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KR102645289B1 - 라이다 위상 노이즈 제거 시스템 - Google Patents

라이다 위상 노이즈 제거 시스템 Download PDF

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KR102645289B1
KR102645289B1 KR1020237009497A KR20237009497A KR102645289B1 KR 102645289 B1 KR102645289 B1 KR 102645289B1 KR 1020237009497 A KR1020237009497 A KR 1020237009497A KR 20237009497 A KR20237009497 A KR 20237009497A KR 102645289 B1 KR102645289 B1 KR 102645289B1
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laser beam
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laser
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앤드류 스테일 마이클스
센 린
Original Assignee
오로라 오퍼레이션스, 인크.
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Abstract

LIDAR(Light Detection and Ranging) 시스템은 LIDAR 측정 유닛, 기준 측정 유닛 및 위상 제거 유닛을 포함한다. LIDAR 측정 유닛은 레이저 빔이 이동하는 시간을 추정한다. 기준 측정 유닛은 레이저 소스의 위상을 결정한다. 위상 제거 유닛은 레이저 소스의 위상과 레이저 빔이 이동하는 시간에 적어도 부분적으로 기초하여 위상 노이즈를 식별하고 레이저 빔에서 위상 노이즈를 제거한다. 노이즈가 제거된 신호는 레이저 소스와 타겟 사이의 거리를 결정하는 데 이용된다.

Description

라이다 위상 노이즈 제거 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 9월 4일자로 출원된 미국 임시 출원 제63/074,832호에 대한 우선권을 주장하는, 2021년 8월 31일자로 출원된 미국 특허출원 제17/463,263호에 대한 우선권을 주장한다. 출원 제17/463,263호 및 제63/074,832호는 참조로 본 명세서에 포함된다.
본 개시는 일반적으로 광 검출 및 거리 측정(LIDAR)과 관련된다.
주파수 변조 연속파(FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave) LIDAR는 주파수 변조된 콜리메이트된 광빔을 타겟에 향하게 하여 물체의 거리와 속도를 직접 측정한다. 타겟의 거리 및 속도 정보는 FMCW LIDAR 신호로부터 도출될 수 있다. LIDAR 신호의 정확도를 높이는 설계 및 기술이 바람직하다.
자동차 산업은 현재 특정 상황에서 차량을 제어하기 위한 자율 기능을 개발하고 있다. SAE International 표준 J3016에 따르면, 레벨 0(자율 없음)에서 레벨 5(모든 조건에서 운전자 입력 없이 작동할 수 있는 차량)까지 6 단계의 자율성이 존재한다. 자율 기능을 갖춘 차량은 센서를 이용하여 차량이 이동하는 환경을 감지한다. 센서에서 데이터를 수집하고 처리함으로써 차량은 주변 환경을 탐색할 수 있다. 자율 차량에는 환경을 감지하기 위한 하나 이상의 FMCW LIDAR 장치가 포함될 수 있다.
본 개시의 구현은 LIDAR 측정 유닛, 기준 측정 유닛 및 위상 제거 유닛을 포함하는 LIDAR(Light Detection and Ranging) 시스템을 포함한다. LIDAR 측정 유닛은 레이저 빔이 레이저 소스와 타겟 사이를 이동하는 시간을 추정하도록 구성된다. 기준 측정 유닛은 레이저 소스의 위상을 결정하도록 구성된다. 위상 제거 유닛은 레이저 소스의 위상 및 레이저 빔이 이동하는 시간에 적어도 부분적으로 기초하여, 레이저 빔을 나타내는 신호로부터 위상 노이즈를 제거하도록 구성된다.
일 구현에서, LIDAR 시스템은 자유 공간 간섭계 및 고정 길이 간섭계를 더 포함한다. 레이저 빔을 나타내는 신호는 자유 공간 간섭계로부터 수신된 제1 비트 신호이다. 레이저 소스의 위상은 고정 길이 간섭계로부터 수신된 제2 비트 신호로부터 계산된다. 레이저 소스는 자유 공간 간섭계와 고정 길이 간섭계로 레이저 빔을 동시에 공급한다.
일 구현에서, 자유 공간 간섭계는 제1 국부 발진기 신호를 타겟 반사 신호와 결합하여 제1 비트 신호를 생성하고, 고정 길이 간섭계는 제2 국부 발진기 신호를 고정 길이 광 지연 라인에 의해 지연된 고정 길이 신호와 결합하여 제2 비트 신호를 생성한다.
일 구현에서, 위상 제거 유닛은 LIDAR 측정 유닛에서 추정된 레이저 빔의 이동 시간만큼 레이저 소스의 위상을 지연시키도록 구성되는 지연 연산을 통해 레이저 소스의 지연 위상을 생성한다.
일 구현에서, 위상 제거 유닛은 레이저 소스의 위상으로부터 레이저 소스의 지연된 위상을 감산하여 레이저 소스의 델타 위상을 생성하고, 레이저 소스의 델타 위상은 레이저 빔을 나타내는 신호 내의 위상 노이즈를 나타낸다.
일 구현에서, 위상 제거 유닛은 레이저 빔을 나타내는 신호에 델타 위상의 복소공액을 곱하여 위상 노이즈를 제거한다.
일 구현에서, LIDAR 시스템은 위상 노이즈가 제거된 레이저 빔을 나타내는 신호인 디노이즈된 신호(denoised signal)로부터 레이저 소스와 타겟 사이의 거리를 계산하도록 구성되는 거리 계산 유닛을 더 포함한다.
일 구현에서, 거리 계산 유닛은 디노이즈된 신호의 주파수를 결정하고, 디노이즈된 신호의 주파수는 디노이즈된 신호의 주파수 표현의 피크 진폭에 기초하여 결정된다.
일 구현에서, LIDAR 시스템은 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) LIDAR 시스템이다.
일 구현에서, 기준 측정 유닛은 고정 길이 간섭계로부터의 동위상 신호(in-phase signal) 및 직교 신호(quadrature signal)에 적어도 부분적으로 기초하여 레이저 소스의 위상을 결정한다.
일 구현에서, 레이저 소스의 위상을 결정하기 위하여, 기준 측정 유닛은 동위상 신호로 나눈 직교 신호에 아크탄젠트 연산(arctangent operation)을 적용하고, 아크탄젠트 연산으로부터의 출력에 적분 연산(integration operation)을 적용하도록 구성된다.
일 구현에서, 레이저 빔의 이동 시간을 추정하기 위하여, LIDAR 측정 유닛은 자유 공간 간섭계로부터 비트 신호의 주파수를 결정하도록 구성되며, 비트 신호의 주파수는 비트 신호의 주파수 표현의 적어도 하나의 피크 진폭에 기초하여 결정된다.
본 개시의 구현은 LIDAR 시스템을 포함하는 자율 차량 제어 시스템을 포함한다. LIDAR 시스템은 LIDAR 측정 유닛, 기준 측정 유닛 및 위상 제거 유닛을 포함한다. LIDAR 측정 유닛은 레이저 빔이 레이저 소스와 타겟 사이를 이동하는 시간을 추정하도록 구성된다. 기준 측정 유닛은 레이저 소스의 위상을 결정하도록 구성된다. 위상 제거 유닛은 레이저 소스의 위상 및 레이저 빔이 이동하는 시간에 적어도 부분적으로 기초하여, 레이저 빔을 나타내는 신호로부터 위상 노이즈를 제거하도록 구성된다. 자율 차량 제어 시스템은 위상 제거 유닛에서 출력되는 신호에 응답하여 자율 차량 제어 시스템을 제어하기 위한 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
일 구현에서, LIDAR 시스템은 자유 공간 간섭계 및 고정 길이 간섭계를 더 포함한다. 레이저 빔을 나타내는 신호는 자유 공간 간섭계로부터 수신된 제1 비트 신호이다. 레이저 소스의 위상은 고정 길이 간섭계로부터 수신된 제2 비트 신호로부터 계산된다. 레이저 소스는 자유 공간 간섭계와 고정 길이 간섭계로 레이저 빔을 동시에 공급한다.
일 구현에서, 위상 제거 유닛은 LIDAR 측정 유닛에서 추정된 레이저 빔의 이동 시간만큼 레이저 소스의 위상을 지연시키도록 구성되는 지연 연산을 통해 레이저 소스의 지연 위상을 생성한다.
일 구현에서, 위상 제거 유닛은 레이저 소스의 위상으로부터 레이저 소스의 지연된 위상을 감산하여 레이저 소스의 델타 위상을 생성하고, 레이저 소스의 델타 위상은 레이저 빔을 나타내는 신호 내의 위상 노이즈를 나타낸다. 위상 제거 유닛은 레이저 빔을 나타내는 신호에 델타 위상의 복소공액을 곱하여 위상 노이즈를 제거하도록 구성된다.
본 개시의 구현은 LIDAR 시스템을 포함하는 자율 차량용 자율 차량 시스템을 포함한다. LIDAR 시스템은 LIDAR 측정 유닛, 기준 측정 유닛 및 위상 제거 유닛을 포함한다. LIDAR 측정 유닛은 레이저 빔이 레이저 소스와 타겟 사이를 이동하는 시간을 추정하도록 구성된다. 기준 측정 유닛은 레이저 소스의 위상을 결정하도록 구성된다. 위상 제거 유닛은 레이저 소스의 위상 및 레이저 빔이 이동하는 시간에 적어도 부분적으로 기초하여 레이저 빔을 나타내는 신호로부터 위상 노이즈를 제거하도록 구성된다. 자율 차량은 위상 제거 유닛에 의해 출력된 신호에 응답하여 자율 차량을 제어하기 위한 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
일 구현에서, LIDAR 시스템은 자유 공간 간섭계 및 고정 길이 간섭계를 더 포함한다. 레이저 빔을 나타내는 신호는 자유 공간 간섭계로부터 수신된 제1 비트 신호이다. 레이저 소스의 위상은 고정 길이 간섭계로부터 수신된 제2 비트 신호로부터 계산된다. 레이저 소스는 자유 공간 간섭계와 고정 길이 간섭계로 동시에 레이저 빔을 공급한다.
일 구현에서, 위상 제거 유닛은 LIDAR 측정 유닛에서 추정된 레이저 빔의 이동 시간만큼 레이저 소스의 위상을 지연시키도록 구성되는 지연 연산을 통해 레이저 소스의 지연 위상을 생성하도록 구성된다.
일 구현에서, 위상 제거 유닛은 레이저 소스의 위상으로부터 레이저 소스의 지연된 위상을 감산하여 레이저 소스의 델타 위상을 생성하도록 구성된다. 레이저 소스의 델타 위상은 레이저 빔을 나타내는 신호 내의 위상 노이즈를 나타낸다. 위상 제거 유닛은 레이저 빔을 나타내는 신호에 델타 위상의 복소공액을 곱하여 위상 노이즈를 제거하도록 구성된다.
본 개시의 구현은 레이저 파형 함수, 파라미터 세트 및 캘리브레이션 유닛을 포함하는 LIDAR 시스템을 포함한다. 레이저 파형 함수는 레이저 파형을 정의한다. 파라미터 세트는 적어도 부분적으로 레이저 파형을 정의한다. 캘리브레이션 유닛은 파라미터 세트의 각 파라미터에 대한 주파수 응답의 편도함수를 추정하도록 구성된다. 주파수 응답은 레이저 파형에 의해 구동되는 레이저 출력에서 측정된다. 캘리브레이션 유닛은 레이저의 주파수 응답이 레이저 파형 기능에 의해 정의된 조건을 만족하도록 파라미터 세트를 업데이트하도록 구성된다.
일 구현에서, LIDAR 시스템은 고정 길이 간섭계를 더 포함한다. 캘리브레이션 유닛은 고정 길이 간섭계로부터 동위상 신호 및 직각 위상 신호를 수신하도록 구성된다. 캘리브레이션 유닛은 동위상 신호 및 직교 신호에 기초하여 레이저의 주파수 응답을 결정하도록 구성된다.
일 구현에서, 캘리브레이션 유닛은 레이저 파형 함수 및 파라미터 세트에 기초하여 레이저 파형을 반복적으로 구성한다. 파라미터 세트는 파라미터 세트의 하나 이상의 업데이트된 버전으로 대체되는 파라미터 세트의 초기 버전을 포함한다.
일 구현에서, 캘리브레이션 유닛은 파라미터 세트의 업데이트된 버전으로 레이저의 주파수 응답을 반복적으로 평가하도록 구성된다.
[0029] 일 구현에서, 레이저의 주파수 응답을 반복적으로 평가하기 위해, 캘리브레이션 유닛은 레이저 파형을 디지털-아날로그 변환기에 로드하고, 레이저가 안정될 때까지 대기하고, 간섭계로부터의 출력을 측정하고, 간섭계로부터의 출력으로부터 주파수 응답을 계산하도록 구성된다.
일 구현에서, 캘리브레이션 유닛은 레이저 파형 함수의 기울기를 추정하도록 구성된다.
일 구현에서, 레이저 파형 함수의 기울기를 추정하기 위해, 캘리브레이션 유닛은 레이저 파형의 섭동된 버전(perturbed version)을 계산하고, 레이저 파형의 섭동된 버전을 디지털-아날로그 변환기에 로드하고, 레이저로부터의 출력을 측정하고, 레이저 파형 함수의 섭동된 버전을 평가하도록 구성된다.
일 구현에서, 레이저 파형의 섭동된 버전은 파라미터 세트의 제1 파라미터와 파라미터 세트의 제2 파라미터 사이의 차이를 포함한다.
일 구현에서, 캘리브레이션 유닛은 파라미터 세트의 각 파라미터에 대한 주파수 응답의 편도함수에 기초하여 파라미터 세트를 업데이트하도록 구성된다.
일 구현에서, 캘리브레이션 유닛은 레이저의 왜곡 특성을 보상하기 위해 파라미터 세트를 업데이트하도록 구성된다.
본 개시의 구현은 LIDAR 시스템을 포함하는 자율 차량 제어 시스템을 포함한다. LIDAR 시스템은 레이저 파형을 정의하는 레이저 파형 함수, 레이저 파형을 적어도 부분적으로 정의하는 파라미터 세트, 및 파라미터 세트 내의 각 파라미터에 대한 주파수 응답의 편도함수를 추정하도록 구성되는 캘리브레이션 유닛을 포함한다. 주파수 응답은 레이저 파형에 의해 구동되는 레이저의 출력으로부터 측정된다. 캘리브레이션 유닛은 레이저의 주파수 응답이 레이저 파형 기능에 의해 정의된 조건을 만족하도록 파라미터 세트를 업데이트하도록 구성된다. 자율 차량 제어 시스템은 캘리브레이션 유닛에 의해 적어도 부분적으로 정의된 레이저 파형에 응답하여 자율 차량 제어 시스템을 제어하기 위한 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
일 구현에서, 자율 차량 제어 시스템은 고정 길이 간섭계를 더 포함한다. 캘리브레이션 유닛은 고정 길이 간섭계로부터 동위상 신호 및 직각 위상 신호를 수신하도록 구성된다. 캘리브레이션 유닛은 동위상 신호 및 직교 신호에 기초하여 레이저의 주파수 응답을 결정하도록 구성된다.
일 구현에서, 캘리브레이션 유닛은 레이저 파형 함수 및 파라미터 세트에 기초하여 레이저 파형을 반복적으로 구성한다. 파라미터 세트는 파라미터 세트의 하나 이상의 업데이트된 버전으로 대체되는 파라미터 세트의 초기 버전을 포함한다.
일 구현에서, 캘리브레이션 유닛은 파라미터 세트의 업데이트된 버전으로 레이저의 주파수 응답을 반복적으로 평가하도록 구성된다.
일 구현에서, 레이저의 주파수 응답을 반복적으로 평가하기 위해, 캘리브레이션 유닛은 레이저 파형을 디지털-아날로그 변환기에 로드하고, 레이저가 안정될 때까지 대기하고, 간섭계로부터의 출력을 측정하고, 간섭계로부터의 출력으로부터 주파수 응답을 계산하도록 구성된다.
일 구현에서, 캘리브레이션 유닛은 레이저 파형 함수의 기울기를 추정하도록 구성된다.
일 구현에서, 레이저 파형 함수의 기울기를 추정하기 위해, 캘리브레이션 유닛은 레이저 파형의 섭동된 버전(perturbed version)을 계산하고, 레이저 파형의 섭동된 버전을 디지털-아날로그 변환기에 로드하고, 레이저로부터의 출력을 측정하고, 레이저 파형 함수의 섭동된 버전을 평가하도록 구성된다.
일 구현에서, 자율 차량은 LIDAR 시스템을 포함한다. LIDAR 시스템은 레이저 파형을 정의하는 레이저 파형 함수, 레이저 파형을 적어도 부분적으로 정의하는 파라미터 세트, 그리고 파라미터 세트 내의 각 파라미터에 대한 주파수 응답의 편도함수를 추정하도록 구성되는 캘리브레이션 유닛을 포함한다. 주파수 응답은 레이저 파형에 의해 구동되는 레이저의 출력으로부터 측정된다. 캘리브레이션 유닛은 레이저의 주파수 응답이 레이저 파형 기능에 의해 정의된 조건을 만족하도록 파라미터 세트를 업데이트하도록 구성된다. 자율 차량은 캘리브레이션 유닛에 의해 적어도 부분적으로 정의된 레이저 파형에 응답하여 자율 차량을 제어하기 위한 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
일 구현에서, 캘리브레이션 유닛은 파라미터 세트의 업데이트된 버전으로 레이저의 주파수 응답을 반복적으로 평가하도록 구성된다.
일 구현에서, 캘리브레이션 유닛은 레이저 파형 함수의 기울기를 추정하도록 구성된다.
본 개시의 구현은 기준 측정 유닛 및 LIDAR 측정 유닛을 포함하는 LIDAR 시스템을 포함한다. 기준 측정 유닛은 레이저 소스에 의해 구동되는 고정 길이 간섭계로부터 기준 비트 신호의 위상을 결정하도록 구성된다. LIDAR 측정 유닛은 레이저 소스의 하향 주파수 처프로부터의 제2 주파수 스펙트럼 피크에 페어링되는, 레이저 소스의 상향 주파수 처프로부터의 제1 주파수 스펙트럼 피크에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 타겟의 거리를 결정하도록 구성된다. LIDAR 측정 유닛은 기준 비트 신호의 위상에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 타겟의 거리를 결정하도록 구성된다.
일 구현에서, LIDAR 측정 유닛은 제1 주파수 스펙트럼 피크와 제2 주파수 스펙트럼 피크 사이에서 순차적으로 페어링되는 피크를 이용하여 자유 공간 레이저 신호가 복수의 타겟으로 이동하는 시간을 추정하도록 구성된다. 제1 피크 쌍은 제1 주파수 스펙트럼 피크 중 첫 번째 피크 및 제2 주파수 스펙트럼 피크 중 첫 번째 피크를 포함한다.
일 구현에서, LIDAR 측정 유닛은 복수의 타겟의 거리를 반복적으로 결정하도록 구성된다. 복수의 타겟 각각은 제1 주파수 스펙트럼 피크 중 하나와 제2 주파수 스펙트럼 피크 중 하나의 피크 쌍으로부터 결정된 이동 시간 추정치와 연관된다.
일 구현에서, LIDAR 측정 유닛은 레이저 소스의 위상 노이즈를 식별하기 위해 이동 시간 추정치와 동일한 지속 시간만큼 기준 비트 신호의 위상을 지연시키도록 구성된다.
일 구현에서, LIDAR 측정 유닛은 자유 공간 비트 신호의 위상 노이즈를 제거하여 디노이즈된 자유 공간 비트 신호를 생성하기 위해 위상 노이즈의 복소 공액을 자유 공간 비트 신호와 곱하도록 구성된다.
일 구현에서, LIDAR 측정 유닛은 상향 주파수 처프 동안 발생하는 위상 노이즈를 제거하도록 구성된다. 기준 측정 유닛은 하향 주파수 처프 동안 발생하는 위상 노이즈를 제거하도록 구성된다.
일 구현에서, 제1 주파수 스펙트럼 피크는 자유 공간 간섭계로부터의 제1 비트 신호로부터 생성된다. 제2 주파수 스펙트럼 피크는 자유 공간 간섭계의 제2 비트 신호로부터 생성된다.
일 구현에서, 자유 공간 간섭계는 상향 주파수 처프로부터 제1 비트 신호를 생성하기 위해 제1 국부 발진기 신호를 제1 타겟 반사 신호와 결합한다. 자유 공간 간섭계는 하향 주파수 처프(chirp)로부터 제2 비트 신호를 생성하기 위해 제2 국부 발진기 신호를 제2 타겟 반사 신호와 결합한다.
일 구현에서, LIDAR 시스템은 주파수 변조 연속파(FMCW) LIDAR 시스템이다.
일 구현에서, 기준 측정 유닛은 고정 길이 간섭계로부터의 동위상 신호 및 직교 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 기준 비트 신호의 위상을 결정한다.
일 구현에서, 기준 비트 신호의 위상을 결정하기 위해, 기준 측정 유닛은 동위상 신호로 나눈 직교 신호에 아크탄젠트 연산을 적용하고, 아크탄젠트 연산으로부터의 출력에 적분 연산을 적용하도록 구성된다.
일 구현에서, 기준 비트 신호는 제1 기준 비트 신호이다. 제1 기준 비트 신호의 위상은 상향 주파수 처프에서 생성된다. 기준 측정 유닛은 하향 주파수 처프에서 생성된 제2 기준 비트 신호의 위상을 추정하도록 구성된다.
본 개시의 구현은 LIDAR 시스템을 포함하는 자율 차량 제어 시스템을 포함한다. LIDAR 시스템은 LIDAR 측정 유닛 및 기준 측정 유닛을 포함한다. 기준 측정 유닛은 레이저 소스에 의해 구동되는 고정 길이 간섭계로부터 기준 비트 신호의 위상을 결정하도록 구성된다. LIDAR 측정 유닛은 레이저 소스의 하향 주파수 처프로부터의 제2 주파수 스펙트럼 피크에 페어링되는 레이저 소스의 상향 주파수 처프로부터의 제1 주파수 스펙트럼 피크에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 타겟의 범위를 정하도록 구성된다. LIDAR 측정 유닛은 기준 비트 신호의 위상에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 타겟의 범위를 정하도록 구성된다. 자율 차량 제어 시스템은 LIDAR 측정 유닛 및 기준 측정 유닛 중 적어도 하나에 의해 출력되는 신호에 응답하여 자율 차량 제어 시스템을 제어하기 위한 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
일 구현에서, LIDAR 측정 유닛은 제1 주파수 스펙트럼 피크와 제2 주파수 스펙트럼 피크 사이에서 순차적으로 페어링되는 피크를 이용하여 자유 공간 레이저 신호가 복수의 타겟으로 이동하는 시간을 추정하도록 구성된다. 제1 피크 쌍은 제1 주파수 스펙트럼 피크 중 첫 번째 피크 및 제2 주파수 스펙트럼 피크 중 첫 번째 피크를 포함한다.
일 구현에서, LIDAR 측정 유닛은 복수의 타겟의 거리를 반복적으로 결정하도록 구성된다. 복수의 타겟 각각은 제1 주파수 스펙트럼 피크 중 하나와 제2 주파수 스펙트럼 피크 중 하나의 피크 쌍으로부터 결정된 이동 시간 추정치와 연관된다.
일 구현에서, LIDAR 측정 유닛은 레이저 소스의 위상 노이즈를 식별하기 위해 이동 시간 추정치와 동일한 지속 시간만큼 기준 비트 신호의 위상을 지연시키도록 구성된다. LIDAR 측정 유닛은 자유 공간 비트 신호의 위상 노이즈를 제거하여 디노이즈된 자유 공간 비트 신호를 생성하기 위해 위상 노이즈의 복소 공액을 자유 공간 비트 신호와 곱하도록 구성된다.
본 개시의 구현은 LIDAR 시스템을 포함하는 자율 차량을 포함한다. LIDAR 시스템은 LIDAR 측정 유닛 및 기준 측정 유닛을 포함한다. 기준 측정 유닛은 레이저 소스에 의해 구동되는 고정 길이 간섭계로부터 기준 비트 신호의 위상을 결정하도록 구성된다. LIDAR 측정 유닛은 레이저 소스의 하향 주파수 처프로부터의 제2 주파수 스펙트럼 피크에 페어링되는, 레이저 소스의 상향 주파수 처프로부터의 제1 주파수 스펙트럼 피크에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 타겟의 범위를 정하도록 구성된다. LIDAR 측정 유닛은 기준 비트 신호의 위상에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 타겟의 범위를 정하도록 구성된다. 자율 차량은 LIDAR 측정 유닛 또는 기준 측정 유닛 중 적어도 하나에 의해 출력되는 신호에 응답하여 자율 차량을 제어하기 위한 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
일 구현에서, LIDAR 측정 유닛은 제1 주파수 스펙트럼 피크와 제2 주파수 스펙트럼 피크 사이에서 순차적으로 페어링되는 피크를 이용하여 자유 공간 레이저 신호가 복수의 타겟으로 이동하는 시간을 추정하도록 구성된다. 제1 피크 쌍은 제1 주파수 스펙트럼 피크 중 첫 번째 피크 및 제2 주파수 스펙트럼 피크 중 첫 번째 피크를 포함한다.
일 구현에서, LIDAR 측정 유닛은 복수의 타겟의 거리를 반복적으로 결정하도록 구성된다. 복수의 타겟 각각은 제1 주파수 스펙트럼 피크 중 하나와 제2 주파수 스펙트럼 피크 중 하나의 피크 쌍으로부터 결정된 이동 시간 추정치와 연관된다.
일 구현에서, LIDAR 측정 유닛은 레이저 소스의 위상 노이즈를 식별하기 위해 이동 시간 추정치와 동일한 지속 시간만큼 기준 비트 신호의 위상을 지연시키도록 구성된다. LIDAR 측정 유닛은 자유 공간 비트 신호의 위상 노이즈를 제거하여 디노이즈된 자유 공간 비트 신호를 생성하기 위해 위상 노이즈의 복소 공액을 자유 공간 비트 신호와 곱하도록 구성된다.
본 개시의 비제한적 및 비포괄적인 구현은 다음의 도면을 참조하여 설명되며, 여기서 달리 명시되지 않는 한 유사한 참조 번호는 다양한 도면 전체에서 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 본 개시의 구현에 따른 LIDAR 시스템에서 위상 추정, 능동 위상 제거, 전치 왜곡 파형 생성 및 피크 페어링을 지원하는 광 측정 장치를 도시한다.
도 2는 본 개시의 구현에 따른 위상 추정, 능동 위상 제거, 전치 왜곡 파형 생성 및 피크 페어링을 통합할 수 있는 LIDAR 시스템을 도시한다.
도 3a 및 3b는 본 개시의 구현에 따른 예시적인 위상 노이즈 제거 시스템을 도시한다.
도 4a 및 4b는 본 개시의 구현에 따른 전치 왜곡 파형 생성기의 예를 도시한다.
도 5a 및 5b는 본 개시의 구현에 따른 FMCW LIDAR 시스템을 위한 다중 타겟 식별 시스템의 예를 도시한다.
도 6a 및 6b는 본 개시의 다양한 구현에 따른 위상 추정, 능동 위상 제거, 전치 왜곡 파형 생성 및 피크 페어링을 통합하는 LIDAR 시스템의 동작 사이클의 예를 도시한다.
도 7a는 본 개시의 구현에 따른 예시적인 센서의 배열을 포함하는 자율 차량을 도시한다.
도 7b는 본 개시의 구현에 따른 예시적인 센서의 배열을 포함하는 자율 차량의 평면도를 예시한다.
도 7c는 본 개시의 구현에 따른 센서, 드라이브트레인 및 제어 시스템을 포함하는 예시적인 차량 제어 시스템을 도시한다.
LIDAR(Light Detection and Ranging) 시스템을 위한 위상 추정, 능동 위상 제거, 전치 왜곡 파형 생성 및 피크 페어링의 구현이 여기에서 설명된다. 다음 설명에서는, 상기 구현에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 여러 세부 사항들이 제시된다. 그러나 관련 기술 분야의 기술자는 여기에 설명된 기술이 하나 이상의 특정 세부 사항을 제외하고, 또는 다른 방법, 요소 또는 재료를 이용하여 실행될 수 있음을 인식할 것이다. 다른 경우에, 잘 알려진 구조, 재료 또는 작업은 특정 측면을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 자세히 표시되거나 설명되지 않는다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "하나의 구현" 또는 "구현"에 대한 언급은 구현과 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 구현에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 위치에서 "하나의 구현" 또는 "구현"이라는 문구의 등장이 반드시 모두 동일한 구현을 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정한 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 구현에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 여러 기술 용어가 사용된다. 이들 용어는 본 명세서에서 구체적으로 정의되지 않거나 사용된 문맥이 명백히 달리 암시하지 않는 한, 해당 용어가 유래된 기술 분야에서 일반적인 의미를 취해야 한다. 본 개시의 목적을 위해, "자율 차량(autonomous vehicle)"이라는 용어는 SAE 국제 표준 J3016의 자율성 레벨에서 자율 기능을 갖춘 차량을 포함한다.
본 개시의 양태에서, 가시광선은 대략 380nm 내지 700nm의 파장 범위를 갖는 것으로 정의될 수 있다. 비가시광은 자외선, 적외선 등 가시광선 영역 밖의 파장을 갖는 빛으로 정의될 수 있다. 대략 700nm 내지 1mm의 파장 범위를 갖는 적외선은 근적외선을 포함한다. 본 개시의 측면에서, 근적외선 광은 대략 700nm 내지 1.6㎛의 파장 범위를 갖는 것으로 정의될 수 있다.
본 개시의 측면에서, "투명한"이라는 용어는 90%보다 큰 광 투과율을 갖는 것으로 정의될 수 있다. 일부 구현에서, "투명한"이라는 용어는 90%보다 큰 가시광선 투과율을 갖는 물질로 정의될 수 있다.
코히런트 LIDAR 시스템은 변조되고 콜리메이트된 광 빔을 물체에 향하게 함으로써 물체의 거리와 속도를 직접 측정한다. 물체에서 반사되는 광은 탭 버전의 빔과 결합된다. 결과적인 비트 톤의 주파수는 도플러 편이가 보정되고 나면 LIDAR 시스템에서 물체까지의 거리에 비례하며, 두 번째 측정이 필요할 수 있다. 동시에 수행되거나 수행되지 않을 수 있는 두 측정은 거리와 속도 정보를 모두 제공한다. 본 출원에서는 코히런트 LIDAR의 일례로 주파수 변조 연속파(FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave) LIDAR를 설명한다. 그러나 본 명세서에 설명된 구현 및 예는 모든 유형의 코히런트 LIDAR에 적용될 수 있다.
일부 구현에서, 코히런트 LIDAR의 일종인 FMCW LIDAR가 사용될 수 있다. 특히 FMCW LIDAR는 레이저 소스에서 나오는 광 빔의 주파수를 변조한다. FMCW LIDAR는 향상된 생산성(manufacturability)과 성능을 위해 집적 포토닉스(integrated photonics)를 활용할 수 있다. 집적 포토닉 시스템은 미크론 규모의 도파 장치(waveguiding device)를 이용하여 단일 광 모드를 조작할 수 있다.
집적 FMCW LIDAR 시스템은 시스템에 광 출력을 제공하는 하나 이상의 레이저 소스에 의존한다. 이러한 레이저에 의해 생성된 광 필드는 일반적으로 결정론적 및 확률적 위상 요동(phase fluctuation)을 나타내며, 이는 리턴되는 FMCW 비트 신호를 확장함으로써 시스템 성능을 저하시킬 수 있다.
FMCW LIDAR 시스템은 유닛으로 돌아가기 전에 장면 내의 하나 이상의 물체에서 리턴될 수 있는 광을 방출한다. 이러한 다중 리턴은 복수의 피크를 갖는 스펙트럼의 비트 신호를 생성한다. 이러한 각각의 리턴 거리와 속도를 결정하기 위해, 비트 신호에 대한 두 번의 측정이 수행될 수 있다. 복수의 거리와 속도를 정확하게 결정하기 위해, 두 스펙트럼의 피크가 정확하게 페어링된다.
FMCW LIDAR 시스템은 우수한 성능을 달성하기 위해 선형 주파수 처프를 사용한다. 이러한 선형 주파수 처프는 레이저 구동 파형으로 레이저를 구동함으로써 달성될 수 있다. 레이저의 왜곡 특성을 보상하기 위해, 레이저 구동 파형은 송신 레이저의 특성을 보상하도록 정의될 수 있다. 시스템이 노후화됨에 따라, 주파수 처프의 선형성이 저하될 수 있다. 본 개시의 몇몇 구현은 시스템 열화 또는 변경을 지원하기 위해 레이저 구동 파형의 현장 재보정(in situ recalibration)을 제공한다.
집적 FMCW LIDAR 시스템에서 레이저의 주파수 편위(frequency excursion)를 직접 측정하기 위한 시스템이 설명된다. 측정된 주파수 편위는 레이저에 의해 생성된 위상 광 신호를 결정하기 위해 통합될 수 있다.
시스템은 FMCW LIDAR 시스템을 적어도 부분적으로 규정하는 주 자유 공간 간섭계(main free-space interferometer)에 병렬로 연결되거나 결합되는 짧은 (고정 길이) 집적 간섭계를 포함한다. 단일 레이저 소스가 두 간섭계에 공급된다.
주된 자유 공간 간섭계로부터 목표 거리의 초기 추정치를 이용하여, 비트 신호의 바람직하지 않은 광학적 위상 요동(위상 노이즈)이 추정될 수 있고 비트 신호로부터 감산될 수 있으며, 이에 따라 주된 자유 공간 간섭계의 측정 능력이 향상될 수 있다.
추정된 비트 신호 위상은 추가로 복수의 리턴(복수의 타겟)이 존재할 때 스펙트럼 피크를 정확하게 페어링하기 위해 사용될 수 있다.
측정된 주파수 편위는 레이저 주파수 처프의 선형성을 개선하기 위해 전치 왜곡 파형의 현장 생성 및 캘리브레이션에 동등하게 사용될 수 있다.
광학적 위상 요동("위상 노이즈")을 식별 및 제거하고, 복수의 타겟을 식별하고, 전치 왜곡 파형을 생성하기 위한 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 (집합적으로 또는 개별적으로) 차량의 자율 작동을 지원하는 데 사용될 수 있다. 이들 및 다른 구현은 도 1 내지 7c와 관련하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 개시의 구현에 따라 FMCW LIDAR 시스템에서 위상 추정, 능동 위상 제거, 전치 왜곡 파형 생성 및 피크 페어링을 지원하는 광 위상 측정 장치(100)를 도시한다. 광 위상 측정 장치(100)는 레이저 소스(101), 스플리터(102), 자유 공간 간섭계(103) 및 고정 길이 간섭계(104)를 포함하여 LIDAR 시스템에서 위상 추정, 위상 노이즈 제거, 전치 왜곡 파형 생성 및 피크 페어링을 지원한다.
레이저 소스(101)에 의해 방출된 광은 레이저 소스(101)의 광 출력을 2개의 개별 광 채널로 분할하는 스플리터(102)로 들어간다. 스플리터(102)에 의해 달성된 스플릿 비율은 동일하거나(50:50) 또는 몇몇 다른 비율(예를 들어, 80:20)일 수 있다. 실제로, 광 전력의 대부분은 분할되어 자유 공간 간섭계(103)로 라우팅되는 반면, 광 전력의 나머지 작은 부분은 고정 길이 간섭계(104)로 라우팅된다.
고정 길이 간섭계(104)는 레이저 소스(101)의 순간 레이저 주파수를 측정하거나 또는 근사하도록 구성된다. 고정 길이 간섭계(104)는 스플리터(105), 고정 길이 광 지연 라인(106), 광 하이브리드(107), 평형(balanced) 광다이오드 쌍(108) 및 평형 광다이오드 쌍(109)을 포함할 수 있다. 고정 길이 간섭계(104)는 예를 들어 10cm 내지 30cm 범위에서, 고정 길이 광 지연 라인(106)에 짧은 광 지연을 포함시킬 수 있다. 따라서 고정 길이 간섭계(104)는 짧은 고정 길이 간섭계 또는 기준 간섭계로 지칭될 수 있다.
고정 길이 간섭계(104)에 입사하는 광은 동일하거나 동일하지 않은 분할 비율을 가질 수 있는 스플리터(105)를 통과한다. 스플리터(105)의 상단 출력은 고정 길이 광 지연 라인(106)에 연결된다. 고정 길이 광 지연 라인(106)은 스플리터(105)의 하단 출력을 떠나는 광에 비해 짧은 시간만큼 광 신호를 지연시킨다. 이러한 두 광 경로(즉, 상부 광 경로 및 하부 광 경로)는 2x4 광 하이브리드로 구현될 수 있는 광 하이브리드(107)에 연결된다. 광 하이브리드(107)는 하단 신호를 고정 길이 광 지연 라인(106)을 통해 지연되는 상단 신호와 혼합한다. 레이저 소스(101)는 시간 기반 선형 변화 주파수(즉, 처프)를 출력하도록 구동될 수 있기 때문에, 광 하이브리드(107)에 도달하는 상부 신호의 주파수는 광 하이브리드(107)에 도달하는 하부 신호의 주파수와 약간 다르다(예를 들어, 빠르거나 또는 느림). 서로 다른 주파수의 신호가 혼합되거나 결합되면, 두 주파수의 차이와 동일한 비트 주파수를 갖는 비트 톤 또는 비트 신호가 생성된다.
광 하이브리드(107)로부터의 비트 신호는 측정되고 평형 광다이오드 쌍(108) 및 평형 광다이오드 쌍(109)을 이용하여 전기 신호로 변환된다. 평형 광다이오드 쌍(108)은 동위상 신호(Iref)에 대응하는 전기 신호를 생성하고, 평형 광다이오드 쌍(109)은 직교 신호(Qref)에 대응하는 전기 신호를 생성한다. 고정 길이 광 지연 라인(106)의 충분히 짧은(예를 들어, 20cm) 구현을 위해, 동위상 신호(Iref) 및 직교 신호(Qref) 측정의 위상은 레이저 소스(101)의 순간 주파수에 비례한다. 레이저 소스(101)의 순간 주파수는 레이저 소스(101)의 순간 위상을 계산하기 위해 통합될 수 있다. 레이저 소스(101)의 순간 위상은 결정론적 및 확률적 위상 요동에 의해 정의될 수 있는 레이저 소스(101)의 위상 노이즈를 분리하는 데 사용될 수 있다.
자유 공간 간섭계(103)는 레이저 소스(101)와 타겟 사이의 거리를 측정하거나 추정하도록 구성된다. 자유 공간 간섭계(103)는 스플리터(110), 가변 거리 광 지연 라인(111), 광 하이브리드(112), 평형 광다이오드 쌍(113) 및 평형 광다이오드 쌍(114)을 포함할 수 있다.
자유 공간 간섭계(103)로 들어가는 광은 스플리터(110)로 들어간다. 스플리터(110)는 "국부 발진기" 필드(즉, 도시된 하단 경로, "하단 신호" 및/또는 "국부 발진기 신호")를 "신호" 필드(즉, 도시된 상단 경로, "상단 신호" 및/또는 "지연된 신호")로부터 분리한다. 상단 신호 전력은 자유 공간에 결합된다. 이 광은 목표물에 부딪히고 LIDAR 유닛(예를 들어, 자유 공간 간섭계(103))을 향해 다시 반사되기 전에 상이하거나 가변적인 거리에 걸쳐 전파된다. 이 광은 자유 공간 간섭계(103)에 의해 수신되어, 가변 거리 광 지연 라인(111)을 효과적으로 형성한다. 지연된 신호와 국부 발진기 신호는 광 하이브리드(112)에 의해 함께 혼합된다. 광 하이브리드(112)의 출력은 평형 광다이오드를 이용하여 전기 신호로 변환된다. 결과 전기 신호는 각각 FMCW LIDAR 비트 신호의 컴포넌트인 동위상 신호 IFS 및 직교 신호 QFS에 해당한다. 측정된 비트 신호의 위상 요동은 고정 길이 간섭계(104)에 의해 측정된 비트 신호의 위상 요동과 시간 상관 관계가 있는데, 이는 간섭계가 레이저 소스(101)에 의해 동시에 공급되기 때문이다.
도 2는 FMCW LIDAR 시스템(200)의 예를 도시하며, 이는 본 개시의 구현에 따라 위상 추정, 능동 위상 제거, 전치 왜곡 파형 생성 및 피크 페어링을 통합하도록 구성될 수 있다. FMCW LIDAR 시스템(200)은 LIDAR 처리 엔진(201) 및 FPA(focal plane array) 시스템(202)을 포함한다. 다른 구현에서, 다른 형태의 빔 조향이 사용될 수 있다.
LIDAR 처리 엔진(201)은 레이저 제어기(205)를 위한 변조 신호를 생성하는 디지털-아날로그 변환기(DAC)(204)를 구동하도록 구성된 마이크로컴퓨터(203)를 포함한다. 레이저 제어기(205)는 Q-채널 레이저 어레이(206)의 주파수를 변조한다. 레이저 어레이(206)에 의해 방출된 광 출력은 분할되어 스위칭 가능한 코히런트 픽셀 어레이(208) 및 레이저 위상 기준 간섭계(207)(도 1의 고정 길이 간섭계(104)를 포함할 수 있음)로 라우팅된다. 스위칭 가능한 코히런트 픽셀 어레이(208)로 들어가는 광은 FPA 드라이버(209)에 의해 제어된다. 스위칭 가능한 코히런트 픽셀 어레이(208)의 다른 위치에서 방출된 광은 렌즈(210)에 의해 다른 각도에서 콜리메이트되고 자유 공간(211)으로 방출된다.
자유 공간으로 방출된 광(211)은 타겟에서 반사되고, 렌즈(210)를 통해 다시 전파되며, 스위칭 가능한 코히런트 픽셀 어레이(208)로 다시 결합된다. 수신된 광은 광 하이브리드(107) 및/또는 광 하이브리드(112)(도 1에 도시됨)를 통합할 수 있는 N-채널 수신기(212)를 이용하여 측정된다. 결과 전류는 하나 이상의 M-채널 아날로그-디지털 변환기(ADC)(213)를 이용하여 디지털화되고, 이들 신호는 마이크로컴퓨터(203)에 의해 처리된다.
자유 공간 측정과 병렬로, 레이저 위상 기준 간섭계(207)를 통과하는 광 필드는 P-채널 수신기(214)를 이용하여 측정되며, 이는 R-채널 아날로그-디지털 변환기(ADC)(215)를 이용하여 디지털 신호로 변환되는 전류를 생성한다. 이 결과 디지털 신호는 레이저의 위상 요동(위상 노이즈)을 추정하기 위해 마이크로컴퓨터(203)에 의해 처리된다. 추정되거나 결정된 위상 노이즈는 이후에 자유 공간 거리 측정 신호에서 위상 노이즈를 제거("디노이즈(denoise)")하는 데 사용될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 구현에 따른 광 위상 측정 장치(100)(도 1에 도시됨) 및 FMCW LIDAR 시스템(200)(도 2에 도시됨)이 FMCW LIDAR 거리 및 속도 측정을 지원하기 위해 원하지 않는 위상 요동("위상 노이즈")을 능동적으로 제거하는 데 사용될 수 있는 예시적인 위상 노이즈 제거 시스템을 도시한다.
도 3a는 본 개시의 구현에 따른 위상 노이즈 제거 시스템(300)을 도시한다. 위상 노이즈 제거 시스템(300)은 LIDAR 측정 유닛(301), 기준 측정 유닛(302), 위상 제거 유닛(303) 및 거리 계산 유닛(304)을 포함할 수 있다. LIDAR 측정 유닛(301)은 광이 광원과 타겟 사이를 이동하는 시간(즉, 이동 시간)을 추정하여 FMCW 거리 측정을 수행하도록 구성될 수 있다. 이 애플리케이션에서, 광이 광원(예를 들어, 레이저 소스)과 타겟(예를 들어, LIDAR 시스템이 위치한 환경의 물체) 사이를 이동하는 시간을 비행 시간(time-of-flight)으로 정의한다. 동시에, 기준 측정 유닛(302)은 기준 또는 고정 길이 간섭계를 이용하여 광(예를 들어, 레이저 광)의 위상 추정을 결정하도록 구성될 수 있다. LIDAR 측정 유닛(301)으로부터의 비행 시간 추정치(τest) 및 기준 측정 유닛(302)으로부터의 광 위상(φex(t))은 위상 제거 유닛(303)에 제공된다. 위상 제거 유닛(303)은 비행 시간 추정치(τest) 및 광 위상(φex(t))을 이용하여, 광을 나타내는 신호(예를 들어, 동위상 신호(IFS) 및/또는 직교 신호(QFS))로부터 위상 노이즈를 추정하고 제거한다. 위상 제거 유닛(303)은 거리를 목표 거리로 추정하기 위해 거리 계산 유닛(304)에 의해 이용되는 디노이즈된 신호(V(t)dn)를 출력한다. 거리 계산 유닛(304)은 또한, 예를 들어 도플러 시프트 계산 또는 측정을 수행함으로써 타겟의 속도를 계산하도록 구성될 수 있다.
도 3b는 본 개시의 구현에 따른 위상 노이즈 제거 시스템(340)의 예를 도시한다. 위상 노이즈 제거 시스템(340)은 위상 노이즈 제거 시스템(300)의 예시적인 구현이다. 위상 노이즈 제거 시스템(340) 내의 하나 이상의 컴포넌트 또는 동작은 광자 집적 회로 및/또는 FMCW LIDAR 시스템에서 구현될 수 있다.
LIDAR 측정 유닛(301)은 신호(305)(예를 들어, 전압 신호)를 수신하고 비행 시간 추정치(τest)를 생성하도록 구성된다. 신호(305)는 자유 공간에서 적어도 하나의 타겟을 오가는 광을 나타내는 신호이다. 신호(305)는 국부 발진기 신호와 자유 공간 광 신호의 조합인 비트 신호일 수 있다. 신호(305)는 동위상 신호(IFS) 및/또는 직교 신호 (QFS)를 포함할 수 있고 자유 공간 간섭계(103)(도 1에 도시됨)로부터 수신될 수 있다.
LIDAR 측정 유닛(301)은 주파수 변환 블록(306), 필터 블록(307) 및 피크 탐색 블록(308)을 포함한다. 주파수 변환 블록(306)은 신호(305)를 신호(305)의 주파수 표현으로 변환한다. LIDAR 측정 유닛(301)은 푸리에 변환(예를 들어, 고속 푸리에 변환(FFT))을 이용하여 이 작업을 수행한다. 주파수 변환 블록(306)은 신호(305)를 디지털화할 수 있고 신호(305)의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 계산하기 위해 푸리에 변환을 이용할 수 있다. 필터 블록(307)은 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 주파수 변환 블록(306)의 출력을 필터링한다. 피크 탐색 블록(308)은 신호(305)의 필터링된 주파수 스펙트럼에서 가장 높은 피크를 식별할 수 있다. 시스템 파라미터에 기초하여, 이 피크 위치는 광 신호의 비행 시간 추정치(τest)로 변환될 수 있다.
LIDAR 측정 유닛(301)의 동작과 동시에, 기준 측정 유닛(302)은 광의 위상(φex(t))을 결정하도록 구성된다. 기준 측정 유닛(302)은 나눗셈 블록(311), 아크탄젠트 블록(312), 위상 언랩(unwrap) 블록(313) 및 적분 블록(314)을 포함할 수 있다. 기준 측정 유닛(302)은 고정 길이 간섭계로부터의 입력으로서 동위상 신호(310) 및 직교 신호(309)를 수신한다. 일 구현에서, 동위상 신호(310) 및 직교 신호(309)는 고정 길이 간섭계(104)로부터의 동위상 신호(Iref) 및 직교 신호(Qref)이다. 나눗셈 블록(311)은 직교 신호(309)를 동위상 신호(310)로 나누는 것을 포함한다. 아크탄젠트 블록(312)은 동위상 신호(310) 및/또는 직교 신호(309) 중 적어도 하나에 의해 표현되는 비트 신호의 위상을 추정하기 위해 나눗셈 블록(311)의 출력에 대한 아크탄젠트를 수행한다. 위상 언랩 블록(313)은 아크탄젠트 블록(312)의 출력에 위상 언랩핑(phase unwrapping)을 적용한다. 위상 언랩 블록(313)의 출력은 시간에 대한 시스템 레이저의 위상 요동을 추정하기 위해 적분 블록(314)에서 (시간에 대해) 적분된다.
위상 제거 유닛(303)은 광의 위상(φex) 및 비행 시간(τest)에 적어도 부분적으로 기초하여 신호(305)로부터 위상 노이즈를 제거하도록 구성된다. 위상 제거 유닛(303)은 지연 블록(315), 감산 블록(316), 지수 블록(317) 및 곱셈 블록(318)을 포함한다. 지연 블록(315)은 광의 위상(φex)의 시간 지연된 추정치인 지연된 위상(φex(t-τest))을 생성한다. 지연은 디지털 지연일 수 있고, 지연의 지속시간은 비행 시간(τest)의 지속시간이다. 비행 시간(τest)의 지속시간만큼 광의 위상(φex(t))을 지연시킴으로써, 위상 제거 유닛(303)은 신호(305)를 정의하는 광 전송과 연관된 광의 위상(φex(t))의 부분을 식별한다. 감산 블록(316)은 지연된 위상(φex(t-τest))에서 광의 위상(φex(t))을 감산하여 레이저 소스가 신호(305)를 전송한 시간에서의 위상 요동 또는 위상 노이즈를 정의하는 델타 위상(Δφex(τest))을 분리한다. 지수 블록(317)은 델타 위상(Δφex(τest))으로부터 공액 페이저(conjugate phasor)를 구성한다. 곱셈 블록(318)은 공액 페이저를 신호(305)와 곱하여 디노이즈된 신호(V(t)dn)를 생성한다. 디노이즈된 신호(V(t)dn)는 원하지 않는 위상 요동이 제거되거나 노이즈가 제거된 신호(305)이다. 디노이즈된 신호(V(t)dn)는 거리 계산 유닛(304)으로 전달될 수 있는 결과적인 "깨끗한" 비트 신호이다.
거리 계산 유닛(304)은 디노이즈된 신호(V(t)dn)를 이용하여 광원과 타겟 사이의 거리를 결정하도록 구성된다. 거리 계산 유닛(304)은 주파수 변환 블록(319), 필터 블록(320) 및 피크 탐색 블록(321)을 포함한다. 주파수 변환 블록(319)은 디노이즈된 신호(V(t)dn)를 디노이즈된 신호(V(t)dn)의 주파수 표현으로 변환한다. 거리 계산 유닛(304)은 푸리에 변환(예를 들어, 고속 푸리에 변환(FFT))을 이용하여 이 연산을 수행할 수 있다. 주파수 변환 블록(319)은 디노이즈된 신호(V(t)dn)를 디지털화할 수 있고 디노이즈된 신호(V(t)dn)의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 계산하기 위해 푸리에 변환을 이용할 수 있다. 필터 블록(320)은 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 주파수 변환 블록(319)의 출력을 필터링한다. 피크 탐색 블록(321)은 노이즈 제거된 신호 V(t)dn의 필터링된 주파수 스펙트럼에서 하나 이상의 피크를 식별할 수 있다. 이 피크 정보는 타겟의 위치와 속도를 추정하는 데 사용된다. 블록(322)에서, 위상 노이즈 제거 시스템(340)은 동작을 종료한다.
도 4a 및 4b는 본 개시의 구현에 따른 전치 왜곡 파형 생성기의 예를 도시한다. 전치 왜곡 파형 생성기는 광 위상 측정 장치(100)(도 1에 도시됨) 및 FMCW LIDAR 시스템(200)(도 2에 도시됨)을 이용하여 LIDAR 시스템 레이저를 구동하기 위한 전치 왜곡 파형을 생성하거나, 또는 기존의 전치 왜곡을 개선("캘리브레이션")할 수 있다. 전치 왜곡 파형 생성은 레이저의 왜곡 특성으로 인해 LIDAR 시스템에 유리할 수 있다. 예를 들어, 레이저 주파수를 위 및/또는 아래로 선형적으로 변경하기 위해, LIDAR 시스템은 삼각형 파형과 같은 파형으로 레이저 주파수를 구동하도록 구성될 수 있다. 삼각형 파형은 값이 선형적으로 증가하고 값이 선형적으로 감소한다. 그러나 레이저의 왜곡 특성으로 인해 레이저의 주파수 응답이 선형적으로 증가하는 주파수와 선형적으로 감소하는 주파수를 갖지 않는 출력을 생성할 수 있다. FMCW LIDAR 시스템은 주파수 변조(예를 들어, 처핑)에 의존하기 때문에, 이러한 시스템은 특정 LIDAR 시스템에 통합된 레이저의 왜곡 특성을 보상하는 전치 왜곡 파형의 이점을 누릴 수 있다. 전치 왜곡 파형의 즉각적인(in-place) 또는 현장(in situ) 조정, 개선 또는 교정은 각 레이저의 사소한 고유 작동 특성을 보상하는 이점을 제공한다.
도 4a는 본 개시의 구현에 따른 전치 왜곡 파형 생성기(400)를 도시한다. 전치 왜곡 파형 생성기(400)는 함수 정의 블록(401), 파라미터 세트 블록(402) 및 캘리브레이션 유닛(403)을 포함한다. LIDAR 시스템의 동작 전에, 함수 정의 블록(401)은 메리트 함수(F(f))를 정의한다. 메리트 함수(F(f))는 레이저를 구동하는 데 사용되는 처프 레이저 주파수의 선형성(또는 모양)을 정의하거나 또는 정량화한다. 유사하게, LIDAR 시스템의 동작 전에, 파라미터 세트 블록(402)은 레이저 구동 파형의 형상/동작을 정의하는 숫자 세트를 포함하는 파라미터(p)를 정의한다. 메리트 함수(F(f))는 명시적으로 LIDAR 레이저를 처프하는 데 사용되는 시간 종속 주파수의 함수일 수 있으며, 명시적 또는 암묵적으로 파라미터(p)에 종속될 수 있다.
캘리브레이션 유닛(403)은 메리트 함수(F(f))를 최소화하는 파라미터(p)를 찾기 위해 LIDAR 시스템에 적용된다. 캘리브레이션 유닛(403)은 레이저의 왜곡 특성을 보상하기 위해 전치 왜곡 파형을 생성하도록 구성된다. 캘리브레이션 유닛(403)은 파라미터(p)의 세트의 파라미터(p) 각각에 대해, 메리트 함수(F(f))에 편도함수(partial derivative)를 적용함으로써 전치 왜곡 파형을 생성한다. 레이저의 왜곡 특성을 반복적으로 식별함으로써, 캘리브레이션 유닛(403)은 향후 사용에서 레이저 구동 파형을 정의하기 위해 저장되는 파라미터(p)의 세트를 재정의한다.
전치 왜곡 파형 생성기(400)는 블록(419)에서 동작을 종료한다.
도 4b는 본 개시의 구현에 따른 전치 왜곡 파형 생성기(430)의 예를 도시한다. 전치 왜곡 파형 생성기(430)는 전치 왜곡 파형 생성기(400)(도 4a에 도시됨)의 예시적인 구현이다.
캘리브레이션 유닛(403)은 전치 왜곡 파형 생성을 지원하기 위해 복수의 동작 또는 처리 블록을 포함한다. 캘리브레이션 유닛(403)은 파형 구성 블록(404), 함수 평가 블록(405), 기울기 추정 블록(411) 및 업데이트 블록(417)을 포함한다. 파형 구성 블록(404)에서, 캘리브레이션 유닛(403)은 함수 정의 블록(401) 및 파라미터 세트 블록(102)에서 정의된 메리트 함수(F(f)) 및 파라미터(p)로부터 초기 구동 파형(V(t, p))을 구성한다.
다음으로, 메리트 함수(F(f))의 값은 함수 평가 블록(405)에서 평가된다. 함수 평가 블록(405)은 여러 하위 동작을 포함할 수 있다. 블록(406)에서, 구동 파형(V(t, p))의 현재 버전이 디지털-아날로그 변환기(DAC)(406)에 로드된다. 블록(407)에서, 구동 파형(V(t, p))에 의해 구동되는 레이저가 정상 상태 동작으로 안정되는 것이 허용된다. 블록(408)에서, 동위상 신호(Iref) 및 직교 신호(Qref)는 짧은 기준 간섭계(예를 들어, 도 1에 도시된 고정 길이 간섭계(104))의 출력에서 측정된다. 블록(409)에서, 동위상 신호(Iref) 및 직교 신호(Qref)는 예를 들어 도 3b의 기준 측정 유닛(302)에 대해 설명된 바와 같이, 시간 종속 레이저 주파수(f)의 추정치를 계산하는 데 사용된다. 블록(409)에서, 동위상 신호(Iref) 및 직교 신호(Qref)는 직교 신호(Qref)를 동위상 신호(Iref)로 나누고, 나눗셈 결과의 아크탄젠트를 수행하고, 아크탄젠트 결과를 언래핑하고, 고정 길이 간섭계의 상대 지연(τ)으로 값을 나눔으로써 시간 종속 레이저 주파수(f)의 추정치를 계산하는 데 사용된다. 블록(410)에서, 메리트 함수(F(f))의 현재 값은 블록(409)으로부터의 시간 종속 주파수를 이용하여 계산된다.
메리트 함수(F(f))의 현재 값이 함수 평가 블록(405)에서 평가된 후, 기울기 추정 블록(411)은 메리트 함수(F(f))의 기울기(gradient)를 추정하도록 구성된다. 기울기 추정 블록(411)은 각각의 파라미터(p)에 대한 메리트 함수(F(f))의 편도함수를 계산함으로써 기울기를 결정하도록 구성된다. 블록(412)은 파라미터(p)의 j번째 요소를 섭동시키는 것, 구동 파형의 섭동된 버전(V(pi + Δpj))을 계산하는 것, 구동 파형의 섭동된 버전(V(pi + Δpj))을 DAC로 업로드하는 것을 포함한다. 블록(413)은, 예를 들어 함수 평가 블록(405)의 하위 연산을 이용하여, 메리트 함수의 대응하는(섭동된) 값F(pi + Δpj)을 평가하는 것을 포함한다. 블록(414)에서, 메리트 함수(F(pi + Δpj))의 편도함수((∂F/∂Δpj))가 파라미터(p)의 j번째 요소에 대해 추정된다. 편도함수((∂F/∂Δpj))는 유한 차분을 이용하여 근사화된다. 블록(415)에서, 섭동을 위한 추가 파라미터(p)가 존재하는지 여부가 결정된다. 파라미터(p)에 추가 요소가 존재하는 경우, 블록(415)은 블록(416)으로 진행하며, 여기서 j의 값은 증가되고 기울기 추정 블록(411)은 반복된다. 파라미터(p)의 각 요소가 평가되었으면, 블록(415)은 블록(417)으로 진행한다.
업데이트 블록(417)에서, 캘리브레이션 유닛(403)은 (함수 평가 블록(405)으로부터의) 메리트 함수(F(f)) 평가 및 (기울기 추정 블록(411)으로부터의) 메리트 함수(F(f))의 기울기 추정에 기초하여 파라미터(p)를 업데이트한다. 블록(418)에서, 캘리브레이션 유닛(403)은 수렴 체크를 수행한다. 수렴 체크는 파라미터(p)로 구동할 때 레이저의 주파수 응답이 정의된 메리트 함수(F(f))와 얼마나 근접하게 일치하는지를 평가하는 것이다. 메리트 함수(F(f))가 수렴되면, 파라미터(p)의 최종 버전 및 이에 따른 최적화 구동 신호(V(t, p))가 선택되고, 캘리브레이션 유닛(403)은 블록(419)으로 진행하여 종료한다.
도 5a 및 5b는 본 개시의 구현에 따른 FMCW LIDAR 시스템에서 복수의 타겟을 식별하기 위해 기준 위상 측정을 사용하는 다중 타겟 식별 시스템의 예를 도시한다. 다중 타겟 식별 시스템은 FMCW LIDAR 비트 신호의 다중 주파수 스펙트럼 리턴 피크 쌍에 위상 측정을 적용한다.
도 5a는 FMCW LIDAR 시스템에서 복수의 타겟을 식별하기 위해 기준 위상 측정을 사용하기 위한 다중 타겟 식별 시스템(500)의 예를 도시한다. 다중 타겟 식별 시스템(500)은 LIDAR 측정 유닛(551) 및 기준 측정 유닛(552)을 포함한다. 일 구현에 따르면, LIDAR 측정 유닛(551)은 LIDAR 측정 유닛(301)(도 3a 및 도 3b에 도시됨)의 일부 특징을 포함하고, 기준 측정 유닛(552)을 기준 측정 유닛(302)(도 3a 및 도 3b에 도시됨)의 일부 특징을 포함한다.
LIDAR 측정 유닛(551)은 복수의 타겟의 거리를 정하도록 구성된다. LIDAR 측정 유닛(551)은 레이저 소스의 상향 주파수 처프(chirp)로부터 생성된 주파수 스펙트럼 피크의 제1 세트를 식별함으로써 복수의 타겟의 거리를 정하도록 구성된다. LIDAR 측정 유닛(551) 은 레이저 소스의 하향 주파수 처프로부터 생성된 주파수 스펙트럼 피크의 제2 세트를 식별함으로써 복수의 타겟의 거리를 정하도록 구성된다. LIDAR 측정 유닛(551)은 주파수 스펙트럼 피크의 제1 세트로부터의 피크를 주파수 스펙트럼 피크의 제2 세트로부터의 피크와 페어링함으로써, 복수의 타겟 각각의 존재를 확인하고 복수의 타겟 각각에 대한 비행 시간을 추정한다. LIDAR 측정 유닛(551)은 주파수 스펙트럼 피크가 유도되는 자유 공간 비트 신호를 디노이즈하기 위해 기준 비트 신호의 위상 φex(t)를 이용하도록 구성된다.
기준 측정 유닛(552)은 고정 길이 간섭계를 이용하여 레이저 소스의 위상 측정을 제공하도록 구성된다. 기준 측정 유닛(552)은 고정 길이 간섭계로부터의 기준 비트 신호의 위상 φex(t)를 결정하고, LIDAR 측정 유닛(551)이 위상 노이즈를 제거할 수 있도록 기준 비트 신호의 위상 φex(t)를 LIDAR 측정 유닛(551)에 제공하도록 구성된다. 기준 측정 유닛(552)은 상향 주파수 처프에 의해 생성된 제1 기준 비트 신호로부터 제1 위상을 계산할 수 있다. 기준 측정 유닛(552)은 하향 주파수 처프에 의해 생성된 제2 기준 비트 신호로부터 제2 위상을 계산할 수 있다. 기준 측정 유닛(552)은 제1 기준 비트로부터의 제1 위상을 LIDAR 측정 유닛(551)에 제공하여 상향 주파수 처프의 자유 공간 비트 신호로부터의 위상 노이즈 제거를 가능하게 하도록 구성된다. 기준 측정 유닛(552)은 제2 기준 비트로부터의 제2 위상을 이용하여, 하향 주파수 처프(chirp)의 자유 공간 비트 신호로부터의 위상 노이즈를 제거하도록 구성된다.
다중 타겟 식별 시스템(500)의 동작은 블록(553)에서 종료된다.
도 5b는 본 개시의 구현에 따라 FMCW LIDAR 시스템에서 복수의 타겟을 식별하기 위해 기준 위상 측정을 사용하는 다중 타겟 식별 시스템(570)의 예를 도시한다. 다중 타겟 식별 시스템(570)은 다중 타겟 식별 시스템(500)의 예시적인 구현이다.
초기에, 비트 신호는 레이저 소스로부터 생성된다. 블록(501)에서 상향 주파수 처프(상향 램프)를 이용하여 자유 공간 간섭계로부터 자유 공간 비트 신호가 생성된다. 블록(502)에서 하향 주파수 처프(하향 램프)를 이용하여 자유 공간 간섭계로부터 자유 공간 비트 신호가 생성된다. 두 자유 공간 비트 신호는 FMCW LIDAR 시스템을 이용하여 수집된다. 이러한 비트 신호는 자유 공간을 통한 거리 및 속도 측정에 대응한다. 블록(503)에서 업 램프 비트 신호의 파워 스펙트럼 밀도(PSD)가 계산되고 가장 높은 N 피크의 위치(주파수)는 업 램프에 대한 주파수 스펙트럼에 위치한다. 블록(504)에서 다운 램프 비트 신호의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)가 계산되고, 가장 높은 N 피크의 위치(주파수)는 다운 램프에 대한 주파수 스펙트럼에 위치한다.
자유 공간 간섭계 측정과 병렬로, 블록(505 및 506)에서 기준 비트 신호가 동일한 레이저 소스로부터 생성된다. 블록(505)에서 상향 주파수 처프(상향 램프)를 이용하여 기준(고정 길이) 간섭계로부터 기준 비트 신호가 생성된다. 블록(506)에서 하향 주파수 처프(하향 램프)를 이용하여 기준 간섭계로부터 기준 비트 신호가 생성된다. 블록(507)에서 업 램프 비트 신호의 위상(φex(t))이 계산된다. 블록(508)에서 다운 램프 비트 신호의 위상(φex(t))이 계산된다.
업 램프 PSD 및 다운 램프 PSD에서 N개의 주파수 스펙트럼 피크는 자유 공간에서 N개의 상이한 리턴 경로에 대응한다. 업 램프 PSD의 각 피크를 다운 램프 PSD의 각 피크와 올바르게 페어링하면 이러한 경로의 길이와 해당 경로 길이가 변경되는 속도(즉, 대상의 상대 속도)를 계산할 수 있다. 블록(509)에서 업 램프 PSD의 제1 피크는 다운 램프 PSD의 제1 피크와 페어링된다. 이 페어링은 타겟 거리, 속도 및 비행 시간(τest)에 대한 추정치를 생성한다. 블록(510)에서 기준 간섭계로부터 획득된 레이저 상향 램프의 시간 종속 위상(φex(t))이 지연된다. 위상 (φex(t))에 적용되는 지연은 지연된 위상(φex(t-τest))을 생성하는 추정 비행 시간(τest)의 지속 시간이다. 블록(511)에서 지연된 위상(φex(t-τest))은 델타 위상(Δφ(t))을 생성하기 위해 레이저 업 램프의 지연되지 않은 시간 종속 위상(φex(t))으로부터 감산된다. 델타 위상(Δφ(t))은 블록(501)에서 생성된 자유 공간 비트 신호에 대한 위상 노이즈 및 비선형성의 기여도의 추정치이다. 블록(512)에서 공액 페이저는 델타 위상(Δφ(t))으로부터 구성된다. 블록(513)에서 공액 페이저는 위상 노이즈를 제거하고 디노이즈된 비트 신호를 생성하기 위해 자유 공간 업 램프 비트 신호와 곱해진다. 블록(514)에서 디노이즈된 비트 신호의 PSD가 계산되고 결과 피크가 위치된다.
블록(509)에서 식별된 각각의 피크 세트가 평가된다. 블록(515)에서 더 많은(평가되지 않은) 피크 쌍이 업 및 다운 램프 PSD에 남아 있는지를 결정하기 위해 피크 쌍이 검사된다. 피크 쌍이 남아 있으면, 나머지 각 쌍에 대해 블록(509-515)이 반복된다. 모든 쌍이 테스트되었으면 블록(515)은 블록(516)으로 진행한다. 블록(516)에서 어떤 쌍이 정확했는지 결정하기 위해 각 쌍에 대해 계산된 PSD의 피크 값에 대한 비교가 이루어진다(올바른 쌍은 PSD 피크 값이 업 램프에서 최대화됨). 블록(517)에서 페어링이 정확한지 확인한 후 피크 쌍이 선택된다.
블록(517)에서 정확한 피크 쌍이 선택된 후, 다중 타겟 식별 시스템(570)은 블록(553)으로 진행하여 동작을 종료할 수 있다. 대안적으로, 블록(517) 이후에, 다중 타겟 식별 시스템(570)은 다운 램프 신호의 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시키기 위해 위상 노이즈의 제거를 반복할 수 있다. 피크 쌍을 이용하여, 측정된 모든 경로 길이의 거리가 추정되다. 이러한 경로 길이에 기초하거나 경로 길이에 대한 추정된 비행 시간(τest)에 기초하여, 블록(518)에서 지연된 위상(φex(t-τest))은 다운 램프에 대해 추정된 시간 종속 위상(φex(t))을 지연함으로써 생성된다. 블록(519)에서 지연된 위상(φex(t-τest))은는 델타 위상(Δφ(t))을 생성하기 위해 레이저 다운-램프의 지연되지 않은 시간 의존 위상 (φex(t))으로부터 감산된다. 델타 위상(Δφ(t))은 블록(502)에서 다운-램프에 의해 생성된 자유 공간 비트 신호에 대한 위상 노이즈 및 비선형성의 기여도의 추정치이다. 블록(520)에서 공액 페이저는 델타 위상(Δφ(t))으로부터 구성된다. 블록(521)에서 공액 페이저는 위상 노이즈를 제거하고 디노이즈된 비트 신호를 생성하기 위해 자유 공간 하향 램프 비트 신호와 곱해진다. 블록(522)에서 디노이즈된 비트 신호의 PSD가 계산되고 결과 피크가 위치된다. 블록(523)에서 피크 쌍이 남아 있는지를 결정하기 위해 검사가 이루어진다. 만약 그렇다면, 블록(518-523)이 반복된다. 모든 피크가 처리되었으면, 다중 타겟의 최종 거리 및 속도가 계산될 수 있고, 블록(523)은 블록(553)으로 진행하여 다중 타겟 식별 시스템(570)의 동작을 종료한다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시의 다양한 구현에 따라 위상 추정, 능동 위상 제거, 전치 왜곡 파형 생성 및 피크 페어링 맞춤을 통합하는 FMCW LIDAR의 동작 사이클(600)의 예를 도시한다.
블록(601)에서, 시스템 및 레이저에 전원이 공급된다. 블록(602)에서, 레이저 온도는 온도 센서(603)에 의해 생성된 데이터를 이용하여 안정화되도록 허용된다. 일단 레이저 온도가 안정화되면, 블록(605)에서, 시스템은 레이저 주파수를 변조하기 위해 기존의 레이저 구동 파형(604)을 로드한다. 시스템의 마모, 환경 상태의 변화 등에 따라 로드된 레이저 구동 파형(604)이 최적이 아닐 수 있다. 블록(606)에서, 레이저의 주파수 특성(예를 들어, 처프율 및 처프 비선형성)이 사양을 만족스럽게 충족하는지를 결정하기 위해 체크가 수행될 수 있다. 레이저 특성이 사양 내에 있는 경우, 블록(606)은 블록(609)(도 6b에 도시됨)으로 진행한다. 레이저 특성이 사양을 벗어나면 블록(606)은 블록(607)으로 진행한다. 블록(607)에서 레이저 구동 파형(604)의 현장(in situ) 개선이 수행된다. 현장 개선은 전치 왜곡 파형 생성기(400) 및/또는 전치 왜곡 파형 생성기(430)(도 4a 및 4b에 도시됨)에 따라 수행될 수 있다. 블록(607)은 블록(608) 및 블록(609) 모두로 진행한다(도 6b에 도시됨). 블록(608)에서 업데이트된 파형은 다음 전원 사이클을 위해 저장된다.
도 6b에서, 레이저 구동 파형(604)의 기존 버전이 사양을 충족하거나 대안적으로 현장 개선이 완료되면 블록(609)은 프레임 데이터를 캡처하는 프로세스를 시작한다. 블록(609)은 복수의 하위 동작을 포함할 수 있다. 레이저 주파수가 변조됨에 따라, 블록(610)에서 LIDAR 시스템은 상향 램프(주파수 처프 증가)가 시작되었음을 나타내는 트리거를 기다린다. 이에 응답하여, 블록(611)에서 자유 공간 FMCW LIDAR 측정의 성능이 트리거되고, 동시에 블록(612)에서 시간 의존 레이저 위상 요동(노이즈 및 비선형성)의 측정이 트리거된다. 블록(611 및 612)과 관련된 동작은 광 위상 측정 장치(100)(도 1에 도시됨)에 대응할 수 있다. 블록(611) 및 블록(612)의 측정 결과는 블록(613)에서 결합된다. 블록(613)의 동작은 위상 노이즈 제거 시스템(300)(도 3a에 도시됨), 위상 노이즈 제거 시스템(340)(도 3b에 도시됨), 다중 타겟 식별 시스템(500)(도 5a에 도시됨) 및/또는 다중 타겟 식별 시스템(570)(도 5b에 도시됨)의 동작을 나타낼 수 있다. 블록(613)의 동작은 자유 공간 LIDAR 측정의 충실도를 향상시킬 수 있다. 블록(614)에서 비트 신호 스펙트럼이 계산된다. 블록(610-614)은 다운 램프에 대해 반복된다. 블록(615)에서, 필터링된 결과 PSD에 기초하여, 장면에서 포인트의 거리 및 속도가 계산될 수 있다.
전형적으로, LIDAR 프레임은 하나 이상의 포인트를 포함한다. 블록(616)에서 LIDAR 시스템은 더 많은 포인트가 프레임에 남아 있는지를 결정한다. 더 많은 포인트가 프레임에 남아 있을 경우, 블록(616)은 FMCW LIDAR 시스템에 의해 방출된 빔의 위치가 수정되는 블록(617)으로 진행하고, 블록(610-615)의 업/다운 램프 캡처 프로세스가 반복된다. 프레임의 모든 포인트가 캡처되면 블록(616)은 포인트 클라우드가 조립될 수 있는 블록(618)으로 진행하여 작업 사이클(600)을 완료한다.
일부 또는 모든 프로세스 블록이 시스템 및 프로세스(300, 340, 400, 430, 500, 570 및/또는 600)에 나타나는 순서는 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다. 오히려, 본 개시의 이점을 가진 당업자는 프로세스 블록의 일부가 예시되지 않은 다양한 순서로, 또는 심지어 병렬로 실행될 수 있음을 이해할 것이다.
도 7a는 본 개시의 측면에 따른, 도 1 내지 6의 LIDAR 설계를 포함할 수 있는 예시적인 자율 차량(700)을 도시한다. 도시된 자율 차량(700)은 자율 차량(700)의 작동을 제어할 목적으로 자율 차량의 외부 환경의 하나 이상의 물체를 캡처하고 캡처된 하나 이상의 물체와 관련된 센서 데이터를 생성하도록 구성된 센서 어레이를 포함한다. 도 7a는 센서(733A, 733B, 733C, 733D 및 733E)를 도시한다. 도 7b는 센서(733A, 733B, 733C, 733D 및 733E)에 더하여 센서(733F, 733G, 733H 및 733I)를 포함하는 자율 차량(700)의 평면도를 예시한다. 임의의 센서(733A, 733B, 733C, 733D, 733E, 733F, 733G, 733H 및/또는 733I)는 도 1 내지 6의 설계를 포함하는 LIDAR 장치를 포함할 수 있다. 도 7c는 자율 차량(700)을 위한 예시적인 시스템(799)의 블록도를 도시한다. 예를 들어, 자율 차량(700)은 에너지원(706)에 의해 동력을 공급받고 드라이브트레인(708)에 전력을 제공할 수 있는 원동기(704)를 포함하는 파워트레인(702)을 포함할 수 있다. 자율 차량(700)은 방향 제어(712), 파워트레인 제어(714) 및 브레이크 제어(716)를 포함하는 제어 시스템(710)을 더 포함할 수 있다. 자율 차량(700)은 사람 및/또는 화물을 수송할 수 있고 서로 다른 다양한 환경에서 주행할 수 있는 차량을 포함하는 임의의 수의 상이한 차량으로 구현될 수 있다. 전술한 컴포넌트(702-716)는 이러한 컴포넌트가 사용되는 차량의 유형에 따라 광범위하게 변할 수 있음을 이해할 것이다.
예를 들어, 이하에서 논의되는 구현은 자동차, 밴, 트럭 또는 버스와 같은 바퀴 달린 육상 차량에 초점을 맞출 것이다. 이러한 구현에서, 원동기(704)는 (그 중에서도) 하나 이상의 전기 모터 및/또는 내연 기관을 포함할 수 있다. 에너지원은 예를 들어 연료 시스템(예를 들어, 가솔린, 디젤, 수소를 제공), 배터리 시스템, 태양광 패널 또는 기타 재생 에너지원 및/또는 연료전지 시스템을 포함할 수 있다. 드라이브트레인(708)은 원동기(704)의 출력을 차량 운동으로 변환하기에 적합한 트랜스미션 및/또는 임의의 다른 기계 구동 컴포넌트와 함께 휠 및/또는 타이어를 포함할 수 있을 뿐만 아니라 자율 차량(700)을 제어 가능하게 정지시키거나 감속시키도록 구성된 하나 이상의 브레이크 및 자율 차량(700)의 궤적을 제어하기에 적합한 방향 또는 조향 컴포넌트(예를 들어, 자율 차량(700)의 하나 이상의 휠이 차량의 종축에 대한 휠의 회전 평면의 각도를 변경하기 위해 일반적으로 수직 축을 중심으로 선회할 수 있게 하는 랙 및 피니언 조향 연결 장치)를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 파워트레인과 에너지원의 조합이 사용될 수 있다(예를 들어, 전기/가스 하이브리드 차량의 경우). 일부 구현에서, 복수의 전기 모터(예를 들어, 개별 바퀴 또는 차축 전용)가 원동기로 사용될 수 있다.
방향 제어(712)는 자율 차량(700)이 원하는 궤적을 따를 수 있도록 방향 또는 조향 컴포넌트로부터 피드백을 제어하고 수신하기 위한 하나 이상의 액추에이터 및/또는 센서를 포함할 수 있다. 파워트레인 제어(714)는 파워트레인(702)의 출력을 제어하도록 구성될 수 있는데, 예를 들어 원동기(704)의 출력 전력을 제어하고 드라이브트레인(708)의 변속기 기어를 제어함으로써 자율 차량(700)의 속도 및/또는 방향을 제어할 수 있다. 브레이크 제어(716)는 자율 차량(700)을 감속시키거나 정지시키는 하나 이상의 브레이크, 예를 들어 차량의 휠에 결합된 디스크 또는 드럼 브레이크를 제어하도록 구성될 수 있다.
오프로드 차량, 올-터레인(all-terrain) 또는 트랙 차량, 또는 건설 장비를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 차량 유형은 필연적으로, 본 개시의 이점을 갖는 통상의 기술자라면 이해할 다른 파워트레인, 드라이브트레인, 에너지원, 방향 제어, 파워트레인 제어 및 브레이크 제어를 활용할 것이다. 또한, 일부 구현에서 일부 컴포넌트는 결합될 수 있는데, 예를 들어 차량의 방향 제어는 주로 하나 이상의 원동기의 출력을 변경하여 처리될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 구현은 바퀴 달린 육상 자율 차량에서 본 명세서에 기술된 기술의 특정 적용에 제한되지 않는다.
도시된 구현에서, 자율 차량(700)에 대한 자율 제어는 차량 제어 시스템(720)에서 구현되며, 이는 프로세싱 로직(722) 내의 하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 메모리(724)를 포함할 수 있으며, 프로세싱 로직(722)은 메모리(724)에 저장된 프로그램 코드(예를 들어, 명령(726))를 실행하도록 구성된다. 프로세싱 로직(722)은 예를 들어 그래픽 처리 장치(GPU) 및/또는 중앙 처리 장치(CPU)를 포함할 수 있다. 차량 제어 시스템(720)은 LIDAR 픽셀의 광 믹서의 출력에 응답하여 자율 차량(700)의 파워트레인(702)을 제어하도록 구성될 수 있다. 차량 제어 시스템(720)은 복수의 LIDAR 픽셀로부터의 출력에 응답하여 자율 차량(700)의 파워트레인(702)을 제어하도록 구성될 수 있다. 차량 제어 시스템(720)은 FPA 시스템(202)으로부터 수신된 신호에 기초하여 생성된 마이크로컴퓨터(203)로부터의 출력에 응답하여 자율 차량(700)의 파워트레인(702)을 제어하도록 구성될 수 있다.
센서(733A-733I)는 자율 차량의 작동을 제어하는데 사용하기 위해 자율 차량의 주변 환경으로부터 데이터를 수집하기에 적합한 다양한 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서(733A-733I)는 RADAR 유닛(734), LIDAR 유닛(736), 3D 포지셔닝 센서(들)(738), 예를 들어 GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo 또는 Compass와 같은 위성 항법 시스템을 포함할 수 있다. 도 1 내지 6의 LIDAR 설계는 LIDAR 유닛(736)에 포함될 수 있다. LIDAR 유닛(736)은 예를 들어 자율 차량(700) 주위에 분산된 복수의 LIDAR 센서를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 3D 포지셔닝 센서(들)(738)는 위성 신호를 이용하여 지구상에서 차량의 위치를 결정할 수 있다. 센서(733A-733I)는 선택적으로 하나 이상의 초음파 센서, 하나 이상의 카메라(740) 및/또는 관성 측정 유닛(IMU)(742)을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 카메라(740)는 정지 및/또는 비디오 이미지를 기록할 수 있는 모노그래픽 또는 스테레오그래픽 카메라일 수 있다. 카메라(740)는 자율 차량(700)의 외부 환경에 있는 하나 이상의 물체의 이미지를 캡처하도록 구성된 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서를 포함할 수 있다. IMU(742)는 세 방향에서 자율 차량(700)의 선형 및 회전 운동을 감지할 수 있는 다중 자이로스코프 및 가속도계를 포함할 수 있다. 휠 인코더와 같은 하나 이상의 인코더(미도시)는 자율 차량(700)의 하나 이상의 휠의 회전을 모니터링하는 데 사용될 수 있다.
센서(733A-733I)의 출력은 위치 파악(localization) 서브시스템(752), 궤도 서브시스템(756), 지각 서브시스템(754) 및 제어 시스템 인터페이스(758)를 포함하는 제어 서브시스템(750)에 제공될 수 있다. 위치 파악 서브시스템(752)은 주변 환경 내에서, 그리고 일반적으로 특정 지리적 영역 내에서 자율 차량(700)의 위치 및 (또한 때때로 "자세"로 지칭되는) 방향을 결정하도록 구성될 수 있다. 자율 차량의 위치는 라벨링된 자율 차량 데이터 생성의 일부로써, 동일한 환경에 있는 추가 차량의 위치와 비교될 수 있다. 지각 서브시스템(754)은 자율 차량(700)을 둘러싼 환경 내의 물체를 검출, 추적, 분류 및/또는 결정하도록 구성될 수 있다. 궤적 서브시스템(756)은 특정 시간 프레임에 걸쳐 원하는 목적지가 주어진 자율 차량(700)에 대한 궤적 뿐만 아니라, 환경 내에서 정지된 및 움직이는 물체의 궤적을 생성하도록 구성될 수 있다. 여러 구현에 따른 기계 학습 모델은 차량 궤적을 생성하는 데 활용될 수 있다. 제어 시스템 인터페이스(758)는 자율 차량(700)의 궤적을 구현하기 위해 제어 시스템(710)과 통신하도록 구성된다. 일부 구현에서, 기계 학습 모델은 계획된 궤적을 구현하기 위해 자율 차량을 제어하는 데 활용될 수 있다.
도 7에 도시된 차량 제어 시스템(720)에 대한 컴포넌트들의 집합은 본질적으로 단지 예시일 뿐이라는 것이 이해될 것이다. 개별 센서는 일부 구현에서 생략될 수 있다. 일부 구현에서, 도 7c에 도시된 상이한 유형의 센서가 자율 차량을 둘러싼 환경에서 중복적으로 및/또는 상이한 영역을 커버하기 위하여 사용될 수 있다. 일부 구현에서, 제어 서브시스템의 상이한 유형 및/또는 조합이 사용될 수 있다. 또한, 서브시스템(752-758)이 프로세싱 로직(722) 및 메모리(724)와 별개인 것으로 도시되어 있지만, 일부 구현에서 서브시스템(752-758)의 기능 중 일부 또는 전부는 메모리(724)에 상주하고 프로세싱 로직(722)에 의해 실행되는 명령(726)과 같은 프로그램 코드로 구현될 수 있으며, 이들 서브시스템(752-758)은 일부 경우에 동일한 프로세서(들) 및/또는 메모리를 이용하여 구현될 수 있음이 이해될 것이다. 일부 구현에서 서브시스템은 다양한 전용 회로 로직, 다양한 프로세서, 다양한 FPGA(Field Programmable Gate Array), 다양한 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), 다양한 실시간 컨트롤러 등으로 구현될 수 있으며, 위에서 언급한 것과 같이, 복수의 하위 시스템이 회로, 프로세서, 센서 및/또는 기타 컴포넌트를 활용할 수 있다. 또한, 차량 제어 시스템(720)의 다양한 컴포넌트는 다양한 방식으로 네트워크화될 수 있다.
일부 구현에서, 자율 차량(700)은 또한 자율 차량(700)을 위한 중복 또는 백업 제어 시스템으로 사용될 수 있는 2차 차량 제어 시스템(미도시)을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 2차 차량 제어 시스템은 특정 이벤트에 응답하여 자율 차량(700)을 작동할 수 있다. 2차 차량 제어 시스템은 1차 차량 제어 시스템(720)에서 검출된 특정 이벤트에 응답하여 제한된 기능만을 가질 수 있다. 또 다른 구현에서, 2차 차량 제어 시스템은 생략될 수 있다.
일부 구현에서, 소프트웨어, 하드웨어, 회로 로직, 센서 및 네트워크의 다양한 조합을 포함하는 상이한 아키텍처가 도 7c에 도시된 다양한 컴포넌트를 구현하는 데 사용될 수 있다. 각각의 프로세서는, 예를 들어 마이크로프로세서로서 구현될 수 있고 각각의 메모리는 메인 스토리지뿐만 아니라 메모리의 임의의 보충 레벨, 예를 들어 캐시 메모리, 비휘발성 또는 백업 메모리(예를 들어, 프로그래밍 가능 또는 플래시 메모리), 또는 읽기 전용 메모리를 의미할 수 있다. 또한, 각 메모리는 예를 들어 대용량 저장 장치 또는 다른 컴퓨터 컨트롤러에 저장된 것과 같은 가상 메모리로 사용되는 임의의 저장 용량뿐만 아니라, 자율 차량(700)의 다른 곳에 물리적으로 위치한 메모리 스토리지, 예를 들어 프로세서의 임의의 캐시 메모리를 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 도 7c에 도시된 프로세싱 로직(722), 또는 완전히 별개의 프로세싱 로직은, 자율 제어의 목적 외에 자율 차량(700)에서 추가 기능을 구현하기 위해, 예를 들어 엔터테인먼트 시스템을 제어하거나, 문, 조명 또는 편의 기능을 작동하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 추가적인 저장을 위해, 자율 차량(700)은 또한 하나 이상의 대용량 저장 장치, 예를 들어 이동식 디스크 드라이브, 하드 디스크 드라이브, 직접 액세스 저장 장치("DASD"), 광 드라이브(예를 들어 CD 드라이브, DVD 드라이브), SSD(Solid State Storage Drive), 네트워크 연결 스토리지, 스토리지 영역 네트워크 및/또는 테이프 드라이브 등을 포함할 수 있다. 또한, 자율 차량(700)은 자율 차량(700)이 승객으로부터 복수의 입력을 수신하고 승객을 위한 출력을 생성하기 위한 사용자 인터페이스(764), 예를 들어 하나 이상의 디스플레이, 터치스크린, 음성 및/또는 제스처 인터페이스, 버튼 및 기타 촉각 컨트롤을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 승객으로부터의 입력은 다른 컴퓨터 또는 전자 장치를 통해, 예를 들어 모바일 장치의 앱을 통해 또는 웹 인터페이스를 통해 수신될 수 있다.
일부 구현에서, 자율 차량(700)은 하나 이상의 네트워크(770)(예를 들어, 근거리 통신망("LAN"), 광역 통신망("WAN"), 무선 네트워크 및/또는 인터넷 등)와 통신하기에 적합한 이상의 네트워크 인터페이스, 예를 들어, 네트워크 인터페이스(762)를 포함할 수 있으며, 이를 통해, 예를 들어, 자율 차량(700)이 자율 제어에 사용하기 위해 환경 및 기타 데이터를 수신하기 위한 클라우드 서비스와 같은 중앙 서비스를 포함하는 다른 컴퓨터 및 전자 장치와의 정보 통신을 허용할 수 있다. 일부 구현에서, 하나 이상의 센서(733A-733I)에 의해 수집된 데이터는 추가 처리를 위해 네트워크(770)를 통해 컴퓨팅 시스템(772)에 업로드될 수 있다. 그러한 구현에서, 타임 스탬프는 업로드 전에 차량 데이터의 각 인스턴스와 연관될 수 있다.
본 명세서에 개시된 다양한 추가 제어기 및 서브시스템 뿐만 아니라, 도 7c에 도시된 프로세싱 로직(722)은 일반적으로 운영 체제의 제어 하에 작동되고 실행되거나, 그렇지 않으면 아래에서 자세히 설명되는 다양한 컴퓨터 소프트웨어 애플리케이션, 컴포넌트, 프로그램, 객체, 모듈 또는 데이터 구조에 의존한다. 또한, 다양한 애플리케이션, 컴포넌트, 프로그램, 객체 또는 모듈은 네트워크(770)를 통해, 예를 들어 분산, 클라우드 기반 또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 환경에서 자율 차량(700)에 결합된 다른 컴퓨터의 하나 이상의 프로세서에서 실행할 수도 있으며, 이로써 컴퓨터 프로그램의 기능을 구현하는 데 필요한 처리가 네트워크를 통해 복수의 컴퓨터 및/또는 서비스에 할당될 수 있다.
여기에 설명된 다양한 구현을 구현하기 위해 실행되는 루틴은, 운영 체제의 일부 또는 특정 애플리케이션, 컴포넌트, 프로그램, 개체, 모듈 또는 명령 시퀀스 또는 심지어 그 하위 집합의 일부로 구현되든 간에, 여기에서 "프로그램 코드"로 지칭될 것이다. 프로그램 코드는 일반적으로 다양한 메모리 및 저장 장치에 상주하는 하나 이상의 명령을 포함하고, 하나 이상의 프로세서에 의해 판독 및 실행될 때 본 개시의 다양한 측면을 구현하는 단계 또는 요소를 실행하는 데 필요한 단계를 수행한다. 또한, 구현은 완전히 기능하는 컴퓨터 및 시스템의 맥락에서 설명되어 왔고 앞으로도 그러할 것이지만, 여기에 설명된 다양한 구현은 다양한 형태의 프로그램 제품으로서 배포될 수 있고, 구현이 실제로 배포를 수행하는 데 사용되는 특정 유형의 컴퓨터 판독 가능 매체와 관계없이 구현될 수 있음이 이해될 것이다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예로는 휘발성 및 비휘발성 메모리 장치, 플로피 및 기타 이동식 디스크, 솔리드 스테이트 드라이브, 하드 디스크 드라이브, 자기 테이프 및 광 디스크(예를 들어, CD-ROM, DVD) 등과 같은 유형의 비일시적 매체를 포함한다.
또한, 이하에서 설명되는 다양한 프로그램 코드는 특정 구현에서 구현되는 애플리케이션에 기초하여 식별될 수 있다. 그러나, 다음의 임의의 특정 프로그램 명명법은 단지 편의상 사용되며, 따라서 본 개시는 그러한 명명법에 의해 식별 및/또는 암시된 임의의 특정 애플리케이션에서만 사용하는 것으로 제한되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 또한, 컴퓨터 프로그램이 루틴, 절차, 방법, 모듈, 객체 등으로 구성될 수 있는 일반적으로 무한한 수의 방식과 프로그램 기능이 통상의 컴퓨터(예를 들어, 운영 체제, 라이브러리, API, 응용 프로그램, 애플릿) 내에 상주하는 다양한 소프트웨어 계층 사이에 할당될 수 있는 다양한 방식을 고려할 때, 본 개시는 여기에 설명된 프로그램 기능의 특정 조직 및 할당에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
본 개시의 이점을 갖는 당업자는 도 7c에 도시된 예시적인 환경이 여기에 개시된 구현을 제한하려는 의도가 아님을 인식할 것이다. 실제로, 당업자는 본 명세서에 개시된 구현의 범위를 벗어나지 않고 다른 대체 하드웨어 및/또는 소프트웨어 환경이 사용될 수 있음을 인식할 것이다.
본 명세서에서 "프로세싱 로직"(예를 들어, 프로세싱 로직(722))이라는 용어는 본 명세서에 개시된 동작을 실행하기 위한 하나 이상의 프로세서, 마이크로프로세서, 멀티코어 프로세서, 주문형 집적 회로(ASIC), 및/또는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGAs)를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 메모리(미도시)는 연산을 실행하고 및/또는 데이터를 저장하기 위한 명령을 저장하기 위해 프로세싱 로직에 통합된다. 프로세싱 로직은 또한 본 개시의 구현에 따른 동작을 수행하기 위한 아날로그 또는 디지털 회로를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 "유닛(unit)"은 하드웨어 컴포넌트(예를 들어, AND, OR, NOR, XOR 게이트)로 구성될 수 있고, 하나 이상의 프로세서, ASIC, FPGA 또는 광자 집적 회로(PIC)에 내장된 회로로 구현, 및/또는 LIDAR 시스템 내의 하나 이상의 메모리에 저장된 소프트웨어 명령으로 부분적으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 구현에 따라 여기에 개시된 다양한 유닛은 LIDAR 처리 엔진(201), 마이크로컴퓨터(203), 레이저 제어기(205) 및/또는 FPA 드라이버(209)(도 2에 도시됨)에서 적어도 부분적으로 구현될 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 "메모리" 또는 "메모리들"은 하나 이상의 휘발성 또는 비휘발성 메모리 아키텍처를 포함할 수 있다. "메모리" 또는 "메모리들"은 컴퓨터 판독 가능 명령, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 제거 가능 및 제거 불가능 매체일 수 있다. 메모리 기술의 예에는 RAM, ROM, EEPROM, 플래시 메모리, CD-ROM, DVD, 고화질 멀티미디어/데이터 저장 디스크 또는 기타 광 스토리지, 자기 카세트, 자기 테이프, 자기 디스크 저장 장치 또는 컴퓨팅 장치에 의해 액세스될 수 있도록 정보를 저장하는 데 사용될 수 있는 기타 비전송 매체를 포함할 수 있다.
네트워크는 피어-투-피어 네트워크; LAN(Local Area Network); WAN(Wide Area Network); 인터넷과 같은 공용 네트워크; 개인 네트워크; 셀룰러 네트워크; 무선 네트워크; 유선 네트워크; 무선 및 유선 조합 네트워크; 및 위성 네트워크와 같은 임의의 네트워크 또는 네트워크 시스템을 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
통신 채널은 IEEE 802.11 프로토콜, SPI(Serial Peripheral Interface), I2C(Inter-Integrated Circuit), USB(Universal Serial Port), CAN(Controller Area Network), 셀룰러 데이터 프로토콜(예를 들어, 3G, 4G, LTE, 5G), 광통신 네트워크, 인터넷 서비스 공급자(ISPs), 피어 투 피어 네트워크, LAN(Local Area Network), WAN(Wide Area Network), 공용 네트워크(예를 들어, "인터넷"), 개인 네트워크, 위성 네트워크 또는 기타를 이용하는 하나 이상의 유선 또는 무선 통신을 포함하거나 이를 통해 라우팅될 수 있다.
컴퓨팅 장치는 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 태블릿, 패블릿, 스마트폰, 피처폰, 서버 컴퓨터 등을 포함할 수 있다. 서버 컴퓨터는 데이터 센터에 원격으로 위치하거나 로컬에 저장될 수 있다.
위에서 설명된 프로세스는 컴퓨터 소프트웨어 및 하드웨어의 관점에서 설명된다. 설명된 기술은 기계에 의해 실행될 때 기계가 설명된 작업을 수행하도록 하는 유형 또는 비일시적 기계(예를 들어, 컴퓨터) 판독 가능 저장 매체 내에 구현된 기계 실행 가능 명령을 구성할 수 있다. 부가적으로, 프로세스는 주문형 집적 회로("ASIC") 등과 같은 하드웨어 내에 구현될 수 있다.
유형의 비일시적 기계 판독 가능 저장 매체는 기계(예를 들어, 컴퓨터, 네트워크 장치, PDA, 제조 도구, 하나 이상의 프로세서 세트를 가지는 임의의 장치 등)에 의해 접근 가능한 형태의 정보를 제공(예를 들어, 저장)하기 위한 임의의 메커니즘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기계 판독 가능 저장 매체는 기록 가능/기록 불가능 매체(예를 들어, ROM(read only memory), RAM(random access memory), 자기 디스크 저장 매체, 광 저장 매체, 플래시 메모리 장치 등)을 포함한다.
요약서에 기술된 것을 포함하여 본 개시의 예시된 구현에 대한 상기 설명은 본 개시를 개시된 정확한 형태로 제한하거나 철저하게 의도하지 않는다. 본 개시의 특정 구현 및 예시가 예시적인 목적으로 본 명세서에 설명되어 있지만, 관련 기술 분야의 기술자가 인식하는 바와 같이 본 개시의 범위 내에서 다양한 수정이 가능하다.
이러한 수정은 상세한 설명에 비추어 본 개시에 이루어질 수 있다. 다음 청구범위에 사용된 용어는 본 개시를 명세서에 개시된 특정 구현으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 본 개시의 범위는 다음 청구범위에 의해 전적으로 결정되어야 하며, 이는 청구범위 해석의 확립된 원칙에 따라 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 자율 차량을 위한 LIDAR (light detection and ranging) 시스템으로서:
    레이저 빔을 생성하도록 구성되는 레이저 소스;
    상기 레이저 빔을 나타내는 신호에 기초하여 상기 레이저 빔의 이동 시간을 측정하도록 구성되는 LIDAR 측정 회로 - 상기 이동 시간은 상기 레이저 빔이 상기 자율 차량의 환경으로 송신되고, 상기 자율 차량의 상기 환경 내의 물체로부터 반사되고, 상기 LIDAR 시스템에 의하여 수신되기 위하여 이동한 시간을 나타냄 -;
    상기 레이저 소스의 위상을 결정하도록 구성되는 기준 측정 회로; 및
    (i) 상기 레이저 소스의 상기 위상 및 (ii) 상기 레이저 빔의 상기 이동 시간에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 레이저 빔을 나타내는 신호로부터 위상 노이즈를 감소시키도록 구성되는 노이즈 제거 회로를 포함하며,
    상기 노이즈 제거 회로는 특정 시간의 상기 위상 노이즈를 식별하기 위하여, 상기 이동 시간을 이용하여 기준 간섭계로부터의 기준 신호의 위상을 지연시킴으로써 상기 위상 노이즈를 감소시키고, 상기 기준 간섭계는 상기 레이저 빔에 기초하여 상기 기준 신호를 생성하도록 구성되는, LIDAR 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 빔을 나타내는 신호를 생성하도록 구성되는 자유 공간 간섭계를 더 포함하고,
    상기 레이저 빔을 나타내는 신호는 제1 비트 신호이고,
    상기 레이저 소스의 위상은 상기 기준 간섭계로부터 수신되는 제2 비트 신호로부터 계산되고,
    상기 레이저 소스는 상기 자유 공간 간섭계 및 상기 기준 간섭계를 동시에 구동하는, LIDAR 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 자유 공간 간섭계는 제1 국부 발진기 신호 및 물체 반사 제1 신호를 결합하여 상기 제1 비트 신호를 생성하고,
    상기 기준 간섭계는 제2 국부 발진기 신호 및 고정 길이 광 지연 라인에 의해 지연된 제2 신호를 결합하여 상기 제2 비트 신호를 생성하는, LIDAR 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 노이즈 제거 회로는, 디지털 지연 연산을 통해 상기 레이저 소스의 기준 신호 부분의 지연 위상을 생성하는, LIDAR 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 노이즈 제거 회로는, 상기 레이저 소스의 지연되지 않은 위상으로부터 상기 레이저 소스의 기준 신호 부분의 상기 지연 위상을 감산하여 상기 레이저 소스의 델타 위상을 생성하고, 상기 레이저 소스의 상기 델타 위상은 상기 특정 시간의 상기 위상 노이즈를 나타내는, LIDAR 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 노이즈 제거 회로는, 상기 레이저 빔을 나타내는 신호에 상기 델타 위상의 복소공액(complex conjugate)을 곱하여 위상 노이즈를 감소시키는, LIDAR 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 위상 노이즈의 감소 이후 상기 레이저 빔을 나타내는 신호인 수정된 신호에 기초하여 상기 레이저 소스와 상기 물체 사이의 거리를 계산하도록 구성되는 거리 계산 회로를 더 포함하는, LIDAR 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 거리 계산 회로는 상기 수정된 신호의 주파수를 결정하고, 상기 수정된 신호의 상기 주파수는 상기 수정된 신호의 주파수 표현의 피크 진폭에 기초하여 결정되는, LIDAR 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 LIDAR 시스템은 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) LIDAR 시스템인, LIDAR 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준 측정 회로는 상기 기준 간섭계로부터의 동위상 신호(in-phase signal) 및 직교 신호(quadrature signal)에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 레이저 소스의 위상을 결정하는, LIDAR 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 레이저 소스의 상기 위상을 결정하기 위하여, 상기 기준 측정 회로는 상기 동위상 신호로 나눈 상기 직교 신호에 아크탄젠트 연산(arctangent operation)을 적용하고, 상기 아크탄젠트 연산으로부터의 출력에 적분 연산(integration operation)을 적용하도록 구성되는, LIDAR 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 빔의 상기 이동 시간을 측정하기 위하여, 상기 LIDAR 측정 회로는 자유 공간 간섭계로부터 비트 신호의 주파수를 결정하도록 구성되며, 상기 비트 신호의 주파수는 상기 비트 신호의 주파수 표현의 적어도 하나의 피크 진폭에 기초하여 결정되는, LIDAR 시스템.
  13. 자율 차량 제어 시스템으로서:
    LIDAR 시스템 - 상기 LIDAR 시스템은:
    레이저 빔을 생성하도록 구성되는 레이저 소스;
    LIDAR 측정 회로;
    기준 측정 회로; 및
    노이즈 제거 회로를 포함하며,
    상기 LIDAR 측정 회로는 상기 레이저 빔을 나타내는 신호에 기초하여 상기 레이저 빔의 이동 시간을 측정하도록 구성되고, 상기 이동 시간은 상기 레이저 빔이 상기 자율 차량의 환경으로 송신되고, 상기 자율 차량의 상기 환경 내의 물체로부터 반사되고, 상기 LIDAR 시스템에 의하여 수신되기 위하여 이동한 시간을 나타내고,
    상기 기준 측정 회로는 상기 레이저 소스의 위상을 결정하도록 구성되고,
    상기 노이즈 제거 회로는 (i) 상기 레이저 소스의 상기 위상 및 (ii) 상기 레이저 빔의 상기 이동 시간에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 레이저 빔을 나타내는 신호로부터 위상 노이즈를 감소시키도록 구성되고, 그리고
    상기 노이즈 제거 회로는 특정 시간의 상기 위상 노이즈를 식별하기 위하여 상기 이동 시간을 이용하여 기준 간섭계로부터의 기준 신호의 위상을 지연시킴으로써 상기 위상 노이즈를 감소시키고, 상기 기준 간섭계는 상기 레이저 빔에 기초하여 상기 기준 신호를 생성하도록 구성됨 -; 및
    상기 노이즈 제거 회로에 의해 출력되는 신호에 응답하여 상기 자율 차량 제어 시스템을 제어하는 하나 이상의 프로세서를 포함하는, 자율 차량 제어 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 레이저 빔을 나타내는 신호를 생성하도록 구성되는 자유 공간 간섭계를 더 포함하고,
    상기 레이저 빔을 나타내는 신호는 제1 비트 신호이고,
    상기 레이저 소스의 상기 위상은 상기 기준 간섭계로부터 수신되는 제2 비트 신호로부터 계산되고,
    상기 레이저 소스는 상기 자유 공간 간섭계 및 상기 기준 간섭계를 동시에 구동하는, 자율 차량 제어 시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 노이즈 제거 회로는, 디지털 지연 연산인 지연 연산을 통해 상기 레이저 소스의 지연 위상을 생성하도록 구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 노이즈 제거 회로는, 상기 레이저 소스의 지연되지 않은 위상으로부터 상기 레이저 소스의 상기 지연 위상을 감산하여 상기 레이저 소스의 델타 위상을 생성하고, 상기 레이저 소스의 상기 델타 위상은 상기 레이저 빔을 나타내는 신호 내의 위상 노이즈를 나타내고, 상기 노이즈 제거 회로는 상기 레이저 빔을 나타내는 신호에 상기 델타 위상의 복소공액(complex conjugate)을 곱하여 위상 노이즈를 감소시키도록 구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
  17. 자율 차량으로서:
    LIDAR 시스템 - 상기 LIDAR 시스템은:
    레이저 빔을 생성하도록 구성되는 레이저 소스;
    LIDAR 측정 회로;
    기준 측정 회로; 및
    노이즈 제거 회로를 포함하며,
    상기 LIDAR 측정 회로는 상기 레이저 빔을 나타내는 신호에 기초하여 상기 레이저 빔의 이동 시간을 측정하도록 구성되고, 상기 이동 시간은 상기 레이저 빔이 상기 자율 차량의 환경으로 송신되고, 상기 자율 차량의 상기 환경 내의 물체로부터 반사되고, 상기 LIDAR 시스템에 의하여 수신되기 위하여 이동한 시간을 나타내고,
    상기 기준 측정 회로는 상기 레이저 소스의 위상을 결정하도록 구성되고,
    상기 노이즈 제거 회로는 (i) 상기 레이저 소스의 상기 위상 및 (ii) 상기 레이저 빔의 상기 이동 시간에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 레이저 빔을 나타내는 신호로부터 위상 노이즈를 감소시키도록 구성되고, 그리고
    상기 노이즈 제거 회로는 특정 시간의 상기 위상 노이즈를 식별하기 위하여 상기 이동 시간을 이용하여 기준 간섭계로부터의 기준 신호의 위상을 지연시킴으로써 상기 위상 노이즈를 감소시키고, 상기 기준 간섭계는 상기 레이저 빔에 기초하여 상기 기준 신호를 생성하도록 구성됨 -; 및
    상기 노이즈 제거 회로에 의해 출력되는 신호에 응답하여 상기 자율 차량을 제어하는 하나 이상의 프로세서를 포함하는, 자율 차량.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 레이저 빔을 나타내는 신호를 생성하도록 구성되는 자유 공간 간섭계를 더 포함하고,
    상기 레이저 빔을 나타내는 신호는 제1 비트 신호이고,
    상기 레이저 소스의 위상은 상기 기준 간섭계로부터 수신되는 제2 비트 신호로부터 계산되고,
    상기 레이저 소스는 상기 자유 공간 간섭계 및 상기 기준 간섭계를 동시에 구동하는, 자율 차량.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 노이즈 제거 회로는, 상기 이동 시간에 의해 상기 레이저 소스의 상기 위상을 지연시키도록 구성되는 지연 연산을 통해 상기 레이저 소스의 지연 위상을 생성하도록 구성되는, 자율 차량.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 노이즈 제거 회로는, 상기 레이저 소스의 지연되지 않은 위상으로부터 상기 레이저 소스의 지연된 위상을 감산하여 상기 레이저 소스의 델타 위상을 생성하고, 상기 레이저 소스의 상기 델타 위상은 상기 레이저 빔을 나타내는 신호 내의 위상 노이즈를 나타내고, 상기 노이즈 제거 회로는 상기 레이저 빔을 나타내는 신호에 상기 델타 위상의 복소공액(complex conjugate)을 곱하여 위상 노이즈를 감소시키도록 구성되는, 자율 차량.
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