KR20190093603A

KR20190093603A - 광 처프 거리 검출의 도플러 검출 및 도플러 보정을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20190093603A
Application number: KR1020197019076A
Authority: KR
Inventors: 스테판 씨. 크로우치; 랜디 알. 레이블; 제임스 커리; 트렌톤 베르그
Original assignee: 블랙모어 센서스 앤드 애널리틱스 인코포레이티드
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-08-09
Anticipated expiration: 2037-11-21
Also published as: KR20210059021A; US20240241256A1; US11802965B2; EP3548841A2; WO2018160240A3; CN110114632B; EP3548841B1; EP3548841A4; US20190310372A1; KR102477195B1; KR102254468B1; JP2019537012A; WO2018160240A2; CN113985427A; KR20220065891A; KR102399757B1; JP2022003345A; US12461239B2; CN110114632A

Abstract

처프 광 거리 검출에 관한 도플러 보정 기술은 시간에 따라 주파수를 증가시키는 업 처프를 가진 제1 처프 송신 광 신호와 리턴 광 신호 사이의 대응 주파수 차이를 기반으로 거리들에 관한 제1 세트를 획득하는 단계를 포함한다. 거리들에 관한 제2 세트는 다운 처프를 가진 제2 처프 송신 광 신호와 리턴 광 신호 사이의 대응 주파수 차이를 기반으로 획득된다. 비용 함수의 값들에 관한 매트릭스로서, 각각의 거리 페어에 대한 값이 상기 제1 세트에서 하나 그리고 상기 제2 세트에서하나를 포함하는 매트릭스가 결정된다. 상기 제1 세트 내의 거리 및 제2 세트 내의 대응 거리의 매칭 페어는 상기 매트릭스를 기반으로 결정된다. 거리에 관한 도플러 효과는 매칭 거리 페어의 결합을 기반으로 결정된다. 디바이스는 도플러 효과를 기반으로 작동된다.

Description

광 처프 거리 검출의 도플러 검출 및 도플러 보정을 위한 방법 및 장치

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2016년 11월 30일에 출원된 가출원 번호 제62/428,109호의 이익을 주장하고, 이 가출원에 개시된 전체 내용은, 35 U.S.C §119 (e)에 따라, 참조로서 본 명세서에 통합된다.

정부 관심사항의 진술

본 발명은 해군에서 수여한 계약 W9132V-14-C-0002에 따른 정부의 지원으로 이루어진 것이다. 정부는 발명에 대해 특정 권리를 가지고 있다.

니모닉(mnemonic)인 LIDAR로 종종 참조되는, 광 검출 및 거리 측정(ranging)을 위한 광 거리 검출은, 고도 측정부터, 이미징, 충돌 회피에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 사용된다. LIDAR는 레이더(RADAR:radio-wave detection and ranging)와 같은 기존의 마이크로파 거리 측정 시스템(microwave ranging system)보다 작은 빔 크기로 미세한 스케일 범위 해상도를 제공한다. 광 거리 검출은 타겟에 대한 광 펄스의 왕복 이동 시간을 기반으로 한 직접 거리 측정(direct ranging)과, 송신된 처프 광 신호(chirped optical signal)와 타겟으로부터 산란된 리턴 신호 간의 주파수 차이에 기초한 처프 검출(chirped detection)을 포함한 여러 다른 기술들로 달성될 수 있다.

수용 가능한 거리 정확도 및 검출 감도를 달성하기 위해, 직접 장거리 LIDAR 시스템은 낮은 펄스 반복률 및 매우 높은 펄스 피크 전력을 갖는 짧은 펄스 레이저를 사용한다. 높은 펄스 전력은 광학 구성요소들의 급격한 성능저하로 이어질 수 있다. 처프 LIDAR 시스템(Chirped LIDAR systems)은 상대적으로 낮은 피크 광 전력의 긴 광 펄스를 사용한다. 이 구성에서, 거리 정확도는 펄스 지속 시간이 아닌 처프 대역폭(chirp bandwidth)에 따라 달라지므로 우수한 거리 정확도를 여전히 얻을 수 있다.

광 반송파를 변조하기 위해 광대역 무선 주파수(RF) 전기 신호를 사용하여 유용한 광 처프 대역폭이 달성되었다. 처프 LIDAR(chirped LIDAR)의 최근 발전은, 광 검출기에 되돌아온 리턴 신호와 결합되는 기준 신호로서 동일한 변조된 광 반송파를 사용하여, 기준 신호들과 리턴 광 신호들 사이의 주파수 차이에 비례하는 상대적으로 낮은 비트 주파수를 결과 전기 신호에서 생성한다. 검출기에서의 이러한 종류의 주파수 차이의 비트 주파수 검출을 헤테로다인 검출(heterodyne detection)이라고 한다. 그것은 준비되고 저렴한 가용성의 RF 구성요소들을 사용하는 이점과 같은 해당 기술분야에 공지된 몇 가지 이점을 갖는다. 미국특허 제7,742,152호에 개시된 최근 연구는, 기준 광 신호로서, 송신된 광 신호로부터 분리된 광 신호를 사용하는 광학 구성요소들의 새롭고 간단한 배열을 보여준다. 이러한 배열은 그 특허에서 호모다인 검출(homodyne detection)이라고 불린다.

본 발명자들은 광 처프(optical chirp)를 이용하여 거리가 검출되는 객체의 움직임이, 도플러 주파수 시프트로 인해 그 응용에 현저한 영향을 미치는 상황과 응용을 인식했다. 이러한 광학 처프 거리 측정에서 도플러 효과를 검출하고 도플러 효과를 보상하는 기술이 제공된다.

제1 실시예 세트에서, 프로세서로 실행되는 방법은 제1 처프 송신 광 신호(chirped transmitted optical signal)와 비교되는 리턴 광 신호의 대응 주파수 차이를 기반으로 하나 이상의 거리를 가진 제1 세트를 획득하는 단계를 포함한다. 제1 처프 송신 광 신호는 시간에 따라 주파수가 증가하는 업 처프를 포함한다. 상기 방법은 제2 처프 송신 광 신호와 비교되는 리턴 광 신호의 대응 주파수 차이를 기반으로 하나 이상의 거리를 가진 제2 세트를 획득하는 단계를 더 포함한다. 제2 처프 송신 광 신호는 시간에 따라 주파수가 감소되는 다운 처프를 포함한다. 상기 방법은 비용 함수의 값들에 관한 매트릭스로서, 비용 함수의 값은 각각의 거리 페어에 대한 것이고, 각각의 거리 페어는 상기 제1 세트 내의 거리 및 상기 제2 세트 내의 거리를 포함하는 매트릭스를 결정하는 단계를 더 포함한다, 또한, 상기 방법은 상기 제1 세트의 거리 및 상기 제2 세트의 대응 거리를 포함하는 매칭된 거리 페어를 결정하는 단계를 포함하며, 그 대응은 상기 값들에 관한 매트릭스를 기반으로 한다. 또한, 상기 방법은 매칭된 거리 페어의 결합을 기반으로 거리에 관한 도플러 효과를 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 도플러 효과를 기반으로 디바이스를 작동하는 단계를 포함한다.

제2 실시예 세트에서, 장치는 제1 광 주파수 대역의 업 처프를 포함한 제1 광 신호 및 제1 광 주파수 대역과 오버랩되지 않는 제2 광 주파수 대역의 동시적 다운 처프를 포함한 제1 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스를 포함한다. 상기 장치는 제1 신호를 수신하고 송신 신호 및 기준 신호를 생성하도록 구성된 제1 스플리터를 포함한다. 상기 장치는 또한 송신 신호를 장치 외부로 보내고 송신 신호에 노출된 어떤 객체로부터 후방산란된(backscattered) 리턴 신호를 수신하도록 구성된 광 커플러를 포함한다. 상기 장치는 또한 송신 신호 또는 리턴 신호를 기준 신호와 관련하여 기지의 주파수 시프트로 시프팅하도록 구성된 주파수 시프터를 포함한다. 또한, 상기 장치는 기지의 주파수 시프트가 적용된 후에 기준 신호 및 리턴 신호를 수신하도록 배치된 광 검출기를 포함한다. 또한, 상기 장치는 광 검출기로부터 전기 신호를 수신하는 단계를 수행하도록 구성된 프로세서를 더 포함한다. 프로세서는 또한 전기 신호의 제1 주파수 대역에서 제로 이상의 비트 주파수를 가진 제1 세트 및 오버랩되지 않은 제2 주파수 주파수 대역에서 제로 이상의 비트 주파수를 가진 제2 세트를 결정함으로써 송신 신호에 노출된 객체의 움직임에 기인한 도플러 효과에 관한 결정을 지원하도록 구성된다. 및 제2 주파수 대역의 2 세트를 결정함으로써 전송 된 신호에 의해 조명되는 임의의 객체의 움직임으로 인한 도플러 효과의 결정을 지원하도록 구성된다. 상기 제1 주파수 대역 및 상기 오버랩되지 않은 제2 주파수 대역은 기지의 주파수 시프트를 기반으로 결정된다.

제2 세트의 몇몇 실시예에서, 레이저 소스는 레이저, 라디오 주파수 파형 제너레이터 및 변조기로 구성된다. 레이저는 반송파 주파수 f₀의 광 빔을 제공하도록 구성된다. 라디오 주파수 파형 발생기는 f_a와 f_b 사이에 연장된 라디오 주파수 대역에서 제1 챠프를 발생시키도록 구성되며, 여기서 f_b > f_a > 0이다. 변조기는 제1 처프를 기반으로, 제1 광 주파수 대역이 반송파 주파수의 제1 측파대에 있고 제2 광 주파수 대역이 제1 측파대와 오버랩되지 않는 제2 측파대에 있는 제1 광 신호를 생성하도록 구성된다.

제3 실시예 세트에서, 장치는 제1 광 주파수 대역의 업 처프 및 제1 광 주파수 대역과 오버랩되지 않는 제2 광 주파수 대역의 동시적 다운 처프를 포함한 제1 광 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스를 포함한다. 상기 장치는 제1 신호를 수신하여 송신 신호 및 기준 신호를 생성하도록 구성된 제1 스플리터를 포함한다. 상기 장치는 또한 송신 신호를 장치 외부로 보내고 송신 신호에 노출된 어떤 객체로부터 후방산란된 리턴 신호를 수신하도록 구성된 광 커플러를 포함한다. 또한, 상기 장치는 기준 신호의 두 개의 카피(copy) 및 리턴 신호의 두 개의 카피를 생성하도록 구성된 제2 스플리터를 포함한다. 또한, 상기 장치는 두 개의 광 필터를 포함한다. 제1 광 필터는 제1 광 주파수 대역을 통과시키고 제2 광 주파수 대역을 차단하도록 구성된다. 제2 광 필터는 제2 광 주파수 대역을 통과시키고 제1 광 측파대를 차단하도록 구성된다. 상기 장치는 두 개의 광 검출기를 더 포함한다. 제1 광 검출기는 기준 신호의 한 카피 및 리턴 신호의 한 카피를 제1 광 필터를 통과한 후에 수신하도록 배치된다. 제2 광 검출기는 기준 신호의 다른 카피 및 리턴 신호의 다른 카피를 제2 광 필터를 통과한 후에 수신하도록 배치된다. 또한, 상기 장치는 제1 광 검출기의 제1 전기 신호 및 제2 광 검출기의 제2 전기 신호를 수신하는 단계를 수행하도록 구성된 프로세서를 더 포함한다. 상기 프로세서는 또한, 상기 제1 전기 신호에서 제로 이상의 비트 주파수를 가진 제1 세트를 결정하고, 제2 전기 신호에서 제로 이상의 비트 주파수를 가진 제2 세트를 결정함으로써 상기 송신 신호에 노출된 어떤 객체의 움직임에 기인한 도플러 효과에 관한 결정을 지원하도록 구성된다.

다른 실시예들에서, 시스템 또는 장치 또는 컴퓨터 판독가능 매체는 상술한 방법의 하나 이상의 단계를 수행하도록 구성된다.

또 다른 양태, 특징 및 이점은, 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최선의 모드를 포함하는, 다수의 특정 실시예 및 구현예를 설명함으로써, 다음의 상세한 설명으로부터 용이하게 명백해진다. 다른 실시예는 또한 다른 및 상이한 특징 및 이점을 가질 수 있으며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 여러 가지 세부 사항이 다양한 명백한 관점에서 변형될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 제한적이지는 않다.

실시예들은 첨부되는 도면들에 한정되는 것이 아니라 예로서 도시되며, 동일한 참조부호는 유사한 요소를 참조한다.
도 1a는 일 실시예에 따라, 거리(range)에 관한 광 처프 측정의 일례를 나타낸 그래프 세트이다.
도 1b는 일 실시예에 따라, 거리를 지시하는, 디처핑(de-chirping)에 기인한 비트 주파수 측정의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 2a 및 도 2b는, 다양한 실시예들에 따라, 고해상도 LIDAR 시스템 구성요소들의 예를 나타낸 블록도이다.
도 3a은 일 실시예에 따라, 헤테로다인 처프 LIDAR 시스템 구성요소들의 예를 나타낸 블록도이다.
도 3b는 일 실시예에 따라, 호모다인 처프 시스템 구성요소들의 예를 나타내는 블록도이다.
도 4a는 일 실시예에 따라, 몇몇 타겟들에 대해 타겟들이 움직이는 경우, 업 처프 LIDAR 시스템의 비트 주파수 피크들을 기반으로, 거리들을 보여주는 그래프의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 4b는 일 실시예에 따라, 몇몇 타겟들에 대해 타겟들이 움직이는 경우, 다운 처프 LIDAR 시스템의 비트 주파수 피크들을 기반으로, 거리들을 보여주는 그래프의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 5a는 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템의 연속적 업 및 다운 처프 송신 광 신호의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 5b는 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템의 동시적 업 및 다운 처프 송신 광 신호의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 5c는 일 실시예에 따라, 변조기에 의해 생성되어 LIDAR 시스템의 동시적 업 및 다운 처프 송신 광 신호를 발생시키는 1차 측대역들을 나타낸 그래프이다.
도 5d는 다른 실시예에 따라, 광 반송파와 관련하여 LIDAR 시스템의 동시적 업 및 다운 처프 송신 광 신호 및 기준 신호(LO)의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 5e는 다른 실시예에 따라, 광 반송파와 관련하여 LIDAR 시스템의 시프트된 동시적 업 및 다운 처프 송신 광 신호 및 기준 신호(LO)의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따라, 동시적 업 및 다운 처프 LIDAR 시스템의 구성요소들의 예를 나타낸 블록도이다.
도 7a는 일 실시예에 따라, 업 처프 및 다운 처프 거리 페어들의 예를 나타낸 블록도이다.
도 7b는 일 실시예에 따라, 도 7a에 도시된 업 처프 및 다운 처프 거리 페어들의 예에 대응하는 요소들을 가진 비용 매트릭스의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 8은 일 실시예에 따라, 거리에 관한 도플러 효과를 보상하기 위해 업 및 다운 처프 LIDAR 시스템을 사용하는 방법의 일례를 나타낸 흐름도이다.
도 9a 내지 도 9c는 실시예들에 따라, 도플러 보정된 거리들 및 무보정 거리들에 대한 개선을 기반으로 한 디스플레이 디바이스 출력의 일례를 나타낸 이미지들이다.
도 10a는 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템에 접근하는 타겟에 대한 도플러 보정된 거리들을 기반으로 한 디스플레이 디바이스 출력의 일례를 나타낸 세 개의 이미지들의 세트이다.
도 10b는 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템에서 멀어지는 타겟에 대한 도플러 보정된 거리들을 기반으로 한 디스플레이 디바이스 출력의 일례를 나타낸 세 개의 이미지들의 세트이다.
도 11은 일 실시예에 따라, 고해상도에서 도플러 보정된 거리들을 기반으로 한 디스플레이 디바이스 출력의 일례를 나타낸 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예가 구현될 수 있는 컴퓨터 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예가 구현될 수 있는 칩셋을 나타낸다.

광 처프 거리 검출(optical chirped range detection)시의 도플러 보정(Doppler correction)을 위한 방법 및 장치와 시스템 그리고 컴퓨터 판독 가능 매체가 개시된다. 이하의 설명에서, 설명의 목적으로, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정한 세부 사항이 설명된다. 그러나, 당해 기술분야의 당업자에게는 본 발명이 이들 특정 세부 사항 없이 실시될 수 있음이 명백할 것이다. 다른 예들에서, 공지된 구조들 및 장치들은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 블록도 형태로 도시된다.

넓은 범위를 설명하는 수치 범위 및 파라미터는, 근사값임에도 불구하고, 특정 비제한적인 실시예에 기재된 수치는 가능한 한 정확하게 보고된다. 그러나 모든 수치는 본 명세서의 작성 당시의 각 테스트 측정에서 발견된 표준 편차에서 필연적으로 발생하는 특정 오류를 본질적으로 포함한다. 또한, 문맥으로부터 달리 명확한 경우가 아니라면, 본원에 제시된 수치는 최하위 숫자에 의해 주어진 암시적 정밀도를 갖는다. 따라서 값 1.1은 1.05에서 1.15까지의 값을 의미한다. 용어 "약"은 주어진 값을 중심으로보다 넓은 범위를 나타내기 위해 사용되며, 문맥에서 명확하지 않은 경우, "약 1.1"이 1.0 내지 1.2의 범위를 의미하는 바와 같이, 최하위 숫자 주위의 더 넓은 범위를 의미한다. 만약 최하위 숫자가 불명료하면, "약"이라는 용어는 2의 인수를 의미한다. 예를 들어, "약 X"는 0.5X에서 2X 범위의 값을 의미한다. 예를 들어, 약 100은 50에서 200의 범위 내의 값을 의미한다. 또한, 본원에 개시된 모든 범위는 그 안에 포함되는 임의의 및 모든 하위 범위를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "10 미만"의 범위에는 최소값 0과 최대값 10 사이(및 이들을 포함한다)의 임의의 및 모든 하위 범위가 포함될 수 있다. 즉, 예를 들어 1에서 4와 같이, 0과 같거나 0보다 큰 최소값 그리고 10과 같거나 10보다 작은 최대값을 갖는 임의의 및 모든 하위 범위가 포함될 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예들은 이하에서 선형 주파수 변조된 광 신호에 관한 맥락으로 설명되지만, 처프들(chirps)은 선형적일 필요가 없으며 임의의 시변 변화율에 따라 주파수를 변경할 수 있다. 실시예들은 단일 광학 빔과 그것의 단일 검출기 또는 한 쌍의 검출기 상에서의 리턴에 관한 맥락으로 설명되고, 이들은 선형 스텝핑 또는 회전 광학 구성요소들과 같은 공지된 스캐닝 수단들을 이용하여 스캔되거나 송신기들과 검출기들 또는 검출기 쌍들의 어레이로 스캔될 수 있다.

1. 처프 검출 개요(Chirped Detection Overview)

도 1a는 일 실시예에 따른 예시적인 광 처프 거리 측정을 도시하는 그래프(110, 120, 130, 140)의 세트이다. 수평축(112)은 4개의 그래프 모두에 대해 동일하며 밀리 초(ms, 1ms = 10^-3초)씩 임의의 단위로 시간을 나타낸다. 그래프(110)는 송신 광 신호로서 사용되는 광의 빔의 전력을 나타낸다. 그래프(110)의 수직축(114)은 송신 신호의 전력을 임의의 단위로 나타낸다. 트레이스(Trace)(116)는 시간 0에서 시작하여 제한된 펄스 지속 시간, τ 동안 전력이 공급되고 있음을 나타낸다. 그래프(120)는 송신 신호의 주파수를 나타낸다. 수직축(124)은 임의의 단위로 송신 주파수를 나타낸다. 트레이스(126)는 펄스의 지속 시간 τ에 걸쳐 펄스의 주파수가 f₁에서 f₂로 증가함을 나타내며, 따라서 대역폭 B = f₂-f₁을 갖는다. 주파수 변화율은 (f₂ - f₁)/τ이다.

리턴 신호는 그래프(130)로 도시되고, 그 그래프(130)는 시간을 나타내는 수평축(112) 및 그래프(120)에서와 같이 주파수를 나타내는 수직축(124)을 갖는다. 그래프(120)의 처프(chirp)(126)가 또한 그래프(130) 상에 점선으로 도시되어 있다. 제 1 리턴 신호는 트레이스(136a)로 주어지고, 제 1 리턴 신호는 강도(도시되지 않음)가 감소되고 Δt 만큼 지연된 단지 송신 기준 신호이다. 리턴 신호가 2R의 거리를 커버한 후 외부 객체로부터 수신되면, 리턴 신호는 2R/c로 주어지는 지연된 시간 Δt에서 시작한다. 여기서 R은 타겟까지의 거리(range)이고, c는 매체에서의 빛의 속도(약 3x10⁸m/s)이다. 이 시간 동안 주파수는, 거리에 따른 양, 즉 주파수 변화율에 지연 시간을 곱하여 주어지면서 f_R이라고 불려지는 양만큼 변경된다. 이것은 식 1a에 의해 주어진다.

f_R = (f₂ - f₁)/τ*2R/c = 2BR/cτ (1a)

f_R의 값은 디-처핑(de-chirping)으로 지칭되는 시간 영역 혼합 동작에서 송신 신호(126)와 리턴 신호(136a) 사이의 주파수 차이에 의해 측정된다. 그래서 거리 R은 식 1b에 의해 주어진다.

R = f_R cτ/2B (1b)

물론, 리턴 신호가 펄스가 완전히 송신된 후 도착하면, 즉 2R/c가 τ보다 큰 경우, 수학식 1a 및 1b는 유효하지 않다. 이 경우, 기준 신호는 알려진 또는 고정 된 양만큼 지연되어, 리턴 신호가 기준 신호와 중첩되도록 한다. 기준 신호의 고정 된 또는 알려진 지연 시간은 수학식 1b로부터 계산된 거리에 추가되는 추가 거리를 제공하기 위해 빛의 속도 c와 곱해진다. 매체에서 빛의 속도의 불확실성으로 인해 절대 거리가 벗어날 수는 있지만 이는 거의 일정한 오차이며 주파수 차이를 기반으로 한 상대적 거리는 여전히 매우 정확하다.

어떤 상황에서는, 송신 광 빔에 의해 조명된 지점(spot)이, 반투명 객체의 전방 및 후방, 또는 LIDAR로부터 다양한 거리에 있는 객체의 더 가까운 부분과 더 먼 부분, 또는 조명된 지점 내의 두 개의 개별 객체와 같이, 상이한 거리에서 2개 이상의 상이한 산란자를 만난다. 이러한 상황에서, 그래프(130)에 트레이스(136b)로 표시된 바와 같이, 강도가 감소되고 다르게 지연된 제 2 신호가 또한 수신될 것이다. 이것은 식 1b를 사용하여 다른 거리를 제공하는 f_R의 다른 측정 값을 갖게 된다.

그래프(140)는 제 1 리턴 신호(136a)와 기준 처프(126) 사이의 차 주파수(difference frequency) f_R를 도시한다. 수평축(112)은 도 1a의 모든 다른 정렬된 그래프와 같이 시간을 나타낸다. 수직축(134)은 더 확대된 스케일로 주파수 차이를 나타낸다. 트레이스(Trace)(146)는 송신된 처프(chirp) 동안 측정된 일정한 주파수 f_R을 나타내며, 식 1b에 의해 주어진 특정 거리를 나타낸다. 제 2 리턴 신호(136b)는, 존재한다면, 디-처핑 동안에 다른 더 큰 f_R(도시되지 않음) 값을 발생시킬 것이다; 또한, 결과적으로 식 1b를 사용하여 더 큰 거리를 산출하게 된다.

디-처핑(de-chirping)을 위한 일반적인 방법은 기준 광 신호와 리턴 광 신호를 동일한 광 검출기로 향하게 하는 것이다. 검출기의 전기 출력은 검출기에서 수렴하는 두 신호의 주파수의 차이와 같거나 그것에 의존하는 비트 주파수에 의해 좌우된다. 이 전기적 출력 신호의 푸리에 변환은 비트 주파수에서 피크를 야기할 것이다. 이 비트 주파수는 테라헤르츠(THz, 1THz = 10¹² 헤르츠)의 광 주파수 범위가 아닌 메가헤르츠(MHz, 1MHz = 10⁶Hz = 초당 10⁶사이클)의 무선 주파수(RF) 범위에 있다. 이러한 신호는 마이크로 프로세서 또는 특수 제작된 FFT 또는 기타 디지털 신호 처리(DSP) 집적 회로에서 실행되는 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘과 같이, 일반적이고 저렴한 RF 구성요소들에 의해 쉽게 처리된다. 다른 실시예에서, 리턴 신호는 (국부 발진기로서 처프와 비교하여) 국부 발진기로서 동작하는 연속파(CW) 톤과 혼합된다. 이는(또는 어떠한 파형이 전송되더라도) 그 자체가 처프인 검출 신호(detected signal)로 이어진다. 이 경우 검출 신호는 Kachelmyer 1990에 설명된 바와 같이 디지털 영역에서 매칭 필터링(matched filtering)을 거친다. 단점은 디지타이저(digitizer) 대역폭 요구사항이 일반적으로 높다는 것이다. 코히런트 검출(coherent detection)의 긍정적인 면은 다른 방식으로 유지된다.

도 1b는 실시예에 따라, 거리(range)를 나타내는, 디-처핑(de-chirping)의 결과인 비트 주파수의 예시적인 측정을 도시하는 그래프이다. 수평축(152)은 메가헤르츠 단위의 주파수를 나타내고, 수직축은 송신 전력 밀도 I_T에 대한 리턴 신호 전력 밀도 I_R을 데시벨(dB, 전력 dB = 20log(I_R/I_T)) 단위로 나타낸다. 트레이스(156)는 FFT 회로에 의해 생성되는 것과 같이 광 검출기에 의해 출력되는 전기 신호 출력의 푸리에 변환이며, Adany et al., 2009에 의해 공개된 데이터에 기초한다. 피크의 수평 위치는 f_R을 제공하며 식 1b를 사용하여, 거리를 추정하는데 사용된다. 또한, 피크의 다른 특성은 리턴 신호를 설명하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 피크에서의 전력 값은, 트레이스(156)의 최대값에 의해 특징지어지거나, 또는 더 일반적으로, 피크 값(도 1b의 약 -31dB)과 피크의 숄더들(Shoulders)에서의 잡음 플로어(도 1b에서 약 -50dB) 사이의 차이(157)(도 1b의 약 19dB)에 의해, 특징지어진다; 또한, 피크의 폭은 반값 전폭(FWHM)에서 주파수 폭(158)(도 1b에서 약 0.08 MHz)에 의해 특징지어진다. 여러 개의 식별 가능한 리턴이 있는 경우, 광 검출기의 전기적 출력의 FFT에서 복수의 피크가 존재할 수 있고, 복수의 상이한 전력 레벨 및 폭을 가질 수 있다. 일부 방법을 사용하여 트레이스에서 피크를 자동으로 식별하고 위치, 높이 및 폭에 의해 이러한 피크들을 특징지을 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 매사추세츠의 Natick의 MATHWORKS^TM의 MATLAB^TM으로부터 이용 가능한, MATLAB-Signal Processing Toolbox에 의한 피크 검출 또는 FFTW가 사용된다. 또한 캘리포니아, 산타 클라라의 NVIDIA^TM로부터 이용 가능한 CUDA^TM 내의 커스텀 피크 검출(custom peak detection) 및 CUDA 내의 FFTW에 의존하는 커스텀 구현(custom implementations)을 사용할 수도 있다. 커스텀 구현은 FPGAs(Field Programmable Gate Arrays)에서 프로그램된다. 일반적으로 사용되는 알고리즘은, 피크의 위치를 정확하게 결정하기 위해, 임계 거리 프로파일을 지정하고, 질량 중심 알고리즘, 피크 피팅 알고리즘(3-포인트 가우시안 피팅), 또는 일부 기능(예, 가우시안)에 대한 피크의 비선형 피팅을 실행하는 것이다.

검출된 객체(소스(source))가 속도 v_s로 움직이고 LIDAR 시스템(옵저버(observer))이 그 둘을 연결하는 벡터 상에서 속도 v_o로 움직인다면, 그때 리턴 신호는 도플러 시프트될 것이고 검출된 비트 주파수 f_R도 시프트되며, 이는 검출되는 거리의 에러를 초래할 수 있다. 많은 경우에, 검출된 객체의 형상은 다수 리턴들의 상대적 위치를 기반으로 식별된다. 따라서 객체의 형상이 잘못될 수 있으며 객체를 식별하는 능력이 손상될 수 있다.

리턴의 관측된 주파수 f'는 도플러 효과에 의한 리턴의 정확한 주파수 f와 다르며 식 2a에 의해 근사화된다.

(2a)

여기서 c는 매질에서의 빛의 속도이다. 유의할 점은 옵저버와 소스가 그 둘 사이의 벡터 상에서 동일한 방향의 동일한 스피드로 움직이는 경우 두 주파수는 동일하다는 것이다. 두 주파수의 차이 Δf = f'-f는, 도플러 시프트 D이고, 이는 거리 측정에서 에러를 구성하며, 식 2b에 의해 주어진다.

(2b)

유의할 점은 에러의 크기는 신호의 주파수 f와 함께 증가한다는 것이다. 또한 유의할 점은 정지된 LIDAR 시스템(v_o = 0)에 대해, 초당 10m(v_o = 10)로 이동하는 타겟과 약 500 THz 주파수의 가시광선에 대해서는 에러의 사이즈가 f_R의 사이즈의 75%인 대략 16 MHz이며, 이는 도 1b에서 약 22 MHz이고, f_R에서 75% 에러를 초래하고 따라서 거리에서 75% 에러를 초래한다. 다양한 실시예에 있어서, 도플러 시프트 에러는 검출되어 여기서 설명된 거리를 보정하는데 사용된다.

2. 처프 검출 하드웨어 개요(Chirped Detection Hardware Overview)

처프 검출 접근법이 어떻게 구현되는지를 설명하기 위해, 몇몇 일반적인 및 특정 하드웨어 접근법이 설명된다. 도 2a 및 도 2b는 다양한 실시예에 따른, 고해상도 LIDAR 시스템의 예시적인 구성요소를 나타내는 블록도들이다. 도 2a에서, 레이저 소스(212)는 RF 파형 제너레이터(215)로부터의 입력을 기반으로 하는 변조기(214)에서 주파수 변조되는 반송파(201)를 방출하여 대역폭 B 및 지속시간 τ를 갖는 펄스를 생성한다. 몇몇 실시예에서 RF 파형 제너레이터(215)는 프로세싱 시스템(250)의 명령으로 제어되는 소프트웨어이다. 스플리터(216)는 변조된 광 파형을 빔(203)의 대부분의 에너지를 갖는 송신 신호(205)와, 타겟(미도시)으로부터 산란되는 반사 광(291)과 양호한 헤테로다인 또는 호모다인 간섭을 생성하기에 충분하지만 훨씬 적은 에너지량을 갖는 기준 신호(207)로 분리한다. 몇몇 실시예에서, 송신 빔은 스캐닝 광학계(scanning optics)(218)를 이용하여 그 경로 내의 임의의 객체를 프로파일링하기 위해 다수의 각도로 스캐닝된다.

기준 빔은 산란광과 함께 검출기 어레이(230)에 도달하기에 충분하게 기준 경로(220)에서 지연된다. 몇몇 실시예에서, 스플리터(216)는 변조기(214)의 업스트림(upstream)이고, 기준 빔(207)은 변조되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 기준 신호는 새로운 레이저(도시되지 않음)를 사용하여 독립적으로 생성되고 기준 경로(220) 내의 개별 변조기(도시되지 않음) 및 제너레이터(215)의 RF 파형을 사용하여 개별적으로 변조된다. 몇몇 실시예에서, 도 2b를 참조하여 후술되겠지만, 다른 변조기가 사용된다; 그러나, 송신 신호 및 기준 신호 모두를 위해 단일의 레이저 소스(212)가 사용되어 코히어런스(coherence)를 보장한다. 다양한 실시예에서, 덜 유연한 접근으로부터 더 유연한 접근으로, 기준은 다음에 의해 산란되거나 반사된 필드와 함께 도착하게 된다 : 1) 장면에 거울을 위치시켜 검출기 어레이에서 송신 빔의 일부를 반사시켜서 경로 길이가 잘 매칭되도록 함; 2) 광섬유 지연을 사용하여 경로 길이와 가깝게 매칭시키고, 도 2a에 제안된 바와 같이, 특정 거리에 대해 관찰되거나 예상되는 위상차를 보상하기 위한 경로 길이 조정의 유무에 관계없이, 검출기 어레이 근처의 광학계로 기준 빔을 방송함; 또는 3) 경로 길이 불일치를 보상하기 위해 별도의 변조를 생성하기 위해 주파수 시프트 장치(음향-광 변조기) 또는 국부 발진기 파형 변조의 시간 지연을 이용함; 또는 상당한 조합. 몇몇 실시예에서, 타겟은 충분히 가깝고, 펄스 지속 시간은 리턴이 지연없이 기준 신호와 충분히 겹치도록 충분히 길다. 몇몇 실시예에서, 기준 신호(207b)는 하나 이상의 광 믹서(232)에서 리턴 신호(291)와 광학적으로 혼합된다.

다양한 실시예에서, 타겟의 여러 부분은 각각의 리턴 광 신호(291)를 다시 검출기 어레이(230)로 산란시켜 각각의 스캐닝된 빔이 여러 빔으로 조명된 상기 타겟의 여러 부분 각각에 대한 여러 거리와 여러 리턴에 기초한 포인트 클라우드(point cloud)로 귀결되도록 한다. 검출기 어레이는 타겟으로부터의 리턴 빔(291)에 대략 수직인 평면에 배치된 싱글 또는 평형 페어 광 검출기이거나 이러한 광 검출기들의 1D 또는 2D 어레이이다. 인터페이스 패턴의 위상 또는 진폭, 또는 상당한 조합은, 펄스 지속 시간(τ) 동안 여러 번 각 검출기의 획득 시스템(240)에 의해 기록된다. 펄스 지속 시간당 시간 샘플(temporal samples)의 수는 다운-레인지(down-range) 범위에 영향을 미친다. 이 수치는 종종 펄스 반복율과 사용 가능한 카메라 프레임 레이트를 기반으로 선택되는 실용적인 고려 사항이다. 프레임 레이트(frame rate)는 종종 "디지타이저 주파수(digitizer frequency)"라고 하는 샘플링 대역폭이다. 기본적으로 Y 거리 폭의 해상도 빈(bins)을 갖는 펄스 동안 X 개의 검출기 어레이 프레임이 수집되면, X*Y 거리 범위가 관측될 수 있다. 획득된 데이터는 도 8을 참조하여 이하에서 설명되는 컴퓨터 시스템, 또는 도 9를 참조하여 이하에서 설명되는 칩셋과 같은 프로세싱 시스템(250)에 이용 가능하게 된다. 몇몇 실시예에서, 획득된 데이터는 타겟의 여러 부분 각각에 대한 여러 거리에 기초한 포인트 클라우드이다.

이를 기반으로 도플러 보상 모듈(Doppler compensation module)(270)은 도플러 시프트의 크기 및 보정된 거리를 결정한다. 몇몇 실시예에서, 도플러 보상 모듈(270)은 RF 파형 제너레이터(215)를 제어한다.

도 2b는 소프트웨어 제어 지연이 LO 신호를 생성하는 기준 경로에 도입될 수있게 하는 변형적인 하드웨어 배치를 나타낸다. 레이저 소스(212), 스플리터(216), 송신 신호(205), 스캐닝 광학계(218), 광학 믹서(232), 검출기 어레이(230), 획득 시스템(240) 및 프로세싱 시스템(250)은 도 2a를 참조하여 설명된 바와 같다. 도 2b에는, 제너레이터(215)에서 광 반송파(optical carrier)에 RF 파형을 부과하기 위해 두 개의 개별적인 광 변조기인, 송신 경로 내의 214a와 기준 경로 내의 214b가 있다. 스플리터(216)는 레이저 소스(212)와 변조기들(214a, 214b) 사이로 이동되어 변조기(214a)에 작용하는 광 신호(283)와 수정된 기준 경로(282) 내의 변조기(214b)에 작용하는 저 진폭 기준 경로 신호(287a)를 생성한다. 상기 실시예에서, 광(201)은 변조가 발생하기 전에 송신(TX) 경로 빔(283)과 기준/국부 발진기(LO) 경로 빔(287a)으로 분리된다; 그리고, 각각의 경로에서 별개의 변조기가 사용된다. 듀얼 변조기 접근법에 의하면, 어느 한 경로는 오프셋 시작 주파수들 및/또는 오프셋 시작 시간들에서의 처프들로 프로그래밍될 수 있다. 이는 시스템(280)이 처프 도플러 보상을 위한 거리 지연 효과를 획득하는데 사용될 수 있다. 각각의 거리 게이트(range gate)에 사용된 지연을 시프팅함으로써 시스템은 다른 시스템 제한들(검출기 및 디지타이저 대역폭, 측정 시간 등)에도 불구하고 고 해상도로 명확하게 측정할 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 수정된 도플러 보상 모듈(278)은 RF 파형 제너레이터(215)를 제어하여 후술되는 도플러 보상 모듈에 의해 생성된 각각의 도플러 시프트에 적절한 지연 시간을 부과한다. 그러면 상술한 바와 같이, 소프트웨어 제어 지연 기준 신호(software controlled delay reference signal)(287b)는 리턴 신호(291)와 혼합된다. 다른 실시예들에서, LO 기준 경로(282)의 소프트웨어 제어 지연(software controlled delay)은 적응형 스캐닝 접근법이 다운-레인지 디멘션(down-range dimension)에서도 적응되도록 한다.

예를 들어, 몇몇 실시예에서, 사용된 레이저는 레이저를 구동하는 전류에 적용되는 변조로 능동적으로 선형화된다. 실험은 또한 변조를 제공하는 전기 광학 변조기로 수행되었다. 다양한 실시예에 대해 아래에서 더 상세히 설명되겠지만, 시스템은 원하는 다운-레인지 해상도에 적합한 대역폭 B 및 지속 시간 τ의 처프를 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 몇몇 예시된 실시예들에서, 수행된 실험에서 비교적 낮은 검출기 어레이 프레임 레이트의 범위 내에서 작동하기 위해 약 90 GHz의 B의 값 및 약 200 밀리 초(ms, 1ms = 10^-3 초)의 τ의 값이 선택되었다. 이러한 선택은 객체의 형상 결정과 객체의 식별에서 종종 중요한 약 30cm의 비교적 큰 거리 윈도우를 관측하기 위해 수행되었다. 이 기술은 10 MHz ~ 5 THz의 처프 대역폭에서 작동한다. 그러나, 3D 이미징 애플리케이션에서, 전형적인 범위는 약 300 MHz 내지 약 20 GHz의 처프 대역폭, 약 250 나노초(ns, ns = 10^-9 초) 내지 약 1 밀리 초(ms, 1ms = 10^-3 초)의 처프 지속 시간, 약 0 미터 내지 약 20 km의 타겟까지의 거리, 약 3 밀리미터(mm, 1 mm = 10^-3 미터) 내지 약 1 미터(m)의 타겟에서의 지점 크기, 약 7.5 mm 내지 약 0.5 ㎛의 타겟에서의 깊이 해상도이다. 이러한 조건하에서 거리 윈도우가 수 킬로미터까지 확장될 수 있고 도플러 해상도도 상당히 높음(처프의 지속 시간에 따라 다름)을 주목해야 한다. 프로세스, 장비 및 데이터 구조가 설명을 목적으로 특정한 배열로 도 2에 필수 블록들로 도시되어 있지만, 다른 실시예들에서는 하나 또는 그 이상의 프로세스 또는 데이터 구조, 또는 그 일부분이 상이한 방식으로, 동일한 호스트 또는 다른 호스트 상에, 하나 또는 그 이상의 데이터베이스로 배열되거나, 생략되거나, 또는 하나 또는 그 이상의 다른 프로세스 또는 데이터 구조가 동일하거나 다른 호스트에 포함된다. 예를 들어, 스플리터(216) 및 기준 경로(220)는 0 개 또는 그 이상의 이상의 광 커플러를 포함한다.

도 3a는 일 실시예에 따라, 헤테로다인 처프 LIDAR 시스템(heterodyne chirped LIDAR system)(300a)의 예시적 구성요소들을 나타낸 블록도이다. 미국 특허 제7,742,152호에 기재된 것에서 변형된, 이 시스템(300a)은, 전자적 디-처핑을 사용한다. 객체(390)는 시스템(300a)의 동작을 설명하기 위해 도시되지만, 객체(390)는 시스템(300a)의 일부가 아니다. 시스템(300a)은 레이저(301), 변조기(310), 스캐닝 광 커플러(scanning optical coupler)(320)로서의 망원경, 평형 포토검출기(balanced photodetector)(330), 처리 회로(340), 대역폭 B 및 지속시간 τ의 FM 처프를 생성하는 파형 제너레이터(waveform generator)(350), 전력 스플리터(power splitter)(351), 디-처핑 믹서(de-chirping mixer)(360), 및 음향-광 변조기(AOM: acoustic-optic modulator)(370)를 포함한다. 이 시스템에서, 소스 레이저(301)의 출력 빔은 빔 스플리터(302)에 의해 두 부분으로 분할된다; 일 부분은 전력 스플리터(351) 및 연산 증폭기(352a)으로부터의 FM 처프를 기반으로 변조기(310)에 의해 변조되어 망원경에 공급되는 빔(305)을 생성한다.

빔의 다른 부분인, 빔(307a)은 코히런트 검출(coherent detection)을 위한 국부 발진기(local oscillator)(LO)를 생성하는데 사용된다. 음향 스피커는 주파수 f_m의 음향 신호를 생성하여 음향-광 변조기(AOM)(370)를 구동함으로써 헤테로다인 검출을 위한 중간 주파수(IF)로서 작용하는 빔(307b)에서 광 주파수를 f_m만큼 시프트시킨다. 광 커플러(322)는 빔(307b)을 평형 포토검출기(330) 중 하나로 보낸다.

리턴 광 신호(391)는 또한 광 커플러(322)에 의해 평형 포토검출기의 다른 부분으로 보내진다. 평형 포토다이오드(330)는 직접 검출 컴포넌트를 거부한다. 출력 전기 신호는 연산 증폭기(344a)에서 증폭되고, IF 신호는 대역 통과 필터(341)에 의해 선택되고 기저 대역 파형을 복구하는 쇼트키 다이오드(Schottky diode)(342)에 의해 검출된다. 결과적인 전기 신호는 저역 통과 필터(343) 및 연산 증폭기(344b)를 통해 보내진다.

디-처핑 믹서는 이 검출된 신호와, 전력 스플리터(351) 및 연산 증폭기(352b)에 의해 출력된 원래의 처프 파형 출력을 비교하여, RF 기준 파형과 그 검출된 파형 사이의 주파수 차이에 의존하는 비트 주파수를 갖는 전기 신호를 생성한다. 또 다른 연산 증폭기(344c) 및 FFT 프로세스(345)가 비팅 주파수(beating frequency)를 찾는데 사용된다. 프로세서(346)는 데이터 분석을 수행하도록 프로그램된다. 그러나 300a와 같은 코히런트 검출 시스템은 펄스 이동 시간을 직접 검출하는 것에 비해 수신기 신호 대 잡음비(SNR)를 크게 향상시키지만 시스템 복잡성이 많이 증가한다. 프로세서(346)를 통해 연산 증폭기(344a) 및 디-처핑 믹서(360)로부터의 전기 컴포넌트는 신호 처리 컴포넌트(340)를 구성한다.

도시된 실시예에 따르면, 광 커플러(320)로부터 방출된 광 빔은 하나 이상의 객체의 노출된 부분(392)을 비추는 유한한 빔 크기로 상기 하나 이상의 객체(390)에 충돌한다. 노출된 부분으로부터 후방산란된 광은 망원경을 통해 되돌아와 광 커플러(322)에 의해 평형 포토검출기(330)의 광 다이오드와 같은, 광 검출기로 보내진다. 하나 이상의 객체는 시스템(300a)과 관련하여 객체 속도 컴포넌트(394)로 이동하며, 이는 노출된 부분의 상이한 파트들로부터의 리턴들에 대해 다를 수 있다. 이 움직임을 기반으로, 시스템(300a)에 의해 검출된 신호의 주파수는 오로지 거리만을 기반으로 한 주파수와 상이하다. 프로세서(346)는 도플러 보상 모듈(380)을 포함하여, 후술되는 바와 같이, 도플러 효과를 검출하고 도플러 효과로 인한 거리를 보정한다.

도 3b는 일 실시예에 따라, 호모다인 처프 LIDAR 시스템(homodyne chirped LIDAR system)(300b)의 예시적 구성요소들을 나타낸 블록도이다. 미국특허 제7,742,152호에 개시된 것으로부터 변형된 이 시스템(300b)은 포토닉(photonic) 디-처핑을 사용하고 RF 컴포넌트를 단순화한다. 객체(390)가 시스템(300b)의 동작을 설명하기 위해 도시되었지만, 객체(390)는 시스템(300b)의 일부가 아니다. 시스템(300b)은 파형 발생기(350), 레이저(301), 변조기(310), 변조기(310)의 다운스트림인 스플리터(302), 스캐닝 광 커플러(320)로서 사용되는 망원경, 평형 포토검출기(330) 및 프로세싱 회로(360)를 포함한다.

이 시스템에서, 광 신호 및 국부 발진기(LO)는 동일한 파형 발생기(350)에 의해 구동되고 연산 증폭기(352)에서 증폭된다. 변조기(310)에 의해 출력된 빔은 빔 스플리터(302)에 의해 빔 부분(305) 및 빔 부분(307c)으로 분리된다. 빔 에너지의 대부분을 갖는, 예를 들어, 90% 이상을 갖는 빔 부분(305)은, 광 커플러(320)를 통해 송신되어, 상술한 바와 같이, 속도 컴포넌트(394)로 이동하는 객체(390)의 노출된 부분(392)을 비춘다. 빔 부분(307c)은 딜레이(308)에서 요구된 양만큼 지연되어 기준 신호(307d)를 생성한다. 몇몇 실시예에서, 지연은 없고 딜레이(308)는 생략된다. 기준 신호(307d) 및 망원경 또는 다른 광 커플러(320)로부터의 리턴 신호(309)는 광 커플러(322)에 의해 포토검출기(330)로 보내진다. 이하에서 더 상세히 설명되는, 몇몇 실시예에서, 커플러(320)를 통한 송신 전에 송신 신호(305)의 광 경로에 주파수 시프터(318)가 추가된다. 후술되는 다른 실시예들에서, 주파수 시프터(318)는 커플러(320)를 통과 한 후의 리턴 신호(309)의 광 경로에 배치된다.

디-처핑 프로세스는 평형 포토다이오드(330) 내에서 수행되고, 따라서 디-처핑 믹싱 및 관련된 RF 프로세싱의 필요성을 제거한다. LO에 의해 반송되는 원래의 처프 광 파형은 지시된 바와 같이 포토다이오드에서 그 지연된 버전과 겹치기(beat) 때문에, 연산 증폭기(344)에 의해 출력된 광전류 신호(photocurrent signal)에 관한 FFT 컴포넌트(345)에서의 주파수 분석에 의해 타겟 거리가 직접 획득될 수 있다. 프로세서(362)는 데이터 분석을 수행하도록 프로그램밍된다. 프로세서(362)는 도플러 보상 모듈(380)을 포함하여, 후술되는 바와 같이, 도플러 효과를 감지하고 도플러 효과로 인한 거리를 보정한다. 연산 증폭기(344)에서 프로세서(362)까지의 전기 컴포넌트는 신호 처리 컴포넌트(360)를 구성한다. 쇼트 노이즈가 코히런트 검출의 주된 노이즈라고 생각하면, 비팅 주파수에서의 SNR은 시스템(300a)의 SNR 및 직접 검출의 SNR에 비해 줄어든다.

3. 도플러 효과 검출 개요(Doppler Effect Detection Overview)

도 4a는 일 실시예에 따라, 몇몇 객체들에 대해 그 객체들이 움직이는 경우, 업 처프 LIDAR 시스템(up chirp LIDAR system)의 비트 주파수 피크들을 기반으로, 거리를 보여주는 예시적 그래프(410)를 나타낸 블록도이다. 수평축(412)은 비트 주파수에 기초한 임의 단위의 거리를 나타내고, 수직축(414)은 상대 단위의 피크 전력을 나타낸다. 처프가 업 처프(시간 경과에 따라 주파수 증가)이기 때문에 주파수의 증가는 이동 시간의 증가로 변환되며 따라서 거리의 증가로 변환된다. 비트 주파수는 그 비트 주파수와 연관된 거리에 위치하고 피크의 상대 전력을 나타내는 높이를 가진 화살표로 표시된다. 세 개의 관측된 피크 414a, 414b 및 414c는 각각의 거리에서 실선 화살표로 표시된다. 에러로 인한, 마지막 피크(414c)는 아래에서 더 상세히 논의될 것이다.

첫 번째 관측 피크(414a)는 청색 편이(blue shift)라 불리는, 더 높은 주파수로의 시프트를 도입하기에 충분한 속도로 LIDAR 시스템을 향해 이동하는 제1 산란자에 기인한다. 청색 편이의 거리 효과(415)가 도시된다. 도 1a의 그래프(120)에 도시된 바와 같이, 처프가 업 처프이기 때문에, 주파수의 증가는 증가된 거리와 관련되며, 실제 위치(413a)는 추정된 거리의 좌측에 있다. 객체는 실제로, 도플러 효과가 없다면, 거리 413a에 해당할 거리에 있다. 그러나 청색 편이 거리 효과(415)나 실제 거리(413a)는 LIDAR 시스템 데이터 처리 컴포넌트에 알려지지 않는다.

대조적으로, 두 번째 관측 피크(414b)는 적색 편이(red shift)라 불리는, 더 낮은 주파수로의 시프트를 도입하기에 충분한 속도로 LIDAR 시스템에서 멀어지는 제2 산란자에 기인한다. 적색 편이의 거리 효과(416)가 도시된다. 처프가 업 처프이기 때문에, 주파수의 감소는 감소된 거리와 관련되며, 실제 위치(413b)는 추정된 거리의 오른쪽에 있다. 객체는 실제로, 도플러 효과가 없다면, 거리 413b에 해당할 거리에 있다. 그러나 적색 편이 거리 효과(416)나 실제 거리(413b)는 LIDAR 시스템 데이터 처리 요소에 알려지지 않는다.

거리에 관한 도플러 효과의 크기를 결정하는 접근법은 업 처프로 거리를 일단 결정하고, 시간에 따라 송신 광 신호의 주파수가 감소하는, 다운 처프(down chirp)를 사용하여 다시 거리를 결정하는 것이다. 다운 처프 송신 신호에 의하면, 나중에 도착할수록 더 높은 주파수가 아닌 더 낮은 주파수를 가지며 각각의 적색 편이, 또는 청색 편이는, 업 처프 송신 신호에 의하는 경우와는 반대의 효과를 가질 수 있다. 반대로 영향을 받는 두 개의 거리는, 도플러 효과를 줄이거나 제거한 거리를 결정하기 위해, 예컨대, 평균화에 의해, 결합될 수 있다. 두 거리 간의 차이는 도플러 효과의 크기를 나타낼 수 있다(예컨대, 거리 효과는 두 거리 간의 차이의 절반으로 결정될 수 있음).

도 4b는 일 실시 예에 따라, 몇몇 객체들에 대해 객체들이 움직이는 경우, 다운 처프 LIDAR 시스템의 비트 주파수 피크들을 기반으로, 거리를 보여주는 예시적 그래프(420)의 나타낸 블록도이다. 수평축(412) 및 수직축(414)은 상술한 바와 같다. 처프가 다운 처프(시간 경과에 따라 주파수 감소)이기 때문에 주파수의 감소는 이동 시간의 증가로 변환되고 따라서 거리의 증가로 변환된다. 단지 두 개의 관측된 피크 424a 및 424b가 각각의 거리에 실선 화살표로 표시되어 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 첫 번째 관측 피크(424a)는 청색 편이라 불리는, 더 높은 주파수로의 시프트를 도입하기에 충분한 속도로 LIDAR 시스템을 향해 이동하는 제1 산란자에 기인한다. 청색 편이의 거리 효과(425)가 업 처프와는 다르다; 거리 효과는 반대 방향으로 진행한다. 처프가 다운 처프이기 때문에, 주파수의 증가는 감소된 거리와 관련되고, 실제 위치(413a)는, 그래프(410)에서의 해당 거리와 같이, 추정된 거리의 우측에 있다. 위에서도 언급한 바와 같이, 제2 관측 피크(424b)는 적색 편이라 불리는, 더 낮은 주파수로의 시프트를 도입하기에 충분한 속도로 LIDAR 시스템에서 멀어지는 제2 산란자에 기인한다. 적색 편이의 거리 효과(426)는 더 먼 거리를 향한다. 객체는 실제로, 더 가깝게, 추정된 거리보다 왼쪽에 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 반대로 영향을 받은 두 개의 거리는, 도플러 효과를 줄이거나 제거한 거리를 결정하기 위해, 예컨대, 평균화에 의해, 결합될 수 있다. 도시된 바와 같이, 평균과 같은, 414a와 424a의 거리 결합은, 실제 거리(413a)에 매우 근접한 값을 제공할 수 있다. 유사하게, 평균과 같은, 414b와 424b의 거리 결합은, 실제 거리(413b)에 매우 근접한 값을 제공할 수 있다. 객체 A에 대한 거리 효과(415)의 크기(객체 A에 대한 거리 효과(425)의 크기와 동일)는 두 거리 간 차이의 절반, 예컨대, 1/2 * (414a의 거리 - 425a의 거리)로 결정될 수 있다. 유사하게, 객체 B에 대한 거리 효과(416)의 크기(객체 B에 대한 거리 효과(426)의 크기와 동일)는 두 거리 간 차이의 절반, 예컨대 1/2 * (424b의 거리 - 414b의 거리)로 결정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 업-처프/다운-처프 리턴들은 검출된 업-처프/다운-처프 피크들에 대한 거리 크기를 통합하는 방식으로 결합된다. 기본적으로, 업-처프/다운-처프 리턴에서 검출된 피크의 분포는 도플러 추정의 분산을 감소시키기 위한 노력으로 (많은 상이한 통계적 옵션들에 의해)결합된다.

이 보정은 업 처프 리턴들의 피크를 다운 처프 리턴들의 대응 피크와 페어링할 수 있다는 것에 의존한다. 이는 몇몇 상황에서 분명하다. 하지만, 본 발명자들은, 피크 414c와 같은 가짜 피크들 때문에, 어떤 피크들을 페어로 결정해야 하는지, 예컨대 도 4a의 세 개의 피크 중 어느 것을 도 4b의 두 개의 피크 각각과 페어링해야 하는지에 대해 자동으로 결정하는 방법이 항상 명확하지는 않는 점에 주목하였다. 또한, 업 처프 및 다운 처프 송신 펄스들이 시간적으로 분리된 경우에 시야 내의 클러터(clutter)나 다른 노이즈 요인들로 인한 다수의 가짜 피크들과 움직이는 객체 및 움직이는 LIDAR 시스템과 관련된 거리의 변화들은 피크들의 페어링이 어렵다는 것을 의미한다.

도 5a는 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템의 연속된(또는 순차적) 업 및 다운 처프 송신 광 신호(serial up and down chirp transmitted optical signal)의 일례를 나타낸 그래프이다. 수평축(512)은 임의의 단위로 시간을 나타낸다; 그리고, 수직축(514)은 임의의 단위로 광 송신 신호 또는 기준 신호의 주파수를 나타낸다. 지속시간 515a의 제1 펄스는 업 처프이고 지속시간 515b의 제2 펄스는 다운 처프이다. 업 처프와 다운 처프로부터 획득되는 거리 페어는 거리 및 도플러 효과에 대한 더 나은 예측을 결정하도록 결합될 수 있다. 도 2, 도 3a 또는 도 3b의 LIDAR 시스템들 중 어느 것이라도 이러한 일련의 업 및 다운 처프들로 작동될 수 있다. 대역폭 또는 펄스 지속시간, 또는 모두는 각각 특정 애플리케이션의 관심 거리 값들에 걸쳐있는 한, 업 처프 및 다운 처프 펄스들 모두에 대해 동일할 필요는 없다.

상술한 바와 같이, 순차적 거리 측정값들이 성공적으로 페어링되어 평균화될 수 있다면, 타겟의 거리 및 도플러가 순차적 측정값들의 거리를 평균화함으로써 정확하게 추정될 수 있다. 하지만, 순차적 업/다운 접근법은 측정값들 사이에 도플러 시프트가 변경되는 경우 또는 변환된 빔(예컨대, LIDAR 스캐너)이 측정값들 사이의 새로운 위치로 변환되는 경우 에러들을 초래하며 이는 측정되는 객체들에서의 변화 또는 동일한 객체들까지 실제 거리에서의 변화, 또는 상당한 조합을 초래할 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되겠지만, 업 및 다운 처프들로부터 바람직한 거리 페어를 결정하는데 사용되는 비용 매트릭스(cost matrix)를 생성하기 위해 비용 함수(cost function)가 사용된다.

몇몇 실시예에서, LIDAR 시스템은 동시적 업 및 다운 처프들을 생성하도록 변경된다. 이 접근법은 실제로 거리를 변경하거나, 빔 내의, 다른 것들 사이의, 또는 상당한 조합의 일시적 산란자들을 변경하는 객체 속도 차이들, 또는 객체와 관련된 LIDAR 위치 변경들에 의해 도입되는 가변성을 제거한다. 상기 접근법은 게다가 업 및 다운 처프들로 측정된 거리들과 도플러 시프트들이 실제로 동일하며 대단히 유용하게 결합될 수 있음을 보장한다. 도플러 방식은 주파수 공간에서 비대칭으로 시프트된 리턴 페어들을 병렬 포착하여 정확한 보상의 높은 확률을 보장한다.

도 5b는 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템의 동시적 업 및 다운 처프 송신 광 신호(simultaneous up and down chirp transmitted optical signal)의 일례를 나타낸 그래프이다. 수평축은 임의의 단위로 시간을 나타내며, 반드시 도 5a에서와 동일한 축 제한을 나타낸 것은 아니다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 축(524)의 전체 시간 범위는 축(512)의 전체 시간 범위의 절반이다. 수직축 (522)은 임의의 단위로 광 송신 신호 또는 기준 신호의 주파수를 나타낸다. 펄스의 지속시간(252a) 동안, 언제든지 두 개의 광 주파수를 포함하는 광빔이 생성된다. 한 주파수가, 예컨대, f₁에서 f₂로 증가하는 동안 동시에 다른 주파수는 f₄에서 f₃으로 감소한다. 두 개의 주파수 대역(예컨대, f₁에서 f₂까지의 대역 1과, f₃에서 f₄까지의 대역 2)이 오버랩되지 않으므로 송신 신호와 리턴 신호가 모두 통과 주파수 fp에서 시작하는 통과 대역들를 가지는, 고역 통과 필터나 저역 통과 필터, 또는 이들의 조합에 의해 광학적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, f₁ < f₂ < f_p < f₃ < f₄이고, 더 높은 주파수들이 다운 처프를 제공하고 더 낮은 주파수들이 업 처프를 제공하지만, 다른 실시예들에서는, 더 높은 주파수들이 업 처프를 생성하고 더 낮은 주파수들이 다운 처프를 생성한다.

몇몇 실시예에서, 두 개의 상이한 레이저 소스가 매 시간마다 각각의 빔에서 두 개의 상이한 광 주파수를 생성하는데 사용된다. 그러나, 몇몇 실시예에서, 단일 광 반송파는 단일 RF 처프에 의해 변조되어 동시적 업 및 다운 처프들로 작용하는 대칭적인 측파대들을 생성한다. 이 실시예들 중 일부에서, 일반적으로, 반송파 주파수에 많은 에너지를 남기지 않는 더블 사이드 밴드 마하 젠더 변조기(double sideband Mach-Zehnder modulator)가 사용된다; 대신에, 거의 모든 에너지가 측파대들로 들어간다.

도 5c는 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템의 동시적 업 및 다운 처프 전송 광 신호를 생성하도록 변조기에 의해 생성된 예시적인 1차 측파대들을 나타낸 그래프이다. 수평축(532)은 신호의 주파수를 나타내고, 수직축(534)은 신호의 전력을 나타낸다. 광 반송파 f₀가 주파수 f의 RF 신호에 의해 변조되는 경우, RF 주파수의 각각의 배수에 대해 두 개의 광 측파대(optical sideband)가 생성된다. 1차 측파대는 화살표(536a, 536b)로 표시된 광 반송파 주파수 f₀의 위 및 아래의 RF 주파수 f에 있다. 2차 측파대들은 광 반송파 f₀의 위 및 아래 2f에 생성된다. 각각의 고차 측파대는 이전의 저차 측파대와 비교하여 전력이 감소된다.

f_b에서 f_a< f_b까지, 변화하는 RF 다운 처프를 이용하여 광 처프를 생성하는 경우, 대역폭 B = (f_b-f_a)이다. 주파수(536a)의 좌측을 가리키는 화살표로 표시된 바와 같이, 상위 측파대는 f₀+f_a+B = f₀+f_b에서 f₀+f_a로 변하며, 대역(538a)에서 신호를 생성한다. 주파수(536b)에서 우측을 가리키는 화살표로 표시된 바와 같이, 하위 측파대는 f₀-f_a-B = f₀-f_b에서 f₀-f_a로 변하며, 대역(538b)에서 신호를 생성한다. 다른 실시예들에서, RF 다운 처프는 광 반송파를 변조하는데 사용되고, 주파수들(536a, 536b)은, 대역들(538a, 538b)을 통해, 각각 반대 방향, 예컨대, 밴드(538a)의 좌측에서 우측으로 그리고 밴드(538b)의 우측에서 좌측으로 움직인다. 업 처프 및 다운 처프에 의한 리턴들은 다양한 실시예들에서 다양한 방법들을 이용하여 구별된다. 몇몇 바람직한 실시예에서, 후술되는 바와 같이 주파수 시프트를 부가하여 상위 및 하위 측파대들의 대칭성을 제거함으로써 분리(separation)가 수행된다. 다른 실시예에서, 측파대들은 광학적으로 필터링되도록 충분히 넓게 분리되며, 각각의 신호들이 분할된다. 저주파 대역(538b)을 획득하기 위해, 각각의 기준 및 리턴으로부터의 신호가 f_pl에서 시작하는 저역 통과 필터를 통과하여 반송파 f₀ 및 고 대역(538a)을 걸러낸다. 유사하게, 고주파 대역(538a)을 획득하기 위해, 각각의 기준 및 리턴으로부터의 신호가 f_ph에서 시작하는 고역 통과 필터를 통과하여 반송파 f₀ 및 저 대역(538b)을 걸러낸다. 상기 두 밴드들은 상술한 바와 같이 처리되어 업 처프 거리 및 다운 처프 거리를 생성한다. 업 처프 및 다운 처프로부터의 거리들이 페어링된 후에, 도플러 효과 및 보정된 거리들이 결정된다.

측파대 대칭(sideband symmetry)의 결과로서, 동일 차수 측파대가 사용되면 두 광 처프의 대역폭은 동일하게 될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 측파대들, 예컨대, 두 개의 2차 측파대가 사용되거나, 1차 측파대 및 비 중첩 제2 측파대 사용되거나, 다른 어떤 조합이 사용된다.

도 3b는 일 실시예에 따라 동시적 업 및 다운 처프 LIDAR 시스템의 예시적 구성요소들을 나타낸다. 이 실시 예에서, 주파수 시프터(318)는 송신 빔(305)의 광 경로에 추가된다. 다른 실시예들에서, 주파수 시프터는 대신에 리턴 빔(309)의 광 경로 또는 기준 경로에 추가된다. 일반적으로, 디바이스(AOM)는 일부 손실을 가지고 수신 측 또는 광 증폭기 이후에 손실이 많은 구성요소를 두는 것은 불리하기 때문에 주파수 시프팅 요소는 국부 발진기(local oscillator)(LO, 기준 경로라고도 함) 측 또는 송신 측(광 증폭기 앞)에 추가된다. 광 시프터(318)의 목적은, 기준 신호의 주파수와 관련하여 송신 신호(또는 리턴 신호)의 주파수를 기지의 양 Δf_s만큼 시프트하여, 업 및 다운 처프들의 비트 주파수들이, 예컨대 광 검출기에 의한 전기 출력 신호 분석에서, FFT 컴포넌트(345)에 의해 픽업될 수 있는 상이한 주파수 대역에서 발생하도록 하는 것이다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b의 거리 효과(415, 425)를 초래하는 청색 편이가, 각각 f_B이라면, 업 처프의 비트 주파수는 오프셋만큼 증가하여 f_B+Δf_s에서 발생하고 다운 처프의 비트 주파수는 f_B-Δf_s까지 오프셋만큼 감소할 수 있다. 따라서, 업 처프들은 다운 처프들보다 더 높은 주파수 대역에 있게 되어, 이로써 그것들을 분리할 수 있다. Δf_s가 예상되는 도플러 효과보다 크다면, 업 처프들 및 다운 처프들과 관련된 거리들에는 모호성이 없게 될 것이다. 그러면 측정된 비트들이 정확한 부호를 가진 기지의 Δf_s 값으로 보정되어 적절한 업 처프 및 다운 처프 거리들을 얻을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 평형 검출기(balanced detector)에서 나오는 RF 신호는 FFT를 통해 분리되어 있는 대역들로 바로 디지털화된다. 몇몇 실시예에서, 평형 검출기에서 나오는 RF 신호는 아날로그 RF 전자장치로 전처리되어 바로 디지털화될 수 있는 저 대역(업 처프 또는 다운 처프에 대응)과 전자적으로 기저 대역에 다운-믹스(down-mix)되고 그리고 디지털화될 수 있는 고 대역(반대 처프에 대응)으로 분리될 수 있다. 모든 실시예들은 검출된 신호들의 대역들을 가용 디지타이저 리소스들과 매칭시키는 경로를 제공한다.

송신(TX) 및 국부 발진기(LO)의 처프 파형들을 선택하는 경우, 시스템의 주파수 시프트 대역이 가용 디지타이저 대역폭을 최대로 활용하는 것이 유리하다. 일반적으로 이는 업 처프 또는 다운 처프 중 하나를 시프트하여 거리 주파수 비트를 제로에 가깝게 함으로써 달성된다.

예를 들어, 다른 실시예에서, 송신(TX) 신호 및 기준(LO) 신호는 상이한 두 변조기의 반송파 주파수상의 상위 및 하위 측파대들을 사용하여 독립적으로 생성된다. 도 5d는 다른 실시예에 따라, 광 반송파와 관련하여 LIDAR 시스템의 동시적 업 및 다운 처프 송신 광 신호(simultaneous up and down chirp transmitted optical signal) 및 기준 신호(LO)의 일례를 나타낸 그래프이다. 수평축은 상대적인 단위로 나타낸 시간이며, 수직축은 f₀ = 0으로 표시된 광 반송파 f₀에 상대적인 주파수이다. 기준 신호(LO)는 측대파 대칭 때문에, 상기의 예들과는 달리, 다운 처프와 비교하여 업 처프에서 반대 측에 있는 오프셋 주파수 fo만큼 송신 신호(TX)에서 오프셋된다. 도시된 실시예에서, 업 처프에 대해서는 LO 신호 주파수가 동시적인 TX 신호 주파수보다 낮고 다운 처프에 대해서는 LO 신호 주파수가 동시적인 TX 신호 주파수보다 높다. 따라서, TX 업-처프 파형은 대역폭 B에 걸쳐 f에서 f+B로 처프(chirp)한다; 그리고, LO 업-처프 파형은 f-fo에서 f-fo+B로 처프한다. 다운 처프들은 0으로 표시된 광 반송파 주파수 주위에 반영된다.

이 경우, 업-처프 비트 주파수를 0에 가깝게 하기 위해, 시프트 주파수 Δf_s = fo를 선택하여 업 처프가 송신과 정렬되도록 하는 것이 타당하다. 다운 처프들은 2 * fo로 분리될 수 있다. 도 5e는 다른 실시예에 따라, 광 반송파와 관련하여 LIDAR 시스템의 시프트된 동시적 업 및 다운 처프 송신 광 신호 및 기준 신호(LO)의 일례를 나타낸 그래프이다. 수평축은 상대적인 단위로 나타낸 시간이며, 수직축은 f₀ = 0으로 표시된 광 반송파 f₀에 상대적인 주파수이다. 전체적으로 이는 0에서 2*fo까지의 f_R에 대한 업 처프 비트 주파수 대역(up-chirp beat frequency band)과 2*fo에서 (아마도 디지타이저 제한적인)시스템 컷오프 주파수까지의 f_R에 대한 오버랩핑되지 않는 다운 처프 비트 주파수 대역(down-chirp beat frequency band)을 발생시킨다. 다운 처프 비트 주파수가 너무 크다면, 큰 비트 주파수 대역에 대한 다운-믹스 스테이지(down-mix stage)는 큰 비트 주파수 밴드를 2*fo로 다운 믹싱하여 이것이 기저 대역에서 디지털화되도록 할 수 있다.

해당 기술분야에 공지된 주파수 시프터(318)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서 음향-광 변조기(acousto-optic modulator)(AOM)가 사용된다; 그리고, 다른 실시예들에서, 세라 다인 기반 위상 시프팅이 위상 변조기와 함께 사용된다.

도 6은 다른 실시예에 따라, 동시적 업 및 다운 처프 LIDAR 시스템(600)의 예시적인 구성요소들을 나타낸 블록도이다. 시스템(600)의 동작을 설명하기 위해 객체(390)가 도시되어 있지만, 객체(390)는 시스템(600)의 일부가 아니다. 아래에서 더 상세히 설명되겠지만, 시스템(600)은 제2 검출기를 추가하고 동시적 제2 처프 기준 신호 및 리턴 신호를 처리함으로써 도 3b의 시스템(300b)으로부터 변형된다. 몇몇 실시예에서, 시스템(600)은 또한 제2 레이저(601), 제2 파형 제너레이터(650) 및 연산 증폭기(652)와 변조기(610)를 추가하여 제2 동시적 처프 신호를 생성함으로써 도 3b의 시스템(300b)으로부터 변형된다. 하지만, 동시적 업 및 다운 처프들을 생성하기 위해 다수 측파대를 가진 단일 변조기가 사용되는 몇몇 실시예에서, 제 2 레이저 및 구성요소들은 생략된다.

예를 들어, 몇몇 실시예에서, 레이저(601)는 주파수 f₀의 광 반송파를 생성하고, 파형 제너레이터(650)는, 연산 증폭기(652)에 의해 증가된 전력을 가지는, f_b에서 f_a로의 RF 다운 처프를 생성하여(여기서, fa < fb), 변조기 (610)를 구동함으로써 도 5c에 도시된 광 반송파 주파수 f0 및 광 측파대들(538a, 538b)을 생성한다. 이는 도 5b에 도시된 동시적 업 및 다운 처프들을 제공하며, 여기서, f1 = (f0-fb); f2 = (f0-fa); f3 = (f0 + fa); 그리고 f4 = (f0 + fb)이고 업 및 다운 처프들은 대칭적이다. 이 실시예들에서, 레이저(301), 파형 제너레이터(350), 연산 증폭기(352) 및 변조기(310)는 생략된다.

실시예들 중 어떤 타입에서는, 빔 스플리터(602)에 입사하는 광 신호는 동시적 업 처프 및 다운 처프를 포함한다. 이 빔은 파형이 동일하나 전력이 다른 두 개의 빔으로 분할되며, 전력의 대부분, 예컨대 90% 이상을 가지며, 빔(605)으로서 스캐닝 광 커플러(320)를 통과하여 객체(390)에 충돌한다. 나머지 전력은 빔(607a)으로서 딜레이(308)로 이동하여 기준 신호(607b)를 생성하기 위해 어떤 필요한 지연이나 위상 또는 다른 특성을 부가한다. 몇몇 실시예에서, 딜레이(308)는 생략되고 기준 신호(607b)는 신호(607a)와 동일하다.

광 커플러(624)는 기준 신호를 두 개의 기준 빔으로 분할하고, 객체(390)로부터 스캐닝 광 커플러(320)를 통해 수신된 리턴 신호를 두 개의 리턴 신호로 분할하도록 구성된다. 빔들은 같거나 다른 전력의 빔들로 분할될 수 있다. 한 기준 신호와 한 리턴 신호는 저역 통과 필터(626)를 통과하여 광 반송파 및 고주파 대역을 제거한다. 저역 통과된 기준 신호 및 리턴 신호는 포토검출기(photodetector)(330)로 보내져 연산 증폭기(344)에서 증폭되고 FFT 컴포넌트(345)에서 변환되어 데이터 분석 모듈(662)에 공급되는 비트 전기 신호를 생성한다. 다른 기준 신호와 다른 리턴 신호는 고역 통과 필터(628)를 통과하여 광 캐리어 및 저주파 대역을 제거한다. 고역 통과된 기준 및 리턴 신호는 광 검출기(630)로 보내져 연산 증폭기(644a)에서 증폭되고 FFT 컴포넌트(645)에서 변환되어 데이터 분석 모듈(662)에 공급되는 비트 전기 신호를 생성한다. 도플러 보상 모듈(680)은 시스템(600)의 업 처프 및 다운 처프 경로에서의 거리들의 페어들을 매칭시키고, 도플러 효과를 결정하거나, 대응하는 도플러 효과를 기반으로 거리들을 보정하거나, 모두 수행한다. 몇몇 실시예에서, 상기 모듈(680)은 또한 도플러 효과 또는 도플러 보정된 거리 또는 상당한 조합을 기반으로 장치를 작동시킨다. 예를 들어, 디스플레이 디바이스는(1214)는 객체의 거리 또는 객체의 속도 또는 상당한 조합에 관한 포인트 클라우드(point cloud)를 생성하도록 작동된다. 구성요소들(344, 345, 644, 645, 662, 680)은 데이터 처리 시스템(660)을 구성한다. 많은 실시예들에서, 측파대들의 업 및 다운 처프들의 분리는 1GHz보다 작고, 기존의 광 필터들을 사용하여 명확히 분리될 정도로 충분히 크지 않다. 이런 실시예들에서, 위에서 설명된, 도 3b의 시스템이 도 6의 시스템 대신 사용된다.

위에서 언급된 바와 같이, 제3의 관측 피크(414c)는 자연적인 환경의 실제 시스템에서 발생할 수 있는 시스템 에러로 인한 이질적인 피크의 일례이며 실제 관심 대상 객체의 거리와는 연관이 없다. 이는 도플러 효과 또는 보정된 거리 또는 양자 모두를 결정하는 경우 어떤 업 처프 거리와 다운 처프 거리를 페어링할 지를 결정하는데 문제를 초래할 수 있다. 즉, FM 처프 파형(FM chirp waveform)(FMCW) 시스템들은 주어진 사이트 라인을 따른 모든 산란자들로부터의 리턴들을 해석하기 때문에 복잡성이 발생한다. 이 시나리오에서, 모든 도플러 처리 알고리즘은 업 처프 및 다운 처프 거리 프로파일 상의 다수의 리턴들이 보상을 위해 올바르게 페어링되도록 하는 요구사항들을 효과적으로 처리해야 한다. 단일 거리 리턴의 경우, "업(up)"에서의 피크와 "다운(down)"에서의 피크는 분리되고 올바르게 페어링될 수 있다. 혼잡 상황은, 여러 산란자에 의해, "업" 및 "아래" 측에 다수의 피크가 존재하는 경우 발생한다. 어느 피크들이 필요한 보상 효과를 얻기 위해 어느 것과 페어링되어야 하는지 결정되어야 하며, 바람직하게는 예컨대, 프로세서나 집적회로에서 자동으로 진행되도록 구현될 수 있는 방법을 사용하여 결정되어야 한다.

여기서 업 처프 거리들과 다운 처프 거리들을 자동으로 페어링하여 도플러 효과와 도플러 보정 거리를 계산하는 접근법이 설명된다. 이 접근법은 높은 확률로 올바른 업/다운 리턴 페어링들을 수행하기 위해 이분 그래프 매칭 공식(bi-partite graph matching formulation)을 사용한다. 도 7a는 일 실시에 따라, 업 처프 및 다운 처프 거리들의 예시적인 페어들을 나타낸 블록 다이어그램이다. 각 페어는 하나의 업 처프 거리와 하나의 다운 처프 거리를 포함한다. 이 다이어그램은, 예를 들어 도 4b 및 도 4a에, 각각 다운 처프 거리들(424a, 424b)과 업 처프 거리들(414a, 414b, 414c)로 도시된 바와 같이, 두 개의 다운 처프 거리와, 세 개의 업 처프 거리가 있다고 가정한다. 두 개의 다운 처프 거리들과 세 개의 업 처프 거리들의 페어링에는 여섯 가지 가능성이 있으며, 다운 처프 거리들 1 및 2를 세 개의 업 처프 거리들 1, 2 및 3과 연결하는 라인들로 표시된다..

가능한 각 페어에 대해, 비용(cost)이 결정된다. 비용은 페어 내의 두 거리들 간의 비유사성에 관한 척도이다. 어떠한 방법이라도 비유사성을 평가하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 각 페어에 대한 비용은 두 거리에 대해 검출된 거리들의 차이이다. 몇몇 실시예에서, 비용은 두 거리와 관련되는 검출된 피크 높이들의 차이이다. 몇몇 실시예에서, 비용은 두 거리와 관련되는 피크 폭들의 차이이다. 몇몇 실시예에서, 비용은 무엇보다도, 거리 차이, 피크 높이 차이 및 피크 폭 차이와 같은 개별적 비유사성들 중 둘 이상에 관한 스칼라 값 함수이다. 몇몇 실시예에서, 비용은 무엇보다도, 거리 차이, 피크 높이 차이 및 피크 폭 차이 중에서 선택된 두 개 이상의 요소를 갖는 벡터 함수이다. 비용은 기호 C_nm으로 표시되며, 여기서 m은 다운 처프 거리에 대한 인덱스를 나타내고 n은 업 처프 거리에 대한 인덱스를 나타낸다. 도 7b는 일 실시예에 따라, 도 7a에 도시된 업 처프 및 다운 처프 거리들의 예시적 페어들에 대응하는 요소들을 가진 비용 매트릭스의 일례를 나타낸 블록 다이어그램이다. 도 7b에서, 인덱스들은 뒤바뀌어, 다운 처프 인덱스를 먼저 나타낸다(C_mn).

업 처프 거리 프로파일들로부터의 거리 리턴들 R_j _up의 세트(S_up) 및 다운 처프 거리 프로파일들로부터의 거리 리턴들 R_j _down의 세트(S_down)는 식 1b를 사용하여 결정되고 피크들의 주파수들은 포토검출기들의 전기적 출력의 FFT 스펙트럼에 관한 표준 임계값 및 피크 피팅 절차(예컨대, 피크의 높이 및 폭을 기반으로 한 피크 찾기)를 통해 선택된다.

(3a)

그리고,

(3b)

N은 "up" 피크들이고 M은 "down" 피크들이다. 그러면 두 세트의 거리 프로파일은 각각의 매트릭스 요소가 페어 C_nm = F(R_n,up, R_m,down)의 함수인 비용 매트릭스 C를 정의하는데 사용된다. 고정된 장면들(장면과 관련된 부동의 이미저)에 대한 우수한 비용 함수는 단순히 페어링에 대한 도플러 효과의 크기이다.

=

이며 여기서 |.|는 절대값 연산이다. 일반적인 접근법은 비용 함수의 유연한 정의를 허용한다. 예를 들어, 비용은 피크 세트의 강도, 보상되지 않은 거리, (모바일 스캐닝을 위한)이미징 공간에서의 이미저 모션(imager motion)과 같은 외부 정보, 또는 이들의 조합과 같은 다른 파라미터들을 포함할 수 있다.

일단 비용 매트릭스 C가 정의되면, 접근법은 이분 그래프 매칭 절차로 진행한다. 이 절차는 종종 페어링들을 제한하여 주어진 업 처프 거리가 오직 단일의 다운 처프 거리와 페어링되도록 할 수 있으며, 반대의 경우도 마찬가지이다. 매칭된 페어들을 연결하는 선들이 교차하지 않을 것과 같이, 다른 제약들이 부과될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 매칭 프로세스는 알고리즘이 항상 더 이상의 페어링이 존재하지 않을 때까지 세트로부터, 최소 비용 페어링, 최소(Cmn)을 선택하는 그리디 방식(greedy manner)으로 진행한다. 변형적으로, 모든 페어들에 대해 평균화된 최적의 "최저 비용" 페어링 세트를 생성하도록 헝가리언 이분 그래프 매칭 알고리즘(Hungarian bi-partite graph matching algorithm)(예컨대, Munkres, 1957 참조)이 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 그래프 매칭 방법들이 사용된다. 관측된 실제 시나리오들에 의해, 그리디 접근법(greedy approach)은 더 빠르면서도 의도된 목적을 위해 충분하다는 것이 알려졌다. 이 방법은 이것이 일 측의 피크를 타 측 피크의 최대값과 페어링되도록 제한하기 때문에 선택되었다. 일 측의 피크가 타 측의 두 피크와 페어링되는 것은 비물리적이거나 혼란한 시나리오를 암시하기 때문에 이는 페어링 절차에 관한 가장 "물리적인" 해석이다. 분명히 다른 매칭 절차들(검토되었으나 실험적 실시예들에서 성능이 좋지 않음)이 있다. 예를 들어, "거리 순서화(range ordered)" 접근법은 거리에 따라 업 및 다운 리턴들을 분류하고 순차적으로 그들을 (가장 가까운 것부터 가장 먼 것까지)페어링한다. 일 측이 "피크들을 다 써버린" 경우 타 측의 여분의 피크들은 버려진다. 이는 근소한 도플러 시프트를 갖는 가까운 피크들에 관한 일반적인 시나리오에서 실패한다. 유사하게 "진폭 순서화(amplitude ordered)"는 진폭에 따라 피크들을 분류하고 그들을 진폭의 내림차순으로 페어링한다. 이 방법은 코히어런트 검출에서의 스펙클 효과(speckle effects)가 검출된 피크들의 진폭에 큰 변동을 유발하기 때문에 잘 작동하지 않는다. 이는 많은 부정확한 페어링들을 초래한다. 비용 매트릭스 접근법은 옵션들을 고려하고 옵션 세트를 전역적으로 최소화하는 가장 일반적인 방법인 것으로 보인다. 도 7a에서, 실선으로 표시된, 두 개의 저 비용 페어가 결정되었다. 따라서 하나의 업 처프 거리(3)는 두 개의 다운 처프 거리 중 어느 것과도 페어링되지 않는 다.

도 8은 일 실시예에 따라, 거리에 관한 도플러 효과를 보상하기 위해 업 및 다운 처프 LIDAR 시스템(up and down chirp LIDAR system)을 사용하는 방법의 일례를 나타낸 흐름도이다. 도 8에는 설명을 목적으로 특정 순서의 통합적 단계들로서 단계들이 도시되어 있지만, 다른 실시예들에서, 하나 이상의 단계들, 또는 그 부분들은, 상이한 순서로, 또는 시간적으로 중복되어, 또는 연속적이거나 병렬적으로 수행되거나, 또는 생략되거나, 또는 하나 이상의 추가 단계가 더해지거나, 상기 방법이 몇몇 방식의 조합으로 변경된다.

단계(801)에서, 트랜시버, 예컨대, LIDAR 시스템은, 업 및 다운 처프 광 신호들을 송신하도록 구성된다. 업 처프 및 다운 처프 신호들 각각의 일부(예컨대, 1% 내지 10%)는 또한 기준 광 경로로 보내진다. 트랜시버는 또한 송신 신호에 노출된 어떤 외부 객체로부터 후방산란된 광 신호를 수신하도록 구성된다. 다른 실시 예들에서 업 처프 및 다운 처프 신호들은 동시에 송신된다. 몇몇 실시예에서, 단계(801)는 예를 들어 도 3a 또는 도 3b 또는 도 6 또는 균등물에 나타난 바와 같이 다음의 단계들 중 하나 이상의 기능을 제공하기 위해 하드웨어에 다른 광학 구성요소들을 구성하는 단계를 포함한다. 유의할 점은 송신 신호는 빔일 필요가 없다는 것이다. 발산 신호는 단일 거리 프로파일 내에서 많은 상이한 거리들과 도플러 값들을 확실히 볼 수 있다; 그러나, 노출된 스폿 내에서 교차 거리 분해능(cross range resolution)를 제공하지 않습니다. 하지만, 객체를 식별하는데 유용한 교차 거리 분해능을 제공하기 위해 점 대 점 스캐닝(point by point scanning)과 함께 따라오는 고유의 희소성(sparsity)을 제공하는 좁은 빔(narrow beam)을 사용하는 것이 유리하다.

몇몇 실시예에서, 업 처프 광 신호는 다운 처프와 대칭이며, 즉, 이들은 동일한 대역폭, B를 가지고, 이들은 동일한 지속시간, τ를 가진다. 그러나 거리는 관심있는 리턴들에 걸친 대역폭과 지속시간으로 결정될 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 업 처프 광 신호들 및 다운 처프 광 신호들은, 각각 상이한 대역폭들 Bu 및 Bd, 또는 각각 상이한 지속시간 τu 및 τd, 또는 적당한 조합을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어, 도 5c에 도시된 바와 같이, 포지티브 및 네거티브 1차 측파대들보다는, 광 반송파의 1차 측파대 및 2차 측파대를 사용하여 B 및 τ에 대해 다소 다른 값을 생성하는 것이 편리하다. 이는 수행될 수 있지만 도플러 처리에서 고려되어야 한다. 아래에 설명되는 예시적인 실시예들에서, 정확히 동일한 대역폭 및 타이밍을 갖는 동일한 변조기로부터 처프들이 나온다. 이는 도플러와 시스템이 관측하는 거리가 완전히 오버랩되는 것을 보장한다. (외부의 전자적 변조를 사용하는 것과 비교하여)레이저 주파수를 직접 변조하는 시스템의 경우 상인한 B와 τ가 사용된다. 이 경우 도 6에 도시된 바와 같이, 두 개의 레이저 또는 연속적 접근법은 업 처프 및 다운 처프를 발생시키는데 유용하다. 이는 두 개의 레이저 또는 연속적 처프에 대해 상이한 B와 τ로의 문을 연다.

단계(802)에서 송신 신호는 객체 또는 객체의 일부가, 있을 수도 있고, 없을 수도 있는 장면(scene) 내의 스폿(spot)으로 보내진다.

단계(803)에서, 리턴된 업 처프 리턴 신호는 다운 처프 리턴 신호로부터 분리된다. 예를 들어, 업 처프와 다운 처프는 상이한 광 주파수 대역에 있고 분리는 리턴 신호를 두 개의 카피로 분할하고 각각을 상이한 광 필터를 통과시키는 리턴 경로에 의해 달성된다. 한 필터(예컨대, 광 필터(626))는 다운 처프의 주파수들을 차단하면서 업 처프의 주파수들을 통과시킨다; 그리고, 다른 필터(예컨대, 광 필터 (628))는 다운 처프의 주파수들을 통과시키면서 업 처프의 주파수들을 차단한다. 업 처프와 다운 처프가 순차적으로 전송되는 경우, 분리는 광 필터를 통과시킴으로써가 아니라 다른 시간 창에서 신호를 처리함으로써 이루어지며, 모든 처프들은 동일한 주파수 대역을 사용한다.

단계(805)에서, 분리된 업 처프 리턴은 제1 검출기에서 업 처프 기준 신호와 결합되어 제로 이상의 주파수 차이(또는 결과적인 비트 주파수)를 결정한다. 예를 들어, 검출기로부터의 전기 신호는 하드웨어의 FFT 모듈 또는 프로그램밍 가능한 프로세서의 소프트웨어에 의해 동작된다. 업 처프 신호 및 다운 처프 신호가 동시에 송신되는 경우, 그때 리턴 신호의 업 처프 및 다운 처프 부분들은 상술한 하나 이상의 방법 및 시스템, 예컨대, 도 3b에서와 같이 기준 신호와 관련된 송신 또는 리턴 신호의 주파수 시프트, 또는 도 6에서와 같이 광 필터링을 사용하여 분리된다.

단계(807)에서, 하나 이상의 업 처프 거리, R_1up,… R_Nup은, 예컨대, 프로세서(662)에서 식 1b 또는 균등물을 사용하여, 하나 이상의 업 처프 주파수 차이들(비트 주파수들)을 기반으로 결정된다. 또한, 하나 이상의 다운 처프 거리, R_1down,… R_Mdown은, 예컨대, 프로세서(662)에서 식 1b 또는 균등물을 사용하여, 하나 이상의 다운 처프 주파수 차이들(비트 주파수들)을 기반으로 결정된다. 업 처프 비트 주파수를 갖지 않거나 다운 처프 비트 주파수를 갖지 않는 리턴들을 단계(807)에서 버려진다. 단계(807)의 결과로서, 장면 내의 어떤 스폿을 비추는 각각의 송신 신호에 대해 식 3a 및 3b에 표현된 바와 같이, 세트들 S_up 및 S_down가 생성된다.

단계(811)에서, 거리의 차이, 피크 높이의 차이, 피크 폭의 차이, 또는 어떤 다른 비트 주파수 피크 특성의 차이, 또는 적당한 스칼라 또는 벡터 조합과 같이, 위에서 식별된 비유사성에 관한 척도들 중 일부를 사용하여, 비용 매트릭스의 요소들에 대한 값들이 결정된다. 몇몇 실시예에서, 각각의 거리 페어에 대한 비용(cost)은 이 척도들 중 몇몇에 관한 스칼라 가중 함수(scalar weighted function), 예컨대, 거리 차이에 최고 가중치(예컨대, 약 60%)를 주고, 피크 높이의 차이에 적당한 가중치(예컨대, 약 30%)주고, 피크 폭 차이에 낮은 가중치(예컨대, 약 10%)를 주는 스칼라 가중 함수이다. 몇몇 실시예에서, 비용 매트릭스의 각 요소에 바이어스 항(bias term)이 부가되며, 이는 이미징 시스템(imaging system)의 움직임 및 그것이 지시되는 방향을 설명한다. 이는 이미징 시스템이 고정된 물체를 목표로 하나 그 자체가 움직이는 경우에 0이 아닌, 부호를 가진 도플러 값이 예상 예상되는 모바일 이미징에 대한 실시예에서 유리하다. 다른 실시예들에서, 객체가 움직이거나 객체와 이미징이 모두 움직이면 객체의 상대적인 움직임과 트랙킹을 기반으로 바이어스 항들을 부가하는 것이 유리하다. 보정의 크기는 이미징 시스템과 타겟을 연결하는 라인, 소위 방사 방향 상의 속도 요소에만 의존한다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 바이어스는 센서의 움직임과 관련된 빔 포인팅의 방향에 의존한다. 유의할 점은 이미징 시스템 자체가 상대 속도를 추정하는데 사용될 수 있다는 것이다. 비용 매트릭스에는 두 세트의 모든 거리 페어에 대한 값을 포함하며, 각각의 거리 페어는 하나의 업 처프 거리 및 하나의 다운 처프 거리를 포함한다.

단계(813)에서, 적어도 하나의 업 처프 거리는, 예를 들어, 이분 그래프 매칭 알고리즘을 사용하여, 비용 매트릭스를 기반으로 적어도 하나의 다운 처프 거리와 매칭된다. 그리디 매칭(greedy matching)은 구현이 간단하고, 작동이 빠르고, 도플러 보정 목적을 위해 우수한 자동 매칭을 수행하기에 충분하다는 이점들을 제공하는 것으로 알려졌다. 이러한 접근법은, 예를 들어, 아래에서 설명되는 도 9b 및 도 9c에 도시된 바와 같이, 상위 및 하위 측에서 가장 밝은 피크들을 순차적으로 페어링하거나 항상 거리의 가장 가까운 피크들을 페어링하고 바깥쪽으로 진행하는 것과 같은 단순 접근법들보다 도플러 보상이 개선된 이미지를 생성한다.

단계(815)에서, 페어 내의 거리들을 차분함으로써 스폿에서 노출된 적어도 하나의 객체 또는 객체의 부분에 대해 해당 스폿에서의 도플러 효과를 결정하기 위해 현재의 노출된 스폿에 대한 적어도 하나의 매칭된 페어가 사용된다. 몇몇 실시예에서, 도플러 보정된 거리는, 예컨대, 평균에 의해 페어 내의 두 개의 거리를 결합하는 것을 기반으로 결정된다. 몇몇 실시예에서, 업 처프 거리 또는 다운 처프 거리 중 하나가 더 신뢰성 있는 것으로 여겨지는 경우, 가중 평균(weighted average)이 사용된다. 하나의 거리가 더 신뢰할 수 있는 것으로 여겨질 수 있으며, 그 이유는, 예를 들어 그것이 더 넓은 대역폭 또는 더 긴 지속시간을 기반으로 하기 때문이다. 몇몇 실시예에서, 신뢰도에 관한 척도가 거리에 가중시키는데 사용되어 더 신뢰성 있는 거리에 더 많은 가중치를 부여한다. 몇몇 매칭된 거리들이 현재 노출된 스폿에 사용 가능하다면, 해당 스팟에 대한 여러 거리 또는 여러 도플러 효과를 찾는데 모든 매칭된 페어들이 사용된다.

단계(821)에서, 예컨대, 스캐닝 광 커플러(320)를 스캐닝하여 관심 대상 장면에 새로운 스폿을 조사함으로써, 관심 대상 장면에 조명할 다른 스폿이 있는지가 결정된다. 만약 그렇다면, 제어는 단계(802) 및 이하의 단계들로 되돌아가 다음 스폿을 비추고 해당 리턴들을 처리한다. 만약 그렇지 않다면, 그때는 결과들이 사용되기 전에 조명할 다른 스폿들이 없는 것이며, 제어는 단계(823)로 넘어간다.

단계(823)에서, 디바이스는 도플러 효과 또는 보정된 거리를 기반으로 작동된다. 몇몇 실시예에서, 이는 송신 광 신호에 노출된 복수의 스폿들에서 어떤 객체의 도플러 보정된 위치를 나타내는 이미지를 디스플레이 디바이스로 제공하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 이는 송신 된 광 신호에 노출된 복수의 스폿들에서 도플러 보정된 위치들의 포인트 클라우드를 기반으로 적어도 하나의 객체를 식별하는 데이터를 디바이스에 전달하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 이는 송신 광 신호에 노출된 복수의 스폿들에서 도플러 효과의 크기를 나타내는 이미지를 디스플레이 디바이스로 제공함으로써, 움직이는 객체들이 정지된 객체들 및 부재된 객체들과 구별되도록 하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 이는 객체와의 충돌을 피하기 위해 차량을 이동시키는 단계를 포함하며, 여기서 차량과 물체 사이의 접근 속도(closing speed)는 송신 광 신호에 노출된 복수의 지점에서의 도플러 효과의 크기를 기반으로 결정된다. 몇몇 실시예에서, 이는 송신 광 신호에 노출된 복수의 스폿들에서 도플러 보정된 위치들에 관한 포인트 클라우드를 기반으로 차량을 식별하거나, 충돌 경로에서 객체를 식별하는 단계를 포함한다. 도플러를 기반으로 포인트 클라우드 데이터를 필터링하는 것은 미풍에 움직이는 식물을 식별하고 제거하는 효과가 있다. 그때 단단한 타겟들, 인공의 타겟들, 또는 조밀한 타겟들은 필터링 프로세스에 의해 더 잘 드러난다. 이는 방위 및 감시 시나리오들에서 유리할 수 있다. 차량 시나리오에서, 도플러는 타겟들(즉, 노면 대 이동 차량)을 분할하는데 사용될 수 있다.`

4. 예시적인 실시예들

이러한 예시적인 실시예들에서, LIDAR 시스템은 동시적 업 및 다운 처프 송신 신호들을 생성하기 위해 상술한 구성요소들을 사용하였다. 이 시스템은 Bozeman Montana의 BLACKMORE SENSORS AND ANALYTICS, INC.^TM에서 HRS-3D로 상업적으로 구입할 수 있다. 이러한 예시적인 실시 예들에서, 그리디 매칭(greedy matching)이 사용되었다. 첫 매칭은 최저 비용(cost)을 갖는 것이다. 그 다음 해당 페어는 제거되고 그 다음으로 가장 낮은 비용을 갖는 페어가 사용된다.

도 9a 내지 도 9c는 실시예들에 따라, 도플러 보정된 거리들 및 무보정 거리들에 대한 개선을 기반으로 한 디스플레이 디바이스 출력의 일례를 나타낸 이미지들이다. 도 9a의 이미지는 광시야각(FOV), 3차원(3D) FM 처프 파형(FMCW) LIDAR 시스템을 사용하여 수집되었다. 이 장면은 B = 2 기가헤르쯔(GHz, 1 GHz = 10⁹ 헤르츠)의 광 대역폭 파형으로 이미징되었다. 이미지의 어두운 픽셀들은 리턴이 없음을 나타내며, 흰색 픽셀들은 무시할 수 있는 도플러 효과(업 처프 거리 및 다운 처프 거리 동일)가 있는 안정된 리턴을 나타낸다. 회색 영역들은 도플러 크기에 대해 이진 필터를 사용하여 무시할 수 없는 도플러 효과가 있는 픽셀을 나타낸다. 회색 픽셀들은 식물의 움직임에 민감도를 나타낸다. 이미지는 식물을 단단한 타겟들과 명확히 구별한다. 후처리로 단단한 타겟 표면에 원치않는 강도의 스펙클(speckle)을 제거했다. 예시적인 실시예에서, 임계값은 경험적으로 선택되었다. 다른 실시예들에서, 몇몇 임계값들은 결과의 양호함에 관한 적당한 척도로 선택된다; 그리고 최상의 결과를 제공하는 임계값이 선택된다.

도 9b의 이미지는 도 9a와 동일한 구성을 사용하여 수집되었으나, 사후 검출기 프로세싱에서 도플러 보상을 수행하지 않았다. 도 9c의 이미지는 동일한 LIDAR 시스템으로 수집되었으나, 도 8의 방법을 사용하여 도플러 보정을 수행하였다. 도시된 바와 같이 나무들에서 잎의 움직임에 의해 야기되는 흐려짐(blurring)이 도 9c에서 크게 감소하여, 더 많은 개별 가지들과 잎들이 구분될 수 있도록 한다.

다른 테스트는 10Hz 프레임 속도에서 프레임당 10,000개의 데이터 포인트의 포인트 클라우드를 생성하는 빠른 프레임 속도, 좁은 시야각의 이미저로 실행되었다. 시험 사람이 센서의 시야에서 앞뒤로 뛰었다. 각각 사람 이미지는 시계열적인 수백 개의 3D 이미징 프레임들에서 잘라낸다(동일한 3D 방향의 관점에서 잘라냄).

도 10a는 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템에 접근하는 타겟에 대한 도플러 보정된 거리를 기반으로 한 디스플레이 디바이스 출력의 일례를 나타낸 세 개의 이미지들의 세트이다. 이러한 움직이는 사람의 경우에, 각각의 도트는 객체 상의 스폿까지 거리를 기반으로 3D 공간에서의 투시도를 나타낸다. 도트들은 LIDAR 시스템과 관련하여 움직임 없음에 대한 라이트(light)에서 초당 3.5미터(3.5 m/s)의 접근 속도에 대한 블랙에 이르는 그레이 스케일(grey scale)로 표시되어 있다. 흰색 픽셀들은 리턴이 없음을 나타낸다. 세 개의 다른 이미지들이 겹쳐진다. 이미지(1012)는 거의 정지된 표면상의 거의 정지된 사람을 명확히 나타낸다. 이미지(1013)는 일부 움직이는 부분들과 거의 정지된 부분들이 있는 사람을 명확히 나타낸다. 몸체와 앞쪽 다리는 거의 정지된 것처럼 보이는 반면, 뒤쪽 다리와 앞쪽 팔은 모두 명확히 LIDAR 시스템을 향해 더 빠르게 움직이고 있는바, 걷는 보행으로 예상할 수 있다. 이미지(1014)는 명확히 빠르게 움직이는 사람을 나타낸다. 달리기 보행과 일치되게, 몸체와 앞쪽 다리의 속도는 후행하는 다리의 속도보다 높다. 상대적인 움직임은 도시된 그레이 스케일보다 컬러 스케일에서 더욱 분명하다. 더욱이, 사람의 다른 속도 부분들은 그들의 정확한 상대 위치들에서 벗어나지 않는다.

도 10b는 일 실시예에 따라, LIDAR 시스템으로부터 멀어지는 타겟에 대한 도플러 보정된 거리들을 기반으로 한 디스플레이 디바이스 출력의 일례를 나타낸 세 개의 이미지들의 세트이다. 이러한 움직이는 사람의 경우에, 각각의 도트는 객체 상의 스폿까지 거리를 기반으로 3D 공간에서의 투시도를 나타낸다. 도트들은 LIDAR 시스템과 관련하여 움직임 없음에 대한 라이트(light)에서 3.5m/s의 개방 속도(opening speed)에 대한 블랙에 이르는 그레이 스케일로 표시되어 있다. 흰색 픽셀들은 리턴이 없음을 나타낸다. 세 개의 다른 이미지들이 겹쳐진다.

이미지(1022)는 약 -2 m/s의 중간 속도로 멀리 이동하는 사람을 명확히 나타낸다. 이미지(1023)는 달리는 보행과 일치되는 다소 더 느린 플랜트 다리(plant leg)를 가지며, 약 -3 m/s의 더 빠른 속도로 멀리 움직이는 사람을 명확히 나타낸다. 이미지(1024)는 달리기 후 멈추는 것과 일치되는, 올린 다리보다 다소 더 느린 플랜트 다리와 몸체를 가지며, -2 m/s의 감소된 속도로 멀리 움직이는 사람을 명확하게 나타낸다. 상대적인 움직임은 도시된 그레이 스케일보다 컬러 스케일에서 더욱 분명하다. 위와 같이, 사람의 다른 속도 부분들은 그들의 정확한 상대 위치들에서 벗어나지 않는다.

따라서 시스템은 보정된 거리들로 사람 형상의 모든 픽셀을 올바르게 배치 할뿐만 아니라, 도플러 효과를 기반으로 형상의 움직임을 확인한다.

다른 실시예에서, 시스템은 흔들리는 식물을 보정하는데 사용된다. 콜리메이트 레이저 빔(collimated laser beam)이 머리 위 나무들을 통해 스캐닝된다. 특히 약간의 미풍 또는 바람의 존재에 의해, 도플러 값들을 가진 다수 리턴을 얻을 확률이 매우 높다. 이러한 식물은 주어진 시선을 따라 가까운 거리로 분리된 조밀한 산란자들를 제공한다. 바람 자체가 식물에서 도플러 시프트를 유발하며, 따라서 식물의 이미징을 더욱 어렵게 한다. 도 11은 일 실시예에 따라, 고해상도에서 도플러 보정된 거리들을 기반으로 한 디스플레이 디바이스 출력의 일례를 나타낸 이미지이다. 이 이미지가 나타내는 바와 같이, 상술한 기술로 매우 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 이는 본 기술이 상기 시나리오들에서 매우 사실적인 이미지를 제공하는 데 효과적이라는 강력한 증거를 제공한다.

5. 연산 하드웨어 개요

도 12는 본 발명의 일 실시예가 구현될 수 있는 컴퓨터 시스템(1200)을 나타내는 블록도이다. 컴퓨터 시스템(1200)은 컴퓨터 시스템(1200)의 다른 내부 및 외부 구성요소 간에 정보를 전달하기 위한 버스(1210)와 같은 통신 메커니즘을 포함한다. 정보는 측정 가능한 현상, 전형적으로는 전압의 물리적 신호로 표현되지만, 다른 실시예에서는 자력, 전자기, 압력, 화학, 분자 원자 및 양자 상호 작용과 같은 현상을 포함한다. 예를 들어, 북 및 남 자기장, 또는 0과 0이 아닌 전압은, 2 진수(비트)의 두 가지 상태(0, 1)를 나타낸다. 다른 현상은 더 높은 베이스의 숫자를 나타낼 수 있다. 측정 전에 여러 개의 동시 양자 상태의 중첩은 양자 비트(큐비트)를 나타낸다. 하나 이상의 숫자들 시퀀스는 숫자 또는 문자에 대한 코드를 나타내는데 사용되는 디지털 데이터를 구성한다. 일부 실시예에서, 아날로그 데이터라 불리는 정보는 특정 범위 내의 측정 가능한 값의 거의 연속으로 표시된다. 컴퓨터 시스템(1200), 또는 그 일부는, 여기에 설명된 하나 이상의 방법 중 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 수단을 구성한다.

이진 숫자 시퀀스는 숫자 또는 문자에 대한 코드를 나타내는데 사용되는 디지털 데이터를 구성한다. 버스(1210)는 정보가 버스(1210)에 연결된 장치들 사이에 빠르게 전송될 수 있도록 다수의 병렬 정보 컨턱터일 수 있다. 정보를 처리하기 위한 하나 이상의 프로세서들(1202)이 버스(1210)와 결합된다. 프로세서(1202)는 정보에 대한 동작 집합을 수행한다. 동작 집합은 버스(1210)로부터 정보를 가져와서 버스(1210) 상에 정보를 배치하는 것을 포함한다. 동작 세트는 또한 통상적으로 두 개 이상의 정보 단위를 비교하는 것, 정보 단위의 위치를 이동하는 것 및 두 개 이상의 정보 단위의 결합, 예를 들어 가산 또는 곱셈을 포함한다. 프로세서(1202)에 의해 실행되는 일련의 동작은 컴퓨터 명령을 구성한다.

컴퓨터 시스템(1200)은 또한 버스(1210)에 연결된 메모리(1204)를 포함한다. 랜덤 액세스 메모리(RAM) 또는 다른 동적 저장 장치와 같은 메모리(1204)는 컴퓨터 명령을 포함하는 정보를 저장한다. 동적 메모리는 그 안에 저장된 정보가 컴퓨터 시스템(1200)에 의해 변경되도록 한다. RAM은 메모리 어드레스로 불리는 위치에 저장된 정보 단위가 인접한 어드레스의 정보와 독립적으로 저장되고 검색될 수 있게 한다. 메모리(1204)는 또한 프로세서(1202)에 의해 사용되어 컴퓨터 명령의 실행 중에 임시 값을 저장한다. 컴퓨터 시스템(1200)은 또한 컴퓨터 시스템(1200)에 의해 변경되지 않는, 명령들을 포함하는, 정적 정보를 저장하기 위해 버스(1210)에 결합된 판독 전용 메모리(ROM:Read Only Memory)(1206) 또는 다른 정적 저장 장치를 포함한다. 버스(1210)에 연결되, 컴퓨터 시스템(1200)이 턴 오프되거나 그렇지 않으면 전력이 손실되는 경우에도 지속되는, 명령을 포함하는 정보를 저장하기 위한, 자기 디스크 또는 광 디스크와 같은 휘발성(영구) 저장 장치(1208)를 포함할 수 있다.

명령들을 포함하는 정보는, 인간 사용자에 의해 조작되는 영숫자 키를 포함하는 키보드, 또는 센서와 같은, 외부 입력 장치(1212)로부터 프로세서에 의해 사용하기 위해 버스(1210)에 제공된다. 센서는 그 부근의 상태를 검출하고 이러한 검출들을 컴퓨터 시스템(1200)에서 정보를 나타내는데 사용되는 신호와 호환 가능한 신호로 변환한다. 주로 인간과 상호 작용하기 위해 사용되는 버스(1210)에 결합 된 다른 외부 장치는, 이미지를 제공하기 위한 CRT(Cathode Ray Tube) 또는 액정 디스플레이(LCD)와 같은 디스플레이 장치(1214)를 포함하고, 디스플레이(1214)에 표현되는 작은 커서 이미지의 위치를 제어하고 디스플레이(1214)에 표현되는 그래픽 요소들에 연관된 명령을 발행하기 위한, 마우스 또는 트랙볼 또는 커서 방향 키와 같은 포인팅 장치(1216)을 포함한다.

도시된 실시예에서, 주문형 집적 회로(IC)(1220)와 같은 특수 목적 하드웨어는 버스(1210)에 결합된다. 특수 목적 하드웨어는 특별한 목적을 위해 프로세서(1202)에 의해 신속하게 수행되지 않는 동작을 충분히 빠르게 수행하도록 구성된다. 애플리케이션 특정 IC의 예는, 디스플레이(1214)를 위한 이미지를 생성하기 위한 그래픽 가속기 카드, 네트워크를 통해 전송된 메시지를 암호화 및 암호 해독하기 위한 암호화 보드, 음성 인식, 및 하드웨어에 더 효율적으로 구현된 일부 복잡한 일련의 동작을 반복적으로 수행하는 로봇 암 및 의료 스캐닝 장비와 같은 특별한 외부 장치들과의 인터페이스를 포함한다.

컴퓨터 시스템(1200)은 또한 버스(1210)에 연결된 통신 인터페이스(1270)의 하나 이상의 인스턴스를 포함한다. 통신 인터페이스(1270)는 프린터, 스캐너 및 외부 디스크와 같은 자신의 프로세서로 동작하는 다양한 외부 장치에 양방향 통신 커플링을 제공한다 . 일반적으로, 커플링은 자신의 프로세서를 갖는 다양한 외부 장치가 접속되는 로컬 네트워크(1280)에 접속되는 네트워크 링크(1278)와 관련된다. 예를 들어, 통신 인터페이스(1270)는 개인용 컴퓨터상의 병렬 포트 또는 직렬 포트 또는 USB(universal serial bus) 포트일 수 있다. 일부 실시예에서, 통신 인터페이스(1270)는 ISDN(Integrated Services Digital Network) 카드 또는 디지털 가입자 회선(DSL) 카드 또는 대응하는 유형의 전화선에 정보 통신 접속을 제공하는 전화 모뎀이다. 일부 실시예에서, 통신 인터페이스(1270)는 버스(1210) 상의 신호를 동축 케이블을 통한 통신 연결을 위한 신호 또는 광섬유 케이블을 통한 통신 연결을위한 광 신호로 변환하는 케이블 모뎀이다. 또 다른 예로서, 통신 인터페이스(1270)는 이더넷과 같은 호환 가능한 LAN에 데이터 통신 접속을 제공하는 근거리 통신망(LAN) 카드일 수 있다. 무선 링크가 구현될 수도 있다. 라디오, 광 및 적외선 파를 포함하는, 음파 및 전자기파와 같은 반송파는, 와이어 또는 케이블 없이 공간을 통과한다. 신호에는 진폭, 주파수, 위상, 편광 또는 반송파의 다른 특성에서 사람이 만든 변동을 포함한다. 무선 링크의 경우, 통신 인터페이스(1270)는 디지털 데이터와 같은 정보 스트림을 운반하는 적외선 및 광 신호를 포함하는, 전기, 음향 또는 전자기 신호를 송수신한다.

컴퓨터 판독 가능 매체라는 용어는 본 명세서에서 실행을 위한 명령을 포함하여 프로세서(1202)에 정보를 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭하는데 사용된다. 이러한 매체는 비휘발성 매체, 휘발성 매체 및 전송 매체를 포함하는 많은 형태를 취할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 비휘발송 매체는, 예를 들어 저장 장치(1208)와 같은, 광 또는 마그네틱 디스크를 포함한다. 휘발성 매체는 예를 들어 동적 메모리(1204)를 포함한다. 전송 매체는 예를 들어 동축 케이블, 구리선, 광섬유 케이블, 및 라디오, 광 및 적외선 파를 포함하는, 음파 및 전자기파와 같은, 유선 또는 케이블 없이 공간을 통과하는 파를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체라는 용어는 전송 매체를 제외하고, 프로세서(1202)에 정보를 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭하기 위해 여기에서 사용된다.

컴퓨터 판독 가능 매체의 일반적인 형태는, 예를 들어 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 또는 임의의 다른 자기 매체, 콤팩트 디스크 ROM(CD-ROM), 디지털 비디오 디스크(DVD) 또는 다른 광 매체, 펀치 카드, 종이 테이프, 또는 홀 패턴을 갖는 임의의 다른 물리적 매체, RAM, 프로그램 가능 ROM(PROM), 소거 가능 PROM(EPROM), FLASH-EPROM, 또는 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 반송파, 또는 컴퓨터가 읽을 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다. 용어 "비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체"는 캐리어 웨이브 및 다른 신호를 제외하고, 프로세서(1202)에 정보를 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다.

하나 이상의 유형의 매체에서 인코딩된 로직은 컴퓨터 판독 가능 저장 매체상의 프로세서 명령들 및 ASIC (1220)과 같은 특수 목적 하드웨어 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다.

네트워크 링크(1278)는 일반적으로 하나 이상의 네트워크를 통해 정보를 사용하거나 처리하는 다른 장치로 정보 통신을 제공한다. 예를 들어, 네트워크 링크(1278)는 로컬 네트워크(1280)를 통해 호스트 컴퓨터(1282) 또는 인터넷 서비스 제공자(ISP)에 의해 운영되는 장비(1284)에 접속을 제공할 수 있다. ISP 장비(1284)는 현재 일반적으로 인터넷(1190)으로 지칭되는 네트워크의 공개적이고 전세계적인 패킷 교환 통신 네트워크를 통해 데이터 통신 서비스를 제공한다. 인터넷에 접속된 서버(1192)로 불리는 컴퓨터는 인터넷을 통해 수신된 정보에 응답하여 서비스를 제공한다. 예를 들어, 서버(1192)는 디스플레이(1214)에서의 프리젠테이션을 위한 비디오 데이터를 나타내는 정보를 제공한다.

본 발명은 여기에 설명된 기술을 구현하기 위한 컴퓨터 시스템(1200)의 사용에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이들 기술은 메모리(1204)에 포함 된 하나 이상의 명령의 하나 이상의 시퀀스를 실행하는 프로세서(1202)에 응답하여 컴퓨터 시스템(1200)에 의해 수행된다. 소프트웨어 및 프로그램 코드라고도 하는 이러한 명령은 저장 장치(1208)와 같은 다른 컴퓨터 판독 가능 매체로부터 메모리 (1204)로 판독될 수있다. 메모리(1204)에 포함된 명령들의 시퀀스의 실행은 프로세서(1202)로 하여금 여기에 설명된 방법 단계들을 수행하게 한다. 다른 실시예에서, 주문형 집적 회로(Appication Specific IC)(1220)와 같은 하드웨어는 본 발명을 구현하기 위해 소프트웨어 대신에 또는 소프트웨어와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 특정 조합으로 제한되지 않는다.

통신 인터페이스(1270)를 통해 네트워크 링크(1278) 및 다른 네트워크를 통해 송신된 신호는 컴퓨터 시스템(1200)으로 정보를 전달한다. 컴퓨터 시스템(1200)은, 여러 네트워크 중에 네트워크(1280, 1190)를 통해, 네트워크 링크(1278)를 통해 그리고 통신 인터페이스(1270)를 통해, 프로그램 코드를 포함하는 정보를 송수신할 수 있다. 인터넷(1190)을 이용한 예에서, 서버(1192)는, 인터넷(1190), ISP 장비(1284), 로컬 네트워크(1280) 및 통신 인터페이스(1270)를 통해, 컴퓨터(1100)로부터 전송된 메시지에 의해 요청된, 특정 애플리케이션을 위한 프로그램 코드를 전송한다. 수신된 코드는 수신될 때 프로세서(1202)에 의해 실행되거나, 나중에 실행하기 위해 저장 장치(1208) 또는 다른 비휘발성 저장 장치에 저장될 수 있다. 이러한 방식으로, 컴퓨터 시스템(1200)은 반송파상의 신호의 형태로 애플리케이션 프로그램 코드를 얻을 수 있다.

다양한 형태의 컴퓨터 판독 가능 매체는 실행을 위해 프로세서(1202)에 명령 또는 데이터 또는 둘 모두의 하나 이상의 시퀀스를 전달하는데 관련될 수 있다. 예를 들어, 명령 및 데이터는 초기에 호스트(1282)와 같은 원격 컴퓨터의 자기 디스크 상에 운반될 수 있다. 원격 컴퓨터는 명령 및 데이터를 그의 동적 메모리에 로딩하고 모뎀을 사용하여 전화선을 통해 명령 및 데이터를 전송한다. 컴퓨터 시스템(1200)에 국부적인 모뎀은 전화선 상에서 명령 및 데이터를 수신하고 적외선 송신기를 사용하여 명령 및 데이터를 네트워크 링크(1278)로서 작용하는 적외선 반송파상의 신호로 변환한다. 통신 인터페이스(1270)로서 작용하는 적외선 검출기는 적외선 신호로 운반된 명령 및 데이터를 수신하고, 명령 및 데이터를 나타내는 정보를 버스(1210) 상에 위치시킨다. 버스(1210)는 정보를 메모리(1204)로 운반하고, 프로세서(1202)는 명령들과 함께 전송된 데이터의 일부를 이용하여 메모리(1204)로부터 명령을 검색하고 실행한다. 메모리(1204)에 수신된 명령들 및 데이터는 선택적으로 프로세서(1202)에 의한 실행 전 또는 후에 저장 장치(1208)에 저장될 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예가 구현 될 수 있는 칩셋(1300)을 도시한다. 칩셋(1300)은 본 명세서에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하도록 프로그래밍되며, 예를 들어 하나 이상의 물리적 패키지(예, 칩)에 통합된 도 11과 관련하여 설명된 프로세서 및 메모리 컴포넌트를 포함한다. 예로서, 물리적 패키지는, 물리적 강도, 크기 보존, 및/또는 전기적 상호작용의 제한과 같은 하나 이상의 특성을 제공하기 위해 구조 어셈블리(예를 들어, 베이스 보드) 상의 하나 이상의 재료, 구성요소 및/또는 와이어의 배열을 포함한다. 특정 실시예에서 칩셋은 단일 칩으로 구현될 수 있다는 것이 고려된다. 칩셋(1300), 또는 그 일부는, 여기에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 수단을 구성한다.

일 실시예에서, 칩셋(1300)은 칩셋(1300)의 구성요소들 사이에서 정보를 전달하기 위한 버스(1301)와 같은 통신 메커니즘을 포함한다. 프로세서(1303)는 명령을 실행하고 예를 들어 메모리(1305)에 저장된 정보를 처리하기 위해 버스(1301)에 연결된다. 프로세서(1303)는 독립적으로 수행하도록 구성된 각각의 코어를 갖는 하나 이상의 프로세싱 코어를 포함할 수 있다. 멀티 코어 프로세서는 단일 물리적 패키지 내에서 다중 처리를 가능하게 한다. 멀티 코어 프로세서의 예로는 2 개, 4 개, 8 개 또는 그 이상의 프로세서 코어를 포함한다. 대안으로 또는 부가적으로, 프로세서(1303)는 명령, 파이프 라이닝 및 멀티 스레딩의 독립적인 실행을 가능하게 하기 위해 버스(1301)를 통해 직렬로 구성된 하나 이상의 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세서(1303)는 또한 하나 이상의 디지털 신호 프로세서(DSP)(1307) 또는 하나 이상의 주문형 집적 회로(ASIC)(1309)와 같은 특정 프로세싱 기능 및 태스크를 수행하기 위한 하나 이상의 특수 구성요소를 수반할 수 있다. DSP(1307)는 전형적으로 프로세서(1303)와 독립적으로 실시간으로 실세계 신호(예를 들어, 사운드)를 처리하도록 구성된다. 유사하게, ASIC(1309)은 일반적인 목적 프로세서에 의해 쉽게 수행되지 않는 특수 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에 기술된 본 발명의 기능을 수행하는데 도움이 되는 다른 특수 구성요소들은 하나 이상의 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(도시되지 않음), 하나 이상의 컨트롤러(도시되지 않음), 또는 하나 이상의 다른 특수 목적 컴퓨터 칩을 포함한다.

프로세서(1303) 및 수반하는 구성요소들은 버스(1301)를 통해 메모리(1305)에 연결된다. 메모리(1305)는 여기에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하도록 실행될 때 실행 가능한 명령을 저장하기 위한 동적 메모리(예를 들어, RAM, 자기 디스크, 기록 가능한 광디스크 등) 및 정적 메모리(예를 들어, ROM, CD-ROM 등) 모두를 포함한다. 메모리(1305)는 여기에 설명된 방법 중 하나 이상의 단계의 실행과 관련되거나 생성된 데이터를 저장한다.

6. 변경, 확장 및 수정

전술한 명세서에서, 본 발명은 특정 실시예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 보다 넓은 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변화가 이루어질 수 있음이 명백할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미라기 보다는 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 본 명세서 및 청구항 전체에서, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, "포함하는" 및 "포함고 있는"과 같은 "포함하는"이라는 단어 및 그 변형은, 임의의 다른 항목, 요소 또는 단계, 또는 항목들, 요소들 또는 단계들의 그룹을 배제하지 않고, 명시된 항목, 요소 또는 단계, 또는 항목들, 요소들 또는 단계들의 그룹의 포함을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 또한, 부정확한 관사는, 관사에 의해 수정된 하나 또는 그 이상의 항목, 요소 또는 단계를 나타내는 것으로 이해된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 문맥에서 달리 명확한 것을 제외하고는, 다른 값의 2 배(2 배 또는 절반) 내에 있으면 그 값은 "대략" 다른 값이다. 예시적인 범위가 주어지지만, 문맥으로부터 달리 명백하지 않는 한, 임의의 포함된 범위는 또한 다양한 실시예에서 의도된다. 따라서, 일부 실시예에서 0 내지 10 범위는 1 내지 4 범위를 포함한다.

7. 참고

Adany, P., C. Allen, 및 R. Hui저, “간소화된 호모다인 검출을 이용한 처프 라이더(Chirped Lidar Using Simplified Homodyne Detection),” Jour. Lightwave Tech., v. 27 (16), 2009년 8월 15일..

Hui, R., C. Allen, 및 P. Adany의 2010년 6월 22일자 미국 특허 7,742,152의, "FM 처프 레이저 레이더를 위한 코히런트 검출 스킴(Coherent detection scheme for FM Chirped laser RADAR)”.

Kachelmyer, A.L.저, “레이저 레이더를 이용한 거리-도플러 이미징(Range-Doppler Imaging with a Laser Radar),” 링컨 연구소(Lincoln Laboratory) 저널, v. 3. (1), 1990.

Munkres, J.저, "배치 및 운송 문제를 위한 알고리즘(Algorithms for the Assignment and Transportation Problems)," 산업 응용 수학회(the Society for Industrial and Applied Mathematics) 저널, v 5 (1), pp 32-38, Mar.,1957.

Claims

프로세서로 실행되는 방법으로서,
시간에 따라 주파수를 증가시키는 업 처프(up chirp)를 포함하는 제1 처프 송신 광 신호(chirped transmitted optical signal)에 대해, 상기 제1 처프 송신 광 신호와 비교되는 리턴 광 신호(return optical signal)에서의 대응 주파수 차이를 기반으로 하나 이상의 거리(range)를 가진 제1 세트를 획득하는 단계;
시간에 따라 주파수를 감소시키는 다운 처프(down chirp)를 포함하는 제2 처프 송신 광 신호에 대해, 상기 제2 처프 송신 광 신호와 비교되는 리턴 광 신호에서의 대응 주파수 차이를 기반으로 하나 이상의 거리를 가진 제2 세트를 획득하는 단계;
비용 함수(cost function)의 값들에 관한 매트릭스로서, 비용 함수의 값은 각각의 거리 페어에 대한 것이고, 각각의 거리 페어는 상기 제1 세트 내의 거리 및 상기 제2 세트 내의 거리를 포함하는 매트릭스를 결정하는 단계;
상기 값들에 관한 매트릭스를 기반으로 상기 제1 세트 내의 거리 및 상기 제2 세트 내의 대응 거리를 포함하는 매칭된 거리 페어를 결정하는 단계;
상기 매칭된 거리 페어의 결합을 기반으로 거리에 관한 도플러 효과를 결정하는 단계; 및
상기 거리에 관한 도플러 효과를 기반으로 디바이스를 작동하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 비용 함수는 상기 제1 세트 내의 거리와 상기 제2 세트 내의 거리 간의 차이를 기반으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 거리에 관한 도플러 효과를 기반으로 디바이스를 작동하는 단계는 상기 제1 처프 송신 광 신호 및 상기 제2 처프 송신 광 신호에 노출된 복수의 스폿에서의 임의의 객체의 도플러 보정 위치를 나타내는 이미지를 디스플레이 디바이스로 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 거리에 관한 도플러 효과를 기반으로 디바이스를 작동하는 단계는, 상기 제1 처프 송신 광 신호 및 상기 제2 처프 송신 광 신호에 노출된 복수의 스폿에서의 도플러 보정 위치들에 관한 포인트 클라우드(point cloud)를 기반으로 적어도 하나의 객체를 식별하는 데이터를, 상기 장치에 전달하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 거리에 관한 도플러 효과를 기반으로 디바이스를 작동하는 단계는 상기 제1 처프 송신 광 신호 및 상기 제2 처프 송신 광 신호에 노출된 복수의 스폿에서의 도플러 효과 크기를 나타내는 이미지를 디스플레이 디바이스로 제공하여, 움직이는 객체가 정지된 객체 및 부존재하는 객체와 구별되도록 하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 거리에 관한 도플러 효과를 기반으로 디바이스를 작동하는 단계는 객체와의 충돌을 피하기 위해 차량을 이동시키는 단계를 더 포함하고, 상기 차량과 상기 객체 사이의 접근 속도는 상기 제1 처프 송신 광 신호 및 상기 제2 처프 송신 광 신호에 노출된 복수의 스폿에서의 도플러 효과 크기를 기반으로 결정되는 방법.
제5항에 있어서,
상기 거리에 관한 도플러 효과를 기반으로 디바이스를 작동하는 단계는 상기 제1 처프 송신 광 신호 및 상기 제2 처프 송신 광 신호에 노출된 복수의 스폿에서의 도플러 보정 위치들에 관한 포인트 클라우드를 기반으로 상기 차량을 식별하거나 상기 객체를 식별하는 단계를 더 포함하는 방법.
하나 이상의 명령 시퀀스를 기억하는 컴퓨터 판독가능 매체(computer-readable medium)로서, 하나 이상의 프로세서에 의한 상기 하나 이상의 명령 시퀀스의 실행은 상기 하나 이상의 프로세서로 하여금,
시간에 따라 주파수를 증가시키는 업 처프(up chirp)를 포함하는 제1 처프 송신 광 신호(chirped transmitted optical signal)에 대해, 상기 제1 처프 송신 광 신호와 비교되는 리턴 광 신호(return optical signal)에서의 대응 주파수 차이를 기반으로 하나 이상의 거리(range)를 가진 제1 세트를 획득하는 단계;
시간에 따라 주파수를 감소시키는 다운 처프(down chirp)를 포함하는 제2 처프 송신 광 신호에 대해, 상기 제2 처프 송신 광 신호와 비교되는 리턴 광 신호에서의 대응 주파수 차이를 기반으로 하나 이상의 거리를 가진 제2 세트를 획득하는 단계;
비용 함수(cost function)의 값들에 관한 매트릭스로서, 비용 함수의 값은 각각의 거리 페어에 대한 것이고, 각각의 거리 페어는 상기 제1 세트 내의 거리 및 상기 제2 세트 내의 거리를 포함하는 매트릭스를 결정하는 단계;
상기 값들에 관한 매트릭스를 기반으로 상기 제1 세트 내의 거리 및 상기 제2 세트 내의 대응 거리를 포함하는 매칭된 거리 페어를 결정하는 단계;
상기 매칭된 거리 페어의 결합을 기반으로 거리에 관한 도플러 효과를 결정하는 단계; 및
상기 거리에 관한 도플러 효과를 기반으로 디바이스가 작동되도록 하는 단계를 수행하도록 하는 컴퓨터 판독가능 매체.
적어도 하나의 프로세서; 및
하나 이상의 명령 시퀀스를 포함하는 적어도 하나의 메모리를 포함하는 장치로서,
상기 적어도 하나의 메모리 및 상기 하나 이상의 명령 시퀀스는, 상기 적어도 하나의 프로세서를 통해, 상기 장치로 하여금 적어도,
시간에 따라 주파수를 증가시키는 업 처프(up chirp)를 포함하는 제1 처프 송신 광 신호(chirped transmitted optical signal)에 대해, 상기 제1 처프 송신 광 신호와 비교되는 리턴 광 신호(return optical signal)에서의 대응 주파수 차이를 기반으로 하나 이상의 거리(range)를 가진 제1 세트를 획득하기;
시간에 따라 주파수를 감소시키는 다운 처프(down chirp)를 포함하는 제2 처프 송신 광 신호에 대해, 상기 제2 처프 송신 광 신호와 비교되는 리턴 광 신호에서의 대응 주파수 차이를 기반으로 하나 이상의 거리를 가진 제2 세트를 획득하기;
비용 함수(cost function)의 값들에 관한 매트릭스로서, 비용 함수의 값은 각각의 거리 페어에 대한 것이고, 각각의 거리 페어는 상기 제1 세트 내의 거리 및 상기 제2 세트 내의 거리를 포함하는 매트릭스를 결정하기;
상기 값들에 관한 매트릭스를 기반으로 상기 제1 세트 내의 거리 및 상기 제2 세트 내의 대응 거리를 포함하는 매칭된 거리 페어를 결정하기;
상기 매칭된 거리 페어의 결합을 기반으로 거리에 관한 도플러 효과를 결정하기; 및
상기 거리에 관한 도플러 효과를 기반으로 디바이스가 작동되도록 하기를 수행하도록 구성된 장치.
장치에 있어서,
제1 광 주파수 대역에서의 업 처프(up chirp) 및 상기 제1 광 주파수 대역과 오버랩되지 않는 제2 광 주파수 대역에서의 다운 처프(down chirp)를 포함하는 광학적 제1 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스;
상기 제1 신호를 수신하고 광학적 송신 신호 및 광학적 기준 신호를 생성하도록 구성된 제1 스플리터;
상기 송신 신호를 상기 장치의 외부로 보내고, 상기 송신 신호에 노출된 객체로부터 후방산란된(backscattered) 리턴 신호를 수신하도록 구성된 광 커플러;
상기 송신 신호 또는 상기 리턴 신호를 상기 기준 신호와 관련하여 기지의 주파수 시프트로 시프팅하도록 구성된 주파수 시프터;
상기 기지의 주파수 시프트가 적용된 후에 상기 기준 신호 및 상기 리턴 신호를 수신하도록 배치된 광 검출기;
프로세서로서,
상기 광 검출기로부터 전기 신호를 수신하는 단계; 및
상기 전기 신호의 제1 주파수 대역에서 제로 이상의 비트 주파수를 가진 제1 세트를 결정하고, 상기 전기 신호의 오버랩되지 않은 제2 주파수 대역에서 제로 이상의 비트 주파수를 가진 제2 세트를 결정하여, 상기 송신 신호에 노출된 객체의 움직임에 의한 도플러 효과에 관한 결정을 서포트하는 단계를 수행하도록 구성되고, 상기 제1 주파수 대역 및 상기 오버랩되지 않은 제2 주파수 대역이 상기 기지의 주파수 시프트를 기반으로 결정되는 프로세서를 포함하는 장치.
제10항에 있어서,
상기 레이저 소스는,
반송파 주파수 f0의 광 빔을 제공하도록 구성된 레이저;
fb > fa > 0인, fa와 fb 사이에 있는 주파수 대역에서 제1 처프를 발생시키도록 구성된 라디오 주파수 파형 제너레이터; 및
상기 제1 처프를 기반으로, 상기 제1 광 주파수 대역이 상기 반송파 주파수의 제1 측파대에 있고 상기 제2 광 주파수 대역이 상기 제1 측파대와 오버랩되지 않는 제2 측파대에 있는 상기 제1 신호를 생성하도록 구성된 변조기를 포함하는 장치.
시스템에 있어서,
제10항에 따른 장치;
적어도 하나의 프로세서; 및
하나 이상의 명령 시퀀스를 포함하는 적어도 하나의 메모리를 포함하고,
상기 적어도 하나의 메모리 및 상기 하나 이상의 명령 시퀀스는, 상기 적어도 하나의 프로세서를 통해, 상기 시스템으로 하여금 적어도,
제로 이상의 비트 주파수를 가진 제1 세트의 대응 비트 주파수를 기반으로 하나 이상의 거리를 가진 제1 세트를 결정하기;
제로 이상의 비트 주파수를 가진 제2 세트의 대응 비트 주파수를 기반으로 하나 이상의 거리를 가진 제2 세트를 결정하기;
비용 함수의 값들에 관한 매트릭스로서, 비용 함수의 값은 각각의 거리 페어에 대한 것이고, 각각의 거리 페어는 상기 제1 세트 내의 거리 및 상기 제2 세트 내의 거리를 포함하는 매트릭스를 결정하기;
상기 값들에 관한 매트릭스를 기반으로 상기 제1 세트의 거리 및 상기 제2 세트의 대응 거리를 포함하는 매칭된 거리 페어를 결정하기;
상기 매칭된 거리 페어의 결합을 기반으로 상기 거리에 관한 도플러 효과를 결정하기; 및
상기 도플러 효과를 기반으로 디바이스가 작동되도록 하기를 수행하도록 하는 시스템.
장치에 있어서,
제1 광 주파수 대역에서의 업 처프(up chirp) 및 상기 제1 광 주파수 대역과 오버랩되지 않는 제2 광 주파수 대역에서의 다운 처프(down chirp)를 포함하는 광학적 제1 신호를 제공하도록 구성된 레이저 소스;
상기 제1 신호를 수신하고 광학적 송신 신호 및 광학적 기준 신호를 생성하도록 구성된 제1 스플리터;
상기 송신 신호를 상기 장치의 외부로 보내고, 상기 송신 신호에 노출된 객체로부터 후방산란된(backscattered) 리턴 신호를 수신하도록 구성된 광 커플러;
상기 기준 신호의 두 개의 카피 및 상기 리턴 신호의 두 개의 카피를 생성하도록 구성된 제2 스플리터;
상기 제1 광 주파수 대역을 통과시키고 상기 제2 광 주파수 대역을 차단하도록 구성된 제1 광 필터;
상기 제2 광 주파수 대역을 통과시키고 상기 제1 광 주파수 대역을 차단하도록 구성된 제2 광 필터;
상기 기준 신호의 한 카피 및 상기 리턴 신호의 한 카피를 상기 제1 광 필터를 통과한 후에 수신하도록 배치된 제1 광 검출기;
상기 기준 신호의 다른 카피 및 상기 리턴 신호의 다른 카피를 상기 제2 광 필터를 통과한 후에 수신하도록 배치된 제2 광 검출기; 및
프로세서로서,
상기 제1 광 검출기로부터 제1 전기 신호 및 상기 제2 광 검출기로부터 제2 전기 신호를 수신하는 단계; 및
상기 제1 전기 신호에서 제로 이상의 비트 주파수를 가진 제1 세트를 결정하고, 상기 제2 전기 신호에서 제로 이상의 비트 주파수를 가진 제2 세트를 결정하여, 상기 송신 신호에 노출된 객체의 동작으로 인한 도플러 효과에 과한 결정을 서포트하는 단계를 수행하도록 구성된 프로세서를 포함하는 장치.
제13항에 있어서,
상기 레이저 소스는,
반송파 주파수 f0의 광 빔을 제공하도록 구성된 레이저;
fb > fa > 0이고, fa와 fb 사이에 있는 주파수 대역에서 제1 처프를 발생시키도록 구성된 라디오 주파수 파형 제너레이터; 및
상기 제1 처프를 기반으로, 상기 제1 광 주파수 대역이 상기 반송파 주파수의 제1 측파대에 있고, 상기 제2 광 주파수 대역이 상기 제1 측파대와 오버랩되지 않는 제2 측파대에 있는 상기 제1 신호를 생성하도록 구성된 변조기를 포함하는 장치.
시스템에 있어서,
제13항에 따른 장치;
적어도 하나의 프로세서; 및
하나 이상의 명령 시퀀스를 포함하는 적어도 하나의 메모리를 포함하고,
상기 적어도 하나의 메모리 및 상기 하나 이상의 명령 시퀀스는, 상기 적어도 하나의 프로세서를 통해, 상기 시스템으로 하여금 적어도,
제로 이상의 비트 주파수를 가진 제1 세트 내의 대응 비트 주파수를 기반으로 하나 이상의 거리를 가진 제1 세트를 결정하기;
제로 이상의 비트 주파수를 가진 제2 세트 내의 대응 비트 주파수를 기반으로 하나 이상의 거리를 가진 제2 세트를 결정하기;
비용 함수의 값들에 관한 매트릭스로서, 비용 함수의 값은 각각의 거리 페어에 대한 것이고, 각각의 거리 페어는 상기 제1 세트 내의 거리 및 상기 제2 세트 내의 거리를 포함하는 매트릭스를 결정하기;
상기 값들의 매트릭스를 기반으로 상기 제1 세트 내의 거리 및 상기 제2 세트 내의 대응 거리를 매칭된 거리 페어를 결정하기;
상기 매칭된 거리 페어의 결합을 기반으로 거리에 관한 도플러 효과를 결정하기; 및
상기 도플러 효과를 기반으로 디바이스가 작동되도록 하기를 수행하도록 하는 시스템.