KR20230003553A - 억압된 도플러 주파수 시프트를 갖는 라이더 시스템 - Google Patents

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KR20230003553A
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발바스 에두아르도 마갈로
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무로 랩스 에스. 엘.
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Abstract

라이더(LIDAR) 시스템은 라이더에 대한 장면에서 객체의 이동에 의해 유도된 주파수 시프트를 감소시키거나 억업하고, 광원, 입력 개구부(101), 반사된 광을 기준 채널(4) 및 제1 이미징 채널(3)로 분할하도록 구성된 분할기(2), 제1 간섭 신호를 획득하도록 구성된 제1 이미징 광학 IQ 수신기(5), 기준 간섭 신호를 획득하도록 구성된 기준 광학 IQ 수신기(6), 반사된 광과 일시적으로 간섭성으로 되도록 구성된 이미징 발진기(111), 제1 이미징 광학 IQ(5) 및 기준 광학 IQ(6)에 접속되고, 더 높은 주파수와의 제1 상호변조 곱 및 그 스케일링된 도플러 시프트와의 관심 대상 상호변조 곱을 획득하도록 구성된 적어도 혼합기(12)를 포함한다.

Description

억압된 도플러 주파수 시프트를 갖는 라이더 시스템
발명의 목적은 라이더(LIDAR)에 대한 장면에서의 객체의 이동에 의해 유도된 주파수 시프트(frequency shift), 즉, 도플러 주파수 시프트(Doppler frequency shift)로서 알려진 효과를 감소시키거나 완전히 억압하는 것을 허용하는 라이더 시스템이다.
광 검출 및 레인징(LIDAR : light detection and ranging) 디바이스는 레이저 광으로 타깃을 조명하고 센서로 반사된 광을 측정함으로써 타깃까지의 거리 맵(distance map)을 생성한다. 총 왕복 시간, 위상, 또는 파장을 포함하는 레이저 광의 속성에서의 차이는 그 다음으로, 타깃의 디지털 3D 표현을 만들기 위하여 이용될 수 있다.
라이더는 측지학(geodesy), 지형정보학(geomatics), 고고학(archaeology), 지리학(geography), 지질학(geology), 지형학(geomorphology), 지진학(seismology), 임학(forestry), 대기 물리학(atmospheric physics), 레이저 안내(laser guidance), 공중 레이저 스와스 맵핑(ALSM : airborne laser swath mapping), 및 레이저 고도계(laser altimetry)에서의 애플리케이션으로 고해상도 맵을 만들기 위하여 보편적으로 이용된다. 기술은 또한, 일부 자율 차량을 위한 제어 및 내비게이션(navigation)에서 이용된다.
일부 라이더는 간섭성 검출(coherent detection)로서 알려지는 것을 이용한다. 이 검출 방식에서, 샘플 상에서 반사된 광은 반사된 광과 간섭성인 국부 발진기(local oscillator)와 혼합된다. 이 접근법은, 단일-광자 감도(single-photon sensitivity)를 허용하고, 거리를 측정하기 위하여 위상 및 파장에서의 변화의 이용을 가능하게 하는 광학적 이득과 같은 몇몇 장점을 가진다.
이러한 유형의 라이더를 이용할 때에 나타나는 보편적인 문제는 디바이스에 대한 장면에서의 객체의 이동에 의해 유도된 주파수 시프트, 즉, 도플러 주파수 시프트로서 알려진 효과이다. 이러한 주파수 시프트는 객체의 관련된 속성을 측정하기 위하여 이용된 신호의 대역폭에 비해 클 수 있고, 이러한 관련된 데이터의 추출을 복잡하게 할 수 있다. 이 문제는 차량, 항공기, 또는 위성의 경우와 같이, 객체의 상대 속력이 상당할 경우에 아주 중요해진다.
이 주파수 시프트는 가변적이고 종종 알려지지 않고, 검출된 신호의 대역폭을 매우 상당하게 확대시킬 수 있다. 지상 차량의 경우에, 상대 속력은 300 km/h 이상에 도달할 수 있다. 이 상대 속력은
Figure pct00001
의 조명에 대한 54.0 MHz의 도플러 주파수 시프트에 대응한다. 이 가변적인 주파수 시프트는 객체 신호의 간섭성 검출에 종속되는 시스템의 전자적 판독 및 신호 프로세싱 체인(signal processing chain)을 복잡하게 한다.
신호 체인(signal chain)이 작은 수의 채널에 대하여 여전히 관리가능할 수 있더라도, 그것은 최종적인 라이더 시스템의 비용, 크기, 및 복잡성에 추가된다. 또한, 그것은 큰 수의 입력을 갖는 멀티-채널 간섭성 라이더 시스템의 실제적인 구현을 위한 주요한 장애를 제기한다.
설명된 문제를 해결하기 위하여, 접근법 중의 하나가 신호의 전체적인 데이터 레이트를 감소시키기 위하여 비-균일한 샘플링 또는 다른 압축된 감지 방식을 이용하고 있다는 것을 포함하는 몇몇 접근법이 있었다.
일반적으로, 개발된 접근법의 전부는 동일한 단점: 복잡한 전자기기 판독 회로부 및 일반적인 신호 프로세싱 체인을 가지고, 이것은 이들을 고가로 하고, 크기를 크게 하고, 큰 수의 채널을 갖는 멀티-채널 아키텍처에 대하여 구현하고 스케일링하는 것을 일반적으로 어렵게 한다.
본 발명의 LIDAR 시스템의 목적은, 하나 이상의 입력 개구부(aperture)를 이용하고 그 구현에 있어서 간단한 간섭성 라이더 시스템의 수정을 설명한다. 그 목표는 라이더에 대한 장면에서의 객체의 이동에 의해 유도된 주파수 시프트, 즉, 도플러 주파수 시프트로서 알려진 효과를 감소시키거나 완전히 제거하기 위한 것이다.
발명에서, 주파수 시프트의 감소 또는 제거는, 기준 채널에서 도플러 시프트된 신호를 측정하고, 그 다음으로, 하나 이상의 이미징 채널(imaging channel)의 주파수를 시프트시켜서 상기 도플러 시프트를 상쇄시키거나 감소시키기 위하여, 시간 도메인(time domain)에서의 신호 혼합의 수학적 속성을 이용함으로써 행해진다.
구체적으로, 본 발명의 억압된 도플러 주파수 시프트를 갖는 광 검출 및 레인징(LIDAR) 시스템은 외부 객체로 겨냥된 제1 광을 방출하도록 구성된 적어도 광원을 포함한다. 제1 광은 객체 상에서 확산성으로(diffusely) 또는 정반사성으로(specularly) 반사되고, 그 다음으로, 적어도 입력 개구부에서 수신되고, 그러므로, 반사된 광이 된다.
반사된 광은 그 다음으로, 반사된 광을 기준 채널 및 적어도 제1 이미징 채널로 분할하도록 구성된 분할기(splitter)인, 적어도 입력 개구부를 따라 위치결정된 분할기에서 분할될 수 있다.
분할 반사된 광의 일부는 그 다음으로, 적어도 제1 이미징 채널을 통해, 제1 이미징 채널에 연관된 제1 이미징 광학 IQ(In-phase and Quadrature(동위상 및 직교)) 수신기로 안내된다. 제1 이미징 광학 IQ 수신기는 제1 동위상 성분(in-phase component) 및 제1 직교 성분(quadrature component)을 포함하는 제1 간섭 신호를 획득하도록 구성된다.
추가적으로, 반사된 광의 또 다른 일부는 기준 채널을 통해, 기준 채널에 연관된 기준 광학 IQ 수신기로 안내된다. 기준 광학 IQ 수신기는 기준 동위상 성분 및 기준 직교 성분을 포함하는 기준 간섭 신호를 획득하도록 구성된다.
적어도 국부 광학 발진기(local optical oscillator)는 제1 이미징 광학 IQ 수신기 및 기준 광학 IQ 수신기에 연관되고, 반사된 광과 일시적으로 간섭성으로 되도록 구성된다.
마지막으로, 실시예에서, 시스템은, 제1 이미징 광학 IQ 수신기 및 기준 광학 IQ 수신기에 접속되고, 더 높은 주파수와의 제1 상호변조 곱(intermodulation product), 및 스케일링되거나 완전히 제거된 그 도플러 시프트와의 관심 대상 제2 상호변조 곱을 획득하도록 구성된 적어도 혼합기(mixer)를 포함한다.
위에서 설명된 시스템은 본 발명의 하나의 가능한 실시예이다. 그러나, 시스템은 기준 개구부 및 몇몇 입력 개구부, 또는 기준 채널 및 하나 이상의 입력 개구부에 연관된 몇몇 이미징 채널을 포함할 수 있다. 시스템은 또한, 모든 광학 IQ 수신기에 연관된 단일 국부 광학 발진기, 또는 기준 광학 IQ 수신기에 연관된 기준 국부 광학 발진기 및 이미지 광학 IQ 수신기에 연관된 이미징 국부 광학 발진기, 또는 기준 광학 IQ 수신기에 연관된 기준 국부 광학 발진기, 및 하나 이상의 이미징 광학 IQ 수신기에 각각 연관된 몇몇 이미징 국부 광학 발진기를 포함할 수 있다.
시스템은 또한, 이미징 국부 광학 발진기에 적용된 광학 진폭 및/또는 위상 변조기를 포함할 수 있어서, 상호변조 곱의 생성은 전자적 혼합에 대한 필요 없이 광검출기(photodetector)에서 직접적으로 발생한다.
행해진 설명을 보완하고 발명의 특성의 더 양호한 이해를 위해 보조하기 위하여, 그 실제적인 실시예의 바람직한 예에 따르면, 도면들의 세트는 상기 설명의 일체부로서 첨부되고, 여기서, 예시적이고 비-제한적인 특성으로, 다음이 기술된다.
도 1은 발명의 실시예에서 객체를 이미징하는 예시적인 라이더 시스템을 도시한다.
도 1a는 발명의 실시예에서의 입력 개구부, 광학 IQ 수신기, 및 기준 및 이미징 국부 광학 발진기의 개략도를 도시한다.
도 1b는 2x4 MMI가 발명의 실시예에서의 광학 IQ 수신기를 위하여 이용되는 대안적인 구현예를 도시한다.
도 2는 기준 채널 및 이미징 채널을 갖는 발명의 실시예에서의 라이더 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3은 기준 채널, 및 이미징 채널들 사이의 상대 위상에서 인코딩된 방향 정보를 갖는 이미징 채널들의 어레이를 갖는 발명의 실시예에서의 라이더 시스템의 개략도를 도시한다.
도 4는 복수의 입력 개구부, 및 광검출기 상에서의 기준 신호의 직접적인 혼합을 위한 진폭 변조기를 갖는 발명의 실시예에서의 라이더 시스템의 방식을 도시한다.
도 5는 하나의 방식이 차동적인 광전류(differential photocurrent)의 직접적인 승산을 가능하게 하기 위한 광검출기를 포함하는, 길버트 셀(Gilbert cell)의 2개의 방식을 도시한다.
도 6은 스위치형 커패시터(switched capacitor)를 이용하는 길버트 셀의 적분 방식을 도시한다.
도 1 내지 도 6의 도움으로, 본 발명의 바람직한 실시예가 이하에서 설명된다.
본 발명은 외부 객체(108)로 겨냥된 광(110)을 방출하도록 구성된 적어도 광원(102)을 포함하는, 도 1에서 예시된 라이더 시스템(100)과 같은 라이더 시스템에 관한 것이다. 광은 객체(108)로부터 반사되고, 반사된 광(112)은 광 수신 유닛(104)에 의해 수신된다. 더 구체적으로, 후속 도면을 참조하여 더 상세하게 논의된 바와 같이, 광은 발명의 제1 실시예에서는 기준 입력 개구부(103)에서 및 이미징 입력 개구부(101)에서 수신된다. 광원(102)은 단일 광원, 또는 상이한 파장을 가지는 다수의 광원을 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 광원(102)은 하나 이상의 레이저 소스(laser source)를 포함한다.
라이더 시스템(100)은 또한, 광 수신 유닛(104)으로부터 전기적 신호를 수신하고 수신된 전기적 신호를 이용하여 하나 이상의 프로세스를 수행하도록 구성되는 프로세서(106)를 포함한다. 예를 들어, 프로세서(106)는 객체(108)를 포함하는 3D 이미지를 재구성하기 위하여 수신된 전기적 신호를 이용할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 반사된 광(112)을 캡처하려고 시도하는 동안의 (상향 화살표에 의해 식별된) 객체(108)의 이동은 라이더 시스템(100)에 대한 객체(108)의 이동에 의해 유도된 주파수 시프트, 즉, 도플러 주파수 시프트로서 알려진 효과를 야기시킨다.
도 1a에서 보여진 바와 같이, 기준 입력 개구부(103)는 라이더 시스템(100)이 객체(108)로부터 나오는 반사된 광과 기준 발진기(113) 사이의 기준 간섭 신호(reference interference signal)를 생성하는 것을 허용한다. 이 기준 간섭 신호는 그 다음으로, 이미징 입력 개구부(101)에 의해 수집된 객체(108)로부터 나오는 반사된 광(112)과 이미징 발진기(111) 사이에서 형성된 간섭 신호를 변조하기 위하여 이용된다.
임의의 주어진 구현예에서, 기준 입력 개구부(103), 및 이미징 입력 개구부(들)(101) 중의 하나 이상 뿐만 아니라, 기준 발진기(113) 및 이미징 발진기(111)는 예를 들어, 도 1a의 실시예에서 도시된 바와 같이 중첩할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 기준 발진기(113) 및 이미징 발진기(111)는 형성된 간섭 신호가 전기적 주파수에서 프로세싱될 수 있는 그러한 방식으로, 반사된 광(112)과의 어느 정도의 시간적 간섭성(temporal coherence)을 나타낸다.
도 1a에서 도시된 하나의 예에서, 시스템은 단일 입력 개구부(101, 103)를 포함한다. 이 경우에, 시스템은 객체(108)로 겨냥된 광을 방출하는 광원(102)을 포함한다. 광은 객체에서 반사되고, 입력 개구부(101, 103)에 의해 시스템에 진입하는 반사된 광(112)은 1x2 분할기일 수 있는 분할 엘리먼트(2)에 의해 제1 이미징 채널(3) 및 기준 채널(4)로 분할된다.
일부 실시예에 따르면, 적어도 2개의 채널(예컨대, 기준 채널(4) 및 제1 이미징 채널(3))은 비-도플러 정보-유지 변조는 이들 사이에서 상이하게 체류하는 동안에, 실질적으로 동일한 방식으로 도플러 주파수 시프트를 통해 객체의 이동에 의해 영향을 받는다. 이것은 정보-유지 변조가 복원되는 동안에, 두 채널 상의 신호가 도플러 주파수 시프트가 제거되거나 대폭 감소되는 방식으로 합성하는 것을 허용한다.
도 1a에서 도시된 바와 같이, 제1 이미징 채널(3)은 제1 이미징 광학 IQ 수신기(5)로 피드(feed)되고, 기준 채널(4)은 기준 광학 IQ 수신기(6)로 피드된다. 제1 이미징 광학 IQ 수신기(5)는 이미징 발진기(111)와 연관되고, 기준 광학 IQ 수신기(6)는 기준 발진기(113)와 연관된다. 광학 IQ 수신기(5, 6) 내에서, 두 발진기(111, 113)는 일부 실시예에 따라, 각각의 채널의 동위상 성분(in-phase component)(7, 9) 및 직교 성분(quadrature component)(8, 10) 사이의 위상 시프트를 생성하는 90° 하이브리드(hybrid)를 통해 피드된다.
다른 실시예에서, IQ 수신기(5, 6)는 4개의 출력(7, 8, 9, 10)과 2개의 입력들(3, 4) 각각 사이의 위상 시프트를 제공하도록 설계된 2x4 MMI 결합기(coupler)에 의해 구현된다. 도 1b에는, 제1 이미징 광학 IQ 수신기(5)가 제1 이미징 채널(3) 및 이미징 발진기(111)로 피드되는 2x4 MMI 결합기이고, 기준 광학 IQ 수신기(6)가 기준 채널(4) 및 기준 발진기(113)로 피드되는 2x4 MMI 결합기인 실시예가 도시되어 있다.
실시예에서, 이미징 발진기(111)는 표준 FMCW(Frequently Modulated Continuous Wave(빈번하게 변조된 연속파)) 방식을 따라 스윕(sweep)된 그 파장을 가지고, 기준 발진기(113)는 그 파장을 정적으로 유지한다. 일부 실시예에 따르면, 반사된 광(112)은 발진기(111, 113)에서의 두 성분과 간섭성인 성분을 가진다. 이에 대하여, 어느 하나의 조명은 두 성분의 조합으로부터 도출되거나, 두 성분은 상호 간섭성(mutual coherence)을 보증하는 조명을 갖는 공통 원점을 공유한다.
일부 실시예에 따르면, 제1 이미징 광학 IQ 수신기(5)는 제1 이미징 채널(3)과 연관되고, 그것은 제1 동위상 성분(7) 및 제1 직교 성분(8)을 포함하는 제1 간섭 신호를 획득하도록 구성된다. 기준 광학 IQ 수신기(6)는 기준 채널(4)에 연관되고, 기준 동위상 성분(9) 및 기준 직교 성분(10)을 포함하는 기준 간섭 신호를 획득하도록 구성된다.
두 간섭 신호는 실질적으로 동일한 방식으로(일부 실시예에서, 상이한 파장으로 인한 작은 차이를 가짐) 도플러에 의해 영향받을 것이다. 그러나, 이미징 발진기(111)와 연관된 제1 간섭 신호만이 그 간섭 주파수에서 객체(108)와 라이더 시스템(100) 사이의 거리에 대한 정보를 운반한다.
도 2에서 보여진 바와 같이, 적어도 하나의 혼합기(121 내지 124)(때때로, 12로서 집합적으로 또한 식별됨)에서 제1 간섭 신호 및 기준 신호를 혼합하는 것은 2개의 상호변조 곱의 생성으로 귀착된다. 예를 들어, 혼합은 폐기될 수 있는, 더 높은 주파수와의 제1 상호변조 곱, 및 상당히 스케일링된 그 도플러 시프트를 가지고 레인징 및 진폭 정보를 기저대역으로 가져 갈 가능성을 제공하여, 이에 따라, 샘플링 주파수 및 전자기기 판독 복잡성을 최소화하는, 더 낮은 주파수와의 출력 상호변조 곱(16)을 생성한다.
예시를 위하여, 제1 간섭 신호 및 기준 간섭 신호는 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 이 구현예에 대하여 도출된다. 이미징 입력 개구부(101)가 어레이의 일부일 경우에 가능한 상대 위상 시프트를 제외하고는, 이미징 입력 개구부(101) 및 기준 개구부(103)는 실질적으로 동일한 위치에 있는 것으로 간주된다. (연관된 파수 및 각 주파수
Figure pct00002
및
Figure pct00003
를 각각 갖는) 파장 및 동일한 진폭 A를 갖는 2개의 광원에 의한 장면의 동일한 조명의 경우에, 광원으로부터의 거리 x에서의 광 신호는 다음과 같다:
Figure pct00004
여기서, 라이더 시스템의 제1 광원의 제1 파장은 상수
Figure pct00005
와의 선형 주파수 변조를 거지는 것으로 간주된다. 광원에 의해 방출된 광을 반사하는 객체가 단일 확산 반사기이고, 객체는 입력 개구부(101)의 방향에서의 세기 반사율(intensity reflectivity)
Figure pct00006
및 입력 개구부(101)와 객체
Figure pct00007
사이의 방향에서의 상대 속도(relative velocity)를 갖는 거리
Figure pct00008
에 있을 경우에, 입력 개구부(101)에서 수집된 광의 반사된 필드는 다음과 같을 것이다:
Figure pct00009
여기서,
Figure pct00010
는 개구부들의 어레이가 있을 경우에 입력 개구부의 인덱스이다. 도플러 시프트는 수학식에서의
Figure pct00011
및
Figure pct00012
항에서 가시적이어서, 반사된 광의 주파수를 수정한다.
광학 IQ 수신기(5, 6)에서의 간섭 신호의 계산을 위하여, 기준 및 이미징 발진기(111, 113)의 2개의 파장 성분이 유니티 진폭(unity amplitude)을 가지는 것으로 단순화를 위하여 간주된다.
Figure pct00013
이미징 광학 IQ 수신기(5) 및 기준 광학 IQ 수신기(6) 후에, 제1 간섭 신호 및 기준 간섭 신호는 각각 다음과 같다:
Figure pct00014
이들에 있어서, 광학 각 주파수의 차이가 지속되는 맥놀이 곱(beating product)은 일단 검출되면, 전기적 표준에 대한 매우 높은 주파수에 있을 것이다. 예를 들어, 광원의 광의 2개의 파장이 1.55
Figure pct00015
의 파장에서 0.1 nm 떨어져 있는 것으로 가정하면, 상호변조 곱은 12.5 GHz의 주파수를 가진다:
Figure pct00016
반대로, 국부 발진기 및 반사된 광 주파수가 동일한 맥놀이 곱은 방출되고 수신된 위상 변조 주파수 플러스(plus) 또는 마이너스(minus) 도플러 시프트 사이의 주파수 차이로부터 도출된 더 낮은 주파수로 복조된다.
지상 차량의 전형적인 속력에 대하여, 도플러 시프트는 100 MHz 이하일 것이고, 따라서, 일부 실시예에 따르면, 저역-통과 필터(low-pass filter)에 의해 더 높은 주파수 혼합 항(광학 각 주파수의 차이를 포함하는 항)을 억압하는 것이 가능하다. 그러므로, 도 2에서 도시된 바와 같이, 저역-통과 필터들(13)의 제1 세트는 제1 동위상 성분(7), 제1 직교 성분(8), 기준 동위상 성분(9), 및 기준 직교 성분(10)을 필터링하기 위하여 광학 IQ 수신기(5, 6)와 연관될 수 있다.
간섭 신호의 저주파수 성분은 다음과 같이 제공된다:
Figure pct00017
심도(depth) 및 속력 정보는 두 광전류의 주파수(및 위상)에서 인코딩된다. 주파수 정보에만 초점을 맞춤으로써,
Figure pct00018
및
Figure pct00019
의 주파수는 다음과 같다는 것이 관찰된다:
Figure pct00020
이 두 주파수 시프트의 성분은 라인 레이트(line rate)와 상이하게 스케일링한다. 변조 상수
Figure pct00021
는 거리-도출된 주파수에 대해 직접적인 영향을 준다. 그러나, 도플러 시프트는 독립적으로 유지되고, 장면 속성에 의해 결정된다. 도플러 시프트가 수십 MHz의 주파수 위로 갈 수 있으므로, 그것은 전형적으로 고속 취득 전자기기를 사용하고, 이것은 시스템의 비용에 추가될 수 있다. 이 비디오 주파수는 또한, 다수의 병렬 이미징 채널(3)에 의한 장면 검출을 스케일링 업(scaling up)할 때에 문제가 될 수 있다.
그러나, 이러한 두 주파수의 차이는 다음과 같다:
Figure pct00022
일부 실시예에 따르면, 2개의 광원에 의해 방출된 광의 2개의 파장이 서로에게 근접하도록 선택될 경우에(예를 들어, 1.55
Figure pct00023
의 파장에서의 0.1 nm의 분리), 도플러 주파수 시프트의 차이는 상당히 감소된다(50 m/s의
Figure pct00024
에 대하여 2 kHz).
그러나, 두 파장이 동일할 수 있다는 것은 언급할 가치가 있다. 이 경우에, 도플러 시프트는 전적으로 억압될 수 있는 반면, FMCW로 인한 주파수 시프트는 보존된다. 이 접근법은 광학 시스템 및 연관된 전기-광학 회로부를 단순화한다.
두 파장이 동일할 경우에, 도플러 시프트는 전적으로 억압될 수 있고, 신호 주파수는 기저대역으로 이동된다. 이러한 더 낮은 도플러 주파수는 큰 수의 입력 개구부(101)가 희망되는 시스템에서 라인 레이트, 데이터 스루풋(data throughput), 및 하드웨어 복잡성의 상당한 감소를 허용한다. 도플러 주파수가 보존될 경우에, 도플러 시프트는 측정되도록 하기 위하여 FMCW 변조로부터 분명해져야 한다. 이것을 달성하기 위한 하나의 예시적인 방법은 시간 경과에 따라 FMCW 주파수 스윕에서 K를 변화시키고 두 변조 기울기 사이의 결과적인 전기적 주파수 시프트를 비교하는 것이다.
위의 광학 IQ 수신기(5, 6)로부터 획득된 주파수를 추출하기 위한 하나의 예시적인 방법은 전류 중의 하나를 다른 것의 복소 공액(complex conjugate)과 승산하는 것이다. 표준 주파수 혼합 기법이 적용될 수 있다. 이것은 디지털 또는 아날로그 도메인에서, 그리고 잠재적으로 이하에서 지시된 바와 같은 간섭 신호에 기초하여 행해질 수 있다:
Figure pct00025
실시예에서, 이것은 제1 이미징 광학 IQ(5) 및 기준 광학 IQ(6) 출력, 또는 제1 저역-통과 필터 세트(13) 출력에 접속된 하나 이상의 혼합기(121 내지 124)를 이용하여 도 2에서 도시된 바와 같이 구현될 수 있다. 위의 4개의 승산 항들 각각은 주파수의 차이
Figure pct00026
(저주파수)와의 제1 상호변조 곱, 및 도플러 주파수
Figure pct00027
의 추가를 포함하는 제2 상호변조 곱을 포함한다.
4개의 승산 항이 합성될 때, 도플러 주파수의 추가에 관련된 항은 상쇄되고, (위의
Figure pct00028
에 따라) 그 주파수에서 심도 정보를 포함하는 저주파수 상호변조 곱만이 출력 상호변조 곱(16)으로서 유지된다.
일부 실시예에 따르면, 승산 항들 각각의 더 높은 주파수 성분은 저역-통과 필터들(23)의 제2 세트를 이용하여 필터링되어, 저주파수 상호변조 곱만이 유지된다. 이 저주파수 상호변조 곱은 출력 상호변조 곱(16)으로서, (위의
Figure pct00029
에 따라) 그 주파수에서 심도 정보를 포함한다. 일부 실시예에 따르면, 출력 상호변조 곱(16)은 하나 이상의 비-선형 증폭기(25)를 이용하여 증폭된다.
도 2에서 도시된 실시예에서, 하나 이상의 혼합기(121 내지 124)는 제1 직교 성분(8) 및 기준 동위상 성분(9)을 혼합하여, 승산 항
Figure pct00030
을 제공하도록 설계된 제1 혼합기(121), 및 제1 동위상 성분(7) 및 기준 동위상 성분(9)을 혼합하여, 승산 항
Figure pct00031
을 제공하도록 설계된 제2 혼합기(122)를 포함한다.
대안적인 복조 기법에서, 당업자는, 제1 동위상 성분(7), 제1 직교 성분(8), 및 기준 동위상 성분(90)의 시간-미분 및 기준 직교 성분(91)의 시간-미분을 생성하는 시간 미분 모듈(15)에 의해 제공된 바와 같은 기준 간섭 신호의 미분을 의미하는, 간섭 신호의 개별적인 성분으로 작업할 수 있고, 기저대역 변환 및 복조를 동시에 수행하는 FM 복조 기법을 적응시킬 수 있다.
이것은 이미징 발진기 및 기준 발진기의 둘 모두가 동일한 실시예에서 특히 유용할 수 있는데, 그 이유는 그 상황에서, 위에서 표현된 바와 같은 승산 항에서의 주파수 차이가
Figure pct00032
= 0일 것이고, 시간-미분의 이용이 시간-미분된 신호의 진폭에 대한 주파수-인코딩된 심도-정보를 추출하도록 허용하기 때문이다.
예를 들어, 이미징 및 기준 발진기가 동일한 경우에 하나 이상의 혼합기(121 내지 124)에서 수행될 수 있는 동작은 다음과 같다:
Figure pct00033
직접적인 주파수 혼합 접근법과 유사하게, 이 경우에, 당업자는 위의 4개의 승산 항을 생성할 수 있고, DC 성분만을 남기도록 이들을 합성할 수 있거나, 또는 대안적으로, 당업자는 저역-통과 필터들(23)의 제2 세트를 이용하여 승산 항들 각각의 더 높은 주파수 성분을 필터링할 수 있고, 그 진폭에서 심도 및 도플러 정보를 포함하는 DC 성분만을 유지할 수 있다.
도플러 및 심도 정보를 분리하기 위하여, 당업자는 시간 경과에 따라 FMCW 주파수 스윕에서 K를 변화시킬 수 있고, 예컨대, 그 부호를 교대시킬 수 있고, 두 변조 기울기 사이의 결과적인 전기적 주파수 시프트를 비교할 수 있다.
직접적인 FM 복조의 단점은 객체의 반사율
Figure pct00034
및 주파수 시프트가 이 DC 값에서 혼합된다는 사실이다. 일부 실시예에 따르면, 이것은 진폭을 별도로 복조함으로써 해결될 수 있다:
Figure pct00035
대안적으로, 이미징 및 기준 발진기가 동일한 경우에는, 객체 반사율이 (예컨대, 도 2로부터의 제1 혼합기(121) 및 제2 혼합기(122)에 의해 제공된 바와 같은) 시간-미분 전에 신호 성분과 기준 성분 사이의 승산 항으로부터 또한 획득될 수 있다.
직접적인 FM 복조 접근법의 이용을 위하여, 도 2는 시간 미분 모듈(15), 및 제1 동위상 성분(7) 및 시간-미분된 기준 직교 성분(91)을 혼합하도록 설계된 제3 혼합기(123), 및 제1 직교 성분(8) 및 시간-미분된 기준 직교 성분(91)을 혼합하도록 설계된 제4 혼합기(124)를 포함하는 하나 이상의 혼합기(121 내지 124)를 예시한다. 그러므로, 도 2에서의 실시예는 주파수 및 진폭 복조의 둘 모두를 동시에 포함하는 복조 방식을 제공한다.
도 3은 다수의 이미징 채널(3)이, 동일한 장면으로부터 나오지만 별도의 광원(상이한 파장 중의 하나이지만, 장면으로부터 수집된 파워(power)의 적어도 일부분과 간섭성임)과 혼합된 반사된 광(112)으로부터 획득된 공통 기준 채널(4)과 합성되는 구현예를 도시한다.
도 3에서 도시된 방식의 장점은 상이한 이미징 채널(3)이 복조 후에 전기적 도메인에서 (IQ 데이터 내에 포함된) 상대적인 위상 차이를 보존한다는 것이다. 이것은 상이한 방향을 복원하기 위하여 상기 이미징 채널(3)로부터 나오는 복조된 신호의 간섭성 조합을 허용한다.
(도 3에서 12로서 집합적으로 표현된) 다양한 혼합기에 대하여, 상이한 구성 방식을 이용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 혼합기는 트랜스리니어(translinear) 방식에 의존하는 회로에 기초하여 아날로그 도메인에서 구현될 수 있다. 이 회로들 중의 하나는 길버트 셀(Gilbert cell)일 수 있고, 그 예는 도 5에서 도시되어 있다. 이 회로는 간섭 신호의 모든 4개의 사분면(quadrant)에서 작동하는 장점을 가진다. 셀에 대한 입력이 차동적이고 전압-기반인 것으로 주어지면, 위의 광학 IQ 수신기(5, 6)로부터 나오는 광전류는 일부 실시예에 따라, 트랜스임피던스 증폭기(transimpedance amplifier)(14)에 의해 전압으로 증폭될 수 있고, 적절한 경우에, 아날로그 도메인에서 도출될 수 있다.
길버트 셀을 단순화하기 위하여, 균형화된 차동 쌍의 광전류를 입력 신호 및 전류 바이어스의 둘 모두의 소스(source)로서 이용하는 것이 가능할 수 있다. 이것은 중간 트랜스임피던스 증폭기에 대한 필요성을 감소시킬 것이고, 대규모 적분(integration)을 달성하기 위하여 셀을 복제(replication)에 더 순응적으로 할 것이다. 일부 실시예에 따르면, 상이한 이미징 채널(3)과 혼합되어야 할 이미지 발진기(111)는 주요한 확장성 쟁점 없이 단일 이미징 입력 개구부(101)로부터의 검출 어레이(예컨대, 이미징 채널) 상에서 전압 신호로서 생성되고 분산될 수 있다.
셀의 판독을 단순화하기 위하여, 스위치형 커패시터 및 멀티플렉싱된 비디오 출력을 갖는 적분 방식은 예를 들어, 도 6에서 도시된 바와 같이 적용될 수 있다. 이러한 스위치형 커패시터의 판독은 정상적인 이미징 센서와 동일한 방식으로 구조화될 수 있다. 예를 들어, 스위치형 커패시터는 열(column)에 의해 편성될 수 있고, 멀티플렉싱 방식은 아날로그 값을 적절한 ACD 회로부로 라우팅하기 위하여 이용될 수 있다.
마지막으로, 희망된 혼합 기능을 제공하기 위하여, 이미징 채널들 각각으로 가는 광학 국부 발진기의 진폭을 변조하는 것이 또한 가능하다. 이것이 행해질 경우에, 광검출 후에 전자적 혼합이 필요하지 않고, 이것은 시스템 복잡성의 측면에서 장점을 제공한다. 일부 실시예에 따르면, 광학 변조기(17)는 도 4에서 도시된 바와 같이, 광학 국부 발진기의 진폭을 변조하기 위하여 이용된다. 실시예에서, 광학 변조기(17)는 전기-광학 흡수, 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계, 또는 이와 다른 것에 기초하든지 간에, 광학 진폭 변조기이다.
진폭 변조가 일부 레벨의 위상 변조를 남길 경우에, 위상 변조기는 일정한 위상 동작을 보장하고 기준 채널에서의 비희망된 주파수 시프트를 회피하기 위하여 직렬로 추가될 수 있다. 진폭 변조는 또한, 광학 증폭기, 레이저 전류의 변조 등을 통한 것과 같은 상이한 방식으로 획득될 수 있다.
일부 실시예에서는, 희망된 수학적 결과를 직접적으로 달성하기 위하여, 제1 동위상 성분(7), 제1 직교 성분(8), 기준 동위상 성분(9), 및 기준 직교 성분(10)이 신호의 상이한 버전(version)과 승산되고 서로에 대해 90° 시프트된다. 이것을 물리적으로 달성하기 위하여, 각각의 출력 혼합기(12)에 대한 별도로 변조된 기준 신호의 분포가 이용될 수 있다. 이 2개의 채널에 적용되어야 할 변조가 또한, 전기적 도메인에서 직교적인 사실이 주어지면, 일부 실시예에서는, 도 4에서 도시된 바와 같이 변조 신호에서 이들을 함께 추가하는 것이 가능하다.
일부 실시예에 따르면, 제1 동위상 성분(7)과 제1 직교 성분(8) 사이 또는 기준 동위상 성분(9)과 기준 직교 성분(10) 사이의 곱은 필터링될 수 있는 고주파수 상호변조 곱을 생성한다.
진폭 및 거리 정보를 분리하기 위하여, 광학 변조기(17)에 적용된 변조 신호는 (시간 미분을 갖거나 갖지 않는) 상이한 모드 사이에서 스위칭될 수 있어서, 일부 실시예에 따르면, 대안적으로, 심도 정보 및/또는 신호 진폭이 복원된다. 복조 신호의 스위칭과 동기화되는 적분기(integrator)를 갖는 구현예를 위하여 적당할 수 있는 이 시간-도메인 멀티플렉싱은 또한, 다른 멀티플렉싱 방식(주파수 도메인 멀티플렉싱, 코드 멀티플렉싱 등)에 의해 대체될 수 있다. 이미징 채널 및 기준 채널의 둘 모두 상에서 변조 신호를 스위칭하는 것은 스위치(27)를 이용하여 수행될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 도 4는 위에서 설명된 2개의 구현 옵션, 즉, 단일 파장에 대하여, 광학 기준 신호의 진폭 변조에 의한 도플러 주파수 복조, 및 진폭/주파수 복조의 시간 멀티플렉싱을 도시한다.

Claims (22)

  1. 억압된 도플러 주파수 시프트(Doppler frequency shift)를 갖는 광 검출 및 레인징(LIDAR : light detection and ranging) 시스템으로서,
    - 제1 광을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 광원(102),
    - 상기 광원(102)에 의해 조사되는 이동하는 객체(108)에 의해 반사되는 입력 반사된 광을 수신하도록 구성된, 적어도 하나의 이미징 입력 개구부(101) 및 상기 적어도 하나의 이미징 입력 개구부(101)에 연관된 하나의 이미징 채널(3),
    - 상기 광원(102)에 의해 조사되는 상기 이동하는 객체에 의해 반사되는 기준 반사된 광을 수신하도록 구성된, 적어도 하나의 기준 개구부(103) 및 상기 적어도 하나의 기준 개구부(103)에 연관된 하나의 기준 채널(4),
    - 적어도 하나의 이미징 발진기(111),
    - 상기 이미징 입력 개구부(101) 및 상기 이미징 발진기(111)에 연관되고, 상기 입력 반사된 광과 상기 이미징 발진기(111) 사이의 간섭 신호를 획득하도록 구성된 적어도 하나의 제1 이미징 광학 수신기(5),
    - 기준 발진기(113),
    - 상기 기준 개구부(101) 및 상기 기준 발진기(113)에 연관되고, 상기 기준 반사된 광과 상기 기준 발진기(113) 사이의 기준 간섭 신호를 획득하도록 구성된 기준 광학 수신기(6),
    - 적어도 제1 이미징 광학 수신기(5) 및 상기 기준 광학 수신기(6)에 접속되고, 상기 간섭 신호와 상기 기준 간섭 신호 사이의 상호변조 곱(16)을 생성하여, 상기 이동하는 객체(108)에 의해 야기된 상기 도플러 주파수 시프트가 상쇄되거나 감소되도록 구성된 적어도 하나의 혼합기(12)를 포함하는, 라이더(LIDAR) 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 제1 이미징 광학 수신기(5)는 제1 동위상 성분(in phase component)(7) 및 제1 직교 성분(quadrature component)(8)을 포함하는, 상기 입력 반사된 광과 상기 이미징 발진기(111) 사이의 간섭 신호를 획득하도록 구성된 광학 IQ 수신기이고, 상기 기준 광학 수신기(6)는 기준 동위상 성분(9) 및 기준 직교 성분(10)을 포함하는 기준 간섭 신호를 획득하도록 구성된 광학 IQ 수신기인, 라이더 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기준 광학 수신기(6)에 연관되고, 상기 기준 동위상 성분(9) 및 상기 기준 직교 성분(10)을 시간 미분하도록 의도된 시간 미분 모듈(15)을 더 포함하는, 라이더 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 혼합기(12)는,
    - 상기 제1 직교 성분(8) 및 상기 기준 동위상 성분(9)을 혼합하도록 의도된 제1 혼합기(121),
    - 상기 제1 동위상 성분(7) 및 상기 기준 동위상 성분(9)을 혼합하도록 의도된 제2 혼합기(122)를 포함하는, 라이더 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 혼합기(12)는,
    - 상기 제1 직교 성분(8) 및 상기 기준 직교 성분(10)을 혼합하도록 의도된 제1 혼합기(121),
    - 상기 제1 동위상 성분(7) 및 상기 기준 직교 성분(10)을 혼합하도록 의도된 제2 혼합기(122)를 포함하는, 라이더 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 혼합기(12)는,
    - 상기 제1 동위상 성분(7) 및 상기 시간-미분된 기준 직교 성분(91)을 혼합하도록 의도된 제3 혼합기(123), 및
    - 상기 제1 직교 성분(8) 및 상기 시간-미분된 기준 직교 성분(91)을 혼합하도록 의도된 제4 혼합기(124)를 포함하는, 라이더 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 혼합기(12)는,
    - 상기 제1 동위상 성분(7) 및 상기 시간-미분된 기준 동위상 성분(90)을 혼합하도록 의도된 제3 혼합기(123), 및
    - 상기 제1 직교 성분(8) 및 상기 시간-미분된 기준 동위상 성분(90)을 혼합하도록 의도된 제4 혼합기(124)를 포함하는, 라이더 시스템.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 혼합기(12)와 연관된 저역-통과 필터(23)를 더 포함하는, 라이더 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기준 발진기(113) 및 상기 이미징 발진기(111)는 공통 원점을 공유하는, 라이더 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기준 개구부(103)는 상기 입력 개구부(101)와 동일하고, 상기 기준 채널(4) 및 상기 이미징 채널(3)은 분할기(2)에 의해 그로부터 도출되는, 라이더 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기준 발진기(113)의 파장은 정적으로 체류하고, 상기 제1 광학 발진기(111)의 파장은 표준 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave(주파수 변조된 연속파)) 방식을 따라 스윕되는, 라이더 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광학 수신기(5, 6)와 연관되고, 상기 간섭 신호 및 상기 기준 간섭 신호를 필터링하도록 구성된 하나 이상의 저역-통과 필터(13)를 더 포함하는, 라이더 시스템.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 기준 광학 수신기(6) 및 상기 제1 이미징 광학 수신기(5)를 따라 위치결정되고, 상기 기준 동위상 성분(9), 상기 기준 직교 성분(10), 상기 제1 동위상 성분(7), 및 상기 제1 직교 성분(8)을 증폭하도록 구성된 트랜스임피던스 증폭기(transimpedance amplifier)(14)를 더 포함하는, 라이더 시스템.
  14. 제1항, 또는 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합기(12)는 길버트 셀(Gilbert cell)인, 라이더 시스템.
  15. 라이더 시스템으로서,
    - 제1 광을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 광원(102),
    - 상기 광원(102)에 의해 조사되는 이동하는 객체(108)에 의해 반사되는 입력 반사된 광을 수신하도록 구성된, 적어도 하나의 이미징 입력 개구부(101) 및 상기 적어도 하나의 이미징 입력 개구부(101)에 연관된 하나의 이미징 채널(3),
    - 상기 광원에 의해 조사되는 상기 이동하는 객체에 의해 반사되는 기준 반사된 광을 수신하도록 구성된, 적어도 하나의 기준 개구부(103) 및 상기 적어도 하나의 기준 개구부(103)에 연관된 하나의 기준 채널(4),
    - 적어도 하나의 이미징 발진기(111),
    - 상기 이미징 입력 개구부(101) 및 상기 이미징 발진기(111)에 연관되고, 상기 입력 반사된 광과 상기 이미징 발진기(111) 사이의 간섭 신호를 획득하도록 구성된 적어도 하나의 제1 이미징 광학 수신기(5),
    - 기준 발진기(113),
    - 상기 기준 개구부(101) 및 상기 기준 발진기(113)에 연관되고, 상기 기준 반사된 광과 상기 기준 발진기(113) 사이의 기준 간섭 신호를 획득하도록 구성된 기준 광학 수신기(6),
    - 상기 적어도 하나의 이미징 발진기(1110에 접속되고, 상기 기준 채널(4)로부터 도출된 신호로 진폭 또는 위상 변조를 상기 이미징 발진기(111)에 적용하여, 상기 간섭 신호와 상기 기준 간섭 신호 사이의 상호변조 곱(16)이 적어도 제1 이미징 광학 수신기(5)의 출력에서 나타나고, 상기 이동하는 객체에 의해 야기된 상기 도플러 주파수 시프트가 상쇄되거나 감소되도록 구성된 광학 변조기(17)를 포함하는, 라이더 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 적어도 제1 이미징 광학 수신기(5)는 제1 동위상 성분(7) 및 제1 직교 성분(8)을 포함하는, 상기 입력 반사된 광과 상기 이미징 발진기(111) 사이의 간섭 신호를 획득하도록 구성된 광학 IQ 수신기이고, 상기 기준 광학 수신기(6)는 기준 동위상 성분(9) 및 기준 직교 성분(10)을 포함하는 기준 간섭 신호를 획득하도록 구성된 광학 IQ 수신기인, 라이더 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 기준 발진기(113) 및 상기 이미징 발진기(111)는 공통 원점을 공유하는, 라이더 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 기준 개구부(103)는 상기 입력 개구부(101)와 동일하고, 상기 기준 채널(4) 및 상기 이미징 채널(3)은 분할기(2)에 의해 그로부터 도출되는, 라이더 시스템.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 기준 발진기(113)의 파장은 정적으로 체류하고, 상기 제1 광학 발진기(111)의 파장은 표준 FMCW 방식을 따라 스윕되는, 라이더 시스템.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 광학 수신기(5, 6)에 연관되고, 상기 간섭 신호 및 상기 기준 간섭 신호를 필터링하도록 구성된 하나 이상의 저역-통과 필터(13)를 더 포함하는, 라이더 시스템.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 기준 광학 수신기(6) 및 상기 제1 이미징 광학 수신기(5)를 따라 위치결정되고, 상기 기준 동위상 성분(9), 상기 기준 직교 성분(10), 상기 제1 동위상 성분(7), 및 상기 제1 직교 성분(8)을 증폭하도록 의도된 트랜스임피던스 증폭기(14)를 추가적으로 포함하는, 라이더 시스템.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항의 상기 시스템을 이용하는 라이더 시스템에서 도플러 주파수 시프트를 억압하기 위한 방법으로서,
    - 이동하는 객체(108)로 겨냥된 제1 광(110)을 방출하는 단계,
    - 상기 이동하는 객체(108)로부터 나오는 반사된 광(112)을 수신하는 단계,
    - 상기 반사된 광(112)과 이미징 발진기(111) 사이의 제1 간섭 신호를 획득하는 단계,
    - 상기 반사된 광(112)과 기준 발진기(113) 사이의 기준 간섭 신호를 획득하는 단계,
    - 상기 간섭 신호와 상기 기준 간섭 신호 사이의 상호변조 곱(16)을 획득하여, 상기 이동하는 객체(108)에 의해 야기된 상기 도플러 주파수 시프트가 상쇄되거나 감소되도록 하는 단계를 포함하는, 방법.
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