TWI652495B - 操作雷射偵測及測距(ladar)系統的方法，包含儲存了可執行的指令的非暫態的機器可讀取的媒體的物件，及雷射偵測及測距設備 - Google Patents

操作雷射偵測及測距(ladar)系統的方法，包含儲存了可執行的指令的非暫態的機器可讀取的媒體的物件，及雷射偵測及測距設備 Download PDF

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TWI652495B TW106104642A TW106104642A TWI652495B TW I652495 B TWI652495 B TW I652495B TW 106104642 A TW106104642 A TW 106104642A TW 106104642 A TW106104642 A TW 106104642A TW I652495 B TWI652495 B TW I652495B
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Abstract

揭露於本案中的實施例提供一種雷射偵測及測距(LADAR)系統。該LADAR系統發射一包含一串連貫的脈衝(coherent pulse)的雷射訊號並接收一根據該被發射的雷射訊號被一目標物反射的返回訊號。該LADAR系統形成該返回訊號的一或多個距離筐(range bin)。每一距離筐包括一串根據該被發射的雷射訊號之連貫的脈衝。該LADAR系統為每一距離筐產生一和該串連貫的脈衝相關聯的光學相位圖。該光學相位圖係藉由決定該返回訊號和一參考訊號之間的相對相位來產生。該LADAR系統根據該被產生的光學相位圖來產生該返回訊號的一振動波譜。

Description

操作雷射偵測及測距(LADAR)系統的方法，包含儲存了可執行的指令的非暫態的機器可讀取的媒體的物件，及雷射偵測及測距設備
本發明係有關於一種用於雷射雷達振動計之光學相位圖。
一種雷射偵測及測距(laser detection and ranging,LADAR)感測器(有時被稱為雷射雷達)使用雷射束來測量距離(或距離)以及瞬間速度。LADAR感測器可被用來以高解析度(如，在大於1000公尺的距離下具有15公分或更佳的解析度)形成現場影像。LADAR感測器可被安裝在固定不動的物體上或移動的物體(譬如，車輛或飛行器)上。尤其是，LADAR感測器可被用來判斷振動物體(例如，運轉中的馬達)的存在及移動。
此章節被提供來以簡化的形式介紹在下面的〔實施方式〕章節中被進一步描述的概念。此章節的內容並不是要確認本所請之發明主體的關鍵特徵或主要特徵，也不是要用來協助決定本案所請之發明主體的範圍。
在一態樣中，一種操作雷射偵測及測距(LADAR)系統的方法被提供。該LADAR系統發射一包含一串連貫的脈衝(coherent pulse)的雷射訊號並接收一根據該被發射的雷射訊號被一目標物反射的返回訊號。該LADAR系統形成該返回訊號的一或多個距離筐(range bin)。每一距離筐包括一串根據該被發射的雷射訊號之連貫的脈衝。該LADAR系統為每一距離筐產生一和該串連貫的脈衝相關聯的光學相位圖。該光學相位圖係藉由決定該返回訊號和一參考訊號之間的相對相位來產生。該LADAR系統根據該被產生的光學相位圖來產生該返回訊號的一振動波譜。
在另一態樣中，一物件包含非暫態的機器可讀取的媒體其儲存了可執行的指令，該指令造成一雷射偵測及測距(LADAR)系統發射一包含一串連貫的脈衝的雷射訊號並接收一根據該被發射的雷射訊號被一目標物反射的返回訊號。該LADAR系統形成該返回訊號的一或多個距離筐(range bin)。每一距離筐包括根據該被發射的雷射訊號所形成之一串連貫的脈衝。該LADAR系統為每一距離筐產生一和該串連貫的脈衝相關聯的光學相位圖。 該光學相位圖係藉由決定該返回訊號和一參考訊號之間的相對相位來產生。該LADAR系統根據該被產生的光學相位圖來產生該返回訊號的一振動波譜。
在另一態樣中，一種雷射偵測及測距(LADAR)設備被提供。該LADAR設備包括一發射器以發射一包含一串連貫的脈衝的雷射訊號及一接收器以接收一根據該被發射的雷射訊號被一目標物反射的返回訊號。該LADAR設備包括電路用以形成該返回訊號的一或多個距離筐(range bin)。每一距離筐包括根據該被發射的雷射訊號所形成之一串連貫的脈衝。該LADAR設備包括電路用以為每一距離筐產生一和該串連貫的脈衝相關聯的光學相位圖。該光學相位圖係藉由決定該返回訊號和一參考訊號之間的相對相位來產生。該LADAR設備包括電路用以根據該被產生的光學相位圖來產生該返回訊號的一振動波譜。
102‧‧‧飛機
104‧‧‧LADAR收發器
106‧‧‧射束
108‧‧‧樹蓬
110‧‧‧目標物
112‧‧‧地面
114‧‧‧返回訊號
104’‧‧‧LADAR收發器
202‧‧‧波形產生器
204‧‧‧雷射脈衝式發射器
226‧‧‧功率放大器
206‧‧‧雷射振盪器
257(T)‧‧‧LADAR發射訊號
265‧‧‧光學訊號
251‧‧‧雷射訊號
253‧‧‧雷射脈衝訊號
210‧‧‧面鏡
212‧‧‧指向及射束控制電路
255‧‧‧脈衝式雷射束
255(T)‧‧‧脈衝式雷射束
214‧‧‧光學器件
257(R)‧‧‧LADAR返回訊號
255(R)‧‧‧返回的雷射束
259‧‧‧返回的雷射訊號
216‧‧‧面鏡
218‧‧‧連貫的接收器
206‧‧‧雷射振盪器
267‧‧‧光學參考訊號
208‧‧‧本地的振盪器
269‧‧‧參考訊號
222‧‧‧LADAR處理器
261‧‧‧低頻輸出訊號
263‧‧‧LADAR輸出訊號
224‧‧‧影像處理器
257(T)’‧‧‧LADAR發射訊號
257(R)’‧‧‧LADAR返回訊號
304(1)‧‧‧返回脈衝串
304‧‧‧返回脈衝串
302‧‧‧發射脈衝
306(1)‧‧‧第一距離筐
306(2)‧‧‧第二距離筐
306(3)‧‧‧距離筐
308(1)(1)‧‧‧返回脈衝
308(2)(1)‧‧‧返回脈衝
308(1)(2)‧‧‧返回脈衝
308(2)(2)‧‧‧返回脈衝
324‧‧‧曲線
322‧‧‧曲線
402(1)-402(8)‧‧‧傅利葉轉換
404‧‧‧光譜圖
406‧‧‧曲線
502‧‧‧波峰
504‧‧‧綠色跡線
552(1)‧‧‧波峰
552(2)‧‧‧波峰
552(3)‧‧‧波峰
554‧‧‧NEVV
334‧‧‧波峰量值
338‧‧‧波峰
336‧‧‧偏移
602(1)-602(8)‧‧‧相互關聯
604‧‧‧被推導出的相位訊號
612‧‧‧波峰
612a‧‧‧波峰
612b‧‧‧波峰
612c‧‧‧波峰
606‧‧‧相位跳躍
642‧‧‧解開的相位訊號
644‧‧‧標繪圖
646‧‧‧波峰訊號
700‧‧‧光譜圖
702‧‧‧光學相位圖
714‧‧‧NEVV
724‧‧‧NEVV
712‧‧‧雜訊基準
722‧‧‧雜訊基準
726a‧‧‧波峰
726b‧‧‧波峰
726c‧‧‧波峰
800‧‧‧標繪圖
802‧‧‧曲線
804‧‧‧曲線
1000‧‧‧LADAR光學相位圖處理
1012’‧‧‧子處理
1200‧‧‧電腦
1202‧‧‧處理器
1204‧‧‧揮發性記憶體
1206‧‧‧非揮發性記憶體
1208‧‧‧圖形使用者界面(GUI)
1220‧‧‧輸入輸出(I/O)裝置
1212‧‧‧電腦指令
1216‧‧‧作業系統
1216‧‧‧資料
本專利或專利申請案包含至少一圖式是以彩色來呈現。具有彩色圖式的此專利或專利申請公開案的副本在被要求且支付必要的費用之後由專利局提供。
被描述的實施例的態樣、特徵及好處從下面的詳細描述、申請專利範圍、及附圖中將被變得更加明顯，在附圖中相同的元件符號標示近似或相同的元件。伴隨一圖式被導入到說明書中的元件符號會在說明書中沒有 額外的書明下在一或多個後續的圖式中被重復以提供用於其它圖式的文章脈絡。
圖1是顯示一依據被描述的實施例的LADAR系統的示範性應用的圖式；圖2是一方塊圖，其顯示一依具被描述的實施例示範性LADAR系統；圖3A是顯示圖2的LADAR系統的示範性發射及接收訊號的圖式；圖3B是一圖表，其顯示一示範性參考訊號和圖2的LADAR系統的示範性返回訊號的示範性節拍(beat)；圖3C是一圖表，其顯示圖3B中所示的該示範性參考訊號和該示範性返回訊號之間的相互關聯(cross-correlation)；圖4A是一圖表，其顯示圖2的LADAR系統所接收到的示範性返回訊號的時域訊號特徵；圖4B是一圖表，其顯示圖2的LADAR系統所接收到的示範性返回訊號的光譜圖(spectrogram)；圖4C是一圖表，其顯示圖4B的光譜圖的功率頻譜密度(power spectral density)；圖5A是另一圖表，其顯示圖2的LADAR系統所接收到的示範性返回訊號的光譜圖；圖5B是一圖表，其顯示一被達成的雜訊等效振動速度(noise equivalent vibration velocity,NEVV) vs.圖5A的光譜圖的頻率；圖6A是一圖表，其顯示圖2的LADAR系統所接收到的示範性返回訊號的時域相互關聯的訊號特徵；圖6B是一圖表，其顯示圖2的LADAR系統所接收到的示範性返回訊號用於圖6C所示的測試訊號的訊號特徵的一包捲的(wrapped)光學相位圖；圖6C是一圖表，其顯示圖2的LADAR系統的示範性測試訊號的訊號特徵；圖6D是一圖表，其顯示圖2的LADAR系統所接收到的示範性返回訊號用於圖6C所示的測試訊號的訊號特徵的一解開的(un-wrapped)光學相位圖；圖7A是一顯示用於圖5A的光譜圖之一被達成的雜訊等效振動速度(NEVV)vs.在10的載波/雜訊比(carrier-to-noise ratio,CNR)下的頻率的圖表；圖7B是一顯示用於圖6D的光學相位圖之一被達成的雜訊等效振動速度(NEVV)vs.在10的載波雜訊比(CNR)下的頻率的圖表；圖8是一顯示用於圖5A的光譜圖以及圖6D的光學相位圖之一被達成的雜訊等效振動速度(NEVV)vs.載波雜訊比(CNR)的頻率的圖表；圖9A是一顯示用於圖6D的光學相位圖之一被達成的雜訊等效振動速度(NEVV)vs.在3的載波雜訊比(CNR)下的頻率的圖表；圖9B是一顯示用於圖6D的光學相位圖之一 被達成的雜訊等效振動速度(NEVV)vs.在1的載波雜訊比(CNR)下的頻率的圖表；圖10是一流程圖，其顯示操作依據被描述的實施例之圖2的LADAR系統的方法；圖11是一流程圖，其顯示圖10中依據被描述的實施例的製程中一產生光學相位圖的步驟的額外的細節；及圖12是一方塊圖，其顯示圖2的LADAR系統的LADAR處理器的硬體架構。
描述於本文中的是一種用來實施雷射距離解析式振動成像(range-resolved vibration imaging)(“振動成像法(vibrometry)”)的方法及設備。雷射距離解析式振動成像是一種提供振動頻譜的能力，振動波譜(vibration spectrum)是一目標物的振動的頻譜表示法。在一例子中，在忽略來自該目標物的周圍物品(其位在一雷射偵測及測距(LADAR或LIDAR)感測器和該目標物之間的視線上)的雜亂回波(雜訊)的同時，雷射距離解析式振動成像可被用來辨認一目標物的振動特性(signature)，該振動特性是該目標物表面的振動音符的一獨一無二的頻率分解。連貫一致的LADAR愈來愈常被用來遠端地獲得通常需要近距離地觀察才能獲得的目標物資訊。尤其是，遠端振動感測可被用來偵測深埋的地雷、 用來在災區的醫療分類、或用來目標物(譬如，怠速中的車輛)的小量運動。
例如，圖1顯示LADAR振動成像法的一示範性的應用。如圖1所示，一LADAR收發器104可被安裝在一LADAR尋標系統上，如一飛機102上。雖然在圖中被顯示為一飛機102，但LADAR尋標系統可被使用在機動系統上，譬如車輛、船舶、飛機上，或可被體現為固定不動的系統、或其它可攜式的系統。在機動系統中，LADAR收發器104可以VP的速度在移動中。
在一例子中，LADAR收發器104可測量一目標物110的表面的小量運動所造成之該目標物110的振動特性。此運動可以是相當地小且可以是在任何方向上，其包括但不侷限於朝向及遠離該LADAR收發器104的運動。
在另一例子中，該LADAR收發器104可實施雷射距離解析式振動成像，用以分離出會出現在一整個廣大的本體上的不同的振動，該廣大的本體的不同部分(如，一飛機機身的鼻端、中段及尾端)會具有不同的振動特性。
該LADAR收發器104發射出射束106用以照亮一目標物110。目標物110通常可以是一怠速中的車輛，或是可根據偵測其振動來偵測其存在的任何其它裝置或物件。目標物110可部分地被一或多種干擾物件(其在圖1中所示的示範性應用中被顯示為樹蓬108)所覆蓋，但它可以包括其它物件，譬如像是偽裝裝置。此外，目標 物110可被設置在會反射射束106的物件上或在該物件附近，例如建築物、其它車輛或表面(其在圖中被標示為地面112)。該射束106的至少一部分撞擊到該目標物110上且被該目標物110反射成返回訊號114。該返回訊號114的至少一部分被LADAR收發器104接收到。
典型地，該返回訊號114具有和該被發射的訊號106大致相同的波形但時間和頻率被偏移(如，因為都普勒效應(Doppler effect)的關係)。此外，該返回訊號114可包括建設性及/或破壞性干擾向量(如，散斑(speckle)、瑞雷衰弱及/或多路徑的關係)。在被描述的實施例中，射束106可以是一串連貫的短雷射脈衝。然而，射束106另外可以是可被用於振動成像的線性(或非線性)調頻(frequency modulation,FM)擾頻波形(chirp waveform)、隨機頻率偏移鍵形波形、隨機相位偏移鍵形波形等等的連續波形(continuous wave,CW)串。
為了要測量一目標物的振動波譜，先前技術的系統實施該返回訊號的一系列的瞬間速度或都普勒測量。因此，先前技術的系統產生一振動波譜，其藉由採取該頻率資料(如，一光譜圖)的快速時間(fast time,FT)轉換來將頻率直接測量成為時間的函數。
使用光譜圖的好處在於中心頻率不需被精確地知道，這在用一未被測量的都普勒偏移來處理目標物時是很重要的。然而，為了要精確地偵測小量的目標物振動，光譜圖需要一相當大的載波-對-雜訊比(carrier-to- noise ratio,CNR)。
和先前技術的系統相反地，且如將於本文中所描述的，示範性實施例實施該返回訊號和一參考訊號之間一系列的瞬間相位偏移測量，用以將該目標物的一振動波譜(如，“光學相位圖”)決定成為一時間的函數。此外，被描述的實施例可非必要地藉由決定該光學相位圖資料的導數(derivative)來從光學相位圖產生一光譜圖。
參考圖2，該LADAR收發器104的一示範性實施例的方塊圖被顯示為LADAR收發器104’。如圖2所示，LADAR收發器104’包括波形產生器202，其具有一耦接至雷射振盪器206的輸入及一耦接至雷射脈衝式發射器204的輸出。該雷射脈衝式發射器204包括功率放大器226。雷射振盪器206將光學訊號265(它是一在200THz的範圍內的訊號(如，一光學訊號))提供至波形產生器202。波形產生器202將被發射的該LADAR訊號(如，LADAR發射訊號257(T))的一所想要的波形，並將該光學訊號265與該所想要的波形混合或用該所想要波形調變該光學訊號265以產生雷射訊號251。雷射脈衝式發射器204接收雷射訊號251並對雷射訊號251實施訊號處理，例如用功率放大器226來放大雷射訊號251並產生相應的雷射脈衝，用以產生雷射脈衝訊號253。
雷射脈衝訊號253經由面鏡210(如，在面鏡210內的一孔徑(未示出))被提供至指向及射束控制電路212，它可控制該脈衝式雷射束255的焦距、大小及方 向。該脈衝式雷射束255(T)被提供至光學器件214，其包括光學放大鏡及/或望遠鏡，或用來處理LADAR發射訊號257(T)的其它光學裝置。該LADAR發射訊號257(T)係從該LADAR收發器104’被發射(如，被發射成為圖1中所示的射束106)至一目標物(如，圖1中所示的目標物110)。
如圖2中所示，在一些實施例中，被發射的訊號(如，257(T))及被接收的訊號(如，返回訊號257(R))這兩者可共用該指向及射束控制電路212和光學器件214。在一些實施例中，LADAR發射訊號257(T)是一串連貫的重復的雷射脈衝。如所描述的，LADAR發射訊號257(T)被反射(如，被目標物110及/或地面112以及樹蓬108反射)且被LADAR收發器104’的光學器件214接收成為LADAR返回訊號257(R)。因此，LADAR返回訊號257(R)是一串連貫的重復的雷射脈衝。
光學器件214將返回的雷射束255(R)提供給該指向及射束控制電路212，其可控制該返回的雷射束255(R)的焦距。該指向及射束控制電路212將返回的雷射訊號259(其被一或多個被顯示為面鏡210及216的光學結構重新導向)導向或以其它方式提供給連貫的接收器(coherent receiver)218。
雷射振盪器206亦提供光學參考訊號267給本地的振盪器(local oscillator)208。根據該光學參考訊 號267，該本地的振盪器208產生參考訊號269，它被提供給該連貫的接收器218。該連貫的接收器218將至少一部分的該返回的雷射訊號259和該參考訊號269相混合，例如用以光學頻率(如，200THz)降頻轉換(down-convert)至較低的頻率，例如，RF頻率(如，在100MHz的範圍內)。該連貫的接收器218亦可包括一或多個濾波器(未示出)用以過濾返回的雷射訊號259或該被降頻轉換的訊號。在一些實施例中，該連貫的接收器218可被實施為Geiger模式雪崩光二極體(Geiger-mode avalanche phododiode,GMAPD)接收器。
低頻輸出訊號261被提供至LADAR處理器222。在一些實施例中，該低頻輸出訊號261可以是參考訊號269和返回的雷射訊號259的相對相位的代表物。因此，LADAR處理器222可處理參考訊號269和返回的雷射訊號259之間的相位差。在一些實施例中，該LADAR處理器222亦可處理該返回的雷射訊號259的一或多個訊號特性，譬如頻率、振幅等等。在一些實施例中，低頻輸出訊號261可被LADAR處理器222數位化，且和該低頻輸出訊號261相對應的資料可被儲存在記憶體220中。該低頻輸出訊號261的被儲存的資料是來自目標物110的LADAR返回訊號257(R)的數位資料代表物。
在一些實施例中，LADAR處理器222將LADAR返回訊號257(R)的數位資料代表物分組成一或多個距離筐(range bins)。影像處理器224處理每一距 離筐用以產生每一距離筐的距離解析式振動成光學相位圖影像(range-resolved vibration phasogram images)(如，圖6D中所示)。此外，在一些實施例中，LADAR處理器222可從光學相位圖影像和相位資料決定光譜圖影像及頻率資料。該LADAR處理器222提供和光學相位圖影像相關聯的該光譜圖影像及頻率資料成為LADAR輸出訊號263以用於進一步的處理(如，用來辨認目標物110等等)。在同樣亦決定光譜圖影像及頻率資料的實施例中，LADAR輸出訊號亦包括該光譜圖影像及頻率資料。
參考圖3A，LADAR發射訊號257(T)’包括一串脈衝302(1)，302(2)至302(N)。每一脈衝被間隔一時間T。在被目標物110反射之後，LADAR返回訊號257(R)’亦是一串具有和LADAR發射訊號257(T)’實質相同的脈衝間距的脈衝。如圖所示，LADAR返回訊號257(R)’可包括一或多個返回的脈衝串304(1)-304(N)。每一返回的脈衝串304對應於一個別的發射脈衝302。每一返回的脈衝串304包括一或多個返回的脈衝308，它們可被分組成一或多個距離筐，如圖所示的距離筐306(1)-306(3)。
一個距離筐代表在原始脈衝被發射之後的一特定的時間內到達的返回脈衝。例如，在第一距離筐306(1)內，返回脈衝308(1)(1)是在脈衝302(1)被發射之後的一第一特定時間內被接收到，返回脈衝308(2)(1)是在脈衝302(2)被發射之後的一第一特定 時間內被接收到，依此類推。相類似地，在第二距離筐306(2)內，返回脈衝308(1)(2)是在脈衝302(1)被發射之後的一第二特定時間內被接收到，返回脈衝308(2)(2)是在脈衝302(2)被發射之後的一第二特定時間內被接收到，依此類推。因此，距離筐代表到目標物的距離(如，介於LADAR收發器104和該目標物110之間的距離)可由一給定的脈衝時間間隔T來辨識出來(resolved)。包括在每一距離筐306內的返回脈衝串304的數量N可根據LADAR收發器104的該連貫的處理間隔(coherent processing interval,CPI)來辨識出來。藉由在該脈衝間距期間對LADAR返回訊號257(R)’取樣即可獲得一用於給定的距離筐306的訊號。
根據該脈衝時間間隔T的該CPI是LADAR收發器104的“慢時間(slow time)”，而可被辨識的該距離筐的數量則是該LADAR收發器104的“快時間(fast time)”。可根據一較快的取樣時間(其為決定最大距離的脈衝時間間隔)辨識的該距離筐的數量是明確的。超過該脈衝間距的返回脈衝可被誤解為對應於該第一被發射的脈衝302(1)或該第二被發射的脈衝302(2)。例如，如果該脈衝間距是10微秒且解析度筐(resolution bins)是1奈秒寬的話，則可不模擬兩可地獲得10000個距離筐。
在被描述的實施例中，該串脈衝(如，304)取樣一介於該返回的訊號(如，返回的雷射訊號259)和 該本地的振盪器(如，參考訊號269)之間的節拍頻率(beat frequency)。如圖3A所示，該LADAR發射訊號257(T)’是被發射至該目標物110的一連貫的波形(如，一串連貫的脈衝302)，且該被反射的或返回的雷射訊號259被返回至該連貫的接收器218。該連貫的接收器218將該目標物返回訊號(如，訊號259)和一參考訊號(如，本地的振盪器訊號269)相混合。混合兩種訊號產生這兩種訊號之間的頻率差的一“節拍”音(“beat”tone)。該被降頻混合的訊號的頻率和相位是(例如，訊號259的)光學頻率和相位的直接轉譯(translation)。該被決定的節拍頻率被拿來和一數位地產生的參考訊號(其頻率和被預期的訊號頻率接近)相比較，用以局定該返回訊號的相對相位。
圖3B顯示返回訊號(如，曲線324)和內部產生的參考訊號(如，曲線322)的外差式脈衝(heterodyned pulse)，它們皆以50kHz跳動。有很多可能的方式來擷取該返回訊號和該參考訊號的相對相位。有一些實施例使用交叉關聯(cross-correlation)技術，用以避免在訊號被雜訊篡改時產生突然的跳躍(jump)。圖3C顯示LADAR處理器222根據該參考訊號和目標物訊號所產生的交叉關聯的訊號。
一但返回訊號被劃分成距離筐，每一單一的距離筐都被選取。在一些實施例中，該訊號在連貫的整合時間Tcit內被整合，用以實施第一傅利葉轉換(其被稱為 快轉換，因為它使用在短的時間內(如，一單一的被發射的脈衝302的取樣時間內)收集到的資料。該等樣本被收集一段和該連貫的整合時間Tcit相對應的時間長度且對該等資料實施一第二傅利葉轉換。此第二轉換被稱為慢轉換(如，慢的傅利葉轉換)，因為它使用在較長的時間內(如，在多個被發射的脈衝302內)收集的資料。典型地，任何運動補償將被實施在慢轉換(如，導因於LADAR收發器104的速度VP)的資料上。該慢的傅利葉轉換變成為用來產生光譜圖的該等頻率片斷中的一個頻率片斷。此處理被示於圖4A及4B中。
檢視圖3B可以看出來的是，混合返回訊號259和該本地的振盪器參考訊號269可在一些被預期的中間頻率(IF)(譬如，50kHz)產生一節拍音。在被描述的實施例中，單一的取樣週期Tc相當於最大振動頻率週期的一半1/(2fvmax)。當使用一距離解析式波形式，每一距離筐都被產生一節拍音，或者當不是距離解析時，則是整個波形。
在一些實施例中，該都普勒速度的連貫的樣本被用來對瞬間速度擴展(instantaneous velocity spread)產生一測量值，該瞬間速度擴展係被用來產生每一光譜圖欄位。光譜圖是一訊號的頻率分量作為時間函數的圖像代表物。該訊號被分段成短的時間間隔(連貫的處理間隔(CPI))，在此時間間隔內該訊號被假設是固定不動的。
如圖4A所示，每一給定的距離筐都被產生一連串的傅利葉轉換402(1)-402(8)(其被顯示為在一段時間內的頻率波峰)。根據一給定的距離筐的傅利葉轉換的順序，成果光譜圖404的單一欄位即被產生，如圖4B所示。從該光譜圖的每一垂直的分段(slice)，可作出波峰的一評估值，曲線406可從這些評估值推導出來，該曲線代表都普勒頻率的一時間函數。因此，都普勒尼奎士頻率(Doppler Nyquist frequency)係藉由在一光譜圖內的各個傅利葉轉換的整合時間來予以設定。
如圖4C所示，一目標物振動波譜可藉由採用都普勒評估值(Doppler estimation)的時間序列的功率譜密度(Power Spectral Density,PSD)來產生。此方法獲得具有一或多個對應於振動頻率的波峰424的光譜422。因為此處理是對每一距離筐實施，所以所得到的光譜圖及振動波譜是被距離解析的。
因此，一光譜圖以一時間函數追蹤瞬間目標物速度(如，都普勒頻移(Doppler shift))。採用瞬間目標物速度的傅利葉轉換產生該目標物的振動波譜。該振動測量的靈敏度是由被稱為振動的雜訊等效振動速度(或NEVV)的測量值的雜訊基準(noise floor)來決定。許多作用構成該NEVV，且這些作用中的一者是光譜圖測量值的載波/雜訊比(CNR)。例如，NEVV和CNR的平方根成正比，即：NEVV。在被描述的實施例中，為了要讓訊號CNR對NEVV的影響保持可忽略，將該CNR限制 在約10dB或更好(如，一更高的CNR值)是有利的。
圖5A顯示一用於用表1中所列的參數模擬的返回訊號的示範性光譜圖：
瞬間頻率評估值是藉由選取該光譜圖中的每一分段(slice)的波峰，其以白色被顯示(如，波峰502)，來獲得的。當該訊號逐漸消失(如，因為散斑)時，該波峰是一偏離中心的雜訊波峰，因此當該訊號逐漸消失被偵測到時，其結果被內插(interpolated)，其被顯示為綠色的跡線504。取該綠色跡線的傅利葉轉換的量值，吾人可獲得該訊號的振動波譜，如圖5B中所示。如圖5B中所示，在100Hz，500Hz，及9kHz被模擬的振動頻率對應於波峰552(1)，552(2)及552(3)。該振動波譜的基線(floor)代表被達成的靈敏度(如，該LADAR感測器的靈敏度)，且其被稱為雜訊等效振動速度或NEVV，其顯示為NEVV 554。
為了要改善光譜圖所達成之被達成的靈敏 度，被描述的實施例使用光學相位圖(phasograms)來追蹤返回訊號相位與時間的關係。和以時間函數追蹤都普勒頻移且具有產生目標物的振動波譜的傅利葉轉換的光譜圖相反地，光學相位圖以時間函數追蹤該返回訊號的相位改變以產生該振動波譜的一更加靈敏的測量值。如參考圖3A-3C所描述的，一串連貫的脈衝被發射且被目標物反射至該接收器成為一返回訊號。如圖3B所示，將該返回訊號259和該本地的振盪器參考訊號269相混合可在一些被預期的中間頻率(IF)，如50kHz，產生節拍音(beat tone)。
回去參考圖3C，一些實施例藉由對每一返回脈衝串相互關聯(cross-correlation)來決定返回訊號和參考訊號之間的相對相位。如圖3C所示，每一相互關聯的訊號332具有一波峰量值334。在一些實施例中，對於每一樣本(50微秒的連貫的整合時間Tcit)而言，該返回訊號的相位係藉由找出在一給定的距離筐內的每一相互關聯的波峰來追蹤的。在一些例子中，一或多個其它的，次級的波峰338和波峰334有2π的相位偏移，其被顯示為偏移336。
例如，如圖6A所示，一序列的相互關聯602(1)-602(8)(其顯示隨著時間偏移的相對的相位波峰)被產生給每一給定的距離筐。根據一給定的距離筐的該相互關聯602(1)-602(8)序列，該成果光學相位圖(resultant phasograms)被產生且被畫成一時間函數，如 圖6B所示。從該光學相位圖的每一垂直的分段可得出該波峰的一評估值，其產生一以時間函數被推導出相位訊號，其被顯示為604。
如圖6C所示，該目標物振動波譜係藉由取該解開的(un-wrapped)的相位訊號的導數以決定頻率歷史，然後藉由決定該導數的傅利葉轉換的量值(如，FFT)以決定該振動波譜而被產生的。該振動波譜被顯示為具有一或多個顯示振動的頻率的波峰612(在此例子中有三個波峰612a，612b及612c，其分別對應於表1中在頻率100Hz，500Hz，及9kHz的測試振動頻率)的曲線614。因為此處理是對每一距離筐來實施，所以成果光學相位圖以及振動波譜都是距離解析式(range-resolved)。
如圖6B，該相位圖的波峰在相位漂移時可跳躍2π(其被顯示為相位跳躍606)。為了要減少或甚至是消除相位跳躍，被描述的實施例將被決定的相互關聯的相位波峰“解開(un-wrap)”。一“被包捲的(wrapped)”相位訊號變動於一段2π的區間內(如，-π到π或0至2π)但在每一個2π的區間的末端具有訊號中斷處(如，跳躍)。相位解開是一種訊號處理技術，其在連續的相位值之間(如，每一個2π區間的末端之間)有大的跳躍時，將複數個2π加至被包捲的相位訊號(或從被包捲的相位訊號減掉)。該“解開的”相位訊號因而成為一連續的訊號，在2π區間之間沒有中斷處(如，跳躍)，例如，如圖6D所示之解開的相位訊號 642。
此外，被描述的實施例追蹤該返回訊號的訊號強度。當該返回訊號的強度降到一雜訊門檻值以下(如，因為減弱的散斑的關係)時，訊號數值可根據一或多個周圍的數值(如，一或多個之前的樣本)被內插(如，被LADAR處理器222內插)。
藉由取該相位訊號的導數，然後檢查該導數的傅利葉轉換的量值，該目標物的振動波譜就可被決定，如圖6C所示。如圖6D所示，標繪圖644顯示被包捲的相位訊號，曲線642是解開的相位訊號，沒有任何2π相位跳躍。該瞬間相位評估係藉由選則該光學相位圖的每一分段(slice)的波峰來獲得，如以白色顯示的波峰訊號646。吾人然後將該相位解開以去除該模稜兩可的2π跳躍以及在訊號逐漸消失(例如因為散斑的關係)時進行內插，以獲得解開的相位訊號642。取該解開的相位訊號642的傅利葉轉換的量值可以獲得該目標物的振動波譜，如圖6C所示。
和光學相位圖相類似地，該振動測量的靈敏度是由被稱為振動的雜訊等效速度或NEVV的測量值的雜訊基準(noise floor)來決定。圖7A及7B比較表1中所列的條件的一透過光譜圖700(圖7A)獲得的振動波譜和透過光學相位圖702(圖7B)獲得的振動波譜(如，在100Hz，500Hz，及9kHz的振動音)。圖7A和7B是一用於10的CNR(如，低返回訊號強度)之被達成的振動波 譜的圖式。如圖所示，該光學相位圖達到比該光譜圖更高的靈敏度(如，圖7B的NEVV 724比圖7A的平均NEVV 714低許多)。如圖7A中所示，對於10的CNR而言，振動特性在光譜圖處理的雜訊基準內完全消失(如，712或722)，但在光學相位圖處理中則可被輕易地判斷出來(如，波峰726a，726b及726c在雜訊基準之上很多)，如圖7B所示。
圖8顯示明均光譜圖處理(曲線802)和光學相位圖處理(曲線804)的平均NEVV vs.訊號CNR的標繪圖(plot)800。圖8是以表1中所列的100Hz散斑頻率為例所繪製的。如圖8中所示，使用光學相位圖的LADAR系統在低CNR水準(如，10或更低)所獲得的靈敏度比使用光譜圖的LADAR系統所獲得的靈敏好將近100倍。
例如，圖9A及9B顯示透過一用於表1中的測試條件(如，在100Hz，500Hz，及9kHz的測試振動音)的光學相位圖而獲得之3的CNR(圖9A)及1的CNR(圖9B)的振動波譜。如圖9A所示，在3dB的CNR，雖然9kHz運號不再能夠被偵測出來，但該光學相位圖仍能夠偵測波峰726a及726b。如圖9B中所示，在1的CNR，波峰726a及726b僅稍高於該NEVV雜訊基準。
因為光譜圖和光學相位圖計算這兩者都可在相同的返回訊號上實施，所以在一些實施例中，光譜圖亦 可被用來產生一粗略的速度時間歷史，然後它可被該光學相位圖使用，以參考該相位偏移。該光學相位圖的取樣速率被選擇，使得每一樣本的相位不會偏移超過2π，用以避免會產生錯誤偏位的相位模糊。
參考圖10，LADAR光學相位圖處理1000的流程圖被示出，其可被圖1的LADAR收發器104實施。該處理1000在方塊1002開始。在方塊1004，LADAR收發器104產生並發射LADAR發射訊號(如，圖2的LADAR發射訊號257(T))。在方塊1006，LADAR收發器104接收被目標物反射的返回訊號(如，圖2的LADAR返回訊號257(R))。在方塊1008，LADAR處理器222將返回訊號分組成一或多個距離筐(如，圖3的距離筐306)。在方塊1010，在一些實施例中，訊號校正被非必要地實施於返回訊號上，例如用來校正LADAR收發器104的運動、或其它訊號過濾及校正。在方塊1012，LADAR處理器222為每一距離筐產生一光學相位圖，這將參考圖11加以說明。在方塊1014，在一些實施例中，亦可為每一距離筐產生一光譜圖。在方塊1016，該LADAR處理器222例如根據在方塊1012所產生的光學相位圖來產生該目標物振動波譜。在一些實施例中，在方塊1016，LADAR處理器222可根據在方塊1014產生的光譜圖來決定一粗略的振動波譜，並根據在方塊1012產生的光學相位圖來決定一精細的振動波譜。該被產生的振動波譜(或諸振動波譜)可被提供作為LADAR輸出 263以供進一步的處理之用。該處理1000在方塊1018完成。
圖11顯示方塊1012的光學相位圖產生處理(其被顯示為子處理1012’)的額外細節，其對於每一距離筐都被重復實施。子處理1012’在方塊1102開始。在方塊1104，一相互關聯的相位訊號被產生以決定被目標物反射回來的該返回訊號和一參考訊號(如本地的振盪器訊號269)之間的相對相位。在一些實施例中，相互關聯的相位訊號被數位化(如，樣本化)在方塊1106，用於每一被給定的距離筐的一序列的相互關聯被產生，例如圖6A中所示者。根據用於每一被給定的距離筐的該相互關聯的序列，該成果光學相位圖的一個單一欄位被產生且以一時間函數被繪出，如圖6B所示。波峰的一評估值從該光學相位圖的每一垂直的分段(slice)被得出，產生一時間函數之被推導出的相位訊號(如，圖6B的604)。垂直線被加至該光譜圖持續一被預定的觀察時間。
在方塊1108，相位被解開(如，在每2π區間的末端處的相位跳躍被去除掉)以產生解開的相位訊號，如圖6D中所示者。在一些實施例中，方塊1110及1112被非必要地實施。在方塊1110，如果該返回訊號低於一門檻值的話，則在方塊1112，該訊號水準(signal level)可根據一或多個周圍的訊號樣本值而被內插，例如用以降低散斑及衰弱(fading)的影響。如果在方塊1110，該返回訊號是位在該門檻值或高於該門檻值的話， 則該子處理1012’前進至方塊1114。在方塊1110和1112沒有被實施的一些實施例中，子處理1012’從方塊1108前進至方塊1114。
在方塊1114，該返回訊號的頻率歷史被決定。在被描述的實施例中，該頻率歷史係藉由決定在方塊1108產生的該解開的相位訊號的導數來決定的。在方塊1116，該振動波譜係藉由實施在方塊1114決定的導數的傅利葉轉換(如，一快速傅利葉轉換(fast Fourier transform)，FFT)來決定的，如圖6C中所示的振動波譜。該子處理1012’在方塊1118完成。
參考圖12，在一些實施例中，LADAR處理器222可被實施成一或多個電腦。電腦1200可包括處理器1202、揮發性記憶體1204(如，RAM)、非揮發性記憶體1206(如，硬碟機、固態磁碟機譬如像是快閃磁碟機、混合式磁性及固態磁碟機等等)、圖形使用者界面(GUI)1208(如，顯示器或觸控面板等等)、及輸入/輸出(I/O)裝置1220(如，滑鼠、鍵盤等等)。非揮發性記憶體1206儲存電腦指令1212、作業系統1216及資料1218，使得例如電腦指令1212從揮發性記憶體1204被處理器1202執行以實施處理1000及1012’(如，圖10及11)的至少一部分。程式碼可被施加在使用GUI 1208的一輸入裝置輸入或接收自I/O裝置1220的資料上。
處理1000及1012’(如，圖10及11)並不侷限於使用圖12所示的硬體和軟體且可以在任何運算裝 置或處理環境中以及在能夠執行電腦程式的任何類型的機器或機器套組中找到應用性。處理1000及1012’(如，圖10及11)可被體現成硬體、軟體、或這兩者的組合。
描述於本文中的處理並不侷限於被描述的特定實施例。例如，處理1000和1012’並不侷限於圖10及11中所示的特定處理順序。相反地，處理1000和1012’的任何方塊可如所需地被重新排列、組合或移除、平行地或依序地實施以達成本文中所提及的結果。
處理器1202可用一或多個執行一或多個電腦程式的可程式化的處理器來體現以實施該系統的功能。當使用於本文中時，“處理器”一詞被用來描述實施一功能、一操作、或一系列的操作的電子電路。該功能、操作、或一系列的操作可被硬體地設定在電子電路中或藉由被保持在記憶體裝置中的指令而被軟體地設定。一“處理器”可使用數位數值或使用類比訊號來實施該功能、操作、或一系列的操作。在一些實施例中，“處理器”可被體現為特用積體電路(ASIC)。在一些實施例中，“處理器”可被體現為具有相關連的程式記憶體的微處理器。在一些實施例中，“處理器”可被體現為一分散的電子電路。該“處理器”可以是類比的、數位的或是混合式訊號的處理器。
雖然示範性實施例已參考電路的處理被描述，但被描述的實施例可被體現為單一的積體電路、多晶片模組、單一的電路卡、或多卡式電路套組。此外，對於 熟習此技藝者將會顯而易見的是，電路元件的各種功能亦可被體現為軟體程式中的處理方塊。此軟體例如可被使用在數位訊號處理器、微控制器、或一般型電腦中。因此，被描述的實施例可被體現成硬體、硬體和軟體的組合、軟體、或在一或多個處理器中執行的軟體。
一些實施例可被體現成方法以及實施這些方法的設備的形式。被描述的實施例亦可被體現為例如儲存在位於一機器內及/或被該機器執行的儲存媒體中的程式碼的形式、或被傳輸在一些傳輸媒介或載具(譬如，透過電線或電纜、透過光纖、或透過電磁輻射)上的程式碼的形式。一非暫態的(non-transitory)機器可讀取的媒體可包括但不侷限於實體媒體(譬如，磁性記錄媒體，其包括硬碟機、軟碟片及磁帶媒體)、光學記錄媒體，其包括光碟片(CD)及多媒體數位光碟片(DVD)、固態記憶體(譬如，快閃記憶體、混合式磁性和固態記憶體、非揮發性記憶體、揮發性記憶體等等，但並不包括暫態訊號本身。當被體現成非暫態的機器可讀取的媒體且程式碼位在一機器(如，電腦)內且被該機器執行時，該機器變成一用來實施該方法的設備。
當被體現在一處理裝置上時，該程式碼片斷和處理器結合以提供一可類似特定的邏輯電路般地操作的獨一無二的裝置。此等處理裝置例如可包括一般功能的微型處理器、數位訊號處理器(DSP)、縮減指令集電腦(RISC)、複雜指令集電腦(CISC)、特用積體電路 (ASIC)、可現場程式化的閘極陣列(FPGA)、可程式邏輯陣列(PLA)、微控制器、內建式控制器、多核心處理器、及/或其它，包括了以上這些的組合。被描述的實施例亦可被體現為位元流或訊號值的其它序列的形式，其被電子地或光學地透過一媒體傳輸、儲存在一用申請專利範圍中記載的方法及/或設備所產生的磁性記錄媒體等等內的磁場變化中。
被描述在單一實施例的內容中的各種元件亦可被分開地提供或以任何適合的次組合被提供。可進一步被瞭解的是，對於已在本文被描述且被例示的部件的細節、材料、及配置可在不偏離下面的申請專利範圍的範圍下被熟習此技藝者達成。

Claims (21)

  1. 一種操作雷射偵測及測距(LADAR)系統的方法，該方法包含：朝向一目標物發射一雷射訊號，該雷射訊號包含一串連貫的脈衝；接收一根據該被發射的雷射訊號從該目標物反射的返回訊號；自該返回訊號形成一或多個距離筐(range bin)，該一或多個距離筐的每一距離筐包含一串根據該被發射的雷射訊號之連貫的脈衝；為每一距離筐：產生一和該串連貫的脈衝相關聯的光學相位圖，該光學相位圖係藉由決定該返回訊號和一參考訊號之間的相對相位來產生；及根據該被產生的光學相位圖產生該返回訊號的一振動波譜。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包含：對該LADAR系統的散斑(speckle)、衰弱(fading)及運動的至少一者進行補償。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該補償包含：如果該返回訊號低於一門檻值的話，則根據該返回訊號的一或多個新近的數值內插該返回訊號的一數值。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包含：根據該LADAR系統的一本地的振盪器訊號產生該參考訊號；為每一距離筐：產生一連串相互關聯的相位訊號，每一相互關聯的相位訊號具有該返回訊號和該參考訊號之間的該相對相位的波峰；追蹤每一相互關聯的相位訊號的該波峰；及根據該被追蹤的波峰產生該光學相位圖的一欄位的時間函數。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其更包含根據該被決定的相對相位來決定該返回訊號的頻率歷史。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中根據該被產生的光學相位圖產生該返回訊號的該振動波譜包含：根據該被追蹤的波峰來決定一解開的(unwrapped)相位訊號；藉由決定該解開的相位訊號的導數來決定該返回訊號之該頻率歷史；及對該被決定的頻率歷史實施傅利葉轉換(Fourier transform)。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該傅利葉轉換是一快速傅利葉轉換(FFT)。
  8. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該光學相位圖是距離解析的。
  9. 如申請專利範圍第6項之方法，其中決定該解開的相位訊號去除掉該被追蹤的波峰的一或多個相位跳躍(phase jumps)。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包含：為每一距離筐產生一和該串連貫的脈衝相關聯的光譜圖，該光譜圖係根據該返回訊號的一或多個瞬間速度測量。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其更包含：根據該被產生的光譜圖產生一粗略的振動波譜；及根據該被產生的光學相位圖產生一精細的振動波譜。
  12. 一種物件，其包含非暫態的機器可讀取的媒體其儲存了可執行的指令，該指令造成一機器執行下列步驟：朝向一目標物發射一雷射訊號，該雷射訊號包含一串連貫的脈衝；接收一根據該被發射的雷射訊號從該目標物反射的返回訊號；自該返回訊號形成一或多個距離筐(range bin)，該一或多個距離筐的每一距離筐包含一串根據該被發射的雷射訊號之連貫的脈衝；為每一距離筐：產生一和該串連貫的脈衝相關聯的光學相位圖，該光學相位圖係藉由決定該返回訊號和一參考訊號之間的相對相位來產生；及根據該被產生的光學相位圖產生該返回訊號的一振動波譜。
  13. 一種雷射偵測及測距設備，其包含：一發射器，用來朝向一目標物發射一雷射訊號，該雷射訊號包含一串連貫的脈衝；一接收器，用來接收一根據該被發射的雷射訊號從該目標物反射的返回訊號；電路，用來：自該返回訊號形成一或多個距離筐(range bin)，該一或多個距離筐的每一距離筐包含一串根據該被發射的雷射訊號之連貫的脈衝；為每一距離筐：產生一和該串連貫的脈衝相關聯的光學相位圖，該光學相位圖係藉由決定該返回訊號和一參考訊號之間的相對相位來產生；及根據該被產生的光學相位圖產生該返回訊號的一振動波譜。
  14. 如申請專利範圍第13項之雷射偵測及測距設備，其更包含對該LADAR系統的散斑(speckle)、衰弱(fading)及運動的至少一者進行補償的電路。
  15. 如申請專利範圍第14項之雷射偵測及測距設備，其中如果該返回訊號低於一門檻值的話，則該電路被建構來根據該返回訊號的一或多個新近的數值內插該返回訊號的一數值。
  16. 如申請專利範圍第13項之雷射偵測及測距設備，其更包含電路，用來：根據該LADAR系統的一本地的振盪器訊號產生該參考訊號；為每一距離筐：產生一連串相互關聯的相位訊號，每一相互關聯的相位訊號具有該返回訊號和該參考訊號之間的該相對相位的波峰；追蹤每一相互關聯的相位訊號的該波峰；及根據該被追蹤的波峰產生該光學相位圖的一欄位的時間函數。
  17. 如申請專利範圍第16項之雷射偵測及測距設備，其更包含用來根據該被決定的相對相位來決定該返回訊號的頻率歷史的電路。
  18. 如申請專利範圍第17項之雷射偵測及測距設備，其更包含電路，用來：根據該被追蹤的波峰來決定一解開的(unwrapped)相位訊號；藉由決定該解開的相位訊號的導數來決定該返回訊號之該頻率歷史；及對該被決定的頻率歷史實施傅利葉轉換(Fourier transform)。
  19. 如申請專利範圍第13項之雷射偵測及測距設備，其更包含為每一距離筐產生一和該串連貫的脈衝相關聯的光譜圖的電路，該光譜圖係根據該返回訊號的一或多個瞬間速度測量。
  20. 如申請專利範圍第19項之雷射偵測及測距設備，其更包含電路，用來：根據該被產生的光譜圖產生一粗略的振動波譜；及根據該被產生的光學相位圖產生一精細的振動波譜。
  21. 如申請專利範圍第13項之雷射偵測及測距設備，其中該接收器包含Geiger模式雪崩光二極體(GMAPD)接收器。
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