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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】
(24)【登録日】2023-11-29
(45)【発行日】2023-12-07
(54)【発明の名称】水中モノスタティックレーザイメージング
(51)【国際特許分類】
G01S 7/481 20060101AFI20231130BHJP
G01S 17/89 20200101ALI20231130BHJP
【ＦＩ】
G01S7/481 A
G01S17/89
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2022552434
(86)(22)【出願日】2021-03-04
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-04-13
(86)【国際出願番号】 US2021020791
(87)【国際公開番号】W WO2021178615
(87)【国際公開日】2021-09-10
【審査請求日】2022-08-31
(31)【優先権主張番号】62/986,162
(32)【優先日】2020-03-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】503455363
【氏名又は名称】レイセオン カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100135079
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 修
(72)【発明者】
【氏名】トーレン，マシュー ディー．
(72)【発明者】
【氏名】パイパー，アンドリュー エム．
(72)【発明者】
【氏名】ラッドゼロヴェイジ，ウィリアム シー．
(72)【発明者】
【氏名】レガン，リチャード エフ．
(72)【発明者】
【氏名】ディマーレ，ジョセフ シー．
【審査官】渡辺 慶人
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１２－２１５３９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／１９２８０５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００２－１３１４３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５２１３６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－０７２２５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０４４３４３６４（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８ － ７／５１
１７／００ － １７／９５
Ｇ０１Ｂ １１／００ － １１／３０
Ｇ０１Ｃ ３／００ － ３／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
視野（ＦＯＶ）を持つ三次元レーザラインスキャン撮像システムであって、前記ＦＯＶを照らすパルスレーザ送信器と、
回転式光スキャナであり、
送信されたレーザパルスを前記ＦＯＶ内のターゲットへと反射させるとともに、前記ＦＯＶ内の前記ターゲットからの、入射するリターン光線束の形態の信号リターンを反射する、１つの４面の角錐形ミラー、
角錐の前記面ごとに１つの４つの光ポートを備える回転ハウジングであり、当該回転ハウジング内に前記角錐形ミラーがあり、前記面及び前記光ポートの各々が、出射する送信ビーム及び前記入射するリターン光線束の両方に対する別々の重なり合わない光パスをサポートする、回転ハウジング、及び
各ミラーファセット焦点面に１つの４つの延長されたピンホールを持つアパーチャスリットプレート、
を有し、前記角錐形ミラー、前記回転ハウジング、及び前記アパーチャスリットプレートの全てが一緒に回転する、
回転式光スキャナと、
前記信号リターンを検出してＰＭＴ出力を生成する光増倍管（ＰＭＴ）ベースの検出器と、
前記ＰＭＴ出力を処理するように構成されたプロセッサ及びメモリと、
を有するシステム。
【請求項2】
当該システムは、無人／自律型潜水機に含められている、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記無人／自律型潜水機は、１２．７５インチ（３２．３９ｃｍ）以上の外形を持つ、請求項２に記載のシステム。
【請求項4】
前記プロセッサは、前記ＰＭＴ出力からレンジ及び振幅ピクセルデータを抽出して、前記ターゲットの３Ｄ画像を形成するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項5】
前記ターゲットは海底を有する、請求項４に記載のシステム。
【請求項6】
前記３Ｄ画像は、各レーザパルスからの前記信号リターンに対応する前記ＰＭＴ出力の時系列デジタル化サンプルから形成される、請求項４に記載のシステム。
【請求項7】
前記ＦＯＶは、７０度までの走査幅を持つ、請求項１に記載のシステム。
【請求項8】
レーザパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）、前記光スキャナの回転速度、及び／又は前記レーザの発散率が、前記信号リターンの所望の特性に対して選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項9】
前記送信パルスのパルス継続時間、パルス間均一性、及び／又はパルスエネルギーが、前記信号リターンの所望の特性に対して選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項10】
前記パルスレーザ送信器は青緑色レーザを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項11】
無人／自律型潜水機用の三次元レーザラインスキャン撮像システムについて視野（ＦＯＶ）を選択し、パルスレーザ送信器で前記ＦＯＶを照らし、
回転式光スキャナを使用して、送信されたレーザパルスを前記ＦＯＶ内のターゲットへと反射させるとともに、前記ＦＯＶ内の前記ターゲットからの、入射するリターン光線束の形態の信号リターンを反射し、前記回転式光スキャナは、
前記送信されたレーザパルスを前記ＦＯＶ内の前記ターゲットへと反射させるとともに、前記ＦＯＶ内の前記ターゲットからの前記信号リターンを反射する、１つの４面の角錐形ミラーと、
角錐の前記面ごとに１つの４つの光ポートを備える回転ハウジングであり、当該回転ハウジング内に前記角錐形ミラーがあり、前記面及び前記光ポートの各々が、出射する送信ビーム及び前記入射するリターン光線束の両方に対する別々の重なり合わない光パスをサポートする、回転ハウジングと、
各ミラーファセット焦点面に１つの４つの延長されたピンホールを持つアパーチャスリットプレートと、
を有し、前記角錐形ミラー、前記回転ハウジング、及び前記アパーチャスリットプレートの全てが一緒に回転し、
ＰＭＴベースの検出器を使用して、前記信号リターンを検出してＰＭＴ出力を生成し、
前記ＰＭＴ出力を処理する、
ことを有する方法。
【請求項12】
前記ＰＭＴ出力を処理して、前記ターゲットの３Ｄ画像を形成するレンジ及び振幅ピクセルデータを抽出する、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記３Ｄ画像は、各レーザパルスからの前記信号リターンに対応する前記ＰＭＴ出力の時系列デジタル化サンプルから形成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
レーザパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）、前記光スキャナの回転速度、及び／又は前記レーザの発散率が、前記信号リターンの所望の特性に対して選択される、請求項１１に記載の方法。
【請求項15】
前記パルスレーザ送信器は青緑色レーザを有する、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
高解像度で長いスタンドオフレンジで水中を撮像することができる能力は、基本的に、撮像されるシーン又は物体と撮像システムとの間での光の散乱及び吸収によって制限される。沿岸の場所では散乱が信号減衰を支配し、外洋では吸収が支配する。散乱が、撮像システムが物体を明瞭に見ることができる能力を制限し、散乱及び吸収の両方からの信号減衰が、物体を明瞭に見ることができる範囲を制限する。混濁した沿岸水と透き通った外洋水との間での減衰の違いは何桁もの大きさであるため、広範で多様な水の透明度にわたってレーザ撮像システムを採用することも難題である。
【0002】
水中のシーンを照らすために、長い間、ストロボ、フラッシュランプ、及びレーザを含む指向性光源が撮像システムに組み込まれてきた。これらの光源は、物体から受ける光子の数を増加させ、それ故に、減衰損失及び散乱された周辺光の悪影響の一部を克服する。しかしながら、これらの光源は、撮像システムの設計において対処されていない場合に、他の全ての信号を圧倒してしまい得る近接場後方散乱信号も生成する。
【0003】
一部の従来の水中レーザイメージングシステムは、青緑色又は緑色のレーザを使用している。レーザベースの水中撮像には多数の基本的アプローチが存在し、各々が、近接場後方散乱、物体から撮像システムに戻る光の前方散乱、及び遭遇する信号減衰のレンジの影響を軽減するための独自の戦略を提供している。
【0004】
１つの既知のアプローチは３Ｄフラッシュ（Flash）ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging；光検出・測距）である。データの三次元フレームを作成するために、このアーキテクチャは、一度の広がっていく光のフラッシュで、あるボリュームの水を照らし、リターンを高速カメラでサンプリングする。最も洗練されたバージョンは、二次元リターン信号の全体をサブナノ秒間隔（光は海水中でナノ秒あたり～９インチ（～２３ｃｍ）進む）でサンプリングし、そして、カメラフレームの時間シーケンス全体に対して信号処理を用いて、シーン内の各撮像ピクセルにおいて物体／海底リターン信号のレンジ及び振幅を見出す。これから、光源のフラッシュレートによって決まるフレームレートで、シーンの二次元（２Ｄ）又は三次元（３Ｄ）画像を生成することができる。このアプローチは、カメラのフォーカルプレーンアレイ（ＦＰＡ）出力の各ピクセル位置で、検出されたボトムリターンからのものを除く全てのリターン信号を信号処理が無視するので、時間的手段によって後方散乱及び前方散乱の影響を軽減しようとするものである。この時間的のみであるアプローチの欠点は、アパーチャが二次元に広く開いており、それ故に、抽出される物体／ボトムリターン信号が、散乱されていない（情報を含む）光子に対して、散乱された（信号を混乱させる）光子を高い比率で含むことである。水質が低下するにつれて、この比率は、他の２つのアーキテクチャの場合よりも速く悪化し、結果として、高品質撮像での３ＤフラッシュＬｉＤＡＲのスタンドオフレンジは、他のアーキテクチャのそれよりも大幅に小さくなる。このアプローチの有用性はまた、それがＦＰＡに頼っていることによっても制限される。高度な電子回路を用いたとしても、ＦＰＡがサポートすることができる入力信号の範囲は、撮像システムが遭遇し得る所望の撮像スタンドオフレンジ及び広範囲の水減衰条件をカバーしない。
【0005】
２つめのアーキテクチャはストリーク管イメージング（Streak Tube Imaging）ＬｉＤＡＲである。このアーキテクチャでは、フラッシュレーザを使って狭い扇形ビームを送出する。リターンが、ＦＰＡ内のピクセルのロウ（行）にわたって撮像される。各ロウの出力がリターンの新しいタイムスライスを含むように、ビームはＦＰＡカラム（列）方向に静電的に偏向される。信号処理が各ピクセルのレンジ及び振幅情報を抽出する。各レーザフラッシュが、一行のダウンルッキング（down-looking）ピクセルデータを生み出す。前方プラットフォーム動作と組み合わさって、ＳＴＩＬは、滝が流れ落ちるような画像ロウを出力し、それにより、連続的にスクロールする物体／海底の振幅及び／又はレンジ画像をオペレータに提示する。このアプローチは、時間的及び空間的の両方の手段によって、後方散乱及び前方散乱の影響を軽減しようとするものである。その受信器アパーチャは、長くて狭いスリットであり、非散乱光子に対する散乱光子の比率を３ＤフラッシュＬｉＤＡＲアプローチとの比較で低下させ、結果として、所与の沿岸水条件で、より大きいスタンドオフレンジで明瞭に撮像することができる。３ＤフラッシュＬｉＤＡＲの場合にそうであるように、ＳＴＩＬはＦＰＡベースの受信器に頼っており、それ故に、有用なスタンドオフレンジで効果的に動作することができる水条件に限りがある。
【0006】
３つめの既知のアーキテクチャはレーザラインスキャン（Laser Line Scan；ＬＬＳ）である。このアプローチは、実用化されている２つの既存構成を持つ。１つめの元々の構成は、幅狭の“ペンシル”ビーム連続波（ＣＷ）レーザと、小さい“ピンホール”受信器アパーチャと、ＦＰＡに代わる感光受信素子としての、高ダイナミックレンジの光増倍管（ＰＭＴ）とを採用している。ミラー系を用いて、海底を横切ってペンシルビーム及びピンホールを同期して走査し、ＰＭＴが、アパーチャを通り抜けた光子を電気信号に変換し、該電気信号が、所望の画像ピクセルレートで増幅及びデジタル化される。ミラー系の各回転が、ミラーファセットごとに一ラインの画像を提供する。ＳＴＩＬと同様に、連続的にスクロールする滝のようなもので表示される画像において各走査ラインが新しい地面をカバーするように、前方プラットフォーム動作が必要とされる。しかしながら、ＳＴＩＬの３Ｄ能力とは異なり、これは振幅画像しか提供することができない。何故なら、パルスレーザ、及びパルスリターンの高速サンプリングが使用されないからである。この構成は、空間的手段のみによって後方散乱及び前方散乱の影響を軽減しようとするものである。直接的な後方散乱を避けるために、送信ミラーと受信ミラーとが１フィート以上離隔され、このソース－レシーバ（Ｓ－Ｒ）分離は、送信ビームが海底と交わる所を受信器が振り返ることを必要とするので、アパーチャ開口は、被写界深度を提供するために一方向に延長されたピンホールへと縮小される。このアプローチは、非散乱光子に対する散乱光子の比率を３ＤフラッシュＬｉＤＡＲアプローチとの比較で低下させることにおいて、少なくともＳＴＩＬと同等に効果的であり、これがＰＭＴを使用するは、ＦＰＡベースの受信器によってサポートされることができるよりも低いノイズで、より大きい範囲の入力信号を受信することを可能にする。これは、ＳＴＩＬ又は３ＤフラッシュＬｉＤＡＲのいずれかで可能であるよりも広い水条件のセットで、有効なスタンドオフレンジで動作することを可能にする。しかしながら、ＣＷ ＬＬＳは、散乱された周囲光の影響をいっそう受けやすく、劣悪水の昼光条件で動作するときに、その撮像性能が低下することになる。
【0007】
２つめのＬＬＳ構成は、ＣＷレーザ、増幅及び低速デジタル化電子回路、及びより低い帯域幅のＰＭＴを、狭パルス高繰り返しレートパルスレーザ、高速（サブナノ秒）デジタイザ、及び高帯域幅ＰＭＴで置き換えることを除いて、１つめの構成と同様である。この構成では、短いレーザパルスが送出され、高帯域幅ＰＭＴからのリターン信号を高速デジタイザがサンプリングする。物体／ボトムリターン信号のデジタル化されたタイムシーケンスから、デジタル信号処理が振幅及びレンジを抽出する。
【0008】
このアプローチは、３Ｄ画像を生成し、“３Ｄパルス化時間分解（3D Pulsed-Time-Resolved）ＬＬＳ”又は“３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳ”と呼ばれている。これは、空間的及び時間的の両方の手段を使用して、後方散乱光及び前方散乱光の影響を効果的に軽減し、所与のレーザパワーで、全ての水条件で、３ＤフラッシュＬｉＤＡＲ及びＳＴＩＬよりも実質的に大きいスタンドオフレンジで、より高解像度の撮像を行うことが可能である。
【0009】
ＬＬＳ構成は、他のアーキテクチャに対する撮像性能の向上を提供するが、ＬＬＳ構成の１つの欠点は、直接的な近接場後方散乱の影響を軽減するために必要とされる大きいＳ－Ｒ分離である。この分離は２つの結果を持つ。第１に、上述したように、それは、ピンホールアパーチャの延長をもたらし、それ故に、最適なペンシルビーム／ピンホールアーキテクチャよりも多くの散乱光子を許してしまう。第２に、それは、撮像システムのサイズ及び重量を増加させて、レーザイメージングセンサにとって新たに出現したプラットフォームである小型の無人／自律型潜水機（ＵＵＶ／ＡＵＶ）と適合しないものになる。
【発明の概要】
【0010】
本開示の実施形態は、共通の走査ミラーを共有する送受信光路、直接的な近接場後方散乱信号を減衰させるための受信器のＰＭＴの高速電子ゲーティング、各レーザパルスリターンのタイムシーケンスを生成するための高速ＰＭＴ出力デジタル化、及び各タイムシーケンスからレンジ及び振幅情報を抽出するための信号処理を有した、小型のＰＴＲレーザイメージングシステムのための方法及び装置を提供する。
【0011】
実施形態において、モノスタティック３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳ水中撮像センサアプローチは、空間的及び時間的な処理を使用して後方散乱及び前方散乱の影響を最大限に軽減することで、所与のレーザパワーで、既存のアーキテクチャよりも長いレンジで、より明瞭な画像を生成することができる水中レーザイメージングアプローチを生み出す。さらに、実施形態例は、１２．７５インチ（３２．３９ｃｍ）以上の直径のＵＵＶ／ＡＵＶと適合する小型の低電力センサ設計を可能にするが、よりコンパクトに小型化したバージョンも実現可能である。
【0012】
一態様において、視野（ＦＯＶ）を持つ三次元レーザラインスキャン撮像システムは、ＦＯＶを照らすパルスレーザ送信器と、送信されたレーザパルスをＦＯＶ内のターゲットへと反射させるとともに、ＦＯＶ内のターゲットからの信号リターンを反射する角錐形ミラーを持つ回転式光スキャナと、信号リターンを検出してＰＭＴ出力を生成するＰＭＴベースの検出器と、ＰＭＴ出力を処理するように構成されたプロセッサ及びメモリと、を有する。
【0013】
システムは、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことができる：当該システムは、無人／自律型潜水機に含められている；該無人／自律型潜水機は、１２．７５インチ（３２．３９ｃｍ）以上の外形を持つ；送信器は、パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）、ビーム発散角、パルス継続時間、パルスエネルギー均一性、及びパルスピークエネルギーが、信号リターンの所望の特性に対して選択された、小型の青緑色パルスレーザを有する；回転式光スキャナは、７０度のクロストラックＦＯＶを提供し、回転ハウジング内の１つの４面の角錐形ミラーを有し、回転ハウジングは、角錐の面ごとに１つで、４つの光ポートを備える；面及び光ポートの各々が、出射する送信ビーム及び入射するリターン光線束の両方に対する別々の重なり合わない光パスをサポートする；プロセッサは、ＰＭＴ出力からレンジ及び振幅ピクセルデータを抽出して、ターゲットの３Ｄ画像を形成するように構成されている；ターゲットは海底を有する；３Ｄ画像は、各レーザパルスからのリターン信号に対応するＰＭＴ出力の時系列デジタル化サンプルから形成される。
【0014】
他の一態様において、方法は、無人／自律型潜水機用の三次元レーザラインスキャン撮像システムについて視野（ＦＯＶ）を選択し、パルスレーザ送信器でＦＯＶを照らし、角錐形ミラーを持つ回転式光スキャナを使用して、送信されたレーザパルスをＦＯＶ内のターゲットへと反射させるとともに、ＦＯＶ内のターゲットからの信号リターンを検出器へと反射し、ＰＭＴベースの検出器を使用して、信号リターンを検出してＰＭＴ出力を生成し、高速デジタイザを使用してＰＭＴ出力をサンプリングし、デジタル化された出力を処理して３Ｄ画像を作り出す、ことを有する。
【0015】
方法は更に、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことができる：システムは、無人／自律型潜水機に含められている；該無人／自律型潜水機は、１２．７５インチ（３２．３９ｃｍ）以上の外形を持つ；送信器は、パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）、ビーム発散角、パルス継続時間、パルスエネルギー均一性、及びパルスピークエネルギーが、信号リターンの所望の特性に対して選択された、小型の青緑色パルスレーザを有する；回転式光スキャナは、７０度のクロストラックＦＯＶを提供し、回転ハウジング内の１つの４面の角錐形ミラーを有し、回転ハウジングは、角錐の面ごとに１つで、４つの光ポートを備える；面及び光ポートの各々が、出射する送信ビーム及び入射するリターン光線束の両方に対する別々の重なり合わない光パスをサポートする；プロセッサは、ＰＭＴ出力からレンジ及び振幅ピクセルデータを抽出して、ターゲットの３Ｄ画像を形成するように構成されている；ターゲットは海底を有する；３Ｄ画像は、各レーザパルスからのリターン信号に対応するＰＭＴ出力の時系列デジタル化サンプルから形成される。
【図面の簡単な説明】
【0016】
この発明の前述の特徴並びに発明それ自体は、以下の図面の説明からいっそう十分に理解され得る。
【図1】レーザイメージングシステムを有する潜水機の概略表現である。
【図2】一例の～１２インチ径のＵＵＶ／ＡＵＶと適合するようにパッケージングされたモノスタティック３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳセンサの断面図を示している。
【図3】海底の撮像を示すモノスタティックＬＬＳアーキテクチャの図である。
【図4】可能な走査速度の範囲及び一般的なラインあたりの表示ピクセルの選択肢から得られるレーザパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）の例を示している。
【図5】走査ラインあたりのレーザパルス及び撮像スタンドオフレンジの関数として、インチ単位でのトラック横断方向の（走査の方向の）ピクセル地上サンプル距離（ＧＳＤ）の例を示している。
【図6】スキャナ回転速度及びビークル前進速度の関数として、インチ単位でのトラック沿い方向の（ビークル運動の方向の）ピクセルＧＳＤの例を示している。
【図7】７０度の走査ライン広がりを所与とした、スタンドオフレンジの関数としてのトラック横断方向スワース幅の例を示している。
【図8】例えばレーザ発散である様々な撮像レンジにおけるビーム径の例を示している。
【図9】様々な水透明度におけるモノスタティック３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳの動作レンジの例を示している。
【図10】モノスタティック３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳ内部センサアセンブリ（ＩＳＡ）の実施形態例のコンポーネントを示している。
【図11】共通の送受信角錐ミラーを持つモノスタティックスキャナの例を示している。
【図12】頂点から小さい距離を置いた角錐ミラーの表面に向けられる送信レーザビームを示している。
【図13】軸上（例えば、ダウンルック）イメージング及び３５度軸外イメージングでの、角錐走査ミラー上の送信ビーム及び受信リターン光線束の位置を示している。
【図14】カートリッジベースの受信器光学系の例を示している。
【図15】２つの異なる水濁度における、４ｍのスタンドオフレンジでの、２ＧＨｚインクリメントで受信された光子のモデリング結果の例を示している。
【図16】広い一組の動作水条件でのパルスあたりの非散乱ボトムリターン光子のレンジを示している。
【図17】同様に広い一組の動作条件で、後方散乱リターンを情報含有ボトムリターンと比較している。
【図18】三次元撮像をサポートするレンジ及び振幅ピクセルデータを抽出するために、デジタル化されたリターンタイムシーケンスを処理することへのアプローチ例のフロー図である。
【図19】散乱ノイズ有り及び無しでのレンジ及び振幅処理の例を示している。
【図20】ここに記載される処理の少なくとも一部を実行するコンピュータの一例の概略表現である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
図１は、海底１０２及び海底上又は海底付近の物体の画像を生成するためのレーザイメージングシステム１０１を有する潜水機（水中ビークル）１００の例を示している。この例示的な図では、送信レーザビームと受信器との間に隔たりを有するバイスタティックバージョンのＬＬＳセンサが示されている。受信器から出ている陰影付きの領域１０３は、その瞬間視野を海底上に投影したものである。バイスタティック構成では、反射されたレーザリターンを最適に受信するために受信器が数度前方に傾けられたときに被写界深度を提供するよう、受信器アパーチャがビークルのトラック沿い（アロングトラック）方向に僅かに延長される。
【0018】
図２は、一例の～１２インチ径のＵＵＶ／ＡＵＶと適合するようにパッケージングされたモノスタティック３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳセンサの一実施形態例の断面図２００を示している。当該センサは、アルミニウム製の圧力容器（ＰＶ）２０１に収められている。ＰＶ２０１は円筒形の光学ウィンドウ２０２を持つ。内部コンポーネントは、パルス青緑色レーザ送信器２０３、回転式光スキャナアセンブリ２０４、及び光電子増倍管（ＰＭＴ）２０５と高速デジタイザ／信号プロセッサ２０６とを有する検出器アセンブリを含む。
【0019】
動作時、図３に示すように、パルスレーザビーム３００が、回転する走査ミラー３０１に向けられる。実施形態において、ミラー３０１は、例えば海底に向けてなど、下向きにレーザビームを反射する四面（４ファセット）の角錐を有する。理解されることには、特定の用途のニーズを満たす任意の実用方向に反射レーザビーム３０２を向けることができるように、ＰＶ３０４は回転されることができる。当該システムは、下側を見たり海水中で動作したりすることに限定されるものではない。レーザビームはセンサの円筒形ＰＶ３０４のウィンドウ３０３を通り抜け、海底３０５で反射する。ビーム３０６の小さい一部がＰＶ３０４の方に反射され返し、ウィンドウ３０３を通り抜けて集束レンズ３０７に至る。ビームが集束されるときに、それは走査ミラー３０１で反射し、最適な焦点となったときにアパーチャプレート３０８の小さい孔を通り抜けてＰＭＴ３０９に至る。ＰＭＴ３０９の出力が、デジタイザ３１０によってタイムシーケンスへと変換され得る。タイムシーケンスは、更に十分に後述するように、１つの画像ピクセルのレンジ及び振幅を抽出するように処理される。スキャナ３０１が回転するにつれて、反射ビーム３０２は海底を横方向に横断する。走査ミラー３０１、集束レンズ３０７、及びアパーチャプレート３０８が全て一緒に回転する一方で、ＰＭＴ３０９及びウィンドウ３０３は位置を固定されている。各９０度のスキャナ３０１の回転が、受信レーザリターンの走査ライン３１１となる。ホストプラットフォーム（例えば、ＵＵＶ／ＡＵＶ）の前進運動が、立て続けの走査ラインを新たなボリュームの水上に置いて、連続した滝のような画像の表示（ウォーターフォール画像表示）をもたらす。度を単位とする走査幅は、ウィンドウ３０３、集束レンズ３０７、走査ミラー３０１、及びＰＭＴ３０９のサイズと位置に依存する。広角撮像用途では、各面（ファセット）の９０度の回転から７０度の走査幅を達成可能である。
【0020】
実施形態において、レーザパルス送信器は、民生品の（commercial-off-the-shelf；ＣＯＴＳ）パルス青緑色レーザとして設けられる。レーザパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）は、ウォーターフォール画像表示のピクセルごとにパルスを提供するのに十分な高さである。選択されるＰＲＦは、用途の詳細に依存する複数のファクタの関数とし得る。ＰＲＦを選択する際、適用の主な原動力は、走査ライン内及び走査ライン間の所望のピクセル間隔（地上空間距離；ＧＳＤ）、ウォーターフォールフォーマット（走査ラインあたりの表示ピクセル）、及び一緒になってセンサのエリアカバレッジ率を決定するものであるビークル前進速度と撮像スタンドオフレンジを含む。実際に取得することができる値の範囲は、ＧＳＤがスタンドオフレンジでのビーム径におおよそ一致されると仮定すると、走査ミラー３０１の回転速度及びレーザビーム３０２の発散を含むセンサ設計パラメータによって制限される。平均レーザパワー、パルスあたりのパワー、パルスあたりの最大エネルギー、及びパルス継続時間も役割を果たし、これらは水透明度の関数として撮像品質に影響を与えるので、これらについては後述する。
【0021】
動作において、図４は、可能な走査速度の範囲及び一般的なラインあたりの表示ピクセルの選択肢から得られるＰＲＦの例を提供している。沿岸水域での撮像についての一般的な経験則は、パルスごとに最大エネルギーが得られる最も高いレーザＰＲＦでセンサを動作させることである。
【0022】
図５は、走査ラインあたりのレーザパルス及び撮像スタンドオフレンジの関数として、インチ単位でのトラック横断（アクロストラック）方向の（走査の方向の）ピクセルＧＳＤの例を提供している。なお、２メートルから１６メートルの撮像スタンドオフレンジが示されているが、実際の撮像レンジは、水透明度に応じて３ｍ未満から～６０ｍまで様々となり得る。
【0023】
図６は、スキャナ回転速度及びビークル前進速度の関数として、インチ単位でのトラック沿い（アロングトラック）方向の（ビークル運動の方向の）ピクセルＧＳＤの例を提供している。
【0024】
図７は、７０度のトラック横断方向の走査ライン広がりを所与とした、スタンドオフレンジの関数としてのトラック横断方向スワース（swath、帯状走査）幅の例を提供している。
【0025】
図５、図６、及び図７は一緒になって、所与の用途に必要とされるＧＳＤ及びエリアカバレッジ率を達成するためのセンサ設定（例えば、ＰＲＦ、走査速度、走査ラインあたりのピクセル数）及びエンゲージメントジオメトリ（ビークル速度及び撮像スタンドオフレンジ）をセンサユーザが決定することを可能にする。さらに、図８は、典型的に利用可能なＣＯＴＳレーザ発散について、様々な撮像レンジにおけるビーム径を提供している。これらの直径を図５及び図６のＧＳＤと比較することで、画像品質がＧＳＤ制約されるのか、解像度制約されるのかを決定することができる。
【0026】
実施形態において、性能に影響する他のレーザパラメータは、パルス継続時間、パルス間均一性、及びパルスエネルギーを含む。パルス継続時間は、ＰＭＴ立ち上がり時間、デジタイザサンプリングレート（高いほど良い）、及び／又は所望のレンジ分解能（光は海水中でナノ秒あたり～９インチ（～２３ｃｍ）進む））によって制限され得る。より短いＰＭＴ立ち上がり時間、及びより高いサンプリングレートは、より短い継続時間のパルスに対応することができ、高度な信号処理と一緒になって、より優れたレンジ分解能をもたらすことができる。現在利用可能なＣＯＴＳコンポーネントで得ることが可能なレンジ分解能は、０．７ｎｓのＰＭＴ立ち上がり時間、１４ビット／サンプルで２Ｇｓｐｓ（ギガ（１０９）サンプル／秒）のデジタイザサンプリングレート、及び～２．５ナノ秒のレーザパルス継続時間（半値全幅）を用いて、～０．２５インチ（０．６４ｃｍ）である。設計の経験則の一例は、パルス間サンプリングノイズを管理可能なレベル（２－３％未満）に保つために、デジタイザはレーザパルス継続時間あたり少なくとも５サンプルを提供すべきであるというものである。
【0027】
パルス間のエネルギー及びピークパワーの均一性は、システム性能に寄与するファクタである。何故なら、各パルスリターンが画像の１つのピクセルに対応し、それ故に、パルス間のピーク差及びエネルギー差は、レンジ及び振幅画像において相関のないノイズになるからである。数パーセント（＜１％ ＲＭＳ）の不均一性が望まれる。より高い不均一性のレーザからの画像ノイズは、出射する送信パルスの高速サンプリングから導出されるスケーリング係数を適用することによって軽減され得る。
【0028】
パルスエネルギーは、利用可能なホストビークルのパワー／エネルギーと、パッケージング体積及び熱管理の制約とによって制限され得る。～１Ｗ（３５０ｋＨｚのＰＲＦで２．９μＪ／パルス）に至る５３２ｎｍレーザ平均パワーは、１２インチＵＵＶ／ＡＵＶペイロードサイズ及び利用可能なミッションパワーとエネルギーと適合する小型の３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳ構成例をサポートするはずである。より高いパワー（２０Ｗ＋；７００ｋＨｚのＰＲＦで２８．６μＪ／パルス）のパルスレーザが利用可能であるが、熱管理のためにもっと多くの体積を提供することができるものである遥かに大規模なシステム及びホストプラットフォームのみと適合し得る。
【0029】
動作において、パルスあたりのエネルギーも撮像スタンドオフレンジに寄与するファクタである。レーザ光のパルスが、例えば海水などの、散乱及び吸収のある媒体中を進むことができる能力は、水透明度の関数であり、水透明度は、ビーム減衰長（Beam Attenuation Length；ＢＡＬ）の観点で測定されることができる。１ＢＡＬは、吸収と散乱との組み合わせによってレーザパルスのエネルギーが元の値の１／ｅまで減少する前にレーザパルスが進む経路長である。様々な環境におけるＢＡＬのおおよその経験則は：
－ 混濁した沿岸の水：＜１ｍ
－ 平均的な沿岸の水：１．５－２ｍ
－ きれいな沿岸の水：３－５ｍ
－ 外洋の水：７－１０＋ｍ
である。
－ 混濁した沿岸の水：＜１ｍ
－ 平均的な沿岸の水：１．５－２ｍ
－ きれいな沿岸の水：３－５ｍ
－ 外洋の水：７－１０＋ｍ
である。
【0030】
上述のように、３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳは、沿岸水域におけるＢＡＬの主要な原動力である散乱光の影響を軽減するのによく適した走査ペンシルビーム－ピンホールアーキテクチャを持つ多数の水中撮像センサアーキテクチャのうちの１つである。モノスタティック３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳの性能予測モデリングは、ＰＭＴのゲーティングなしで～４．５－５ＢＡＬにおいて、又はＰＭＴのゲーティングありで～６－６．５ＢＡＬにおいて、高品質の画像を生成することができる能力を示している。ＰＭＴゲーティングについては、図１５と併せて後述する。
【0031】
図９は、様々な水透明度におけるモノスタティック３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳの実施形態例の例示的な動作レンジを示している。陰影なしの升目はゲーティングなしであり、薄い灰色の陰影付きの升目はゲーティングを用いて追加される動作環境を示し、濃い灰色の陰影付きの升目の領域での性能は、パルスエネルギー及び／又はＰＭＴゲーティング効率の大幅な増加なしには達成可能でない。図９の見積もりは、２．９μＪ（３５０ｋＨｚのＰＲＦで１Ｗの平均電力）の５３２ｎｍパルスエネルギーについてのものである。上述のように、これは～１２インチ径のＵＵＶ／ＡＵＶ動作と適合する小型のＣＯＴＳレーザで達成されることができる。より大型のプラットフォームでは、平均レーザパワーを１０Ｗ又は２０Ｗに上げることで、（特に、より透明な吸収によって制限される水において）最大で～１．５ＢＡＬだけ性能を向上させることができる。
【0032】
図１０Ａは、モノスタティック３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳ内部センサアセンブリ（Internal Sensor Assembly；ＩＳＡ）１０００の実施形態例のコンポーネントを示す第１の側面図であり、図１０Ｂは正面図であり、図１０Ｃは第２の側面図（図１０Ａの第１の側面図の反対側）である。当該ＩＳＡは、送信、走査、受信、組み込み制御、及び電力分配のサブシステムで構成される。
【0033】
実施形態において、送信器は、レーザヘッド１００１、ヒートシンクを備えたレーザエレクトロニクス１００２、ビームサンプリングアセンブリ１００３、及びビーム方向付けターンプリズムアセンブリ１００４を有する。スキャナは、ハウジング１００５内の回転する光学アセンブリと、デジタルスキャンモータコントローラ１００６とを有する。受信器は、バイアスネットワークを備えたＰＭＴ１００７と、高電圧電源（High Voltage Power Supply；ＨＶＰＳ）１００８と、サンプリングされたＰＭＴ出力を表示用のレンジ及び振幅ピクセルに変換するために必要なデジタル信号処理を実行するＦＰＧＡを備えたデジタイザ１００９とを有する。組み込みコントローラ（embedded controller；ＥＣ）１０１０は、スキャナ１００５及びデジタイザ１００９の全体的な動作及び時間同期を制御するシングルボードコンピュータである。ＥＣ１０１０はまた、ホストＵＵＶ／ＡＵＶ内のセンサから離して置かれる外部のミッション及びペイロード制御コンピュータ（実施形態内ではない）及びデータストレージ（実施形態内ではない）と通信する。電力分配は、電力変換器１０１１及び電源１０１２を有し、これらの詳細は、ホストＵＵＶ／ＡＵＶプラットフォームから利用可能な電力と、様々なセンサコンポーネントの電力ニーズとに依存する。主要な構造要素は、隔壁板１０１３及び１０１４と、構造ロッド（数量４）１０１５、レーザヘッドプラットフォームシェルフ１０１６、及びアライメントのために光学コンポーネントへのアクセスをサポートするヒンジ付き回転コンポーネント取り付けウィングを含む。
【0034】
図１１は、共通の送受信角錐ミラー１１０１を持つモノスタティックスキャナ１１００の一例を示している。実施形態において、スキャナ部は、固定された（回転しない）メインハウジング１１０２を持つ。薄いリングモータアセンブリ１１０３がメインハウジングに取り付けられる。モーター１１０３は、取付プレート１１０４、シャフト１１０５、及びベアリングセット１１０６を介して回転光学アセンブリに取り付けられる。光学アセンブリは、ハウジング１１０７と、四面（４ファセット）の角錐ミラー１１０１と、ミラーファセットごとの受信器光学系カートリッジ１１０８と、チューブ１１１０上に取り付けられたアパーチャスリットプレート１１０９とを含む。スリットプレートは、各ミラーファセット焦点面に１つの、４つの僅かに延長されたピンホール１１１１を持つ。スキャナを通る送信ビーム１１１２及び受信光線束エンベロープ１１１３の経路が図１１に示されており、これらについては図１２で更に詳述する。
【0035】
動作において、当該スキャナが所望の回転速度（例えば、最高４０００ＲＰＭ）にされ、パルスレーザが所定のＰＲＦで送信を開始する。図１２は、送信ビーム１２０１が、頂点から小さい距離を置いた角錐ミラー１２０２の表面に向けられていることを示している。ビーム１２０１は、海底又は撮像面に向けて下方に９０度反射する。ビームは、底で（一般的に、おおよそランバート的に）反射し、カートリッジベースの受信器光学系１２０４の収集エリアに入るリターン１２０３が、送信ビームが反射されたファセットに付随するスリットプレート穴１２０５内に集束される。ミラーとスリットプレートが一緒に回転して、モノスタティックＬＬＳアーキテクチャの“ペンシルビーム－ピンホール”アーキテクチャの特徴を作り出す。
【0036】
図１３は、軸上（on-axis）（例えば、ダウンルック）イメージング１３０３及び３５度軸外（off-axis）イメージング１３０４での、角錐走査ミラー上の送信ビーム１３０１及び受信リターン光線束１３０２の位置を示している。～１２インチ（３０ｃｍ）径のＡＵＶ／ＵＵＶプラットフォームに適合する小型イメージャの場合、走査ミラーの底面は約５インチ（１３ｃｍ）となり、送信ビームと受信ビームとの間の隔たりは、受信ビームの焦点（図１２の１２０５）で約１．１２５インチ（２．８５８ｃｍ）となる。
【0037】
図１４は、図１２（１２０４）で参照したカートリッジベースの受信器光学系の一実施形態例を示している。図１１（１１０７）に示した回転光学ハウジングは、４つの角錐ミラーファセットの各々に１つで、４つの光ポートを持つ。各光ポートが、送信ビームが通り抜けるための開口１４０１と、一組の受信器光学系とを含む。受信器光学系コンポーネントは、補正レンズ１４０２（外部環境への非平坦なウィンドウを補償するために必要とされる場合）と、狭帯域（レーザのスペクトル線幅及び安定性に応じて１Åから２Å）のソーラーフィルタ１４０３と、集束レンズ１４０４とを含む。ソーラーフィルタと集束レンズは、スペーサ１４０５によって隔てられるとともに、保持クリップ１４０７によって、取り外し可能なカートリッジ１４０６に固定される。補正レンズは、レンズクリップ１４０８で所定位置に固定される。
【0038】
実施形態において、３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳ検出器は、ＰＭＴと、ＰＭＴバイアスネットワークと、デジタイザ／信号プロセッサ（例えば、システムタイミング及び信号処理をサポートするＦＰＧＡを備える）と、高電圧電源（ＨＶＰＳ）とを含む。ＰＭＴバイアスネットワークは、ＣＯＴＳ ＨＶＰＳによってサポートされる従来からのバイアスネットワーク、又は電源のネットワークによってサポートされる特別注文（カスタム）のアクティブゲートバイアスネットワーク（ＡＧＢＮ）を含むことができる。前述のように、実施形態例は、スタンドオフレンジに応じて最大４．５－５．５ＢＡＬで１Ｗの青緑色レーザによる高品質３Ｄ撮像をサポートし得る。カスタムＰＭＴ ＡＧＢＮアプローチは、より短いスタンドオフレンジで最大６ＢＡＬでの撮像をサポートし得る。
【0039】
図１２に示すように、リターン信号は、ＰＭＴ１２０６内へと、アパーチャスリットプレートピンホール１２０５を通り抜ける。ＰＭＴの感光カソードがリターン光子を電子雲へと変換し、ＰＭＴのダイノードチェーン中で加速され、該ダイノードチェーンによって増幅される。ダイノードプレート間で電子を加速するとともに、信号増幅のための蓄積電荷を提供する電圧が、ＰＭＴのバイアスネットワークを介して作用するＨＶＰＳによって供給される。最終ダイノードステージから加速された電子がＰＭＴのアノードによって集められ、出力電流へと変換される。この電流がシャント抵抗を通過することで、ＣＯＴＳデジタイザによってデジタル信号に変換される電圧をもたらす。
【0040】
（個々のレーザパルスに対する）受信信号は主に、水柱からの後方散乱リターンと、非散乱光子及び小角散乱光子の両方を含むものである海底及び／又は撮像対象からのリターンとを含む。これらの成分の相対振幅比及びタイミングは、水の濁度及び撮像スタンドオフレンジに依存する。図１５は、２つの異なる水濁度における、４ｍのスタンドオフレンジでの、２ＧＨｚインクリメントで受信された光子のモデリング結果の例を示している。ボトムリターンが支配的である上のプロットは、平均的な沿岸水域（２ｍのビーム減衰長）についてのものである。後方散乱が支配的である下のプロットは、非常に混濁した沿岸水域（０．６７ｍのビーム減衰長）についてのものである。
【0041】
図１５は、一般的に遭遇する２つの沿岸水域条件における実質的な信号変動を示している。撮像スタンドオフレンジ及び走査角度（－３５度から＋３５度）も変わる場合、さらに大きな変動が生じる。図１５の下のプロットは、上述の図９で導入したＰＭＴゲーティングの恩恵を受けることになる撮像条件の一例である。この場合、６ＢＡＬでの近距離濁水イメージング、近接場後方散乱ピーク、全エネルギーが、ボトムリターンのそれらより支配的となる。ゲーティングなしでは、ＰＭＴがその最大平均アノード電流レベルより上で動作することを避けるために、ＰＭＴ利得が低く保たれ、ボトムリターン信号は殆ど増幅を受けず、信号対雑音制限を受けることになる。ゲーティングにより、感光カソードと最初のダイノードとの間の電圧差が瞬間的に低下され、ＰＭＴダイノードチェーン中で加速され且つそれによって増幅される近接場後方散乱光電子の減少をもたらす。これは、ＰＭＴの平均アノード出力電流を低下させて、もっと大きいＰＭＴ利得を適用することを可能にし、それ故に、ボトムリターン信号を、ＰＭＴを発生源としないシステムノイズレベルより上まで増加させ、それによって、より濁った水条件で撮像が行うことができるレンジを長くする。ＰＭＴゲーティングは実験的に実証されているが、実施形態には含まれない。
【0042】
図１６は、広い一組の動作条件でのパルスあたりの非散乱ボトム光子のレンジを提示するものであり、それらの条件をカバーするために少なくとも５ディケードの信号範囲を管理する必要があることを示している。図１７は、同様に広い一組の動作条件で、後方散乱リターンを情報含有ボトムリターンと比較している。
【0043】
実施形態において、ＰＭＴ、バイアスネットワーク、ＨＶＰＳ、及びデジタイザの選択は、所与の用途のためにモノスタティック３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳセンサが撮像することを要求される動作サブ空間に依存する。考慮すべきファクタは、必要なＰＭＴ利得範囲、ＰＭＴ利得制御の自動化、及び支配的な後方散乱リターンを増幅した後のボトムリターン信号ドループを防ぐためのＰＭＴダイノードチェーンへの十分な電力の印加を含む。ＰＭＴ利得制御を自動化することは、ＰＭＴ出力信号範囲をデジタイザ入力電圧範囲と一致させて、後方散乱信号及び／又はボトムリターン信号の飽和を回避すること、及び（例えば、高コントラストの関心対象物の突然の出現からの）ボトムリターン反射率の突然の変化を許容することを含み得る。ＰＭＴ利得制御を自動化することは更に、ＰＭＴダメージ（例えば、ボトムリターンを“見る”ために後方散乱を過剰増幅してしまったときに発生し得るような、平均アノード電流制限及び／又はピーク電流制限を長期間にわたって超えることによる）を防ぐことを含み得る。図１５、図１６、及び図１７に含まれる情報が、上の設計ガイダンスと組み合わさって、特定の用途のニーズを満たす３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳ検出器の実施形態用のコンポーネントを選択するためのガイダンス例を提供する。
【0044】
動作において、図１５を再び参照するに、信号処理を用いて、各パルス時間リターン波形からレンジ及び振幅値が抽出される。これらの値が１ピクセル分のデータを構成し得る。そして、順次のピクセルからのデータ、及びそれらが発生した関連する走査角度を、ウォーターフォール表示ラインのフォーマットにすることができる。例えば、４つの表示ラインが、走査ミラーの物理的な回転ごとに生成され、各ラインが、先行ラインに平行であるが、プラットフォーム動作の方向に先行ラインから僅かにずらされる。これは、レンジ及び／又は振幅データのウォーターフォール画像表示を可能にする。これはまた、物体の特定に非常に有用となり得る三次元画像の表示を可能にする。
【0045】
実施形態において、３Ｄ ＰＴＲ ＬＬＳの時間リターン波形からレンジ及び振幅情報が抽出され得る。実施形態例は、例えば、２０４８サンプルのレーザパルス時間リターンシーケンスからボトムリターン振幅及びレンジ情報を抽出するように構成される。実施形態において、走査ラインのアクティブな撮像部分（例えば中央の７０度）で受信されたパルス時間リターンシーケンスに対して計算シーケンスが実行される。
【0046】
入力の例は、以下を含む：
－ Ａｌｔｉｔｕｄｅ［ｍ］：メートル単位での底からのプラットフォームの高さ（ＵＵＶ／ＡＵＶから）。
－ Ａｌｔｉｔｕｄｅ［ｍ］：メートル単位での底からのプラットフォームの高さ（ＵＵＶ／ＡＵＶから）。
【0047】
定数の例は、以下を含む：
ＡＤＣ＿Ｓａｍｐｌｅ＿Ｒａｔｅ＝３．６Ｇｓｐｓ（この例では、実際の値はデジタル化の速さに依存する）：
－ ＩｏＲ＿Ｈ２Ｏ＝海水の屈折率＝１．３３３；
－ 半値全幅でのレーザパルス幅（ＰＷ）＝３ｎｓｅｃ（例）；
－ Ｐｉｘ＿Ｐｅｒ＿Ｌｉｎｅ＝走査ラインあたりのピクセル数（オペレータ選択によるスキャナＲＰＭ及びレーザＰＲＦから導出される；１つの９０度角錐ミラーファセットからのリターンの中央７０度に対応する）。
ＡＤＣ＿Ｓａｍｐｌｅ＿Ｒａｔｅ＝３．６Ｇｓｐｓ（この例では、実際の値はデジタル化の速さに依存する）：
－ ＩｏＲ＿Ｈ２Ｏ＝海水の屈折率＝１．３３３；
－ 半値全幅でのレーザパルス幅（ＰＷ）＝３ｎｓｅｃ（例）；
－ Ｐｉｘ＿Ｐｅｒ＿Ｌｉｎｅ＝走査ラインあたりのピクセル数（オペレータ選択によるスキャナＲＰＭ及びレーザＰＲＦから導出される；１つの９０度角錐ミラーファセットからのリターンの中央７０度に対応する）。
【0048】
センサセットアップ変数の例は、以下を含む：
－ Ｕｐ＿Ａｐｐ＿％＝上側アパーチャ％：現在の走査角度でボトムリターンを探し始めるセンサからの距離を決定する（例えば、１０ｍのプラットフォームの高度入力、０度／下向きの走査角度、及び８０のＵｐ＿Ａｐｐ＿％が与えられると ＝＞ ８ｍのスタンドオフに対応する物体／ボトムリターンを探すことを始める）；
－ Ｌｏｗｅｒ＿Ａｐｐ＿％＝下側アパーチャ％：現在の走査角度でボトムリターンを探すのを止めるセンサからの距離を決定する（例えば、１０ｍのプラットフォームの高度入力、０度／下向きの走査角度、及び１１０のＬｏｗｅｒ＿Ａｐｐ＿％が与えられると ＝＞ １１ｍのスタンドオフに対応する物体／ボトムリターンを探すことを止める）。
－ Ｕｐ＿Ａｐｐ＿％＝上側アパーチャ％：現在の走査角度でボトムリターンを探し始めるセンサからの距離を決定する（例えば、１０ｍのプラットフォームの高度入力、０度／下向きの走査角度、及び８０のＵｐ＿Ａｐｐ＿％が与えられると ＝＞ ８ｍのスタンドオフに対応する物体／ボトムリターンを探すことを始める）；
－ Ｌｏｗｅｒ＿Ａｐｐ＿％＝下側アパーチャ％：現在の走査角度でボトムリターンを探すのを止めるセンサからの距離を決定する（例えば、１０ｍのプラットフォームの高度入力、０度／下向きの走査角度、及び１１０のＬｏｗｅｒ＿Ａｐｐ＿％が与えられると ＝＞ １１ｍのスタンドオフに対応する物体／ボトムリターンを探すことを止める）。
【0049】
計算シーケンスの例において、各走査ラインピクセルについて、例えば２０４８個のＡＤＣサンプルの時間リターンシーケンスが抽出される。シーケンス内の最初のＡＤＣサンプルは、レーザトリガーから一定のオフセットであるべきである。あるいは、ボトムリターンウィンドウ内及びその周辺で、振幅及びレンジデータを生成するのに必要なサンプルのみを抽出してもよい。
【0050】
図１８は、各レーザパルスのデジタル化された時間リターンシーケンスから振幅及びレンジ値を計算するのに必要な処理の実装例を示している。この例において、各シーケンスは２０４８個のデジタル化されたサンプルを有する。
【0051】
ステップ１８００にて、システムは最後の後方散乱サンプル番号Ｌａｓｔ＿ＢＳ＿Ｓａｍｐを特定する。リターン処理の値の例を以下に示す：
－ Ｐｉｘ＿Ｎｕｍ＝時間リターンシーケンスに関連するピクセルの番号（例えば、７０度の走査ラインの開始時の最初のピクセルについて、Ｐｉｘ＿Ｎｕｍ＝１）；
－ Ｓｃａｎ＿Ｗｉｄｔｈ［ｍ］＝２＊Ａｌｔｉｔｕｄｅ［ｍ］＋ｔａｎ（７０／２）；
－ Ｐｉｘ＿ＧＳＤ［ｍ］＝Ｓｃａｎ＿Ｗｉｄｔｈ／Ｐｉｘ＿Ｐｅｒ＿Ｌｉｎｅ；
－ Ｐｉｘ＿Ｘ＿Ｐｏｓ［ｍ］＝－１＊Ｓｃａｎ＿Ｗｉｄｔｈ／２＋（Ｐｉｘ＿Ｎｕｍ－１）＊Ｐｉｘ＿ＧＳＤ；
－ Ｐｉｘ＿Ａｎｇ［ｒａｄ］＝ａｔａｎ（Ｐｉｘ＿Ｘ＿Ｐｏｓ／Ａｌｔｉｔｕｄｅ）；
－ Ｌａｓｔ＿ＢＳ＿Ｔｉｍｅ［ｎｓｅｃ］＝（（Ｕｐ＿Ａｐｐ＿％／１００）＊１ｅ９＊（２＊Ｐｉｘ＿Ｘ＿Ｐｏｓ／ｓｉｎ（Ｐｉｘ＿Ａｎｇ）））／（３ｅ８／ＩｏＲ＿Ｈ２Ｏ）；
－ Ｌａｓｔ＿ＢＳ＿Ｓａｍｐ＝ｉｎｔ（（Ｌａｓｔ＿ＢＳ＿Ｔｉｍｅ＋Ｐｕｌｓｅ＿Ｗｉｄｔｈ）＊ＡＤＣ＿Ｓａｍｐｌｅ＿Ｒａｔｅ＋０．５）。
－ Ｐｉｘ＿Ｎｕｍ＝時間リターンシーケンスに関連するピクセルの番号（例えば、７０度の走査ラインの開始時の最初のピクセルについて、Ｐｉｘ＿Ｎｕｍ＝１）；
－ Ｓｃａｎ＿Ｗｉｄｔｈ［ｍ］＝２＊Ａｌｔｉｔｕｄｅ［ｍ］＋ｔａｎ（７０／２）；
－ Ｐｉｘ＿ＧＳＤ［ｍ］＝Ｓｃａｎ＿Ｗｉｄｔｈ／Ｐｉｘ＿Ｐｅｒ＿Ｌｉｎｅ；
－ Ｐｉｘ＿Ｘ＿Ｐｏｓ［ｍ］＝－１＊Ｓｃａｎ＿Ｗｉｄｔｈ／２＋（Ｐｉｘ＿Ｎｕｍ－１）＊Ｐｉｘ＿ＧＳＤ；
－ Ｐｉｘ＿Ａｎｇ［ｒａｄ］＝ａｔａｎ（Ｐｉｘ＿Ｘ＿Ｐｏｓ／Ａｌｔｉｔｕｄｅ）；
－ Ｌａｓｔ＿ＢＳ＿Ｔｉｍｅ［ｎｓｅｃ］＝（（Ｕｐ＿Ａｐｐ＿％／１００）＊１ｅ９＊（２＊Ｐｉｘ＿Ｘ＿Ｐｏｓ／ｓｉｎ（Ｐｉｘ＿Ａｎｇ）））／（３ｅ８／ＩｏＲ＿Ｈ２Ｏ）；
－ Ｌａｓｔ＿ＢＳ＿Ｓａｍｐ＝ｉｎｔ（（Ｌａｓｔ＿ＢＳ＿Ｔｉｍｅ＋Ｐｕｌｓｅ＿Ｗｉｄｔｈ）＊ＡＤＣ＿Ｓａｍｐｌｅ＿Ｒａｔｅ＋０．５）。
【0052】
ステップ１８１０にて、システムは、以下に示すように、ボトムリターンウィンドウサンプルを特定する：
－ Ｆｉｒｓｔ＿Ｂｏｔｔｏｍ＿Ｓａｍｐｌｅ＝Ｌａｓｔ＿ＢＳ＿Ｓａｍｐｌｅ＋ｉｎｔ（Ｐｕｌｓｅ＿Ｗｉｄｔｈ＊ＡＤＣ＿Ｓａｍｐｌｅ＿Ｒａｔｅ＋０．５）；
－ Ｌａｓｔ＿Ｂｏｔｔｏｍ＿Ｓａｍｐｌｅ＝ｉｎｔ（（（（Ｌｏｗｅｒ＿Ａｐｐ＿％／１００）＊１ｅ９＊（２＊Ｐｉｘ＿Ｘ＿Ｐｏｓ／ｓｉｎ（Ｐｉｘ＿Ａｎｇ）））／（３ｅ８／ＩｏＲ＿Ｈ２Ｏ）））＊ＡＤＣ＿Ｓａｍｐｌｅ＿Ｒａｔｅ＋０．５）。
－ Ｆｉｒｓｔ＿Ｂｏｔｔｏｍ＿Ｓａｍｐｌｅ＝Ｌａｓｔ＿ＢＳ＿Ｓａｍｐｌｅ＋ｉｎｔ（Ｐｕｌｓｅ＿Ｗｉｄｔｈ＊ＡＤＣ＿Ｓａｍｐｌｅ＿Ｒａｔｅ＋０．５）；
－ Ｌａｓｔ＿Ｂｏｔｔｏｍ＿Ｓａｍｐｌｅ＝ｉｎｔ（（（（Ｌｏｗｅｒ＿Ａｐｐ＿％／１００）＊１ｅ９＊（２＊Ｐｉｘ＿Ｘ＿Ｐｏｓ／ｓｉｎ（Ｐｉｘ＿Ａｎｇ）））／（３ｅ８／ＩｏＲ＿Ｈ２Ｏ）））＊ＡＤＣ＿Ｓａｍｐｌｅ＿Ｒａｔｅ＋０．５）。
【0053】
ステップ１８２０にて、システムはボトムリターンピークＡＤＣサンプルを見つける。ステップ１８２１にて、システムは、ノイズ低減のために、以下に示すように、予め計算されたガウシアンフィルタでボトムリターンウィンドウＡＤＣサンプルを畳み込む：
－ フィルタカーネルのハーフ幅を、レーザパルス幅の半値全幅（ＦＷＨＭ）内のＡＤＣサンプルの数に設定する；例えば、３ｎｓｅｃのパルス幅且つ３．６Ｇｓｐｓのデジタイザサンプリングレートの場合、ハーフ幅は、ｉｎｔ（３ｎｓｅｃ＊３．６Ｇｓｐｓ＋０．５）＝１１サンプルである；
－ この場合、フィルタカーネルサイズ＝ハーフ幅＊２＋１＝２３サンプルを設定する；
－ カーネルサイズの中央５０％に対応する＋／－１シグマでガウス関数を計算する；
－ 合計が１になるようにガウシアンフィルタの重みを正規化する；
－ カーネルをボトムリターンＡＤＣサンプルで畳み込む；Ｆｉｒｓｔ＿Ｂｏｔｔｏｍ＿ＳａｍｐｌｅのＡＤＣ値を中心としたカーネルで畳み込みを開始し、Ｌａｓｔ＿Ｂｏｔｔｏｍ＿Ｓａｍｐｌｅを中心としたカーネルで終了する；
－ このフィルタリングされたデータシーケンスをレンジ＆振幅抽出プロセスへの入力として保持する。
－ フィルタカーネルのハーフ幅を、レーザパルス幅の半値全幅（ＦＷＨＭ）内のＡＤＣサンプルの数に設定する；例えば、３ｎｓｅｃのパルス幅且つ３．６Ｇｓｐｓのデジタイザサンプリングレートの場合、ハーフ幅は、ｉｎｔ（３ｎｓｅｃ＊３．６Ｇｓｐｓ＋０．５）＝１１サンプルである；
－ この場合、フィルタカーネルサイズ＝ハーフ幅＊２＋１＝２３サンプルを設定する；
－ カーネルサイズの中央５０％に対応する＋／－１シグマでガウス関数を計算する；
－ 合計が１になるようにガウシアンフィルタの重みを正規化する；
－ カーネルをボトムリターンＡＤＣサンプルで畳み込む；Ｆｉｒｓｔ＿Ｂｏｔｔｏｍ＿ＳａｍｐｌｅのＡＤＣ値を中心としたカーネルで畳み込みを開始し、Ｌａｓｔ＿Ｂｏｔｔｏｍ＿Ｓａｍｐｌｅを中心としたカーネルで終了する；
－ このフィルタリングされたデータシーケンスをレンジ＆振幅抽出プロセスへの入力として保持する。
【0054】
ステップ１８２２にて、システムは、以下に示すように、ガウシアンフィルタリングされたボトムリターンウィンドウＡＤＣサンプルをハイパスフィルタで畳み込んで、ボトムリターンピークの発見に対する近接場後方散乱ロールオフの影響を低減させる：
－ 平均化ウィンドウのハーフ幅を、レーザパルス幅ＦＷＨＭ内のＡＤＣサンプルの数の１．５倍に設定する（例えば、３ｎｓｅｃのパルス幅且つ３．６Ｇｓｐｓのデジタイザサンプリングレートの場合、ウィンドウのハーフ幅は、ｉｎｔ（１．５＊３ｎｓｅｃ＊３．６Ｇｓｐｓ＋０．５）＝１７サンプルである）；
－ この場合、平均化ウィンドウサイズ＝ハーフ幅＊２＋１＝３５サンプルである；
－ ボトムリターンウィンドウ内のガウシアンフィルタリングされたＡＤＣサンプル値の各々について、平均化ウィンドウの中心をそのサンプルにし、平均化ウィンドウ内の全てのサンプルの平均を計算し、現在のサンプルからその値を減算する。これが、ガウシアン及びハイパスフィルタリングされたＡＤＣサンプル値である。
－ 平均化ウィンドウのハーフ幅を、レーザパルス幅ＦＷＨＭ内のＡＤＣサンプルの数の１．５倍に設定する（例えば、３ｎｓｅｃのパルス幅且つ３．６Ｇｓｐｓのデジタイザサンプリングレートの場合、ウィンドウのハーフ幅は、ｉｎｔ（１．５＊３ｎｓｅｃ＊３．６Ｇｓｐｓ＋０．５）＝１７サンプルである）；
－ この場合、平均化ウィンドウサイズ＝ハーフ幅＊２＋１＝３５サンプルである；
－ ボトムリターンウィンドウ内のガウシアンフィルタリングされたＡＤＣサンプル値の各々について、平均化ウィンドウの中心をそのサンプルにし、平均化ウィンドウ内の全てのサンプルの平均を計算し、現在のサンプルからその値を減算する。これが、ガウシアン及びハイパスフィルタリングされたＡＤＣサンプル値である。
【0055】
ステップ１８２３にて、ボトムピークＡＤＣサンプル番号が、以下の示すようにして見出される：
－ Ｂｏｔｔｏｍ＿Ｐｋ＿Ｓａｍｐ＝ボトムリターンウィンドウ内の最大のガウシアンハイパスフィルタリングされた値を持つサンプル；
－ そのピークが局所的な極大値であり且つ後方散乱の下降勾配上にはないことを確認する。そうでない場合、２番目に高いピークを用いる。
－ Ｂｏｔｔｏｍ＿Ｐｋ＿Ｓａｍｐ＝ボトムリターンウィンドウ内の最大のガウシアンハイパスフィルタリングされた値を持つサンプル；
－ そのピークが局所的な極大値であり且つ後方散乱の下降勾配上にはないことを確認する。そうでない場合、２番目に高いピークを用いる。
【0056】
再び図１８を参照するに、ステップ１８３０にて、システムはピクセル値及びレンジ情報を抽出する。実施形態例において、システムは、（ステップ１８２１からの）ボトムリターンピーク又はその付近を中心とするＮ個のガウシアンフィルタリングされたＡＤＣ出力値に、２次多項式（ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ）をフィッティングし、ここで、Ｎは、ｉｎｔ（Ｐｕｌｓｅ＿Ｗｉｄｔｈ＊ＡＤＣ＿Ｓａｍｐ＿Ｒａｔｅ＋０．５）に最も近い奇数であり、Ｐｕｌｓｅ＿Ｗｉｄｔｈ＝３ｎｓであり、ｎ＝＃ＡＤＣ Ｇｓｐｓ＝３．６である。ｘは、２０４８個のＡＤＣサンプルの時間リターンシーケンスからのサンプル番号であり、ｙは、対応するＡＤＣロー（未加工）振幅であるとして、このシステムは、次式を用いて曲線フィッティング係数（ａ，ｂ，ｃ）を計算することができる：
Ｄ＝ｎ＊ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ４＋２＊ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ３－ｓｕｍｘ２＾３－ｓｕｍｘ＾２＊ｓｕｍｘ４－ｎ＊ｓｕｍｘ３＾２
ａ＝（ｎ＊ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ２ｙ＋ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ３＊ｓｕｍｙ＋ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘｙ－ｓｕｍｘ２＾２＊ｓｕｍｙ－ｓｕｍｘ＾２＊ｓｕｍｘ２ｙ－ｎ＊ｓｕｍｘ３＊ｓｕｍｘｙ）／Ｄ
ｂ＝（ｎ＊ｓｕｍｘ４＊ｓｕｍｘｙ＋ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ２ｙ＊ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ３＊ｓｕｍｙ－ｓｕｍｘ２＾２＊ｓｕｍｘｙ－ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ４＊ｓｕｍｙ－ｎ＊ｓｕｍｘ３＊ｓｕｍｘ２ｙ）／Ｄ
ｃ＝（ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ４＊ｓｕｍｙ＋ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ３＊ｓｕｍｘｙ＋ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ３＊ｓｕｍｘ２ｙ－ｓｕｍｘ２＾２＊ｓｕｍｘ２ｙ－ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ４＊ｓｕｍｘｙ－ｓｕｍｘ３＾２＊ｓｕｍｙ）／Ｄ。
Ｄ＝ｎ＊ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ４＋２＊ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ３－ｓｕｍｘ２＾３－ｓｕｍｘ＾２＊ｓｕｍｘ４－ｎ＊ｓｕｍｘ３＾２
ａ＝（ｎ＊ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ２ｙ＋ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ３＊ｓｕｍｙ＋ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘｙ－ｓｕｍｘ２＾２＊ｓｕｍｙ－ｓｕｍｘ＾２＊ｓｕｍｘ２ｙ－ｎ＊ｓｕｍｘ３＊ｓｕｍｘｙ）／Ｄ
ｂ＝（ｎ＊ｓｕｍｘ４＊ｓｕｍｘｙ＋ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ２ｙ＊ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ３＊ｓｕｍｙ－ｓｕｍｘ２＾２＊ｓｕｍｘｙ－ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ４＊ｓｕｍｙ－ｎ＊ｓｕｍｘ３＊ｓｕｍｘ２ｙ）／Ｄ
ｃ＝（ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ４＊ｓｕｍｙ＋ｓｕｍｘ２＊ｓｕｍｘ３＊ｓｕｍｘｙ＋ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ３＊ｓｕｍｘ２ｙ－ｓｕｍｘ２＾２＊ｓｕｍｘ２ｙ－ｓｕｍｘ＊ｓｕｍｘ４＊ｓｕｍｘｙ－ｓｕｍｘ３＾２＊ｓｕｍｙ）／Ｄ。
【0057】
実施形態例において、次いで、システムは、曲線フィッティング係数からピーク値及びレンジを抽出する：
・ ピーク振幅（カウント）＝ｃ－ｂ２／４ａ
・ レンジ（メートル）＝（１２／３９．３７）＊（－ｂ／２ａ）＊（０．２７７８）／（２＊１．３３３）。
・ ピーク振幅（カウント）＝ｃ－ｂ２／４ａ
・ レンジ（メートル）＝（１２／３９．３７）＊（－ｂ／２ａ）＊（０．２７７８）／（２＊１．３３３）。
【0058】
図１９は、概念上のシステム及び散乱ノイズ有り及び無しでのレンジ及び振幅処理の例を示している。
【0059】
図２０は、ここに記載される処理の少なくとも一部を実行することができる例示的なコンピュータ２０００を示している。コンピュータ２０００は、プロセッサ２００２、揮発性メモリ２００４、不揮発性メモリ２００６（例えば、ハードディスク）、出力装置２００７、及びグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）２００８（例えば、マウス、キーボード、ディスプレイ）を含む。不揮発性メモリ２００６は、コンピュータ命令２０１２、オペレーティングシステム２０１６、及びデータ２０１８を格納する。一例において、コンピュータ命令２０１２は、揮発性メモリ２００４からプロセッサ２００２によって実行される。一実施形態において、物品２０２０が、非一時的なコンピュータ読み取り可能な命令を有する。
【0060】
処理は、ハードウェア、ソフトウェア、又はこれらの組み合わせで実装され得る。処理は、プロセッサ、記憶媒体若しくはプロセッサによって読み取り可能な他の製造物品（揮発性及び不揮発性のメモリ、及び／又は記憶素子を含む）、少なくとも１つの入力装置、及び１つ以上の出力装置を各々が含む複数のプログラマブルコンピュータ／マシン上で実行されるコンピュータプログラムにて実装され得る。入力装置を使用して入力されたデータにプログラムコードが適用されて、処理を実行し、出力情報を生成する。
【0061】
システムは、データ処理装置（例えば、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、又は複数のコンピュータ）による実行のため、又はその動作を制御するために、少なくとも部分的にコンピュータプログラムプロダクト（例えば、機械読み取り可能記憶装置内）を介して処理を実行することができる。そのような各プログラムは、コンピュータシステムと通信するために、ハイレベルの手続型又はオブジェクト指向のプログラミング言語で実装され得る。しかしながら、プログラムはアセンブリ言語又は機械語で実装されてもよい。言語は、コンパイルされた又はインタープリットされた言語であってもよく、それは、スタンドアローンプログラムとして、又はコンピューティング環境での使用に適したモジュール、コンポーネント、サブルーチン、又は他のユニットとして、を含む任意の形態で展開され得る。コンピュータプログラムは、１つのコンピュータ上で実行されるように、あるいは、一箇所の、又は複数箇所に分散されて通信ネットワークによって相互接続された、複数のコンピュータ上で実行されるように展開され得る。コンピュータプログラムは、汎用又は特殊目的のプログラム可能なコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体又は記憶装置（例えば、ＣＤ－ＲＯＭ、ハードディスク、又は磁気ディスケット）に格納されることができ、該コンピュータによって記憶媒体又は記憶装置が読み取られるときに該コンピュータを構成して動作させる。処理はまた、コンピュータプログラムで構成された機械読み取り可能記憶媒体として実装されることができ、実行時に、該コンピュータプログラム内の命令がコンピュータを動作させる。
【0062】
処理は、１つ以上のコンピュータプログラムを実行してシステムの機能を果たす１つ以上のプログラマブルプロセッサによって実行され得る。システムの全部又は一部が、特殊目的のロジック回路（例えば、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）及び／又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路））として実装されてもよい。
【0063】
本発明の例示的な実施形態を説明したが、当業者にもはや明らかになることには、それらの概念を組み込んだ他の実施形態も使用され得る。ここに含まれる実施形態は、開示された実施形態に限定されるべきでなく、むしろ、添付の特請求項の精神及び範囲によってのみ限定されるべきである。ここで引用される全ての刊行物及び参考文献は、それらの全体にてここに明示的に援用される。
【0064】
ここに記載した複数の異なる実施形態の要素を組み合わせて、具体的には上述していない他の実施形態を形成してもよい。単一の実施形態の文脈で説明されたものである様々な要素がまた、別々に又は何らかの好適なサブコンビネーションで提供されてもよい。ここでは具体的に記載されていない他の実施形態も、以下の請求項の範囲内にある。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A-10C】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】