KR20180063164A

KR20180063164A - 공간 프로파일링 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20180063164A
Application number: KR1020187011673A
Authority: KR
Inventors: 본디 페데리코 칼라테; 시비 풀리카세릴
Original assignee: 바라자 피티와이 엘티디
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2018-06-11
Also published as: US10527727B2; AU2020203638B2; AU2021202664A1; US11391841B2; AU2021202660B2; US11940538B2; EP3356854B1; US11567208B2; EP3356854A4; CA3000014A1; US20230129755A1; US20170090031A1; AU2021202664B2; AU2021202666A1; AU2022218617A1; AU2021202661B2; AU2021202661A1; JP2018529955A; US20200081128A1; AU2020203638A1

Abstract

공간 프로파일링을 위한 시스템, 방법 및 프로세서 판독 가능한 매체가 본원에 설명된다. 일 구성에서, 설명된 시스템은 : 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에서 적어도 하나의 시변 속성을 갖는 출사광을 제공하도록 구성된 광원으로서, 상기 적어도 하나의 시변 속성은 (a) 시변 강도 프로파일 및 (b) 시변 주파수 편이 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는, 광원; 공간 프로파일을 갖는 환경 내로 2차원의 다수의 방향들 중 하나의 방향으로 상기 출사광을 공간적으로 지향시키도록 구성된 빔 지향기로서, 상기 다수의 방향들 중 하나의 방향은 상기 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에 대응하는, 빔 지향기; 상기 환경에 의해 반사된 출사광의 적어도 일부를 수신하도록 구성된 광 수신기; 및 상기 다수의 방향들 중 대응하는 방향과 연관된 환경의 공간 프로파일의 추정을 위해, 상기 다수의 파장들 중 선택된 파장에서 상기 반사된 광의 적어도 하나의 시변 속성과 연관된 적어도 하나의 특성을 결정하도록 구성된 처리 유닛을 포함한다.

Description

공간 프로파일링 시스템 및 방법

본 발명은 환경의 공간 프로파일을 추정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

공간 프로파일링은 원하는 시야에서 본 환경의 3차원 매핑을 나타낸다. 시야의 각 포인트 또는 픽셀은 환경의 3차원 표현을 형성하기 위해 거리와 연관된다. 공간 프로파일은 환경의 물체 및/또는 장애물(obstacle)을 식별하는데 유용할 수 있으며, 이로써 작업의 자동화를 용이하게 한다.

하나의 공간 프로파일링 기술은 특정 방향으로 환경으로 광을 보내고, 그리고 예를 들어 환경의 반사면에 의해, 그 방향으로부터 반사된 광을 검출하는 것을 포함한다. 반사된 광은 반사면까지의 거리를 결정하기 위해 관련 정보를 운반한다. 특정 방향과 거리의 조합은 환경의 3차원 표현에서 포인트 또는 픽셀을 형성한다. 상기 단계들은 3차원 표현의 다른 포인트들 또는 픽셀들을 형성하기 위해 다수의 상이한 방향들에 대해 반복될 수 있으며, 이에 따라 원하는 시야 내에서 환경의 공간 프로파일을 추정할 수 있다.

본 명세서의 선행 기술에 대한 언급은 이 선행 기술이 어떤 관할지(jurisdiction)의 일반적인 지식의 일부를 구성한다는 것 또는 이 선행 기술이 당업자에 의해 다른 선행 기술과 관련되고 그리고/또는 결합된다고 합리적으로 이해될 것으로 예상할 수 있다는 것의 인정이거나 또는 어떤 형태의 제안일 수 없으며, 이렇게 고려되어서도 안 된다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 공간 프로파일링 시스템(spatial profiling system)으로서,

다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에서 적어도 하나의 시변 속성을 갖는 출사광을 제공하도록 구성된 광원으로서, 상기 적어도 하나의 시변 속성은 (a) 시변 강도 프로파일 및 (b) 시변 주파수 편이 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는, 광원;

공간 프로파일을 갖는 환경 내로 2차원의 다수의 방향들 중 하나의 방향으로 상기 출사광을 공간적으로 지향시키도록 구성된 빔 지향기로서, 상기 다수의 방향들 중 하나의 방향은 상기 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에 대응하는, 빔 지향기;

상기 환경에 의해 반사된 출사광의 적어도 일부를 수신하도록 구성된 광 수신기; 및

상기 다수의 방향들 중 대응하는 방향과 연관된 환경의 공간 프로파일의 추정을 위해, 상기 반사된 광의 적어도 하나의 시변 속성과 연관된 적어도 하나의 특성을 결정하도록 구성된 처리 유닛을 포함하며,

상기 광 수신기는 출사광과 비-반사된 광간의 파장 또는 변조 차이에 기초하여 비-반사된 광의 검출을 금지하도록 구성되는, 공간 프로파일링 시스템이 제공된다.

상기 비-반사된 광의 검출을 금지하는 것은 파장 채널들의 미리 결정되거나 랜덤화된 시퀀스에 기초하여 상기 다수의 파장들 중에서 선택된 파장을 선택하는 것을 포함할 수 있다.

상기 비-반사된 광의 검출을 금지하는 것은 출사 광으로부터 상기 수신된 광을 무-상관화(de-correlating)하고 무-상관된 광을 출사광의 샘플과 비간섭성으로(incoherently) 혼합하는 것을 포함할 수 있다.

상기 비-반사된 광의 검출을 금지하는 것은 광원이 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에서 샘플링된 광을 제공하도록 구성되는 시간 윈도우 동안, 출사광의 샘플을 이용하여 상기 수신광의 광학 자기-헤테로다인(self-heterodyne)을 수행하는 것을 포함할 수 있다.

상기 비-반사된 광의 검출을 금지하는 것은 코딩 시퀀스에 따라 출사광의 시변 강도 프로파일에 코드 변조를 부과하는 것을 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 적어도 하나의 특성은 상기 코딩 시퀀스와 상기 반사된 광의 자기 상관(autocorrelation)을 포함한다. 상기 코딩 시퀀스는 Barker 코드를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 코드 변조는 느리게 변하는 Barker 코드 및 빠르게 변하는 Barker 코드를 포함할 수 있다.

상기 코딩 시퀀스는 다른 공간 매핑 시스템과의 간섭을 회피하기 위해 조정 가능할 수 있다.

상기 시변 강도 프로파일은 미리 결정된 주파수에서의 주기적 변조를 포함할 수 있다. 상기 주기적 변조는 정현파 변조(sinusoidal modulation)를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 적어도 하나의 특성은 정현파 형상으로 변조된 반사광의 위상 시프트를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 주기적 변조는 다수의 주파수 성분들을 포함하며, 이 경우, 상기 적어도 하나의 특성은 (a) 더 거칠고 더 장거리의 거리 추정을 용이하게 하는 상기 다수의 주파수 성분들로부터 발생하는 비트 톤(beat tone)의 엔벨로프의 지연, 그리고 (b) 더 미세하고 더 단거리의 거리 추정을 용이하게 하는 주기적으로 변조된 반사된 광의 위상 시프트 중 적어도 하나를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 시변 강도 프로파일은 처프된 정현파 변조(chirped sinusoidal modulation)를 포함할 수 있다.

일 구성에서, 상기 광원은 상기 다수의 파장 채널들 중 추가적으로 선택된 하나 이상의 파장 채널에서 동일하거나 상이한 시변 속성(들)을 갖는 추가 출사광을 순차적 방식으로 제공하도록 구성되며, 상기 빔 지향기는 상기 추가 출사광을 상기 다수의 방향들 중 대응하는 하나 이상의 방향으로 순차적 방식으로 지향시키도록 구성되며, 그리고 상기 처리 유닛은 상기 다수의 방향들 중 대응하는 하나 이상의 방향과 연관된 환경의 공간 프로파일의 추정을 위해, 상기 다수의 파장 채널들 중 상기 추가적으로 선택된 하나 이상의 파장 채널에서 상기 반사된 광의 동일하거나 서로 다른 시변 속성들과 연관된 적어도 하나의 특성을 결정하도록 구성된다.

이러한 구성에서, 상기 순차적 방식은 미리 결정된 시퀀스를 포함한다. 대안적으로, 상기 순차적 방식은 랜덤화된 시퀀스를 포함한다.

상기 빔 지향기는 (a) 광원으로부터 출사하는 동일 선상의(collinear) 빔을 다수의 방향으로 공간적으로 지향시키기 위해 그리고 (b) 다수의 역방향(reversed direction)의 반사된 광을 동일 선상의 입사빔(incoming beam)으로 공간적으로 지향시키기 위해 가역성 광학계(reversible optics)를 포함할 수 있다. 상기 가역성 광학계는 공간적 교차-분산 모듈(spatially cross-dispersive module)을 포함할 수 있다. 상기 공간적 교차-분산 모듈은 직교 배열의 두 개의 공간적 분산형 요소들을 포함할 수 있으며, 이 때, 상기 두 개의 공간적 분산형 요소들 각각은 상기 출사광을 2차원 중 상응하는 차원으로 조향하도록 배열된다. 상기 두 개의 공간적 분산형 요소들은 광결정 구조를 포함할 수 있다.

상기 시스템은 상기 광원으로부터의 출사광을 상기 빔 지향기로 라우팅하기 위해, 그리고 상기 빔 지향기로부터의 반사광을 상기 광 수신기로 라우팅하기 위해 비-가역성 광학계를 더 포함할 수 있다. 상기 비-가역성 광학계는 광 서큘레이터(optical circulator)를 포함할 수 있다.

상기 시스템은 상기 광원에 후속하는 광 커플러 또는 빔 스플리터를 더 포함할 수 있다.

상기 빔 지향기는 출사광에 의해 취해진 경로에 의해 공유되지 않는 경로를 따라, 빔 지향기에 의해 수집된 반사광을 광 수신기로 라우팅하기 위해 콜리메이팅 광학계(collimating optics)를 포함할 수 있다.

일 구성에서, 상기 빔 지향기는 다수의 빔 지향기들 중 하나이며, 상기 다수의 빔 지향기들 각각은 (a) 광원 및 광 수신기에 광학적으로 연결되며, 그리고 (b) 상기 다수의 파장 채널들의 상응하는 서브셋에 응답하여 상응하는 공간 프로파일을 갖는 상응하는 환경으로 상기 출사광을 지향시키도록 구성된다. 이 구성에서, 상기 빔 지향기들 각각은 상기 광원 및 상기 광 수신기에 광섬유를 통해 광학적으로 연결된다. 대안적으로, 상기 광 수신기는 다수의 광 수신기들 중 하나이며, 그리고 상기 빔 지향기들은 각각 상기 광원 및 상기 다수의 광 수신기들 중 상응하는 수신기에 광학적으로 연결된다.

상기 광원은 상기 처리 유닛에게 온도-관련 정보를 제공하기 위해 에탈론 모듈(etalon module)을 포함할 수 있으며, 상기 처리 유닛은 상기 온도 관련 정보에 기초하여 상기 광원을 제어하도록 구성될 수 있다.

상기 빔 지향기는 캐비티를 포함하여, 상기 캐비티로부터 반사되고 상기 광 수신기에 의해 수신되는 광의 강도에 기초하여 환경 관련 정보를 획득할 수 있다.

일 구성에서, 상기 시변 주파수 편이는 광 주파수의 선형 변화를 포함할 수 있다. 상기 시변 주파수 편이는 톱니 파형 또는 삼각 파형을 포함할 수 있다. 상기 처리 유닛은 상기 환경에서의 타겟의 속도의 추정을 위해 상기 반사된 광의 적어도 다른 특성을 결정하도록 더 구성될 수 있다.

본 발명의 제2 양상에 따르면, 공간 프로파일링 방법으로서,

광원에 의해, 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에서 적어도 하나의 시변 속성을 갖는 출사광을 제공하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 시변 속성은 (a) 시변 강도 프로파일 및 (b) 시변 주파수 편이 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는, 단계;

빔 지향기에 의해, 공간 프로파일을 갖는 환경 내로 2차원의 다수의 방향들 중 하나의 방향으로 상기 출사광을 공간적으로 지향시키는 단계로서, 상기 다수의 방향들 중 하나의 방향은 상기 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에 대응하는, 단계;

광 수신기에 의해, 상기 환경에 의해 반사된 출사광의 적어도 일부를 수신하는 단계; 및

상기 다수의 방향들 중 대응하는 방향과 연관된 환경의 공간 프로파일의 추정을 위해, 처리 유닛에 의해, 상기 반사된 광의 적어도 하나의 시변 속성과 연관된 적어도 하나의 특성을 결정하는 단계를 포함하며,

상기 광 수신기는 출사광과 비-반사된 광간의 파장 또는 변조 차이에 기초하여 비-반사된 광의 검출을 금지하도록 구성되는, 공간 프로파일링 방법이 제공된다.

본 발명의 제3 양상에 따르면, 명령들을 포함하는 프로세서-판독가능한 매체로서, 상기 명령들은 공간 프로파일링 시스템 내 처리 유닛에 의해 실행될 때, 상기 시스템으로 하여금 :

광원에 의해, 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에서 적어도 하나의 시변 속성을 갖는 출사광을 제공하게 하며, 이 때 상기 출사광은 빔 지향기에 의해 공간 프로파일을 갖는 환경 내로 2차원의 다수의 방향들 중 하나의 방향으로 공간적으로 지향되며, 상기 적어도 하나의 시변 속성은 (a) 시변 강도 프로파일 및 (b) 시변 주파수 편이 중 하나 또는 둘 모두를 포함하며, 상기 다수의 방향들 중 하나의 방향은 상기 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에 대응하고; 그리고

처리 유닛에 의해, 상기 다수의 방향들 중 대응하는 방향과 연관된 환경의 공간 프로파일의 추정을 위해, 환경에 의해 반사되고 광 수신기에 의해 수신된 상기 출사광의 적어도 일부의 적어도 하나의 시변 속성과 연관된 적어도 하나의 특성을 결정하게 하며,

상기 광 수신기는 출사광과 비-반사된 광간의 파장 또는 변조 차이에 기초하여 비-반사된 광의 검출을 금지하도록 구성되는, 프로세서-판독가능한 매체가 제공된다.

본 발명의 또 다른 양상들 및 상기 단락들에서 설명된 양상들의 추가 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여 예로서 주어진 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1a, 도 1b 및 도 1c 각각은 공간 프로파일링 시스템의 구성을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 각각 시변 강도 프로파일을 갖는 출사 광(outgoing light)을 제공하는 광원의 구성을 도시한다.
도 2c 및 도 2d는 각각 시변 주파수 편이(deviation)를 갖는 출사 광을 제공하는 광원의 구성을 도시한다.
도 3a는 공간 프로파일링 시스템의 빔 지향기(beam director)의 구성을 도시한다.
도 3b는 시야의 픽셀과 광원의 방출 광의 파장 채널 간의 관계를 개략적으로 도시한다.
도 4a는 광 전송 윈도우와 광 수신 윈도우의 타이밍 제어의 구성을 도시한다.
도 4b는 광 전송 및 수신 윈도우들에 걸친 시간에 따른 출사 광 강도의 예를 도시한다.
도 4c 및 도 4d는 각각 주기적 변조의 예를 도시한다.
도 4e 및 도 4f는 각각 코드 변조의 예를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 각각 시변 주파수 편이 제어가 없는 경우와 있는 경우의 구성들 간의 비교를 도시한다.
도 6a는 국부 광(local light)의 광 주파수, 수신 광의 광 주파수, 그리고 타겟이 고정적(stationary)인 경우 그것들의 주파수 차이를 도시한다.
도 6b는 국부 광의 광 주파수, 수신 광의 광 주파수, 그리고 타겟이 움직이는 경우 그것들의 주파수 차이를 도시한다.

본 명세서에서, "강도(intensity)"는 광 강도를 의미하며, 달리 언급되지 않는 한, "광 출력"과 상호 교환 가능하다.

본 명세서에서는 공간 프로파일링 시스템이 설명된다. 설명된 시스템은 각각의 시각에 대한 입체각 또는 시야 내에서, 물체 또는 장애물의 반사면과 같은 반사면의 거리를 결정함으로써, 하나 이상의 특정 시각(perspective)에서 볼 때 환경의 공간 프로파일의 추정을 제공한다. 설명된 시스템은 환경에서의 상대적인 움직임 또는 변화를 모니터링하는데 유용할 수 있다.

예를 들어, 자율 주행 차량(육상, 공기, 수상/수중, 또는 우주) 분야에서, 설명된 시스템은 차량의 관점으로부터 장애물이나 전방의 타겟과 같은 임의의 물체의 거리를 포함하는 교통 상황의 공간 프로파일을 추정할 수 있다. 차량이 이동함에 따라, 다른 위치에서 차량으로부터 본 공간 프로파일은 변경될 수 있으며 그리고 재-추정될 수 있다. 다른 예로서, 도킹 분야에서, 설명된 시스템은 컨테이너선(container ship)의 관점에서 도크의 특정 부분에 대한 컨테이너선의 근접성과 같은 도크의 공간 프로파일을 추정하여, 도크의 어느 부분과도 충돌하지 않으면서 성공적인 도킹을 수행할 수 있다. 또 다른 예로서, 자유-공간 광학 또는 마이크로파 통신과 같은 가시선 통신 분야에서, 설명된 시스템은 정렬 목적으로 사용될 수 있다. 송수신기가 이동되거나 이동하는 경우, 광 또는 마이크로파 빔을 정렬하도록 연속적으로 추적될 수 있다.

추가 예들로서, 적용 가능한 분야들은 산업 측정 및 자동화, 현장 조사(site surveying), 군사, 안전 모니터링 및 감시(surveillance), 로봇 및 머신 비전(robotics and machine vision), 인쇄, 프로젝터, 조명, 공격 및/또는 다른 레이저 및 IR 비전 시스템을 방해 및/또는 범람(flooding)을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

도 1a는 본 개서서에 따른 공간 프로파일링 시스템(100a)의 구성을 도시한다. 상기 시스템(100a)은 광원(102), 빔 지향기(103), 광 수신기(104) 및 처리 유닛(105)을 포함한다. 도 1의 구성에서, 광원(102)으로부터의 출사 광은 빔 지향기(103)에 의해 공간 프로파일을 갖는 환경(110) 내로 2차원 방향으로 지향된다. 출사 광이 물체 또는 반사면에 부딪히면, 출사광의 적어도 일부(실선으로 표시됨)는 물체 또는 반사면에 의해 빔 지향기(103)로 반사될 수 있으며(예를 들어, 산란될 수 있으며), 광 수신기(104)에서 수신될 수 있다. 처리 유닛(105)은 광원(102)의 동작들을 제어하기 위해 광원(102)에 동작 가능하게 연결된다. 또한, 처리 유닛(105)은 반사된 광에 의해 이동된 왕복 거리를 결정함으로써 반사면까지의 거리를 결정하기 위해 광 수신기(104)에 동작 가능하게 연결된다.

광원(102), 빔 지향기(103), 광 수신기(104)는 2D 또는 3D 도파관의 형태의 광섬유 또는 광학 회로 같은 광 도파관 및/또는 자유 공간 광학(free-space optics)을 통해 서로 광학적으로 연결될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 광원(102)으로부터의 출사 광은 환경으로 지향시키기 위해 빔 지향기(103)에 제공된다. 빔 지향기(103)에 의해 수집된 임의의 반사광은 광 수신기(104)로 지향될 수 있다. 일 구성에서, 광원(102)으로부터의 광은 또한 광원(102)으로부터 광 수신기(104)로의 직접 광 경로(미도시)를 통해 광 처리 목적을 위해 광 수신기(104)에게 제공된다. 예를 들어, 광원(102)으로부터의 광은 먼저 샘플러(예를 들어, 90/10 광섬유 커플러(fibre-optic coupler))에 진입할 수 있으며, 이 경우, 광의 대부분(예를 들어, 90 %)은 빔 지향기(103)에 제공되며, 그리고 광의 나머지 샘플 부분(예를 들어, 10 %)은 직접 경로를 통해 광 수신기(104)에 제공된다. 다른 예에서, 광원(102)으로부터의 광은 먼저 광 스위치의 입력 포트로 진입하여 2 개의 출력 포트들 중 하나로부터 출사할 수 있으며, 이 경우 하나의 출력 포트는 광을 빔 지향기(103)로 지향시키며, 그리고 다른 출력 포트는 처리 유닛(105)에 의해 결정된 시간에 광을 광 수신기(104)로 다시 지향시킨다. 광 수신기(104)는 출사 광 및 비-반사광 간의 변조 또는 파장의 차이에 기초하여 비-반사광의 검출을 금지하도록 구성된다. 비-반사광은 출사광의 반사로 인해 발생하지 않는 광을 포함하며, 따라서 반사면의 거리를 결정하는 것에 있어서 처리 유닛(105)을 돕지 않아야 한다. 이러한 금지는 잘못된 검출 및 보안과 같은 문제를 해결하기 위한 것이다. 설명의 나머지로부터 명백한 바와 같이, 다음 중 하나 이상을 포함하는 것과 같이, 비-반사광의 검출을 금지하는 여러 가지 방법이 있다 :

- 파장 채널들의 미리 결정되거나 랜덤화된 시퀀스에 기초하여 파장 채널을 선택하는 단계;

- 출사 광으로부터 수신 광을 무-상관화(de-correlating)하며, 그리고 무-상관된 광을 출사 광의 샘플과 비간섭성으로(incoherently) 혼합하는 단계;

- 특정 시간 윈도우에서 출사 광의 샘플을 이용하여 수신광의 광학 자기-헤테로다인(self-heterodyne)을 수행하는 단계;

- 출사 광에 특정 주파수를 갖는 시변 강도 변조 프로파일을 부과하는 단계;

- 출사 광에 특정 주파수 처프(chirp) 특성(예를 들어, 특정 처프 속도)을 갖는 시변 주파수 편이 또는 강도 프로파일을 부과하는 단계; 및

- 출사 광에 특정 코딩 시퀀스를 갖는 코드 변조를 부과하는 단계.

일례에서, 광원(102), 빔 지향기(103), 광 수신기(104) 및 처리 유닛(105)은 실질적으로 함께 배치된다(collocated). 예를 들어, 자율 주행 차량 적용에서, 동위치화(collocation)는 이러한 컴포넌트들이 차량의 경계 또는 단일 하우징 내에 콤팩트하게 패키징될 수 있게 한다. 다른 예에서, 도 1b에 도시된 공간 프로파일링 시스템(100b)에서, 광원(102), 광 수신기(104) 및 처리 유닛(105)은 "중심" 유닛(101) 내에 실질적으로 함께 배치(collocated)되는 반면, 빔 지향기(103)는 중앙 유닛(101)으로부터 떨어져 있다. 이 예에서, 중앙 유닛(101)은 하나 이상의 광섬유들(106)을 통해 원격 빔 지향기(103)에 광학적으로 결합된다. 이 예는 (수동 교차-분산 광학계와 같은) 수동 컴포넌트들만을 포함할 수 있는 원격 빔 지향기(103)가 보다 열악한 환경에 놓일 수 있게 한다. 왜냐하면, 그것이 열, 습기, 부식 또는 물리적 손상 등의 외부 손상에 덜 민감하기 때문이다. 또 다른 예에서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 공간 프로파일링 시스템(100c)은 단일 중앙 유닛(101) 및 다수의 빔 지향기들(예를 들어, 130a, 130b, 130c)을 포함할 수 있다. 다수의 빔 지향기들 각각은 각각의 광학 섬유들(106a, 106b 및 106c)을 통해 중앙 유닛(101)에 광학적으로 연결될 수 있다. 도 1c의 예에서, 다수의 빔 지향기들은 상이한 위치들에 배치될 수 있고 그리고/또는 상이한 시야들을 갖도록 배향될 수 있다.

광원

광파(light wave)는 수학적으로 다음과 같이 기술될 수 있는 진동장 E를 포함한다 :

I(t) 는 광의 강도를 나타내며,

는 필드의 위상을 나타내며,

는 k번째 파장 채널의 중심 파장을 나타내며,

는 k번째 파장 채널의 중심 광학 주파수로부터의 광 주파수 편이(이하, 간략화를 위해 "주파수 편이")를 나타내며, 그리고 c = 2.998 10^{8 m} ^/s는 광속도이다. 광원(102)은 시변 강도 프로파일

및/또는 시변 주파수 편이

와 같은 적어도 하나의 시변 속성을 갖는 출사 광을 제공하도록 구성된다.

적어도 하나의 시변 속성을 갖는 광은 환경으로 지향될 수 있으며, 반사면에 의해 후방 반사(back-reflected)될 수 있으며, 그리고 시스템(100a)에 의해 수집될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 처리 유닛(105)은 후방-반사된 광의 적어도 하나의 시변 속성과 연관된 적어도 하나의 특성을 결정함으로써 후방-반사된 광의 왕복 시간 그리고 이에 따른 왕복 거리를 결정하도록 구성될 수 있다.

(a) 시변 강도 프로파일

일 구성에서, 광원(102)은 다수의 파장 채널(각각의 파장 채널은 개별적인 중심 파장 λ₁, λ₂, ... , λ_N에 의해 표현됨) 중 선택된 파장 채널에서 시변 강도 프로파일

을 갖는 출사 광을 제공하도록 구성된다. 도 2a는 광원(102)의 그러한 배열의 일례를 도시한다. 이 예에서, 광원(102)은 가변 파장(wavelength-tunable) 레이저 다이오드와 같은 실질적으로 연속파(continuous-wave; CW) 광 강도의 가변 파장 레이저(202)를 포함할 수 있으며, 이는 레이저 다이오드에 인가되는 하나 이상의 전류(예를 들어, 레이저 캐비티 내의 하나 이상의 파장 튜닝 요소로의 주입 전류)에 기초하여 가변 파장의 광을 제공한다. 또 다른 예에서, 광원(102)은 선택된 파장에서 실질적으로 연속파(CW) 광 강도를 제공하기 위해 광대역 광원 및 가변 파장 스펙트럼 필터(tunable spectral filter)를 포함할 수 있다.

도 2a의 예에서, 광원(102)은 출사 광에 시변 강도 프로파일을 부여하기 위해 변조기(204)를 포함할 수 있다. 일례에서, 변조기(204)는 레이저 다이오드 상에 집적된 반도체 광 증폭기(semiconductor optical amplifier; SOA)이다. SOA에 인가된 전류는 시간에 따라 변화되어, 시간이 지남에 따라 레이저에 의해 생성된 CW 광의 증폭을 변화시킬 수 있으며, 그 결과 시변 강도 프로파일을 갖는 출사 광을 제공할 수 있다. 다른 예에서, 변조기(204)는 레이저 다이오드에 대한 (Mach Zehnder 변조기 또는 외부 SOA 변조기 같은) 외부 변조기이다. 다른 구성에서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 광원(206)은 가변 파장 레이저(202)를 갖는 대신에, 가변 파장 필터(210)가 뒤따르는 광대역 레이저(208)를 포함한다.

(b) 시변 주파수 편이

다른 구성에서, 광원(102)은 다수의 파장 채널들(λ₁, λ₂, ... , λ_N) 중 선택된 파장 채널에서 시변 주파수 편이

를 갖는 출사 광을 제공하도록 구성된다. 도 2c는 광원(102)의 이와 같은 배열의 일 예를 도시한다.

광 필드(light field)의 순간 광 주파수

및 순간 파장

은 파동의 등가 물리적 속성 - 광 필드의 진동 속도 - 을 나타내며, 그리고 파동 방정식 과 관련이 있다. 광 속도 c가 일정하기 때문에,

또는

중 하나를 변화시키는 것은 그에 따라 다른 양(quantity)을 필연적으로 변화시킨다. 이와 유사하게,

또는

를 변화시키는 것은 그에 따라 다른 양을 변화시키는 것으로 기술될 수 있다. 특히,

및

은 다음과 같이 관련된다 :

및

실제로, 광원(102)의

및

의 변화는 단일 제어에 의해, 예를 들어 레이저 다이오드로의 주입 전류에 의해, 예를 들어 광원(102)의 파장을 조정함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 명확성을 위해, 이하의 설명은 주파수 편이

를 그것의 중심 광 주파수로부터의 단일 파장 채널 내의 광 주파수의 편이와 연관시키는 반면,

의 변화는 광원(102)이 하나의 파장 채널에서 다른 파장 채널로 점프하는 것을 유발하는 것과 연관된다. 예를 들어, 광원(102)의 보다 작고 실질적으로 연속적인 파장 변화는 시변 주파수 편이

를 유발하도록 기술되는 반면, 광원(102)의 더 크고 계단식인(stepped) 파장 변화는 광원(102)이 파장 채널

에서

로 점프하도록 설명된다.

도 2c의 예에서, 광원(102)은 레이저 다이오드에 인가되는 하나 이상의 전류들(예를 들어, 레이저 캐비티 내의 하나 이상의 파장 튜닝 요소로의 주입 전류)에 기초하여 가변 파장의 광을 제공하는, 가변 파장 레이저 다이오드 같은, 실질적으로 연속적인-파(CW) 광 강도의 가변 파장 레이저(202)를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 광원(102)은 선택된 파장에서 실질적으로 연속적인-파(CW) 광 강도를 제공하기 위해 광대역 광원 및 가변 파장 스펙트럼 필터(wave-length tunable spectral filter)를 포함할 수 있다.

(c) 시변 강도 프로파일

및 주파수 편이

또 다른 구성에서, 광원(102)은 시변 강도 프로파일

및 시변 주파수 편이

를 갖는 출사 광을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 예들은 모두 광원(102)의 이러한 구성에서의 사용에 적합하다. (a) 시변 강도 프로파일

및 (b) 시변 주파수 편이

에 대한 상기 설명은 광원(102)의 이러한 구성에 적용된다.

가변 파장 레이저(202)(예를 들어, 그것의 파장) 및 변조기(204)(예를 들어, 변조 파형)와 같은 광원(102)의 동작은 후술되는 바와 같이 처리 유닛(105)에 의해 제어될 수 있다.

빔 지향기

빔 지향기(103)는 상기 출사 광을 상기 환경(110) 내로 2차원의 다수의 방향들(301-1, 301-2, ... , 301-N) 중 하나로 공간적으로 지향시키도록 구성된다. 출사 광이 지향되는 방향은 (λ₁, λ₂, ... , λ_N에 센터링된) 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에 대응하거나 그에 기초한다. 출사 광이 선택된 파장 채널 내에서 시변 주파수 편이

를 갖는 구성들의 경우, 선택된 파장 채널은 그 파장 채널 내의 시변 주파수 편이

로부터 기인하는 밀접하게 이격된 파장들의 세트를 포함할 수 있다. 단순화를 위해, 그러한 구성들에서, 정확한 파장은 시간에 따라 약간 변하지만, 이하의 설명은, 달리 명시되지 않는 한, 파장 채널 그리고 총괄적으로, 밀접하게 이격된 파장들의 세트를 나타내기 위해 표기법 λ_k(즉, λ₁, λ₂, ... , λ_N)을 사용한다.

도 3a는 수동형(즉, 이동하지 않는) 공간적 교차-분산 광학계와 같은, 공간적 교차-분산 광학계를 포함하는 빔 지향기(103)의 구성을 도시한다. 이 구성에서, 수동형 공간적 교차-분산 광학계는 광학적으로 결합되거나 직교 방식으로 배열된 두 개의 공간적 분산형 요소들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 제1 공간적 분산형 요소(302)는 에첼 격자(echelle grating), VIPA(virtually imaged phased array)일 수 있으며, 그리고 제2 공간적 분산형 요소(303)는 회절 격자, 또는 프리즘 또는 그리즘(grism)일 수 있다. 광원(102)으로부터의 광d; 제1 공간적 분산형 요소(302)에 의해 (예를 들어, 수평 방향 또는 X 축을 따라) 제1 공간 차원을 가로질러 조향되고(steered) 그리고 제2 공간적 분산형 요소(303)에 의해 (예를 들어, 수직 방향 또는 Y 축을 따라) 제2 직교(orthogonal) 공간 차원을 가로질러 조향되도록, 제1 공간적 분산형 요소(302)는 제2 공간적 분산형 요소(303)와 배향된다. 이 구성은 제2 공간 차원을 커버하기 위해 1차원 빔 조향(steering)을 상이한 회절 차수로 접음(folding)으로써 2차원 빔 조향을 야기한다. 수동형 교차-분산 광학계를 사용하는 것의 이점은 가동 부품(moving part)이 없고 따라서 고장이 적은 전-고체-상태 시스템(all-solid-state system)을 가능하게 하여, 잠재적으로 높은 신뢰성, 높은 내구성, 낮은 전력 소비를 달성하는 시스템을 소형화할 수 있는 가능성을 초래하고 이것을 대규모 제조에 적합하도록 만드는 것이다. 다른 구성에서, 제1 공간적 분산형 요소(303) 및/또는 제2 공간적 분산형 요소(303)는 3D 광 도파관과 같은 광 도파관 또는 3D 광결정과 같은 광결정 구조로 대체될 수 있다. 또 다른 구성에서, 공간 분산형 소자들(302, 303) 모두는 광 결정 구조로 대체될 수 있다.

도시되지는 않았지만, 광원 및 빔 지향기의 조합의 대안적인 배열은 가변 파장 광 방출기들(wavelength-tunable light emitters)의 어레이이며, 이 때, 각각의 가변 파장 광 방출기는 대응하는 공간적 분산 요소(spatially dispersive element)와 연관된다. 광 방출기 어레이는 일차원을 따라(예를 들어, X축에 대한 수평 방향을 따라) 광을 방출 및 확산(spreading)시키도록 구성되는 반면, 각 공간적 분산 요소는 실질적으로 수직인 차원(dimension)을 따라(예를 들어, Y-축에 수직인 방향을 따라) 대응하는 광 방출기로부터의 광을 분산시키도록 구성되며, 그 결과 광은 2차원으로 환경으로 지향된다. 일 구성에서, 가변 파장 광 방출기들은 개별적으로 파장 가변 가능한 레이저들의 어레이이다. 다른 구성에서, 가변 파장 광 방출기는 SOA들의 어레이에 연결되는 단일 레이저이다. 다수의 SOA들이 사용된다면, 다수의 SOA들은 어레이 내의 특정 SOA로부터 방출된 광을 식별하기 위해 개별적으로 코딩될 수 있다(아래의 코드 변조에 대한 설명을 참고). 공간적 분산 요소는 예를 들어 격자(grating)일 수 있다.

상술된 바와 같이, 일부 구성들에서, 출사 광은 시변 주파수 편이

를 가지며, 이 때, 순간 광 주파수는 k번째 파장 채널의 중심 광 주파수에서 벗어난다. 이러한 구성들에서, 각각의 선택된 파장 채널에서의 순간 파장 또한 약간 변화한다. 도 3b와 관련하여 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 이러한 시변 주파수 편이는 출사 광의 방향으로의 작은 움직임으로 나타난다.

상기 구성들에서, 빔 지향기(103)는 광원(102)으로부터 출사하는 동일 선상의(collinear) 빔을 다중 방향으로 공간적으로 지향시키기 위한 가역성 광학계(reversible optics)를 포함한다. 추가로, 가역성 광학계는 역방향의 반사된 광을 입사하는 동일 선상의 빔으로 공간적으로 지향시킨다. 제1 공간적 분산 요소(302) 및 제2 공간적 분산 요소(303)는 그러한 가역성 광학계로서 작용할 수 있다. 입사하는 동일 선상의 빔은 반사된 광이 광 지향기(103) 내의 출사 광에 의해 취해진 광 경로의 적어도 일부를 공유하기 때문에 광 수신기(104)에 필요한 광학계가 간소화된다는 것을 의미한다. 뿐만 아니라, 가역성 광학계는 출사 광의 방향과 정렬되지 않는 방향으로부터의 스푸핑된(spoofed) 광 신호를 억제하여 시스템의 보안을 향상시킨다. 또한, 가역성 광학계는 다중 경로 또는 궤적을 통해 반사된 광의 수집을 억제하며, 출사광의 비-역방향으로 수집된 임의의 반사광은 잘못된 거리 측정을 초래할 것이다.

대안적 구성에서, 빔 지향기(103)는 반사광을 수집하기 위해 콜리메이팅 광학계(collimating optics)(미도시)를 포함한다. 콜리메이팅 광학계는 콜리메이팅 광학계에 의해 수집된 임의의 광이 광 지향기(103) 내의 출사 광에 의해 취해진 경로에 의해 공유되지 않는 경로를 따라 광 수신기(104)로 라우팅될 수 있도록 가역 및 비-가역 광학계로부터 분리될 수 있다. 일례에서, 콜리메이팅 광학계는 대구경 렌즈(large aperture lens), 확대된 시야를 위한 각도 확대 렌즈(angle magnifier) 또는 어안렌즈, 또는 대안적으로 복합 포물형 집광기(compound parabolic concentrator) 같은 비-이미징 광학계를 포함한다.

도 3a의 구성에서, 빔 지향기(103)는 비-가역적 광학계를 포함한다. 일례에서, 비-가역적 광학계는 광 서큘레이터(optical circulator)(304)를 포함한다. 서큘레이터(304)는 출사광이 빔 지향기(103)를 통해 광원(102)으로부터 환경(110)으로 통과되도록 라우팅하며, 그리고 환경(100)으로부터 반사되어 빔 지향기(103)로 수집된 모든 광이 광 수신기(104)로 통과되도록 라우팅한다. 대안예(미도시)에서, 비-가역적 광학계는 광 서큘레이터 대신에 빔 스플리터를 포함한다. 또 다른 대안적 예(미도시)에서, 비-가역적 광학계는 하나의 포트로부터 전방 방향으로 출사 광으로서 광원(102)에 의해 제공된 광을 커플링하기 위해, 그리고 후방 방향으로 다른 포트로 빔 지향기(103)에 의해 수집된 반사광을 커플링하기 위해, 2 x 1 또는 2 x 2 광섬유 커플러와 같은 광 커플러를 포함한다.

본원의 설명은 환경으로 2차원으로 지향하는 광에 초점을 맞추었지만, 광이 오직 1차원으로만 환경으로 지향되는 시나리오가 존재할 수 있다. 1차원에서의 빔 방향은 2차원의 경우와 비교하여 시야 요건뿐만 아니라 전력 요건을 완화시킨다. 당업자는 빔 지향기에 대한 본 명세서의 설명이 약간의 변형을 갖는 시나리오에도 적용 가능하다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 빔 지향기(103)에 대한 수정으로서, 제2 공간적 분산 요소(303)는 생략될 수 있으며, 이 경우 제1 공간적 분산 요소(302)는 광원(104)의 파장에 기초하여 단지 1차원으로만 광을 지향하기 위해 유지된다. 이 예에서, 공간적 분산 요소(302)는 복합 프리즘, 또는 격자 또는 그리즘일 수 있다. 반사광은 가역적 광학계 또는 콜리메이팅 광학계를 통해 수집될 수 있다. 콜리메이팅 광학계가 사용되는 경우, 콜리메이팅 광학계는 광 수신기(104)에 제공하기 위해 공간적으로 분산된 광을 콜리메이팅된 광으로 콜리메이팅하기 위해 복합 프리즘을 포함할 수 있다.

광 수신기

광 수신기(104)는 환경에 의해 반사된 출사 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성된다. 광 수신기(104)는 광 신호를 전기 신호로 변환하기 위해 광-전기 변환 유닛을 포함한다. 일 구성에서, 광-전기 변환 유닛은 수신된 광 신호의 강도의 시간-변화에 기초하여 시간에 따라 크기가 변하는 광 전류를 생성하는 광 검출기를 포함한다. 다른 구성에서, 광-전기 변환 유닛은 광학 자기-헤테로다인(self-heterodyne) 검출기와 같은 광 신호 처리 유닛을 포함하며, 상기 광 신호 처리 유닛은 임의의 수신광을 국부 발진 신호(즉, 광원(102)으로부터의 국부 광)와 비선형적으로 혼합하여, 국부 광과 수신광 간의 광 주파수(또는 등가적으로, 파장)의 차이에 응답하는 전기 신호를 생성한다. 결과물인 전기 신호는 검출기의 본질적으로 제한된 전자 대역폭으로 인해 국부 파장으로부터 멀리 떨어진 파장들에 의해 야기된 전기 신호들을 억제하면서, 국부 파장에서 또는 그 근방에서 수신된 파장에 대한 개선된 신호 대 잡음비를 갖는다. 반사된 광이 간섭성(coherent)일 필요가 없으므로, 스펙클(speckle)이 감소된다. 일예에서, 광학 자기-헤테로다인 검출기는 국부 발진 신호 및 수신광의 필요한 비-선형적 혼합을 제공하는 광 검출기인 포토다이오드일 수 있다.

광학 자기-헤테로다인 검출을 구현하는 일례에서, 수신광 및 국부 발진 신호는 광학 자기-헤테로다인 검출기에 대한 상이한(differential) 광 경로 길이에 의해 무-상관화될 수 있으며, 이로써, 광학 자기-헤테로다인 검출은 임의의 스펙클을 제어가능하게 감소시키기에 충분히 비-간섭성이다. 실질적으로 스펙클이 없는(speckle-free) 동작에 요구되는 상이한 경로 길이는 광원(102)의 간섭성 길이에 의존한다. 광원(102)이 비교적 짧은 간섭성 길이를 갖는 반도체 레이저인 경우, 약 30 m의 광섬유가 필요할 것으로 예상된다. 이와 비교하여, 광원(102)이 비교적 긴 간섭성 길이를 갖는 좁은 선폭 레이저인 경우, 약 1 km의 광섬유가 필요할 것으로 예상된다.

어느 하나의 구성에서, 결과물인 전기 신호는 반사광이 이동하는 왕복 거리를 결정하기 위해 처리 유닛(105)에 의해 처리될 수 있다. 시간에 따라 변화되는 출사광의 속성(들)에 따라, 이하에 더 설명되는 바와 같이, 적어도 왕복 거리를 결정하기 위해, 시변 속성(들)과 관련된 상이한 특성(들)이 검출된다.

광 검출기의 필요한 응답 시간은 출사광에 부여된 강도 변화의 시간 척도에 의존한다. 본 기법은 100 MHz 이하의 변조 대역폭을 필요로 하므로, 약 60-80 MHz의 대역폭(또는 대략 15 - 20 ns의 응답 시간)을 갖는 광 검출기가 필요하다는 것이 예상된다.

처리 유닛

상술된 바와 같이, 처리 유닛(105)은 광원(102)의 동작들을 제어하기 위해 광원(102)에 동작 가능하게 연결되며, 그리고 또한 반사광이 이동하는 왕복 거리, 그리고 이에 따라 물체의 거리를 결정하기 위해 광 수신기(104)에 동작 가능하게 연결된다. 도 2a 또는 도 2c의 구성에서, 처리 유닛(105)은 예를 들어 레이저 다이오드에 적용되는 하나 이상의 전류들(예를 들어, 이득 매질(gain medium)로의 주입 전류, 또는 히트싱크로의 온도-제어 전류)을 제어함으로써 광원(102)의 가변 파장을 제어한다. 이러한 파장 제어는 파장에 기초하여 빔 지향기(103)에 의해 출사 광을 지향하기 위해 파장 채널

에 대한 제어 뿐만 아니라, 파장 채널 내의 모든 시변 주파수 편이

에 대한 제어도 가능하게 한다.

추가로, 처리 유닛(105)은 예를 들어 (상술된 바와 같이 SOA 또는 Mach-Zehnder 외부 변조기일 수 있는) 변조기(204)에 적용되는 전류를 제어함으로써 시변 강도 프로파일을 제어한다. 시변 강도 프로파일은 여러 가지 형태 중 하나 이상의 형태를 취할 수 있으며, 각각은 해당 물체의 거리를 결정하는 대응 검출 방법을 필요로 한다. 처리 유닛(105)은 설명된 함수들을 위한 명령들을 포함하는 프로세서-판독 가능한 매체를 포함할 수 있다. 처리 유닛(105)은 마이크로프로세서, FPGA(field-programmable gate array) 및 ASIC(application-specific integrated circuit) 중 하나 이상으로서 구현될 수 있다.

파장 제어

광원(102)으로부터 광의 파장 채널

을 제어하는 것은 빔 지향기(103)가 광을 환경(110)으로 향하게 하는 (2차원의) 방향을 효과적으로 제어한다. 각 파장 채널은 도 3b에 개략적으로 도시된 바와 같이 X 및 Y 방향 각각에 걸쳐 10 개의 픽셀들을 갖는 직교 좌표계로 표현된 100 개의 픽셀들 또는 포인트들을 도시하는 시야 내의 픽셀 또는 포인트를 나타낸다. 빔 지향기(103)가 두 개의 공간적 분산형 요소들을 포함하는 구성에서, 제1 공간적 분산형 요소 및 제2 공간적 분산형 요소는 파장 채널에 기초하여 각각 X 방향 및 Y 방향으로 광을 공간적으로 분산시키도록 구성될 수 있다. 공간 프로파일을 생성하기 위해, 각 파장(그리고 이에 따라 각 방향, 픽셀 또는 포인트)은 그 방향, 픽셀 또는 포인트에서 반사면으로부터의 거리와 연관될 수 있다. 추가적으로, 파장 채널 내의 광의 파장을 제어하는 것은 출사 광에 시변 주파수 편이

를 제공한다. 언급한 바와 같이, 파장 채널

의 변화들은 파장의(또는 광 주파수의) 더 크고 계단식인(stepped) 변화들과 연관되는 반면, 시변 주파수 편이

는 파장(또는 광 주파수)의 더 작고 실질적으로 연속적인 변화들과 연관된다.

광원(102)이 통신 그레이드 레이저(telecommunication-grade laser)인 경우, 이는 최대 40 nm의 파장 조정 범위(예를 들어, 약 1527 nm 내지 약 1567 nm), 그리고 (1550 nm에서 약 0.0001 nm의 파장 조정 분해능에 대응하는) 약 10 MHz의 광 주파수 조정 분해능(tuning resolution)을 가질 수 있다. 도시된 예에서, 중심 파장 λ_k및 λ_k+1이 1550.00 nm 및 1550.10 nm이고, 193.419355 THz 및 193.406877 THz의 중심 광 주파수에 각각 대응하는 2 개의 이웃 파장 채널들을 고려한다. 2 개의 파장 채널들은 도 3b의 2 개의 이웃하는 픽셀들과 관련될 수 있다. 이 예에서, 2 개의 파장 채널들은 12.478 GHz의 광 주파수 차를 갖는다. 이와 대조적으로, 광원(102)의 주파수 편이는 약 +/- 0.5 GHz의 범위 내의 동일한 파장 채널 내에서 시간에 따라 변화되도록 유발될 수 있다. 즉, 이 예에서, 출사광 빔을 한 픽셀에서 다음 픽셀(즉, 한 픽셀의 폭)로 향하게 하기 위해서는 10 GHz 이상의 광 주파수 변화가 필요하지만, 대략 +/- 0.5 GHz의 최대 주파수 편이는 출사광 빔이 픽셀 폭의 +/- 5 % 미만으로 움직이게 한다. 시변 주파수 편이

로 인한 광 빔의 이러한 미세한 움직임은 공간 프로파일 측정에 대한 잡음 평균화(noise-averaging) 또는 평활화 효과(smoothing effect)로서 나타날 수 있다.

도 1c의 예에서, 시스템(100c)이 다수의 빔 지향기들을 포함하는 경우, 각각의 빔 지향기들은 상이한 범위의 파장 채널에 응답하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 빔 지향기(103a)에 라우팅된 λ₁, λ₂, ... , λ_N에 센터링된 파장 채널들의 광은 그것의 관련 환경으로 지향될 수 있고 후방 반사되어 광 수신기(104)에 도달할 수 있는 반면, 빔 지향기들(103b, 103c)에 라우팅된 동일한 파장 채널들의 광은 그것들의 개별 환경으로 지향되지 않아(예를 들어, 대신 광 흡수기으로 지향됨) 광 수신기(104)에 도달하는 임의의 반사된 광을 억제할 수 있다.

타이밍 제어

처리부(105)는 (401 및 403 같은) 광 전송 윈도우 및 (402 및 404 같은) 광 수신 윈도우의 각각의 타이밍을 제어한다. 도 4a는 전체적으로 시스템의 관점에서 타이밍 제어의 하나의 그러한 배치를 도시한다(광원(102), 빔 지향기(103) 및 광 수신기(104)의 관점에 대해서는 아래 참조). 이 구성에서, 서로 다른 파장 채널의 광이 순차적으로 제공된다. 처리 유닛(105)은 일반적으로 각각의 파장 채널 λ₁, λ₂, ... , λ_N의 광 수신 윈도우들과 함께 상이한 파장 채널들 λ₁, λ₂, ... , λ_N의 광 전송 윈도우들 사이에서 교대한다. 다른 구성에서, 인접한 전송 윈도우 및 수신 윈도우 간에 중첩이 있을 수 있다. 예를 들어, 특정 파장 채널에 대한 전송 윈도우 및 수신 윈도우는 동시에 시작하고 종료할 수 있다. 다른 예로서, 특정 파장 채널에 대한 전송 윈도우 및 수신 윈도우는 동시에 시작할 수 있지만, 전송 윈도우는 수신 윈도우가 종료하는 것보다 일찍 종료한다. 또 다른 구성에서, 인접한 전송 윈도우 및 수신 윈도우 간에 중첩이 없을 수 있다.

광 전송 윈도우(401) 동안, 처리 유닛(105)은 광원(102)이 제1 파장 채널 λ₁에서 광을 생성하게 한다. 예를 들어, 처리 유닛(105)은 파장 λ₁에 대응하는 특정 전류가 레이저 다이오드에 인가되게 유발할 수 있다.

광 수신 윈도우(402) 동안, 광원(102)으로부터의 광은 생성이 중단될 수 있다. 대안적으로, 광원(102)은 광 스위치의 직접 경로를 통해 광 수신기(104)로 방향 전환된 광을 계속 생성한다. 또한, 대안적으로, 광원(102)을 뒤따르는 샘플러를 갖는 예에서, 출사광의 일부가 광 수신기(104)에 제공되며, 광원(102)은 광을 계속 생성하지만, 재-지향(re-direction)이 필요하다. 처리 유닛(105)은 광 수신기(104)에 의해 수신된 임의의 광에 대응하는 임의의 전기 신호를 검출한다. 광 전송 윈도우(401)로부터의 국부 발진 신호를 이용한 광학 자기-헤테로다인 검출이 사용된다면, 제1 파장 채널 λ₁의 파장들 이외의 파장에서 수신된 광은 본질적으로 제한된 검출기 대역폭 때문에 억제될 가능성이 있을 것이다. 이러한 억제는 예를 들어 광학 범람(optical flooding)에 의한 스푸핑(spoofing)의 영향을 최소화함으로써 시스템의 보안을 향상시킨다. 광학 자기-헤테로다인의 사용은 광원(102)이 반도체 레이저인 경우, 반도체 레이저의 임의의 원하지 않는 측면 모드(side mode) 또한 필터링되어 제거된다는 이점을 갖는다. 광 수신 윈도우(402) 동안, 광원(102)으로부터의 제1 파장 채널 λ₁에서의 광은 광학 자기-헤테로다인 검출 시 혼합을 위해, 예를 들어 광섬유를 통해, 광 수신기(104)에 제공되거나 재지향되는 것이 중단될 수 있다. 광 전송 윈도우(401) 및 광 수신 윈도우(402)에 대한 설명은 파장 채널 λ₁의 파장 채널 λ₂로의 변화에 따라 광 전송 윈도우(403) 및 광 수신 윈도우(404) 각각에 유사하게 적용 가능하다. (401, 402, 403 및 404 같은) 윈도우들은 동일하거나 상이한 지속 시간을 가질 수 있다.

처리 유닛(105)에 의한 타이밍 제어의 배치를 용이하게 하기 위해, 광원(102), 빔 지향기(103) 및 광 수신기(104)는 예시적인 실시예에서 다음과 같이 기능할 수 있다. 이 예에서, 광원(102)으로부터의 광의 샘플링된 부분은 광학 자기-헤테로다인 검출을 위해 광 수신기에 제공되며, 광원(102)은 수신 윈도우 동안 광을 생성하는 것을 중단하지 않는다 :

- 처리 유닛(105)은 각각 상이한 파장 채널(예를 들어, λ₁, λ₂, ... , λ_N)과 연관된 일련의 광 전송 윈도우들을 생성하도록 광원(102)을 제어한다. 광원(102)은 스위치 오프되지 않으면서 다른 파장 채널로 동조됨에 따라, 연속적으로 또는 실질적으로 연속적으로 광을 생성한다.

- 빔 지향기(103)는 파장 채널 λ₁에서 광을 제공받고, 그 광을 방향 1로 지향시킨다. 파장 채널 λ₁에서의 광은 여전히 방향 1로 지향되는 반면, 파장 채널 λ₁에서 반사된 광은 빔 지향기(103)에 의해 수집될 수 있다. 처리 유닛(105)이 광원(102)을 파장 채널 λ₂로 변경하도록 제어함에 따라, 빔 지향기(103)는 λ₂에서의 광을 제공받고, 그 광을 방향 2로 지향시킨다. 파장 채널 λ₂에서의 광은 여전히 방향 2로 지향되는 반면, 파장 채널 λ₂에서 반사된 광은 빔 지향기(103)에 의해 수집될 수 있으며, 이후의 파장 채널에 대해서도 마찬가지이다.

- 광 수신기(104)는 광원(102)이 광을 방출하는 동안 광원(102)으로부터의 출사 광의 샘플 부분을 수신한다. 예를 들어, 광 수신기(104)가 파장 채널 λ₁에서 샘플링된 출사광을 제공받는 반면, 광 수신기는 광학 자기-헤테로다인 검출을 위해 파장 채널 λ₁에서 샘플링된 출사광과 혼합되는 파장 채널 λ₁에서 반사된 광을 수신할 수 있다. 처리 유닛(105)이 파장 채널 λ₂로 변경하도록 광원(102)을 제어함에 따라, 광 수신기(104)는 파장 채널 λ₁에서 잠재적으로 광을 수신하면서 λ₂에서 샘플링된 출사광을 제공받는다. 광 수신기(104)는 파장 채널 λ₂에서 샘플링된 출사광을 제공받는 동안, 광 수신기는 광 자기-헤테로다인 검출을 위해 파장 채널 λ₂에서 샘플링된 출사 광과 혼합되는 파장 채널 λ₂에서 반사된 광 또한 수신할 수 있으며, 이후의 파장들에 대해서도 마찬가지이다.

- 광 수신기(104)가 불일치된 파장 채널에서 샘플링된 출사광 및 반사광을 받을 때, 결과적인 전기 신호는 전자 또는 디지털 신호 처리를 통해 필터링될 수 있는 충분히 높은 비트 주파수를 가질 것으로 기대된다. 또한, 비트 주파수가 광학 처리 유닛(예를 들어, 광 다이오드)의 대역폭보다 높은 경우의 불일치에 대해, 광학 처리 유닛의 제한된 주파수 응답으로 인해 전용 필터링이 필요하지 않다.

타이밍 제어의 다른 구성들 또한 가능할 수 있다. 예를 들어, 광원(102)으로부터의 광은 샘플링되는 것 외에 직접 경로를 통해 광 수신기(104)로 재지향될 수 있다.

처리 유닛(105)은 시야의 2D 래스터 스캔(raster scan)을 효과적으로 수행하는, 파장-증가 순서 또는 파장-감소 순서와 같은 미리 결정된 시퀀스의 순차적 방식을 제어하도록 구성될 수 있다. 보안을 강화하기 위해, 미리 결정된 시퀀스는 시스템에게만 알려진 방식으로 상이한 파장 채널(예를 들어, λ₁, λ₁₀₀, λ₃₅, λ₁₅₀, ...)에 걸쳐 호핑할 수 있다.

또한, 예를 들어 시야의 선택된 부분을 보기 원하는 경우, 미리 결정된 시퀀스는 처리 유닛(105)에 의해 조정될 수 있다. 도 3b를 참조하면, 시스템은 일반적인 "스캔" 모드일 수 있으며, 이 경우 처리 유닛(105)은 미리 결정된 시퀀스가 특정 시야를 커버하는 λ₁, λ₂, ... , λ₁₀₀인 것으로 구성된다. λ₁₂, λ₁₃, λ₂₂, λ₂₃에서의 4 개의 이웃 픽셀들이 약 50 m의 거리와 연관된다는 점을 제외하고, 처리 유닛(105)이 100 개의 픽셀들의 대부분이 (예를 들어, 300 미터 떨어진 벽을 나타내는) 약 300 m의 거리와 관련된다고 결정하면, 처리 유닛(105)은 4 개의 이웃하는 픽셀들의 방향으로 약 50 m 떨어져 있는 물체가 있다고 결정할 수 있다.

4 개의 이웃한 픽셀들의 방향으로 약 50 m 떨어져있는 물체가 존재한다고 결정한 후, 일 구성에서, 시스템은 "스테어(stare)" 모드로 진입할 수 있으며, 이 경우, 처리 유닛(105)은 미리 결정된 시퀀스를 오직 λ₁₂, λ₁₃, λ₂₂, λ₂₃(즉, 2 x 2 픽셀들)로만 조정하여, 시간이 지남에 따른 그 물체의 거리 변화를 결정하기 위해서만 4 개의 이웃하는 픽셀들의 방향을 커버하도록 구성될 수 있다. 거리의 변경은 시스템에 가까워지거나 시스템에서 멀어지는 움직임을 나타낼 것이다. 다른 구성에서, 시스템은 "트랙" 모드에 진입할 수 있고, 여기서 처리 유닛(105)은 주변의 픽셀뿐만 아니라 4 개의 이웃하는 픽셀들과 연관된 거리를 결정하여, 스테어된 시야(stared field of view) 밖에서 물체의 임의의 움직임을 예상하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 처리 유닛(105)은 미리 결정된 시퀀스를 λ₁, λ₂, λ₃, λ₄, λ₁₁, λ₁₂, λ₁₃, λ₁₄, λ₂₁, λ₂₂, λ₂₃, λ₂₄, λ₃₁, λ₃₂, λ₃₃ 및 λ₃₄(즉, 4 x 4 픽셀)로 조정하도록 구성될 수 있다.

또한, 처리 유닛(105)은 광원(102)이 하나의 파장 채널에서 다음 파장 채널로 얼마나 빨리 튜닝되는지를 제어함으로써 프레임 속도를 조정하도록 구성될 수 있으며, 그리고 광원(102)의 모든 튜닝 가능한 파장 채널들의 예를 들어 매 2 파장 채널(즉, λ₁, λ₃, λ₅, λ₇, ...)에 튜닝함으로써 공간 분해능을 조정하도록 구성될 수 있다. 전체 스캔을 완료하기 위한(즉, 모든 원하는 파장과 관련된 거리를 결정하기 위한) 리프레싱 속도(refreshing rate)는 원하는 방향의 수, 시야 내의 픽셀들 또는 포인트들, 그리고 광 전송 윈도우 및 광 수신 윈도우의 지속 시간에 의존한다. 리프레싱 속도는 서로 다른 애플리케이션들에 대해 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 도킹 분야에서, 5 Hz의 리프레싱 속도가 적당할 수 있다. 자율 주행 차량과 같이 시간이-중요한 분야에서는, 5 Hz 보다 높은 리프레싱 속도가 적절할 수 있다.

또한, 처리 유닛(105)은 광학 수차 효과(optical aberration effects)를 설명하기 위해 미리 결정된 시퀀스를 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 빔 지향기(103)가 각도 확대 렌즈(angle magnifier) 또는 어안렌즈 같은 콜리메이팅 광학계를 포함하는 구성에서, 시야는 배럴 왜곡(barrel distortion)을 나타낼 수 있으며, 시야가 그 외부에서 뒤틀릴 수 있다. 처리 유닛(105)은 광원(102)으로 하여금 그러한 왜곡에 대응하기 위해 일부 외부 픽셀들에 대응하는 파장에서 방출을 의도적으로 생략하도록 유발하도록 구성될 수 있다.

대안적으로, 순차 방식은 랜덤화된 시퀀스를 포함한다. 처리 유닛(105)은 랜덤화된 시퀀스를 결정할 수 있다.

광학 자기-헤테로다인 검출과 관련하여, (미리 결정되었든 무작위화되었든) 특정 시퀀스의 사용은 특정 광 수신 윈도우에서 특정 파장 채널의 오직 반사된 광만이 적절히 검출되어, 다른 파장 채널에서의 광을 억제함으로써 시스템의 보안을 강화시키는 것을 의미한다.

상술한 바와 같이, 본 개시서는 적어도 하나의 시변 속성이 시변 강도 프로파일 및 시변 주파수 편이 중 하나 또는 둘 모두인 구성을 제공한다. 왕복 시간 및 왕복 거리를 결정하기 위한 이러한 시변 속성들 및 상응하는 검출 기술 각각은 이하에서 더 설명된다.

시변 강도 제어

시변 강도 프로파일을 포함하는 구성들에서, 처리 유닛(105)은 출사광의 시변 강도 프로파일을 부여할 수 있다. 예를 들어, 처리 유닛(105)은 변조 또는 시변 전류가 변조기(204)에 인가되게 할 수 있으며, 그 결과 가변 파장 레이저(202)로부터의 출사 광에 시변 강도 프로파일을 부여한다. 도 4b는 광 전송 및 수신 윈도우들(401, 402, 403 및 404)에 걸친 시간에 따른 강도를 도시한다. 도 4b의 시변 강도 프로파일은 단지 예시일 뿐이다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 출사광에 부여되는 다양한 서로 다른 시변 강도 프로파일들이 존재할 수 있다.

(ⅰ) 주기적 강도 변조(periodic intensity modulation)

일례에서, 광 전송 윈도우(401) 내에서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 처리 유닛(105)은 DC 성분 및 주기적 변조를 갖는 전류를 발생시킨다. 주기적 변조는 단일 주파수 성분을 갖는 정현파 변조(sinusoidal modulation)일 수 있다. 예를 들어, 도 4c에 도시된 바와 같이, 강도 프로파일(405)은 55.6 ns의 기간으로 변환되고 16.66 m의 공간 범위를 나타내는 단일 사이클의 18 MHz 톤을 포함한다. 물체(즉, 반사기)에 의해 반사되고 광 수신기(104)에 의해 수신된 임의의 광은 강도 프로파일의 로컬 복사본(local copy)에 비해 위상-시프트된 동일하거나 실질적으로 동일한 톤(산란 및 흡수와 같은 비-이상적인 영향 무시)을 포함할 것으로 예상된다. 위상 시프트는 광이 물체를 왕래하는데 필요한 시간에 비례한다. 이 예에서, 매 추가적 π/2 또는 90°의 위상 시프트는 16.66 m / 8 = 2.08 m 의 반사체 거리를 나타낸다. 수신된 광이 예를 들어 광 검출기에 의해 전기 신호로서 검출되면, 위상 시프트는 처리 유닛(105)에 의해 적용되는 주기적 변조의 로컬 복사본의 이용 가능성(availability)으로 인해 전기적 자기-헤테로다인 방법에 의해 처리 유닛(105)에 의해 결정될 수 있다.

이 예에서, 강도 프로파일(405)이 특정 주파수를 포함하는 경우, 처리 유닛(105)은 수신된 광에 대해 신호 처리를 수행하여, 비-반사된 광(예를 들어, 스푸핑된 광(spoofed light))의 검출을 금지할 수 있다. 일 구성에서, 임의의 수신된 광이 검출되어 디지털 신호로 변환되고, 그 다음, 동일한 특정 주파수를 갖는 국부적으로 생성된 전기 신호에 의해 정합-필터링(match-filtering)된다. 정합 필터링은 시간적 컨볼루션 연산과 수학적으로 동일하다. 수신된 광이 특정 주파수에 있지 않는다면, 컨볼루션 출력은 0일 것으로 예상된다. 0 또는 로우 출력은 그 자체로 임의의 비-반사된 광의 검출의 금지이다. 대안적으로, 처리 유닛(105)은 임의의 비-반사광의 검출을 금지하기 위해 0 또는 로우 출력에 기초하여 광 수신기(104)에 의한 광 검출을 허용하지 않을 수 있다. 다른 구성에서, 이동하는 반사면으로부터의 반사광으로 인한 임의의 도플러 시프트를 허용하기 위해, 디지털 신호로 변환한 후의 임의의 수신광은 먼저 고속 푸리에 변환되어, 수신된 광에 존재하는 주파수 성분을 결정한다. 예상 도플러 시프트에 의해 설정된 주파수 허용 오차를 채택함으로써, 처리 유닛(105)은 허용 오차 내에 있는 임의의 주파수 성분의 존재에 기초하여 광 수신기(104)에 의한 광 검출을 허용한다.

다른 예에서, 주기적 변조는 다수의 주파수 성분들을 포함한다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 광 전송 윈도우(401) 내에서, 강도 프로파일(406)은 18-MHz 및 19-MHz 듀얼-톤을 포함하여, 결과적으로 1μs의 엔벨로프 주기로 변환되고 300 m의 공간 범위를 나타내는 1MHz의 엔벨로프(407) 또는 비트 톤을 생성한다. 물체(즉, 반사기)에 의해 반사되고 광 수신기(104)에 의해 수신된 임의의 광은 강도 프로파일의 로컬 복사본에 비해 위상 시프트되거나 지연되는 동일하거나 실질적으로 동일한 비트 톤(산란 및 흡수와 같은 비-이상적인 영향 무시)을 포함할 것으로 예상된다. 엔벨로프(407)의 위상 시프트 또는 지연은 광이 물체로 왕복 이동하는데 필요한 시간에 비례한다. 이 예에서, 엔벨로프의 매 추가 π/2 또는 90°의 위상 시프트는 300 m / 8 = 37.5 m의 반사기 거리를 나타낸다. 수신 광이 예를 들어 광 검출기에 의해 전기 신호로서 검출된다면, 위상 시프트는 처리 유닛(105)으로부터 주기적 변조의 로컬 복사본의 이용 가능성(availability)으로 인해 전기적 또는 디지털 자기-헤테로다인 방법에 의해 처리 유닛(105)에 의해 결정될 수 있다. 거리의 장거리 측정을 제공하는 엔벨로프의 위상 시프트를 결정하는 것 이외에, 18 MHz 톤 및/또는 19 MHz 톤의 위상 시프트는 처리 유닛(105)에 의해 결정되어 거리의 단거리 측정을 제공할 수 있다. 즉, 비트 톤은 거리의 거친 측정에 사용되는 반면, 개별 톤(들)은 거리의 미세한 측정에 사용된다.

(ⅱ) 코드 변조

일례에서, 처리 유닛(105)은 DC 성분 및 패턴 또는 코드 변조를 갖는 전류를 발생시킨다. 코드 변조는 하나 이상의 코딩 시퀀스에 따라 강도 프로파일을 변조하는 것을 포함한다. 도 4e는 광 전송 윈도우(401) 내의 출사광의 강도 프로파일(408)의 한 경우를 도시한다. 이 경우, 강도는 11100010010의 Barker 코딩 시퀀스에 따라 시간에 따라 변하며, 이 때 논리 1은 DC 성분 위의 강도의 증가 (+m)로 표현되며, 논리 0은 DC 성분 아래의 강도의 감소 (-m)로 표현된다. 물체(즉, 반사기)에 의해 반사되고 광 수신기(104)에 의해 수신되는 임의의 광은 강도 프로파일의 로컬 복사본에 비해 지연된 동일하거나 실질적으로 동일한 코딩 시퀀스(산란 및 흡수와 같은 비-이상적인 영향 무시)를 포함할 것으로 예상된다. 지연은 광이 물체를 왕래하는데 필요한 시간에 비례한다. 이 경우, 수신된 광이 예를 들어 광 검출기에 의해 전기 신호로서 검출되면, 처리 유닛(105)은 처리 유닛(105)에 국부적으로 알려져 있는, 코딩 시퀀스로 생성된 신호를 이용한 상기 검출된 신호의 자기 상관(autocorrelation)을 수행하도록 구성될 수 있다. 피크 자기 상관 신호가 발생하는 자기 상관 지연은 물체의 거리에 대응한다. 예를 들어, 최대 자기 상관 신호를 얻기 위해 요구되는 자기 상관 지연의 매 추가 10 ns 는 1.5 m의 물체 거리를 나타낸다. 자기 상관과 함께 코드 변조를 사용하는 이점은, 지연의 함수로서의 자기 상관 신호가 최대 피크의 양쪽으로부터 동일한 지연에서(즉, 지연들 -τ₃,-τ₂,-τ₁, 0, +τ₁, +τ₂, +τ₃) 다수의 피크들(즉, 국부 최댓값)을 전형적으로 포함한다는 것이다. 다수의 피크들은 최대 피크가 발생하는 지연의 보다 정확한 결정을 가능하게 한다. 또한, 코드 변조의 사용은 시스템의 보안을 강화시킨다. 국부적으로 알려진 시퀀스와 동일하지 않은 시퀀스로 수행된 자기 상관은 잡음이 있는 자기 상관 신호를 발생시킨다. Barker 코드 시퀀스의 사용이 자기 상관의 정확성을 강화시킨다는 것이 제안되었다. 그러나, 한정된 수의 Barker 코드 시퀀스가 존재하며, 이들은 제한된 비트 길이를 갖는다. 이러한 제한 사항을 해결하기 위해, 다른 예는 빠르게 변하는 Barker 코드와 느리게 변하는 Barker 코드의 조합에 의존한다. 특히, 도 4f에 도시된 바와 같이, 처리 유닛(105)은 출사광의 강도 프로파일(409)에 천천히 변하는 Barker 코드(이 때, 추가 강도 +m 및 -m은 각각 논리 1 및 0을 나타냄) 상부의 빠르게 변하는 Barker 코드(이 때, 강도 +m 및 0은 각각 논리 1 및 0을 나타냄)를 적용할 수 있다.

코딩 시퀀스는 다른 공간 매핑 시스템과의 간섭을 회피하기 위해 조정 가능하다. 일부 구성들에서, 코딩 시퀀스는 랜덤화될 수 있다. 코드는 한 번(예를 들어 시스템의 초기 시동시 또는 공장 초기화시에) 무작위로 추출되거나, 또는 일정 시간이 경과된 후(예를 들어, 규칙적인 간격으로) 다시 무작위 추출될 수 있다.

또한, 전송 및 수신 윈도우의 지속 기간은 공간 프로파일링 시스템의 범위를 지배(governing)하는데 사용될 수 있다. 파장 λ₁에서의 반사광이 광 수신 윈도우(402) 외부에서 수신된다면, 그것은 검출될 수 없을 수 있다. 왜냐하면, 시스템은 처리 유닛(105)이 광 수신기(104)에 의해 검출된 광을 무시하도록 구성될 수 있는 광 전송 윈도우이거나, 또는 광학 자기-헤테로다인 검출이 사용된다면 파장 λ₁의 억제된 검출을 야기하는, 상이한 파장의 광 수신 윈도우 중 하나이기 때문이다.

(ⅲ) 비주기적 강도 변조

일례에서, 출사광의 시변 강도 프로파일은 비주기적 강도 변조를 포함할 수 있다. 이 예에서, 처리 유닛(105)은 DC 성분 및 비주기적 변조를 갖는 전류가 광원(102)에 인가되도록 유발할 수 있다. 비주기적 변조는 처프된 정현파 변조(shirped sinusoidal modulation)일 수 있다. 처프 속도는 미리 정해질 수 있으며, 예를 들어 주파수가 증가하거나 감소할 수 있다. 하나의 경우, 처프는 10 MHz와 100 MHz 사이의 범위일 수 있다. 예를 들어, 시간에 따른 강도 프로파일은 광 전송 윈도우(401)의 시작에서 10 MHz에서 변조될 수 있고, 광 전송 윈도우(401)의 끝에서 100 MHz에서 변조될 수 있으며, 이 때 강도 변조는 광 전송 윈도우(401) 동안 10 MHz에서 100 MHz로 점진적으로 증가한다(또는 100 MHz에서 10 MHz로 점진적으로 감소한다). 처프 속도는 선형 또는 비-선형일 수 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 처프는 변경될 수 있다. 예를 들어, 처프는 제1 시간 동안 10 MHz에서 시작하여 100 MHz로 증가되는 강도 변조를 포함할 수 있으며, 그 다음 제1 시간 이후 제2 시간 동안 20 MHz에서 시작하여 200 MHz로 증가되는 변조로 변경될 수 있다. 또한, 처프의 변화는 보안을 향상시키기 위해 의도하지 않은 반사광(예를 들어, 스푸핑된 광)의 검출을 금지하도록 미리 결정되거나 무작위화될 수 있다.

비주기적으로 변조되고 물체(즉, 반사기)에 의해 반사되고 그리고 광 수신기(104)에 의해 수신되는 임의의 광은 강도 프로파일의 로컬 복사본에 비해 지연된 동일하거나 실질적으로 동일한 비주기적 변조(산란 및 흡수와 같은 비-이상적인 영향 무시)를 포함할 것으로 예상된다. 지연은 광이 물체를 왕래하는데 필요한 시간에 비례한다. 이 경우, 수신된 광이 예를 들어 광 검출기에 의해 전기 신호로서 검출되면, 처리 유닛(105)은 처리 유닛(105)으로부터의 비주기적 변조의 로컬 복사본의 이용 가능성으로 인해 전기 또는 디지털 헤테로다인 검출을 수행하도록 구성될 수 있다. 전기 또는 디지털 헤테로다인 검출의 출력은 처프로 인한 국부 또는 반사광 간의 변조 주파수 차이이다. 미리 결정되거나 그렇지 않으면 알려진 처프 속도 r로, 처리 유닛(105)은 전기 또는 디지털 헤테로다인 검출의 출력에 기초하여 지연을 결정하도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 국부 및 반사광 간의 지연이 1μs 동안 지속되는 전송 윈도우(401)의 절반에 대응한다면, 그리고 처프 속도가 10 MHz에서 100 MHz까지 선형적이라면(즉, 1μs 마다 90MHz), 전기 또는 디지털 헤테로다인 검출은 (전송 윈도우(401)의 시작 및 중간에서 10 MHz 및 55 MHz에 기초하여) 국부 및 반사광 간의 변조 주파수의 45 MHz 차이를 포함하는 출력을 생성할 것이다. 처리 유닛(105)은, 전기 또는 디지털 헤테로다인 검출의 출력으로부터 변조 주파수의 45 MHz 차이에 기초하여, 지연이 45 MHz / 90MHz x 1μs = 0.50 μs와 동일하며, 이는 ( c x 0.5μs)/2 = 74.95 m 인 타겟까지의 거리에 대응한다는 것을 결정할 수 있다. 주어진 처프 속도에 대해, 변조 주파수에서의 더 큰 차이는 더 큰 지연 및 타겟까지의 거리를 나타낸다.

시변 주파수 편이 제어

시변 주파수 편이를 포함하는 구성들에서, 처리 유닛(105)은 각각 상응하는 시변 주파수 편이

를 갖는 하나 이상의 파장 채널들에서 출사광을 부여한다. 이러한 구성들에서, 광 수신기(104)는 수신광 및 국부광 간의 광 주파수(또는 파장) 차이에 응답하여 전기 신호를 생성하는, 광학 자기-헤테로다인 검출기를 포함한다. 이러한 전기 신호는 이하에서 혼합 신호(mixed signal)라고 한다.

도 5a 및 도 5b는 이러한 시변 주파수 편이가 있는 경우와 없는 경우의 구성들 간의 비교를 도시한다. 도 5a는 광원(102)이 임의의 시변 주파수 편이 없이 시간 슬롯들(501, 502, 503, 504)에 걸쳐 다음의 순서로 그것의 파장 채널을 변경하도록 유발되는 예를 도시한다 : (광 주파수 c/λ₁, c/λ₂, c/λ₃, c/λ₄(이 때, λ_k는 k번째 파장 채널의 중심 파장임)에 대응하는) λ₁, λ₂, λ₃, 및 λ₄. 각 시간 슬롯들은 상응하는 파장 채널에서 광의 전송 및 검출과 관련된다. 이와 대조적으로, 도 5b는 광원(102)이 시간 슬롯들에 걸쳐 동일한 시퀀스에서 그것의 파장 채널을 변화시키도록 유발되지만, 각각은 시변 주파수 편이(505)를 갖는 예를 도시한다. 도 5b에 도시된 예에서, 모든 파장 채널들은 동일한 시변 주파수 편이(505)를 부여받는다. 다른 예들에서, 파장 채널들은 상이한 시변 주파수 편이들을 부여받을 수 있다. 또 다른 예들에서, 일부 파장 채널은 시변 주파수 편이를 부여받지 않을 수 있다. 도 5b에 도시된 예에서, 파장 채널은 연속적인 시퀀스로 존재한다. 다른 예들에서, 파장 채널들은 비-연속적인 시퀀스 또는 랜덤화된 시퀀스와 같은 또 다른 미리 결정된 시퀀스로 존재할 수 있다. 각각의 시간 슬롯 내에서, 광 주파수는 시간에 따라 각각의 파장 채널 내에서 벗어난다. 주파수 편이는 처리 유닛(105)에 의해 결정되거나 그렇지 않으면 처리 유닛(105)에 의해 알려진 속도 R로 선형적으로 변경(증가 및/또는 감소)될 수 있다. 시변 주파수 편이는 삼각형 파형(예를 들어, 도 5b에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 증가하고 감소하는 선형 램프들) 또는 톱니 파형(예를 들어, 하나 이상의 증가하는 선형 램프 후 주파수 편이의 급격한 감소(미도시))의 형태일 수 있다.

처리 유닛(105)은 동일하거나 실질적으로 동일한 시변 주파수 편이를 갖는 반사광에 기초하여 타겟의 거리를 결정하도록 구성될 수 있다. 도 6a는 (상부에서) 시간에 따른 국부광(601) 및 수신광(602)의 광 주파수를 도시하며, 그리고 (하부에서) 시간에 따른 주파수 차이 Δf(603)를 도시한다. 주파수 편이가 계속적으로 변화하기 때문에, 임의의 반사광(602)은 도 6a에 도시된 바와 같이 왕복 시간 Δt만큼 국부광(601)으로부터 주파수 편이가 뒤떨어질 것이다. 톱니파 파형에 따라 변화하는 주파수 편이의 경우, 주파수 차이(603)는 최댓값 Δf_max을 획득하며, 이 최댓값들 사이에서 시간에 따라 주파수 차이가 0으로 순간적으로 떨어지도록 변한다. 또한, 반사광이 이동해야 하는 왕복 거리가 멀어질수록, 왕복 시간 Δt이 커지고, 그리고 수신광과 국부광 간의 주파수 차이 Δf가 커진다. 전술한 바와 같이, 광 수신기(104)의 광학 자기-헤테로다인 검출기는 수신광과 국부광을 혼합하고, 주파수 차이 Δf로 진동하는 전기 신호를 생성한다. 주파수 차이 Δf는 무선 주파수(RF) 영역에 있을 가능성이 있다. 앞서 언급한 예에서, 주파수 차이 Δf가 +/- 0.5 GHz 사이에서 변하는 경우, Δf는 최대 1.0 GHz이다. 주파수 편이가 알려진 속도 R에서 선형적으로 변화하기 때문에, 혼합 신호는 왕복 거리에 비례하는 주파수로 진동할 것이다. 이에 따라, 처리 유닛(105)은 혼합 신호의 주파수 측정(603)에 기초하여 거리를 결정하도록 구성될 수 있다. 특히, 왕복 시간 Δt은 다음에 의해 주어진다 :

Δt = Δf_max/ R (1)

왕복 거리 d_round _-trip는 다음에 의해 주어진다 :

d_round _-trip= c x Δt (2)

그리고 타겟의 거리 d_target는 왕복 거리의 절반에 의해 주어진다 :

d_target = (c x Δt) / 2 (3)

타겟이 움직이는 경우, 복귀된 광(returned light)의 광 주파수에서 도플러 시프트가 발생하는데, 여기서 도플러 시프트는 타겟의 속도 v 에 기초한다. 이 경우, 처리 유닛(105)은 동일하거나 실질적으로 동일한 시변 주파수 편이를 갖는 반사광에 기초하여 타겟의 속도 및 거리를 결정하도록 구성될 수 있다. 도 6b는 (상부에서) 시간에 따른 국부광(601) 및 수신광(604)의 광 주파수를 도시하며, 그리고 (하부에서) 시간에 따른 주파수 차이 Δf(605)를 도시한다. 톱니 파형에 따라 변하는 주파수 편이의 경우, 주파수 차이(603)는 상위 값 Δf_upper 및 하위 값 Δf_lower 사이에서 번갈아 나타나며, 상위 값 Δf_upper 및 하위 값 Δf_lower 사이에서 시간에 따른 주파수 차이 0으로의 순간적 하강이 존재한다. 처리 유닛(105)은 타겟이 이동하지 않는 경우에서와 같이 타겟의 거리를 결정하도록 구성될 수 있지만, Δf_max를 Δf_upper및 Δf_lower의 평균으로 대체한다. 추가하여, 처리 유닛(105)은 다음에 의해 타겟의 속도 v를 결정하도록 구성될 수 있다 :

(4)

이 때, λ는 순간 파장이며, θ는 타겟 속도 벡터와 출사광의 빔 방향 사이의 각도이다.

또한, 방정식 (1) 내지 (4)는 타겟의 지연(이에 따라 타겟 거리) 및 속도를 결정하는 데에도 적용 가능하다는 것이 유의되어야 하며, 여기서, 출사광은 비주기적 강도 변조의 형태로 시변 강도 프로파일을 포함하며, 비주기적 강도 변조는 도 6a의 상부 다이어그램과 유사한 톱니 패턴으로 변화하는 선형 처프(linear chirp)를 포함한다. 이 예에서, 전기적 또는 디지털 헤테로다인 검출의 관련 출력은 도 6a의 하단 그래프와 유사하며, 이 때 "광 주파수"는 이제 (예를 들어, 10 MHz와 100 MHz 사이에서 변화하는) 강도 변조의 주파수를 나타내며, Δf는 이제 국부광 및 반사광 간의 강도 변조의 주파수 차이를 나타내며, 그리고 R은 이제 처프 속도를 나타낸다.

이 예에서, 주파수 편이가 특정 주파수 처프 특성(예를 들어, 공지된 속도 R)을 포함하는 경우, 처리 유닛(105)은 비-반사광(예를 들어, 스푸핑된 광)의 검출을 금지하기 위해 수신광에 대해 신호 처리를 수행할 수 있다. 일 구성에서, 처리 유닛(105)은 주파수 차이(603)가 도 6a에 도시된 Δf_max에서의 플라토(plateaus)(또는 도 6b에 도시된 Δf_upper및 Δf_lower에서의 상부 및 하부 플라토)의 대략적인 지속 시간 동안 Δf_max에서(또는 특정 도플러 시프트가 허용된다면, Δf_upper및 Δf_lower에서 비교적 일정하게 유지되는지) 비교적 일정하게 유지되는지를 판단하도록 구성된다. 판단 결과가 부정적이면, 처리 유닛(105)은 임의의 비-반사광의 검출을 금지하기 위해 부정적 판단에 기초하여 광 수신기(104)에 의한 광 검출을 허용하지 않을 수 있다. 다른 구성에서, 이동하는 반사면으로부터의 반사광으로 인한 임의의 도플러 시프트를 허용하기 위해, 처리 유닛(105)은 주파수 차이(603)가 도 6b에 도시된 Δf_upper및 Δf_lower에서의 상부 및 하부 플라토의 대략적인 지속 시간 동안 Δf_upper및 Δf_lower에서 유지하는지를 판단하도록 구성된다. 판단 결과가 부정적이면, 처리 유닛(105)은 임의의 비-반사광의 검출을 금지하기 위해 부정적 판단에 기초하여 광 수신기(104)에 의한 광 검출을 허용하지 않을 수 있다.

온도 모니터링

레이저 다이오드의 파장 안정성은 온도에 따라 달라진다. 일부 구성들에서, 레이저 다이오드(또는 그것의 패키징 또는 실장(mounting))는 주변 온도 변화로 인한 파장의 변화를 추적하는 것을 용이하게 하는 에탈론 모듈(atalon moudule)을 포함한다. 에탈론 모듈은 광 강도 검출기에 광학적으로 결합된, 2 개의 부분적으로 반사성이고 실질적으로 평행한 인터페이스들로 구성된 에탈론을 포함할 수 있다. 광 강도 검출기는 에탈론에 의해 전송되거나 반사되는 광의 강도에 기초하여 전기 신호를 생성한다. 에탈론의 반사율 및 투과율은 온도 변화에 매우 민감하다는 것이 알려져 있다(예를 들어, Appl Opt.1971 Sep 1; 10(9) : 2065-9 참고). 이에 따라, 광 강도 검출기에 의해 검출된 광의 강도는 에탈론 내 또는 에탈론 근방의 온도 변화의 표시를 제공한다. 처리 유닛(105)은 에탈론 모듈로부터 온도-관련 정보를 수신하도록 구성될 수 있다. 온도-관련 정보에 기초하여, 처리 유닛(105)은 광원(102)에 피드백 신호를 제공하여, 임의의 온도 드리프트로 인한 파장-보상을 할 수 있다. 이러한 피드백 메커니즘은 예를 들어 활성 온도 제어에 대한 필요성을 제거함으로써 광원(102)의 요건을 완화시킨다.

환경적-영향 모니터링

(도 1c의 구성과 같이) 빔 지향기(103)가 중앙 유닛으로부터 멀리 떨어져 있는 구성에서, 원격 빔 지향기가 받는 환경 관련 영향들을 특성화하기 위해 원격 빔 지향기로부터 환경-관련 정보를 획득하는 것도 도움이 될 수 있다. 빔 지향기(103)가 2 개의 실질적으로 직교하는 방향으로 광을 공간적으로 분산시키기 위해 2 개의 공간적 분산형 요소들을 포함하는 구성들의 경우, 빔 지향기(103)는 2 개의 공간적 분산형 요소들 중 하나에 환경 관련 정보를 획득하기 위한 캐비티(cavity)를 더 포함할 수 있다. 에탈론과 마찬가지로, 캐비티의 반사율 및 투과율(transmissivity)은 온도 또는 스트레스와 같은 다른 물리적 영향들에 매우 민감할 수 있다.

예를 들어, 도 3b를 참조하면, 캐비티는 광원(102)으로부터 λ₁₁에서 λ₂₀까지의 파장에서 방출된 광이 지향될 제2 공간적 분산형 요소(303)의 영역에서 부분적으로 반사된 코팅들에 의해 형성될 수 있다. 이 예에서, 파장들 λ₁₁내지 λ₂₀은 환경 관련 영향들을 모니터링하기 위해 지정된다. 특정 시간에 온도 또는 스트레스 정보 같은 환경 관련 정보가 필요할 때, 처리 유닛(105)은 광원(102)으로 하여금 파장들 λ₁₁내지 λ₂₀중 어느 하나를 방출하게 하도록 구성될 수 있다. 방출된 이러한 광은 빔 지향기(103)에 의해 지향될 때 (환경 대신에) 캐비티에 도달한다. (환경 대신에) 캐비티에 의해 반사되고 이어서 광 수신기(104)에 의해 수신되는 광의 강도는 캐비티에서 또는 그 부근에서의 환경 관련 정보를 제공한다.

예를 들어, 자동차 애플리케이션에서, 시스템은 확장된 온도 범위(예를 들어, -40℃ 내지 +60℃)에서 작동할 것이 요구되며, 이 경우, 빔 지향기들 내의 수동 컴포넌트들은 온도에 따라 특성들을 변화시킬 수 있다. 서로 다른 광학 재료 또는 접착제의 열팽창 계수에 약간의 불일치가 발생하면 수동 광학계(passive optics)에 스트레스와 변화가 도입될 수 있어, 광학적 정렬 불량(optical misalignment)과 같은 바람직하지 않은 영향을 초래할 수 있다. 이러한 온도 관련 영향들은 서로 다른 부품들에 대해 서로 다를 것이므로, 작동 중에 이러한 영향들을 교정하기 위해 제조 시 그것들을 특성화(characterizing)할 필요가 있을 수 있다. 이 교정이 온도에 대해 수행되면, 작동 시 온도 정보를 획득하는 것은 시스템이 교정을 기반으로 온도-보상될 수 있게 할 것이다.

본 발명의 구성들이 기술되었으므로, 기술된 구성들이 다음의 이점을 갖는다는 것이 당업자에게 명백해야 한다 :

- 파장 의존적 빔 지향기를 사용하면 파장에 기반한 방향으로 출사광을 지향시키므로, 가동 부품이 필요 없고 빔 재-지향의 속도를 개선시키기 위한 관성(inertia)이 거의 없거나 적다.

- 시간 경과에 따라 강도 프로파일이 변하는 구성들에서는, 개선된 시간 분해능을 위한 짧은 광 펄스들의 사용으로 인해 빠른 응답 시간(약 1ns 정도)의 광 검출기들의 사용을 요구할 수 있는 광 펄스의 시간 지연을 측정하는 기술들과 비교할 때, (위상-시프트 또는 자기 상관 검출 방법과 함께) 주기적 변조 또는 코드 변조의 사용은 광 수신기에 대한 응답 시간 요건들을 감소시켜 유사한 시간 분해능을 달성한다.

- 주파수 편이가 시간에 따라 변하는 구성들에서, 주파수 편이와 빔 방향에 대해 동일한 파장 제어가 사용될 수 있다.

- 보안 또는 "스푸핑"을 처리하는 기능은 다음 중 하나 이상에 의해 촉진된다 :

* 광학 자기-헤테로다인 검출에 의해, 특정 시간(예를 들어, 광 수신 윈도우)에 수신된 특정 파장의 광만이 적절하게 검출될 수 있다. 특정 순서의 파장의 시퀀스는 보안을 향상시키는데 사용될 수 있다.

* 주기적 또는 코드 변조와 같은 변조에 의해, 강도가 특정 방식으로(예를 들어, 특정 주파수에서 또는 특정 코딩 시퀀스로 변조된) 변화하는 광만이 적절하게 검출될 수 있다.

* 공간적 분산형 광학계들을 갖는 빔 지향기(들)의 경우, 빔 지향기(들)에 의해 특정 방향으로부터 수신된 광만이 광 수신기로 적절하게 라우팅되어 적절하게 검출될 수 있다.

* 설명된 시스템이 가시광선 통신(예를 들어, 자유 공간 광학 또는 마이크로파) 정렬 목적으로 사용되는 경우, 환경의 공간 맵은 통신 빔(예를 들어, 광학 빔 또는 마이크로파 빔)을 송수신기 쪽으로 정렬하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 송수신기는 인식 가능한 3D 형상(예를 들어, 도넛 모양)으로 마킹될 수 있다. 인식 가능한 3D 형상이 (예를 들어, 3D 형상 인식 소프트웨어를 통해) 환경의 공간적 프로파일에서 인식되면, 가시광선 통신 시스템은 가시광선 통신을 위해 인식된 송수신기의 방향을 가리키도록 구성될 수 있다. 자유 공간 광 통신의 경우, 빔 지향기(103)에 의해 출사광으로서 지향된 광원(102)으로부터의 광은 일단 정렬이 달성되면 자유 공간 광 통신을 위한 광원으로 사용될 수 있다. 이와 유사하게, 빔 지향기(103)에 의해 입사광으로서 지향된 광 수신기(104)에 의해 수신되는 광은 일단 정렬이 달성되면 자유 공간 광 통신을 위해 수신된 광으로 사용될 수 있다.

본 명세서에 개시되고 정의된 발명은 텍스트 또는 도면으로부터 언급되거나 명백한 둘 또는 그 이상의 개별적인 특징들의 모든 다른 조합들로 확장된다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, SOA 또는 Mach Zehnder 변조기 이외의 변조기 수단이 적합할 수도 있다. 이러한 상이한 조합들 모두는 본 발명의 다양한 대안적 양상들을 구성한다.

Claims

공간 프로파일링 시스템(spatial profiling system)으로서,
다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에서 적어도 하나의 시변 속성을 갖는 출사광을 제공하도록 구성된 광원으로서, 상기 적어도 하나의 시변 속성은 (a) 시변 강도 프로파일 및 (b) 시변 주파수 편이 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는, 광원;
공간 프로파일을 갖는 환경 내로 2차원의 다수의 방향들 중 하나의 방향으로 상기 출사광을 공간적으로 지향시키도록 구성된 빔 지향기로서, 상기 다수의 방향들 중 하나의 방향은 상기 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에 대응하는, 빔 지향기;
상기 환경에 의해 반사된 출사광의 적어도 일부를 수신하도록 구성된 광 수신기; 및
상기 다수의 방향들 중 대응하는 방향과 연관된 환경의 공간 프로파일의 추정을 위해, 상기 반사된 광의 적어도 하나의 시변 속성과 연관된 적어도 하나의 특성을 결정하도록 구성된 처리 유닛을 포함하며,
상기 광 수신기는 출사광과 비-반사된 광간의 파장 또는 변조 차이에 기초하여 비-반사된 광의 검출을 금지하도록 구성되는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 비-반사된 광의 검출을 금지하는 것은 파장 채널들의 미리 결정되거나 랜덤화된 시퀀스에 기초하여 상기 다수의 파장들 중에서 선택된 파장을 선택하는 것을 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 비-반사된 광의 검출을 금지하는 것은 출사 광으로부터 상기 수신된 광을 무-상관화(de-correlating)하고 무-상관된 광을 출사광의 샘플과 비간섭성으로(incoherently) 혼합하는 것을 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 비-반사된 광의 검출을 금지하는 것은 광원이 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에서 샘플링된 광을 제공하도록 구성되는 시간 윈도우 동안, 출사광의 샘플을 이용하여 상기 수신광의 광학 자기-헤테로다인(self-heterodyne)을 수행하는 것을 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 비-반사된 광의 검출을 금지하는 것은 코딩 시퀀스에 따라 출사광의 시변 강도 프로파일에 코드 변조를 부과하는 것을 포함하며,
상기 적어도 하나의 특성은 상기 코딩 시퀀스와 상기 반사된 광의 자기 상관(autocorrelation)을 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 코딩 시퀀스는 Barker 코드를 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 코딩 시퀀스는 다른 공간 매핑 시스템과의 간섭을 회피하기 위해 조정 가능한, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 코드 변조는 느리게 변하는 Barker 코드 및 빠르게 변하는 Barker 코드를 더 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시변 강도 프로파일은 미리 결정된 주파수에서의 주기적 변조를 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 주기적 변조는 정현파 변조(sinusoidal modulation)를 포함하며,
상기 적어도 하나의 특성은 정현파 형상으로 변조된 반사광의 위상 시프트를 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 주기적 변조는 다수의 주파수 성분들을 포함하며,
상기 적어도 하나의 특성은 :
(a) 더 거칠고 더 장거리의 거리 추정을 용이하게 하는 상기 다수의 주파수 성분들로부터 발생하는 비트 톤(beat tone)의 엔벨로프의 지연; 및
(b) 더 미세하고 더 단거리의 거리 추정을 용이하게 하는 주기적으로 반사된 광의 위상 시프트 중 적어도 하나를 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시변 강도 프로파일은 처프된 정현파 변조(chirped sinusoidal modulation)를 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광원은 상기 다수의 파장 채널들 중 추가적으로 선택된 하나 이상의 파장 채널에서 동일하거나 상이한 시변 속성(들)을 갖는 추가 출사광을 순차적 방식으로 제공하도록 구성되며,
상기 빔 지향기는 상기 추가 출사광을 상기 다수의 방향들 중 대응하는 하나 이상의 방향으로 순차적 방식으로 지향시키도록 구성되며, 그리고
상기 처리 유닛은 상기 다수의 방향들 중 대응하는 하나 이상의 방향과 연관된 환경의 공간 프로파일의 추정을 위해, 상기 다수의 파장 채널들 중 상기 추가적으로 선택된 하나 이상의 파장 채널에서 상기 반사된 광의 동일하거나 서로 다른 시변 속성들과 연관된 적어도 하나의 특성을 결정하도록 구성되는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 13에 있어서,
상기 순차적 방식은 미리 결정된 시퀀스를 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 13에 있어서,
상기 순차적 방식은 랜덤화된 시퀀스를 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 지향기는 (a) 광원으로부터 출사하는 동일 선상의(collinear) 빔을 다수의 방향으로 공간적으로 지향시키기 위해 그리고 (b) 다수의 역방향(reversed direction)의 반사된 광을 동일 선상의 입사빔(incoming beam)으로 공간적으로 지향시키기 위해 가역성 광학계(reversible optics)를 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 16에 있어서,
상기 가역성 광학계는 공간적 교차-분산 모듈(spatially cross-dispersive module)을 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 17에 있어서,
상기 공간적 교차-분산 모듈은 직교 배열의 두 개의 공간적 분산형 요소들을 포함하며,
상기 두 개의 공간적 분산형 요소들 각각은 상기 출사광을 2차원 중 상응하는 차원으로 조향하도록 배열되는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 18에 있어서,
상기 두 개의 공간적 분산형 요소들 중 하나 또는 둘 모두는 광결정 구조를 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템은 상기 광원으로부터의 출사광을 상기 빔 지향기로 라우팅하기 위해, 그리고 상기 빔 지향기로부터의 반사광을 상기 광 수신기로 라우팅하기 위해 비-가역성 광학계를 더 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 20에 있어서,
상기 비-가역성 광학계는 광 서큘레이터(optical circulator)를 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템은 상기 광원에 후속하는 광 커플러 또는 빔 스플리터를 더 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 지향기는 출사광에 의해 취해진 경로에 의해 공유되지 않는 경로를 따라, 빔 지향기에 의해 수집된 반사광을 광 수신기로 라우팅하기 위해 콜리메이팅 광학계(collimating optics)를 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1 내지 청구항 23 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 지향기는 다수의 빔 지향기들 중 하나이며,
상기 다수의 빔 지향기들 각각은 (a) 광원 및 광 수신기에 광학적으로 연결되며, 그리고 (b) 상기 다수의 파장 채널들의 상응하는 서브셋에 응답하여 상응하는 공간 프로파일을 갖는 상응하는 환경으로 상기 출사광을 지향시키도록 구성되는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 24에 있어서,
상기 빔 지향기들 각각은 상기 광원 및 상기 광 수신기에 광섬유를 통해 광학적으로 연결되는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 25에 있어서,
상기 광 수신기는 다수의 광 수신기들 중 하나이며,
상기 빔 지향기들은 각각 상기 광원 및 상기 다수의 광 수신기들 중 상응하는 수신기에 광학적으로 연결되는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광원은 상기 처리 유닛에게 온도-관련 정보를 제공하기 위해 에탈론 모듈(etalon module)을 포함하며,
상기 처리 유닛은 상기 온도 관련 정보에 기초하여 상기 광원을 제어하도록 구성되는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1 내지 청구항 27 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 지향기는 캐비티(cavity)를 포함하여, 상기 캐비티로부터 반사되고 상기 광 수신기에 의해 수신되는 광의 강도에 기초하여 환경 관련 정보를 획득하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1 내지 청구항 28 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시변 주파수 편이는 광 주파수의 선형 변화를 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 29에 있어서,
상기 시변 주파수 편이는 톱니 파형 또는 삼각 파형을 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.
청구항 1 내지 청구항 30 중 어느 한 항에 있어서,
상기 처리 유닛은 상기 환경에서의 타겟의 속도의 추정을 위해 상기 반사된 광의 적어도 다른 특성을 결정하도록 더 구성되는, 공간 프로파일링 시스템.
공간 프로파일링 방법으로서,
광원에 의해, 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에서 적어도 하나의 시변 속성을 갖는 출사광을 제공하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 시변 속성은 (a) 시변 강도 프로파일 및 (b) 시변 주파수 편이 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는, 단계;
빔 지향기에 의해, 공간 프로파일을 갖는 환경 내로 2차원의 다수의 방향들 중 하나의 방향으로 상기 출사광을 공간적으로 지향시키는 단계로서, 상기 다수의 방향들 중 하나의 방향은 상기 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에 대응하는, 단계;
광 수신기에 의해, 상기 환경에 의해 반사된 출사광의 적어도 일부를 수신하는 단계; 및
상기 다수의 방향들 중 대응하는 방향과 연관된 환경의 공간 프로파일의 추정을 위해, 처리 유닛에 의해, 상기 반사된 광의 적어도 하나의 시변 속성과 연관된 적어도 하나의 특성을 결정하는 단계를 포함하며,
상기 광 수신기는 출사광과 비-반사된 광간의 파장 또는 변조 차이에 기초하여 비-반사된 광의 검출을 금지하도록 구성되는, 공간 프로파일링 방법.
명령들을 포함하는 프로세서-판독가능한 매체로서,
상기 명령들은 공간 프로파일링 시스템 내 처리 유닛에 의해 실행될 때, 상기 시스템으로 하여금 :
광원에 의해, 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에서 적어도 하나의 시변 속성을 갖는 출사광을 제공하게 하며, 상기 출사광은 빔 지향기에 의해 공간 프로파일을 갖는 환경 내로 2차원의 다수의 방향들 중 하나의 방향으로 공간적으로 지향되며, 상기 적어도 하나의 시변 속성은 (a) 시변 강도 프로파일 및 (b) 시변 주파수 편이 중 하나 또는 둘 모두를 포함하며, 상기 다수의 방향들 중 하나의 방향은 상기 다수의 파장 채널들 중 선택된 파장 채널에 대응하고; 그리고
상기 처리 유닛에 의해, 상기 다수의 방향들 중 대응하는 방향과 연관된 환경의 공간 프로파일의 추정을 위해, 환경에 의해 반사되고 광 수신기에 의해 수신된 상기 출사광의 적어도 일부의 적어도 하나의 시변 속성과 연관된 적어도 하나의 특성을 결정하게 하며,
상기 광 수신기는 출사광과 비-반사된 광간의 파장 또는 변조 차이에 기초하여 비-반사된 광의 검출을 금지하도록 구성되는, 프로세서-판독가능한 매체.