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特許7060908コヒーレントＬＩＤＡＲのスキャニングを最適化するための方法およびシステム
(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】
(24)【登録日】2022-04-19
(45)【発行日】2022-04-27
(54)【発明の名称】コヒーレントＬＩＤＡＲのスキャニングを最適化するための方法およびシステム
(51)【国際特許分類】
G02B 26/12 20060101AFI20220420BHJP
G01S 7/481 20060101ALI20220420BHJP
G01S 17/931 20200101ALI20220420BHJP
【ＦＩ】
G02B26/12
G01S7/481 A
G01S17/931
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2021517840
(86)(22)【出願日】2019-10-01
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-12-02
(86)【国際出願番号】 US2019054146
(87)【国際公開番号】W WO2020072547
(87)【国際公開日】2020-04-09
【審査請求日】2021-05-19
(31)【優先権主張番号】62/739,915
(32)【優先日】2018-10-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】519174791
【氏名又は名称】ブラックモア センサーズ アンド アナリティクス エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】110002789
【氏名又は名称】特許業務法人ＩＰＸ
(72)【発明者】
【氏名】クラウチ，ステファン シー．
(72)【発明者】
【氏名】アンガス，エドワード
(72)【発明者】
【氏名】ミルビッチ，ミシェル
【審査官】井亀 諭
(56)【参考文献】
【文献】特開平１０－１７０６３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１７８０１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－１０２４６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／１１７５４２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許第５１９８９１９（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８１
Ｇ０１Ｓ １７／９３１
Ｇ０２Ｂ ２６／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
モーターと、前記モーターに結合された第１スキャナと、前記モーターに結合された第２スキャナとを備え、前記モーターは、第３平面内で前記第１スキャナに入射し、レーザーソースによって生成された第１ビームを前記第３平面とは異なる第１平面に偏向させるために回転軸を中心に第１角速度で前記第１スキャナを回転させるように構成され、
前記モーターは、前記第３平面内で前記第２スキャナに入射する第２ビームを前記第３平面とは異なる第２平面に偏向させるために前記回転軸を中心に前記第１角速度とは異なる第２角速度で前記第２スキャナを回転させるように構成される、ＬＩＤＡＲ装置。
【請求項2】
前記第１スキャナは、第１ポリゴンスキャナであり、前記第２スキャナは、第２ポリゴンスキャナである請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項3】
前記第１スキャナは、前記第１平面内の第１角度から前記第１平面内の前記第１角度に対して６０度以下の前記第１平面内の第２角度に前記第１ビームを偏向させるように構成され、前記第２スキャナは、前記第２平面内の第１角度から前記第２平面内の前記第１角度に対して６０度以下の前記第２平面内の第２角度に前記第２ビームを偏向させるように構成される請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項4】
前記第１スキャナは、前記第２スキャナとは異なる方向に回転するように構成される請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項5】
前記第１スキャナは、第１領域をスキャンするように構成され、前記第２スキャナは、第２領域をスキャンするように構成され、前記第１領域は、前記第３平面について相対的に前記第２領域の下にある請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項6】
前記第１ビームの方向を前記第１スキャナから前記第２スキャナに調整するように構成された第３スキャナをさらに含む請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項7】
前記モーターは、駆動シャフトと遊星ベアリングを含み、前記駆動シャフトと前記遊星ベアリングは、前記駆動シャフトと前記遊星ベアリングを収容する前記第１スキャナのリセス（Ｒｅｃｅｓｓ）を介して前記第１スキャナに取り付けられ、前記ＬＩＤＡＲ装置は、複数の遊星変速ギア（Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｅａｒ）と、
駆動太陽ギア（Ｄｒｉｖｅｒ Ｓｕｎ Ｇｅａｒ）と、
リングギア（Ｒｉｎｇ Ｇｅａｒ）と、をさらに含み、
前記複数の遊星変速ギアおよび前記駆動太陽ギアは、前記リングギア内に位置し、前記第２スキャナは、前記複数の遊星変速ギアおよび前記駆動太陽ギアによって前記第１スキャナに取り付けられ、前記複数の遊星変速ギア、前記駆動太陽ギアまたは前記リングギアのうち、少なくとも１つの、１つ以上のパラメータは、前記第２スキャナの回転速度の大きさについての前記第１スキャナの回転速度の大きさの比を１よりも大きく設定するように選択される請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項8】
前記第１スキャナは、第１期間の間、前記第１ビームをスキャンするように構成され、前記第２スキャナは、前記第１期間後に第２期間の間、前記第２ビームをスキャンするように構成される請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項9】
前記第１角速度の回転速度は、１０００ｒｐｍ（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）ないし５０００ｒｐｍの範囲内におり、前記第２角速度の回転速度は、２００ｒｐｍないし１０００ｒｐｍの範囲内にある請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項10】
前記モーターは、前記第１スキャナを回転させるように構成された第１モーターおよび前記第２スキャナを回転させるように構成された第２モーターを含む請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項11】
前記ＬＩＤＡＲ装置は、自律走行車に取り付けられ、前記ＬＩＤＡＲ装置は、前記第１ビームまたは前記第２ビームのうち、少なくとも１つに対応する少なくとも１つのリターンビームを受信し、前記少なくとも１つのリターンビームに対応する信号を車両コントローラに提供するように構成された導波管（Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）をさらに含み、前記車両コントローラは、前記少なくとも１つのリターンビームに対応する前記信号に応答し、前記自律走行車の方向または速度のうち、少なくとも１つを制御するように構成される請求項１の記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項12】
レーザーソースと、前記レーザーソースから第１ビームを受信し、先端（Ｔｉｐ）で前記第１ビームを放出するように構成された少なくとも１つの導波管と、
前記第１ビームをそれぞれの個別の少なくとも１つの導波管から第３平面にコリメート（Ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）するように構成された少なくとも１つのコリメータ（Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）と、モーターと、
前記モーターに結合された第１スキャナと、
前記モーターに結合された第２スキャナと、
を備え、
前記モーターは、前記第１ビームに対応する第２ビームを前記第３平面とは異なる第１平面に偏向させるために前記第１スキャナを回転させるように構成されると、
前記モーターは、前記第１ビームに対応する第３ビームを前記第３平面とは異なる第２平面に偏向させるために前記第２スキャナを回転させるように構成される、ＬＩＤＡＲシステム。
【請求項13】
前記少なくとも１つの導波管は、第１導波管および第２導波管を含み、前記少なくとも１つのコリメータは、前記第１スキャナに入射するように前記第１導波管から前記第１ビームをコリメートするように構成された第１コリメータおよび前記第２スキャナに入射するように前記第２導波管から前記第１ビームをコリメートするように構成された第２コリメータを含む請求項１２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項14】
前記第１スキャナは、前記第１平面内の第１角度から前記第１平面内の前記第１角度に対して６０度以下の前記第１平面内の第２角度に前記第２ビームを偏向させるように構成され、前記第２スキャナは、前記第２平面内の第１角度から前記第２平面内の前記第１角度に対して６０度以下の前記第２平面内の第２角度に前記第３ビームを偏向させるように構成される請求項１２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項15】
前記第１スキャナは、前記第２スキャナとは異なる方向に回転するように構成される請求項１２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項16】
前記第１ビームの方向を前記第１スキャナから前記第２スキャナに調整するように構成された第３スキャナをさらに含む請求項１２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項17】
前記モーターは、駆動シャフトと遊星ベアリングを含み、前記駆動シャフトと前記遊星ベアリングは、前記駆動シャフトと前記遊星ベアリングを収容する前記第１スキャナのリセス（Ｒｅｃｅｓｓ）を介して前記第１スキャナに取り付けられ、前記ＬＩＤＡＲシステムは、複数の遊星変速ギア（Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｅａｒ）と、
駆動太陽ギア（Ｄｒｉｖｅｒ Ｓｕｎ Ｇｅａｒ）と、
リングギア（Ｒｉｎｇ Ｇｅａｒ）と、をさらに含み、
前記複数の遊星変速ギアおよび前記駆動太陽ギアは、前記リングギア内に位置し、前記第２スキャナは、前記複数の遊星変速ギアおよび前記駆動太陽ギアによって前記第１スキャナに取り付けられ、前記複数の遊星変速ギア、前記駆動太陽ギアまたは前記リングギアのうち、少なくとも１つの、１つ以上のパラメータは、前記第２スキャナの回転速度の大きさについての前記第１スキャナの回転速度の大きさの比を１よりも大きく設定するように選択される請求項１２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項18】
前記第１スキャナは、第１期間の間、前記第２ビームをスキャンするように構成され、前記第２スキャナは、前記第１期間後に第２期間の間、第２平面内で前記第３ビームをスキャンするように構成される請求項１２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項19】
前記第１スキャナの回転速度は、１０００ｒｐｍ（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）ないし５０００ｒｐｍの範囲内にあり、前記第２スキャナの回転速度は、２００ｒｐｍないし１０００ｒｐｍの範囲内にある請求項１２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項20】
前記少なくとも１つの導波管は、前記第２ビームまたは前記第３ビームのうち、少なくとも１つに対応する少なくとも１つのリターンビームを受信し、前記少なくとも１つのリターンビームに対応する信号を車両コントローラに提供するようにさらに構成され、前記車両コントローラは、前記少なくとも１つのリターンビームに対応する信号に応答して前記車両の速度または方向のうち、少なくとも１つを制御する請求項１２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願についての相互参照
本出願は、全開示の内容が本明細書に参照として含まれる２０１８年１０月２日に出願した米国臨時出願番号第６２／７３９、９１５号についての優先権およびその利益を主張する。
本出願は、全開示の内容が本明細書に参照として含まれる２０１８年１０月２日に出願した米国臨時出願番号第６２／７３９、９１５号についての優先権およびその利益を主張する。
【背景技術】
【0002】
光学検出および距離測定（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）のための多くの場合ニーモニック（Ｍｎｅｍｏｎｉｃ）のＬＩＤＡＲと呼ばれ、時々レーザーレーダー（Ｒａｄｉｏ－Ｗａｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）とも呼ばれるレーザーを用いた光学距離検出は、高度測定から、イメージング、衝突回避に至るまで様々な応用のために使用される。ＬＩＤＡＲは、ＲＡＤＡＲのような従来のマイクロ波距離測定システム（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｒａｎｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）よりも小さいビームサイズでより微細な距離解像度（Ｒａｎｇｅ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を提供する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
少なくとも１つの態様は、装置に関するものである。装置は、モーター、第１スキャナおよび第２スキャナを含む。第１スキャナは、モーターに結合され、モーターは、第３平面内で第１スキャナに入射する第１ビームを第３平面とは異なる第１平面に偏向させるために回転軸を中心に第１角速度で第１スキャナを回転させるように構成される。第２スキャナは、モーターに結合され、モーターは、第３平面内で第２スキャナに入射する第２ビームを第３平面とは異なる第２平面に偏向させるために回転軸を中心に第１角速度とは異なる第２角速度で第２スキャナを回転させるように構成される。
【0004】
一部の実施例において、第１スキャナは、第１ポリゴンスキャナ（Ｐｏｌｙｇｏｎ Ｓｃａｎｎｅｒ）であり、第２スキャナは、第２ポリゴンスキャナである。
【0005】
一部の実施例において、第１スキャナは、第１平面内の第１角度から第１平面内の第１角度に対して６０度以下の第１平面内の第２角度に第１ビームを偏向させるように構成される。第２スキャナは、第２平面内の第１角度から第２平面内の第１角度に対して６０度以下の第２平面内の第２角度に第２ビームを偏向させるように構成され得る。
【0006】
一部の実施例において、第１スキャナは、第２スキャナとは異なる方向に回転するように構成される。
【0007】
一部の実施例において、第１スキャナは、第１領域をスキャンするように構成され、第２スキャナは、第２領域をスキャンするように構成される。第１領域は、第３平面に対して相対的に第２領域の下にあり得る。
【0008】
一部の実施例において、装置は、第１ビームの方向を第１スキャナから第２スキャナに調整するように構成された第３スキャナを含む。
【0009】
一部の実施例において、モーターは、駆動シャフトと遊星ベアリングを収容する第１スキャナのリセス（Ｒｅｃｅｓｓ）を介して第１スキャナに取り付けられる駆動シャフトと遊星ベアリングを含む。装置は、複数の遊星変速ギア（Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｅａｒ）、駆動太陽ギア（Ｄｒｉｖｅｒ Ｓｕｎ Ｇｅａｒ）およびリングギア（Ｒｉｎｇ Ｇｅａｒ）を含み得る。複数の遊星変速ギアおよび駆動太陽ギアは、リングギア内に位置する。第２スキャナは、複数の遊星変速ギアおよび駆動太陽ギアによって第１スキャナに取り付けられる。複数の遊星変速ギア、駆動太陽ギアまたはリングギアのうち、少なくとも１つの、１つ以上のパラメータは、第２スキャナの回転速度の大きさについての第１スキャナの回転速度の大きさの比を１よりも大きく設定するように選択され得る。
【0010】
一部の実施例において、第１スキャナは、第１期間の間に第１ビームをスキャンするように構成され、第２スキャナは、第１期間の後に第２期間の間、第２ビームをスキャンするように構成される。
一部の実施例において、第１角速度の回転速度は、約１０００ｒｐｍ（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ：回転毎分）ないし約５０００ｒｐｍの範囲内におり、第２角速度の回転速度は、約２００ｒｐｍないし約１０００ｒｐｍの範囲内にある。
一部の実施例において、第１角速度の回転速度は、約１０００ｒｐｍ（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ：回転毎分）ないし約５０００ｒｐｍの範囲内におり、第２角速度の回転速度は、約２００ｒｐｍないし約１０００ｒｐｍの範囲内にある。
【0011】
一部の実施例において、モーターは、第１スキャナを回転させるように構成された第１モーターおよび第２スキャナを回転させるように構成された第２モーターを含む。
【0012】
一部の実施例において、装置は、自律走行車に取り付けられる。装置は、第１ビームまたは第２ビームのうち、少なくとも１つに対応する少なくとも１つのリターンビームを受信し、少なくとも１つのリターンビームに対応する信号を車両コントローラに提供するように構成された導波管（Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を含み得る。車両コントローラは、少なくとも１つのリターンビームに対応する信号に応答し、車両の方向または速度のうち、少なくとも１つを制御するように構成され得る。
【0013】
一部の実施例において、装置は、レーザーソース、少なくとも１つの導波管および少なくとも１つのコリメータ（Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）を含む。少なくとも１つの導波管は、レーザーソースから第３ビームを受信し、少なくとも１つの導波管の先端（Ｔｉｐ）からビームを放出するように構成され得る。少なくとも１つのコリメータは、第３ビームをそれぞれの個別の少なくとも１つの導波管から第３平面にコリメート（Ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）するように構成され得る。一部の実施例において、少なくとも１つの導波管は、第１導波管および第２導波管を含む。少なくとも１つのコリメータは、第１スキャナに入射するように第１導波管から第３ビームをコリメートするように構成された第１コリメータおよび前記第２スキャナに入射するように第２導波管から第３ビームをコリメートするように構成された第２コリメータを含み得る。
【0014】
一部の実施例において、装置は、距離に対する累積時間（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ）、速度精度、サンプリングレートまたは異なる角度をサンプリングするパターンの間のトレードオフ（Ｔｒａｄｅｏｆｆ）に基づいて車両周囲の環境検出を改善するためにモーターを用いて第１スキャナおよび第２スキャナの回転を制御するように構成される１つ以上のプロセッサを含む。
【0015】
一部の実施例において、装置は、第１スキャナが第１スキャン領域をスキャンするようにし、第２スキャナが第１スキャン領域と重畳する第２スキャン領域をスキャンするように構成される１つ以上のプロセッサを含む。
【0016】
少なくとも１つの態様は、システムに関するものである。システムは、レーザーソース、少なくとも１つの導波管、少なくとも１つのコリメータ、モーター、第１スキャナおよび第２スキャナを含む。少なくとも１つの導波管は、レーザーソースから第３ビームを受信し、少なくとも１つの導波管の先端から第３ビームを放出するように構成される。少なくとも１つのコリメータは、第３ビームをそれぞれの個別の少なくとも１つの導波管から第３平面にコリメートするように構成される。第１スキャナは、モーターに結合され、モーターは、第３ビームに対応する第１ビームを第３平面とは異なる第１平面に偏向させるために第１スキャナを回転させるように構成される。第２スキャナは、モーターに結合され、モーターは、第３ビームに対応する第２ビームを第３平面とは異なる第２平面に偏向させるために第２スキャナを回転させるように構成される。
【0017】
当該の技術分野の通常の技術者は、本発明の内容が単に例示的であり、いかなる方式でも限定するものと意図されないことを理解するであろう。本明細書に説明された任意の特徴は、任意の他の特徴とともに使用でき、これらの特徴の任意の部分集合は、様々な実施例によって組み合わせて使用できる。請求項によってのみ定義される本明細書に説明された装置および／または方法の他の態様、発明的特徴および利点は、本明細書に説明されて添付された図面とともに取られる詳細な説明で明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0018】
添付図面において、実施例は、制限的な方式ではなく、例示的な方式で説明され、類似の参照番号については、類似の要素を指す。
【図1a】一実施例によって一連の２進数（Ｂｉｎａｒｙ Ｄｉｇｉｔ）の例示的な送信された信号を距離の測定のためにリターンされた光信号とともに示す概略的なグラフであり、
【図1b】一実施例によって基準信号の例示的なスペクトルとドップラーシフトされたリターンされた信号（Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｓｈｉｆｔｅｄ Ｒｅｔｕｒｎ Ｓｉｇｎａｌ）の例示的なスペクトルを示す概略的なグラフであり、
【図1c】一実施例によってドップラーシフトされたリターンされた信号の位相成分の例示的な交差－スペクトル（Ｃｒｏｓｓ－Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を示す概略的なグラフであり、
【図1d】一実施例によって例示的な光チャープ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｈｉｒｐ）距離測定を示す一連のグラフであり、
【図1e】対称ＬＯ信号を使用するグラフであって、一実施例によってドップラーシフトがないとき、リターンされた信号を周波数時間プロット（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｔｉｍｅ Ｐｌｏｔ）で破線として示し、
【図2a】一実施例によって高解像度（Ｈｉ－ｒｅｓ）ＬＩＤＡＲシステムの例示的なコンポーネントを示すブロック図であり、
【図2b】一部の実施例で使用される高解像度ドップラーシステムのための鋸歯（Ｓａｗ Ｔｏｏｔｈ）スキャンパターンを示すブロック図であり、
【図2c】一実施例によって高解像度ドップラーＬＩＤＡＲシステムによって生成された例示的な速度ポイントクラウド（Ｓｐｅｅｄ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌｏｕｄ）を示すイメージであり、
【図2d】一実施例によって高解像度（Ｈｉ－ｒｅｓ）ＬＩＤＡＲシステムの例示的なコンポーネントを示すブロック図であり、
【図2e】一実施例によって高解像度（Ｈｉ－ｒｅｓ）ＬＩＤＡＲシステムの例示的なコンポーネントの側面図を示すブロック図であり、
【図2g】一実施例によって高解像度（Ｈｉ－ｒｅｓ）ＬＩＤＡＲシステムの例示的なコンポーネントの側面図を示すブロック図であり、
【図3a】一実施例によって車両に取り付けられた少なくとも１つの高解像度ＬＩＤＡＲシステムを含む例示的なシステムを示すブロック図であり、
【図3b】一実施例によって車両に取り付けられた少なくとも１つの高解像度ＬＩＤＡＲシステムを含む例示的なシステムを示すブロック図であり、
【図5】一実施例によって自律走行車でＬＩＤＡＲシステムのスキャンパターンを最適化するための例示的な方法を示すフローチャートであり、
【図6】一実施例によって自律走行車でＬＩＤＡＲシステムを作動させるための例示的な方法を示すフローチャートであり、
【図7】本発明の一実施例が具現できるコンピュータシステムを示すブロック図であり、
【図8】本発明の一実施例が具現できるチップセット（Ｃｈｉｐ Ｓｅｔ）を例示する。
【発明を実施するための形態】
【0019】
車両の作動を支援するためのＬＩＤＡＲのスキャニングについての方法、装置、システムおよびコンピュータ読み取り可能な媒体が説明される。一部の実施例は、以下で個人用自動車における単一前面装着（Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｒｏｎｔ Ｍｏｕｎｔｅｄ）高解像度ドップラーＬＩＤＡＲシステムと連携して説明される。しかし、実施例は、このような状況に制限されない。他の実施例において、重畳するか、または重畳しない視野を有し、ドップラーコンポネントの有無にかかわらず、同じタイプまたは他の高解像度ＬＩＤＡＲの１つまたは多数のシステムまたはパイロットされるか、または自律的なより小さいか、大きい地上、海上、空中または宇宙運送手段に取り付けられた１つ以上のこれらのシステムが使用される。
【0020】
距離精度とターゲットの速度精度を提供するサンプリングおよび処理は、累積時間（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ）と呼ばれる時間間隔で様々な持続時間を有する１つ以上のレーザー信号の累積（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を伴う。タイムリーな方式で場面をカバーすることは、車両が車両前方の空間内に（多くの場合、約１ないし数秒の特定時間内に移動される約１ないし数十メートルの距離に）進みすぎる前に車両周囲の環境を理解するために自律走行車の周囲に様々な角度をサンプリングするのに十分な、（多くの場合、１ないし数十マイクロ秒の間、１つ以上の信号を含む）十分に正確な測定（多くの場合、約数千回）を繰り返すことを伴う。特定時間（多くの場合、サイクルまたはサンプリング時間という）内にカバーできる異なる角度の数は、サンプリングレートによる。車両周囲の環境検出を改善するために、１つ以上のスキャナが距離に対する累積時間、速度精度、サンプリングレートまたは異なる角度をサンプリングするパターンのうち、少なくとも１つを含むパラメータに基づいて回転されるように制御されることができる。特に、車両がその環境を通じて移動することによって自律走行車の近くの環境を効率的に判断するために、１つ以上のＬＩＤＡＲビームを用いて距離に対する累積時間と、速度精度、サンプリングレートおよび異なる角度をサンプリングするパターンの間にトレードオフ（Ｔｒａｄｅｏｆｆ）が行われ得る。光学距離検出は、オブジェクト（Ｏｂｊｅｃｔ）についての光パルスの往復移動時間（Ｒｏｕｎｄ Ｔｒｉｐ Ｔｒａｖｅｌ Ｔｉｍｅ）に基づく直接距離測定と、送信されたチャープ（Ｃｈｉｒｐｅｄ）光信号とオブジェクトから散乱したリターンされた信号との間の周波数差に基づくチャープ検出と、自然信号から区別できる単一周波数位相変化のシーケンスに基づく位相エンコーディング検出を含むいくつかの他の技術で達成され得る。
【0021】
方法は、レーザーソースおよび導波管（Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を含むＬＩＤＡＲシステムを用いて導波管の先端（Ｔｉｐ）から放出されるビームを生成するステップを含み得る。また、方法は、コリメータを用いてＬＩＤＡＲシステムの第１ポリゴンスキャナ（Ｐｏｌｙｇｏｎ Ｓｃａｎｎｅｒ）および第２ポリゴンスキャナのうち、１つ上の第３平面に入射するビームを作るステップを含む。また、方法は、第１ポリゴンスキャナを用いて第１ポリゴンスキャナの回転軸を中心とした第１角速度における回転に基づいて第３平面とは異なる第１平面内でビームの方向を第１平面で第１角度から第２角度に調整するステップを含む。また、方法は、導波管の先端で第１距離に位置したターゲットの第１スキャン領域を含むように第１平面内のビームの調整に基づいて複数の第１リターンビームを受信するステップを含む。また、方法は、第２ポリゴンスキャナを用いて第１角速度とは異なる第２角速度への回転軸を中心とした第２ポリゴンスキャナの回転に基づいて第３平面とは異なる第２平面内でビームの方向を第２平面内で第１角度から第２角度に調整するステップを含む。また、方法は、第１距離とは異なる第２距離に位置したターゲットの第２スキャン領域を含むように、第２平面内のビームの調整に基づいて複数の第２リターンビームを導波管の先端で受信するステップを含む。
【0022】
方法は、プロセッサにおいて、ターゲットの距離の値に基づいてターゲットによって反射し、ＬＩＤＡＲシステムによって検出された信号の第１信号対雑音比（ＳＮＲ）値を示す第１データを受信するステップを含み得、第１ＳＮＲ値は、ＬＩＤＡＲシステムのスキャンレート（Ｓｃａｎ Ｒａｔｅ）のそれぞれの値についてのものである。また、第１データは、ターゲットの距離の値に基づく信号の第２信号対雑音比（ＳＮＲ）値を示し、第２ＳＮＲ値は、ＬＩＤＡＲシステムの累積時間のそれぞれの値についてのものである。また、第１データは、スキャンパターンの角度範囲を定義する第１角度および第２角度を示す。また、方法は、プロセッサにおいて、第１スキャン領域に対する角度範囲内のそれぞれの角度におけるターゲットの第１最大設計距離および第１スキャン領域とは異なる第２スキャン領域に対する角度範囲内のそれぞれの角度でターゲットの第２最大設計距離を示す第２データを受信するステップを含む。また、方法は、第１スキャン領域の角度範囲内のそれぞれの角度について、プロセッサにおいて、第１最大設計距離に基づく第１ＳＮＲ値が最小ＳＮＲしきい値よりも大きいスキャンレートのうち、最大値に基づいてＬＩＤＡＲシステムの第１最大スキャンレートを決定するステップを含む。また、方法は、第２スキャン領域の角度範囲内のそれぞれの角度について、プロセッサにおいて、第２最大設計距離に基づく第１ＳＮＲ値が最小ＳＮＲしきい値よりも大きいスキャンレートのうち、最大値に基づいてＬＩＤＡＲシステムの第２最大スキャンレートを決定するステップを含む。また、方法は、第１スキャン領域の角度範囲内のそれぞれの角度について、プロセッサにおいて、第１最大設計距離に基づく第２ＳＮＲ値が最小ＳＮＲしきい値よりも大きい累積時間のうち、最小値に基づいてＬＩＤＡＲシステムの第１最小累積時間を決定するステップを含む。また、方法は、第２スキャン領域の角度範囲内のそれぞれの角度について、プロセッサにおいて、第２最大設計距離に基づく第２ＳＮＲ値が最小ＳＮＲしきい値よりも大きい累積時間のうち、最小値に基づいてＬＩＤＡＲシステムの第２最小累積時間を決定するステップを含む。また、方法は、プロセッサを用いて第１スキャン領域の角度範囲内のそれぞれの角度における第１最大スキャンレートと第１最小累積時間に基づいてＬＩＤＡＲシステムの第１スキャン領域についてのスキャンパターンを定義するステップを含む。また、方法は、プロセッサを用いて第１スキャン領域の角度範囲内のそれぞれの角度における第２最大スキャンレートと第２最小累積時間に基づいてＬＩＤＡＲシステムの第２スキャン領域についてのスキャンパターンを定義するステップを含む。また、方法は、第１スキャン領域および第２スキャン領域についてのスキャンパターンに基づいてＬＩＤＡＲシステムを作動させるステップを含む。
１．位相エンコーディング（Ｐｈａｓｅ－Ｅｎｃｏｄｅｄ）検出概要
１．位相エンコーディング（Ｐｈａｓｅ－Ｅｎｃｏｄｅｄ）検出概要
【0023】
距離測定のための光位相エンコーディング信号を用いると、送信された信号は、送信された信号の一部についての搬送波（Ｃａｒｒｉｅｒ）と同相（Ｉｎ Ｐｈａｓｅ）であり（位相＝０）、次に、短い時間間隔の間にシンボルΔφによって表される１つ以上の位相変化だけ変動し（したがって、位相＝Δφ）送信された信号について繰り返しに２以上の位相値の間で前後にスイッチングする。一定の位相の最も短い間隔は、パルス持続時間τと呼ばれるエンコーディングのパラメータであり、通常、帯域で最も低い周波数の多数の周期の持続時間である。逆（１／τ）は、ボーレート（Ｂａｕｄ Ｒａｔｅ）であり、それぞれのボーは、シンボルを示す。送信された信号の時間中のこのような一定の位相パルスの数（Ｎ）は、シンボルの数（Ｎ）であり、エンコーディングの長さを示す。２進（Ｂｉｎａｒｙ）エンコーディングにおいて、２つの位相値が存在し、最も短い間隔の位相が１つの値について０とみなされ得、他の１つの値は、１とみなされ得るため、シンボルは、１ビット（Ｂｉｔ）であり、ボーレートもビットレート（Ｂｉｔ Ｒａｔｅ）と呼ばれる。多重（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ）位相エンコーディングの場合、多数の位相値が存在する。例えば、Δφ＊｛０、１、２および３｝のような４つの位相値は、Δφ＝π／２（９０度）に対して｛０、π／２、πおよび３π／２｝とそれぞれ同じであり、したがって、４つの位相値は、それぞれ０、１、２、３を示し得る。この例において、それぞれのシンボルは、２ビットであり、ビットレートは、ボーレートの２倍である。
【0024】
位相シフトキーイング（Ｐｈａｓｅ－Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ、ＰＳＫ）は、基準信号（搬送波）の位相を変更（変調）させることによって、データを伝達するデジタル変調方式を意味する。変調は、正確な時間にサイン入力とコサイン入力を変化させることによって刻印される。無線周波数（ＲＦ）において、ＰＳＫは、無線近距離通信網（ＬＡＮ）、無線周波数認識（ＲＦＩＤ）およびブルートゥース（登録商標）通信のために手広く使用される。代替的に、一定の基準波（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｗａｖｅ）に対して動作する代わりに、送信は、それ自体に対して動作し得る。単一の送信された波形の位相変化は、シンボルとみなされ得る。前記システムにおいて、復調器は、（基準波に対する）、位相その自体ではなく、受信信号の位相変化を決定する。前記方式が連続する位相の間の差に依存するため、これは、差動位相シフトキーイング（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ－Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ、ＤＰＳＫ）と称される。復調器が受信信号の正確な位相を決定するために基準信号のコピーを有する必要がないため、ＤＰＳＫは、通信アプリケーションで通常のＰＳＫよりも確実かつ簡単に具現できる（したがって、これは、非コヒーレント（Ｎｏｎ－Ｃｏｈｅｒｅｎｔ）方式である）。
【0025】
収容可能な距離精度および検出感度を実現するため、直接長距離（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｏｎｇ Ｒａｎｇｅ）ＬＩＤＡＲシステムは、低いパルス反復率および非常に高いパルスピークパワーを有する短いパルスレーザーを使用できる。高いパルスパワーは、光学コンポーネントの急激な性能低下につながり得る。チャープおよび位相エンコーディングＬＩＤＡＲシステムは、相対的に低いピーク光パワーを有する長い光パルスを使用できる。この構成において、距離精度は、パルス持続時間ではなく、チャープ帯域幅または長さと、位相コードの帯域幅によって増加でき、したがって、優れた距離精度が相変らず獲得され得る。
【0026】
光搬送波（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃａｒｒｉｅｒ）を変調するために広帯域無線周波数（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ、ＲＦ）電気信号を用いて有用な光チャープ帯域幅が実現された。ＬＩＤＡＲについて、光学検出器でリターンされた信号と組み合わさる基準信号として同じ変調された光搬送波を使用すると、結果に応じた電気信号で基準光信号とリターンされた光信号との間の周波数または位相差に比例するＲＦ帯域における相対的に低いビート（Ｂｅａｔ）周波数を生成し得る。検出器における周波数差についてのこのような種類のビート周波数検出は、ヘテロダイン検出（Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）といい、これは直ちに、そして安価に使用できるＲＦコンポーネントの使用を可能にする。
【0027】
高解像度距離－ドップラーＬＩＤＡＲシステムは、リターンされた信号でドップラーシフトを検出するための光学コンポーネントの配列およびコヒーレント（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ）処理を用いてＬＩＤＡＲシステムとそれぞれの外部オブジェクトの間のベクトルで改善された距離だけでなく、相対的な符号を有する速度（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｓｉｇｎｅｄ Ｓｐｅｅｄ）を提供し得る。
【0028】
場合によっては、このような改善は、ターゲット速度があるか、またはなくても、適切な周波数または位相コンテンツを有する鉛筆のような細いレーザービーム（Ｐｅｎｃｉｌ Ｔｈｉｎ Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ）で距離を提供する。このようなビームを場面（Ｓｃｅｎｅ）にスイープ（Ｓｗｅｅｐ）すると、周囲の物体の位置および速度に関する情報が獲得され得る。この情報は、自律走行またはドライバー支援自動車のような自律走行車のための制御システムで使用できる。
【0029】
送信機および受信機が同じ装置内にあるため、光距離測定応用について、コヒーレントＰＳＫが使用できる。搬送波周波数（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は、光周波数（ｆｃ）であり、ＲＦ（ｆ０）は、光搬送波（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃａｒｒｉｅｒ）に変調される。シンボルの数（Ｎ）と持続時間τは、要求される距離精度と解像度を実現するために選択される。シンボルのパターンは、ノイズとコード化した（Ｃｏｄｅｄ）信号の他のソースから区別できるように選択される。したがって、送信された信号とリターンされた信号との間の強い相関関係は、反射するか、または後方散乱した（Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ）信号の強い表示であり得る。送信された信号は、１つ以上のシンボルブロックで構成され、それぞれのブロックは、ノイズが存在する場合にも反射するか、または後方散乱したリターンとの強い相関関係を提供するほど十分に長い。送信された信号は、ブロック当たりＮ個のシンボルのＭ個のブロックで構成され得、ＭとＮは、負ではない整数である。
【0030】
図１ａは、一実施例によって一連の２進数（Ｂｉｎａｒｙ Ｄｉｇｉｔ）として例示的な送信された信号を距離の測定のためにリターンされた光信号とともに示す概略的なグラフ１２０である。水平軸１２２は、０（Ｚｅｒｏ）での開始時間後の時間を任意単位（Ａｒｂｉｔｒａｒｙ Ｕｎｉｔ）で示す。 垂直軸１２４ａは、周波数ｆＣ＋ｆ０で光送信信号の振幅を０に相対的な任意単位で表す。垂直軸１２４ｂは、周波数ｆＣ＋ｆ０で光リターン信号の振幅を０に相対的な任意単位で表し、トレースを分離するために軸１２４ａからオフセットされる。トレース１２５は、０００１１０１０から開始して省略符号で表示されたように、継続するコードを生成するために図１ａに示すような位相変化を有するＭ＊Ｎ２進シンボルの送信された信号を示す。トレース１２６は、動いていないオブジェクトから散乱した理想的な（ノイズがない）リターンされた信号を示す（したがって、リターンは、ドップラーシフトされない）。振幅は、減少されるが、コード０００１１０１０は、認識可能である。トレース１２７は、動いているオブジェクトから散乱し、したがって、ドップラーシフトされる理想的な（ノイズがない）リターンされた信号を示す。リターンは、適切な光周波数（ｆＣ＋ｆ０）になく、予想した周波数帯域内でよく検出されず、したがって、振幅が減少する。
【0031】
リターンの観察された周波数（ｆ’）は、数式１によって与えられるドップラー効果によるリターンの正確な周波数（ｆ＝ｆｃ＋ｆ０）と異なる。
ここで、ｃは、媒質内の光の速度であり、ｖ０は、観察者の速度であり、ｖｓは、ソースと受信機を連結するベクトルに従うソースの速度である。観察者とソースが２つの間のベクトル上で同じ方向に同じ速度で動いている場合、２つの周波数は、同じであることに注目するべきである。２つの周波数の間の差（Δｆ＝ｆ’－ｆ）は、距離測定について問題点を引き起こすドップラーシフト（ΔｆＤ）であり、数式２によって与えられる。
誤差の大きさは、信号の周波数ｆに応じて増加することに注目するべきである。また、静止したＬＩＤＡＲシステム（ｖ０＝０）の場合、毎秒１０メートル（ｖｓ＝１０）で移動するオブジェクトと約５００ＴＨｚの周波数を有する可視光線についてのドップラーシフトの大きさは、約１６メガヘルツ（ＭＨｚ、１ＭＨｚ＝１０６ヘルツ（Ｈｚ）、１Ｈｚ＝毎秒１サイクル）であることに注目するべきである。以下に説明される様々な実施例において、距離計算のためのデータを処理するためにドップラーシフトの誤差が検出されて使用される。
【数1】
【数2】
【0032】
位相コード化した距離測定（Ｐｈａｓｅ Ｃｏｄｅｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）において、位相コード化したリターンの到達は、送信された信号または他の基準信号をリターンされた信号と交差相関（Ｃｒｏｓｓ－Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ）させることによって、リターンされた信号で検出され得、これは、ＲＦ信号のためのコードをヘテロダイン（Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ）検出を用いる光検出器（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）からの電気信号と交差相関させ、ＲＦ帯域に戻すダウンミキシング（Ｄｏｗｎ－Ｍｉｘｉｎｇ）することによって、実質的に実施され得る。任意の１つのラグ（Ｌａｇ）のための交差相関は、２つのトレースをコンボリューション処理（Ｃｏｎｖｏｌｖｉｎｇ）することによって、すなわち、２つのトレース内に対応する値を乗じ、トレース内のすべての点（Ｐｏｉｎｔ）について加算した後、それぞれのタイムラグ（Ｔｉｍｅ Ｌａｇ）について繰り返すことによって計算され得る。交差相関は、２つのトレースそれぞれのフーリエ変換を乗じた後に逆方向フーリエ変換（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ）することによって達成され得る。順方向（Ｆｏｒｗａｒｄ）および逆方向の高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ、ＦＦＴ）は、ハードウェアおよびソフトウェアで効率的に実施され得る。
【0033】
交差相関の計算は、リターンの振幅と位相が光検出器から検出された後に、アナログまたはデジタル電気信号を用いて行われることに注目するべきである。光検出器における信号を容易にデジタル化できるＲＦ周波数の範囲に移動させるために、光リターン信号は、検出器に衝突する前に基準信号と光学的にミックス（Ｍｉｘ）される。位相エンコードされた送信された光信号のコピーは、基準信号として使用できるが、レーザーによって出力される連続波搬送波周波数光信号（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ）を基準信号として使用し、検出器によって出力される電気信号の振幅と位相の両方をキャプチャすることも可能であり、多くの場合好ましい。
【0034】
動いていないオブジェクトから反射した（したがって、リターンは、ドップラーシフトされない）理想的な（ノイズがない）リターン信号について、ピークは、送信された信号の開始後に時間Δｔから発生する。これは、リターンされた信号が時間Δｔで開始する送信された位相コードのバージョンを含むことを示す。反射する（または、後方散乱する）オブジェクトについての距離Ｒは、数式３によって与えられるのように、媒質内の光の速度Ｃに基づく双方向の旅行時間遅延（Ｔｗｏ Ｗａｙ Ｔｒａｖｅｌ Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ）から計算される。
【数3】
【0035】
動いているオブジェクトから散乱した（したがって、リターンは、ドップラーシフトされる）理想的な（ノイズがない）リターンされた信号について、リターンされた信号は、適切な周波数ビン（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｂｉｎ）内の位相エンコーディングを含まず、相関関係は、すべてのタイムラグ（Ｔｉｍｅ Ｌａｇ）について低く保持され、ピークは、容易に検出されず、ノイズがある場合には、多くの場合に検出可能ではない。したがって、Δｔは、容易に決定されず、距離Ｒは、容易に生成されない。
【0036】
ドップラーシフトは、リターンされた信号の電気的処理で決定され、ドップラーシフトは、交差相関計算を補正するために使用される。したがって、ピークは、より容易に発見され、距離は、より容易に決定され得る。図１ｂは、一実施例によって送信された信号の例示的スペクトルとドップラーシフトされた複素数リターンされた信号の例示的スペクトルを示す概略的なグラフ１４０である。水平軸１４２は、光搬送波ｆｃからオフセットされたＲＦ周波数を任意単位で表す。垂直軸１４４ａは、スペクトル密度（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）とも呼ばれる特定の狭い周波数ビンの振幅を０に相対的な任意単位で表す。垂直軸１４４ｂは、スペクトル密度を０に相対的な任意単位で示し、トレースを分離するために軸１４４ａからオフセットされる。トレース１４５は、送信された信号を示し、ピークは、適切なＲＦｆ０で発生する。トレース１４６は、ＬＩＤＡＲシステムを向けて動いているオブジェクトから後方散乱してより高い周波数にドップラーシフト（ブルーシフト（Ｂｌｕｅ Ｓｈｉｆｔ）と呼ばれる）された理想的な（ノイズがない）複素数リターン信号を示す。リターンは、適切なＲＦｆ０でピークを有しない。しかし、代わりにΔｆＤほどシフトされた周波数ｆＳにブルーシフトされる。実際に、リターンの同相および直交位相（Ｉｎ－Ｐｈａｓｅ ａｎｄ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ、Ｉ／Ｑ）成分をすべて示す複素数リターンは、＋ΔｆＤでピークを決定するのに使用されるため、ドップラーシフト方向と、センサとオブジェクトとの間のベクトル上でターゲットの移動方向が単一のリターンから検出され得る。
【0037】
一部のドップラー補償（Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）実施例において、図１ｂに示すように、送信された信号とリターンされた信号の両方のスペクトルを得、それぞれでピークを見つけた後，対応するピークの周波数を減算することによってΔｆＤを捜す代わりに、ＲＦ帯域でダウンミックスされたリターンされた信号の同相および直交位相成分の交差スペクトル（Ｃｒｏｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を取ることがより効果的であり得る。図１ｃは、一実施例によって例示的な交差スペクトルを示す概略的なグラフ１５０である。水平軸１５２は、基準スペクトルについての周波数シフトを任意単位で示し、垂直軸１５４は、交差スペクトルの振幅を０に相対的な任意単位で表す。トレース１５５は、ＬＩＤＡＲシステムを向けて動いている第１オブジェクト（ΔｆＤ１のブルーシフト＝図１ｂのΔｆＤ）とＬＩＤＡＲシステムから遠ざかっている第２オブジェクト（ΔｆＤ２のレッドシフト（Ｒｅｄ Ｓｈｉｆｔ））によって生成された理想的な（ノイズがない）リターンされた信号との交差スペクトルを示す。１つのピーク１５６ａは、成分の１つがブルーシフトΔｆＤ１されるときに発生し、他のピーク１５６ｂは、成分の１つがレッドシフトΔｆＤ２されるときに発生する。したがって、ドップラーシフトが決定される。このシフトは、例えば衝突防止アプリケーションのためにＬＩＤＡＲ付近でオブジェクトの符号を有する接近速度（Ｓｉｇｎｅｄ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ Ａｐｐｒｏａｃｈ）を決定するのに用いられ得る。しかし、Ｉ／Ｑ処理が完了していない場合、ピークは、＋／－ΔｆＤ１および＋／－ΔｆＤ２の両方に示され、したがって、ドップラーシフトの符号およびこれによる移動方向で曖昧さが存在し得る。
【0038】
交差スペクトルから検出されるドップラーシフトは、ピーク１３５がラグΔｔでドップラー補償されたドップラーシフトされたリターンで明らかになり、距離Ｒが決定されるように、交差相関を補正するのに使用できる。一部の実施例において、同時Ｉ／Ｑ処理が行われ得る。一部の実施例において、ドップラーリターンの符号（Ｓｉｇｎ）を決定するために直列Ｉ／Ｑ処理が使用できる。一部の実施例において、ドップラーシフトに起因する誤差は、容認されるか、または無視されることがあり、いかなるドップラー補正も距離測定に適用されない。
２．チャープ検出概要（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ）
２．チャープ検出概要（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ）
【0039】
図１ｄは、一実施例によって例示的な光チャープ距離測定（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｈｉｒｐ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｒａｎｇｅ）を示す一連のグラフである。水平軸１０２は、４つのグラフすべてについて同じであり、約ミリ秒（ｍｓ、１ｍｓ＝１０－３秒）の時間を任意単位で表す。グラフ１００は、送信された光信号として使用される光のビームのパワーを表す。グラフ１００の垂直軸１０４は、送信された信号のパワーを任意単位で表す。トレース１０６は、時間０で開始して制限されたパルス持続時間τの間、パワーがオン（ｏｎ）であることを示す。グラフ１１０は、送信された信号の周波数を示す。垂直軸１１４は、送信された信号の周波数を任意単位で表す。トレース１１６は、パルスの持続時間τにわたってパルスの周波数がｆ１からｆ２に増加し、これによって帯域幅ｂ＝ｆ２－ｆ１を有することを表す。周波数変化率は、（ｆ２－ｆ１）／τである。
【0040】
リターンされた信号は、グラフ１１０のように時間を示す水平軸１０２と周波数を示す垂直軸１１４を有するグラフ１６０で示される。また、グラフ１１０のチャープ（例えば、トレース１１６）がグラフ１６０上に点線で示される。第１リターンされた信号は、強度（図示せず）が減少され、Δｔだけ遅延した送信された基準信号を表すことができるトレース１６６ａで与えられる。リターンされた信号が２Ｒの距離を移動した後に、外部オブジェクトから受信されるとき、リターンされた信号は、前述の数式３によって２Ｒ／ｃで与えられる遅延した時間Δｔで開始し、ここで、Ｒは、ターゲットまでの距離であり、ｃは、媒質内の光の速度（約３×１０８ｍ／ｓ）である。この時間の間、周波数ｆＲは、距離に基づく量だけ変更され、周波数変化率に遅延時間を乗じて与えられる。これは、数式４ａによって与えられる。
ｆＲの値は、デチャーピング（Ｄｅ－ｃｈｉｒｐｉｎｇ）と呼ばれる時間ドメインミキシング動作で送信された信号１１６とリターンされた信号１６６ａとの間の周波数差によって測定される。したがって、距離Ｒは、数式４ｂによって与えられる。
パルスが完全に送信された後にリターンされた信号が到着すると、すなわち、２Ｒ／ｃがτよりも大きければ、数式４ａおよび４ｂは、有効ではない。この場合に、基準信号は、リターンされた信号が基準信号と重畳することを保証するように知られている量または定められた量だけ遅延し得る。基準信号の定められた遅延時間または知られている遅延時間は、数式４ｂから計算された距離に追加される追加距離を提供するために光の速度Ｃと乗じられる。媒質で光の速度の不確実性によって絶対距離は、不正確であり得るが、これは、ほとんど一定の誤差（Ｎｅａｒ－Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｅｒｒｏｒ）であり、周波数差を基盤とした相対的距離は、相変らず非常に正確である。
【数4】
パルスが完全に送信された後にリターンされた信号が到着すると、すなわち、２Ｒ／ｃがτよりも大きければ、数式４ａおよび４ｂは、有効ではない。この場合に、基準信号は、リターンされた信号が基準信号と重畳することを保証するように知られている量または定められた量だけ遅延し得る。基準信号の定められた遅延時間または知られている遅延時間は、数式４ｂから計算された距離に追加される追加距離を提供するために光の速度Ｃと乗じられる。媒質で光の速度の不確実性によって絶対距離は、不正確であり得るが、これは、ほとんど一定の誤差（Ｎｅａｒ－Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｅｒｒｏｒ）であり、周波数差を基盤とした相対的距離は、相変らず非常に正確である。
【0041】
一部の環境において、送信された光ビームにより照明された地点（ペンシルビームの断面（Ｐｅｎｃｉｌ Ｂｅａｍ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ））は、半透明オブジェクトの前方および後方、またはＬＩＤＡＲから様々な距離にあるオブジェクトのより近い部分とより遠い部分、または照明される地点内で２つの分離したオブジェクトのように異なる距離にある２つ以上の異なる散乱体に出会う。このような環境において、グラフ１６０にトレース１６６ｂに表示されたように、第２減少された強度および異なるように遅延した信号も受信されるであろう。これは、数式４ｂを使用して異なる距離を提供するｆＲの異なる測定値を有することになる。一部の環境においては、複数の追加のリターンされた信号が受信される。
【0042】
グラフ１７０は、第１リターンされた信号１６６ａと基準チャープ１１６との間の差の周波数ｆＲを示す。水平軸１０２は、図１ｄで整列した他のすべてのグラフのように時間を示し、垂直軸１６４は、はるかに拡大したスケール上で周波数差を示す。トレース１７６は、送信されたチャープに応答して測定された一定の周波数ｆＲを示し、数式４ｂによって与えられる特定の距離を示す。第２リターンされた信号１６６ｂは、存在する場合、デチャーピングの間に他のより大きい値のｆＲ（図示せず）を発生させ、結果的に数式４ｂを使用してより大きい距離を算出するものであろう。
【0043】
デチャーピングは、基準光信号とリターンされた光信号を同じ光検出器に指向させて行われ得る。検出器の電気的出力は、検出器に収束する２つの信号の周波数差と同じか、またはこれに依存するビート周波数（Ｂｅａｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）によって左右される。このような電気的出力信号のフーリエ変換は、ビート周波数でピークを算出するものであろう。このようなビート周波数は、テラヘルツ（ＴＨｚ、１ＴＨｚ＝１０１２ヘルツ）の光周波数の範囲ではないメガヘルツ（ＭＨｚ、１ＭＨｚ＝１０６Ｈｚ＝毎秒１０６サイクル）の無線周波数（ＲＦ）の範囲内 にある。このような信号は、マイクロプロセッサまたは特殊製作されたＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）またはその他のデジタル信号処理（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、ＤＳＰ）集積回路で行われるＦＦＴアルゴリズムのようなＲＦコンポーネントによって処理される。リターン信号は、（局部発振器（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）の役割をするチャープと比べて）局部発振器の役割をする連続波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ、ＣＷ）トーン（Ｔｏｎｅ）とミックスできる。これは、その自体がチャープである（または、どの波形が送信されても）検出された信号につながる。この場合、検出された信号は、 デジタイザー（Ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ）帯域幅の要求事項が一般的により高くなり得るが、デジタルドメインで整合フィルタリング（Ｍａｔｃｈｅｄ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）することができる。そうでない場合、コヒーレント検出の肯定的な面は保持される。
【0044】
一部の実施例において、ＬＩＤＡＲシステムは、同時アップおよびダウンチャープ（Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｕｐ ａｎｄ Ｄｏｗｎ Ｃｈｉｒｐｓ）を生成するように変更される。この接近方式は、他のものの中でも、オブジェクトの速度差、実際に距離を変更するオブジェクトについてのＬＩＤＡＲ位置変更またはビーム内の一時的な散乱体（Ｓｃａｔｔｅｒｅｒｓ）、またはこれらの組み合わせによって誘発される変動性を除去できる。この接近方式は、アップおよびダウンチャープで測定されたドップラーシフトおよび距離が実質的に同じであり、最も有用に結合され得ることを保証する。ドップラー方式は、高い確率の正確な補償のために周波数空間で非対称にシフトされたリターンペアの並列キャプチャ（Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｃａｐｔｕｒｅ）を保証する。
【0045】
図１ｅは、一実施例によって対称ＬＯ信号を使用するグラフであり、ドップラーシフトがないとき、リターン信号を周波数時間プロット（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｔｉｍｅ Ｐｌｏｔ）で破線として示す。水平軸は、時間を１０－５秒（数十マイクロ秒）の例示的な単位で表す。垂直軸は、搬送波周波数ｆｃまたは基準信号についての送信された光信号の周波数をギガヘルツ（ＧＨｚ、１ＧＨｚ＝１０９ヘルツ）の例示的な単位で表す。パルス持続時間の間、２つの光周波数を含む光ビームがいつでも生成される。１つの周波数が、例えば、ｆ１からｆ２に増加し（例えば、光搬送波の１ないし２ＧＨｚの上）、同時に他の周波数がｆ４からｆ３に減少する（例えば、光搬送波の１ないし２ＧＨｚの下）。２つの周波数帯域（例えば、ｆ１ないしｆ２の帯域１と、ｆ３ないしｆ４の帯域２）は、重ならず、送信された信号およびリターンされた信号が通過周波数ｆＰから開始する通過帯域を有する高域通過フィルタや低域通過フィルタまたはこれらの組み合わせによって光学的に分離できる。例えば、ｆ１＜ｆ２＜ｆＰ＜ｆ３＜ｆ４であり得る。例示するように、より高い周波数がアップチャープを提供し、より低い周波数がダウンチャープを提供し得る。一部の実施例において、より高い周波数がダウンチャープを生成し、より低い周波数がアップチャープを生成する。
【0046】
一部の実施例において、２つの異なるレーザーソースが毎時間ごとにそれぞれのビームで２つの異なる光周波数を生成するのに使用される。 しかし、一部の実施例において、単一の光搬送波は、単一のＲＦチャープによって変調され、同時アップおよびダウンチャープの役割をする対称的な側波帯（Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ Ｓｉｄｅｂａｎｄ）を生成する。一部の実施例において、一般的に、搬送波周波数に多くのエネルギーを残さない２重側波帯マッハツェンダ強度変調器（Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｉｄｅｂａｎｄ Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）が使用され、代わりに、ほとんどすべてのエネルギーが側波帯に入る。
【0047】
側波帯対称（Ｓｉｄｅｂａｎｄ Ｓｙｍｍｅｎｔｒｙ）の結果として、同じ次数の側波帯が使用されると、２つの光チャープの帯域幅は、同じであり得る。他の実施例において、他の側波帯が使用され、例えば、２つの２次側波帯が使用されるか、１次側波帯および重畳しない２次側波帯が使用されるか、または一部の他の組み合わせが使用される。
【0048】
送信（ＴＸ）および局部発振器（ＬＯ）チャープ波形を選択するとき、システムの周波数シフトされた帯域（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔｅｄ Ｂａｎｄ）が利用可能なデジタイザー（Ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ）帯域幅を最大限に活用できるようにすることが有利である。一般的に、これは０に近い距離周波数ビート（Ｒａｎｇｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｂｅａｔ）を有するように、アップチャープまたはダウンチャープをシフトして達成され得る。
【0049】
図１ｆは、対称ＬＯ信号を使用する図１ｅと類似のグラフであり、０ではないドップラーシフトがあるとき、この周波数時間プロットでリターンされた信号を破線として示す。チャープ波形の場合、時間分離したＩ／Ｑ処理（時間ドメインマルチプレクシング（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）とも呼ばれる）が他の接近方式のハードウェア要求事項を克服するために使用できる。その場合に、ＡＯＭが実数値（Ｒｅａｌ Ｖａｌｕｅｄ）の信号についての距離ドップラーの曖昧さを打開するために使用できる。一部の実施例において、スコアリングシステム（Ｓｃｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）が上でアップおよびダウンチャープリターンをペアリングするのに使用できる。一部の実施例において、Ｉ／Ｑ処理がドップラーチャープの符号を決定するのに使用できる。
３．光検出ハードウェア概要
３．光検出ハードウェア概要
【0050】
図２ａは、一実施例によって高解像度距離ＬＩＤＡＲシステム２００の例示的なコンポーネントを示すブロック図である。光信号は、矢印で表示される。電子的な（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ）有線または無線連結は、矢先がない線分で表示される。 レーザーソース２１２は、持続時間Ｄを有する位相コード化されるか、またはチャープされた光信号２０３を生成するために、スプリッタ２１６の以前または以後に、変調器２８２ａから位相または周波数変調されたビーム（例えば、搬送波）２０１を放出する。スプリッタ２１６は、基準経路２２０に使用するための変調された（または、図示されたように、変調されない）光信号を分離する。ビーム２０１のエネルギーの大部分を有する本明細書で送信された信号（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ Ｓｉｇｎａｌ）とも呼ばれるターゲットビーム２０５が生成され得る。また、少ない量ではあるが、オブジェクト（図示せず）から散乱したリターンされた光２９１とよくミックスされるのに十分な量のエネルギーを有する変調されるか、または変調されていない基準ビーム２０７ａが生成される。図２ａに示されたように、基準ビーム２０７ａは、変調器２８２ｂで個々に変調される。基準ビーム２０７ａは、基準経路２２０を通過し、基準ビーム２０７ｂとして１つ以上の検出器に指向される。一部の実施例において、基準経路２２０は、基準ビーム２０７ｂが関心距離の範囲（Ｓｐｒｅａｄ ｏｆ Ｒａｎｇｅｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）内でＬＩＤＡＲ外部のオブジェクトから散乱した光とともに検出器アレイ２３０に到逹するのに十分な遅延を導入する。一部の実施例において、例えば、基準ビーム２０７ｂが別個の発振器から局部的に生成された場合、基準ビーム２０７ｂは、局部発振器（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ、ＬＯ）信号と呼ばれる。様々な実施例において、 柔軟性が低い接近方式からより柔軟な接近方式まで網羅し、基準ビームは、１）経路の長さがよくマッチングされるように検出器アレイで送信されたビームの一部をまた反射させるために場面（Ｓｃｅｎｅ）内にミラーを配置すること、２）経路の長さを近くマッチングさせ、特定の距離に対して観察されたり、予測された位相または周波数差を補償するための経路長さ調節を用いたり、利用せず、図２ａで提案されたように、検出器アレイ付近の光学機器を用いて基準ビームをブロードキャスト（Ｂｒｏａｄｃａｓｔ）するためにファイバー遅延（Ｆｉｂｅｒ Ｄｅｌａｙ）を用いること、または、３）経路長さの不一致（Ｍｉｓｍａｔｃｈ）を補償するための別個の変調を生成するために周波数シフティング（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔｉｎｇ）デバイス（音響光学変調器（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、ＡＯＭ））または（例えば、変調器２８２ｂ内）局部発振器の波形変調の時間遅延を用いること、または一部の組み合わせを通じて散乱するか、または反射したフィールド（視野）を持って到着することができる。一部の実施例において、オブジェクトは、十分に近く、送信された持続時間は、十分に長く、リターンが遅延なしに、基準信号と十分に重畳する。
【0051】
送信された信号は、例えば、いくつかのスキャニング光学機器（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｏｐｔｉｃｓ）２１８を介して関心領域を照明するために送信される。検出器アレイは、対をなしているか、または対をなしていない単一の検出器またはオブジェクトからリターンされたビーム２９１におおよそ垂直な平面に配列された対をなしているか、または対をなしていない検出器の１次元（１Ｄ）または２次元（２Ｄ）アレイであり得る。基準ビーム２０７ｂおよびリターンされたビーム２９１は、適切に検出される光特性信号を生成するために０またはその以上の光ミキサー２８４で結合され得る。干渉パターンの周波数、位相または振幅または一部の組み合わせは、獲得システム２４０によってそれぞれの検出器に対して信号持続時間Ｄの間、複数回記録され得る。信号持続時間当たり処理される時間的（Ｔｅｍｐｏｒａｌ）サンプルの数または累積時間（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ）は、ダウン－レンジ規模（Ｄｏｗｎ－Ｒａｎｇｅ Ｅｘｔｅｎｔ）に影響を与える。数または累積時間は、信号当たりシンボルの数、信号反復率（Ｓｉｇｎａｌ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｒａｔｅ）および可用カメラフレームレート（Ａｖａｉｌａｂｌｅ Ｃａｍｅｒａ Ｆｒａｍｅ Ｒａｔｅ）に基づいて選択される実質的な考慮事項であり得る。フレームレートは、サンプリング帯域幅であり、「デジタイザー周波数（Ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）」と呼ばれる。距離規模（Ｒａｎｇｅ Ｅｘｔｅｎｔ）の唯一の根本的な限界は、レーザーのコヒーレンス（Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）長さおよび（明確な距離測定のために）それが繰り返す前のチャープまたは固有位相コードの長さである。これは、リターンされたヘテロダイン（Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ）信号またはビット（Ｂｉｔｓ）のデジタルレコードが以前の送信履歴から送信されたビットの任意の部分と比較されたり、交差相関できるため、可能になる。
【0052】
獲得されたデータは、図７を参照して後述されるコンピュータシステムまたは図８を参照して後述されるチップセット（Ｃｈｉｐ Ｓｅｔ）のような処理システム２５０に利用可能になる。スキャナ制御モジュール２７０は、スキャニング光学機器２１８を駆動するためのスキャニング信号を提供する。スキャナ制御モジュール２７０は、図５のフローチャートに関連した方法５００および／または図６のフローチャートに関連した方法６００の１つ以上のステップを行うための命令語を含み得る。処理システム２５０で符号を有するドップラー補償（Ｓｉｇｎｅｄ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）モジュール（図示せず）は、ドップラーシフトの符号と大きさを決定し得、任意の他の補正とともにそれに基づく補正された距離を決定し得る。また、処理システム２５０は、変調器２８２ａ、２８２ｂおよび／またはポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂおよび／またはスキャナ２４１を駆動する１つ以上の電気信号を伝送するための変調信号モジュール（図示せず）を含み得る。一部の実施例において、処理システムは、システム２００、２００’、２００’’が設置される車両を制御するための車両制御モジュール２７２をさらに含む。
【0053】
瞳孔面（Ｐｕｐｉｌ Ｐｌａｎｅ）を通過する焦点またはターゲット上の焦点または投光照明（Ｆｌｏｏｄ）についての光カップリング（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）は、図示されない。本明細書に使用されたように、光カプラ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｕｐｌｅｒ）は、他のものの中でも、真空、空気、ガラス、クリスタル、ミラー、レンズ、光サーキュレーター（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）、ビームスプリッタ、位相板（Ｐｈａｓｅ Ｐｌａｔｅ）、偏光子（Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）、光ファイバー（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ）、光ミキサーのような他のコンポーネントを単独または一部の組み合わせのように、１つのコンポーネントから他のコンポーネントに光を指向させるために空間座標内で光の伝搬（Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）に影響を与える任意のコンポーネントである。
【0054】
また、図２ａは、一実施例による同時アップおよびダウンチャープＬＩＤＡＲシステムのためのコンポーネントの例を示す。図２ａに示されたように、変調器２８２ａは、送信されたビーム２０５の光経路に追加された周波数シフタであり得る。一部の実施例において、周波数シフタがリターンされたビーム２９１の光経路または基準経路２２０に追加される。変調器（例えば、ＡＯＭ、Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）として使用される装置が関連する損失を有し、損失が多いコンポーネントを受信側に配置するか、または光増幅器の後ろに配置することは、不利であるため、周波数シフタが局部発振器（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ、ＬＯ、基準経路ともいう）側または送信側（光増幅器の前）に変調器２８２ｂとして追加される。光シフタ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｈｉｆｔｅｒ）は、光検出器２３０によって出力される電気信号の分析において、例えば、処理システム２５０でＦＦＴコンポーネントによってピックアップできる異なる周波数帯域でアップおよびダウンチャープのビート（Ｂｅａｔ）周波数が発生するように、基準信号の周波数について送信された信号（または、リターン信号）の周波数を知られている量（ΔｆＳ）ほどシフトできる。例えば、距離効果を発生させるブルーシフトがｆＢであれば、アップチャープのビート周波数は、オフセットだけ増加されてｆＢ＋ΔｆＳで表され、ダウンチャープのビート周波数は、オフセットだけｆＢ－ΔｆＳに減少される。したがって、アップチャープは、ダウンチャープよりも高い周波数帯域内にあるものであり、これによってこれらを分離する。ΔｆＳが予想したドップラー効果よりも大きければ、アップチャープおよびダウンチャープに関連する距離での曖昧さはないだろう。次に、測定されたビートは、適切なアップチャープおよびダウンチャープ距離を得るために知られたΔｆＳの正確に符号が付与された値に補正され得る。一部の実施例において、平衡検出器（Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）から由来するＲＦ信号は、ＦＦＴを介して分離される帯域とともに直接デジタル化される。一部の実施例において、平衡検出器から由来するＲＦ信号は、直接デジタル化できる低帯域（アップチャープまたはダウンチャープのうち、１つに対応）と基底帯域に電子的にダウンミックスされた（Ｄｏｗｎ－Ｍｉｘｅｄ）後、デジタル化できる高帯域（反対するチャープに対応）に分離するためにアナログＲＦ電子装置を用いて前処理される。様々なこれらの実施例は、検出された信号の帯域を使用可能なデジタイザーリソース（Ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ）に一致させる経路を提供する。一部（例えば、直接距離測定）の実施例において、変調器２８２ａは、除外される。
【0055】
図２ｂは、高解像度ドップラーシステムのための鋸歯型（Ｓａｗ Ｔｏｏｔｈ）スキャンパターンを示すブロック図である。スキャンは、（水平に）方位角（Ａｚｉｍｕｔｈ Ａｎｇｌｅ）の範囲をスイープし、傾斜角（Ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ Ａｎｇｌｅ）の範囲（０の傾斜で水平方向（Ｌｅｖｅｌ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）の上下の垂直に）をスイープする。適応型（Ａｄａｐｔｅｄ）スキャニングを含む様々なスキャンパターンが使用できる。図２ｃは、高解像度ドップラーＬＩＤＡＲシステムによって生成された例示的な速度ポイントクラウドを示すイメージである。
【0056】
図２ｄは、高解像度（Ｈｉ－ｒｅｓ）ＬＩＤＡＲシステム２００’の例示的なコンポーネントを示すブロック図である。システム２００’は、ここで議論される特徴を除いてシステム２００と類似し得る。システム２００’は、モノスタティックトランシーバ（Ｍｏｎｏｓｔａｔｉｃ Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ）を用いて構成されるコヒーレントＬＩＤＡＲシステムであり得る。システム２００’は、送信経路２２２上の単一モード光導波管２２５に沿ってサーキュレーター２２６を介してコリメート（Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ）光学器機２２９の焦点平面内に位置した単一モード光導波管２２５の先端（Ｔｉｐ）２１７の外に搬送波２０１を送信するソース２１２を含み得る。先端２１７は、コリメート光学器機２２９の焦点平面の臨界距離（例えば、約１００μｍ）内またはコリメート光学器機２２９の焦点長さの約０．１％ないし約０．５％内に位置し得る。コリメート光学器機２２９は、２重（Ｄｏｕｂｌｅｔ）、非球面または多重要素のデザインのうち、１つ以上を含み得る。光導波管の先端２１７を通り抜ける搬送波２０１は、スキャニング光学器機２１８によって角度範囲２２７にわたってスキャンされるコリメートされたターゲットビーム２０５’に光学器機２２９によって作られ得る。
【0057】
一部の実施例において、搬送波２０１は、コリメート光学器機２２９の上流にある変調器２８２ａで位相または周波数変調される。一部の実施例において、変調器２８２は除外される。オブジェクトからリターンされたビーム２９１は、スキャニング光学器機２１８によって指向され、コリメート光学器機２２９によって先端２１７上にフォーカシングされており、リターンビーム２９１が単一モード光導波管の先端２１７から受信される。次に、リターンビーム２９１は、サーキュレーター２２６によって受信経路２２４に沿って単一モード光導波管内へ、そして、リターンされたビーム２９１が局部発振器経路２２０に沿って単一モード光導波管を介して指向される基準ビーム２０７ｂと結合される光ミキサー２８４に再指向（Ｒｅｄｉｒｅｃｔ）され得る。システム２００’は、基準信号２０７ｂとリターンされたビーム２９１の最大空間モード重畳（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｏｖｅｒｌａｐ）がリターンされた信号２９１と基準ビーム２０７ｂとの間のヘテロダインミキシング（光干渉）効率を最大化するという原理のもとで動作できる。この配列は、バイスタティック（Ｂｉ－Ｓｔａｔｉｃ）ＬＩＤＡＲシステムに関連する容易ではない整列手続きを回避するのに役立つため有利である。
【0058】
図２ｅは、高解像度（Ｈｉ－ｒｅｓ）ＬＩＤＡＲシステム２００’’の例示的なコンポーネントの例示的な側面図を示すブロック図である。図２ｆは、図２ｅの高解像度（Ｈｉ－ｒｅｓ）ＬＩＤＡＲシステム２００’’の例示的なコンポーネントの上面図を示すブロック図である。システム２００’’は、ここで議論される特徴を除いてシステム２００’と類似し得る。システム２００’’のスキャニング光学器機２１８は、少なくとも１つのモーター（例えば、図２ｊに示されたモーター２５７）に結合され、回転軸２４３を中心に第１角速度（Ａｎｇｕｌａｒ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）２４９ａで回転するように構成された第１ポリゴンスキャナ２４４ａを含む。光学器機２１８は、少なくとも１つのモーターに結合され、回転軸２４３を中心に第２角速度２４９ｂで回転するように構成された第２ポリゴンスキャナ２４４ｂを含み得る。２つのポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂが示されるが、２つよりも多いポリゴンスキャナがスキャニング光学器機２１８に含まれることを特徴とする。少なくとも１つのモーターは、第１ポリゴンスキャナ２４４ａを回転させる第１モーターおよび第２ポリゴンスキャナ２４４ｂを回転させる第２モーターを含み得る。第１ポリゴンスキャナ２４４ａが回転する第１角速度２４９ａは、第１固定回転速度（Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｓｐｅｅｄ）であり得る。第２ポリゴンスキャナ２４４ｂが回転する第２角速度２４９ｂは、第２固定回転速度であり得る。第２固定回転速度は、第１固定回転速度とは異なること（例えば、より低いこと）がある。第１角速度２４９ａの第１固定回転速度は、約１０００ｒｐｍ（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ：回転毎分）ないし約５０００ｒｐｍの範囲内におり得、第２角速度２４９ｂの第２固定回転速度は、約２００ｒｐｍないし約１０００ｒｐｍの範囲内にある。第１ポリゴンスキャナ２４４ａおよび第２ポリゴンスキャナ２４４ｂは、反対方向（例えば、時計方向と反時計方向）のような異なる方向に回転することができる。例えば、第１角速度２４９ａおよび第２角速度２４９ｂは、異なる方向（例えば、時計方向と反時計方向）を有し得る。スキャナ２４４ａ、２４４ｂは、図２ｅおよび図２ｆに示されたポリゴンスキャナに限定されず、任意のタイプ（例えば、プリズム、ピラミッド、ステップ型幾何構造など）のポリゴンスキャナを含み得る。
【0059】
例示的な一実施例において、それぞれのポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂは、次の特性、すなわち、Ｃｏｐａｌ回転ミラー（Ｃｏｐａｌ Ｔｕｒｎｅｄ Ｍｉｒｒｏｒ）を有するＢｌａｃｋｍｏｒｅ（登録商標） Ｓｅｎｓｏｒｓによって製造されたもの、約２インチまたは範囲が約１インチないし約３インチの内接直径を有するもの、それぞれのミラーの高さが約０．５インチであるか、または約０．２５インチないし約０．７５インチであるもの、全体の高さが約２．５インチであるか、または約２インチないし約３インチの範囲内にあるもの、エンコーダポールペアスイッチング（Ｅｎｃｏｄｅｒ Ｐｏｌｅ－Ｐａｒｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）を有する３相ブラシレス直流（Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ、ＢＬＤＣ）モーターによって電力が供給されるもの、範囲が約１０００ｒｐｍないし約５０００ｒｐｍの範囲内の回転速度を有するもの、減少比が約５：１であり、コリメータ２２９までの距離が約１．５インチであるか、または１インチないし約２インチの範囲内にあるもののうち、１つ以上を有する。一部の実施例において、システム２００’’のスキャニング光学器機２１８は、ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂではなく、光学機器を使用できる。
【0060】
一部の一実施例において、ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂの１つ以上のパラメータは、互いに異なる。第２ポリゴンスキャナ２４４ｂの質量は、第１ポリゴンスキャナ２４４ａの質量よりも大きいことがある。ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂの外径は、ほぼ同一であるが、第１ポリゴンスキャナ２４４ａは、回転軸２４３が通過して収容されるより大きなボア（Ｂｏｒｅ）（例えば、より大きな内径）を有し得、第１ポリゴンスキャナ２４４ａの質量は、 第２ポリゴンスキャナ２４４ｂよりも小さい。第１ポリゴンスキャナ２４４ａの質量に対する第２ポリゴンスキャナ２４４ｂの質量の比は、第２角速度２４９ｂの回転速度に対する第１角速度２４９ａの回転速度の比とほぼ同一であり得る。これは有利には、回転中のポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂの間に慣性変化による純角運動量がないことを保証し、作動中にシステム２００’’の安定性を容易にすることができる。それぞれのポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂの角運動量および慣性モーメントは、次のものによって提供される。
ここで、Ｌは、それぞれのポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂの角運動量であり、Ｉは、それぞれのポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂの慣性モーメントであり、ωは、角速度２４９ａ、２４９ｂであり、ｍは、それぞれのポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂの質量であり、ｒは、回転軸２４３から質量（ｍ）の半径距離である。一実施例において、第１角速度２４９ａの第１回転速度は、第２角速度２４９ｂの第２回転速度よりも大きく、第２回転速度に対する第１回転速度の比は、約３ないし約１０の範囲内にある。この実施例において、第２回転速度に対する第１回転速度の比に基づいて第２ポリゴンスキャナ２４４ｂの質量は、第１ポリゴンスキャナ２４４ａの質量よりも大きい。したがって、第２ポリゴンスキャナ２４４ｂの慣性モーメント（Ｉ）が数式５ｂによって、第１ポリゴンスキャナ２４４ａの慣性モーメント（Ｉ）よりも大きくても、第１ポリゴンスキャナ２４４ａの角速度（例えば、回転速度）の大きさは、第２ポリゴンスキャナ２４４ｂより同じ大きさだけ大きく、したがって、ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂの角運動量（Ｌ）は、数式５ａによって大きさがほぼ同じであり、角速度２４９ａ、２４９ｂの方向が反対であるため、符号が反対である。これは有利には、システム２００’’の動作中、ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂの間に純角運動量がないか、または無視できることを保証する。
【数5】
【0061】
システム２００’’は、コリメータ２２９とスキャニング光学器機２１８（例えば、ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂ）との間に位置し、第３平面２３４（例えば、図２ｅの平面）でコリメートされたビーム２０５’の方向を調整するように構成されたスキャナ２４１を含み得る。スキャナ２４１は、第１ポリゴンスキャナ２４４ａと第２ポリゴンスキャナ２４４ｂとの間のコリメートされたビーム２０５’の方向を調整することができる。スキャナ２４１は、ビーム２０５’を第１ポリゴンスキャナ２４４ａのファセット（Ｆａｃｅｔ）２４５ａ、２４５ｂと第２ポリゴンスキャナ２４４ｂのファセット２４５ａ、２４５ｂとの間でスキャンされたビーム２３３として調整することができる。スキャナ２４１は、スキャンされたビーム２３３を三角波形を使用して第１ポリゴンスキャナ２４４ａのファセット２４５と第２ポリゴンスキャナ２４４ｂのファセット２４５との間で連続的に（例えば、毎秒５回）移動させることができる。
【0062】
スキャナ２４１がスキャンされたビーム２３３を第１ポリゴンスキャナ２４４ａのファセット２４５ａ、２４５ｂ上に指向させるとき、ファセット２４５ａ、２４５ｂは、ビーム２３３が第１ポリゴンスキャナ２４４ａに入射する第３平面２３４（例えば、図２ｅの平面）とは異なる第１平面２３５（例えば、図２ｆの平面）にビーム２３３’を偏向させ得る、図２ｊは、ビーム２３３’が第１角度から第２角度にスキャンされる下部スキャン領域２６４を定義する第１平面２３５を示す。一実施例において、第１平面２３５は、回転軸２４３と約８５度または１０５度の角度や、約４５度ないし約１５０度の範囲または約３０度ないし約１５０度の範囲内の角度を形成する。一実施例において、第２平面２３７は、回転軸２４３と約９０度の角度や、約６０度ないし約１２０度の範囲または約４０度ないし約１５０度の範囲内の角度を形成する。一実施例において、回転軸２４３を中心とした第１ポリゴンスキャナ２４４ａの回転に基づいてスキャンされたビーム２３３’は、第１ポリゴンスキャナ２４４ａのファセット２４５ａ、２４５ｂによって第１平面２３５（例えば、図２ｆの平面）内で第１角度から第２角度に偏向する。第１平面２３５（例えば、図２ｆの平面）は、第３平面２３４に対してほぼ直交し得る。この説明の目的のために、直交は、９０±２０度範囲の角度によって定義された相対的な指向（Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）を意味する。スキャナ２４１は、スキャンされたビーム２３３が第１ポリゴンスキャナ２４４ａ上に指向される期間の間、スキャンされたビーム２３３’が第１平面２３５内で第１角度から第２角度に臨界回数（例えば、１回）だけ偏向するように、十分に遅い固定されたスキャン速度でスキャンされたビーム２３３の方向を調整することができる。スキャナ２４１は、スキャン速度でスキャンされたビーム２３３の方向を第１ポリゴンスキャナ２４４ａのファセット２４５ａ、２４５ｂに向けて調整し、スキャンされたビーム２３３’が臨界回数（例えば、１回）だけ第１平面２３５内で第１角度から第２角度に偏向するように、スキャンされたビーム２３３’の位置を最小期間の間に保持し得る。
【0063】
スキャナ２４１がスキャンされたビーム２３３を第１ポリゴンスキャナ２４４ａから第２ポリゴンスキャナ２４４ｂのファセット２４５ａ、２４５ｂ上に指向させるとき、ファセット２４５ａ、２４５ｂは、ビーム２３３’をビーム２３３が第２ポリゴンスキャナ２４４ｂに入射する第３平面２３４（例えば、図２ｅの平面）と異なり、第１平面２３５と異なる第２平面２３７に偏向させる。図２ｊは、ビーム２３３’が第１角度から第２角度にスキャンされるスキャン領域２６１の上部スキャン領域２６２（図２ｋ参照）を定義する第２平面２３７を示す。一部の実施例において、スキャン領域２６１の上部スキャン領域２６２と下部スキャン領域２６４は、重畳領域２６３を有する。一実施例において、上部スキャン領域２６２と下部スキャン領域２６４は、重畳せず、したがって、重畳領域２６３がない。一実施例において、第２平面２３７は、回転軸２４３と約９０度の角度を形成する。一実施例において、回転軸２４３を中心とした第２ポリゴンスキャナ２４４ｂの回転に基づいてスキャンされたビーム２３３’は、第２ポリゴンスキャナ２４４ｂのファセット２４５ａ、２４５ｂによって第２平面２３７（例えば、図２ｆの平面）内で第１角度から第２角度に偏向する。第２角速度２４９ｂの方向は、第１角速度２４９ａの方向に反対であり得、したがって、ビーム２３３’は、（例えば、第１角度から第２角度に）第１平面２３５でスキャンされるビーム２３３’に比べて反対方向に（例えば、第２角度から第１角度に）第２平面２３７でカウンタースキャンされる（Ｃｏｕｎｔｅｒ Ｓｃａｎｎｅｄ）。第２平面２３７（例えば、図２ｆの平面）は、第３平面２３４に対してほぼ直交し得る。スキャナ２４１は、スキャンされたビーム２３３が第２ポリゴンスキャナ２４４ｂ上に指向される期間の間、スキャンされたビーム２３３’が第２平面２３７内で第１角度から第２角度に臨界回数（例えば、１回）だけ偏向するように十分に遅い固定されたスキャン速度でスキャンされたビーム２３３の方向を調整することができる。スキャナ２４１は、スキャンされたビーム２３３の方向を第２ポリゴンスキャナ２４４ｂのファセット２４５ａ、２４５ｂにスキャン速度を調整し、スキャンされたビーム２３３’が臨界回数（例えば、１回）だけ第２平面２３７内で第１角度から第２角度に偏向するように、最小期間の間、スキャンされたビーム２３３’の位置を保持し得る。
【0064】
図２ｉは、図２ｅのシステム２００’’のスキャニング光学器機２１８の一例の分解図を示す概略図である。一実施例において、スキャニング光学器機２１８は、モーター２５７に結合され得る第１ポリゴンスキャナ２４４ａおよび第１ポリゴンスキャナ２４４ａを介してモーター２５７に結合され得る第２ポリゴンスキャナ２４４ｂを含む。第１ポリゴンスキャナ２４４ａは、モーター２５７の駆動シャフト２５８および遊星ベアリング２５９に回転可能に取り付けることができる。第１ポリゴンスキャナ２４４ａは、駆動シャフト２５８および遊星ベアリング２５９を収容するためのリセス（Ｒｅｃｅｓｓ）（図示せず）を含み得る。第２ポリゴンスキャナ２４４ｂは、リングギア（Ｒｉｎｇ Ｇｅａｒ）２５２内に位置した遊星変速ギア（Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｅａｒ）２５４および駆動太陽ギア（Ｄｒｉｖｅｒ Ｓｕｎ Ｇｅａｒ）２５６を使用して第１ポリゴンスキャナ２４４ａに回転可能に取り付けることができる。リングギア２５２は、第２ポリゴンスキャナ２４４ｂの下面上のキャビティ（Ｃａｖｉｔｙ）（図示せず）内に収容され得る。ギア２５４、２５６および／またはリングギア２５２の１つ以上のパラメータ（例えば、直径、数量など）は、第２ポリゴンスキャナ２４４ｂの第２角速度２４９ｂの回転速度の大きさについての第１ポリゴンスキャナ２４４ａの第１角速度２４９ａの回転速度の大きさの比を調整するように選択され得る。例えば、比は、約３ないし約１０の範囲内にあるか、または約２ないし約２０の範囲内にあり得る。モーター２５７は、カリフォルニアトーランスに所在するＮｉｄｅｃ Ｃｏｐａｌ（登録商標） Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｉｎｃ．によって製造されることができる。変速器（例えば、ギア２５４、２５６およびリング２５２）は、グラウンドメートル平歯車（Ｇｒｏｕｎｄ Ｍｅｔｒｉｃ Ｓｐｕｒ Ｇｅａｒ）の製品のうち、選択事項と結合されたＳ１ＥＯ５ＺＭ０５Ｓ０７２内部リングギアを含むＳＤＰ／ＳＩ（登録商標）ギアによって提供され得る。
図２ｉのモーター２５７が図２ｅおよび図２ｆに示されたように、ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂのすべてが同時に（例えば、反対方向に）移動させるが、ビーム２３３’が第１期間の間、下部スキャン領域２６４にわたって第１平面２３５を介してスキャンされた後に、第１期間後第２期間の間に上部スキャン領域２６２にわたって第２平面２３７を介してスキャンされるように、ビーム２３３は、スキャナ２４１によって一度に１つのポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂ上にのみ指向され得る。
図２ｉのモーター２５７が図２ｅおよび図２ｆに示されたように、ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂのすべてが同時に（例えば、反対方向に）移動させるが、ビーム２３３’が第１期間の間、下部スキャン領域２６４にわたって第１平面２３５を介してスキャンされた後に、第１期間後第２期間の間に上部スキャン領域２６２にわたって第２平面２３７を介してスキャンされるように、ビーム２３３は、スキャナ２４１によって一度に１つのポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂ上にのみ指向され得る。
【0065】
図２ｇは、一実施例による高解像度（Ｈｉ－ｒｅｓ）ＬＩＤＡＲシステム２００’’の例示的なコンポーネントの側面図を示すブロック図である。図２ｈは、実施例による図２ｇの高解像度（Ｈｉ－ｒｅｓ）ＬＩＤＡＲシステム２００’’の例示的なコンポーネントの上面図を示すブロック図である。図２ｇおよび図２ｈのシステム２００’’は、ここで説明された特徴を除いて図２ｅおよび図２ｆを参照して説明されたものと類似し得る。単一導波管２２５および単一コリメータ２２９が第１ポリゴンスキャナ２４４ａと第２ポリゴンスキャナ２４４ｂとの間でスキャナ２４１によってスキャンされる単一のコリメートされたビーム２０５’を提供する図２ｅおよび図２ｆの実施例とは異なり、図２ｇおよび図２ｈのシステム２００’’は、一対のコリメートされたビーム２０５’を第１および第２ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂにそれぞれ提供する一対の導波管２２５ａ、２２５ｂおよび一対のコリメータ２２９ａ、２２９ｂを含む。一実施例において、図２ｇおよび図２ｈのシステム２００’’は、スキャナ２４１を排除する。レーザーソース２１２からのビーム２０１は、ビームスプリッタ（図示せず）によって導波管２２５ａ、２２５ｂに指向される２つのビーム２０１に分割され得る。システム２００’’は、それぞれの導波管２２５ａ、２２５ｂの先端で受信されるそれぞれのポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂからの個別リターンビーム２９１を収容するように受信経路２２４に２つのサーキュレーター２２６および２つの受信導波管を含み得る。図２ｇおよび図２ｈのシステム２００’’は、２つのレーザーソース２１２を含み得、それぞれの導波管２２５ａ、２２５ｂは、レーザーソース２１２のいずれかからそれぞれのビーム２０１を受信し得る。また、システム２００’’は、ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂからの個別リターンビーム２９１を処理するために２つのサーキュレーター２２６および２つの受信導波管を含み得る。図２ｇおよび図２ｈのシステム２００’’は、システム２００’’がポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂから同時リターンビーム２９１を収容するために２つの処理チャネルを含むため、第１および第２平面２３５、２３７内で、そして、それに応じて上部スキャン領域および下部スキャン領域２６２、２６４内で（例えば、反対方向に）ビーム２３３’の同時スキャニングを収容することができる。
４．コヒーレントＬＩＤＡＲシステムパラメータ
４．コヒーレントＬＩＤＡＲシステムパラメータ
【0066】
一実施例において、システム２００’、２００’’のモノスタティックコヒーレントＬＩＤＡＲ性能は、いわゆる「リンクバジェット（Ｌｉｎｋ Ｂｕｄｇｅｔ」にシステムパラメータを含むことによってモデリングされる。リンクバジェットは、様々なシステムおよびターゲットパラメータに対して信号対雑音比（ＳＮＲ）の予想値を推定する。システム側において、リンクバジェットは、出力光パワー、累積時間、検出器特性、導波管連結における挿入損失、イメージングされたスポット（Ｉｍａｇｅｄ Ｓｐｏｔ）とモノスタティック収集導波管（Ｍｏｎｏｓｔａｔｉｃ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）との間のモード重畳および光トランシーバ特性のうち、１つ以上を含み得る。ターゲット側において、リンクバジェットは、大気特性（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）、ターゲット反射率およびターゲット距離のうち、１つ以上を含み得る。
【0067】
図４ａは、一実施例によって、スキャニングなしの図２ｄのシステム２００’または図２ｅないし図２ｈのシステム２００’’でリターンされたビーム２９１についての例示的な信号対雑音比（ＳＮＲ）対ターゲット距離を示すグラフである。他の実施例において、図４ａは、図２ａのシステム２００でリターンビーム２９１についてのＳＮＲ対ターゲット距離の一例を示す。水平軸４０２は、メートル（ｍ）単位のターゲット距離である。垂直軸４０４は、デシベル（ｄＢ）単位のＳＮＲである。曲線４１０は、ニアフィールド（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ）４０６とファーフィールド（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ）に分割されたＳＮＲ対距離の値を示し、相対的に平坦な傾きを有する曲線４１０のニアフィールド４０６から負の傾き（例えば、１０ｍ当たり約－２０ｄＢ）を有する曲線４１０のファーフィールド４０８へ遷移する。リターンビーム２９１が通過する散乱する大気がターゲットまでの距離の２乗によって増加し、リターンビーム２９１を収集するための光導波管の先端２１７の表面積が固定されるため、ファーフィールド４０８におけるＳＮＲ減少は、「ｒ２乗（ｒ－ｓｑｕａｒｅ）」損失によって支配される。図４ｂは、一実施例によって、ファーフィールド４０８でＳＮＲ曲線４１０の形状をもたらす１／ｒ２乗損失を示す曲線４１１の一例を示すグラフである。水平軸４０２は、メートル（ｍ）単位の距離であり、垂直軸４０７は、単位がないパワー損失である。
【0068】
ニアフィールド４０６における、ＳＮＲの１次ドライバー（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｄｒｉｖｅｒ）は、コリメート光学器機２２９によって先端２１７にフォーカシングされる前のコリメートされたリターンビーム２９１の直径である。図４ｃは、一実施例によって、スキャニングなしの図２ｄのシステム２００’または図２ｅないし図２ｈのシステム２００’’でリターンビーム２９１に対するコリメートされたビーム直径対距離の一例を示すグラフである。水平軸４０２は、メートル（ｍ）単位のターゲット距離であり、垂直軸４０５は、メートル（ｍ）単位のリターンビーム２９１の直径である。一実施例において、曲線４１４は、リターンビーム２９１が光導波管の先端２１７でフォーカシングされる前にコリメート光学器機２２９に入射するコリメートされたリターンビーム２９１の直径を示す。曲線４１４は、コリメート光学器機２２９に入射するコリメートされたリターンビーム２９１の直径が増加するターゲット距離に応じて増加することを示す。
【0069】
一実施例において、ニアフィールド４０６でコリメートされたリターンビーム２９１の直径がより大きなターゲット距離で増加するにつれて、先端２１７でコリメート光学器機２２９によってフォーカシングされるリターンビーム２９１の直径は縮小する。図４ｄは、一実施例によって、スキャニングなしの図２ｄまたは図２ｅないし図２ｈのシステムで送信された信号についての先端２１７でのリターンビーム２９１の収集効率に関連するＳＮＲ対距離の一例を示すグラフである。水平軸４０２は、メートル（ｍ）単位のターゲット距離であり、垂直軸４０４は、デシベル（ｄＢ）単位のＳＮＲである。曲線４１６は、先端２１７でコリメート光学器機２２９によってフォーカシングされたリターンビーム２９１のニアフィールドＳＮＲをターゲット距離に基づいて示す。ニアフィールド４０６内の近い距離におけるコリメート光学器機２２９によって先端２１７でフォーカシングされたリターンビーム２９１のイメージ４１８ａは、単一モード光ファイバー先端２１７のコアサイズよりも十分に大きい。したがって、収集効率に関連するＳＮＲは、相対的に低い。ニアフィールド４０６内のより長い距離でコリメート光学器機２２９によって先端２１７でフォーカシングされたリターンビーム２９１のイメージ４１８ｂは、イメージ４１８ａよりもはるかに小さく、したがって、収集効率に起因するＳＮＲは、より長い距離で増加する。一実施例において、曲線４１６は、ニアフィールド４０６でＳＮＲがフォーカシングされたリターンビーム２９１のより長い距離で改善された収集効率に基づいて正の傾き（例えば、１０メートル当たり＋２０ｄＢ）を有することを示している。１つの実施例において、ニアフィールドＳＮＲでのこのような正の傾きは、「ｒ－２乗」損失に起因する図４ｂで議論されたニアフィールドＳＮＲでの負の傾きを相殺させ、したがって、ニアフィールド４０６での曲線４１０の相対的に平坦な領域につながる。図４ｄのＳＮＲ曲線４１６内の正の傾きは、ファーフィールド４０８まで延長されず、したがって、ファーフィールド４０８におけるＳＮＲ曲線４１０に示されたように、図４ｂの「ｒ－２乗」損失がファーフィールド４０８のＳＮＲを支配する。
【0070】
図４ａないし図４ｄに係る議論においては、リターンビーム２９１のＳＮＲをターゲット距離の関数として予想するが、図４ａないし図４ｄで予想されるＳＮＲは、これがスキャニング光学器機２１８のスキャンレート（Ｓｃａｎ Ｒａｔｅ）を考慮しないため、スキャンされたモノスタティックコヒーレントＬＩＤＡＲシステム２００’、２００’’の性能を完全に特徴化しない。一実施例において、リターンビーム２９１の往復移動遅延（Ｒｏｕｎｄ Ｔｒｉｐ Ｄｅｌａｙ）によって、ビームがスキャニング光学器機２１８によってスキャンされているときに、リターンビーム２９１の受信モードは、送信されたビーム２０５’の送信されたモードから左右にシフトするか、または「離脱（Ｗａｌｋ Ｏｆｆ）」するであろう。図４ｅは、一実施例によって、図２ｄのシステム２００’または図２ｅないし図２ｈのシステム２００’’で様々なターゲット距離およびスキャン速度（例えば、ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂの固定スキャン速度）についてのビーム離脱の一例を示すイメージである。水平軸４０２は、ターゲット距離であり、垂直軸４２２は、スキャニング光学器機２１８を用いたビームのスキャン速度である。図４ｅが示すように、フォーカシングされたリターンビーム２９１のイメージ４１８ａが光ファイバー先端２１７に集中されて短いターゲット距離でビーム離脱がないことを示し、フォーカシングされたリターンビーム２９１のイメージ４１８ｂも光ファイバー先端２１７に集中されて遠いターゲット距離でビーム離脱がないことを示すため、ビームがスキャンされないとき（下部行）には、ビーム離脱はない。ビームが中間スキャン速度でスキャニングされるとき（図４ｅの中間行）、フォーカシングされたリターンビーム２９１のイメージ４１８ａと光ファイバー先端２１７との間に中間ビーム離脱４１９ａが観察され、フォーカシングされたリターンビーム２９１のイメージ２１８ｂと光ファイバー先端２１７との間でより大きいビーム離脱４１９ｂが観察される。ビームが高いスキャン速度でスキャニングされるとき（図４ｅの上部行）、中間スキャン速度のビーム離脱４１９ａを超過するビーム離脱４２１ａが短い距離で観察され、中間スキャン速度のビーム離脱４１９ｂを超過するビーム離脱４２１ｂが長い距離で観察される。したがって、ビーム離脱は、ターゲット距離とスキャン速度が増加するにつれて増加する。一実施例において、増加したターゲット距離は、時間遅延を誘発し、その間にイメージ４１８ａ、４１８ｂは、光ファイバーコアの先端２１７から遠く移動する。したがって、モード重畳のモデルは、この離脱を適切にみなす。１つの実施例において、このようなモデルは、ビーム離脱４１９をイメージ４１８の直径に基づいて（例えば、イメージ４１８の直径の半分よりも大きくないように）制限するべきである。
【0071】
図４ｆは、一実施例によって図２ｄのシステム２００’または図２ｅないし図２ｈのシステム２００’’における様々なスキャンレートに対するカップリング効率対ターゲット距離の一例を示すグラフである。水平軸４０２は、メートル（ｍ）単位のターゲット距離であり、垂直軸４３０は、単位がないカップリング効率である。一実施例において、カップリング効率は、ビーム離脱４１９に反比例する。第１曲線４３２ａは、ビームのスキャニングがないことに基づいて光ファイバー先端２１７にフォーカシングされたリターンビーム２９１の様々なターゲット距離についてのカップリング効率を示す。カップリング効率は、広い範囲のターゲット距離について相対的に高く、一定の状態を保持する。第２曲線４３２ｂは、ビームの中間スキャンレートに基づいて光ファイバー先端２１７にフォーカシングされたリターンビーム２９１の様々なターゲット距離についてのカップリング効率を示す。一実施例において、中間スキャンレートでカップリング効率は、中間ターゲット距離（例えば、約１２０ｍ）でピークに到逹した後、ターゲット距離が増加するにつれて減少する。第３曲線４３２ｃは、ビームの高いスキャンレートに基づいて光ファイバー先端２１７にフォーカシングされたリターンビーム２９１のカップリング効率を様々なターゲット距離について示す。一実施例において、高いスキャンレートのカップリング効率は、低いターゲット距離（例えば、約８０ｍ）でピークに到逹した後、ターゲット距離が増加するにつれて減少する。
【0072】
図４ｆにおける曲線に基づくと、速すぎるスキャンは、結局一部のターゲット距離越しを見ることを不可能にすることができる。この場合に、フォーカシングされたリターンビーム２９１のイメージ４１８ｂは、光ファイバー先端２１７にカップリングされず、代わりに先端２１７の受信機モード（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｍｏｄｅ）から完全に離脱する。図４ｇは、一実施例によって、図２ｄのシステム２００’または図２ｅないし図２ｈのシステム２００’’で様々なスキャンレートに対するＳＮＲ対ターゲット距離の一例を示すグラフである。水平軸４０２は、メートル（ｍ）単位のターゲット距離であり、垂直軸４０４は、デシベル（ｄＢ）単位のＳＮＲである。第１曲線４４０ａは、ビームがスキャンされないターゲット距離に基づいた光ファイバー先端２１７にフォーカシングされたリターンビーム２９１のＳＮＲをターゲット距離に基づいて示す。第２曲線４４０ｂは、ビームが中間スキャンレートでスキャンされるターゲット距離に基づいた光ファイバー先端２１７にフォーカシングされたリターンビーム２９１のＳＮＲをターゲット距離に基づいて示す。例示的な一実施例において、中間スキャンレートは、約２５００度／秒（度毎秒）や、約１０００度／秒ないし約４０００度／秒の範囲内にまたは約５００度／秒ないし約５０００度／秒の範囲内にある。第３曲線４４０ｃは、ビームが高いスキャンレートでスキャンされるターゲット距離に基づいた光ファイバー先端２１７にフォーカシングされたリターンビーム２９１のＳＮＲをターゲット距離に基づいて示す。例示的な一実施例において、高いスキャンレートは、約５５００度／秒や、約４０００度／秒ないし約７０００度／秒の範囲内にまたは約３０００度／秒ないし約８０００度／秒の範囲内にある。一実施例において、中間スキャンレートと高いスキャンレートは、ビームの大きさとシステムの目的に基づく。一実施例において、中間スキャンレートと高いスキャンレートは、図２ｉのスキャニング光学器機２１８のギア装置構造（Ｇｅａｒｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に基づき、例えば、ポリゴンスキャナ２４４ａが高いスキャン速度で回転し、ポリゴンスキャナ２４４ｂが中間スキャン速度で回転し、中間スキャンレートについての高いスキャンレートの比は、図２ｉのギアの構造に基づく。例示的な一実施例において、前述した中間スキャンレートと高いスキャンレートの数値範囲は、約２００メートル（ｍ）の最大ターゲット距離までイメージをスキャンするために使用される約１センチメートル（ｃｍ）の直径を有するコリメートされたビームに基づく。
【0073】
ビームのスキャンレートに加えてリターンビーム２９１のＳＮＲは、獲得システム２４０および／または処理システム２５０がリターンビーム２９１をサンプリングして処理する時間である累積時間によって影響を受ける。一部の実施例において、ビームは、離散角度（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ａｎｇｌｅｓ）の間にスキャンされ、それぞれの離散角度でそれぞれの累積時間の間、角度範囲２２７内の離散角度で固定された状態、またはほぼ固定された状態に保持される。リターンビーム２９１のＳＮＲは、累積時間の値とターゲット距離によって影響を受ける。前述のように、ビームの断面積は、ターゲット距離に応じて増加し、増加した大気散乱をもたらし、したがって、リターンビーム２９１の強度は、距離増加に応じて減少する。したがって、より長いターゲット距離からリターンビーム２９１について同じＳＮＲを実現するためにより長い累積時間が必要である。
【0074】
図４ｈは、一実施例によって、図２ｄのシステム２００’または図２ｅないし図２ｈのシステム２００’’で様々な累積時間に対するＳＮＲ対ターゲット距離の一例を示すグラフである。水平軸４０２は、メートル（ｍ）単位のターゲット距離であり、垂直軸４０４は、デシベル（ｄＢ）単位のＳＮＲである。第１曲線４５０ａは、ターゲット距離にわたるリターンビーム２９１のＳＮＲ値を示し、ここで、システム２００’、２００’’は、第１累積時間（例えば、３．２μｓ）に設定される。第２曲線４５０ｂは、ターゲット距離にわたるリターンビーム２９１のＳＮＲ値を示し、ここで、システム２００’、２００’’は、第２累積時間（例えば、１．６μｓ）に設定される。第３曲線４５０ｃは、ターゲット距離にわたるリターンビーム２９１のＳＮＲ値を示し、ここで、システム２００’、２００’’は、第３累積時間（例えば、８００ｎｓ）に設定される。第４曲線４５０ｄは、ターゲット距離にわたるリターンビーム２９１のＳＮＲ値を示し、ここで、システム２００’、２００’’は、第４累積時間（例えば、４００ｎｓ）に設定される。曲線４５０は、固定されたターゲット距離について累積時間の増加に応じて増加したＳＮＲが実現されることを示している。また、曲線４５０は、固定された累積時間についてリターンビーム２９１のＳＮＲが以前に議論された理由で距離増加に応じて減少することを示している。一実施例において、ＬＩＤＡＲシステム２００’’は、固定された累積時間に関連するＳＮＲがターゲット距離にわたるＳＮＲしきい値４５２を超過するように、角度範囲２２７および結果的なターゲット距離におけるスキャニングのために固定された累積時間（例えば、１．６μｓ）を選択する。一部の実施例において、システム２００’’は、それぞれの角度におけるターゲット距離を用いて角度範囲２２７内のそれぞれの角度で累積時間を最小化し、角度範囲２２７にわたって累積時間を最小化する。図４ｉは、一実施例によって図２ｄのシステム２００’または図２ｅないし図２ｈのシステム２００’’で測定速度（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｒａｔｅ）対ターゲット距離の一例を示すグラフである。水平軸４０２は、メートル（ｍ）単位のターゲット距離であり、垂直軸４７４は、毎秒許容可能な測定回数単位の単位時間当たり許容可能な測定回数である。曲線４７６は、それぞれのターゲット距離における毎秒許容可能な測定回数を示す。一実施例において、曲線４７６は、累積時間の逆数、例えば、毎秒それぞれのターゲット距離で検出されることができるリターンビーム２９１の数を示し、累積時間は、それぞれのターゲット距離でリターンビーム２９１を処理するのにどのくらいの時間がかかるかを示す。また、曲線４７８が提供され、これは、それぞれのターゲット距離で毎秒許容可能な測定回数の良い目標である。曲線４７８は、与えられたＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）レートについての２の累乗間隔に基づく。曲線４７８は、デジタル化されたサンプルの数が２の累乗であるとき、このような長さ信号についての高速フーリエ変換がより効率的であるため、毎秒許容可能な測定回数の良い目標を示す。
５．車両制御概要
５．車両制御概要
【0075】
一部の実施例において、車両は、車両に取り付けられた高解像度ドップラーＬＩＤＡＲシステムから受信されたデータに基づいて車両が少なくとも部分的に制御される。
【0076】
図３ａは、一実施例によって車両３１０に取り付けられた少なくとも１つの高解像度ドップラーＬＩＤＡＲシステム３２０を含む例示的なシステム３０１を示すブロック図である。ＬＩＤＡＲシステム３２０は、ＬＩＤＡＲシステム２００、２００’、２００’’の特徴を含み得る。車両は、星３１１に表示された質量中心を有し、矢印３１３によって与えられた前方方向に移動する。一部の実施例において、車両３１０は、処理システム２５０の車両制御モジュール２７２のようなプロセッサの信号に応答して動作される操向または制動システム（図示せず）のようなコンポーネントを含む。一部の実施例において、車両は、図８に示されたチップセットのようなオン－ボード（Ｏｎ－Ｂｏａｒｄ）プロセッサ３１４を有する。一部の実施例において、オン－ボードプロセッサ３１４は、図７に示されたように、遠隔プロセッサと有線または無線で通信する。一実施例において、ＬＩＤＡＲシステムの処理システム２５０がオン－ボードプロセッサ３１４と通信可能に結合されたり、ＬＩＤＡＲの処理システム２５０は、車両制御モジュール２７２が処理システム２５０にとって車両の方向および速度を制御するために車両の操向または制動システムに１つ以上の信号を送信するように、オン－ボードプロセッサ３１４の動作を実行するのに使用される。高解像度ドップラーＬＩＤＡＲは、方位角視野３２４だけでなく、車両３１０周辺のスポット（Ｓｐｏｔｓ）を照明する垂直角度（図３ｂ）を介して一方の側から将来（Ｆｕｔｕｒｅ）のビーム３２３によって表示される他の側にスイープ（Ｓｗｅｅｐ）するスキャニングビーム３２２を使用する。一部の実施例において、視野は、３６０度の方位角である。一部の実施例において、傾斜角の視野は、約＋１０度ないし約－１０度か、もしくはこれの部分集合である。一実施例において、視野３２４は、上部スキャン領域２６２と下部スキャン領域２６４を含む。この実施例において、スキャニングビーム３２２は、図２ｅおよび図２ｆまたは図２ｇおよび図２ｈのシステム２００’’のビーム２３３’’と類似の方式でスキャンされ、例えば、スキャニングビーム３２２は、第２ポリゴンスキャナ２４４ｂによって上部スキャン領域２６２内の視野３２４にわたってスキャンされ、スキャニングビーム３２２は、また第１ポリゴンスキャナ２４４ａによって下部スキャン領域２６４内の視野３２４にわたってスキャンされる。図２ｅおよび図２ｆのシステム２００’’のような１つの例示的な実施例において、スキャニングビーム３２２は、分離された期間で上部スキャン領域２６２と下部スキャン領域２６４にわたってスキャニングされる。図２ｇおよび図２ｈのシステム２００’’のような他の例示的な実施例において、スキャニングビーム３２２は、上部スキャン領域２６２と下部スキャン領域２６４にわたって同時にスキャンされる。他の例示的な実施例において、スキャニングビーム３２２は、上部スキャン領域２６２と下部スキャン領域２６４にわたって反対方向にスキャンされる（カウンタースキャン）。
【0077】
一部の実施例において、車両は、ＧＰＳセンサ、走行距離計（Ｏｄｏｍｅｔｅｒ）、回転速度計（Ｔａｃｈｏｍｅｔｅｒ）、温度センサ、真空センサ、電圧または電流センサのような補助的なセンサ（図示せず）を含む。一部の実施例において、回転情報を提供するためにジャイロスコープ３３０が含まれる。
【0078】
図３ｂは、一実施例によって、車両３１０に取り付けられた少なくとも１つの高解像度ＬＩＤＡＲシステム３２０を含む例示的なシステム３０１’を示すブロック図である。ＬＩＤＡＲシステム３２０は、システム２００またはシステム２００’の特徴を含み得る。車両３１０は、矢印３１３に基づく前方方向に地面３４９（例えば、道路）上に移動し得る。一実施例において、ビーム２３３’がポリゴンスキャナ２４４ａによって第１角度から第２角度にスキャンされる下部スキャン領域２６４を定義する第１平面２３５が示される。また、ビーム２３３’がポリゴンスキャナ２４４ｂによって第１角度から第２角度にスキャンされる上部スキャン領域２６２を定義する第２平面２３７が示される。一実施例において、システム２００’’は、上限３４７と交差する第１平面２３５’にわたってビーム２３３’をスキャンするのに使用できる。この例示的な実施例において、スキャニング光学器機２１８は、第１ポリゴンスキャナ２４４ａが第２ポリゴンスキャナ２４４ｂの上に位置し、第１ポリゴンスキャナ２４４が第１平面２３５’にわたってビームをスキャンするように、図２ｊに示された配列から反転されたものである。１つの実施例において、第１平面２３５、２３５’は、地面３４９および上限３４７と整列せず、代わりに角度の範囲内に（例えば、矢印３１３の±１０度以内および／または第２平面２３７の±１０度以内に）指向される。
【0079】
システム３０１’を設計することにおいて、それぞれの平面２３５、２３７でビームのあらかじめ定められた最大設計距離が決定され得、それぞれの平面２３５、２３７における最大予想ターゲット距離を示し得る。１つの実施例において、あらかじめ定められた最大設計距離は、それぞれの平面２３５、２３７について固定された値または固定された範囲の値である。一実施例において、第１平面２３５は、地面３４９に向かって指向され、車両３１０からの一部最大設計距離内で地面３４９と交差する。したがって、第１平面２３５について、システム３２０は、地面３４９を超えて位置するターゲットを考慮しない。一実施例において、第１平面２３５は、矢印３１３について約－１５度か、約－２５度ないし約－１０度の範囲内にある角度を形成し、最大設計距離は、約４メートル（ｍ）か、約１ｍないし約１０ｍの範囲内にあるか、または約２ｍないし約６ｍの範囲内にある。一実施例において、第１平面２３５’が空に向かって指向され、車両３１０からの一部最大設計距離内で上限３４７を交差する。したがって、第１平面２３５’についてシステム３２０は、上限３４７の上に位置したターゲットを考慮しない。一実施例において、上限３４７は、（例えば、０ｍの高度を定義する）地面３４９から約１２ｍの高度または約８ｍないし１５ｍの範囲内の高度におり、第１平面２３５’は、矢印３１３について約１５度か、約１０度ないし約２０度の範囲内にある角度を形成し、最大設計距離は、約７ｍか、約４ｍないし約１０ｍの範囲内にあるか、または約１ｍないし約１５ｍの範囲内にある。
【0080】
一実施例において、第２平面２３７は、矢印３１３とほぼ平行に指向され、車両３１０から最大設計距離に位置するターゲット３４３と交差する。１つの例示的な実施例において、図３ｂは、尺度に合わせて作図されておらず、ターゲット３４３は、示されたものよりも車両３１０からはるかに遠い距離に位置する。この説明の目的であって、「ほぼ平行に（Ａｂｏｕｔ Ｐａｒａｌｌｅｌ）」は、矢印３１３の約±１０度以内または約±１５度以内を意味する。例示的な一実施例において、第２平面２３７内のターゲット３４３の最大設計距離は、約２００ｍか、約１５０ｍないし約３００ｍの範囲内にあるか、または約１００ｍないし約５００ｍの範囲内にある。
６．コヒーレントＬＩＤＡＲシステムでスキャンパターンを最適化するための方法
６．コヒーレントＬＩＤＡＲシステムでスキャンパターンを最適化するための方法
【0081】
図５は、自律走行車でＬＩＤＡＲシステムのスキャンパターンを最適化するための例示的な方法５００を示すフローチャートである。ステップが図５および図６で例示的目的で特定手順による統合ステップとして示されるが、１つ以上のステップまたはその一部は、異なる手順で行われるか、直列または並列に時間的に重畳して行われたり、省略されたりすることができ、または複数の追加のステップが追加されたり、方法がいくつかの組み合わせ方式に変更される。
【0082】
ステップ５０１において、ターゲット距離の値に基づいてターゲットによって反射され、ＬＩＤＡＲシステムによって検出された信号の第１ＳＮＲ値を示すデータがプロセッサから受信され、第１ＳＮＲ値は、ＬＩＤＡＲシステムのスキャンレートのそれぞれの値についてのものである。一実施例において、ステップ５０１におけるデータは、システム２００’’内の光ファイバー先端２１７上にフォーカシングされたリターンビーム２９１の第１ＳＮＲ値である。一実施例において、データは、リターンビーム２９１のＳＮＲ値を示す曲線４４０ａおよび／または曲線４４０ｂおよび／または曲線４４０ｃの値を含み、それぞれの曲線４４０は、ビームのスキャンレートのそれぞれの値についてのものである。一部の実施例において、データは、曲線４４０ａ、４４０ｂ、４４０ｃに限定されず、図４ｇに示されたものよりも少ないか、または多くの曲線のＳＮＲ値を含み、それぞれのＳＮＲ曲線は、スキャンレートのそれぞれの値に基づく。一部の実施例において、データは、スキャンレートのそれぞれの個別値（Ｅａｃｈ Ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ Ｖａｌｕｅ）についてターゲット距離にわたって曲線を形成するのに使用できるＳＮＲ値を含む。例示的な一実施例において、ステップ５０１におけるデータは、処理システム２５０のメモリに格納され、第１ＳＮＲ値のそれぞれの集合は、ＬＩＤＡＲシステムのスキャンレートの関連する値とともに格納される。１つの実施例において、ステップ５０１における第１ＳＮＲ値は、（例えば、自動車の場合）約０メートルないし約５００メートルの範囲にわたって、または（例えば、飛行中の飛行体の場合）約０メートルないし約１０００メートルの範囲で約２０００度／秒ないし約６０００度／秒または約１０００度／秒ないし約７０００度／秒の範囲内のスキャンレート値に対して獲得される。一部の実施例において、第１ＳＮＲ値は、あらかじめ決定され、ステップ５０１でプロセッサによって受信される。他の実施例において、第１ＳＮＲ値は、ＬＩＤＡＲシステムによって測定された後に、ステップ５０１でプロセッサによって受信される。１つの実施例において、データは、入力装置７１２を用いてステップ５０１で入力され、および／または近距離通信網７８０、インターネット７９０または外部サーバー７９２からネットワークリンク７７８を介して処理システム２５０のメモリ７０４にアップロードされる。
【0083】
ステップ５０３において、ターゲットの距離の値に基づいてターゲットによって反射され、ＬＩＤＡＲシステムによって検出された信号の第２ＳＮＲ値を示すデータがプロセッサから受信され、第２ＳＮＲ値は、ＬＩＤＡＲシステムの累積時間のそれぞれの値についてのものである。一実施例において、ステップ５０３におけるデータは、ビームが獲得システム２４０および／または処理システム２５０によってそれぞれの累積時間についてのシステム２００’’でフォーカシングされたリターンビーム２９１の第２ＳＮＲ値である。１つの実施例において、データは、リターンビーム２９１のＳＮＲ値を示す曲線４５０ａおよび／または曲線４５０ｂおよび／または曲線４５０ｃおよび／または曲線４５０ｄの値を含み、それぞれの曲線４５０は、ビームが獲得システム２４０および／または処理システム２５０によって処理される累積時間のそれぞれの値についてのものである。一部の実施例において、データは、曲線４５０ａ、４５０ｂ、４５０ｃ、４５０ｄに限定されず、図４ｈに示されたものよりも少ないか、またはより多い曲線を含み、それぞれのＳＮＲ曲線は、累積時間のそれぞれの値に基づく。一部の実施例において、データは、曲線である必要はなく、代わりに累積時間のそれぞれの個別値についてターゲット距離にわたって曲線を形成するのに使用されるＳＮＲ値である。一実施例において、ステップ５０３におけるデータは、処理システム２５０のメモリに格納され、第２ＳＮＲ値のそれぞれの集合は、ＬＩＤＡＲシステムの累積時間の関連する値とともに格納される。１つの実施例において、ステップ５０３における第２ＳＮＲ値は、（例えば、自動車の場合）約０メートルないし約５００メートルの範囲にわたって、または（例えば、飛行中の飛行体の場合）約０メートルないし約１０００メートルの範囲で約１００ナノ秒（ｎｓ）ないし約５マイクロ秒（μｓ）の累積時間値に対して獲得される。一部の実施例において、第２ＳＮＲ値は、あらかじめ定められ、ステップ５０３でプロセッサによって受信される。一部の実施例において、第２ＳＮＲ値は、ＬＩＤＡＲシステムによって測定された後に、ステップ５０３でプロセッサによって受信される。１つの実施例において、データは、入力装置７１２を用いてステップ５０３で入力され、および／または近距離通信網７８０、インターネット７９０または外部サーバー７９２からネットワークリンク７７８を介して処理システム２５０のメモリ７０４にアップロードされる。
【0084】
ステップ５０５において、角度範囲３２４を定義する第１角度および第２角度を示すデータがプロセッサから受信される。１つの実施例において、ステップ５０５における第１角度および第２角度は、第１平面２３５によって定義される（例えば、第１および第２角度が矢印３１３について測定される）下部スキャン領域２６４の角度範囲３２４を定義する。他の実施例において、ステップ５０５における第１角度および第２角度は、第２平面２３７によって定義される上部スキャン領域２６２の角度範囲３２４を定義する。一実施例において、第１角度および第２角度は、矢印３１３について対称であり、例えば、第１角度および第２角度は、同じであるが、互いに反対である。一実施例において、第１角度および第２角度は、矢印３１３について約±６０度であり、例えば、矢印３１３についての約±６０度が角度範囲３２４を定義する。一部の実施例において、第１および第２角度は、矢印３１３について約±３０度、約±４０度および約±５０度である。１つの実施例において、ステップ５０１、５０３および５０５は、１つのステップで同時に行われ、ここで、ステップ５０１、５０３および５０５のデータは、１つの同時ステップでプロセッサによって受信される。
【0085】
ステップ５０７において、上部および下部スキャン領域２６２、２６４を定義するそれぞれの平面２３５、２３７に沿ってターゲットの最大設計距離を示すデータがプロセッサから受信される。一実施例において、ステップ５０７で受信された最大設計距離は、上部および下部スキャン領域２６２、２６４を定義するそれぞれの平面２３５、２３７について固定された値または固定された範囲の値である。１つの実施例において、ステップ５０７における第１平面２３５についての最大設計距離は、約１ｍないし約１５ｍまたは約４ｍないし約１０ｍの範囲内にある。一部の実施例において、ステップ５０７における第２平面２３７についての最大設計距離は、約１５０ｍないし約３００ｍの範囲または約１００ｍないし約４００ｍの範囲内にある。
【0086】
１つの例示的な実施例において、ステップ５０７のデータは、入力装置７１２（例えば、マウスまたはポインティング装置７１６）を用いて入力され、および／またはネットワークリンク７７８を介して処理システム２５０にアップロードされる。一部の実施例において、最大設計距離は、あらかじめ定められ、ステップ５０７の間に受信される。一部の実施例において、システム２００、２００’、２００’’は、それぞれの平面２３５、２３７で最大設計距離を測定するために使用された後に、それぞれの平面２３５、２３７における最大設計距離は、処理システム２５０によってステップ５０７で受信される。
【0087】
ステップ５０９において、ＬＩＤＡＲシステムのＳＮＲが最小ＳＮＲしきい値よりも大きいように、ＬＩＤＡＲシステムの最大スキャンレートが第１平面２３５で決定される。第１平面２３５における、その平面についての最大設計距離がステップ５０７で受信されたデータに基づいて先に決定される。次に、ステップ５０１で受信された第１ＳＮＲ値が第１平面２３５における最大設計距離について決定され、前記第１ＳＮＲ値のいずれが最小ＳＮＲしきい値を超過するのかがさらに決定される。１つの実施例において、曲線４４０ａ、４４０ｂ、４４０ｃの値が最大設計距離（例えば、約１２０ｍ）について決定され、曲線４４０ａ、４４０ｂの値は、最小ＳＮＲしきい値４４２を超過することがさらに決定される。最小ＳＮＲしきい値を超過する第１ＳＮＲ値のうち、最大スキャンレートを有する第１ＳＮＲ値が選択され、平面２３５についての最大スキャンレートがステップ５０９で決定される。前記実施例において、最大設計距離（例えば、約１２０ｍ）で最小ＳＮＲしきい値４４２を超過する曲線４４０ａ、４４０ｂの値のうち、曲線４４０ｂ値が最大スキャンレートとして選択され、ステップ５０９で平面２３５についての最大スキャンレート（例えば、曲線４４０ｂに関連する中間スキャンレート）が決定される。ステップ５１１において、ステップ５０９が繰り返されるが、第２平面２３７についての最大スキャンレートが決定される。
【0088】
一実施例において、図４ｇは、より小さな最大設計距離を有する第１平面２３５に対してステップ５０９で決定された最大スキャンレート（例えば、曲線４４０ｃに基づく速いスキャンレート）がステップ５１１で決定されたより大きな最大設計距離を有する第２平面２３７についての最大スキャンレート（例えば、曲線４４０ｂに基づく中間スキャンレート）よりも大きいことを示す。したがって、（例えば、下部スキャン領域２６４に沿って第１平面２３５からビーム２３３’をスキャンする）第１ポリゴンスキャナ２４４ａの回転速度は、（例えば、上部スキャン領域２６２に沿って第２平面２３７からビーム２３３’をスキャンする）第２ポリゴンスキャナ２４４ｂの回転速度よりも大きく設定される。例示的な一実施例において、スキャニング光学器機２１８のギア装置構造（図２ｉ）は、第２ポリゴンスキャナ２４４ｂの回転速度に対する第１ポリゴンスキャナ２４４ａの回転速度の比がステップ５０９および５１１に基づいて適切な値を有するように配列される。一実施例において、ステップ５０９および５１１で最大スキャンレートを決定するステップは、光ファイバー先端２１７上のリターンビーム２９１のビーム離脱４１９（図４ｅ）が先端２１７上のリターンビーム２９１のイメージ４１８の直径の比よりも小さいことを保証する。例示的な一実施例において、比は、約０．５か、約０．３ないし約０．７の範囲内にある。
【0089】
ステップ５１３において、ＬＩＤＡＲシステムのＳＮＲが最小ＳＮＲしきい値よりも大きいように、第１平面２３５におけるＬＩＤＡＲシステムの最小累積時間が決定される。第１平面２３５において、その平面についての最大設計距離がステップ５０７で受信されたデータに基づいて先に決定される。次に、ステップ５０３で受信された第２ＳＮＲ値が第１平面２３５における最大設計距離に対して決定され、前記第２ＳＮＲ値のいずれが最小ＳＮＲしきい値を超過するのかがさらに決定される。１つの実施例において、曲線４５０ａ、４５０ｂ、４５０ｃ、４５０ｄの値が最大設計距離（例えば、約１２０ｍ）に対して決定され、曲線４５０ａ、４５０ｂ、４５０ｃの値が最小ＳＮＲしきい値４５２を超えていると決定される。最小ＳＮＲしきい値を超過する第２ＳＮＲ値のうち、最小累積時間を有する第２ＳＮＲ値が選択され、その平面２３５についての最小累積時間がステップ５１３で決定される。前記実施例において、最大設計距離（例えば、約１２０ｍ）で最小ＳＮＲしきい値４５２を超過する曲線４５０ａ、４５０ｂ、４５０ｃの値のうち、曲線４５０ｃの値が最小累積時間を有するものとして選択され、平面２３５についての最小累積時間（例えば、約８００ｎｓ）がステップ５１１で決定される。ステップ５１５は、第２平面２３７についての最小累積時間を決定するためにステップ５１３を繰り返すことを含む。
【0090】
ステップ５１７において、ステップ５０９の最大スキャンレートとステップ５１３の最小累積時間に基づいて下部スキャン領域２６４のスキャンパターンがＬＩＤＡＲシステムによって定義される。一実施例において、最大スキャンレートおよび最小累積時間は、下部スキャン領域２６４にわたって固定される。例示的な一実施例において、スキャンパターンは、処理システム２５０のメモリ（例えば、メモリ７０４）に格納される。ステップ５１９において、上部スキャン領域２６２のスキャンパターンがステップ５１１の最大スキャンレートとステップ５１５の最小累積時間に基づいて定義される。
【0091】
ステップ５２１において、ＬＩＤＡＲシステムは、ステップ５１７および５１９で決定されたスキャンパターンに応じて動作する。一実施例において、ステップ５１９におけるＬＩＤＡＲシステムのビームは、下部スキャン領域２６４および上部スキャン領域２６２にわたって視野３２４内にスキャンされる。一部の実施例において、ステップ５２１は、図２ｅおよび図２ｆのシステム２００’’を用いて、スキャナ２４１が第１ポリゴンスキャナ２４４ａから第２ポリゴンスキャナ２４４ｂにビーム２３３を移動させることによって、ビーム２３３’を下部スキャン領域２６４と上部スキャン領域２６２にわたって順次にスキャンすることを含む。他の実施例において、ステップ５２１は、図２ｇおよび図２ｈのシステム２００’’を用いて、下部スキャン領域２６４および上部スキャン領域２６２にわたってビーム２３３’を同時にスキャンすることを含む。一実施例において、ステップ５２１におけるビーム２３３’が反対方向にスキャンされるため、ビーム２３３’は、上部スキャン領域２６２および下部スキャン領域２６４にわたってカウンタースキャンされる。これは有利には、スキャナ２４４ａ、２４４ｂのカウンターローテーション（Ｃｏｕｎｔｅｒ Ｒｏｔａｔｉｏｎ）によってステップ５２１の間、スキャニング光学器機２１８の慣性が変化したことに起因して純結果モーメント（Ｎｅｔ Ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ Ｍｏｍｅｎｔ）を改善する。一実施例において、ステップ５２１におけるビームは、１つ以上のサイクルの間、上部スキャン領域２６２と下部スキャン領域２６４を介してスキャンされ、それぞれの領域２６２、２６４でビームのスキャンレートは、その領域２６２、２６４（例えば、平面２３５、２３７）についてのスキャンパターンで最大スキャンレートであり、それぞれの領域２６２、２６４でＬＩＤＡＲシステムの累積時間は、その領域２６２、２６４（例えば、平面２３５、２３７）についての最小累積時間である。
【0092】
ステップ５２１の間またはその後に、プロセッサは、ステップ５２１の間、ＬＩＤＡＲシステムによって収集されたデータに少なくとも部分的に基づいて車両３１０を作動させることができる。１つの実施例において、ＬＩＤＡＲシステムの処理システム２５０および／または車両３１０のプロセッサ３１４は、ステップ５２１でＬＩＤＡＲシステムによって収集されたデータに基づいて車両の操向および／または制動システムに１つ以上の信号を送信する。１つの例示的な実施例において、処理システム２５０は、ＬＩＤＡＲデータに応答し、車両３１０の位置を制御するために車両３１０の操向または制動システムに１つ以上の信号を送信する。一部の実施例において、処理システム２５０は、ステップ５２１で収集されたＬＩＤＡＲデータに基づいて車両３１０のプロセッサ３１４に１つ以上の信号を送信し、これによって、プロセッサ３１４は、車両３１０の操向および制動システムに１つ以上の信号を送信する。
【0093】
図６は、一実施例によって自律車でＬＩＤＡＲシステム２００’’を作動させるための例示的な方法６００を示すフローチャートである。ステップ６０１でビーム２０１は、レーザーソース２１２から生成される。一実施例において、ステップ６０１におけるビーム２０１は、送信導波管２２５内にカップリングされ、導波管２２５の先端２１７から送信される。一部の実施例において、ステップ６０１でビーム２０１は、ビームスプリッタ（図示せず）を使用して分割され、個別ビームは、導波管２２５ａ、２２５ｂ内に指向され、導波管２２５ａ、２２５ｂの先端２１７から送信される。一部の実施例において、ステップ６０１で２つのレーザーソース２１２が提供され、それぞれのレーザーソース２１２は、それぞれの導波管２２５ａ、２２５ｂに指向されるそれぞれのビーム２０１を生成する。
【0094】
ステップ６０３において、ビームは、コリメータ２２９を用いて作られ、コリメートされたビーム２０５’を形成する。一実施例において、ステップ６０３におけるビームは、コリメータ２２９を用いて作られ、第３平面２３４（例えば、図２ｅおよび図２ｇの平面）内に指向されたコリメートされたビーム２０５’を形成する。一部の実施例において、ステップ６０３で個別ビームが導波管２２５ａ、２２５ｂの先端２１７から送信され、それぞれのコリメータ２２９ａ、２２９ｂは、ビームを第３平面２３４（例えば、図２ｇの平面）内に指向されたそれぞれのコリメートされたビーム２０５’にコリメートする。一実施例において、ステップ６０３におけるコリメートされたビーム２０５’は、ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂのいずれかに向かう方向（図２ｅおよび図２ｆ）またはポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂの両方に向かう方向（図２ｇおよび図２ｈ）に第３平面２３４内で指向される。
【0095】
ステップ６０５において、ステップ６０３から生成されたコリメートされたビーム２０５’の方向は、第１ポリゴンスキャナ２４４ａを用いて第１平面２３５で第１角度から第２角度に調整される。一実施例において、ステップ６０５におけるビーム２３３’は、回転軸２４３を中心にした第１ポリゴンスキャナ２４４ａの回転に基づいて下部スキャン領域２６４にわたってスキャンされる。一実施例において、ステップ６０５におけるスキャナ２４１は、第１ポリゴンスキャナ２４４ａを用いて第１角度から第２角度にビーム２３３’をスキャンするのに十分な期間の間、第１ポリゴンスキャナ２４４ａのファセット２４５上にビーム２３３を指向させる。例示的な一実施例において、システム３０１’について、ステップ６０５は、地面３４９に向かって指向された第１平面２３５にわたって第１角度から第２角度にビーム２３３’をスキャンすることを含む。
【0096】
ステップ６０７において、ステップ６０５における第１平面２３５内でビーム２３３’の方向を調整することに基づいて１つ以上のリターンビーム２９１がシステム２００’’の導波管の先端２１７から受信される。一実施例において、ステップ６０７におけるリターンビーム２９１は、下部スキャン領域２６４にわたってターゲットまでの距離を決定するためにシステム２００’’によって処理される。例示的な一実施例において、ステップ６０７におけるリターンビーム２９１は、第１平面２３５内でスキャンされたビーム２３３’の方向を調整することに基づいて地面３４９（または、地面３４９上のターゲット）から反射する。
【0097】
ステップ６０９におけるビーム２０５’の方向は、第３平面２３４（図２ｅの平面）内で第１ポリゴンスキャナ２４４ａから第２ポリゴンスキャナ２４４ｂに調整される。一実施例において、ステップ６０９におけるビーム２０５’の方向は、ビーム２０５’が第１ポリゴンスキャナ２４４ａのファセット２４５上にあるとき、ステップ６０５および６０７が行われるほど十分に遅い連続スキャン速度でスキャナ２４１を用いて調整される。一実施例において、ステップ６０９におけるビーム２０５’の方向は、スキャナ２４４ａ、２４４ｂの間で０ではないスキャン速度でスキャナ２４１を用いて調整され、（スキャナ２４４ａについての）ステップ６０５および６０７または（スキャナ２４４ｂについての）ステップ６１１および６１３が行われるまでそれぞれのスキャナ２４４ａ、２４４ｂに固定保持される。個別ビーム２０５’が個別ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂ上に送信される一部の実施例（例えば、図２ｇおよび図２ｈ）において、ステップ６０９は、省略される。
【0098】
ステップ６１１において、ステップ６０３で生成されたコリメートされたビーム２０５’の方向は、第２ポリゴンスキャナ２４４ａを用いて第２平面２３７内で第１角度から第２角度に調整される。一実施例において、ステップ６１１におけるビーム２３３’は、回転軸２４３を中心にした第２ポリゴンスキャナ２４４ｂの回転に基づいて上部スキャン領域２６２にわたってスキャンされる。一実施例において、ステップ６１１におけるスキャナ２４１は、第２ポリゴンスキャナ２４４ｂを用いてビーム２３３’を第１角度から第２角度にスキャンするのに十分な期間の間、ビーム２３３を第２ポリゴンスキャナ２４４ｂのファセット２４５上に指向させる。例示的な一実施例において、システム３０１’の場合、ステップ６１１は、（例えば、約１５０ｍないし約４００ｍの最大距離にある）地面３４９上のターゲット３４３に向かって指向された第２平面２３７にわたって第１角度から第２角度にビーム２３３’をスキャンすることを含む。一実施例において、ステップ６１１における第２平面２３７内でビーム２３３’を調整する方向は、ステップ６０５における第１平面２３５内でビーム２３３’を調整する方向と反対である。
【0099】
ステップ６１３において、ステップ６１１における第２平面２３７内でビーム２３３’の方向を調整することに基づいて１つ以上のリターンビーム２９１がシステム２００’’の導波管の先端２１７から受信される。一実施例において、ステップ６１３におけるリターンビーム２９１は、上部スキャン領域２６２にわたってターゲットまでの距離を決定するためにシステム２００’’によって処理される。例示的な一実施例において、ステップ６１３におけるリターンビーム２９１は、第２平面２３７内でスキャンされたビーム２３３’の方向を調整することに基づいてターゲット３４３から反射する。
【0100】
ステップ６１５において、第１平面２３５および／または第２平面２３７内でビーム２３３’のより多くのスワイプ（Ｓｗｉｐｅ）が行われるかの可否が決定される。一実施例において、ステップ６１５は、第１平面２３５および／または第２平面２３７内のビーム２３３’のスワイプ回数を（例えば、メモリ７０４に格納される）第１平面および／または第２平面２３７内のビーム２３３’のあらかじめ定められたスワイプ回数と比べることを含む。ビーム２３３’の追加スワイプが行われるべき場合、方法６００は、ステップ６０５に戻る。ビーム２３３’の追加スワイプが実行されない場合、方法６００は終了する。一実施例において、ポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂは、方法６００のステップの間、固定された速度で連続的に回転する。一実施例において、方法６００が終了するとき、処理システム２５０は、スキャナの回転を停止させるためにポリゴンスキャナ２４４ａ、２４４ｂに信号を送信する。
【0101】
一実施例において、方法６００は、ステップ６０７および６１１で受信されたリターンビームデータに基づいて第１平面２３５および／または第２平面２３７内のターゲットまでの距離を決定するステップをさらに含む。さらに、１つの実施例において、方法６００は、第１および第２平面２３５、２３７内のターゲットまでの距離に基づいて車両３１０の１つ以上のシステムを調整するステップを含む。例示的な一実施例において、方法６００は、ステップ６０７および６１１でリターンビームデータから決定されたターゲット距離データに基づいて車両３１０の操向システムおよび／または制動システムのうち、１つ以上を調整するステップを含む。
７．コンピュータハードウェア概要
７．コンピュータハードウェア概要
【0102】
図７は、コンピュータシステム７００を示すブロック図である。コンピュータシステム７００は、コンピュータシステム７００の他の内部および外部コンポーネントの間に情報を伝達するためのバス７１０のような通信メカニズムを含む。情報は、典型的には、電圧である測定可能な現状の物理的信号として表されるが、他の実施例では、磁気相互作用、電磁相互作用、圧力相互作用、化学相互作用、分子原子相互作用および量子相互作用のような現象を含む。例えば、Ｎ極およびＳ極磁場、または０の電圧および非ゼロの電圧は、２進数（ビット）の２つの状態（０、１）を示す。他の現象は、より高いベースの数を示し得る。測定前に複数の同時量子状態の重畳は、量子ビット（クビット）を示す。１つ以上の数字シーケンスは、数字または文字についてのコードを示すのに使用されるデジタルデータを構成する。一部の実施例において、アナログデータと呼ばれる情報は、特定の範囲内の測定可能な値の近接連続体（Ｎｅａｒ Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）に表示される。コンピュータシステム７００またはその一部は、本明細書に説明された１つ以上の方法のうち、１つ以上のステップを行うための手段を構成する。
【0103】
２進数シーケンスは、数字または文字についてのコードを示すのに使用されるデジタルデータを構成する。バス７１０は、情報がバス７１０に連結された装置の間に迅速に送信されるように、多くの並列情報コンダクタ（Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を含み得る。情報を処理するための１つ以上のプロセッサ７０２がバス７１０と結合される。プロセッサ７０２は、情報についての一連の動作を行う。一連の動作は、バス７１０から情報を取得することおよびバス７１０上に情報を配置することを含む。また、一連の動作は、通常、２つ以上の情報単位の比較、情報単位の位置シフト、加算または乗算のような２つ以上の情報単位の結合を含む。プロセッサ７０２によって行われる動作シーケンスは、コンピュータ命令語を構成する。
【0104】
また、コンピュータシステム７００は、バス７１０に結合されたメモリ７０４を含む。ランダムアクセスメモリ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ、ＲＡＭ）または、他の動的格納装置のようなメモリ７０４は、コンピュータ命令語を含む情報を格納する。動的メモリは、その中に格納された情報がコンピュータシステム７００によって変更されるようにする。ＲＡＭは、メモリアドレスと呼ばれる位置に格納された情報単位が隣接するアドレスの情報と独立して格納され、検索されるようにする。また、メモリ７０４は、コンピュータ命令語の実行中に臨時値を格納するためにプロセッサ７０２によって使用される。また、コンピュータシステム７００は、読み取り専用メモリ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ、ＲＯＭ）７０６またはコンピュータシステム７００によって変更されない命令語を含む靜的情報を格納するためにバス７１０に結合された他の靜的格納装置を含む。また、コンピュータシステム７００がオフになったり、それとも電源が損失されるときにも持続する命令語を含む情報を格納するための磁気ディスクまたは光ディスクのような不揮発性（永久）格納装置７０８がバス７１０に結合され得る。
【0105】
命令語を含む情報は、人間のユーザーによって操作される文字と数字のキーを含むキーボードのような外部入力装置７１２またはセンサからプロセッサによる使用のためにバス７１０に提供される。センサは、その周辺の状態を検出し、このような検出をコンピュータシステム７００で情報を表すために使用される信号と互換可能な信号に変換する。主に人間と相互作用するために使用されるバス７１０に結合された他の外部装置は、イメージを提供するためのＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のようなディスプレイ装置７１４を含み、ディスプレイ７１４に提供される小さなカーソルイメージの位置を制御し、ディスプレイ７１４上に提供されるグラフィック要素に関連する命令を発行するためのマウスまたはトラックボールまたはカーソル方向キーのようなポインティング装置７１６を含む。
【0106】
図示された実施例において、特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ、ＡＳＩＣ）７２０のような特殊目的のハードウェアがバス７１０に結合される。特殊目的のハードウェアは、特別な目的のためにプロセッサ７０２によって迅速に実行されない動作を十分に迅速に実行するように構成される。ＡＳＩＣの例は、ディスプレイ７１４のためのイメージを生成するためのグラフィックス加速器カード、ネットワークを介して送信されたメッセージを暗号化および復号化するための暗号化ボード（Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｉｃ Ｂｏａｒｄ）、音声認識およびハードウェア内でより効率的に実装されている一部の複雑な一連の動作を繰り返しに行うロボットアーム（Ｒｏｂｏｔｉｃ Ａｒｍ）および医療スキャニング装備のような特別な外部装置とのインターフェースを含む。
【0107】
また、コンピュータシステム７００は、バス７１０に連結された通信インターフェース７７０の１つ以上の例を含む。通信インターフェース７７０は、プリンター、スキャナおよび外部ディスクのような独自のプロセッサで動作する様々な外部装置についての双方向通信結合を提供する。一般的に、カップリングは、独自のプロセッサを有する様々な外部装置が接続されるローカルネットワーク７８０に接続されるネットワークリンク７７８を用いて行われる。例えば、通信インターフェース７７０は、パーソナルコンピュータ上の並列ポートまたは直列ポートまたはＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ポートであり得る。一部の実施例において、通信インターフェース７７０は、ＩＳＤＮ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）カードまたはＤＳＬ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ）カードまたは対応するタイプの電話回線への情報通信連結を提供する電話モデムである。一部の実施例において、通信インターフェース７７０は、バス７１０上の信号を同軸ケーブルを介する通信連結のための信号または光ファイバーケーブルを介する通信連結のための光信号に変換するケーブルモデムである。他の例として、通信インターフェース７７０は、イーサネット（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）のような互換可能な近距離通信網（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ、ＬＡＮ）へのデータ通信連結を提供するＬＡＮカードであり得る。また、無線リンクが具現できる。電波（Ｒａｄｉｏ Ｗａｖｅ）、光波（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅ）および赤外線波（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｗａｖｅ）を含む音波および電磁波のような搬送波は、ワイヤまたはケーブルなしで空間を通過する。信号は、振幅、周波数、位相、偏光または搬送波の他の物理的特性の人工的な変化を含む。無線リンクについて、通信インターフェース７７０は、デジタルデータのような情報ストリームを運搬する赤外線および光信号を含む電気、音響または電磁信号を送受信する。
【0108】
本明細書において、コンピュータ読み取り可能な媒体という用語は、実行のための命令語を含む情報をプロセッサ７０２に提供するのに参与する任意の媒体を指すのに使用される。このような媒体は、不揮発性媒体、揮発性媒体および送信媒体を含むが、ここに限定されない様々な形態を取り得る。不揮発性媒体は、例えば、格納装置７０８のような、光または磁気ディスクを含む。揮発性媒体は、例えば、動的メモリ７０４を含む。送信媒体は、例えば、同軸ケーブル、銅線、光ファイバーケーブルおよび電波、光波および赤外線波を含む音波および電磁波のような、有線またはケーブルなしで空間を通過する波を含む。本明細書において、コンピュータ読み取り可能な格納媒体という用語は、送信媒体を除外し、プロセッサ７０２に情報を提供するのに参与する任意の媒体を指すために使用される。
【0109】
コンピュータ読み取り可能な媒体の一般的な形態は、例えばフロッピーディスク、フレキシブル（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ）ディスク、ハードディスク、磁気テープ、または任意の他の磁気媒体、コンパクトディスクＲＯＭ（ＣＤ－ＲＯＭ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）または他の光媒体、パンチカード、ペーパーテープ、またはホールパターンを有する任意の他の物理的媒体、ＲＡＭ、プログラム可能なＲＯＭ（ＰＲＯＭ）、消去可能なＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨ（登録商標）－ＥＰＲＯＭ、または他のメモリチップまたはカートリッジ、搬送波、またはコンピュータが読み取ることができる任意の他の媒体を含む。本明細書において、コンピュータ読み取り可能な非一時的な（Ｎｏｎ－Ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）格納媒体という用語は、搬送波および他の信号を除外し、プロセッサ７０２に情報を提供するのに参与する任意の媒体を指すために使用される。
【0110】
１つ以上の有形の媒体（Ｔａｎｇｉｂｌｅ Ｍｅｄｉａ）内にエンコードされたロジッグは、コンピュータ読み取り可能な格納媒体上のプロセッサ命令語およびＡＳＩＣ７２０のような特殊目的のハードウェアのうち、いずれかまたは両方を含む。
【0111】
ネットワークリンク７７８は、通常、情報を使用するか、または処理する他の装置への１つ以上のネットワークを介する情報通信を提供する。例えば、ネットワークリンク７７８は、ローカルネットワーク７８０を介してホストコンピュータ７８２またはインターネットサービス提供者（ＩＳＰ）によって運営される装備７８４に連結を提供し得る。ＩＳＰ装備７８４は、現在に一般的にインターネット７９０と呼ばれるネットワークの公開的かつ全世界的なパケット交換通信ネットワークを介してデータ通信サービスを提供する。インターネットに接続されたサーバー７９２と呼ばれるコンピュータは、インターネットを介して受信された情報に応答してサービスを提供する。例えば、サーバー７９２は、ディスプレイ７１４でプレゼンテーションするためのビデオデータを表す情報を提供する。
【0112】
コンピュータシステム７００は、メモリ７０４に含まれた１つ以上の命令語の１つ以上のシーケンスを行うプロセッサ７０２に応答して本明細書に説明された様々な技術を具現できる。ソフトウェアおよびプログラムコードとも呼ばれるこのような命令語は、格納装置７０８のような他のコンピュータ読み取り可能な媒体からメモリ７０４に読み込まれることができる。メモリ７０４に含まれた命令語シーケンスの実行は、プロセッサ７０２にとって本明細書に説明された方法のステップを行うようにする。代替的な実施例において、ＡＳＩＣ７２０のようなハードウェアが本発明を具現するためにソフトウェアの代わりにまたはソフトウェアとともに使用できる。したがって、本発明の実施例は、ハードウェアとソフトウェアの任意の特定組み合わせに制限されない。
【0113】
ネットワークリンク７７８および通信インターフェース７７０を介する他のネットワークを介して送信された信号は、コンピュータシステム７００に、そして、それから情報を運搬する。コンピュータシステム７００は、他のものの中でも、ネットワーク７８０、７９０を介して、ネットワークリンク７７８および通信インターフェース７７０を介して、プログラムコードを含む情報を送受信し得る。インターネット７９０を用いる一例において、サーバー７９２は、インターネット７９０、ＩＳＰ装備７８４、ローカルネットワーク７８０および通信インターフェース７７０を介して、コンピュータ７００から送信されたメッセージによって要請された特定アプリケーションのためのプログラムコードを送信する。受信されたコードは、受信されるときにプロセッサ７０２によって行われるか、後で実行するために格納装置７０８または他の不揮発性格納装置に格納されるか、またはその両方であり得る。このような方式において、コンピュータシステム７００は、搬送波上の信号の形態でアプリケーションプログラムコードを得られる。
【0114】
様々な形態のコンピュータ読み取り可能な媒体は、実行のためにプロセッサ７０２に命令語またはデータ、またはこの両方の１つ以上のシーケンスを運搬するのに関連し得る。例えば、命令語およびデータは、初期にホスト７８２のような遠隔コンピュータの磁気ディスク上に運搬され得る。遠隔コンピュータは、命令語およびデータをその動的メモリにローディングし、モデムを使用して電話回線を介して命令語およびデータを送信する。コンピュータシステム７００にローカルモデムは、電話回線上で命令語およびデータを受信し、赤外線送信機を使用して命令語およびデータをネットワークリンク７７８の役割をする赤外線搬送波上の信号に変換する。通信インターフェース７７０の役割をする赤外線検出器は、赤外線信号内に運搬された命令語およびデータを受信し、命令語およびデータを表す情報をバス７１０上に位置させる。バス７１０は、情報をメモリ７０４に運搬し、プロセッサ７０２は、命令語とともに送信されたデータの一部を用いてメモリ７０４から命令語を検索して実行する。メモリ７０４で受信された命令語およびデータは、プロセッサ７０２による実行前または後に格納装置７０８に選択的に格納され得る。
【0115】
図８は、本発明の一実施例が具現できるチップセット８００を示す。チップセット８００は、本明細書に説明された方法の１つ以上のステップを行うようにプログラミングされ、例えば、１つ以上の物理的パッケージ（例えば、チップ）に含まれた図７に関連して説明されたプロセッサおよびメモリコンポーネントを含む。例として、物理的パッケージは、物理的強度、サイズの保存および／または電気的相互作用の制限のような１つ以上の特性を提供するために構造的アセンブリ（例えば、ベースボード）上の１つ以上の材料、コンポーネントおよび／またはワイヤの配列を含む。所定の実施例において、チップセットは、単一チップで具現できることが考慮される。チップセット８００またはその一部は、本明細書に説明された方法の１つ以上のステップを行うための手段を構成する。
【0116】
１つの実施例において、チップセット８００は、チップセット８００のコンポーネントの間で情報を伝達するためのバス８０１のような通信メカニズムを含む。プロセッサ８０３は、命令語を実行し、例えば、メモリ８０５に格納された情報を処理するためにバス８０１に連結される。プロセッサ８０３は、それぞれのコアが独立して行うように構成された１つ以上のプロセッシングコアを含み得る。マルチコアプロセッサは、単一の物理的パッケージ内で多重処理を可能にする。マルチコアプロセッサの例は、２つ、４つ、８つまたはその以上のプロセシングコアを含む。代替的または追加的に、プロセッサ８０３は、命令語、パイプライニング（Ｐｉｐｅｌｉｎｉｎｇ）およびマルチスレッディング（Ｍｕｌｔｉｔｈｒｅａｄｉｎｇ）の独立した実行を可能にするためにバス８０１を介して直列で構成された１つ以上のマイクロプロセッサを含み得る。また、プロセッサ８０３は、１つ以上のデジタル信号プロセッサ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ、ＤＳＰ）８０７または１つ以上のＡＳＩＣ８０９のような所定の処理機能および作業を行うための１つ以上の特殊コンポーネントを伴い得る。ＤＳＰ８０７は、通常、プロセッサ８０３と独立して実世界の信号（例えば、サウンド）をリアルタイムで処理するように構成される。同様に、ＡＳＩＣ８０９は、汎用プロセッサによって容易に実行されない特殊機能を行うように構成され得る。本明細書に説明された発明的機能を実行することを支援するための他の特殊コンポーネントは、１つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ、ＦＰＧＡ）（図示せず）、１つ以上のコントローラ（図示せず）または１つ以上の他の特殊目的のコンピュータチップを含む。
【0117】
プロセッサ８０３および付随するコンポーネントは、バス８０１を介してメモリ８０５に連結される。メモリ８０５は、実行されるときに本明細書に説明された方法の１つ以上のステップを行うように、実行可能な命令語を格納するための動的メモリ（例えば、ＲＡＭ、磁気ディスク、書き込み可能な光ディスクなど）および靜的メモリ（例えば、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭなど）の両方を含む。メモリ８０５は、本明細書に説明された方法のうち、１つ以上のステップの実行に関連したり、その実行によって生成されたデータを格納する。
【0118】
ここで、一部の例示的な実装例を説明したが、前述の実装例は、例示的であり、制限的ではなく、例として提示されたものは明らかである。特に、本明細書に提示された多くの例が方法の動作またはシステム要素の特定の組み合わせを含むが、このような動作とこのような要素は、同じ目的を達成するために他の方式で組み合わされ得る。１つの実装例に関連して議論された動作、要素および機能は、他の実装例の類似の機能から排除されるように意図されたものではない。
【0119】
本明細書で使用される語法および用語は、説明のためのものであり、限定するものとみなされてはならない。本明細書において、「含む（Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含有する（Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「付随する（Ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「～を特徴とする（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ）」、「～であることを特徴とする（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈａｔ）」およびこれらの変形の使用は、その後に列挙される項目、その均等物および追加の項目のみならず、その後に列挙される項目からなる代替的な実装例を排他的に含むように意図される。１つの実装例において、本明細書に説明されたシステムおよび方法は、説明された要素、動作またはコンポーネントのいずれか、または２以上のそれぞれの組み合わせ、または両方からなる。
【0120】
本明細書において、単数形で言及したシステムおよび方法の実装例または要素または動作についての任意の言及は、複数のこのような要素を含む実装例も含み得、本明細書において、任意の実装例または要素または動作についての任意の複数形の言及は、単一の要素のみを含む実装例も含み得る。単数または複数形の言及は、現在開示されたシステムまたは方法、これらのコンポーネント、動作または要素を単数または複数の構成に限定しようとする意図ではない。任意の情報、動作または要素に基づく任意の動作または要素についての言及は、動作または要素が任意の情報、動作または要素に少なくとも部分的に基づく実装例を含み得る。
【0121】
本明細書に開示された任意の実装例は、任意の他の実装例または実施例と結合され得、「一実装例」、「一部の実装例」、「１つの実装例」などは、必ず相互に排他的ではなく、実装例に関連して説明された特定の特徴、構造または特性が少なくとも１つの実装例または実施例に含まれ得ることを示そうとする意図である。本明細書に使用されたこのような用語は、必ずすべて同じ実装例を示すものではない。任意の実装例は、本明細書に開示された態様および実装例に符合する任意の方式で包括的または排他的に任意の他の実装例と結合され得る。
【0122】
図面、詳細な説明または任意の請求項の技術的特徴に参照記号が付いてくる場合には、参照記号は、図面、詳細な説明および請求の範囲の理解度を高めるために含まれている。したがって、参照記号の有無は、任意の請求項の要素の範囲にどのような限定的効果も有しない。
【0123】
本明細書に説明されたシステムおよび方法は、その特性から逸脱することなく、他の具体的な形態で具体化できる。さらに相対的な平行、直角、垂直または他の位置設定または指向の説明は、純粋な垂直、平行または直角の位置設定の＋／－１０％または＋／－１０度内の変動を含む。「おおよそ（Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、「約（Ａｂｏｕｔ）」、「実質的に（Ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」または程度（Ｄｅｇｒｅｅ）についての他の用語についての言及は、明示的に別の方法で示さない限り、与えられた測定値、単位または範囲から＋／－１０％の変動を含む。結合された要素は、直接または介在要素を用いて電気的、機械的または物理的に相互に結合され得る。したがって、本明細書に説明されたシステムおよび方法の範囲は、前述の説明ではなく、添付された請求の範囲によって表現され、請求の範囲の均等論の意味および範囲内にある変更が含まれる。
【0124】
「結合される（Ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語およびその変形は、２つの部材を互いに直接的または間接的に結合することを含む。このような結合は、固定的な（例えば、永久的なまたは固定された）または移動可能な（例えば、除去可能なまたは分離可能な）ものであり得る。このような結合は、互いに直接結合された２つの部材、別の介在部材および互いに結合された任意の追加中間部材を用いて互いに結合された２つの部材または２つの部材のうち、１つと単一の統合体として一体に形成された介在部材を用いて互いに結合された２つの部材で実現されることができる。「結合される」またはその変形が追加用語によって修飾される場合（例えば、直接結合される）、前記の提供された「結合される」の一般的な定義は、追加用語の普通の言語意味によって限定され（例えば、「直接結合される」は、どのような別の介在部材のない２つの部材の結合を意味する）、前記の提供された「結合される」の一般的な定義よりも狭い定義となる。このような結合は、機械的、電気的または流体的であり得る。
【0125】
「または、（ｏｒ）」についての言及は、「または」を用いて説明された任意の用語は、説明された用語のうち、１つ、２以上または全部を包括するものと解釈され得る。「ＡまたはＢのうち、少なくとも１つ」についての言及は、「Ａ」のみ、「Ｂ」のみおよび「Ａ」と「Ｂ」の両方を含み得る。「含む（Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または他の開放型の用語とともに使用されるこれらの言及は、追加項目を含み得る。
【0126】
様々な要素の大きさ、寸法、構造、形状および割合、パラメータの値、装着配列、材料の使用、色、指向の変化のような説明された要素および動作の修正は、本明細書に開示された内容の教示（Ｔｅａｃｈｉｎｇ）および利点から実質的に逸脱することなく発生し得る。例えば、一体に形成されたものとして表された要素は、多数の部分または要素で構成され得、要素の位置は、反転されるか、または変更でき、個別要素または位置の特性または数は、変動されるか、または変更できる。本開示内容の範囲を逸脱しなく、開示された要素および動作の設計、動作条件および配列で他の代替、修正、変更および省略も行われ得る。
【0127】
本明細書で要素の位置（例えば、「上部（Ｔｏｐ）」、「下部（Ｂｏｔｔｏｍ）」、「上に（Ａｂｏｖｅ）」、「下に（Ｂｅｌｏｗ）」）についての言及は、単に図面で様々な要素の指向を説明するために使用される。様々な要素の指向は、他の例示的な実施例によって異なり得、このような変動は、本開示内容によって含まれることが注目されるべきである。
【図1a】
【図1b】
【図1c】
【図1d】
【図1e】
【図1f】
【図2a】
【図2b】
【図2c】
【図2d】
【図2e】
【図2f】
【図2g】
【図2h】
【図2i】
【図2j】
【図2k】
【図3a】
【図3b】
【図4a】
【図4b】
【図4c】
【図4d】
【図4e】
【図4f】
【図4g】
【図4h】
【図4i】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
