特表 2024-547124 広視野静的ライダ

(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】2024-12-26

(54)【発明の名称】広視野静的ライダ

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/4865 20200101AFI20241219BHJP

   G01S 17/10 20200101ALI20241219BHJP

   G01S 17/931 20200101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

G01S7/4865

G01S17/10

G01S17/931

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024538151

(86)(22)【出願日】2022-12-16

(85)【翻訳文提出日】2024-07-19

(86)【国際出願番号】 EP2022086416

(87)【国際公開番号】W WO2023117778

(87)【国際公開日】2023-06-29

(31)【優先権主張番号】2114182

(32)【優先日】2021-12-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】514255523

【氏名又は名称】サントレ ナティオナル ド ラ ルシェルシェ シアンティフィク

(71)【出願人】

【識別番号】520179305

【氏名又は名称】ユニヴェルシテ パリ－サクレー

【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＥ ＰＡＲＩＳ－ＳＡＣＬＡＹ

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所

(72)【発明者】

【氏名】クロミエール，ジャン－ポール

【テーマコード（参考）】

5J084

【Ｆターム（参考）】

5J084AA02

5J084AA03

5J084AA05

5J084AB01

5J084AC02

5J084AC04

5J084AC07

5J084AD01

5J084BA04

5J084BA36

5J084CA03

5J084CA19

5J084CA26

5J084DA08

5J084EA22

(57)【要約】

本発明は、ライダからの信号を処理するための方法（１００）に関し、この方法は、増幅済み電気信号（
【数２４】

）をデジタル化するステップＡと、処理済み信号（ｓｆ（ｔ））を生成するために、デジタル化した増幅済み電気信号に対して、少なくとも１つの、補正フィルタ（Ｃ^ｅ（ｔ））と呼ばれる時間補正関数を適用するステップＢであって、補正フィルタ（Ｃ^ｅ（ｔ））は、インパルス応答およびあらかじめ決められた時間解析関数に基づいて決定され、解析関数は不連続部分と呼ばれる少なくとも１つの非ゼロ値（ａ０、ａ１、ａ２）を、不連続部分の時間（ｔｄ０、ｔｄ１、ｔｄ２）と呼ばれる所与の時間において有し、不連続部分周辺において実質的にゼロ値への戻りを伴う、ステップＢと、処理済み信号に基づいて少なくとも１つの要素（Ｅｉ）の距離（ｄｉ）を決定するステップＣと、を包含する。
【選択図】 図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ライダからの信号を処理するための方法（１００）であって、前記ライダは、飛行時間測定を行い、５°以上の角度でシーンの方向に光パルスを放射するように構成される放射装置と、受信装置とを包含し、前記受信装置は、インパルス応答（ｈｒ（ｔ））を呈し、前記シーンの少なくとも１つの要素（Ｅｉ）によって反射または後方散乱されたパルスを受信するように構成される光検出器と、増幅済み電気信号（ｓ_０（ｔ））を生成するように構成される増幅回路（ＣＡ）とを包含し、前記方法は、
前記増幅済み電気信号（ｓ_０ ^ｅ（ｔ））をデジタル化するステップＡと、
処理済み信号（ｓｆ（ｔ））を生成するために、前記デジタル化した増幅済み電気信号に対して、少なくとも１つの、補正フィルタ（Ｃ^ｅ（ｔ））と呼ばれる時間補正関数を適用するステップＢであって、
前記補正フィルタ（Ｃ^ｅ（ｔ））は、前記インパルス応答およびあらかじめ決められた時間解析関数に基づいて決定され、前記解析関数は、不連続部分と呼ばれる少なくとも１つの非ゼロ値（ａ０、ａ１、ａ２）を、不連続部分の時間（ｔｄ０、ｔｄ１、ｔｄ２）と呼ばれる所与の時間において有し、前記不連続部分周辺において実質的にゼロ値への戻りを伴う、ステップＢと、
前記処理済み信号に基づいて前記少なくとも１つの要素（Ｅｉ）の距離（ｄｉ）を決定するステップＣと、
を包含する、ライダからの信号を処理するための方法（１００）。

【請求項2】

前記補正フィルタを適用することは、前記時間補正関数を用いて前記デジタル化された増幅済み電気信号を畳み込むことからなり、前記補正フィルタは、前記あらかじめ決められた解析関数による前記インパルス応答の逆畳み込みによって決定される、請求項１に記載の処理方法。

【請求項3】

前記シーン内の前記少なくとも１つの要素の存在が、前記処理済み信号の極大値に対応し、関連付けされた前記距離は、前記極大値の時間的な位置から決定される、請求項１または請求項２に記載の処理方法。

【請求項4】

前記インパルス応答は、時間ｔ_{ｍ－ｉｍｐ}に最大値を有し、前記解析関数の少なくとも１つの前記不連続部分の時間は、前記時間ｔ_{ｍ－ｉｍｐ}の近傍に時間的に位置する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の処理方法。

【請求項5】

前記解析関数は、少なくとも１つの前記不連続部分の外側においてゼロ値を有する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の処理方法。

【請求項6】

前記解析関数は、単一の不連続部分（Ａ０）、または２つの不連続部分、または３つの不連続部分のうちのいずれかを有し、それぞれは、時間的に近接した不連続部分の時間に位置する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の処理方法。

【請求項7】

複数の関連付けされた処理済み信号（ｓｆｊ（ｔ））を生成するために、複数の解析関数（ｈｃｊ（ｔ））から決定された複数の補正フィルタ（Ｃｊ（ｔ））が適用され、前記シーン内の前記少なくとも１つの要素の前記距離が、複数の前記処理済み信号から決定される、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の処理方法。

【請求項8】

複数の前記補正フィルタは、もっとも近い障害物に対応する距離の決定が最終的な処理済み信号により可能になるまで反復処理を介して適用される、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の処理方法。

【請求項9】

前記反復処理は、前記解析関数の非ゼロ値である不連続部分を修正することにある、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の処理方法。

【請求項10】

単一の不連続部分（Ａ０）を伴う解析関数に対応する補正フィルタが最初に適用され、それに続いて、２つの不連続部分または３つの不連続部分を伴う解析関数が適用されて前記不連続部分は反復的に修正される、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の処理方法。

【請求項11】

飛行時間型ライダ・システム（１０）であって、
５°以上の角度でシーンに向けて光パルスを放射するように構成される放射装置（ＤＥ）と、
インパルス応答（ｈｒ（ｔ））を有する受信装置（ＤＲ）であって、
前記シーン内の少なくとも１つの要素（Ｅｉ）によって反射または後方散乱されたパルス（Ｉｒ）を受信し、前記パルスを電気信号に変換するように構成される光検出器（ＰＤ）と、
前記電気信号を増幅するように構成される増幅回路（ＣＡ）と、を包含する受信装置（ＤＲ）と、
前記増幅済み電気信号（ｓ_０ ^ｅ（ｔ））をデジタル化する処理ユニット（ＵＴ）であって、
処理済み信号（ｓｆ（ｔ））を生成するために、前記デジタル化した増幅済み電気信号に対して、少なくとも１つの、補正フィルタ（Ｃ^ｅ（ｔ））と呼ばれる時間補正関数を適用するように構成される前記増幅済み電気信号の処理ユニット（ＵＴ）と、
前記補正フィルタ（Ｃ^ｅ（ｔ））は、前記インパルス応答（ｈｒ（ｔ））およびあらかじめ決められた時間解析関数に基づいて決定され、前記解析関数は、不連続部分と呼ばれる少なくとも１つの非ゼロ値（ａ０、ａ１、ａ２）を、不連続部分の時間（ｔｄ０、ｔｄ１、ｔｄ２）と呼ばれる所与の時間において有し、前記不連続部分周辺において実質的にゼロ値への戻りを伴い、
前記処理済み信号に基づいて前記少なくとも１つの要素（Ｅｉ）の距離（ｄｉ）を決定するように構成される、処理ユニット（ＵＴ）と、
を包含する、飛行時間型ライダ・システム（１０）。

【請求項12】

前記増幅回路（ＣＡ）は、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）と、一次側および二次側を包含するトランスと、キャパシタ（Ｃ）とを包含し、前記トランスの前記一次側が前記光検出器のアノードに接続され、前記二次側がキャパシタに接続され、前記キャパシタが前記トランスインピーダンス増幅器の入力に接続される、請求項１１に記載のライダ・システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、飛行時間（time-of-flight（ＴＯＦ））型ライダの分野に関し、より詳細には、５°より広い視野を伴ったライダに関する。ここでは、低消費電力で小型かつ低コストの静的ライダ（機械的可動部分を持たない）に焦点を当てる。このタイプのライダは、たとえば障害物検出に応用される。

【背景技術】

【0002】

ライダ（光検出および測距：Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）は、光パルスの飛行時間を測定することにより距離を測定するために使用される装置である。

【0003】

この装置は、高パワー、短時間（通常、数ナノ秒）の光パルスを放射し、その後に遅れて障害物からの反射／後方散乱パルスを回収する。光の伝播速度がわかれば、飛行時間と呼ばれるこの遅延時間から距離が推測される。その距離は、次の式に従って計算される。

【0004】

【数1】

【0005】

式中、ｃ＝３．１０^８ｍ／ｓは、光の速度であり、Ｒは、発信機と障害物の間の距離ｄに起因する遅延時間である。したがって、１ｍ離れた障害物の場合には、この遅延時間が６．６７ナノ秒と見なされる。

【0006】

ライダは、
マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラまたはＦＰＧＡ等の論理構成要素によってコントロールされる光パルス放射器（レーザー・ダイオードまたは発光ダイオード）と、
特に測定の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を最大化することによって測定品質を維持しつつ反射パルスを電気信号に変換する役割を担う光電子受信機と、
受信機によって供給された電気信号を処理して障害物までの距離を推測するための装置と、
からなる。この装置は、時間－距離変換器（ＴＤＣ）、またはマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラもしくはＦＰＧＡに基づくデジタル信号処理システムとすることができる。

【0007】

通常、ダイオード・レーザー放射器を使用するときには、数ナノ秒の期間にわたって放射される光パワーを数十ワットに至るまで高くすることが可能である。エコーから受け取られるパワーの大きさは、通常、数ナノワットから数百ミリワットの範囲となる。光出力は、完全な闇のゼロから直射日光下の１ｋＷ／ｍ^２（１２０ｋｌｕｘ）まで変化することが可能である。５×５ｍｍ^２のシリコン・フォトダイオードを照明する平均的な人工光に対応する１０Ｗ／ｍ^２の照度は、約５００μＡの光発生電流を発生し、直射日光は、約２０ｍＡの電流を発生する。

【0008】

ライダは、測距、表面のマッピング、および物体を検出するために使用される。ライダにはいくつかのタイプがある。

【0009】

１Ｄライダは、しばしば視野が狭い、小開口を用いて放射される光パルス・ビームを特徴とする（狭視野（ＦＯＶ）ライダ）。これは、物体が置かれている正確な点からの距離を測定する。光電子構成要素（ビーム放射ダイオード、受信フォトダイオード）が、この場合は、ビームをコリメートして焦点を合わせるためにしばしば光学構成要素（レンズ、フィルタ等）と組み合わされる。これらの狭視野（通常、３°未満）短距離１Ｄライダは、ドローンまたはもっとも広い意味でのロボット（自動掃除機、芝刈り機、障害物検出付き無線コントロール移動体等）といった自動または半自動移動物体のための軽量用途における障害物検出応用に向けて市場に出されている。これらは、その視野が遙かに広く、っその最初に検出される障害物が正確にわからない伝統的な超音波距離測定器に取って代わった。

【0010】

１Ｄライダは、比較的コンパクトで高価でないという利点を有するが、それらの視野が狭く、３°に満たないという主要な欠点を有する（Ｓａｆｒａｎ（サフラン）ＬＲＦ３０１３、Ｂｅｎｅｗａｋｅ（ベネウェイク）ＴＦ０２）。

【0011】

障害物検出が広い視野を必要とすることから、現在のところこの役割は、走査テクノロジを使用する３Ｄライダによって満たされている。そのパルス・ビームもまた小開口を有するが、機械的走査システムと結合されて空間部分の全体を照射する。マップの生成には異なる場所に指向される複数のビームが必要とされる。３Ｄライダは、多様な複雑性の機械的システムまたはＭＥＭＳ（微小電気機械システム）を使用して環境の正確なマッピングを可能にする。これは効果的であるが、次に挙げる点から見て軽量用途にとってオーバーサイズであるという欠点を有する。
－ データ量：正確なマッピングは、データの広範囲にわたる処理を必要とするが、それらすべての処理を期待することは可能でない。
－ 物理的フォームファクタが大きい。
－ 消費電力が高い（殆どの場合は１Ｗを超える）。
－ 測定リフレッシュ・レートが低い（数十Ｈｚ）。

【0012】

これが、広い視野で障害物を検出することを必要とするリバースレーダの分野において、ライダよりはむしろカメラ・ベースの装置の方が超音波センサに取って代わるか、または補助となっている理由である。衝突回避のためには、広視野を走査するためにターンテーブル上に搭載する必要のある伝統的な３Ｄライダより超音波センサの広い視野は有利である。超音波センサは、電磁波と比べて音波の伝播速度が低く、これはエコー時間が遙かに長く、測定しやすいことを意味するが、そのせいでより使いやすいこともある。これらは、車両衝突回避やロボット工学、および物体または生物の存在の検出等の広範な応用に使用される。

【0013】

しかしながら、音波の波長および伝播速度の特性は、超音波センサが次のような根本的な短所を有することを意味する。
－ 大気および環境状態、すなわち湿度、雨、温度、雑音に対する感度が高く、これらの気候状態下で妥当な感度で１メートルを超える検出範囲を得ることが難しい。
－ 測定野内に誤検出のリスクを伴う寄生二次ローブが存在する。
－ 高い発生率で見られる低粗度表面（ミリメートル未満）に対して無感応である（全反射が検出を妨げる）。
－ 微細物体、小寸法または表面の検出が困難である。
－ 測定の遅さが、センサと相対的に移動する障害物の検出に不利である。

【0014】

超音波センサの広視野特性を伴うライダ、すなわち５°を超える、あるいは１０°または２０°さえ超える円錐角でシーンを照明するライダは、空間の大きな部分を走査し、単一パルス（走査を必要とすることのない）の可能性とともにシーン内または観察野内に存在する種々の要素／障害物からのエコーを検出することが可能である。さらには、高湿度および／または雨に実質的に影響されず、かつ発生率の高い塗装された滑らかな表面を検出することが可能な広視野ＦＯＶライダは、いまだに超音波のために取り置かれている衝突防止応用における競争力のある利点を有することになるであろう。ロボットまたはドローンの自律移動にそれを使用することも可能である。

【0015】

しかし、広視野は、ライダ本来の領域ではない。これは、小さい物体に対して後方散乱される光束の距離（ｄ）に伴う減衰が、狭視野についてｄ^－２に至る減衰ではなく、ｄ^－４に至るものとなるためであり、そのことがその検出範囲を制限する。その相違は、入射光の強度の密度にある。いわゆる『狭』視野においては、すべての入射エネルギが障害物の表面上に含まれること（言い換えると、その立体角で照明される表面積より障害物の表面積の方が大きいこと）が仮定される：障害物は、発信機からのすべてのエネルギを受け取る。続いて障害物上の各点が、受信機に向けてエネルギをｄ^－２則に従って後方散乱させる。広視野の場合には、照明円錐がその中に障害物を完全に含む：障害物は、ｄ^－２則に従う発信機のエネルギの一部だけを受け取り、同じくｄ^－２則に従って受信機に向けてこのエネルギを後方散乱させ、受信機における総エネルギは、発信機のエネルギのｄ^－４となる。

【0016】

加えて、後述する理由から背景内の大きな物体に前景内の小さい物体が紛れてしまう。センチメートル分解能は、より達成が困難であり、超音波センサより高コストである。

【0017】

通常、受信機は、測定または計算によって決定される既知のインパルス応答ｈｒ（ｔ）を有する。ライダ信号を処理する１つの従来技術方法は、フーリエ空間で演算することである。受信機出力における信号がデジタル化され、そのフーリエ変換が計算され、その後、ｈｒ（ｔ）のフーリエ変換の逆数に近似の伝達関数のフィルタＦ０（ｆ）が適用される。

【0018】

Ｆ０（ｆ）＝１／Ｈｒ（ｆ）
式中、Ｈｒ（ｆ）は、ｈｒ（ｔ）のフーリエ変換である。

【0019】

これらの方法は、一般に白色化フィルタを通じたスペクトル白色化と呼ばれ、広く文献に記述されているが、多くの安定性および複雑性の問題が持ち上がっている。殆どの場合、単純かつ低電力のオンボード・マイクロプロセッサでは届かない高レベルの演算パワーを必要する。また、雑音の存在がゼロによる除算を計算に持ち込むため処理上の問題も引き起こす。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0020】

本発明は、照明されたシーン内に存在する要素／障害物を区別してそれらの距離の決定をすべて単一のレーザー・ショットの中で可能にする広視野ＴＯＦライダのためのライダ信号処理方法を提案することによって上に述べた欠点のいくつかを克服することを１つの目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0021】

本発明は、ライダからの信号を処理するための方法を目的とし、上記ライダは、飛行時間測定を行い、５°以上の角度でシーンの方向に光パルスを放射するように構成される放射装置と、受信装置とを包含し、この受信装置は、インパルス応答を呈し、シーンの少なくとも１つの要素によって反射または後方散乱されたパルスを受信するように構成される光検出器と、増幅済み電気信号を生成するように構成される増幅回路とを包含し、この方法は、
上記増幅済み電気信号をデジタル化するステップＡと、
処理済み信号を生成するために、上記デジタル化した増幅済み電気信号に対して、少なくとも１つの、補正フィルタと呼ばれる時間補正関数を適用するステップＢであって、
上記補正フィルタは、インパルス応答およびあらかじめ決められた時間解析関数に基づいて決定され、解析関数は、不連続部分と呼ばれる少なくとも１つの非ゼロ値を、不連続部分の時間と呼ばれる所与の時間において有し、不連続部分周辺において実質的にゼロ値への戻りを伴う、ステップＢと、
処理済み信号に基づいて上記少なくとも１つの要素（Ｅｉ）の距離（ｄｉ）を決定するステップＣと、
を包含する。

【0022】

１つの実施態様によれば、補正フィルタを適用することが、上記時間補正関数を用いてデジタル化された増幅済み電気信号を畳み込むことからなり、上記補正フィルタは、上記あらかじめ決められた解析関数による上記インパルス応答の逆畳み込みによって決定される。

【0023】

１つの実施態様によれば、上記シーン内の上記少なくとも１つの要素の存在が上記処理済み信号の極大値に対応し、上記関連付けされた距離が、前記極大値の時間的な位置から決定される。

【0024】

１つの実施態様によれば、上記インパルス応答は時間ｔ_{ｍ－ｉｍｐ}に最大値を有し、解析関数の上記少なくとも１つの不連続部分の時間は、前記時間ｔ_{ｍ－ｉｍｐ}の近傍に時間的に位置する。

【0025】

１つの実施態様において、解析関数は、上記少なくとも１つの不連続部分の外側においてゼロ値を有する。

【0026】

１つの実施態様によれば、解析関数は、単一の不連続部分、または２つの不連続部分、または３つの不連続部分のうちのいずれかを有し、それぞれは、時間的に近接した不連続部分の時間に位置する。

【0027】

１つの実施態様によれば、複数の関連付けされた処理済み信号を生成するために、複数の解析関数から決定された複数の補正フィルタが適用され、シーン内の上記少なくとも１つの要素の上記距離が、上記複数の処理済み信号から決定される。

【0028】

１つの実施態様において、上記複数の補正フィルタは、もっとも近い障害物に対応する距離の決定が最終的な処理済み信号により可能になるまで反復処理を介して適用される。

【0029】

１つの実施態様において、反復処理は、不連続部分、すなわち上記解析関数の非ゼロ値を修正することにある。

【0030】

１つの実施態様において、単一の不連続部分を伴う解析関数に対応する補正フィルタが最初に適用され、それに続いて、２つの不連続部分または３つの不連続部分を伴う解析関数が適用されて、上記不連続部分は反復的に修正される。

【0031】

別の態様によれば、本発明は、飛行時間型ライダ・システムに関し、前記システムは、
５°以上の角度でシーンに向けて光パルスを放射するように構成される放射装置と、
インパルス応答を有する受信装置であって、
シーン内の少なくとも１つの要素によって反射または後方散乱されたパルスを受信し、上記パルスを電気信号に変換するように構成される光検出器と、
上記電気信号を増幅するように構成される増幅回路と、を包含する受信装置と、
上記増幅済み電気信号をデジタル化する処理ユニットであって、
処理済み信号（ｓｆ（ｔ））を生成するために、上記デジタル化した増幅済み電気信号に対して、少なくとも１つの、補正フィルタと呼ばれる時間補正関数を適用するように構成される上記増幅済み電気信号の処理ユニットと、
前記補正フィルタは、インパルス応答およびあらかじめ決められた時間解析関数に基づいて決定され、解析関数は、不連続部分と呼ばれる少なくとも１つの非ゼロ値を、不連続部分の時間と呼ばれる所与の時間において有し、不連続部分周辺において実質的にゼロ値への戻りを伴い、
処理済み信号に基づいて上記少なくとも１つの要素の距離を決定するように構成される、処理ユニットと、
を包含する。

【0032】

１つの実施態様によれば、増幅回路は、トランスインピーダンス増幅器と、一次側および二次側を包含するトランスと、キャパシタとを包含し、トランスの一次側が光検出器のアノードに接続され、二次側がキャパシタに接続され、上記キャパシタは上記トランスインピーダンス増幅器の入力に接続される。

【0033】

以下の説明には、本発明の装置のいくつかの例が示されているが、これらの例は、本発明の範囲を限定するものではない。これらの例の実施態様は、本発明の本質的な特徴をはじめ、考察した実施態様に関連する追加の特徴の両方を提示する。

【0034】

本発明は、以下の詳細な説明と、非限定的な例として与えられている添付図面を参照することによって、それのより良好な理解が得られ、またその他の特徴、目的、および利点が明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1A】本発明に従ったライダを示した説明図である。

【図1B】着陸の過程にある従来技術に従った１Ｄライダが装備されたドローンを示した説明図である。

【図1C】着陸の過程にある本発明に従ったライダが装備されたドローンを示した説明図である。

【図2】図１に示されている状況についての４つの時間値の畳み込みにおける変化を示したグラフである。

【図3】受信機出力において取得されるｓ_０（ｔ）信号を示した波形図である。

【図4】架空障害物のコンセプトを示した説明図である。

【図5】多様な注目信号の経時的な変化を示した波形図である。

【図6】本発明に従ったライダ信号処理方法を示したフローチャートである。

【図7】測定および処理の連鎖を示したブロック図である。

【図8】インパルス応答の補正を示したブロック図である。

【図9】受信機の未処理インパルス応答をあらかじめ決められた解析関数に変換するタイミング法を示したグラフである。

【図10】あらかじめ決められた解析関数によるインパルス応答の逆畳み込みによって計算された補正関数の係数を示したグラフである。

【図11】Ｉｒ信号上に単一の不連続部分を伴う解析関数の効果を示した説明図である。

【図12】Ｉｒ信号上に特定の幅の単一の不連続部分を伴う解析関数の限界を示した説明図である。

【図13】単一の不連続部分を伴う解析関数を示した説明図である。

【図14】２つの不連続部分を伴う解析関数を示した説明図である。

【図15】補正フィルタが反復的に適用される本発明に従った方法の変形を示したブロック図である。

【図16】３つの障害物の第１の構成についての生信号および処理済み信号を示した波形図である。

【図17】シングル・ディラック解析関数（Ａ）の一例およびデュアル・ディラック解析関数（Ｂ）の一例を示した説明図である。

【図18】３つの障害物の第２の構成についての処理済み信号を示した波形図である。

【図19】３つの障害物の第３の構成についての処理済み信号を示した波形図である。

【図20】デュアル・ディラック解析関数によって反復的に処理された第３の構成についての処理済み信号を示した波形図である。

【図21】従来技術に従ったライダ受信装置を示した回路図である。

【図22】本発明に従ったライダの変形に従った受信装置を示した回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0036】

図１Ａに、本発明に従った広ＦＯＶのＴＯＦライダ１０を示す。このライダは、５°、好ましくは１０°以上の角度（ＦＯＶ）でシーンに向けて光パルスを放射するように構成した放射装置ＤＥを包含する。放射素子は、たとえばレーザー・ダイオードまたは発光ダイオードである。本発明に従ったライダのための波長の選択は、狭視野ライダの場合より広く、これは、目の安全性のために、広視野を使用することでリスクが大幅に制限されることによる。好ましくは、受信を最適化するために、検出器の最大感度に近い照明波長が選択される。

【0037】

ライダ１０はまた、シーンの少なくとも１つの要素（Ｅｉ；ｉは要素のインデクス）によって反射または後方散乱されたパルスを受信してその反射パルスを電気信号に変換するように構成した光検出器ＰＤと、その電気信号を増幅するように構成した増幅回路ＣＡを包含する受信装置ＤＲ（または、受信機）も含む。従来的に、受信機（光検出器および増幅回路）は、測定および／または計算することが可能なインパルス応答ｈｒ（ｔ）を有する。

【0038】

処理ユニットＵＴが、通常、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、またはＦＰＧＡタイプの論理構成要素を介して放射をコントロールし、増幅済み電気信号をデジタル化し、かつそれを処理して検出視野の要素の存在およびそれぞれの距離といった有用な情報を抽出する。本発明に従ったライダの処理ユニットＵＴは、後述する本発明に従った特定の処理方法を実施する。

【0039】

図１Ａに示される例において、それぞれをポールＰおよび車Ｖとする２つの要素Ｅ１およびＥ２が検出視野にある。時間ｔ＝０において、初期パルスＩｉが放射され、光検出器が、時間ｔ１において、ポールＰの後方散乱からの第１のパルスＩｒ１を、また時間ｔ２において、車Ｖの後方散乱からの第２のパルスＩｒ２を受け取る。検出器は、日光等の周囲光も受け取り得る。写真１は、車Ｖに搭載されている本発明に従ったリバースライダの例として、車Ｖ上のライダによって照明されたシーンを示す。概して、本発明に従ったライダは、車、ドローン、ロボット、視覚障害者の歩行杖等の任意の移動物体に搭載することが可能である。それが適切に働くためには、ライダが、車Ｖからの後方散乱によって妨げられることなく、ポールＰの存在を検出してその距離ｄ１を決定しなければならない。

【0040】

別の例によれば、ライダは静的であり、静止または移動している物体の存在を検出する。

【0041】

図１に示されるような本発明に従った広視野近接ライダの使用は、測定の特殊性と困難性を伴う。検出視野が広いということは、その中に複数の障害物が含まれ得ることを意味する。このことは、特定のコリメーション光学系の追加によって発信機の開口角が縮小されて解析視野に単一の障害物が存在することになる多くの他のライダ応用とは異なる。

【0042】

図１Ｂは、不整地の上を下降中の従来技術に従った１Ｄライダ２を装備したドローンＤを示す。障害物検出は、狭視野に起因して不確かである。

【0043】

図１Ｃは、本発明に従ったライダ１０を装備した同じドローンを示しているが、広視野および本発明に従った信号処理のおかげで障害物の正確な検出が可能である。

【0044】

視野を広げることによる第１の結果は、放射されるエネルギの空間的な分散であり、障害物の照明の減少を導き、そのことが次にエコーの減少をもたらし、これらが、焦点を絞った、あるいはコリメートしたビーム放射の場合より測定することを困難にする。この点は、目の安全性に資するが、測定信号対雑音比の問題を提起する。

【0045】

検出視野を広げることによる第２の結果は、太陽等の強い放射源を見つけ出す可能性がより高くなることである。

【0046】

最後に、障害物の近接は、エコー時間が短いこと、したがって高速な検出エレクトロニクスが必要になることを意味する。

【0047】

この明細書の残りの部分において、放射器は、完全に位置特定される次のディラック関数タイプの光パルスを供給するものと仮定する。
Ｉ_ｉ（ｔ）＝δ（ｔ）

【0048】

距離ｄ_１にある障害物が、エコーと呼ばれる、このパルスのエネルギの一部を反射して受信機に返す。エコーは、次に示す関係によって記述することが可能である。
Ｉ_ｒ１（ｔ）＝ａ_１δ（ｔ－Ｒ）
ただし、

【0049】

【数2】

とする。

【0050】

式中、ｃは光の速度であり、ａ_１は振幅、Ｒ_１は発信機と障害物の間の距離ｄ_１によって生じる遅延である。

【0051】

検出視野にＮ個の障害物が存在する場合に受信機は、エコーの合計からなる光信号を測定する。

【0052】

【数3】

【0053】

これらの情報担持光信号に加えて、ここでは一定またはわずかに変化すると見なされる照明された背景Ａ_０（周囲光、太陽）があり、全体的な光信号を結果としてもたらす。

【0054】

【数4】

【0055】

従来的に、受信機による光信号Ｉ_ｇｌ（ｔ）の回収とその後の増幅システムを用いた増幅済み電気信号

【0056】

【数5】

【0057】

への変換は、信号に対する特定の修正を伴う。増幅は、測定雑音

【0058】

【数6】

の追加および帯域幅の制限と必然的に関連付けされる。この制限が、結果として、パルスの畳み込みと検出器－増幅器アセンブリ（受信機）のインパルス応答ｈ_ｒ（ｔ）によって各反射パルスを時間的に広げる。

【数7】

【0059】

雑音の直接的な結果は、エコー・パルスが戻る瞬間の時間的な位置における誤差であり、パルスが雑音の中に引き込まれた場合には、検出が不可能となることさえある。

【0060】

増幅器の限られた帯域幅によって、互いが近すぎるエコー・パルスの間の区別は、不可能でないとしても困難になる。実際、受信機（検出器および増幅回路）のインパルス応答ｈ_ｒ（ｔ）は、その周波数応答と、したがってその帯域幅と直接リンクされる。線形システム（ここでは受信機）のフーリエ解析理論の結果によれば、低帯域幅から長いインパルス応答が導かれる。

【0061】

理解を期するために、ここで＊で示される畳み込み演算子が次に示す一般的な数学的表現を有することを想起されたい。

【0062】

【数8】

【0063】

以下において、雑音および照明の連続的な成分を無視する。式（５）において、入力変数は光強度Ｉ_ｒであり、出力変数は電圧ｓ_０（ｔ）であり、ｈｒ（ｔ）は、光検出器と増幅器アセンブリのインパルス応答である。

【0064】

２つのエコーを伴うシーンの例を考える。
Ｉ_ｒ（ｔ）＝Ｉ_ｒ１（ｔ）＋Ｉ_ｒ２（ｔ）＝Ｉ１（ｔ－Ｒ１）＋Ｉ２（ｔ－Ｒ２）
ただし、Ｉ１およびＩ２は、それぞれａ１およびａ２（式（２））に比例する。

【0065】

実例として、図２は、図１に示されている状況におけるｔ´_１からｔ´_４までのｔの４つの値についての畳み込みの進展を示しており、より多くのエコー（Ｉｒ２）を返す車Ｖの正面に置かれた細いポールＰは、殆どエコー（Ｉｒ１）を返さない。
（ａ）ｔ＝ｔ_１：パルスｌｒ１のみがインパルス応答ｈ_ｒと相互作用する。パルスとインパルス応答の間の共通領域が小さく、そのために出力信号も小さいが、緩やかに増加し始める。
（ｂ）ｔ＝ｔ_２：２つのパルスＩｒ１およびＩｒ２がインパルス応答ｈ_ｒと相互作用する。２つのパルスとインパルス応答の相互作用に起因して共通表面が増加し、出力信号が増加する。
（ｃ）ｔ＝ｔ_３：２つのパルスがｈ_ｒと相互作用して効果が最大となる。共通表面が最大となり、出力信号もそれに従う。
（ｄ）ｔ＝ｔ_４：最初にパルスＩｒ１、続いてパルスＩｒ２という順に両方のパルスが緩やかにインパルス応答ｈ_ｒから離れる。共通表面が緩やかに減少し、出力信号が緩やかに低下する。

【0066】

図３は、受信機出力において得られる信号ｓ_０（ｔ）を示す。

【0067】

障害物の存在を検出するための受信機からの信号の標準的な処理は、検出するべき障害物のエコー、したがって遅延Ｒに対応すると見なされる最大値および関連付けされる時間ｔｍを検索することによって実行される。その後、式（１）を使用して障害物までの距離が決定され、ｔｍは、その距離にリンクされる遅延である（飛行時間）。

【0068】

図２および図３は、受信機からの出力信号がサイクルの始めまたは終わりのみにおける２つのパルスのうちの１つとの相互作用の結果であることを示しており、それにおいてはインパルス応答がもっとも漸進的、すなわち出力信号がもっとも緩やかに増加または減少する。結局は、観察される出力信号ｓ_０（ｔ）が、殆ど常に受信機の２つのパルスとの相互作用の結果となり、一方または他方の効果の間に明確な区別はない。たとえば、２つのパルスを離し、またとりわけ互いに近づけることの効果によっても出力信号に殆ど違いが生じない。したがって、時間の区別は可能でない。

【0069】

ｓ_０（ｔ）の最大値は、２つのエコー・パルスそれぞれの振幅および遅延（ａｉ、ｔｉ）の関数としての重心と言ってもよく、結局は２つの実際の障害物ではなく、架空の障害物に対応する。標準的な処理は、図４に示されるとおり、距離ｄ１とｄ２にある２つの障害物ではなく、距離ｄｆに対応するｔ‘３における架空障害物Ｏｆを識別する。この架空障害物は、複数のエコーの存在を考慮に入れることなく、常にもっとも近い障害物よりも遠くの位置で突き止められる。例として、１つの障害物がｄ_１＝１ｍに見つけられ、別の１つがそれより遠いｄ_２＝３ｍに見つけられる。ダミー障害物は、それらの間の位置で突き止められる（ｄ_１≦ダミー障害物≦ｄ_２）。振幅比ａ_１／ａ_２が低いほど、それはｄ_１から遠くなる。

【0070】

畳み込み効果のおかげで、広いインパルス応答と相互作用する２つの近いエコー・パルスが同時にこのインパルス応答に完全に含まれ、それらの間を区別することは可能でない。したがって、増幅回路の出力において標準的な処理を行う従来的なライダＬは、視野の近接した２つの障害物の間を区別することが可能でない。

【0071】

図５に、上の解析を要約して多様な注目信号の時間的進展を示す。ｔ＝０において初期パルスＩｉが送信され、Ｒ１においてパルスＩｒ１（ポール）が受信され、Ｒ２においてパルスＩｒ２（車両）が受信される。信号ｓ_０１（ｔ）は、ポールのみの存在に対する増幅回路の（雑音なし）応答に対応し、信号ｓ_０２（ｔ）は、車両のみの存在に対する増幅回路の（雑音なし）応答に対応し、信号ｓ_０（ｔ）は、さらに測定雑音を考慮に入れた両方の障害物の存在に対する増幅回路の応答に対応する。ｓ_０（ｔ）から２つの障害物の間を区別することは可能でない。

【0072】

図６に示されている本発明に従ったライダ１０の処理ユニットは、受信信号を処理するための方法１００を実施して障害物が区別されないという前述の問題を解決する。

【0073】

本発明の別の態様は、静止または移動物体上に搭載されたライダに適用してそのライダの正面の障害物の検出を可能にするライダ信号処理方法１００に関する。

【0074】

この方法は、増幅済み電気信号s₀(t)をデジタル化する最初のステップＡを包含する。ここでは、このデジタル化後の信号を

【0075】

【数9】

として、またサンプリング周波数をＦｅとして表す。デジタル・システムは、アナログ・システムと比較した場合に、サンプリングの瞬間

【0076】

【数10】

の情報だけを知るという点で異なる。ここでは、多様な処理から結果として生じる信号についてのデジタル情報の指定を指数ｅによって示す。

【0077】

ステップＢにおいて、補正フィルタＣ^ｅ（ｔ）と呼ばれる少なくとも１つの時間補正関数がデジタル化された増幅済み信号

【0078】

【数11】

に適用されて、処理済み電気信号

【0079】

【数12】

が生成される。好ましくは、デジタル化された増幅済み電気信号

【0080】

【数13】

を同様にデジタル化された時間補正関数Ｃ（ｔ）を用いて畳み込むことによって補正フィルタが適用される。

【0081】

【数14】

【0082】

受信装置の出力における信号ｓ_０（ｔ）は、従来的に、ＤＲのインパルス応答ｈｒ（ｔ）を用いて入力光パルスＩｒ（ｔ）を畳み込むことによって決定される（式（５））。図７に測定と処理の連鎖を示した。

【0083】

フィルタＣ^ｅ（ｔ）は、時間ドメインで直接

【0084】

【数15】

に作用し、フーリエ空間への変換はない。適用されるフィルタＣ^ｅ（ｔ）フィルタは、障害物を区別すべく検出の時間的分解能を向上するように設計される。Ｃ^ｅ（ｔ）は、サンプリングされたインパルス応答ｈ_ｒ ^ｅ（ｔ）とあらかじめ決められた（望ましい）時間解析関数ｈ_ｃ ^ｅ（ｔ）から決定される。これは、補正器Ｃ（ｔ）の働きにより、図８および次の式（７）に示されるように、あたかも応答ｈｒ（ｔ）が補正後のインパルス応答ｈｃ（ｔ）によって置換されたかのような形になる。解析関数（下記参照）に不連続性を導入する目的は、傾斜の切れ目を用いて障害物の識別を可能にする補正後のインパルス応答を取得することである。
ｈｃ（ｔ）＝（ｈｒ＊Ｃ）（ｔ） （７）

【0085】

したがって、本発明に従った方法１００を実施するためには、デジタル化され保存済みのインパルス応答ｈｒ（ｔ）（測定および／またはシミュレーション）を知る必要がある。

【0086】

初期インパルス応答ｈｒから望ましいインパルス応答ｈｃへの変換は、時間ベースの方法を使用して行われる。

【0087】

これらの関数のデジタル化された値に対しては、図９に示されるように当然のことながら多様な計算が行われる。ここでは、次に示す項が使用された。
－ ｈ０、ｈ１、ｈ２・・・：サンプリング時間ｔ０、ｔ１、ｔ２・・・におけるインパルス応答ｈｒ（ｔ）の多様なデジタル化済みの値。
－ ｃ０、ｃ１、ｃ２・・・：サンプリング時間ｔ０、ｔ１、ｔ２・・・における補正関数Ｃ（ｔ）の多様なデジタル化済みの値。
－ ａ０、ａ１、ａ２・・・：サンプリング時間ｔ０、ｔ１、ｔ２・・・における解析関数ｈｃ（ｔ）の多様なデジタル化済みの値（この例において、解析関数が２つの連続するサンプリング時間ｔ６とｔ７に２つの不連続部分を有し、それぞれ値ａ６とａ７を伴うが、その他の値はゼロになる）。

【0088】

補正フィルタＣは、解析関数ｈｃによるインパルス応答ｈｒの逆畳み込みによって決定される。
Ｃ（ｔ）＝（ｈｒ＊^－１ｈｃ）（ｔ） （８）

【0089】

デジタル化済みの値に適用し、次に示す式を使用して補正器の係数ｃｋが決定される。

【0090】

【数16】

【0091】

なお、補正係数の計算はｈ０による除算が必要になるが、そのことは、ｈ０が非常に低いか、あるいはゼロ値となる場合、数値的な問題をもたらす可能性がある。１つの解決策は、インパルス応答全体に定数を加算して係数を計算することである。その定数の値は、係数の収束値に達するまで、連続的な反復によって増加される。

【0092】

これらの係数ｃｋの一例を図１０に示す。

【0093】

本発明者らによって明らかにされたこのあらかじめ決められた解析関数は、不連続部分の時間ｔｄ０と呼ぶ所与の時間において不連続部分と呼ぶ少なくとも１つの非ゼロ値Ａ０を有し、上記不連続部分周辺において実質的なゼロ値への戻りを伴う。この戻りは、好ましくは迅速である。解析関数は、サンプリング・ポイントにおいてデジタル化され（図９参照）、本来のゼロ値に対する迅速な戻りが、少数のサンプリング・ポイントにわたって生じる減少として定義される。ゼロに戻るときの最大ポイント数は、Ｆｅや物体の間の距離、エコーの振幅等に依存する。つまり、分離性能は、少数のサンプリング・ポイントにわたって減少が生じるときに向上するが、解析関数がインパルス応答の傾きよりも大きい傾きを１つ以上有するときには、わずかであっても常に利得がある。

【0094】

重要なことは、この減少がｈｒ（ｔ）の緩やかな変動に関する不連続性（傾きの切れ目）として働くことである。通常、この下降は、数個から多くとも約１０個のサンプリング・ポイントにわたって生じる。

【0095】

最後にステップＣにおいて、処理済みの信号

【0096】

【数17】

から要素Ｅｉ（ｉ番目の障害物）までの距離ｄｉが決定される。この決定は、

【0097】

【数18】

の極大値およびこの極大値に対応する時間ｔｍｉを特定することからなる処理７０によって実行される。極大値のこの時間的位置ｔｍｉは、関連付けされる障害物Ｅｉについての遅延または飛行時間Ｒｉに対応し、すなわち、ｔｍｉ＝Ｒｉであり、障害物の距離ｄｉは、式（１）を使用してこの瞬間ｔｍｉから推測される。

【0098】

極大値は、応用および／または何を見つけ出そうとしているかに応じた注目する時間範囲で検索される。とりわけ注目されるものは、ライダが搭載された物体にもっとも近い障害物およびライダからそれまでの距離である。注目する距離、すなわちライダの正面のシーンの探索距離は、応用に応じて異なる。

【0099】

例として、図１１は、２つのパルスＩｒ１およびＩｒ２を包含する信号Ｉｒ上に単一の不連続部分（ここでの不連続は、ゼロに近い値への戻りを伴う最大値を意味する）を伴うときのガウス解析関数ｈｃ（ｕ）の効果を示す。ＡからＤの曲線は、種々の畳み込み時間を図解している。
ｔ＝ｔ_１：いずれのパルスも補正後のインパルス応答ｈｃと相互作用していない。
ｔ＝ｔ_２：パルスｌｒ１は補正後のインパルス応答ｈ_ｃと相互作用しているが、パルスｌｒ２は相互作用していない。
ｔ＝ｔ_３：パルスｌｒ１はｈ_ｃともはや相互作用しなくなり、その結果として、共通領域、したがって出力信号におけるの正味の減少がもたらされる。
ｔ＝ｔ_５：続いてパルスｌｒ２がｈ_ｃともはや相互作用しなくなり、出力信号におけるさらなる正味の減少がもたらされる。

【0100】

曲線Ｆは、畳み込み処理ｈｃ＊Ｉｒの結果を示している。
ｈｃ＊Ｉｒ＝Ｉｒ＊ｈｃ＝Ｉｒ＊ｈｒ＊Ｃ＝ｓ_０＊Ｃ＝ｓ_ｐ

【0101】

少なくとも１つの不連続性の導入は、いずれかのポイントにおいて２つのパルスのインパルス応答との相互作用を分離することを可能にし、エコーの到達時間を明確に識別可能にすることができる。

【0102】

このようにして本発明に従ったライダは、角度のある滑らかな壁といった、より大きな障害物の正面にある小さな障害物を検出することが可能である。

【0103】

本発明に従ったライダは、超音波センサでは得られない利点を提供し、したがってロボットの衝突回避におけるそれらのセンサに置き換わることが可能である。このライダは、次に挙げる強化された特徴を提供する。
－ 天候状態に対する感度：雨または高湿度に対して敏感でない。
－ 検出視野：５°または１０°または２０°または３０°台の幅である。
－ 検出能力：細いか、または反射の乏しい物体を検出する。
－ 障害物の分離：増幅回路の低い帯域幅にもかかわらず、間隔の近い障害物を識別し、幅の広い物体の正面にある細い物体を検出し、近接した複数のエコーを検出する。
－ 取得：フラッシュ・ライダ、「シングル・ショット」システム（１回のレーザー・ショット＝１つの結果）が可能である。
－ リフレッシュ・レート：高い、１０ｋＨｚを超える。

【0104】

ポータブルなオンボード応用のために設計され、興味深い統合特徴も提供する。
－ 低消費電力（シングル・ショット）：バッテリ給電が可能である。
－ 小寸法：数ｃｍ^３が可能である。
－ 低質量：数グラムが可能である。
－ 低コストである。

【0105】

適応可能：光学系の追加は、エコー識別能力を維持しつつ範囲を拡大する。

【0106】

これらの特性は、ライダがロボット工学、ドローン、自律移動、衝突防止等の分野で使用可能であることを意味する。

【0107】

複数の近隣エコーの検出により、とりわけ次のことが可能になる。

【0108】

周囲の地形のより良好な理解を提供し、より良好な軌道予測を可能にすることと、

【0109】

大きな障害物より近くに小さな障害物が置かれていることに起因する弱いエコーを検出し、かつ考慮に入れることと、

【0110】

都市部または森林等の密な環境におけるドローンまたはロボットの動きを向上させること。

【0111】

本発明に従った信号処理は、低い演算パワーを用いて複数のエコーの識別を可能にし、その他の反射測定、ソナー等の分野における飛行時間を測定する機器や、施設の監視にも有意義であるとみられる。

【0112】

また単軸設計は、ライダをよりディスクリート（discreet）にする。

【0113】

サンプリング周波数Ｆ_ｅは、サンプリング周期Ｔ_ｅ、すなわちデジタル・システムがそれの情報を再計算するまでの時間に対応する。サンプリング周期は、測定の時間分解能、すなわちライダの場合は空間識別分解能に対応する。

【0114】

現在の時間分解能Ｔ_ｅは、Ｔ_ｅ／６．６７ｎｓの空間分解能に対応する。具体的に言えば、サンプリング周波数は、使用されるアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）の基準によって設定され、障害物の間の空間識別分解能を決定する。たとえば：

【0115】

Ｆ_ｅ＝２００ＭＨｚの場合には７５ｃｍ。

【0116】

Ｆ_ｅ＝４００ＭＨｚの場合には３７．５ｃｍ。

【0117】

Ｆ_ｅ＝３０００ＭＨｚの場合には５．５ｃｍ。

【0118】

処理連鎖のインパルス応答の中に１つ以上の不連続部分を生成することによって、識別能力が受信機の帯域幅とはもはやリンクしなくなり、それがデジタル・システムのサンプリング周波数になる。本発明に従った信号処理は、高い識別能力から利益を得つつ、感度およびＳ／Ｎ（信号対雑音）比の品質のための低帯域幅の受信機の使用を可能にする。

【0119】

感度の向上のために、少なくとも１つの不連続部分の時間ｔｄ０が、好ましくは、ｔｍ－ｉｍｐと呼ばれる最大インパルス応答ｈ_ｒ（ｔ）の瞬間の近傍で選択される。ｔ_{ｍ－ｉｍｐ}の近傍は、ｔ_{ｍ－ｉｍｐ}の周りの時間間隔に位置する瞬間であって、この瞬間と関連付けされたインパルス応答ｈｒの振幅が、ｈｒの最大振幅の非ゼロ分数以上、好ましくは最大振幅を４により除した値以上となるような瞬間を意味するものと解釈される。好ましくは、少なくとも１つの不連続部分の時間ｔｄ０は、ｔ_{ｍ－ｉｍｐ}と一致する。

【0120】

図１２は、所与の幅の不連続部分を１つだけ伴う解析関数の使用の限界を示している。左側の曲線は、図５の雑音のない曲線に等しく、未処理のインパルス応答ｈｒとの畳み込みの結果の図解である。右側の曲線は、ガウス解析関数を用いた畳み込みの図解である。曲線ＡおよびＢは、それぞれ、２つの異なる時間によって分離された２つのパルスＩｒ１およびＩｒ２に対応し、より正確には、Ａはより遠い障害物に、Ｂはより近い障害物に対応する。エコー・パルスが充分に（ガウス分布の幅に関して）離れているときは、良好な分離が得られる（Ａの場合）。Ｂの場合の分離の質は平均的である。特定の幅の解析関数（例ではガウス関数）は、障害物の分離を達成するに充分となり得るが、その非ゼロ幅により、その分離はディラック関数（無限に狭い不連続部分）より効率が低くなる。

【0121】

本発明者らは、組み合わせにおいて使用する場合に特に関連性のある３つのタイプの解析関数を特定した。

【0122】

第１のタイプは、図１３に示されており、すでに述べたが、単一の不連続部分（Ａ０、ｔｄ０）を伴う解析関数である。左側の関数Ａは、非ゼロ値Ａ０と各側のサンプリング・ポイント（十字）におけるゼロ値への戻りに対応する。

【0123】

最良の結果は、Ａ０の不連続部分の外側でゼロ値を有する、単純ディラックとしても知られる右側のＢに示されるような関数を用いて得られた。この場合、不連続部分が可能な限り急峻になる。好ましくは、ｔｄ０＝ｔ_{ｍ－ｉｍｐ}となる。

【0124】

第２のタイプは、図１４に示されているが、第１の不連続部分の時間ｔｄ１の第１の不連続部分Ａ１および不連続部分の時間ｔｄ２の第２の不連続部分Ａ２の２つの不連続部分を伴う解析関数であり、ここでの目的が近いエコー・パルスを分離することであることからｔｄ１とｔｄ２は、少数のサンプリング・ポイントにより分離されているが、時間的に近い。

【0125】

左側の関数Ａは、非ゼロ値Ａ１およびＡ２に対応し、（例として）両方の不連続部分について各側の１つのサンプリング・ポイントにおいてゼロ値への戻りを伴う。再び例として、時間ｔｄ１とｔｄ２の間には３つのサンプリング・ポイントが存在する。好ましくは、関数のより良好な効率のために、１つは正の値の不連続部分とし、もう１つは負の値の不連続部分とする符号の異なる２つの不連続部分を選択する。例において、Ａ１＞０、Ａ２＜０である。たとえば、ｔｄ１をｔ_{ｍ－ｉｍｐ}に置いたが、それをｔｄ２にすること、またはｔｄ１とｔｄ２の間にｔ_{ｍ－ｉｍｐ}を置くことも可能である。重要なことは、ｔｄ１とｔｄ２がｔ_{ｍ－ｉｍｐ}の近傍に位置することである。

【0126】

最良の結果は、最小可能に分離されている、すなわちサンプリング・ポイントがない不連続部分Ａ１およびＡ２の外側にゼロ値を有する、デュアル・ディラックとしても知られる右側のＢに示されているような関数を用いて得られた。ここで、ゼロへの戻りが１サンプリング・ポイント未満で達成され、２つの不連続部分の間の傾斜は可能な限り急峻である。たとえば、ｔｄ１をｔ_{ｍ－ｉｍｐ}に置いたが、それをｔｄ２にすることも可能である。

【0127】

第３のタイプは、互いに時間的に近い３つの不連続部分を伴う解析関数である。

【0128】

１つの実施態様において、本発明者らは、これらのタイプの関数が組み合わされたときに処理の向上が提供されることを明らかにした。これは、計算プロセスの単純性によって可能になる。したがって、この変形によれば、複数の関連付けされた相補的な処理済み信号ｓｆｊ（ｔ）を生成するように、複数のあらかじめ定義済み解析関数ｈｃｊ（ｔ）からあらかじめ計算された複数の補正フィルタＣｊ（ｔ）（ｊはフィルタのインデクス）が適用される。

【0129】

シーンの要素Ｅｉの距離は、複数の処理信号から、極大値を検出し、かつ種々の処理済み信号におけるそれぞれの位置を比較することによって決定される。

【0130】

１つの例は、ライダにもっとも近い障害物の検出である。１つの実施態様においては、そのもっとも近い障害物が検出される注目時間範囲を特定するために第１のタイプの解析関数が使用される。続いて、Ａ１および／またはＡ２についての種々の値を用いて第２のタイプの解析関数から決定された補正フィルタを適用することにより、エコーの、たとえば非常に振幅が小さく、かつより大きな他のエコーに紛れたそれの存在を局所的に精査することが可能になり、その注目する時間範囲におけるこのもっとも近い障害物の最終的な位置特定が可能になる。実際、本発明者らは、不連続部分が単一の解析関数が注目する空間の完全な走査（ただし、精度を欠くことがあり得る）を可能にする一方、不連続部分が２つの解析関数が、もっとも近い障害物に近似する「拡大鏡」の機能を果たすことを明らかにした（以下の例参照）。

【0131】

たとえば、Ａ２＝－Ａ１の場合には、提示される解析関数が、一般的に関数または信号の局所的な検討に使用される導関数と等しい。その結果として、上記解析関数は、エコーの和の導関数を提供し、それらの位置に関する追加情報を提供する。

【0132】

別の例によれば、たとえばそれぞれが＋１、－２、および＋１に等しい３つの不連続部分を伴う関数は、２階導関数に等しい。

【0133】

当然のことながら、以下に述べる３つのタイプの、すなわちモノ、バイ、トリ・ディラック関数は、単なる可能な解析関数の例である。放射されたパルスに固有の、エコー検出を精密にする他の解析関数も企図可能である。

【0134】

１つの変形において、図１５に示すとおり、最終的な処理済み信号によって所望の障害物、通常はもっとも近い障害物に対応する距離の決定が可能になるまで反復処理を介して複数の補正フィルタが適用される。この場合には、ループ内において、取得された結果、すなわち処理された信号ｓｐｊ（ｔ）、より詳細には極大値の位置に従って係数ｃ０、および／またはｃ１／ｃ２、および／またはｃ１、ｃ２、およびｃ３を再計算することによってフィルタが漸進的に決定される。反復処理は、不連続部分、すなわち上記解析関数の非ゼロ値を修正することにある。オプションの分岐１５は、受信装置のインパルス応答を測定する。１つの実施態様において、本発明に従った方法の実施の間にこの測定が規則的に実行される。

【0135】

反復ループは、この場合にもっとも近いものとする注目の障害物の最大値の時間的位置が変動しなくなったときに停止し、これはこの障害物が他の障害物から分離されたことを意味する。

【0136】

反復処理の１つの実施態様によれば、最初に単一の不連続部分Ａ０を伴う解析関数に対応する補正フィルタが、続いて時間的に近接する２つの不連続部分の時間（ｔｄ１、ｔｄ２）における第１および第２の不連続部分（Ａ１、Ａ２）を伴う解析関数、および／または時間的に近接する３つの不連続部分の時間における３つの不連続部分を伴う解析関数が、反復的に修正される不連続部分に適用される。

【0137】

本発明に従ったライダのシミュレーションが実行された。また実験による測定も実行され、シミュレーションの結果に近い実験結果から計算の妥当性が実証された。ここでは、第１の構成の３つの障害物を伴う状況において、もっとも近い障害物までの距離を求めている。

【0138】

障害物１：ｄ＝０．７ｍ ‐ 振幅：１

【0139】

障害物２：ｄ＝１．７ｍ ‐ 振幅：１

【0140】

障害物３：ｄ＝６ｍ ‐ 振幅：５

【0141】

シミュレーション・パラメータは次のとおりである。

【0142】

サンプリング周波数Ｆｅ＝４００ＭＨｚ（２．５ナノ秒毎に１ポイント）、１０ビットのサンプリング

【0143】

増幅回路：Ｒ＝３００ｋΩ、帯域幅：２．７ＭＨｚ

【0144】

ｈｒ（ｔ）の時間幅は２００ナノ秒、すなわち８０サンプリング・ポイントとする。

【0145】

図１６は、３つの状況についての生のライダ信号および処理済みのそれを示している。
すなわち、（１）：障害物１のみ、（２）：障害物１および２、（３）：シーン内の障害物１、２、３である。

【0146】

直線Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、ずれのある３つの障害物の正確な位置を表す。

【0147】

左側の曲線は、図５に示されているような受信機出力における生の信号ｓ_０（ｔ）を図解している。右側の曲線は、時間量子（サンプリング・ポイント）すなわち２．５ナノ秒に対応する（２．５／６．６７＝３７．５ｃｍの距離量子に対応する）Ｘ軸を用いて処理済み信号ｓ_ｐ ^ｅ（ｔ）を図解している。

【0148】

最初の障害物の位置は、Ｘ軸の１０にあり、言い換えると遅延が２５ナノ秒である。これは、解析関数のディラック位置に直接依存する完全に理解されている時間オフセットが存在することから、直接、最初の障害物の位置とは対応しない。

【0149】

シミュレーションは、図１７－Ａ（単一の不連続性）に示されているとおり、時間ｔｄ０＝２０ｎｓのサンプリング・ポイントにおける振幅をＡ０＝１とし、その他の時間をゼロ値とした第１の単純ディラック・タイプの解析関数ｈｃを用いて実行される。

【0150】

なお、この障害物の構成において、第１のタイプの解析関数が３つの障害物を識別し、それらを分離する。

【0151】

図１８は、次に示す第２の障害物構成について、以前と同じ解析関数を用いて処理された信号を示している。

【0152】

障害物１：ｄ＝０．７ｍ ‐ 振幅：１

【0153】

障害物２：ｄ＝１．７ｍ ‐ 振幅：１０

【0154】

障害物３：ｄ＝６ｍ ‐ 振幅：５

【0155】

ここでは、障害物２のエコーが遙かに大きい。なお、最初の障害物に関連付けされたピークが曲線上にまだ見えてはいるがより弱い。障害物が近すぎる場合および／または強い２番目の障害物を伴う場合について、単純ディラック関数の限界が明らかになる。

【0156】

図１９は、次に示す第３の障害物構成について、以前と同じ解析関数を用いて処理された信号を示している。

【0157】

障害物１：ｄ＝０．７ｍ ‐ 振幅：１

【0158】

障害物２：ｄ＝１．２ｍ ‐ 振幅：１０

【0159】

障害物３：ｄ＝６ｍ ‐ 振幅：５

【0160】

障害物２を障害物１のより近くに移動した。なお、最初の２つの障害物が単純ディラック解析関数によって識別されなくなり、処理済み信号が２つの実際の障害物の間にある架空障害物に対応している。

【0161】

この問題を解決し、かつもっとも近い障害物の位置を正確に特定するために、デュアル・ディラック解析関数を、好ましくは反復処理において適用する。

【0162】

図２０は、第３の障害物構成について、Ａに図解したデュアル・ディラック解析関数を用いて処理した信号を示す。Ｂは、反復毎に１ずつ増加される、ａ６の種々の値について取得される種々の処理済み信号を示している。最初の２つの反復のＸ＝１およびＸ＝２と３番目の反復Ｘ＝３の間においては、最初の障害物の位置が変動して安定していないことがわかる。そのときは、反復を継続する。

【0163】

その後に続く反復においてこの位置が安定する。一旦、最初の障害物の位置が安定した後は、処理を停止することが可能である。

【0164】

なお、デュアル・ディラックの適用時は、最初の障害物の位置のみを考慮に入れる必要がある。その後（時間的に）に起こることは考慮しない。

【0165】

１つの変形において、本発明に従ったライダ１０の増幅回路ＣＡが追加の構成要素を特徴とする。

【0166】

古典的にフォトダイオードＰＤと関連付けされているもっとも適切かつ広く使用されている受信回路は、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）と呼ばれるものである。それの要素は、専門家に周知である。もっとも基本的な形式においてそれは、図２１に示されるとおり、抵抗Ｒ_ｆおよび演算増幅器Ａｍｐからなる。

【0167】

理想的な構成要素を考察する。
－ フォトダイオードＰＤが、光束を光発生電流Ｉ_ｐｈに変換する。
－ ＴＩＡが、Ｓ＝－Ｒ_ｆＩ_ｐｈの関係に従って電流Ｉ_ｐｈを電圧に変換する。
－ 抵抗Ｒ_ｆの値が増幅器の利得を決定する。この値にＴＩＡの感度がリンクされる。

【0168】

ＰＩＮ型フォトダイオードは、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）よりも信頼性があり、かつ運用が単純なことから好ましい。

【0169】

フォトダイオードからの電流は、次に示す関係によって記述することが可能である。

【0170】

【数19】

式中、
Ｓはフォトダイオードの感度であり、０．６Ａ／Ｗ台である。
Φ_ｅ（ｔ）は、受信した光パワーである。
Ｉ_０は、フォトダイオードの逆静電流（飽和電流、暗電流）の合計である。

【0171】

【数20】

は、フォトダイオードの固有雑音（主としてショット雑音）の合計を表す。

【0172】

取り込まれた光パワーΦ_ｅ（ｔ）は、反射パルス等の動的部分φ_ｅ（ｔ）と、たとえば太陽によって照明された背景Φ_ｅ０によってもたらされる静的部分から構成される（併せて式（３）およびＡ０を参照されたい）。その関係は、次のように記述される。

【0173】

【数21】

【0174】

ＰＩＮフォトダイオードは、約６００ｍＡ／Ｗを発生する。トランスインピーダンス増幅器の利得は、概して所望の帯域幅とセンサの感度（検出能力）間の折衷したものとなる。また、フォトダイオードの逆静的電流の強度によっても制限される可能性がある。

【0175】

センサの感度および測定の信号対雑音比Ｓ／Ｎの点から見ると、高利得（したがって低帯域幅）を導く高い抵抗Ｒ_ｆを使用することが最良である。

【0176】

周囲の明度は、光エコー信号と同じ方法で増幅される。大きさの等級は、エコー・パルスによって発生する電流（通常、数μＷのエコーに対して数μＡ）と周囲の明るさによって誘導される電流（５×５ｍｍ^２のシリコン・フォトダイオードの場合には、通常、数十ｍＡ）の間で大きく異なる。

【0177】

ＴＩＡの飽和を導く可能性のある太陽によって誘導される光発生電流を制限するために、従来的にフォトダイオード表面の直上に光学フィルタが配置される。これは、製造者によって提案されているフォトダイオードに統合される着色フィルタ（３００ｎｍ台の広スペクトル）または干渉フィルタ（１０ｎｍ台の狭スペクトル － 指向性による大きな欠点を伴う）とすることが可能である。

【0178】

しかしながら、フィルタの存在にもかかわらず、高い抵抗Ｒｆと平均的な周囲の照明（太陽）により、ＴＩＡ供給電圧（通常５Ｖ）より高い出力電圧Ｓに急速に到達してセンサの飽和に導かれる。

【0179】

その結果として、直射日光下においては、高感度ＴＩＡの使用がセンサの性能に逆効果を及ぼす。利得の妥協が必要になる。
－ 低エコー反射で障害物を検出するのに必要とされる高Ｓ／Ｎを得る際に高利得（ＴＩＡ抵抗Ｒ_ｆが高い）が重要である。
－ 障害物の識別のために高帯域幅寄りとなるように、低利得（低い値のＴＩＡ抵抗Ｒ_ｆ）を選択する。
－ 直射日光下にセンサを保つために低利得（低い値のＴＩＡ抵抗Ｒ_ｆ）を選択する。

【0180】

これらの矛盾点は、検出フィールド内に含まれる近接した種々の障害物の間を識別し、かつそれらの距離を特徴付ける一方、もっとも近い障害物を検出する機会を最大化する能力を持った広視野近接ライダの作成が困難であることを例示している。

【0181】

直射日光下にセンサを保つという問題を解決するために、図２２に示されているとおり、本発明に従ったライダ１０の受信装置ＤＲは、光検出器ＰＤと増幅器ＴＩＡの間にトランスＴおよびキャパシタＣを含む。トランスの一次巻線が光検出器のアノードに接続され、二次巻線がキャパシタＣに接続され、それがトランスインピーダンス増幅器の入力に接続される。

【0182】

トランスは、降圧型（Ｖｏｕｔ＜Ｖｉｎ、Ｉｏｕｔ＞Ｉｉｎ）か、または昇圧型（Ｖｏｕｔ＞Ｖｉｎ、Ｉｏｕｔ＜Ｉｉｎ）とすることも可能である。好ましくは、このトランスを降圧型トランスとし、その変圧比のフォトダイオード電流の増幅を、追加の雑音を加えることなく可能にする。

【0183】

トランスの動作原理は、一次側の電流（ここではフォトダイオード電流

【0184】

【数22】

）を磁界Ｂ（ｔ）に変換し、それ自体をまた電界Ｅ（ｔ）に、したがってトランスの二次側の電圧ｓ_ｔ（ｔ）（Ｖｏｕｔ）に再変換することである。

【0185】

電界がｉ_ｐｈ（ｔ）によって誘導される磁界の導関数となることは周知である。したがって、トランスの電圧および電流は、ｉ_ｐｈ（ｔ）の変化のみに依存する。ＴＩＡからの電圧は、次に示されている形になる。

【0186】

【数23】

【0187】

これにおいては、係数ｋの特徴によることなく、次に挙げるフォトダイオード電流ｉ_ｐｈ（ｔ）の静的成分のすべてがトランスの二次側において除去されることが成り立つ。
－ 寄生固有逆フォトダイオード電流（飽和電流、暗電流）、
－ 弱い、または強い（太陽）任意光源に起因する光発生電流。

【0188】

ＴＩＡとトランスの間に配置されるキャパシタＣの役割は、このキャパシタを伴わないシステムが有することになる利得を最小化することである。実際、このアセンブリは、ＡＯＰのオフセット電圧に関して無限の利得を伴う非反転増幅器と類似に動作し、結果として飽和をもたらす。

【0189】

したがって、本発明に従った受信装置ＤＲの構造は、次に示されるように２つの問題を解決する。
－ 多様な寄生ＤＣ電流が除去されることから、利得抵抗の限界が引き上げられる。非常に高利得のセンサが作り出されて検出能力が向上する。
－ センサは、実質的に周囲の照明を無視する。したがって、太陽に面しているときに障害物を検出することが可能である。

【0190】

この構造は、屋外における広視野ＦＯＶライダの使用に完全に適している。

【符号の説明】

【0191】

１ 写真
２ １Ｄライダ
１０ ライダ
１５ 分岐
７０ 処理
１００ 方法
Ａｍｐ 演算増幅器
Ｃ キャパシタ
ＣＡ 増幅器回路
Ｄ ドローン
ｄ１、ｄ２ 距離
ＤＲ 受信装置
Ｅ２ 要素Ｅ１および
Ｐ ポール
ＰＤ 光検出器、フォトダイオード
Ｔ トランス
ＴＩＡ トランスインピーダンス増幅器
ＵＴ 処理ユニット
Ｖ 車両

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】

【図11E】

【図11F】

【図12A】

【図12B】

【図13A】

【図13B】

【図14A】

【図14B】

【図15】

【図16】

【図17A】

【図17B】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【国際調査報告】