KR102603968B1 - 콜리메이트된 빔들의 팬을 이용한 코히런트 lidar의 스캐닝을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

콜리메이트된 빔들의 팬을 이용한 코히런트 lidar의 스캐닝을 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

제1 평면에 배열된 도파관(waveguide) 어레이를 갖는 LIDAR 시스템을 포함하는 장치가 제공된다. 도파관 어레이는 각각의 빔이 어레이 내 각각의 도파관으로부터 송신되는 복수의 빔을 생성하도록 구성된다. 또한, 장치는 복수의 빔을 제1 평면에서 각도 확산(angular spread)을 갖는 콜리메이트된 빔들의 팬(fan of collimated beams)으로 만들도록 구성된 콜리메이터(collimator)를 포함한다. 추가로, 장치는 제1 평면과 상이한 제2 평면에서 팬의 방향을 조정하도록 구성된 폴리곤(plolygon) 스캐너를 포함한다. 장치를 사용하는 방법이 또한 제공된다.

Description

콜리메이트된 빔들의 팬을 이용한 코히런트 LIDAR의 스캐닝을 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR SCANNING OF COHERENT LIDAR WITH FAN OF COLLIMATED BEAMS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 35 U.S.C. §119(e)에 의거하여, 전체 내용이 본 명세서에 완전하게 설명된 것처럼 참조로 본 명세서에 포함되는 2019년 8월 10일자 출원된 미국 임시 출원 제62/717,200호의 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 물체(object)에 대한 광 펄스의 왕복 이동 시간(round trip travel time)에 기초한 직접 거리 측정과, 송신된 처프(chirped) 광 신호와 물체로부터 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.
수용 가능한 거리 정확도 및 검출 민감도를 성취하기 위해, 직접 장거리 LIDAR (direct long range LIDAR) 시스템은 낮은 펄스 반복률(pulse repetition rate) 및 매우 높은 펄스 피크 파워를 갖는 짧은 펄스 레이저를 사용한다. 높은 펄스 파워는 광학 컴포넌트의 급격한 성능 저하로 이어질 수 있다. 처프 및 위상 인코딩 LIDAR (Chirped and phase-encoded LIDAR) 시스템은 상대적으로 낮은 피크 광 파워를 갖는 긴 광 펄스를 사용한다. 이 구성에서, 거리 정확도는 펄스 지속 시간이 아니라 처프 대역폭 또는 길이와, 위상 코드의 대역폭에 따라 증가하며, 따라서, 우수한 거리 정확도가 여전히 획득될 수 있다.
광 반송파(optical carrier)를 변조하기 위하여 광대역 무선 주파수(Radio Frequency, RF) 전기 신호를 이용하여 유용한 광 대역폭이 성취되었다. LIDAR의 최근 발전은, 광학 검출기에서 리턴 신호와 조합되는 기준 신호로서 동일한 변조된 광 반송파를 사용하여 기준 광 신호와 리턴 광 신호 사이의 주파수 또는 위상에서의 차이에 비례하는 RF 대역에서의 상대적으로 낮은 비트(beat) 주파수를 결과에 따른 전기 신호에서 생성하는 것을 포함한다. 검출기에서의 주파수 차이에 대한 이러한 종류의 비트 주파수 검출은 헤테로다인 검출(heterodyne detection)이라고 한다. 이것은 즉시 그리고 저렴하게 사용할 수 있는 RF 컴포넌트를 사용하는 이점과 같은 당해 분야에 알려진 몇 가지 장점을 가진다.
본 발명자에 의한 최근 연구는, LIDAR 시스템과 각각의 외부 물체 사이의 벡터에서 개선된 거리뿐만 아니라 상대적인 부호를 가진(signed) 속도를 제공하는 리턴된 신호에서 도플러 시프트(Doppler shift)를 검출하기 위한 광학 컴포넌트의 새로운 배열과 코히런트(coherent) 처리를 보여준다. 이 시스템은 여기에서 고해상도 거리 도플러 LIDAR(hi-res range-Doppler LIDAR) 시스템으로 지칭된다. 예를 들어, 세계 지적 재산 기구(WIPO) 공보 WO 2018/160240 및 WO 2018/144853을 참조하라.
이러한 개선들은, 타겟 속도가 있거나 없이, 적합한 주파수 또는 위상 콘텐츠의 펜슬형의 얇은 레이저 빔(pencil thin laser beam)에서 거리를 제공한다. 이러한 빔이 장면(scene) 위로 스윕(sweep)될 때, 주위의 물체의 위치 및 속도에 관한 정보가 획득될 수 있다. 이 정보는 자율 주행 또는 운전자 보조 자동차와 같은 자율 주행 차량을 위한 제어 시스템에서 가치 있는 것으로 예상된다.
종래의 LIDAR 시스템은 하나의 소스 빔으로부터 다수의 빔을 생성하는데 사용되는 콜리메이터(collimator)를 포함한다. 그러나, 종래 LIDAR 시스템에서의 콜리메이터는 주목할 만한 단점을 가진다. 본 발명자는 이 콜리메이터가 통상적으로 종래의 LIDAR 시스템의 하나 이상의 설계 파라미터를 만족하지만, 시스템의 다른 설계 파라미터를 빈번하게 만족할 수 없다는 것을 인식하였다. 예를 들어, 대형 빔 콜리메이터는 요구되는 빔 크기를 생성할 수 있지만, 요구되는 각도 간격을 성취하기에 충분히 가까이 채워질 수 없다. 다른 예에서, 어레이(array) 콜리메이터는 서로 충분히 가까이 있는 빔들을 생성할 수 있지만 LIDAR 시스템에 충분히 큰 빔 크기를 제공하지 못한다. 여기에서, 이러한 언급된 단점을 극복하는 콜리메이터가 설명된다. 또한, 이 콜리메이터는 개선된 스캐닝 LIDAR를 성취하기 위하여 다양한 스캐닝 장치 및 방법에 사용된다. 예를 들어, 스캐닝 장치는 콜리메이터와 함께 고정된 속도로 회전하는 폴리곤(polygon) 스캐너를 채용하여 종래의 스캐닝 기술보다 더 효율적인 스캐닝을 성취한다.
거리 정확도와 타겟 속도 정확도를 제공하는 샘플링 및 처리는 통합 시간(integration time)이라 하는 시간 간격(time interval)에서 다양한 지속 시간을 갖는 하나 이상의 레이저 신호의 통합(integration)을 수반한다. 시기 적절한 방식으로 장면을 커버하는 것은 차량이 차량 앞쪽의 공간 내로 너무 많이 전진하기 (종종 대략 1 내지 수 초의 특정 시간 내에 이동되는 대략 1 내지 수십 미터의 거리) 전에 차량 주위의 환경을 이해하기 위하여 자율 주행 차량 주위로 다양한 각도를 (종종 대략 수 천회) 샘플링하기에 종종 충분한, 충분히 정확한 측정을 반복하는 것(종종 1 내지 수 십 마이크로초 동안 하나 이상의 신호를 포함함)을 수반한다. 특정 시간(종종 사이클 또는 샘플링 시간이라 함) 내에 커버될 수 있는 상이한 각도의 개수는 샘플링 레이트에 따른다. 본 발명자는, 자율 주행 차량이 근처의 환경을 통과하여 이동함에 따라 하나 이상의 LIDAR 빔을 이용하여 근처의 환경을 효율적으로 판단하기 위해, 거리 및 속도 정확도를 위한 통합 시간, 샘플링 레이트 및 상이한 샘플링 각도 패턴 사이에 트레이드오프가 이루어질 수 있다는 것을 인식하였다.
제1 실시예 세트에서, LIDAR 시스템을 위한 어셈블리 장치는 제1 평면에 배열된 도파관 어레이(waveguide array)를 포함한다. 도파관 어레이는 복수의 빔을 생성하도록 구성되며, 각각의 빔은 어레이 내 각 도파관으로부터 송신된다. 또한, 장치는 복수의 빔을 제1 평면에서 각도 확산(angular spread)을 갖는 콜리메이트된 빔들의 팬(fan of collimated beams)으로 만들도록 구성된 콜리메이터를 포함한다. 추가로, 장치는 제1 평면과 상이한 제2 평면에서 팬의 방향을 조정하도록 구성된 폴리곤 스캐너를 포함한다.
제2 실시예 세트에서, 전술한 어셈블리를 포함하고, 프로세서와, 메모리와, 명령어 시퀀스를 더 포함하는 시스템이 제공되고, 명령어 시퀀스는, 시스템이, 팬의 스캔 패턴의 각도 범위(angle range)를 정의하는 제2 평면에서의 제1 각도 및 제2 각도를 수신하고, 폴리곤 스캐너를 이용하여 제2 평면에서의 팬의 방향을 제1 각도로부터 제2 각도로 조정하고, 소정의 거리에 있는 타겟의 각도 확산(angular spread)을 포함하는 복수의 리턴 빔(return beam)을 수신하게 하도록 구성된다.
제3 실시예 세트에서, 제1 평면에 배열된 LIDAR 시스템의 도파관 어레이를 이용하여 복수의 빔을 생성하는 단계를 포함하는 방법이 제공되고, 각각의 빔은 어레이 내 각 도파관으로부터 송신된다. 방법은 콜리메이터를 이용하여 복수의 빔을 제1 평면에서 각도 확산을 갖는 콜리메이트된 빔들의 팬으로 만드는 단계를 더 포함한다. 방법은, 프로세서에서, 제1 평면과 상이한 제2 평면에서의 제1 각도 및 제2 각도를 수신하는 단계를 더 포함하고, 제1 각도 및 제2 각도는 제2 평면에서의 팬의 스캔 패턴의 각도 범위를 정의한다. 방법은 스캔 패턴을 형성하기 위하여 폴리곤 스캐너를 이용하여 제2 평면에서의 팬의 방향을 제1 각도로부터 제2 각도로 조정하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 어레이 내 도파관에서, 소정의 거리에 위치된 타겟으로부터의 리턴 빔을 수신하는 단계를 더 포함한다.
제4 실시예 세트에서, 제1 평면에 배열된 LIDAR 시스템의 도파관 어레이를 이용하여 복수의 빔을 생성하는 단계를 포함하는 방법이 제공되고, 각각의 빔은 어레이 내 각 도파관으로부터 송신된다. 방법은 콜리메이터를 이용하여 복수의 빔을 제1 평면에서 각도 확산을 갖는 콜리메이트된 빔들의 팬으로 만드는 단계를 더 포함한다. 방법은, 프로세서에서, 제1 평면과 상이한 제2 평면에서의 제1 각도 및 제2 각도를 수신하는 단계를 더 포함하고, 제1 각도 및 제2 각도는 제2 평면에서의 팬의 스캔 패턴의 각도 범위를 정의한다. 방법은, 스캐너를 이용하여, 제1 평면 및 제2 평면에 의해 정의된 2차원 공간에서의 팬의 전체 궤적(gross trajectory)의 제1 성분을 조정하는 단계를 더 포함하고, 제1 성분은 제1 평면에서의 제1 증분 각도(incremental angle)이다. 방법은, 스캐너를 이용하여, 팬의 전체 궤적의 제2 성분을 조정하는 단계를 더 포함하고, 제2 성분은 제2 평면에서의 제2 증분 각도이다. 방법은 도파관으로부터 송신 빔을 방출하고 도파관에서 리턴 빔을 수신하도록, 전체 궤적의 각각의 성분에 대하여 어레이 내 각각의 도파관 사이에서 스위칭하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 양태, 특징 및 이점은 본 발명을 수행하기 위하여 고려되는 최상의 모드를 포함하는 다수의 특정 실시예 및 구현예를 단순히 예시함으로써 이어지는 상세한 설명으로부터 쉽게 알 수 있다. 또한, 다른 실시예는 다른 상이한 특징 및 이점을 가질 수 있으며, 이들의 여러 상세 내용은 모두 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 명백한 측면에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 본질적으로 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
첨부된 도면에서 실시예들은 제한적인 방식이 아니라 예시적인 방식으로 설명되며, 유사한 참조 번호의 경우 유사한 요소를 지칭한다.
도 1a는, 일 실시예에 따라, 일련의 이진수(binary digit)의 예시적인 송신 신호를 거리의 측정을 위해 리턴된 광 신호와 함께 도시하는 개략적인 그래프이고;
도 1b는, 일 실시예에 따라, 기준 신호의 예시적인 스펙트럼과 도플러 시프트된 리턴 신호(Doppler shifted return signal)의 예시적인 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프이고;
도 1c는, 일 실시예에 따라, 도플러 시프트된 리턴 신호의 위상 성분의 예시적인 교차-스펙트럼(cross-spectrum)을 도시하는 개략적인 그래프이고;
도 1d는, 일 실시예에 따라, 예시적인 광 처프(optical chirp) 거리 측정을 도시하는 그래프 세트이고;
도 1e는 대칭 LO 신호를 사용하는 그래프로서, 일 실시예에 따라, 도플러 시프트가 없을 때 리턴 신호를 주파수 시간 플롯(frequency time plot)에서 점선으로 나타내고;
도 1f는 대칭 LO 신호를 사용하는 도 1e와 유사한 그래프로서, 일 실시예에 따라, 0이 아닌 도플러 시프트가 있을 때 리턴 신호를 주파수 시간 플롯에서 점선으로 예시하고 있고;
도 2a는, 일 실시예에 따라, 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트를 도시하는 블록도이고;
도 2b는, 일부 실시예에서 사용되는, 고해상도 도플러 시스템을 위한 톱니(saw tooth) 스캔 패턴을 도시하는 블록도이고;
도 2c는, 일 실시예에 따라, 고해상도 도플러 LIDAR 시스템에 의해 생성된 예시적인 속도 포인트 클라우드(speed point cloud)를 도시하는 이미지이고;
도 2d는, 일 실시예에 따라, 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트를 도시하는 블록도이고;
도 2e는, 일 실시예에 따라, 콜리메이트된 팬 빔(collimated fan beam)을 형성하기 위하여 도파관(waveguide)을 갖는 고해상도 LIDAR 시스템에서 사용되는 콜리메이터의 측단면도의 일례를 도시하는 블록도이고;
도 2f는, 일 실시예에 따라, 콜리메이트된 팬 빔 내 하나의 빔을 만드는 도 2e의 콜리메이터의 선도(day diagram)의 일례를 도시하는 블록도이고;
도 2g는, 일 실시예에 따라, 각도 범위(range of angles)에 걸쳐 도 2e의 콜리메이트된 팬 빔의 방향을 스캔하기 위한 예시적인 컴포넌트를 도시하는 블록도이고;
도 2h는, 일 실시예에 따라, 도 2g의 컴포넌트의 상면도를 도시하는 블록도이고;
도 2i는, 일 실시예에 따라, 어레이의 하나 이상의 도파관 사이에서 스위칭하기 위하여 도 2g의 시스템에서 사용되는 예시적인 광 스위치를 도시하는 블록도이고;
도 3a는, 일 실시예에 따라, 차량에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이고;
도 3b는, 일 실시예에 따라, 차량에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이고;
도 4a는, 일 실시예에 따라, 도 2g의 시스템을 이용한 콜리메이트된 팬 빔의 다수의 인터리브 스와이프(interleave swipe)의 일례를 도시하는 이미지이고;
도 4b는, 일 실시예에 따라, 도 2g의 시스템을 이용한 콜리메이트된 팬 빔의 다수의 오프셋 스와이프(offset swipe)의 일례를 도시하는 이미지이고;
도 4c는, 일 실시예에 따라, 어레이 내 도파관들이 불규칙하게 이격된 도 2g의 시스템을 이용한 콜리메이트된 팬 빔의 하나의 스와이프의 일례를 도시하는 이미지이고;
도 4d는, 일 실시예에 따라, 기계식 스캐너를 이용하여 스캔된 콜리메이트된 팬 빔의 전체 궤적(gross trajectory)을 도시하는 그래프 (a) 및 도파관 사이의 스위칭에 기초하여 도파관 어레이로부터 수신된 리턴 빔 데이터와 그래프 (a)의 전체 궤적을 도시하는 그래프 (b)를 포함하는 그래프 세트이고;
도 4e는, 일 실시예에 따라, 도 4d에서 리턴 빔 데이터를 생성하기 위한 인접한 도파관 사이의 스위치 시간 값을 나타내는 시간 축의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4f는, 일 실시예에 따라, 도 2g의 시스템에서 스캐너에 대한 스캔 방향 대 시간의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 5a는, 일 실시예에 따라, 도 2d의 시스템에서 다양한 타겟 거리와 스캔 속도에 대한 빔 이탈(walkoff)의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 5b, 일 실시예에 따라, 도 2d의 시스템에서 다양한 스캔 레이트(scan rate)에 대한 커플링 효율 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 6a는, 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템의 스캐너를 동작시키기 위한 예시적인 방법을 도시하는 순서도이고;
도 6b는, 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템의 스캐너를 동작시키기 위한 예시적인 방법을 도시하는 순서도이고;
도 6c는, 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템의 스캐너를 동작시키기 위한 예시적인 방법을 도시하는 순서도이고;
도 7은 본 발명의 일 실시예가 구현될 수 있는 컴퓨터 시스템을 도시하는 블록도이고;
도 8은 본 발명의 일 실시예가 구현될 수 있는 칩셋을 예시한다.
LIDAR 시스템의 콜리메이트된 빔들의 팬을 스캐닝하기 위한 방법, 장치, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 매체가 설명된다. 이어지는 설명에서, 설명의 목적으로, 본 명세서의 완전한 이해를 제공하기 위하여 다양한 구체적인 상세 내용이 설명된다. 그러나, 이와 같은 구체적인 상세 내용 없이 본 발명이 어떻게 실시될 수 있다는 것이 당해 업계에서의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 다른 경우에서, 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 잘 알려진 구조와 장치는 블록도 형태로 예시된다.
넓은 범위를 나타내는 수치 범위와 파라미터는 비록 근사값이라 하더라도, 구체적인 비한정적인 예에서 설명되는 수치는 가능한 한 정확하게 보고된다. 그러나, 임의의 수치는 본 명세서의 작성 시점에서 이의 각각의 실험 측정에서 발견된 표준 편차로부터 필연적으로 발생하는 특정 오차를 내재적으로 포함한다. 더하여, 문맥으로부터 달리 분명하지 않으면, 본 명세서에 제시된 수치는 최하위 숫자에 의해 주어진 함축된 정밀도를 가진다. 따라서, 값 1.1은 1.05부터 1.15까지의 값을 암시한다. "대략(about)"이라는 용어는 주어진 값을 중심으로 더 넓은 범위를 나타내는데 사용되고, 문맥으로부터 달리 분명하지 않으면, "대략 1.1"이 1.0으로부터 1.2까지 암시하는 것과 같이, 최하위 숫자 주변의 더 넓은 범위를 암시한다. 만약 최하위 숫자가 불분명하면, "대략"이라는 용어는 2의 인수(factor of two)를 의미한다. 예를 들어, "대략 X"는 범위가 0.5X 내지 2X인 값을 암시하고, 예를 들어, 대략 100은 범위가 50 내지 200인 값을 암시한다. 더하여, 본 명세서에 개시된 모든 범위들은 그 안에 포함되는 임의의 하위 범위 및 모든 하위 범위를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 양의 파라미터에 대한 "10 미만"의 범위는 0(zero)의 최소값과 10의 최대값 사이의(그리고 0의 최소값과 10의 최대값을 포함하는) 임의의 하위 범위 및 모든 하위 범위, 즉, 0 이상의 최대값과 10 이하의 최대값을 갖는 임의의 하위 범위 및 모든 하위 범위, 예를 들어, 1 내지 4를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예는 제1 각도 및 제2 각도에 의해 정의되는 스캔 패턴에 걸쳐 스캔될 수 있는 빔들의 콜리메이트된 팬을 생성하는 LIDAR 시스템과 연계하여 아래에서 설명된다. 다른 실시예들에서, 본 발명은 개인용 자동차에서의 단일 전면 장착(single front mounted) 고해상도 도플러 LIDAR 시스템과 연계하여 설명된다; 그러나, 실시예는 이러한 상황으로 제한되지 않는다. 다른 실시예들에서, 중첩하거나 중첩하지 않는 시야를 갖고, 도플러 컴포넌트를 가지거나 가지지 않은 동일한 유형 또는 다른 고해상도 LIDAR의 하나 또는 다수의 시스템, 또는 파일럿되거나 자율적인 더 작거나 더 큰 지상, 해상, 공중 또는 우주 운송 수단에 장착된 하나 이상의 이러한 시스템이 사용된다. 또 다른 실시예들에서, 본 발명은 삼각대에 장착되거나 감시탑에 위치 설정된 LIDAR 시스템에서와 같이 정적 LIDAR와 연계하여 설명된다.
1. 위상 인코딩(phase-encoded) 검출 개요
거리 측정을 위한 광 위상 인코딩 신호를 이용하여, 송신된 신호는 송신된 신호의 일부에 대한 반송파(carrier)와 동상(in phase)이고(위상 = 0), 그 다음, 짧은 시간 간격 동안 심벌 Δφ에 의해 표현되는 하나 이상의 위상 변화만큼 변동하고(따라서, 위상 = 0, Δφ, 2Δφ...), 송신 신호에 대하여 반복적으로 2 이상의 위상 값 사이에서 전후로 스위칭한다. 일정한 위상의 가장 짧은 간격은 펄스 지속 시간(τ)으로 불리는 인코딩의 파라미터이고, 통상적으로 대역에서 가장 낮은 주파수의 다수의 주기들의 지속 시간이다. 역(1/τ)은 보드 레이트(baud rate)이고, 각각의 보드는 심벌을 나타낸다. 송신 신호의 시간 동안의 이러한 일정한 위상 펄스의 개수(N)는 심벌의 개수(N)이고 인코딩의 길이를 나타낸다. 이진(binary) 인코딩에서, 2개의 위상 값이 있고, 가장 짧은 간격의 위상이 하나의 값에 대하여 0으로 간주될 수 있고 다른 것에 대하여 1로 간주될 수 있으며, 따라서 심벌은 1 비트(bit)이고, 보드 레이트 역시 비트 레이트(bit rate)로 불린다. 다중(multiple) 위상 인코딩에서, 다수의 위상 값이 존재한다. 예를 들어, Δφ*{0,1,2 및 3}과 같은 4개의 위상 값은 Δφ = π/2(90도)에 대하여 {0, π/2, π 및 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 시프트 키잉(Phase-Shift Keying, PSK)은 기준 신호(반송파)의 위상을 변경(변조)시킴으로써 데이터를 전달하는 디지털 변조 스킴을 의미한다. 변조는 정확한 시간에 사인 입력과 코사인 입력을 변화시킴으로써 각인된다. 무선 주파수(RF)에서, PSK는 무선 근거리 통신망(LAN), 무선 주파수 인식(RFID) 및 블루투스 통신을 위해 광범위하게 사용된다. 대안적으로, 일정한 기준파(reference wave)에 대해서 동작하는 대신에, 송신은 자기 자신에 대해서 동작할 수 있다. 단일 송신 파형의 위상 변화는 심벌로 간주될 수 있다. 이 시스템에서, 복조기는 (기준파에 대한) 위상 그 자체가 아닌, 수신 신호의 위상 변화를 결정한다. 이 스킴이 연속하는 위상들 사이의 차이에 의존하기 때문에, 이것은 차동 위상 시프트 키잉(Differential Phase-Shift Keying, DPSK)이라 칭해진다. 복조기가 수신 신호의 정확한 위상을 결정하기 위하여 기준 신호의 사본을 가질 필요가 없기 때문에, DPSK는 통신 애플리케이션에서 보통의 PSK보다 상당히 더 간단하게 구현될 수 있다(따라서, 그것은 비코히런트(non-coherent) 스킴이다).
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(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(coded) 신호의 다른 소스로부터 구별 가능하도록 선택된다. 따라서, 송신된 신호와 리턴된 신호 사이의 강한 상관 관계는 반사되거나 후방 산란된(backscattered) 신호의 강한 표시이다. 송신된 신호는 하나 이상의 심벌 블록으로 구성되고, 각각의 블록은 노이즈가 존재하는 경우에서도 반사되거나 후방 산란된 리턴과의 강한 상관 관계를 제공할 만큼 충분히 길다. 이어지는 논의에서, 송신된 신호는 블록 당 N개 심볼의 M개 블록으로 구성되고, M과 N은 음이 아닌 정수이다.
도 1a는, 일 실시예에 따라, 일련의 이진수(binary digit)로서 예시적인 송신된 신호를 거리의 측정을 위해 리턴된 광 신호와 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 0에 대한 주파수(fc+f0)에서의 광 송신 신호의 진폭을 임의 단위로 나타낸다. 수직 축(124b)은 0에 대한 주파수(fc+f0)에서의 광 리턴 신호의 진폭을 임의 단위로 나타내고; 트레이스들을 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 송신 신호를 나타낸다. 트레이스(126)는 움직이고 있지 않는 물체로부터 산란된 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호를 나타낸다(따라서, 리턴은 도플러 시프트되지 않는다). 진폭은 감소되지만, 코드(00011010)는 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]
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]
에러의 크기는 신호의 주파수(f)에 따라 증가한다는 것에 주목하라. 또한, 정지된 LIDAR 시스템(v0 = 0)의 경우, 초당 10 미터(vs= 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 실시예에서, 거리 계산을 위하여 데이터를 처리하기 위해 도플러 시프트가 검출되어 사용된다.
위상 코드화된 거리 측정(phase coded ranging)에서, 위상 코드화된 리턴의 도달은, 송신된 신호 또는 다른 기준 신호를 리턴된 신호와 교차 상관(cross-correlations)시킴으로써 리턴된 신호 내에서 검출되고, RF 신호를 위한 코드를 헤테로다인(heterodyne) 검출을 이용하는 광 검출기(optical detector)로부터의 전기 신호와 교차 상관시키고 RF 대역으로 되돌리는 다운 믹싱(down-mixing)함으로써 실질적으로 구현된다. 임의의 하나의 래그(lag)를 위한 교차 상관은 2개의 트레이스를 컨볼빙(convolving)함으로써, 즉, 2개의 트레이스 내 대응하는 값들을 곱하고 트레이스 내의 모든 점(point)에 대하여 합산한 후, 각각의 타임 래그(time lag)에 대하여 반복함으로써 계산된다. 대안적으로, 교차 상관은 2개의 트레이스 각각의 푸리에 변환을 곱한 후 역(inverse) 푸리에 변환함으로써 달성될 수 있다. 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform FFT)을 위한 효율적인 하드웨어와 소프트웨어 구현은 순방향 푸리에 변환과 역방향 푸리에 변환 모두를 위해 광범위하게 이용될 수 있다.
교차 상관의 계산은 통상적으로 리턴의 진폭과 위상이 광 검출기에서 검출된 이후에 아날로그 또는 디지털 전기 신호를 이용하여 수행된다는 것에 주목하라. 광 검출기에서의 신호를 용이하게 디지털화될 수 있는 RF 주파수 범위로 이동시키기 위하여, 광 리턴 신호는 검출기에 영향을 주기 전에 기준 신호와 광학적으로 믹스된다. 위상 인코딩된 송신 광 신호의 사본은 기준 신호로서 사용될 수 있지만, 레이저에 의해 출력되는 지속파 반송파 주파수 광 신호(continuous wave carrier frequency optical signal)를 기준 신호로서 사용하고 검출기에 의해 출력되는 전기 신호의 진폭과 위상 모두를 캡처하는 것 또한 가능하고, 종종 바람직하다.
움직이고 있지 않은 물체로부터 반사되는(따라서, 리턴은 도플러 시프트되지 않음) 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호에 대하여, 피크는 송신 신호의 시작 후에 시간 Δt에서 발생한다. 이것은 리턴 신호가 시간 Δt에서 시작하는 송신 위상 코드 버전을 포함한다는 것을 나타낸다. 반사하는(또는 후방 산란하는) 물체에 대한 거리(R)는, 수학식 3에 의해 주어지는 바와 같이, 매질 내 빛의 속도(c)에 기초한 양방향 여행 시간 지연(two way travel time delay)으로부터 계산된다.
[수학식 3]
움직이고 있는 물체로부터 산란된(따라서, 리턴은 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.
본 발명자의 이전 연구의 다양한 실시예에 따르면, 도플러 시프트는 리턴 신호의 전기적 처리에서 결정되고; 도플러 시프트는 교차 상관 계산을 보정하기 위해 사용된다. 따라서, 피크는 더 용이하게 발견되고 거리는 더욱 용이하게 결정될 수 있다. 도 1b는, 일 실시예에 따라, 송신 신호의 예시적 스펙트럼과 도플러 시프트된 복소수 리턴 신호의 예시적 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프(140)이다. 수평 축(142)은 광 반송파(fc)로부터 오프셋된 RF 주파수를 임의 단위로 나타낸다. 수직 축(144a)은 스펙트럼 밀도(spectral density)로도 불리는 특정한 좁은 주파수 빈의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타낸다. 수직 축(144b)은 스펙트럼 밀도를 0에 상대적인 임의 단위로 나타내고; 트레이스들을 분리하기 위해 축(144a)으로부터 오프셋된다. 트레이스(145)는 송신 신호를 나타내고; 피크는 적절한 RF(f0)에서 발생한다. 트레이스(146)는 LIDAR 시스템을 향해 움직이고 있는 물체로부터 후방 산란되어 더 높은 주파수로 도플러 시프트(청색 편이(blue shift)로 불림)된 이상적인(노이즈가 없는) 복소수 리턴 신호를 나타낸다. 리턴은 적절한 RF(f0)에서 피크를 가지지 않는다; 그러나, 대신에, ΔfD만큼 시프트된 주파수(fs)로 청색 편이된다. 실제로, 리턴의 동상 및 직교 위상(in-phase and quadrature, I/Q) 성분을 모두 나타내는 복소수 리턴이 +ΔfD에서 피크를 결정하는데 사용되므로, 도플러 시프트의 방향과, 센서와 물체 사이의 벡터 상에서 타겟의 이동 방향이 단일 리턴에서 분명하게 나타난다.
일부 도플러 보상(Doppler compensation) 실시예에서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 송신 신호와 리턴 신호 모두의 스펙트럼을 얻고 각각에서 피크를 찾은 다음 대응하는 피크의 주파수를 빼는 것에 의해 ΔfD를 찾는 대신에, RF 대역에서 다운 믹싱된 리턴 신호의 동상 및 직교 위상 성분의 교차 스펙트럼(cross spectrum)을 취하는 것이 더 효과적이다. 도 1c는, 일 실시예에 따라, 예시적인 교차 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프(150)이다. 수평 축(152)은 기준 스펙트럼에 대한 주파수 시프트를 임의 단위로 나타내고; 수직 축(154)은 교차 스펙트럼의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타낸다. 트레이스(155)는 LIDAR 시스템을 향해 움직이고 있는 제1 물체(ΔfD1의 청색 편이 = 도 1b에서의 ΔfD)과 LIDAR 시스템으로부터 멀어지고 있는 제2 물체(ΔfD2의 적색 편이(red shift))에 의해 생성된 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호와의 교차 스펙트럼을 나타낸다. 하나의 피크는 성분 중 하나가 청색 편이(ΔfD1)될 때 발생하고; 다른 피크는 성분 중 하나가 적색 편이(ΔfD2)될 때 다른 피크가 발생한다. 따라서, 도플러 시프트들이 결정된다. 이 시프트는, 충돌 방지 애플리케이션을 위하여 중요할 수 있는, LIDAR 부근에서 물체의 부호를 가진 접근 속도(signed velocity of approach)를 결정하는데 이용될 수 있다. 그러나, I/Q 처리가 완료되지 않은 경우, 피크는 +/-ΔfD1 및 +/-ΔfD2 모두에 나타나며, 따라서 도플러 시프트의 부호 및 이에 따른 이동 방향에서 모호성이 존재한다.
본 발명자의 이전 연구에서 더 자세히 설명된 바와 같이, 교차 스펙트럼 내에서 검출되는 도플러 시프트(들)는, 피크(135)가 래그(Δt)에서 도플러 보상된 도플러 시프트된 리턴에서 명백해지고, 거리(R)가 결정될 수 있도록, 교차 상관을 보정하는데 사용된다. 일부 실시예에서, 전체 내용이 본 명세서에 완전하게 설명된 것처럼 본 명세서에 의해 참조로서 포함되고 발명의 명칭이 "Method and system for Doppler detection and Doppler correction of optical phase-encoded range detection"인 세계 지적 재산 기구(World Intellectual Property Organization) 공보 WO 2018/144853에 더욱 상세히 설명된 바와 같이, 동시 I/Q 처리가 수행된다. 다른 실시예에서, 전체 내용이 본 명세서에 완전하게 설명된 것처럼 본 명세서에 의해 참조로서 포함되고 발명의 명칭이 "Method and System for Time Separated Quadrature Detection of Doppler Effects in Optical Range Measurements"인 세계 지적 재산 기구 공보 WO 20019/014177에 더욱 상세히 설명된 바와 같이, 도플러 리턴의 부호(sign)을 결정하기 위해 직렬 I/Q 처리가 이용된다. 다른 실시예에서, 도플러 보정을 결정하기 위해 다른 수단이 사용되고; 다양한 실시예에서, 도플러 보정을 수행하기 위해 당해 기술분야에서 알려진 임의의 방법이 사용된다. 일부 실시예에서, 도플러 시프트에 기인하는 에러는 용인되거나 무시되고; 어떠한 도플러 보정도 거리 측정에 적용되지 않는다.
2. 처프 검출 개요(Chirped Detection Overview)
도 1d는, 일 실시예에 따라, 예시적인 광 처프 거리 측정(optical chirp measurement of range)을 도시하는 그래프 세트이다. 수평 축(102)은 4개의 그래프 모두에 대해 동일하며 시간을 대략 밀리 초(ms, 1ms = 10-3 초)의 임의 단위로 나타낸다. 그래프(100)는 송신 광 신호로서 사용되는 광의 빔의 파워를 나타낸다. 그래프(100)의 수직 축(104)은 송신 신호의 파워를 임의 단위로 나타낸다. 트레이스(106)는 시간 0에서 시작하여 제한된 펄스 지속 시간(τ) 동안 파워가 온(on)인 것을 나타낸다. 그래프(110)는 송신 신호의 주파수를 나타낸다. 수직 축(114)은 송신 주파수를 임의 단위로 나타낸다. 트레이스(116)는 펄스의 지속 시간(τ)에 걸쳐 펄스의 주파수가 f1로부터 f2로 증가하고, 이에 따라 대역폭 B = f2-f1을 가진다는 것을 나타낸다. 주파수 변화율은 (f2-f1)/τ이다.
리턴된 신호는 그래프(110)에서와 같이 시간을 나타내는 수평 축(102)과 주파수를 나타내는 수직 축(114)을 갖는 그래프(160)에 도시된다. 또한, 그래프(110)의 처프(116)가 그래프(160) 상에 점선으로 도시된다. 강도(도시되지 않음)가 감소되고 Δt만큼 지연된 송신 기준 신호인 제1 리턴 신호는 트레이스(166a)로 주어진다. 리턴된 신호가 2R의 거리를 이동한 후 외부 물체로부터 수신될 때, 리턴된 신호는 위에서 설명된 수학식 3에 따라 2R/c로 주어지는 지연된 시간 Δt에서 시작한다(여기서 R은 타겟까지의 거리이고, c는 매질에서의 빛의 속도(약 3x108m/s)). 이 시간 동안, 주파수 fR 은, 거리에 기초한 양만큼 변경되고, 주파수 변화율에 지연 시간을 곱함으로써 주어진다. 이것은 수학식 4a에 의해 주어진다.
[수학식 4a]
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fR의 값은 디-처핑(de-chirping)으로 지칭되는 시간 도메인 믹싱 동작에서 송신 신호(116)와 리턴 신호(166a) 사이의 주파수 차이에 의해 측정된다. 따라서 거리 R은 수학식 4b에 의해 주어진다.
[수학식 4b]
물론, 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 지연된다. 기준 신호의 정해진 지연 시간 또는 알려진 지연 시간은 수학식 4b로부터 계산된 거리에 추가되는 추가 거리를 제공하기 위해 빛의 속도(c)와 곱해진다. 매질에서 빛의 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 상황에서, 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 신호가 또한 수신될 것이다. 이것은 수학식 4b를 사용하여 다른 거리를 제공하는 fR의 다른 측정 값을 가질 것이다. 일부 상황에서는, 여러 개의 추가적인 리턴된 신호가 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, 디-처핑 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 검출기로 지향시키는 것이다. 검출기의 전기적 출력은 검출기로 수렴하는 2개의 신호의 주파수 차이와 같거나 아니면 이에 의존하는 비트 주파수(beat frequency)에 의해 좌우된다. 이러한 전기적 출력 신호의 푸리에 변환은 비트 주파수에서 피크를 산출할 것이다. 이러한 비트 주파수는 테라헤르츠(THz, 1 THz = 1012 헤르츠)의 광 주파수 범위가 아닌 메가헤르츠(MHz, 1MHz = 106 Hz = 초당 106 사이클)의 무선 주파수(RF) 범위 내에 있다. 이러한 신호는 마이크로프로세서 또는 특수 제작된 FFT(Fast Fourier Transform) 또는 기타 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing, DSP) 집적 회로에서 실행되는 FFT 알고리즘과 같은 일반적이고 저렴한 RF 컴포넌트에 의해 쉽게 처리된다. 다른 실시예에서, 리턴 신호는(국부 발진기(local oscillator)로서 처프와 비교하여) 국부 발진기의 역할을 하는 연속파(continuous wave, CW) 톤(tone)과 혼합(mix)된다. 이것은 그 자체가 처프(또는 모든 송신 파형)인 검출 신호로 이어진다. 이 경우 검출된 신호는 Kachelmyer 1990에 설명된 바와 같이 디지털 도메인에서 정합 필터링(matched filtering)을 겪을 것이다. 단점은 디지타이저(digitizer) 대역폭 요구 사항이 일반적으로 더 높다는 것이다. 코히런트 검출의 긍정적인 면은 달리 유지된다.
일부 실시예에서, 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 제거한다. 그러면, 이 접근 방식은 업 및 다운 처프에서 측정된 도플러 시프트 및 거리가 사실상 동일하고 가장 유용하게 결합될 수 있다는 것을 보장한다. 도플러 스킴은 높은 확률의 정확한 보상을 위하여 주파수 공간에서 비대칭으로 시프트된 리턴 쌍들의 병렬 캡처(parallel capture)를 보장한다.
도 1e는, 일 실시예에 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 광 송신 신호의 주파수를 기가헤르츠(GHz, 1 GHz = 109 헤르츠)의 예시적인 단위로 나타낸다. 펄스 지속 시간 동안, 언제든지 2개의 광 주파수를 포함하는 광 빔이 생성된다. 하나의 주파수가, 예를 들어, f1로부터 f2로 증가하고(예를 들어, 광 반송파의 1 내지 2GHz 위), 동시에 다른 주파수가 f4로부터 f3으로 감소한다(예를 들어, 광 반송파의 1 내지 2GHz 아래). 2개의 주파수 대역(예를 들어, f1 내지 f2의 대역 1과, f3 내지 f4의 대역 2)는 오버랩되지 않아. 송신 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. 예시되는 실시예에서, 더 높은 주파수가 업 처프를 제공하고 더 낮은 주파수가 다운 처프를 제공하지만, 다른 실시예에서, 더 높은 주파수가 다운 처프를 생성하고 더 낮은 주파수가 업 처프를 생성한다.
일부 실시예에서, 2개의 상이한 레이저 소스가 매 시간마다 각각의 빔에서 2개의 상이한 광 주파수를 생성하는데 사용된다. 그러나, 일부 실시예에서, 단일 광 반송파는 단일 RF 처프에 의해 변조되어 동시 업 및 다운 처프의 역할을 하는 대칭적인 측파대(symmetrical sideband)를 생성한다. 이 실시예 중 일부에서, 일반적으로, 반송파 주파수에 많은 에너지를 남기지 않는 이중 측파대 마하-젠더 강도 변조기(double sideband intensity Mach-Zehnder modulator)가 사용되고; 대신에, 거의 모든 에너지가 측파대로 들어간다.
측파대 대칭(sideband symmetry)의 결과로서, 동일한 차수의 측파대가 사용되면 2개의 광 처프의 대역폭은 동일할 것이다. 다른 실시예에서, 다른 측파대가 사용되며, 예를 들어, 2개의 2차 측파대가 사용되거나, 1차 측파대 및 중첩하지 않는 2차 측파대가 사용되거나, 일부 다른 조합이 사용된다.
전체 내용이 본 명세서에 완전하게 설명된 것처럼 본 명세서에 의해 참조로서 포함되고 발명의 명칭이 "Method and System for Doppler Detection and Doppler Correction of Optical Chirped Range Detection"인 세계 지적 재산 기구 공보 WO 2018/160240에 설명된 바와 같이, 송신(TX) 및 국부 발진기(LO) 처프 파형을 선택할 때, 시스템의 주파수 시프트된 대역(frequency shifted band)이 이용 가능한 디지타이저(digitizer) 대역폭을 최대한 활용하도록 하는 것이 유리하다. 일반적으로, 이것은 0에 가까운 거리 주파수 비트(range frequency beat)를 갖도록 업 처프 또는 다운 처프를 시프트하여 달성된다.
도 1f는 대칭 LO 신호를 사용하는 도 1e와 유사한 그래프이고, 0이 아닌 도플러 시프트가 있을 때 주파수 시간 플롯에서 리턴 신호를 점선으로 도시한다. 예를 들어, 거리 효과(range effect)를 발생시키는 청색 편이가 fB이면, 업 처프의 비트 주파수는 오프셋만큼 증가되어 fB+ΔfS에서 발생할 것이고, 다운 처프의 비트 주파수는 fB-ΔfS로 오프셋만큼 감소될 것이다. 따라서, 업 처프는 다운 처프보다 더 높은 주파수 대역에 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 범위를 얻기 위하여 알려진 ΔfS의 올바른 부호가 부여된 값으로 보정될 수 있다. 처프된 파형의 경우, 시간 분리된 I/Q 처리(시간 도메인 멀티플렉싱(time domain multiplexing)이라고도 알려짐)가 위에서 설명된 다른 접근 방식의 하드웨어 요구 사항을 극복하기 위해 사용될 수 있다. 그 경우에, AOM이 실수 값(real valued) 신호에 대한 거리-도플러 모호성을 타개하기 위하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 스코어링 시스템(scoring system)이 위에서 인용된 공보에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 업 및 다운 처프 리턴을 페어링하는데 사용된다. 다른 실시예에서, 위에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 I/Q 처리가 도플러 처프의 부호를 결정하는데 사용될 수 있다.
3. 광 검출 하드웨어 개요
고해상도 거리 도플러 검출 시스템을 사용하는 방법을 설명하기 위하여, 몇몇 포괄적인 하드웨어 접근 방식이 설명된다. 도 2a는, 일 실시예에 따라, 고해상도 거리 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트를 도시하는 블록도이다. 광 신호는 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 반송파(201)를 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 송신 신호(transmitted signal)라고도 불리는, 타겟 빔(205)이 생성된다. 또한, 적은 양이기는 하지만 물체(도시되지 않음)으로부터 산란된 리턴 광(291)과 좋은 혼합을 생성하기에 충분한 양의 에너지를 갖는 변조되거나 변조되지 않은 기준 빔(207a)이 생성된다. 예시된 실시예에서, 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 내에서 LIDAR 외부의 물체로부터 산란된 광과 함께 검출기 어레이(230)에 도달하기에 충분한 알려진 지연을 도입한다. 일부 실시예에서, 기준 빔(207b)은 별개의 발진기로부터 국부적으로 기준 빔(207b)을 생성하는 이전의 접근 방식을 참조하여 국부 발진기(Local Oscillator, LO) 신호로 명명된다. 다양한 실시예에서, 덜 유연한 접근 방식으로부터 더 유연한 접근 방식까지 망라하여, 기준은: 1) 경로 길이들이 잘 매칭되도록 검출기 어레이에서 송신 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 기기를 이용하여 기준 빔을 브로드캐스트(broadcast)하기 위해 섬유 지연(fiber delay)을 이용하는 것; 또는 3) 경로 길이 불일치(mismatch)를 보상하기 위한 별개의 변조를 생성하기 위해 주파수 시프팅 디바이스(음향 광학 변조기(acousto-optic modulator, AOM) 또는 국부 발진기 파형 변조의 시간 지연을 이용하는 것; 또는 일부의 조합을 통해 산란되거나 반사된 필드에 도착하게 된다. 일부 실시예에서, 물체는 충분히 가깝고, 송신 지속 시간은 리턴이 지연 없이 기준 신호와 충분히 중첩하도록 충분히 길다.
송신 신호는 종종 몇몇 스캐닝 광학 기기(scanning optics)(218)를 통해 관심 영역을 조명하기 위해 송신된다. 검출기 어레이는 쌍을 이루거나 쌍을 이루지 않는 단일의 검출기 또는 물체로부터의 리턴된 빔(291)에 대략 수직인 평면에 배열된 쌍을 이루거나 쌍을 이루지 않는 검출기들의 1차원(1D) 또는 2차원(2D) 어레이이다. 기준 빔(207b) 및 리턴 빔(291)은 적절하게 검출될 광 특성 신호를 생성하기 위하여 0 또는 그 이상의 광 믹서(284)에서 결합된다. 간섭 패턴의 주파수, 위상 또는 진폭 또는 일부 조합은 획득 시스템(240)에 의해 각각의 검출기에 대해 신호 지속 시간(D) 동안 여러 번 기록된다. 신호 지속 시간 당 처리되는 시간적(temporal) 샘플의 개수 또는 통합 시간(integration time)은 다운-레인지 규모(down-range extent)에 영향을 미친다. 개수 또는 통합 시간은 종종 신호 당 심벌의 개수, 신호 반복률(signal repetition rate) 및 가용 카메라 프레임률(available camera frame rate)에 기초하여 선택되는 실질적인 고려 사항이다. 프레임률은 샘플링 대역폭이고, 흔히 "디지타이저(digitizer) 주파수"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 송신 비트들의 임의의 부분과 비교되거나 교차 상관될 수 있기 때문에 가능하게 된다.
획득된 데이터는 도 7을 참조하여 후술되는 컴퓨터 시스템 또는 도 8을 참조하여 후술되는 칩셋과 같은 처리 시스템(250)에 이용 가능하게 된다. 스캐너 제어 모듈(270)은, 아래에서 설명되는 하나 이상의 실시예에 따라, 스캐닝 광학 기기(218) 및/또는 소스(212) 및/또는 제1 및 제2 스캐너(241, 244)(도 2g) 및/또는 광 스위치(247)(도 2j)를 구동하기 위한 스캐닝 신호를 제공한다. 하나의 실시예에서, 스캐너 제어 모듈(270)은 도 6a의 순서도를 참조하여 아래에서 설명되는 방법(600) 및/또는 도 6b의 순서도를 참조하여 아래에서 설명되는 방법(630) 및/또는 도 6c의 순서도를 참조하여 아래에서 설명되는 방법(650)의 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 명령어를 포함한다. 처리 시스템(250)에서 부호 있는 도플러 보상(signed Doppler compensation) 모듈(도시되지 않음)은 도플러 시프트의 부호와 크기를 결정하고, 임의의 다른 보정과 함께 그에 기초한 보정된 거리를 결정한다. 또한, 처리 시스템(250)은 변조기(282a, 282b)를 구동하는 하나 이상의 전기 신호를 전송하기 위한 변조 신호 모듈(도시되지 않음)을 포함한다. 일부 실시예에서, 처리 시스템은 또한 시스템(200)이 설치되는 차량을 제어하기 위한 차량 제어 모듈(272)을 포함한다.
임의의 알려진 장치 또는 시스템이 레이저 소스(212), 변조기(282a, 282b), 빔 스플리터(216), 기준 경로(220), 광 믹서(284), 검출기 어레이(230), 스캐닝 광학 기기(218) 또는 획득 시스템(240)을 구현하기 위하여 사용될 수 있다. 동공 평면(pupil plane)을 지나가는 초점 또는 타겟 상의 초점 또는 플러드(flood)에 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 실시예에 따른 동시 업 및 다운 처프 LIDAR 시스템을 위한 컴포넌트의 예를 도시한다. 이 실시예에서, 변조기(282a)는 송신 빔(205)의 광 경로에 추가된 주파수 시프터(shifter)이다. 다른 실시예에서, 주파수 시프터는 리턴 빔(291)의 광 경로 또는 기준 경로(220) 대신에 추가된다. 일반적으로, 변조기(예를 들어,AOM(acousto-optic modulator))로서 사용되는 장치가 연관된 손실을 가지며, 손실 컴포넌트를 수신 측에 배치하거나 광 증폭기 뒤에 배치하는 것은 불리하기 때문에, 주파수 시프팅 요소는 국부 발진기(Local Oscillator(LO), 기준 경로라고도 함) 측 또는 송신 측(광 증폭기 앞)에 변조기(282b)로서 추가된다. 광 시프터의 목적은 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 송신 신호(또는 리턴 신호)의 주파수를 알려진 양(ΔfS)만큼 시프트하는 것이다. 일부 실시예에서, 평형 검출기(balanced detector)로부터 유래하는 RF 신호는 FFT를 통해 분리되는 대역들과 함께 직접 디지털화된다. 일부 실시예에서, 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 위해 아날로그 RF 전자 장치를 이용하여 전처리된다. 양 실시예들은 검출된 신호의 대역을 사용 가능한 디지타이저 리소스(digitizer resource)에 일치시키는 경로를 제공한다. 일부 실시예에서(예를 들어, 직접 거리 측정 실시예에서), 변조기(282a)는 제외된다.
도 2b는 일부 종래 기술의 실시예에서 사용되는 고해상도 도플러 시스템을 위한 간단한 톱니(saw tooth) 스캔 패턴을 도시하는 블록도이다. 스캔은 방위각(수평으로) 및 경사각(제로(0) 경사에서 평탄한 방향(level direction)의 위 아래 수직으로) 범위를 스윕(sweep)한다. 아래에서 설명되는 다양한 실시예에서, 다른 스캔 패턴이 사용된다. 당해 기술 분야에 알려진 임의의 스캔 패턴이 다양한 실시예에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 전체 내용 각각이 본 명세서에 의해 마치 본 명세서에 설명된 것처럼 참조에 의해 포함되는 세계 지적 재산 기구 공보 WO 2018/125438에서 설명된 방법을 이용하여 적응형(adapted) 스캐닝이 수행된다.
도 2c는, 일 실시예에 따라, 고해상도 도플러 LIDAR 시스템에 의해 생성된 예시적인 속도 포인트 클라우드를 도시하는 이미지이다. 이미지 내 각각의 픽셀은, 픽셀과 연관된 경사각(inclination angle) 및 방위각(azimuth angle)에서 거리 또는 강도 또는 상대적 속도 또는 일부 조합을 나타내는 포인트 클라우드(point cloud)에서의 포인트를 나타낸다.
도 2d는, 일 실시예에 따라, 고해상도(hi res) LIDAR 시스템(200')의 예시적인 컴포넌트를 도시하는 블록도이다. 일 실시예에서, 시스템(200')은 여기에서 논의되는 특징을 제외하고는 시스템(200)과 유사하다. 일 실시예에서, 시스템(200')은 모노스태틱 트랜시버(monostatic transceiver)를 이용하여 구성되는 코히런트 LIDAR 시스템이다. 시스템(200')은 송신 경로(222) 상의 단일 모드 광 도파관을 따라 서큘레이터(226)를 통해서 콜리메이팅 광학 기기(219)의 초점 평면 내에 또는 대략 100 미크론(㎛um) 또는 콜리메이팅(collimating) 광학 기기(219)의 초점 길이의 대략 0.1% 내지 대략 0.5% 내에 위치하는 단일 모드 광 도파관의 끝단(tip)(217) 밖으로 반송파(201)를 송신하는 소스(212)를 포함한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 콜리메이팅 광학 기기(219)는 더블릿(doublet), 비구면 또는 다중 요소 디자인을 포함한다. 일 실시예에서, 광 도파관 끝단(217)을 빠져나오는 반송파(210)는 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 각도 범위(227)에 걸쳐 스캔되는 콜리메이트된 타겟 빔(collimated target beam)(205')으로 광학 기기(229)에 의해 만들어진다. 일부 실시예에서, 반송파(201)는 콜리메이션 광학 기기(229)의 상류에 있는 변조기(282a)에서 위상 또는 주파수 변조된다. 다른 실시예에서, 변조기(282)는 제외된다. 일 실시예에서, 물체로부터 리턴된 빔(291)은 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 지향되고 콜리메이션 광학 기기(229)에 의해 끝단(217) 상으로 포커싱되어, 리턴된 빔(291)이 단일 모드 광 도파관 끝단(217)에서 수신된다. 그 다음, 일 실시예에서, 리턴된 빔(291)은 서큘레이터(226)에 의해 수신 경로(224)를 따라 단일 모드 광 도파관 내로 그리고 리턴된 빔(291)이 국부 발진기 경로(220)를 따라 단일 모드 광 도파관을 통해 지향되는 기준 빔(207b)과 결합되는 광 믹서(284)로 재지향(redirect)된다. 하나의 실시예에서, 시스템(200')은 기준 신호(207b)와 리턴된 빔(291)의 최대 공간 모드 중첩(maximum spatial mode overlap)이 리턴된 신호(291)와 국부 발진기(207b) 사이의 헤테로다인 믹싱(광 간섭) 효율을 최대화할 것이라는 원리 하에서 동작한다. 이 배열은 이중 상태(bi-static) LIDAR 시스템과 연관된 쉽지 않은 정렬 절차를 회피하는데 도움을 주기 때문에 유리하다.
일부 실시예에서, 시스템(200')은 도파관 어레이로 배열된 2 이상의 도파관을 포함하고, 어레이 내 각각의 도파관은 도 2d에서의 끝단(217)과 유사한 위치에 위치한 끝단을 가진다. 하나의 실시예에서, 도파관 어레이의 각각의 도파관은 각각의 리턴 빔(291)을 각각의 기준 빔(207b)과 결합하기 위한 각각의 서큘레이터(226) 및 각각의 광 믹서(284)를 가진다. 다른 실시예에서, 시스템(200')은 도파관의 개수보다 적은 개수의 서큘레이터(226) 및 광 믹서(284)를 포함하여, 시스템은 하나 이상의 도파관으로부터의 리턴 빔(291) 데이터가 하나 이상의 각 기준 빔(207b)과 광 믹서(284)에서 결합되도록 각 기간에서 하나 이상의 도파관 사이에서 스위칭하도록 구성된다. 이 실시예는 어레이에서의 도파관의 개수보다 적은 개수의 처리 채널(예를 들어, 더 적은 개수의 서큘레이터(226) 및 광 믹서(284))을 허용한다.
도 2e는. 일 실시예에 따라, 콜리메이트된 팬 빔(233)을 형성하기 위하여 도파관 어레이(215)를 갖는 시스템(200) 또는 시스템(200')과 같은 LIDAR 시스템에서 사용되는 콜리메이터(231)의 예시적인 측단면도를 도시하는 블록도이다. 일 실시예에서, LIDAR 시스템은, 아래에서 공통적으로 도파관(225)이라 참조되는, 복수의 광 도파관(225a, 225b, 225c, 225d)의 도파관 어레이(215)를 포함한다. 각각의 도파관(225a, 225b, 225c, 225d)의 끝단(217)은 도 2d의 도파관(225)의 끝단(217)과 유사한 방식으로, 예를 들어, 콜리메이팅 광학 기기(229)의 초점 평면에 위치한다. 일부 실시예에서, 소스(212)로부터의 빔(201)은 빔(201)을 도파관(225a, 225b, 225c, 225d)의 끝단(217)으로 지향시키는 다수의 서큘레이터(226)로의 송신 경로(222)를 따라 다수의 도파관(225a, 225b, 225c, 225d)으로 스플리터에 의해 분할된다. 다른 실시예에서, 다수의 도파관(225)으로 지향되는 다수의 빔(201)을 생성하는 다수의 소스(212)가 제공된다. 도파관(225a, 225b, 225c, 225d)으로부터의 리턴 빔(291)은 각각의 리턴 빔(291)이 기준 경로(220)를 따라 복수의 광 도파관(도시되지 않음) 중 하나를 통해 송신된 각각의 기준 빔(207b)과 결합되는 다수의 광 믹서(284) 각각으로 다수의 서큘레이터(226)에 의해 송신된다.
일 실시예에서, 콜리메이트된 빔들의 팬(fan of collimated beam)(233)은 스캐닝 LIDAR 시스템에 사용될 수 있는, 이하에서 공통적으로 레이저 빔(236)으로 참조되는, 콜리메이트된 레이저 빔들(236a, 236b, 236c, 236d)의 집합이다. 하나의 예시적인 실시예에서, 요구되는 빔(236) 직경 크기는 대략 5 mm(mm) 내지 대략 12 mm의 범위 내에 있고, 빔(236) 사이의 요구되는 각도 간격(angular separation)은 대략 0.05도 내지 대략 10도의 범위 내에 있다. 예시적인 일 실시예에서, 콜리메이트된 빔들 팬(233)의 각도 확산(angular spread)은 대략 2도이거나, 대략 0.5도 내지 대략 4도 또는 대략 0.05도 내지 대략 10도의 범위 내에 있다. 일 실시예에서, 개별 콜리메이트된 빔들의 팬(233)은 발산하는 빔(201)을 어레이(215)의 끝단(217)으로부터 단일 콜리메이팅 광학 기기(229)를 통해 통과시킴으로써 생성된다. 일부 실시예에서, 각각의 광 섬유(225)로부터의 빔(201)은 콜리메이트 광학 기기(229)에서 중첩하지만, 콜리메이터(231)에서 개별적으로 콜리메이트된 빔(236)으로 나온다.
하나의 실시예에서, 도파관 어레이(215)는 v-그루브(v-groove) 광 섬유 어레이, 다중 섬유(multi-fiber) 커넥터(예를 들어, 하나의 커넥터 내의 개별적인 광 섬유들), 광 섬유 번들(예를 들어, 다수의 코어를 갖는 단일 광 섬유), 평면 광파 회로(planar lightwave circuit) 또는 근접 배치된(closely spaced) 광 도파관들(225)의 다른 배열 중 하나이다. 일부 실시예에서, 도파관(225) 사이의 간격(221)은 대략 100 ㎛ 내지 대략 1000 ㎛의 범위 내에 있다. 하나의 실시예에서, 도파관(225) 사이의 간격(221)은 어레이(215) 전체에 걸쳐 대략 동일하다. 다른 실시예에서, 도파관 사이의 간격(221)은 어레이(215) 전체에 걸쳐 불규칙하다(예를 들어, 도파관(225) 사이의 간격(221)은 이러한 도파관(225)과 연관된 팬(233)의 특정 각도 영역의 예상되는 타겟 거리에 기초하여 조정된다). 예시적인 일 실시예에서, 도파관 어레이(215)는, 간격(221)이 대략 125 ㎛ 내지 대략 250 ㎛의 범위 내에 있고 도파관(225)의 개수가 대략 2 내지 대략 16의 범위 내에 있는 v-그루브 광 섬유 어레이이다. 일부 실시예에서, 도파관(225)은 어레이(215)를 형성하기 위하여 선형 방식으로 배열되지만, 다른 실시예에서 도파관(225)은 2차원 어레이를 형성하기 위하여 2차원 방식으로 배열된다.
일 실시예에서, 빔(201)은 각각 도파관(225)의 끝단(217)으로부터 도파관(225) 영역의 단면 크기, 도파관(225) 재료 및/또는 빔(201)의 파장 중 하나 이상에 의해 결정되는 입체각(solid angle)으로 방출된다. 하나의 실시예에서, LIDAR 시스템은 도파관(225)과 호환되는 임의의 광 파장 및 도파관(225)의 임의의 구성으로 사용된다. 예시적인 일 실시예에서, 소스(212)로부터의 빔(201)의 파장은 대략 1550 나노미터(nm)이고/이거나 도파관(225)은 도파관(225)의 단부면 또는 끝단(217)에서 10 ㎛ 모드 필드 직경을 갖는 단일 모드이다.
도 2f는, 일 실시예에 따라, 콜리메이트된 팬 빔(233) 내 하나의 빔(236a)을 만드는 도 2e의 콜리메이터(231)의 선도(ray diagram)의 일례를 도시하는 블록도이다. 일 실시예에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 반사형 또는 굴절형이다. 하나의 예시적인 실시예에서, 반사형 콜리메이터(231) 내 콜리메이팅 광학 기기(229)는 포물선형 거울(parabolic mirror)이다. 다른 예시적인 실시예에서, 굴절형 콜리메이터(231) 내 콜리메이팅 광학 기기(229)는 하나 이상의 굴절 렌즈 요소를 포함한다. 일 실시예에서, 광학 기기(229)의 유효 초점 길이(235)는 콜리메이트된 빔 직경(246)을 결정하고, 광섬유 간격(221)과 함께, 콜리메이트된 빔(236) 사이의 각도 간격을 결정한다. 일 실시예에서, 빔 직경(246)은 초점 길이(235), 빔(201)의 파장 및 도파관(225a)의 모드 필드 직경(mode field diameter, MFD)에 따르며, 아래의 수학식 5로 표현된다:
[수학식 5]
여기에서, λ는 빔(201)의 파장이고, MFD는 도파관(225a)의 모드 필드 직경이고, focal length는 콜리메이팅 광학 기기(229)의 초점 길이(235)이다. 예시적인 실시예에서, 파장은 대략 1500 나노미터(nm)이거나 대략 1400 nm 내지 대략 1600 nm의 범위 내에 있다; 초점 길이는 대략 75 밀리미터(mm)이거나 대략 50 mm 내지 대략 100 mm의 범위 내에 있다; 그리고, MFD는 대략 10.5 미크론(㎛)이거나 대략 8 ㎛ 내지 대략 12 ㎛의 범위 내에 있다. 일 실시예에서, 도파관 어레이(215) 단부면(예를 들어, 도파관(225a, 225b)의 끝단(217a, 217b))과 콜리메이팅 광학 기기(229) 사이의 간격은 콜리메이팅 광학 기기(229)의 유효 초점 길이(235)와 대략 동일하도록 설계된다.
설명의 목적을 위하여, "~와 대략 동일한(about equal to)"은 간격이 임계 거리(예를 들어, 대략 100 ㎛) 이내이거나 초점 길이(235)의 임계 백분율 이내(예를 들어, 초점 길이의 대략 ±0.5% 이내)임을 의미한다. 이는 유리하게는 출력 빔(236)의 높은 수준의 콜리메이션을 성취한다. 일부 실시예에서, 수렴 빔(236)의 집합이 요구되는 애플리케이션에 대하여, 어레이(215) 단부면과 광학 기기(229) 사이의 거리는 초점 길이(235)보다 크다(예를 들어, 초점 길이의 대략 +0.5% 이내). 다른 실시예에서, 수렴 빔(236)의 집합이 요구되는 애플리케이션에 대하여, 어레이(215) 단부면과 광학 기기(229) 사이의 거리는 초점 길이(235)보다 작다(예를 들어, 초점 길이의 대략 -0.5% 이내). 일부 실시예에서, 약하게 수렴하는 빔(236)의 집합을 갖는 것이 바람직하다.
일부 실시예에서, 특정 빔(236a)이 콜리메이터(231)를 빠져 나가는 각도 θ(239)는 도파관 끝단(2l7a)을 콜리메이팅 광학 기기(229)의 광축(237)으로부터 이격시키는 거리(228) 및 콜리메이팅 광학 기기(229)의 유효 초점 길이(235)에 따른다. 이것은 아래의 수학식 6으로 표현된다:
[수학식 6]
여기에서, y는 이격 거리(228)이고, focal length는 콜리메이팅 광학 기기(229)의 초점 길이(235)이다.
일부 실시예에서, 도 2f에 도시된 배열은 단일 요소로서 모델링될 수 있는 하나 이상의 광학 요소를 갖는 상대적으로 간단한 콜리메이팅 시스템에 적용 가능하다. 다른 실시예에서, 다수의 광학 요소는 요구되는 출력 빔 직경(246)을 유지하면서, 도파관 끝단(217a, 217b)과 콜리메이터(231)의 출력 사이에 더 짧은 거리를 성취한다. 하나의 예시적인 실시예에서. 각 빔(201)의 발산을 증가시키기 위하여 광학 기기는 도파관(225)의 끝단(217)에 포함된다.
4. 팬 빔 스캐닝
여기에 설명된 바와 같이, 스캐닝 광학 기기(218)의 다양한 실시예가 하나 이상의 평면에서 콜리메이트된 빔들의 팬(233)의 방향을 조정하는데 사용된다. 도 2g는, 일 실시예에 따라, 각도 범위에 걸쳐 도 2e의 콜리메이트된 팬 빔(233)의 방향을 스캔하기 위한 예시적인 컴포넌트를 도시하는 블록도이다. 도 2h는, 일 실시예에 따라, 도 2g의 컴포넌트의 상면도를 도시하는 블록도이다. 도 2g 및 2h의 목적을 위하여, 어레이(215)의 도파관(225) 및 콜리메이트된 빔의 팬(233)은, 예를 들어, 도 2g에서의 평면이거나 도 2h에서의 수직 평면(234)인 제1 평면에 배열된다. 일 실시예에서, 수정된 콜리메이트된 팬 빔(233')을 생성하기 위해 제1 평면, 예를 들어, 도 2g에서의 평면에서 콜리메이트된 팬(233)의 방향을 조정하는 스캐너(241)가 제공된다. 하나의 실시예에서, 스캐너(241)는 제1 평면에서 콜리메이트된 팬(233)의 방향을 조정할 수 있는 임의의 반사형 또는 굴절형 광학 기기이다. 예시적인 일 실시예에서, 스캐너(241)는 검류계(galvanometer), MEMS(microelectromechanical systems) 미러, 보이스 코일 구동 미러(voice coil actuated mirror) 또는 다른 폴리곤 스캐너(polygon scanner)이다.
일 실시예에서, 제1 평면과 상이한 제2 평면, 예를 들어, 도 2g의 평면과 상이한 제2 평면에서 콜리메이트된 팬의 빔들(233')의 방향을 조정하는 제2 스캐너가 또한 제공된다. 하나의 실시예에서, 제2 평면은 제1 평면에 대략 직교하고(예를 들어, 대략 90도±10도), 예를 들어, 도 2g의 평면에 직교하거나 도 2h의 평면 내에 있다.
일 실시예에서, 제2 스캐너는 회전 축(243)을 중심으로 각속도(249)로 회전하는 복수의 패싯(facet)(245a, 245b)을 갖는 폴리곤 스캐너(244)이다. 하나의 예시적인 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244)는 일정한 속도로 회전 축(243)을 중심으로 회전한다. 예시적인 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244)는 다음 특성 중 하나 이상을 가진다: Copal 회전 거울(turned mirror)을 갖는 Blackmore® Sensors에 의해 제조된 것, 대략 2 인치이거나 대략 1 인치 내지 대략 3인치의 범위 내의 내접 직경(inscribed diameter)을 가지는 것, 각각의 미러의 높이가 대략 0.5 인치이거나 대략 0.25 인치 내지 대략 0.75인치의 범위 내인 것, 전체 높이가 대략 2.5 인치이거나 대략 2 인치 내지 대략 3인지의 범위 내인 것, 인코더 폴-페어 스위칭(encoder pole-pair switching)을 구비한 3상 BLDC(3-phase Brushless Direct Current) 모터에 의해 전력이 공급되는 것, 대략 1000 rpm(revolution per minute) 내지 대략 5000 rpm의 범위 내의 회전 속도를 가지는 것, 대략 5:1의 감소비(reduction ratio)와, 대략 1.5 인치이거나 1 인치 내지 대략 2 인치의 범위 내인 인 콜리메이터(231)로부터의 거리를 갖는 것. 도 2h에 도시된 바와 같이, 하나의 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244)는 제1 평면(234)(예를 들어, 도파관(225)과 콜리메이트된 팬(233)이 내부에 배열되는 도 2g의 평면)이 폴리곤 스캐너(244)의 회전 축(243)을 교차하도록 배치된다. 도 2g에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서, 도파관 어레이(215)는 회전 축(243)에 평행한 방향(예를 들어, 도 2g에서 수직 방향)으로 적층된 도파관(225)을 특징으로 한다.
콜리메이터(231) 및 스캐너(241, 244)를 포함하는 LIDAR 시스템을 위한 의도된 애플리케이션은 스캐닝 레이저 빔을 이용하는 3D LIDAR 이미징 시스템을 위한 것이다. 일 실시예에서, LIDAR 이미징 시스템의 하나의 목표는 가능한 한 짧은 시간에 장면의 높은 커버리지(예를 들어, 주어진 시야 내에서 가능한 한 많이 측정된 3D 포인트 또는 측정된 3D 포인트 사이의 가능한 한 작은 거리)를 제공하는 것이다. 하나의 실시예에서, 동시에 스캐닝하는 콜리메이트된 팬(233) 내에 다수의 빔(236)을 갖는 것은 하나의 빔을 갖는 것에 비해 주어진 양의 시간에서 커버리지를 증가시키며, 따라서 다중 빔 시스템을 갖는 것이 바람직하다.
하나의 실시예에서, 콜리메이트된 팬의 빔들(233')은 폴리곤 스캐너(244)의 패싯(245a)에 입사하고, 패싯(245a)에 의해 제2 평면 내 콜리메이트된 팬의 빔들(233'')로 재지향된다. 하나의 실시예에서, 폴리곤 스캐너의 제1 각도 및 제2 각도는 제2 평면에서 팬(233'')의 스캔 패턴 또는 스와이프(swipe)를 정의하고 제1 및 제2 각도는 처리 시스템(250)의 메모리(704)에 저장된다. 폴리곤 스캐너(244) 및 패싯(245a)이 회전함에 따라, 팬(233'')은 빔의 스와이프를 수행하기 위해 제2 평면 내에서 제1 각도에서 제2 각도로 재지향된다. 하나의 실시예에서, 레이저 소스(212) 및 빔(201)은 폴리곤 스캐너(244)가 패싯(245a, 245b) 사이에서 회전함에 따라 온(ON) 상태를 유지하고, 처리 시스템(250)은 제1 및 제2 각도 사이에서 팬(233'')의 스캔 패턴 또는 스와이프만을 사용하고 각도 범위 밖의 팬(233'')의 부분, 예를 들어, 패싯(245a, 245b) 사이를 통과하는 팬(233'')의 부분을 사용하지 않도록 시간 설정된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 처리 시스템(250)은 각각의 패싯(245a, 245b)을 따라 제1 각도와 제2 각도 사이의 팬(233'')의 스캔 패턴 또는 스와이프에 기초하여 리턴 빔(291)만을 고려하고 패싯(245a, 245b) 사이를 통과하는, 예를 들어, 패싯(245a, 245b) 사이의 패싯 에지(facet edge) 위로 통과하는 팬(233'')의 부분에 기초한 리턴 빔(291)을 고려하지 않도록 시간 설정된다. 이 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244)는 LIDAR 시스템의 효율성을 최대화하기 위해 일정한 속도로 연속으로 회전한다. 일 실시예에서, LIDAR 시스템은 빔의 다중 스캔 패턴 또는 스와이프를 수행하고, 각각의 스캔 패턴에 대하여, 처리 시스템(250)은 폴리곤 스캐너(244)의 각각의 패싯(245a, 245b) 상의 제2 평면 내에서 제1 각도로부터 제2 각도로 재지향되는 팬(233'')을 고려하도록 시간 설정된다.
도 4a는, 일 실시예에 따라, 도 2g의 시스템을 이용하는 콜리메이트된 팬 빔(233'')의 다수의 인터리브(interleave) 스와이프(442a, 442b)의 일례를 도시하는 이미지이다. 일 실시예에서, 스와이프(442a)는 제2 평면에서 폴리곤 스캐너(244)에 의한 제1 각도로부터 제2 각도로의 팬(233'')의 제1 스와이프이다. 하나의 실시예에서, 제1 스와이프(442a)를 수행한 후, 제1 스캐너(241)는 증분 각도(incremental angle)(444)만큼 제1 평면에서 팬 빔(233')의 방향을 조정한다. 예시적인 일 실시예에서, 인터리브 스와이프(442a, 442b)에 대한 증분 각도(444)는 대략 0.5도이거나, 대략 0.05 내지 대략 1도의 범위 내에 있거나, 대략 0.005 내지 대략 2도의 범위 내에 있다. 예시적인 일 실시예에서, 증분 각도(444)는 제1 평면에서 팬 빔(233')의 각도 확산보다 작다. 일 실시예에서, 제1 스캐너(241)가 증분 각도(444)만큼 팬 빔(233')을 조정한 후, 폴리곤 스캐너(244)는 제2 평면에서 제1 각도로부터 제2 각도로 콜리메이트된 팬 빔(233'')의 제2 스와이프(442b)를 수행한다. 제3 인터리브 스와이프는 도 4a에서 가장 밝은 선으로 표시된다. 3개의 인터리브 스와이프(442a, 442b 및 가장 밝은 선)가 도 4a에 도시되지만, 3개보다 많은 스와이프가 스와이프(442a, 442b)에 대하여 위에서 논의된 것과 유사한 방식으로 인터리빙될 수 있다. 하나의 실시예에서, 스와이프(442a, 442b)는 임계 간격(예를 들어, 대략 500 ㎛이거나 그 범위가 대략 400 ㎛ 내지 대략 600 ㎛임)보다 큰 어레이(215) 내 도파관(225)의 간격(221)에 기초하여 인터리빙된다.
스와이프(442a, 442b)의 인터리빙을 수행하기 위하여, 처리 시스템(250)은 팬 빔(233'')이 제1 스와이프(442a) 동안 제1 각도로부터 제2 각도로 스캔됨에 따라 리턴 빔(291)을 고려하도록 시간 설정되고; 그 다음, 처리 시스템(250)은 증분 각도(444)만큼 제1 평면에서 팬 빔(233')을 조정하기 위하여 스캐너(241)에 제2 신호를 송신하고; 그리고, 처리 시스템(250)은 팬 빔(233'')이 제2 스와이프(442b) 동안 제1 각도로부터 제2 각도로 스캔됨에 따라 리턴 빔(291)을 고려하도록 추가로 시간 설정된다. 하나의 실시예에서, 처리 시스템(250)은 팬 빔(233'')이 패싯(245) 중 하나에서 반사되고 초기 시간과 최종 시간 사이에 제2 평면에서 제1 각도로부터 제2 각도로 스캔될 때 각 초기 시간 및 최종 시간들 사이의 리턴 빔(291)을 고려하도록 시간 설정된다. 빔 스와이프(442a, 442b)의 인터리빙의 한 가지 이점은 단일 빔(291)(예를 들어, 도 2d의 빔(205'))의 사용에 비해 더 높은 해상도의 리턴 빔(291) 데이터가 성취된다는 것이다.
도 4b는, 일 실시예에 따라, 도 2g의 스캐닝 시스템을 이용한 콜리메이트된 팬 빔(233'')의 다수의 오프셋 스와이프(442a', 442b', 442c)의 일례를 도시하는 이미지이다. 일 실시예에서, 스와이프(442a')는 제2 평면에서 폴리곤 스캐너(244)에 의한 제1 각도로부터 제2 각도로의 팬(233'')의 제1 스와이프이다. 하나의 실시예에서, 제1 스와이프(442a')를 수행한 후, 제1 스캐너(241)는 증분 각도(444')만큼 제1 평면에서 팬 빔(233')의 방향을 조정한다. 예시적인 일 실시예에서, 오프셋 스와이프(442a', 442b')에 대한 증분 각도(444')는 대략 2.5 도이거나 대략 1도 내지 대략 4도의 범위에서 선택되거나 대략 0.5도 내지 대략 6 도의 범위에서 선택된다. 예시적인 일 실시예에서, 증분 각도(444')는 제1 평면에서 팬 빔(233')의 각도 확산과 대략 동일하다. 일 실시예에서, 제1 스캐너(241)가 증분 각도(444')만큼 팬 빔(233')을 조정한 후, 폴리곤 스캐너(244)는 콜리메이트된 팬 빔(233'')의 제2 스와이프(442b')를 제2 평면 내에서 제1 각도로부터 제2 각도로 수행한다. 그 다음, 제1 스캐너(214)는 폴리곤 스캐너(244)가 제3 스와이프(442c')를 수행하기 전에, 증분 각도(444')만큼 팬 빔(233')을 조정한다. 3개의 오프셋 스와이프(442a', 442b', 442c')가 도 4b에 도시되지만. 3개 이상의 스와이프가 스와이프(442a', 442b', 442c')에 대하여 위에서 논의된 것과 유사한 방식으로 오프셋될 수 있다. 하나의 실시예에서, 스와이프(442a', 442b', 442c')는 임계 간격(예를 들어, 대략 100 ㎛이거나 그 범위가 대략 80 ㎛ 내지 대략 120 ㎛임)보다 작은 어레이(215) 내 도파관(225)의 간격(221)에 기초하여 오프셋된다.
오프셋 스와이프(442a', 442b' 442c')를 수행하기 위하여, 처리 시스템(250)은 팬 빔(233'')이 제1 스와이프(442a') 동안 제1 각도로부터 제2 각도로 스캔됨에 따라 리턴 빔(291)을 고려하도록 시간 설정되고; 그 다음, 처리 시스템(250)은 증분 각도(444')만큼 팬 빔(233')을 조정하기 위하여 스캐너(241)에 제2 신호를 송신하고; 그리고, 처리 시스템(250)은 팬 빔(233'')이 제2 스와이프(442b') 동안 제1 각도로부터 제2 각도로 스캔됨에 따라 리턴 빔(291)을 고려하도록 추가로 시간 설정된다. 프로세서는 폴리곤 스캐너(244)가 제3 스와이프(442c') 동안 제1 각도로부터 제2 각도로 스캔될 때 리턴 빔(291)을 고려하도록 유사하게 시간 설정된다. 빔 스와이프(442a', 442b' 442c')의 오프셋의 한 가지 이점은 단일 빔(291)(예를 들어, 도 2d의 빔(205'))의 사용에 비해 또는 도 4a에 도시된 인터리빙에 비하여 시야를 더 빨리 채운다는 것이다.
도 4c는, 일 실시예에 따라, 어레이(215) 내 도파관(225)이 불규칙적으로 이격된 도 2g의 시스템을 이용하는 콜리메이트된 팬 빔(233'')의 하나의 스와이프(442'')의 일례를 예시하는 이미지이다. 일 실시예에서, 스와이프(442'')는 제1 간격(448a)을 갖는 제1 복수의 빔(446a); 제2 간격(448b)을 갖는 제2 복수의 빔(446b); 및 제3 간격(448c)을 갖는 제3 복수의 빔(446c)을 포함하며, 여기서 제3 간격(448c)은 제2 간격(448b)보다 크고 제2 간격(448b)은 제1 간격(448a)보다 크다. 예시적인 실시예에서, 제1 간격(448a)은 대략 0.1도이거나 대략 0.05도 내지 대략 0.15도의 범위 내에 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 간격(448b)은 대략 0.2도이거나 대략 0.1도 내지 대략 0.3도의 범위 내에 있다. 예시적인 실시예에서, 제3 간격(448c)은 대략 0.4도이거나 대략 0.3도 내지 대략 0.5도의 범위 내에 있다.
일 실시예에서, 제1 복수의 빔(446a)은 제1 간격(22la)을 갖는 제1 복수의 도파관(225)에 기인하고; 제2 복수의 빔(446b)은 제2 간격(22lb)을 갖는 제2 복수의 도파관(225)에 기인하고; 제3 복수의 빔(446c)은 제3 간격(22lc)을 갖는 제3 복수의 도파관(225)에 기인하며, 여기서 제3 간격(22lc)은 제2 간격(22lb)보다 크고 제2 간격은 제1 간격(22la)보다 크다. 예시적인 일 실시예에서, 제1 간격(22la)은 대략 100 ㎛이거나 대략 80 ㎛ 내지 대략 120 ㎛의 범위 내에 있고, 제2 간격(22lb)은 대략 200 ㎛이거나 대략 160 ㎛ 내지 대략 240 ㎛의 범위 내에 있고, 제3 간격(22lc)은 대략 400 ㎛이거나 대략 320 ㎛ 내지 대략 480 ㎛의 범위 내에 있다. 도 4c가 각각의 영역에서 상이한 빔 간격을 갖는 스와이프(442'')의 3개의 상이한 영역을 도시하지만, 본 발명은 3개의 상이한 영역에 한정되지 않고, 상이한 빔 간격을 갖는 3개보다 적거나 많은 스와이프 영역을 생성할 수 있다.
다른 실시예에서, 어레이(215)의 간격(221)은 스와이프(442'')의 각각 영역(446)의 간격(448)이 그 영역(446)에 대응하는 타겟 거리에 기초하도록 조정된다. 예시적인 일 실시예에서, 빔 사이에 더 작은 간격(448a)을 갖는 영역(446a)은 스와이프(442'')의 영역(446a)이 큰 타겟 거리(예를 들어, 100 m 이상 또는 도 3b에서의 빔(344))에 대응하도록 배열되는 반면, 더 큰 간격(448c)을 갖는 영역(446c)은 영역(446c)이 더 작은 타겟 거리(예를 들어, 100 m 미만 또는 도 3b의 빔(342, 346))에 대응하도록 배열된다. 다른 예시적인 실시예에서, 스와이프(442'')를 형성하는 빔 팬(233'')은 더 긴 거리에서 더 조밀한 커버리지를 제공한다(예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 차량(310)의 바로 앞쪽의 지면(349)을 향하여 지향되는 빔(342)에 대한 더 큰 각도 확산과 차량(310)의 이동 방향(313)에 대략 평행한 빔(344)에 대한 더 작은 각도 확산).
도 6a는 LIDAR 시스템의 스캐너를 동작시키기 위한 예시적인 방법(600)을 도시하는 순서도이다. 도 6a 및 후속 순서도인 도 6b 및 6c 에서 단계들이 예시적인 목적으로 특정 순서에 따른 통합 단계들로서 도시되지만, 다른 실시예에서, 하나 이상의 단계 또는 그 일부는 상이한 순서로 수행되거나, 시간적으로 직렬 또는 병렬로 중첩되거나, 생략되거나, 하나 이상의 추가 단계가 추가되거나, 방법이 몇몇 조합 방식으로 변경된다.
601 단계에서, 제1 평면에 배열된 도파관 어레이를 사용하여 복수의 빔이 생성되고, 여기서 각각의 빔은 어레이 내 각 도파관으로부터 송신된다. 일 실시예에서, 601 단계에서, 복수의 빔(201)은 제1 평면(예를 들어, 도 2e/2g의 평면 또는 도 2h의 평면(234))에 배열된 도파관 어레이(215)를 사용하여 생성되며, 여기서 각각의 빔(201)은 어레이(215)의 도파관(225)의 각 끝단(217)으로부터 송신된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 601 단계에서, 처리 시스템(250)은 어레이(215)의 각각의 도파관(225)내로 커플링되는 다수의 빔으로 분할되는 하나의 빔(201)을 송신하기 위하여 신호를 소스(212)로 송신한다. 다른 예시적인 실시예에서, 601 단계에서, 처리 시스템은 신호를 다수의 소스(212)로 송신하고, 여기서 각각의 소스(212)는 어레이(215)의 각각의 도파관(225) 내로 커플링되는 각 빔(201)을 송신한다.
603 단계에서, 601 단계에서 생성된 빔은 콜리메이터를 이용하여 제1 평면에서 각도 확산을 갖는 콜리메이트된 빔의 팬으로 만들어진다. 일 실시예에서, 603 단계에서, 도파관 어레이(215)를 이용하여 생성된 빔은 콜리메이터(231)를 이용하여 콜리메이트된 빔(236)의 팬(233)으로 만들어지고, 팬(233)은 제1 평면에서 각도 확산을 가진다. 예시적인 일 실시예에서, 팬(233)은 도파관(225)이 어레이(215)로 배열된 것과 동일한 제1 평면(예를 들어, 도 2g의 평면)에서 각도 확산을 가진다. 다른 실시예에서, 603 단계에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)의 초점 평면에 대한 도파관 어레이(215)의 끝단(217)의 위치, 초점 길이(235), 도파관(225) 사이의 간격(221) 및 광축(237)으로부터 도파관(225)을 분리하는 거리(228) 중 하나 이상은 요구되는 각도 확산과 빔 직경(246)을 갖는 팬(233)을 성취하기 위해 조정된다. 일부 실시예에서, 이러한 파라미터 값들 중 하나 이상은 기계적으로 엔지니어링된다. 다른 실시예에서, 도파관(225) 뒤에서 작용하는 다른 장치(예를 들어, 스위치 네트워크)가 다수의 도파관(225)에 대한 출력을 전자적으로 제어하기 위해 사용될 수 있다.
605 단계에서, 제1 평면과 상이한 제2 평면에서 팬(233)의 스캔 패턴 또는 스와이프의 각도 범위를 정의하는 제1 각도 및 제2 각도가 수신된다. 일 실시예에서, 605 단계에서, 제1 각도 및 제2 각도는 입력 장치(712) 및/또는 포인팅 장치(716)를 사용하여 입력되고/되거나 처리 시스템(250)의 네트워크 링크(778)를 통해 수신되고 처리 시스템(250)의 메모리(704)에 저장된다. 예시적인 일 실시예에서, 제1 각도 및 제2 각도는 팬(233'')이 폴리곤 스캐너(244)에 의해 제2 평면(예를 들어, 도 2h의 평면)에서 스윕되는 초기 및 최종 각도를 정의한다. 예시적인 일 실시예에서, 스캔 패턴 또는 스와이프의 각도 범위는 대략 20도이거나 대략 15도 내지 대략 25도의 범위 내에 있고, 제1 각도는 대략 -15도이거나 대략 -20도 내지 대략 -10도의 범위 내에 있고, 제2 각도는 대략 +5도이거나 대략 0도 내지 대략 +10도의 범위 내에 있고, 제1 각도 및 제2 각도는 평면(234)에 대한 법선에 대하여 측정된다. 다른 실시예에서, 각도 범위는 제1 각도(예를 들어, 가장 낮은 스와이프 각도)에서 팬(233)의 바닥과 제2 각도(예를 들어, 가장 높은 스와이프 각도)에서의 팬(233)의 꼭대기가 관심 수직 시야(field of view(FOV))를 커버하도록 팬(233)의 각도 확산에 의존한다.
607 단계에서, 팬의 방향은 제2 스캐너를 사용하여 제2 평면에서 제1 각도로부터 제2 각도로 조정된다. 예시적인 일 실시예에서, 607 단계는 회전 축(243)을 중심으로 일정한 속도로 회전하는 폴리곤 스캐너(244)를 사용하여 팬(233'')이 제2 평면에서 제1 각도로부터 제2 각도로 조정되도록, 폴리곤 스캐너(244)를 이용하여 수행된다. 예시적인 일 실시예에서, 607 단계에서, 처리 시스템(250)은 폴리곤 스캐너(244)가 초기 및 최종 시간 사이에 제2 평면에서 제1 각도로부터 제2 각도로 팬(233'')을 스캐닝할 때 리턴 빔(291)을 고려하도록 시간 설정된다. 일 실시예에서, 처리 시스템(250)은 팬(233'')이 제2 평면에서 제1 각도와 제2 각도 사이에 정의된 각도 범위를 벗어난 각도에 걸쳐 스캔될 때 수신되는 리턴 빔(291)을 거부하도록 시간 설정된다. 예시적인 일 실시예에서, 인터리빙 스와이프를 위하여, 607 단계에서, 폴리곤 스캐너(244)는 스와이프(442a)를 형성하기 위해 제1 각도로부터 제2 각도로 팬(233'')을 스캔한다. 다른 예시적인 실시예에서, 오프셋 스와이프를 위하여, 607 단계에서, 폴리곤 스캐너(244)는 스와이프(442a')를 형성하기 위하여 제1 각도로부터 제2 각도로 팬(233'')을 스캔한다. 또 다른 실시예에서, 607 단계에서, 불규칙한 빔 간격을 갖는 스와이프 위하여, 폴리곤 스캐너(244)는 스와이프(442'')를 형성하기 위해 제1 각도로부터 제2 각도로 팬(233'')을 스캔한다. 이 예시적인 실시예에서, 불규칙한 빔 간격을 갖는 스와이프를 위하여, 609, 611 단계는 생략될 수 있다. 다른 실시예에서, 불규칙한 빔 간격을 갖는 스와이프를 위하여, 609, 611 단계는 아래에서 설명되는 바와 같이 수행된다.
609 단계에서, 팬의 방향은 어레이 내 도파관의 간격에 기초하여 제1 평면에서 증분 각도만큼 조정된다. 일 실시예에서, 609 단계에서, 제1 평면에서 팬(233'')의 방향은 어레이(215) 내 도파관(225)의 간격(221)에 기초하여 증분 각도(444, 444')만큼 스캐너(241)에 의해 조정된다. 예시적인 일 실시예에서, 609 단계에서, 증분 각도(444)는 인터리빙 스와이프를 위하여 사용된다. 다른 예시적인 실시예에서, 609 단계에서, 증분 각도(444')는 오프셋 스와이프를 위하여 사용된다. 하나의 실시예에서, 609 단계는 607 단계 이후에 수행된다. 다른 실시예에서, 609 단계에서, 처리 시스템(250)은 팬(233')의 방향을 제1 평면에서 증분 각도(444, 444)만큼 조정하기 위하여 스캐너(241)에 신호를 송신한다. 다른 실시예에서, 609 단계는 스캐너(241)에 의해 수행되지 않고, 대신에 607 단계의 반복을 위하여 폴리곤 스캐너(244)의 상이한 각을 가진 패싯(245)을 이용함으로써 수행되며, 패싯(245)들은 회전 축(243)에 대해 상이한 각을 이룬다. 예시적인 일 실시예에서, 제1 폴리곤 패싯(245a)은 제1 스와이프(442a)를 수행하기 위하여 607 단계의 제1 반복에서 사용되고, 제2 폴리곤 패싯(245b)은 제2 스와이프(442b)를 수행하기 위하여 607 단계의 제2 반복에서 사용되고, 제2 폴리곤 패싯(245b)은 스와이프(442b)를 증분 각도(444)만큼 조정하도록 회전 축(243)에 대하여 패싯(245a)과 상이한 각을 이룬다. 하나의 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244)의 인접한 패싯들(245)은 회전 축(243)에 대하여 상이한 증분으로 각을 이룬다. 예시적인 일 실시예에서, 상이한 증분은 범위가 대략 3도 내지 대략 7도이다. 다른 예시적인 실시예에서, 각각의 인접한 패싯(245)은 각도 증분의 전체 범위가 폴리곤 스캐너(244)에 걸쳐 대략 15도 내지 35도의 범위 내에 있도록 상이한 증분을 가진다.
611 단계에서, 팬의 스와이프가 수행된 횟수가 결정된다. 예시적인 일 실시예에서, 611 단계에서의 결정은 처리 시스템(250)의 메모리(704)에 저장된 필드에 기초하고, 여기서 저장된 필드는 607 단계의 각각의 반복에 대하여 증가되는 카운터이다. 또한, 611 단계에서, 처리 시스템(250)은 결정된 스와이프 횟수를 요구되는 스와이프 횟수(예를 들어, 2, 4 등)와 비교한다. 결정된 스와이프 횟수가 요구되는 스와이프 횟수보다 작다면, 방법(600)은 607 단계로 되돌아간다. 결정된 스와이프 횟수가 요구되는 스와이프 횟수와 같다면, 방법은 종료된다. 요구되는 스와이프 횟수가 4인 예시적인 일 실시예에서, 611 단계는 611 단계에서 스와이프 횟수가 요구되는 스와이프 횟수와 동일하여 방법(600)이 종료된다고 결정될 때까지 방법(600)을 607 단계로 3회 이동시킬 것이다.
5. 팬 빔의 스텝형 스캐닝
일 실시예에서, 리턴 빔(291)의 왕복 이동 지연(round trip delay)으로 인하여, 빔이 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 스캔되고 있을 때 리턴 빔(291)의 수신 모드는 송신된 빔(205')의 송신 모드로부터 측방으로 시프트되거나(laterally shifted) "이탈(walk off)"할 것이다. 도 2g의 도파관 어레이(215)에 대하여, 리턴 빔(291)은 각각의 도파관(225)의 끝단(217)에서 송신된 빔(201)으로부터 측방으로 시프트되거나 "이탈"할 수 있다. 도 5a는, 일 실시예에 따라, 도 2g의 시스템(200'')에서 다양한 타겟 거리 및 스캔 속도에 대한 빔 이탈의 일례를 도시하는 이미지이다. 수평 축(502)은 타겟 거리를 나타내고 수직 축(522)은 스캐닝 광학 기기(218)(예를 들어, 스캐너(241), 폴리곤 스캐너(244))를 이용한 빔의 스캔 속도를 나타낸다. 도 5a가 도시하는 바와 같이, 초점이 맞추어진 리턴 빔(291)의 이미지(518a)가 광 섬유 끝단(217)에 중심이 있어 짧은 타겟 거리에서 빔 이탈이 없다는 것을 나타내고 초점이 맞추어진 리턴 빔(291)의 이미지(518b)도 광 섬유 끝단(217)에 중심이 있어 먼 타겟 거리에서 빔 이탈이 없다는 것을 나타내기 때문에, 빔이 스캐닝되지 않을 때(하부 행)에는 빔 이탈이 없다. 빔이 중간 스캔 속도로 스캔될 때(도 5a의 중간 행), 초점이 맞추어진 리턴 빔(291)의 이미지(588a)와 광 섬유 끝단(217) 사이에서 중간 빔 이탈(5l9a)이 관찰되고, 초점이 맞추어진 리턴 빔(291)의 이미지(588a)와 광 섬유 끝단(217) 사이에서 더 큰 빔 이탈(519b)이 관찰된다. 빔이 빠른 스캔 속도로 스캔될 때(도 5a의 상부 행), 중간 스캔 속도에서의 빔 이탈(5l9a)을 초과하는 빔 이탈(521a)이 짧은 거리에서 관찰되고, 중간 스캔 속도에서의 빔 이탈(5l9b)을 초과하는 빔 이탈(521b)이 긴 거리에서 관찰된다. 따라서 빔 이탈은 타겟 거리와 스캔 속도가 증가함에 따라 증가한다. 일 실시예에서, 증가된 타겟 거리는 시간 지연을 유발하며 그 동안 이미지(588a, 5l8b)는 광 섬유 코어의 끝단(217)으로부터 멀리 이동한다. 따라서, 일부 실시예에서, LIDAR는 이 이탈을 적절하게 처리하도록 동작된다. 하나의 실시예에서, 이러한 동작은 이미지(518)의 직경에 기초하여 빔 이탈(519)을 제한한다(예를 들어, 이미지(518)의 직경의 절반 이하).
도 5b는, 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템에서 다양한 스캔 레이트(scan rate)에 대한 커플링 효율 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(502)은 미터(m) 단위로 타겟 거리를 나타내고, 수직 축(530)은 단위가 없는 커플링 효율을 나타낸다. 일 실시예에서, 커플링 효율은 빔 이탈(519)에 반비례한다. 제1 트레이스(532a)는 빔의 스캐닝이 없는 것에 기초한 다양한 타겟 거리에 대한 초점이 맞추어진 리턴 빔(291)의 광 섬유 끝단(217)으로의 커플링 효율을 도시한다. 커플링 효율은 넓은 범위의 타겟 거리에 대하여 상대적으로 높고 일정한 상태를 유지한다. 제2 트레이스(532b)는 빔의 중간 스캔 레이트에 기초한 다양한 타겟 거리에 대한 초점이 맞추어진 리턴 빔(291)의 광 섬유 끝단(217)으로의 커플링 효율을 도시한다. 일 실시예에서, 중간 스캔 레이트에서의 커플링 효율은 중간 타겟 거리(예를 들어, 대략 120m)에서 피크에 도달한 다음, 타겟 거리가 증가함에 따라 감소한다. 제3 트레이스(532c)는 빔의 빠른 스캔 레이트에 기초한 다양한 타겟 거리에 대한 초점이 맞추어진 리턴 빔(291)의 광 섬유 끝단(217)으로의 커플링 효율을 도시한다. 일 실시예에서, 빠른 스캔 레이트의 커플링 효율은 낮은 타겟 거리(예를 들어, 대략 80m)에서 피크에 도달한 다음 타겟 거리가 증가함에 따라 감소한다.
여기에서, 스캐닝이 없거나 스캔 레이트가 최소화될 때, 빔 이탈(519, 521)이 회피되고 커플링 효율(및 신호 대 잡음비 또는 SNR)이 최적화된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 스텝형 스캔(step scan)을 이용하여 제1 각도로부터 제2 각도로 도 2g의 시스템에서 콜리메이트된 팬(233'')에 대한 스캔 패턴이 개발되었다. 일 실시예에서, 스텝형 스캔은 최소 기간 동안 제1 각도와 제2 각도 사이의 하나 이상의 증분 각도에서 팬(233'')을 정지시킨다. 예시적인 일 실시예에서, 제1 각도와 제2 각도 사이의 증분 각도는 LIDAR 데이터(예를 들어, 리턴 빔(291))가 요구되는 각도이다. 일 실시예에서, 최소 기간은, 도파관이 다음 각도로 이동되기 전에 리턴 빔(291)의 파형이 각각의 도파관 끝단(217)에서 수신되는 것을 보장하도록, 타겟으로부터의 리턴 빔(291)의 리턴 트립 시간(return trip time) 및 리턴 빔(291) 내 파형의 지속 시간(예를 들어, 펄스 파형의 지속 시간)에 기초하여 조정된다. 다른 실시예에서, 스텝형 스캔은 증분 각도 사이의 각도들에 대한 스캔 레이트를 최대화하여, 스캔 패턴의 시간 효율성을 최대화한다. 이 스텝형 스캔은 스캔 패턴의 커플링 효율과 시간 효율을 동시에 최대화한다.
일 실시예에서, 도 2g 및 2h의 시스템은 폴리곤 스캐너(244)에 추가하여 제2 평면(예를 들어, 도 2h의 평면)에서 팬(233'')을 조정하는 제2 스캐너(252)를 포함한다. 예시적인 일 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244)는 제2 스캐너(252)보다 더 큰 시야(FOV)를 가진다. 다른 예시적인 실시예에서, 제2 스캐너(252)는 빠르지만 최소한의 지속성(tenability)을 갖는 실리콘 포토닉스 기반의 광학 위상 어레이(silicon photonics based optical phased array)이다. 도 4f는, 일 실시예 따라, 도 2h의 시스템에서 스캐너(244, 251)에 기초한 제2 평면에서의 팬(233'')의 스캔 방향의 일례를 도시하는 그래프이다. 제1 트레이스(435)는 폴리곤 스캐너(244)에 기초한 제2 평면에서의 팬(233'')의 조정된 방향을 나타낸다. 수평 축(430)은 임의 단위로 시간을 나타내고, 수직 축(432)은 폴리곤 스캐너(244)에 기인하는 제2 평면에서의 팬(233'')의 방향을 나타낸다. 일 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244)가 일정한 속도로 회전하기 때문에, 트레이스(435)는 제1 각도(예를 들어, t = 0에서)로부터 제2 각도(예를 들어, 소정의 시간 t에서)로의 제2 평면에서의 팬(233'')의 일정한 스캔 레이트를 나타낸다. 트레이스(435)에 기초한 팬(233'')의 일정한 스캔 레이트는, 이탈(519, 521)을 유발할 수 있기 때문에(예를 들어, 일정한 스캔 레이트가 이탈에 대한 임계 레이트를 초과할 때), 리턴 빔(291)의 커플링 효율 및 SNR을 감소시킬 수 있다. 따라서 다음에 설명된 바와 같이 추가 조정이 이루어진다.
제2 트레이스(437)는 제2 스캐너(252)에 기초한 제2 평면에서의 팬(233'')의 조정된 방향을 나타낸다. 제2 트레이스(437)는, 유리하게는, 제1 트레이스(435)와 결합될 때 제2 평면에서 팬(233'')의 조정된 순 방향(net direction)이 최적화된 파라미터를 갖는 스텝형 스캔이 되도록 선택된다. 수평 축(430)은 임의 단위로 시간을 나타내고, 수직 축(434)은 제2 스캐너(252)에 기인하는 제2 평면에서의 팬(233'')의 방향을 나타낸다. 일 실시예에서, 트레이스(437)는 대략 5 헤르츠(Hz) 내지 대략 25 Hz의 범위 내에 있는 주파수와 대략 15도 내지 대략 35도의 범위 내에 있는 각도 범위(예를 들어, 최대 각도와 최소 각도 사이의 간격)를 가진 톱니 패턴이다. 다른 실시예에서, 다른 패턴이 각도 범위의 중간에서 더 많은 밀도를 조장한다면, 톱니 패턴 트레이스(437) 대신에 정현파 패턴, 삼각 패턴 또는 다른 임의의 패턴이 사용된다. 하나의 실시예에서, 트레이스(437)의 톱니 패턴은 각진 부분 및 수직 부분을 특징으로 하며, 각진 부분은 동일한 시간 증분 동안 트레이스(435)의 방향과 반대 방향으로 지나간다. 하나의 예시적인 실시예에서, 각진 부분의 기울기는 지속 시간(450) 동안 스텝형 스캔의 평평한 부분을 성취하기 위해 트레이스(435)의 기울기와 동일하고 반대가 되게 선택된다.
제3 트레이스(439)는 폴리곤 스캐너(244) 및 제2 스캐너(252)에 기초하는, 예를 들어, 스캔들(435, 437)의 조합에 기초하는, 제2 평면에서의 팬(233'')의 조정된 순(net) 방향을 나타낸다. 수직 축(436)은 제2 평면에서의 팬(233'')의 조정된 순 방향을 나타낸다. 일 실시예에서, 트레이스(439)의 스텝형 스캔은 지속 시간(450) 및 각도 증분(454) 높이를 갖는 스텝들을 포함한다. 예시적인 일 실시예에서, 각도 증분(454)은 대략 0.05도 내지 대략 0.2도의 범위 내에 있다. 일 실시예에서, 트레이스(439)의 스텝형 스캔은 팬(233'')의 스캔 각도가 지속 시간(450) 동안 제1 각도와 제2 각도 사이의 증분 각도(예를 들어, 각도 증분(454)에 의해 분리된 각도)에서 정지되는 것을 나타낸다. 추가로, 일 실시예에서, 트레이스(439)의 스텝형 스캔은 스캔 레이트가 증분 각도 사이에서 최대화된다는 것을 나타낸다. 이것은, 유리하게는, 각각의 증분 각도에서 수신된 리턴 빔(291)의 수집 효율 및 SNR을 최대화하는 동시에 스캔 패턴의 시간 효율을 최대화한다.
일 실시예에서, 각도 증분(454)은 리턴 빔(291) 데이터가 제2 평면에 걸쳐 제1 각도와 제2 각도 사이의 요구되는 각도 해상도로 획득되도록 선택된다. 다른 실시예에서, 지속 시간(450)은 도파관 어레이(215)로부터 빔(201)을 송신하고, 리턴 빔(291)의 초기 부분을 수신하고, 도파관 끝단(217)에서 리턴 빔(291)의 나머지 부분을 수신하기에 충분한 시간을 제공하도록 선택된다. 도 4e는 리턴 트립 시간(return trip time)(420)(예를 들어, 리턴 빔(291)의 초기 부분의 송신 시간(424) 및 리턴 시간(426)에 기초함) 및 리턴 빔(291)에서의 파형의 지속 시간에 기초하는 추가 시간(422)의 합에 기초하여 지속 시간(450)이 조정되는 하나의 실시예를 도시한다. 이것은, 유리하게는, 팬(233'')이 제1 증분 각도로부터 스텝형 스캔의 제2 증분 각도로 이동되기 전에 리턴 빔(291)에서의 파형이 각각의 도파관 끝단(217)에서 수신되는 것을 보장한다.
도 6b는, 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템의 스캐너를 작동하기 위한 예시적인 방법(630)을 도시하는 순서도이다. 631, 633 및 635 단계는 601, 603, 605 단계와 유사하다.
637 단계에서, 팬(233'')의 방향은 폴리곤 스캐너(244) 및 제2 스캐너(252)를 이용하여 제2 평면에서 동시에 조정된다. 일 실시예에서, 637 단계에서, 처리 시스템(250)은 폴리곤 스캐너(244) 및 제2 스캐너(252)로 신호를 송신하고, 폴리곤 스캐너(244)로의 신호는 스캐너(244)가 일정한 속도로 회전하게 하고, 스캐너(252)로의 신호는 스캐너(252)가 예를 들어, 톱니 트레이스(437)에 기초하여, 제2 평면에서 팬(233'')의 방향을 조정하게 한다.
639 단계에서, 제1 각도와 제2 각도 사이의 스텝 함수의 증분 각도에서, 빔(201)은 어레이(215)의 도파관으로부터 송신되고, 리턴 빔(291)은 어레이(215)의 도파관에서 수신된다. 일 실시예에서, 증분 각도는 스텝형 스캔 트레이스(439)의 각도 증분(454)에 의해 정의된다. 하나의 실시예에서, 팬(233'')의 스캔은 제1 각도에서 시작한다. 팬(233'')은, 스텝형 스캔 트레이스(439)에 기초하여, 제1 각도와 제1 증분 각도 사이의 최대 스캔 레이트로 스캔된다. 제1 증분 각도에서, 팬(233'')은 지속 시간(450) 동안 제1 증분 각도로 유지된다. 일 실시예에서, 소스(212) 및 빔(201)은 스텝형 스캔 트레이스(439) 동안 온(ON) 상태로 유지된다. 예시적인 일 실시예에서, 처리 시스템(250)은 각도 증분(454) 사이에 수신된 리턴 빔(291)을 제외하고 스텝형 스캔 트레이스(439)의 각 각도 증분(454)에서 지속 시간(450) 동안 수신된 리턴 빔(291)을 고려하도록 시간 설정된다. 리턴 빔(291)은 지속 시간(450) 동안 도파관 어레이(215)의 끝단에서 수신된다. 일 실시예에서, 지속 시간(450) 후에, 팬(233'')은 최대 스캔 레이트에서 각도 증분(454)만큼 제1 증분 각도로부터 제2 증분 각도로 재스캔(re-scan)된다. 예시적인 일 실시예에서, 팬(233'')은 지속 시간(450) 동안 제2 증분 각도로 유지되고 처리 시스템(250)은 지속 시간(450) 동안 수신된 리턴 빔(291)을 고려하도록 시간 설정된다. 이것은 제2 평면에 걸쳐 제1 각도와 제2 각도 사이의 각 증분 각도에 대하여 반복된다.
641 단계에서, 팬(233'')의 추가적인 스캔 또는 스와이프가 수행될지 여부가 결정된다. 641 단계에서의 결정은 팬(233'')의 완료된 스와이프 횟수와 팬(233'')의 요구되는 스와이프 횟수를 비교하는 것에 기초한다. 예시적인 일 실시예에서, 팬(233'')의 완료된 스와이프 횟수는 처리 시스템(250)의 메모리(704)에 저장되고 639 단계의 각각의 반복에 대해 증가되는 카운터이다. 다른 예시적인 실시예에서, 팬(233'')의 요구되는 스와이프 횟수는 메모리(704)에 저장된 수이다. 641 단계에서의 결정이 긍정적이면, 방법(630)은 637 블록으로 이동한다. 641 단계에서의 결정이 부정적이면, 방법(630)은 종료된다. 일부 실시예에서, 방법(600)의 609 단계는 방법(630)이 인터리브 또는 오프셋 스와이프를 수행하는 데 사용될 수 있도록 방법(630)에서 채용될 수 있다.
6. 광 스위치를 이용한 스캐닝
일부 실시예에서, LIDAR 시스템은 어레이(215) 내 도파관(225)의 개수보다 더 적은 처리 채널(예를 들어, 다수의 서큘레이터(226), 광 믹서(284), 경로(220, 222, 224) 내의 다수의 도파관)을 특징으로 한다. 이것은, 유리하게는, LIDAR 시스템을 더 간단하고 비용 효율적으로 만든다. 그러나, 이 시스템에서 어레이(215)의 다수의 도파관(225)으로부터의 리턴 빔(291) 데이터를 처리하기 위하여, 시스템은, 빔(201)을 송신하고 리턴 빔(291)을 수신하는데 사용되는 도파관(225)의 개수가 처리 채널의 개수를 초과하지 않도록, 각각의 기간에서 어레이(215) 내 하나 이상의 도파관(225) 사이에서 스위칭한다.
일 실시예에서, 각각의 도파관 끝단(217)에서 측정의 시간적 직렬화를 위하여 광 스위치가 광을 도파관(225) 중 임의의 것에 개별적으로 지향시키는 데 사용된다. 이것은, 유리하게는, 각도 측정 방향들 사이의 거의 즉각적인 스위칭으로 공간에 걸친 LIDAR 자원의 분배를 허용한다. 예시적인 일 실시예에서, 50 나노 초(nanosecond) 미만의 스위치 시간을 갖는 고속 광 스위치가 사용된다. 이 스위치 시간은 많은 애플리케이션에서 사용되는 측정 통합 시간(measurement integration time)보다 훨씬 짧다. 또한, 다른 예시적인 실시예에서, 통합 포토닉스(integrated photonics) 플랫폼은 입력의 적절한 위상 제어를 위한 다중 모드 간섭 구조(multi-mode interference structure)를 이용하여 저 손실 스위치의 기초를 형성할 수 있다.
도 2i는, 일 실시예에 따라, 어레이(215)의 하나 이상의 도파관(225) 사이에서 스위칭하기 위하여 도 2g의 시스템에서 사용되는 예시적인 광 스위치(247)를 도시하는 블록도이다. 일 실시예에서, 각각의 광 스위치(247)는 위상 시프터(phase shifter)에 커플링된 MMI 스위치이다. 빔(201)을 도파관(225a, 225b)으로 라우팅하거나(예를 들어, 스위치 247a) 또는 도파관(225c, 225d)으로 라우팅하도록(예를 들어, 스위치 247b) 제1 쌍의 스위치(247a, 247b)가 선택적으로 활성화된다. 빔(201)을 도파관(225a)으로 라우팅하거나(예를 들어, 스위치 247c) 또는 도파관(225b)으로 라우팅하도록(예를 들어, 스위치 247d) 제2 쌍의 스위치(247c, 247d)가 선택적으로 활성화된다. 빔(201)을 도파관(225c)으로 라우팅하거나(예를 들어, 스위치 247e) 또는 도파관(225d)으로 라우팅하도록(예를 들어, 스위치 247f) 제3 쌍의 스위치(247e, 247f)가 선택적으로 활성화된다.
예시적인 일 실시예에서, 스위치(247)는 처리 시스템(250)으로부터 스위치(247)로 송신된 신호에 기초하여 활성화된다. 하나의 예시적인 실시예에서, LIDAR 시스템은 처리 시스템(250)이 제1 기간 동안 제1 복수의 스위치(예를 들어, 스위치 247a, 247c)에 신호를 송신함으로써 제1 기간 동안 도파관(225a)을 통해 빔(201)을 송신한다. 제1 기간 동안, 빔(201)은 제1 도파관(225a)의 끝단(217)으로부터 송신되고 리턴 빔(291)은 제1 도파관(225a)의 끝단에서 수신된다. 유사하게, 다른 예시적인 실시예에서, LIDAR 시스템은 처리 시스템(250)이 제2 기간에 동안 제2 복수의 스위치(예를 들어, 스위치 247a, 247d)에 신호를 송신함으로써 제2 기간(예를 들어, 제1 기간 이후) 동안 도파관(225b)을 통해 빔(201)을 송신한다. 그 다음, 빔(201)은 제2 도파관(225b)의 끝단(217)으로부터 송신되고 리턴 빔(291)은 제2 기간 동안 제2 도파관(225b)의 끝단(217)에서 수신된다. 시스템은, 각각의 기간 동안 빔(201)을 송신하고 하나 이상의 도파관(225)으로부터 리턴 빔(291)을 수신하기 위하여, 각각의 기간 동안 하나 이상의 도파관(225) 사이에서 유사하게 스위칭할 수 있다.
도 4e는, 일 실시예에 따라, 인접한 도파관(225) 사이의 스위치 시간 값을 나타내는 시간 축(410)의 일례를 도시하는 그래프이다. 활성화 시간(424)은 제1 기간이 시작할 때 제1 도파관(225a)이 활성화된 것, 예를 들어, 처리 시스템(240)이 활성화 시간(424)에 스위치(247a, 247c)에 신호를 송신하는 것을 나타낸다. 빔(201)은 활성화 시간(424)에서 시작하여 제1 도파관(225a)의 끝단(217)으로부터 송신된다. 리턴 트립 시간(420)은 리턴 시간(426)에 제1 도파관(225a)의 끝단(217)에서 리턴 빔(291)의 제1 부분이 수신되기를 기다린다. 그 다음, 시스템(200'')이 제1 도파관(225a)으로부터 제2 도파관(225b)으로 스위칭하는 시간인 스위치 시간(428)이 도달될 때까지 리턴 빔(291)의 파형의 지속 시간(예를 들어, 3.6 ㎲)에 기초하는 파형 시간(422)을 기다린다.
따라서, 하나의 실시예에서, 제1 도파관(225a)이 활성화된 상태로 유지되는 제1 기간은 리턴 트립 시간(420)과 빔의 지속 시간(예를 들어, 파형 시간(422))의 합이다. 예시적인 일 실시예에서, 제1 기간 후에, 처리 시스템(250)은 도파관(225a)을 비활성화하기 위해 스위치(247a, 247c)로 신호를 송신하고, 도파관(225b)을 활성화하기 위해 제2 기간 동안 신호를 스위치(247a, 247d)로 송신하고, 제2 기간의 지속 시간은 제1 기간의 지속 시간과 대략 동일하다. 일 실시예에서, 시스템(200'')은 이러한 방식으로 어레이(215)의 각각의 도파관(225) 사이에서 스위칭한다. 다른 실시예에서, 시스템(200'')은 한 번에 2 이상의 도파관(225) 사이에서 스위칭하며, 여기서 도파관(225)이 활성 상태로 유지되는 기간은 전술한 제1 기간과 대략 동일하다. 이러한 실시예들에서, 시스템(200'')은 2 이상의 처리 채널(예를 들어, 2 이상의 서큘레이터(226), 믹서(284) 등)을 특징으로 한다. 다른 실시예에서, 스위칭 동안 듀티 사이클(duty cycle) 불이익을 발생시키지 않도록 제1 기간의 종료와 제2 기간의 시작 사이의 스위치 시간(예를 들어, 대략 50 나노초)은 LIDAR 시스템에서 리턴 빔(291)의 통합 시간(integration time)보다 짧다.
광 스위치를 포함하는 일 실시예에서, 저속 기계식 스캐너가 스캔 방향에 직각으로 배열된 스위치형 어레이(switched array)와 쌍을 이룬다. 하나의 실시예에서, 도 2g의 스캐너(241)는, 팬 빔(233) 각도 확산이 제1 평면에 유지되거나 제1 평면에 평행한 평면에 정렬되는 동안, 제1 평면(예를 들어, 도 2g의 평면) 및 제2 평면(예를 들어, 도 2g의 평면에 직교하는 평면)에 의해 정의된 2차원 공간에서 팬 빔(233)의 전체 궤적(gross trajectory)을 조정하는 저속 기계식 스캐너이다. 이 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244)는 생략된다. 예시적인 일 실시예에서, 저속 기계식 스캐너(241)는 검류계(galvanometer), MEMS 미러 및 보이스 코일 기반 스티어링 미러(voice coil based steering mirror) 중 하나이다.
도 4d는, 일 실시예에 따라, 기계식 스캐너(241)로 스캐닝된 콜리메이트된 팬 빔(233)의 전체 궤적(406)을 도시하는 그래프 (a) 및 도파관(225) 사이의 스위칭에 기초하여 그래프 (a)의 전체 궤적(406)과 도파관 어레이(215)로부터 수신된 리턴 빔 데이터(410)를 도시하는 그래프 (b)를 포함하는 그래프 세트이다. 수평 축(402)은 제1 평면(예를 들어, 도 2g의 평면)에서의 팬 빔(233)의 방향 또는 각도를 나타낸다. 수직 축(404)은 제2 평면(예를 들어, 도 2g에 수직인 평면)에서의 팬 빔(233)의 방향 또는 각도를 나타낸다. 일 실시예에서, 스캐너(241)는 궤적(406)의 제1 성분(예를 들어, 제1 평면에서의 팬(233)의 각도) 및 궤적(406)의 제2 성분(예를 들어, 제2 평면에서의 팬(233)의 각도)를 조정하기 시작한다. 스캐너(241)에 의해 궤적(406)을 따라 팬(233)을 조정하는 동안, 팬(233)은 제1 평면에 평행하게 유지된다. 궤적(406)을 따른 각각의 증분 위치에서, LIDAR 시스템은, 각각의 증분 위치에서 팬(233)의 각도 스팬(span)(410)에 걸쳐 리턴 빔(291) 데이터를 수집하도록, 어레이(215) 내 하나 이상의 도파관(225) 사이에서 스위칭한다.
일 실시예에서, 그래프 (a)의 궤적(406)은 기계식 스캐너(241)의 전체 스캔 궤적을 나타낸다. 일 실시예에서, 점들의 어레이(410)는 수직 스캔 과정 동안 측 방향 위치 사이에서 순차적으로 스위칭(예를 들어, 도파관(225) 사이에서 스위칭)함으로써 액세스될 수 있는 다양한 포인트를 나타낸다. 일 실시예에서, 그래프 (b)는 이러한 접근 방식에 의해 합리적인 포인트 그리드(grid)가 합성될 수 있다는 것을 보여준다. 측 방향으로도 스캐닝하는 기계식 스캐너(241)로 접근 방식이 작동하도록 하기 위하여, 스위치 노드들의 서브 세트가 임의의 위치에서 활용될 수 있다. 이 서브 세트는 전체 스캐닝의 움직임에 대응하기 위해 측 방향으로 시프트될 수 있다. 결과는 샘플 영역의 직사각형 그리드일 수 있다.
도 6c는, 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템의 스캐너를 동작시키기 위한 예시적인 방법(650)을 도시하는 순서도이다. 일 실시예에서, 651, 653, 655 단계는 601, 603, 605 단계와 유사하다.
657 단계에서, 스캐너(241)는 증분 기간 동안 제1 증분 각도만큼 궤적(406)의 제1 성분(예를 들어, 제1 평면에서의 팬(233)의 각도)를 조정한다. 일 실시예에서, 제1 증분 각도는 대략 0.05도 내지 대략 0.2도의 범위 내에 있다. 659 단계에서, 스캐너(241)는 증분 기간 동안 제2 증분 각도만큼 궤적(406)의 제2 성분(예를 들어, 제2 평면에서의 팬(233)의 각도)를 조정한다. 일 실시예에서, 제2 증분 각도는 대략 0.05도 내지 대략 0.5도의 범위 내에 있다. 일 실시예에서, 657 및 659 단계에서, 처리 시스템(250)은 궤적(406)의 제1 및 제2 성분이 조정되도록 하나 이상의 신호를 스캐너(241)에 송신한다. 다른 실시예에서, 처리 시스템(250)은 궤적(406)에 대한 조정을 시작하기 위하여 스캐너(241)에 하나의 신호를 송신한다. 일 실시예에서, 제2 증분 각도는 제1 증분 각도보다 크다. 다른 실시예에서, 제1 증분 각도에 대한 제2 증분 각도의 비는 적어도 2 또는 적어도 5 또는 적어도 10이다.
661 단계에서, 스캐너(241)가 657 및 659 단계에서 궤적(406)을 조정한 후, LIDAR 시스템은, 각각의 기간 동안 빔(201)이 각각의 도파관 끝단(217)에서 송신되고 리턴 빔(291)이 각각의 도파관 끝단(217)에서 수신되도록, 각각의 기간 동안 어레이(215) 내 각각의 도파관(225) 사이에서 스위칭한다. 예시적인 일 실시예에서, 처리 시스템(250)은 각각의 도파관(225) 사이에서 스위칭하도록 하나 이상의 신호를 스위치(247)로 송신한다. 일 실시예에서, 스캐너(241)가 궤적(406)을 따라 다른 위치로 궤적(406)을 재조정하기 전에 661 단계가 어레이(215)의 각각의 도파관(225) 사이에서 스위칭하기 위해 수행되도록 스캐너(241)의 속도는 충분히 느리다. 예시적인 일 실시예에서, 스캐너(241)의 속도는 대략 초당 500도 내지 대략 초당 1000도의 범위 내에 있거나, 대략 초당 200도 내지 대략 초당 1500도의 범위 내에 있다.
663 단계에서, 궤적(406)의 제2 성분(예를 들어, 제2 평면에서의 팬(233)의 각도)이 655 단계에서 수신된 제1 각도 또는 제2 각도에 도달하였는지 여부가 결정된다. 일 실시예에서, 스캐너(241)는 궤적(406)에 따른 각각의 위치에서 제2 평면에서의 팬(233)의 각도를 포함하는 데이터를 처리 시스템(250)으로 송신하고, 처리 시스템(250)은 이 각도를 처리 시스템(250)의 메모리(704)에 저장된 제1 각도 및 제2 각도와 비교한다. 수신된 각도가 제1 또는 제2 각도에 대응하지 않으면, 방법(650)은 657 블록으로 다시 이동한다. 이것은 궤적(406)의 제2 성분(예를 들어, 수직 축(404))이 아직 제1 각도 또는 제2 각도(예를 들어, 도 4d에서 0도 또는 7.5도)에 도달하지 않았다는 것을 나타낸다. 따라서, 방법(650)은 스캐너(241)가 계속해서 궤적(406)을 조정하도록 657 블록으로 이동한다. 수신된 각도가 제1 각도 또는 제2 각도에 대응하면, 방법(650)은 팬(233)이 아직 미리 정해진 횟수의 스와이프를 통해 스캔되지 않았는지 여부가 판단되는 665 블록으로 이동한다. 예시적인 일 실시예에서, 663 단계에서 수신된 각도가 제1 각도 또는 제2 각도에 대응한다고 결정된 경우, 655 단계에서 처리 시스템(250)은 메모리(704)에 저장된 팬(233)의 스와이프 횟수의 카운터를 증가시킨다. 665 단계에서, 프로세서(250)는 메모리(704)에 저장된 스와이프 횟수가 메모리에 저장된 미리 정해진 스와이프 횟수보다 적은지 여부를 판단한다. 665 단계에서의 결정이 긍정적이면, 방법(650)은 657 블록으로 다시 이동한다. 665 단계에서의 결정이 부정적이면, 방법(650)은 종료된다. 예시적인 실시예에서, 도 4d는 수직 축(404)을 따라 제1 각도와 제2 각도 사이에서의 팬(233)의 4회의 스와이프를 도시한다.
7. 차량 제어 개요
일부 실시예에서, 차량은 차량에 장착된 고해상도 도플러 LIDAR 시스템으로부터 수신된 데이터에 기초하여 적어도 부분적으로 제어된다.
도 3a는, 일 실시예에 따라, 차량(310)에 장착된 적어도 하나의 고해상도 도플러 LIDAR 시스템(320)을 포함하는 예시적인 시스템(301)을 도시하는 블록도이다. 일 실시예에서, LIDAR 시스템(320)은 LIDAR 시스템(200, 200', 200'') 중 하나와 유사하다. 차량은 별(311)로 표시된 질량 중심을 가지며 화살표(313)에 의해 주어진 전방 방향으로 이동한다. 일부 실시예에서, 차량(310)은 처리 시스템(250)의 차량 제어 모듈(272)과 같은 프로세서로부터의 신호에 응답하여 동작되는, 조향 또는 제동 시스템(도시되지 않음)과 같은, 컴포넌트를 포함한다. 일부 실시예에서, 차량은 도 8에 도시된 칩셋(chip set)과 같은 온-보드(on-board) 프로세서(314)를 가진다. 일부 실시예에서, 온-보드 프로세서(314)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 원격 프로세서와 유선 또는 무선 통신한다. 일 실시예에서, LIDAR 시스템의 처리 시스템(250)은 온-보드 프로세서(314)와 통신 가능하게 결합되거나, LIDAR 시스템의 처리 시스템(250)은 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(314)의 동작을 수행하는데 사용된다. 고해상도 도플러 LIDAR는 방위각 시야(324)뿐만 아니라 차량(310) 주변에서의 스폿들(spots)을 조명하는 수직 각도(도 3b)를 통해서 한 측으로부터 장래의(future) 빔(323)에 의해 표시되는 다른 측으로 스윕(sweep)하는 스캐닝 빔(322)을 사용한다. 일부 실시예에서, 시야는 360도의 방위각이다. 일부 실시예에서, 경사각 시야는 대략 +10도 내지 대략 -10도이거나 또는 이의 서브 세트이다.
일부 실시예에서, 차량은, 당해 기술 분야에 잘 알려진 다른 것들 중에서, GPS 센서, 주행 기록계(odometer), 회전 속도계(tachometer), 온도 센서, 진공 센서, 전압 또는 전류 센서와 같은 보조적인 센서들(도시되지 않음)을 포함한다. 일부 실시예에서, 회전 정보를 제공하기 위하여 자이로스코프(330)가 포함된다.
도 3b는, 일 실시예에 따라, 차량(310)에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템(320)을 포함하는 예시적인 시스템(301')을 도시하는 블록도이다. 일 실시예에서, LIDAR 시스템(320)은 시스템(200) 또는 시스템(200') 또는 시스템(200'')과 유사하다. 일 실시예에서, 차량(310)은 화살표(313)에 기초한 전방 방향으로 지면(349)(예를 들어, 도로) 위로 이동한다. LIDAR 시스템(320)은 화살표(313)에 대하여 측정된 제1 각도로 지향된 제1 빔(342)으로부터 화살표(313)에 대하여 측정된 제2 각도로 지향된 제2 빔(346)으로의 각도 범위(326)에 걸쳐 스캐닝한다. 하나의 실시예에서, 제1 각도 및 제2 각도는 지면(349)에 대하여 대략 직교하여 지향되는 수직 평면 내의 수직 각도이다. 설명의 목적으로, "대략 직교하여(about orthogonal)"는 표면(349)에 대한 법선의 ±20도 이내를 의미한다.
8. 컴퓨터 하드웨어 개요
도 7은 본 발명의 일 실시예가 구현될 수 있는 컴퓨터 시스템(700)을 도시하는 블록도이다. 컴퓨터 시스템(700)은 컴퓨터 시스템(700)의 다른 내부 및 외부 컴포넌트 사이에 정보를 전달하기 위한 버스(710)와 같은 통신 메커니즘을 포함한다. 정보는 전형적으로는 전압인 측정 가능한 현상의 물리적 신호로 표현되지만, 다른 실시예에서는 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 실시예에서, 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 전송될 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 동작 세트를 수행한다. 동작 세트는 버스(710)로부터 정보를 가져오는 것 및 버스(710) 상에 정보를 배치하는 것을 포함한다. 또한, 동작 세트는 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 일시적인 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 의해 사용하기 위해 버스(710)에 제공된다. 센서는 그 부근의 상태를 검출하고 이러한 검출들을 컴퓨터 시스템(700)에서 정보를 나타내는데 사용되는 신호와 호환 가능한 신호로 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 요소들에 연관된 명령을 발행하기 위한, 마우스 또는 트랙볼 또는 커서 방향 키와 같은 포인팅 장치(716)를 포함한다.
도시된 실시예에서, 특수 용도 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 암호 보드(cryptographic board), 음성 인식 및 하드웨어 내에서 보다 효율적으로 구현된 일부 복잡한 일련의 동작을 반복적으로 수행하는 로봇 암(arm) 및 의료 스캐닝 장비와 같은 특수한 외부 장치들과의 인터페이스를 포함한다.
또한, 컴퓨터 시스템(700)은 버스(710)에 결합된 통신 인터페이스(770)의 하나 이상의 인스턴스를 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)와 이루어진다. 예를 들어, 통신 인터페이스(770)는 개인용 컴퓨터상의 병렬 포트 또는 직렬 포트 또는 USB(universal serial bus) 포트일 수 있다. 일부 실시예에서, 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 실시예에서, 통신 인터페이스(770)는 버스(710) 상의 신호를 동축 케이블을 통한 통신 연결을 위한 신호 또는 광섬유 케이블을 통한 통신 연결을 위한 광 신호로 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. 신호는 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 신호를 포함하는, 전기, 음향 또는 전자기 신호를 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 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체라는 용어는, 반송파 및 다른 신호를 제외하고, 프로세서(702)에 정보를 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭하기 위해 사용된다.
하나 이상의 유형의(tangible) 매체 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)에서의 프리젠테이션을 위한 비디오 데이터를 나타내는 정보를 제공한다.
본 발명은 본 명세서에 설명된 기술을 구현하기 위한 컴퓨터 시스템(700)의 사용에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이 기술은 메모리(704)에 포함된 하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를 실행하는 프로세서(702)에 응답하여 컴퓨터 시스템(700)에 의해 수행된다. 소프트웨어 및 프로그램 코드라고도 하는 이러한 명령어는 저장 장치(708)와 같은 다른 컴퓨터 판독 가능한 매체로부터 메모리(704)로 읽혀질 수 있다. 메모리(704)에 포함된 명령어의 시퀀스의 실행은 프로세서(702)로 하여금 본 명세서에 설명된 방법의 단계들을 수행하게 한다. 다른 실시예에서, ASIC (720)와 같은 하드웨어가 본 발명을 구현하기 위해 소프트웨어 대신에 또는 소프트웨어와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 특정 조합으로 제한되지 않는다.
네트워크 링크(778) 및 통신 인터페이스(770)를 통한 다른 네트워크를 통해 송신된 신호는 컴퓨터 시스템(700)으로 그리고 그로부터의 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 일례에서, 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, 양자 모두일 수 있다. 이러한 방식으로, 컴퓨터 시스템(700)은 반송파에서의 신호의 형태로 애플리케이션 프로그램 코드를 얻을 수 있다.
다양한 형태의 컴퓨터 판독 가능한 매체는 실행을 위해 프로세서(702)에 명령어 또는 데이터, 또는 이 모두의 하나 이상의 시퀀스를 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 일 실시예가 구현될 수 있는 칩셋(800)을 도시한다. 칩셋(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 컴포넌트를 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 실시예에서 칩셋은 단일 칩으로 구현될 수 있다는 것이 고려된다. 칩셋(800) 또는 그 일부는, 본 명세서에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 수단을 구성한다.
하나의 실시예에서, 칩셋(800)은 칩셋(800)의 컴포넌트 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 신호(예를 들어, 사운드)를 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 컴포넌트는 하나 이상의 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA)(도시되지 않음), 하나 이상의 컨트롤러(도시되지 않음) 또는 하나 이상의 다른 특수 목적 컴퓨터 칩을 포함한다.
프로세서(803) 및 수반하는 컴포넌트는 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. 메모리(805)는 본 명세서에 설명된 방법 중 하나 이상의 단계의 실행과 연관되거나 그에 의해 생성된 데이터를 저장한다.
9. 변경, 확장 및 수정
전술한 상세 설명에서, 본 발명은 구체적인 실시예들를 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 더 넓은 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변형 및 변화가 이루어질 수 있음이 명백할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미라기 보다는 예시적인 의미로 간주되어야 한다. 본 명세서 및 청구항 전체에 걸쳐, 문맥이 달리 요구하지 않는 한, "포함하는" 및 "포함하고 있는"과 같은 "포함하다"라는 단어 및 그 변형은, 임의의 다른 항목, 요소 또는 단계, 또는 항목, 요소 또는 단계의 그룹을 배제하지 않는, 언급된 항목, 요소 또는 단계, 또는 항목, 요소 또는 단계의 그룹의 포함을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 또한, 부정 관사는, 관사에 의해 수식되는 하나 이상의 항목, 요소 또는 단계를 나타내는 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. 빔을 출력하도록 구성되는 레이저 소스;
    복수의 도파관을 포함하는 도파관 어레이 - 상기 도파관 어레이는 상기 레이저 소스로부터 상기 빔을 수신하고 상기 빔을 수신한 것에 응답하여 복수의 빔을 생성하도록 구성되고, 상기 복수의 빔의 각각의 빔은 상기 도파관 어레이의 각각의 도파관으로부터 송신됨 -;
    상기 도파관 어레이로부터 상기 복수의 빔을 수신하고 복수의 콜리메이트된 빔(collimated beam)을 출력하도록 구성되며, 상기 복수의 콜리메이트된 빔은 각도 확산(angular spread)을 가지는, 콜리메이터(collimator); 및
    상기 복수의 콜리메이트된 빔을 수신하고, 상기 복수의 콜리메이트된 빔을 수신한 것에 응답하여, 제1 각도 및 제2 각도 사이에서 수행되는 특정 스캔에 대한 복수의 스캔된 빔을 출력하도록 구성되는 하나 이상의 스캐너를 포함하고,
    상기 하나 이상의 스캐너는 상기 특정 스캔을 수행하기 위하여 상기 제1 각도와 상기 제2 각도 사이의 복수의 증분 각도(incremental angle)에서 상기 복수의 스캔된 빔을 출력하도록 구성되는, LIDAR 센서 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 스캐너는 상기 복수의 증분 각도의 각각의 증분 각도에서 특정 시간 간격 동안 상기 복수의 스캔된 빔의 스캐닝을 중지하도록 구성되는, LIDAR 센서 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 각도 확산은 0.05도에서 10도 사이인, LIDAR 센서 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 도파관 어레이와 결합되는 광 스위치를 더 포함하며, 상기 광 스위치는 상기 복수의 도파관의 하나 이상의 도파관으로 상기 빔을 지향하도록 구성되는, LIDAR 센서 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 스캐너 중 적어도 하나의 스캐너는 회전축을 중심으로 회전하도록 구성되는 폴리곤 스캐너인, LIDAR 센서 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 폴리곤 스캐너는 복수의 패싯(facet)을 포함하며, 상기 복수의 패싯의 각각의 패싯은 상기 회전축에 대하여 상이한 각도로 기울어진, LIDAR 센서 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 도파관 중 제1 도파관과 상기 복수의 도파관 중 제2 도파관 사이에는 간격(spacing)이 위치하는, LIDAR 센서 시스템.
  9. 빔을 출력하도록 구성되는 레이저 소스;
    복수의 도파관을 포함하는 도파관 어레이 - 상기 도파관 어레이는 상기 레이저 소스로부터 상기 빔을 수신하고 상기 빔을 수신한 것에 응답하여 복수의 빔을 생성하도록 구성되고, 상기 복수의 빔의 각각의 빔은 상기 도파관 어레이의 각각의 도파관으로부터 송신됨 -;
    상기 도파관 어레이로부터 상기 복수의 빔을 수신하고 상기 복수의 빔을 수신한 것에 응답하여 복수의 콜리메이트된 빔(collimated beam)을 출력하도록 구성되며, 상기 복수의 콜리메이트된 빔은 각도 확산(angular spread)을 가지는, 콜리메이터(collimator);
    상기 콜리메이터로부터 상기 복수의 콜리메이트된 빔을 수신하고, 상기 복수의 콜리메이트된 빔을 수신한 것에 응답하여, 제1 각도 및 제2 각도 사이에서 수행되는 특정 스캔에 대한 복수의 스캔된 빔을 출력하도록 구성되는 하나 이상의 스캐너; 및
    하나 이상의 프로세서들 - 상기 하나 이상의 프로세서들은:
    물체에 의한 상기 복수의 콜리메이트된 빔 중 적어도 하나의 콜리메이트된 빔의 반사 또는 확산 중 적어도 하나로부터 리턴 신호를 수신하고;
    상기 리턴 신호에 응답하여 상기 물체의 거리 또는 속도 중 적어도 하나를 결정하고; 그리고
    상기 거리 또는 상기 속도 중 적어도 하나에 기초하여 자율 차량의 동작을 제어하도록 구성됨 -;
    을 포함하고,
    상기 하나 이상의 스캐너는 상기 특정 스캔을 수행하기 위하여 상기 제1 각도와 상기 제2 각도 사이의 복수의 증분 각도(incremental angle)에서 상기 복수의 스캔된 빔을 출력하도록 구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
  10. 삭제
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 하나 이상의 스캐너는 상기 복수의 증분 각도의 각각의 증분 각도에서 특정 시간 간격 동안 상기 복수의 스캔된 빔의 스캐닝을 중지하도록 구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 각도 확산은 0.05도에서 10도 사이인, 자율 차량 제어 시스템.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 도파관 어레이와 결합되는 광 스위치를 더 포함하며, 상기 광 스위치는 상기 복수의 도파관의 하나 이상의 도파관으로 상기 빔을 지향하도록 구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 하나 이상의 스캐너 중 적어도 하나의 스캐너는 회전축을 중심으로 회전하도록 구성되는 폴리곤 스캐너인, 자율 차량 제어 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 폴리곤 스캐너는 복수의 패싯(facet)을 포함하며, 상기 복수의 패싯의 각각의 패싯은 상기 회전축에 대하여 상이한 각도로 기울어진, 자율 차량 제어 시스템.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 복수의 도파관 중 제1 도파관과 상기 복수의 도파관 중 제2 도파관 사이에는 간격(spacing)이 위치하는, 자율 차량 제어 시스템.
  17. 빔을 출력하도록 구성되는 레이저 소스;
    복수의 도파관을 포함하는 도파관 어레이 - 상기 도파관 어레이는 상기 레이저 소스로부터 상기 빔을 수신하고 상기 빔을 수신한 것에 응답하여 복수의 빔을 생성하도록 구성되고, 상기 복수의 빔의 각각의 빔은 상기 도파관 어레이의 각각의 도파관으로부터 송신됨 -;
    상기 도파관 어레이로부터 상기 복수의 빔을 수신하고 상기 복수의 빔을 수신한 것에 응답하여 복수의 콜리메이트된 빔(collimated beam)을 출력하도록 구성되며, 상기 복수의 콜리메이트된 빔은 각도 확산(angular spread)을 가지는, 콜리메이터(collimator);
    상기 콜리메이터로부터 상기 복수의 콜리메이트된 빔을 수신하고, 상기 복수의 콜리메이트된 빔을 수신한 것에 응답하여, 제1 각도 및 제2 각도 사이에서 수행되는 특정 스캔에 대한 복수의 스캔된 빔을 출력하도록 구성되는 하나 이상의 스캐너;
    조향 시스템;
    제동 시스템; 및
    하나 이상의 프로세서들 - 상기 하나 이상의 프로세서들은:
    물체에 의한 상기 복수의 콜리메이트된 빔 중 적어도 하나의 콜리메이트된 빔의 반사 또는 확산 중 적어도 하나로부터 리턴 신호를 수신하고;
    상기 리턴 신호에 응답하여 상기 물체의 거리 또는 속도 중 적어도 하나를 결정하고; 그리고
    상기 거리 또는 상기 속도 중 적어도 하나에 기초하여 자율 차량의 동작을 제어하도록 구성됨 -;
    을 포함하고,
    상기 하나 이상의 스캐너는 상기 특정 스캔을 수행하기 위하여 상기 제1 각도와 상기 제2 각도 사이의 복수의 증분 각도(incremental angle)에서 상기 복수의 스캔된 빔을 출력하도록 구성되는, 자율 차량.
  18. 삭제
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 각도 확산은 0.05도에서 10도 사이인, 자율 차량.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 하나 이상의 스캐너 중 적어도 하나의 스캐너는 회전축을 중심으로 회전하도록 구성되는 폴리곤 스캐너이고, 상기 폴리곤 스캐너는 복수의 패싯(facet)을 포함하며, 상기 복수의 패싯의 각각의 패싯은 상기 회전축에 대하여 상이한 각도로 기울어진, 자율 차량.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 스캐너는 상기 복수의 콜리메이트된 빔을 상기 복수의 증분 각도의 제1 증분 각도에서 제1 출력으로 출력하고 상기 복수의 증분 각도의 제2 증분 각도에서 제2 출력으로 출력하도록 구성되고, 상기 제1 출력은 상기 제2 출력과 인터리빙되는, LIDAR 센서 시스템.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 증분 각도는 상기 도파관 어레이의 간격에 따라 이격되는, LIDAR 센서 시스템.
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