特表 2024-500208 レーザ測距のための装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-05

(54)【発明の名称】レーザ測距のための装置および方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/32 20200101AFI20231225BHJP

   G01S 7/4915 20200101ALI20231225BHJP

【ＦＩ】

G01S17/32

G01S7/4915

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023524209

(86)(22)【出願日】2021-12-02

(85)【翻訳文提出日】2023-05-30

(86)【国際出願番号】 IB2021061249

(87)【国際公開番号】W WO2022123404

(87)【国際公開日】2022-06-16

(31)【優先権主張番号】279280

(32)【優先日】2020-12-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IL

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520188857

【氏名又は名称】ラファエル アドバンスド ディフェンス システムズ エルティーディー

(74)【代理人】

【識別番号】110003797

【氏名又は名称】弁理士法人清原国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ゴルブチック，ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】マーリン，アーロン

【テーマコード（参考）】

5J084

【Ｆターム（参考）】

5J084AA05

5J084AD01

5J084BA03

5J084BA23

5J084BB34

5J084CA09

(57)【要約】

少なくとも２本の部分的にコヒーレントなサブビームを有するコヒーレントビーム結合（ＣＢＣ）システムによって照射された標的の距離を測定するための測距装置と方法である。上記測距装置は位相変調制御器と信号プロセッサとを含む。上記位相変調制御器はＣＢＣシステムに１つまたは複数の光学位相変調信号を供給する。信号プロセッサは、ＣＢＣシステムまたは外部測距デバイスのいずれかによって提供され、および相対的に大きな不確かさを有する、標的距離の初期測定値とＣＢＣシステムによって供給される時間変化する受信強度信号とを受信する。信号プロセッサは、強度信号の周波数成分を計算し、飛行時間の補正値に対応して回転された周波数成分を形成し、前記回転された周波数成分に依存して目的関数を計算し、目的関数の大域的最小値を求め、ならびに標的距離の、初期測定値の不確かさよりも小さな不確かさを有する補正された測定値を計算する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも２本の部分的にコヒーレントなサブビームで標的を照射するコヒーレントビーム結合（ＣＢＣ）システムとの通信状態にある、測距装置が提供され、前記測距装置は、
前記ＣＢＣシステムに少なくとも１つの光学位相変調信号を提供する位相変調制御器と、
信号プロセッサであって、前記ＣＢＣシステムから時間変化する受信強度信号を受信するように構成され、且つ、ある初期の不確かさを有する、標的距離の初期測定値を受信するように構成され、
前記信号プロセッサは、前記受信強度信号の周波数成分を計算するようにさらに構成され、飛行時間の補正に比例する角にわたって前記周波数成分を回転させることによって回転された周波数成分を形成するように構成され、回転された前記周波数成分に依存して目的関数を計算するように構成され、目的関数の大域的最小値を求めるように構成され、および標的距離の初期の不確かさよりも小さな不確かさを有する、補正された測定値を計算するように構成される、信号プロセッサとを含む、測距装置。

【請求項2】

前記少なくとも１つの光学位相変調信号は、正弦波周波数変調信号または線形周波数変調信号を含む、請求項１に記載の測距装置。

【請求項3】

前記少なくとも１つの光学位相変調信号は、１０キロヘルツから１００メガヘルツまでの範囲の値の帯域幅を有する、請求項１に記載の測距装置。

【請求項4】

前記周波数成分は、前記受信強度信号の基本調波周波数および二次調波周波数を含む、請求項１に記載の測距装置。

【請求項5】

前記信号プロセッサは、前記位相変調制御器に対して、前記少なくとも１つの光学位相変調信号の１つまたは複数の更新されたパラメーターを含むフィードバックを送る、請求項１に記載の測距装置。

【請求項6】

前記標的距離の初期測定値は、ＣＢＣシステムまたは外部測距デバイスによって提供される、請求項１に記載の測距装置。

【請求項7】

前記外部測距デバイスは、マイクロ波レーダ、ミリ波レーダ、および前方監視赤外線システムを含む群から選択される、請求項１に記載の測距装置。

【請求項8】

前記目的関数は、回転された前記周波数成分の絶対値に依存する、請求項１に記載の測距装置。

【請求項9】

前記目的関数は、絶対値和目的関数および／または平方和目的関数を含む、請求項１に記載の測距装置。

【請求項10】

前記標的距離の補正された測定値は、初期不確かさが少なくとも３００の係数で割られた値に等しい不確かさを有する、請求項１に記載の測距装置。

【請求項11】

前記少なくとも２本の部分的にコヒーレントなサブビームは、値が１メートル以下であるコヒーレンス長を有する、請求項１に記載の測距装置。

【請求項12】

少なくとも２本の部分的にコヒーレントなレーザサブビームで標的を照射するコヒーレントビーム結合（ＣＢＣ）システムで使用する測距方法であって、前記測距方法は、
（ａ）少なくとも２本の部分的にコヒーレントなレーザサブビームと光学位相変調器とを含むＣＢＣシステムを提供する工程、
（ｂ）前記ＣＢＣシステムに少なくとも１つの光学位相変調信号を送る工程、
（ｃ）前記ＣＢＣシステムから時間変化する受信強度信号を受信し、および前記ＣＢＣシステムまたは外部測距デバイスのいずれかから標的距離の初期測定値を受信する工程、および
（ｄ）前記初期測定値の不確かさよりも小さな不確かさを有する、標的距離の補正された測定値を計算する工程、を含む、測距方法。

【請求項13】

工程（ｄ）が、
（ｅ）前記強度信号の周波数成分を計算する工程、
（ｆ）飛行時間の補正に比例する角にわたって前記周波数成分を回転させる工程、
（ｇ）回転された前記周波数成分に依存して目的関数を計算する工程、および
（ｈ）前記目的関数の大域的最小値を求める工程をさらに含む、請求項１２に記載の測距方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ測距（ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ－ｆｉｎｄｉｎｇ）に関し、とりわけ、コヒーレントビーム結合（ＣＢＣ）システムによって照射された標的への距離を正確に測定するための、装置および方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電磁気的測距システムでは、標的への距離は、波源から標的、そして標的から受信器へと伝播する電磁波の飛行時間（ＴＯＦ）を測定することによって見出される。上記波源は、一般的に、変調された信号を送信し、上記信号は、振幅または強度、変調を有する、パルス波または持続波であってよい。ＴＯＦ測定精度は、主として変調帯域幅に依存し、典型的にはマイクロ波システムのものよりもレーザシステムのもののほうがはるかに高く、および、標的からの反射信号の信号対ノイズ比にも依存する。

【0003】

先行技術のコヒーレント検波に基づくレーザ測距システムでは、標的によって反射されたビームとレーザ源によって放射されたビームの遅延した部分との間の相対的な光学位相を測定するために、光学干渉が使用される。コヒーレント検波は、波源が、実質的に標的距離の因数であるコヒーレンス長を有することを必要とする。このことは、コヒーレント検波システムの有能出力と有効測定範囲を制限する。

【0004】

２０１５年のＭｏｄｅｒｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｖｏｌ． ９， Ｎｏ． ４に掲載の『Ｍｕｌｔｉ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｌａｓｅｒ Ｒａｎｇｅ Ｆｉｎｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ』と題されたＣｈｅｎ Ｙｕらによる論文は、多重周波数位相シフト（ＭＦＰＳ）法を使用する測距システムを提示する。この方法において、シードレーザ源の強度は、いくつかの周波数を有する信号によって経時的に変調される。座標回転角ソルバアルゴリズムを使用して、反射信号は復調され、ＴＯＦ推定値が生成される。

【0005】

指向性エネルギーの応用において、システムは、距離測定値の必要精度と更新レートに厳しい制約を課す。典型的な必要条件は、少なくとも１キロメートルの標的距離において±１メートルの距離測定精度である。名目上の光速（ｃ）を３ｘ１０^８メートル／秒に等しいと仮定すると、２方向（往復）の伝搬の標的ＴＯＦは、少なくとも（２×１０００メートル／ｃ）＝６．６７マイクロ秒（μｓｅｃ）であり、および、必要なＴＯＦ測定精度は（２ｘ±１メートル／ｃ）＝±６．６７ナノ秒（ｎｓｅｃ）である。さらに、標的が波源に対して半径方向に、例えば、１００メートル／秒で移動している場合、必要な更新レートは１秒当たり１０００測定を優に超過し得る。

【0006】

先行技術のレーザ測距計は、レーザ出力と、強度変調帯域幅と、標的距離に関し、上記の必要条件を満たすレーザコヒーレンス長との適切な組み合わせ、および、ＴＯＦ測定精度と更新レートを達成することができない。

【0007】

ＣＢＣシステムにおいて、いくつかのレーザサブビームがシードレーザを増幅することによって形成され、および出射光束を形成するために同位相に結合される。ビーム導波器光学システムは、標的面に対して一点に照射しオーバーラップさせるようにビームを導光する。ＣＢＣシステムは出力的に拡張可能であり、数キロワットオーダーのレーザ出力が実証されてきた。照射の一部は標的から受信器望遠鏡の方向に反射され、光学的および電気的なハードウェア構成部品によって処理されて、時間変化する受信信号を形成する。受信信号は、サブビーム間の相対的位相を測定して制御するために、例えば、ループ式標的システム（Ｔａｒｇｅｔ－ｉｎ－ｔｈｅ－Ｌｏｏｐ／ＴＩＬ Ｓｙｓｔｅｍ）において分析される。

【発明の概要】

【0008】

本発明は、コヒーレントビーム結合（ＣＢＣ）システムの少なくとも２本のサブビームによって照射された標的に対する正確な測距のための装置と方法を提供することによって、先行技術の限界を克服する。本発明は、電子ノイズの存在下においてさえ高いＴＯＦ測定精度と高いＴＯＦ測定値更新レートを達成するために、比較的低いコヒーレンス長を有するレーザサブビームの光学位相変調を利用する。

【0009】

本明細書で開示される発明特定事項の一態様によると、少なくとも２本の部分的にコヒーレントなサブビームで標的を照射するコヒーレントビーム結合（ＣＢＣ）システムとの通信状態にある測距装置が提供され、該測距装置は、ＣＢＣシステムに少なくとも１つの光学位相変調信号を提供する位相変調制御器、および信号プロセッサであって、ＣＢＣシステムから時間変化する受信強度信号を受信し、且つ初期不確かさを有する標的距離の初期測定値を受信するように構成される、信号プロセッサを含む。信号プロセッサは、受信強度信号の周波数成分を計算するように構成され、飛行時間の補正に比例する角にわたって周波数成分を回転させることによって回転された周波数成分を形成するように構成され、回転された周波数成分に依存して目的関数を計算するように構成され、目的関数の大域的最小値を求めるように構成され、および、標的距離の、初期の不確かさよりも小さな不確かさを有する補正された測定値を計算するように構成される。

【0010】

いつくかの態様によると、少なくとも１つの光学位相変調信号は、正弦波周波数変調信号または線形周波数変調信号を含む。

【0011】

いつくかの態様によると、少なくとも１つの光学位相変調信号は、１０キロヘルツから１００メガヘルツまでの範囲の値の帯域幅を有する。

【0012】

いつくかの態様によると、周波数成分は、受信強度信号の基本および二次調波周波数を含む。

【0013】

いつくかの態様によると、信号プロセッサは、位相変調制御器に対して、少なくとも１つの光学位相変調信号の１つまたは複数の更新されたパラメーターを含むフィードバックを送る。

【0014】

いつくかの態様によると、標的距離の初期測定値は、ＣＢＣシステムまたは外部測距デバイスによって提供される。

【0015】

いつくかの態様によると、外部測距デバイスは、マイクロ波レーダ、ミリ波レーダ、および前方監視赤外線システムを含む群から選択される。

【0016】

いつくかの態様によると、目的関数は、回転された周波数成分の絶対値に依存する。

【0017】

いつくかの態様によると、目的関数は、絶対値和目的関数および／または平方和目的関数を含む。

【0018】

いつくかの態様によると、標的距離の補正された測定値は、初期不確かさが少なくとも３００の係数で割られた値に等しい不確かさを有する。

【0019】

いつくかの態様によると、少なくとも２本の部分的にコヒーレントなサブビームは、値が１メートル以下であるコヒーレンス長を有する。

【0020】

本明細書で開示される発明特定事項の別の態様によると、少なくとも２本の部分的にコヒーレントなレーザサブビームで標的を照射するコヒーレントビーム結合（ＣＢＣ）システムで使用するための測距方法が提供され、該方法は、
ａ）少なくとも２本の部分的にコヒーレントなレーザサブビームおよび１つの光学位相変調器を含むＣＢＣシステムを提供する工程、
ｂ）少なくとも１つの光学位相変調信号をＣＢＣシステムに送る工程、
ｃ）ＣＢＣシステムからの時間変化する受信強度信号を受信し、およびＣＢＣシステムまたは外部測距デバイスのいずれかから標的距離の初期測定値を受信する工程、および
ｄ）標的距離の、初期測定値よりの不確かさよりも小さな不確かさを有する、補正された測定値を計算する工程を含む。

【0021】

いつくかの態様によると、測距方法の工程ｄ）は、
ｅ）強度信号の周波数成分を計算する工程、
ｆ）飛行時間の補正に比例する角にわたって周波数成分を回転させる工程、
ｇ）回転された周波数成分に依存して目的関数を計算する工程、および
ｈ）目的関数の大域的最小値を求める工程をさらに含む。

【図面の簡単な説明】

【0022】

本発明は、添付の図面を参照して、ほんの一例として本明細書において記載される。同様または類似の要素を表示するために、類似する参照番号が図面において使用される。

【図1】本発明による、典型的な測距装置の主要コンポーネントの図式表現である。

【図2】ノイズがある場合とない場合の、例示的な目的関数Ｆ（δｔ）のプロットである。

【図3】例示的なＴＯＦ測定値成功率対ノイズスペクトル密度のプロットである。

【図4】本発明の原理による、例示的な測距方法のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明は、ＣＢＣシステムのサブビームによって照射された標的の正確な測距のための装置および方法である。本発明の原理および実際的使用は、図面および付随する記載を参照してより良く理解されよう。

【0024】

図１は、本発明による典型的な測距装置（１００）の図式表現を示す。位相変調制御器（１２０）は、ＣＢＣシステム（１０）の中の光学位相変調器（２０）に少なくとも１つの時間変化する光学位相変調信号を送る。変調器（２０）は、ＣＢＣ照射源によって放射された、高パワーレーザ・サブビーム（１５）の少なくとも１つに位相変調を適用する。

【0025】

レーザサブビーム（１５）それぞれのコヒーレンス長は、典型的に約１メートル以下であり得る。それゆえ、コヒーレントな結合を確かなものにするために、ミリメートル精度でサブビーム源の間の光路差が調整されなければならない。先行技術との比較において、コヒーレント検波を使用する既存の高出力レーザ測距器は、少なくとも数メートルの、また場合によっては、数十または数百キロメートルオーダーの、レーザコヒーレンス長を典型的に必要とする。変調器（２０）を出ると、サブビームの相対的な光学位相は、サブビームの光学経路に存在する電子ノイズ、音響振動、および熱変動によって引き起こされる付加的な位相シフトを含む。

【0026】

サブビーム（１５）は、ｊ＝１～Ｎ（Ｎ≧２）で番号付けされ、ここでＮは、サブビームの総数であり、未変調と変調済の両方のサブビームを含む。ビームが未変調の場合、ｊ番目のサブビームの光学位相変調信号は０であり、サブビームが変調済の場合、非０であり、時間変化関数はｍ_ｊ（ｔ）である。関数ｍ_ｊ（ｔ）は、距離測定値の必要精度に依存して、フーリエドメインにおける、キロヘルツ（ｋＨｚ）からギガヘルツ（ＧＨｚ）に及び得る帯域幅を有する。非限定的で例示的な光学位相変調信号は、線形の周波数変調（ＬＦＭ）、または「チャープ」信号および正弦波信号を含む。後者は、

【0027】

【数1】

の形を有し、式中、ｊ番目の変調されたサブビームについて、ｆ_ｊが変調周波数であり、Ａ_ｊは定数の変調振幅であり、およびＢ_ｊは定数の位相オフセットである。ｆ_ｊの典型的な値は、１０キロヘルツ（ｋＨｚ）と１００メガヘルツ（ＭＨｚ）との間である。

【0028】

位相変調制御器（１２０）は、サブビームの光学位相変調のために必要な電圧と周波数とを提供する。例えば、Ｔｈｏｒｌａｂｓ^{（登録商標）}ＬＮ８１Ｓ－ＦＣなどの、電気光学変調器の場合には、πだけ位相を変化させるのに必要な電圧は、ほぼ６Ｖである。この電圧を提供するために、制御器（１２０）は、例えば、デジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）または電圧制御発振器（ＶＣＯ）を使用して、デジタル信号をアナログ信号に変換し、必要な電圧レベルに到達するためのＲＦ増幅器が後に続く場合がある。

【0029】

図１において、ＣＢＣビーム導波器（３０）は、典型的に２～３マイクロラジアンのオーダーの高い角度精度でサブビームを導光し、その結果、サブビームは標的（４５）の表面上でオーバーラップして単一のスポット（４０）を形成する。大気を通って伝播するにつれ、サブビームは乱気流の領域（３５）の中の動く空気塊によって引き起こされる時間変化する摂動などの、相対的位相差を蓄積する。従って、標的上に入射するサブビームの相対的な光学位相は、一般に自明ではない。

【0030】

標的の表面では、総計の時間変化複素電界Ｕ（ｔ）は、Ｕ（ｔ）＝ΣＵ_ｊ（ｔ）によって表わされる場合があり、式中の総和は、すべてのサブビーム（つまり、ｊ＝１からＮまで）にわたる。ｊ番目のサブビームの時間変化複素電界Ｕ_ｊ（ｔ）は、

【0031】

【数2】

で与えられる。

【0032】

ここで、ｕ_ｊは未知の正の振幅であり、ｉ＝√－１であり、「ｅｘｐ」は指数関数であり、「ｃ」は光速であり、およびλは、典型的には可視または赤外線の光スペクトルに属するサブビームの波長である。関数Φ_ｊ（ｔ）は、乱気流および標的の動きのような物理的な影響に起因する未知の相対位相を表わす。これらの影響は、一般にｋＨｚ範囲以下の周波数帯域を有し、制御器（１２０）によって供給される光学位相変調信号ｍ_ｊ（ｔ）の、典型的にはＭＨｚ範囲にある、周波数帯域よりもかなり下にある。

【0033】

標的上に入射する照射の一部は反射ビーム（５０）（ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｂｅａｍ）を形成し、ＣＢＣ受信器（５５）によって検出される。数キロメートルの距離では、受信されるビームは、ＣＢＣシステムによって放出される照射パワーより９～１２オーダー小さくなり得る。受信器（５５）は、反射ビームのための入口開口部を備えた望遠鏡光学系、Ｔｈｏｒｌａｂｓ^{（登録商標）}ＡＰＤ１３０Ｃなどの高ゲイン低ノイズの検出器を典型的に含む。

【0034】

受信強度信号Ｉ（ｔ）は、｜Ｕ（ｔ）｜^２に比例し、および多くの相互変調積項を含む。ｍ_ｊ（ｔ）が周波数ｆ_ｊを備えた正弦波関数である場合、Ｉ（ｔ）は、周波数ｆ_ｊを有する正弦波項、周波数２ｆ_ｊを有する二次高調波項、およびｆ_ｊ±ｆ_ｎ（ｎ≠ｊ）などの周波数和と周波数差を伴うその他の項を含む。

【0035】

測距装置（１００）は、信号Ｉ（ｔ）を受信するように構成され、ならびに図１においてブロック（１３０、１４０、１５０、１６０、および１７０）で表わされる信号処理アルゴリズムのシーケンスを実行することによって標的ＴＯＦ情報を抽出するように構成される、リアルタイム式の信号プロセッサ（１１０）を含む。信号プロセッサ（１１０）は、典型的に、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）によって実装される。

【0036】

ブロック（１３０）は、いくつかのリアルタイム機能を有する。第１に、ブロック（１３０）は、典型的には、最も高い変調周波数より少なくとも１０倍高い帯域幅を有するアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用して、受信器（５５）によって供給された受信強度信号Ｉ（ｔ）をデジタル化する。

【0037】

第２に、ブロック（１３０）は、外部センサまたはＣＢＣシステム（１０）によって供給され得る標的距離の粗推定値Ｒ_０を受信する。例えば、外部センサは、マイクロ波レーダ、ミリ波レーダ、または前方監視赤外線（ＦＬＩＲ）システムであり得る。代替的に、標的距離の粗推定値は、本発明の装置に類似するがより低い周波数（例えば、１０～１００ｋＨｚ）を有する光学位相変調信号を用いる測距装置によって供給されてもよい。粗推定値Ｒ_０の不確かさは±ΔＲによって表示される。Ｒ_０に基づいて、ＴＯＦの粗推定値は、±ΔＴ＝±２ΔＲ／ｃの不確かさで、Ｔ_０＝２Ｒ_０／ｃにより与えられる。

【0038】

第３に、ブロック（１３０）はＩ（ｔ）の直交位相と同相周波数成分（しばしば「Ｉ－Ｑ成分」または「直交成分」と呼ばれる）を以下のように計算する。

【0039】

【数3】

上記の積分は、任意の所与の周波数ｆについて、時間間隔｜ｔ－Ｔ_０｜≦Ｗにわたり評価される。正弦波周波数変調の場合には、大きな絶対値を有する周波数成分は、一般に基本周波数ｆ_ｊに対応するもの、およびその二次調波周波数２ｆ_ｊに対応するものである。正弦波でない、さらに一般の変調関数の場合、方程式３および方程式４は、信号処理の当業者に周知のように、ヒルベルト変換で置き換えられる場合がある。典型的には、積分時間、２Ｗは、Ｉ（ｔ）の信号対ノイズ比に依存し、および約１０～１００μ秒のオーダーである。Ｃ（ｆ）およびＳ（ｆ）の計算値が方程式１の位相オフセットＢ_ｊを更新するために、および更新されたパラメーターを変調制御器（１２０）にフィードバックするために使用されて、それにより標的におけるサブビームのコヒーレントな結合が可能となる場合がある。

【0040】

ブロック（１４０）は増分の位相角（２πｆδｔ）にわたって周波数成分Ｃ（ｆ）とＳ（ｆ）を回転させ、ここでδｔはまだ決定されていないＴＯＦ補正値である。回転された周波数成分は、以下の式、

【0041】

【数4】

で与えられる。

【0042】

ブロック（１５０）は目的関数Ｆ（δｔ）を計算する。目的関数は、式

【0043】

【数5】

によって定義され、式中、総和はサブビームのすべて、ｊ＝１からＮにわたる。指数「ｐ」は、正整数または０より大きい分数値であり得る。ｐ＝１のとき、関数Ｆは「絶対値和」目的関数と呼ばれ、ｐ＝２のとき、それは「平方和」目的関数と呼ばれる。

【0044】

関数Ｆ（δｔ）は一般に多くの局所的最小値を有するが、δｔが真の目標ＴＯＦからＴ_０を引いた値に等しいとき、大域的最小値が得られる。物理的に、一次高調波の直交成分を伴うＣＣ項と二次高調波の同相成分を伴うＳＳ項との両方が小さな振幅である時、Ｆの大域的最小値が生じる。

【0045】

一般に、方程式７の目的関数は、ｆ_ｊの基本および二次高調波に加え、他の周波数の組み合わせを備えた項を含めるように拡張される場合がある。しかしながら、シミュレーション結果は、方程式７の目的関数が、追加の項がなくとも、非常に高精度の距離推定を与えることを示す。

【0046】

ブロック（１６０）は、初期ＴＯＦ推定値Ｔ_０の不確かさに対応して、区間｜δｔ｜≦ΔＴにわたる、目的関数Ｆ（δｔ）の大域的最小値を求める。Ｆ（δｔ）の局所的最小値の１つを選ぶことがないように、上記区間は密な間隔の点のグリッドに分割され、そのΔｔ値は、例えば、１ｎ秒以下に区切られ、Ｆの数値は方程式７を使用して計算される。大域的最小値に対応する点（δｔ_ｍｉｎ、Ｆ_ｍｉｎ）が選択され、および値δｔ^＊＝δｔ_ｍｉｎがＴＯＦ補正の測定値として選ばれる。

【0047】

受信強度信号Ｉ（ｔ）中のノイズの存在下において、ＴＯＦ測定の精度は積分によって改善される場合がある。積分の１つの方法は、目的関数｛Ｆ_ｋ（δｔ），ｋ＝１～Ｋ｝の集合を形成することであり、式中、各Ｆ_ｋはＮ個のサブビームの異なる部分集合に対応するか、または方程式３と方程式４における異なる積分時間区間に対応する。Ｋ個の目的関数Ｆ_ｋを合計することによって得られる目的関数Ｆは、大域的最小点、および対応する測定されたＴＯＦ補正値δｔ^＊＝δｔ_ｍｉｎを見つけるために使用される。

【0048】

積分の第２の方法は、点（δｔ_ｍｉｎ、Ｆ_ｍｉｎ）の近傍のいくつかの点にスプライン曲線をフィッティングし、次に、フィッティングされたスプライン曲線がその最小値を持つＴＯＦ補正値を見つけることである。近傍の点からのデータを結合することにより、測定されるＴＯＦ補正の精度は全般的に改善される。

【0049】

ブロック（１７０）は、以下の式
Ｒ^＊＝Ｒ_０＋ｃδｔ^＊／２ （方程式８）
によって与えられる標的距離Ｒ^＊の補正された値を計算する。
Ｒ^＊の更新レートは、積分時間２Ｗと目的関数Ｆを最小化するための演算時間に依存し、例えば、５ｋＨｚから５０ｋＨｚの間である。

【0050】

図２および図３は、本発明による、測距装置と方法の優れたノイズ頑強性を例示するプロットを示す。プロットは、ノイズの存在下における、レーザ光線と光検出のデジタル・シミュレーションに基づく。シミュレーションにおいて、信号Ｉ（ｔ）は１ナノ・ワット（ｎＷ）の平均出力を有する。Ｉ（ｔ）中のノイズは、ホワイトおよびガウスであり、ある可変ノイズスペクトル密度を有し、平方根ヘルツ当たりのピコワット（ｐＷ／√Ｈｚ）の単位で測定される。初期の距離測定値Ｒ_０は、±ΔＴ＝±２ΔＲ／ｃ＝±２マイクロセカンド（μ秒）の粗ＴＯＦ不確かさに対応して、±ΔＲ＝±３００メートルの不確かさを有する。プロトタイプの装置では、サブビームの８つの群がある。各群は、それぞれが異なる周波数での正弦波光学位相変調を有する４本のサブビームからなる（Ｎ＝４）。８つの群のそれぞれは、目的関数Ｆ_ｋと合計された目的関数Ｆ＝ΣＦ_ｋ、を生成し、大域的最小点と関連するＴＯＦ補正値δｔ^＊を見つけるために使用される。

【0051】

図２は、μ秒単位で、ＴＯＦ補正値に対する、ノイズがある場合とない場合の、目的関数Ｆ（δｔ）の例示的なプロットを示す。実線の曲線と破線の曲線は、受信強度信号、Ｉ（ｔ）の、ノイズがない場合とノイズがある場合にそれぞれ対応する。信号積分時間は、２Ｗ＝１６マイクロ秒であり、破線の曲線のノイズスペクトル密度は２ｐＷ／√Ｈｚに等しく、および値ｐ＝１が方程式７の中で使用される。矢印（２２０）と矢印（２３０）は、ノイズがある場合とノイズがない場合の、Ｆの大域的最小点をそれぞれ示す。大域的最小点がδｔのほとんど同じ値において生じ、ＴＯＦ補正の測定値におけるノイズの影響が、この場合、非常に小さいことを示す。ノイズレベルが上昇するにつれ、測定精度は低下し、および非常に高いノイズレベルでは、多くの局所的最小値の存在は、正確な大域的最小値を確認することにおける困難さと測定の失敗につながる場合がある。

【0052】

図３は、例示的な距離測定成功率対ノイズスペクトル密度のプロットをｐＷ／√Ｈｚの単位で示す。測定の成功は、±３００メートルの初期距離不確かさに対して、方程式８によって与えられる補正された距離の測定値が真の標的距離の±１メートル内にあるシミュレーションの試行として定義される。これは少なくとも３００：１の不確かさ改善度を表わす。図３によると、１．０ｐＷ／√Ｈｚより下のノイズスペクトル密度では、成功率は９７％以上であると見られる。

【0053】

繰り返しのシミュレーションは、絶対値和の目的関数（方程式７においてｐ＝１）は、不確かさ改善度と成功率の点で、平方和（ｐ＝２）目的関数よりも、全般的によりよい距離補正測定値をもたらすことを示す。

【0054】

図４は、本発明の原則による、例示的な測距方法のブロック図である。該方法は、
工程４１０：ＣＢＣシステムに少なくとも２本の部分的にコヒーレントなレーザサブビームと１つの光学位相変調器とを提供する工程、
工程４２０：ＣＢＣシステムに少なくとも１つの光学位相変調信号を送る工程、
工程４３０：ＣＢＣシステムから受信強度信号Ｉ（ｔ）を受信し、および、ＣＢＣシステムまたは外部測距デバイスのいずれかから標的距離の初期測定値を受信する、工程、および
工程４４０：方程式８を使用して、不確かさが初期測定より小さい標的距離の補正された測定値を計算する工程を含む。

【0055】

方法の例示的な実施例では、工程４４０は以下の付加的な工程を含む場合がある。工程４４２：方程式３と方程式４を使用して、強度信号の周波数成分を計算する工程、
工程４４４：方程式５と方程式６を使用して、ＴＯＦ補正δｔの分だけ周波数成分Ｃ（ｆ）とＳ（ｆ）を回転させる工程、
工程４４６：方程式７を使用して、回転された周波数成分に依存して目的関数Ｆ（δｔ）を計算する工程、および
工程４４８：大域的最小値Ｆ（δｔ）に対応するδｔ^＊を決定する工程。

【0056】

上の記載は、単に例として役立つように意図され、多くの他の実施形態は、添付された請求項に規定されるような本発明の範囲内で可能であることが理解されるだろう。例えば、信号プロセッサ（１１０）によって実行されるアルゴリズムは、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、およびプログラム可能な信号プロセッサの１つ以上の組み合わせによって実装され得る。あるいは、信号処理のいくつかまたはすべては、ＣＢＣシステムに委託される場合がある。さらに、本発明の装置と方法の他の多くの構成は、図１と図４それぞれに明示的に示されるものに加え、本明細書に開示される原理に基づいて、レーザ測距の当業者にとって即座に明白であろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】