 펄스의 전력은 듀티 사이클의 역수만큼 증가될 것이다.

5. 광 스위치를 이용한 펄스파 동작

도 4a는 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 광 스위치를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다. 환경(400A)은 송신(Tx) 경로 및 수신(Rx) 경로를 포함하는 LIDAR 시스템(401A)을 포함한다. Tx 경로는 하나 이상의 Tx 입력/출력 포트들(도 4a에 미도시)을 포함할 수 있고, Rx 경로는 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들(도 4a에 미도시)을 포함할 수 있다.

환경(400A)은 LIDAR 시스템(401A)에 결합된 하나 이상의 광학 장치들(310)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광학 장치들(310)은 하나 이상의 Tx 입력/출력 포트들을 통해 Tx 경로에 결합될 수 있다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광학 장치들(310)은 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들을 통해 Rx 경로에 결합될 수 있다.

환경(400A)은 LIDAR 시스템(401)에 결합된 차량 제어 시스템(120, 예를 들어, 도 1의 차량 제어 시스템(120))을 포함한다. 일부 구현예들에서, 차량 제어 시스템(120)은 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들을 통해 Rx 경로에 결합될 수 있다.

Tx 경로는 레이저 소스(402), 전기-광학 변조기(EOM, 404A), 광 스위치(405), 및 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA, 406)를 포함한다. Rx 경로는 믹서(308), 검출기(312), 및 트랜스임피던스(TIA, 312)를 포함한다. 도 4a는 선택된 수의 구성요소들과 하나의 입력/출력 채널만을 도시하고 있지만, 환경(400A)은 차량의 작동을 지원하기 위한 LIDAR 시스템의 다중 기능들의 결합이 용이해 지도록 임의의 배열로 상호 연결된 임의의 수의 구성요소들 및/또는 입력/출력 채널들(의 임의의 조합)을 포함할 수 있다.

레이저 소스(402)는 LO 신호로부터 유도된 (또는 이와 연관된) 광 신호를 생성하도록 구성된다. 레이저 소스(402)는 EOM(404A)에 광 신호를 제공하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 레이저 소스(402)는 변조되지 않은 LO 신호(도 3a에 미도시)를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공하도록 구성될 수 있다.

EOM(404A)은 변조된 광 신호를 생성하도록 코드 신호(예를 들어, "00011010")에 기초하여 광 신호의 위상 및/또는 주파수를 변조하도록 구성된다. EOM(404A)은 변조된 광 신호를 광 스위치(405)로 전송하도록 구성된다. EOM(404A)은 일부 구현예들에서 LO 신호(도 4a에 미도시)를 변조하고 변조된 LO 신호를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공하도록 구성될 수 있다.

하나 이상의 프로세서들(예를 들어, 자율 주행 차량 제어 시스템(120), 컴퓨팅 시스템(172) 등)은 광 스위치(405)가 변조된 광 신호에 기초하여 펄스 엔벨로프 신호를 생성하게 하도록 광 스위치(405)를 활성화 상태(예를 들어, 광 신호가 스위치의 입력과 출력 사이를 통과하도록 허용하는 상태)와 비활성화 상태(예를 들어, 광 신호가 스위치의 입력과 출력 사이를 통과하는 것을 방지하는 상태) 사이에서 토글(예를 들어, 활성화, 비활성화, 인에이블, 디스에이블, 이동, 플립, 조정, 구성 등)하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 프로세서들은 랜덤 방식, 주기적 방식(예를 들어, 0.1 마이크로초와 10 마이크로초 사이 등의 임의의 시점) 또는 연속적인 방식으로 광 스위치(405)를 토글할 수 있다. 광 스위치(405)는 펄스 엔벨로프 신호를 EDFA(406)에 전송하도록 구성된다.

EDFA(406)는 펄스 엔벨로프 신호를 증폭하는 것에 의해 증폭된 펄스 엔벨로프 신호를 생성하고 증폭된 펄스 엔벨로프 신호를 광학 장치(310)로 전송하도록 구성된다.

도 3a와 관련하여 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 광학 장치들(310)은 Tx 경로로부터 수신하는 광 신호를 객체(318) 측의 주어진 시야 내의 자유 공간 내로 조향하고, 수신기를 통해 객체(318)로부터 다시 반사된 리턴 신호를 수신하고, 리턴된 신호를 Rx 경로에 제공하도록 구성된다. Rx 경로는 리턴된 신호로부터 하나 이상의 전기 신호들을 생성하고 하나 이상의 전기 신호들을 차량 제어 시스템(120)에 전달하며, 해당 차량 제어 시스템은 객체(318)까지의 거리를 결정하고 그리고/또는 Rx 경로로부터 수신하는 하나 이상의 전기 신호들을 기초로 객체(318)의 속도를 측정하도록 구성된다.

광 신호에 대응하는 노드(411, 즉, 레이저(402)의 출력)에서의 파형은 다음 수학식으로 표현될 수 있다:

(1)

변조된 광 신호에 대응하는 노드(413, 즉, EOM(404)의 출력)에서의 파형은 다음 수학식으로 표현될 수 있다:

(2)

여기서, (t) =.

펄스 엔벨로프 신호에 대응하는 노드(415, 즉, 스위치(405)의 출력)에서의 파형은 다음 수학식으로 표현될 수 있다:

(3)

여기서,

도 4b는 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 광 스위치를 사용하는 펄스파 작동에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다. 전기-광학 변조기(EOM, 404A)가 제거된 것을 제외하고, 도 4b의 환경(400B)은 도 4a의 환경(400A)과 동일한 구성요소들(및 적어도 동일한 기능)을 포함한다.

레이저 소스(402)는 LO 신호로부터 유도된 (또는 이와 연관된) 광 신호를 생성하도록 구성된다. 레이저 소스(402)는 또한 변조된 광 신호를 생성하도록 코드 신호(예를 들어, "00011010")에 기초하여 광 신호의 위상 및/또는 주파수를 변조하도록 구성된다. 레이저 소스(402)는 변조된 광 신호를 광 스위치(405)로 전송하도록 구성된다. 레이저 소스(402)는 일부 구현예들에서 변조되지 않거나 변조된 LO 신호(도 4b에 미도시)를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공하도록 구성될 수 있다.

도 4c는 일 구현예에 따른, 펄스파 LIDAR가 차량의 작동을 지원하기 위한 예시적인 방법을 도시한 흐름도이다. 여러 단계들이 예시를 위한 특정한 순서의 통합 단계들로서 도 4c에 도시되어 있지만, 다른 구현예들에서, 하나 이상의 단계들 또는 그 일부가 다른 순서로 또는 직렬 또는 병렬로 시간적으로 중첩되게 수행되거나, 또는 생략되거나, 또는 하나 이상의 추가 단계가 추가되거나, 방법이 일부 방식의 조합으로 변경된다. 일부 구현예들에서, 방법(400C)의 일부 또는 모든 동작은 도 4a의 환경(400A)에 도시된 하나 이상의 구성요소들(예를 들어, LIDAR 시스템(401), 광학 장치(310), 자율 주행 차량 제어 시스템(120)) 중의 하나 이상에 의해 수행될 수 있다. 일부 구현예들에서, 방법(400C)의 일부 또는 모든 동작은 도 4b의 환경(400B)에 도시된 하나 이상의 구성요소들(예를 들어, LIDAR 시스템(401), 광학 장치(310), 자율 주행 차량 제어 시스템(120)) 중의 하나 이상에 의해 수행될 수 있다.

방법(400C)은 변조된 광 신호를 생성하도록 광 신호를 변조하는 동작(402C)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 방법(400C)은 펄스 엔벨로프 신호를 생성하도록 변조된 광 신호로부터 복수의 펄스들을 선택하는 동작(404C)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 방법(400C)은 하나 이상의 광학 요소들을 통해 펄스 엔벨로프 신호를 전송하는 동작(406C)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 방법(400C)은 펄스 엔벨로프 신호의 전송에 응답하여 반사되는 신호를 수신하는 동작(408C)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 방법(400C)은 반사된 신호와 연관된 전기 신호에 기초하여 객체까지의 거리를 결정하는 동작(410C)을 포함한다.

6. 마하-젠더 변조기를 사용한 펄스파 동작

도 5는 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 마하-젠더(Mach-Zehnder) 변조기를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다. 환경(500A)은 송신(Tx) 경로 및 수신(Rx) 경로를 포함하는 LIDAR 시스템(501)을 포함한다. Tx 경로는 하나 이상의 Tx 입력/출력 포트들(도 5에 미도시)을 포함할 수 있고, Rx 경로는 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들(도 5에 미도시)을 포함할 수 있다.

환경(500A)은 LIDAR 시스템(501)에 결합된 하나 이상의 광학 장치들(310)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광학 장치들(310)은 하나 이상의 Tx 입력/출력 포트들을 통해 Tx 경로에 결합될 수 있다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광학 장치들(310)은 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들을 통해 Rx 경로에 결합될 수 있다.

환경(500A)은 LIDAR 시스템(501)에 결합된 차량 제어 시스템(120, 예를 들어, 도 1의 차량 제어 시스템(120))을 포함한다. 일부 구현예들에서, 차량 제어 시스템(120)은 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들을 통해 Rx 경로에 결합될 수 있다.

Tx 경로는 레이저 소스(502), 마하-젠더 변조기(505), 및 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA, 506)를 포함한다. Rx 경로는 믹서(308), 검출기(312), 및 트랜스임피던스(TIA, 312)를 포함한다. 도 5는 선택된 수의 구성요소들과 하나의 입력/출력 채널만을 도시하지만, 환경(500A)은 차량의 작동을 지원하기 위한 LIDAR 시스템의 다중 기능들의 결합을 용이하게 하기 위해 임의의 배열로 상호 연결된 임의의 수의 구성요소들 및/또는 입력/출력 채널들(의 임의의 조합)을 포함할 수 있다.

레이저 소스(502)는 LO 신호로부터 유도되는 (또는 이와 연관된) 광 신호를 생성하도록 구성된다. 레이저 소스(502)는 광 신호를 마하-젠더 변조기(505)에 제공하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 레이저 소스(502)는 LO 신호(도 5에 미도시)를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공하도록 구성될 수 있다.

마하-젠더 변조기(505)는 레이저 소스(502)로부터의 광 신호를 분할하고 전기-광학 변조로 두 경로를 변조함으로써 유도된 두 경로 사이의 상대적 위상 변이 변화를 변환하도록 구성된다. 마하-젠더 변조기(505)는 상대적 위상 변화에 기초하여 펄스 엔벨로프 신호를 생성하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 마하-젠더 변조기(505)는 변조된 펄스 엔벨로프 신호를 생성하도록 코드 신호(예를 들어, "00011010")에 기초하여 펄스 엔벨로프 신호의 위상 및/또는 주파수를 변조한다. 마하-젠더 변조기(505)는 (변조되지 않은 또는 변조된) 펄스 엔벨로프 신호를 EDFA(506)로 전송하도록 구성된다. 마하-젠더 변조기(505)는 일부 구현예들에서 LO 신호를 변조하고 변조된 LO 신호를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공할 수 있다. 마하-젠더 변조기(505)는 일부 구현예들에서 신호의 출력 진폭 감쇠를 보정하기 위해 펄스 성형(pulse shaping)에 사용될 수 있다.

EDFA(506)는 펄스 엔벨로프 신호를 증폭함으로써 증폭된 펄스 엔벨로프 신호를 생성하고 증폭된 펄스 엔벨로프 신호를 광학 장치(310)로 전송하도록 구성된다.

다시 도 5를 참조하면, 하나 이상의 프로세서들(예를 들어, 자율 주행 차량 제어 시스템(120), 컴퓨팅 시스템(172) 등)은 MZ 변조기(505)가 변조된 광 신호 외에 펄스 엔벨로프 신호를 생성할 수 있도록 MZ 변조기(505)의 출력을 활성화 상태(예를 들어, 광 신호가 입력과 출력 사이를 통과하도록 허용하는 상태)와 비활성화 상태(예를 들어, 광 신호가 입력과 출력 사이를 통과하는 것을 방지하는 상태) 사이에서 토글(예를 들어, 활성화, 비활성화, 인에이블, 디스에이블, 이동, 플립, 조정, 구성 등)하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 프로세서들은 랜덤 방식, 주기적 방식(예를 들어, 0.1 마이크로초와 10 마이크로초 사이 등의 임의의 시점) 또는 연속적인 방식으로 MZ 변조기(505)의 출력을 토글할 수 있다. MZ 변조기(505)는 변조된 펄스 엔벨로프 신호를 EDFA(506)에 전송하도록 구성된다.

일부 구현예들에서, 광 신호에 대응하는 노드(511, 즉, 레이저(502)의 출력)에서의 파형은 다음 수학식으로 표현될 수 있다:

(4)

일부 구현예들에서, 변조되고 펄스화된 광 신호에 대응하는 노드(515, 즉, MZ 변조기(505)의 출력)에서의 파형은 다음 수학식으로 표현될 수 있다:

(5)

여기서,

7. EAM을 이용한 펄스파 동작

도 6은 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 전기-흡수 변조기(electro-absorption modulator: EAM)를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다. 환경(600)은 송신(Tx) 경로 및 수신(Rx) 경로를 포함하는 LIDAR 시스템(601)을 포함한다. Tx 경로는 하나 이상의 Tx 입력/출력 포트들(도 6에 미도시)을 포함할 수 있고, Rx 경로는 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들(도 6에 미도시)을 포함할 수 있다.

환경(600)은 LIDAR 시스템(601)에 결합된 하나 이상의 광학 장치들(310)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광학 장치들(310)은 하나 이상의 Tx 입력/출력 포트들을 통해 Tx 경로에 결합될 수 있다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광학 장치들(310)은 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들을 통해 Rx 경로에 결합될 수 있다.

환경(600)은 LIDAR 시스템(601)에 결합된 차량 제어 시스템(120, 예를 들어, 도 1의 차량 제어 시스템(120))을 포함한다. 일부 구현예들에서, 차량 제어 시스템(120)은 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들을 통해 Rx 경로에 결합될 수 있다.

Tx 경로는 레이저 소스(602), EAM(605), 및 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA, 606)를 포함한다. Rx 경로는 믹서(308), 검출기(312), 및 트랜스임피던스(TIA, 312)를 포함한다. 도 6은 선택된 수의 구성요소들과 하나의 입력/출력 채널만을 도시하고 있지만, 환경(600)은 차량의 작동을 지원하기 위한 LIDAR 시스템의 여러 기능들의 결합을 용이하게 하도록 임의의 배열로 상호 연결된 임의의 수의 구성요소들 및/또는 입력/출력 채널들(의 임의의 조합)을 포함할 수 있다.

레이저 소스(602)는 LO 신호로부터 유도되는 (또는 이와 연관된) 광 신호를 생성하도록 구성된다. 레이저 소스(602)는 EAM(605)에 광 신호를 제공하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 레이저 소스(602)는 Rx 경로의 믹서(308)에 LO 신호(도 6에 미도시)를 제공하도록 구성될 수 있다.

EAM(605)은 코드 신호(예를 들어, "00011010")에 따라 전기 전압을 통해 광 신호의 진폭(예를 들어, 강도)을 변조하도록 구성된다. 즉, EAM(605)은 흡수 계수(absorption coefficient)를 갖는 반도체 재료로 구성된다. 하나 이상의 프로세서들(예를 들어, 자율 주행 차량 제어 시스템(120), 컴퓨팅 시스템(172) 등)이 EAM(605)에 외부 전기장을 인가하면, 흡수 계수가 변하여 밴드갭 에너지가 변화되고, 이는 결국 EAM(605)으로 하여금 입사하는 광 신호의 진폭을 변조하게 한다. 광 신호의 진폭을 변조함으로써 EAM(605)은 펄스 엔벨로프 신호를 생성할 수 있다. EAM(605)은 펄스 엔벨로프 신호를 EDFA(606)에 전송하도록 구성된다. EAM(605)은 일부 구현예들에서 LO 신호를 변조하고 변조된 LO 신호를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공할 수 있다.

EDFA(606)는 펄스 엔벨로프 신호를 증폭하여 증폭된 펄스 엔벨로프 신호를 생성하고, 증폭된 펄스 엔벨로프 신호를 광학 장치(310)에 전송한다.

8. SOA를 이용한 펄스파 동작

도 7은 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 반도체 광 증폭기(SOA)를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다. 환경(700)은 송신(Tx) 경로 및 수신(Rx) 경로를 포함하는 LIDAR 시스템(701)을 포함한다. Tx 경로는 하나 이상의 Tx 입력/출력 포트들(도 7에 미도시)을 포함할 수 있고, Rx 경로는 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들(도 7에 미도시)을 포함할 수 있다.

환경(700)은 LIDAR 시스템(701)에 결합된 하나 이상의 광학 장치들(310)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광학 장치들(310)은 하나 이상의 Tx 입력/출력 포트들을 통해 Tx 경로에 결합될 수 있다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광학 장치들(310)은 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들을 통해 Rx 경로에 결합될 수 있다.

환경(700)은 LIDAR 시스템(701)에 결합된 차량 제어 시스템(120, 예를 들어, 도 1의 차량 제어 시스템(120))을 포함한다. 일부 구현예들에서, 차량 제어 시스템(120)은 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트들을 통해 Rx 경로에 결합될 수 있다.

Tx 경로는 레이저 소스(702), 변조기(705), 반도체 광 증폭기(SOA, 706)를 포함한다. Rx 경로는 믹서(308), 검출기(312), 및 트랜스임피던스(TIA, 312)를 포함한다. 도 7은 선택된 수의 구성요소들과 하나의 입력/출력 채널만을 도시하고 있지만, 환경(700)은 차량의 작동을 지원하기 위한 LIDAR 시스템의 여러 기능들의 결합을 용이하게 하도록 임의의 배열로 상호 연결된 임의의 수의 구성요소들 및/또는 입력/출력 채널들(의 임의의 조합)을 포함할 수 있다.

레이저 소스(702)는 LO 신호로부터 유도되는 (또는 이와 연관된) 광 신호를 생성하도록 구성된다. 레이저 소스(702)는 광 신호를 변조기(705)에 제공하도록 구성된다. 레이저 소스(702)는 일부 구현예들에서 LO 신호(도 7에 미도시)를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공하도록 구성될 수 있다.

변조기는 변조된 광 신호를 생성하도록 코드 신호(예를 들어, "00011010")에 기초하여 광 신호의 위상 및/또는 주파수 및/또는 강도를 변조하도록 구성된다. 변조기(705)는 일부 구현예들에서 EOM(예를 들어, 도 4a의 EOM(404)), EAM(예를 들어, 도 6의 EAM(605)), 또는 마하-젠더 변조기(예를 들어, 도 5의 마하-젠더 변조기(505))일 수 있다. 변조기(705)는 변조된 광 신호를 SOA(706)로 전송하도록 구성된다. 변조기(705)는 일부 구현예들에서 LO 신호를 변조하고 변조된 LO 신호를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공할 수 있다.

SOA(706)는 복수의 이득 구성들과 연관될 수 있으며, 이득 구성 각각은 SOA(706)가 입력 신호를 증폭(예를 들어, 부스트)해야 하는 레벨을 결정한다.

하나 이상의 프로세서들(예를 들어, 자율 주행 차량 제어 시스템(120), 컴퓨팅 시스템(172) 등)은 SOA(706)가 변조된 광 신호를 증폭하는 것에 의해 펄스 엔벨로프 신호를 생성하게 하도록 SOA(706)의 이득 구성을 변경(예를 들어, 변경, 조정, 수정 등)하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 프로세서들은 랜덤 방식, 주기적 방식(예를 들어, 0.1 마이크로초와 10 마이크로초 사이 등의 임의의 시점) 또는 연속적인 방식으로 복수의 이득 구성들 중의 하나 이상의 이득 구성들(예를 들어, 복수의 이득 구성들의 서브세트 또는 전부)에 걸쳐 SOA(706)의 이득 구성을 변경할 수 있다. SOA(706)는 펄스 엔벨로프 신호를 광학 장치들(310)에 전송하도록 구성된다.

도 8은 일부 구현예들에 따른, 자율 주행 차량을 작동시키기 위해 반도체 광 증폭기(SOA) 및 인덱스 변조(index modulation)를 사용하는 펄스파 동작에서 LIDAR 시스템의 예시적인 환경을 도시하는 블록도이다. 변조기(705)의 제거를 제외하고, 도 8의 환경(800B)은 도 7의 환경(700)과 동일한 구성요소들(및 적어도 동일한 기능)을 포함한다.

레이저 소스(802)는 LO 신호로부터 유도된 (또는 이와 연관된) 광 신호를 생성하도록 구성된다. 레이저 소스(802)는 변조된 광 신호를 SOA(806)로 전송하도록 구성된다. 레이저 소스(802)는 일부 구현예들에서 LO 신호(도 8에 미도시)를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공하도록 구성될 수 있다. .

SOA(806)는 복수의 이득 구성들과 연관되며, 이득 구성 각각은 SOA(806)가 입력 신호를 증폭(예를 들어, 부스트)해야 하는 레벨을 결정한다.

하나 이상의 프로세서들(예를 들어, 자율 차량 제어 시스템(120), 컴퓨팅 시스템(172) 등)은 SOA(806)가 변조된 광 신호를 증폭하는 것에 의해 펄스 엔벨로프 신호를 생성하게 하도록 SOA(806)의 이득 구성을 변경(예를 들어, 변경, 조정, 수정 등)하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 프로세서들은 랜덤 방식, 주기적 방식(예를 들어, 0.1 마이크로초와 10 마이크로초 사이 등의 임의의 시점) 또는 연속적인 방식으로 복수의 이득 구성들 중의 하나 이상의 이득 구성들(예를 들어, 복수의 이득 구성들 서브세트 또는 전부)에 걸쳐 SOA(806)의 이득 구성을 변경할 수 있다.

SOA(806)는 인덱스 변조를 이용하고 코드 신호(예를 들어, "00011010")에 기초하여 광 신호 및/또는 펄스 엔벨로프 신호를 변조하도록 구성된다. SOA(806)는 펄스 엔벨로프 신호를 광학 장치(310)에 전송하도록 구성된다. SOA(806)는 일부 구현예들에서 LO 신호를 변조하고 변조된 LO 신호를 Rx 경로의 믹서(308)에 제공할 수 있다.

이전의 설명은 당업자가 본 명세서에 설명된 다양한 양태들을 실행할 수 있도록 제공된 것이다. 이들 양태들에 대한 다양한 변형들은 당업자에게 확실히 분명하며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 다른 양태들에 적용될 수 있다. 따라서, 청구범위는 여기에 예시된 양태들로 제한되지 않지만 청구범위 표현(language claims)과 일치하는 전체 범위에 따르도록 의도되며, 여기서 단수의 요소에 대한 언급은 구체적으로 명시되지 않는 한 "오직 하나"를 의미하는 것으로 의도되지 않고 오히려 "하나 이상"을 의미한다. 달리 명시되지 않는 한, "일부"라는 용어는 하나 이상을 말한다. 당업자에게 알려져 있거나 나중에 알려지게 되는 이전의 설명 전반에 설명된 다양한 양태들의 요소들에 대한 모든 구조적 및 기능적 균등물들은 참조로서 여기에 명시적으로 포함되고, 청구범위에 의해 포괄되도록 의도된다. 더욱이, 여기에 개시된 어떤 것도 이러한 개시 내용이 청구범위에 명시적으로 인용되는지 여부에 관계없이 대중에게 헌정되도록 의도되지 않는다. 요소가 "~을 위한 수단"이라는 문구를 사용하여 명시적으로 언급되지 않는 한 어떠한 청구범위 요소도 기능식 표현(means plus function)으로 해석되어서는 안된다.

개시된 프로세스들에서의 블록들의 특정한 순서 또는 계층 구조는 예시적인 접근법의 예인 것으로 이해된다. 설계 선호도에 따라, 프로세스들에서의 블록들의 특정한 순서 또는 계층 구조는 이전의 설명의 범위 내에 남아 있으면서 재배열될 수 있는 것으로 이해된다. 첨부된 방법 청구범위는 다양한 블록들의 요소들을 샘플 순서로 제시하며, 제시된 특정한 순서 또는 계층 구조로 제한되는 것을 의미하지 않는다.

개시된 구현예들의 이전의 설명은 당업자가 개시된 주제를 구성 또는 사용할 수 있도록 제공된다. 이러한 구현예들에 대한 다양한 변형들은 당업자에게 확실히 분명하며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 이전의 설명의 취지 또는 범위를 벗어나지 않고 다른 구현예들에 적용될 수 있다. 따라서, 이전의 설명은 본 명세서에 예시된 구현예들로 제한되도록 의도되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위로 부여되어야 한다.

예시되고 설명된 다양한 예들은 청구범위의 다양한 특징들을 설명하기 위한 다수의 예로서만 제공된다. 그러나, 임의의 주어진 예와 관련하여 예시되고 설명된 특징들은 반드시 관련된 예에 제한되지 않으며, 예시되고 설명된 다른 예들에 사용되거나 이들 예와 함께 조합될 수 있다. 또한, 청구범위는 어느 하나의 예에 의해 제한되는 것으로 의도되지 않는다.

전술한 방법의 설명 및 프로세스 흐름도는 단지 예시적인 예들로 제공되며, 다양한 예들의 블록들이 제시된 순서대로 수행되어야 함을 요구하거나 암시하려는 것은 아니다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 전술한 예들에서 블록들의 순서는 임의의 순서로 수행될 수 있다. "이후", "그런 다음", "다음" 등과 같은 단어는 블록들의 순서를 제한하도록 의도되지 않으며; 이들 단어는 단순히 방법들에 대한 설명을 통해 독자를 안내하는 데 사용된다. 또한, 예를 들어 단수 형태의 물품을 사용하는 단수의 청구범위 요소에 대한 어떤 언급도 해당 요소를 단수로 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

본 명세서에 개시된 예들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 로직 블록들, 모듈들, 회로들, 및 알고리즘 블록들은 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다. 하드웨어와 소프트웨어의 이러한 호환성을 명확하게 설명하기 위해, 다양한 예시적인 구성요소들, 블록들, 모듈들, 회로들 및 블록들은 일반적으로 그 기능 측면에서 전술되었다. 이러한 기능이 하드웨어로 구현되는지 소프트웨어로 구현되는지는 전체 시스템에 부과되는 특정한 애플리케이션 및 설계 제약 조건에 따라 다르다. 숙련된 기술자는 설명된 기능을 각각의 특정한 응용에 대해 다양한 방식으로 구현할 수 있지만, 이러한 구현의 결정은 본 개시 내용의 범위에서 벗어나는 원인으로 해석돼서는 안된다.

본 명세서에 개시된 예들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 로직들, 로직 블록들, 모듈들 및 회로들을 구현하는 데 사용되는 하드웨어는 범용 프로세서, DSP, ASIC, FPGA 또는 기타 프로그래밍 가능한 로직 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트들, 또는 여기에 설명된 기능을 수행하도록 설계된 이들의 임의의 조합으로 구현되거나 수행될 수 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수 있지만, 대안으로 프로세서는 임의의 기존 프로세서, 컨트롤러, 마이크로컨트롤러 또는 상태 기계(state machine)일 수 있다. 프로세서는 또한 컴퓨팅 장치들의 조합, 예를 들어 DSP와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서, DSP 코어와 함께 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 임의의 다른 이러한 구성으로서 구현될 수 있다. 대안적으로, 일부 블록들 또는 방법들은 주어진 기능에 특정한 회로에 의해 수행될 수 있다.

일부 예시적인 예들에서, 설명된 기능은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 상기 기능들은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 또는 비일시적 프로세서 판독 가능 저장 매체에 하나 이상의 명령어들 또는 코드로서 저장될 수 있다. 여기에 개시된 방법 또는 알고리즘의 블록들은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 또는 프로세서 판독 가능 저장 매체에 상주할 수 있는 프로세서 실행 가능 소프트웨어 모듈로 구현될 수 있다. 비일시적 컴퓨터 판독 가능 또는 프로세서 판독 가능 저장 매체는 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 저장 매체일 수 있다. 비제한적인 예로서, 이러한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 또는 프로세서 판독 가능 저장 매체는 RAM, ROM, EEPROM, FLASH 메모리, CD-ROM 또는 기타 광 디스크 저장 장치, 자기 디스크 저장 장치 또는 기타 자기 저장 장치, 또는 명령어들 또는 데이터 구조들의 형태로 원하는 프로그램 코드를 저장하는 데 사용될 수 있고 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 여기에서 사용된 디스크(disk)와 디스크(disc)는 컴팩트 디스크(compact disc(DC)), 레이저 디스크(disc), 광 디스크(disc), 디지털 다목적 디스크(digital versatile disc(DVD)), 플로피 디스크(disk) 및 블루레이 디스크(disc)를 포함하며, 여기서 디스크(disk)는 일반적으로 데이터를 자기적으로 재생하는 반면, 디스크(disc)는 데이터를 레이저로 광학적으로 재생한다. 상기의 조합들도 비일시적 컴퓨터 판독 가능 및 프로세서 판독 가능 매체의 범위 내에 포함된다. 또한, 방법 또는 알고리즘의 동작들은 컴퓨터 프로그램 제품에 통합될 수 있는 비일시적 프로세서 판독 가능 저장 매체 및/또는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 코드들 및/또는 명령어들의 하나 또는 임의의 조합 또는 집합으로 상주할 수 있다.

개시된 예들에 대한 이전의 설명은 당업자가 본 개시 내용을 구성 또는 사용할 수 있도록 제공된다. 이들 예들에 대한 다양한 변형들은 당업자에게 확실히 분명하며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시 내용의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 일부 예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시 내용은 본 명세서에 제시된 예들에 제한되도록 의도되지 않고, 다음의 청구범위 및 본 명세서에 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위로 부여되어야 한다.

넓은 범위를 설명하는 수치 범위들 및 파라미터들이 근사치임에도 불구하고, 특정의 비제한적인 예들에 기재된 수치 값들은 가능한 한 정확하게 기록된다. 그러나, 임의의 수치들은 본질적으로 본 문서 작성의 시점에 각각의 테스트 측정치에서 얻어지는 표준 편차로 인해 필연적으로 발생하는 특정한 오류를 포함하고 있다. 더욱이, 문맥상 달리 명시하지 않는 한, 여기에 제시된 수치 값은 최하위 숫자에 의해 주어진 묵시적인 정밀도를 갖는다. 따라서, 1.1 값은 1.05부터 1.15까지를 의미한다. "대략"이라는 용어는 주어진 값을 중심으로 더 넓은 범위를 나타내는 데 사용되며, 문맥상 달리 명시하지 않는 한, 최하위 숫자 주변의 더 넓은 범위를 의미하는 데, 예컨대, "대략 1.1"은 1.0에서 1.2까지의 범위를 의미한다. 최하위 숫자가 불명확한 경우, "대략"이라는 용어는 2배수를 의미한다. 예를 들어 "대략 X"는 0.5X에서 2X까지의 범위의 값을 의미한다. 예를 들어, 대략 100은 50부터 200까지의 범위의 값을 의미한다. 또한, 본 명세서에 개시된 모든 범위는 그 안에 포함된 임의의 및 모든 하위 범위를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 양수값 파라미터에 대한 "10 미만"의 범위는 (해당 값을 포함하는) 0의 최소값과 10의 최대값 사이의 임의의 및 모든 하위 범위, 즉 0 이상의 최소값과 10 이하의 최대값을 가지는 임의의 및 모든 하위 범위(예컨대 1 내지 4의 범위)이다.

본 개시 내용의 일부 구현예들은 개인용 자동차의 영역(예를 들어, 전면, 후면, 측면, 상단 및/또는 하단)에 장착되는 하나 이상의 고해상도 도플러 LIDAR 시스템과 관련하여 아래에서 설명되지만, 구현예들은 이것에 제한되지 않는다. 다른 구현예들에서, 도플러 컴포넌트들이 있거나 없고 시야가 중첩되거나 중첩되지 않는 동일한 유형 또는 다른 고해상도 LIDAR의 하나 또는 다중의 시스템들 또는 조종되거나 자율 주행되는 소형 또는 대형의 육상, 해상 또는 항공 차량에 장착된 하나 이상의 이러한 시스템들이 채용된다. 다른 구현예들에서, 스캐닝 고해상도 LIDAR는 육상 또는 해상에서 임시 또는 영구적 고정 위치에 장착된다.

Claims

제1 신호 전력의 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스;
복수의 이득 구성들을 갖는 증폭기 - 상기 증폭기는 상기 광 신호를 수신하고 상기 복수의 이득 구성들 중의 이득 구성에 기초하여 상기 광 신호를 증폭하도록 구성됨 -; 및
상기 증폭기가 제2 신호 전력의 펄스 엔벨로프 신호를 생성하게 하도록 상기 복수의 이득 구성들 중의 2개 이상의 이득 구성들에 걸쳐 상기 증폭기의 상기 이득 구성을 조정하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들 - 상기 제2 신호 전력은 적어도 상기 광 신호의 듀티 사이클의 역수에 대응하는 양만큼 상기 제1 신호 전력보다 큼-
을 포함하는, 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 증폭기는 하나 이상의 광학 요소들을 통해 상기 펄스 엔벨로프 신호를 전송하는, LIDAR 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 증폭기가 상기 펄스 엔벨로프 신호를 전송하는 것에 응답하여 반사된 신호를 수신하도록 구성된 수신기를 더 포함하고,
상기 하나 이상의 프로세서는 상기 반사된 신호와 연관된 전기 신호에 기초하여 객체까지의 거리를 결정하도록 추가로 구성된, LIDAR 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 펄스 엔벨로프 신호는 1 마이크로초 이상 1 밀리초 이하인 펄스 반복 주기를 가지는, LIDAR 시스템.
청구항 1에 있어서,
전기-광학 변조기를 더 포함하고,
상기 전기-광학 변조기는
상기 레이저 소스로부터 상기 광 신호를 수신하고;
상기 증폭기가 상기 광 신호를 수신하기 전에 상기 광 신호를 변조하도록
구성된, LIDAR 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 변조기는 전기-광학 변조기, 전기-흡수(electro-absorption) 변조기 또는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 변조기인, LIDAR 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 소스는 상기 증폭기가 상기 광 신호를 수신하기 전에 상기 광 신호를 변조하는, LIDAR 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 증폭기는 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA) 또는 반도체 광 증폭기(SOA)를 포함하는, LIDAR 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 증폭기는 상기 SOA를 포함하고, 상기 SOA는 인덱스 변조(index modulation)를 이용하여 상기 광 신호를 변조하는, LIDAR 시스템.
제1 신호 전력의 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스;
상기 광 신호와 연관된 제1 광 신호와 상기 광 신호와 연관된 제2 광 신호 사이의 상대적 위상차를 결정하여 제2 신호 전력의 펄스 엔벨로프 신호를 생성하도록 구성된 펄스 엔벨로프 생성기 - 상기 제2 신호 전력은 적어도 상기 광 신호의 듀티 사이클의 역수에 대응하는 양만큼 상기 제1 신호 전력보다 큼 -; 및
상기 펄스 엔벨로프 신호를 증폭하고 상기 증폭된 펄스 엔벨로프 신호를 하나 이상의 광학 요소들을 통해 전송하도록 구성된 증폭기
를 포함하는, 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 펄스 엔벨로프 생성기는 상기 광 신호의 진폭을 변조하는, LIDAR 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 펄스 엔벨로프 생성기는 전기-흡수 변조기(EAM)인, LIDAR 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 펄스 엔벨로프 생성기는 상기 광 신호를 상기 제1 광 신호와 상기 제2 광 신호로 분할하도록 구성된, LIDAR 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 펄스 엔벨로프 생성기는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 변조기인, LIDAR 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 증폭기는 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA) 또는 반도체 광 증폭기(SOA)를 포함하는, LIDAR 시스템.
변조된 광 신호를 생성하도록 제1 신호 전력의 광 신호를 변조하는 단계;
제2 신호 전력의 펄스 엔벨로프 신호를 생성하도록 상기 변조된 광 신호로부터 복수의 펄스들을 선택하는 단계 - 상기 제2 신호 전력은 적어도 상기 광 신호의 듀티 사이클의 역수에 대응하는 양만큼 상기 제1 신호 전력보다 큼 -;
상기 펄스 엔벨로프 신호를 하나 이상의 광학 요소들을 통해 전송하는 단계;
상기 펄스 엔벨로프 신호의 전송에 응답하여 반사된 신호를 수신하는 단계; 및
상기 반사된 신호와 연관된 전기 신호에 기초하여 객체까지의 거리를 결정하는 단계
를 포함하는, 방법.
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