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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6502196
(24)【登録日】2019年3月29日
(45)【発行日】2019年4月17日
(54)【発明の名称】密集環境のＬＡＤＡＲセンサ
(51)【国際特許分類】
G01S 17/87 20060101AFI20190408BHJP
G01S 17/93 20060101ALI20190408BHJP
B60R 21/00 20060101ALN20190408BHJP
【ＦＩ】
G01S17/87
G01S17/93
!B60R21/00 991
【請求項の数】39
【外国語出願】
【全頁数】42
(21)【出願番号】特願2015-132509(P2015-132509)
(22)【出願日】2015年7月1日
(65)【公開番号】特開2016-14665(P2016-14665A)
(43)【公開日】2016年1月28日
【審査請求日】2018年6月29日
(31)【優先権主張番号】14/323,353
(32)【優先日】2014年7月3日
(33)【優先権主張国】US
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】514127390
【氏名又は名称】アドヴァンスド サイエンティフィック コンセプツ，インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｃｏｎｃｅｐｔｓ，Ｉｎｃ．
(74)【代理人】
【識別番号】110001302
【氏名又は名称】特許業務法人北青山インターナショナル
(72)【発明者】
【氏名】パトリック ギリランド
(72)【発明者】
【氏名】ハワード ベイリー
(72)【発明者】
【氏名】ロジャー，ステットナー
(72)【発明者】
【氏名】ニチン カタリア
【審査官】
東 治企
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１０−０９１３７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平１０−１１１３６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０９−３１８７４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０６−０７５０５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−０５４９５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１１−０１３１３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−０７６６４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−１４０６８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０７−００４９０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０７−２２９９６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００８／０９９６２９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００６−３２２８４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−３０８４８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
独国特許出願公開第０４４３９２９８（ＤＥ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｓ ７／４８−７／５１
Ｇ０１Ｓ １７／００−１７／９５
Ｇ０１Ｃ ３／００−３／３２
Ｇ０８Ｇ １／１６
Ｂ６０Ｒ ２１／００−２１／０１７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１のＬＡＤＡＲセンサと第２のＬＡＤＡＲセンサを含むＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、
前記第１のＬＡＤＡＲセンサの視界内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第１の波長における光を送信するパルスレーザ光出力を有するレーザ送信器と、
前記パルスレーザ光送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路と、
前記視野内の前記シーンから反射された前記パルスレーザ光を収集および調整するための受信光学素子と、
前記第１の波長における光を受信し、前記第１の波長における光を送信し、第２の波長における光を阻止する受信フィルタと、
前記受信光学素子の焦点面に配置され、前記第１の波長において前記受信フィルタを介しフィルタ処理された光を受信する光感知器の二次元アレイであって、前記光感知器のそれぞれは前記パルスレーザ光出力の反射部分から電気的応答信号を生成する出力を有する、二次元アレイと、
光感知器の前記アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、
クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれは前記クロック回路へ接続された入力と前記光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は電気的応答信号増幅器を有する、読み出し集積回路と、
前記電気的応答信号増幅器のそれぞれの出力へ接続され、さらに前記時間零基準出力へ接続される距離測定回路であって、前記時間零基準出力と前記電気的応答信号の到着時間間に発生するクロック周期の数に基づき光感知器毎に距離測定結果を生成するようにされた、距離測定回路と、を有し、
前記第２のＬＡＤＡＲセンサは、
前記第２のＬＡＤＡＲセンサの視界内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第２の波長における光を送信するパルスレーザ光出力を有するレーザ送信器と、
前記パルスレーザ光送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路と、
前記視野内の前記シーンから反射された前記パルスレーザ光を収集および調整するための受信光学素子と、
前記第２の波長における光を受信し、前記第２の波長における光を送信し、前記第１の波長における光を阻止する受信フィルタと、
前記受信光学素子の焦点面に配置され、前記第２の波長において前記受信フィルタを介しフィルタ処理された光を受信する光感知器の二次元アレイであって、前記光感知器のそれぞれは前記パルスレーザ光出力の反射部分から電気的応答信号を生成する出力を有する、二次元アレイと、
光感知器の前記アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、
クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれは前記クロック回路へ接続された入力と前記光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は電気的応答信号増幅器を有する、読み出し集積回路と、
前記電気的応答信号増幅器のそれぞれの出力へ接続され、さらに前記時間零基準出力へ接続される距離測定回路であって、前記時間零基準出力と前記電気的応答信号の到着時間間に発生するクロック周期の数に基づき光感知器毎に距離測定結果を生成するようにされる距離測定回路とを有し、
前記第１のＬＡＤＡＲセンサおよび前記第２のＬＡＤＡＲセンサのそれぞれは、画像フレームが取得される周波数を連続的に変化させ、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、第１の名目取得速度で動作して、前記取得速度を＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで変更し、前記第２のＬＡＤＡＲセンサは、より高い第２の名目取得速度で動作して、前記取得速度を＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで変更し、それによって第１のＬＡＤＡＲのレーザ送信器と第２のＬＡＤＡＲのレーザ送信器から出力されるパルスレーザ光が空間的に交差する若しくは干渉する可能性を低減する、ＬＡＤＡＲシステム。
前記第１のＬＡＤＡＲセンサの視界内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第１の波長における光を送信するパルスレーザ光出力を有するレーザ送信器と、
前記パルスレーザ光送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路と、
前記視野内の前記シーンから反射された前記パルスレーザ光を収集および調整するための受信光学素子と、
前記第１の波長における光を受信し、前記第１の波長における光を送信し、第２の波長における光を阻止する受信フィルタと、
前記受信光学素子の焦点面に配置され、前記第１の波長において前記受信フィルタを介しフィルタ処理された光を受信する光感知器の二次元アレイであって、前記光感知器のそれぞれは前記パルスレーザ光出力の反射部分から電気的応答信号を生成する出力を有する、二次元アレイと、
光感知器の前記アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、
クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれは前記クロック回路へ接続された入力と前記光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は電気的応答信号増幅器を有する、読み出し集積回路と、
前記電気的応答信号増幅器のそれぞれの出力へ接続され、さらに前記時間零基準出力へ接続される距離測定回路であって、前記時間零基準出力と前記電気的応答信号の到着時間間に発生するクロック周期の数に基づき光感知器毎に距離測定結果を生成するようにされた、距離測定回路と、を有し、
前記第２のＬＡＤＡＲセンサは、
前記第２のＬＡＤＡＲセンサの視界内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第２の波長における光を送信するパルスレーザ光出力を有するレーザ送信器と、
前記パルスレーザ光送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路と、
前記視野内の前記シーンから反射された前記パルスレーザ光を収集および調整するための受信光学素子と、
前記第２の波長における光を受信し、前記第２の波長における光を送信し、前記第１の波長における光を阻止する受信フィルタと、
前記受信光学素子の焦点面に配置され、前記第２の波長において前記受信フィルタを介しフィルタ処理された光を受信する光感知器の二次元アレイであって、前記光感知器のそれぞれは前記パルスレーザ光出力の反射部分から電気的応答信号を生成する出力を有する、二次元アレイと、
光感知器の前記アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、
クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれは前記クロック回路へ接続された入力と前記光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は電気的応答信号増幅器を有する、読み出し集積回路と、
前記電気的応答信号増幅器のそれぞれの出力へ接続され、さらに前記時間零基準出力へ接続される距離測定回路であって、前記時間零基準出力と前記電気的応答信号の到着時間間に発生するクロック周期の数に基づき光感知器毎に距離測定結果を生成するようにされる距離測定回路とを有し、
前記第１のＬＡＤＡＲセンサおよび前記第２のＬＡＤＡＲセンサのそれぞれは、画像フレームが取得される周波数を連続的に変化させ、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、第１の名目取得速度で動作して、前記取得速度を＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで変更し、前記第２のＬＡＤＡＲセンサは、より高い第２の名目取得速度で動作して、前記取得速度を＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで変更し、それによって第１のＬＡＤＡＲのレーザ送信器と第２のＬＡＤＡＲのレーザ送信器から出力されるパルスレーザ光が空間的に交差する若しくは干渉する可能性を低減する、ＬＡＤＡＲシステム。
【請求項2】
請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは車両へ取り付けられるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項3】
請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは前記電気的応答信号増幅器のそれぞれの出力へ接続される電圧サンプリング回路を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項4】
請求項３に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは前記電圧サンプリング回路のそれぞれへ接続されたアナログ−デジタル変換器を有し、前記アナログ−デジタル変換器は一組のデジタル化アナログサンプルを生成するようにされるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項5】
請求項４に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは前記アナログ−デジタル変換器の出力へ接続されたデジタル処理装置を有し、前記デジタル処理装置は信号処理演算を前記デジタル化アナログサンプルに対して行うようにされるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項6】
請求項５に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記デジタル処理装置は浮動小数点ハードウェア除算回路を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項7】
請求項５に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記デジタル処理装置は、フーリエ変換、畳み込み、積分、微分、パルス幅識別、符号系列相関、有限インパルス応答フィルタ処理、無限インパルス応答フィルタ処理、位相測定、および最小二乗法を使用する曲線フィッティングの組から選択されたアルゴリズムを、デジタル化アナログサンプルに対して行うＬＡＤＡＲシステム。
【請求項8】
請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサの前記レーザ送信器は、インジウム、ガリウム、砒素、燐の組から選択された少なくとも１つの元素を有する半導体の利得媒体内に形成された電気的励起半導体レーザを含むＬＡＤＡＲシステム。
【請求項9】
請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサの前記レーザ送信器は、イットリウムアルミニウムガーネット、エルビウムドープガラス、ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット、エルビウムドープイットリウムアルミニウムガーネットの組から選択された利得媒体内に形成された光学励起固体レーザを含むＬＡＤＡＲシステム。
【請求項10】
請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは前記読み出し集積回路へ直接取り付けられた光感知器の前記二次元アレイを有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項11】
請求項２に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、方向指示灯、テールライト、パーキングライト、ミラーアセンブリ、およびブレーキライトの組から選択されたアセンブリ内に組み込まれるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項12】
請求項２に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記車両はさらに、前記第１のＬＡＤＡＲセンサの視野と重なる視野を有するように照準を合わせられた少なくとも１つの２次元撮像カメラを有し、前記車両はさらに、前記第１のＬＡＤＡＲセンサからのデータと前記２次元撮像カメラからのデータとをマージするようにされたデジタル処理装置を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項13】
請求項８に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記レーザ送信器は少なくとも１つのトランジスタにより制御された電流により変調される半導体レーザのアレイであるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項14】
請求項２に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記車両はまた、無線を受信するようにされた二重無線リンクおよび無線アンテナを有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項15】
請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記電気的応答信号増幅器はそれぞれ、プログラマブル基準電圧を増幅器入力へ供給するようにされた蓄積キャパシタおよびプログラミング回路を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項16】
請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記電気的応答信号増幅器はそれぞれ、プログラマブルフィードバック制御電圧を増幅器フィードバック回路へ供給するようにされた蓄積キャパシタおよびプログラミング回路を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項17】
第１のＬＡＤＡＲセンサと第２のＬＡＤＡＲセンサを含むＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、
前記第１のＬＡＤＡＲセンサの視界内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第１のパルス幅を有する光を送信するパルスレーザ光出力を有する半導体レーザ送信器と、
前記パルスレーザ光送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路と、
前記視野内の前記シーンから反射された前記パルスレーザ光を収集および調整するための受信光学素子と、
前記受信光学素子の焦点面に配置された光感知器の二次元アレイであって、前記光感知器のそれぞれは前記パルスレーザ光出力の反射部分から電気的パルスを生成する出力を有する、二次元アレイと、
光感知器の前記アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、
クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれは前記クロック回路へ接続された入力と前記光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は前記電気的パルスを増幅するようにされた電気的パルス増幅器を有する、読み出し集積回路と、
各ユニットセルから電気的パルスを受信し、前記第１のパルス幅の有効電気的パルスを通し、他のパルス幅のパルスを阻止するようにされたパルス幅弁別器と、
前記時間零基準パルスと前記有効電気的パルスの到着時間間のクロック周期の数に基づき各ユニットセル毎の距離を測定するようにされた距離測定回路と、
を有し、
前記第２のＬＡＤＡＲセンサは、
前記第２のＬＡＤＡＲセンサの視界内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第２のパルス幅を有する光を送信するパルスレーザ光出力を有する半導体レーザ送信器と、
前記パルスレーザ光送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路と、
前記視野内の前記シーンから反射された前記パルスレーザ光を収集および調整するための受信光学素子と、
前記受信光学素子の焦点面に配置された光感知器の二次元アレイであって、前記光感知器のそれぞれは前記パルスレーザ光出力の反射部分から電気的パルスを生成する出力を有する、二次元アレイと、
光感知器の前記アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、
クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれは前記クロック回路へ接続された入力と前記光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は前記電気的パルスを増幅するようにされた電気的パルス増幅器を有する、読み出し集積回路と、
各ユニットセルから電気的パルスを受信し、前記第２のパルス幅の有効電気的パルスを通し、他のパルス幅のパルスを阻止するようにされたパルス幅弁別器と、
前記時間零基準パルスと前記有効電気的パルスの到着時間間のクロック周期の数に基づき各ユニットセル毎の距離を測定するようにされた距離測定回路と、
を有し、
前記第１のＬＡＤＡＲセンサおよび前記第２のＬＡＤＡＲセンサのそれぞれは、画像フレームが取得される周波数を連続的に変化させ、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、第１の名目取得速度で動作して、前記取得速度を＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで変更し、前記第２のＬＡＤＡＲセンサは、より高い第２の名目取得速度で動作して、前記取得速度を＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで変更し、それによって第１のＬＡＤＡＲのレーザ送信器と第２のＬＡＤＡＲのレーザ送信器から出力されるパルスレーザ光が空間的に交差する若しくは干渉する可能性を低減する、ＬＡＤＡＲシステム。
前記第１のＬＡＤＡＲセンサの視界内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第１のパルス幅を有する光を送信するパルスレーザ光出力を有する半導体レーザ送信器と、
前記パルスレーザ光送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路と、
前記視野内の前記シーンから反射された前記パルスレーザ光を収集および調整するための受信光学素子と、
前記受信光学素子の焦点面に配置された光感知器の二次元アレイであって、前記光感知器のそれぞれは前記パルスレーザ光出力の反射部分から電気的パルスを生成する出力を有する、二次元アレイと、
光感知器の前記アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、
クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれは前記クロック回路へ接続された入力と前記光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は前記電気的パルスを増幅するようにされた電気的パルス増幅器を有する、読み出し集積回路と、
各ユニットセルから電気的パルスを受信し、前記第１のパルス幅の有効電気的パルスを通し、他のパルス幅のパルスを阻止するようにされたパルス幅弁別器と、
前記時間零基準パルスと前記有効電気的パルスの到着時間間のクロック周期の数に基づき各ユニットセル毎の距離を測定するようにされた距離測定回路と、
を有し、
前記第２のＬＡＤＡＲセンサは、
前記第２のＬＡＤＡＲセンサの視界内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第２のパルス幅を有する光を送信するパルスレーザ光出力を有する半導体レーザ送信器と、
前記パルスレーザ光送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路と、
前記視野内の前記シーンから反射された前記パルスレーザ光を収集および調整するための受信光学素子と、
前記受信光学素子の焦点面に配置された光感知器の二次元アレイであって、前記光感知器のそれぞれは前記パルスレーザ光出力の反射部分から電気的パルスを生成する出力を有する、二次元アレイと、
光感知器の前記アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、
クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれは前記クロック回路へ接続された入力と前記光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は前記電気的パルスを増幅するようにされた電気的パルス増幅器を有する、読み出し集積回路と、
各ユニットセルから電気的パルスを受信し、前記第２のパルス幅の有効電気的パルスを通し、他のパルス幅のパルスを阻止するようにされたパルス幅弁別器と、
前記時間零基準パルスと前記有効電気的パルスの到着時間間のクロック周期の数に基づき各ユニットセル毎の距離を測定するようにされた距離測定回路と、
を有し、
前記第１のＬＡＤＡＲセンサおよび前記第２のＬＡＤＡＲセンサのそれぞれは、画像フレームが取得される周波数を連続的に変化させ、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、第１の名目取得速度で動作して、前記取得速度を＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで変更し、前記第２のＬＡＤＡＲセンサは、より高い第２の名目取得速度で動作して、前記取得速度を＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで変更し、それによって第１のＬＡＤＡＲのレーザ送信器と第２のＬＡＤＡＲのレーザ送信器から出力されるパルスレーザ光が空間的に交差する若しくは干渉する可能性を低減する、ＬＡＤＡＲシステム。
【請求項18】
請求項１７に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは車両へ取り付けられるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項19】
請求項１７に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは前記電気的応答信号増幅器のそれぞれの出力へ接続された電圧サンプリング回路を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項20】
請求項１９に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは前記電圧サンプリング回路のそれぞれへ接続されたアナログ−デジタル変換器を有し、前記アナログ−デジタル変換器は一組のデジタル化アナログサンプルを生成するようにされるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項21】
請求項２０に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは前記アナログ−デジタル変換器の出力へ接続されたデジタル処理装置を有し、前記デジタル処理装置は信号処理演算を前記デジタル化アナログサンプルに対して行うようにされるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項22】
請求項２１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記デジタル処理装置は浮動小数点ハードウェア除算回路を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項23】
請求項２１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記デジタル処理装置は、フーリエ変換、畳み込み、積分、微分、パルス幅識別、符号系列相関、有限インパルス応答フィルタ処理、無限インパルス応答フィルタ処理、位相測定、および最小二乗法を使用する曲線フィッティングの組から選択されたアルゴリズムを、デジタル化アナログサンプルに対して行うＬＡＤＡＲシステム。
【請求項24】
請求項１７に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、インジウム、ガリウム、砒素、燐の組から選択された少なくとも１つの元素を有する半導体利得媒体内に形成された電気的励起半導体レーザを含むレーザ送信器を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項25】
請求項１７に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは前記読み出し集積回路へ直接取り付けられた光感知器の前記二次元アレイを有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項26】
請求項１８に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、方向指示灯、テールライト、パーキングライト、ミラーアセンブリ、およびブレーキライトの組から選択されたアセンブリ内に組み込まれるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項27】
請求項１８に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記車両はさらに、前記第１のＬＡＤＡＲセンサの視野と重なる視野を有するように照準を合わせられた少なくとも１つの２次元撮像カメラを有し、前記車両はさらに、前記第１のＬＡＤＡＲセンサからのデータと前記２次元撮像カメラからのデータとをマージするようにされたデジタル処理装置を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項28】
請求項１７に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記レーザ送信器は少なくとも１つのトランジスタにより制御された電流により変調される半導体レーザのアレイであるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項29】
請求項１８に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記車両はまた、無線を受信するようにされた二重無線リンクおよび無線アンテナを有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項30】
第１のＬＡＤＡＲセンサと第２のＬＡＤＡＲセンサを含むＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサが、
前記第１のＬＡＤＡＲセンサの視野内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第１の符号系列の光パルスを送信するレーザ光出力を有する半導体レーザ送信器と、
第１の符号系列の光パルスの送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路と、
前記視野内の前記シーンから反射された前記符号系列の光パルスを収集および調整するための受信光学素子と、
前記受信光学素子の焦点面に配置された光感知器の二次元アレイであって、前記光感知器のそれぞれが前記第１の符号系列の光パルスの前記反射部分を第１の符号化系列の電気的パルスに変換する二次元アレイと、
光感知器の前記アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、
クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれは前記クロック回路へ接続された入力と前記光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は前記第１の符号化系列の電気的パルスを増幅するようにされた電気的パルス増幅器を有する、読み出し集積回路と、
各ユニットセルから電気信号を受信し、前記第１の符号化系列の電気的パルスを検知および検証し、他の電気信号を除去するようにされた符号系列相関器と、
前記時間零基準パルスと前記第１の符号化系列の電気的パルスの到着時間間のクロック周期の数に基づき各ユニットセル毎に距離を測定するようにされた距離測定回路とを有し、
前記第２のＬＡＤＡＲセンサは、
前記第２のＬＡＤＡＲセンサの視野内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第２の符号系列の光パルスを送信するレーザ光出力を有する半導体レーザ送信器と、
第２の符号系列の光パルスの送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路と、
前記視野内の前記シーンから反射された光パルスの符号系列の収集および調整するための受信光学素子と、
前記受信光学素子の焦点面に配置された光感知器の二次元アレイであって、前記光感知器のそれぞれが光パルスの前記第２の符号系列の前記反射部分を第２の符号化系列の電気的パルスに変換する二次元アレイと、
光感知器の前記アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、
クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれは前記クロック回路へ接続された入力と前記光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は前記第２の符号化系列の電気的パルスを増幅するようにされた電気的パルス増幅器を有する、読み出し集積回路と、
各ユニットセルから電気信号を受信し、前記第２の符号化系列の電気的パルスを検知および検証し、他の電気信号を除去するようにされた符号系列相関器と、
前記時間零基準パルスと前記第２の符号化系列の電気的パルスの到着時間間のクロック周期の数に基づき各ユニットセル毎に距離を測定するようにされた距離測定回路と
を有し、
前記第１のＬＡＤＡＲセンサおよび前記第２のＬＡＤＡＲセンサのそれぞれは、画像フレームが取得される周波数を連続的に変化させ、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、第１の名目取得速度で動作して、前記取得速度を＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで変更し、前記第２のＬＡＤＡＲセンサは、より高い第２の名目取得速度で動作して、前記取得速度を＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで変更し、それによって第１のＬＡＤＡＲのレーザ送信器と第２のＬＡＤＡＲのレーザ送信器から出力されるパルスレーザ光が空間的に交差する若しくは干渉する可能性を低減する、ＬＡＤＡＲシステム。
前記第１のＬＡＤＡＲセンサの視野内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第１の符号系列の光パルスを送信するレーザ光出力を有する半導体レーザ送信器と、
第１の符号系列の光パルスの送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路と、
前記視野内の前記シーンから反射された前記符号系列の光パルスを収集および調整するための受信光学素子と、
前記受信光学素子の焦点面に配置された光感知器の二次元アレイであって、前記光感知器のそれぞれが前記第１の符号系列の光パルスの前記反射部分を第１の符号化系列の電気的パルスに変換する二次元アレイと、
光感知器の前記アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、
クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれは前記クロック回路へ接続された入力と前記光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は前記第１の符号化系列の電気的パルスを増幅するようにされた電気的パルス増幅器を有する、読み出し集積回路と、
各ユニットセルから電気信号を受信し、前記第１の符号化系列の電気的パルスを検知および検証し、他の電気信号を除去するようにされた符号系列相関器と、
前記時間零基準パルスと前記第１の符号化系列の電気的パルスの到着時間間のクロック周期の数に基づき各ユニットセル毎に距離を測定するようにされた距離測定回路とを有し、
前記第２のＬＡＤＡＲセンサは、
前記第２のＬＡＤＡＲセンサの視野内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第２の符号系列の光パルスを送信するレーザ光出力を有する半導体レーザ送信器と、
第２の符号系列の光パルスの送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路と、
前記視野内の前記シーンから反射された光パルスの符号系列の収集および調整するための受信光学素子と、
前記受信光学素子の焦点面に配置された光感知器の二次元アレイであって、前記光感知器のそれぞれが光パルスの前記第２の符号系列の前記反射部分を第２の符号化系列の電気的パルスに変換する二次元アレイと、
光感知器の前記アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、
クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれは前記クロック回路へ接続された入力と前記光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は前記第２の符号化系列の電気的パルスを増幅するようにされた電気的パルス増幅器を有する、読み出し集積回路と、
各ユニットセルから電気信号を受信し、前記第２の符号化系列の電気的パルスを検知および検証し、他の電気信号を除去するようにされた符号系列相関器と、
前記時間零基準パルスと前記第２の符号化系列の電気的パルスの到着時間間のクロック周期の数に基づき各ユニットセル毎に距離を測定するようにされた距離測定回路と
を有し、
前記第１のＬＡＤＡＲセンサおよび前記第２のＬＡＤＡＲセンサのそれぞれは、画像フレームが取得される周波数を連続的に変化させ、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、第１の名目取得速度で動作して、前記取得速度を＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで変更し、前記第２のＬＡＤＡＲセンサは、より高い第２の名目取得速度で動作して、前記取得速度を＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで変更し、それによって第１のＬＡＤＡＲのレーザ送信器と第２のＬＡＤＡＲのレーザ送信器から出力されるパルスレーザ光が空間的に交差する若しくは干渉する可能性を低減する、ＬＡＤＡＲシステム。
【請求項31】
請求項３０に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは車両へ取り付けられるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項32】
請求項３１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１の符号系列の光パルスは車両特定情報を示すＬＡＤＡＲシステム。
【請求項33】
請求項３０に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは前記電気的パルス増幅器のそれぞれの出力へ接続される電圧サンプリング回路を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項34】
請求項３３に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは前記電圧サンプリング回路のそれぞれへ接続されたアナログ−デジタル変換器を有し、前記アナログ−デジタル変換器は一組のデジタル化アナログサンプルを生成するようにされるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項35】
請求項３４に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは前記アナログ−デジタル変換器の出力へ接続されたデジタル処理装置を有し、前記デジタル処理装置は信号処理演算を前記デジタル化アナログサンプルに対して行うようにされるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項36】
請求項３０に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、インジウム、ガリウム、砒素、燐の組から選択された少なくとも１つの元素を有する半導体利得媒体内に形成された電気的励起半導体レーザを含むレーザ送信器を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項37】
請求項３１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記第１のＬＡＤＡＲセンサは、方向指示灯、テールライト、パーキングライト、ミラーアセンブリ、およびブレーキライトの組から選択されたアセンブリ内に組み込まれるＬＡＤＡＲシステム。
【請求項38】
請求項３１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記車両はさらに、前記第１のＬＡＤＡＲセンサの視野と重なる視野を有するように照準を合わせられた少なくとも１つの２次元撮像カメラを有し、前記車両はさらに、前記第１のＬＡＤＡＲセンサからのデータと前記２次元撮像カメラからのデータとをマージするようにされたデジタル処理装置を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項39】
請求項３１に記載のＬＡＤＡＲシステムであって、前記車両はまた、無線を受信するようにされた二重無線リンクおよび無線アンテナを有するＬＡＤＡＲシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に開示される実施形態は一般的には、３Ｄ画像生成と対象の識別および追跡に関し、より具体的には、道路危険回避、衝突防止、自律航法などの自動車用途のＬＡＤＡＲセンサに関する。本発明は、共通環境内で同時に動作する複数のＬＡＤＡＲセンサの動作から発生する問題点を補償し、多くのＬＡＤＡＲセンサが独立にかつ極近傍で動作できるようにする。
【背景技術】
【0002】
Ｓｔｅｔｔｎｅｒらの米国特許第５，４４６，５２９号明細書、米国特許第６，１３３，９８９号明細書、米国特許第６，４１４，７４６号明細書において開示される３Ｄ画像技術は、単一パルスの光（通常は、パルスレーザ光）により第３の座標と共に従来の２Ｄ画像のすべての情報を提供し、その視界内のすべての３Ｄ座標を提供する。この使用は通常、内蔵光源用のフラッシュ接点を使用する通常のデジタル２Ｄカメラとの類推でフラッシュ３Ｄ撮像と呼ばれる。通常の２Ｄディジタルカメラと同様に、光は焦点面アレイ（ＦＰＡ：ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ）と呼ばれる画素アレイを含むＬＡＤＡＲセンサの焦点面上にレンズにより収束される。ＬＡＤＡＲセンサの場合、これらの画素は、「スマート」であり、処理装置が当該の対象上の反射特徴までのレーザパルスの往復飛行時間を計算できるにするデータを収集し得る。
【0003】
シーンの３Ｄマップと固体のモデルとを生成するために車両システムにおいて光学的撮像とビデオカメラを使用するという挑戦的課題に対応するために、および航行し操縦して、静止または移動対象との衝突を回避するために３Ｄデータベースを使用するために、多くのシステムが提案されてきた。ステレオ方式、ホログラフィ捕捉システム、および動きから形状を取得するシステムはこの用途において適切な性能を実証することができなかったが、３次元ＬＡＤＡＲベースのシステムは、ホスト車両が衝突と道路障害を回避し、最良経路を操縦できるようにするのに十分な速度と精度でもって、移動（または交差路上で移動する）車両の経路における対象と道路特徴の３Ｄ像を迅速に捕捉する能力を示した。多くのこのような車両が同じ道路上で動作する環境では、共通動作空間において動作する車両上に取り付けられた多くのＬＡＤＡＲセンサからの多くの光パルスが存在することになることが予測できる。したがって、関連レーザ送信器から発しなかった光パルスがＬＡＤＡＲ受信器に当たる可能性は非常に高い。他のＬＡＤＡＲセンサからのこれらのスプリアス光パルスは、この確率をなくすまたは低減する手段が開発されない限り、深刻な混乱と誤った距離測定結果を生じ得る。スプリアス送信がＬＡＤＡＲ受信器光感知器に入るのを防止するために多くの個別のレーザ波長と受信光学フィルタとを使用することと、個別レーザパルス幅とパルス幅弁別器の割り当てと、スプリアスパルスを分離するパルス符号化およびパルス復号化のシステムとを含むこの形式の干渉を低減するための重層的構造手法について詳述する。製造され自動車に設置される多くのＬＡＤＡＲセンサが存在することになり、いくつかのレーザ送信器波長を再使用し、いくつかのレーザパルス幅もまた再使用する必要があり得ることが予想される。したがって「受信器光学フィルタとパルス幅弁別器を通過するスプリアスレーザパルスが存在することになる」というのが僅かであるが一定の可能性である。
【0004】
したがって、不適当なレーザパルスに基づく計算を回避するために「密集」環境において動作することができるＬＡＤＡＲシステムを提供することが望ましい。
【発明の概要】
【0005】
本実施形態によるＬＡＤＡＲシステムは第１のＬＡＤＡＲセンサと第２のＬＡＤＡＲセンサを内蔵する。第１のＬＡＤＡＲセンサは、第１のＬＡＤＡＲセンサの視界内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第１の波長における光を送信するパルスレーザ光出力を有するレーザ送信器と、パルスレーザ光送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路とを有する。上記センサは追加的に、視野内のシーンから反射されたパルスレーザ光を収集および調整するための受信光学素子と、第１の波長における光を受信し、第１の波長における光を送信し、第２の波長における光を阻止する受信フィルタと、受信光学素子の焦点面に配置され、第１の波長において受信フィルタを介しフィルタ処理された光を受信する光感知器の二次元アレイであって、光感知器のそれぞれはパルスレーザ光出力の反射部分から電気的応答信号を生成する出力を有する、二次元アレイと、光感知器のアレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、ユニットセル電気回路のそれぞれはクロック回路へ接続された入力と光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は電気的応答信号増幅器を有する、読み出し集積回路とを有する。距離測定回路は、電気的応答信号増幅器のそれぞれの出力へ接続され、さらに時間零基準出力へ接続され、時間零基準出力と電気的応答信号の到着時間間に発生するクロック周期の数に基づき光感知器毎に距離測定結果を生成するようにされる。第２のＬＡＤＡＲセンサはまた、第１のＬＡＤＡＲセンサの視界内のシーンを照射するための拡散光学素子を介し第１の波長における光を送信するパルスレーザ光出力を有するレーザ送信器と、パルスレーザ光送信の開始を信号で伝えるようにされた時間零基準出力を有する時間零基準回路とを有する。上記センサは追加的に、視野内のシーンから反射されたパルスレーザ光を収集および調整するための受信光学素子と、第１の波長における光を受信し、第１の波長における光を送信し、第２の波長における光を阻止する受信フィルタと、受信光学素子の焦点面に配置され、第１の波長において受信フィルタを介しフィルタ処理された光を受信する光感知器の二次元アレイであって、光感知器のそれぞれはパルスレーザ光出力の反射部分から電気的応答信号を生成する出力を有する、二次元アレイと、光感知器のアレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と、クロック回路と複数のユニットセル電気回路を有する読み出し集積回路であって、ユニットセル電気回路のそれぞれはクロック回路へ接続された入力と光感知器出力の１つへ接続された別の入力とを有し、各ユニットセル電気回路は電気的応答信号増幅器を有する、読み出し集積回路とを有する。距離測定回路は、電気的応答信号増幅器のそれぞれの出力へ接続され、さらに時間零基準出力へ接続される。距離測定回路は、時間零基準出力と電気的応答信号の到着時間間に発生するクロック周期の数に基づき光感知器毎に距離測定結果を生成するようにされる。
【0006】
別の実施形態では、各ＬＡＤＡＲセンサは代替的に、各ユニットセルから電気的パルスを受信し、第１のパルス幅の有効な電気的パルスを通し、他のパルス幅のパルスを阻止するようにされたパルス幅弁別器を含み得る。
【0007】
他の実施形態では、各ＬＡＤＡＲセンサは代替的に、各ユニットセルから電気信号を受信し、第１の符号系列の電気的パルスを検知および検証し、他の電気信号を除去するようにされた符号系列相関器を含み得る。
【0008】
論述された特徴、機能、および利点は、本開示の様々な実施形態において独立に実現され得る、またはさらに別の実施形態において組み合わせられ得、そのさらなる詳細については以下の説明と添付図面を参照して見ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図2】図２は、図１に描写されたシナリオの進行を示す。目下、第１の車両は反対車線上の第２の車両を追い越し立ち去ろうとしている。その間に、第３の車両が接近車線において左側のシーンに入り、目下、第２の車両方向の対面コース上にある。
【図5】図５は、典型的な車両装置のブロック図であり、多くの短距離ＬＡＤＡＲセンサ、長距離ＬＡＤＡＲセンサ、２Ｄビデオカメラ、ＬＡＤＡＲシステムコントローラ、相互接続光ファイバケーブルおよびワイヤハーネス、ホスト車両電気系統とコンピュータへの接続を示す。
【図6】図６は、典型的な車両装置の要素を示すブロック図であり、車両サスペンションを調節し、慣性航行基準を提供し、グローバルポジショニング基準を提供し、エアバッグを展開する判断を行い、二重無線リンクを介し外界と通信する部品サブシステムに車両電気系統とＣＰＵとを展開している。
【図7】図７は、ＬＡＤＡＲ対ＬＡＤＡＲ干渉の可能性を低減するためにレーザ送信器により完全に取り込まれ得る半導体レーザの３つの共通波長帯を示す図である。波長対パワー図は多くの半導体レーザ源を３つのポピュラーな帯域内に約１０ｎｍ間隔で離間する。
【図8】図８は、ハイウェイを走行する自動車のほぼ大部分に複数のＬＡＤＡＲセンサが設置されることから生じる密集ＬＡＤＡＲ環境において使用するのに好適なタイプのＬＡＤＡＲシステムのシステムブロック線図である。ＬＡＤＡＲシステムは、レーザ照射パルスを生成し、反射レーザパルスを受信し、データを低減し、画像を格納し、画像データセット内の対象を識別するユニット制御処理装置およびサブシステムを含む。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本出願は、米国特許第５，６９６，５７７号明細書、米国特許第６，１３３，９８９号明細書、米国特許第５，６２９，５２４号明細書、米国特許第６，４１４，７４６号明細書、米国特許第６，３６２，４８２号明細書、米国意匠特許第Ｄ４６３，３８３号、２００２年１月３１日に米国特許出願公開第２００２／０１１７３４０Ａ１号明細書として出願され、公開された米国特許出願第１０／０６６３４０号明細書に関する新しい主題を含み、参照により本明細書に援用する。
【0011】
本明細書において開示される実施形態は、衝突防止、対象および障害認識および回避、乗り心地および操縦制御改善のためのシステムを可能にする。利点は、対象検知および認識能力を有する車両搭載ＬＡＤＡＲシステム、操縦、制動およびアクセル制御システム、乗り心地およびサスペンション修正システムを含む３Ｄ撮像設備を使用することにより実現される。本システムは、重畳視野を有する多くのＬＡＤＡＲセンサの独立動作性を保証する多くの手立てを含む。これらの技術革新は、複数の独立波長の個々のＬＡＤＡＲセンサへの割り当てと、パルス幅識別能力方式と、照射パルス列内の一意的識別子が「ホスト車両をナビゲートする任務を負うデジタル処理装置に何らかのスプリアス応答が入る可能性」を排除できるようにするレーザ照射パルス内の車両識別番号（ＶＩＮ：ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ）のデジタル符号化とを含む。これらの方策は併せて、共通空間内の他のＬＡＤＡＲセンサからの干渉レーザパルスに起因する誤った対象および距離測定の確率を低減する。車両搭載ＬＡＤＡＲシステムは、独立したＬＡＤＡＲセンサのそれぞれからの利用可能データを、車両を囲む全３６０度弧内の隣接エリアの合成３Ｄマップに合成する中央ＬＡＤＡＲシステムコントローラへ接続される多くの側部搭載、後部搭載、または前向きＬＡＤＡＲセンサを含み得る。好適な実施形態では、３Ｄ立体モデルとシーンマップの質を改善するために従来の２Ｄ静止画像または動画像列を使用し得る。
【0012】
各車両は複数のＬＡＤＡＲセンサを有し、各車両は通常、デジタル処理装置と、ワイヤハーネスと、ワイヤハーネスの終端部に取り付けられる少なくとも１つのコネクタレセプタクルとを有する。相手コネクタプラグは通常、ＬＡＤＡＲセンサを有するアセンブリに取り付けられており、ワイヤハーネスのコネクタレセプタクルと嵌合するようにされる。代替的に、プラグはワイヤハーネスに取り付けられ得、レセプタクルはＬＡＤＡＲセンサアセンブリの一部であり得る。複数のＬＡＤＡＲセンサはそれぞれ、変調レーザ光出力を有する半導体レーザまたはパルス固体レーザを取り込み得る照射レーザモジュールと、長距離、短距離の視野内のシーンを照射するための拡散光学素子または補助ＬＡＤＡＲセンサを有する。各ＬＡＤＡＲセンサはまた、光収集および集束アセンブリ（焦点面アレイ）の焦点面に配置された光感知器の二次元アレイを特徴とする受信器モジュールを含む。ＬＡＤＡＲセンサはヘッドライト、テールライトまたは他の予備灯アセンブリ内に取り込まれ得る。ＬＡＤＡＲセンサはまた、後退灯または、リアビューミラーアセンブリの一部であり得る、またはバンパーまたはグリルアセンブリ内の開口の背後に取り付けられ得る、またはフロントガラス背後の高いところに、屋根支持具上、または車両の周囲または他の車両位置のボディパネル内のカットアウトを介し取り付けられたモジュラーアセンブリ内に取り付けられ得、少なくとも１つの透明部分を有し、また少なくとも１つの保持特徴を有するエンベロプ内に密閉され得る。各ＬＡＤＡＲセンサは、周波数基準と慣性基準を有するシステム制御処理装置、システムメモリ、パルスレーザ送信器、送信光学素子、受信光学素子、受信光学素子の焦点面に配置されたアレイ光検出素子、光検出焦点面アレイへバイアス電圧を供給する検出器バイアス変換器、読み出し集積回路、アナログ読み出しＩＣ出力からデジタル画像データを生成するアナログ−デジタル変換器回路、画像データを調整および補正するデータ削減処理装置、補正画像データベース内の特徴および対象を分離、絶縁、識別、追跡する対象追跡処理装置を有し得る。車両、操縦、制動およびサスペンション制御を有するインテリジェント車両システムコントローラと対にされると、衝突事象の著しい低減と、乗員と車両へのそれほど頻繁でなくかつそれほど深刻でない損傷が予想される。ＬＡＤＡＲセンサは、通常焦点面アレイと読み出し集積回路のハイブリッドアセンブリを取り込み、読み出しＩＣはアレイユニットセル電気回路として配置され、各ユニットセルは、焦点面アレイとしての同一間隔および順序のアレイと係合するように構成される。好適な実施形態におけるＬＡＤＡＲセンサは、上述のフラッシュモードで、またはマルチパルスモードで、または状況に応じてパルス連続波モードで働くことができる。ＬＡＤＡＲセンサを取り込む衝突防止およびナビゲーションシステムは、２Ｄおよび３Ｄデータベースのマージから生じるシーンを強調することと３Ｄ ＬＡＤＡＲセンサと従来の２Ｄビデオカメラとの両方を管理することだけでなく完全３Ｄ対象モデル化および追跡を可能にする多くの特徴を有する。
【0013】
ＦＰＡの光感知器のそれぞれは、レーザ光出力の反射部分から電気的応答信号を生成する出力を有する。電気的応答信号は、ユニットセル電気回路の当該アレイを有する読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）へ接続される。ユニットセル電気回路のそれぞれは、光感知器出力の１つへ接続される入力と、電気的応答信号増幅器および復調器と、電気的応答信号復調器の出力へ接続される距離測定回路とを有する。復調器は、電気的応答信号の逐次サンプルを格納するための電圧サンプリング回路およびアナログシフトレジスタであり得る、または、ミキサ、積分器、または整合フィルタを含み得る。サンプリングモードでは、各ユニットセルは、ターゲット表面からのレーザ光の捕捉反射に応じて採取されるサンプルの時刻を決めるために基準クロックを使用する。復調はまた、各画素からの一系列のデジタル化サンプルに作用する高速デジタル処理装置により読み出し集積回路の外部で行われ得る。高速デジタル処理装置は、逐次アナログサンプルの加重和を利用するアルゴリズムを採用し得る、または高速フーリエ変換、畳み込み、積分、微分、曲線フィッティング、または電気的応答のデジタル化アナログサンプルに対する他のデジタル処理を使用し得る。高速デジタル処理装置はまた、他の対象から道路を絶縁または分離し対象同士を互いに絶縁または分離するアルゴリズムを採用し得る。このような対象は、自動車、自転車、オートバイ、トラック、人間、動物、壁、標識、道路障害物などであり得る。これらのアルゴリズムは対象速度だけでなく位置と方位を計算し得る。対象、それらの方位、位置、および速度は、さらなる処理および意志決定のために中央コンピュータへ転送され得る。各ユニットセル回路は、戻りＬＡＤＡＲパルスの形状を維持するとともに、図からわかるように、焦点面アレイから一定の距離を置いて投影された画素境界内の面の形について反射光パルスの形状に基づき推測する能力を有する。距離測定回路はさらに、変調レーザ光出力の零距離基準を提供する基準信号へ接続される。個々のＬＡＤＡＲセンサはまた、検出器アレイの電圧分配グリッドへ接続される検出器バイアス回路と温度安定周波数基準とを組み込み得る。
【0014】
図１は、本発明のＬＡＤＡＲセンサの拡張機能の利点を示す展開シーンを描写する。この図では、隣接レーンの反対方向へ向かう第２の車両１４に接近する第１の車両２が、照射パターン４を有するフロントガラスの背後に取り付けられたＬＡＤＡＲセンサを有する。フロントガラスの背後に取り付けられた長距離ＬＡＤＡＲセンサの前方向放射パターン１６は、破線により示され、第２の車両１４の前方の道路を掃引する。第１の車両２の前方左角に設置された予備灯アセンブリから放射する短距離放射パターン６が示される。第１の車両２の左後方角に設置された予備灯アセンブリから放射する第２の短距離放射パターン８が示される。第１の車両２の右後方角に設置された予備灯アセンブリから放射する第３の短距離放射パターン１０が示され、第１の車両２の前方右角に設置された予備灯アセンブリから放射する第４の短距離放射パターン１２が示される。接近車両上では、第２の車両１４の前方左角に設置された予備灯アセンブリから放射する短距離放射パターン１８が示される。第２の車両１４の左後方角に設置された予備灯アセンブリから放射する第２の短距離放射パターン２０が示される。第２の車両１４の右後方角に設置された予備灯アセンブリから放射する第３の短距離放射パターン２２が示され、第２の車両１４の前方右角に設置された予備灯アセンブリから放射する第４の短距離放射パターン２４が示される。このシナリオにおける多くのＬＡＤＡＲセンサは対象データとシーンデータをそれぞれの車両上の中央処理装置へ提供する。次に、中央処理装置は命令を車両制御（この具体的なケースでは、主として操縦および速度制御）システムへ送信することによりいかなる潜在的衝突も回避するように作用する。
【0015】
図２は、図１におけるシーンの進展を示す。第１の車両２は第２の車両１４とすれ違ったところである。第１の車両２の右後方テールランプアセンブリに埋め込まれたＬＡＤＡＲセンサの照射パターン１０は、目下、第２の車両１４の右後方クオータを照射している。同様に、第２の車両１４の右後方テールランプアセンブリに埋め込まれたＬＡＤＡＲセンサの照射パターン２２は、目下、第１の車両２の右後方クオータを照射している。これは、第１の車両２からの直接照射が第２の車両１４の送信器からの反射光と同時に受信され得る状況を生じる。第３の車両２８が目下、第２の車両１４へ向かう反対側の左側のシーンに入ったところである。第３の車両２８は、第２の車両１４上の中央に取り付けられたＬＡＤＡＲセンサの受信器だけでなく第２の車両１４の右前方側も照射する前方向照射パターン３０を有するＬＡＤＡＲセンサを有する。第２の車両１４は、第３の車両２８上のヘッドライトアセンブリ内に取り付けられたＬＡＤＡＲセンサの受信器だけでなく第３の車両２８の右前方側も照射する前方向照射パターン１６を有するＬＡＤＡＲセンサを有する。これは、第３の車両２８からの直接照射が第２の車両１４の送信器からの反射光と同時に受信され得る状況を生じる。この状態を示すタイミングダイヤグラムを図９に見ることができる。第２の車両１４上のアンテナ２４は、中央道路状況データベースから位置基準データ、道路状況更新、および天候情報を受信する。第２の車両１４上のアンテナ２４はまた、状況を協力して管理するために第１の車両２と第３の車両２８と直接通信し得る。
【0016】
図３は、ＬＡＤＡＲセンサ３６をフロントガラスの背後の高い位置に取り付けた、道路３４上の第２の車両１４の横からの個々の姿勢を示す。車両１４のフードの先端を丁度通過する照射パターン１６が示される。短距離ＬＡＤＡＲセンサは、角搭載信号灯３２に埋め込まれ、短距離照射パターン１８を有する。車両１４はまた、道路状況と位置基準データをダウンロードするとともにローカル道路状態を中央道路状況データベースへアップロードするまたは他の車両と直接通信するための二重無線リンクを有するためのアンテナ２４が接続されている。
【0017】
図４は、車両１４の前部のヘッドライトアセンブリに取り付けられたＬＡＤＡＲセンサ４２を有する、道路３８上の第２の車両１４の横から見たクローズアップされた個々の姿勢を示す。車両１４の前部に近い点で道路３８と交差する照射パターン１６が目下示されている。加えて、視野は車両と道路３８の状況に依存して横方向および垂直方向に掃引され得る。この場合、車両１４は小さな丘の頂上に達すると、ヘッドライトアセンブリに埋め込まれたＬＡＤＡＲセンサはより大きな俯角まで向けられ、道路３８のプロファイリングが引き続き中断されないようにする。短距離ＬＡＤＡＲセンサは、フトントバンパ４４に埋め込まれ、短距離照射パターン１８を生成する。車両１４はまた、道路状況と位置基準データをダウンロードするとともにローカル道路状態を中央道路状況データベースへアップロードするための二重無線リンクを有するアンテナ２４が接続されている。
【0018】
図５は、ＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２と、ホスト車両２の協働システムとの相互配線の詳細を示すブロック図である。ＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２は、ホスト車両に設置された様々なＬＡＤＡＲセンサの状態を監視するとともにこれらのホストＬＡＤＡＲセンサにより捕捉された３Ｄデータのすべてを取り込み、制御入力をこれらのＬＡＤＡＲセンサへ提供する中間機能である。ＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２は、いくつかの車両設計では１個のソフトウェアまたはハードウェアとして車両ＣＰＵ内に組み込まれ得る。ＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２は、命令を短距離ＬＡＤＡＲセンサＳＲＵ１（５２）、ＳＲＵ２（５４）、ＳＲＵ３（５６）、ＳＲＵ４（５８）と長距離ＬＡＤＡＲセンサＬＲＵ１（４６）、ＬＲＵ２（４８）へ送信するセンサインターフェース６６を含む。光ファイバケーブルおよびワイヤハーネス６４は、センサインターフェース６６からの命令を様々なＬＡＤＡＲセンサへ転送するための物理媒体を提供する。３Ｄデータとステータス信号は、光ファイバケーブルおよびワイヤハーネス６４を介し様々なＬＡＤＡＲセンサからセンサインターフェース６６へ戻される。同様に、命令信号は多く（ｎ個）の２Ｄカメラ６２へ送信され、ステータスおよび画像データはワイヤハーネス６４を介し２ＤカメラからＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２へ戻される。送信器と受信器を論理的に含む長距離センサユニット４６、４８のそれぞれは、一組の双方向接続５０を介し、光ファイバケーブルおよびワイヤハーネス６４の物理媒体とセンサインターフェース６６の送信器と受信器と接続する。送信器と受信器とを論理的に含む各短距離センサユニット５２〜５８は、一組の双方向接続６０を介し、光ファイバケーブルおよびワイヤハーネス６４の物理媒体とセンサインターフェース６６の送信器と受信器とへ接続する。センサインターフェース６６は、シーン処理装置６８と制御処理装置７４からデジタル論理レベルを受信し、ホスト車両２に設置された様々なＬＡＤＡＲセンサへの光ファイバケーブルおよびワイヤハーネス６４上での送信のためにこれらの信号を調整する。センサインターフェース６６は、車両２に設置された様々なＬＡＤＡＲセンサまたは２Ｄカメラの１つまたは複数の制御処理装置７４とシーン処理装置６８からのアウトバウンド信号の増幅、レベル調整、デジタル−アナログ変換、電気−光学信号変換を行い得る。逆に、インバウンド信号については、センサインターフェース６６は、車両２に設置された様々なＬＡＤＡＲセンサまたは２Ｄカメラの任意の１つから送出された３Ｄまたは２Ｄデータとステータス信号の増幅、レベルシフティング、アナログ−デジタル変換、光学−電気変換を行い、次に、これらの受信および／または変換された信号をデジタル信号として制御処理装置７４とシーン処理装置６８へ供給し得る。Ｄ／ＡおよびＡ／Ｄ信号変換器を含むセンサインターフェース６６は読み出し集積回路（図８の１１８）上に完全にまたは部分的に存在し得る。シーン処理装置６８は、動作可能ＬＡＤＡＲセンサのそれぞれから受信された３Ｄフレームを車両２の真ん前のおよびそれを囲む全空間の合成３Ｄマップに合成する。シーン処理装置６８はまた、改善された分解能、色、コントラストを提供するために３Ｄマップと多数（ｎ）の２Ｄ静止または動画カメラ６２から受信された２Ｄ画像データとをマージし得る。従来の２Ｄ静止または動画カメラ６２の追加により、改善された対象識別能力をシステムに提供する。車両２を囲む領域の完全な３Ｄマップは、補助および短距離センサ５２〜５８が設置されると最良に実現される。好適な実施形態では、２つの長距離センサ４６、４８と４つの短距離センサ５２〜５８を含む６つのＬＡＤＡＲセンサが完全な３６０°視野を提供する。車両２を囲むおよびその前の全空間の３Ｄマップがシーン処理装置６８により合成され得る。いくつかの車両設置はまた、安全性の追加マージンを提供するために後向き長距離ＬＡＤＡＲセンサ（図示せず）を含む。長距離センサ同士の重畳視野は、シーン処理装置６８が遠方視野パターン内のいくつかの陰をなくせるようにし得る、またはシーン処理装置６８が、車両２の経路内の対象または障害の確実な識別を可能にし得る追加の形状データを得られるようにし得る。短距離センサと長距離センサ間の重畳視野は、短距離センサ５２〜５８により掃引されたより広い角度のおかげで、陰の低減だけでなく合成視野内の任意の特徴または対象に関する追加の形状データをシーン処理装置６８に与える。制御処理装置７４は、レーザ温度、送信レーザパルスパワー、パルス波形、受信器温度、背景光レベルなどを示すステータスデータをＬＡＤＡＲセンサから受信し、制御される様々なＬＡＤＡＲセンサへのグローバル入力パラメータの調整について判断する。検出器バイアス、トリガ感度、トリガモードまたはＳＵＬＡＲ（凝視型水中レーザデータ：Ｓｔａｒｉｎｇ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｒａｄａｒ）モード、フィルタ帯域幅などのグローバル設定は、制御処理装置７４から所与のＬＡＤＡＲセンサへ送信され得、所与のＬＡＤＡＲセンサは、特定のＬＡＤＡＲセンサ内に存在するローカル制御処理装置により元々設定または調整されたローカル設定をオーバーライドし得る。ＳＵＬＡＲモードおよびトリガモード動作は図８に関し詳細に説明される。不揮発性メモリ７６は、制御処理装置７４とシーン処理装置６８上で走るプログラムの格納場所を提供する。不揮発性メモリ７６は、ステータスデータとシステムの起動に役立つ他のデータとを格納するために使用され得る。データ通信ポート７０は通常、イーサーネットポートまたはギガビットイーサネットポートを含むが、ＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４、Ｉｎｆｉｎｉｂａｎｄまたは他の汎用データポートであり得、接続７８を介し制御処理装置またはシーン処理装置６８と車両電気系統および中央処理装置８０間の双方向通信を提供するように接続される。接続７８は、電気的、光学的、またはその両方の組み合わせであり得、データ信号を両方向に調整および送信するのに必要な任意の送信器と受信器を含み得る。データ通信ポート７０はまた、車両製造者に固有の特殊目的通信ポートであり得る。変調レーザ光の反射から生じる３Ｄ距離データは、初期対象モデルを判断できるようにし、ある対象識別が、車両２に設置された個々のＬＡＤＡＲセンサの処理装置において起きるようにする。対象モデルの微調整は、いくつかのセンサからのデータが前フレームからのデータと統合され得るシステム内のより高いレベルで行われ得る。現在のデータだけでなく過去のデータも見るこの能力は、車両２が前方へ走行するにつれて、いくつか道路障害と衝突脅威を複数の角度から観察できるようにし、したがって、追加の形状情報が複数の観測角度から展開される一方でいくつかの陰を消す。この追加対象データを有することで、メモリ７６内に格納された対象モデルをシーン処理装置６８が微調整できるようにし得る。より正確な対象モデルは、シーン処理装置６８または車両ＣＰＵ８０が、車両２に衝突脅威をもたらし得る様々な対象および特徴を識別する際に良好に進展できるようにし得る。
【0019】
図６は、ＬＡＤＡＲセンサシステムを有する車両電気系統および中央処理装置（ＣＰＵ）の主機能ブロックの関係および接続を示すシステムブロック線図である。ＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２は、車両に取り付けられたＬＡＤＡＲセンサのすべてと通信する。典型的な設置では、２つの長距離ユニットＬＲＵ１（４６）とＬＲＵ２（４８）が一組の双方向電気的接続５０を介しＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２へ接続する。電気的接続はまた、データ、制御信号、ステータス信号を長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６、４８とＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２間で双方向に転送するために光導波路と光学送信器と光学受信器とを有し得る。ＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２はまた、一組の双方向電気的接続６０を介し４つの短距離ユニットＳＲＵ１（５２）、ＳＲＵ２（５４）、ＳＲＵ３（５６）、ＳＲＵ４（５８）それぞれと通信する。電気的接続はまた、データ、制御信号、ステータス信号を短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２〜５８とＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２間で双方向に転送するために光導波路、光学送信器および受信器を有し得る。ＬＡＤＡＲセンサのそれぞれは、シーン処理装置（図５の６８）、車両ＣＰＵ８０、衝突処理装置７５への処理負荷を低減するためにデータ処理装置を含み得る。データ処理装置は、例えば、ポイントクラウドを展開し、視野内の対象を絶縁／分離し、ポイントクラウドから対象速度を絶縁／分離する。従来の２Ｄ可視光または赤外線観察カメラ６２はＬＡＤＡＲセンササブシステム内に埋め込まれ得、ＬＡＤＡＲセンサを含むサブアセンブリの一部であり得る。これらのカメラ６２はＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２に対し同じ接続５０または６０を共有し得る。多数（ｎ）の他の可視光２Ｄ静止または動画カメラ７６は、車両衝突処理装置７５へ直接接続し、車両に取り付けられた様々なＬＡＤＡＲセンサにより生成される３Ｄデータの相補的シーンデータを生成し得る。２Ｄ静止または動画カメラ７６はまた、可視光波長または赤外線波長のいずれかで動作し得る。２Ｄ静止または動画カメラ７６の視野は、車両２に設置されたＬＡＤＡＲセンサ（４６、４８、５２〜５８）の視野を重畳するように設計される。双方向電気的接続７８はまた、ＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２と車両電気系統および中央処理装置（ＣＰＵ）８０間で３Ｄデータマップ、ステータス信号、制御信号を転送するように働く。車両の中核部では、電子頭脳が、車両２のすべての機能を制御し、通常、他のすべてのサブシステムおよびコプロセッサを制御する。電子頭脳すなわち中央処理装置（ＣＰＵ８０）はここでは、バッテリ、ヘッドライト、ワイヤハーネスなどを含む車両の基本的電気系統とひとまとめにされる。車両サスペンション系８６は、双方向電気的接続を介し制御命令を受信しステータスを戻す。車両サスペンション系８６は、車輪のそれぞれの車高、バネ定数および減衰率を独立に修正することができる。慣性基準８４もまた、ＣＰＵ８０への入力として垂直基準または重力センサを有する。ＧＰＳ基準７９もまた車両ＣＰＵ８０へ接続され得る。ＧＰＳ基準７９はまた、無線リンクを介し定期的に更新され得るエリア内のすべての利用可能道路および状態のデータベースを有し得る。二重無線リンク８２もまたＣＰＵ８０へ接続され得、近距離内の他の車両１４、２８と直接通信して、位置、速度、方向、車両特定情報を共有し、衝突防止と交通の自由流れを促進し得る。二重無線リンクはまた、路傍アンテナまたはセルラステーションを介し中央道路状況データベースからローカル位置基準、道路データ、天候状況、および車両２の動作にとって重要な他の情報を受信し得る。車両２はまた、車両ステータスと道路状況更新を、無線アップリンク８２を介し中央道路状況データベースへ提供し、ＬＡＤＡＲセンサと無線リンク８２を備えたありとあらゆる車両により中央道路状況データベースが増補されるようにし得る。衝突処理装置およびエアバッグ制御ユニット７５もまたＣＰＵ８０と双方向に接続し、多くの加速度計、ブレーキセンサ、車輪回転センサ、ＬＡＤＡＲセンサなどからの入力を受信する。ＡＣＵ７５はエアバッグのタイミングおよび配備と他の制約について判断する。図６のシステムは、同システムが名目上設置され通常は自動車である車両と共に示されるが、本システムと、上述の部品およびサブシステムの任意のものは、能動的に操縦または半自律的にナビゲートまたは完全に自律的に操縦および制御され得、有人または無人であり得る任意の数の移動車両に設置されるように設計される。上記移動車両としては、航空機、列車、自動車、オートバイ、ヘリコプタ、ボート、船、ロボットクローラ、宇宙船、ホバークラフト、飛行船、ジープ、トラック、ロボットクローラ、グライダ、多目的車、ストリートスィーパ、潜水艦、水陸両用車、およびそりが挙げられる。
【0020】
図７は、密集環境の波長ダイバースＬＡＤＡＲシステムに利用され得る入手可能なレーザダイオード波長の図を示す。７５０〜８７０ｎｍの第１の波長帯８８は、大量生産低コストＡｌＧａＡｓレーザダイオード材料系に対応する。この材料系は、光ディスクドライブ、光ファイバＬＡＮ通信および近赤外偵察カメラを含む多くのポピュラーな用途をカバーする。示されるのは安価な受信および送信光学フィルタを許容するために１０ｎｍずつ離間された１３の波長である。波長領域７５０〜８７０ｎｍは、７５０ｎｍで約２０％から８７０ｎｍで０％まで変化するアルミニウム百分率に対応する。通常はＩｎＧａＡｓで形成される第２の波長帯９０は、１０ｎｍ増分で９００〜１０６０ｎｍをカバーし、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）用の９７６ｎｍポンプレーザ、レーザ測距装置、暗視／熱感知用途に使用される。一般的に入手可能なレーザダイオードの変形形態であるここでは１０ｎｍピッチで識別される１７の個別波長がある。８７０ｎｍにおける第１の帯域８８の上端と９００ｎｍにおける第２の帯域９０の下端との隙間は、いかなる基礎物理問題の結果でもなく、むしろこれらの波長における生産を促す切実な用途が出てこない結果である。実際、これらのレーザは存在するが一般的でない。同じことは、１０６０ｎｍにおける第２の帯域９０の上端と１２７０ｎｍにおける第３の帯域９２の下部との隙間にも当てはまる。この範囲のレーザダイオードは、一般的には入手可能ではないが、再び、この範囲のレーザダイオードを必要とする切実な用途が出てこないことに起因するものである。第３の波長領域９２（１２７０〜１６１０ｎｍ）は同様にＩｎＧａＡｓ材料系に対応するが、１２７０〜１３３０ｎｍ範囲はメトロ／ＷＡＮファイバ通信に、１５３０〜１６１０ｎｍ波長は遠距離ＩＴＵ通信ファイバ用途に非常に有用である。これらの波長におけるレーザの可用性は、これらのレーザが本明細書に記載の自動車ＬＡＤＡＲ感知用途に最初に最も容易に適応化されることを意味する。
【0021】
この第３の帯域９２に示されるのは１０ｎｍ間隔の３５の個別波長である。第１の帯域８８と第２の帯域９０と合わせて、低コスト１０ｎｍ光学帯域フィルタを所与として、独立にかつ直交して使用され得る６５の波長が利用可能である。他の多くの波長を開発し得るが、自動車ＬＡＤＡＲ感知および／または自律操縦車両用ロボット運転などの大量用途のニーズだけがある。一部の波長は他の波長より実現するのが困難となり得るが、７５０〜２２００ｎｍの全波長領域は様々な材料の組み合わせのレーザダイオードに利用可能である。一部の波長は、許容可能パワーレベルと効率をもたらす成長技術とレーザ構造とを開発するために追加の作業を必要とし得る。また、７５０〜８７０ｎｍの第１の帯域８８は、第２の帯域９０と第３の帯域９２の長い波長より人間の眼に本質質的に危険であるので、それほど望ましくない場合もある。この事実は、第１の帯域８８の最短波長レーザを最低パワー密度で動作させ、したがって短距離用途に設計されたＬＡＤＡＲセンサにだけ好適であるようにさせるという制約を課し得る。一般則として、波長の増加により、より大きなパワーを安全に放射し得る。したがって、適切な市場需要とその対応投資を所与として、本発明者らは７５０〜２２００ｎｍ間で１０ｎｍ間隔で離間された波長を送信する１４５個の独立レーザダイオードを有し得る、と予想することが合理的である。
【0022】
図８は、好適な実施形態に典型的な長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６、４８と短距離センサ５２〜５８の両方を説明するＬＡＤＡＲセンサのブロック図である。距離延長、より広いまたは狭い視野、およびサイズおよびコスト低減を実現するために、パルスレーザ送信器１０６、送信光学素子１１０、受信光学素子１１２の適応化と、いくつかのケースでは読み出し集積回路１１８のサンプリング回路へのプログラマブル変更とが行われ得る。第１の実施形態は、ハイブリッド組立方法を使用して読み出し集積回路１１８の上に積層され得る単一絶縁サファイア基板上に置かれた光検出素子の１２８×１２８または１２８×６４検出器アレイ１１６を提供する。設計の他の実施形態では、光検出素子のＭ×Ｎ焦点面アレイが予想される（ＭとＮは２〜１０２４以上の値を有する）。図８に描写された機能要素は最初に、典型的な長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６の要素に関して説明される。制御処理装置９４はＬＡＤＡＲセンサ４６の主要部品の機能を制御する。制御処理装置９４は、命令を制御処理装置９４からパルスレーザ送信器１０６へ転送するとともに監視信号をパルスレーザ送信器１０６から制御処理装置９４へ戻す双方向電気的接続（インタフェースロジック、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）およびディジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器９６を有する）を介しパルスレーザ送信器１０６と接続する。アナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）とディジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器９６を含むインタフェースロジックは読み出し集積回路上に完全にまたは部分的に存在し得る。光感知ダイオード検知器（フラッシュ検出器）１０４はパルスレーザ送信器１０６により生成されたレーザ光パルスの一部を傍受するようにレーザの後面に配置される。パルスレーザ送信器１０６の前面から採取されたアウトバウンドレーザパルスの光学サンプルは、通常は光ファイバケーブル上で、自動距離補正（ＡＲＣ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｒａｎｇｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）信号として検出器アレイ１１６の角へ配策される。パルスレーザ送信器１０６は、固体レーザ、一体式レーザ、半導体レーザ、ファイバレーザ、または半導体レーザのアレイであり得、また、データ速度を増加するために２つ以上の個々のレーザを採用し得る。好適な実施形態では、パルスレーザ送信器１０６は垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬｓ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ）のアレイである。別の実施形態では、パルスレーザ送信器１０６は、９７６ナノメートル半導体レーザ光により励起されるエルビウムドープリン酸ガラスの円盤状固体レーザである。
【0023】
動作中、制御処理装置９４は、論理命令または変調信号をパルスレーザ送信器１０６へ送信することによりレーザ照射パルスを起動し、パルスレーザ送信器１０６は送信フィルタ１０８と送信光学素子１１０を介し強いバーストのレーザ光を送信することにより応答する。エルビウムガラス、ネオジムＹＡＧ、または他の固体利得媒体に基づくＱスイッチ固体レーザの場合、単純な２レベル論理命令が、一定期間の間、利得媒体内に放射するポンプレーザダイオードを起動し得、最終的にパルスレーザ送信器１０６の単一フラッシュを生じることになる。電気的に励起される半導体レーザであって、レーザダイオード中に注入される電流信号の変調により瞬時に変調され得る半導体レーザの場合、より一般的な性質の変調信号が可能であり、主要な有益な効果をもって使用され得る。変調信号は、上部が平たい方形または台形パルス、ガウス形パルス、またはパルス系列であり得る。変調信号はまた、正弦波、ゲート制御またはパルス正弦波、チャープ正弦波、周波数変調正弦波、振幅変調正弦波、またはパルス幅変調系列のパルスであり得る。変調信号は通常、アナログ値を表すディジタルメモリワードのルックアップテーブルとしてオンチップメモリ９８に格納される。ルックアップテーブルは、制御処理装置９４により順に読み出され、搭載ディジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器９６によりアナログ値へ変換され、パルスレーザ送信器１０６駆動回路へ渡される。制御処理装置９４上に存在する必要な論理回路、クロック、およびタイマ１００と共に、メモリ９８に格納されたルックアップテーブルとＤ／Ａ変換器との組み合わせは併せて、任意の波形発生器（ＡＷＧ：ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）回路ブロックを構成する。ＡＷＧ回路ブロックは代替的に、パルスレーザ送信器１０６の一部としてレーザドライバ内に埋め込まれ得る。送信光学素子１１０は、パルスレーザ送信器１０６により生成された高強度スポットを、ＬＡＤＡＲセンサ４６により画像化される所望の視野全体にわたってほぼ一様に拡散する。送信フィルタ１０８は、レーザ光出力を設計波長に制限するように作用し、パルスレーザ送信器１０６の設計波長外のいかなるスプリアス放射も除去する。送出レーザパルスの光学サンプル（ＡＲＣ信号と呼ばれる）はまた、光ファイバを介し検出器アレイ１１６へ送信される。検出器アレイ１１６の角のいくつかの画素はＡＲＣ（自動距離補正：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｒａｎｇｅ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）信号により照射され、読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）１１８内のタイミング回路の零時間基準を確立する。読み出し集積回路１１８の各ユニットセルは、ＡＲＣ信号に由来する電気的パルスによりカウントを開始される関連タイミング回路を有する。代替的に、フラッシュ検出器１０４信号は第２のタイミングモードにおける零基準として使用され得る。ＡＲＣ信号は検出器アレイ１１６を通る経過時間に関連する可変遅延の一部をきちんと除去するが、その結果、追加費用および複雑性が生じる。画像フレームのデジタル表現を所与として、同じ作業は、データ削減処理装置１２６などの有能な埋め込み型処理装置によりソフトウェア／ファームウェアで処理され得る。送信レーザパルスのある部分は、ＬＡＤＡＲセンサ４６の視野内のシーン内の特徴から反射されると、検出器アレイ１１６の上のヘッドライトアセンブリのレンズとマイクロレンズアレイとを通常は含む受信光学素子１１２に入射し得る。別の実施形態は、マイクロレンズの使用を必要しなくてもよい改善された検出器を使用する。受信光学素子１１２の他の別の実施形態は、入力光を収集し検出器アレイ１１６個々の要素へ導くために回折アレイを採用する。受信光学素子１１２の視野内のシーン内の特徴から反射されたパルスレーザ光は、受信フィルタ１１４を介し収集されフィルタ処理され、検出器アレイ１１６の個々の検知素子上に収束される。次に、この反射レーザ光信号は、影響を受ける検知素子により検知され、電流パルスへ変換される。この電流パルスは次に、読み出し集積回路１１８の関連ユニットセル電気的回路により増幅され、飛行時間（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）が測定される。したがって、視野内のシーン内の各反射特徴までの距離がＬＡＤＡＲセンサ４６により測定可能である。検出器アレイ１１６と読み出し集積回路１１８はＭ×ＮまたはＮ×Ｍのサイズのアレイであり得る。球面レンズ、円柱レンズ、ホログラフィディフューザ、回折格子アレイ、またはマイクロレンズアレイからなる送信光学素子１１０は、図１に示すように、パルスレーザ送信器１０６の出力ビームをシーンの中央部分または車両２の経路内の対象を照射するための適切な円錐形、楕円形、または矩形の整形ビームに調整する。
【0024】
図８について続けると、受信光学素子１１２は、凸レンズ、球面レンズ、円柱レンズまたは回折格子アレイであり得る。受信光学素子１１２は、シーンから反射された光を収集し、収集光を検出器アレイ１１６上に収束させる。受信フィルタ１１４は、入力光を同じＬＡＤＡＲセンサ４６の送信器に関連する適切な波長帯に制限する。好適な実施形態では、検出器アレイ１１６は、燐化インジウム半導体基板の上にエピタキシャル堆積されたガリウム砒素の薄膜で形成される。通常、検出器アレイ１１６は、光へ露出された一組のカソードコンタクトと、検出器アレイ１１６上に蒸着された多くのイリジウムバンプを介し読み出し集積回路１１８へ電気的に接続された一組のアノードコンタクトとを有する。次に、検出器アレイ１１６の個々の検出器のカソードコンタクトは、上記アレイの照射側の高電圧感知器バイアスグリッドへ接続されるであろう。したがって、検出器アレイ１１６の検知素子の各アノードコンタクトは、読み出し集積回路１１８のユニットセル電子回路の入力へ独立に接続される。検出器アレイ１１６と読み出し集積回路１１８のこの従来のハイブリッドアセンブリは依然として使用され得るが、新しい技術が、要素間結合（すなわちクロストーク）を低減し、漏れ（暗）電流を低減し、検出器アレイ１１６の個々の検知素子の効率を改善し得る。好適な実施形態では、検出器アレイ１１６の要素は、ほぼ単結晶のサファイアウェハの上に形成され得る。その上にエピタキシャル成長されたほぼ単結晶のシリコンの薄層を有するシリコンオンサファイア（ＳＯＳ）基板が市場で入手可能であり、それらの優れた性能特性は周知である。ＡＰＤ、ＰＩＮ、またはＰＮ接合検出器の検出器アレイ１１６は、ＳＯＳウェハ上のエピタキシャル再成長によってＰ型シリコンの層とｎ型シリコンの層のシーケンスで形成され得る。Ｐ型シリコンエピタキシャル層のうちの任意のもののドーパントとしてホウ素とアルミニウムが使用され得る。ｎ型シリコンエピタキシャル層のうちの任意のもののドーパントとして、燐、砒素、アンチモンが使用され得る。エピタキシャル成長された単結晶窒化ガリウムの薄層を有するサファイア基板（サファイア上の窒化ガリウム、すなわちＧＮＯＳ：ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ ｏｎ ｓａｐｐｈｉｒｅ）もまた市場で入手可能であり、高輝度青色ＬＥＤの製作に適切な基板として広く知られている。ＡＰＤ、ＰＩＮ、またはＰＮ接合検出器の検出器アレイ１１６は、ＧＮＯＳウェハ上のエピタキシャル再成長によって一連のＰ型およびｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）またはインジウム窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ）層で形成され得る。シリコンとゲルマニウムはｎ型ＧａＮ層のうちの任意の層のドーパントとして使用され得る。いくつかのケースでは、ＧａＮにおけるＰ型層のドーパントとしてマグネシウムが使用され得る。別の展開では、検出器アレイ１１６は、読み出しＩＣ１１８の上に直接モノリシック的に作製され得る。検出器アレイ１１６はまた、より従来的な方法で、砒化インジウムガリウム、砒化インジウムアルミニウム、炭化ケイ素、ダイヤモンド、テルル化カドミウム水銀、セレン化亜鉛の化合物、または他の周知の半導体検出器系から形成され得る。読み出し集積回路１１８はユニットセル電気回路の矩形アレイを含む。各ユニットセルは、検出器アレイ１１６の光電子検知素子から受信された低レベル光電流を増幅し、増幅器出力を採取する能力を有する。通常、ユニットセルはまた、シーンから反射され、検出器アレイ１１６の検知素子により傍受された光パルスに関連するユニットセル増幅器出力の電気的パルスの存在を検出することができる。検出器アレイ１１６は、光電子増幅能力があり設計波長の入射光信号により変調されるアバランシェフォトダイオードのアレイであり得る。検出器アレイ１１６素子はまた、主キャリヤがそれぞれホールまたは電子であるＰ−真性−Ｎ設計またはＮ−真性−Ｐ設計であり得、この場合、当該ＲＯＩＣ１１８は、それに応じて調整されたバイアス電圧と増幅器入力の極性を有するであろう。好適な実施形態の検出器アレイ１１６と読み出し集積回路１１８のハイブリッドアセンブリが図１７に示される。同アセンブリは次に、通常はＦＲ−４基板またはセラミック基板上の支援回路アセンブリへ取り付けられる。回路アセンブリは通常、検出器アレイ１１６の個々の要素の読み出し集積回路１１８からの距離および強度出力を受信し登録する一方で他の支援機能の中でも特に調整パワー、基準クロック信号、校正定数、読み出し行列の選択入力を提供する支援回路を提供する。これらの支援機能の多くは、同じ回路基板の上に存在する縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ：ｎｔｅｄ ｉｎ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）処理装置で実施され得る。検出器バイアス変換器回路１５０は、検出器アレイ１１６の視野内の遠方の対象の検出の可能性を最大化する一方で検出器アレイ１１６の近方視野内の飽和の危険性を低減するために最適検出器バイアスレベルを提供する時変検出器バイアスを検出器アレイ１１６へ印可する。検出器バイアス変換器１５０により供給される時変検出器バイアスの概略は、データ削減処理装置１２６からのフィードバック（検出器アレイ１１６の視野内のシーン内の対象または点の反射率と距離とを示す）に基づき制御処理装置９４により策定される。制御処理装置９４はまた、タイミングコア１００からのいくつかのクロックおよびタイミング信号を、読み出し集積回路１１８、データ削減処理装置１２６、アナログ−デジタル変換器１２２、対象追跡処理装置１３４、およびそれらの関連メモリへ供給する。制御処理装置９４は、多種多様なクロックおよびタイミング信号を生成するために、安定化された温度または温度補償周波数基準１４８に依存する。温度安定周波数基準１４８は、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）、誘電体共振器発振器（ＤＲＯ：ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）、または表面弾性波デバイス（ＳＡＷ：ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｄｅｖｉｃｅ）であり得る。制御処理装置９４上に存在するタイミングコア１００は、高周波数同調可能発振器、プログラマブルプレスケーラ分周器、位相比較器、および誤差増幅器を含み得る。
【0025】
図８について続けると、制御処理装置９４、データ削減処理装置１２６、および対象追跡処理装置１３４はそれぞれ、プログラム、データ、定数、演算および計算の結果を保管する関連メモリを有する。それぞれがコンパニオンディジタル処理装置に関連付けられたこれらのメモリは、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、またはフラッシュなどの他の不揮発性メモリを含み得る。これらのメモリはまた、ＳＲＡＭまたはＤＲＡＭなどの揮発性メモリを含み得、揮発性メモリと不揮発性メモリの両方はそれぞれの処理装置のそれぞれに組み込まれ得る。共通フレームメモリ１３０は、それぞれが単一レーザパルスから生じる像である多数のフレームを保持するように働く。データ削減処理装置１２６と対象追跡処理装置１３４の両方は、３Ｄ画像処理を行い、ＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２に通常は関連するシーン処理装置６８への負荷を低減し得る。２つのデータ収集モードがあり、第１のモードはＳＵＬＡＲすなわち深さ方向順次走査である。各レーザパルスは通常、ＣＡＴ走査と同様な２０枚の「スライス」のデータを生じ、各「スライス」は共通フレームメモリ１３０内に単一ページとして格納され得る。各画素は２ナノ秒間隔でサンプリングされるので、各「スライス」は深さが約１フィート差の像空間の層である。２０枚のスライスが１フレームのデータを表す。続くレーザパルスのサンプリングは更に２０フィートの深さで開始され得、したがって距離または深さ最大１０００フィートの全像空間が一連の５０個のレーザ照射パルスで掃引され得る。各レーザパルス応答は単一フレームエントリで保持される２０枚の「スライス」のデータからなる。いくつかのケースでは、フレームメモリは５０フレームのデータすべてを保持するように十分に大きくてよい。格納されたスライスの数は、トリガモード動作を必要とすること無く任意の当該距離をマッピングするために十分であり得る。このとき、データの削減は、水中面、木で覆われた森、または任意の静的風景をマッピングするために採取されるデータのケースと同様に、ソフトウェアにおける高度な後処理技術が優れた精度または分解能をもたらし得る外部コンピュータで発生し得る。第２のデータ収集モードは、個々の画素がそれぞれパルス応答を求める「トリガ」モードであり、あるパルス閾値判定基準が満たされると、パルス到着時刻を一括して扱う２０個のアナログサンプルが画素アナログメモリ内に保持され、実行中のデジタルカウンタは名目距離測定結果と共に凍結される。２０個のアナログサンプルは、読み出し集積回路１１８の「Ａ」および「Ｂ」出力１２０を介し各画素から出力される。「Ａ」および「Ｂ」出力１２０は本設計の１２８×１２８画素のインタリーブ行または列値を表す。「Ａ」と「Ｂ」出力１２０はアナログ出力であり、そこで提示されたアナログサンプルは、デュアルチャネルアナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器１２２によりデジタル値へ変換される。出力のインタリーブは、出力（「Ａ」）の１つが読み出しＩＣ１１８の奇数ラインを読み出し、他の出力（「Ｂ」）が読み出しＩＣ１１８の偶数ラインを読み出すことを意味する。より大きな検出器アレイ１１６と読み出しＩＣ１１８は２つのアナログ出力より多くの出力を有し得る。Ａ／Ｄ変換器１２２のデジタル出力１２４はデータ削減処理装置１２６の入力へ接続する。Ａ／Ｄ変換器１２２もまた読み出し集積回路１１８に組み込まれ得る。デジタル出力は通常、読み出しＩＣ１１８の各画素で測定された未補正アナログサンプルの１０または１２ビットディジタル表現であるが、より多いまたはより少ないビットを有する他の表現が用途に依存して使用され得る。デジタル出力の速度は、フレームレートとアレイ内のピクセル数とに依存する。「トリガ」モードでは、全距離または深さ空間が単一レーザパルスの時間枠内で掃引され得るので、大量のデータ削減が既に起きており、データ削減処理装置１２６は、アレイの各画素（ユニットセル）から受信された名目距離測定結果を微調整するために、各ユニットセル内に格納された２０個のアナログサンプルだけに作用するであろう。データ削減処理装置１２６は、基準ＡＲＣパルス信号により保存された出力レーザ照射パルスの形状に対するアナログサンプルの曲線フィッティングにより、各画素から受信された名目距離測定結果を微調整する。これらのパルスは通常、ガウス形であるが、方形、台形、ヘイバーサイン、ｓｉｎｃ関数などであり得、フィッティングアルゴリズムは、フーリエ解析、最小二乗解析、または多項式、指数関数などへのフィッティングを採用し得る。距離測定もまた、周知の基準パルス特性形状への曲線フィッティングにより微調整され得る。「トリガ」取得モードでは、フレームメモリ１３０は各照射レーザパルスの「ポイントクラウド」像だけを保持する必要がある。用語「ポイントクラウド」は、本設計の１２８×１２８アレイの各画素により検知されるような反射光パルスの距離と強度により生成される像を指す。「トリガ」モードでは、データ削減処理装置１２６は主として、データバス１２８上でフレームメモリ１３０へＲ＆Ｉデータを渡す前に各画素により行われた距離および強度（Ｒ＆Ｉ）測定の結果を微調整する役目を果たし、いかなる「スライス」データまたはアナログサンプルも、この取得モードにおけるＲ＆Ｉ「ポイントクラウド」データと独立してメモリ内に保持されない。フレームメモリ１３０は、個々または複数のフレームまたは全ポイントクラウド像を、データバス１４４上で制御処理装置９４へ供給し、必要に応じデータバス１３２上で任意選択の対象追跡処理装置１３４へ供給する。
【0026】
図８に示すように、データ削減処理装置１２６と制御処理装置９４は、整数および浮動小数点演算ユニットのハードウェア実装による縮小命令セット（ＲＩＳＣ）デジタル処理装置と同じタイプのものであり得る。対象追跡処理装置１３４もまたＲＩＳＣ処理装置１２６と９４と同じタイプであり得るが、いくつかのケースでは、非常に複雑なグラフィック処理に好適なより大きな能力を有する処理装置であり得る。対象追跡処理装置１３４は、ハードウェア実装型整数および浮動小数点演算ユニットに加えて、限定しないが行列式、行列乗算、行列反転を含む多くのハードウェア実装型マトリクス演算機能を有し得る。動作中、制御処理装置９４は、双方向制御バス１４６を介し読み出し集積回路１１８、Ａ／Ｄ変換器１２２、フレームメモリ１３０、データ削減処理装置１２６、対象追跡処理装置１３４を制御して、マスタ制御処理装置９４が命令を優先ベースで、読み出しＩＣ１１８、Ａ／Ｄ変換器１２２、フレームメモリ１３０、データ削減処理装置１２６、対象追跡処理装置１３４などの従属周辺機能へ渡せるようにする。双方向制御バス１４６はまた、読み出しＩＣ１１８、Ａ／Ｄ変換器１２２、フレームメモリ１３０、データ削減処理装置１２６、対象追跡処理装置１３４から制御処理装置９４へステータスおよびプロセスパラメータデータを戻す役目を果たす。データ削減処理装置１２６は、名目距離データを微調整し、Ａ／Ｄ変換器１２２から受信されたデジタル化アナログサンプルから展開された各画素強度データを調整し、全イメージフレームを、一方向データバス１２８を介し、用途に依存していくつかのフレームから数千のフレームを保持する能力を有するデュアルポートメモリであるフレームメモリ１３０へ出力する。対象追跡処理装置１３４は、複数フレームの画像データを保持するための十分な能力を有する内部記憶装置を有し、画像圧縮、単一フレームまたはマルチフレーム分解能向上、統計処理、対象識別および追跡を含むマルチフレーム合成処理を可能にする。対象追跡処理装置１３４の出力は、一方向データバス１３６を介し、制御処理装置９４上に存在し得る通信ポート１０２へ送信される。次に、スライスデータ、距離および強度データ、制御、および通信はすべて、双方向接続５０を介し通信ポート１０２と中央ＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２（図５、６）との間でやりとりされる。パワーおよびアース接続（図示せず）は電気機械的インターフェースを介し提供され得る。双方向接続５０は電気的または光学的伝送線路であり得、電気機械的インターフェースは、ＤＢ−２５電気コネクタ、光学的および電気的ハイブリッドコネクタ、またはＬＡＤＡＲセンサ４６の信号を双方向に運ぶように構成された特定の自動車コネクタであり得る。双方向接続６０は、埋め込まれた短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２を有し得る予備灯アセンブリ用ＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２へ接続するであろう。双方向接続５０（６０）は、イーサーネット、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）またはファイバチャンネルなどの高速シリアル接続であってもよいし、またはインフィニバンドなどの並列高速接続であってもよいし、または、ここで列記されたものに限定しないが高速シリアル接続と並列接続の組み合わせであってもよい。双方向接続５０（６０）はまた、データ削減処理装置１２６と対象追跡処理装置１３４のプログラム更新、グローバル位置基準データ、およびＬＡＤＡＲセンサ４６機能ブロックの残り部分の特定用途制御パラメータを含む情報を制御処理装置９４へアップロードする役目を果たす。慣性および垂直基準８４（図６を参照）はまた、ホスト車両２から車両電気系統およびＣＰＵ８０そして必要に応じてＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２を介し短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２〜５８および長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６〜４８へデータを提供する。同様に、ＬＡＤＡＲセンサ４６にとって役立ち得るホスト車両２からの任意の他のデータが慣性および垂直基準データと同様にして提供され得る。外部位置基準に加えて慣性および垂直基準データが制御処理装置９４により利用され得る。制御処理装置９４は、位置および慣性基準データを、距離および強度データの調整のためにデータ削減処理装置１２６へ、そしてマルチフレームデータ合成処理における利用のために対象追跡処理装置１３４へ渡し得る。垂直基準データは通常、ピッチおよびロールの測定結果を提供する。垂直基準データは、仰角と、重力に対し垂直な水平面とのねじり角（ロールと似ている）とを読み出すようにされる。短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２〜５８は通常、様々な方法で変調され得る半導体レーザを採用する。長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６〜４８は通常、適切に制御されれば、ガウス分布を有する単独出力パルスを生成するＱスイッチ固体レーザを採用する。このタイプの固体レーザのパルス波形は、容易に変調されないので、長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６〜４８の受信器部分により「そのまま」処理されなければならない。通常はテールライト、方向指示灯、またはパーキングライトなどの予備灯アセンブリに埋め込まれるタイプの短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２〜５８の動作は、いくつかの例外を除いて長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６〜４８の動作と同じである。長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６〜４８と短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２〜５８は、採用されるレーザのタイプとレーザ変調のタイプだけが異なり得る。送信光学素子１１０と受信光学素子１１２もまた、長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６〜４８と短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２〜５８の異なる視野のおかげで異なり得る。長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６〜４８と短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２〜５８との送信レーザパルス変調の差異は、読み出しＩＣ１１８サンプリングモードの柔軟な性質とデータ削減処理装置１２６プログラム可能性とにより対処され得る。ホスト車両２は、ＵＳＢ、イーサーネット、ＲＪ−４５、または他のインターフェース接続からの嵌め合わせコネクタプラグを受け入れるのに一般的に利用可能な多くのコネクタレセプタクルを有し得る。コネクタレセプタクルは代替的に、本明細書に記載のタイプの長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６〜４８または短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２〜５８を取り付けるために使用され得る。
【0027】
図８について続けると、短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２変形形態について論述することが役立つ。短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２では、著しく少ない送信パワーが必要であり、半導体レーザとマルチパルス変調方式の使用を可能にする。半導体レーザの一例は、多くの卓越的特徴のために好適な実施形態において使用される垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。ＶＣＳＥＬは通常、円形ビームプロファイルを有し、開口部において低ピークパワー密度を有する。ＶＣＳＥＬはまた、より少ない切断、研磨などの二次機械的操作を必要とし、極めて容易にアレイに形成され得る。半導体レーザの使用は、ガウス光学パルス形状をわずかな偏差だけで生成するように駆動電流パルスを調整できるようにする。ＶＣＳＥＬ応答時間はサブナノ秒の領域であり、典型的な光学的パルス幅はパワー半値点において５〜１００ナノ秒であり得る。図８の図では、ＶＣＳＥＬおよびレーザドライバはパルスレーザ送信器１０６の一部となるであろう。所望のパルスまたは波形自体は、２００〜３００ＭＨｚの典型的変換速度を有するＤ−Ａ変換器９６により生成され、したがって、出力パルス形状のガウス理想形状からのいかなる偏差も制御処理装置９４に関連するメモリ９８内の参照テーブルにおいて補償され得る。参照テーブルはＤ／Ａ変換器によりパルスレーザ送信器１０６内のレーザドライバへ供給される駆動電流波形のデジタル基準として働く。ガウス単一パルス変調方式は、ＶＣＳＥＬから利用可能な光学パワーの制限を所与として、短距離でうまく働く。ＶＣＳＥＬ送信器の距離の延長は、マルチパルス系列、正弦波バーストなど、より高度な変調方式を使用して行われ得る。短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２を参照して本明細書に説明されるＶＣＳＥＬおよび変調方式は、長距離レーザＬＡＤＡＲセンサ４６のパルスレーザ送信器１０６において通常使用される固体レーザの代案である。パルスレーザ送信器１０６におけるＶＣＳＥＬアレイの使用は、コスト、大きさ、消費電力を低減するおよび／または信頼性を改善する可能性を有する。ＬＡＤＡＲセンサは車両２上の多くの点に（ヘッドライト、予備灯、ドアパネル、リヤビューミラー、バンパーなどに）取り付けられ得る。イメージ管ＦＰＡなどのより敏感な検出器アレイ１１６を備える場合、本明細書に記載のタイプのＬＡＤＡＲセンサは照射源としてＶＣＳＥＬアレイを使用し得、はるかに長い距離が支援され得る。図８のＬＡＤＡＲセンサの主機能を参照すると、視野内のシーンを照射する光のバーストを支援および／または生成するそれらの機能を「光送信器」と呼ぶことが時には好都合である。これらの要素は通常、処理、パルスレーザ送信器１０６、送信フィルタ１０８、送信光学素子１１０を起動する制御処理装置９４となるであろう。用語「光受信器」は、視野内のシーンから反射された光を収集し、受信光をフィルタ処理し、受信光を複数のピクセル化電気信号に変換し、これらのピクセル化電気信号を増幅し、パルスまたはその変調を検知し、距離測定を行い、受信データを微調整または低減するのに必要なそれらの要素を参照するために使用されることがある。これらの機能は、受信光学素子１１２、受信フィルタ１１４、検出器アレイ１１６、読み出しＩＣ１１８、Ａ／Ｄ変換器１２２、データ削減処理装置１２６を含むであろう。
【0028】
図９は、短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２の好適な実施形態のレーザ変調方式のいくつかの利点を示す図である。半導体レーザを使用することで、レーザ出力パワーの迅速な変調が可能となる。アナログサンプルからなる多くの電圧パルスが時間軸上の水平方向にプロットされる。これらの波形は、検出器アレイ１１６の個々の検知素子２８２により検知され電流パルスへ変換される反射光学パワーパルスとして開始する。電流パルスは、読み出し集積回路１１８（図１５で詳細に説明される）の関連ユニットセル電気回路のトランスインピーダンス増幅器により増幅されると、電圧になる。図９の図では、長さ７のマンチェスタ符号化Ｂａｒｋｅｒ符号が最適符号系列のパワーを示すために使用される。最初の５ｎＳパルス１５２は、Ｂａｒｋｅｒ符号系列の最初の「１」ビットをマンチェスタ符号化した結果である。マンチェスタ符号化は、信号のＤＣバランスを生じ、また、レーザパルスの最大幅をビット時間（１０ｎｓ）と同じとなるように制限する。Ｂａｒｋｅｒ系列が未修正で送信されれば、図から分かるように、Ｂａｒｋｅｒ系列が１，１，１となる３レーザパルス×ビット時間（＝３０ｎＳ）となり得る。最初のパルス１５２は５ｎｓ幅であり、最初のタイムスロットの左半分に存在するのでデータビット「１」を表す。この例では、マンチェスタ符号化は、符号ビット「１」と反転クロックとの論理的ＸＯＲにより行われる。干渉パルス１５４が未知ＬＡＤＡＲタイプから受信されるが、幅がわずか３ｎｓであるので、ＬＡＤＡＲセンサ５２受信器の観点からは無効信号である。単一パルス変調方式では、単純なパルス幅弁別器（ＰＷＤ：ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ）が、不適切な幅を有するパルス１５４などのスプリアスパルスを除去することになる。図２の密集ＬＡＤＡＲ環境では、様々なパルス幅の割り当てと共に１４５個の独立した波長の割り当てが、同じ空間内の多数のＬＡＤＡＲセンサのシームレスな相互動作を可能にする。例えば、パルス幅は、３ｎｓ、５ｎｓ、７ｎｓ、９ｎｓ、１１ｎｓ、１３ｎｓ、１５ｎｓ、１７ｎｓ、１９ｎｓ幅で割り当てられ得る。この最も単純なシステムでは、９個の異なるパルス幅と１４５個の独立した波長の組み合わせは、全体システム機能の障害無しに同じ空間内で動作し同じ時間間隔で送信するＬＡＤＡＲセンサの１４００を越える無作為な組み合わせを生み出す。
【0029】
加えて、密集ＬＡＤＡＲ環境における各ＬＡＤＡＲセンサは、連続的に「チャープ」するように、または画像フレームが取得される周波数を変更ようにプログラムされ得る。この動作モードは、取得速度を１８Ｈｚから２２Ｈｚへ連続的または無作為に変更（すなわち速度の約１０％を変動）するために、データのフレーム毎に名目２０Ｈｚ取得速度を有し得る各ＬＡＤＡＲを必要とする。２０Ｈｚでは、フレーム取得の間隔は名目上５０ｍｓである。好適な実施形態では、長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６、４８はこの２０Ｈｚの名目速度で動作するが、レーザパルス送信系列間の間隔を、ある場合には無作為に、他の場合には所定パターンで４５ｍｓから５５ｍｓへ変更し得る。短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２〜５８は通常、３０Ｈｚの高いフレームレートで（すなわち３３ｍｓ間隔で）動作し、それらの取得スケジュールを＋／−１０％無作為にまたは所定パターンで同様に変更する。この取得速度変動の効果は、空間で交差する隣接ＬＡＤＡＲからのパルスの、または近傍のＬＡＤＡＲセンサのパルスとの任意のかなりの時間の間の干渉の確率を低減することである。単独車両では、ＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２は、システムの各ＬＡＤＡＲセンサへの起動信号を制御された方法で互い違いにすることにより複数のＬＡＤＡＲセンサパルス送信系列間の重なりがないことを保証し得る。
【0030】
図９の論述を続けると、一意的Ｂａｒｋｅｒ符号は長さ２、３、４、５、７、１１、１３のものである。長さ７のＢａｒｋｅｒ符号もまたマンチェスタ符号化されていれば、第２のパルス１５６はまた、２番目の時間スロット（論理「１」）の左半分に現われることになり、３番目のパルス１５８も同様である。４番目の符号ビット（論理「０」）が符号化されると、パルス１６２は１０ｎｓの隙間を残して４番目のタイムスロットの右半分に現われる。幅が７ｎｓである干渉パルス１６０は、パルス幅弁別器により、またはＢａｒｋｅｒ符号系列全体で働くより複雑なフィルタ処理方式により除去され得る。５番目のパルス１６４は５番目のタイムスロットの右半分に現われ、「０」を示す。６番目のパルス１６６は、符号が「０」から「１」へ反転したのでパルス１６４と背中合わせで現われる。背中合わせの５番目のパルス１６４と６番目のパルス１６６の出現は、パルス幅識別がパルスまたはその系列を検証するために使用される唯一のタイミング技術であれば、５番目のパルス１６４と６番目のパルス１６６がシステムを伝播できるようにするために１０ｎｓのパルスで動作する第２のパルス幅弁別器を必要とするであろう。全パルス符号系列で動作するより高度な技術について以下に説明する。図９について続けると、次に、幅が９ｎｓである干渉パルス１６８が現われ、７番目のパルス１７０がそれに続き７番目のタイムスロットの右半分に現われ、符号「０」を示す。３ｎｓ幅の干渉パルス１７２が、同じ高さでかつパルス１７０直後に現われる。干渉パルス１５４は、わずか３ｎｓ幅であり、Ｂａｒｋｅｒ符号系列のマンチェスタ符号化パルスとは異なる振幅で現われるので、パルス幅弁別器により除去され得る。干渉パルス１６０は、７ｎｓのパルス幅だけが異なるのでより困難なケースであるが、また、パルス幅識別フィルタにより除去され得る。干渉パルス１６８は９ｎｓ幅でありしたがって明確にスプリアスであるがパルス１７０と背中合わせで現われ、処理をより困難にする。パルス検知閾値１７３の使用により干渉パルス１６８を除去できるようにする。パルス検知閾値電圧ＶＴ（１７３）は第１のパルス１５２など準拠５ｎｓパルスのピーク振幅を検知するとともに電圧を量ΔＶだけ低減することにより設定され得るので、電圧比較はパルスのストリームで検知されたパワーに対して行われ得る。干渉パルス１７２は、７番目のパルス１７０と背合わせでありかつ適切な振幅であるので処理が最も困難である。このパルスを適切に除去するための唯一の方法は、全パルス系列を並列に調べるデジタルフィルタリングアルゴリズムを採用することである。
【0031】
図１０は、第１のタイプのディジタルフィルタである有限インパルス応答フィルタ（ＦＩＲ）を示すブロック図である。ここで説明する最も単純な符号化機構では、図１０のＦＩＲフィルタは、ＬＡＤＡＲセンサ５２のコンパニオン送信器に割り当てられたパルス幅未満またはそれより大きな幅を有するパルスを除去するように動作する。このブロック図は、大抵の場合、一連のプログラムステップがデータ削減処理装置（図８の１２６）による取られるフローチャートであるが、代替的に、何らかの高速化が期待される構成可能データ削減処理装置１２６に実装されるハードウェアであってもよい。入力は一連の反射パルス、スプリアスパルス、雑音である。サンプルｄ１，ｄ２，ｄ３，．．．，ｄｎ（１７４）は、１ｎｓの間隔で採取された受信および検知入力の８ビットディジタル表現であり、データ削減処理装置１２６内の高速メモリブロック内に格納される。単一照射パルスの最も単純なシグナリング方式では、３ｎｓ、５ｎｓ、７ｎｓ、９ｎｓ、１１ｎｓ、１３ｎｓ、１５ｎｓ、１７ｎｓ、１９ｎｓのパルス幅が存在するであろう。一例として３ｎｓのパルス幅を有するＬＡＤＡＲセンサ５２を使用することで、１ｎｓの間隔またはそれより若干速い間隔で採取された３ｎｓパルスは、パルスのピーク振幅において、最少３個のサンプルを有するであろう。少なくとも、単一照射パルスだけが発射されれば、零振幅または閾値電圧ＶＴ未満の振幅を有するパルスの両側に少なくとも３つのサンプルが存在しなければならない。閾値電圧ＶＴの設定は通常、ＦＩＲフィルタアルゴリズムにおける最初の操作であろう。これは、デジタルＦＩＲフィルタがアナログサンプルｄ１〜ｄ９（各サンプルは前のサンプルの約１ｎｓ後のもの）を使用し得ることを意味する。閾値ＶＴより高いいかなるアナログサンプルｄ１〜ｄ９も、実際のサンプルｄ１〜ｄ９の代わりにアルゴリズムにおいて置換される＋１の値を有するであろう。閾値ＶＴ未満の振幅を有するいかなるサンプルｄ１〜ｄ９も、フィルタにおける処理のために置換された−１の値を有するであろう。このとき、利得定数ａ１〜ａ９（１７６）は次のように設定されるであろう：ａ１〜ａ３＝−１、ａ４〜ａ６＝＋１、およびａ７〜ａ９＝−１。したがって、パルスがフィルタにおいて適切に高さを合わせられれば、＋９のスコアが加算点１７８に現われ、「パルスが有効な３ｎｓの反射光学パルスである」という高い信頼度を与える。デジタルＦＩＲフィルタのこの特性は処理利得と称される。３ｎｓ未満の幅を有するいかなるパルスも低スコアを生じ、３ｎｓより広い幅を有するものもまた加算点１７８において低スコアを生じるであろう。次に、データ削減処理装置はどのパルスを距離情報のために処理するかについて、情報を得て判断し得る。
【0032】
図１０のＦＩＲフィルタはまた、全アナログモードのように閾値比較を使用せずに動作し得る。第２のモードでは、レベルＢは、Ａにおけるピークレベルと背景雑音レベル（または信号の負のピーク）との中間点に応じて求められる。次に、すべてのサンプルはＢの値だけ減じられ（図９を参照）、これらの新しい値がアルゴリズムに代入され、いくつかサンプルは正値を有し（３ｎｓのパルスは正符号を有するｄ４〜ｄ６を有するであろう）、他のサンプルは負値（ｄ１〜ｄ３とｄ７〜ｄ９）を有する。この形式の処理は、いくつか雑音環境において、すなわちＬＡＤＡＲセンサ５２の最大距離における場合のように信号振幅が低い場合に、より良好な結果をもたらし得る。干渉パルス１７２により引き起こされる課題に関し、第３のモードがデータ削減処理装置１２６によりＬＡＤＡＲセンサ５２へ提供される。第３のモードでは、マンチェスタ符号化Ｂａｒｋｅｒ符号の全系列は、単一パルス変調シナリオでは典型的であろう各パルスの幅および振幅特性を単純に連続的にフィルタ処理するのではなくむしろ符号系列相関器として働くデータ削減処理装置により並列に感知され得る。この第３のシナリオ（符号系列相関（ＣＳＣ：ｃｏｄｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ））では、サンプルの数は極めて大きくなり得る。図９に示される系列では、それぞれが１ｎｓの間隔で１０個のサンプルを生じる７つのタイムスロットが存在し、雑音または干渉パルスが無い場合には加算点１７８において７０のスコアを与えるであろう。存在する唯一の干渉パルスが３ｎｓのパルス１５４であれば、加算点におけるスコアは６７まで減り、典型的なシナリオのデータ削減処理装置は、パルスが有効な反射光学パルスである、という高い信頼度でもって、図９のパルス系列を処理するであろう。より高いレベルにおける別の符号化は、各完全Ｂａｒｋｅｒ符号系列を車両識別番号の一部としてデジタル「１」または「０」として処理する。図９の例では、複数のＢａｒｋｅｒ符号７系列が送信され得、各Ｂａｒｋｅｒ符号系列は、「０」送信のために符号化クロックの位相を反転し、デジタル「１」表現のために非反転クロックを使用する。このようにして、４ビット車両ＩＤ番号はＢａｒｋｅｒ７符号化方式を所与として２８０ｎｓかかるであろう。実際には、一意的車両ＩＤ番号ははるかに長い長さであるが、この例は、図８、１０、１１により説明される構造を有する受信光学パルス系列の一意性を保証する可能性の例示として役立つ。
【0033】
図１１は、フィルタの応答を鋭くするためにアクティブフィードバックを使用する別のタイプのディジタルフィルタのブロック図である。このフィルタでは、デジタルサンプルは最初の出力からフィルタを介し循環され戻され、非線形応答が実現され得る。このタイプのフィルタは、そのインパルス応答が無限に継続することができるので、所謂無限インパルス応答型フィルタ（ＩＩＲ：ｉｎｆｉｎｉｔｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｉｌｔｅｒ ）と称される。図１１のＩＩＲフィルタは、図１０のＦＩＲフィルタと比較して、所与のフィルタ性能に関する計算の数と複雑性を低減する構造であり得る。動作中、アナログサンプルのデジタル表現は図１１の左側の入力として現われる。無遅延入力（最初のサンプル）は最初にｂ０（１８０）の値が乗算され、加算接合器１８２で加算される。遅延ｄ１（１８４）もこの初期入力に印可され、この値は加算接合器１８８において加算される前に定数ｂ１（１８６）で乗算される。遅延ｄ１は通常、入力において提示されるデジタル化アナログサンプル間の時間と同じである。次に、第２の遅延ｄ２（通常ｄ２＝ｄ１）１９０が初期入力（最初のサンプル）に印加され、この値は定数ｂ２（１９２）で乗算され、加算接合器１９４において加算される。デジタル化アナログサンプルはその間にフィルタ入力に連続的に提示されており、したがって、最初のサンプルが加算接合器１９４に到着する時間までに、第２のサンプルは加算接合器１８８に提示され、第３のサンプルが加算接合器１８２に提示されている。出力側では、最初の出力は遅延ｄ３（１９６）だけ遅延され、加算接合器１８８に提示される前に定数−ａ１（１９８）で乗算される。次に、加算接合器１８８の出力は入力として加算接合器１８２へフィードバックされる。出力遅延ｄ３（１９６）は通常、ｄ１とｄ２と同じである。第２の遅延ｄ４（２００）がｄ３遅延フィルタ出力へ印加され、次に定数−ａ２（２０４）で乗算され、加算接合器１９４に提示される。通常、ｄ４＝ｄ３＝ｄ２＝ｄ１。次に、加算接合器１９４の出力はフィードバック入力として加算接合器１８８へ提示される。この説明から、デジタル化アナログサンプルは、それらの値と定数ｂ０〜ｂ２、−ａ１、−ａ２の値に依存して加算接合器１８２を何回も通過し得るということが分かる。したがって、このタイプのフィルタは巡回型フィルタとしても知られる。遅延と加算接合器の数は任意に大きくされ、定数は変更され得るので、設計と用途に依存して僅かなまたは大きなフィードバックが使用される。他のトポロジーも可能であるが、大部分は本明細書に記載の一般的ＩＩＲフィルタのある変形形態である。このフィルタは、図１０のＦＩＲフィルタの代案として効率的高性能パルス幅弁別器として使用され得る。高速デジタル処理装置が必要となるということが、図１０と１１に関して説明されたデジタル処理の説明からわかる。好ましい実施態様では、生データをフィルタ処理および曲線フィッティングし、対象を識別および追跡し、車両を囲むシーンを構成し、３Ｄおよび２Ｄ画像をマージし、そして車両に搭載されたＬＡＤＡＲセンサを制御するために多くの高速数値演算処理装置が必要とされる。この設計目標を手助けするために、これらの作業のために交換可能に使用され得るＲＩＳＣ処理装置が設計された。このＲＩＳＣ処理装置は、特に浮動小数点（ＦＰ）と整数演算を行うように最適化された。
【0034】
図１２は最適化浮動小数点（ＦＰ）除算器のブロック図である。この図ではＡは被除数でありＢは除数である。ＡおよびＢオペランドの仮数の除算を行う除算器コア２１２は、整数除算ハードウェア実装で一般的に使用される除算器ツリーで構成される。通常、浮動小数点演算回路内の除算回路は積和回路を使用して実際に実現される。上記除算回路はあまり複雑でないので、少ないトランジスタとしたがって少ない回路面積を有する。通常の方法は、初期推定と、誤差に基づき推定を微調整するニュートンラフソン法を使用する多くの反復サイクルとを含む。標準的ＦＰ演算処理装置のユーザとアプリケーションプログラマは通常、ＦＰオペランドの除算の機会を低減またはなくす方法を発見するように奨励され、多くの場合、これは可能である。ここで説明するタイプのＬＡＤＡＲから生データを処理し、また３Ｄ画像データと２Ｄ画像データをマージし、対象認識および追跡を行うために必要な演算の場合、高速実行ＦＰ除算器の選択肢を有することが非常に役立つ。
【0035】
被除数Ａと除数Ｂは、ＩＥＥＥ７５４標準による実数の浮動小数点表現である。各オペランドは、３２ビット浮動小数点表現（単精度）と３２ビットレジスタ内への格納を可能にする２３ビット仮数と８ビットバイアス指数と符号ビットからなる。暗示されるように、仮数の追加「隠れ」ビットは常に先頭１である。格納する前に、各ＦＰ数は先頭１を有するように正規化され、次に、有効精度の追加ビットを与えるために切り捨てられる。除算演算の第１ステップとして、被除数Ａと除数Ｂが取り出され、「隠れ」ビットが回復されて２４ビットの仮数を得、次に、除算器コア２１２への入力として供給される。２４ビット仮数もまた、計算（パイプライン処理法）を加速するために、オペランドがレジスタ２０６、２０８に登録されるように登録され得る。この方法はまた、仮数が除算される際の除算器コア２１２からの自明な結果の可能性を回避する。除算処理は次の３つの別々の計算流れと見なされ得る、符号ビット、指数、仮数。符号ビットはＸＯＲゲート２１０へ入力され、結果出力は出力レジスタ２３０内に商の符号として登録される。並行して、指数は減算ブロック２２６において減じられる（Ａ−Ｂ）。キャリイン（Ｃｉｎ）ビットは、入力Ｂの２の補数を取らせるために「１」に設定され、減算ブロック２２６により減算が行われるようになる。このとき、その結果の指数は、バイアス付加ブロック２２９により加えられたバイアスを有することになる。除算器コア２１２内の仮数除算演算が「０」に等しいＭＳＢを有する商を生じれば、インバータ２２７は「１」を出力し、ＭＵＸ２２８は、バイアス付加ブロック２２９により、指数に対するバイアスとして加えられるより小さな８進数０１７６を選択する。仮数除算演算がＭＳＢ＝１を生じれば、インバータ２２７は「０」を生成し、ＭＵＸ２２８は、バイアス付加ブロック２２９により指数に対するバイアスとして加えられるより大きな８進数０１７７を選択する。バイアス付加ブロック２２９はまた、キャリイン（Ｃｉｎ）ビットが「１」であれば、「１」を指数へ加えるようにさせる。このキャリインビットは丸め演算におけるオーバーフローの結果であり得る。次に、バイアス付加ブロック２２９の出力は出力レジスタ２３０に指数として登録される。
【0036】
図１２について続けると、Ａの仮数は、図１３に示すような制御型減算器（ＣＳ：ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｕｂｔｒａｃｔｏｒ）セルの除算器ツリーを使用して、除算器コア２１２においてＢの仮数により除算される。２４個の剰余出力は、２４入力ＯＲゲート２１４において論理和がとられ、その結果は丸め論理ゲート２１８、２２０へ転送される。バレルシフタ２１６は、除算器コア２１２の出力のＭＳＢが零であれば、除算器コア２１２の出力を左シフトする。仮数除算演算のＭＳＢが零であれば、インバータ２２７は出力に「１」を生成し、バレルシフタ２１６は仮数商を左シフトし、正規化された結果を生成することになる。丸め論理ＯＲゲート２１８は、仮数除算演算の剰余（ＯＲゲート２１４出力）とバレルシフタ２１６により生成された正規化商の「Ｌ」および「Ｓ」出力との論理和を生じる。「Ｌ」出力は正規化仮数の最下位ビットであり、「Ｓ」ビットは「スティキー」ビットすなわち正規化商の剰余である。これらの３つの入力のいずれかが真であれば、ＯＲゲート２１８の出力はＴＲＵＥとなり、正規化出力の「Ｒ」（丸め）ビットが真であれば、ＡＮＤゲート２２０の出力は真となり、インクリメンタ２２２は、正規化仮数の２４個の最上位ビットへ「１」を加えることになる。そうでなければ、演算は発生しない。インクリメンタ２２２の演算がキャリアウト（Ｃｏｕｔ）を生成すれば、２４ビット仮数は、バレルシフタ２２４内で場所を右へ１つシフトすることにより後で正規化され、指数は、Ｃｉｎ入力における「１」の存在によりバイアス付加ブロック２２９においてインクリメントされることになる。次に、「隠れビット」は２４ビット仮数から取り除かれ、その結果が次に出力レジスタ２３０に登録される。
【0037】
図１３は、図１２の２４×２４除算器コア２１２と同じ方法で編成された２×２除算器コアの内部作業の概要図である。本技術を説明する際、簡潔化のために２×２コアが選択されるが、これは、２４×２４の除算器ツリーが極めて大きく、本来反復性があり、１ページ上に明瞭に収めるには適さないからである。除算器ツリーの各行は、一番上の行と一番下の行を除いて同一接続を有する同一ハードウェアからなる。一番上の行では、制御型減算器セル（ＣＳ）２３２は、ツリー構造内のすべてのＣＳセルがそうであるようにＲＥＳＥＴ入力へ接続される。ＣＳセル２３２はまた、モード制御Ｐへ接続される。モード制御Ｐは、Ｐ＝０の場合、ＣＳセル２３２にセルのＡ入力からＤｘ入力を減じさせる。Ｐ＝１であれば、いかなる演算も発生しなく、ＡはそのままＳ出力へ通される。一番上の行の１番目のＣＳ２３２は、除数のＭＳＢ（ｄ０）へ接続されたＤｘ入力と被除数のＭＳＢ（ａ０）へ接続されたＡ入力を有する。一番上の行の１番目のＣＳ２３２はまた、すぐ右のＣＳセル２３３のキャリアウト（Ｃｏｕｔ）へ接続されるキャリイン（Ｃｉｎ）入力を有する。１番目のＣＳセル２３２（一番上の行）からのＣｏｕｔは、ＯＲゲート２３５の入力へ接続される出力を有するインバータ２３４の入力へ接続される。一番上の行の左側のＯＲゲート２３５の第２の入力は、ディジタルアースへ接続されるので、除算器ツリーの固有遅延時間を有するバッファとして本質的に動作する。この第１のＯＲゲート２３５の出力はｑ０（商のＭＳＢ）であり、インバータ２３６へ接続される。インバータ２３６の出力は一番上の行のモード制御（Ｐ）である。１番目のＣＳセル２３２の差出力（Ｓ）は、次の下の行のＯＲゲート２４０のモード制御論理の入力へ接続される。１番目のＣＳセル２３２はまた、除数のＭＳＢ（ｄ０）を隣の下の行の第１のセル２３７のＤｘ入力へ直接渡す。一番上の行２３３の２番目のＣＳセルはまた、一番上の行の右端のセルであり、したがって、ディジタルアースへ接続されるキャリイン入力（Ｃｉｎ）を有する。一番上の行の２番目のＣＳセル２３３は、除数の第２ビットｄ１へ接続されたＤｘ入力と被除数の第２ビットａ１へ接続されたＡ入力とを有する。２番目のＣＳセル２３３の差出力（Ｓ）は、次の下の行の１番目のＣＳセル２３７のＡ入力へ接続される。２番目のＣＳセル２３３もまた、除数の第２ビットｄ１を隣りの下の行の第２のセル２３８のＤｘ入力へ直接渡す。
【0038】
図１３について続けると、２番目の行とその下の行は一番上の行と同一に編成されるが、２番目の行への入力接続は一番上の行と異なる。２番目の行の１番目のＣＳ２３７は、一番上の行２３２の１番目のＣＳセルを通された除数のＭＳＢ（ｄ０）へ接続されるＤｘ入力を有する。２番目の行２３７の１番目のＣＳセルのＡ入力は、一番上の行２３３の２番目のセルの差出力Ｓへ接続される。２番目の行の１番目のＣＳ２３７はまた、すぐ右のＣＳセル２３８のキャリアウト（Ｃｏｕｔ）へ接続されるキャリイン（Ｃｉｎ）入力を有する。２番目の行の第１のＣＳセル２３７からのＣｏｕｔは、ＯＲゲート２４０の入力へ接続される出力を有するインバータ２３９の入力へ接続される。２番目の行の左側のＯＲゲート２４０の第２の入力は、一番上の行の１番目のＣＳセル２３２の差出力Ｓへ接続される。このＯＲゲート２４０の出力はｑ１（商の第２ビット）であり、インバータ２４１へ接続される。インバータ２４１の出力は２番目の行のモード制御（Ｐ）である。２番目の行（最後の行）の１番目のＣＳセル２３７の差出力（Ｓ）は、演算中に剰余ビットがあるかどうかを判断するＯＲゲート２１４の第１の入力へ接続される。２番目の行の１番目のＣＳセル２３７はＤｘ出力へのいかなる接続も有しなく、この場合、最後の行も同様である。２番目の行の２番目のＣＳセル２３８はまた、２番目の行の右端のセルであり、したがってディジタルアースへ接続されるキャリイン入力（Ｃｉｎ）とディジタルアースへ接続されるＡ入力とを有する。２番目の行の２番目のＣＳセル２３８は、除数の第２ビットｄ１へ接続されるＤｘ入力を有する。２番目の行（最後の行）の２番目のＣＳセル２３８の差出力（Ｓ）は、演算中に剰余ビットがあるかどうかを判断するＯＲゲート２１４の第２の入力へ接続される。ＯＲゲート２１４の出力は除算器コア２１２の除算演算からの剰余の存在を示す。ＯＲゲート２１４の出力は「スティキー」ビットと標記される。剰余のＭＳＢ（ｒ０）は、最後の行の１番目のＣＳセル２３７の（Ｓ）出力である。剰余の第２ビットｒ１は、最後の行２３８の２番目のセルの（Ｓ）出力である。ＦＰ除算のために開発されたこの構造の結果は本手法の有用性を示す。典型的なＦＰ除算では、結果は通常、４０ｎｍデジタルＩＣデザインルール処理を仮定すると３４ｎｓ内に入手可能であろう。本発明の整数除算器ツリーを使用すると、本処理は３〜４ｎｓで終了する。したがって、およそ１０：１のスループットの改善は、初期推定とニュートンラフソン反復とを使用する標準方法とは対照的に整数除算器ツリーを使用した結果である。
【0039】
図１４は、図１３のＣＳセル２３２、２３３、２３７、２３８の制御型減算器（ＣＳ）セル設計の概要図である。この図では、入力Ｄｘは減数（減じられる数）である。Ａ入力は被減数（減数Ｄｘにより減算される数）である。Ｃｉｎは右側の同一ＣＳセルからのキャリ入力であり、Ｃｏｕｔは除算器ツリーにおいて左へ伝播されるキャリアウト出力である。「ハイ」に保持されれば、モード制御「Ｐ」はノーオペレーションを強要して、ＡがＳ出力へ通されるようにし、「ロー」に駆動されれば、ＣＳセルを動作できるようにする。ＲＥＳＥＴ入力は初期差出力（Ｓ）を零に設定する。差出力ＳとＣｏｕｔは、演算Ａ−Ｄｘ−Ｃｉｎの結果を示す。最後に、Ｄｘ出力はＤｘ入力を次の下の行の同順位のＣＳセルへ伝播する。インバータ２４４は、入力Ａの論理否定、すなわちＡ￣を生成する。ＮＡＮＤゲート２４６は出力［Ａ￣Ｃｉｎ］￣を生成する。ＮＡＮＤゲート２５０が出力［ＤｘＣｉｎ］￣を生成し、ＮＡＮＤゲート２４８は出力［Ａ￣Ｄｘ］￣を生成する。次に、ＮＡＮＤゲート２５２は、Ｃｏｕｔ＝［Ａ￣Ｃｉｎ］＋［Ａ￣Ｄｘ］＋［ＤｘＣｉｎ］に帰する論理出力Ｃｏｕｔ＝［［Ａ￣Ｃｉｎ］￣［Ａ￣Ｄｘ］￣［ＤｘＣｉｎ］￣］￣を生成する。
【0040】
図１４について続けると、インバータ２５４はモード制御Ｐの論理否定（Ｐ￣）を生成する。インバータ２５６は入力Ｄｘの論理否定（Ｄｘ￣）を生成し、インバータ２５８はキャリイン入力Ｃｉｎの論理否定（Ｃｉｎ￣）を生成する。ＮＡＮＤゲート２６０は論理出力［Ａ￣ＤｘＣｉｎ￣Ｐ￣］￣を生成する。ＮＡＮＤゲート２６２は論理出力［Ａ￣Ｄｘ￣ＣｉｎＰ￣］￣を生成する。ＮＡＮＤゲート２６４は論理出力［ＡＤｘＣｉｎ］￣を生成する。ＮＡＮＤゲート２６６は論理出力［ＡＤｘ￣Ｃｉｎ￣］￣を生成する。ＮＡＮＤゲート２６８は論理出力［ＡＰ］￣を生成する。これらの５つのＮＡＮＤ出力から、ＮＡＮＤゲート２７０は、Ｓ＝［Ａ￣ＤｘＣｉｎ￣Ｐ￣］＋［Ａ￣Ｄｘ￣ＣｉｎＰ￣］＋［ＡＤｘＣｉｎ］＋［ＡＤｘ￣Ｃｉｎ￣］＋［ＡＰ］に帰し得る差出力Ｓ＝｛［Ａ￣ＤｘＣｉｎ￣Ｐ￣］￣［Ａ￣Ｄｘ￣ＣｉｎＰ￣］￣［ＡＤｘＣｉｎ］￣［ＡＤｘ￣Ｃｉｎ￣］￣［ＡＰ］￣｝￣を生成する。
【0041】
本明細書で説明する好適な実施形態では、多くのデジタル処理装置が特定され、そのいくつか（合計２）はホスト車両に関連し、いくつか（合計３）はＬＡＤＡＲサブシステムに関連し、いくつか（合計３）は個々のＬＡＤＡＲセンサに関連する。これらの様々なデジタル処理装置の分割と命名は工学的判断に基づき行われたが、本発明の範囲または意図を変更することなくまたは本発明の有用性に影響を与えることなく他の分割と命名規約が使用され得る。車両に関連するこれらの処理装置（車両ＣＰＵ８０、および衝突処理装置およびエアバッグ制御ユニット７５）の機能はいくつかの将来の実施形態では単一デジタル処理装置に一体化され得る。一体化車両ＣＰＵ８０と衝突処理装置およびエアバッグ制御ユニット７５はまた、通常はＬＡＤＡＲサブシステムに付随するＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２を取り込み得る。ＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２（シーン処理装置６８と制御処理装置７４を含む）は、いくつか別の実施形態ではスタンドアロン回路として削除され得、このとき、本明細書に説明されるようなＬＡＤＡＲシステムコントローラ７２により通常行われる機能はより強力な車両ＣＰＵ８０により引き受けられるであろう。同様に、個々のＬＡＤＡＲセンサの対象追跡処理装置１３４は、データ削減処理装置１２６と制御処理装置９４などの他のＬＡＤＡＲセンサ処理装置がそうであるように車両ＣＰＵ８０内に吸収され得る。これは、車両における計算能力のより集中化傾向に追随するであろう。非集中化傾向もまた逆に発生し得、いくつか別の実施形態は一層多くの処理能力をＬＡＤＡＲセンササブシステム（図５）内に押し込んできた。他の別の実施形態、場合により、単一ＬＡＤＡＲセンサだけが設置され得る多分ロボット車両では、処理能力のほぼすべてが個々のＬＡＤＡＲセンサ自体に取り込まれる可能性がある。用語「デジタル処理装置」は一般的に、多くのコントローラもまた純粋な数学計算またはデータ削減を行い得そして多くのデジタルコンピュータもまた制御動作を行い得るので、デジタル制御装置またはデジタルコンピュータのいずれかを記述するために使用され得る。デジタル処理装置がコントローラと称されるかまたはコンピュータと称されるかは記述的な区別であり、いずれかの装置の用途または機能を限定するように意図されていない。
【0042】
図１５に描写されるユニットセル電子機器はガウス単一パルス変調方式で働くようにうまく適応化されており、上部が平たいパルス、ガウスパルス、またはそうでなければ整形パルスの系列を含む他の変調方式とも同様に有利には働く。これらのパルスは、距離曖昧性を低減するために可変幅および間隔のものであってもよいし、また、無作為なパルス系列、または他の場合ではＢａｒｋｅｒ符号パルス系列であってもよい。単一ガウス出力パルスを生成する半導体レーザを有する短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２の典型的な動作では、短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２の視野内の面で反射されたパルスレーザ光の一部は、受信光学素子１１２により集中化および集束され、受信フィルタ１１４を通り、検出器アレイ１１６の個々の検知素子２８２に当たる。個々の要素２８２は通常、アバランシェフォトダイオードであるが、ＰＩＮまたはＮＩＰまたは他の構造であり得る。検出器アレイ１１６の個々の要素２８２はそれぞれ、シリコン、インジウムガリウム砒素リン、砒化アルミニウムガリウム、インジウム窒化ガリウムまたは動作波長に適切な他の半導体化合物で構成された半導体膜で形成される。個々の要素２８２はそれぞれ、バイアス電圧分配ネットワークＶＤＥＴ（ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ）１５０による電圧でバイアスされる。個々の検知素子２８２に入射した反射光信号は、電子的信号（通常は光電流）へ変換され、入力増幅器２８４（通常は、トランスインピーダンス増幅器）により増幅される。入力増幅器２８４の出力は、多くのアナログサンプリングゲート３０４だけでなくトリガ回路２８６へも分配される。トリガ回路２８６は通常、所定の大きさを越えるパルスが受信されるとトリガするように設定された閾値電圧比較器であるが、他のパルス検出方式も使用され得る。遅延回路２８８を介したプログラマブル遅延後、循環選択器３００の状態は、ユニットセルが「トリガ」モードで動作されていれば、トリガ回路２８６出力の論理遷移により凍結される。トリガ回路２８６による受信パルスの検出に先立って、サンプルクロック２９０は、循環選択器３００の状態を進ませ、サンプリング制御出力Ｓ１〜Ｓ３の１つを有効にし、次に、サンプリングゲート３０４の１つにより入力増幅器２８４出力をサンプリングさせる。サンプルクロック２９０の遷移の数は、アクティブローのリセット線２９８の解放後に循環選択器３００がサンプリングクロックのサイクル毎に論理遷移をカウンタ２９６へ出力するのでカウンタ２９６によりカウントされる。循環選択器３００は、プログラミングに依存して、出力Ｓ１〜Ｓ３を順番に周期的に繰り返してもよいし、異なる系列を有してもよい。第２の循環選択器３００とサンプルクロック２９０は、カウンタ２９６、アナログサンプリングゲート３０４およびアナログメモリセル３０６と共に、並列に動作し得る。サンプルクロック２９０、カウンタ２９６、循環選択器３００、サンプリングゲート３０４およびメモリセル３０６の組み合わせは、破線境界により示されるようにユニットセルサンプリング構造２９４と称されることがある。２個、３個またはそれを超える数のこれらのサンプリング構造は入力増幅器２８４の出力上で並列に動作され得、距離曖昧性に関し後で説明されるような構造の利点を有する。図１５に示すのは３つのサンプリングゲートとアナログメモリセルであるが、その数はいくつかの読み出しＩＣ１１８上では数百またはそれ以上であり得る。アナログサンプルデータのすべてが採取されると、制御処理装置９４からの制御命令が、アナログメモリセル３０６のコンテンツを所定の順番で読み出すために出力調節３１０と出力増幅器３０８とを活性化することにより、読み出し周期を開始する。
【0043】
典型的な短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２では、ならびに５ｋＷ／ｃｍ２のパワー密度を有する１ｃｍ２ＶＣＳＥＬアレイを仮定すると、ならびに視界内の対象の反射率と検出器アレイ１１６の応答および過剰雑音とに依存して、ガウス単一パルス変調方式の実効距離は、単純な閾値検出技術を使用して、１０〜２０メートルの範囲である場合もある。高価である場合もあり、かつ大電流パルスを供給するために大きな放電コンデンサを必要とする場合もある大きなＶＣＳＥＬアレイに頼ること無しに、追加処理利得を生成し、信号対雑音比を効果的に増加し、したがってピークパワーの増加を必要とせずに短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２の距離を延ばすため、より高度な変調および検出技術を使用し得る。ガウス単一パルス変調を生成する第１の変調方式では、各ユニットセル電気回路からのデジタル化アナログサンプルを使用し、受信パルスの重心を発見するためにこれらのサンプルをデジタル整合フィルタにおいて処理し、著しい処理利得を与える検出技術が採用され得る。この構造から生じる処理利得は、フィルタリングアルゴリズムにおいて使用されるサンプルの数の平方根に比例する。例えば、ガウス単一パルス変調と正規雑音分布を仮定すると、２５６個のアナログメモリセル３０６を有するユニットセル電気回路は、すべての利用可能アナログサンプルが整合フィルタアルゴリズムにおいて利用されれば、１６の処理利得を生じ得る。用語「処理利得」は、電圧サンプルに対し上述の演算を行うことにより実現される実効信号対雑音比（ＳＮＲ）の増加について説明するために本明細書では使用される。パルスレーザ光が受信光学素子１１２の視野だけの全体にわたって一様に分散されるということを仮定すると、ＬＡＤＡＲの実効距離はまた、送信パワー（またはＳＮＲ）の平方根として増加し、４０〜８０メートルの距離の増加がその結果である可能性がある。単一パルスガウス変調は、単純ドライバを有する固体レーザまたは半導体レーザのいずれかの特徴であり、したがって長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６または短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２のいずれかの属性であり得る。
【0044】
図１５のユニットセル電子回路は単一パルス変調またはより複雑な変調シナリオにうまく適応する。第２の変調方式では、一系列のＢａｒｋｅｒ符号化上部平坦またはガウス形パルスで変調されたＶＣＳＥＬアレイが、図１５のユニットセル電子機器によりサンプリングされ、距離および強度推定のためにデータ削減処理装置１２６により解析され得る。第３の変調方式では、パルス正弦波で変調されたＶＣＳＥＬアレイは、より大きな累積エネルギーが、ピークパワーの増加無しに短距離ＬＡＤＡＲセンサ５２また長距離ＬＡＤＡＲセンサ４６のいずれかの視野内のシーンの特徴から反射されるようにする。パルス正弦波の各ピークは、ＬＡＤＡＲセンサ５２の視野内のシーン内の対象または特徴から別個の反射を有することになり、図１５のユニットセル電気回路は、ＬＡＤＡＲセンサ受信器が最小さ数の回路を使用することによりこれらの反射パルスの多くからの累積エネルギーに対応できるようにする。好適な実施形態における波形は多くの正弦波周期のものであり、その数は多くの要因に依存して極めて大きくなり得る。図１５に示すユニットセル電子機器の受信器回路は戻りパルスピークの累積エネルギーをサンプリングするまたは同期的に検知することができる。２つのサンプリングモードが、図１５に示されるユニットセルサンプリング構造により支援され得る。入力波形のアナログサンプルが連続的に取られる単一パルスまたはマルチパルス系列のアナログサンプルを取る場合、循環選択器３００へのサンプリングインピーダンス制御３０２（Ｚ）は最小値に設定されるであろう。サンプルクロック２９０のサンプリング周波数はまた、各パルス幅中に１０または場合により２０のアナログサンプルを生じるように選択されるであろう。サンプリングインピーダンス制御３０２が最小値に設定されると、サンプル制御Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、サンプリングサイクル中に全電圧によりターンオンする。各サンプリングゲート３０４は電界効果トランジスタであるので、サンプル制御電圧Ｓ１〜Ｓ３を増加することでサンプリングＦＥＴ上のゲートソース電圧を増加し、したがってソースとドレイン間のチャネルのインピーダンスを低下させ、サンプリングゲートインピーダンスを最小値に設定する。サンプリングゲート３０４インピーダンスが最小値に設定されると、アナログメモリセル３０６として働く蓄積キャパシタは入力増幅器２８４の出力に存在する電圧まで急速に充電する。このモードは、サンプリングインピーダンス制御３０２がより高い値または最大値に設定されると選択される第２のサンプリングモードと区別するために「瞬間電圧サンプリング」と称せられることがある。サンプリングインピーダンス制御３０２がハイインピーダンスまたは最大直列抵抗値に選択されると、出力Ｓ１〜Ｓ３は有効にされると最小電圧またはその近傍となり、サンプリングゲートＦＥＴ３０４のそれぞれのより低いゲートソース電圧を生じ、したがって各サンプリングゲート３０４ＦＥＴのソースとドレイン間のチャネルのより高いサンプリングゲート直列抵抗を生じる。サンプリングゲート３０４の直列抵抗がより高い値または最大値へ設定されると、その効果は、積分キャパシタとして働くアナログメモリセル３０６蓄積キャパシタを有するＲ−Ｃフィルタを生成することである。この第２のサンプリングモードは、レーザが半導体レーザ（典型的には、高効率ＶＣＳＥＬ）である場合に正弦波変調がパルスレーザ送信器１０６へ印加される場合非常に役立ち得る。Ｓ１により駆動されるサンプリングゲート３０４へ正弦波変調と同じ周波数であるサンプリングクロックを印加することにより、和周波数と差周波数が標本化信号内に生じ、アナログメモリセル３０６蓄積キャパシタは和周波数をフィルタ除去し、差周波数は零になり、位相差の三角関数である直流電圧成分だけを残すことになる。入力増幅器２８４の出力から多くのサイクルの正弦波変調にわたって、このＤＣ電圧は送信波形と受信波形間の位相差の正弦または余弦として現われることになる。この位相差は反射面までの距離に比例する。処理利得を改善するために、Ｓ２信号により駆動される第２のサンプリングゲートは同じサンプリングクロック周波数であるが位相が９０度だけシフトされたサンプリングクロック周波数により駆動され、２つのＤＣ電圧の大きいほうがまたは２つの電圧の比が位相としたがって距離を推定するために使用され得る。通常、比は入力正弦波の振幅の変動を誤差項として除去するので、比が好ましい。このタイプの検出は「同相：Ｉｎ−ｐｈａｓｅ」および「直交位相：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ｐｈａｓｅ」ローカル基準に依存し、しばしば「Ｉ＆Ｑ」検出方式と呼ばれる。したがって、サンプリングゲート３０４は、サンプリングインピーダンス制御３０２の状態とサンプリングクロック２９０により印加される周波数とに依存して、第１のサンプリングモードでは瞬間電圧サンプリング回路として、または第２のサンプリングモードでは周波数ミキサとして動作され得る。第１のサンプリングモードでは、パルスまたは一系列のパルスの形状が取得され得、第２のサンプリングモードでは、正弦波などの周期的波形変調が蓄積キャパシタ上の周波数混合効果および積分を介し復調され、位相測定、したがって距離を生じ得る。第３の変調の場合、異なる周波数の２つ場合により３つの正弦波が半導体レーザ上に変調信号として重畳され、入力増幅器２８４から出力された受信波形は、並列に配置され変調信号の２つまたは３つの異なる周波数で動作する２または３つのユニットセルサンプリング構造２９４により採取される。各周波数は復調され、ユニットセルサンプリング構造により測定された位相は、サンプルクロック２９０から適切なサンプリング周波数（通常は変調周波数の複製）を供給することにより当該周波数に同調される。ユニットセル電気回路内の復調は、初期時点におけるデータを低減し、メモリと高速デジタル処理装置の要件を低減する。代替的に、高速演算装置と適切なアルゴリズムを所与として、正弦波または他の周期的波形の復調がデータ削減処理装置１２６においてアナログサンプルのデジタル化表現に対し行われ得る。これは、データ削減処理装置１２６が、ＳＮＲを向上する、位相を測定する、またはそうでなければ距離測定誤差を低減するために、ＰＷＤ、ＣＳＣ、ＦＩＲフィルタ、ＩＩＲフィルタ、Ｉ＆Ｑ、または任意の数の曲線フィッティングアルゴリズムを実行するように適応化され得るので、瞬間電圧サンプリングモードのパワーと柔軟性を説明する。
【0045】
送信レーザ正弦波変調に関する反射レーザエネルギーの位相を測定する際、いくつかの限界が観測されるに違いない。ＬＡＤＡＲが自由空間内で１５０メートルの最大距離能力を有すれば、送信から受信までの全往復遅延は約１マイクロ秒になるであろう。したがって、位相測定が意味あるものであるためには、送信の周波数は１５０メートル限界においてターゲットの空間的（距離）エイリアシングを回避するために１ＭＨｚ未満でなければならない。換言すれば、ターゲットが遠ければ遠いほど、単一変調周波数位相測定が意味あるものであるためには変調の周波数はより低くなければならない。従来の掃引レーダでは、ターゲット上のドウェル時間が制限されるので、最大設計距離を越える戻り信号はしばしば、より短い見掛け距離ではエイリアス信号または「ゴースト」信号として現われない。本発明のＬＡＤＡＲでは、典型的モードは凝視モードであり、ターゲット空間全体にわたる照射ビームまたは受信アンテナの掃引は無い。したがって、本設計のＬＡＤＡＲセンサ５２では、設計最大距離を越えるターゲットからの応答はエイリアス応答（位相シフトが２πより大きい応答）を生じる可能性がある。これらのエイリアスまたは「ゴースト」像を解決する方法は、若干異なる周波数（例えば、第１のゲート制御正弦波照射パルスでは０．９５ＭＨｚ対１．０ＭＨｚ）を有する第２または第３の送信においてターゲットを照射することである。ターゲット像が同じ見掛け距離に残れば、それは、場合により設計最大距離限界未満の距離における実際のターゲットである。第２の照射周波数におけるターゲットの見掛け距離がシフトすれば、それは場合により、ＬＡＤＡＲセンサ５２の設計最大距離を越える距離におけるターゲットからのエイリアス像または「ゴースト」像である。本発明のＬＡＤＡＲセンサ５２は、第１の送信周波数から第２の送信周波数へ（必要に応じさらに多くの周波数へ）急速に同調し得る周波数アジャイル送信器を利用する。好適な実施形態では、ユニットセルサンプリング構造２９４は２倍または３倍にされ、並列に作動され、２つまたは３つの正弦波変調信号が半導体レーザ送信器上で重畳される。マルチ周波数変調を使用する際、個々の周波数は、互いの単純な高調波であってはならない、すなわち、低い値の整数の比により関係付けられてはならない。好適な実施形態におけるＬＡＤＡＲセンサ５２は半導体ＶＣＳＥＬレーザを利用して、整形単一パルス、整形複数パルス、整形および符号化複数パルス、ゲート制御正弦波、ゲート制御チャープ正弦波、マルチ周波数ゲート制御正弦波変調方式の使用を可能にする。別の実施形態では、低電力半導体レーザは電子的に変調され、その結果の変調光出力は光増幅器により増幅され得る。撮像される特定のシーンまたは対象に適切な変調方式を選択することにより、本設計の柔軟な変調能力は、距離と分解能において最大性能を有する最小サイズのパルスレーザ照射源をもたらす。
【0046】
図１６は、ユニットセル電気回路の入力増幅器２８４の構造を示す。差動アンプ３１２は非反転（＋）入力へ接続されたプログラマブル基準電源（ＶＲＥＦ）を有する。差動アンプ３１２の反転（−）入力は、検出器アレイ１１６の個々の検知素子２８２のアノードへ接続される。個々の検知素子２８２のカソードはプログラマブル検出器バイアス電圧発生器１５０（ＶＤＥＴ）へ接続される。差動アンプ３１２の反転（−）入力はまた、抵抗器であり得るまたは可変抵抗として構成されたトランジスタで有り得るまたは並列に接続されたキャパシタおよび／または直列に接続される小さなインダクタなどの周波数選択素子を含み得るフィードバック回路３１８へ接続する。フィードバック回路の第２の端子は差動アンプ３１２の非反転出力へ接続する。この構成はしばしば、フィードバック回路３１８が抵抗器である場合にはトランスインピーダンス増幅器と称され、いくつかの点で電流源に似たＡＰＤまたはＰＩＮダイオード入力に適切である。この場合に差動アンプを使用することで、高レベル入力信号へ付されると同信号を優雅に圧縮すると同時に低入力信号レベルにおいて合理的な低雑音応答を提供する。差動アンプ３１２の非反転（＋）入力は、格納された基準電圧を有する蓄積キャパシタ３１４へ接続される。キャパシタ３１４上の基準電圧は、個々の検知素子２８２からの逆漏れ電流の影響を無くす際に有用である。この逆漏れ電流は、差動アンプ３１２の反転（−）入力において提示されるＺＦＢの両端にオフセット電圧を成長させる。スイッチ３１６は、キャパシタ３１４と、ＲＯＩＣ１１８により提供されるＶＢＩＡＳ入力とへ接続される。スイッチ３１６は、フレーム捕捉時間の間にＣＷＲＴ入力上の論理「１」パルスにより短期間閉じられてキャパシタ３１４を充電できるようにし、次に、スイッチ３１６は開放される。個々の検知素子２８２と増幅器３１２の入力オフセット電圧をカスタム化することにより、増幅器３１２出力の最大ダイナミックレンジが維持され得る。同様に、フィードバック回路３１８の制御入力は、格納された制御電圧を有する蓄積キャパシタ３２０へ接続される。キャパシタ３２０上の制御電圧は、通常は電界効果トランジスタのチャネルであるフィードバック抵抗の値を調整する際に有用である。この制御電圧はＦＥＴのゲートへ印加され、チャネル幅したがって抵抗を変調する。代替的に、制御電圧はフィードバックインピーダンスＺＦＢ内のキャパシタンス（例えば、バラクタダイオード）の値を変化させるために使用され得る。スイッチ３２２は、キャパシタ３２０と、ＲＯＩＣ１１８により提供されるＶＦＢ入力とへ接続される。スイッチ３２２は、フレーム捕捉時間の間にＣＷＲＴ入力上の論理「１」パルスにより短期間閉じられてキャパシタ３２０を充電できるようにし、次に、スイッチ３２２は開放される。個々の検知素子２８２と増幅器３１２のフィードバックインピーダンスをカスタム化することにより、増幅器３１２出力の最大ダイナミックレンジが維持され得る。一定利得を有する第２の差動アンプは追加のダイナミックレンジを提供するようにカスケード接続され得る。トランスインピーダンス利得の標準値は、照射パルス用に選択されたパルス幅に依存して５０〜２５０ｋオームの範囲にあり、いくつかの実施形態ではプログラム可能であり得る。第２の差動アンプの電圧利得の標準値は１０〜５０の範囲にあり、再び、いくつかの実施形態ではプログラム可能であり得る。第３の差動段が、別の実施形態においてダイナミックレンジをさらに広げるために使用され得、カスケード段数は無限に拡大され得るが、集積回路の性質により制限が課される。主要な１つの制限は入力を出力から絶縁する難しさであり、再生を妨げる。集積回路処理において実現可能な絶縁限界により再び課される利得に関する第２の制限は、隣接するユニットセル電気回路間で発生する。したがって、ユニットセル利得は、明るく照射された隣接ユニットセルからの低レベル寄生結合（個々の検知素子２８２からの低レベル入力信号と干渉する可能性がある）を回避するために制限されなければならない。
【0047】
図１７は、検出器アレイ１１６と読み出しＩＣ１１８との嵌め合わせを示す図である。行増幅器３２８と列増幅器３３４は、ユニットセル電気回路３３２からの出力が行出力または列出力読み出しサイクルの一部として出力されようにする。読み出しＩＣ１１８に対するすべての信号はＲＯＩＣ１１８の周囲の接合パッド３２６を介し伝達される。図１７は、各ユニットセル電気回路３３２の上のイリジウムバンプ３３０の配置の詳細を示す。イリジウムバンプ３３０は、次に、検出器アレイ１１６を読み出しＩＣ１１８へ嵌合する接着方法の一部として温度および圧力下で収縮および変形される。イリジウムバンプ３３０はその代りに、検出器アレイ１１６を読み出しＩＣ１１８へ恒久的に接着するためにリフローされ得る低温ハンダバンプであってもよい。矢印は嵌め込む方向を示し、検出器アレイ１１６の上部は、前面上に形成された検出器アレイ１１６の個々の検知素子のそれぞれに光を収集および収束するレンズ素子３２４からなる任意選択のマイクロレンズアレイのグリッドパターンを示す。
【0048】
以上、本開示の様々な実施形態を特許法の定めるところにより詳細に説明したため、当業者は、本明細書において開示された特定の実施形態に対する変更形態および代替形態を認識することになる。このような変更形態は、以下の特許請求の範囲において定義される本開示の範囲および意図の中に入る。
【符号の説明】
【0049】
２ 第１の車両４ 照射パターン
６、１８ 短距離放射パターン
８ 第２の短距離放射パターン
１０ 第３の短距離放射パターン
１２ 第４の短距離放射パターン
１４ 第２の車両
１６、３０ 前方向放射パターン
２０ 第２の短距離放射パターン
２２ 第３の短距離放射パターン
２４ 第４の短距離放射パターン
２８ 第３の車両
３２ 角搭載信号灯
３４、３８ 道路
３６、４２ ＬＡＤＡＲセンサ
４４ フロントバンパ
４６、４８ 長距離ＬＡＤＡＲセンサ
５０、６０、７８ 双方向接続
５２、５４、５６、５８ 短距離ＬＡＤＡＲセンサ
６２ ２Ｄカメラ
６４ 光ファイバおよびワイヤハーネス
６６ センサインターフェース
６８ シーン処理装置
７０ データ通信ポート
７２ ＬＡＤＡＲシステムコントローラ
７４ 制御処理装置
７５ 衝突処理装置
７６ 不揮発性メモリ
７９ ＧＰＳ基準
８０ 中央処理装置
８２ 二重無線リンク
８４ 慣性／垂直基準
８６ 車両サスペンション系
８８ 第１の帯域
９０ 第２の帯域
９２ 第３の帯域
９４ 制御処理装置
９６ アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）およびディジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器
９８ メモリ
１００ タイミングコア
１０２ 通信ポート
１０４ フラッシュ検知器
１０６ パルスレーザ送信器
１０８ 送信フィルタ
１１０ 送信光学素子
１１２ 受信光学素子
１１４ 受信フィルタ
１１６ 検知器アレイ
１１８ 読み出し集積回路
１２０ 出力
１２２ ＡＤ変換器
１２４ デジタル出力
１２６ データ削減処理装置
１２８、１３２、１４４ データバス
１３０ フレームメモリ
１３４ 対象追跡処理装置
１３６ 一方向データバス
１４６ 双方向制御バス
１４８ 周波数基準
１５０ 検知器バイアス変換器
１５２ 第１のパルス
１５４、１６０、１６８、１７２ 干渉パルス
１５６ 第２のパルス
１５８ 第３のパルス
１６２ 第４のパルス
１６４ 第５のパルス
１６６ 第６のパルス
１７０ 第７のパルス
１７３ パルス検知閾値
１７４ デジタルサンプル
１７６、１８０、１８６、１９２、１９８、２０４ 利得定数
１７８ 加算点
１８２、１８８、１９４ 加算接合器
１８４、１９０、１９６、２００ 遅延
２０６、２０８ レジスタ
２１０ ＸＯＲゲート
２１２ 除算コア
２１４、２１８ ＯＲゲート
２１６、２２４ バレルシフタ
２２０ ＡＮＤゲート
２２２ インクリメンタ
２２６ 減算ブロック
２２７、２３４、２３６、２３９、２４１、２４４ インバータ
２２８ マルチプレクサ
２２９ バイアス加算ブロック
２３０ 出力レジスタ
２３２、２３３、２３７、２３８ 制御型減算器セル
２３５、２４０ ＯＲゲート
２４６，２４８，２５０，２５２，２６０，２６２，２６４，２６６，２６８，２７０ ＮＡＮＤゲート
２８２ 検知素子
２８４ 入力増幅器
２８６ トリガ回路
２８８ 遅延回路
２９０ サンプルロック
２９２ 読み出し集積回路
２９４ ユニットセルサンプリング構造
２９６ カウンタ
２９８ リセット線
３００ 循環選択器
３０２ サンプリングインピーダンス制御
３０４ アナログサンプリングゲート
３０６ アナログメモリセル
３０８ 出力増幅器
３１０ 出力調整
３１４、３２０ 蓄積キャパシタ
３１６、３２２ スイッチ
３１８ フィードバック回路
３２４ レンズ素子
３２６ 接合パッド
３２８ 行増幅器
３３０ インジウムバンプ
３３２ ユニットセル電気回路
３３４ 列増幅器
Ａ 被除数
ａ０ 被除数のＭＳＢ
ａ１ 被除数の第２ビット
ａ１，ａ２，ａ３，．．．，ａｎ 利得定数
−ａ１，−ａ２ 利得定数
Ｂ 除数
ｂ０，ｂ１，ｂ２ 利得定数
ＣＩＮ キャリ入力
ＣＯＵＴ キャリ出力
ｄ０ 除数のＭＳＢ
ｄ１ 除数の第２ビット
ｒ０ 剰余のＭＳＢ
ｒ１ 剰余の第２ビット
Ｐ モード制御
ｑ０，ｑ１ ＯＲゲートの出力
Ｒ、ＲＳＴ リセット
Ｓ 差出力
ＶＴ 閾値