KR20230156964A - 코히런트 lidar의 스캐닝을 최적화하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

코히런트 lidar의 스캐닝을 최적화하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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스테픈 씨. 크로우치
에드워드 조셉 앵거스
미셸 밀비치
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블랙모어 센서스 앤드 애널리틱스, 엘엘씨
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Abstract

장치는 모터, 제1 스캐너 및 제2 스캐너를 포함한다. 제1 스캐너는 모터에 결합되고, 모터는 제3 평면 내에서 제1 스캐너에 입사하는 제1 빔을 제3 평면과 상이한 제1 평면으로 편향시키기 위하여 회전 축을 중심으로 제1 각속도로 제1 스캐너를 회전시키도록 구성된다. 제2 스캐너는 모터에 결합되고, 모터는 제3 평면 내에서 제2 스캐너에 입사하는 제2 빔을 제3 평면과 상이한 제2 평면으로 편향시키기 위하여 회전 축을 중심으로 제2 각속도로 제2 스캐너를 회전시키도록 구성된다.

Description

코히런트 LIDAR의 스캐닝을 최적화하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR OPTIMIZING SCANNING OF COHERENT LIDAR}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 전체 개시 내용이 본 명세서에 참조로서 포함되는 2018년 10월 2일 출원된 미국 임시 출원 번호 제62/739,915호에 대한 우선권 및 그 이익을 주장한다.
광학 검출 및 거리 측정(Light detection and ranging)을 위한, 종종 니모닉(mnemonic)인 라이다(LIDAR)로 불리고, 때때로 레이저 레이다(laser RADAR(radio-wave detection and ranging))라고도 불리는 레이저를 이용한 광학적 거리 검출은 고도 측정으로부터, 이미징, 충돌 회피에 이르기까지 다양한 응용을 위해 사용된다. LIDAR는 RADAR와 같은 종래의 마이크로파 거리 측정 시스템(microwave ranging system)보다 작은 빔 크기로 더 미세한 거리 해상도(range resolution)를 제공한다.
적어도 하나의 양태는 장치에 관한 것이다. 장치는 모터, 제1 스캐너 및 제2 스캐너를 포함한다. 제1 스캐너는 모터에 결합되고, 모터는 제3 평면 내에서 제1 스캐너에 입사하는 제1 빔을 제3 평면과 상이한 제1 평면으로 편향시키기 위하여 회전 축을 중심으로 제1 각속도로 제1 스캐너를 회전시키도록 구성된다. 제2 스캐너는 모터에 결합되고, 모터는 제3 평면 내에서 제2 스캐너로 입사하는 제2 빔을 제3 평면과 상이한 제2 평면으로 편향시키기 위하여 회전 축을 중심으로 제1 각속도와 상이한 제2 각속도로 제2 스캐너를 회전시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 제1 스캐너는 제1 폴리곤 스캐너(polygon scanner)이고, 제2 스캐너는 제2 폴리곤 스캐너이다.
일부 실시예에서, 제1 스캐너는 제1 평면 내의 제1 각도로부터 제1 평면 내의 제1 각도에 대해 60도 이하인 제1 평면 내의 제2 각도로 제1 빔을 편향시키도록 구성된다. 제2 스캐너는 제2 평면 내의 제1 각도로부터 제2 평면 내의 제1 각도에 대해 60도 이하인 제2 평면 내의 제2 각도로 제2 빔을 편향시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 스캐너는 제2 스캐너와 상이한 방향으로 회전하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 제1 스캐너는 제1 영역을 스캔하도록 구성되고, 제2 스캐너는 제2 영역을 스캔하도록 구성된다. 제1 영역은 제3 평면에 대해 상대적으로 제2 영역의 아래에 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는 제1 빔의 방향을 제1 스캐너로부터 제2 스캐너로 조정하도록 구성된 제3 스캐너를 포함한다.
일부 실시예에서, 모터는 구동 샤프트와 유성 베어링을 수용하는 제1 스캐너의 리세스(recess)를 통해 제1 스캐너에 장착되는 구동 샤프트와 유성 베어링을 포함한다. 장치는, 복수의 유성 변속 기어(planetary transmission gear), 구동 태양 기어(driver sun gear) 및 링 기어(ring gear)를 포함할 수 있다. 복수의 유성 변속 기어 및 구동 태양 기어는 링 기어 내에 위치된다. 제2 스캐너는 복수의 유성 변속 기어 및 구동 태양 기어에 의해 제1 스캐너에 장착된다. 복수의 유성 변속 기어, 구동 태양 기어 또는 링 기어 중 적어도 하나의 하나 이상의 파라미터는, 제2 스캐너의 회전 속도의 크기에 대한 제1 스캐너의 회전 속도의 크기의 비를 1보다 더 크게 설정하도록 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 스캐너는 제1 기간 동안 제1 빔을 스캔하도록 구성되고, 제2 스캐너는 제1 기간 후에 제2 기간 동안 제2 빔을 스캔하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 제1 각속도의 회전 속도는 대략 1000 rpm(revolution per minute: 분당회전수) 내지 대략 5000 rpm의 범위 내에 있고, 제2 각속도의 회전 속도는 대략 200 rpm 내지 대략 1000 rpm의 범위 내에 있다.
일부 실시예에서, 모터는 제1 스캐너를 회전시키도록 구성된 제1 모터 및 제2 스캐너를 회전시키도록 구성된 제2 모터를 포함한다.
일부 실시예에서, 장치는 자율 주행 차량에 장착된다. 장치는 제1 빔 또는 제2 빔 중 적어도 하나에 대응하는 적어도 하나의 리턴 빔을 수신하고 적어도 하나의 리턴 빔에 대응하는 신호를 차량 컨트롤러에 제공하도록 구성된 도파관(waveguide)을 포함할 수 있다. 차량 컨트롤러는 적어도 하나의 리턴 빔에 대응하는 신호에 응답하여 차량의 방향 또는 속도 중 적어도 하나를 제어하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는 레이저 소스, 적어도 하나의 도파관 및 적어도 하나의 콜리메이터(collimator)를 포함한다. 적어도 하나의 도파관은, 레이저 소스로부터 제3 빔을 수신하고 적어도 하나의 도파관의 끝단(tip)에서 빔을 방출하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 콜리메이터는 제3 빔을 각각의 개별적인 적어도 하나의 도파관으로부터 제3 평면으로 콜리메이트(collimate)하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 도파관은 제1 도파관 및 제2 도파관을 포함한다. 적어도 하나의 콜리메이터는 제3 빔을 제1 도파관으로부터 제1 스캐너에 입사하게 콜리메이트하도록 구성된 제1 콜리메이터 및 제3 빔을 제2 도파관으로부터 제2 스캐너에 입사하게 콜리메이트하도록 구성된 제2 콜리메이터를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는, 거리에 대한 누적 시간(integration time), 속도 정확성, 샘플링 레이트 또는 상이한 각도들을 샘플링하는 패턴 사이의 트레이드오프(tradeoff)에 기초하여 차량 주위의 환경 검출을 개선하기 위하여 모터를 이용하여 제1 스캐너 및 제2 스캐너의 회전을 제어하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
일부 실시예에서, 장치는, 제1 스캐너가 제1 스캔 영역을 스캔하게 하고, 제2 스캐너가 제1 스캔 영역과 중첩하는 제2 스캔 영역을 스캔하게 하도록 구성된 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
적어도 하나의 양태는 시스템에 관한 것이다. 시스템은 레이저 소스, 적어도 하나의 도파관, 적어도 하나의 콜리메이터, 모터, 제1 스캐너 및 제2 스캐너를 포함한다. 적어도 하나의 도파관은, 레이저 소스로부터 제3 빔을 수신하고 적어도 하나의 도파관의 끝단에서 제3 빔을 방출하도록 구성된다. 적어도 하나의 콜리메이터는 제3 빔을 각각의 개별적인 적어도 하나의 도파관으로부터 제3 평면으로 콜리메이트하도록 구성된다. 제1 스캐너는 모터에 결합되고, 모터는 제3 빔에 대응하는 제1 빔을 제3 평면과 상이한 제1 평면으로 편향시키기 위하여 제1 스캐너를 회전시키도록 구성된다. 제2 스캐너는 모터에 결합되고, 모터는 제3 빔에 대응하는 제2 빔을 제3 평면과 상이한 제2 평면으로 편향시키기 위하여 제2 스캐너를 회전시키도록 구성된다.
당해 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명의 내용이 단지 예시적이고, 어떠한 방식으로도 한정하는 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 본 명세서에 설명된 임의의 특징은 임의의 다른 특징과 함께 사용될 수 있고, 이러한 특징들의 임의의 부분 집합은 다양한 실시예에 따라 조합하여 사용될 수 있다. 청구항에 의해서만 정의되는 본 명세서에 설명된 장치 및/또는 방법의 다른 양태, 발명적 특징 및 이점은 본 명세서에 설명되고 첨부된 도면과 함께 취해지는 상세한 설명에서 명백하게 될 것이다.
첨부 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 송신된 신호를 거리의 측정을 위해 리턴된 광 신호들과 함께 도시하는 개략적인 그래프이고;
도 1b는, 일 실시예에 따라, 기준 신호의 예시적인 스펙트럼과 도플러 시프트된 리턴 신호(Doppler shifted return signal)의 예시적인 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프이고;
도 1c는, 일 실시예에 따라, 도플러 시프트된 리턴 신호의 위상 성분의 예시적인 교차-스펙트럼(cross-spectrum)을 도시하는 개략적인 그래프이고;
도 1d는, 일 실시예에 따라, 예시적인 광 처프(optical chirp) 거리 측정을 도시하는 일련의 그래프이고;
도 1e는 대칭 LO 신호를 사용하는 그래프로서, 일 실시예에 따라, 도플러 시프트가 없을 때 리턴 신호를 주파수-시간 플롯(frequency time plot)에서 점선으로 나타내고;
도 1f는 대칭 LO 신호를 사용하는 도 1e와 유사한 그래프로서, 일 실시예에 따라, 0이 아닌 도플러 시프트가 있을 때 리턴 신호를 주파수-시간 플롯에서 점선으로 나타내고;
도 2a는, 일 실시예에 따라, 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들을 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(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이고;
도 2e는, 일 실시예에 따라, 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 측면도를 도시하는 블록도이고;
도 2f는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
도 2g는, 일 실시예에 따라, 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 측면도를 도시하는 블록도이고;
도 2h는, 일 실시예에 따라, 도 2g의 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면을 도시하는 블록도이고;
도 2i는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템의 스캐닝 광학 기기의 분해도를 도시하는 개략도이고;
도 2j는, 일 실시예에 따라, 도 2e의 시스템의 다수의 스캔 영역에서 스캔된 다수의 빔의 측면도를 도시하는 개략도이고;
도 2k는 선 2K-2K를 따라 취해진 도 2j의 다수의 스캔 영역의 단면도를 도시하는 개략도이고;
도 3a는, 일 실시예에 따라, 차량에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이고;
도 3b는, 일 실시예에 따라, 차량에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이고;
도 4a는, 일 실시예에 따라, 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)에서 도 4a의 SNR 곡선의 형상을 초래하는 l/r 제곱 손실을 나타내는 곡선의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4c는, 일 실시예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템에서 송신된 신호에 대한 콜리메이트된 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 2d의 시스템에서 다양한 타겟 거리 및 스캔 속도에 대한 빔 이탈(walkoff)의 일례를 도시하는 이미지이고;
도 4f는, 일 실시예에 따라, 도 2d의 시스템에서 다양한 스캔 레이트(scan rate)에 대한 커플링 효율 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4g는, 일 실시예에 따라, 도 2d의 시스템에서 다양한 스캔 레이트에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4h는, 일 실시예에 따라, 도 2d의 시스템에서 다양한 누적 시간(integration time)에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 4i는, 일 실시예에 따라, 도 2d의 시스템에서 측정 속도(measurement rate) 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이고;
도 5는, 일 실시예에 따라, 자율 주행 차량에서 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 예시적인 방법을 도시하는 순서도이고;
도 6은, 일 실시예에 따라, 자율 주행 차량에서 LIDAR 시스템을 작동시키기 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 칩셋(chip set)을 예시한다.
차량의 작동을 지원하기 위한 LIDAR의 스캐닝에 대한 방법, 장치, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 매체가 설명된다. 일부 실시예들은 아래에서 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 컴포넌트들을 가지거나 가지지 않은 동일한 유형 또는 다른 고해상도 LIDAR의 하나 또는 다수의 시스템 또는 파일럿되거나 자율적인 더 작거나 더 큰 지상, 해상, 공중 또는 우주 운송 수단에 장착된 하나 이상의 이러한 시스템이 사용된다.
거리 정확도와 타겟 속도 정확도를 제공하는 샘플링 및 처리는 누적 시간(integration time)이라 하는 시간 간격에서 다양한 지속 시간을 갖는 하나 이상의 레이저 신호들의 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 샘플링하기에 종종 충분한, (종종 1 내지 수 십 마이크로초 동안 하나 이상의 신호들을 포함하는) 충분히 정확한 측정을 (종종 대략 수 천회) 반복하는 것을 수반한다. 특정 시간(종종 사이클 또는 샘플링 시간이라 함) 내에 커버될 수 있는 상이한 각도의 개수는 샘플링 레이트에 따른다. 차량 주위의 환경 검출을 개선하기 위하여, 하나 이상의 스캐너가 거리에 대한 누적 시간, 속도 정확도, 샘플링 레이트 또는 상이한 각도들을 샘플링하는 패턴 중 적어도 하나를 포함하는 파라미터에 기초하여 회전되도록 제어될 수 있다. 특히, 차량이 그 환경을 통해 이동함에 따라 자율 주행 차량 근처의 환경을 효율적으로 판단하기 위하여, 하나 이상의 LIDAR 빔을 이용하여, 거리에 대한 누적 시간과, 속도 정확도, 샘플링 레이트 및 상이한 각도들을 샘플링하는 패턴 사이에 트레이드오프(tradeoff)가 이루어질 수 있다. 광학 거리 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 산란된 리턴된 신호 사이의 주파수 차이에 기초한 처프 검출과, 자연 신호들로부터 구별할 수 있는 단일 주파수 위상 변화의 시퀀스에 기초한 위상 인코딩 검출을 포함한 여러 다른 기술들로 달성될 수 있다.
방법은, 레이저 소스 및 도파관(waveguide)을 포함하는 LIDAR 시스템을 이용하여, 도파관의 끝단(tip)으로부터 방출되는 빔을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 방법은, 콜리메이터를 이용하여, LIDAR 시스템의 제1 폴리곤 스캐너(polygon scanner) 및 제2 폴리곤 스캐너 중 하나 상의 제3 평면에 입사하는 빔을 만드는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 제1 폴리곤 스캐너를 이용하여, 제1 폴리곤 스캐너의 회전 축을 중심으로 한 제1 각속도에서의 회전에 기초하여 제3 평면과 상이한 제1 평면 내에서 빔의 방향을 제1 평면에서 제1 각도로부터 제2 각도로 조정하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 도파관의 끝단에서, 제1 거리에 위치된 타겟의 제1 스캔 영역을 포함하도록 제1 평면 내의 빔의 조정에 기초하여 복수의 제1 리턴 빔을 수신하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 제2 폴리곤 스캐너를 이용하여, 제1 각속도와 상이한 제2 각속도로의 회전 축을 중심으로 한 제2 폴리곤 스캐너의 회전에 기초하여 제3 평면과 상이한 제2 평면 내에서 빔의 방향을 제2 평면 내에서 제1 각도로부터 제2 각도로 조정하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 제1 거리와 상이한 제2 거리에 위치된 타겟의 제2 스캔 영역을 포함하도록 제2 평면 내의 빔의 조정에 기초하여 복수의 제2 리턴 빔을 도파관의 끝단에서 수신하는 단계를 포함한다.
방법은, 프로세서에서, 타겟의 거리의 값들에 기초하여 타겟에 의해 반사되고 LIDAR 시스템에 의해 검출된 신호의 제1 신호 대 잡음비(SNR) 값들을 나타내는 제1 데이터를 수신하는 단계를 포함할 수 있고, 제1 SNR 값은 LIDAR 시스템의 스캔 레이트(scan rate)의 각각의 값에 대한 것이다. 또한, 제1 데이터는 타겟의 거리의 값들에 기초한 신호의 제2 신호 대 잡음비(SNR) 값들을 나타내며, 제2 SNR 값은 LIDAR 시스템의 누적 시간의 각각의 값에 대한 것이다. 또한, 제1 데이터는 스캔 패턴의 각도 범위를 정의하는 제1 각도 및 제2 각도를 나타낸다. 또한, 방법은, 프로세서에서, 제1 스캔 영역에 대한 각도 범위 내의 각각의 각도에서의 타겟의 제1 최대 설계 거리 및 제1 스캔 영역과 상이한 제2 스캔 영역에 대한 각도 범위 내의 각각의 각도에서 타겟의 제2 최대 설계 거리를 나타내는 제2 데이터를 수신하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 제1 스캔 영역의 각도 범위 내의 각각의 각도에 대하여, 프로세서에서, 제1 최대 설계 거리에 기초한 제1 SNR 값이 최소 SNR 임계값보다 큰 스캔 레이트 중에서의 최대값에 기초하여 LIDAR 시스템의 제1 최대 스캔 레이트를 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 제2 스캔 영역의 각도 범위 내의 각각의 각도에 대하여, 프로세서에서, 제2 최대 설계 거리에 기초한 제1 SNR 값이 최소 SNR 임계값보다 큰 스캔 레이트들 중에서의 최대값에 기초하여 LIDAR 시스템의 제2 최대 스캔 레이트를 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 제1 스캔 영역의 각도 범위 내의 각각의 각도에 대하여, 프로세서에서, 제1 최대 설계 거리에 기초한 제2 SNR 값이 최소 SNR 임계값보다 큰 누적 시간들 중에서의 최소값에 기초하여 LIDAR 시스템의 제1 최소 누적 시간을 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 제2 스캔 영역의 각도 범위 내의 각각의 각도에 대하여, 프로세서에서, 제2 최대 설계 거리에 기초한 제2 SNR 값이 최소 SNR 임계값보다 큰 누적 시간들 중에서의 최소값에 기초하여 LIDAR 시스템의 제2 최소 누적 시간을 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 프로세서를 이용하여, 제1 스캔 영역의 각도 범위 내의 각각의 각도에서의 제1 최대 스캔 레이트와 제1 최소 누적 시간에 기초하여 LIDAR 시스템의 제1 스캔 영역에 대한 스캔 패턴을 정의하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 프로세서를 이용하여, 제1 스캔 영역의 각도 범위 내의 각각의 각도에서의 제2 최대 스캔 레이트와 제2 최소 누적 시간에 기초하여 LIDAR 시스템의 제2 스캔 영역에 대한 스캔 패턴을 정의하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은 제1 스캔 영역 및 제2 스캔 영역에 대한 스캔 패턴에 기초하여 LIDAR 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다.
1. 위상 인코딩(phase-encoded) 검출 개요
거리 측정을 위한 광 위상 인코딩 신호를 이용하면, 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 = Δφ), 송신된 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. 송신된 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 방식을 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. 단일의 송신된 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).
수용 가능한 거리 정확도 및 검출 민감도를 성취하기 위해, 직접 장거리(direct long range) LIDAR 시스템은 낮은 펄스 반복률 및 매우 높은 펄스 피크 파워를 갖는 짧은 펄스 레이저를 사용할 수 있다. 높은 펄스 파워는 광학 컴포넌트들의 급격한 성능 저하로 이어질 수 있다. 처프 및 위상 인코딩 LIDAR 시스템은 상대적으로 낮은 피크 광 파워를 갖는 긴 광 펄스를 사용할 수 있다. 이 구성에서, 거리 정확도는 펄스 지속 시간이 아니라 처프 대역폭 또는 길이와, 위상 코드의 대역폭에 따라 증가할 수 있으며, 따라서 우수한 거리 정확도가 여전히 획득될 수 있다.
광 반송파(optical carrier)를 변조하기 위하여 광대역 무선 주파수(Radio Frequency, RF) 전기 신호들을 이용하여 유용한 광 처프 대역폭이 성취되었다. LIDAR에 관하여, 광학 검출기에서 리턴된 신호와 조합되는 기준 신호로서 동일한 변조된 광 반송파를 사용하면, 결과에 따른 전기 신호에서, 기준 광 신호와 리턴된 광 신호들 사이의 주파수 또는 위상 차이에 비례하는 RF 대역에서의 상대적으로 낮은 비트(beat) 주파수를 생성할 수 있다. 검출기에서의 주파수 차이에 대한 이러한 종류의 비트 주파수 검출은 헤테로다인 검출(heterodyne detection)이라고 하고, 이는 즉시 그리고 저렴하게 사용할 수 있는 RF 컴포넌트들의 사용을 가능하게 한다.
고해상도 거리-도플러 LIDAR 시스템은 리턴된 신호들에서 도플러 시프트(Doppler shift)를 검출하기 위한 광학 컴포넌트들의 배열 및 코히런트(coherent) 처리를 이용하여 LIDAR 시스템과 각각의 외부 물체 사이의 벡터에서 개선된 거리뿐만 아니라 상대적인 부호를 가진 속도(relative signed speed)를 제공할 수 있다.
몇몇 경우에, 이러한 개선은, 타겟 속도가 있거나 없어도, 적합한 주파수 또는 위상 콘텐츠를 갖는 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 사용될 수 있다.
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) 신호들의 다른 소스로부터 구별 가능하도록 선택된다. 따라서, 송신된 신호와 리턴된 신호 사이의 강한 상관 관계는 반사되거나 후방 산란된(backscattered) 신호의 강한 표시일 수 있다. 송신된 신호는 하나 이상의 심벌 블록으로 구성되고, 각각의 블록은 노이즈가 존재하는 경우에서도 반사되거나 후방 산란된 리턴과의 강한 상관 관계를 제공할 만큼 충분히 길다. 송신된 신호는 블록 당 N개 심볼의 M개 블록으로 구성될 수 있고, 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+f0에서 광 송신 신호의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타낸다. 수직 축(124b)은 주파수 fc+f0에서 광 리턴 신호의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타내고; 트레이스를 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 송신된 신호를 나타낸다. 트레이스(126)는 움직이고 있지 않는 물체로부터 산란된 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호를 나타낸다(따라서, 리턴은 도플러 시프트되지 않는다). 진폭은 감소되지만, 코드 00011010는 인식 가능하다. 트레이스(127)는 움직이고 있는 물체로부터 산란되고, 따라서, 도플러 시프트된 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호를 나타낸다. 리턴은 적절한 광 주파수(fc+f0)에 있지 않고, 예상된 주파수 대역 내에서 잘 검출되지 않으며, 따라서 진폭이 줄어든다.
리턴의 관찰된 주파수(f')는 수학식 1에 의해 주어진 도플러 효과에 의한 리턴의 정확한 주파수(f = fc+f0)와 상이하다.
[수학식 1]
여기서, c는 매질 내의 빛의 속도이고, v0는 관찰자의 속도이고, vs는 소스와 수신기를 연결하는 벡터에 따른 소스의 속도이다. 관찰자와 소스가 둘 사이의 벡터 상에서 동일한 방향으로 동일한 속도로 움직이고 있으면, 2개의 주파수는 동일하다는 것에 주목하라. 2개의 주파수 사이의 차이(Δf = f'-f)는 거리 측정에 대하여 문제점을 야기하는 도플러 시프트(ΔfD)이고, 수학식 2에 의해 주어진다.
[수학식 2]
오차의 크기는 신호의 주파수(f)에 따라 증가한다는 것에 주목하라. 또한, 정지된 LIDAR 시스템(v0 = 0)의 경우, 초당 10 미터(vs = 10)로 이동하는 물체와 대략 500 THz의 주파수를 갖는 가시 광선에 대한 도플러 시프트의 크기는 대략 16 메가헤르츠(MHz, 1MHz = 106 헤르츠(Hz), 1 Hz = 초당 1 사이클)인 것에 주목하라. 아래에 설명되는 다양한 실시예에서, 거리 계산을 위한 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 리턴에서 검출될 수 있고, 이는 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 구현될 수 있다. 임의의 하나의 래그(lag)를 위한 교차 상관은 2개의 트레이스를 컨벌루션 처리(convolving)함으로써, 예를 들어, 2개의 트레이스 내 대응하는 값들을 곱하고 트레이스 내의 모든 점(point)에 대하여 합산한 후, 각각의 타임 래그(time lag)에 대하여 반복함으로써 계산될 수 있다. 교차 상관은 2개의 트레이스 각각의 푸리에 변환을 곱한 후 역방향 푸리에 변환(inverse Fourier transform)함으로써 달성될 수 있다. 순방향(forward) 및 역방향 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform FFT)은 하드웨어 및 소프트웨어에서 효율적으로 구현될 수 있다.
교차 상관의 계산은 리턴의 진폭과 위상이 광 검출기에서 검출된 이후에 아날로그 또는 디지털 전기 신호들을 이용하여 수행될 수 있다는 것에 주목하라. 광 검출기에서의 신호를 용이하게 디지털화될 수 있는 RF 주파수 범위로 이동시키기 위하여, 광 리턴 신호는 검출기에 충돌하기 전에 기준 신호와 광학적으로 믹스(mix)된다. 위상 인코딩된 송신된 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 반사된 (따라서, 리턴은 도플러 시프트되지 않음) 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호에 대하여, 피크는 송신된 신호의 시작 후에 시간 Δt에서 발생한다. 이것은 리턴된 신호가 시간 Δt에서 시작하는 송신된 위상 코드의 버전을 포함한다는 것을 나타낸다. 반사하는(또는 후방 산란하는) 물체에 대한 거리(R)는, 수학식 3에 의해 주어지는 바와 같이, 매질 내 빛의 속도(c)에 기초한 양방향 여행 시간 지연(two way travel time delay)으로부터 계산된다.
[수학식 3]
움직이고 있는 물체로부터 산란된 (따라서, 리턴은 도플러 시프트됨) 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호에 대하여, 리턴 신호는 적절한 주파수 빈(frequency bin) 내의 위상 인코딩을 포함하지 않고, 상관 관계는 모든 타임 래그(time lag)에 대해 낮게 유지되고, 피크는 용이하게 검출되지 않으며, 노이즈가 있는 경우에는 종종 검출 가능하지 않다. 따라서, Δt는 용이하게 결정되지 않고; 거리(R)는 용이하게 생성되지 않는다.
도플러 시프트는 리턴된 신호의 전기적 처리에서 결정될 수 있고, 교차 상관 계산을 보정하기 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 피크는 더 용이하게 발견되고 거리는 더욱 용이하게 결정될 수 있다. 도 1b는, 일 실시예에 따라, 송신된 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 송신된 신호를 나타내고; 피크는 적절한 RF(f0)에서 발생한다. 트레이스(146)는 LIDAR 시스템을 향해 움직이고 있는 물체로부터 후방 산란되어 더 높은 주파수로 도플러 시프트(청색 편이(blue shift)로 불림)된 이상적인(노이즈가 없는) 복소수 리턴 신호를 나타낸다. 리턴은 적절한 RF(f0)에서 피크를 가지지 않는다; 그러나, 대신에, ΔfD만큼 시프트된 주파수(fs)로 청색 편이된다. 실제로, 리턴의 동 위상 및 직교 위상(in-phase and quadrature, I/Q) 성분을 모두 나타내는 복소수 리턴은 +ΔfD에서 피크를 결정하는데 사용되므로, 도플러 시프트의 방향과, 센서와 물체 사이의 벡터 상에서 타겟의 이동 방향이 단일 리턴으로부터 검출될 수 있다.
일부 도플러 보상(Doppler compensation) 실시예에서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 송신된 신호와 리턴된 신호 모두의 스펙트럼을 얻고 각각에서 피크를 찾은 다음 대응하는 피크의 주파수를 빼는 것에 의해 ΔfD를 찾는 대신에, RF 대역에서 다운 믹스된 리턴된 신호의 동 위상 및 직교 위상 성분의 교차 스펙트럼(cross spectrum)을 취하는 것이 더 효과적일 수 있다. 도 1c는, 일 실시예에 따라, 예시적인 교차 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프(150)이다. 수평 축(152)은 기준 스펙트럼에 대한 주파수 시프트를 임의 단위로 나타내고; 수직 축(154)은 교차 스펙트럼의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타낸다. 트레이스(155)는 LIDAR 시스템을 향해 움직이고 있는 제1 물체(ΔfD1의 청색 편이 = 도 1b의 ΔfD)과 LIDAR 시스템으로부터 멀어지고 있는 제2 물체(ΔfD2의 적색 편이(red shift))에 의해 생성된 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호와의 교차 스펙트럼을 나타낸다. 하나의 피크(156a)는 성분 중 하나가 청색 편이(ΔfD1)될 때 발생하고; 다른 피크(156b)는 성분 중 하나가 적색 편이(ΔfD2)될 때 발생한다. 따라서, 도플러 시프트들이 결정된다. 이 시프트는, 예를 들어, 충돌 방지 애플리케이션을 위하여, LIDAR 부근에서 물체의 부호를 가진 접근 속도(signed velocity of approach)를 결정하는데 이용될 수 있다. 그러나, I/Q 처리가 완료되지 않은 경우, 피크는 +/-ΔfD1 및 +/-ΔfD2 모두에 나타나며, 따라서 도플러 시프트의 부호 및 이에 따른 이동 방향에서 모호성이 존재할 수 있다.
교차 스펙트럼에서 검출되는 도플러 시프트(들)는, 피크(135)가 래그 Δt에서 도플러 보상된 도플러 시프트된 리턴에서 명백해지고, 거리(R)가 결정될 수 있도록, 교차 상관을 보정하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 동시 I/Q 처리가 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 도플러 리턴의 부호(sign)를 결정하기 위하여 직렬 I/Q 처리가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 도플러 시프트에 기인하는 오차는 용인되거나 무시될 수 있고; 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 일련의 그래프이다. 수평 축(102)은 4개의 그래프 모두에 대해 동일하며 대략 밀리 초(ms, 1ms = 10-3 초)의 시간을 임의 단위로 나타낸다. 그래프(100)는 송신된 광 신호로서 사용되는 광의 빔의 파워를 나타낸다. 그래프(100)의 수직 축(104)은 송신된 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 송신된 신호의 주파수를 나타낸다. 수직 축(114)은 송신된 신호의 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(예를 들어, 트레이스(116))가 그래프(160) 상에 점선으로 도시된다. 제1 리턴된 신호는 강도(도시되지 않음)가 감소되고 Δt만큼 지연된 송신된 기준 신호를 나타낼 수 있는 트레이스(166a)로 주어진다. 리턴된 신호가 2R의 거리를 이동한 후 외부 물체로부터 수신될 때, 리턴된 신호는 위에서 설명된 수학식 3에 따라 2R/c로 주어질 수 있는 지연된 시간 Δt에서 시작하고, 여기서 R은 타겟까지의 거리이고, c는 매질 내 빛의 속도(약 3x108m/s)이다. 이 시간 동안, 주파수 fR은 거리에 기초한 양만큼 변경되고, 주파수 변화율에 지연 시간을 곱하여 주어진다. 이것은 수학식 4a에 의해 주어진다.
[수학식 4a]
fR의 값은 디처핑(de-chirping)으로 지칭되는 시간 도메인 믹싱 동작에서 송신된 신호(116)와 리턴된 신호(166a) 사이의 주파수 차이에 의해 측정될 수 있다. 따라서 거리 R은 수학식 4b에 의해 주어진다.
[수학식 4b]
펄스가 완전히 송신된 후 리턴된 신호가 도착하면, 즉 2R/c가 τ보다 크면, 수학식 4a 및 4b는 유효하지 않다. 이 경우에, 기준 신호는 리턴된 신호가 기준 신호와 중첩하는 것을 보장하도록 알려진 양 또는 정해진 양만큼 지연될 수 있다. 기준 신호의 정해진 지연 시간 또는 알려진 지연 시간은 수학식 4b로부터 계산된 거리에 추가되는 추가 거리를 제공하기 위해 빛의 속도(c)와 곱해질 수 있다. 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 환경에서, 송신된 광 빔에 의해 조명된 지점(펜슬 빔 단면(pencil beam cross section))은 반투명 물체의 전방 및 후방, 또는 LIDAR로부터 다양한 거리에 있는 물체의 더 가까운 부분과 더 먼 부분, 또는 조명된 지점 내에서 두 개의 분리된 물체와 같이 상이한 거리에 있는 2개 이상의 상이한 산란체를 만난다. 이러한 환경에서, 그래프(160)에 트레이스(166b)로 표시된 것과 같이, 제2 감소된 강도 및 상이하게 지연된 신호가 또한 수신될 것이다. 이것은 수학식 4b를 사용하여 다른 거리를 제공하는 fR의 다른 측정 값을 가질 것이다. 일부 환경에서는, 여러 개의 추가적인 리턴된 신호들이 수신된다.
그래프(170)는 제1 리턴된 신호(166a)와 기준 처프(116) 사이의 차이 주파수 fR을 도시한다. 수평 축(102)은 도 1d에서 정렬된 다른 모든 그래프와 같이 시간을 나타내고, 수직 축(164)은 더 확대된 스케일 상에서 주파수 차이를 나타낸다. 트레이스(176)는 송신된 처프에 응답하여 측정된 일정한 주파수 fR을 나타내며, 수학식 4b에 의해 주어지는 특정 거리를 나타낸다. 제2 리턴된 신호(166b)는, 존재한다면, 디-처핑 동안에 다른 더 큰 값의 fR(도시되지 않음)을 발생시킬 것이고; 결과적으로 수학식 4b를 사용하여 더 큰 거리를 산출할 것이다.
디처핑은 기준 광 신호와 리턴된 광 신호를 동일한 광 검출기로 지향시켜 수행될 수 있다. 검출기의 전기적 출력은 검출기로 수렴하는 2개의 신호의 주파수 차이와 같거나 아니면 이에 의존하는 비트 주파수(beat frequency)에 의해 좌우될 수 있다. 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 신호들은 마이크로프로세서 또는 특수 제작된 FFT(Fast Fourier Transform) 또는 기타 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing, DSP) 집적 회로에서 실행되는 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘과 같은 RF 컴포넌트들에 의해 처리될 수 있다. 리턴 신호는 (국부 발진기(local oscillator)의 역할을 하는 처프와 비교하여) 국부 발진기의 역할을 하는 연속파(continuous wave, CW) 톤(tone)과 믹스될 수 있다. 이것은 그 자체가 처프인 (또는 어떤 파형이 송신되건 간에) 검출된 신호로 이어진다. 이 경우 검출된 신호는, 디지타이저(digitizer) 대역폭 요구 사항이 일반적으로 더 높을 수 있지만, 디지털 도메인에서 정합 필터링(matched filtering)될 수 있다. 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 제거할 수 있다. 이 접근 방식은 업 및 다운 처프에서 측정된 도플러 시프트 및 거리가 사실상 동일하고 가장 유용하게 결합될 수 있다는 것을 보장할 수 있다. 도플러 방식은 높은 확률의 정확한 보상을 위하여 주파수 공간에서 비대칭으로 시프트된 리턴 쌍들의 병렬 캡처(parallel capture)를 보장할 수 있다.
도 1e는, 일 실시예에 따라, 대칭 LO 신호를 사용하는 그래프이고; 도플러 시프트가 없을 때 리턴 신호를 주파수-시간 플롯(frequency time plot)에서 점선으로 도시한다. 수평 축은 시간을 10-5 초(수십 마이크로초)의 예시적인 단위로 나타낸다. 수직 축은 반송파 주파수 fc 또는 기준 신호에 대한 송신된 광 신호의 주파수를 기가헤르츠(GHz, 1 GHz = 109 헤르츠)의 예시적인 단위로 나타낸다. 펄스 지속 시간 동안, 2개의 광 주파수를 포함하는 광 빔이 언제든지 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 중첩되지 않아, 송신된 신호 및 리턴 신호가 통과 주파수 fp에서 시작하는 통과 대역을 갖는 고역 통과 필터나 저역 통과 필터 또는 이들의 조합에 의해 광학적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, f1<f2<fp<f3<f4일 수 있다. 예시되는 바와 같이, 더 높은 주파수가 업 처프를 제공하고 더 낮은 주파수가 다운 처프를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 더 높은 주파수가 다운 처프를 생성하고 더 낮은 주파수가 업 처프를 생성한다.
일부 실시예에서, 2개의 상이한 레이저 소스가 매 시간마다 각각의 빔에서 2개의 상이한 광 주파수를 생성하는데 사용된다. 일부 실시예에서, 단일 광 반송파는 단일 RF 처프에 의해 변조되어 동시 업 및 다운 처프의 역할을 하는 대칭적인 측파대(symmetrical sideband)를 생성한다. 일부 실시예에서, 일반적으로, 반송파 주파수에 많은 에너지를 남기지 않을 수 있는 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 수 있다. 일부 실시예에서, 다른 측파대가 사용되며, 예를 들어, 2개의 2차 측파대가 사용되거나, 1차 측파대 및 중첩하지 않는 2차 측파대가 사용되거나, 일부 다른 조합이 사용된다.
송신(TX) 및 국부 발진기(LO) 처프 파형을 선택할 때, 시스템의 주파수 시스트된 대역(frequency shifted band)이 이용 가능한 디지타이저(digitizer) 대역폭을 최대한 활용하도록 하는 것이 유리할 수 있다. 일반적으로, 이것은 0에 가까운 거리 주파수 비트(range frequency beat)를 갖도록 업 처프 또는 다운 처프를 시프트하여 달성될 수 있다.
도 1f는 대칭 LO 신호를 사용하는 도 1e와 유사한 그래프이고, 0이 아닌 도플러 시프트가 있을 때 이 주파수-시간 플롯에서 리턴 신호를 점선으로 도시한다. 처프 파형의 경우, 시간 분리된 I/Q 처리(시간 도메인 멀티플렉싱(time domain multiplexing)이라고도 알려짐)가 다른 접근 방식의 하드웨어 요구 사항을 극복하기 위해 사용될 수 있다. 그 경우에, AOM이 실수 값(real valued) 신호들에 대한 거리-도플러 모호성을 타개하기 위하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 스코어링 시스템(scoring system)이 위에서 업 및 다운 처프 리턴을 페어링하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, I/Q 처리가 도플러 처프의 부호를 결정하는데 사용될 수 있다.
3. 광 검출 하드웨어 개요
도 2a는, 일 실시예에 따라, 고해상도 거리 LIDAR 시스템(200)의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이다. 광 신호들은 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 빔(예를 들어, 반송파)(201)을 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 송신된 신호(transmitted signal)라고도 불리는, 타겟 빔(205)이 생성될 수 있다. 또한, 적은 양이기는 하지만 물체(도시되지 않음)로부터 산란된 리턴된 광(291)과 잘 믹스되기에 충분한 양의 에너지를 가질 수 있는 변조되거나 변조되지 않은 기준 빔(207a)이 생성된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 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(spread of ranges of interest) 내에서 LIDAR 외부의 물체로부터 산란된 광과 함께 검출기 어레이(230)에 도달하기에 충분한 지연을 도입한다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 기준 빔(207b)이 별개의 발진기로부터 국부적으로 생성되었다면, 기준 빔(207b)은 국부 발진기(Local Oscillator LO) 신호로 명명된다. 다양한 실시예에서, 덜 유연한 접근 방식으로부터 더 유연한 접근 방식까지 망라하여, 기준 빔은 1) 경로 길이들이 잘 매칭되도록 검출기 어레이에서 송신된 빔의 일부를 다시 반사시키기 위해 장면(scene) 내에 거울을 배치하는 것; 2) 경로 길이를 가깝게 매칭시키고, 특정 거리에 대해 관찰되거나 예측된 위상 또는 주파수 차이를 보상하기 위한 경로 길이 조절을 이용하거나 이용하지 않으면서, 도 2a에서 제안된 바와 같이, 검출기 어레이 부근의 광학 기기를 이용하여 기준 빔을 브로드캐스트(broadcast)하기 위해 섬유 지연(fiber delay)을 이용하는 것; 또는 3) 경로 길이 불일치(mismatch)를 보상하기 위한 별개의 변조를 생성하기 위해 주파수 시프팅(frequency shifting) 디바이스(음향 광학 변조기(acousto-optic modulator, AOM) 또는 (예를 들면 변조기(282b) 내) 국부 발진기 파형 변조의 시간 지연을 이용하는 것; 또는 일부의 조합을 통해 산란되거나 반사된 필드(시야)를 갖고 도착하게 될 수 있다. 일부 실시예에서, 물체는 충분히 가깝고 송신된 지속 시간은 충분히 길어서 리턴이 지연 없이 기준 신호와 충분히 중첩한다.
송신된 신호는 예를 들어 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 빔(291)들에 대략 수직인 평면에 배열된 쌍을 이루거나 또는 쌍을 이루지 않은 검출기의 1차원(1D) 또는 2차원(2D) 어레이일 수 있다. 기준 빔(207b) 및 리턴된 빔(291)은 적절하게 검출될 광 특성 신호를 생성하기 위하여 0 또는 그 이상의 광 믹서(284)에서 결합될 수 있다. 간섭 패턴의 주파수, 위상 또는 진폭 또는 일부 조합은 획득 시스템(240)에 의해 각각의 검출기에 대해 신호 지속 시간(D) 동안 여러 번 기록될 수 있다. 신호 지속 시간 당 처리되는 시간적(temporal) 샘플의 개수 또는 누적 시간(integration time)은 다운-레인지 규모(down-range extent)에 영향을 미칠 수 있다. 개수 또는 누적 시간은 신호 당 심벌의 개수, 신호 반복률(signal repetition rate) 및 가용 카메라 프레임률(available camera frame rate)에 기초하여 선택되는 실질적인 고려 사항일 수 있다. 프레임률은 샘플링 대역폭이고, 흔히 "디지타이저 주파수(digitizer frequency)"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 송신된 비트들의 임의의 부분과 비교되거나 교차 상관될 수 있기 때문에 가능하게 된다.
획득된 데이터는 도 7을 참조하여 후술되는 컴퓨터 시스템 또는 도 8을 참조하여 후술되는 칩셋(chip set)과 같은 처리 시스템(250)에 이용 가능하게 이루어진다. 스캐너 제어 모듈(270)은 스캐닝 광학 기기(218)를 구동하기 위한 스캐닝 신호들을 제공한다. 스캐너 제어 모듈(270)은 도 5의 순서도에 관련된 방법(500) 및/또는 도 6의 순서도에 관련된 방법(600)의 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 명령어를 포함할 수 있다. 처리 시스템(250)에서 부호를 가진 도플러 보상(signed Doppler compensation) 모듈(도시되지 않음)은 도플러 시프트의 부호와 크기를 결정할 수 있고, 임의의 다른 보정과 함께 그에 기초한 보정된 거리를 결정할 수 있다. 또한, 처리 시스템(250)은 변조기(282a, 282b) 및/또는 폴리곤 스캐너(244a, 244b) 및/또는 스캐너(241)를 구동하는 하나 이상의 전기 신호를 전송하기 위한 변조 신호 모듈(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 처리 시스템은 시스템(200, 200', 200'')이 설치되는 차량을 제어하기 위한 차량 제어 모듈(272)을 더 포함한다.
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 컴포넌트들의 예를 도시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 변조기(282a)는 송신된 빔(205)의 광 경로에 추가된 주파수 시프터일 수 있다. 일부 실시예에서, 주파수 시프터가 리턴된 빔(291)의 광 경로 또는 기준 경로(220)에 추가된다. 변조기(예를 들어, AOM(acousto-optic modulator))로서 사용되는 장치가 연관된 손실을 가지며, 손실이 많은 컴포넌트들을 수신 측에 배치하거나 광 증폭기 뒤에 배치하는 것은 불리할 수 있기 때문에, 주파수 시프터가 국부 발진기(Local Oscillator(LO), 기준 경로라고도 함) 측 또는 송신 측(광 증폭기 앞)에 변조기(282b)로서 추가될 수 있다. 광 시프터(optical shifter)는 광 검출기(230)에 의해 출력되는 전기 신호의 분석에 있어서, 예를 들어, 처리 시스템(250)에서 FFT 컴포넌트에 의해 픽업될 수 있는 상이한 주파수 대역에서 업 및 다운 처프의 비트(beat) 주파수가 발생하도록, 기준 신호의 주파수에 대하여 송신된 신호(또는 리턴 신호)의 주파수를 알려진 양(ΔfS)만큼 시프트할 수 있다. 예를 들어, 거리 효과를 발생시키는 청색 편이가 fB면, 업 처프의 비트 주파수는 오프셋만큼 증가되어 fB+ΔfS에서 나타날 것이고, 다운 처프의 비트 주파수는 오프셋만큼 fB-ΔfS로 감소될 것이다. 따라서, 업 처프는 다운 처퍼보다 더 높은 주파수 대역 내에 있을 것이고, 이에 의해 이들을 분리한다. ΔfS가 예상된 도플러 효과보다 더 크면, 업 처프 및 다운 처프와 연관된 거리에서의 모호성은 없을 것이다. 그 다음, 측정된 비트는 적합한 업 처프 및 다운 처프 거리를 얻기 위하여 알려진 ΔfS의 정확하게 부호가 부여된 값으로 보정될 수 있다. 일부 실시예에서, 평형 검출기(balanced detector)로부터 유래하는 RF 신호는 FFT를 통해 분리되는 대역과 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. 다양한 이러한 실시예들은 검출된 신호들의 대역들을 사용 가능한 디지타이저 자원(digitizer resource)에 일치시키는 경로를 제공한다. 일부 (예를 들어, 직접 거리 측정) 실시예에서, 변조기(282a)는 제외된다.
도 2b는 고해상도 도플러 시스템을 위한 톱니형(saw tooth) 스캔 패턴을 도시하는 블록도이다. 스캔은 (수평으로) 방위각(azimuth angle) 범위를 스윕하고 경사각(inclination angle) 범위를 (0 경사에서 수평 방향(level direction)의 위아래 수직으로) 스윕(sweep)한다. 적응형(adapted) 스캐닝을 포함하는 다양한 스캔 패턴이 사용될 수 있다. 도 2c는 고해상도 도플러 LIDAR 시스템에 의해 생성된 예시적인 속도 포인트 클라우드를 도시하는 이미지이다.
도 2d는 고해상도(hi res) LIDAR 시스템(200')의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이다. 시스템(200')은 여기에서 논의되는 특징을 제외하고는 시스템(200)과 유사할 수 있다. 시스템(200')은 모노스태틱 트랜시버(monostatic transceiver)를 이용하여 구성되는 코히런트 LIDAR 시스템일 수 있다. 시스템(200')은 송신 경로(222) 상의 단일 모드 광 도파관(225)을 따라 서큘레이터(226)를 통해서 콜리메이팅(collimating) 광학 기기(229)의 초점 평면 내에 위치된 단일 모드 광 도파관(225)의 끝단(tip)(217) 밖으로 반송파(201)를 송신하는 소스(212)를 포함할 수 있다. 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 위치될 수 있다. 콜리메이팅 광학 기기(229)는 이중(doublet), 비구면 또는 다중 요소 디자인 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 광 도파관 끝단(217)을 빠져나오는 반송파(201)는 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 각도 범위(227)에 걸쳐 스캔되는 콜리메이트된 타겟 빔(205')으로 광학 기기(229)에 의해 만들어질 수 있다.
일부 실시예에서, 반송파(201)는 콜리메이팅 광학 기기(229)의 상류에 있는 변조기(282a)에서 위상 또는 주파수 변조된다. 일부 실시예에서, 변조기(282)는 제외된다. 물체로부터 리턴된 빔들(291)은 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 지향되고 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 끝단(217) 상으로 포커싱되어 있어, 리턴 빔(291)이 단일 모드 광 도파관 끝단(217)에서 수신된다. 그 다음, 리턴 빔(291)은 서큘레이터(226)에 의해 수신 경로(224)를 따라 단일 모드 광 도파관 내로 그리고 리턴된 빔(291)이 국부 발진기 경로(220)를 따라 단일 모드 광 도파관을 통해 지향되는 기준 빔(207b)과 결합되는 광 믹서(284)로 재지향(redirect)될 수 있다. 시스템(200')은 기준 신호(207b)와 리턴된 빔(291)의 최대 공간 모드 중첩(maximum spatial mode overlap)이 리턴된 신호(291)와 기준 빔(207b) 사이의 헤테로다인 믹싱(광 간섭) 효율을 최대화할 것이라는 원리 하에서 동작할 수 있다. 이 배열은 바이스태틱(bi-static) LIDAR 시스템과 연관된 쉽지 않은 정렬 절차를 회피하는데 도움을 주기 때문에 유리하다.
도 2e는 고해상도(hi res) LIDAR 시스템(200'')의 예시적인 컴포넌트들의 측면도를 도시하는 블록도이다. 도 2f는 도 2e의 고해상도 LIDAR 시스템(200'')의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이다. 시스템(200'')은 여기에서 논의되는 특징을 제외하고는 시스템(200')과 유사할 수 있다. 시스템(200'')의 스캐닝 광학 기기(218)는 적어도 하나의 모터(예를 들어, 도 2j에 도시된 모터(257))에 결합되고 회전 축(243)을 중심으로 제1 각속도(angular velocity)(249a)로 회전하도록 구성된 제1 폴리곤 스캐너(244a)를 포함한다. 광학 기기(218)는 적어도 하나의 모터에 결합되고 회전 축(243)을 중심으로 제2 각속도(249b)로 회전하도록 구성된 제2 폴리곤 스캐너(244b)를 포함할 수 있다. 2개의 폴리곤 스캐너(244a, 244b)가 도시되지만, 2개보다 많은 폴리곤 스캐너가 스캐닝 광학 기기(218)에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다. 적어도 하나의 모터는 제1 폴리곤 스캐너(244a)를 회전시키는 제1 모터 및 제2 폴리곤 스캐너(244b)를 회전시키는 제2 모터를 포함할 수 있다. 제1 폴리곤 스캐너(244a)가 회전하는 제1 각속도(249a)는 제1 고정 회전 속도(rotation speed)일 수 있다. 제2 폴리곤 스캐너(244b)가 회전하는 제2 각속도(249b)는 제2 고정 회전 속도일 수 있다. 제2 고정 회전 속도는 제1 고정 회전 속도와 다를 수(예를 들어, 더 낮을 수) 있다. 제1 각속도(249a)의 제1 고정 회전 속도는 대략 1000 rpm(revolution per minute: 분당회전수) 내지 대략 5000 rpm의 범위 내에 있을 수 있고, 제2 각속도(249b)의 제2 고정 회전 속도는 대략 200 rpm 내지 대략 1000 rpm의 범위 내에 있다. 제1 폴리곤 스캐너(244a) 및 제2 폴리곤 스캐너(244b)는 반대 방향(예를 들어, 시계 방향과 반시계 방향)과 같은 상이한 방향으로 회전할 수 있다; 예를 들어, 제1 각속도(249a) 및 제2 각속도(249b)는 상이한 방향(예를 들어, 시계 방향과 반시계 방향)을 가질 수 있다. 스캐너(244a, 244b)는 도 2e 및 2f에 도시된 폴리곤 스캐너에 한정되지 않을 수 있고, 임의의 유형(예를 들어, 프리즘, 피라미드, 스텝형 기하 구조 등)의 폴리곤 스캐너를 포함할 수 있다.
예시적인 일 실시예에서, 각각의 폴리곤 스캐너(244a, 244b)는 다음 특성들, 즉, Copal 회전 거울(turned mirror)을 갖는 Blackmore® Seonsors에 의해 제조된 것, 대략 2 인치이거나 범위가 대략 1 인치 내지 대략 3인치인 내접 직경(inscribed diameter)을 가지는 것, 각각의 미러의 높이가 대략 0.5 인치이거나 대략 0.25 인치 내지 대략 0.75인치의 범위 내인 것, 전체 높이가 대략 2.5 인치이거나 대략 2 인치 내지 대략 3인치의 범위 내인 것, 인코더 폴-쌍 스위칭(encoder pole-pair switching)을 갖는 3상 브러시리스 직류(Brushless Direct Current, BLDC) 모터에 의해 전력이 공급되는 것, 대략 1000 rpm 내지 대략 5000 rpm의 범위 내의 회전 속도를 가지는 것, 감소비가 대략 5:1이고 콜리메이터(229)까지의 거리가 대략 1.5 인치이거나 또는 1 인치 내지 대략 2 인치의 범위 내인 것 중의 하나 이상을 가진다. 일부 실시예에서, 시스템(200'')의 스캐닝 광학 기기(218)는 폴리곤 스캐너(244a, 244b)가 아닌 광학 기기를 사용할 수 있다.
일부 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244a, 244b)의 하나 이상의 파라미터는 서로 상이하다. 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 질량은 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 질량보다 클 수 있다. 폴리곤 스캐너(244a, 244b)의 외경은 거의 동일할 수 있지만, 제1 폴리곤 스캐너(244a)는 회전 축(243)이 통과하여 수용되는 더 큰 보어(bore)(예를 들어, 더 큰 내경)를 가질 수 있어, 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 질량은 제2 폴리곤 스캐너(244b)보다 작다. 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 질량에 대한 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 질량의 비는 제2 각속도(249b)의 회전 속도에 대한 제1 각속도(249a)의 회전 속도의 비와 거의 동일할 수 있다. 이것은 유리하게는 회전 동안 폴리곤 스캐너(244a, 244b) 사이에 관성 변화로 인한 순 각운동량이 없는 것을 보장하여, 작동 중에 시스템(200'')의 안정성을 용이하게 할 수 있다. 각각의 폴리곤 스캐너(244a, 244b)의 각운동량 및 관성 모멘트는 다음에 의해 제공된다.
[수학식 5a]
[수학식 5b]
여기에서, 여기서 L은 각각의 폴리곤 스캐너(244a, 244b)의 각운동량이고; I는 각각의 폴리곤 스캐너(244a, 244b)의 관성 모멘트이고; ω는 각속도(249a, 249b)이고; m은 각각의 폴리곤 스캐너(244a, 244b)의 질량이고; r은 회전 축(243)으로부터 질량(m)의 반경 거리이다. 일 실시예에서, 제1 각속도(249a)의 제1 회전 속도는 제2 각속도(249b)의 제2 회전 속도보다 크고, 제2 회전 속도에 대한 제1 회전 속도의 비는 대략 3 내지 대략 10의 범위 내에 있다. 이 실시예에서, 제2 회전 속도에 대한 제1 회전 속도의 비와 동일한 비에 기초하여, 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 질량은 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 질량보다 크다. 따라서, 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 관성 모멘트(I)가 수학식 5b에 따라 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 관성 모멘트(I)보다 크더라도, 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 각속도(예를 들어, 회전 속도)의 크기는 제2 폴리곤 스캐너(244b)보다 동일한 크기만큼 크고, 따라서, 폴리곤 스캐너(244a, 244b)의 각운동량(L)은 수학식 5a에 따라 크기가 거의 같고 각속도(249a, 249b)의 방향이 반대이므로 부호가 반대이다. 이것은 유리하게는 시스템(200'')의 작동 동안 폴리곤 스캐너(244a, 244b) 사이에 순 각운동량이 없거나 무시할 수 있는 것을 보장한다.
시스템(200'')은 콜리메이터(229)와 스캐닝 광학 기기(218)(예를 들어, 폴리곤 스캐너(244a, 244b)) 사이에 위치되고, 제3 평면(234)(예를 들어, 도 2e의 평면)에서 콜리메이트된 빔(205')의 방향을 조정하도록 구성된 스캐너(241)를 포함할 수 있다. 스캐너(241)는 제1 폴리곤 스캐너(244a)와 제2 폴리곤 스캐너(244b) 사이의 콜리메이트된 빔(205')의 방향을 조정할 수 있다. 스캐너(241)는 빔(205')을 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 패싯(facet)(245a, 245b)과 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 패싯(245a, 245b) 사이에서 스캔된 빔(233)으로 조정할 수 있다. 스캐너(241)는 스캔된 빔(233)을 삼각 파형을 사용하여 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 패싯(245)과 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 패싯(245) 사이에서 연속적으로 (예를 들어, 초당 5회) 이동시킬 수 있다.
스캐너(241)가 스캔된 빔(233)을 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 패싯(245a, 245b) 상으로 지향시킬 때, 패싯(245a, 245b)은 빔(233)이 제1 폴리곤 스캐너(244a)에 입사하는 제3 평면(234)(예를 들어, 도 2e의 평면)과 상이한 제1 평면(235)(예를 들어, 도 2f의 평면)으로 빔(233')을 편향시킬 수 있다, 도 2j는 빔(233')이 제1 각도로부터 제2 각도로 스캔되는 하부 스캔 영역(264)을 정의하는 제1 평면(235)을 도시한다. 일 실시예에서, 제1 평면(235)은 회전 축(243)과 대략 85도 또는 105도의 각도나, 대략 45도 내지 대략 150도의 범위 또는 대략 30도 내지 대략 150도의 범위 내의 각도를 형성한다. 일 실시예에서, 제2 평면(237)은 회전 축(243)과 대략 90도의 각도나, 대략 60도 내지 대략 120도의 범위 또는 대략 40도 내지 대략 150도의 범위 내의 각도를 형성한다. 일 실시예에서, 회전 축(243)을 중심으로 한 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 회전에 기초하여, 스캔된 빔(233')은 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 패싯(245a, 245b)에 의해 제1 평면(235)(예를 들어, 도 2f의 평면) 내에서 제1 각도로부터 제2 각도로 편향된다. 제1 평면(235)(예를 들어, 도 2f의 평면)은 제3 평면(234)에 대하여 대략 직교할 수 있다. 이 설명의 목적을 위하여, 직교는 90±20도 범위의 각도에 의해 정의된 상대적인 지향(orientation)을 의미한다. 스캐너(241)는 스캔된 빔(233)이 제1 폴리곤 스캐너(244a) 상으로 지향되는 기간 동안 스캔된 빔(233')이 제1 평면(235) 내에서 제1 각도로부터 제2 각도로 임계 횟수(예를 들어, 1회)만큼 편향되도록 충분히 느린 고정된 스캔 속도로 스캔된 빔(233)의 방향을 조정할 수 있다. 스캐너(241)는 스캔 속도로 스캔된 빔(233)의 방향을 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 패싯(245a, 245b)을 향해 조정하고 스캔된 빔(233')이 임계 횟수(예를 들어, 1회)만큼 제1 평면(235) 내에서 제1 각도로부터 제2 각도로 편향되도록 스캔된 빔(233')의 위치를 최소 기간 동안 유지할 수 있다.
스캐너(241)가 스캔된 빔(233)을 제1 폴리곤 스캐너(244a)로부터 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 패싯(245a, 245b) 상으로 지향시킬 때, 패싯(245a, 245b)은 빔(233')을 빔(233)이 제2 폴리곤 스캐너(244b)에 입사하는 제3 평면(234)(예를 들어, 도 2e의 평면)과 상이하고 제1 평면(235)과 상이한 제2 평면(237)으로 편향시킨다. 도 2j는 빔(233')이 제1 각도로부터 제2 각도로 스캔되는 스캔 영역(261)의 상부 스캔 영역(262)(도 2k 참조)을 정의하는 제2 평면(237)을 도시한다. 일부 실시예에서, 스캔 영역(261)의 상부 스캔 영역(262)과 하부 스캔 영역(264)은 중첩 영역(263)을 가진다. 일 실시예에서, 상부 스캔 영역(262)과 하부 스캔 영역(264)은 중첩하지 않고, 따라서 중첩 영역(263)이 없다. 일 실시예에서, 제2 평면(237)은 회전 축(243)과 대략 90도의 각도를 형성한다. 일 실시예에서, 회전 축(243)을 중심으로 한 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 회전에 기초하여, 스캔된 빔(233')은 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 패싯(245a, 245b)에 의해 제2 평면(237)(예를 들어, 도 2f의 평면) 내에서 제1 각도로부터 제2 각도로 편향된다. 제2 각속도(249b)의 방향은 제1 각속도(249a)의 방향에 반대일 수 있고, 따라서, 빔(233')은 (예를 들어, 제1 각도로부터 제2 각도로) 제1 평면(235)에서 스캔되는 빔(233')에 비하여 반대 방향으로 (예를 들어, 제2 각도로부터 제1 각도로) 제2 평면(237)에서 카운터 스캔된다(counter scanned). 제2 평면(237)(예를 들어, 도 2f의 평면)은 제3 평면(234)에 대해 대략 직교할 수 있다. 스캐너(241)는 스캔된 빔(233)이 제2 폴리곤 스캐너(244b) 상에 지향되는 기간 동안 스캔된 빔(233')이 제2 평면(237) 내에서 제1 각도로부터 제2 각도로 임계 횟수(예를 들어, 1회)만큼 편향되도록 충분히 느린 고정된 스캔 속도로 스캔된 빔(233)의 방향을 조정할 수 있다. 스캐너(241)는 스캔된 빔(233)의 방향을 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 패싯(245a, 245b)으로 스캔 속도로 조정하고 스캔된 빔(233')이 임계 횟수(예를 들어, 1회)만큼 제2 평면(237) 내에서 제1 각도로부터 제2 각도로 편향되도록 최소 기간 동안 스캔된 빔(233')의 위치를 유지할 수 있다.
도 2i는 도 2e의 시스템(200'')의 스캐닝 광학 기기(218)의 일례의 분해도를 도시하는 개략도이다. 일 실시예에서, 스캐닝 광학 기기(218)는 모터(257)에 결합될 수 있는 제1 폴리곤 스캐너(244a) 및 제1 폴리곤 스캐너(244a)를 통해 모터(257)에 결합될 수 있는 제2 폴리곤 스캐너(244b)를 포함한다. 제1 폴리곤 스캐너(244a)는 모터(257)의 구동 샤프트(258) 및 유성 베어링(259)에 회전 가능하게 장착될 수 있다. 제1 폴리곤 스캐너(244a)는 구동 샤프트(258) 및 유성 베어링(259)을 수용하기 위한 리세스(recess)(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 제2 폴리곤 스캐너(244b)는 링 기어(ring gear)(252) 내에 위치된 유성 변속 기어(planetary transmission gear)(254) 및 구동 태양 기어(driver sun gear)(256)를 사용하여 제1 폴리곤 스캐너(244a)에 회전 가능하게 장착될 수 있다. 링 기어(252)는 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 하면 상의 캐비티(cavity)(도시되지 않음) 내에 수용될 수 있다. 기어(254, 256) 및/또는 링 기어(252)의 하나 이상의 파라미터(예를 들어, 직경, 수량 등)는 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 제2 각속도(249b)의 회전 속도의 크기에 대한 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 제1 각속도(249a)의 회전 속도의 크기의 비를 조정하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 비는 대략 3 내지 대략 10의 범위 내에 있거나 대략 2 내지 대략 20 범위 내에 있을 수 있다. 모터(257)는 캘리포니아 토랜스에 소재한 Nidec Copal® Electronics, Inc.에 의해 제조될 수 있다. 변속기(예를 들어, 기어(254, 256) 및 링 (252))는 그라운드 메트릭 스퍼 기어(ground metric spur gear) 제품들 중의 선택 사항과 결합된 S1EO5ZM05S072 내부 링 기어를 포함하는 SDP/SI® 기어에 의해 제공될 수 있다.
도 2i의 모터(257)가, 도 2e 및 2f에 도시된 바와 같이, 폴리곤 스캐너(244a, 244b) 모두가 동시에 (예를 들어 반대 방향으로) 이동하게 하지만, 빔(233')이 제1 기간 동안 하부 스캔 영역(264)에 걸쳐 제1 평면(235)을 통해 스캔된 후 제1 기간 후 제2 기간 동안 상부 스캔 영역(262)에 걸쳐 제2 평면(237)을 통해 스캔되도록, 빔(233)은 스캐너(241)에 의해 한 번에 하나의 폴리곤 스캐너(244a, 244b) 상으로만 지향될 수 있다.
도 2g는 일 실시예에 따른 고해상도(hi res) LIDAR 시스템(200'')의 예시적인 컴포넌트들의 측면도를 도시하는 블록도이다. 도 2h는 실시예에 따른, 도 2g의 고해상도(hi res) LIDAR 시스템(200'')의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이다. 도 2g 및 2h의 시스템(200'')은 여기에 설명된 특징을 제외하고는 도 2e 및 2f를 참조하여 설명된 것과 유사할 수 있다. 단일 도파관(225) 및 단일 콜리메이터(229)가 제1 폴리곤 스캐너(244a)와 제2 폴리곤 스캐너(244b) 사이에서 스캐너(241)에 의해 스캔되는 단일의 콜리메이트된 빔(205')을 제공하는 도 2e 및 2f의 실시예와 다르게, 도 2g 및 2h의 시스템(200'')은 한 쌍의 콜리메이트된 빔(205')을 제1 및 제2 폴리곤 스캐너(244a, 244b)에 각각 제공하는 한 쌍의 도파관(225a, 225b) 및 한 쌍의 콜리메이터(229a, 229b)를 포함한다. 일 실시예에서, 도 2g 및 2h의 시스템(200'')은 스캐너(241)를 배제한다. 레이저 소스(212)로부터의 빔(201)은 빔 스플리터(도시되지 않음)에 의해 도파관(225a, 225b)으로 지향되는 2개의 빔들(201)로 분할될 수 있다. 시스템(200'')은 각각의 도파관(225a, 225b)의 끝단에서 수신되는 각각의 폴리곤 스캐너(244a, 244b)로부터의 개별 리턴 빔들(291)을 수용하도록 수신 경로(224)에 2개의 서큘레이터(226) 및 2개의 수신 도파관을 포함할 수 있다. 도 2g 및 2h의 시스템(200'')은 2개의 레이저 소스(212)를 포함할 수 있고 각각의 도파관(225a, 225b)은 레이저 소스(212) 중 하나로부터 각각의 빔(201)을 수신할 수 있다. 또한, 시스템(200'')은 폴리곤 스캐너(244a, 244b)로부터의 개별 리턴 빔들(291)을 처리하기 위하여 2개의 서큘레이터(226) 및 2개의 수신 도파관을 포함할 수 있다. 도 2g 및 2h의 시스템(200'')은, 시스템(200'')이 폴리곤 스캐너(244a, 244b)로부터 동시 리턴 빔들(291)을 수용하기 위하여 2개의 처리 채널을 포함하기 때문에, 제1 및 제2 평면(235, 237) 내에서 그리고 그에 따라 상부 스캔 영역 및 하부 스캔 영역(262, 264) 내에서 (예를 들어, 반대 방향으로) 빔(233')의 동시 스캐닝을 수용할 수 있다.
4. 모노스태틱 코히런트 LIDAR 시스템 파라미터
일 실시예에서, 시스템(200', 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. 시스템 측에서, 링크 버짓은 출력 광 파워, 누적 시간, 검출기 특성들, 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 포함할 수 있다. 타겟 측에서, 링크 버짓은 대기 특성(atmospheric characteristics), 타겟 반사도 및 타겟 거리 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 4a, 일 실시예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템(200') 또는 도 2e 내지 2h의 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)에서 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. 곡선(410)은 니어 필드(near field)(406)와 파 필드(far field)로 분할된 SNR 대 거리의 값들을 나타내며, 상대적으로 평탄한 기울기를 갖는 곡선(410)의 니어 필드(406)로부터 음의 기울기(예를 들어, 10m 당 대략 -20dB)를 갖는 곡선(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-squared)" 손실에 의해 지배된다. 도 4b는, 일 실시예에 따라, 파 필드(408)에서 SNR 곡선(410)의 형상을 초래하는 l/r 제곱 손실을 나타내는 곡선(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 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)으로 포커싱되기 전의 콜리메이트된 리턴 빔(291)의 직경이다. 도 4c는, 일 실시예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템(200') 또는 도 2e 내지 2h의 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, 곡선(414)은 리턴 빔(291)이 광 도파관의 끝단(217)에서 포커싱되기 이전에 콜리메이팅 광학 기기(229)에 입사하는 콜리메이트된 리턴 빔(291)의 직경을 나타낸다. 곡선(414)은 콜리메이팅 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, 끝단(217)에서 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 포커싱되는 리턴 빔(291)의 직경은 줄어든다. 도 4d는, 일 실시예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d 또는 도 2e 내지 2h의 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. 곡선(416)은 끝단(217)에서 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 포커싱된 리턴 빔(291)의 니어 필드 SNR을 타겟 거리에 기초하여 나타낸다. 니어 필드(406) 내의 가까운 거리에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에서 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, 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에서 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(418b)는 이미지(418a)보다 훨씬 작고, 따라서 수집 효율에 기인하는 SNR은 더 긴 거리에서 증가한다. 일 실시예에서, 곡선(416)은 니어 필드(406)에서 SNR이 포커싱된 리턴 빔(291)의 더 긴 거리에서 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 곡선(410)의 상대적으로 평탄한 영역으로 이어진다. 도 4d의 SNR 곡선(416) 내 양의 기울기는 파 필드(408)까지 연장되지 않고, 따라서 파 필드(408)에서의 SNR 곡선(410)에 도시된 바와 같이 도 4b의 "r-제곱" 손실이 파 필드(408) SNR을 지배한다.
도 4a 내지 4d와 관련한 논의에서는 리턴 빔(291)의 SNR을 타겟 거리의 함수로서 예상하지만, 도 4a 내지 4d에서 예상되는 SNR은, 이것이 스캐닝 광학 기기(218)의 스캔 레이트(scan rate)를 고려하지 않기 때문에, 스캔된 모노스태틱 코히런트 LIDAR 시스템(200', 200'')의 성능을 완전히 특징화하지 않는다. 일 실시예에서, 리턴 빔(291)의 왕복 이동 지연(round trip delay)으로 인하여, 빔이 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 스캔되고 있을 때, 리턴 빔(291)의 수신 모드는 송신된 빔(205')의 송신된 모드로부터 좌우로 시프트하거나 "이탈(walk off)"할 것이다. 도 4e는, 일 실시예에 따라, 도 2d의 시스템(200') 또는 도 2e 내지 2h의 시스템(200'')에서 다양한 타겟 거리 및 스캔 속도(예를 들어, 폴리곤 스캐너(244a, 244b)의 고정 스캔 속도)에 대한 빔 이탈의 일례를 도시하는 이미지이다. 수평 축(502)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 광 섬유 끝단(217)에 집중되어 짧은 타겟 거리에서 빔 이탈이 없다는 것을 나타내고 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(418b)도 광 섬유 끝단(217)에 집중되어 먼 타겟 거리에서 빔 이탈이 없다는 것을 나타내기 때문에, 빔이 스캔되지 않을 때(하부 행)에는 빔 이탈은 없다. 빔이 중간 스캔 속도로 스캐닝될 때(도 4e의 중간 행), 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(418a)와 광 섬유 끝단(217) 사이에 중간 빔 이탈(4l9a)이 관찰되고, 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(218b)와 광 섬유 끝단(217) 사이에서 더 큰 빔 이탈(419b)이 관찰된다. 빔이 높은 스캔 속도로 스캐닝될 때(도 4e의 상부 행), 중간 스캔 속도의 빔 이탈(4l9a)을 초과하는 빔 이탈(421a)이 짧은 거리에서 관찰되고, 중간 스캔 속도의 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)는 광 섬유 코어의 끝단(217)으로부터 멀리 이동한다. 따라서, 모드 중첩의 모델은 이 이탈을 적절하게 간주한다. 하나의 실시예에서, 이러한 모델은 빔 이탈(419, 421)을 이미지(418)의 직경에 기초하여 (예를 들어, 이미지(418)의 직경의 절반보다 크지 않게) 제한하여야 한다.
도 4f는, 일 실시예에 따라, 도 2d의 시스템(200') 또는 도 2e 내지 2h의 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 빔 이탈(419, 421)에 반비례한다. 제1 곡선(432a)은 빔의 스캐닝이 없는 것에 기초하여, 광 섬유 끝단(217)으로 포커싱된 리턴 빔(291)의 다양한 타겟 거리에 대한 커플링 효율을 나타낸다. 커플링 효율은 넓은 범위의 타겟 거리에 대하여 상대적으로 높고 일정한 상태를 유지한다. 제2 곡선(432b)은 빔의 중간 스캔 레이트에 기초하여, 광 섬유 끝단(217)으로 포커싱된 리턴 빔(291')의 다양한 타겟 거리에 대한 커플링 효율을 나타낸다. 일 실시예에서, 중간 스캔 레이트에서 커플링 효율은 중간 타겟 거리(예를 들어, 대략 120m)에서 피크에 도달한 후, 타겟 거리가 증가함에 따라 감소한다. 제3 곡선(432c)은 빔의 높은 스캔 레이트에 기초하여, 광 섬유 끝단(217)으로 포커싱된 리턴 빔(291')의 커플링 효율을 다양한 타겟 거리에 대하여 나타낸다. 일 실시예에서, 높은 스캔 레이트의 커플링 효율은 낮은 타겟 거리(예를 들어, 대략 80m)에서 피크에 도달한 후, 타겟 거리가 증가함에 따라 감소한다.
도 4f에서의 곡선에 기초하면, 너무 빠른 스캔은 결국 일부 타겟 거리 너머를 보는 것을 불가능하게 할 수 있다. 이 경우에, 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(418b)는 광 섬유 끝단(217)에 커플링되지 않고, 대신에 끝단(217)의 수신기 모드(receiver mode)로부터 완전히 이탈된다. 도 4g는, 일 실시예에 따라, 도 2d의 시스템(200') 또는 도 2e 내지 2h의 시스템(200'')에서 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 곡선(440a)은 빔이 스캔되지 않은 타겟 거리에 기초한 광 섬유 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 나타낸다. 제2 곡선(440b)은 빔이 중간 스캔 레이트로 스캔되는 타겟 거리에 기초한 광 섬유 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 나타낸다. 예시적인 일 실시예에서, 중간 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 곡선(440c)은 빔이 높은 스캔 레이트로 빔이 스캔되는 타겟 거리에 기초한 광 섬유 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291)의 SNR을 나타낸다. 예시적인 일 실시예에서, 높은 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, 중간 스캔 레이트와 높은 스캔 레이트는 빔 크기와 시스템의 목적에 기초한다. 일 실시예에서, 중간 스캔 레이트와 높은 스캔 레이트는 도 2i의 스캐닝 광학 기기(218)의 기어 장치 구조(gearing structure)에 기초하고, 예를 들어, 폴리곤 스캐너(244a)가 높은 스캔 속도로 회전하고, 폴리곤 스캐너(244b)가 중간 스캔 속도로 회전하며, 중간 스캔 레이트에 대한 높은 스캔 레이트의 비는 도 2i의 기어의 구조에 기초한다. 예시적인 일 실시예에서, 상술한 중간 스캔 레이트와 높은 스캔 레이트의 수치 범위는 대략 200 미터(m)의 최대 타겟 거리까지 이미지를 스캔하기 위하여 사용되는 대략 1 센티미터(cm)의 직경을 갖는 콜리메이트된 빔에 기초한다.
빔의 스캔 레이트에 더하여, 리턴 빔(291)의 SNR은 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)이 리턴 빔(291)을 샘플링하여 처리하는 시간인 누적 시간에 의해 영향을 받는다. 일부 실시예에서, 빔은 이산 각도들(discrete angles) 사이에 스캔되고, 각각의 이산 각도에서 각각의 누적 시간 동안 각도 범위(227) 내의 이산 각도들에서 고정된 상태로 또는 거의 고정된 상태로 유지된다. 리턴 빔(291)의 SNR은 누적 시간의 값과 타겟 거리에 의해 영향을 받는다. 이전에 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 거리로부터 리턴된 빔(291)에 대하여 동일한 SNR을 성취하기 위하여 더 긴 누적 시간이 필요하다.
도 4h는, 일 실시예에 따라, 도 2d의 시스템(200') 또는 도 2e 내지 2h의 시스템(200'')에서 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 곡선(450a)은 타겟 거리에 걸친 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내며, 여기서 시스템(200', 200'')은 제1 누적 시간(예를 들어, 3.2㎲)으로 설정된다. 제2 곡선(450b)은 타겟 거리에 걸친 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내며, 여기서 시스템(200', 200'')은 제2 누적 시간(예를 들어, 1.6㎲)으로 설정된다. 제3 곡선(450c)은 타겟 거리에 걸친 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내며, 여기서 시스템(200', 200'')은 제3 누적 시간(예를 들어, 800ns)으로 설정된다. 제4 곡선(450d)은 타겟 거리에 걸친 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내며, 여기서 시스템(200', 200'')은 제4 누적 시간(예를 들어, 400ns)으로 설정된다. 곡선(450)은 고정된 타겟 거리에 대하여 누적 시간의 증가에 따라 증가된 SNR이 성취된다는 것을 보여준다. 또한, 곡선(450)은 고정된 누적 시간에 대하여 리턴 빔(291)의 SNR이 이전에 논의된 이유로 거리 증가에 따라 감소한다는 것을 보여준다. 일 실시예에서, LIDAR 시스템(200'')은, 고정된 누적 시간과 연관된 SNR이 타겟 거리에 걸친 SNR 임계값(452)을 초과하도록, 각도 범위(227) 및 결과적인 타겟 거리들에서의 스캐닝을 위하여 고정된 누적 시간(예를 들어, 1.6㎲)을 선택한다. 일부 실시예에서, 시스템(200'')은, 각각의 각도에서의 타겟 거리를 이용하여 각도 범위(227) 내의 각각의 각도에서 누적 시간을 최소화하여, 각도 범위(227)에 걸쳐 누적 시간을 최소화한다. 도 4i는, 일 실시예에 따라, 도 2d의 시스템(200') 또는 도 2e 내지 2h의 시스템(200'')에서 측정 속도(measurement rate) 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(474)은 초당 허용 가능한 측정 횟수 단위의 단위 시간당 허용 가능한 측정 횟수이다. 곡선(476)은 각각의 타겟 거리에서의 초당 허용 가능한 측정 횟수를 나타낸다. 일 실시예에서, 곡선(476)은 누적 시간의 역수, 예를 들어, 초당 각각의 타겟 거리에서 검출될 수 있는 리턴 빔들(291')의 개수를 나타내며, 누적 시간은 각각의 타겟 거리에서 리턴 빔(291)을 처리하는데 얼마나 오래 걸리는지를 나타낸다. 또한, 곡선(478)이 제공되고, 이는 각각의 타겟 거리에서 초당 허용 가능한 측정 횟수의 좋은 목표이다. 곡선(478)은 주어진 ADC(analog to digital converter) 레이트에 대한 2의 거듭제곱 간격에 기초한다. 곡선(478)은 디지털화된 샘플의 개수가 2의 거듭제곱일 때 이러한 길이 신호에 대한 고속 푸리에 변환이 더 효율적이기 때문에, 초당 허용 가능한 측정 횟수의 좋은 목표를 나타낸다.
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. LIDAR 시스템(320)은 LIDAR 시스템(200, 200', 200'')의 특징들을 포함할 수 있다. 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 프로세서의 신호에 응답하여 동작되는, 조향 또는 제동 시스템(도시되지 않음)과 같은, 컴포넌트를 포함한다. 일부 실시예에서, 차량은 도 8에 도시된 칩셋과 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)이 온-보드 프로세서(314)와 통신 가능하게 결합되거나, LIDAR의 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) 주변의 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 부분 집합이다. 일 실시예에서, 시야(324)는 상부 스캔 영역(262)과 하부 스캔 영역(264)을 포함한다. 이 실시예에서, 스캐닝 빔(322)은 도 2e 및 2f 또는 도 2g 및 2h의 시스템(200'')의 빔(233'')과 유사한 방식으로 스캔되고, 예를 들어, 스캐닝 빔(322)은 제2 폴리곤 스캐너(244b)에 의해 상부 스캐닝 영역(262) 내의 시야(324)에 걸쳐 스캔되고, 스캐닝 빔(322)은 또한 제1 폴리곤 스캐너(244a)에 의해 하부 스캐닝 영역(264) 내의 시야(324)에 걸쳐 스캔된다. 도 2e 및 2f의 시스템(200'')과 같은 하나의 예시적인 실시예에서, 스캐닝 빔(322)은 분리된 기간들에서 상부 스캔 영역(262)과 하부 스캔 영역(264)에 걸쳐 스캔된다. 도 2g 및 2h의 시스템(200'')과 같은 다른 예시적인 실시예에서, 스캐닝 빔(322)은 상부 스캔 영역(262)과 하부 스캔 영역(264)에 걸쳐 동시에 스캔된다. 다른 예시적인 실시예에서, 스캐닝 빔(322)은 상부 스캔 영역(262)과 하부 스캔 영역(264)에 걸쳐 반대 방향으로 스캔된다(카운터 스캔).
일부 실시예에서, 차량은, GPS 센서, 주행 기록계(odometer), 회전 속도계(tachometer), 온도 센서, 진공 센서, 전압 또는 전류 센서와 같은 보조적인 센서들(도시되지 않음)를 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. LIDAR 시스템(320)은 시스템(200) 또는 시스템(200') 또는 시스템(200'')의 특징들을 포함할 수 있다. 차량(310)은 화살표(313)에 기초한 전방 방향으로 지면(349)(예를 들어, 도로) 위로 이동할 수 있다. 일 실시예에서, 빔(233')이 폴리곤 스캐너(244a)에 의해 제1 각도로부터 제2 각도로 스캔되는 하부 스캔 영역(264)을 정의하는 제1 평면(235)이 도시된다. 또한, 빔(233')이 폴리곤 스캐너(244b)에 의해 제1 각도로부터 제2 각도로 스캔되는 상부 스캔 영역(262)을 정의하는 제2 평면(237)이 도시된다. 일 실시예에서, 시스템(200'')은 상한(347)과 교차하는 제1 평면(235')에 걸쳐 빔(233')을 스캔하는데 사용될 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 스캐닝 광학 기기(218)는 제1 폴리곤 스캐너(244a)가 제2 폴리곤 스캐너(244b) 위로 위치되고 제1 폴리곤 스캐너(244a)가 제1 평면(235')에 걸쳐 빔을 스캔하도록 도 2j에 도시된 배열로부터 반전된 것이다. 하나의 실시예에서, 제1 평면(235, 235')은 지면(349) 및 상한(347)과 정렬되지 않고, 대신에 각도 범위 내에 (예를 들어, 화살표(313)의 ±10도 이내 및/또는 제2 평면(237)의 ±10도 이내에) 지향된다.
시스템(301')을 설계하는데 있어서, 각각의 평면(235, 237)에서 빔들의 미리 정해진 최대 설계 거리가 결정될 수 있고, 각각의 평면(235, 237)에서의 최대 예상 타겟 거리를 나타낼 수 있다. 하나의 실시예에서, 미리 정해진 최대 설계 거리는 각각의 평면(235, 237)에 대하여 고정된 값 또는 고정된 범위의 값이다. 일 실시예에서, 제1 평면(235)은 지면(349)을 향하여 지향되어, 차량(310)으로부터의 일부 최대 설계 거리 내에서 지면(349)과 교차한다. 따라서, 제1 평면(235)에 대하여, 시스템(320)은 지면(349)을 넘어 위치된 타겟을 고려하지 않는다. 일 실시예에서, 제1 평면(345)은 화살표(313)에 대하여 대략 -15도이거나 대략 -25도 내지 대략 -10도의 범위 내에 있는 각도를 형성하고, 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, 제1 평면(235')이 하늘을 향하여 지향되어, 차량(310)으로부터의 일부 최대 설계 거리 내에서 상한(347)과 교차한다. 따라서, 제1 평면(235')에 대하여 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, 제1 평면(235')은 화살표(313)에 대하여 대략 15도이거나 대략 10도 내지 대략 25도의 범위 내에 있는 각도를 형성하고, 최대 설계 거리는 대략 7m이거나, 대략 4m 내지 대략 10m의 범위 내에 있거나, 대략 1m 내지 대략 15m의 범위 내에 있다.
일 실시예에서, 제2 평면(237)은 화살표(313)와 대략 평행하게 지향되고, 차량(310)으로부터 최대 설계 거리에 위치된 타겟(343)과 교차한다.하나의 예시적인 실시예에서, 도 3b는 척도에 맞춰 작도되지 않았으며, 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, 제2 평면(237) 내의 타겟(343)의 최대 설계 거리는 대략 200m이거나, 대략 150m 내지 대략 300m의 범위 내에 있거나, 대략 100m 내지 대략 500m의 범위 내에 있다.
6. 코히런트 LIDAR 시스템에서 스캔 패턴을 최적화하기 위한 방법
도 5는 자율 주행 차량에서 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 예시적인 방법(500)을 도시하는 순서도이다. 단계들이 도 5 및 6에서 예시적인 목적으로 특정 순서에 따른 통합 단계들로서 도시되지만, 하나 이상의 단계 또는 그 일부는 상이한 순서로 수행되거나, 직렬 또는 병렬로 시간적으로 중첩되어 수행되거나, 생략되거나 할 수 있고, 또는 하나 이상의 추가 단계가 추가되거나, 방법이 몇몇 조합 방식으로 변경된다.
단계 501에서, 타겟 거리의 값에 기초하여 타겟에 의해 반사되고 LIDAR 시스템에 의해 검출된 신호의 제1 SNR 값들을 나타내는 데이터가 프로세서에서 수신되며, 제1 SNR 값들은 LIDAR 시스템의 스캔 레이트의 각각의 값에 대한 것이다. 일 실시예에서, 단계 501에서, 데이터는 시스템(200'') 내의 광 섬유 끝단(217) 상으로 포커싱된 리턴 빔(291)의 제1 SNR 값들이다. 일 실시예에서, 데이터는 리턴 빔(291)의 SNR 값들을 나타내는 곡선(440a) 및/또는 곡선(440b) 및/또는 곡선(440c)의 값들을 포함하고, 각각의 곡선(440)은 빔의 스캔 레이트의 각각의 값에 대한 것이다. 일부 실시예에서, 데이터는 곡선들(440a, 440b, 440c)에 한정되지 않으면서 도 4g에 도시된 것보다 적거나 많은 곡선들의 SNR 값들을 포함하고, 각각의 SNR 곡선은 스캔 레이트의 각각의 값에 기초한다. 일부 실시예에서, 데이터는 스캔 레이트의 각각의 개별 값(each respective value)에 대하여 타겟 거리에 걸쳐 곡선을 형성하는데 사용될 수 있는 SNR 값들을 포함한다. 예시적인 일 실시예에서, 단계 501에서, 데이터는 처리 시스템(250)의 메모리에 저장되고 제1 SNR 값들의 각각의 집합은 LIDAR 시스템의 스캔 레이트의 연관된 값과 함께 저장된다. 하나의 실시예에서, 단계 501에서, 제1 SNR 값들은 (예를 들어, 자동차인 경우) 대략 0 미터 내지 대략 500 미터의 범위에 걸쳐 또는 (예를 들어, 비행중인 비행체인 경우) 대략 0 미터 내지 대략 1000 미터의 범위에서, 대략 2000도/초 내지 대략 6000도/초 또는 대략 1000도/초 내지 대략 7000도/초의 범위 내의 스캔 레이트 값들에 대하여 획득된다. 일부 실시예에서, 제1 SNR 값들은 미리 결정되고 단계 501에서 프로세서에 의해 수신된다. 다른 실시예에서, 제1 SNR 값들은 LIDAR 시스템에 의해 측정된 후, 단계 501에서 프로세서에 의해 수신된다. 하나의 실시예에서, 데이터는 입력 장치(712)를 이용하여 단계 501에서 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.
단계 503에서, 타겟의 거리의 값들에 기초하여 타겟에 의해 반사되고 LIDAR 시스템에 의해 검출된 신호의 제2 SNR 값들을 나타내는 데이터가 프로세서에서 수신되고, 제2 SNR 값들은 LIDAR 시스템의 누적 시간의 각각의 값에 대한 것이다. 일 실시예에서, 단계 503에서, 데이터는 빔이 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)에 의해 처리되는 각각의 누적 시간에 대한 시스템(200'')에서 포커싱된 리턴 빔(291)의 제2 SNR 값이다. 하나의 실시예에서, 데이터는 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내는 곡선(450a) 및/또는 곡선(450b) 및/또는 곡선(450c) 및/또는 곡선(450d)의 값들을 포함하고, 각각의 곡선(450)은 빔이 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)에 의해 처리되는 누적 시간의 각각의 값에 대한 것이다. 일부 실시예에서, 데이터는 곡선(450a, 450b, 450c, 450d)에 한정되지 않고, 도 4h에 도시된 것보다 더 적거나 더 많은 곡선을 포함하고, 각각의 SNR 곡선은 누적 시간의 각각의 값에 기초한다. 일부 실시예에서, 데이터는 곡선일 필요는 없고 대신에 누적 시간의 각각의 개별 값에 대한 타겟 거리에 걸쳐 곡선을 형성하는데 사용되는 SNR 값들이다. 일 실시예에서, 단계 503에서, 데이터는 처리 시스템(250)의 메모리에 저장되고, 제2 SNR 값들의 각각의 집합은 LIDAR 시스템의 누적 시간의 연관된 값과 함께 저장된다. 하나의 실시예에서, 단계 503에서, 제2 SNR 값들은 (예를 들어, 자동차의 경우) 대략 0 미터 내지 대략 500 미터의 범위에 걸쳐 또는 (예를 들어, 비행중인 비행체인 경우) 대략 0 미터 내지 대략 1000 미터의 범위에서, 대략 100 나노초(ns) 내지 대략 5 밀리초(㎲)의 누적 시간 값들에 대하여 획득된다. 일부 실시예에서, 제2 SNR 값은 미리 정해지고 단계 503에서 프로세서에 의해 수신된다. 일부 실시예에서, 제2 SNR 값은 LIDAR 시스템에 의해 측정된 후, 단계 503에서 프로세서에 의해 수신된다. 하나의 실시예에서, 데이터는 입력 장치(712)를 이용하여 단계 503에서 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.
단계 505에서, 각도 범위(324)를 정의하는 제1 각도 및 제2 각도를 나타내는 데이터가 프로세서에서 수신된다. 하나의 실시예에서, 단계 505에서, 제1 각도 및 제2 각도는 제1 평면(235)에 의해 정의되는 (예를 들어, 제1 및 제2 각도가 화살표(313)에 대하여 측정되는) 하부 스캔 영역(264)의 각도 범위(324)를 정의한다. 다른 실시예에서, 단계 505에서, 제1 각도 및 제2 각도는 제2 평면(237)에 의해 정의되는 상부 스캔 영역(262)의 각도 범위(324)를 정의한다. 일 실시예에서, 제1 각도 및 제2 각도는 화살표(313)에 대하여 대칭이고, 예를 들어, 제1 각도 및 제2 각도는 동일하지만 서로 반대이다. 일 실시예에서, 제1 각도 및 제2 각도는 화살표(313)에 대하여 대략 ±60도이고, 예를 들어, 화살표(313)에 대한 대략 ±60도가 각도 범위(324)를 정의한다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 각도는 화살표(313)에 대하여 대략 ±30도, 대략 ±40도 및 대략 50도이다. 하나의 실시예에서, 단계 501, 503 및 505는 하나의 단계에서 동시에 수행되고, 여기에서 단계 501, 503 및 505의 데이터는 하나의 동시 단계에서 프로세서에 의해 수신된다.
단계 507에서, 상부 및 하부 스캔 영역(262, 264)을 정의하는 각각의 평면(235, 237)을 따라 타겟의 최대 설계 거리를 나타내는 데이터가 프로세서에서 수신된다. 일 실시예에서, 단계 507에서 수신된 최대 설계 거리는 상부 및 하부 스캔 영역(262, 264)를 정의하는 각각의 평면(235, 237)에 대하여 고정된 값 또는 고정된 범위의 값이다. 하나의 실시예에서, 단계 507에서, 제1 평면(235)에 대한 최대 설계 거리는 대략 1m 내지 대략 15m 또는 대략 4m 내지 대략 10m의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 단계 507에서, 제2 평면(237)에 대한 최대 설계 거리는 대략 150m 내지 대략 300m의 범위 또는 대략 100m 내지 대략 400m의 범위 내에 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 단계 507의 데이터는 입력 장치(712)(예를 들어, 마우스 또는 포인팅 장치(716))를 이용하여 입력되고 그리고/또는 네트워크 링크(778)를 통해 처리 시스템(250)으로 업로드된다. 일부 실시예에서, 최대 설계 거리는 미리 정해지고 단계 507 동안 수신된다. 일부 실시예에서, 시스템(200, 200', 200'')이 각각의 평면(235, 237)에서 최대 설계 거리를 측정하기 위하여 사용된 후, 각각의 평면(235, 237)에서의 최대 설계 거리가 처리 시스템(250)에 의해 단계 507에서 수신된다.
단계 509에서, LIDAR 시스템의 SNR이 최소 SNR 임계값보다 더 크도록 LIDAR 시스템의 최대 스캔 레이트가 제1 평면(235)에서 결정된다. 제1 평면(235)에서, 그 평면에 대한 최대 설계 거리가 단계 507에서 수신된 데이터에 기초하여 먼저 결정된다. 그 다음, 단계 501에서 수신된 제1 SNR 값들이 제1 평면(235)에서의 최대 설계 거리에 대하여 결정되고, 이 제1 SNR 값들 중 어느 것이 최소 SNR 임계값을 초과하는지 더 결정된다. 하나의 실시예에서, 곡선들(440a, 440b, 440c)의 값들이 최대 설계 거리(예를 들어, 대략 120m)에 대하여 결정되고, 곡선들(440a, 400b)의 값들이 최소 SNR 임계값(442)을 초과한다고 더 결정된다. 최소 SNR 임계값을 초과하는 제1 SNR 값들 중에서, 최대 스캔 레이트를 갖는 제1 SNR 값들이 선택되고, 평면(235)에 대한 최대 스캔 레이트가 단계 509에서 결정된다. 상기 실시예에서, 최대 설계 거리(예를 들어, 대략 120m)에서 최소 SNR 임계값(442)을 초과하는 곡선들(440a, 440b)의 값들 중에서, 곡선(440b) 값들이 최대 스캔 레이트로서 선택되고, 단계 509에서 평면(235)에 대한 최대 스캔 레이트(예를 들어, 곡선(440b)과 연관된 중간 스캔 레이트)가 결정된다. 단계 511에서, 단계 509가 반복되지만, 제2 평면(237)에 대한 최대 스캔 레이트가 결정된다.
일 실시예에서, 도 4g는 더 작은 최대 설계 거리를 갖는 제1 평면(235)에 대하여 단계 509에서 결정된 최대 스캔 레이트(예를 들어, 곡선(440c)에 기초한 빠른 스캔 레이트)가 단계 511에서 결정된 더 큰 최대 설계 거리를 갖는 제2 평면(237)에 대한 최대 스캔 레이트(예를 들어, 곡선(440b)에 기초한 중간 스캔 레이트)보다 더 크다는 것 도시한다. 따라서, (예를 들어, 하부 스캔 영역(264)을 따라 제1 평면(235)에서 빔(233')을 스캔하는) 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 회전 속도는 (예를 들어, 상부 스캔 영역(262)을 따라 제2 평면(237)에서 빔(233')을 스캔하는) 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 회전 속도보다 더 크게 설정된다. 예시적인 일 실시예에서, 스캐닝 광학 기기(218)의 기어 장치 구조(도 2i)는 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 회전 속도에 대한 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 회전 속도의 비가 단계 509 및 511에 기초하여 적절한 값을 갖도록 배열된다. 일 실시예에서, 단계 509 및 511에서 최대 스캔 레이트를 결정하는 단계는 광 섬유 끝단(217) 상의 리턴 빔(291)의 빔 이탈(419)(도 4e)이 끝단(217) 상의 리턴 빔(291)의 이미지의 직경의 비보다 작은 것을 보장한다. 예시적인 일 실시예에서, 비는 대략 0.5이거나 대략 0.3 내지 대략 0.7의 범위 내에 있다.
단계 513에서, LIDAR 시스템의 SNR이 최소 SNR 임계값보다 더 크도록 제1 평면(235)에서의 LIDAR 시스템의 최소 누적 시간이 결정된다. 제1 평면(235)에서, 그 평면에 대한 최대 설계 거리가 단계 507에서 수신된 데이터에 기초하여 먼저 결정된다. 그 다음, 단계 503에서 수신된 제2 SNR 값들이 제1 평면(235)에서의 최대 설계 거리에 대하여 결정되고, 이 제2 SNR 값들 중 어느 것이 최소 SNR 임계값을 초과하는지 더 결정된다. 하나의 실시예에서, 곡선들(450a, 450b, 450c, 450d)의 값들이 최대 설계 거리(예를 들어, 대략 120m)에 대하여 결정되고, 곡선들(450a, 450b, 450c)의 값들이 최소 SNR 임계값(452)을 초과한다고 더 결정된다. 최소 SNR 임계값을 초과하는 제2 SNR 값들 중에서, 최소 누적 시간을 갖는 제2 SNR 값들이 선택되고, 그 평면(235)에 대한 최소 누적 시간이 단계 513에서 결정된다. 상기 실시예에서, 최대 설계 거리(예를 들어, 대략 120m)에서 최소 SNR 임계값(442)을 초과하는 곡선들(450a, 450b, 450c)의 값들 중에서, 곡선(450b) 값이 최소 누적 시간을 갖는 것으로 선택되고, 평면(235)에 대한 최소 누적 시간(예를 들어, 대략 800ns)이 단계 511에서 결정된다. 단계 515는 제2 평면(237)에 대한 최소 누적 시간을 결정하기 위하여 단계 513을 반복하는 것을 포함한다.
단계 517에서, 단계 509의 최대 스캔 레이트와 단계 513의 최소 누적 시간에 기초하여, 하부 스캔 영역(264)의 스캔 패턴이 LIDAR 시스템에 의해 정의된다. 일 실시예에서, 최대 스캔 레이트 및 최소 누적 시간은 하부 스캔 영역(264)에 걸쳐 고정된다. 예시적인 일 실시예에서, 스캔 패턴은 처리 시스템(250)의 메모리(예를 들어, 메모리(704))에 저장된다. 단계 519에서, 상부 스캔 영역(262)의 스캔 패턴이 단계 511의 최대 스캔 레이트와 단계 515의 최소 누적 시간에 기초하여 정의된다.
단계 521에서, LIDAR 시스템은 단계 517 및 519에서 결정된 스캔 패턴에 따라 작동된다. 일 실시예에서, 단계 519에서, LIDAR 시스템의 빔은 하부 스캔 영역(264) 및 상부 스캔 영역(262)에 걸쳐 시야(324) 내에 스캔된다. 일부 실시예에서, 단계 521은 도 2e 및 2f의 시스템(200'')을 이용하고, 스캐너(241)가 제1 폴리곤 스캐너(244a)로부터 제2 폴리곤 스캐너(244b)로 빔(233)을 이동시킴에 따라 빔(233')을 하부 스캔 영역(264)과 상부 스캔 영역(262)에 걸쳐 순차적으로 스캔하는 것을 포함한다. 다른 실시예에서, 단계 521은 도 2g 및 2h의 시스템(200'')을 이용하고, 하부 스캔 영역(264) 및 상부 스캔 영역(262)에 걸쳐 빔들(233')을 동시에 스캔하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 단계 521에서, 빔(233')이 반대 방향으로 스캔되기 때문에, 빔(233')은 상부 스캔 영역(362) 및 하부 스캔 영역(264)에 걸쳐 카운터 스캔된다. 이것은 유리하게는 스캐너(244a, 244b)의 카운터 로테이션(counter rotation)에 따라 단계 521 동안 스캐닝 광학 기기(218)의 관성이 변화한 것에 기인하여 순 결과 모멘트(net resulting moment)를 개선한다. 일 실시예에서, 단계 521에서, 빔은 하나 이상의 사이클 동안 상부 스캔 영역(262)과 하부 스캔 영역(264)을 통해 스캔되고, 각각의 영역(262. 264)에서 빔의 스캔 레이트는 그 영역(262, 264)(예를 들어, 평면(235, 237))에 대한 스캔 패턴에서 최대 스캔 레이트이고, 각각의 영역(262, 264)에서 LIDAR 시스템의 누적 시간은 그 영역(262, 264)(예를 들어, 평면(235, 237))에 대한 최소 누적 시간이다.
단계 521 동안 또는 그 후에, 프로세서는 단계 521 동안 LIDAR 시스템에 의해 수집된 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 차량(310)을 작동시킬 수 있다. 하나의 실시예에서, LIDAR 시스템의 처리 시스템(250) 및/또는 차량(310)의 프로세서(314)는 단계 521에서 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. 일부 실시예에서, 처리 시스템(250)은 단계 521에서 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.
도 6은 일 실시예에 따라 자율 차량에서 LIDAR 시스템(200'')을 작동시키기 위한 예시적인 방법(600)을 도시하는 순서도이다. 단계 601에서, 빔(201)은 레이저 소스(212)로부터 생성된다. 일 실시예에서, 단계 601에서, 빔(201)은 송신 도파관(225) 내로 커플링되고 도파관(225)의 끝단(217)으로부터 송신된다. 일부 실시예에서, 단계 601에서, 빔(201)은 빔 스플리터(미도시)를 사용하여 분할되고 개별 빔들은 도파관(225a, 225b) 내로 지향되고 도파관(225a, 225b)의 끝단(217)으로부터 송신된다. 일부 실시예에서, 단계 601에서, 2개의 레이저 소스(212)가 제공되고 각각의 레이저 소스(212)는 각각의 도파관(225a, 225b)으로 지향되는 각각의 빔(201)을 생성한다.
단계 603에서, 빔은 콜리메이터(229)를 이용하여 만들어져 콜리메이트된 빔(205')을 형성한다. 일 실시예에서, 단계 603에서, 빔은 콜리메이터(229)를 이용하여 만들어져 제3 평면(234)(예를 들어, 도 2e 및 2g의 평면) 내에 지향된 콜리메이트된 빔(205')을 형성한다. 일부 실시예에서, 단계 603에서, 개별 빔들이 도파관(225a, 225b)의 끝단(217)으로부터 전송되고 각각의 콜리메이터(229a, 229b)는 빔들을 제3 평면(234)(예를 들어, 도 2g의 평면) 내에 지향된 각각의 콜리메이트된 빔(205')으로 콜리메이트한다. 일 실시예에서, 단계 603에서, 콜리메이트된 빔들(205')은 폴리곤 스캐너(244a, 244b) 중 하나를 향한 방향(도 2e 및 2f) 또는 폴리곤 스캐너(244a, 244b) 모두를 향한 방향(도 2g 및 2h)으로 제3 평면(234) 내에서 지향된다.
단계 605에서, 단계 603에서 생성된 콜리메이트된 빔(205')의 방향은 제1 폴리곤 스캐너(244a)를 이용하여 제1 평면(235)에서 제1 각도로부터 제2 각도로 조정된다. 일 실시예에서, 단계 605에서, 빔(233')은 회전 축(243)을 중심으로 한 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 회전에 기초하여 하부 스캔 영역(264)에 걸쳐 스캔된다. 일 실시예에서, 단계 605에서, 스캐너(241)는 제1 폴리곤 스캐너(244a)를 이용하여 제1 각도로부터 제2 각도로 빔(233')을 스캔하기에 충분한 기간 동안 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 패싯(245) 상으로 빔(233)을 지향시킨다. 예시적인 일 실시예에서, 시스템(301')에 대하여, 단계 605는 지면(349)을 향해 지향된 제1 평면(235)에 걸쳐 제1 각도로부터 제2 각도로 빔(233')을 스캔하는 것을 포함한다.
단계 607에서, 단계 605에서 제1 평면(235) 내에서 빔(233')의 방향을 조정하는 것에 기초하여 하나 이상의 리턴 빔들(291)이 시스템(200'')의 도파관 끝단(217)에서 수신된다. 일 실시예에서, 단계 607에서, 리턴 빔들(291)은 하부 스캔 영역(264)에 걸쳐 타겟까지의 거리를 결정하기 위해 시스템(200'')에 의해 처리된다. 예시적인 일 실시예에서, 단계 607에서, 리턴 빔들(291)은 제1 평면(235) 내에서 스캔된 빔(233')의 방향을 조정하는 것에 기초하여 지면(349)(또는 지면(349) 상의 타겟)으로부터 반사된다.
단계 609에서, 빔(205')의 방향은 제3 평면(234)(도 2e의 평면) 내에서 제1 폴리곤 스캐너(244a)로부터 제2 폴리곤 스캐너(244b)로 조정된다. 일 실시예에서, 단계 609에서, 빔(205')의 방향은 빔(205')이 제1 폴리곤 스캐너(244a)의 패싯(245) 상에 있을 때 단계 605 및 607이 수행될 만큼 충분히 느린 연속 스캔 속도로 스캐너(241)를 이용하여 조정된다. 일 실시예에서, 단계 609에서, 빔(205')의 방향은 스캐너(244a, 244b) 사이에서 0이 아닌 스캔 속도로 스캐너(231)를 이용하여 조정되고, (스캐너(244a)에 대한) 단계 605 및 607 또는 (스캐너(244b)에 대한) 단계 611 및 613이 수행될 때까지 각각의 스캐너(244a, 244b)에 고정 유지된다. 개별 빔들(205')이 개별 폴리곤 스캐너(244a, 244b) 상으로 송신되는 일부 실시예(예를 들어, 도 2g 및 2h)에서, 단계 609는 생략된다.
단계 611에서, 단계 603에서 생성된 콜리메이트된 빔(205')의 방향은 제2 폴리곤 스캐너(244b)를 이용하여 제2 평면(237) 내에서 제1 각도로부터 제2 각도로 조정된다. 일 실시예에서, 단계 611에서, 빔(233')은 회전 축(243)을 중심으로 한 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 회전에 기초하여 상부 스캔 영역(262)에 걸쳐 스캔된다. 일 실시예에서, 단계 611에서, 스캐너(241)는, 제2 폴리곤 스캐너(244b)를 이용하여 빔(233')을 제1 각도로부터 제2 각도로 스캔하기에 충분한 기간 동안, 빔(233)을 제2 폴리곤 스캐너(244b)의 패싯(245) 상으로 지향시킨다. 예시적인 일 실시예에서, 시스템(301')의 경우, 단계 611는 (예를 들어, 대략 150m 내지 대략 400m의 최대 거리에 있는) 지면(349) 상의 타겟(343)을 향해 지향된 제2 평면(237)에 걸쳐 제1 각도로부터 제2 각도로 빔(233')을 스캔하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 단계 611에서 제2 평면(237) 내에서 빔(233')을 조정하는 방향은 단계 605에서 제1 평면(235) 내에서 빔(233')을 조정하는 방향과 반대이다.
단계 613에서, 단계 611에서 제2 평면(237) 내에서 빔(233')의 방향을 조정하는 것에 기초하여 하나 이상의 리턴 빔들(291)이 시스템(200'')의 도파관 끝단(217)에서 수신된다. 일 실시예에서, 단계 613에서, 리턴 빔들(291)은 상부 스캔 영역(262)에 걸쳐 타겟까지의 거리를 결정하기 위해 시스템(200'')에 의해 처리된다. 예시적인 일 실시예에서, 단계 613에서, 리턴 빔들(291)은 제2 평면(237) 내에서 스캐닝 된 빔(233')의 방향을 조정하는 것에 기초하여 타겟(343)으로부터 반사된다.
단계 615에서, 제1 평면(235) 및/또는 제2 평면(237) 내에서 빔(233')의 더 많은 스와이프(swipe)가 수행될 것인지 여부가 결정된다. 일 실시예에서, 단계 615는 제1 평면(235) 및/또는 제2 평면(237) 내 빔(233')의 스와이프 횟수를 (예를 들어 메모리(704)에 저장된) 제1 평면 및/또는 제2 평면(237) 내 빔(233')의 미리 정해진 스와이프 횟수와 비교하는 것을 포함한다. 빔(233')의 추가 스와이프가 수행되어야 하는 경우, 방법(600)은 단계 605로 되돌아간다. 빔(233')의 추가 스와이프가 수행되어야 하지 않으면, 방법(600)은 종료된다. 일 실시예에서, 폴리곤 스캐너(244a, 244b)는 방법(600)의 단계들 동안 고정된 속도로 연속적으로 회전한다. 일 실시예에서, 방법(600)이 종료될 때 처리 시스템(250)은 스캐너의 회전을 정지시키기 위하여 폴리곤 스캐너(244a, 244b)에 신호를 송신한다.
일 실시예에서, 방법(600)은 단계 607 및 611에서 수신된 리턴 빔 데이터에 기초하여 제1 평면(235) 및/또는 제2 평면(237) 내 타겟까지의 거리를 결정하는 단계를 더 포함한다. 추가적으로, 하나의 실시예에서, 방법(600)은 제1 및 제2 평면(235, 237) 내 타겟까지의 거리에 기초하여 차량(310)의 하나 이상의 시스템들을 조정하는 단계를 포함한다. 예시적인 일 실시예에서, 방법(600)은 단계 607 및 611에서 리턴 빔 데이터로부터 결정된 타겟 거리 데이터에 기초하여 차량(310)의 조향 시스템 및/또는 제동 시스템 중 하나 이상을 조정하는 단계를 포함한다.
7. 컴퓨터 하드웨어 개요
도 7은 컴퓨터 시스템(700)을 도시하는 블록도이다. 컴퓨터 시스템(700)은 컴퓨터 시스템(700)의 다른 내부 및 외부 컴포넌트들 사이에 정보를 전달하기 위한 버스(710)와 같은 통신 메커니즘을 포함한다. 정보는 전형적으로는 전압인 측정 가능한 현상의 물리적 신호들로 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 컨덕터(parallel conductors of information)를 포함할 수 있다. 정보를 처리하기 위한 하나 이상의 프로세서(702)가 버스(710)와 결합된다. 프로세서(702)는 정보에 대한 일련의 동작을 수행한다. 일련의 동작은 버스(710)로부터 정보를 가져오는 것 및 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 동안 임시 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 의한 사용을 위해 버스(710)에 제공된다. 센서는 그 부근의 상태를 검출하고 이러한 검출들을 컴퓨터 시스템(700)에서 정보를 나타내는데 사용되는 신호들과 호환 가능한 신호들로 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 요소에 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 암호화 보드(cryptographic board), 음성 인식 및 하드웨어 내에서 보다 효율적으로 구현된 일부 복잡한 일련의 동작을 반복적으로 수행하는 로봇 암(robotic arm) 및 의료 스캐닝 장비와 같은 특별한 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 신호들을 동축 케이블을 통한 통신 연결을 위한 신호들 또는 광섬유 케이블을 통한 통신 연결을 위한 광 신호들로 변환하는 케이블 모뎀이다. 다른 예로서, 통신 인터페이스(770)는 이더넷(Ethernet)과 같은 호환 가능한 근거리 통신망(Local Area Network, LAN)으로의 데이터 통신 연결을 제공하는 LAN 카드일 수 있다. 또한, 무선 링크들이 구현될 수 있다. 전파(radio wave), 광파(optical wave) 및 적외선 파(infrared wave)를 포함하는, 음파 및 전자기파와 같은 반송파는 와이어 또는 케이블 없이 공간을 통과한다. 신호들은 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 신호들 포함하는, 전기, 음향 또는 전자기 신호들을 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 비일시적인(non-transitory) 저장 매체라는 용어는, 반송파 및 다른 신호들을 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)에서 프리젠테이션하기 위한 비디오 데이터를 나타내는 정보를 제공한다.
컴퓨터 시스템(700)은 메모리(704)에 포함된 하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를 실행하는 프로세서(702)에 응답하여 본 명세서에 설명된 다양한 기술을 구현할 수 있다. 소프트웨어 및 프로그램 코드라고도 불리는 이러한 명령어는 저장 장치(708)와 같은 다른 컴퓨터 판독 가능한 매체로부터 메모리(704)로 읽혀질 수 있다. 메모리(704)에 포함된 명령어 시퀀스의 실행은 프로세서(702)로 하여금 본 명세서에 설명된 방법의 단계들을 수행하게 한다. 대안적인 실시예에서, ASIC(720)와 같은 하드웨어가 본 발명을 구현하기 위해 소프트웨어 대신에 또는 소프트웨어와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 특정 조합으로 제한되지 않는다.
네트워크 링크(778) 및 통신 인터페이스(770)를 통한 다른 네트워크를 통해 송신된 신호들은 컴퓨터 시스템(700)으로 그리고 그로부터 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 반송파 상의 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 컴포넌트들을 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 컴포넌트들 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 신호들(예를 들어, 사운드)을 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 컴포넌트들은 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 컴포넌트들은 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. 또한, 메모리(805)는 본 명세서에 설명된 방법 중 하나 이상의 단계의 실행과 연관되거나 그에 의해 생성된 데이터를 저장한다.
이제 일부 예시적인 구현예들을 설명하였지만, 전술한 구현예들은 예시적이며 한정적인 것이 아니며, 예로서 제시된 것이 분명하다. 특히, 본 명세서에 제시된 많은 예가 방법 동작들 또는 시스템 요소들의 특정 조합을 포함하지만, 이러한 동작들과 이러한 요소들은 동일한 목적을 달성하기 위하여 다른 방식으로 조합될 수 있다. 하나의 구현예과 관련하여 논의된 동작들, 요소들 및 특징들은 다른 구현예들의 유사한 기능으로부터 배제되도록 의도된 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 어법 및 용어는 설명을 위한 것이며 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", "~을 특징으로 하는(characterized by)", "~ 인 것을 특징으로 하는(characterized in that)" 및 이들의 변형의 사용은 그 후에 열거되는 항목, 이의 균등물 및 추가 항목뿐만 아니라, 그 후에 열거되는 항목으로 이루어지는 대안적인 구현예를 배타적으로 포함하도록 의도된다. 하나의 구현예에서, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 설명된 요소들, 동작들 또는 컴포넌트들 중의 하나, 2 이상의 각각의 조합 또는 모두로 이루어진다.
본 명세서에서 단수 형태로 언급된 시스템들 및 방법들의 구현예들 또는 요소들 또는 동작들에 대한 임의의 언급은 복수의 이러한 요소들을 포함하는 구현예들 또한 포함할 수 있으며, 본 명세서에서 임의의 구현예들 또는 요소들 또는 동작들에 대한 복수 형태의 언급은 단일의 요소만을 포함하는 구현예 또한 포함할 수 있다. 단수 또는 복수 형태의 언급은 현재 개시된 시스템들 또는 방법들, 이들의 컴포넌트들, 동작들 또는 요소들을 단수 또는 복수 구성으로 한정하려는 의도는 아니다. 임의의 정보, 동작 또는 요소에 기초하는 임의의 동작 또는 요소에 대한 언급은 동작 또는 요소가 임의의 정보, 동작 또는 요소에 적어도 부분적으로 기초하는 구현예를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 구현예들은 임의의 다른 구현예 또는 실시예와 결합될 수 있으며, "일 구현예", "일부 구현예", "하나의 구현예" 등은 반드시 상호 배타적인 것이 아니며, 구현예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 구현예 또는 실시예에 포함될 수 있다는 것을 나타내려는 의도이다. 본 명세서에 사용된 이러한 용어는 반드시 모두 동일한 구현예를 나타내는 것은 아니다. 임의의 구현예는 본 명세서에 개시된 양태 및 구현예에 부합하는 임의의 방식으로 포괄적이거나 배타적으로 임의의 다른 구현예와 결합될 수 있다.
도면, 상세한 설명 또는 임의의 청구항의 기술적 특징들에 참조 기호들이 따라오는 경우, 참조 기호들은 도면, 상세한 설명 및 청구범위의 이해도를 높이기 위하여 포함되었다. 따라서, 참조 기호의 유무는 임의의 청구항 요소의 범위에 어떠한 한정적 효과도 가지지 않는다.
본 명세서에 설명된 시스템들 및 방법들은 그 특성으로부터 벗어나지 않고 다른 구체적인 형태들로 구체화될 수 있다. 추가의 상대적인 평행, 직각, 수직 또는 다른 위치 설정 또는 지향의 설명은 순수한 수직, 평행 또는 직각 위치 설정의 +/- 10% 또는 +/-10도 내의 변동을 포함한다. "대략(approximately)", "약(about)", "실질적으로(substantially)" 또는 정도(degree)에 대한 다른 용어에 대한 언급은 명시적으로 다르게 나타내지 않는 한 주어진 측정값, 단위 또는 범위로부터 +/-10%의 변동을 포함한다. 결합된 요소들은 직접 또는 개재 요소를 이용하여 전기적으로, 기계적으로 또는 물리적으로 서로 결합될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 설명된 시스템들 및 방법들의 범위는 전술한 설명이 아니라 첨부된 청구 범위에 의해 표현되고, 청구 범위의 균등론의 의미 및 범위 내에 있는 변경들이 포함된다.
"결합되는(coupled)"이라는 용어 및 이의 변형은 2개의 부재를 서로 직접적으로 또는 간접적으로 결합하는 것을 포함한다. 이러한 결합은 고정적인(예를 들어, 영구적인 또는 고정된) 또는 이동 가능한(예를 들어, 제거 가능한 또는 분리 가능한) 것일 수 있다. 이러한 결합은, 서로 직접 결합된 2개의 부재, 별도의 개재 부재 및 서로 결합된 임의의 추가 중간 부재를 이용하여 서로 결합된 2개의 부재, 또는 2개의 부재 중 하나와 단일의 통합체로서 일체로 형성된 개재 부재를 이용하여 서로 결합된 2개의 부재로 성취될 수 있다. "결합되는" 또는 이의 변형이 추가 용어에 의해 수식되는 경우(예를 들어, 직접 결합되는), 위에 제공된 "결합되는"의 일반적 정의는 추가 용어의 보통의 언어 의미에 의해 한정되어(예를 들어, "직접 결합되는"은 어떠한 별도의 개재 부재 없는 2개의 부재의 결합을 의미한다), 위에서 제공된 "결합되는"의 일반적 정의보다 더 좁은 정의가 된다. 이러한 결합은 기계적, 전기적 또는 유체적일 수 있다.
"또는(or)"에 대한 언급은 "또는"을 이용하여 설명된 임의의 용어들은 설명된 용어들 중 하나, 2 이상 또는 전부를 포괄하는 것으로 해석될 수 있다. "'A' 또는 'B' 중 적어도 하나"에 대한 언급은 'A'만, 'B'만 및 'A'와 'B' 모두를 포함할 수 있다. "포함하는(comprising)" 또는 다른 개방형 용어와 함께 사용되는 이러한 언급은 추가 항목을 포함할 수 있다.
다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 파라미터의 값, 장착 배열, 재료의 사용, 색상, 지향의 변화와 같은 설명된 요소들 및 동작들의 수정은 본 명세서에 개시된 내용의 교시(teaching) 및 이점으로부터 실질적으로 벗어나지 않고 발생할 수 있다. 예를 들어, 일체로 형성된 것으로 나타낸 요소들은 다수의 부분들 또는 요소들로 구성될 수 있고, 요소들의 위치는 반전되거나 아니면 변경될 수 있으며, 개별 요소 또는 위치의 특성 또는 개수는 변동되거나 변경될 수 있다. 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않으면서, 개시된 요소들 및 동작들의 설계, 동작 조건 및 배열에서 다른 대체, 수정, 변경 및 생략이 또한 이루어질 수 있다.
본 명세서에서 요소들의 위치(예를 들어, "상부(top)", "하부(bottom)", "위에(above)", "아래에(below)")에 대한 언급은 단지 도면에서 다양한 요소의 지향을 설명하기 위해서 사용된다. 다양한 요소의 지향은 다른 예시적인 실시예에 따라 상이할 수 있고, 이러한 변동은 본 개시 내용에 의해 포함된다는 것이 주목되어야 한다.

Claims (20)

  1. 차량을 위한 LIDAR(Light Detection and Ranging) 센서 시스템으로서:
    빔을 출력하도록 구성되는 레이저 소스;
    상기 빔을 수신하고 제1 스캔 영역 내에서 상기 빔을 출력하도록 구성되는 제1 스캐너;
    상기 빔을 수신하고 제2 스캔 영역 내에서 상기 빔을 출력하도록 구성되는 제2 스캐너; 및
    상기 제1 스캐너를 회전축을 중심으로 제1 방향으로 회전시키도록 구성되고 상기 제2 스캐너를 상기 회전축을 중심으로 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 회전시키도록 구성되는 모터를 포함하는, LIDAR 센서 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터 및 상기 제1 스캐너와 결합되는 제1 기어; 및
    상기 모터 및 상기 제2 스캐너와 결합되는 제2 기어를 더 포함하는, LIDAR 센서 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 빔을 상기 제1 스캐너 또는 상기 제2 스캐너로 지향시키도록 구성되는 복수의 도파관을 더 포함하는, LIDAR 센서 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 빔을 상기 제1 스캐너 또는 상기 제2 스캐너로 지향시키도록 구성되는 제3 스캐너를 더 포함하는, LIDAR 센서 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 스캐너는 제1 목표 거리로 상기 빔을 출력하도록 구성되고, 상기 제2 스캐너는 상기 제1 목표 거리보다 더 먼 제2 목표 거리로 상기 빔을 출력하도록 구성되는, LIDAR 센서 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 스캐너는 제1 질량을 갖고,
    상기 제2 스캐너는 상기 제1 질량보다 큰 제2 질량을 가지며,
    상기 모터는, 상기 제1 질량을 제1 각속도로 회전시키고 상기 제2 질량을 제2 각속도로 회전시키되, 상기 제1 질량에 대한 상기 제2 질량의 비율이 상기 제2 각속도에 대한 상기 제1 각속도의 비율과 동일하도록 구성되는, LIDAR 센서 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 스캐너의 외경은 상기 제2 스캐너의 외경과 동일하고,
    상기 제1 스캐너는 상기 제2 스캐너의 제2 보어(bore)보다 큰 제1 보어를 갖는, LIDAR 센서 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 스캔 영역은 상기 회전축에 대해 85도 내지 105도의 제1 각도를 갖는 제1 평면을 포함하고,
    상기 제2 스캔 영역은 상기 회전축에 대해 60도 내지 120도의 제2 각도를 갖는 제2 평면을 포함하는, LIDAR 센서 시스템.
  9. 자율 차량 제어 시스템으로서:
    빔을 출력하도록 구성되는 레이저 소스;
    상기 빔을 수신하고 상기 빔을 제1 송신 빔으로 출력하도록 구성되는 제1 스캐너;
    상기 빔을 수신하고 상기 빔을 제2 송신 빔으로 출력하도록 구성되는 제2 스캐너;
    상기 제1 스캐너를 회전축을 중심으로 제1 방향으로 회전시키도록 구성되고 상기 제2 스캐너를 상기 회전축을 중심으로 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 회전시키도록 구성되는 모터; 및
    하나 이상의 프로세서들을 포함하고, 상기 하나 이상의 프로세서들은:
    물체에 의한, 상기 제1 송신 빔 또는 상기 제2 송신 빔의 반사로부터 리턴 빔을 수신하고; 그리고
    상기 리턴 빔에 기초하여 자율 차량의 방향 또는 속력 중 적어도 하나를 제어하도록 구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 모터 및 상기 제1 스캐너와 결합되는 제1 기어; 및
    상기 모터 및 상기 제2 스캐너와 결합되는 제2 기어를 더 포함하는, 자율 차량 제어 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 빔을 상기 제1 스캐너 또는 상기 제2 스캐너로 지향시키도록 구성되는 복수의 도파관을 더 포함하는, 자율 차량 제어 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 빔을 상기 제1 스캐너 또는 상기 제2 스캐너로 지향시키도록 구성되는 제3 스캐너를 더 포함하는, 자율 차량 제어 시스템.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 스캐너는 제1 목표 거리로 상기 빔을 출력하도록 구성되고, 상기 제2 스캐너는 상기 제1 목표 거리보다 더 먼 제2 목표 거리로 상기 빔을 출력하도록 구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 스캐너는 제1 질량을 갖고,
    상기 제2 스캐너는 상기 제1 질량보다 큰 제2 질량을 가지며,
    상기 모터는, 상기 제1 질량을 제1 각속도로 회전시키고 상기 제2 질량을 제2 각속도로 회전시키되, 상기 제1 질량에 대한 상기 제2 질량의 비율이 상기 제2 각속도에 대한 상기 제1 각속도의 비율과 동일하도록 구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 스캐너의 외경은 상기 제2 스캐너의 외경과 동일하고,
    상기 제1 스캐너는 상기 제2 스캐너의 제2 보어(bore)보다 큰 제1 보어를 갖는, 자율 차량 제어 시스템.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 스캔 영역은 상기 회전축에 대해 85도 내지 105도의 제1 각도를 갖는 제1 평면을 포함하고,
    상기 제2 스캔 영역은 상기 회전축에 대해 60도 내지 120도의 제2 각도를 갖는 제2 평면을 포함하는, 자율 차량 제어 시스템.
  17. 자율 차량으로서:
    LIDAR(Light Detection and Ranging) 센서 시스템 - 상기 LIDAR 센서 시스템은:
    빔을 출력하도록 구성되는 레이저 소스;
    상기 빔을 수신하고 상기 빔을 제1 송신 빔으로 출력하도록 구성되는 제1 스캐너;
    상기 빔을 수신하고 상기 빔을 제2 송신 빔으로 출력하도록 구성되는 제2 스캐너;
    상기 제1 스캐너를 회전축을 중심으로 제1 방향으로 회전시키도록 구성되고 상기 제2 스캐너를 상기 회전축을 중심으로 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 회전시키도록 구성되는 모터; 및
    물체에 의한 상기 제1 송신 빔 또는 상기 제2 송신 빔의 반사로부터의 리턴 빔에 기초하여 상기 물체까지의 거리 또는 상기 물체의 속도 중 적어도 하나를 결정하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서들을 포함함 -;
    조향 시스템;
    제동 시스템; 및
    상기 거리 또는 상기 속도 중 적어도 하나에 기초하여 상기 조향 시스템 또는 상기 제동 시스템 중 적어도 하나의 동작을 제어하도록 구성되는 차량 제어기를 포함하는, 자율 차량.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 빔을 상기 제1 스캐너 또는 상기 제2 스캐너로 지향시키도록 구성되는 복수의 도파관; 또는
    상기 빔을 상기 제1 스캐너 또는 상기 제2 스캐너로 지향시키도록 구성되는 제3 스캐너를 더 포함하는, 자율 차량.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 스캐너는 제1 목표 거리로 상기 빔을 출력하도록 구성되고, 상기 제2 스캐너는 상기 제1 목표 거리보다 더 먼 제2 목표 거리로 상기 빔을 출력하도록 구성되는, 자율 차량.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 스캐너는 제1 질량을 갖고,
    상기 제2 스캐너는 상기 제1 질량보다 큰 제2 질량을 가지며,
    상기 모터는, 상기 제1 질량을 제1 각속도로 회전시키고 상기 제2 질량을 제2 각속도로 회전시키되, 상기 제1 질량에 대한 상기 제2 질량의 비율이 상기 제2 각속도에 대한 상기 제1 각속도의 비율과 동일하도록 구성되는, 자율 차량.
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