TWI640797B - 關於線性模式計算感測雷射雷達的裝置與方法 - Google Patents

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Abstract

為了照射並從至少一目標反射回來而產生的雷射光在一數位微鏡元件接收，此數位微鏡元件包括一組多個鏡子的陣列，此多個鏡子各可被選擇性的控制朝向可以反射或不反射入射光到一檢測器上。此檢測器輸出代表被感測的光的量之一訊號。藉由將M個空間型樣應用於該多個鏡子上，每個空間型樣與一個來自雷射的脈波同步，並儲存在接著來自雷射的脈波的K個時間中的各個時間從檢測器的輸出來的多個取樣訊號值，被收集的資訊可被用於重建K個影像，每次重建使用全部M個空間型樣及對應於K個時間中的一個別時間之多個儲存取樣訊號值。此等K個影像各對應到一個與數位微鏡元件相距的不同距離，藉此此系統可當作測距器使用。

Description

關於線性模式計算感測雷射雷達的裝置與方法
本發明大體來說是針對雷射雷達感應器，更精確來說係針對改進線性模式雷射雷達感應器之技術。
成像雷射雷達(LADAR)焦平面感應器基於在每個像素下需要大量電路而有在像素大小及格式(總像素數)上的限制。此限制在線性模式陣列和蓋格(Gieger)模式陣列中都成立。另外，線性模式LADAR焦平面陣列被限制於第一脈波或最後脈波邏輯，而對蓋格模式(GM)陣列欲產生偵測統計結果則需要多個脈波。
故業界需要一個有非常高空間解析度、大格式的有全時頻寬的成像LADAR，較佳地包括針對被掩蔽的目標或/及葉穿透(FOPEN)應用之全脈波返回取樣。在本發明中用單像素相機範例來使此LADAR能力能實現。
從雷射發射雷射光去照射至少一目標，而從此至少一目標反射回的雷射光在一個數位微鏡元件接收，該數位微鏡元件包括各可被選擇性控制來朝向第一方向及第二方向其中之一之多個鏡子的一組陣列。一檢測器被擺放使 得在數位微鏡元件中朝向第一方向的多個鏡子反射入射光到檢測器上，而在數位微鏡元件中朝向第二方向的多個鏡子則否，此檢測器會輸出代表入射到它上面的光量之一信號。藉由將M個空間型樣應用在數位微鏡元件的鏡子上，M個空間型樣中的各個空間型樣都與來自雷射的一脈波同步，並且對M個空間型樣中的每個，在接著來自雷射的一脈波後的K個時間中的各個時間儲存從檢測器之輸出來的取樣訊號值，所收集的資訊可用來重建上述至少一目標的K個影像，其中每個影像使用全部M個空間型樣及對應於K個時間之一個別時間之儲存取樣訊號值來重建。此等K個影像中的每個影像對應於與數位微鏡元件相距的一個不同目標距離，藉此此系統可被運用來當做測距器。
儘管特定的優點已於上文列舉，諸多實施例可能包含所列舉優點中的一些、無、或全部優點。此外，其他技術性優點可能對具有一般技術的人在審視下列圖式及描述後變得顯而易見。
100‧‧‧單像素成像系統
101‧‧‧二維影像/場景/影像
102‧‧‧數位微鏡元件/DMD
103‧‧‧檢測器
104‧‧‧雙凸面或聚光鏡系統/透鏡系統
105‧‧‧類比轉數位(A/D)裝置
106、116‧‧‧訊號處理器
107、117‧‧‧記憶體
108、118‧‧‧重建單元
109、119‧‧‧輸出
110‧‧‧線性模式計算感測雷射雷達(CS-LADAR)系統
111‧‧‧三維場景/目標
112‧‧‧雷射
300‧‧‧程序
301~305‧‧‧步驟
為了更完整的了解本發明及其優點，現在請參考接下來配合隨附圖式所作的描述，附圖中類似的參考標號代表相似的部件：圖1A描繪透過壓縮取樣之一單像素成像相機系統；圖1B描繪使用透過壓縮取樣之單像素成像實現依據本發明的實施例之一線性模式計算感測LADAR系統 的狀況；圖2描繪實現依據本發明實施例之一線性模式計算感測LADAR系統的單像素成像輸出取樣；及圖3為一操作依據本發明實施例之一線性模式計算感測LADAR系統的程序之高階流程圖。
開始前請先了解，儘管此發明之範例實施例在圖式中繪示及在下文闡述，本發明的原理可用任何數量的不管現在是否已知的科技實現。本發明絕不限於圖式繪示及下文解說的範例實現例與技術。此外，除非另外特別說明，圖式中描繪的物件並不一定依實際比例繪製。
當用於測距應用時，以讀出積體電路(ROIC)設計的成像雷射雷達(LADAR)焦點平面陣列(FPA)在每個像素點下皆需要測距接收器，因此，不管是蓋格(Gieger)模式或是線性模式的雷射雷達焦點平面陣列，都需要大的像素點大小並限制了陣列的大小。現有的蓋格模式雷射雷達焦點平面陣列在每個像素點下皆需要測距時鐘，而被限制於50微米像素點大小及32x128像素格式(且亦為單光子敏感及非線性)。現有的線性模式焦點平面陣列為100微米像素點大小128x128格式以及40微米像素點大小256x256格式，並且也限制於第一脈波/最後脈波邏輯，因此，需要大量研發才能提供葉穿透型應用所需N脈波邏輯回復。
在一個用大格式數位微鏡元件做為空間調變器和GM檢測器的計算感測示範實驗中，影像重建被限制為 64x64像素，且GM感應器需要非常高重複率(100兆赫)、模糊度範圍1.5公尺的雷射。
在本發明中，用單像素(或若干像素)相機範例來使線性模式全時頻寬高解析度格式雷射雷達能使用。在大格式數位微鏡元件(DMD)運用下，可有6.5微米空間解析度(像素節距)加上720p影像格式。數位微鏡元件可用高達40千赫的畫面更新率來切換。對單像素操作來說，從數位微鏡元件反射的全部(經空間過濾)影像光於一個低雜訊崩潰光二極體(APD)上被收集，此影像光與雷射脈波同步地受時間性取樣。因此，每個時間取樣都對應到來自目標空間特定範圍中的光。針對數個不同的空間型樣重複此項操作讓人能當作距離的函數將目標空間重建。依經驗顯示取樣總像素數目的10%-20%(壓縮比)即足夠重建整個場景。因此，舉例來說，720p的10%為13.8K的空間型樣。用一個模糊度1.5公里的20千赫雷射當照明器，導致4.6秒的影像生成率(受到資料收集的限制)。然而，用小格式陣列能讓人藉由分割影像平面而並行收集數位微鏡元件的光，也就是將數位微鏡元件中的多個微鏡小組分組來讓其全部以相同方式操作，藉此有效地讓檢測器陣列的配件比數位微鏡元件鏡子數目少。使用一個9x12的檢測器陣列可產生一個速率增長係數96，因此能讓人以全動畫影像速率操作全時頻寬高解析度雷射雷達。
圖1A以及1B為比較式描繪依據本發明實施例之線性模式計算感測雷射雷達系統之結構和操作的圖。圖1A 描繪透過壓縮取樣的一個單像素成像相機系統。一個單像素成像系統100試圖透過一個數位微鏡元件102(DMD 102)捕捉一個場景的二維影像101。DMD 102有一個會被”翻轉”或導致其朝向某個或另一個方向使得照到個別鏡子的光不是被反射朝向一個單元素的(光)檢測器103就是偏離該單元素的檢測器103的鏡子陣列。DMD 102舉例來說可能包含一個1024x768的鏡子陣列，每個鏡子可能被選擇性的導向到至少一個朝向一個入射光源(“開”)的第一方向(例如：與陣列的垂直線成+12度)，和一個偏離入射光源(“關”)的第二個不同方向(例如：與陣列的垂直線成-12度)。較佳地，一個在DMD 102中的內部控制器控制陣列中全部鏡子的方向，亦即”空間型樣”，也就是哪些鏡子被導向第一方向和哪些鏡子被導向第二個不同方向的特定組態。朝向第一方向的鏡子反射入射光到單元素的檢測器103上，而朝向第二方向的鏡子則否。DMD 102較佳包括一個控制空間型樣的內部控制器和一個儲存在給定時間的空間型樣的內部記憶體。例如，一個適用的DMD 102之操作和結構在德州儀器應用報告DLP0008(2008年七月)的”DMD 101：數位微鏡元件技術介紹”中有描述。
空間型樣較佳為隨機的，藉此從場景101反射的光的型樣也是隨機的。也就是說，從DMD 102陣列裡隨機選取的一些鏡子子集來的入射光被反射朝向單元素檢測器103而穿過舉例來說一個雙凸面或聚光鏡系統104，此雙凸面或聚光鏡系統104集中所有的反射光到單元素的檢測器 103上，而從DMD 102剩下的鏡子來的入射光被反射偏離單元素的檢測器103。單元素的檢測器103的輸出(振幅或幅度)，對應到從場景101被DMD 102反射朝向檢測器而不是偏離的光的量，而後被類比轉數位(A/D)裝置105取樣，類比轉數位(A/D)裝置105在特定時間儲存及/或報告這些輸出。而後一個不一樣的空間型樣被應用到DMD 102，並且取得A/D裝置105的輸出的另一個採樣，對M個隨機DMD空間型樣中之每一個重複此程序M次，獲得A/D裝置105從單元素檢測器103的輸出取得之對應到M個DMD空間型樣的一連串的M個振幅，集體代表被攝像場景的二維影像101。
而後來自單元素的檢測器103輸出的M個振幅由一個訊號處理器106處理並存進記憶體107中，而後被重建單元108用來在輸出109根據M個隨機DMD空間型樣產生一個該場景的影像101。訊號處理器106、記憶體107和重建單元108集體形成一個根據已知技術包含一或多個處理器(包括訊號處理器106)和一或多個記憶體(包含記憶體107)的處理系統。一個用於單像素成像系統100的控制系統是由該處理系統與用於DMD 102、單元素的檢測器103和A/D裝置105的多數個控制器(不管是內部或外部的)相互連結合作運轉組合而形成的。此外，用單元素檢測器103的M個輸出振幅與應用於DMD 102對應的M個隨機空間型樣來產生一個場景101之影像的過程為已知技術。
圖1B描繪透過壓縮取樣的類似單像素成像在實現根據一個本發明實施例的一個線性模式計算感測雷射雷 達(CS-LADAR)系統110上的運用。此種系統可能被運用，舉例來說，在做為用於投射物或飛彈空中投送的目標和/或指引系統之範圍測定的一部份，或用於發展用於導航目的範圍圖像。熟於此技者會體認到用於一個CS-LADAR系統110全部構件之一個完整的結構和操作沒有繪示在圖中或在本文描述。反而，為了簡潔和清楚起見，只有對於本發明獨特或為了瞭解本發明所需的構件和他們分別的操作會被繪製和描述。由一個或多個處理器(包括訊號處理器116)、一個過多個記憶體(包括記憶體117)、和重建單元118集合形成的用於CS-LADAR系統110的處理系統，可能與用於單像素成像系統100的處理系統相似，但如同下文深入的細節描述被不一樣地規劃。同樣地，由該處理系統及用於DMD 102、單元素的檢測器103和A/D裝置105的多數個控制器(不管是內部或外部的)相互連結合作運轉結合而組成的一個用於CS-LADAR系統110的控制系統，以下列描述的方式運作。
CS-LADAR系統110試圖辨認在一個三維場景111裡多個物件的距離。此三維場景111被來自一個照射全視野(FOV)的雷射112之脈波光照射。一個DMD 102、單元素的檢測器103、透鏡系統104和A/D裝置105都被包括且大致如上述般操作，除了A/D裝置105的輸出被更頻繁地取樣，如同下列進一步的細節討論。同樣地，一個訊號處理器116、記憶體117和重建單元118大致上如上述連結在A/D裝置105和輸出119間，並形成一個處理系統。
對於如上配合圖1A討論透過壓縮取樣的單畫素成像，每個A/D輸出採樣對應到一個DMD空間型樣，亦即從A/D裝置105輸出的採樣是跟DMD的速度以一樣的速度進行，使得每個空間型樣獲得一個輸出振幅採樣。在圖1B描繪的CS-LADAR系統110中，雷射112隨著一個應用於每個脈衝期間的單一DMD空間型樣提供脈衝(每個空間型樣一個雷射脈衝)，而A/D裝置105的取樣與雷射脈衝同步。然而，對於各個雷射脈衝與相關聯的DMD空間型樣來說，來自A/D裝置105之輸出的多數個取樣被依時間紀錄，對應於來自雷射112從三維場景111的多個目標反射回的光之不同到達時間，且從而對應於目標空間的距離”切片”。因而舉例來說，與用於經由壓縮取樣的單像素成像之千赫(KHz)取樣速率相比，從A/D裝置輸出取樣可能以兆赫(MHz)的速率進行。
圖2描繪實現根據本發明實施例之一個線性模式CS-LADAR系統110的單像素成像輸出取樣。對於各個DMD空間型樣(0到M-1)，一個雷射回波的時間歷程(向量)被A/D裝置輸出的K個取樣(在t=0,1...k-1)予以抽樣。這樣對M個空間型樣中各個空間型樣收集K個時間切片，可邏輯性地當成如在圖2下半部展示的多個獨立影像資料集。對於k個時間切片中各個時間切片，然後如上文描述對全部的M個DMD空間型樣接著進行重組，亦即，t=0的M個取樣被用來重建一圖像，t=1的M個取樣被用來重建第二個影像，以此類推直到並包括t=k-1的M個取樣。結果是一個對應於 個別距離切片的一組K個圖像切片，或者說在各個特定的距離返回的雷射能量的影像。而後可用業界已知的科技來對該K個影像切片搜尋屬意目標，從而藉由標記發現屬意目標之圖像切片的距離來運用在辨識屬意目標的距離上。
熟於此技者將體認到從A/D裝置105之輸出的K個取樣的收集時序可與來自雷射112的對應脈波之開始點偏離，為了讓來自雷射112的光有到多個目標111並返回到DMD 102的行程時間。另外，從A/D裝置105的輸出獲得取樣的時序可基於待測量距離(包括”太近”和”太遠”的多數個距離)的一個預定極限來選擇。
圖3是一個用於操作根據本發明實施例之一線性模式計算感測LADAR系統的程序之高階流程圖。該程序在用於上文配合圖1B描述之CS-LADAR系統110的控制系統(與其中之處理系統)中執行。雖然此流程圖描繪了一系列的連續步驟，但除非明確地申明，否則不應該從此序列中推論出其步驟的特定執行順序、其步驟連續地而不是同時地或以重疊的方式執行、或其步驟獨自地在沒有中介或多個中間步驟存在之狀況下執行。另外，熟於此技者將體認到完整的程序沒有被描繪或闡述。反而，為了簡潔和清楚起見，只有對於本發明獨特或為了瞭解本發明所需的個別程序會被繪製和描述。
程序300藉由更新應用於DMD 102鏡子陣列的隨機空間型樣(步驟301)，與使雷射112產生脈波(步驟302)來開始。而後K個取樣各接著該雷射脈波的觸發在由0到k的不 同瞬間藉由A/D裝置105從單元素的檢測器103之輸出被收集(步驟303)。接著判定是否針對M個空間型樣和雷射脈波收集到採樣(步驟304)，如果沒有收集到則回到步驟301。然而，若有收集到則K個影像會被重建(步驟305)，此K個影像各從全部M個DMD空間型樣及其在時間k對應的被取樣檢測器輸出來重建。
額外的程序，諸如在該K個影像中搜尋符合一預定型樣的一個目標，可接著被選擇性的執行。舉例來說，一照準或瞄準十字線可被用來辨識一個或多個在視野內的屬意目標。隨著對應於符合的(多個)影像的(多個)距離被標記為到(多個)目標的距離，於K個圖像中搜尋依此辨識的(多個)型樣的動作可被進行。搜尋可以跟重建動作平行或是以重疊的方式進行，若(多個)屬意目標被找到則重建隨之提早終止(換句話說，重建不到全部的K個影像)。
可以在不違背本發明的範圍下對本文描述的系統、裝置及方法做出修正、附加或省略。舉例來說，此系統和裝置的組件可整合或分離。並且，在此揭露的系統和裝置的操作可由更多、更少或其他的組件執行，且在此描述的方法可包括更多、更少或是其他的步驟。另外，可用任何適合的順序執行步驟。用在此文件中時，”各(個)”一詞是指集合中的每一個構件或集合中的一子集中的每一個構件。
為了有助於專利局與任何頒予本申請案的專利之任何讀者解讀後附請求項，申請人擬申明，除非在特定 的請求項中明確使用了”用以...的裝置”或”用以...的步驟”這樣的字眼，否則申請人並沒有引用美國專利法第112(f)條在後附請求項或請求項元件的意思。

Claims (20)

  1. 一種成像裝置，其包含有：一雷射，該雷射組配來產生照射至少一目標之雷射光；一數位微鏡元件，該數位微鏡元件指向來接收從該至少一目標反射回來的雷射光，並包括一有多個鏡子的陣列，其中每一個鏡子可被選擇性地操控來指向一第一方向及一第二方向的其中之一；一檢測器，該檢測器被放置成使得該數位微鏡元件中朝向該第一方向的多個鏡子反射入射光至該檢測器上，而該數位微鏡元件中朝向該第二方向的多個鏡子則否，該檢測器被組配來輸出代表入射在該檢測器上之光的量之一訊號；及一控制系統，該控制系統組配來：將M個空間型樣應用於該數位微鏡元件的該等鏡子上，該等M個空間型樣中的每一個空間型樣都與一個來自該雷射的對應脈波同步；以及對該等M個空間型樣各儲存多個取樣訊號值，該等多個取樣訊號值係在來自該雷射之該對應脈波之後的K個時間中之各個時間之來自該檢測器的輸出，其中該控制系統包括一處理系統，該處理系統組配來重建該至少一目標的K個影像，每個影像係使用全部的M個空間型樣及所儲存的對應到該K個時間中的一個別時間之多個取樣訊號值來重建，其中該處理系統組配來搜索該等K個影像，以在包括該至少一目標的多個目標中尋找出一屬意目標。
  2. 如請求項1的裝置，進一步包含一類比轉數位裝置，該類比轉數位裝置組配來選擇性地取樣該檢測器的該輸出。
  3. 如請求項1的裝置，其中應用在該數位微鏡元件的該等鏡子之該等M個空間型樣為隨機型樣。
  4. 如請求項1的裝置，其中該等K個影像中以對應於在該等K個時間內的一時間k的多個儲存取樣訊號值重建的一個影像，對應於與該數位微鏡元件相距的一預定距離。
  5. 如請求項1的裝置，其中該等K個影像中的每一個對應於與數位微鏡元件相距的一個不同距離。
  6. 如請求項5的裝置，其中該處理系統組配來基於該等K個影像中的哪個含有該屬意目標，判定該屬意目標的距離。
  7. 如請求項1的裝置，其中該等儲存取樣訊號值中的每一個都在該處理系統的一記憶體中與該空間型樣的一識別標記相關聯，該空間型樣在該檢測器的輸出被取樣的一時間k被應用於該數位微鏡元件。
  8. 如請求項7的裝置，其中該等儲存取樣訊號值中的每一個都在該處理系統的該記憶體中與該時間k的一識別標記相關聯。
  9. 如請求項1的裝置，其中在該數位微鏡元件中的該等多個鏡子被劃分成一組9x12檢測器陣列。
  10. 如請求項1的裝置，其中一數目之像素的10%到20%針對一期望的空間解析度被取樣。
  11. 一種成像方法，其包含有：從一雷射產生雷射光來照射至少一目標；在一數位微鏡元件接收從該至少一目標反射回的雷射光，該數位微鏡元件包括一有多個鏡子的陣列，該多個鏡子的陣列其中的每一鏡子可被選擇性的控制使其指向一第一方向及一第二方向其一；從一檢測器輸出代表入射在該檢測器上之光的量之一訊號，該檢測器被放置成使得該數位微鏡元件中朝向該第一方向的多個鏡子反射入射光至該檢測器上，而該數位微鏡元件中朝向該第二方向的多個鏡子則否；將M個空間型樣應用於該數位微鏡元件的該等鏡子上，該等M個空間型樣中的每一個空間型樣都與一個來自該雷射的對應脈波同步；對各該M個空間型樣儲存多個取樣訊號值，該等取樣訊號值係在來自該雷射之該對應脈波之後的K個時間中之每一時間之來自該檢測器的輸出；重建該至少一目標的K個影像，其中每個影像使用全部的M個空間型樣及所儲存的對應到該等K個時間中的一個別時間之多個取樣訊號值；及搜索該等K個影像以在包括該至少一目標的多個目標中尋找出一屬意目標。
  12. 如請求項11的方法，進一步包含以一類比轉數位裝置選擇性地取樣該檢測器的該輸出。
  13. 如請求項11的方法，其中應用在該數位微鏡元件的該等鏡子之該等M個空間型樣為隨機型樣。
  14. 如請求項11的方法，其中該等K個影像中以對應於在該等K個時間內的一時間k的多個儲存取樣訊號值重建的一個影像，對應於與該數位微鏡元件相距的一預定距離。
  15. 如請求項11的方法，其中該等K個影像中的每一個對應於與該數位微鏡元件相距的一個不同距離。
  16. 如請求項15的方法，進一步包含基於該等K個影像中的哪個含有該屬意目標，判定該屬意目標的距離。
  17. 如請求項11的方法，其中該等儲存取樣訊號值中的每一個都在一記憶體中與該空間型樣的一識別標記相關聯，該空間型樣在該檢測器的輸出被取樣的一時間k被應用於該數位微鏡元件。
  18. 如請求項17的方法，其中該等儲存取樣訊號值中的每一個都在該記憶體中與該時間k的一識別標記相關聯。
  19. 如請求項11的方法，進一步包含將在該數位微鏡元件中的該等多個鏡子劃分成一組9x12檢測器陣列。
  20. 如請求項11的方法，進一步包含針對一期望的空間解析度取樣一數目之像素的10%到20%。
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