JP2023535648A - Ｌｉｄａｒ位相ノイズ除去システム - Google Patents

Abstract

光検出および距離測定（ＬＩＤＡＲ）システムは、ＬＩＤＡＲ測定ユニット、基準測定ユニット２０７、および位相除去ユニット３０３を含む。ＬＩＤＡＲ測定ユニット２０１は、レーザビームが移動する時間を推定する。基準測定ユニット２０７は、レーザソース２０６の位相を決定する。位相除去ユニットは、レーザソースの位相とレーザビームが移動する時間に少なくとも部分的に基づいて位相ノイズを識別し、レーザビームから位相ノイズを除去する。ノイズが除去された信号は、レーザソースとターゲットとの間の距離を決定するために使用される。レーザソース２０６から放出された光出力は、分割され、スイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイ２０８およびレーザ位相基準干渉計２０７にルーティングされる。スイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイ２０８に入る光は、ＦＰＡドライバ２０９によって制御される。受信された光は、Ｎチャネル受信機２１２を用いて測定される。自由空間測定と並列に、レーザ位相基準干渉計２０７を通過する光フィールドは、Ｐチャネル受信機２１４を用いて測定される。結果デジタル信号は、レーザの位相ゆらぎ（位相ノイズ）を推定するためにマイクロコンピュータ２０３によって処理される。推定または決定された位相ノイズは、その後、自由空間距離測定信号から位相ノイズを除去する（「デノイズ（Ｄｅｎｏｉｓｅ）」）ために使用できる。前記システムはまた、マルチピークビート信号スペクトルにおける現場較正された前置歪み波形生成およびピークペアリングを統合する。【選択図】図２

Description

関連出願についての相互参照
本出願は、２０２０年９月４日付で出願された米国仮出願第６３／０７４，８３２号についての優先権を主張する２０２１年８月３１日付で出願された米国特許出願第１７／４６３，２６３号についての優先権を主張する。出願第１７／４６３，２６３号および第６３／０７４，８３２号は、参照として本明細書に含まれる。

本開示は、一般に光検出および距離測定（ＬＩＤＡＲ）に関する。

周波数変調連続波（ＦＭＣＷ、Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）ＬＩＤＡＲは、周波数変調されたコリメートされた光ビームをターゲットに向けてオブジェクトの距離と速度を直接測定する。ターゲットの距離および速度情報は、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲ信号から導出できる。ＬＩＤＡＲ信号の精度を高める設計および技術が好ましい。

自動車産業は、現在、特定の状況で車両を制御するための自律機能を開発している。ＳＡＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ標準Ｊ３０１６によると、レベル０（自律なし）からレベル５（あらゆる条件で運転者入力なしで操作できる車両）まで、６段階の自律性が存在する。自律機能を有する車両は、センサーを用いて車両が移動する環境を感知する。センサーからデータを収集して処理することによって、車両は周囲の環境を探索することができる。自律車両は、環境を感知するための１つ以上のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲ装置を含み得る。

本開示の実施形態は、ＬＩＤＡＲ測定ユニット、基準測定ユニット、および位相除去ユニットを含むＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）システムを含む。ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、レーザビームがレーザソースとターゲットとの間を移動する時間を推定するように構成される。基準測定ユニットは、レーザソースの位相を決定するように構成される。位相除去ユニットは、レーザソースの位相およびレーザビームが移動する時間に少なくとも部分的に基づいてレーザビームを表す信号から位相ノイズを除去するように構成される。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは、自由空間干渉計および固定長干渉計をさらに含む。レーザビームを表す信号は、自由空間干渉計から受信された第１ビート信号である。レーザソースの位相は、固定長干渉計から受信された第２ビート信号から計算される。レーザソースは、自由空間干渉計と固定長干渉計にレーザビームを同時に供給する。

一実施形態において、自由空間干渉計は、第１局部発振器信号をターゲット反射信号と結合して第１ビート信号を生成し、固定長干渉計は、第２局部発振器信号を固定長光遅延線によって遅延した固定長信号と結合して第２ビート信号を生成する。

一実施形態において、位相除去ユニットは、ＬＩＤＡＲ測定ユニットで推定されたレーザビームの移動時間だけレーザソースの位相を遅延させるように構成される遅延演算を通じてレーザソースの遅延位相を生成する。

一実施形態において、位相除去ユニットは、レーザソースの位相からレーザソースの遅延した位相を減算してレーザソースのデルタ位相を生成し、レーザソースのデルタ位相は、レーザビームを表す信号内の位相ノイズを表す。

一実施形態において、位相除去ユニットは、レーザビームを表す信号にデルタ位相の複素共役を乗じて位相ノイズを除去する。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは、位相ノイズが除去されたレーザビームを表す信号であるデノイズされた信号（Ｄｅｎｏｉｓｅｄ Ｓｉｇｎａｌ）からレーザソースとターゲットとの間の距離を計算するように構成される距離計算ユニットをさらに含む。

一実施形態において、距離計算ユニットは、デノイズされた信号の周波数を決定し、デノイズされた信号の周波数は、デノイズされた信号の周波数表現のピーク振幅に基づいて決定される。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）ＬＩＤＡＲシステムである。

一実施形態において、基準測定ユニットは、固定長干渉計からの同相信号（Ｉｎ－ｐｈａｓｅ Ｓｉｇｎａｌ）および直交信号（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｓｉｇｎａｌ）に少なくとも部分的に基づいてレーザソースの位相を決定する。

一実施形態において、レーザソースの位相を決定するために、基準測定ユニットは、同相信号で割った直交信号にアークタンジェント演算（Ａｒｃｔａｎｇｅｎｔ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を適用し、アークタンジェント演算からの出力に積分演算（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を適用するように構成される。

一実施形態において、レーザビームの移動時間を推定するために、ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、自由空間干渉計からビート信号の周波数を決定するように構成され、ビート信号の周波数は、ビート信号の周波数表現の少なくとも１つのピーク振幅に基づいて決定される。

本開示の実施形態は、ＬＩＤＡＲシステムを含む自律車両制御システムを含む。ＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲ測定ユニット、基準測定ユニット、および位相除去ユニットを含む。ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、レーザビームがレーザソースとターゲットとの間を移動する時間を推定するように構成される。基準測定ユニットは、レーザソースの位相を決定するように構成される。位相除去ユニットは、レーザソースの位相およびレーザビームが移動する時間に少なくとも部分的に基づいてレーザビームを表す信号から位相ノイズを除去するように構成される。自律車両制御システムは、位相除去ユニットから出力される信号に応答して自律車両制御システムを制御するための１つ以上のプロセッサを含む。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは、自由空間干渉計および固定長干渉計をさらに含む。レーザビームを表す信号は、自由空間干渉計から受信された第１ビート信号である。レーザソースの位相は、固定長干渉計から受信された第２ビート信号から計算される。レーザソースは、自由空間干渉計と固定長干渉計にレーザビームを同時に供給する。

一実施形態において、位相除去ユニットは、ＬＩＤＡＲ測定ユニットで推定されたレーザビームの移動時間だけレーザソースの位相を遅延させるように構成される遅延演算を通じてレーザソースの遅延位相を生成する。

一実施形態において、位相除去ユニットは、レーザソースの位相からレーザソースの遅延した位相を減算してレーザソースのデルタ位相を生成し、レーザソースのデルタ位相は、レーザビームを表す信号内の位相ノイズを表す。位相除去ユニットは、レーザビームを表す信号にデルタ位相の複素共役を乗じて位相ノイズを除去するように構成される。

本開示の実施形態は、ＬＩＤＡＲシステムを含む自律車両用の自律車両システムを含む。ＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲ測定ユニット、基準測定ユニット、および位相除去ユニットを含む。ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、レーザビームがレーザソースとターゲットとの間を移動する時間を推定するように構成される。基準測定ユニットは、レーザソースの位相を決定するように構成される。位相除去ユニットは、レーザソースの位相およびレーザビームが移動する時間に少なくとも部分的に基づいてレーザビームを表す信号から位相ノイズを除去するように構成される。自律車両は、位相除去ユニットによって出力された信号に応答して自律車両を制御するための１つ以上のプロセッサを含む。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは、自由空間干渉計および固定長干渉計をさらに含む。レーザビームを表す信号は、自由空間干渉計から受信された第１ビート信号である。レーザソースの位相は、固定長干渉計から受信された第２ビート信号から計算される。レーザソースは、自由空間干渉計と固定長干渉計に同時にレーザビームを供給する。

一実施形態において、位相除去ユニットは、ＬＩＤＡＲ測定ユニットで推定されたレーザビームの移動時間だけレーザソースの位相を遅延させるように構成される遅延演算を通じてレーザソースの遅延位相を生成するように構成される。

一実施形態において、位相除去ユニットは、レーザソースの位相からレーザソースの遅延した位相を減算してレーザソースのデルタ位相を生成するように構成される。レーザソースのデルタ位相は、レーザビームを表す信号内の位相ノイズを表す。位相除去ユニットは、レーザビームを表す信号にデルタ位相の複素共役を乗じて位相ノイズを除去するように構成される。

本開示の実施形態は、レーザ波形関数、パラメータセット、およびキャリブレーションユニットを含むＬＩＤＡＲシステムを含む。レーザ波形関数は、レーザ波形を定義する。パラメータセットは、少なくとも部分的にレーザ波形を定義する。キャリブレーションユニットは、パラメータセットの各パラメータに対する周波数応答の偏導関数を推定するように構成される。周波数応答は、レーザ波形によって駆動されるレーザ出力で測定される。キャリブレーションユニットは、レーザの周波数応答がレーザ波形機能によって定義された条件を満たすように、パラメータセットをアップデートするように構成される。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは、固定長干渉計をさらに含む。キャリブレーションユニットは、固定長干渉計から同相信号および直交信号を受信するように構成される。キャリブレーションユニットは、同相信号および直交信号に基づいてレーザの周波数応答を決定するように構成される。

一実施形態において、キャリブレーションユニットは、レーザ波形関数およびパラメータセットに基づいてレーザ波形を繰り返し構成する。パラメータセットは、パラメータセットの１つ以上のアップデートされたバージョンに置き換えられるパラメータセットの初期バージョンを含む。

一実施形態において、キャリブレーションユニットは、パラメータセットのアップデートされたバージョンを使用してレーザの周波数応答を繰り返し評価するように構成される。

一実施形態において、レーザの周波数応答を繰り返し評価するために、キャリブレーションユニットは、レーザ波形をデジタル－アナログ変換器にロードし、レーザが安定するまで待機し、干渉計からの出力を測定し、干渉計からの出力から周波数応答を計算するように構成される。

一実施形態において、キャリブレーションユニットは、レーザ波形関数の勾配を推定するように構成される。

一実施形態において、レーザ波形関数の勾配を推定するために、キャリブレーションユニットは、レーザ波形の摂動されたバージョン（Ｐｅｒｔｕｒｂｅｄ Ｖｅｒｓｉｏｎ）を計算し、レーザ波形の摂動されたバージョンをデジタル－アナログ変換器にロードし、レーザからの出力を測定し、レーザ波形関数の摂動されたバージョンを評価するように構成される。

一実施形態において、レーザ波形の摂動されたバージョンは、パラメータセットの第１パラメータとパラメータセットの第２パラメータとの間の差を含む。

一実施形態において、キャリブレーションユニットは、パラメータセットの各パラメータに対する周波数応答の偏導関数に基づいてパラメータセットをアップデートするように構成される。

一実施形態において、キャリブレーションユニットは、レーザの歪み特性を補償するためにパラメータセットをアップデートするように構成される。

本開示の実施形態は、ＬＩＤＡＲシステムを含む自律車両制御システムを含む。ＬＩＤＡＲシステムは、レーザ波形を定義するレーザ波形関数と、レーザ波形を少なくとも部分的に定義するパラメータセットと、パラメータセット内の各パラメータに対する周波数応答の偏導関数を推定するように構成されるキャリブレーションユニットと、を含む。周波数応答は、レーザ波形によって駆動されるレーザの出力から測定される。キャリブレーションユニットは、レーザの周波数応答がレーザ波形機能によって定義された条件を満たすように、パラメータセットをアップデートするように構成される。自律車両制御システムは、キャリブレーションユニットによって少なくとも部分的に定義されたレーザ波形に応答して自律車両制御システムを制御するための１つ以上のプロセッサを含む。

一実施形態において、自律車両制御システムは、固定長干渉計をさらに含む。キャリブレーションユニットは、固定長干渉計から同相信号および直交信号を受信するように構成される。キャリブレーションユニットは、同相信号および直交信号に基づいてレーザの周波数応答を決定するように構成される。

一実施形態において、キャリブレーションユニットは、レーザ波形関数およびパラメータセットに基づいてレーザ波形を繰り返し構成する。パラメータセットは、パラメータセットの１つ以上のアップデートされたバージョンに置き換えられるパラメータセットの初期バージョンを含む。

一実施形態において、キャリブレーションユニットは、パラメータセットのアップデートされたバージョンを使用してレーザの周波数応答を繰り返し評価するように構成される。

一実施形態において、レーザの周波数応答を繰り返し評価するために、キャリブレーションユニットは、レーザ波形をデジタル－アナログ変換器にロードし、レーザが安定するまで待機し、干渉計からの出力を測定し、干渉計からの出力から周波数応答を計算するように構成される。

一実施形態において、キャリブレーションユニットは、レーザ波形関数の勾配を推定するように構成される。

一実施形態において、レーザ波形関数の勾配を推定するために、キャリブレーションユニットは、レーザ波形の摂動されたバージョン（Ｐｅｒｔｕｒｂｅｄ Ｖｅｒｓｉｏｎ）を計算し、レーザ波形の摂動されたバージョンをデジタル－アナログ変換器にロードし、レーザからの出力を測定し、レーザ波形関数の摂動されたバージョンを評価するように構成される。

一実施形態において、自律車両は、ＬＩＤＡＲシステムを含む。ＬＩＤＡＲシステムは、レーザ波形を定義するレーザ波形関数と、レーザ波形を少なくとも部分的に定義するパラメータセットと、パラメータセット内の各パラメータに対する周波数応答の偏導関数を推定するように構成されるキャリブレーションユニットと、を含む。周波数応答は、レーザ波形によって駆動されるレーザの出力から測定される。キャリブレーションユニットは、レーザの周波数応答がレーザ波形機能によって定義された条件を満たすように、パラメータセットをアップデートするように構成される。自律車両は、キャリブレーションユニットによって少なくとも部分的に定義されたレーザ波形に応答して自律車両を制御するための１つ以上のプロセッサを含む。

一実施形態において、キャリブレーションユニットは、パラメータセットのアップデートされたバージョンを使用してレーザの周波数応答を繰り返し評価するように構成される。

一実施形態において、キャリブレーションユニットは、レーザ波形関数の勾配を推定するように構成される。

本開示の実施形態は、基準測定ユニットおよびＬＩＤＡＲ測定ユニットを含むＬＩＤＡＲシステムを含む。基準測定ユニットは、レーザソースによって駆動される固定長干渉計から基準ビート信号の位相を決定するように構成される。ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、レーザソースの下向き周波数チャープからの第２周波数スペクトルピークにペアリングされる、レーザソースの上向き周波数チャープからの第１周波数スペクトルピークに少なくとも部分的に基づいて複数のターゲットの距離を決定するように構成される。ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、基準ビート信号の位相に少なくとも部分的に基づいて複数のターゲットの距離を決定するように構成される。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、第１周波数スペクトルピークと第２周波数スペクトルピークとの間で順次ペアリングされるピークを用いて自由空間レーザ信号が複数のターゲットに移動する時間を推定するように構成される。第１ピークペアは、第１周波数スペクトルピークのうちの第１のピークと、第２周波数スペクトルピークのうちの第１のピークと、を含む。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、複数のターゲットの距離を繰り返し決定するように構成される。複数のターゲットのそれぞれは、第１周波数スペクトルピークのうちの１つと第２周波数スペクトルピークのうちの１つのピークペアから決定された移動時間推定値に関連付けられる。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、レーザソースの位相ノイズを識別するために、移動時間推定値と等しい持続時間だけ基準ビート信号の位相を遅延させるように構成される。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、自由空間ビート信号の位相ノイズを除去し、デノイズされた自由空間ビート信号を生成するために、位相ノイズの複素共役を自由空間ビート信号と乗算するように構成される。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、上向き周波数チャープ中に発生する位相ノイズを除去するように構成される。基準測定ユニットは、下向き周波数チャープ中に発生する位相ノイズを除去するように構成される。

一実施形態において、第１周波数スペクトルピークは、自由空間干渉計からの第１ビート信号から生成される。第２周波数スペクトルピークは、自由空間干渉計の第２ビート信号から生成される。

一実施形態において、自由空間干渉計は、上向き周波数チャープから第１ビート信号を生成するために、第１局部発振器信号を第１ターゲット反射信号と結合する。自由空間干渉計は、下向き周波数チャープ（Ｃｈｉｒｐ）から第２ビート信号を生成するために、第２局部発振器信号を第２ターゲット反射信号と結合する。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲシステムである。

一実施形態において、基準測定ユニットは、固定長干渉計からの同相信号および直交信号に少なくとも部分的に基づいて基準ビート信号の位相を決定する。

一実施形態において、基準ビート信号の位相を決定するために基準測定ユニットは、同相信号で割った直交信号にアークタンジェント演算を適用し、アークタンジェント演算からの出力に積分演算を適用するように構成される。

一実施形態において、基準ビート信号は、第１基準ビート信号である。第１基準ビート信号の位相は、上向き周波数チャープから生成される。基準測定ユニットは、下向き周波数チャープから生成された第２基準ビート信号の位相を推定するように構成される。

本開示の実施形態は、ＬＩＤＡＲシステムを含む自律車両制御システムを含む。ＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲ測定ユニットおよび基準測定ユニットを含む。基準測定ユニットは、レーザソースによって駆動される固定長干渉計から基準ビート信号の位相を決定するように構成される。ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、レーザソースの下向き周波数チャープからの第２周波数スペクトルピークにペアリングされるレーザソースの上向き周波数チャープからの第１周波数スペクトルピークに少なくとも部分的に基づいて複数のターゲットの範囲を決定するように構成される。ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、基準ビート信号の位相に少なくとも部分的に基づいて複数のターゲットの範囲を定めるように構成される。自律車両制御システムは、ＬＩＤＡＲ測定ユニットおよび基準測定ユニットのうち、少なくとも１つによって出力される信号に応答して自律車両制御システムを制御するための１つ以上のプロセッサを含む。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、第１周波数スペクトルピークと第２周波数スペクトルピークとの間で順次ペアリングされるピークを用いて自由空間レーザ信号が複数のターゲットに移動する時間を推定するように構成される。第１ピークペアは、第１周波数スペクトルピークのうちの第１のピークと、第２周波数スペクトルピークのうちの第１のピークと、を含む。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、複数のターゲットの距離を繰り返し決定するように構成される。複数のターゲットのそれぞれは、第１周波数スペクトルピークのうちの１つと第２周波数スペクトルピークのうちの１つのピークペアから決定された移動時間推定値に関連付けられる。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、レーザソースの位相ノイズを識別するために、移動時間推定値と等しい持続時間だけ基準ビート信号の位相を遅延させるように構成される。ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、自由空間ビート信号の位相ノイズを除去し、デノイズされた自由空間ビート信号を生成するために、位相ノイズの複素共役を自由空間ビート信号と乗算するように構成される。

本開示の実施形態は、ＬＩＤＡＲシステムを含む自律車両を含む。ＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲ測定ユニットおよび基準測定ユニットを含む。基準測定ユニットは、レーザソースによって駆動される固定長干渉計から基準ビート信号の位相を決定するように構成される。ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、レーザソースの下向き周波数チャープからの第２周波数スペクトルピークにペアリングされる、レーザソースの上向き周波数チャープからの第１周波数スペクトルピークに少なくとも部分的に基づいて複数のターゲットの範囲を決定するように構成される。ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、基準ビート信号の位相に少なくとも部分的に基づいて複数のターゲットの範囲を定めるように構成される。自律車両は、ＬＩＤＡＲ測定ユニットまたは基準測定ユニットのうち、少なくとも１つによって出力される信号に応答して自律車両を制御するための１つ以上のプロセッサを含む。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、第１周波数スペクトルピークと第２周波数スペクトルピークとの間で順次ペアリングされるピークを用いて自由空間レーザ信号が複数のターゲットに移動する時間を推定するように構成される。第１ピーク対は、第１周波数スペクトルピークのうちの第１のピークと、第２周波数スペクトルピークのうちの第１のピークと、を含む。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、複数のターゲットの距離を繰り返し決定するように構成される。複数のターゲットのそれぞれは、第１周波数スペクトルピークのうちの１つと第２周波数スペクトルピークのうちの１つのピークペアから決定された移動時間推定値に関連付けられる。

一実施形態において、ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、レーザソースの位相ノイズを識別するために、移動時間推定値と等しい持続時間だけ基準ビート信号の位相を遅延させるように構成される。ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、自由空間ビート信号の位相ノイズを除去し、デノイズされた自由空間ビート信号を生成するために、位相ノイズの複素共役を自由空間ビート信号と乗算するように構成される。

本開示の非限定的かつ非包括的な実施形態は、以下の図面を参照して説明され、ここで特に明示されない限り、同様の参照番号は、様々な図面全体において同様の部分を示す。

本開示の実施形態に係るＬＩＤＡＲシステムにおける位相推定、能動位相除去、前置歪み波形生成、およびピークペアリングを支援する光測定装置を示す。

本開示の実施形態に係る位相推定、能動位相除去、前置歪み波形生成、およびピークペアリングを統合できるＬＩＤＡＲシステムを示す。

および 本開示の実施形態に係る例示的な位相ノイズ除去システムを示す。

および 本開示の実施形態に係る前置歪み波形発生器の例を示す。

および 本開示の実施形態に係るＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムのためのマルチターゲット識別システムの例を示す。

および 本開示の様々な実施形態に係る位相推定、能動位相除去、前置歪み波形生成、およびピークペアリングを統合するＬＩＤＡＲシステムの動作サイクルの例を示す。

本開示の実施形態に係る例示的なセンサーの配列を含む自律車両を示す。

本開示の実施形態に係る例示的なセンサーの配列を含む自律車両の平面図を示す。

本開示の実施形態に係るセンサー、ドライブトレイン、および制御システムを含む例示的な車両制御システムを示す。

ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）システムのための位相推定、能動位相除去、前置歪み波形生成、およびピークペアリングの具現がここに説明されている。以下の説明においては、前記具現についての完全な理解を提供するためにいくつかの詳細が提示される。しかし、関連技術分野の技術者は、本明細書に説明されている技術が１つ以上の特定の詳細を除いて、または他の方法、要素または材料を用いて実行され得ることを認識するであろう。他の場合において、周知の構造、材料または作業は、特定の態様を不明瞭にすることを避けるために詳細に表示または説明されていない。

本明細書全体にわたって「１つの実施形態」または「実施形態」についての言及は、実施形態に関して説明されている特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたって、様々な位置での「１つの実施形態における」または「実施形態における」という語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指しているわけではない。また、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態で任意の適切な方法で結合され得る。

本明細書全体にわたって、いくつかの技術用語が使用される。これらの用語は、本明細書で具体的に定義されていないか、または使用される文脈が明確に別段の意味を持たない限り、その用語が由来した技術分野において一般的な意味を取るべきである。本開示の目的のために、「自律車両（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｖｅｈｉｃｌｅ）」という用語は、ＳＡＥ国際規格Ｊ３０１６の自律性レベルで自律機能を有する車両を含む。

本開示の態様において、可視光線は、約３８０ｎｍ～７００ｎｍの波長範囲を有すると定義されることができる。非可視光は、紫外線、赤外線などの可視光線領域外の波長を有する光として定義されることができる。約７００ｎｍ～１ｍｍの波長範囲を有する赤外線は、近赤外線を含む。本開示の態様において、近赤外線光は、約７００ｎｍ～１．６μｍの波長範囲を有すると定義されることができる。

本開示の態様において、「透明」という用語は、９０％より大きい光透過率を有すると定義されることができる。一部の実施形態において、「透明」という用語は、９０％より大きい可視光線透過率を有する物質として定義されることができる。

コヒーレントＬＩＤＡＲシステムは、変調されかつコリメートされた光ビームをオブジェクトに向けることによって、オブジェクトの距離および速度を直接測定する。オブジェクトから反射される光は、タップされたバージョンのビームと結合される。結果として得られるビートトーンの周波数は、ドップラーシフトが補正されると、ＬＩＤＡＲシステムからオブジェクトまでの距離に比例し、２番目の測定が必要になる場合がある。同時に実行または実行されない可能性がある両方の測定は、距離と速度の両方の情報を提供する。本出願においては、コヒーレントＬＩＤＡＲの一例として周波数変調連続波（ＦＭＣＷ、Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）ＬＩＤＡＲについて説明する。しかし、本明細書に記載の具現および例は、あらゆる種類のコヒーレントＬＩＤＡＲに適用できる。

一部の実施形態において、コヒーレントＬＩＤＡＲの一種であるＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲを使用できる。特に、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲは、レーザソースから出る光ビームの周波数を変調する。ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲは、向上した生産性（Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒａｂｉｌｉｔｙ）と性能のために集積フォトニクス（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ）を活用できる。集積フォトニックシステムは、ミクロン規模の導波装置（Ｗａｖｅｇｕｉｄｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いて単一の光モードを操作することができる。

集積ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムは、システムに光出力を提供する１つ以上のレーザソースに依存する。このようなレーザによって生成された光フィールドは、一般に決定論的および確率的位相ゆらぎ（Ｐｈａｓｅ Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）を表し、これは、リターンされるＦＭＣＷビート信号を拡張することによって、システム性能を低下させることができる。

ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムは、ユニットに戻る前にシーン内の１つ以上のオブジェクトから反射することができる光を放出する。このような多重リターンは、複数のピークを有するスペクトルのビート信号を生成する。これらのそれぞれのリターン距離と速度を決定するために、ビート信号についての２回の測定が行われ得る。複数の距離と速度を正確に決定するために、２つのスペクトルのピークが正確にペアリングされる。

ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムは、優れた性能を達成するために線形周波数チャープを使用する。この線形周波数チャープは、レーザ駆動波形でレーザを駆動することによって達成することができる。レーザの歪み特性を補償するために、レーザ駆動波形は、送信レーザの特性を補償するように定義されることができる。システムが老化するにつれて、周波数チャープの線形性が低下する可能性がある。本開示のいくつかの実施形態は、システムの劣化または変更を支援するためにレーザ駆動波形の現場再較正（Ｉｎ Ｓｉｔｕ Ｒｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）を提供する。

集積ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムにおいて、レーザの周波数偏位（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）を直接測定するためのシステムが説明される。測定された周波数偏位は、レーザによって生成された位相光信号を決定するために統合できる。

システムは、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムを少なくとも部分的に規定する主自由空間干渉計（Ｍａｉｎ Ｆｒｅｅ－Ｓｐａｃｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）に並列に接続または結合される短い（固定長）集積干渉計を含む。単一のレーザソースが両方の干渉計に供給される。

主な自由空間干渉計からの目標距離の初期推定値を用いてビート信号の不要な光学位相ゆらぎ（位相ノイズ）を推定し、ビート信号から減算することができ、これによって主な自由空間干渉計の測定能力を向上し得る。

推定されたビート信号位相は、複数のリターン（複数のターゲット）が存在するときにスペクトルピークを正確にペアリングするためにさらに使用できる。

測定された周波数偏位は、レーザ周波数チャープの線形性を向上するために前置歪み波形の現場生成および較正に等しく使用できる。

光学位相ゆらぎ（「位相ノイズ」）を識別および除去し、複数のターゲットを識別し、前置歪み波形を生成するための本明細書に記載のシステムおよび方法は、（集合的または個別的に）車両の自律動作を支援するために使用できる。これらおよび他の実施形態は、図１～図７ｃに関連してより詳細に説明される。

図１は、本開示の実施形態に係るＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムにおける位相推定、能動位相除去、前置歪み波形生成、およびピークペアリングを支援する光位相測定装置１００を示す。光位相測定装置１００は、レーザソース１０１、スプリッタ１０２、自由空間干渉計１０３、および固定長干渉計１０４を含み、ＬＩＤＡＲシステムにおける位相推定、位相ノイズ除去、前置歪み波形生成、およびピークペアリングを支援する。

レーザソース１０１によって放出された光は、レーザソース１０１の光出力を２つの別々の光チャネルに分割するスプリッタ１０２に入る。スプリッタ１０２によって達成されるスプリット比率は、同じであるか（５０：５０）、またはいくつかの異なる比率（例えば、８０：２０）であり得る。実際、光パワーの大部分は、分割されて自由空間干渉計１０３にルーティングされるが、光パワーの残りの小さな部分は、固定長干渉計１０４にルーティングされる。

固定長干渉計１０４は、レーザソース１０１の瞬間レーザ周波数を測定または概算するように構成される。固定長干渉計１０４は、スプリッタ１０５、固定長光遅延線１０６、光ハイブリッド１０７、平衡（Ｂａｌａｎｃｅｄ）光ダイオードペア１０８、および平衡光ダイオードペア１０９を含み得る。固定長干渉計１０４は、例えば、１０ｃｍ～３０ｃｍの範囲で固定長光遅延線１０６に短い光遅延を含み得る。したがって、固定長干渉計１０４は、短い固定長干渉計または基準干渉計と呼ばれることができる。

固定長干渉計１０４に入射する光は、同一または同一でない分割比を有し得るスプリッタ１０５を通過する。スプリッタ１０５の上部出力は、固定長光遅延線１０６に接続される。固定長光遅延線１０６は、スプリッタ１０５の下部出力を出る光と比較して短い時間だけ光信号を遅延させる。これらの２つの光路（すなわち、上部光路および下部光路）は、２×４光ハイブリッドで具現できる光ハイブリッド１０７に接続される。光ハイブリッド１０７は、下部信号を固定長光遅延線１０６を介して遅延する上部信号と混合する。レーザソース１０１は、時間ベースの線形変化周波数（すなわち、チャープ）を出力するように駆動できるため、光ハイブリッド１０７に到達する上部信号の周波数は、光ハイブリッド１０７に到達する下部信号の周波数とわずかに異なる（例えば、速いか、または遅い）。異なる周波数の信号が混合または結合されると、２つの周波数の差に等しいビート周波数を有するビートトーンまたはビート信号が生成される。

光ハイブリッド１０７からのビート信号を測定し、平衡光ダイオードペア１０８および平衡光ダイオードペア１０９を用いて電気信号に変換する。平衡光ダイオードペア１０８は、同相信号Ｉ_ｒｅｆに対応する電気信号を生成し、平衡光ダイオードペア１０９は、直交信号Ｑ_ｒｅｆに対応する電気信号を生成する。固定長光遅延線１０６の十分に短い（例えば、２０ｃｍ）具現のために、同相信号Ｉ_ｒｅｆおよび直交信号Ｑ_ｒｅｆ測定の位相は、レーザソース１０１の瞬間周波数に比例する。レーザソース１０１の瞬間周波数は、レーザソース１０１の瞬間位相を計算するために統合できる。レーザソース１０１の瞬間位相は、決定論的および確率的位相ゆらぎによって定義されることができるレーザソース１０１の位相ノイズを分離するために使用できる。

自由空間干渉計１０３は、レーザソース１０１とターゲットとの間の距離を測定または推定するように構成される。自由空間干渉計１０３は、スプリッタ１１０、可変距離光遅延線１１１、光ハイブリッド１１２、平衡光ダイオードペア１１３、および平衡光ダイオードペア１１４を含み得る。

自由空間干渉計１０３に入る光は、スプリッタ１１０に入る。スプリッタ１１０は、「局部発振器」フィールド（すなわち、図示された下部経路、「下部信号」および／または「局部発振器信号」）を「信号」フィールド（すなわち、図示された上部経路、「上部信号」および／または「遅延した信号」）から分離する。上部信号電力は、自由空間に結合される。この光は、ターゲットに当たり、ＬＩＤＡＲユニット（例えば、自由空間干渉計１０３）に向かって再び反射される前に異なる距離または可変距離にわたって伝搬する。この光は、自由空間干渉計１０３によって受信され、可変距離光遅延線１１１を効果的に形成する。遅延した信号と局部発振器信号は、光ハイブリッド１１２によって一緒に混合される。光ハイブリッド１１２の出力は、平衡光ダイオードを用いて電気信号に変換される。結果として得られる電気信号は、それぞれＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲビート信号のコンポーネントである同相信号Ｉ_ＦＳおよび直交信号Ｑ_ＦＳに対応する。測定されたビート信号の位相ゆらぎは、固定長干渉計１０４によって測定されたビート信号の位相ゆらぎと時間相関があるが、これは、干渉計がレーザソース１０１によって同時に供給されるためである。

図２は、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム２００の例を示し、これは本開示の実施形態によって位相推定、能動位相除去、前置歪み波形生成、およびピークペアリングを統合するように構成され得る。ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム２００は、ＬＩＤＡＲ処理エンジン２０１およびＦＰＡ（Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ Ａｒｒａｙ）システム２０２を含む。他の実施形態において、他の形のビームステアリングを使用することができる。

ＬＩＤＡＲ処理エンジン２０１は、レーザ制御器２０５のための変調信号を生成するデジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）２０４を駆動するように構成されるマイクロコンピュータ２０３を含む。レーザ制御器２０５は、Ｑチャネルレーザアレイ２０６の周波数を変調する。レーザアレイ２０６によって放出された光出力は、分割され、スイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイ２０８およびレーザ位相基準干渉計２０７（図１の固定長干渉計１０４を含み得る）にルーティングされる。スイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイ２０８に入る光は、ＦＰＡドライバ２０９によって制御される。スイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイ２０８の異なる位置から放出された光は、レンズ２１０によって異なる角度でコリメートされ、自由空間２１１に放出される。

自由空間に放出された光２１１は、ターゲットから反射され、レンズ２１０を通って再び伝搬し、スイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイ２０８に再び結合される。受信された光は、光ハイブリッド１０７および／または光ハイブリッド１１２（図１に示す）を統合できるＮチャネル受信機２１２を用いて測定される。結果として得られる電流は、１つ以上のＭチャネルアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）２１３を用いてデジタル化され、これらの信号は、マイクロコンピュータ２０３によって処理される。

自由空間測定と並列に、レーザ位相基準干渉計２０７を通過する光フィールドは、Ｐチャネル受信機２１４を用いて測定され、これはＲチャネルアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）２１５を用いてデジタル信号に変換される電流を生成する。この結果、デジタル信号は、レーザの位相ゆらぎ（位相ノイズ）を推定するためにマイクロコンピュータ２０３によって処理される。推定または決定された位相ノイズは、その後、自由空間距離測定信号から位相ノイズを除去する（「デノイズ（Ｄｅｎｏｉｓｅ）」）ために使用できる。

図３ａおよび図３ｂは、本開示の実施形態に係る光位相測定装置１００（図１に示す）およびＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム２００（図２に示す）がＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲ距離および速度測定を支援するために不要な位相ゆらぎ（「位相ノイズ」）を能動的に除去するために使用できる例示的な位相ノイズ除去システムを示す。

図３ａは、本開示の実施形態に係る位相ノイズ除去システム３００を示す。位相ノイズ除去システム３００は、ＬＩＤＡＲ測定ユニット３０１、基準測定ユニット３０２、位相除去ユニット３０３、および距離計算ユニット３０４を含み得る。ＬＩＤＡＲ測定ユニット３０１は、光が光源とターゲットとの間を移動する時間（すなわち、移動時間）を推定してＦＭＣＷ距離測定を行うように構成され得る。本出願においては、光が光源（例えば、レーザソース）とターゲット（例えば、ＬＩＤＡＲシステムが配置されている環境のオブジェクト）との間を移動する時間を飛行時間（Ｔｉｍｅ－ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ）として定義する。同時に、基準測定ユニット３０２は、基準または固定長干渉計を用いて光（例えば、レーザ光）の位相推定を決定するように構成され得る。ＬＩＤＡＲ測定ユニット３０１からの飛行時間推定値τ_ｅｓｔおよび基準測定ユニット３０２からの光位相φ_ｅｘ（ｔ）は、位相除去ユニット３０３に提供される。位相除去ユニット３０３は、飛行時間推定値τ_ｅｓｔおよび光位相φ_ｅｘ（ｔ）を用いて光を表す信号（例えば、同相信号Ｉ_ＦＳおよび／または直交信号Ｑ_ＦＳ）から位相ノイズを推定して除去する。位相除去ユニット３０３は、距離を目標距離と推定するために距離計算ユニット３０４によって用いられるデノイズされた信号Ｖ（ｔ）_ｄｎを出力する。距離計算ユニット３０４は、また、例えば、ドップラーシフト計算または測定を行うことによって、ターゲットの速度を計算するように構成され得る。

図３ｂは、本開示の実施形態に係る位相ノイズ除去システム３４０の例を示す。位相ノイズ除去システム３４０は、位相ノイズ除去システム３００の例示的な具現である。位相ノイズ除去システム３４０内の１つ以上のコンポーネントまたは動作は、光子集積回路および／またはＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムで具現できる。

ＬＩＤＡＲ測定ユニット３０１は、信号３０５（例えば、電圧信号）を受信し、飛行時間推定値τ_ｅｓｔを生成するように構成される。信号３０５は、自由空間で少なくとも１つのターゲットを往復した光を表す信号である。信号３０５は、局部発振器信号と自由空間光信号の組み合わせであるビート信号であり得る。信号３０５は、同相信号Ｉ_ＦＳおよび／または直交信号Ｑ_ＦＳを含み得、自由空間干渉計１０３（図１に示す）から受信され得る。

ＬＩＤＡＲ測定ユニット３０１は、周波数変換ブロック３０６、フィルタブロック３０７、およびピーク探索ブロック３０８を含む。周波数変換ブロック３０６は、信号３０５を信号３０５の周波数表現に変換する。ＬＩＤＡＲ測定ユニット３０１は、フーリエ変換（例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ））を用いてこの作業を行う。周波数変換ブロック３０６は、信号３０５をデジタル化することができ、信号３０５の電力スペクトル密度（ＰＳＤ）を計算するためにフーリエ変換を用い得る。フィルタブロック３０７は、信号対雑音比を向上するために周波数変換ブロック３０６の出力をフィルタリングする。ピーク探索ブロック３０８は、信号３０５のフィルタリングされた周波数スペクトルで最も高いピークを識別することができる。システムパラメータに基づいてこのピーク位置は、光信号の飛行時間推定値τ_ｅｓｒに変換することができる。

ＬＩＤＡＲ測定ユニット３０１の動作と同時に、基準測定ユニット３０２は、光の位相φ_ｅｘ（ｔ）を決定するように構成される。基準測定ユニット３０２は、除算ブロック３１１、アークタンジェントブロック３１２、位相アンラップ（Ｕｎｗｒａｐ）ブロック３１３、および積分ブロック３１４を含み得る。基準測定ユニット３０２は、固定長干渉計からの入力として同相信号３１０および直交信号３０９を受信する。一実施形態において、同相信号３１０および直交信号３０９は、固定長干渉計１０４からの同相信号Ｉ_ｒｅｆおよび直交信号Ｑ_ｒｅｆである。除算ブロック３１１は、直交信号３０９を同相信号３１０で除算することを含む。アークタンジェントブロック３１２は、同相信号３１０および／または直交信号３０９のうち、少なくとも１つによって表されるビート信号の位相を推定するために除算ブロック３１１の出力に対するアークタンジェントを行う。位相アンラップブロック３１３は、アークタンジェントブロック３１２の出力に位相アンラッピング（Ｐｈａｓｅ Ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）を適用する。位相アンラップブロック３１３の出力は、時間に対するシステムレーザの位相ゆらぎを推定するために積分ブロック３１４で（時間に対して）積分される。

位相除去ユニット３０３は、光の位相φ_ｅｘおよび飛行時間τ_ｅｓｔに少なくとも部分的に基づいて信号３０５から位相ノイズを除去するように構成される。位相除去ユニット３０３は、遅延ブロック３１５、減算ブロック３１６、指数ブロック３１７、および乗算ブロック３１８を含む。遅延ブロック３１５は、光の位相φ_ｅｘの時間遅延した推定値である遅延した位相φ_ｅｘ（ｔ－τ_ｅｓｔ）を生成する。遅延は、デジタル遅延であり得、遅延の持続時間は、飛行時間τ_ｅｓｔの持続時間である。飛行時間τ_ｅｓｔの持続時間だけ光の位相φ_ｅｘ（ｔ）を遅延させることによって、位相除去ユニット３０３は、信号３０５を定義する光伝送に関連する光の位相φ_ｅｘ（ｔ）の部分を識別する。減算ブロック３１６は、遅延した位相φ_ｅｘ（ｔ－τ_ｅｓｔ）で光の位相φ_ｅｘ（ｔ）を減算し、レーザソースが信号３０５を送信した時間における位相ゆらぎまたは位相ノイズを定義するデルタ位相Δφ_ｅｘ（τ_ｅｓｔ）を分離する。指数ブロック３１７は、デルタ位相Δφ_ｅｘ（τ_ｅｓｔ）から共役フェーザ（Ｃｏｎｊｕｇａｔｅ Ｐｈａｓｏｒ）を構成する。乗算ブロック３１８は、共役フェーザを信号３０５と乗じてデノイズされた信号Ｖ（ｔ）_ｄｎを生成する。デノイズされた信号Ｖ（ｔ）_ｄｎは、不要な位相ゆらぎが除去された信号またはノイズが除去された信号３０５である。デノイズされた信号Ｖ（ｔ）_ｄｎは、距離計算ユニット３０４に伝達できる結果として生じる「クリーンな」ビート信号である。

距離計算ユニット３０４は、デノイズされた信号Ｖ（ｔ）_ｄｎを用いて光源とターゲットとの間の距離を決定するように構成される。距離計算ユニット３０４は、周波数変換ブロック３１９、フィルタブロック３２０、およびピーク探索ブロック３２１を含む。周波数変換ブロック３１９は、デノイズされた信号Ｖ（ｔ）_ｄｎをデノイズされた信号Ｖ（ｔ）_ｄｎの周波数表現に変換する。距離計算ユニット３０４は、フーリエ変換（例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ））を用いてこの演算を行い得る。周波数変換ブロック３１９は、デノイズされた信号Ｖ（ｔ）_ｄｎをデジタル化することができ、デノイズされた信号Ｖ（ｔ）_ｄｎのパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を計算するためにフーリエ変換を用い得る。フィルタブロック３２０は、信号対雑音比を向上するために周波数変換ブロック３１９の出力をフィルタリングする。ピーク探索ブロック３２１は、ノイズ除去された信号Ｖ（ｔ）_ｄｎのフィルタリングされた周波数スペクトルで１つ以上のピークを識別できる。このピーク情報は、ターゲットの位置と速度を推定するために使用される。ブロック３２２で位相ノイズ除去システム３４０は、動作を終了する。

図４ａおよび図４ｂは、本開示の実施形態に係る前置歪み波形発生器の例を示す。前置歪み波形発生器は、光位相測定装置１００（図１に示す）およびＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム２００（図２に示す）を用いてＬＩＤＡＲシステムレーザを駆動するための前置歪み波形を生成するか、または、既存の前置歪みを改善（「キャリブレーション」）し得る。前置歪み波形生成は、レーザの歪み特性によってＬＩＤＡＲシステムにおいて有益であり得る。例えば、レーザ周波数を上および／または下に線形的に変更するためにＬＩＤＡＲシステムは、三角波形などの波形でレーザ周波数を駆動するように構成され得る。三角波形は、値が線形的に増加し、値が線形的に減少する。しかし、レーザの歪み特性により、レーザの周波数応答が線形的に増加する周波数と線形的に減少する周波数を有しない出力を生成し得る。ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムは、周波数変調（例えば、チャーピング）に依存するため、このようなシステムは、特定のＬＩＤＡＲシステムに統合されたレーザの歪み特性を補償する前置歪み波形の利点を得ることができる。前置歪み波形の即時（Ｉｎ－Ｐｌａｃｅ）または現場（Ｉｎ Ｓｉｔｕ）調整、改善、または較正は、各レーザのマイナーな固有動作特性を補償するという利点を提供する。

図４ａは、本開示の実施形態に係る前置歪み波形発生器４００を示す。前置歪み波形発生器４００は、関数定義ブロック４０１、パラメータセットブロック４０２、およびキャリブレーションユニット４０３を含む。ＬＩＤＡＲシステムの動作の前に、関数定義ブロック４０１は、メリット関数Ｆ（ｆ）を定義する。メリット関数Ｆ（ｆ）は、レーザを駆動するために使用されるチャープレーザ周波数の線形性（または形状）を定義したり、または定量化する。同様に、ＬＩＤＡＲシステムの動作の前に、パラメータセットブロック４０２は、レーザ駆動波形の形状／動作を定義する数字セットを含むパラメータｐを定義する。メリット関数Ｆ（ｆ）は、明示的にＬＩＤＡＲレーザをチャープするために使用される時間依存の周波数の関数であり得、明示的または暗黙的にパラメータｐに依存し得る。

キャリブレーションユニット４０３は、メリット関数Ｆ（ｆ）を最小化するパラメータｐを見つけるためにＬＩＤＡＲシステムに適用される。キャリブレーションユニット４０３は、レーザの歪み特性を補償するために前置歪み波形を生成するように構成される。キャリブレーションユニット４０３は、パラメータｐのセットのパラメータｐのそれぞれについて、メリット関数Ｆ（ｆ）に偏導関数（Ｐａｒｔｉａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）を適用することによって前置歪み波形を生成する。レーザの歪み特性を繰り返し識別することによって、キャリブレーションユニット４０３は、将来の使用においてレーザ駆動波形を定義するために格納されるパラメータｐのセットを再定義する。

前置歪み波形発生器４００は、ブロック４１９で動作を終了する。

図４ｂは、本開示の実施形態に係る前置歪み波形発生器４３０の例を示す。前置歪み波形発生器４３０は、前置歪み波形発生器４００（図４ａに示す）の例示的な具現である。

キャリブレーションユニット４０３は、前置歪み波形生成を支援するために複数の動作または処理ブロックを含む。キャリブレーションユニット４０３は、波形構成ブロック４０４、関数評価ブロック４０５、勾配推定ブロック４１１、および更新ブロック４１７を含む。波形構成ブロック４０４において、キャリブレーションユニット４０３は、関数定義ブロック４０１およびパラメータセットブロック４０２で定義されたメリット関数Ｆ（ｆ）およびパラメータｐから初期駆動波形Ｖ（ｔ、ｐ）を構成する。

次に、メリット関数Ｆ（ｆ）の値は、関数評価ブロック４０５で評価される。関数評価ブロック４０５は、いくつかの下位動作を含み得る。ブロック４０６で駆動波形Ｖ（ｔ、ｐ）の現在のバージョンがデジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）４０６にロードされる。ブロック４０７で駆動波形Ｖ（ｔ、ｐ）によって駆動されるレーザが定常状態動作に安定することが可能になる。ブロック４０８において、同相信号Ｉ_ｒｅｆおよび直交信号Ｑ_ｒｅｆは、短い基準干渉計（例えば、図１に示す固定長干渉計１０４）の出力で測定される。ブロック４０９において、同相信号Ｉ_ｒｅｆおよび直交信号Ｑ_ｒｅｆは、例えば、図３ｂの基準測定ユニット３０２について説明したように、時間依存のレーザ周波数ｆの推定値を計算するために使用される。ブロック４０９において、同相信号Ｉ_ｒｅｆおよび直交信号Ｑ_ｒｅｆは、直交信号Ｑ_ｒｅｆを同相信号Ｉ_ｒｅｆで除算し、除算結果のアークタンジェントを行い、アークタンジェント結果をアンラップし、固定長干渉計の相対遅延τで値を割ることによって、時間依存のレーザ周波数ｆの推定値を計算するのに使用される。ブロック４１０において、メリット関数Ｆ（ｆ）の現在値は、ブロック４０９からの時間依存の周波数を用いて計算される。

メリット関数Ｆ（ｆ）の現在値が関数評価ブロック４０５で評価された後、勾配推定ブロック４１１は、メリット関数Ｆ（ｆ）の勾配（Ｇｒａｄｉｅｎｔ）を推定するように構成される。勾配推定ブロック４１１は、それぞれのパラメータｐに対するメリット関数Ｆ（ｆ）の偏導関数を計算することによって勾配を決定するように構成される。ブロック４１２は、パラメータｐのｊ番目の要素を摂動させること、駆動波形の摂動されたバージョン（Ｖ（ｐ_ｉ＋Δｐ_ｊ））を計算すること、駆動波形の摂動されたバージョン（Ｖ（ｐ_ｉ＋Δｐ_ｊ））をＤＡＣにアップロードすることを含む。ブロック４１３は、例えば、関数評価ブロック４０５の下位演算を用いてメリット関数の対応する（摂動された）値Ｆ（ｐ_ｉ＋Δｐ_ｊ）を評価することを含む。ブロック４１４でメリット関数Ｆ（ｐ_ｉ＋Δｐ_ｊ）の偏導関数（（∂Ｆ／∂ｐ_ｊ））がパラメータｐのｊ番目の要素に対して推定される。偏導関数（∂Ｆ／∂ｐ_ｊ）は、有限差分を用いて近似化される。ブロック４１５で摂動のための追加のパラメータｐが存在するかどうかが決定される。パラメータｐに追加の要素が存在する場合、ブロック４１５は、ブロック４１６に進行し、ここでｊの値は増加し、勾配推定ブロック４１１は繰り返される。パラメータｐの各要素が評価された場合、ブロック４１５は、ブロック４１７に進行する。

更新ブロック４１７において、キャリブレーションユニット４０３は、（関数評価ブロック４０５からの）メリット関数Ｆ（ｆ）評価および（勾配推定ブロック４１１からの）メリット関数Ｆ（ｆ）の勾配推定に基づいてパラメータｐをアップデートする。ブロック４１８において、キャリブレーションユニット４０３は、収束チェックを行う。収束チェックは、パラメータｐで駆動するときに、レーザの周波数応答が定義されたメリット関数Ｆ（ｆ）とどれだけ近接して一致するかを評価するものである。メリット関数Ｆ（ｆ）が収束されると、パラメータｐの最終バージョンおよびこれに応じた最適化駆動信号Ｖ（ｔ、ｐ）が選択され、キャリブレーションユニット４０３は、ブロック４１９に進行して終了する。

図５ａおよび５ｂは、本開示の実施形態に係るＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムにおいて複数のターゲットを識別するために基準位相測定を使用するマルチターゲット識別システムの例を示す。マルチターゲット識別システムは、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲビート信号の複数の周波数スペクトルリターンピークペアに位相測定を適用する。

図５ａは、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムにおいて、複数のターゲットを識別するために基準位相測定を使用するためのマルチターゲット識別システム５００の例を示す。マルチターゲット識別システム５００は、ＬＩＤＡＲ測定ユニット５５１および基準測定ユニット５５２を含む。一実施形態によると、ＬＩＤＡＲ測定ユニット５５１は、ＬＩＤＡＲ測定ユニット３０１（図３ａおよび図３ｂに示す）の一部の特徴を含み、基準測定ユニット５５２は、基準測定ユニット３０２（図３ａおよび３ｂに示す）の一部の特徴を含む。

ＬＩＤＡＲ測定ユニット５５１は、複数のターゲットの距離を定めるように構成される。ＬＩＤＡＲ測定ユニット５５１は、レーザソースの上向き周波数チャープ（Ｃｈｉｒｐ）から生成された周波数スペクトルピークの第１セットを識別することによって複数のターゲットの距離を定めるように構成される。ＬＩＤＡＲ測定ユニット５５１は、レーザソースの下向き周波数チャープから生成された周波数スペクトルピークの第２セットを識別することによって複数のターゲットの距離を定めるように構成される。ＬＩＤＡＲ測定ユニット５５１は、周波数スペクトルピークの第１セットからのピークを周波数スペクトルピークの第２セットからのピークとペアリングすることによって、複数のターゲットそれぞれの存在を確認し、複数のターゲットそれぞれについての飛行時間を推定する。ＬＩＤＡＲ測定ユニット５５１は、周波数スペクトルピークが導出される自由空間ビート信号をデノイズするために基準ビート信号の位相φ_ｅｘ（ｔ）を用いるように構成される。

基準測定ユニット５５２は、固定長干渉計を用いてレーザソースの位相測定を提供するように構成される。基準測定ユニット５５２は、固定長干渉計からの基準ビート信号の位相φ_ｅｘ（ｔ）を決定し、ＬＩＤＡＲ測定ユニット５５１が位相ノイズを除去できるように基準ビート信号の位相φ_ｅｘ（ｔ）をＬＩＤＡＲ測定ユニット５５１に提供するように構成される。基準測定ユニット５５２は、上向き周波数チャープによって生成された第１基準ビート信号から第１位相を計算することができる。基準測定ユニット５５２は、下向き周波数チャープによって生成された第２基準ビート信号から第２位相を計算することができる。基準測定ユニット５５２は、第１基準ビートからの第１位相をＬＩＤＡＲ測定ユニット５５１に提供し、上向き周波数チャープの自由空間ビート信号からの位相ノイズ除去を可能にするように構成される。基準測定ユニット５５２は、第２基準ビートからの第２位相を用いて下向き周波数チャープ（Ｃｈｉｒｐ）の自由空間ビート信号からの位相ノイズを除去するように構成される。

マルチターゲット識別システム５００の動作は、ブロック５５３で終了する。

図５ｂは、本開示の実施形態に係るＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムにおいて複数のターゲットを識別するために基準位相測定を使用するマルチターゲット識別システム５７０の例を示す。マルチターゲット識別システム５７０は、マルチターゲット識別システム５００の例示的な具現である。

最初に、ビート信号は、レーザソースから生成される。ブロック５０１で上向き周波数チャープ（上向きランプ）を用いて自由空間干渉計から自由空間ビート信号が生成される。ブロック５０２で下向き周波数チャープ（下向きランプ）を用いて自由空間干渉計から自由空間ビート信号が生成される。両方の自由空間ビート信号は、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムを用いて収集される。このようなビート信号は、自由空間を通る距離および速度測定に対応する。ブロック５０３でアップランプビート信号のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）が計算され、最も高いＮピークの位置（周波数）は、アップランプに対する周波数スペクトルに位置する。ブロック５０４でダウンランプビート信号のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）が計算され、最も高いＮピークの位置（周波数）は、ダウンランプに対する周波数スペクトルに位置する。

自由空間干渉計測定と並列に、ブロック５０５および５０６で基準ビート信号が同じレーザソースから生成される。ブロック５０５で上向き周波数チャープ（上向きランプ）を用いて基準（固定長）干渉計から基準ビート信号が生成される。ブロック５０６で下向き周波数チャープ（下向きランプ）を用いて基準干渉計から基準ビート信号が生成される。ブロック５０７でアップランプビート信号の位相φ_ｅｘ（ｔ）が計算される。ブロック５０８でダウンランプビート信号の位相φ_ｅｘ（ｔ）が計算される。

アップランプＰＳＤおよびダウンランプＰＳＤにおけるＮ個の周波数スペクトルピークは、自由空間におけるＮ個の異なるリターン経路に対応する。アップランプＰＳＤの各ピークをダウンランプＰＳＤの各ピークと正しくペアリングすれば、このような経路の長さと該当経路の長が変更される速度（すなわち、対象の相対速度）を計算することができる。ブロック５０９において、アップランプＰＳＤの第１ピークは、ダウンランプＰＳＤの第１ピークとペアリングされる。このペアリングは、ターゲット距離、速度、および飛行時間τ_ｅｓｔについての推定値を生成する。ブロック５１０で基準干渉計から得られたレーザ上向きランプの時間依存位相φ_ｅｘ（ｔ）が遅延される。位相φ_ｅｘ（ｔ）に適用される遅延は、遅延した位相φ_ｅｘ（ｔ－τ_ｅｓｔ）を生成する推定飛行時間τ_ｅｓｔの持続時間である。ブロック５１１で遅延した位相φ_ｅｘ（ｔ－τ_ｅｓｔ）は、デルタ位相Δ_φ（ｔ）を生成するために、レーザアップランプの非遅延時間依存位相φ_ｅｘ（ｔ）から減算する。デルタ位相Δ_φ（ｔ）は、ブロック５０１で生成された自由空間ビート信号についての位相ノイズおよび非線形性の寄与の推定値である。ブロック５１２において、共役フェーザは、デルタ位相Δ_φ（ｔ）から構成される。ブロック５１３において、共役フェーザは、位相ノイズを除去し、デノイズされたビート信号を生成するために自由空間アップランプビート信号と乗算される。ブロック５１４でデノイズされたビート信号のＰＳＤが計算され、結果のピークが位置する。

ブロック５０９で識別されたそれぞれのピークセットが評価される。ブロック５１５でより多くの（評価されていない）ピークペアがアップおよびダウンランプＰＳＤに残っているかどうかを決定するためにピークペアが検査される。ピークペアが残っている場合、残りの各ペアについてブロック５０９～５１５が繰り返される。すべてのペアがテストされた場合、ブロック５１５は、ブロック５１６に進行する。ブロック５１６でどのペアが正確であったかを決定するために、各ペアについて計算されたＰＳＤのピーク値に対する比較が行われる（正しいペアは、ＰＳＤピーク値がアップランプで最大化される）。ブロック５１７でペアリングが正確であるかどうかを確認した後にピークペアが選択される。

ブロック５１７で正確なピークペアが選択された後、マルチターゲット識別システム５７０は、ブロック５５３に進行して動作を終了することができる。代替的に、ブロック５１７の後に、マルチターゲット識別システム５７０は、ダウンランプ信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上するために位相ノイズの除去を繰り返すことができる。ピークペアを用いて測定されたすべての経路長の距離が推定される。このような経路長に基づくか、または経路長についての推定された飛行時間τ_ｅｓｔに基づいて、ブロック５１８で遅延した位相φ_ｅｘ（ｔ－τ_ｅｓｔ）は、ダウンランプについて推定された時間依存位相φ_ｅｘ（ｔ）を遅延することによって生成される。ブロック５１９で遅延した位相φ_ｅｘ（ｔ－τ_ｅｓｔ）は、デルタ位相Δ_φ（ｔ）を生成するために、レーザダウンランプの非遅延時間依存位相φ_ｅｘ（ｔ）から減算する。デルタ位相Δ_φ（ｔ）は、ブロック５０２でダウンランプによって生成された自由空間ビート信号についての位相ノイズおよび非線形性の寄与の推定値である。ブロック５２０において、共役フェーザは、デルタ位相Δ_φ（ｔ）から構成される。ブロック５２１において、共役フェーザは、位相ノイズを除去し、デノイズされたビート信号を生成するために自由空間下向きランプビート信号と乗算される。ブロック５２２でデノイズされたビート信号のＰＳＤが計算され、結果のピークが位置する。ブロック５２３でピークペアが残っているかどうかを決定するために検査が行われる。そうであれば、ブロック５１８～５２３が繰り返される。すべてのピークが処理された場合、マルチターゲットの最終距離および速度が計算されることができ、ブロック５２３は、ブロック５５３に進行してマルチターゲット識別システム５７０の動作を終了する。

図６ａおよび図６ｂは、本開示の様々な実施形態によって位相推定、能動位相除去、前置歪み波形生成、およびピークペアリングフィット（Ｐｅａｋ Ｐａｉｒｉｎｇ Ｆｉｔ）を統合するＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムの動作サイクル６００の例を示す。

ブロック６０１においては、システムおよびレーザに電力が供給される。ブロック６０２において、レーザ温度は、温度センサー６０３によって生成されたデータを用いて安定化するように許容される。レーザ温度が安定化したら、ブロック６０５において、システムは、レーザ周波数を変調するために既存のレーザ駆動波形６０４をロードする。システムの摩耗、環境状態の変化などによってロードされたレーザ駆動波形６０４は、最適ではないことがある。ブロック６０６でレーザの周波数特性（例えば、チャープ率およびチャープ非線形性）が仕様を十分に満たすかどうかを決定するためにチェックが行われ得る。レーザ特性が仕様内にある場合、ブロック６０６は、ブロック６０９（図６ｂに示す）に進行する。レーザ特性が仕様から逸脱すると、ブロック６０６は、ブロック６０７に進行する。ブロック６０７でレーザ駆動波形６０４の現場（Ｉｎ Ｓｉｔｕ）改選が行われる。現場の改選は、前置歪み波形発生器４００および／または前置歪み波形発生器４３０（図４ａおよび図４ｂに示す）によって行われ得る。ブロック６０７は、ブロック６０８およびブロック６０９の両方に進行する（図６ｂに示す）。ブロック６０８でアップデートされた波形は、次の電源サイクルのために格納される。

図６ｂにおいては、レーザ駆動波形６０４の既存のバージョンが仕様を満たしているか、または代替的に現場改選が完了すると、ブロック６０９は、フレームデータをキャプチャするプロセスを開始する。ブロック６０９は、複数の下位動作を含み得る。レーザ周波数が変調されると、ブロック６１０においてＬＩＤＡＲシステムは、上向きランプ（周波数チャープ増加）が開始されたことを示すトリガを待つ。これに応答して、ブロック６１１で自由空間ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲ測定の性能がトリガされ、同時にブロック６１２で時間依存レーザ位相ゆらぎ（ノイズおよび非線形性）の測定がトリガされる。ブロック６１１および６１２に関連する動作は、光位相測定装置１００（図１に示す）に対応し得る。ブロック６１１およびブロック６１２の測定結果は、ブロック６１３で結合される。ブロック６１３の動作は、位相ノイズ除去システム３００（図３ａに示す）、位相ノイズ除去システム３４０（図３ｂに示す）、マルチターゲット識別システム５００（図５ａに示す）、および／またはマルチターゲット識別システム５７０（図５ｂに示す）の動作を示すことができる。ブロック６１３の動作は、自由空間ＬＩＤＡＲ測定の忠実度を向上させることができる。ブロック６１４でビート信号スペクトルが計算される。ブロック６１０～６１４は、ダウンランプに対して繰り返される。ブロック６１５でフィルタリングされた結果ＰＳＤに基づいてシーン内のポイントの距離および速度が計算されることができる。

典型的に、ＬＩＤＡＲフレームは、１つ以上のポイントを含む。ブロック６１６において、ＬＩＤＡＲシステムは、より多くのポイントがフレームに残っているかどうかを決定する。より多くのポイントがフレームに残っている場合、ブロック６１６は、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムによって放出されたビームの位置が修正されるブロック６１７に進行し、ブロック６１０～６１５のアップ／ダウンランプキャプチャプロセスが繰り返される。フレームのすべてのポイントがキャプチャされると、ブロック６１６は、ポイントクラウドが組み立てられるブロック６１８に進行して作業サイクル６００を完了する。

一部またはすべてのプロセスブロックがシステムおよびプロセス３００、３４０、４００、４３０、５００、５７０および／または６００に現れる順序は、限定的なものと見なされてはならない。むしろ、本開示の利点を有する当業者は、プロセスブロックの一部が例示されていない様々な順序で、または並列に行われ得ることを理解するであろう。

図７ａは、本開示の態様による図１～図６のＬＩＤＡＲ設計を含み得る例示的な自律車両７００を示す。図示された自律車両７００は、自律車両７００の動作を制御する目的で自律車両の外部環境の１つ以上のオブジェクトをキャプチャし、キャプチャされた１つ以上のオブジェクトに関連するセンサーデータを生成するように構成されたセンサーアレイを含む。図７ａは、センサー７３３Ａ、７３３Ｂ、７３３Ｃ、７３３Ｄおよび７３３Ｅを示す。図７Ｂは、センサー７３３Ａ、７３３Ｂ、７３３Ｃ、７３３Ｄおよび７３３Ｅに加えて、センサー７３３Ｆ、７３３Ｇ、７３３Ｈおよび７３３Ｉを含む自律車両７００の平面図を示す。任意のセンサー７３３Ａ、７３３Ｂ、７３３Ｃ、７３３Ｄ、７３３Ｅ、７３３Ｆ、７３３Ｇ、７３３Ｈおよび／または７３３Ｉは、図１～図６の設計を含むＬＩＤＡＲ装置を含み得る。図７ｃは、自律車両７００のための例示的なシステム７９９のブロック図を示す。例えば、自律車両７００は、エネルギーソース７０６によって動力の供給を受け、ドライブトレイン７０８に電力を提供できる原動機７０４を含むパワートレイン７０２を含み得る。自律車両７００は、方向制御７１２、パワートレイン制御７１４、およびブレーキ制御７１６を含む制御システム７１０をさらに含み得る。自律車両７００は、人および／または貨物を輸送することができ、様々な異なる環境で走行することができる車両を含む任意の数の異なる車両として具現できる。前述のコンポーネント７０２～７１６は、これらのコンポーネントが使用される車両の種類によって広範囲に変化する可能性があることを理解するであろう。

例えば、以下で説明する実施形態は、自動車、バン、トラック、またはバスなどの車輪付き陸上車両に焦点を合わせる。このような実施形態において、原動機７０４は、（その中でも）１つ以上の電気モータおよび／または内燃機関を含み得る。エネルギーソースは、例えば、燃料システム（例えば、ガソリン、ディーゼル、水素を提供する）、バッテリーシステム、ソーラーパネルまたは他の再生エネルギーソースおよび／または燃料電池システムを含み得る。ドライブトレイン７０８は、原動機７０４の出力を車両運動に変換するのに適したトランスミッションおよび／または任意の他の機械駆動コンポーネントとともにホイールおよび／またはタイヤを含み得るだけでなく、自律車両７００を制御可能に停止または減速するように構成される１つ以上のブレーキおよび自律車両７００の軌跡を制御するのに適した方向またはステアリングコンポーネント（例えば、自律車両７００の１つ以上のホイールが車両の縦軸に対するホイールの回転平面の角度を変更するために、一般に垂直軸を中心に旋回することを可能にするラックおよびピニオンステアリング接続装置）を含み得る。一部の実施形態において、パワートレインとエネルギーソースの組み合わせが使用できる（例えば、電気／ガスハイブリッド車両の場合）。一部の実施形態において、複数の電気モータ（例えば、個々の車輪または車軸専用）を原動機として使用できる。

方向制御７１２は、自律車両７００が望む軌跡に沿うことができるように、方向またはステアリングコンポーネントからフィードバックを制御かつ受信するための１つ以上のアクチュエーターおよび／またはセンサーを含み得る。パワートレイン制御７１４は、パワートレイン７０２の出力を制御するように構成され得るが、例えば、原動機７０４の出力電力を制御し、ドライブトレイン７０８の変速機ギアを制御することによって、自律車両７００の速度および／または方向を制御できる。ブレーキ制御７１６は、自律車両７００を減速または停止させる１つ以上のブレーキ、例えば、車両のホイールに結合されたディスクまたはドラムブレーキを制御するように構成され得る。

オフロード車両、オールテレーン（Ａｌｌ－Ｔｅｒｒａｉｎ）またはトラック車両、または建設装備を含むが、これらに限定されない他の車両タイプは、必然的に、本開示の利点を有する通常の技術者であれば理解する他のパワートレイン、ドライブトレイン、エネルギーソース、方向制御、パワートレイン制御、およびブレーキ制御を活用する。また、一部の実施形態において、一部のコンポーネントは結合され得るが、例えば、車両の方向制御は、主に１つ以上の原動機の出力を変更することによって処理できる。したがって、本明細書に開示された実施形態は、車輪付き陸上自律車両における本明細書に説明された技術の特定の用途に限定されない。

図示の実施形態において、自律車両７００についての自律制御は、車両制御システム７２０で具現され、これは、処理ロジック７２２内の１つ以上のプロセッサおよび１つ以上のメモリ７２４を含み得、処理ロジック７２２は、メモリ７２４に格納されたプログラムコード（例えば、命令７２６）を実行するように構成される。処理ロジック７２２は、例えば、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）および／または中央処理装置（ＣＰＵ）を含み得る。車両制御システム７２０は、ＬＩＤＡＲピクセルの光ミキサの出力に応答して自律車両７００のパワートレイン７０２を制御するように構成され得る。車両制御システム７２０は、複数のＬＩＤＡＲピクセルからの出力に応答して自律車両７００のパワートレイン７０２を制御するように構成され得る。車両制御システム７２０は、ＦＰＡシステム２０２から受信された信号に基づいて生成されたマイクロコンピュータ２０３からの出力に応答して自律車両７００のパワートレイン７０２を制御するように構成され得る。

センサー７３３Ａ～７３３Ｉは、自律車両の動作を制御するのに使用するために自律車両の周辺環境からデータを収集するのに適した様々なセンサーを含み得る。例えば、センサー７３３Ａ～７３３Ｉは、ＲＡＤＡＲユニット７３４、ＬＩＤＡＲユニット７３６、３Ｄポジショニングセンサー７３８、例えば、ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、ＢｅｉＤｏｕ、Ｇａｌｉｌｅｏ、またはＣｏｍｐａｓｓなどの衛星航法システムを含み得る。図１～図６のＬＩＤＡＲ設計は、ＬＩＤＡＲユニット７３６に含まれ得る。ＬＩＤＡＲユニット７３６は、例えば、自律車両７００の周囲に分散した複数のＬＩＤＡＲセンサーを含み得る。一部の実施形態において、３Ｄポジショニングセンサー７３８は、衛星信号を用いて地球上の車両の位置を決定し得る。センサー７３３Ａ～７３３Ｉは、選択的に１つ以上の超音波センサー、１つ以上のカメラ７４０、および／または慣性測定ユニット（ＩＭＵ）７４２を含み得る。一部の実施形態において、カメラ７４０は、静止画および／またはビデオ画像を記録することができるモノグラフィックカメラまたはステレオグラフィックカメラであり得る。カメラ７４０は、自律車両７００の外部環境にある１つ以上のオブジェクトのイメージをキャプチャするように構成されたＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサーを含み得る。ＩＭＵ７４２は、３つの方向で自律車両７００の線形および回転運動を検出できるマルチジャイロスコープおよび加速度計を含み得る。ホイールエンコーダなどの１つ以上のエンコーダ（図示せず）は、自律車両７００の１つ以上のホイールの回転をモニタリングするために使用できる。

センサー７３３Ａ～７３３Ｉの出力は、位置推定（Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ）サブシステム７５２、軌跡サブシステム７５６、知覚サブシステム７５４、および制御システムインターフェース７５８を含む制御サブシステム７５０に提供され得る。位置推定サブシステム７５２は、周辺環境内で、そして一般的に特定の地理的領域内で自律車両７００の位置および（また、時々「姿勢」とも呼ばれる）方向を決定するように構成され得る。自律車両の位置は、ラベル付き自律車両データ生成の一部として、同じ環境内の追加車両の位置と比較できる。知覚サブシステム７５４は、自律車両７００を囲む環境内のオブジェクトを検出、追跡、分類および／または決定するように構成され得る。軌跡サブシステム７５６は、特定のタイムフレームにわたって希望する目的地が与えられた自律車両７００についての軌跡だけでなく、環境内で静止および移動するオブジェクトの軌跡を生成するように構成され得る。一部の実施形態による機械学習モデルは、車両軌跡を生成するために活用できる。制御システムインターフェース７５８は、自律車両７００の軌跡を実施するために制御システム７１０と通信するように構成される。一部の実施形態において、機械学習モデルは、計画された軌跡を実施するために自律車両を制御するために活用できる。

図７に示す車両制御システム７２０についてのコンポーネントの集合は、本質的に単なる例示であることが理解されるであろう。個々のセンサーは、一部の実施形態においては省略され得る。一部の実施形態において、図７ｃに示される異なるタイプのセンサーが自律車両を囲む環境で冗長的におよび／または異なる領域をカバーするために使用できる。一部の実施形態において、制御サブシステムの異なるタイプおよび／または組み合わせが使用できる。また、サブシステム７５２～７５８は、処理ロジック７２２およびメモリ７２４とは別のものとして示されているが、一部の実施形態において、サブシステム７５２～７５８の機能のうちの一部または全部は、メモリ７２４に常駐し、処理ロジック７２２によって行われる命令７２６などのプログラムコードで具現でき、これらのサブシステム７５２～７５８は、場合によっては、同じプロセッサおよび／またはメモリを使用して具現できることが理解されるであろう。一部の実施形態において、サブシステムは、様々な専用回路ロジック、様々なプロセッサ、様々なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、様々なＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、様々なリアルタイムコントローラなどで具現でき、前述したように、複数のサブシステムが回路、プロセッサ、センサー、および／または他のコンポーネントを活用できる。また、車両制御システム７２０の様々なコンポーネントは、様々な方法でネットワーク化することができる。

一部の実施形態において、自律車両７００は、また、自律車両７００のための冗長またはバックアップ制御システムとして使用できる２次車両制御システム（図示せず）を含み得る。一部の実施形態において、２次車両制御システムは、特定イベントに応答して自律車両７００を操作できる。２次車両制御システムは、１次車両制御システム７２０で検出された特定イベントに応答して制限された機能のみを有し得る。また他の実施形態において、２次車両制御システムは、省略され得る。

一部の実施形態において、ソフトウェア、ハードウェア、回路ロジック、センサー、およびネットワークの様々な組み合わせを含む異なるアーキテクチャが図７ｃに示される様々なコンポーネントを具現するために使用できる。それぞれのプロセッサは、例えば、マイクロプロセッサとして具現でき、それぞれのメモリは、メインストレージだけでなく、メモリの任意の補助レベル、例えば、キャッシュメモリ、不揮発性またはバックアップメモリ（例えば、プログラマブルまたはフラッシュメモリ）、またはリードオンリーメモリを意味し得る。また、それぞれのメモリは、例えば、大容量格納装置または他のコンピュータコントローラに格納されているような仮想メモリとして使用される任意の格納容量だけでなく、自律車両７００の他の場所に物理的に位置したメモリストレージ、例えば、プロセッサの任意のキャッシュメモリを含むものと見なすことができる。図７ｃに示される処理ロジック７２２、または完全に別個の処理ロジックは、自律制御の目的以外に自律車両７００で追加の機能を実施するために、例えば、エンターテインメントシステムを制御したり、ドア、照明、または便宜機能を操作するために使用できる。

また、追加の格納のために、自律車両７００は、また、１つ以上の大容量格納装置、例えば、リムーバブルディスクドライブ、ハードディスクドライブ、直接アクセス格納装置（「ＤＡＳＤ」）、光ドライブ（例えば、ＣＤドライブ、ＤＶＤドライブ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｄｒｉｖｅ）、ネットワーク接続ストレージ、ストレージエリアネットワーク、および／またはテープドライブなどを含み得る。また、自律車両７００は、自律車両７００が乗客から複数の入力を受信し、乗客のための出力を生成するためのユーザーインターフェース７６４、例えば、１つ以上のディスプレイ、タッチスクリーン、音声および／またはジェスチャーインターフェース、ボタン、およびその他の触覚コントロールを含み得る。一部の実施形態において、乗客からの入力は、他のコンピュータまたは電子装置を介して、例えば、モバイル装置のアプリを介して、またはウェブインターフェースを介して受信され得る。

一部の実施形態において、自律車両７００は、１つ以上のネットワーク７７０（例えば、ローカルエリアネットワーク（「ＬＡＮ」）、ワイドエリアネットワーク（「ＷＡＮ」）、無線ネットワーク、および／またはインターネットなど）と通信するのに適している１つ以上のネットワークインターフェース、例えば、ネットワークインターフェース７６２を含み得、これにより、例えば、自律車両７００が自律制御に使用するために環境およびその他のデータを受信するためのクラウドサービスなどの中央サービスを含む他のコンピュータおよび電子装置との情報通信を可能にすることができる。一部の実施形態において、１つ以上のセンサー７３３Ａ～７３３Ｉによって収集されたデータは、追加処理のためにネットワーク７７０を介してコンピューティングシステム７７２にアップロードされることができる。このような実施形態において、タイムスタンプは、アップロード前に車両データの各インスタンスに関連付けることができる。

本明細書に開示される様々な追加のコントローラおよびサブシステムだけでなく、図７ｃに示される処理ロジック７２２は、一般に、オペレーティングシステムの制御下で動作かつ実行されるか、そうでなければ以下に詳細に説明される様々なコンピュータソフトウェアアプリケーション、コンポーネント、プログラム、オブジェクト、モジュール、またはデータ構造に依存する。さらに、様々なアプリケーション、コンポーネント、プログラム、オブジェクト、またはモジュールは、ネットワーク７７０を介して、例えば、分散、クラウドベース、またはクライアント－サーバコンピューティング環境で自律車両７００に結合された他のコンピュータの１つ以上のプロセッサで行い得、これにより、コンピュータプログラムの機能を具現するために必要な処理がネットワークを介して複数のコンピュータおよび／またはサービスに割り当てられる。

本明細書に記載されている様々な実施形態を具現するために実行されるルーチンは、オペレーティングシステムの一部または特定のアプリケーション、コンポーネント、プログラム、オブジェクト、モジュール、または命令シーケンス、またはそのサブセットの一部として具現されているかどうかにかかわらず、ここで「プログラムコード」 と呼ばれる。プログラムコードは、一般に、様々なメモリおよび格納装置に常駐する１つ以上の命令を含み、１つ以上のプロセッサによって読み取りおよび実行されるとき、本開示の様々な態様を具現するステップまたは要素を実行するために必要なステップを実行する。さらに、実施形態は、完全に機能するコンピュータおよびシステムの文脈で説明されており、今後もそうであろうが、本明細書に記載されている様々な実施形態は、様々な形態のプログラム製品として配布されることができ、実施形態が実際に配布を実行するために使用される特定のタイプのコンピュータ読み取り可能な媒体に関係なく具現できることが理解されるであろう。コンピュータ読み取り可能な媒体の例としては、揮発性および不揮発性メモリデバイス、フロッピーおよび他のリムーバブルディスク、ソリッドステートドライブ、ハードディスクドライブ、磁気テープおよび光ディスク（例えば、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ）のようなタイプの非一時的な媒体を含む。

また、以下で説明される様々なプログラムコードは、特定の実施形態で具現されるアプリケーションに基づいて識別できる。しかし、以下の任意の特定のプログラム命名法は、単に便宜のために使用されたものであり、したがって、本発明は、このような命名法によって識別および／または暗示された任意の特定アプリケーションでのみ使用するように制限されてはならないことを理解するべきである。さらに、コンピュータプログラムがルーチン、手順、方法、モジュール、オブジェクトなどで構成できる一般に無限の数の方式およびプログラム機能が通常のコンピュータ（例えば、オペレーティングシステム、ライブラリ、ＡＰＩ、アプリケーション、アプレット）内に常駐する様々なソフトウェア層の間に割り当てられる様々な方式を考慮するとき、本開示は、本明細書に記載のプログラム機能の特定の組織および割り当てに限定されないことを理解するべきである。

本開示の利点を有する当業者は、図７ｃに示す例示的な環境が本明細書に開示された実施形態を制限することを意図していないことを認識するであろう。実際、当業者は、本明細書に開示された実施形態の範囲から逸脱することなく、他の代替ハードウェアおよび／またはソフトウェア環境を使用できることを認識するであろう。

本明細書において、「処理ロジック」（例えば、処理ロジック７２２）という用語は、本明細書に開示されている動作を実行するための１つ以上のプロセッサ、マイクロプロセッサ、マルチコアプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、および／またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）を含み得る。一部の実施形態において、メモリ（図示せず）は、演算を実行および／またはデータを格納するための命令を格納するために処理ロジックに統合される。また、処理ロジックは、本開示の実施形態に係る動作を実行するためのアナログまたはデジタル回路を含み得る。

本明細書における「ユニット（Ｕｎｉｔ）」は、ハードウェアコンポーネント（例えば、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＲ、ＸＯＲゲート）で構成され得、１つ以上のプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡまたは光子集積回路（ＰＩＣ）に内蔵された回路として実装、および／またはＬＩＤＡＲシステム内の１つ以上のメモリに格納されたソフトウェア命令として部分的に定義されることができる。例えば、本開示の実施形態によって本明細書に開示される様々なユニットは、ＬＩＤＡＲ処理エンジン２０１、マイクロコンピュータ２０３、レーザ制御器２０５、および／またはＦＰＡドライバ２０９（図２に示される）で少なくとも部分的に具現できる。

本明細書で説明する「メモリ」または「複数のメモリ」は、１つ以上の揮発性または不揮発性メモリアーキテクチャを含み得る。「メモリ」または「複数のメモリ」は、コンピュータ読み取り可能な命令、データ構造、プログラムモジュール、または他のデータなどの情報格納のための任意の方法または技術で具現された取り外し可能および取り外し不可能媒体であり得る。メモリ技術の例においては、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ、高精細マルチメディア／データ格納ディスクまたはその他の光記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク格納装置、またはコンピューティング装置によってアクセスを可能にするように情報を格納するために使用できるその他の非送信媒体を含み得る。

ネットワークは、ピアツーピアネットワーク、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、インターネットなどのパブリックネットワーク、プライベートネットワーク、セルラーネットワーク、無線ネットワーク、有線ネットワーク、有無線組み合わせのネットワーク、および衛星ネットワークなどの任意のネットワークまたはネットワークシステムを含むが、これらに 限定されない。

通信チャネルは、ＩＥＥＥ８０２．１１プロトコル、ＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）、Ｉ^２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ－Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｐｏｒｔ）、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、セルラーデータプロトコル（例えば、３Ｇ、４Ｇ、ＬＴＥ、５Ｇ）、光通信ネットワーク、インターネットサービスプロバイダ（ＩＳＰ）、ピアツーピアネットワーク、ＬＡＮ、ＷＡＮ、パブリックネットワーク（例えば、「インターネット」）、プライベートネットワーク、衛星ネットワークまたは他のものを用いる１つ以上の有線または無線通信を含むか、またはこれによってルーティングされることができる。

コンピューティング装置は、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレット、ファブレット、スマートフォン、フィーチャーホン、サーバコンピュータなどを含み得る。サーバコンピュータは、データセンターに遠隔に位置するか、またはローカルに格納できる。

前述したプロセスは、コンピュータソフトウェアおよびハードウェアの側面で説明される。説明された技術は、機械によって実行されるときに、機械が説明された動作を実行させる有形または非一時的な機械（例えば、コンピュータ）読み取り可能な格納 媒体内に具現された機械実行可能命令を構成し得る。さらに、プロセスは、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）などのハードウェア内に具現できる。

有形の非一時的な機械可読格納媒体は、機械（例えば、コンピュータ、ネットワーク装置、ＰＤＡ、製造ツール、１つ以上のプロセッサセットを有する任意の装置など）によってアクセス可能な形態の情報を提供（例えば、格納）するための任意のメカニズムを含み得る。例えば、機械可読格納媒体は、記録可能／記録不可能媒体（例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、磁気ディスク格納媒体、光格納媒体、フラッシュメモリ装置など）を含む。

要約書に説明されたものを含め、本開示の例示された実施形態についての前述の説明は、本開示を開示された正確な形態に限定したり徹底的に意図しない。本開示の特定の実施形態および例示が例示的な目的で本明細書に説明されているが、関連技術分野の技術者が認識するように、本開示の範囲内で様々な修正が可能である。

このような本発明の修正は、前述の詳細な説明に照らして行われ得る。以下の特許請求の範囲で使用される用語は、本開示を本明細書に開示された特定の実施形態に限定するものと解釈されてはならない。むしろ、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって完全に決定されるべきであり、これは特許請求の範囲の解釈の確立された原則に従って解釈されるべきである。

Claims (15)

1. レーザビームがレーザソースとターゲットとの間を移動する時間を推定するＬＩＤＡＲ測定ユニットと、
   前記レーザソースの位相を決定するように構成される基準測定ユニットと、
   前記レーザソースの位相および前記レーザビームが移動する時間に少なくとも部分的に基づいて、前記レーザビームを表す信号から位相ノイズを除去するように構成される位相除去ユニットと、を含む
   ＬＩＤＡＲシステム。
2. 自由空間干渉計と、
   固定長干渉計と、をさらに含み、
   前記レーザビームを表す信号は、前記自由空間干渉計から受信された第１ビート信号であり、
   前記レーザソースの位相は、前記固定長干渉計から受信された第２ビート信号から計算され、
   前記レーザソースは、前記自由空間干渉計と前記固定長干渉計に同時にレーザビームを供給する
   請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
3. 前記自由空間干渉計は、第１局部発振器信号およびターゲット反射信号を結合して前記第１ビート信号を生成し、
   前記固定長干渉計は、第２局部発振器信号および固定長光遅延線によって遅延した固定長信号を結合して前記第２ビート信号を生成する
   請求項２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
4. 前記位相除去ユニットは、前記ＬＩＤＡＲ測定ユニットで推定された前記レーザビームの移動時間だけ前記レーザソースの位相を遅延させるように構成される遅延演算を通じて前記レーザソースの遅延位相を生成する
   請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
5. 前記位相除去ユニットは、前記レーザソースの位相から前記レーザソースの遅延した位相を減算して前記レーザソースのデルタ位相を生成し、
   前記レーザソースの前記デルタ位相は、前記レーザビームを表す信号内の位相ノイズを表す
   請求項４に記載のＬＩＤＡＲシステム。
6. 前記位相除去ユニットは、前記レーザビームを表す信号に前記デルタ位相の複素共役（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｃｏｎｊｕｇａｔｅ）を乗じて位相ノイズを除去する
   請求項５に記載のＬＩＤＡＲシステム。
7. 前記位相ノイズが除去された前記レーザビームを表す信号であるデノイズされた信号（Ｄｅｎｏｉｓｅｄ Ｓｉｇｎａｌ）から前記レーザソースと前記ターゲットとの間の距離を計算するように構成される距離計算ユニットをさらに含む
   請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
8. 前記距離計算ユニットは、前記デノイズされた信号の周波数を決定し、
   前記デノイズされた信号の前記周波数は、前記デノイズされた信号の周波数表現のピーク振幅に基づいて決定される
   請求項７に記載のＬＩＤＡＲシステム。
9. 前記ＬＩＤＡＲシステムは、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）ＬＩＤＡＲシステムである
   請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
10. 前記基準測定ユニットは、固定長干渉計からの同相信号（Ｉｎ－ｐｈａｓｅ Ｓｉｇｎａｌ）および直交信号（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｓｉｇｎａｌ）に少なくとも部分的に基づいて前記レーザソースの位相を決定する
    請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
11. 前記レーザソースの前記位相を決定するために、前記基準測定ユニットは、前記同相信号で割った前記直交信号にアークタンジェント演算（Ａｒｃｔａｎｇｅｎｔ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を適用し、前記アークタンジェント演算からの出力に積分演算（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を適用するように構成される
    請求項１０に記載のＬＩＤＡＲシステム。
12. 前記レーザビームの移動時間を推定するために、前記ＬＩＤＡＲ測定ユニットは、自由空間干渉計からビート信号の周波数を決定するように構成され、
    前記ビート信号の周波数は、前記ビート信号の周波数表現の少なくとも１つのピーク振幅に基づいて決定される
    請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
13. 前記ＬＩＤＡＲシステムは、周波数変調およびコリメートされた前記レーザビームで前記ターゲットの距離および速度を直接測定するように構成される
    請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
14. 請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステムを含む
    自律車両制御システム。
15. 請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステムを含む
    自律車両。