KR20220025203A - 코히런트 lidar의 피치-캐치 스캐닝을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

바이스태틱 트랜시버(bistatic transceiver)를 포함하는 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 기술은, 타겟의 거리의 값들에 기초하여 제1 SNR 값들을 수신하는 것을 포함하고, 제1 SNR 값들은 각각의 스캔 레이트에 대한 것이다. 기술은 타겟의 거리의 값들에 기초하여 제2 SNR 값들을 수신하는 것을 더 포함하고, 제2 SNR 값들은 각각의 누적 시간(integration time)에 대한 것이다. 기술은 각도 범위 내의 각각의 각도에서 타겟의 최대 설계 거리를 수신하는 것을 더 포함한다. 기술은 각도 범위 내의 각각의 각도에 대하여 최대 스캔 레이트와 최소 누적 시간을 결정하는 것을 더 포함한다. 기술은 각각의 각도에서 최대 스캔 레이트와 최소 누적 시간에 기초하여 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 정의하는 것과, 스캔 패턴에 따라 LIDAR 시스템을 작동시키는 것을 더 포함한다.

Description

코히런트 LIDAR의 피치-캐치 스캐닝을 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR PITCH-CATCH SCANNING OF COHERENT LIDAR}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은, 35 U.S.C. §119(e)에 의거하여, 전체 내용이 본 명세서에 완전하게 설명된 것처럼 참조로 여기에 포함되는 2018년 9월 5일자 출원된 미국 출원 제62/727,294호의 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 리턴된 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 없어도, 적합한 주파수 또는 위상 콘텐츠의 연필처럼 가는 레이저 빔(pencil thin laser beam)에서 거리를 제공한다. 이러한 빔을 장면(scene)에 스윕(sweep)하면, 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.

거리 정확도와 타겟 속도 정확도를 제공하는 샘플링 및 처리는 누적 시간(integration time)이라 하는 시간 간격에서 다양한 지속 시간을 갖는 하나 이상의 레이저 신호의 누적(integration)을 수반한다. 시기적절한 방식으로 장면을 커버하는 것은 차량이 차량 앞쪽의 공간 내로 (종종 대략 1 내지 수 초의 특정 시간 내에 이동되는 대략 1 내지 수십 미터의 거리로) 너무 많이 전진하기 전에 차량 주위의 환경을 이해하기 위하여 자율 주행 차량 주위로 다양한 각도를 (종종 대략 수 천회) 샘플링하기에 종종 충분한, (종종 1 내지 수 십 마이크로초 동안 하나 이상의 신호를 포함하는) 충분히 정확한 측정을 반복하는 것을 수반한다. 특정 시간(종종 사이클 또는 샘플링 시간이라 함) 내에 커버될 수 있는 상이한 각도들의 개수는 샘플링 레이트에 따른다. 여기에서, 차량이 환경을 통과하여 이동함에 따라 자율 주행 차량 근처의 환경을 효율적으로 판단하기 위하여, 하나 이상의 LIDAR 빔을 이용하여, 거리 및 속도 정확도를 위한 누적 시간, 샘플링 레이트 및 상이한 샘플링 각도 패턴 사이에 트레이드오프가 이루어질 수 있다는 것이 인식되었다.

제1 실시예 세트에서, 자율 주행 차량에서 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 방법은, 프로세서에서, 바이스태틱 트랜시버의 수신 도파관(waveguide)으로부터 분리 간격(separation)만큼 이격된 바이스태틱 트랜시버의 송신 도파관에 의해 신호가 송신된 후에, 타겟에 의해 반사되고 수신 도파관에 의해 수신된 신호의 제1 신호대 잡음비(SNR) 값들을 나타내는 데이터를 수신하는 단계를 포함한다. 제1 SNR 값들은 타겟의 거리의 값에 기초하고, 제1 SNR 값들은 LIDAR 시스템의 스캔 레이트의 각각의 값에 대한 것이다. 방법은, 프로세서에서, 타겟의 거리의 값들에 기초한 신호의 제2 SNR 값을 나타내는 데이터를 수신하는 단계를 더 포함하고, 제2 SNR 값들은 LIDAR 시스템의 누적 시간의 각각의 값에 대한 것이다. 방법은, 프로세서에서, 스캔 패턴의 각도 범위를 정의하는 제1 각도 및 제2 각도를 나타내는 데이터를 수신하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 프로세서에서, 각도 범위 내의 각각의 각도에서 타겟의 최대 설계 거리를 나타내는 데이터를 수신하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 각도 범위 내의 각각의 각도에 대하여, 최대 설계 거리에 기초한 제1 SNR 값이 최소 SNR 임계값을 초과하는 큰 스캔 레이트들 중의 최대값에 기초하여 LIDAR 시스템의 최대 스캔 레이트를 결정하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 각도 범위 내의 각각의 각도에 대하여, 최대 설계 거리에 기초한 제2 SNR 값들이 최소 SNR 임계값을 초과하는 누적 시간들 중의 최소값에 기초하여 LIDAR 시스템의 최소 누적 시간을 결정하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 프로세서를 이용하여, 각도 범위 내의 각각의 각도에서의 최대 스캔 레이트 및 최소 누적 시간에 기초하여 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 정의하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 스캔 패턴에 따라 LIDAR 시스템을 작동시키는 단계를 더 포함한다.

다른 실시예에서, 시스템, 장치 또는 컴퓨터 판독 가능한 매체는 전술한 방법의 하나 이상의 단계를 수행하도록 구성된다.

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 위하여 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, 거리에 관한 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 그래프이로서, 일 실시예에 따라, 0이 아닌 도플러 시프트가 있을 때 이 주파수-시간 플롯에서 리턴 신호를 점선으로 나타내고;
도 2a는, 일 실시예에 따라, 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트를 도시하는 블록도이고;
도 2b는, 일부 실시예에서 사용되는, 고해상도 도플러 시스템을 위한 톱니형(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 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트를 도시하는 블록도이고;
도 2e는, 일 실시예에 따라, 바이스태틱(bistatic) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트의 측면도를 도시하는 블록도이고;
도 2f는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 예시적인 컴포넌트의 상면도를 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 3c는, 일 실시예에 따라, 도 3b의 LIDAR 시스템으로부터 다수의 각도로 송신된 빔의 일례를 도시하는 블록도이고;
도 3d는, 일 실시예에 따라, 차량에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이고;
도 4a는, 일 실시예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템에서 송신된 신호에 대한 예시적인 신호대 잡음비(SNR) 대 타겟 거리를 도시하는 그래프이고;
도 4b는, 일 실시예에 따라, 파 필드(far field)에서의 도 4a의 SNR 트레이스의 형상을 만드는 l/r 제곱 손실을 나타내는 트레이스의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4c는, 일 실시예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템에서 송신된 신호에 대한 콜리메이트 빔 직경 대 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4d는 일 실시예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템에서 송신된 신호에 대한 수집 효율과 연관된 SNR 대 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4e는 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 타겟 거리 및 스캔 속도에 대한 빔 이탈(walkoff)의 일례를 도시하는 이미지이고;
도 4f는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 스캔 레이트(scan rate)에 대한 커플링 효율 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4g는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 스캔 레이트에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4h는, 일 실시예에 따라, 이동하는 차량에 장착된 도 2e의 시스템에서 빔의 종래의 스캔 궤적의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4i는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 누적 시간(integration time)에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4j는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 측정 레이트 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4k는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 분리 간격 값에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4l은, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 SNR 값에 대한 분리 간격 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4m는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 분리 간격 값에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4n은, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 SNR 값에 대한 분리 간격 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4o는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 최소 임계 SNR을 갖는 다양한 타겟 거리에 대한 분리 간격 대 스캔 속도의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 5는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다수의 각도 범위에 걸친 시간에 대한 수직 각도의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 6은, 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 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 도시한다.

LIDAR 시스템의 스캐닝을 위한 방법, 장치, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 매체가 설명된다. 이어지는 내용에서, 설명의 목적으로, 본 명세서의 완전한 이해를 제공하기 위하여 다양한 구체적인 상세 내용이 설명된다. 그러나, 이와 같은 구체적인 상세 내용 없이 본 발명이 실시될 수 있다는 것이 당해 기술 분야에서의 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 최소값과 10 이하의 최대값을 갖는 임의의 하위 범위 및 모든 하위 범위, 예를 들어, 1 내지 4를 포함한다.

본 발명의 일부 실시예는 고해상도 LIDAR 시스템과 연계하여 아래에서 설명된다. 본 발명의 하나의 실시예는 고해상도 바이스태틱(bistatic) LIDAR 시스템과 연계하여 설명된다. 본 발명의 다른 실시예는 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 또는 공중 운송 수단에 장착된 하나 이상의 이러한 시스템이 사용된다.

1. 위상 인코딩(phase-encoded) 검출 개요

거리 측정을 위한 광 위상 인코딩 신호를 이용하여, 송신된 신호는 송신된 신호의 일부에 대한 반송파(carrier)와 동 위상(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 변조(Phase-Shift Keying, PSK)는 기준 신호(반송파)의 위상을 변경(변조)시킴으로써 데이터를 전달하는 디지털 변조 방식(digital modulation scheme)을 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 방식이 연속하는 위상들 사이의 차이에 의존하기 때문에, 이것은 차동 위상 시프트 변조(Differential Phase-Shift Keying, DPSK)라 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 논-코히런트(non-coherent) 방식이다).

송신기 및 수신기가 동일한 장치 내에 있기 때문에, 광 거리 측정 응용에, 코히런트 PSK가 사용될 수 있다. 반송파 주파수(carrier frequency)는 광 주파수(fc)이고 RF(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 위하여 리턴된 광 신호들과 함께 도시하는 개략적인 그래프(120)이다. 수평 축(122)은 0(zero)에서의 시작 시간 후의 시간을 임의 단위(arbitrary unit)로 나타낸다. 수직 축(124a)은 주파수(fc+f₀)에서의 광 송신 신호의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타낸다. 수직 축(124b)은 주파수(fc+f₀)에서의 리턴된 광 신호의 진폭을 0에 상대적인 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, 코드00011010는 인식 가능하다. 트레이스(127)는 움직이고 있는 물체로부터 산란됨으로써 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, v_s는 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(Δf_D)고, 수학식 2에 의해 주어진다.

[수학식 2]

오차의 크기는 신호의 주파수(f)에 따라 증가한다는 것에 주목하라. 또한, 정지된 LIDAR 시스템(v₀ = 0)의 경우, 초당 10 미터(v_s = 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 시프트 오차가 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 컨벌루션 처리(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 푸리에 역변환 즉 역방향 푸리에 변환(inverse Fourier transform)을 수행함으로써 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 충돌하기 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, 리턴이 도플러 시프트되지 않은) 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, 리턴이 도플러 시프트된) 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, Δf_D만큼 시프트된 주파수(f_s)로 청색 편이된다. 실제로, 리턴의 동 위상 및 직교 위상(in-phase and quadrature, I/Q) 성분을 모두 나타내는 복소수 리턴이 +Δf_D에서 피크를 결정하는데 사용되므로, 도플러 시프트의 방향과, 센서와 물체 사이의 벡터 상의 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 Δf_D를 찾는 대신에, RF 대역에서 다운 믹싱된 리턴 신호의 동 위상 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(Δf_D1의 청색 편이 = 도 1b에서의 Δf_D)와 LIDAR 시스템으로부터 멀어지고 있는 제2 물체(Δf_D2의 적색 편이(red shift))에 의해 생성된 이상적인 (노이즈가 없는) 리턴 신호와의 교차 스펙트럼을 나타낸다. 하나의 피크는 성분 중 하나가 청색 편이(Δf_D1)될 때 발생하고; 다른 피크는 성분 중 하나가 적색 편이(Δf_D2)될 때 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 +/-Δf_D1 및 +/-Δf_D2 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(lag) Δt에서 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 S. Crouch 등에 의한 특허 출원 공보에 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 기술 분야에 알려진 임의의 방법이 사용된다. 일부 실시예에서, 도플러 시프트에 기인하는 오차는 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 3×10⁸m/s)). 이 시간 동안, 주파수 f_R은 거리에 기초한 양만큼 변경되고, 주파수 변화율에 지연 시간을 곱하여 주어진다. 이것은 수학식 4a에 의해 주어진다.

[수학식 4a]

f_R의 값은 디처핑(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 리턴 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 f_R의 다른 측정 값을 가질 것이다. 일부 상황에서는, 여러 개의 추가적인 리턴된 신호들이 수신된다.

그래프(170)는 제1 리턴된 신호(166a)와 기준 처프(116) 사이의 차이 주파수 f_R을 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 f_R을 나타내며, 수학식 4b에 의해 주어지는 특정 거리를 나타낸다. 제2 리턴된 신호(166b)는, 존재한다면, 디-처핑 동안에 다른 더 큰 값의 f_R(도시되지 않음)을 발생시킬 것이고; 결과적으로 수학식 4b를 사용하여 더 큰 거리를 산출할 것이다.

디-처핑을 위한 일반적인 방법은 기준 광 신호와 리턴 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)의 역할을 하는 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. 그렇지 않은 경우 코히런트 검출의 긍정적인 면은 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 방식은 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 f_c 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)은 오버랩되지 않아, 송신 신호 및 리턴 신호가 통과 주파수 f_p에서 시작하는 통과 대역을 갖는 고역 통과 필터나 저역 통과 필터 또는 이들의 조합에 의해 광학적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, f₁<f₂<f_p<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 매시간마다 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 Mach-Zehnder intensity modulator)가 사용되고; 대신에, 거의 모든 에너지가 측파대로 들어간다.

측파대 대칭(sideband symmetry)의 결과로서, 동일한 차수의 측파대가 사용되면 2개의 광 처프의 대역폭은 동일할 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 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 범위 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 f_B이면, 업 처프의 비트 주파수는 오프셋만큼 증가되어 f_B+Δf_S에서 발생할 것이고, 다운 처프의 비트 주파수는 f_B-Δf_S로 오프셋만큼 감소될 것이다. 따라서, 업 처프는 다운 처프보다 더 높은 주파수 대역에 있을 것이고, 이에 의해 이들을 분리한다. Δf_S가 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 Δf_S의 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 리턴들을 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)로부터 산란된 리턴된 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(207b)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 지연을 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, 리턴이 지연 없이 기준 신호와 충분히 중첩하도록, 물체는 충분히 가깝고 송신 지속 시간은 충분히 길다.

송신 신호는 종종 몇몇 스캐닝 광학 기기(scanning optics)(218)를 통해 관심 영역을 조명하기 위해 송신된다. 검출기 어레이는 쌍을 이루거나 또는 쌍을 이루지 않은 단일의 검출기 또는 물체로부터 리턴된 빔들(291)에 대략 수직인 평면에 배열된 쌍을 이루거나 또는 쌍을 이루지 않은 검출기의 1차원(1D) 또는 2차원(2D) 어레이이다. 기준 빔(207b) 및 리턴된 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 누적 시간(integration time)은 다운-레인지 규모(down-range extent)에 영향을 미친다. 개수 또는 누적 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)를 구동하기 위한 스캐닝 신호를 제공한다. 하나의 실시예에서, 스캐너 제어 모듈(270)은 도 6의 순서도를 참조하여 아래에서 설명되는 방법(600)의 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 명령어를 포함한다. 처리 시스템(250)에서 부호 있는 도플러 보상 모듈(signed Doppler compensation module)(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 송신하기 위한 변조 신호 모듈(도시되지 않음)을 포함한다. 일부 실시예에서, 처리 시스템은 시스템(200)이 설치되는 차량을 제어하기 위한 차량 제어 모듈(272)을 더 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. 동공면(pupil plane)을 지나간 초점 또는 타겟 상의 초점 또는 투광 조명(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 송신된 빔(205)의 광 경로에 추가된 주파수 시프터(shifter)이다. 다른 실시예에서, 이와 달리, 주파수 시프쉬프터는 리턴된 빔(291)의 광 경로 또는 기준 경로(220) 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(frequency shifting) 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) 주파수들이 발생하도록, 기준 신호의 주파수에 대하여 송신 신호(또는 리턴 신호)의 주파수를 알려진 양(Δf_S)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 위하여 아날로그 RF 전자 장치를 이용하여 전처리된다. 양 실시예들은 검출된 신호의 대역을 사용 가능한 디지타이저 자원(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 톱니형(saw tooth) 스캔 패턴을 도시하는 블록도이다. 스캔은 (수평으로) 방위각(azimuth angle) 범위를 스윕하고 (제로(0) 경사인 수평 방향(level direction)의 위 아래 수직으로) 경사각(inclination angle) 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 및 방위각에서 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(229)의 초점 평면 내에 위치된 단일 모드 광 도파관의 끝단(tip)(217) 밖으로 반송파(201)를 송신하는 소스(212)를 포함한다. 일 실시예에서, 끝단(217)은 콜리메이팅 광학 기기(229)의 초점 평면의 임계 거리(예를 들어, 대략 100 ㎛) 내에 또는 콜리메이팅 광학 기기(229)의 초점 길이의 대략 0.1% 내지 대략 0.5% 내에 위치된다. 다른 실시예에서, 콜리메이팅(collimating) 광학 기기(229)는 이중(doublet), 비구면 또는 다중 요소 디자인들 중 하나 이상을 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(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, 리턴 빔(291)이 단일 모드 광 도파관 끝단(217)에서 수신되도록, 물체로부터 리턴된 빔들(291)은 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 지향되고 콜리메이션 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에 포커싱된다. 그 다음, 일 실시예에서, 리턴 빔(291)은 서큘레이터(226)에 의해 수신 경로(224)를 따라 단일 모드 광 도파관 내로 그리고 리턴 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 모노스태틱 배열은 바이스태틱(bi-static) LIDAR 시스템과 연관된 쉽지 않은 정렬 절차를 회피하는데 도움을 주기 때문에 유리하다.

도 2e는, 일 실시예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템(200'')의 예시적인 컴포넌트의 예시적인 측단면도를 도시하는 블록도이다. 도 2f는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 바이스태틱 LIDAR 시스템(200'')의 예시적인 컴포넌트의 상면도를 도시하는 블록도이다. 일 실시예에서, 바이스태틱 LIDAR 시스템(200'')은 도 2d의 시스템(200')과 유사하고, 여기에서 논의되는 특징들을 포함한다.

일 실시예에서, 시스템(200'')은 송신 도파관(223)과 하나 이상의 수신 도파관(225a, 225b) 포함하는 바이스태틱 트랜시버(215)를 포함한다. 제1 수신 도파관(225a)은 송신 도파관(223)으로부터 분리 간격(221a)만큼 이격된다. 송신 도파관으로부터의 수신 도파관의 이러한 분리는 광이 한 위치로부터 방출(피치(pitch))되고, 다른 위치에서 수신(캐치(catch))되기 때문에 피치-캐치(pitch catch) 배열이라 한다. 제2 수신 도파관(225b)은 송신 도파관(223)으로부터 간격(221a)보다 큰 분리 간격(221b)만큼 이격된다. 도 2f가 2개의 수신 도파관(225a, 225b)을 도시하지만, 시스템은 2개의 수신 도파관에 한정되지 않고, 하나의 수신 도파관 또는 2개보다 많은 수신 도파관을 포함할 수 있다. 예시적인 일 실시예에서, 바이스태틱 트랜시버(215)는 바이스태틱 트랜시버 조리개(aperture) 역할을 하도록 조밀하게 이격된 도파관의 제조를 허용하는 평면 광 회로(planar light circuit)와 같은 온-칩(on-chip) 도파관 기술에 의해 지원된다. 예시적인 일 실시예에서, 바이스태틱 트랜시버(215)는 캘리포니아 산호세의 NeoPhotonics^® Corporation에 의해 개발된 평면 광파 회로 기술을 특징으로 한다. 다른 예시적인 실시예에서, 바이스태틱 트랜시버(215)는 평면 광파 회로 기술의 표준 제조 공정에 대한 최소의 수정으로 맞춤 제작된다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 바이스태틱 트랜시버(215)는 오하이오 콜롬버스의 PLC Connections^®에 의해 제조된다.

일 실시예에서, 시스템(200'')에서 소스(212)는 반송파 즉 빔(201)을 송신 경로(222)를 통해 송신 도파관(223)을 따라 송신 도파관(223)의 끝단(217)으로 송신한다. 하나의 실시예에서, 시스템(200'')은 서큘레이터(226)를 제외하며, 유익하게는, 이는 시스템(200'')의 비용과 복잡성을 감소시킨다. 송신 도파관(223)의 끝단(217)을 빠져나온 반송파(201)는 시스템(200')에서와 같이 콜리메이션 광학 기기(229)에 의해 콜리메이트 타겟 빔(205')으로 만들어진다.

일 실시예에서, 스캐닝 광학 기기(218)는 복수의 미러 또는 패싯(245a, 245b)을 갖고, 회전축(243)을 중심으로 각속도(249)로 회전하도록 구성된 폴리곤 스캐너(polygon scanner)(244)이다. 하나의 예시적인 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244)는 일정한 속도로 회전 축(243)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 예시적인 일 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244)는 다음 특성들, 즉, Copal 회전 거울(turned mirror)을 갖는 Blackmore® Sensors에 의해 제조되는 것, 대략 2 인치이거나 범위가 대략 1 인치 내지 대략 3인치인 내접 직경(inscribed diameter)을 가지는 것, 각각의 미러가 대략 0.5 인치의 높이를 가지거나 그 범위가 대략 0.25 인치 내지 대략 0.75인치인 것, 전체 높이가 대략 2.5 인치이거나 대략 2 인치 내지 대략 3인치의 범위인 것, 인코더 폴-쌍 스위칭(encoder pole-pair switching)을 이용하여 3상 브러시리스 직류(Brushless Direct Current, BLDC) 모터에 의해 전력이 공급되는 것, 대략 1000 rpm(분당 회전수) 내지 대략 5000 rpm 범위의 회전 속도를 가지는 것, 대략 5:1의 감소비와, 콜리메이터(231)에 대한 거리가 대략 1.5 인치이거나 1 인치 내지 대략 2 인치 범위인 것 중 하나 이상을 가진다. 다른 실시예에서, 시스템(200'')의 스캐닝 광학 기기(218)는 폴리곤 스캐너(244)가 아닌 임의의 광학 기기이다.

일 실시예에서, 콜리메이트 타겟 빔(205')은 폴리곤 스캐너(244)가 각속도(249)로 회전함에 따라 폴리곤 패싯들(245) 중 하나로부터 스캔된 빔(205'')으로 반사되고 각도 범위(227)에 걸쳐 스캔된다. 하나의 실시예에서, 송신 도파관(223)과 수신 도파관(225)을 포함하는 바이스태틱 트랜시버(215)는 제1 평면(예를 들어, 도 2f의 평면)에 배열되고, 폴리곤 스캐너(244)는 동일한 제1 평면(또는, 제1 평면과 평행한 평면) 상의 각도 범위(227)에 걸쳐 빔(205'')의 방향을 조정한다. 다른 실시예에서, 제1 평면은 회전 축(243)에 직교한다. 이 설명의 목적으로, "평행한(parallel)"은 ±10도 이내를 의미하고, "직교하는(orthogonal)"은 90±10도 이내를 의미한다.

일 실시예에서, 빔(205'')은 소정의 거리에 위치된 타겟에 의해 후방 산란되고, 리턴 빔(291')은, 점선 윤곽으로 표시된 바와 같이 패싯들이 콜리메이션 광학 기기(229) 쪽으로 약간 움직인 후에 패싯들(245) 중 하나에 의해 반사된다. 콜리메이션 광학 기기(229)는 리턴 빔(291')을 무엇보다 이하에서 집합적으로 수신 도파관(225)으로 불리는 수신 도파관(225a, 225b)의 끝단(217)의 오프셋 위치 내로 포커싱한다. 회전하는 폴리곤에 의해 생성된 오프셋은 시스템(200'')의 신호대 잡음비(SNR)를 개선하기 위하여 송신 도파관과 수신 도파관 사이에 분리 간격을 두기 위하여 다양한 실시예에서 활용된다.

도 2f에 도시된 바와 같이, 폴리곤 스캐너(244)는 타겟에 대한 왕복 이동 시간 동안, 예를 들어, 빔(205'')이 패싯(245a)으로부터 타겟으로 반사되는 시간과 리턴 빔(291')이 패싯(245a)로부터 광학 기기(229)로 반사되는 시간 사이에, 제1 지향(orientation)(예를 들어, 실선)으로부터 제2 지향(예를 들어, 점선)으로 회전한다. 하나의 실시예에서, 이 시간들 사이의 패싯(245a)의 회전은 입사 빔(205')에 상대적인 각도(228)로 패싯(245a)에 의해 편향되는 리턴 빔(291')을 설명한다. 일 실시예에서, (예를 들어, 왕복 이동 시간에 기초한) 타겟 거리 및/또는 폴리곤 스캐너(244)의 회전 속도 및/또는 바이스태틱 트랜시버(214)에서의 리턴 빔(291')의 이미지(418)(도 4e)의 직경은 각도(228)를 결정하고, 이에 따라, 분리 간격(221a)은 리턴 빔(291')이 수신 도파관(225a)의 끝단에 포커싱되도록 송신 도파관(223)에 관한 수신 도파관(225a)을 배치하기 위해 선택된다. 일 실시예에서, 수학식 5는 분리 간격(221), 폴리곤 스캐너(244)의 회전 속도 및 타겟 거리 사이의 관계를 나타낸다:

[수학식 5]

여기에서, y는 분리 간격(221)이고, focal length는 콜리메이션 광학 기기(229)의 초점 길이(미터 단위)이고, rotation rate는 폴리곤 스캐너(244)의 회전 속도이고(초당 라디안 단위), c는 빛의 속도이고(초당 미터 단위)이고, range는 타겟 거리(미터 단위)이다.

일 실시예에서, 시스템(200'')의 하나 이상의 파라미터의 값은 리턴 빔(291')의 신호대 잡음비(SNR)를 최적화하기 위하여 시스템(200'')의 설계 단계 동안 선택된다. 하나의 실시예에서, 이러한 파라미터의 값은 SNR을 최적화하기 위한 각도 범위(227)에 걸친 타겟 설계 거리에 기초하여 선택된 폴리곤 스캐너(244)의 회전 속도의 값을 포함한다. 도 4g는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템(200'')에서의 다양한 스캔 레이트에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(404)은 데시벨(dB) 단위의 SNR이다. 제1 트레이스(440d)는 빔이 스캔되지 않은 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 나타낸다. 제2 트레이스(440b)는 느린 스캔 레이트(예를 들어, 대략 초당 2500도)로 빔이 스캔되는 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 나타낸다. 제3 트레이스(440c)는 최적 스캔 레이트(예를 들어, 대략 5500도/초)로 빔이 스캔되는 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 도시한다. 또한, SNR 임계값(442)(예를 들어, 대략 10dB)이 도시된다. 따라서, 시스템(200'')을 설계할 때, 사용자는 먼저 각도 범위에 걸친 타겟 설계 거리(예를 들어, 0m 내지 150m)를 결정한 후, 도 4g를 이용하여 어느 트레이스(440b, 440c, 440d)가 그 타겟 설계 거리에 걸쳐 SNR 임계값(442) 위로 SNR을 유지하는지를 빠르게 판단한다. 이 예시적인 실시예에서, 트레이스(440c)가 타겟 설계 거리(예를 들어, 0m 내지 150m)에 걸쳐 SNR 임계값(442) 위로 SNR을 유지하고, 따라서 사용자는 시스템(200'')을 설계하는데 있어서 트레이스(440c)와 연관된 최적 스캔 속도(예를 들어, 대략 5500도/초)를 선택한다. 따라서, 폴리곤 스캐너(244)는 이 최적 스캔 속도에 기초하여 고정된 회전 속도를 갖도록 설정된다. 따라서, 유익하게는, 트레이스들(440)은, 특히 폴리곤 스캐너(244)의 고정된 스캔 속도를 선택할 때, 사용자가 시스템(200'')을 설계하는 효율적인 방법을 제공한다. 일 실시예에서, 각각의 트레이스(440)는 시스템(200'')을 이용하여 각각의 트레이스(440)와 연관된 폴리곤 스캐너의 각각의 스캔 속도에서 리턴 빔(291')의 SNR을 측정하여 생성된다. 트레이스들(440)은 도 4g에 도시된 것에 한정되지 않고, 유사한 수단을 이용하여 생성되는 임의의 SNR 트레이스들을 포함한다.

다른 실시예에서, 시스템(200'')의 설계 단계 동안 선택되는 설계 파라미터의 값은 SNR을 최적화하기 위해 폴리곤 스캐너(244)의 스캔 속도와 각도 범위(227)에 걸친 타겟 설계 거리에 기초하여 선택된 분리 간격(221)의 값을 포함한다. 도 4k는, 일 실시예에 따라, 느린 고정된 스캔 속도(예를 들어, 4000도/초)에서 도 2e의 시스템(200'')에서의 다양한 분리 간격(221) 값에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(404)은 데시벨(dB) 단위의 SNR이다. 제1 트레이스(464a)는 4w_o의 분리 간격(221)에 대한 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 도시하며, w_o는 송신 도파관(223)의 직경이다. 제2 트레이스(464b)는 0의 분리 간격(221)(예를 들어, 0w_o)에 대한 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 나타낸다. 제1 트레이스(464a)와 제2 트레이스(464b) 사이의 각각의 트레이스(464)는 분리 간격(221) 값에서의 0.25w_o 감소를 나타낸다. 하나의 실시예에서, 트레이스(464c)가 타겟 설계 거리에 걸쳐 SNR 임계값(442)보다 큰 SNR 값을 갖기 때문에, 트레이스(464c)가 제1 설계 거리(예를 들어, 0m 내지 250m)에 대하여 선택된다. 트레이스(464c)와 연관된 분리 간격(221)은 0.25w_o이고, 따라서 분리 간격(221)은 타겟 설계 거리(예를 들어, 0m 내지 250m)와 느린 고정된 스캔 속도(예를 들어, 4000도/초)로 시스템(200'')을 설계할 때 0.25w_o로 설정된다. 도 4l은 느린 고정된 스캔 속도(예를 들어, 4000도/초)를 갖는 시스템(200'')에 대한 복수의 SNR 트레이스(466)를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)을 따른 특정의 설계 타겟 거리(예를 들어, 250m)에 대하여, SNR 트레이스들(466)은 트레이스(466)와 연관된 SNR 레벨을 유지할 수 있는 (수직 축(409)을 따른) 분리 간격(221)의 값을 전달한다. 예시적인 일 실시예에서, 250m의 설계 타겟 거리에 대하여, 트레이스(466a)는 18dB의 SNR이 다수의 값(예를 들어, 대략 0.25w_o 및 대략 2.75w_o)의 분리 간격(221)에서 유지될 수 있고, 따라서, 시스템(200'')을 설계할 때 사용자에게 상이한 선택 사항들을 제공한다는 것을 나타낸다. 도 4k에 더하여, 트레이스들(466)은 알려진 설계 타겟 거리 및 고정된 스캔 속도에 기초하여 시스템(200'')을 설계할 때 사용자에게 빠른 룩업(look up) 수단을 제공한다. 일 실시예에서, 도 4k의 트레이스(464)와 같이, 트레이스들(464)은 시스템(200'')을 이용하여 다수의 타겟 거리 값에 걸친 다수의 분리 간격(221) 값에서 리턴 빔(291')의 SNR을 측정함으로써 생성된다. 추가적으로, 트레이스들(466)은 도 4l에 도시된 것에 한정되지 않고; 다른 설비 파라미터를 이용하여 시뮬레이션되거나 측정될 수 있다.

도 4m은 도 4k와 유사하지만 빠른 고정된 스캔 속도(예를 들어, 12000도/초)에 대한 그래프를 도시한다. 제1 트레이스(465a)는 제1 트레이스(464a)와 유사하고, 4w_o의 분리 간격(221)에 대한 것이다. 제2 트레이스(465b)는 제1 트레이스(464b)와 유사하고, 0의 분리 간격(221)(예를 들어, 0w_o)에 대한 것이다. 동일한 타겟 설계 거리(예를 들어, 0m 내지 250m)를 이용하면, 트레이스(465c)가 타겟 설계 거리에 걸쳐 SNR 임계값(442)보다 큰 SNR 값을 갖기 때문에, 트레이스(465c)가 선택된다. 트레이스(465c)와 연관된 분리 간격(221)은 2.75w_o이고, 따라서, 폴리곤 스캐너(244)가 높은 고정된 스캔 속도(예를 들어, 12000도/초)로 작동되면, 시스템(200'')에서의 분리 간격(221)은 2.75w_o로 설정된다. 따라서, 시스템(200'')을 설계할 때, 사용자는 먼저 각도 범위에 걸쳐 타겟 설계 거리(예를 들어, 0m 내지 250m)를 결정한 후, 트레이스들(465) 중 어느 것이 폴리곤 스캐너(244)의 고정된 스캔 속도 및 타겟 설계 거리에 걸쳐 SNR 임계값(442)보다 큰 SNR을 유지하는지 빠르게 판단하기 위하여 도 4m을 사용할 수 있다. 트레이스는 송신 도파관(223)과 수신 도파관(225) 사이의 요구되는 분리 간격(221)을 제공하도록 하드웨어를 설계하는데 사용될 수 있다.

도 4n는 빠른 고정된 스캔 속도(예를 들어, 12000도/초)를 갖는 시스템(200'')에 대한 복수의 SNR 트레이스들(467)을 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)을 따른 특정의 설계 타겟 거리(예를 들어, 100m)에 대하여, SNR 트레이스(467)는 트레이스(467)와 연관된 SNR 레벨을 유지할 수 있는 (수직 축(409)을 따른) 분리 간격(221)의 값을 전달한다. 예시적인 일 실시예에서, 100m의 설계 타겟 거리에 대하여, 트레이스(467a)는 28dB의 SNR이 다수의 값(예를 들어, 대략 0.75w_o 및 대략 2.25w_o)의 분리 간격(221)에서 유지될 수 있다는 것을 나타낸다. 도 4m에 더하여, 트레이스들(467)은 알려진 설계 타겟 거리 및 고정된 스캔 속도에 기초하여 시스템(200'')을 설계할 때 사용자에게 빠른 룩업 수단을 제공한다. 일 실시예에서, 도 4m의 트레이스들(465)과 같이, 트레이스들(467)은 시스템(200'')을 이용하여 다수의 타겟 거리 값에 걸친 다수의 분리 간격(221) 값에서 리턴 빔(291')의 SNR을 측정함으로써 생성된다. 추가적으로, 트레이스들(466)은 도 4n에 도시된 것에 한정되지 않는다.

도 4o는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 최소 임계 SNR을 갖는 다양한 타겟 거리 값에 대한 분리 간격 대 스캔 속도의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(403)은 초당 킬로도(kilodegrees per second) 단위의 스캔 속도이다. 수직 축(409)은 w_o(예를 들어, 광 섬유 모드 반경(fiber mode radius)) 단위의 분리 간격이다. 수평 축(403)을 따른 특정의 스캔 속도에서, 트레이스들(469)은 트레이스들(469)과 연관된 설계 타겟 거리 값에 걸쳐 SNR 임계값(442)(예를 들어, 10 dB)을 유지하기 위한 분리 간격(221)의 값을 제공한다. 예시적인 일 실시예에서, 12000도/초의 스캔 속도에 대하여, 트레이스(469a)는 250m의 설계 타겟 거리에 대하여 SNR 임계값(442)을 유지하기 위한 대략 2.75w_o의 분리 간격(221) 값을 나타낸다. 이것은 도 4m의 트레이스(465c)의 예시적인 실시예와 부합한다. 추가적으로, 예시적인 일 실시예에서, 4000도/초의 스캔 속도에 대하여, 트레이스(469a)는 250m의 설계 타겟 거리에 대하여 SNR 임계값(442)을 유지하기 위한 대략 0.25w_o의 분리 간격(221) 값을 나타낸다. 이것은 도 4k의 트레이스(464c)의 예시적인 실시예와 부합한다. 따라서, 도 4o는 시스템(200'')의 설계 및 제조 동안 유용한 추가의 유익한 룩업 그래프를 제공한다.

일 실시예에서, 수신 도파관(225a)은 송신 도파관(223)의 직경(w_o)의 대략 2 내지 5배인 분리 간격(221a)을 가지며, 더 먼 (예를 들어, 대략 50m보다 큰) 거리에 위치된 타겟으로부터 리턴 빔들(291')을 수신하는데 사용된다. 더 먼 거리에 위치된 타겟에 대하여, 왕복 이동 시간은 더 길고, 패싯(245a)은 도 2f에 도시된 것보다 더 큰 정도로 회전하고, 따라서, 리턴 빔(291')은 콜리메이션 광학 기기(229)로 더 큰 각도만큼 편향된다. 그러나, 더 먼 거리에 위치된 타겟에 대하여, 이미지(418)가 수신 도파관(225a)으로 적절한 분리 간격(221a)만큼 이동되는 것을 보장하기 위하여, 바이스태틱 트랜시버(215) 상의 리턴 빔(291')의 이미지(418)(도 4e)의 직경은 더 작고, 이에 따라 분리 간격(221a)은 더 작은 크기 및 범위(예를 들어, 증가된 정밀도)를 갖는다. 하나의 실시예에서, 분리 간격(221)은 (예를 들어, 1보다 작은) 이미지(418)의 직경의 비에 기초한다.

일 실시예에서, 수신 도파관(225b)은 송신 도파관(223)의 직경(w_o)의 대략 5 내지 10배인 분리 간격(221b)을 가지며, 더 작은 (예를 들어, 대략 50m보다 작은) 거리에 위치된 타겟으로부터 리턴 빔들(291')을 수신하는데 사용된다. 더 작은 거리에 위치된 타겟에 대하여, 왕복 이동 시간은 더 짧고, 패싯(245a)은 도 2f에 도시된 것보다 더 적은 정도로 회전하고, 따라서, 리턴 빔(291')은 콜리메이션 광학 기기(229)로 더 적은 각도만큼 편향된다. 그러나, 더 작은 거리에 위치된 타겟에 대하여, 수신 도파관(225b)에서 최소 SNR을 성취하기 위하여 더 큰 이미지(418)가 특정 양만큼 이동되는지 여부에 대한 더 넓은 허용 범위가 있기 때문에, 바이스태틱 트랜시버(215)에서의 리턴 빔(291')의 이미지(418)(도 4e)의 직경은 더 크고 이에 따라 분리 간격(221a)은 더 큰 크기 및 범위(예를 들어, 감소된 정밀도)를 갖는다.

따라서, 일 실시예에서, 수신 도파관(225a, 225b)은 빔(205'')이 고정된 회전 속도로 각도 범위(227)에 걸쳐 스캔됨에 따라 상이한 거리에 있는 타겟으로부터 리턴 빔들(291')을 수신하는데 사용될 수 있다. 예시적인 일 실시예에서, 도파관(225a)은 각도 범위(227)의 제1 부분에 걸쳐 더 긴 거리에 위치된 타겟으로부터 리턴 빔들(291')을 수신하고, 도파관(225b)은 각도 범위(227)의 제2 부분에 걸쳐 더 짧은 거리에 위치된 타겟으로부터 리턴 빔들(291')을 수신한다. 그러나, 다른 실시예에서, 빔(205'')이 (예를 들어, 대략 0m 내지 대략 250m의) 각도 범위(227)에 걸쳐 스캔됨에 따라, 단지 하나의 수신 도파관(225a 또는 225b)을 사용하여 하나의 타겟 거리의 값 이내 또는 일정한 타겟 거리의 값의 범위 이내의 타겟으로부터 리턴 빔들(291')을 수신한다.

일 실시예에서, 리턴이 송신된 빔과 동일한 경로에 있지 않기 때문에, 시스템(200'')은 서큘레이터(226)를 제외하고; 따라서, 수신 도파관(225a)은 오프셋된 수신 경로(224)를 따라 제공되어 광 믹서(284)에 연결된다. 기준 빔(207b)이 광 믹서(284)에서 수신 도파관(225a)으로부터의 리턴 빔(291')과 결합되도록, 기준 빔(207b)은 LO 경로(220)를 따라 도파관 내에서 송신된다. 다수의 상이한 거리에 대하여 튜닝되는 다수의 수신 도파관(225a, 225b)이 제공되는 일 실시예에서, 수신 도파관(225b)이 수신 경로(224)를 따라 제공되고 각각의 기준 빔(20b)이 수신 도파관(225b)으로부터의 리턴 빔(291')과 결합되는 각각의 광 믹서(284)에 연결되도록, 유사한 배열이 수신 도파관(225b)에 제공된다. 바이스태틱 트랜시버(215) 내에 하나의 수신 도파관(225a)이 있는 하나의 실시예에서, 단지 하나의 처리 채널(예를 들어, LO 경로를 따른 하나의 수신 도파관, 하나의 광 믹서, 하나의 도파관)이 제공된다. 다수의 수신 도파관(225a, 225b)가 제공되는 다른 실시예에서, 다수의 처리 채널이 제공된다. 따라서, 시스템(200'')은 수신 도파관(225)의 개수와 동일한 개수의 처리 채널을 포함한다.

일 실시예에서, 리턴 빔들(291')이 중첩하지 않는 기간에 순차적으로 수신 도파관(225a, 225b)으로부터 수신되기 때문에, 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)은 수신 도파관(225)으로부터 리턴 빔(291')을 순차적인 기간에 따라 처리(예를 들어, 제1 기간 동안 수신 도파관(225a)으로부터의 리턴 빔(291')을 처리하고, 제2 기간 동안 수신 도파관(225b)으로부터의 리턴 빔(291')을 처리)하도록 구성된다.

4. 코히런트 LIDAR 시스템 파라미터

일 실시예에서, 시스템(200')의 모노스태틱 코히런트 LIDAR 성능은 이른바 "링크 버짓(link budget)"에 시스템 파라미터를 포함함으로써 모델링된다. 링크 버짓은 다양한 시스템 및 타겟 파라미터에 대하여 신호대 잡음비(SNR)의 예상 값을 추정한다. 하나의 실시예에서, 시스템 측에서, 링크 버짓은 출력 광 파워, 누적 시간, 검출기 특성, 도파관 연결에서의 삽입 손실, 이미징된 스폿(imaged spot)과 모노스태틱 수집 도파관(monostatic collection waveguide) 사이의 모드 중첩 및 광 트랜시버 특성 중에서 하나 이상을 포함한다. 다른 실시예에서, 타겟 측에서, 링크 버짓은 대기(atmospheric) 특성, 타겟 반사도(reflectivity) 및 타겟 거리 중에서 하나 이상을 포함한다.

도 4a는, 일 실시예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템(200')에서 리턴된 빔(291)에 대한 예시적인 신호대 잡음비(SNR) 대 타겟 거리를 도시하는 그래프이다. 다른 실시예에서, 도 4a는 도 2a의 시스템(200)에서의 리턴 빔(291)에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시한다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이다. 수직 축(404)은 데시벨(dB) 단위의 SNR이다. 트레이스(410)는 니어 필드(near field)(406)와 파 필드(far field)로 분할된 SNR 대 거리의 값을 도시하며, 상대적으로 평탄한 기울기를 갖는 트레이스(410)의 니어 필드(406)로부터 음의 기울기(예를 들어, 대략 10m 당 -20dB)를 갖는 트레이스(410)의 파 필드(408)로 천이된다. 리턴 빔(291)이 통과하는 산란하는 대기가 타겟까지의 거리의 제곱에 따라 증가하고, 리턴 빔(291)을 수집하기 위한 광 도파관 끝단(217)의 표면적이 고정되기 때문에, 파 필드(408)에서의 SNR 감소는 "r 제곱(r-square)" 손실에 의해 지배된다. 도 4b는, 일 실시예에 따라, 파 필드(408)에서의 SNR 트레이스(410)의 형상을 만드는 l/r 제곱 손실을 나타내는 트레이스(411)의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 거리이고, 수직 축(407)은 단위가 없는 파워 손실이다.

니어 필드(406)에서, SNR의 1차 동인(driver)은 콜리메이션 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에 포커싱되기 전의 콜리메이트된 리턴 빔(291)의 직경이다. 도 4c는, 일 실시예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템(200')에서 리턴 빔(291)에 대한 콜리메이트된 빔 직경 대 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(405)은 미터(m) 단위의 리턴 빔(291)의 직경이다. 일 실시예에서, 트레이스(414)는 리턴 빔(291)이 광 도파관의 끝단(217)에 포커싱되기 이전에 콜리메이션 광학 기기(229)에 입사하는 콜리메이트된 리턴 빔(291)의 직경을 나타낸다. 트레이스(414)는 콜리메이션 광학 기기(229)에 입사하는 콜리메이트된 리턴 빔(291)의 직경이 증가하는 타겟 거리에 따라 증가한다는 것을 나타낸다.

일 실시예에서, 니어 필드(406)에서, 콜리메이트된 리턴 빔(291)의 직경이 더 큰 타겟 거리에서 증가함에 따라, 콜리메이션 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291)의 직경은 줄어든다. 도 4d는, 일 실시예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템에서 송신된 신호에 대한 끝단(217)에서의 리턴 빔(291)의 수집 효율과 연관된 SNR 대 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(404)은 데시벨(dB) 단위의 SNR이다. 트레이스(416)는 타겟 거리에 기초하여 콜리메이션 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에서 포커싱된 리턴 빔(291)의 니어 필드 SNR을 나타낸다. 니어 필드(406) 내의 가까운 거리에서, 콜리메이션 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(418a)는 단일 모드 광 섬유 끝단(217)의 코어 크기보다 충분히 더 크다. 따라서, 수집 효율과 연관된 SNR은 상대적으로 낮다. 니어 필드(406) 내의 더 긴 거리에서, 콜리메이션 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(418b)는 이미지(418a)보다 훨씬 작고, 따라서 수집 효율에 기인하는 SNR은 더 긴 거리에서 증가한다. 일 실시예에서, 트레이스(416)는 니어 필드(406)의 SNR이 더 긴 거리에서 포커싱된 리턴 빔(291)의 개선된 수집 효율에 기초하여 양의 기울기(예를 들어, 10미터 당 +20dB)를 가지는 것을 보여준다. 하나의 실시예에서, 니어 필드 SNR에서의 이러한 양의 기울기는 "r-제곱" 손실에 기인하는 도 4b에서 논의된 니어 필드 SNR에서의 음의 기울기를 상쇄시키며, 따라서 니어 필드(406)에서의 트레이스(410)의 상대적으로 평탄한 영역으로 이어진다. 도 4d의 SNR 트레이스(416)에서의 양의 기울기는 파 필드(408)까지 연장되지 않고, 따라서 파 필드(408)에서의 SNR 트레이스(410)에 도시된 바와 같이 도 4b의 "r-제곱" 손실이 파 필드(408) SNR을 지배한다.

도 4a 내지 4d와 관련한 논의가 타겟 거리의 함수로서 리턴 빔(291)의 SNR을 예상하지만, 도 4a 내지 4d에서 예상되는 SNR은 모노스태틱 코히런트 LIDAR 시스템(200')이고, 도 2e에 도시된 리턴 빔의 오프셋 또는 스캐닝 광학 기기(218)의 스캔 레이트(scan rate)를 고려하지 않기 때문에, 스캔된 모노스태틱 코히런트 LIDAR 시스템(200')의 성능을 완전히 특징화하지 않는다. 이하 도 4e 내지 4g는 빔(205'')이 0보다 큰 스캔 레이트로 스캔되는 바이스태틱 코히런트 LIDAR 시스템(200'')과 연계하여 논의된다. 일 실시예에서, 리턴 빔(291')의 왕복 이동 지연(round trip delay)으로 인하여, 빔이 스캐닝 광학 기기(218)(예를 들어, 폴리곤 스캐너(244))에 의해 스캔되고 있을 때, 리턴 빔(291')의 수신 모드는 송신된 빔(205')의 송신 도파관으로부터 좌우로 시프트하거나 "이탈(walk off)"할 것이다. 일 실시예에서, 리턴 빔(291')은 송신된 빔(205')에 상대적인 각도(228)로 편향되고, 좌우 시프트 또는 "이탈"이 분리 간격(221a)에 대응하거나 분리 간격(221a)의 임계값 내에 있다면, 콜리메이션 광학 기기(229)는 수신 도파관(225a)의 끝단(217)으로 리턴 빔(291')을 포커싱한다. 일 실시예에서, 임계값은 수신 도파관(225a)의 끝단(217)에서의 리턴 빔(291')의 이미지의 직경의 최대 비(예를 들어, 1보다 작은 비)이다. 하나의 실시예에서, 유익하게는, 이탈은 송신 도파관(225a)과 리턴 빔(291')의 이미지(418)의 중첩이 최적 수집 효율로 이어지게 하는 것이며, 예를 들어, 이탈은 이미지(418)의 중심이 수신 도파관(225)의 끝단(217)의 ±10% 내에 있게 하는 것이다.

도 4e는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템(200'')에서의 다양한 타겟 거리 및 스캔 속도에 대한 빔 이탈의 일례를 도시하는 이미지이다. 수평 축(402)은 타겟 거리이고, 수직 축(422)은 스캐닝 광학 기기(218)를 이용한 빔의 스캔 속도이다. 도 4e가 도시하는 바와 같이, 포커싱된 리턴 빔(291')의 이미지(418a)가 송신 도파관(223)의 끝단(217)에 집중되어 짧은 타겟 거리에서 빔 이탈이 없다는 것을 나타내고, 포커싱된 리턴 빔(291')의 이미지(418b)도 송신 도파관(223)의 끝단(217)에 집중되어 먼 타겟 거리에서 빔 이탈이 없다는 것을 나타내기 때문에, 빔이 스캔되지 않을 때(하부 행)에는 빔 이탈은 없다. 일 실시예에서, 빔(291')이 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 또는 그 근처에 집중되지 않고 그리고/또는 빔 이탈이 거의 없거나 전혀 없기 때문에, 빔 이탈이 송신 도파관(223)과 수신 도파관(225) 사이의 분리 간격(221)의 임계값 내에 있지 않다. 결과적으로, 이것은 바이스태틱 트랜시버 시스템(200'')에 대한 최적 배열이 아니다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 이미지(418a)의 직경은 분리 간격(221)보다 크고, 따라서 리턴 빔(291')의 이미지(418a)는 수신 도파관(225)의 끝단(217)과 부분적으로 중첩한다. 결과적으로, 리턴 빔(291')의 일부 부분이 더 짧은 타겟 거리에서 수신 도파관(225)의 끝단(217)에서 수신되고, 따라서 빔(205'')이 스캔되지 않을 때에도, 신호대 잡음비(SNR)는 0보다 더 크다. 추가적으로, 도 4e에 도시된 바와 같이, 이미지(418b)의 직경은 분리 간격(221)보다 작거나 이와 대략 동일하고, 따라서, 리턴 빔(291')의 이미지(418b)의 직경은 더 긴 타겟 거리에 대하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)과 중첩하지 않을 수 있다. 그 결과, 빔(205'')이 스캔되지 않을 때, 리턴 빔(291')은 더 긴 타겟 거리에서 수신 도파관(225)의 끝단에서 거의 또는 전혀 수신되지 않는다.

빔(205'')이 중간 스캔 속도로 스캔될 때(도 4e의 중간 행), 포커싱된 리턴 빔(291')의 이미지(418a)와 송신 도파관(223)의 끝단(217) 사이에서 짧은 거리에 대한 중간 빔 이탈(4l9a)이 관찰되고, 포커싱된 리턴 빔(291')의 이미지(218b)와 송신 도파관(223)의 끝단(217) 사이에서 먼 타겟 거리에 대한 더 큰 빔 이탈(419b)이 관찰된다. 더 긴 타겟 거리에 대한 빔 이탈(419b)이 더 짧은 타겟 거리에 대한 빔 이탈(419a)보다 더 크다 하더라도, 리턴 빔(291')은 수신 도파관(225)에서의 이미지(418a)의 훨씬 더 큰 직경으로 인하여 더 짧은 타겟 거리에서 더 높은 SNR을 가진다. 이탈(419b)이 이미지(418b)의 직경의 비보다 작기 때문에, 이것은 먼 타겟 거리에 대한 바이스태틱 트랜시버 시스템(200'')을 위한 최적 배열이 아니다. 그러나, 일부 실시예에서, 더 짧은 타겟 거리에 대한 이미지(418a)의 증가된 직경이 작은 이탈(419a)에도 불구하고 SNR 임계값보다 더 큰 리턴 빔(291')의 SNR을 제공할 수 있기 때문에, 폴리곤 스캐너(244)가 중간 스캔 속도로 회전하고 있을 때 수신 도파관(225a)이 더 짧은 타겟 거리 내의 리턴 빔(291')을 수신하게 되도록 간격(221)은 이탈(419a)에 기초하여 선택된다.

빔(205'')이 높은 스캔 속도로 스캔될 때(도 4e의 상부 행), 중간 스캔 속도에서의 빔 이탈(4l9a)을 초과하는 빔 이탈(421a)이 짧은 거리에서 관찰되고, 중간 스캔 속도에서의 빔 이탈(4l9b)을 초과하는 빔 이탈(421b)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(418a, 4l8b)가 송신 도파관(223)의 끝단(217)으로부터 멀리 이동한다. 따라서, 모드 중첩의 모델이 이 이탈을 적절하게 설명한다. 하나의 실시예에서, 이러한 모델은 이미지(418)의 직경에 기초하여 빔 이탈(419, 421)을 (예를 들어, 이미지(418)의 직경의 절반보다 크지 않게) 제한하여야 하고, 따라서, 더 짧은 타겟 거리에 있는 타겟(418a)에 대하여, 빔 이탈(419, 421)의 허용 가능한 범위에 대한 더 넓은 허용 범위가 있다. 하나의 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244)가 고정된 최적 스캔 속도로 설정될 수 있도록 그리고 더 짧은 거리의 타겟으로부터 리턴된 빔(291')이 수신 도파관(225b)으로 편향되고 더 긴 거리의 타겟으로부터 리턴된 빔(291')이 수신 도파관(225a)으로 편향되도록, 간격(221b)은 빔 이탈(421a)에 기초하여 조정되고 간격(221a)은 빔 이탈(421b)에 기초하여 조정된다. 이 예시적인 실시예에서, 빔 이탈(421a)은 간격(221a)의 임계값 내에 있고, 빔 이탈(421b)은 간격(221b)의 임계값 내에 있다.

도 4f는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템(200'')에서 다양한 스캔 레이트에 대한 커플링 효율 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(430)은 단위가 없는 커플링 효율이다. 일 실시예에서, 커플링 효율은 분리 간격(221)과 빔 이탈(419, 421) 및/또는 이미지(418)의 직경 사이의 차이에 반비례한다(예를 들어, 더 큰 직경에 대하여, 분리 간격(221)과 빔 이탈(419, 421) 사이의 차이에 더 넓은 허용 범위가 있고, 더 작은 직경에 대하여, 차이에 더 좁은 허용 범위가 있다).제1 트레이스(432a)는 빔(205')의 스캐닝이 없는 것에 기초하여 다양한 타겟 거리에 대하여 모노스태틱 시스템(200')에서의 광 섬유 끝단(217)으로 포커싱된 리턴 빔(291)의 커플링 효율을 나타낸다. 커플링 효율은 넓은 범위의 타겟 거리에 대하여 상대적으로 높고 일정하게 유지된다. 제2 트레이스(432c)는 빔의 중간 스캔 레이트에 기초하여 다양한 타겟 거리에 대하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)으로 포커싱된 리턴 빔(291')의 커플링 효율을 나타낸다. 일 실시예에서, 중간 스캔 레이트에서의 커플링 효율은 긴 타겟 거리(예를 들어, 대략 450m)에서 피크에 도달한 다음, 이러한 긴 타겟 거리보다 길고 짧은 타겟 거리에 대하여 감소한다. 제3 트레이스(432b)는 빔의 높은 스캔 레이트에 기초하여 다양한 타겟 거리에 대하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)으로 포커싱된 리턴 빔(291')의 커플링 효율을 나타낸다. 일 실시예에서, 높은 스캔 레이트의 커플링 효율은 중간 타겟 거리(예를 들어, 대략 180m)에서 피크에 도달한 다음, 타겟 거리가 증가함에 따라 감소한다. 제4 트레이스(432d)는 빔의 스캐닝이 없는 것에 기초하여 다양한 타겟 거리에 대하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)으로 포커싱된 리턴 빔(291')의 커플링 효율을 나타낸다. 빔의 스캐닝이 없는 것이 송신 도파관(223)에 중심을 둔 리턴 빔(291')을 제공하기 때문에(도 4e의 하부 행), 커플링 효율은 타겟 거리 전체에 걸쳐 대략 0이다. 결과적으로, 빔(205'')의 스캐닝이 없는 것은 바이스태틱 LIDAR 시스템(200'')에 대한 유익한 동작 모드가 아니다.

도 4f에서의 트레이스들에 기초하여, 스캐닝이 없으면 수신 도파관(225) 내로의 커플링 효율이 거의 발생하지 않거나 전혀 발생하지 않으며, 따라서 바이스태틱 LIDAR 시스템(200'')에 대하여 최적이 아니다. 또한, 너무 느리게 스캔하면, 넓은 타겟 거리(예를 들어, <300m) 내에서 볼 수 없다. 이 경우에, 포커싱된 리턴 빔(291')의 이미지(418b)의 빔 이탈(419b)이 매우 긴 타겟 거리(예를 들어, 300m 이상)에서 분리 간격(221)에 접근할 뿐이다. 결과적으로, 이는, 적어도 이러한 매우 긴 거리보다 짧은 거리(예를 들어, 거리<300m인 타겟)를 갖는 타겟에 대하여 리턴 빔(291') 데이터를 캡처하기 위하여, 느린 스캔 속도로 바이스태틱 LIDAR 시스템(200'')을 작동시키는 것은 최적이 아니다. 또한, 도 4f는 최적 속도의 스캐닝(예를 들어, 트레이스(432b))으로 넓은 타겟 거리(예를 들어, 대략 100 내지 대략 300m) 내에 위치된 타겟을 볼 수 있다는 것을 도시한다. 이것은 빔 이탈(421b)이 분리 간격(221)의 임계값 내에 있는 것에 기초한다. 예시적인 일 실시예에서, 중간 스캔 속도는 대략 1000도/초 내지 대략 2000도/초의 범위에 있고, 최적 스캔 속도는 대략 4000도/초 내지 대략 7000도/초의 범위에 있다.

도 4g는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템(200'')에서의 다양한 스캔 레이트에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(404)은 데시벨(dB) 단위의 SNR이다. 제1 트레이스(440d)는 빔이 스캔되지 않은 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 나타낸다. 빔이 스캔되지 않을 때 빔 이탈이 없다 하더라도, 포커싱된 리턴 빔(291')의 이미지(418a)는 수신 도파관(225)의 끝단(217)과 부분적으로 중첩하고(도 4e의 하부 행), 따라서 SNR은 0보다 더 크며, 이미지(418a)의 직경이 상대적으로 크기 때문에 SNR 임계값보다 더 클 수 있다. 추가적으로, 긴 타겟 거리에 대하여 빔이 스캔되지 않을 때(도 4e의 하부 행), 포커싱된 리턴 빔(291')의 이미지(418b)의 직경은 더 짧은 타겟 거리에서보다 훨씬 더 작고, 수신 도파관(225)의 끝단(217)과 중첩할 수 없다. 따라서, 일부 타겟 거리(예를 들어, 90m)를 넘어서면, 트레이스(440d)의 SNR은 0에 접근한다.

제2 트레이스(440b)는 느린 스캔 레이트(예를 들어, 대략 초당 2500도)로 빔이 스캔되는 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 나타낸다. 예시적인 일 실시예에서, 느린 스캔 레이트는 대략 2500도/초(초당 도)이거나, 대략 1000도/초 내지 대략 4000도/초의 범위 내에 또는 대략 500도/초 내지 대략 5000도/초의 범위 내에 있다. 제3 트레이스(440c)는 최적 스캔 레이트(예를 들어, 대략 5500도/초)로 빔이 스캔되는 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 나타낸다. 예시적인 일 실시예에서, 최적 스캔 레이트는 대략 5500도/초이거나, 대략 4000도/초 내지 대략 7000도/초의 범위 내에 또는 대략 3000도/초 내지 대략 8000도/초의 범위 내에 있다. 일 실시예에서, 느린 스캔 레이트 및 최적 스캔 레이트는 빔 크기 및/또는 분리 간격(221) 및/또는 시스템(200'')의 목표를 포함하는 시스템(200'')의 하나 이상의 파라미터에 기초한다. 예시적인 일 실시예에서, 상술한 느린 스캔 레이트 및 최적 스캔 레이트의 수치 범위는 대략 400 미터(m)의 최대 타겟 거리까지 이미지를 스캔하는데 사용되는 대략 1 센티미터(cm)의 직경을 갖는 콜리메이트된 빔에 기초한다.

궁극적으로, 빔 이탈(419, 421)과 분리 간격(221) 사이의 차이는 코히런트 바이스태틱 LIDAR 시스템(200'')에서의 SNR의 중요한 억제자(inhibitor)이고, 그리고/또는 특정 타겟 거리에 대한 이미지(418)의 직경은 임계 SNR을 성취하기 위한 이 차이의 허용 오차 또는 정밀도를 나타낸다. 일 실시예에서, 바이스태틱 시스템(200'')에서의 빔의 스캔 레이트는 각도 범위 및 결과적인 타겟 거리에 걸쳐 고정된 스캔 레이트(예를 들어, 폴리곤 스캐너(244)의 각속도(249)의 고정된 속도)로 설정되고, 고정된 스캔 레이트는 고정된 스캔 레이트의 연관된 SNR이 타겟 거리에 걸쳐 SNR 임계값보다 크도록 선택된다. 종래의 코히런트 LIDAR 시스템에서, 이것은 상대적으로 낮은 고정된 스캔 레이트가 스캔 궤적(460)에 걸쳐 빔을 스캔하는데 사용되게 하고, 이는 도 4h에 도시된 바와 같이 인접한 스캔 사이에 큰 갭(462)을 초래한다. 스캔 속도 한계는 빔 궤적(460)을 따른 조밀한 샘플링으로 이어진다. 빔이 적정하게 큰 시야(예를 들어, 어느 차원으로든 수 십도)에 걸쳐 스캔될 때, 빔 궤적은 각도 커버리지에서 큰 갭(462)을 남긴다. 이것은 큰 갭(462) 내에 위치된 타겟이 검출되지 않기 때문에 이상적이지 않다. 직사각형 샘플링(rectangular sampling)의 "정사각형 그리드(square grid)"는 성취되지 않는다. 대신에, 스캔 궤적(460)을 따르는 샘플링과 10:1보다 클 수 있는 궤적(460) 사이의 갭(462) 사이에 비대칭이 관찰된다. 이 문제를 염두에 두고, 고정된 빔 스캔 속도를 최대화하는 것과 이 개념에 대한 효율적인 하드웨어 해결 방안(예를 들어, 폴리곤 스캐너(244))을 생성하는 것 중 하나 이상을 포함하는 여러 가지 상호 보완적인 해결 방안이 여기에 제시된다.

빔의 스캔 레이트에 더하여, 리턴 빔(291')의 SNR은 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)이 리턴 빔(291')을 샘플링하여 처리하는 누적 시간에 의해 영향을 받는다. 일부 실시예에서, 빔은 이산 각도들(discrete angles) 사이에 스캔되고, 각각의 이산 각도에서의 각각의 누적 시간에 대한 각도 범위(227) 내의 이산 각도들에서 고정된 상태로 또는 거의 고정된 상태로 유지된다. 다른 실시예에서, 빔은 각도 범위(227) 전체에 걸쳐 고정된 스캔 레이트로 (예를 들어, 폴리곤 스캐너(244)를 이용하여) 스캔된다. 리턴 빔(291')의 SNR은 누적 시간 및/또는 타겟 거리 및/또는 스캔 레이트 및/또는 분리 간격(221)에 의해 영향을 받는다. 앞서 논의된 바와 같이, 빔의 단면적은 타겟 거리에 따라 증가하여, 증가된 대기 산란을 초래하고, 따라서 리턴 빔(291')의 강도는 거리 증가에 따라 감소한다. 따라서, 더 긴 타겟 거리로부터의 리턴 빔(291')에 대하여 동일한 SNR을 성취하기 위하여 더 긴 누적 시간이 필요하다.

도 4i는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템(200'')에서의 다양한 누적 시간에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(404)은 데시벨(dB) 단위의 SNR이다. 제1 트레이스(450a)는 타겟 거리에 걸친 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내며, 여기서 시스템(200'')은 제1 누적 시간(예를 들어, 3.2㎲)으로 설정된다. 제2 트레이스(450b)는 타겟 거리에 걸친 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내며, 여기서 시스템(200'')은 제2 누적 시간(예를 들어, 1.6㎲)으로 설정된다. 제3 트레이스(450c)는 타겟 거리에 걸친 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내며, 여기서 시스템(200'')은 제3 누적 시간(예를 들어, 800ns)으로 설정된다. 제4 트레이스(450d)는 타겟 거리에 걸친 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내며, 여기서 시스템(200'')은 제4 누적 시간(예를 들어, 400ns)으로 설정된다. 트레이스들(450)은 고정된 타겟 거리에 대하여 누적 시간 증가에 따라 SNR이 증가된다는 것을 보여준다. 또한, 트레이스들(450)은 고정된 누적 시간에 대하여 리턴 빔(291')의 SNR이 이전에 논의된 이유로 증가된 거리에 따라 감소한다는 것을 보여준다. 일 실시예에서, 고정된 누적 시간과 연관된 SNR이 타겟 거리에 걸쳐 SNR 임계값(452)을 초과하도록, 고정된 누적 시간(예를 들어, 1.6㎲)이 각도 범위(227) 및 결과적인 목표 범위에서의 스캐닝을 위하여 선택된다.

다른 실시예는 각각의 각도에서의 타겟 거리를 이용하여 각도 범위(227) 내의 각각의 각도에서 누적 시간을 최소화하여, 각도 범위(227)에 걸쳐 누적 시간을 최소화하는 것을 포함한다. 도 4j는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템(200'')에서의 측정 레이트(measurement rate) 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(474)은 초당 허용 가능한 백만 단위의 측정에 대한 단위 시간당 허용 가능한 측정 횟수이다. 트레이스(476)는 각각의 타겟 거리에서의 초당 허용 가능한 측정 횟수를 나타낸다. 일 실시예에서, 트레이스(476)는 누적 시간의 역수, 예를 들어, 초당 각각의 타겟 거리에서 검출될 수 있는 리턴 빔(291')의 개수를 나타내며, 누적 시간은 각각의 타겟 거리에서 리턴 빔(291')을 처리하는데 얼마나 걸리는지를 나타낸다. 또한, 트레이스(478)가 제공되고, 이는 각각의 타겟 거리에서의 초당 허용 가능한 측정 횟수의 좋은 목표이다. 트레이스(478)는 주어진 ADC(analog to digital converter) 레이트에 대한 2의 거듭제곱 간격에 기초한다. 트레이스(478)는, 디지털화된 샘플의 개수가 2의 거듭제곱일 때 이러한 길이 신호에 대한 고속 푸리에 변환이 더 효율적이기 때문에, 초당 허용 가능한 측정 횟수의 좋은 목표를 나타낸다. 트레이스(450)는 도파관 분리 간격(221), 송신 신호(205')의 파워 및 콜리메이션 광학 기기(229)의 초점 길이를 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 시스템(200'') 파라미터에 기초하여 변경된다.

5. 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. 시스템(320)이 시스템(200'')인 일부 실시예에서, 시야(324)는 각도 범위(227)에 의해 정의된다. 시스템(301)을 설계하는데 있어서, 시야(324) 상의 각각의 각도에서 빔의 미리 정해진 최대 설계 범위가 결정되고, 이는 시야(324)의 범위 내의 각각의 각도에서 최대 예상 타겟 거리를 나타낸다. 예시적인 일 실시예에서, 최대 설계 거리는 시야(324) 상의 고정된 값이거나 고정된 범위의 값이다. 예시적인 일 실시예에서, 시야(324)에 걸친 최대 설계 거리는 대략 200 미터이거나 대략 150 미터 내지 대략 300 미터의 범위 내에 있다.

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 스캔한다. 하나의 실시예에서, 제1 각도 및 제2 각도는 지면(349)에 대하여 대략 직교하여 지향된 수직 평면 내의 수직 각도이다. 설명의 목적으로, "대략 직교하여(about orthogonal)"는 지면(349)에 대한 법선의 ±20도 이내를 의미한다. LIDAR 시스템(320)이 시스템(200'')과 유사한 일부 실시예에서, 각도 범위(326)는 각도 범위(227)에 의해 정의된다.

시스템(301')을 설계하는데 있어서, 각각의 각도에서의 빔의 미리 정해진 최대 설계 거리가 결정되고, 이는 범위(326) 내의 각각의 각도에서의 최대 예상 타겟 거리를 나타낸다. 다른 실시예에서, 각각의 각도에서의 최대 설계 거리는 미리 정해지지 않고, 규칙적으로 측정되어 증분 시간 주기로 처리 시스템(250)의 메모리 내에 업데이트된다. 일 실시예에서, 제1 빔(342)은 지면(349)을 향하여 지향되어, 차량(310)으로부터의 일부 최대 설계 거리 내에서 지면(349)과 교차한다. 따라서, 제1 각도에서 시스템(320)은 지면(349)을 넘어 위치된 타겟을 고려하지 않는다. 일 실시예에서, 제1 빔(342)의 제1 각도는 화살표(313)에 대하여 대략 -15도이거나 대략 -25도 내지 대략 -10도의 범위 내에 있고, 최대 설계 거리는 대략 4 미터(m)이거나, 대략 1m 내지 대략 10m의 범위 내에 있거나, 대략 2m 내지 대략 6m의 범위 내에 있다. 일 실시예에서, 제2 빔(346)은 하늘을 향하여 지향되어, 차량(310)으로부터의 일부 최대 설계 거리 내에서 상한(347)과 교차한다. 따라서, 제2 각도에서 시스템(320)은 상한(347) 위에 위치된 타겟을 고려하지 않는다. 일 실시예에서, 상한(347)은 (예를 들어, 0m의 고도를 정의하는) 지면(349)으로부터 대략 12m의 고도 또는 대략 8m 내지 15m 범위 내의 고도에 있고, 제2 빔(346)의 제2 각도는 화살표(313)에 대하여 대략 15도이거나 대략 10도 내지 대략 25도의 범위 내에 있고, 최대 설계 거리는 대략 7m이거나, 대략 4m 내지 대략 10m의 범위 내에 있거나, 대략 1m 내지 대략 15m의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 상한(347) 고도는 LIDAR 시스템(320)의 고도에 따른다(예를 들어, 지면(349)이 0m로 정의될 때 대략 1.5m이거나 대략 1m 내지 대략 4m의 범위 내에 있다). 일 실시예에서, 제1 빔(342)과 제2 빔(346) 사이의 중간 빔(344)은 화살표(313)와 대략 평행하게 지향되고, 차량(310)으로부터 최대 설계 거리에 위치한 타겟(343)을 교차한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 도 3b는 척도에 맞추어서 작도되지 않으며, 타겟(343)은 도시된 것보다 차량(310)으로부터 훨씬 더 먼 거리에 위치된다. 이 설명의 목적으로, "대략 평행하게(about parallel)"는 화살표(313)의 대략 ±10도 이내 또는 대략 ±15도 이내를 의미한다. 예시적인 일 실시예에서, 타겟(343)의 최대 설계 거리는 대략 200m이거나, 대략 150m 내지 대략 300m의 범위 내에 있거나, 대략 100m 내지 대략 500m의 범위 내에 있다.

도 3b가 지면(349) 위로 이동하도록 구성된 차량(310)에 장착된 LIDAR 시스템을 도시하지만, 본 발명의 실시예는 이러한 유형의 차량에 한정되지 않고, LIDAR 시스템은 비행하도록 구성된 비행체(air vehicle)(310')(예를 들어, 승용 비행체(passenger air vehicle))에 장착될 수 있다. 일 실시예에서, 비행체(310')는 하나 이상의 타겟(343)이 존재하는 지면(349) 위로 비행하도록 구성된다. 도 3d는, 일 실시예에 따라, 지면(349) 위로 비행하도록 구성된 비행체(310')에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템(320)을 포함하는 예시적인 시스템(301'')을 도시하는 블록도이다. 일 실시예에서, LIDAR 시스템(320)은, 화살표(313)에 대하여 제1 각도를 이루는 제1 빔(342')의 최대 설계 거리가 지면(349)에 상대적인 하한(floor)(348)에 기초하여 정의된다는 점을 제외하고는, 시스템(301')의 LIDAR 시스템(320)과 유사한 방식으로 작동한다. 예시적인 일 실시예에서, 하한(348)은 대략 0m 내지 대략 -10m의 범위 내 또는 대략 0m 내지 대략 -2m의 범위 내의 시스템(320)의 고도에 상대적인 고도를 가진다. 다른 예시적인 실시예에서, 상한(347)은 대략 0m 내지 대략 10m의 범위 내의 시스템(320)의 고도에 상대적인 고도를 가진다. 다른 예시적인 실시예에서, 제1 각도는 대략 -30도이거나 대략 -60도 내지 대략 -15도의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 제1 각도는 상한(347)의 제2 각도와 동일하고 그에 반대편에 있을 수 있다.

6. 코히런트 LIDAR 시스템에서 스캔 패턴을 최적화하기 위한 방법

도 6은 LIDAR 시스템의 바이스태틱 스캔 패턴을 최적화하기 위한 예시적인 방법(600)을 도시하는 순서도이다. 일부 실시예에서, 시스템(600)은 자율 주행 차량에 장착된 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 것이다. 단계들이 도 6에서 예시의 목적으로 특정 순서로 누적 단계로서 도시되지만, 다른 실시예에서, 하나 이상의 단계 또는 그 일부는 상이한 순서로 수행되거나, 시간적으로 직렬 또는 병렬로 중첩되거나, 생략되거나, 하나 이상의 추가 단계가 추가되거나, 방법이 일부 조합 방식으로 변경된다.

601 단계에서, 바이스태틱 트랜시버의 송신 도파관에 의해 송신된 후에 타겟에 의해 반사되고 바이스태틱 트랜시버의 수신 도파관에 의해 수신된 신호의 제1 SNR 값들을 나타내는 데이터가 프로세서에서 수신되고, 수신 도파관은 송신 도파관으로부터 분리 간격만큼 이격된다. 제1 SNR 값들은 타겟의 거리의 값에 기초하고, 제1 SNR 값들은 LIDAR 시스템의 스캔 레이트의 각각의 값에 대한 것이다. 일 실시예에서, 601 단계에서, 제1 SNR 값들은 빔(205')이 송신 도파관(223)에 의해 송신된 후에 타겟에 의해 반사되고 바이스태틱 트랜시버(215)의 수신 도파관(225)에 의해 수신된 리턴 빔(291')의 제1 SNR 값들이고, 수신 도파관(225)은 송신 도파관(223)으로부터 분리 간격(221)만큼 이격된다. 하나의 실시예에서, 데이터는 시스템(200'')에서 수신 도파관(225a, 225b) 중 하나 또는 양자의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 제1 SNR 값들이다. 다른 실시예에서, 단계 601에서, 데이터는 시스템(200'')에서 검출기 어레이(230)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 제1 SNR 값들이다. 하나의 실시예에서, 데이터는 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내는 트레이스(440b) 및/또는 트레이스(440c) 및/또는 트레이스(440d)의 값들을 포함하고, 각각의 트레이스(440)는 빔의 스캔 레이트의 각각의 값에 대한 것이다. 예시적인 일 실시예에서, 트레이스들(440b, 440c, 440d)은 동일한 값의 분리 간격(221)에 기초하고, 단계 601에서, 트레이스들(440b, 440c, 440d)의 복수의 세트가 각각의 복수의 값의 분리 간격(221)에 대하여 수신된다. 일부 실시예에서, 데이터는 트레이스들(440b, 440c, 440d)에 한정되지 않고, 도 4g에 도시된 것보다 더 적거나 더 많은 트레이스들의 SNR 값들을 포함하고, 각각의 SNR 트레이스는 스캔 레이트의 각각의 값에 기초하고, 그리고/또는 트레이스들(440b, 440c, 440d)은 분리 간격(221)의 특정 값에 기초한다.

다른 실시예에서, 601 단계에서 수신된 데이터는 스캔 레이트의 각각의 개별 값(each respective value) 및/또는 분리 간격(221)의 각각의 값에 대하여 타겟 거리에 걸쳐 트레이스를 형성하는데 사용될 수 있는 SNR 값들을 포함한다. 하나의 실시예에서, 트레이스들(464, 466)이 고정된 값의 스캔 레이트(예를 들어, 4000도/초)에 기초하여 다수의 값의 분리 간격(221)에 대하여 제공된다. 다른 실시예에서, 트레이스들(465, 467)이 고정된 값의 스캔 레이트(예를 들어, 12000도/초)에 기초하여 다수의 값의 분리 간격(221)에 대하여 제공된다. 또 다른 실시예에서, 단계 601에서, SNR 임계값을 성취하기 위하여 트레이스들(469)이 각각의 타겟 거리에 대하여 제공되고, 트레이스들(469)은 특정의 고정된 스캔 속도에 대하여 필요한 분리 간격(221) 값을 나타낸다. 예시적인 일 실시예에서, 단계 601에서, 데이터는 처리 시스템(250)의 메모리에 저장되고, 각각의 세트의 제1 SNR 값들은 LIDAR 시스템의 스캔 레이트의 연관된 값 및/또는 분리 간격(221)의 연관된 값과 함께 저장된다. 하나의 실시예에서, 601 단계에서, 제1 SNR 값들은 대략 0 미터 내지 대략 500 미터의 범위에 걸쳐(예를 들어, 자동차) 또는 대략 0 미터 내지 대략 1000 미터의 범위에서(예를 들어, 비행체) 대략 2000도/초 내지 대략 6000도/초 또는 대략 1000도/초 내지 대략 7000도/초의 범위 내의 스캔 레이트에 대하여 그리고/또는 대략 0w_o 내지 4w_o 또는 0w_o 내지 10w_o의 범위의 분리 간격(221) 값들에 대하여 획득되고, w_o는 송신 도파관(223)의 직경이다. 일부 실시예에서, 제1 SNR 값들은 미리 정해지고 단계 601에서 프로세서에 의해 수신된다. 다른 실시예에서, 제1 SNR 값들은 LIDAR 시스템에 의해 측정되고 이어서 단계 601에서 프로세서에 의해 수신된다. 하나의 실시예에서, 데이터는 입력 장치(712)를 이용하여 단계 601에서 입력되고 그리고/또는 근거리 통신망(780), 인터넷(790) 또는 외부 서버(792)로부터 네트워크 링크(778)를 통해 처리 시스템(250)의 메모리(704)에 업로드된다.

일 실시예에서, 601 단계에서, 제1 SNR 값들(예를 들어, 트레이스들(440b, 440c, 440d))은 제1 분리 간격(221a)에 기초하여 제1 수신 도파관(225a)에 의해 수신된 리턴 빔(291')에 대하여 수신되고, 다른 세트의 제1 SNR 값들(예를 들어, 트레이스들(440b, 440c, 440d))은 제2 분리 간격(221b)에 기초하여 제2 수신 도파관(225b)에 의해 수신된 리턴 빔(291')에 대하여 수신된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 수신 도파관(225a, 225b)에 의해 수신된 리턴 빔(291')에 대한 제1 SNR 값들은 미리 정해지고 단계 601에서 프로세서에 의해 수신된다. 다른 예시적인 실시예에서, 수신 도파관(225a, 225b)에 의해 수신된 리턴 빔(291')에 대한 제1 SNR 값들은 LIDAR 시스템에 의해 측정되고 이어서 601 단계에서 프로세서에 의해 수신된다.

603 단계에서, 타겟의 거리의 값에 기초하여 타겟에 의해 반사되고 LIDAR 시스템에 의해 검출된 신호의 제2 SNR 값들을 나타내는 데이터가 프로세서에서 수신되고, 여기서 제2 SNR 값들은 LIDAR 시스템의 누적 시간의 각각의 값에 대한 것이다. 일 실시예에서, 603 단계에서, 데이터는 각각의 누적 시간에 대하여 시스템(200'')에서 포커싱된 리턴 빔(291')의 제2 SNR 값들이며, 이 누적 시간 동안 빔이 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)에 의해 처리된다. 하나의 실시예에서, 데이터는 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내는 트레이스(450a) 및/또는 트레이스(450b) 및/또는 트레이스(450c) 및/또는 트레이스(450d)의 값들을 포함하고, 각각의 트레이스(450)는 빔이 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)에 의해 처리되는 누적 시간의 각각의 값에 대한 것이다. 일부 실시예에서, 데이터는 트레이스들(450a, 450b, 450c, 450d)에 한정되지 않고, 도 4i에 도시된 것보다 더 적거나 더 많은 트레이스들을 포함하고, 각각의 SNR 트레이스는 누적 시간의 각각의 값에 기초한다. 다른 실시예에서, 데이터는 트레이스일 필요는 없고 대신에 누적 시간의 각각의 개별 값(each respective value)에 대하여 타겟 거리에 걸쳐 트레이스를 형성하는데 사용되는 SNR 값들이다. 예시적인 일 실시예에서, 603 단계에서, 데이터는 처리 시스템(250)의 메모리에 저장되고, 각각의 세트의 제2 SNR 값들은 LIDAR 시스템의 누적 시간의 연관된 값과 함께 저장된다. 하나의 실시예에서, 603 단계에서, 제2 SNR 값들은 대략 0 미터 내지 대략 500 미터의 범위에 걸쳐(예를 들어, 자동차) 또는 대략 0 미터 내지 대략 1000 미터의 범위로부터(예를 들어, 비행체) 대략 100 나노초(ns) 내지 대략 5 밀리초(㎲)의 누적 시간 값들에 대하여 획득된다. 일부 실시예에서, 제2 SNR 값들은 미리 정해지고 단계 603에서 프로세서에 의해 수신된다. 다른 실시예에서, 제2 SNR 값들은 LIDAR 시스템에 의해 측정되고 이어서 단계 603에서 프로세서에 의해 수신된다. 하나의 실시예에서, 데이터는 입력 장치(712)를 이용하여 603 단계에서 입력되고 그리고/또는 근거리 통신망(780), 인터넷(790) 또는 외부 서버(792)로부터 네트워크 링크(778)를 통해 처리 시스템(250)의 메모리(704)에 업로드된다.

605 단계에서, 각도 범위(227)를 정의하는 제1 각도 및 제2 각도를 나타내는 데이터가 프로세서에서 수신된다. 하나의 실시예에서, 605 단계에서, 제1 각도와 제2 각도는 입력 장치(712)(예를 들어, 마우스 또는 포인팅 장치(716))를 이용하여 입력되고 그리고/또는 네트워크 링크(718)를 통해 처리 시스템(250)으로 업로드된다. 각도 범위(227)가 도 3a의 시야(324)인 하나의 실시예에서, 제1 각도는 제1 빔(322)과 차량(310)의 이동 방향을 나타내는 화살표(313) 사이의 각도로서 정의되며, 제2 각도는 제2 빔(323)과 화살표(313) 사이의 각도로서 정의된다.

각도 범위(227)가 도 3b의 시야(326)인 다른 실시예에서, 제1 각도는 제1 빔(342)과 차량(310)의 이동 방향을 나타내는 화살표(313) 사이의 각도로서 정의되며, 제2 각도는 제2 빔(346)과 화살표(313) 사이의 각도로서 정의된다. 일 실시예에서, 제1 각도와 제2 각도는 화살표(313)에 대하여 대칭이고, 예를 들어, 제1 각도와 제2 각도는 동일하며 서로 반대이다. 하나의 실시예에서, 제1 각도는 제1 빔(342)이 지면(349)을 향하여 지향되도록 선택되고, 제2 각도는 제2 빔(346)이 지면(349)으로부터 상한(347)을 향하여 지향되도록 선택된다.

하나의 실시예에서, 601, 603 및 605 단계는 하나의 단계에서 동시에 수행되고, 여기에서 601, 603 및 605 단계에서의 데이터는 하나의 동시 단계에서 프로세서에서 수신된다.

607 단계에서, 각도 범위 내의 각각의 각도에서 타겟의 최대 설계 거리를 나타내는 데이터가 프로세서에서 수신된다. 일 실시예에서, 최대 설계 거리는 각도 범위(227) 내의 각각의 각도에서의 타겟의 미리 정해진 최대 거리이다. 하나의 실시예에서, 607 단계에서, 각각의 각도에서의 타겟의 최대 설계 거리는 도 3a의 시야(324)에 기초한다. 예시적인 일 실시예에서, 최대 설계 거리는 시야(324)에 걸쳐 고정된 값이거나 고정된 범위의 값이다. 예시적인 일 실시예에서, 시야(324)에 걸친 최대 설계 거리는 대략 250 미터이거나 대략 150 미터 내지 대략 300 미터의 범위 내에 있다.

다른 실시예에서, 607 단계에서의 데이터는 각도 범위(326)보다 큰 제1 각도 범위에 걸쳐 제공된다. 하나의 실시예에서, 607 단계에서의 데이터는 각도 범위에 걸쳐 증분 각도(incremental angle)로 제공되고, 증분 각도는 대략 0.005도 내지 대략 0.01도의 범위 내에서 또는 대략 0.0005도 내지 대략 0.01도의 범위 내에서 선택된다.

하나의 예시적인 실시예에서, 607 단계에서의 데이터는 입력 장치(712)(예를 들어, 마우스 또는 포인팅 장치(716))를 이용하여 입력되고 그리고/또는 네트워크 링크(718)를 통해 처리 시스템(250)으로 업로드된다. 일부 실시예에서, 최대 설계 거리는 미리 정해지고 607 단계 중에 수신된다. 다른 실시예에서, 시스템(200, 200', 200'')은 각도 범위(227) 내의 각각의 각도에서 최대 설계 거리를 측정하기 위하여 사용되고, 이어서 각각의 각도에서의 최대 설계 거리가 607 단계에서 처리 시스템(250)에 의해 수신된다.

609 단계에서, LIDAR 시스템의 SNR이 최소 SNR 임계값보다 더 크도록 LIDAR 시스템의 최대 스캔 레이트가 각도 범위(227) 내의 각각의 각도에서 결정된다. 일 실시예에서, 609 단계에서, 고정된 최대 스캔 레이트가 각도 범위(227) 내의 각도에 대하여 결정된다. 각도 범위(227)에 걸쳐 최대 설계 거리에 대한 값의 범위가 607 단계에서 수신된 데이터에 기초하여 먼저 결정된다. 그 다음 601 단계에서 수신된 제1 SNR 값들이 각도 범위(227)에 걸친 최대 설계 거리의 값 또는 값의 범위(예를 들어, 대략 150m 내지 대략 300m)에 대하여 결정되고, 이 제1 SNR 값들 중 어느 것이 최소 SNR 임계값을 초과하는지 더 결정된다. 하나의 실시예에서, 트레이스들(440b, 440c, 440d)의 값들이 각도 범위(227)에 걸쳐 최대 설계 거리의 값의 범위(예를 들어, 대략 80m 내지 대략 120m)에 대하여 결정되고, 트레이스(440d)의 값만이 최대 설계 거리의 값의 범위(예를 들어, 대략 80m 내지 대략 120m)에 대하여 최소 SNR 임계값(442)을 초과한다고 더 결정된다. 트레이스(440d)의 값만이 최소 SNR 임계값(442)을 초과하기 때문에, 각도 범위(227)에 걸친 고정된 최대 스캔 레이트는 트레이스(440d)에 대응하는 스캔 레이트로 설정된다. 예시적인 일 실시예에서, 단계 609에서 최대 스캔 레이트를 결정하는 것은 수신 도파관(225a, 225b)의 끝단(217)에서의 리턴 빔(291')의 빔 이탈(419, 421)(도 4e)이 분리 간격(221)의 임계값 내에 있는 것을 보장하고, 임계값은 끝단에서의 리턴 빔(291')의 이미지(418)의 직경에 기초한다(예를 들어, 더 큰 직경에 대하여 더 큰 임계값과, 더 작은 직경에 대하여 더 작은 임계값). 예시적인 일 실시예에서, 임계값은 수신 도파관(225)의 끝단(217)에서의 리턴 빔(291')의 이미지(418)의 직경의 비이다. 예시적인 일 실시예에서, 비는 대략 0.5이거나 대략 0.3 내지 대략 0.7의 범위 내에 있다.

다른 실시예에서, 609 단계에서, 분리 간격(221)의 상이한 값들에 대응하는 제1 SNR 값들(예를 들어, 트레이스들(464, 465, 466, 467, 469))이 최소 SNR 임계값(442)을 초과하고 최소 SNR 임계값(442)을 초과하는 제1 SNR 값들 중에서 최대인 제1 SNR 값들(예를 들어, 고정된 스캔 속도 4000도/초에 대한 트레이스들(464) 중 하나 또는 고정된 스캔 속도 12000도/초에 대한 트레이스들(465) 중 하나)을 결정하는데 사용된다. 일 실시예에서, 시스템(200'')의 설계 단계 중에, 송신 도파관(223)과 수신 도파관(225) 사이의 분리 간격(221)은 결정된 제1 SNR 값들에 대응하는 분리 간격(221)의 값에 기초하고, 고정된 최대 스캔 레이트는 결정된 제1 SNR 값들에 대응하는 스캔 레이트에 기초하여 선택된다(예를 들어, 분리 간격(221)의 값은 0m 내지 250m의 타겟 설계 거리에 대하여 트레이스(465c)에 기초하여 2.75w_o에서 선택되고 그리고/또는 고정된 스캔 레이트는 트레이스(465)에 대하여 12000도/초의 고정된 스캔 레이트에 기초하여 선택된다). 하나의 예시적인 실시예에서, SNR이 각도 범위(227)의 제1 부분에 걸쳐(예를 들어, 타겟 거리>80m에 대하여) SNR 임계값(442)을 초과하도록 제1 분리 간격(221a)(예를 들어, 0.25w_o)에 대응하는 제1 SNR 값들(예를 들어, 트레이스(464c))이 고정된 스캔 레이트(예를 들어, 4000도/초)에 대하여 사용되고, SNR이 각도 범위(227)의 제2 부분에 걸쳐(예를 들어, 타겟 거리<80m에 대하여) SNR 임계값(442)을 초과하도록 제2 분리 간격(221b)(예를 들어, 4w_o)에 대응하는 제1 SNR 값들(예를 들어, 트레이스(464a))이 고정된 스캔 레이트에 대하여 사용된다. 이 실시예에서, 각도 범위(227)에 걸친 고정된 최대 스캔 레이트는 최적 스캔 레이트로 설정된다. 유익하게는, 이 실시예는, 스캔 레이트가 각도 범위(227)에 걸쳐 고정되는 동안, 각도 범위(227)에 걸쳐 최대 설계 거리의 상이한 부분들로부터 리턴 빔(291')을 검출하기 위하여 다수의 수신 도파관(225a, 225b)을 사용한다(예를 들어, 수신 도파관(225a)은 더 긴 거리에 있는 타겟으로부터 리턴 빔(291')을 수신하고, 수신 도파관(225b)은 더 짧은 거리에 있는 타겟으로부터 리턴 빔(291')을 수신한다). 각도 범위(227)가 각도 범위(346)인 예시적인 일 실시예에서, 수신 도파관(225b)은 송신된 빔(342, 346))에 기초하여 제1 및 제2 각도로 리턴 빔들(291')을 수신하고, 수신 도파관(225a)은 중간 송신된 빔(344)에 기초하여 리턴 빔들(291')을 수신한다.

다른 실시예에서, 609 단계에서, 각각의 최대 스캔 레이트가 각도 범위(227) 내의 각각의 각도에 대하여 결정된다. 각각의 각도에서, 그 각도에 대한 최대 설계 거리가 607 단계에서 수신된 데이터에 기초하여 먼저 결정된다. 그 다음, 601 단계에서 수신된 제1 SNR 값들이 각도에서의 최대 설계 거리에 대하여 결정되고, 이 제1 SNR 값들 중 어느 것이 최소 SNR 임계값을 초과하는지 더 결정된다. 하나의 실시예에서, 트레이스들(440b, 440c, 440d)의 값이 최대 설계 거리(예를 들어, 대략 90m)에 대하여 결정되고, 트레이스들(440b, 440c)의 값이 최소 SNR 임계값(442)을 초과한다고 더 결정된다. 최소 SNR 임계값을 초과하는 이러한 제1 SNR 값들 중에서, 최대 스캔 레이트를 갖는 제1 SNR 값들이 선택되고, 최대 스캔 레이트가 그 각도에 대하여 609 단계에서 결정된다. 상기 실시예에서, 최대 설계 거리(예를 들어, 대략 90m)에서 최소 SNR 임계값(442)을 초과하는 트레이스들(440b, 440c)의 값들 중에서, 트레이스(440c) 값이 최대 스캔 레이트로서 선택되고, 최대 스캔 레이트(예를 들어, 트레이스(440c)와 연관된 최적 스캔 레이트)가 그 각도에 대하여 609 단계에서 결정된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 도 4g는 제1 및 제2 각도에서 빔들(342, 346)에 대하여 단계 609에서 결정된 최대 스캔 레이트(예를 들어, 트레이스(440c)에 기초한 최적 스캔 레이트)가 제1 및 제2 각도 사이의 각도에서 빔(344)에 대하여 단계 609에 결정된 최대 스캔(예를 들어, 트레이스(400b)에 기초한 느린 스캔 레이트)보다 더 크다는 것을 나타낸다. 이러한 예시적인 실시예에서, 스캐닝 광학 기기(218)의 스캔 레이트는 각도 범위(227)에 걸쳐 변경되고, 리턴 빔(291')은 더 짧은 타겟 거리에 대응하는 각도 범위(227)의 그 부분에 대하여 빠른 스캔 레이트로 스캔되고(예를 들어, 빔들(342, 346)), 더 긴 타겟 거리에 대응하는 각도 범위(227)의 그 부분에 대하여 느린 스캔 레이트로 스캔된다(예를 들어, 빔(344)). 이러한 예시적인 실시예에서, 하나의 수신 도파관(225)이 각도 범위(227)에 걸쳐 리턴 빔(291')을 캡처하는데 사용된다. 예시적인 일 실시예에서, 단계 609에서 최대 스캔 레이트를 결정하는 것은 수신 도파관(225)의 끝단(217)에서의 리턴 빔(291')의 빔 이탈(419)(도 4e)이 분리 간격(221)의 임계값 내에 있는 것을 보장하고, 임계값은 끝단(217)에서의 리턴 빔(291')의 이미지(418)의 직경의 비보다 작다. 예시적인 일 실시예에서, 비는 대략 0.5이거나 대략 0.3 내지 대략 0.7의 범위 내에 있다.

도 3c는, 일 실시예에 따라, 도 3b의 LIDAR 시스템(320)으로부터 다수의 각도(345a, 345b)로 송신된 빔들(343a, 343b)의 일례를 도시하는 블록도이다. 하나의 실시예에서, 빔들(343a, 343b)은 제1 빔(342)과 중간 빔(344) 사이의 중간 빔이다. 다른 실시예에서, 빔(343a)은 제1 빔(342)이고, 빔(343b)은 제1 빔(342) 후에 처리되는 후속 빔이다. 609 단계에서, LIDAR 시스템(320)의 최대 스캔 레이트가 각도(345a)에서 결정된다. 각도(345a)에서의 빔(343a)의 최대 설계 거리(예를 들어, 30m)가 607 단계에서의 데이터를 이용하여 먼저 결정된다. 그 다음, 최대 설계 거리에 대한 601 단계로부터의 제1 SNR 값들이 결정된다. 예시적인 일 실시예에서, 제1 SNR 값들은 트레이스들(440b, 440c, 440d)의 값을 포함한다. 그 다음, 최대 설계 거리에서의 이러한 제1 SNR 값들 중 어느 것이 최소 SNR 임계값을 초과하는지 결정된다. 예시적인 실시예에서, 최대 설계 거리(예를 들어, 30m)에서의 트레이스들(440b, 440c, 440d)의 값은 모두 최소 SNR 임계값(442)을 초과한다. 그 다음, 이러한 제1 SNR 값들 중 어느 것이 최대 스캔 레이트를 갖는지 판단되고, 이 최대 스캔 레이트가 그 각도에 대하여 609 단계에서 결정된다. 예시적인 실시예에서, 트레이스(440c)가 최대 스캔 레이트를 가지며, 따라서, 이 최대 스캔 레이트가 각도(345a)에서 빔(343a)을 스캔하는데 사용된다. 일 실시예에서, 도 4i는 제1 및 제2 각도에서의 빔(342, 346)에 대하여 611 단계에서 결정된 최소 스캔 레이트(트레이스(450d)에 기초한 400ns)가 제1 및 제2 각도 사이의 각도에서의 빔(344)에 대하여 611 단계에서 결정된 최소 누적 시간(트레이스(450a)에 기초한 3.2㎲)보다 더 짧은 것을 나타낸다.

611 단계에서, LIDAR 시스템의 SNR이 최소 SNR 임계값보다 더 크도록 LIDAR 시스템의 최소 누적 시간이 각도 범위(227) 내의 각각의 각도에서 결정된다. 최대 설계 거리가 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 값 또는 고정된 범위의 값을 가지는 일부 실시예에서, 611 단계에서, 고정된 최소 누적 시간이 고정된 최대 설계 거리(예를 들어, 200m) 또는 최대 설계 거리의 고정된 값 범위(예를 들어, 180m 내지 220m)에 기초하여 각도 범위(227)에 걸쳐 결정된다. 다른 실시예에서, 각도 범위(227) 내의 각각의 각도에서, 그 각도에 대한 최대 설계 거리가 607 단계에서 수신된 데이터에 기초하여 먼저 결정된다. 그 다음, 603 단계에서 수신된 제2 SNR 값들이 그 각도에서 최대 설계 거리에 대하여 결정되고, 이러한 제2 SNR 값들 중 어느 것이 최소 SNR 임계값을 초과하는지 더 결정된다. 하나의 실시예에서, 트레이스들(450a, 450b, 450c, 450d)의 값이 최대 설계 거리(예를 들어, 대략 120m)에 대하여 또는 최대 설계 거리에 대한 값의 범위에 대하여 결정되고, 트레이스들(450a, 450b, 450c)의 값들이 최소 SNR 임계값(452)을 초과한다고 더 결정한다. 최소 SNR 임계값을 초과하는 이러한 제2 SNR 값들 중에서, 최소 누적 시간을 갖는 제2 SNR 값들이 선택되고, 최소 누적 시간이 그 각도 또는 각도 범위(227)에 대하여 611 단계에서 결정된다. 상기 실시예에서, 최대 설계 거리(예를 들어, 120m)에서 최소 SNR 임계값(452)을 초과하는 트레이스들(450a, 450b, 450c)의 값 중에서, 최소 누적 시간을 갖는 트레이스(450c) 값들이 선택되고, 그 최소 누적 시간(예를 들어, 대략 800 ns)이 그 각도에 대하여 611 단계에서 결정된다.

611 단계에서, 각도(345a)에서 LIDAR 시스템(320)의 최소 누적 시간이 결정된다. 각도(345a)에서의 빔(343a)의 최대 설계 거리(예를 들어, 30m)가 607 단계에서의 데이터를 이용하여 먼저 결정된다. 그 다음, 최대 설계 거리에 대한 603 단계로부터의 제2 SNR 값들이 결정된다. 예시적인 일 실시예에서, 제2 SNR 값들은 트레이스들(450a, 450b, 450c, 450d)의 값들을 포함한다. 그 다음 최대 설계 거리에서의 이러한 제2 SNR 값들 중 어느 것이 최소 SNR 임계값을 초과하는지 결정된다. 예시적인 실시예에서, 최대 설계 거리(예를 들어, 30m)에서의 트레이스들(450a, 450b, 450c, 450d)의 값이 모두 최소 SNR 임계값(452)을 초과한다. 그 다음, 이러한 SNR 값들 중 어느 것이 최소 누적 시간을 가지는지 결정되고, 이 최소 누적 시간이 그 각도에 대하여 611 단계에서 결정된다. 예시적인 실시예에서, 트레이스(450d)는 최소 누적 시간(예를 들어, 400ns)을 가지며, 따라서, 이 최소 누적 시간이 각도(345a)에서 빔(343a)을 처리하는데 사용된다.

613 단계에서, 609, 611 단계의 다른 반복을 수행하기 위하여 각도 범위(227) 내에 추가 각도가 남아 있는지 여부가 판단된다. 최대 설계 거리가 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 값을 갖거나 고정된 범위의 값을 갖는 일부 실시예에서, 609, 611 단계는 최대 설계 거리의 고정된 값 또는 고정된 범위의 값에 기초하여 각각 한 번 수행되고, 613, 615 단계는 생략되며, 방법(600)은 617 단계로 진행한다. 이 실시예에서, 고정된 최대 스캔 레이트가 최대 설계 거리의 고정된 값 또는 고정된 범위의 값에 기초하여 609 단계에서 결정되고, 고정된 최소 누적 시간이 최대 설계 거리의 고정된 값 또는 고정된 범위의 값에 기초하여 611 단계에서 결정된다.

하나의 실시예에서, 609, 611 단계의 초기 반복이 범위(326) 내의 제1 빔(342)의 제1 각도에서 수행된 각도 범위(326)에 대한 613 단계에서, 613 단계는 609, 611 단계의 이전 반복이 각도 범위(326) 내의 제2 빔(346)의 제2 각도 이상에서 있었는지 여부에 대한 판단을 포함한다. 609, 611 단계의 초기 반복이 범위(326)의 제2 각도에서 수행된 다른 실시예에서, 613 단계는 609, 611 단계의 이전 반복이 각도 범위(326)의 제1 각도 이상에서 있었는지 여부에 대한 판단을 포함한다. 각도 범위 내의 더 많은 각도가 남아 있다고 613 단계에서 판단되면, 방법은 615 블록으로 진행한다. 범위(326) 내에 더 이상의 각도가 남아 있지 않다고 613 단계에서 판단되면, 방법은 617 블록으로 진행한다.

615 단계에서, 초기 각도에서 609, 611 단계의 이전 반복을 수행한 후에 609, 611 단계를 반복하는 후속 각도에 대한 판단이 이루어진다. 일 실시예에서, 도 3c는 초기 빔(343a)의 초기 각도(345a)에서 609, 611 단계의 이전 반복을 수행한 후에 609, 611 단계를 반복하는 후속 빔(343b)의 후속 각도(345b)를 도시한다. 일 실시예에서, 615 단계는 후속 각도(345b) 및 초기 각도(345a)와 후속 각도(345b) 사이의 각도 증분(350a)에 대한 판단을 포함한다. 하나의 실시예에서, 후속 각도(345b)는 초기 각도(345a), 609 단계에서 결정된 각도(345a)에서의 최대 스캔 레이트 및 611 단계에서 결정된 각도(345a)에서의 최소 누적 시간에 기초한다. 일 실시예에서, 후속 각도(θ_s)는 초기 각도(θ_i), 최대 스캔 레이트(S_m) 및 최소 누적 시간(I_m)에 기초하고, 다음의 수학식을 이용한다:

[수학식 6]

일 실시예에서, 초기 각도(345a)가 -15도이고, 최대 스캔 레이트가 초당 15도이고, 최소 누적 시간이 2㎲이면, 후속 각도(345b)는 수학식 6을 이용하여 대략 -14.97도이다. 615 단계에서 후속 각도를 결정한 후, 609, 611 단계가 후속 각도에서 반복되도록, 방법은 609 블록으로 다시 진행한다.

617 단계에서, 609, 611 단계의 더 이상의 반복이 수행될 필요가 없다고 판단된 후, 각도 범위(326) 내의 각각의 각도에서의 609 단계로부터의 최대 스캔 레이트 및 단계 611로부터의 최소 누적 시간에 기초하여 LIDAR 시스템의 스캔 패턴이 정의된다. 최대 설계 거리가 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 값 또는 고정된 범위의 값을 갖는 일부 실시예에서, 고정된 최대 스캔 레이트가 최대 설계 거리의 고정된 값 또는 고정된 범위의 값에 기초하여 609 단계에서 결정되고, 고정된 최소 누적 시간이 최대 설계 거리의 고정된 값 또는 고정된 범위의 값에 기초하여 611 단계에서 결정된다. 이 실시예에서, 617 단계에서, 스캔 패턴은 각도 범위(227)에 걸쳐 각각의 각도에서의 고정된 최대 스캔 레이트 및 고정된 최소 누적 시간에 기초하여 정의된다.

다른 실시예에서, 스캔 패턴은 제1 빔(342)의 제1 각도와 제2 빔(346)의 제2 각도 사이의 각도 범위(326) 내의 각각의 각도에 대한 최대 스캔 레이트 및 최소 누적 시간을 포함한다. 예시적인 일 실시예에서, 스캔 패턴은 처리 시스템(250)의 메모리(예를 들어, 메모리(704))에 저장된다. 다른 예시적인 실시예에서, 스캔 패턴에서의 인접한 각도 사이의 각도 증분이 615 단계에서 결정되며, 예를 들어, 각도 증분은 615 단계에서의 후속 각도와 초기 각도 사이의 간격이다. 다른 예시적인 실시예에서, 도 3c는 615 단계를 위한 후속 각도(345b)와 초기 각도(345a) 사이의 각도 증분(350a)과 617 단계에서 결정된 스캔 패턴을 도시한다.

619 단계에서, LIDAR 시스템은 617 단계에서 결정된 스캔 패턴에 따라 작동된다. 최대 설계 거리가 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 값 또는 고정된 범위의 값을 가지는 하나의 실시예에서, 고정된 최대 스캔 레이트가 최대 설계 거리의 고정된 값 또는 고정된 범위의 값에 기초하여 609 단계에서 결정된다. 이 실시예에서, 619 단계에서, LIDAR 시스템의 빔은 각도 범위(227)에 걸쳐 스캐닝 광학 기기(218)를 이용하여 고정된 최대 스캔 레이트로 스캔된다. 예시적인 일 실시예에서, 619 단계에서, 빔(205'')은 고정된 최대 스캔 레이트로 폴리곤 스캐너(244)를 이용하여 스캔된다. 하나의 실시예에서, 처리 시스템(250)은 폴리곤 스캐너(244)로 하여금 각속도(249)의 속도가 고정된 최대 스캔 레이트가 되게 하는 신호를 폴리곤 스캐너(244)로 송신한다. 추가적으로, 이 실시예에서, LIDAR 시스템의 최소 누적 시간은 최대 설계 거리에 대한 고정된 값 또는 고정된 범위의 값에 기초한 고정된 최소 누적 시간에 기초한다. 일 실시예에서, 빔(205'')이 폴리곤 스캐너(244)의 인접한 패싯들(245)에 의해 스캔됨에 따라, 빔(205'')은 각도 범위(227)에 걸쳐 연속으로 스캔된다. 따라서. 예시적인 일 실시예에서, 빔(205'')은 각도 범위(227)에 걸쳐 패싯(245a)에 의해 스캔되고, 이어서, 빔(205'')은 각도 범위(227)에 걸쳐 패싯(245b)에 의해 스캔된다. 619 단계 중에, 리턴 빔(291')은 콜리메이션 광학 기기(229)에 의해 수신 도파관(225)의 끝단(217) 내로 포커싱된다. 다수의 수신 도파관(225a, 225b)이 제공되는 예시적인 일 실시예에서, 빔(205'')이 각도 범위(227)의 제1 부분에 걸쳐 고정된 최대 스캔 레이트로 스캔될 때(예를 들어, 더 먼 타겟 거리; 빔(344)), 리턴 빔들(291')은 제1 수신 도파관(225a)의 끝단(217) 내로 포커싱되고, 빔(205'')이 각도 범위(227)의 제2 부분에 걸쳐 고정된 최대 스캔 레이트로 스캔될 때(예를 들어, 더 짧은 타겟 거리; 빔(342, 346)), 리턴 빔들(291')은 제2 수신 도파관(225b)의 끝단 내로 포커싱된다. 다른 예시적인 실시예에서, 하나의 수신 도파관(225a)이 있고 수신 도파관(225b)이 생략되며, 빔(205'')이 각도 범위(227)(예를 들어, 시야(324))에 걸쳐 고정된 최대 스캔 레이트로 스캔됨에 따라, 리턴 빔들(291')은 수신 도파관(225a)의 끝단에서 수신된다.

619 단계에서, LIDAR 시스템의 하나 이상의 파라미터가 시스템(200'')의 설계 단계 중에 선택된다. 예시적인 일 실시예에서, 송신 도파관(223)과 수신 도파관(225) 사이의 분리 간격(221)의 값이 그래프들(464, 465, 466, 467, 469) 중 하나 이상의 사용에 기초하여 선택되고, 사용자는 리턴 빔(291')의 SNR 임계값을 얻기 위하여 설계 타겟 거리 및 스캔 속도의 알려진 값에 기초하여 분리 간격(221)의 값을 결정한다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244)의 스캔 속도의 값이 그래프들(464, 465, 466, 467, 469, 440)의 사용에 기초하여 선택되고, 사용자는 리턴 빔(291')의 SNR 임계값을 얻기 위하여 설계 타겟 거리 및 분리 간격(221)의 알려진 값에 기초하여 스캔 속도의 값을 결정한다.

다른 실시예에서, 619 단계에서, LIDAR 시스템의 빔은 하나 이상의 사이클 중의 각도 범위(326) 내에서 스캔되고, 각각의 각도에서의 빔의 스캔 레이트는 그 각도에 대한 스캔 패턴에서의 최대 스캔 레이트이고, 각각의 각도에서의 LIDAR 시스템의 누적 시간은 그 각도에 대한 최소 누적 시간이다. 하나의 실시예에서, 619 단계에서, 각각의 각도에서 LIDAR 시스템의 처리 시스템(250)은 각각의 각도에서의 스캔 레이트가 그 각도에 대한 스캔 패턴의 최대 스캔 레이트가 되도록 스캐닝 광학 기기(218)에 하나 이상의 신호를 송신한다. 추가적으로, 하나의 실시예에서, 619 단계에서, 각각의 각도에서 LIDAR 시스템의 처리 시스템(250)은 누적 시간이 그 각도에 대한 스캔 패턴의 최소 누적 시간이 되도록 각각의 각도에서 수신된 리턴된 빔(291)에 대하여 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)의 누적 시간을 조정한다. 유익하게는 이것은, LIDAR 시스템이 각각의 각도에서 적절한 SNR을 유지하는 것을 보장하면서, 빔이 최대 스캔 레이트로 스캔되고 리턴 빔이 각각의 각도에서 가장 짧은 누적 시간에 처리되는 것을 보장한다.

도 5는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다수의 각도 범위에 걸친 시간에 대한 수직 각도의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(502)은 초(s) 단위의 시간이고, 수직 축은 라디안(rad) 단위의 각도이다. 트레이스(540)는 619 단계에서의 다수의 스캔 패턴 중의 빔에 대하여 스캐닝 중의 시간에 대한 빔의 각도를 나타낸다. 시간 상의 한 순간에서의 트레이스(540)의 기울기는 그 시간에서의 빔의 스캔 레이트를 나타낸다. 일 실시예에서, 트레이스(540)의 영역(542)은 빔이 상한(347)을 향하여 지향될 때의 더 빠른 스캔 레이트(예를 들어, 트레이스(540)의 높은 기울기)를 보여주고; 또한, 트레이스(540)의 영역(544)은 빔이 지면(349)을 향하여 지향될 때의 더 빠른 스캔 레이트(예를 들어, 트레이스(540)의 높은 기울기)를 보여주고; 그리고, 트레이스(540)의 영역(546)은 빔이 지면(349)과 평행하게 지향될 때의 더 느린 스캔 레이트(예를 들어, 트레이스(540)의 낮은 기울기)를 보여준다. 빔(205'')이 고정된 최대 스캔 레이트로 스캔되는 다른 실시예에서, 트레이스는 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 기울기를 보여준다.

다른 실시예에서, 619 단계 도중 또는 이후에, 프로세서는 619 단계 도중에 LIDAR 시스템에 의해 수집된 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 차량(310)을 작동시킨다. 하나의 실시예에서, LIDAR 시스템의 처리 시스템(250) 및/또는 차량(310)의 프로세서(314)는 619 단계에서 LIDAR 시스템에 의해 수집된 데이터에 기초하여 차량의 조향 및/또는 제동 시스템에 하나 이상의 신호를 송신한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 처리 시스템(250)은 LIDAR 데이터에 응답하여 차량(310)의 위치를 제어하기 위하여 차량(310)의 조향 또는 제동 시스템에 하나 이상의 신호를 송신한다. 다른 실시예에서, 처리 시스템(250)은 619 단계에서 수집된 LIDAR 데이터에 기초하여 차량(310)의 프로세서(314)에 하나 이상의 신호를 송신하고, 이에 따라, 프로세서(314)는 차량(310)의 조향 및 제동 시스템에 하나 이상의 신호를 송신한다.

7. 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 송신될 수 있도록 많은 병렬 정보 컨덕터들(parallel conductors of information)을 포함할 수 있다. 정보를 처리하기 위한 하나 이상의 프로세서(702)가 버스(710)와 결합된다. 프로세서(702)는 정보에 대한 일련의 동작을 수행한다. 일련의 동작은 버스(710)로부터 정보를 가져오는 것과 버스(710) 상에 정보를 배치하는 것을 포함한다. 또한, 일련의 동작은 통상적으로 2개 이상의 정보 단위의 비교, 정보 단위의 위치 시프트, 덧셈 또는 곱셈과 같은 2개 이상의 정보 단위의 결합을 포함한다. 프로세서(702)에 의해 실행되는 동작 시퀀스는 컴퓨터 명령어를 구성한다.

또한, 컴퓨터 시스템(700)은 버스(710)에 결합된 메모리(704)를 포함한다. 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 또는 다른 동적 저장 장치와 같은 메모리(704)는 컴퓨터 명령어를 포함하는 정보를 저장한다. 동적 메모리는 그 안에 저장된 정보가 컴퓨터 시스템(700)에 의해 변경되도록 한다. RAM은 메모리 어드레스로 불리는 위치에 저장된 정보 단위가 이웃하는 어드레스의 정보와 독립적으로 저장되고 검색되도록 한다. 또한, 메모리(704)는 컴퓨터 명령어의 실행 중에 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, 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit, ASIC)(720)와 같은 특수 목적 하드웨어가 버스(710)에 결합된다. 특수 목적 하드웨어는 특별한 목적을 위해 프로세서(702)에 의해 신속하게 수행되지 않는 동작을 충분히 빠르게 수행하도록 구성된다. ASIC의 예는, 디스플레이(714)를 위한 이미지를 생성하기 위한 그래픽 가속기 카드, 네트워크를 통해 전송된 메시지를 암호화 및 복호화하기 위한 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 예를 포함한다. 통신 인터페이스(770)는 프린터, 스캐너 및 외부 디스크와 같은 자신의 프로세서로 동작하는 다양한 외부 장치에 대한 양방향 통신 커플링을 제공한다. 일반적으로, 커플링은 자신의 프로세서를 갖는 다양한 외부 장치가 접속되는 로컬 네트워크(780)에 접속되는 네트워크 링크(778)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)에 데이터 통신 접속을 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 컴퓨터 판독 가능한 비일시적(non-transitory) 저장 매체라는 용어는, 반송파 및 다른 신호를 제외하고, 프로세서(702)에 정보를 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭하기 위해 사용된다.

하나 이상의 유형의 매체(tangible media) 내에 인코딩된 로직은 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체 상의 프로세서 명령어 및 ASIC(720)과 같은 특수 목적 하드웨어 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다.

네트워크 링크(778)는 통상적으로 정보를 사용하거나 처리하는 다른 장치로의 하나 이상의 네트워크를 통한 정보 통신을 제공한다. 예를 들어, 네트워크 링크(778)는 로컬 네트워크(780)를 통해 호스트 컴퓨터(782) 또는 인터넷 서비스 제공자(ISP)에 의해 운영되는 장비(784)에 접속을 제공할 수 있다. ISP 장비(784)는 현재 일반적으로 인터넷(790)으로 지칭되는 네트워크의 공개적이고 전세계적인 패킷 교환 통신 네트워크를 통해 데이터 통신 서비스를 제공한다. 인터넷에 접속된 서버(1192)로 불리는 컴퓨터는 인터넷을 통해 수신된 정보에 응답하여 서비스를 제공한다. 예를 들어, 서버(792)는 디스플레이(714)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 읽혀 질 수 있다. 메모리(704)에 포함된 명령어의 시퀀스의 실행은 프로세서(702)로 하여금 본 명세서에 설명된 방법의 단계들을 수행하게 한다. 다른 실시예에서, ASIC(application specific integrated circuit)(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, 이들 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.

8. 변경, 확장 및 수정

전술한 상세 설명에서, 본 발명은 구체적인 실시예를 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 (15)

1. LIDAR(light detection and ranging) 시스템에 있어서,
   트랜시버; 및
   하나 이상의 스캐닝 광학 기기(scanning optics)를 포함하고,
   상기 트랜시버는:
   송신 도파관(waveguide)을 통해, 레이저 소스로부터 제공된 빔에 기반하여 생성되는 송신 신호를 송신하고; 그리고
   상기 송신 도파관으로부터 분리 간격(separation) - 상기 분리 간격은 상기 리턴 신호와 연관된 신호대 잡음비에 기반함 - 만큼 이격된 수신 도파관을 통해, 물체에 의한 상기 송신 신호의 반사 또는 산란 중 적어도 하나로부터의 리턴 신호를 수신하도록 구성되고;
   상기 하나 이상의 스캐닝 광학 기기는:
   제1 각도에서 상기 송신 신호를 수신하고; 그리고
   상기 트랜시버로부터의 상기 송신 신호를 상기 제2 각도 및 상기 제3 각도에 의해 정의되는 각도 범위에 걸쳐 소정의 스캔 레이트로 출력하도록 구성되는, LIDAR 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 트랜시버는 상기 송신 신호를 100미터 이상 300미터 이하의 타겟 거리에 걸쳐 송신하도록 구성되는, LIDAR 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 송신 도파관은 직경을 가지며, 상기 분리 간격은 상기 직경의 0.25배 이상이고 상기 직경의 4배 이하인, LIDAR 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 하나 이상의 스캐닝 광학 기기는 폴리곤 스캐너(polygon scanner)를 포함하는, LIDAR 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 폴리곤 스캐너는, 1000 rpm 이상 5000 rpm 이하의 회전 속도로 회전하도록 구성되는, LIDAR 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 분리 간격은 제1 분리 간격이고, 상기 수신 도파관은 제1 수신 도파관이고, 상기 리턴 신호는 제1 리턴 신호이고, 상기 제1 수신 도파관은 상기 각도 범위의 제1 부분에 걸쳐 제1 범위에서 상기 제1 리턴 신호를 수신하도록 구성되고; 그리고
   상기 트랜시버는 상기 송신 도파관으로부터 제2 분리 간격만큼 이격된 제2 수신 도파관을 포함하고, 상기 제2 수신 도파관은 상기 각도 범위의 제2 부분에 걸쳐 제2 범위에서 제2 리턴 신호를 수신하도록 구성된, LIDAR 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제2 분리 간격은 상기 제1 분리 간격보다 큰, LIDAR 시스템.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제2 범위는 상기 제1 범위와 상이한, LIDAR 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 트랜시버와 상기 하나 이상의 스캐닝 광학 기기 사이에 위치된 콜리메이션 광학 기기(collimation optic)를 더 포함하는, LIDAR 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 콜리메이션 광학 기기는 상기 하나 이상의 스캐닝 광학 기기로부터 1인치 이상 2인치 이하에 위치된, LIDAR 시스템.
11. 제9항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스캐닝 광학 기기는 폴리곤 스캐너를 포함하며, 상기 분리 간격은 타겟 거리, 콜리메이션 광학 기기의 초점 길이 및 상기 폴리곤 스캐너의 회전 속도(roatation rate)에 기반하는, LIDAR 시스템.
12. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 프로세서들은 송신 신호와 리턴 신호 사이의 빔 이탈 거리를 상기 분리 간격의 10퍼센트 이내로 설정한 것에 기반하여 상기 스캔 레이트의 최대값을 결정하도록 구성되는, LIDAR 시스템.
13. 자율 차량 제어 시스템에 있어서,
    트랜시버;
    하나 이상의 스캐닝 광학 기기(scanning optics); 및
    차량 컨트롤러를 포함하고,
    상기 트랜시버는:
    송신 도파관(waveguide)을 통해, 레이저 소스로부터 제공된 빔에 기반하여 생성되는 송신 신호를 송신하고; 그리고
    물체에 의한 상기 송신 신호의 반사 또는 산란 중 적어도 하나로부터의 리턴 신호를 수신하되, 상기 리턴 신호는 상기 송신 도파관으로부터 분리 간격(separation) - 상기 분리 간격은 상기 리턴 신호의 신호대 잡음비의 기대값과 연관됨 - 만큼 이격된 수신 도파관을 통해 수신되고;
    상기 하나 이상의 스캐닝 광학 기기는:
    제1 각도에서 상기 송신 신호를 수신하고; 그리고
    상기 트랜시버로부터의 상기 송신 신호를 상기 제2 각도 및 상기 제3 각도에 의해 정의되는 각도 범위에 걸쳐 소정의 스캔 레이트로 출력하도록 구성되고;
    상기 차량 컨트롤러는, 상기 리턴 신호를 이용하여 결정된 상기 물체까지의 거리를 이용하여 자율 주행 차량의 작동을 제어하도록 구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
14. 제13항에 있어서,
    상기 트랜시버는 상기 송신 신호를 100미터 이상 300미터 이하의 타겟 거리에 걸쳐 송신하도록 구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
15. 자율 차량에 있어서,
    라이다 시스템;
    조항 시스템;
    제동 시스템; 및
    차량 컨트롤러를 포함하고,
    상기 라이다 시스템은:
    트랜시버; 및
    하나 이상의 스캐닝 광학 기기(scanning optics)를 포함하고,
    상기 트랜시버는:
    송신 도파관(waveguide)을 통해, 레이저 소스로부터 제공된 빔에 기반하여 생성되는 송신 신호를 송신하고; 그리고
    물체에 의한 상기 송신 신호의 반사 또는 산란 중 적어도 하나로부터의 리턴 신호를 수신하되, 상기 리턴 신호는 상기 송신 도파관으로부터 분리 간격(separation) - 상기 분리 간격은 상기 리턴 신호의 신호대 잡음비의 기대값과 연관됨 - 만큼 이격된 수신 도파관을 통해 수신되고;
    상기 하나 이상의 스캐닝 광학 기기는:
    제1 각도에서 상기 송신 신호를 수신하고; 그리고
    상기 트랜시버로부터의 상기 송신 신호를 상기 제2 각도 및 상기 제3 각도에 의해 정의되는 각도 범위에 걸쳐 소정의 스캔 레이트로 출력하도록 구성되고;
    상기 차량 컨트롤러는, 상기 리턴 신호를 이용하여 결정된 상기 물체까지의 거리를 이용하여 상기 조향 시스템 또는 상기 제동 시스템 중 적어도 하나의 작동을 제어하도록 구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
    
    

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