(57)【要約】  ライダーセンサーによって測定される表面の距離、速度、および特性の検出のためのシステムおよび方法が、本明細書において説明されている。
2021529959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライダーセンサーであって、
1つまたは複数の光ビームを受光することに少なくとも基づき信号を生成するように構成される光学センサーと、
初期光ビームを放射するように構成され、前記初期光ビームの第1の部分は環境に向けられ、前記初期光ビームの内部部分は前記光学センサーに向けられる、レーザーであって、前記光学センサーは、前記初期光ビームの前記内部部分と、前記初期光ビームの前記第1の部分が前記環境内の第1の反射点で反射された結果として生じる第1の反射光ビームとの両方を受光するように構成される、レーザーと、
前記初期光ビームの前記第1の部分の位相をある期間にわたって固有コードで変調して、前記環境に向けられる前に前記初期光ビームの前記第1の部分の変調位相に前記固有コードを埋め込むように構成されている少なくとも1つの位相変調器と、
前記光学センサーからの信号を受信し、前記第1の反射光ビームを、前記固有コードを検出することに少なくとも基づき前記初期光ビームの前記第1の部分から結果として生じたものとして同定するように構成され、前記第1の反射点までの距離を、前記第1の反射光ビームおよび前記初期光ビームの前記内部部分に少なくとも基づき決定するようにさらに構成されている、プロセッサとを備えるライダーセンサー。
【請求項２】
前記初期光ビームの第2の部分も、前記初期光ビームの前記第1の部分とは異なる方向で前記環境に向けられ、前記光学センサーは、前記初期光ビームの前記第2の部分が前記環境内の第2の反射点で反射された結果として生じる第2の反射光ビームを受光するように構成され、前記ライダーセンサーは
前記初期光ビームの前記第2の部分の位相をある期間にわたって第2の固有コードで変調して、前記初期光ビームの前記第2の部分が前記環境に向けられる前にその変調位相に前記第2の固有コードを埋め込むように構成されている第2の位相変調器であって、前記第2の固有コードは前記第1の固有コードとは異なる、第2の位相変調器を備え、
前記プロセッサは、前記第2の固有コードを検出することに少なくとも基づき前記第2の反射光ビームを前記初期光ビームの前記第2の部分から結果として生じたものとして同定するように構成され、前記第2の反射光ビームおよび前記初期光ビームの前記内部部分に少なくとも基づき前記第2の反射点までの距離を決定するようにさらに構成され、
前記初期光ビームの前記第1の部分が前記環境に向けられてから、前記光学センサーによって前記第1の反射光ビームが受光されるまでの間の時間は、前記初期光ビームの前記第2の部分が前記環境に向けられてから、前記光学センサーによって前記第2の反射光ビームが受光されるまでの間の時間と重なる請求項1に記載のライダーセンサー。
【請求項３】
前記プロセッサは、前記第1の反射光ビームと前記初期光ビームの前記内部部分との間の相対位相に少なくとも基づき前記第1の反射点までの前記距離を決定するように構成される請求項1または2に記載のライダーセンサー。
【請求項４】
前記プロセッサは、少なくとも前記固有コードを使用して前記第1の反射光ビームが戻る時間に少なくとも基づき前記第1の反射点までの前記距離を決定するように構成される請求項1から3のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項５】
前記環境に向けられる前に前記初期光ビームの前記第1の部分の周波数をシフトするように構成されている光周波数シフターをさらに備える請求項1から4のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項６】
前記ライダーセンサーは、10メートルを超える距離を正確に決定するように構成される請求項1から5のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項７】
前記ライダーセンサーは、100メートルを超える距離を正確に決定するように構成される請求項6に記載のライダーセンサー。
【請求項８】
前記少なくとも1つの位相変調器は、前記初期光ビームの前記第1の部分の位相をある期間にわたって周期的パターンで変調して、前記環境に向けられる前に前記初期光ビームの前記第1の部分の前記変調位相に、前記固有コードと組み合わされた前記周期的パターンを埋め込むようにさらに構成される請求項1から7のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項９】
前記ライダーセンサーは
前記第1の部分を2つの部分に分割する光学素子と、
前記第1の部分が前記環境に向けられる前に、前記2つの部分を再結合するファイバーカプラとをさらに備える請求項1から8のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項１０】
少なくとも2つの光路をさらに含み、前記第1の部分は第1の経路に沿って向けられ、前記第2の部分は前記第1の経路とは異なる第2の経路に沿って向けられ、前記2つの部分は、異なる固有コードを各々が受け取るように前記少なくとも1つの光変調器を通過する請求項9に記載のライダーセンサー。
【請求項１１】
前記少なくとも1つの位相変調器は、2つの位相変調器を含み、各部分は、異なる位相変調器によって変調される請求項10に記載のライダーセンサー。
【請求項１２】
再結合される前に前記2つの部分の周波数を各部分が異なる周波数を有するようにシフトするように構成される少なくとも1つの光周波数シフターをさらに備える請求項9から11のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項１３】
ライダーセンサーであって、
1つまたは複数の光ビームを受光することに少なくとも基づき信号を生成するように構成される光学センサーと、
初期光ビームを放射するように構成されているレーザーであって、前記初期光ビームの第1の部分は第1の方向で環境に向けられ、前記初期光ビームの第2の部分は前記第1の方向とは異なる第2の方向で前記環境に向けられ、前記初期光ビームの内部部分は前記光学センサーに向けられ、同じ光学センサーは、前記初期光ビームの前記内部部分と、前記初期光ビームの前記第1の部分が前記環境内の第1の反射点で反射された結果として生じる第1の反射光ビームと、前記初期光ビームの前記第2の部分が前記環境内の第2の反射点で反射された結果として生じる第2の反射光ビームとの各々を受光するように構成される、レーザーと、
前記光学センサーからの信号を受信し、前記第1の反射光ビームを、前記初期光ビームの前記第1の部分から結果として生じたものとして、また前記第2の反射ビームを、前記初期光ビームの前記第2の部分から結果として生じたものとして同定するように構成され、前記第1および第2の反射光ビームと、前記初期光ビームの前記内部部分とに少なくとも基づき前記第1および第2の反射点までの距離を決定するようにさらに構成されるプロセッサとを備え、
前記初期光ビームの前記第1の部分が前記環境に向けられてから、前記光学センサーによって前記第1の反射光ビームが受光されるまでの間の時間は、前記初期光ビームの前記第2の部分が前記環境に向けられてから、前記同じ光学センサーによって前記第2の反射光ビームが受光されるまでの間の時間と重なる、ライダーセンサー。
【請求項１４】
前記環境に向けられる前に、前記初期光ビームの前記第1および第2の部分の各々の位相を異なる固有コードである期間にわたって変調して、前記固有コードをその変調位相に埋め込むように構成されている1つまたは複数の位相変調器をさらに備え、
前記プロセッサは、前記反射光ビームを、前記固有コードを検出することに少なくとも基づき前記初期光ビームの前記部分から結果として生じたものとして同定するように構成される請求項13に記載のライダーセンサー。
【請求項１５】
前記1つまたは複数の位相変調器は、前記初期光ビームの前記第1および第2の部分の各々の位相をある期間にわたって周期的パターンで変調して、前記環境に向けられる前に前記初期光ビームの前記第1および第2の部分の前記変調位相に前記固有コードと組み合わされた前記周期的パターンを埋め込むようにさらに構成される請求項14に記載のライダーセンサー。
【請求項１６】
前記プロセッサは、前記第1および第2の反射光ビームと前記初期光ビームの前記内部部分との間の相対位相に少なくとも基づき前記第1および第2の反射点までの前記距離を決定するように構成される請求項13から15のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項１７】
前記プロセッサは、少なくとも前記固有コードを使用して前記第1および第2の反射光ビームが戻る時間に少なくとも基づき前記第1および第2の反射点までの前記距離を決定するように構成される請求項13から16のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項１８】
前記環境に向けられる前に前記初期光ビームの前記第1および第2の部分の周波数をシフトするように構成されている1つまたは複数の光周波数シフターをさらに備える請求項13から17のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項１９】
前記ライダーセンサーは、10メートルを超える距離を正確に決定するように構成される請求項13から18のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項２０】
前記ライダーセンサーは、100メートルを超える距離を正確に決定するように構成される請求項19に記載のライダーセンサー。
【請求項２１】
距離を測定する方法であって、
光ビームを伝送部分と内部部分とに分割するステップと、
前記光ビームの前記伝送部分の位相をある期間にわたって変調して固有コードを前記伝送部分の変調位相に埋め込むステップと、
前記変調位相を有する前記伝送部分を環境に向けるステップと、
前記伝送部分が前記環境に向けられた結果として生じる反射ビームを受光するステップと、
前記反射ビームを、少なくとも前記固有コードを検出することによって前記伝送部分が前記環境に向けられた結果として生じるものとして同定するステップと、
反射点までの距離を、前記反射ビームと前記内部部分とを使用して推定するステップとを含む方法。
【請求項２２】
前記固有コードは、疑似ランダムコードである請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
前記光ビームの前記伝送部分の位相をある期間にわたって変調して前記固有コードと組み合わされた周期的パターンを前記伝送部分の変調位相に埋め込むステップをさらに含む請求項21または22に記載の方法。
【請求項２４】
前記伝送部分を第1の伝送部分と第2の伝送部分とに分割するステップであって、前記変調するステップは、前記第1および第2の部分の位相をある期間にわたって変調して異なる固有コードを前記第1および第2の部分の前記変調位相に埋め込むステップをさらに含む、ステップと、
前記第1および第2の伝送部分を、前記伝送部分を前記環境に向ける前に前記変調位相と組み合わせるステップとをさらに含む請求項21から23のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記光ビームの前記伝送部分の周波数を変調するステップをさらに含み、前記向けるステップは、前記変調位相および周波数を有する前記伝送部分を前記環境に向けるステップを含む請求項21から24のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
複数の距離を同時に測定する方法であって、
光ビームを第1の伝送部分、第2の伝送部分、および内部部分に分割するステップと、
前記第1および第2の伝送部分を異なる方向で環境に向けるステップと、
前記第1および第2の伝送部分が前記環境に向けられた結果として生じる反射ビームを単一の光学センサーで受光するステップと、
前記反射ビームを、前記第1および第2の伝送部分が前記環境に向けられた結果として生じたものとして同定するステップと、
反射点までの距離を前記反射ビームと前記内部部分とを使用して推定するステップとを含み、
前記第1の伝送部分を前記環境に向けてから前記第1の伝送部分から結果として生じる前記反射ビームを受光するまでの間の時間は、前記第2の伝送部分を前記環境に向けてから前記第2の伝送部分から結果として生じる前記反射ビームを受光するまでの間の時間と重なる、方法。
【請求項２７】
前記光ビームの前記第1および第2の伝送部分の位相をある期間にわたって変調して異なる固有コードを前記第1および第2の伝送部分の各々の変調位相に埋め込むステップをさらに含む請求項26に記載の方法。
【請求項２８】
前記固有コードは、疑似ランダムコードである請求項27に記載の方法。
【請求項２９】
前記光ビームの前記第1および第2の伝送部分の位相をある期間にわたって変調して、前記固有コードと組み合わされた周期的パターンを前記第1および第2の伝送部分の前記変調位相に埋め込むステップをさらに含む請求項27または28に記載の方法。
【請求項３０】
前記光ビームの前記第1および第2の伝送部分の周波数を変調するステップをさらに含み、前記向けるステップは、前記変調位相および周波数を有する前記伝送部分を前記環境に向けるステップを含む請求項26から29のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
ライダーセンサーであって、
1つまたは複数の光ビームを受光することに少なくとも基づき信号を生成するように構成される光学センサーと、
初期光ビームを放射するように構成され、前記初期光ビームの第1の部分は環境に向けられ、前記初期光ビームの内部部分は前記光学センサーに向けられる、レーザーであって、前記光学センサーは、前記初期光ビームの前記内部部分と、前記初期光ビームの前記第1の部分が前記環境内の第1の反射点で反射された結果として生じる第1の反射光ビームとの両方を受光するように構成される、レーザーと、
プロセッサであって、
前記光学センサーから信号を受信し、
前記第1の反射光ビームを前記初期光ビームの前記第1の部分から結果として生じたものとして同定し、
前記第1の反射光ビームおよび前記初期光ビームの前記内部部分に少なくとも基づき前記反射点までの距離を決定し、
前記第1の反射光ビームと前記初期光ビームの前記内部部分との間の光照射野の位相差の時間微分に少なくとも基づき前記ライダーセンサーに関する前記反射点の半径方向速度を決定し、
前記ライダーセンサーに関する前記反射点の横方向速度を、前記第1の反射光ビームのドップラー偏移および前記決定された半径方向速度に少なくとも基づき決定するように構成されている
プロセッサとを備えるライダーセンサー。
【請求項３２】
前記初期光ビームの前記第1の部分の位相をある期間にわたって固有コードで変調して、前記環境に向けられる前に前記初期光ビームの前記第1の部分の変調位相に前記固有コードを埋め込むように構成されている位相変調器をさらに備える請求項31に記載のライダーセンサー。
【請求項３３】
前記決定された距離は、少なくとも前記固有コードを使用する前記第1の反射光ビームの戻り時間に少なくとも基づく請求項32に記載のライダーセンサー。
【請求項３４】
前記ライダーセンサーは、10メートルを超える距離を正確に決定するように構成される請求項31から33のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項３５】
前記ライダーセンサーは、100メートルを超える距離を正確に決定するように構成される請求項34に記載のライダーセンサー。
【請求項３６】
ライダーセンサーであって、
初期光ビームを放射するように構成されているレーザーと、
前記レーザーと光通信する第1のファイバーカプラであって、前記初期光ビームを受光して伝送部分と内部部分とに分割する、第1のファイバーカプラと、
前記第1のファイバーカプラと光通信する光シンセサイザー回路であって、前記第1の光ファイバーカプラから前記初期光ビームの前記伝送部分を受け取り、前記初期光ビームの前記伝送部分の位相を調整する、光シンセサイザー回路と、
前記光シンセサイザー回路と光通信するトランスミッタであって、前記光シンセサイザー回路から、位相が調整された前記伝送部分を受け取り、前記伝送部分を環境に向ける、トランスミッタと、
前記初期光ビームの前記伝送部分から結果として生じる前記環境からの反射光ビームを受光するように構成されるレシーバと、
前記レシーバおよび前記第1のファイバーカプラと光通信する第2のファイバーカプラであって、前記反射光ビームと前記初期光ビームの前記内部部分とを組み合わせて複合光ビームにする、第2のファイバーカプラと、
前記第2のファイバーカプラと光通信する光学センサーであって、前記第2の光ビームを受光する、光学センサーとを備えるライダーセンサー。
【請求項３７】
前記トランスミッタおよびレシーバは、単一のトランシーバである請求項36に記載のライダーセンサー。
【請求項３８】
前記光シンセサイザー回路は、1つまたは複数の位相変調器を備え、前記位相変調器は固有コードを前記初期光ビームの前記伝送部分の変調位相に埋め込むように構成される請求項36または37に記載のライダーセンサー。
【請求項３９】
前記1つまたは複数の位相変調器は、前記固有コードと組み合わされた周期的パターンを前記初期光ビームの前記伝送部分の前記変調位相に埋め込むようにも構成される請求項38に記載のライダーセンサー。
【請求項４０】
前記光シンセサイザー回路は、少なくとも2つの異なる光路をさらに含み、前記初期光ビームの前記伝送部分を、前記少なくとも2つの異なる光路に沿って第1の部分と第2の部分とに分離し、前記トランスミッタによって受け取られる前に前記第1の部分と第2の部分とを再結合するように構成される請求項36から39のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項４１】
前記光シンセサイザー回路は、前記初期光ビームの前記伝送部分を前記第1の部分と前記第2の部分とに分離するように構成されている第3のファイバーカプラと、前記トランスミッタによって受け取られる前に前記第1の部分と前記第2の部分とを再結合するように構成されている第4のファイバーカプラとを備える請求項40に記載のライダーセンサー。
【請求項４２】
前記光シンセサイザー回路は、再結合される前に前記第1の部分および前記第2の部分の各々の変調位相に異なる固有コードを埋め込むように構成されている1つまたは複数の位相変調器を備える請求項40または41に記載のライダーセンサー。
【請求項４３】
前記光シンセサイザー回路は、前記環境に向けられる前に前記初期光ビームの前記伝送部分の周波数を調整するように構成されている周波数シフターを備える請求項36から42のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項４４】
前記ライダーセンサーは、10メートルを超える距離を正確に決定するように構成される請求項36から43のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項４５】
前記ライダーセンサーは、100メートルを超える距離を正確に決定するように構成される請求項44に記載のライダーセンサー。
【請求項４６】
ライダーセンサーを動作させて物体までの距離および前記物体の速度を測定する方法であって、
光ビームを伝送部分と内部部分とに分割するステップと、
前記伝送部分を環境に向けるステップと、
前記伝送部分が前記環境に向けられた結果として生じる反射ビームを受光するステップと、
反射点までの距離を前記反射ビームと前記内部部分とを使用して推定するステップと、
前記ライダーセンサーに関する前記反射点の半径方向速度を前記反射光ビームと前記内部部分との間の光照射野の位相差の時間微分に少なくとも基づき推定するステップと、
前記ライダーセンサーに関する前記反射点の横方向速度を前記反射ビームのドップラー偏移および前記決定された半径方向速度に少なくとも基づき推定するステップとを含む方法。
【請求項４７】
前記伝送部分の位相をある期間にわたって固有コードで変調して、前記環境に向けられる前に前記固有コードを前記伝送部分の変調位相に埋め込むステップをさらに含む請求項46に記載の方法。
【請求項４８】
前記推定される距離は、少なくとも前記固有コードを使用して前記反射ビームの戻り時間に少なくとも基づき決定される請求項47に記載の方法。
【請求項４９】
ライダーセンサーであって、
1つまたは複数の光ビームを受光することに少なくとも基づき信号を生成するように構成される光学センサーと、
初期光ビームを放射するように構成され、前記初期光ビームの第1の部分は環境に向けられ、前記初期光ビームの内部部分は前記光学センサーに向けられる、レーザーであって、前記光学センサーは、前記初期光ビームの前記内部部分と、前記初期光ビームの前記第1の部分が前記環境内の反射点で反射された結果として生じる反射光ビームとの両方を受光するように構成される、レーザーと、
プロセッサであって、
前記光学センサーから信号を受信し、
前記反射光ビームを前記初期光ビームの前記第1の部分から結果として生じたものとして同定し、
前記反射光ビームおよび前記初期光ビームの前記内部部分に少なくとも基づき前記反射点までの距離を決定し、
前記ライダーセンサーに関する前記反射点の半径方向速度を決定し、
前記反射ビームのサイドローブ幅に少なくとも基づき前記ライダーセンサーに関する前記反射点の横方向速度を決定するように構成されている
プロセッサとを備えるライダーセンサー。
【請求項５０】
前記初期光ビームの前記第1の部分の位相をある期間にわたって固有のコードで変調して、前記環境に向けられる前に前記初期光ビームの前記第1の部分の変調位相に前記固有のコードを埋め込むように構成されている位相変調器をさらに備える請求項49に記載のライダーセンサー。
【請求項５１】
前記決定された距離は、前記固有のコードを少なくとも使用する前記反射光ビームの戻り時間に少なくとも基づく請求項50に記載のライダーセンサー。
【請求項５２】
前記ライダーセンサーは、10メートルを超える距離を正確に決定するように構成される請求項49から51のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項５３】
前記ライダーセンサーは、100メートルを超える距離を正確に決定するように構成される請求項52に記載のライダーセンサー。
【請求項５４】
前記プロセッサは、前記決定された半径方向速度に少なくとも基づき前記ライダーセンサーに関する前記反射点の前記横方向速度を決定するように構成される請求項49から53のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項５５】
前記プロセッサは、前記決定された距離に少なくとも基づき前記ライダーセンサーに関する前記反射点の前記横方向速度を決定するように構成される請求項49から54のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項５６】
前記プロセッサは、ドップラー偏移に少なくとも基づき前記ライダーセンサーに関する前記反射点の前記半径方向速度を決定するように構成される請求項49から55のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項５７】
前記プロセッサは、前記反射光ビームと前記初期光ビームの前記内部部分との間の光照射野の位相差の時間微分に少なくとも基づき前記ライダーセンサーに関する前記反射点の前記半径方向速度を決定するように構成される請求項49から56のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項５８】
前記プロセッサは、少なくとも最良適合アルゴリズムを使用してサイドローブ幅を決定するように構成される請求項49から57のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項５９】
前記プロセッサは、少なくとも機械学習アルゴリズムを使用してサイドローブ幅を決定するように構成される請求項49から58のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項６０】
前記プロセッサは、前記反射光ビームのスペクトル分析に少なくとも基づき前記反射点における物体の表面の1つまたは複数の特性を決定するように構成される請求項49から59のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項６１】
ライダーセンサーを動作させて物体までの距離および前記物体の速度を測定する方法であって、
光ビームを伝送部分と内部部分とに分割するステップと、
前記伝送部分を環境に向けるステップと、
前記伝送部分が前記環境に向けられた結果として生じる反射ビームを受光するステップと、
反射点までの距離を前記反射ビームと前記内部部分とを使用して決定するステップと、
前記ライダーセンサーに関する前記反射点の半径方向速度を決定するステップと、
前記反射ビームのサイドローブ幅に少なくとも基づき前記ライダーセンサーに関する前記反射点の横方向速度を決定するステップとを含む方法。
【請求項６２】
前記伝送部分の位相をある期間にわたって固有コードで変調して、前記環境に向けられる前に前記固有コードを前記伝送部分の変調位相に埋め込むステップをさらに含む請求項61に記載の方法。
【請求項６３】
前記距離は、少なくとも前記固有コードを使用して前記反射ビームの戻り時間に少なくとも基づき決定される請求項62に記載の方法。
【請求項６４】
前記ライダーセンサーに関する前記反射点の前記横方向速度は、前記決定された半径方向速度に少なくとも基づき決定される請求項61から63のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６５】
前記ライダーセンサーに関する前記反射点の前記横方向速度は、前記決定された距離に少なくとも基づき決定される請求項61から64のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６６】
前記ライダーセンサーに関する前記反射点の前記半径方向速度は、ドップラー偏移に少なくとも基づき決定される請求項61から65のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６７】
前記ライダーセンサーに関する前記反射点の前記半径方向速度は、前記反射ビームと前記光ビームの前記内部部分との間の光照射野の位相差の時間微分に少なくとも基づき決定される請求項61から66のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６８】
前記サイドローブ幅は、少なくとも最良適合アルゴリズムを使用して決定される請求項61から67のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６９】
前記サイドローブ幅は、少なくとも機械学習アルゴリズムを使用して決定される請求項61から68のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７０】
前記反射光ビームのスペクトル分析に少なくとも基づき前記反射点における表面の1つまたは複数の特性を決定するステップをさらに含む請求項61から69のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７１】
ライダーセンサーであって、
1つまたは複数の光ビームを受光することに少なくとも基づき信号を生成するように構成される光学センサーと、
初期光ビームを放射するように構成され、前記初期光ビームの第1の部分は環境に向けられ、前記初期光ビームの内部部分は前記光学センサーに向けられる、レーザーであって、前記光学センサーは、前記初期光ビームの前記内部部分と、前記初期光ビームの前記第1の部分が前記環境内の第1の反射点で反射された結果として生じる反射光ビームとの両方を受光するように構成される、レーザーと、
プロセッサであって、
前記光学センサーから信号を受信し、
前記反射光ビームを前記初期光ビームの前記第1の部分から結果として生じたものとして同定し、
前記反射光ビームおよび前記初期光ビームの前記内部部分に少なくとも基づき前記反射点までの距離を決定し、
前記反射光ビームのスペクトル分析に少なくとも基づき前記反射点における物体の表面の1つまたは複数の特性を決定するように構成されている
プロセッサとを備えるライダーセンサー。
【請求項７２】
前記初期光ビームの前記第1の部分の位相をある期間にわたって固有のコードで変調して、前記環境に向けられる前に前記初期光ビームの前記第1の部分の変調位相に前記固有のコードを埋め込むように構成されている位相変調器をさらに備える請求項71に記載のライダーセンサー。
【請求項７３】
前記決定された距離は、前記固有のコードを少なくとも使用する前記反射光ビームの戻り時間に少なくとも基づく請求項72に記載のライダーセンサー。
【請求項７４】
前記ライダーセンサーは、10メートルを超える距離を正確に決定するように構成される請求項71から73のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項７５】
前記ライダーセンサーは、100メートルを超える距離を正確に決定するように構成される請求項74に記載のライダーセンサー。
【請求項７６】
前記プロセッサは、前記反射ビームのサイドローブの振幅に少なくとも基づき前記表面の粗さを決定するように構成される請求項71から75のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項７７】
前記プロセッサは、前記反射ビームの前記スペクトル分析に基づき前記物体の材料を決定するように構成される請求項71から76のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項７８】
前記プロセッサは、機械学習アルゴリズムを使用して前記材料を決定するように構成される請求項77に記載のライダーセンサー。
【請求項７９】
前記プロセッサは、前記反射光ビームの相対的周波数間隔とサイドローブの振幅との組合せを使用して前記材料を決定するように構成される請求項77または78に記載のライダーセンサー。
【請求項８０】
前記プロセッサは、前記反射光ビームのスペクトル内のパターンを同定して前記材料を決定するように構成される請求項77から79のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項８１】
前記スペクトル分析は、前記反射光ビームのスペクトル内のパターンの分析を含む請求項71から80のいずれか一項に記載のライダーセンサー。
【請求項８２】
ライダーセンサーを動作させて物体までの距離および前記物体の速度を測定する方法であって、
光ビームを伝送部分と内部部分とに分割するステップと、
前記伝送部分を環境に向けるステップと、
前記伝送部分が前記環境に向けられた結果として生じる反射ビームを受光するステップと、
反射点までの距離を前記反射ビームと前記内部部分とを使用して決定するステップと、
前記ライダーセンサーに関する前記反射点の半径方向速度を決定するステップと、
前記反射ビームのスペクトル分析に少なくとも基づき前記反射点における表面の1つまたは複数の特性を決定するステップとを含む方法。
【請求項８３】
前記伝送部分の位相をある期間にわたって固有コードで変調して、前記環境に向けられる前に前記固有コードを前記伝送部分の変調位相に埋め込むステップをさらに含む請求項82に記載の方法。
【請求項８４】
前記距離は、少なくとも前記固有コードを使用して前記反射ビームの戻り時間に少なくとも基づき決定される請求項82または83に記載の方法。
【請求項８５】
前記1つまたは複数の特性は前記表面の粗さを含み、前記粗さは前記反射ビームのサイドローブの振幅に少なくとも基づき決定される請求項82から84のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８６】
前記1つまたは複数の特性は、前記表面の材料を含む請求項82から85のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８７】
前記材料は、機械学習を使用して前記反射ビームのスペクトル分析に少なくとも基づき決定される請求項86に記載の方法。
【請求項８８】
前記材料は、前記反射ビームの相対的周波数間隔とサイドローブの振幅との組合せに少なくとも基づき決定される請求項86または87に記載の方法。
【請求項８９】
前記材料は、前記反射ビームのスペクトル内のパターンに少なくとも基づき決定される請求項86から88のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９０】
前記スペクトル分析は、前記反射光ビームのスペクトル内のパターンの分析を含む請求項82から89のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権出願の参照による組み込み
本出願とともに提出された出願データシートにおいて外国または国内優先権の主張が明記されているいかなる出願もすべて、37 CFR 1.57の下で参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、全体が参照により本明細書に明確に組み込まれている、2018年6月29日に出願した米国仮特許出願第62/692,417号、名称「PERCEPTION SYSTEMS FOR USE IN AUTONOMOUSLY CONTROLLING SYSTEMS」および2019年5月21日に出願した米国仮特許出願第62/850,933号、名称「SYSTEMS AND METHODS FOR MEASURING CHARACTERISTICS OF AN OBJECT AT DISTANCE」に基づく米国特許法第１１９条(e)の下での優先権の利益を主張するものである。
【０００３】
本開示の一技術分野は、センシングシステムの分野であり、より詳細には、自律制御システム用の知覚システムに関する。
【背景技術】
【０００４】
自律システムは、システムに情報およびフィードバックを提供するために、その環境の何らかのセンシングを必要とする。たとえば、自律走行車に対する多くの設計では、周囲を測定し、隣接する物体を同定し、前記物体の位置および速度を決定するために光イメージング、検出、および測距(「ライダー」)を使用する。しかしながら、現在のライダーデバイスは、精度が低い、コストが高い、速度が遅い、外部からの干渉が高いなどの様々な問題を抱えている。したがって、自律システムの分野だけでなく、他の測定分野においても、改良されたライダーデバイスが望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Peter R. Griffiths、James A. de Haseth著「Fourier Transform Infrared Spectroscopy」、John Wiley & Sons、2007年、第2版
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書において説明されている技術は、自動車のコンピュータ支援運転などの自律型アプリケーションおよび他のセンシングアプリケーションのための包括的センシングソリューションを提供する。これらの技術は、限定はしないが、個人用および商用陸上輸送、航空電子工学、ロボット工学、工業製造、農業、鉱業、ならびに地図作製を含む、多数の技術およびシステムにおいて応用可能である。システムは、環境を感知するためのプローブ(センサーまたは他の入力またはセンシングデバイスを含む)のコンステレーション、グルーピング、またはコレクションと、データを解釈するためのアルゴリズムとからなるものとしてよい。
【０００７】
例示的なシステムは、中央ユニット10と、中央ユニット10に接続されている複数のプローブ20とを有する自動車1のための知覚システムの文脈において、図1に描かれている。プローブ20の各々は、1つまたは複数のセンサーを備えることができる。このシステムは、限定はしないが、次の特徴を含む、一組の特徴を組み合わせる。
-  マルチモダリティ。センサーのコンステレーション(スーパーセンサーと呼ばれることもある)に含まれるセンサーのうちのいくつかまたはすべては、互いに補完し強化し合う複数のセンシングモダリティを含み、これは、限定はしないが、ライダー、レーダー、カメラ、ジャイロスコープ、キネマティックおよび非キネマティックポジションセンサー、キネマティックおよび非キネマティック速度センサー、全地球測位システム(GPS)、および超音波センサーを含み得る。
-  並行処理。異なるセンシングモダリティは、ハードウェアレベルおよびソフトウェアレベルの両方で、単一のスーパーセンサーに深く統合され得る。いくつかの実施形態では、本明細書において説明されている技術を使用する、1つまたは複数のスーパーセンサーの各々による並行センシングは、(さもなければ複数の異なるセンサーから取得されたデータを組み合わせるため、または、同時に使用するために必要であり得る)マルチモダリティフュージョンに取って代わり、検出信頼度(たとえば、センサーによって感知される環境内の物体を検出していることに関するシステムにおける信頼度)および測定フィネスを押し上げ得る。
-  インテリジェント。いくつかの実施形態において、センサーは、シーンに応じてリソースをインテリジェントに割り当てる。たとえば、進行方向にある領域などの、より重要性の高い領域は、リソースの割り当てにおいて優先されるものとしてよい。いくつかの実施形態において、前処理アルゴリズムがデータを解釈し、センサーの構成をオンザフライで最適化する。
-  柔軟性。いくつかの実施形態において、柔軟性および信頼性を高めるために、プロービングおよびセンシングは物理的に分離される。
-  中央集中型。いくつかの実施形態において、センサーのサブセットまたはコンステレーション全体が単一のシステムとして動作する。いくつかの、またはすべてのプローブおよびセンシングモダリティからの信号は、環境の単一の1つの表現に収束してもよく、環境内の物体を知覚するために使用される。
-  知覚的。いくつかの実施形態において、高水準セマンティクスは、環境を解釈する際に使用するために未処理3D地図に付随する。専用計算エンジンは、クラスタリング、分類、トラッキングなどの知覚アルゴリズムを通じてデータを処理し得る。
-  オープン。いくつかの実施形態において、知覚システムは、本明細書および他のところで説明されているものなどの、複数の異なるアルゴリズムがその上で実行することを可能にできる。
【０００８】
図2は、例示的なシステムのブロック図を示す。図示されているように、中央ユニット10は、潜在的に様々な異なるセンサーを有するプローブ20と通信することができる。中央ユニット10は、プローブ20から光学または電子信号を受信し、それらの信号の初期処理を提供することができる光学/電子部品を備えることができる。光学/電子部品は、特定の方法または特定の領域で測定する、または代替的に光学センサーへの光ビームもしくは電気アクチュエータへの電力などの必要な入力を提供する命令を送ることなどによって、センサーを制御することもできる。中央ユニット10は、さらに、センサーからの信号をデジタル形式に変換し、デジタル命令をアナログ入力に変換してプローブ20で様々なコンポーネントを駆動するためのアナログ/デジタルコンバータを備えることができる。アナログ/デジタルコンバータは、プローブ20から受信されたデータの3D地図および他の表現を生成することができる、センシングエンジンと通信することができる。センシングエンジンは、プローブ20に対するデジタル命令を生成することができ、これは、次いで、コンバータによってアナログ形式に変換され得る。中央ユニット10は、さらに、プローブ20によって提供されるデータのより高いレベルの分析を行うことができる知覚エンジンを備えることができる。たとえば、知覚エンジンは、センシングエンジンによって生成された3D地図および画像を使用して、道路上の他の自動車、車線区分線、歩行者、および他の特徴を特定することができる。次いで、これらの意味のあるセマンティクスは、自律走行車上の別個のルート計画システムなどの他のコンポーネントに提供され得る。
【０００９】
上で指摘されているように、知覚システムは、ライダーセンサー100を備えることができる。ライダーセンサーを備えるライダーサブシステムのブロック図が図3に示されている。図示されているように、ライダーセンサーは、光ビームを出力するように構成されているレーザーを備えることができる。レーザーは、限定はしないが、レーザーダイオード、量子カスケードレーザー、光ファイバーレーザー、または分布帰還型レーザーであってよい。レーザーは、シングルモードファイバー、マルチモードファイバー、テーパー付きマルチモードファイバー束、フォトニック結晶ファイバー、シングルモードファイバー束、およびフォトニックランタンマルチプレクサの形態の光ファイバーと接続されているか、または他の何らかの形で光通信状態とすることができる。ファイバーの内外の光結合は、シングルファイバー出力の場合にはコリメータを、またはファイバー束やフォトニックランタンの場合にはレンズレットアレイを含むことができる。さらに、ライダーセンサーから放射されたビームは、電気機械的または電気光学的技術を使用して操縦され得る。任意選択で回転可能な鏡が使用されてよく、これは1軸または2軸の回転軸を有し、モーターまたは他のデバイスによって制御可能である。回転可能な多面鏡は、任意選択で、同時2軸ビームラスタリングにも使用され得る。これらのファイバー、ファイバーカプラ(誘電体反射鏡、ファイバーカプラキューブ(fiber coupler cube)、光ファイバーカプラ、および金属被覆鏡を含む)、導波路、および/または鏡とレンズなどの他の光学部品を使用することで、単一のレーザーからの光ビームは、任意選択で、図1に示されている複数のプローブに向けて操縦され、同様に、その光ビームの結果として生じ、それらのプローブに向けて反射される反射ビームは、任意選択で、処理のため同じ中央ユニット10に元の経路を辿って戻るものとしてよい。したがって、図示されているように、中央ユニット10は、様々なプローブ20と通信する複数のトランシーバを備えることができる。さらに、複数のプローブ20は、任意選択で、単一のトランシーバに接続されてよく、異なる時点、空間内の異なる方向、さらに複数のプローブから同時に収集された信号をプローブ多重化することを可能にする。
【００１０】
様々な異なるライダーシステムが、上述のシステムとともに使用することができる。たとえば、ライダーセンサーは、光学センサーと、レーザーと、少なくとも1つの位相変調器と、プロセッサとを備えることができる。光学センサーは、1つまたは複数の光ビームを受光することに少なくとも基づき信号を生成するように構成され得る。レーザーは、初期光ビームを放射するように構成され、その光の第1の部分は環境に向けられ、内部部分は光学センサーに向けられるものとしてよい。光学センサーは、内部部分と、初期光ビームの第1の部分が環境内の第1の反射点で反射された結果として生じる第1の反射光ビームとの両方を受光するように構成され得る。位相変調器は、初期光ビームの第1の部分のうちの第1の部分の位相をある期間にわたって固有コードで変調して、環境に向けられる前に初期光ビームの第1の部分の変調位相にその固有コードを埋め込むように構成され得る。プロセッサは、光学センサーから信号を受信し、固有コードの検出に少なくとも基づき第1の反射光ビームを初期光ビームの第1の部分から結果として生じたものとして同定するように構成され得る。プロセッサは、第1の反射光ビーム、および初期光ビームの内部部分に少なくとも基づき第1の反射点までの距離を決定するようにさらに構成され得る。
【００１１】
さらなる実施形態において、ライダーセンサーは、光学センサーと、レーザーと、プロセッサとを備えることができる。光学センサーは、1つまたは複数の光ビームを受光することに少なくとも基づき信号を生成するように構成され得る。レーザーは、初期光ビームを放射するように構成され、初期光ビームの第1の部分は第1の方向で環境に向けられ、初期光ビームの第2の部分は第1の方向とは異なる第2の方向で環境に向けられ、初期光ビームの内部部分は光学センサーに向けられるものとしてよい。光学センサーは、初期光ビームの内部部分と、初期光ビームの第1の部分が環境内の第1の反射点で反射された結果として生じる第1の反射光ビームと、初期光ビームの第2の部分が環境内の第2の反射点で反射された結果として生じる第2の反射光ビームとの各々を受光するように構成され得る。プロセッサは、光学センサーから信号を受信し、第1の反射光ビームを初期光ビームの第1の部分から結果として生じたものとして、また第2の反射ビームを初期光ビームの第2の部分から結果として生じたものとして同定するように構成され得る。プロセッサは、第1および第2の反射光ビームならびに初期光ビームの内部部分に少なくとも基づき第1および第2の反射点までの距離を決定するようにさらに構成され得る。初期光ビームの第1の部分が環境に向けられてから、光学センサーによって第1の反射光ビームが受光されるまでの間の時間は、初期光ビームの第2の部分が環境に向けられてから同じ光学センサーによって第2の反射光ビームが受光されるまでの間の時間と重なる。
【００１２】
さらなる実施形態において、ライダーセンサーは、光学センサーと、レーザーと、プロセッサとを備えることができる。光学センサーは、1つまたは複数の光ビームを受光することに少なくとも基づき信号を生成するように構成され得る。レーザーは、初期光ビームを放射するように構成され、初期光ビームの第1の部分は環境に向けられ、初期光ビームの内部部分は光学センサーに向けられるものとしてよい。光学センサーは、初期光ビームの内部部分と、初期光ビームの第1の部分が環境内の第1の反射点で反射された結果として生じる第1の反射光ビームとの両方を受光するように構成され得る。プロセッサは、光学センサーから信号を受信し、信号に基づき第1の反射光ビームを初期光ビームの第1の部分から結果として生じたものとして同定するように構成され得る。プロセッサは、第1の反射光ビーム、および初期光ビームの内部部分に少なくとも基づき反射点までの距離を決定するようにも構成され得る。さらに、プロセッサは、第1の反射光ビームと初期光ビームの内部部分との間の光照射野の位相差の時間微分に少なくとも基づきライダーセンサーに関する反射点の半径方向速度を決定するように構成され得る。さらに、ライダーセンサーは、第1の反射光ビームのドップラー偏移および決定された半径方向速度に少なくとも基づきライダーセンサーに関する反射点の横方向速度を決定するように構成され得る。
【００１３】
さらなる実施形態において、ライダーセンサーは、レーザー、第1のファイバーカプラ、光シンセサイザー回路、トランスミッタ、レシーバ、第2のファイバーカプラ、および光学センサーを備えることができる。レーザーは、初期光ビームを放射するように構成することができ、第1のファイバーカプラはレーザーと光通信し、初期光ビームを受光し、伝送部分と内部部分とに分割することができる。光シンセサイザー回路は、第1のファイバーカプラと光通信し、第1のファイバーカプラから初期光ビームの伝送部分を受光し、初期光ビームの伝送部分の位相を調整することができる。トランスミッタは、光シンセサイザー回路と光通信し、光シンセサイザー回路から、位相が調整された伝送部分を受光し、伝送部分を環境に向けることができる。レシーバは、初期光ビームの伝送部分から結果として生じる環境からの反射光ビームを受光するように構成され得る。第2のファイバーカプラは、レシーバおよび第1のファイバーカプラと光通信を行って反射光ビームと初期光ビームの内部部分とを組み合わせて複合光ビームにすることができる。光学センサーは、第2のファイバーカプラと光通信して第2の光ビームを受光することができる。
【００１４】
さらなる実施形態において、距離を測定する方法が提供され得る。光ビームは、伝送部分と内部部分とに分割することができる。伝送部分の位相は、固有の時間依存コードを伝送部分内に埋め込むために、ある期間にわたって変調され得る。次いで、位相が変調された伝送部分は、環境に向けられ、伝送部分が環境に向けられた結果として生じる反射ビームが受光され得る。反射ビームは、少なくとも固有コードを検出することによって、伝送部分が環境に向けられた結果として生じるものとして同定され得る。次いで、反射点までの距離が、反射ビームと内部部分とを使用することで推定できる。
【００１５】
さらなる実施形態において、複数の距離を同時に測定する方法が提供され得る。光ビームは、第1の伝送部分、第2の伝送部分、および内部部分に分割することができる。第1および第2の伝送部分は、異なる方向で環境に向けられ得る。次いで、第1および第2の伝送部分が環境に向けられた結果として生じる反射ビームは、単一の光学センサーで受光され得る。反射ビームは、第1および第2の伝送部分が環境に向けられた結果として生じるものとして同定され、反射点までの距離は、反射ビームおよび内部部分を使用して推定され得る。第1の伝送部分を環境に向けてから第1の伝送部分から結果として生じる反射ビームを受光するまでの間の時間は、第2の伝送部分を環境に向けてから第2の伝送部分から結果として生じる反射ビームを受光するまでの間の時間と重なり得る。
【００１６】
さらなる実施形態において、ライダーセンサーを動作させて物体までの距離および物体の速度を測定する方法が提供され得る。光ビームは、伝送部分および内部部分に分割され、伝送部分は、環境に向けられ得る。伝送部分が環境に向けられた結果として生じる反射ビームが受光され得る。反射点までの距離が、反射ビームと内部部分とを使用することで推定できる。さらに、ライダーセンサーに関する反射点の半径方向速度は、反射光ビームと内部部分との間の光照射野の位相差の時間微分に少なくとも基づき推定され得る。さらに、ライダーセンサーに関する反射点の横方向速度は、反射ビームのドップラー偏移および決定された半径方向速度に少なくとも基づき推定され得る。
【００１７】
さらなる実施形態において、ライダーセンサーは、光学センサーと、レーザーと、プロセッサとを備えることができる。光学センサーは、1つまたは複数の光ビームを受光することに少なくとも基づき信号を生成するように構成され得る。レーザーは、初期光ビームを放射するように構成され、初期光ビームの第1の部分は環境に向けられ、初期光ビームの内部部分は光学センサーに向けられるものとしてよい。光学センサーは、また、初期光ビームの内部部分と、初期光ビームの第1の部分が環境内の反射点で反射された結果として生じる反射光ビームとの両方を受光するように構成され得る。プロセッサは、光学センサーから信号を受信し、反射光ビームを初期光ビームの第1の部分から結果として生じたものとして同定するように構成され得る。プロセッサは、反射光ビーム、および初期光ビームの内部部分に少なくとも基づき反射点までの距離を、ライダーセンサーに関する反射点の半径方向速度を、および反射ビームのサイドローブ幅に少なくとも基づきライダーセンサーに関する反射点の横方向速度を、決定するようにさらに構成され得る。
【００１８】
さらなる実施形態において、ライダーセンサーを動作させて物体までの距離および物体の速度を測定する方法が提供される。光ビームは、伝送部分と内部部分とに分割することができる。伝送部分は、環境に向けることができる。伝送部分が環境に向けられた結果として生じる反射ビームが受光され得る。次いで、反射ビームおよび内部部分を使用して反射点までの距離を、ライダーセンサーに関する反射点の半径方向速度を、および反射ビームのサイドローブ幅に少なくとも基づきライダーセンサーに関する反射点の横方向速度を、決定することができるという特徴がある。
【００１９】
さらなる実施形態において、ライダーセンサーは、光学センサーと、レーザーと、プロセッサとを備えることができる。光学センサーは、1つまたは複数の光ビームを受光することに少なくとも基づき信号を生成するように構成され得る。レーザーは、初期光ビームを放射するように構成され、初期光ビームの第1の部分は環境に向けられ、初期光ビームの内部部分は光学センサーに向けられるものとしてよい。光学センサーは、初期光ビームの内部部分と、初期光ビームの第1の部分が環境内の第1の反射点で反射された結果として生じる反射光ビームとの両方を受光するように構成され得る。プロセッサは、光学センサーから信号を受信し、反射光ビームを初期光ビームの第1の部分から結果として生じたものとして同定するように構成され得る。プロセッサは、反射光ビーム、および初期光ビームの内部部分に少なくとも基づき反射点までの距離を、および反射光ビームのスペクトル分析に少なくとも基づき反射点における物体の表面の1つまたは複数の特性を、決定するようにさらに構成され得る。
【００２０】
さらなる実施形態において、ライダーセンサーを動作させて物体までの距離および物体の速度を測定する方法が提供され得る。光ビームは、伝送部分と内部部分とに分割することができる。伝送部分は、環境に向けることができる。伝送部分が環境に向けられた結果として生じる反射ビームが受光され得る。次いで、反射ビームおよび内部部分を使用して反射点までの距離を、ライダーセンサーに関する反射点の半径方向速度を、および反射ビームのスペクトル分析に少なくとも基づき反射点における表面の1つまたは複数の特性を、決定することができるという特徴がある。
【００２１】
本開示のさらなる目的、特徴、および利点は、例示的な実施形態を示す添付図面と併せて次の詳細な説明を読むと明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態の知覚システムのシステム図である。
【図２】実施形態の知覚システムのブロック図である。
【図３】実施形態のライダーシステムのブロック図である。
【図４Ａ】直接検出を用いたライダーシステムを示す図である。
【図４Ｂ】コヒーレント検出を用いたライダーシステムを示す図である。
【図５Ａ】コヒーレント検出およびスーパーへテロダイン技術を用いたライダーシステムを示す図である。
【図５Ｂ】コヒーレント検出およびスーパーへテロダイン技術を用いたライダーシステムを示す図である。
【図５Ｃ】コヒーレント検出およびスーパーへテロダイン技術を用いたライダーシステムを示す図である。
【図５Ｄ】コヒーレント検出およびスーパーへテロダイン技術を用いたライダーシステムを示す図である。
【図５Ｅ】コヒーレント検出およびスーパーへテロダイン技術を用いたライダーシステムを示す図である。
【図５Ｆ】コヒーレント検出およびスーパーへテロダイン技術を用いたライダーシステムを示す図である。
【図５Ｇ】コヒーレント検出およびスーパーへテロダイン技術を用いたライダーシステムを示す図である。
【図５Ｈ】コヒーレント検出およびスーパーへテロダイン技術を用いたライダーシステムを示す図である。
【図６Ａ】コヒーレント検出およびスーパーホモダイン技術を用いたライダーシステムを示す図である。
【図６Ｂ】コヒーレント検出およびスーパーホモダイン技術を用いたライダーシステムを示す図である。
【図６Ｃ】コヒーレント検出およびスーパーホモダイン技術を用いたライダーシステムを示す図である。
【図７Ａ】光ビームの位相に埋め込まれうるコードを示す図である。
【図７Ｂ】光ビームの位相に埋め込まれうるコードを示す図である。
【図８】コンピュータシステムを示す図である。
【図９】ライダーセンサーを使用して距離を推定するための方法を示す図である。
【図１０】複数の距離を同時に検出するための方法を示す図である。
【図１１】距離、半径方向速度、および横方向速度を測定するための方法を示す図である。
【図１２Ａ】ターゲットタオル上の異なる横方向速度についてのパワースペクトルを示す図である。
【図１２Ｂ】ターゲットタオル上の異なる横方向速度についてのパワースペクトルを示す図である。
【図１２Ｃ】ターゲットタオル上の異なる横方向速度についてのパワースペクトルを示す図である。
【図１３】横方向速度を検出するコンピュータ生成スペクトルを示す図である。
【図１４Ａ】毎秒50メートルの横方向速度の異なるターゲット材料についてのパワースペクトルを示す図である。
【図１４Ｂ】毎秒50メートルの横方向速度の異なるターゲット材料についてのパワースペクトルを示す図である。
【図１４Ｃ】毎秒50メートルの横方向速度の異なるターゲット材料についてのパワースペクトルを示す図である。
【図１４Ｄ】毎秒50メートルの横方向速度の異なるターゲット材料についてのパワースペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図4Aおよび図4Bは、直接検出およびコヒーレント検出を用いたライダーシステムを示す。ライダーは、環境をアクティブに照らし、遭遇した表面によって反射された光の強度を測定することによって物体を検出する。センシング技術は、直接検出とコヒーレント検出(「間接」と呼ばれることもある)の2つの主要な陣営に分類される。直接検出技術(図4Aに示されている)は、光学センサー(フォトダイオード、受光器、または光検出器など)で反射光の強度を直接測定し得る。コヒーレント検出技術(図4Bに示されている)は、受光した光を光学センサー上の送光された光の一部と混合し、光学センサーでそれらの間の干渉を測定するという、間接的方法を使用し得る。
【００２４】
いくつかの実施形態において、コヒーレント検出は、直接検出に勝る次の利点を提供する。
-  無雑音信号増幅。直接検出およびコヒーレント検出は、しばしば、暗雑音および電子雑音に非常に異なる仕方で応答する。直接検出では、信号を増幅することは、しばしば、信号対雑音比(SNR)を改善することなく、雑音も増幅する。対照的に、コヒーレント検出は、しばしば、信号だけを増幅し、SNRを改善できる。
-  ダイナミックレンジ。直接検出およびコヒーレント検出は、ダイナミックレンジの点でも違いがある。直接検出では、信号は、多くの場合、受光された光の強度に正比例し、物体の距離の二乗の逆数に比例して低下する。コヒーレント検出では、信号は、多くの場合、受光した強度の振幅に正比例し、物体の距離の逆数のみに比例して低下する。
【００２５】
周波数変調に基づくいくつかのコヒーレント検出技術とは異なり、本明細書において説明されているいくつかのライダーシステムは、反射光の位相を測定することによって物体の範囲を検出する。それらは、以前はコヒーレント検出法を適用不可能なものにしていた1つまたは複数の重要な問題、すなわち、1)光の位相を距離にマッピングする際の内在的な曖昧さ、2)粗い表面から反射した後の光の位相の不安定性、3)移動する物体によって反射された光の周波数のドップラー偏移、4)レシーバの狭い受光角、5)異なる方向から来る信号の固有の区別不可能性、6)雑音によるレーザーの位相変動を解決することによって潜在的にそうすることができる。
【００２６】
(1)位相の曖昧さ。送光された波と受光された波(波長λを有する)との間の相対位相Δφは、物体までの往復距離2Lに正比例し、
【００２７】
【数１】
2021529959.tif 000003
【００２８】
と表される。
【００２９】
原理的には、Lは、Δφを測定してこの関係を逆にすることによって得ることも可能である。しかしながら、光がその波長に等しい距離(たとえば、約1マイクロメートル)を進むとき、位相は360°増加する。その後、それは
【００３０】
【数２】
2021529959.tif 000004
【００３１】
のようにゼロに戻る(wrap back)。
【００３２】
光の位相は事実上移動した距離の「短期記憶」しか有さず、それ自体は、光の波長よりも長い距離を測定するためには使用できなかった。
【００３３】
(2)位相の不安定性。粗い表面によって反射された光の位相は、物体が照明光の下で少しでも動けば急激に変化する。そのため、多くの状況において位相測定は実際的でない。
【００３４】
(3)ドップラー不確実性。物体の速度(ν)により、反射光の周波数(f)は、レシーバから離れるか近づくかに応じて
【００３５】
【数３】
2021529959.tif 000005
【００３６】
のように増減する。
【００３７】
周波数シフトは不明であり、ライダーが空間内の異なる点を見たときに突然変化する可能性があるので、信号を見つけて、その位相を追跡することは困難である。
【００３８】
(4)走査が低速である。送光された光と受光された光との間の干渉が、大きな信号を発生するためには、2つの波が光学センサー上で十分に重なっている必要がある。いくつかのコヒーレントシステムでは、この要件は、レシーバの有効視野を著しく制限し、結果的にビーム走査の速さを制限し得る。
【００３９】
(5)方向の曖昧さ。いくつかのコヒーレントなライダーは、複数の方向から光学センサーに同時に入射する信号を区別することができない。同じ理由で、視野内の他のライダーは、干渉を発生させうる。
【００４０】
(6)レーザーの位相雑音。干渉測距では、送光される光の位相は事実上、他の距離を測定するための基準として使用される長さである。レーザーの周波数/位相の固有の不安定性またはトランスミッタを伝搬する機械的振動は、測距の精度/精度に著しい影響を及ぼし得る。
【００４１】
これらの問題のいくつかまたはすべてに対処することができるライダーシステムのために可能なアプローチおよび/またはアーキテクチャは多数ある。図5A〜図5Hは、RFビートノート(RF外の周波数範囲も可能であるが)の位相を測定するスーパーヘテロダインコヒーレント検出法を用いたライダーセンサーシステムを示す。いくつかの実施形態において、これらの技術は、2つの一致する、空間的/時間的にコヒーレントなレーザービーム間の位相を測定する。位相の曖昧さ、位相不安定性、およびドップラー不確実性のような要因は、両方のビームに同じ程度に影響を与え、示差測定法で相殺し得る。そうするために、ビームは分離可能でありながら正確に重なり合う必要がある。これについては、本明細書においてさらに詳しく説明される。
【００４２】
図5Aは、レーザー110を含むライダーセンサー100を示す。レーザー110は、任意選択で、上述のように、中央ユニット10の一部であり得る。さらに詳細に上述したように、レーザー110は、図5Aに示されている他のコンポーネントとは分離しているものとしてよい。さらに、1つのレーザー110が、潜在的に、図3に示されるように光ビームを同時に複数のライダーセンサー配置構成に送ることができるように(図5Aの残りのコンポーネントは、各トランシーバに別々に設けられ得る)、レーザー110は、任意選択で、複数のライダーセンサーの間で共有されうる。1つまたは複数のファイバーカプラは、単一のレーザーからの光ビームを複数のサブシステムに伝搬させるために使用することができる。しかしながら、他の実施形態では、図5Aに示されているコンポーネントの配置構成によって暗に示されているように、各ライダーセンサー100は、専用レーザー110を備えることができる。
【００４３】
図5Aのレーザー110からの初期光ビームは、(たとえば、1つまたは複数のファイバーカプラ170により)3つの別々の部分に分割され得る。ビームの第1の部分は、第1の周波数シフター140に(たとえば、光ファイバーを用いて)向けられ得る。第1の周波数シフター140は、たとえば、ポッケルス効果に基づく電気光学周波数シフター、または音響光学周波数シフターであってよい。図示されているように、第1の周波数シフター140は、ビームの第1の部分の周波数を周波数f0から別の周波数f0+f1に調整または変調することができる。周波数は、より高く調整されているように示されているが、周波数は、より低く調整されてもよい。より一般的に、周波数は、任意選択でゼロから10GHzの間の、様々な異なる周波数に調整され得る。
【００４４】
次いで、第1の部分は、第1の位相変調器150に向けられ得る。第1の位相変調器150は、限定はしないが、ニオブ酸リチウム結晶または導波路であり得る。第1の位相変調器150は、ある期間にわたって第1の光ビームの位相にコードc1を埋め込むように構成され得る。図示されているように、コードは、バーコードのように、実質的に2進数または4進数であり得る。たとえば、コードは、ある期間にわたって0度の位相の間でシフトし、次いで、ある期間にわたって180度の位相にシフトすることができ、持続時間を変えつつそのパターンを繰り返して、コードを生成する。さらに、コードは、任意選択で、ランダムまたは疑似ランダムであってよく、また固有であると十分に考えられる長さを有することができる。例示的なコードが図7Aに示されている。しかしながら、他の変更形態も可能である。たとえば、位相は、任意選択で、90度、45度、または30度だけシフトすることができる。さらに、位相は、3つ以上の可能な位相を含む、非2進数であり得る。
【００４５】
図5Aに示されているように、レーザー110からの光ビームの第2の部分は、第1の部分と同様の仕方で操作され得る。図示されているように、第2の部分は、第1の部分とは異なる光路上に向けられ、第2の部分を任意選択で第1の周波数とは異なり得る周波数f0+f2に調整する、第2の周波数シフター141と、2つのコードが互いに実質的に直交するように類似しているが異なるコードc2を第2の部分に提供する構成を任意選択でとり得る第2の位相変調器151とによって調整され得る。次いで、第1の部分および第2の部分は、ファイバーカプラ171によって組み合わされ、次いで、一緒にトランスミッタ120に向けられ得る。このようにして、周波数f1-f2および位相変調コードc1c2を有する組み合わされたビームが生成され得る(周波数f1+f2を有する別個のコンポーネントは、これらの目的では無視されてよい)。いくつかの実施形態において、周波数f1-f2は、0から10GHzの間であってよい。この組み合わされたビームは、環境への送光の前に光の一部の周波数および位相を調整することができる、光シンセサイザー回路115によって生成される。光シンセサイザー回路115は、任意選択で、コリメータ、鏡、レンズ、ファイバーカプラ、遅延線、およびビームの送光の準備をすることができる他の光学コンポーネントなどのコンポーネントを、周波数シフター140、141および位相変調器150、151に加えて、備えることができる。さらに、第1のファイバーカプラ170は、図5Aでは光シンセサイザー回路115の一部であるとして示されていないが、任意選択で、光シンセサイザー回路115の一部であると考えられ得る。たとえば、図5Bのライダーセンサーの別の例では、図5Aのファイバーカプラ170Aの機能は、2つのファイバーカプラ170B、171Bに分割され、そのうちの1つのみが光シンセサイザー回路115の一部である。
【００４６】
次いで、組み合わされたビームは、トランスミッタ120によって環境に向けられ得る。トランスミッタ120は、任意選択で、1つまたは複数のレンズ、鏡、コリメータ、または他のデバイスなどの様々な光学コンポーネントを備えることができる。さらに、トランスミッタ120は、任意選択で、光ビームの第1および第2の部分が制御可能な方向に向けられ得るように調整可能なコンポーネントを備えることもできる。たとえば、トランスミッタ120は、任意選択で、少なくとも180度、90度、または45度の角度範囲を有することができる。
【００４７】
環境に向けられた、組み合わされたビームは、第1および第2の部分から結果として生じる反射ビームを引き起こす物体に遭遇し得る。次いで、この反射ビームは、レシーバ130によって受光され、光学センサー180に向けられ得る。光学センサーは、レーザー110からの初期光ビームの内部部分を受光することができる。したがって、光学センサー180は、潜在的に、反射ビームの特性、および反射ビームと初期ビームの内部部分との間の干渉の特性から、情報を導出することができる。次いで、光学センサー180は、受光されたビームを示す信号を生成することができ、その信号をコンピュータシステム300(図8に図示されている)に、そして潜在的に、さらなる分析のために図2に示されているシステムに通すことができる。そのような分析は、前記ビームの送光の時間を特定するために、反射ビーム中のコードc1およびc2を同定するなどのステップを含むことができる。コードを含まない組み合わされたビームの表現も、適切な復号(コードc1およびc2を除去することなど)を行った後、局部発振器を用いて反射ビームの各々のビートノートの位相を測定し、減算することによって、電子的に(デジタルまたはアナログ方式で)合成され得る。組み合わされたビームも、光学センサー180において信号を二乗することによって合成されるものとしてよく、反射点において移動する物体によって誘発される可能なドップラー偏移を相殺する。さらに、受光された反射ビームの位相を送光されたビームと比較することで、レーザー180内の不安定性、機械的振動、および他の効果によって引き起こされる雑音を決定する(そして相殺する)ために使用され得る。
【００４８】
このシステムに関するさらなる変更形態も可能である。たとえば、いくつかの実施形態において、トランスミッタ120およびレシーバ130は、共有レンズ、鏡、または他のコンポーネントを有するトランシーバに組み合わされ得る。さらに、レーザー110のように、光学センサー180は、また、光シンセサイザー回路115などの図5Aに示されている他のコンポーネントから分離している、中央ユニット10の一部であるか、または複数のライダーセンサー間で共有されてもよい。さらに、光シンセサイザー回路115の一部は、単一の周波数シフター140/141を使用して複数のライダーセンサーに使用され得るシフトされた周波数を有する部分を生成することなどによって、複数のライダーセンサーの間で共有され得る。
【００４９】
コードc1、c2を使用することで、複数のライダーセンサー100Aの間で共有される単一の光学センサー180で収集され得る様々な他の組み合わされたビーム(異なるコードを有する)の中で組み合わされたビームを同定することを円滑にできる。したがって、たとえば、ライダーセンサーは、二組のコンポーネント(2つの光シンセサイザー回路115、周波数シフター140、位相変調器150、トランスミッタ120、および/またはレシーバ130など)を有することが可能であり、各々指向する別個の組み合わされたビーム(レーザー110からの同じ初期ビームの一部であり得る)を使用して異なる方向での距離を同時に測定する(環境への送光の時間および各組のコンポーネントに対する反射ビームの受光の時間が重なり得るように)。これらのコードは、ライダーセンサーも備え得る近接する自動車などの他のデバイスによって放射され得るビームとは反対にライダーセンサー100から発せられる反射ビームの同定も円滑にし、ライダーセンサー100は多数の他のライダーセンサーの存在下で動作できることにも留意されたい。
【００５０】
反射ビームは、反射点における物体に関係する様々な特徴を測定するために使用することができる。たとえば、反射ビームは、送光される合成ビームΦt(合成ビームの波長、Λとともに)の位相に対する受光された合成ビームΦrの位相を用いて、反射点までの距離L
【００５１】
【数４】
2021529959.tif 000006
【００５２】
を示すことができる。
【００５３】
送光される合成ビームΦrの位相は、環境に向けられる前にビームの位相を測定することによって推定することができる。たとえば、トランスミッタ120は、測定のために光学センサー180によっても受信され得る反射を発生させることができる。代替的に、ビームの一部は、トランスミッタ120に到達する前の、さらなる上流で測定されてもよい。
【００５４】
この解析は、任意選択で、コードを含まないビームの電子的表現が生成された後に行われ得る。曖昧さの範囲(位相の繰り返しによる)は、(光速cを使用して)合成波長を生み出す、十分に近い周波数シフトf1およびf2を選択することによって、任意に大きくすることができる。
【００５５】
【数５】
2021529959.tif 000007
【００５６】
たとえば、波長は、1MHz未満のf1-f2に対して300mより大きいものでありうる。しかしながら、いくつかの状況において、十分に大きな波長を得るために周波数シフトを十分に小さくすることは容易にはできない。それでもなお、位相差から結果として生じる曖昧さは、送光から受光までの伝搬コードの遅延を測定することによって解決することができ、これは、ビームの飛行時間を示すことができ、したがって、光の速度と比較した場合の距離を示すことができる。このコード遅延は、距離の粗い測定を提供することができ、位相差は、距離の最後のわずかな部分の精密な測定を提供することができる。組み合わされると、粗い測定と精密な測定は、距離の正確で曖昧さのない測定を提供することができる。たとえば、ライダーセンサー100は、1mmまたはそれよりも良い精度を有することができる。さらに、ライダーセンサー100は、10メートル、50メートル、100メートル、200メートル、または500メートルの範囲で、この精度まで測定することができる。
【００５７】
反射ビームは、反射点の速度(たとえば、点が物体上に置かれているときの物体の速度)を測定するためにも使用することができる。ライダーセンサー100からの半径方向の点の速度は、距離の時間微分
【００５８】
【数６】
2021529959.tif 000008
【００５９】
を使用することによって決定され得る。
【００６０】
この測定は、ビームに埋め込まれたコードを使用して円滑にされ、これは離散パルスに依存する他の技術とは異なり、連続測定を可能にし得る。
【００６１】
ライダーセンサー100の視線の接線方向である、横方向の点の速度も決定され得る。たとえば、ドップラー周波数シフトは、反射ビームから測定することができ、波長λを乗算したとき総速度を示し得る。このドップラー周波数シフトは、反射ビームスペクトルの中心のシフトだけでなく、以下でさらに説明されているサイドローブ周波数シフトも含むことができる。次いで、半径方向速度が減算され、横方向速度を決定することができる。
v⊥=λfDoppler-v||
【００６２】
図13は、本明細書において説明されているライダーセンサーの分析モデルを用いた反射ビームのコンピュータ生成信号スペクトルを示しており、反射点は距離10メートルのところにあり、横方向速度50.8m/sで移動している。図示されているように、スペクトルは実質的に[sinc(αx)]2関数に従っており、その関数におけるピークとトラフは特徴的なサイドローブを定めている。これらのサイドローブは、スペクトルの中心ピークのいずれかの側において約5kHzの周波数fsで繰り返すことができる(したがって、周波数幅fsを有する)。反射されるビームと相互作用する反射点の材料の表面上の特徴は、反射ビーム内にこのようなサイドローブを形成することができる。また、スペクトルの中央ピークは、信号雑音の存在下でこれらのサイドローブと渾然一体となり、本質的に中央ピークを広げることができる。したがって、ドップラー周波数が適切な位置で測定される場合、それは、上で示されているように半径方向速度および横方向速度の和を示し得る。しかしながら、サイドローブ幅は、他の仕方で横方向速度を決定するために使用することもできる。
【００６３】
周波数間隔fsは、ライダーセンサーに関する反射点の横方向速度vpを、反射点におけるレーザービームの直径Dで割った値に比例するものとしてよく、
【００６４】
【数７】
2021529959.tif 000009
【００６５】
k≒1は、実験的なキャリブレーションによって決定される経験的定数である。
【００６６】
反射点でのレーザービームの直径は、反射点までの距離から式
【００６７】
【数８】
2021529959.tif 000010
【００６８】
によって導出することができ、
D0はレーザービームウエスト直径であり、zRはいわゆるレイリー長であり、Lは反射点までの距離である。
【００６９】
次いで、反射点の速度は、物体または物質の横方向速度v⊥とライダーセンサーそれ自体の回転によって引き起こされる反射点の速度vlとの和であってよく、横方向速度は
【００７０】
【数９】
2021529959.tif 000011
【００７１】
を使用して決定され得る。
【００７２】
したがって、物体の横方向速度は、これらのサイドローブによって整形されるような反射信号のスペクトルの構造を使用して決定することができる。反射点までの距離は、本明細書において説明されている技術を使用して決定され得るか、または他の何らかの形で知られるものとしてよい。より具体的な例では、図11に示されている方法が使用されてよく、推定距離がさらに、横方向速度を推定するために使用される。さらに、サイドローブ周波数を用いた横方向速度の検出は、任意選択で、コード化されたビームなどの本明細書において説明されている他の技術と組み合わせて使用できる。横方向速度は、コード化されたビームを使用せずに測定することもできるが、コード化されたビームは、横方向速度の測定を円滑にすることができる。たとえば、コード化されたビームは、反射ビームのスペクトル内のサイドローブの同定を妨げる可能性のある過度の雑音を導入するおそれのある環境内の他の光源によって引き起こされるバックグラウンド放射から反射ビームを分離するのを補助することができる。
【００７３】
図12A〜図12Cは、異なる横方向速度毎秒0、4、および8メートルの、サンプル材料の木綿のタオルに対する、周波数別の反射ビームの実パワースペクトルを示す。これらの測定は、それぞれ0Hz、100Hz、および200Hzのレートで、またタオルから6メートルの距離のところで、ターゲットの表面をラスター走査するライダーセンサーを使用して行われ、それぞれ毎秒0、4、および8メートルの基底相対横方向速度を導入した(示されているように)。さらに、このデータは、本明細書において説明されているコード化されたビームおよび関係技術を使用して生成された。図示されているように、各スペクトルは、100MHzで中心ピークを含み、これは、任意選択で、上述のような合成ビームに対応するか、または代替的に、放射されたビームの周波数に対応するものとしてよい。スペクトルはさらに、中心ピークのいずれかの側に、間隔fsでピークとトラフとを有するサイドローブを含む。これらのサイドローブは、反射点の材料の表面上の特徴によって引き起こされ得る。そのような特徴は、また、特に図12Cを見るとわかるように、中心ピークが近くのサイドローブと渾然一体となることを引き起こし得る。
【００７４】
しかしながら、データ中に雑音が含まれているので、サイドローブは、図12A〜図12Cに示されているデータ中で同定することが困難であり得る。図12Aの中心ピークのその側にある特徴は、このデータが速度ゼロで収集されたので、横方向速度によって引き起こされるサイドローブではないことが理解されるべきである。その代わりに、それらの帯域は、データ内の雑音、コンピュータ処理、および他の影響の結果である。それにもかかわらず、サイドローブの幅が容易にまたは直接的に同定され得ない場合であっても、その効果は、図12A〜図12Cを比較することによって明確にわかる、スペクトル内の中心ピークの拡大する幅に見られ得る。したがって、横方向速度を測定するためにサイドローブ幅を使用することは、サイドローブ幅の直接測定に由来するか、中心ピークの幅の測定によるか、またはスペクトルの類似の分析によるかのいずれかであり得る。
【００７５】
サイドローブ、したがって周波数幅fsは、様々な技術を使用して同定することができる。たとえば、いくつかの実施形態において、最良適合アルゴリズムが、理想化されたスペクトルを反射ビームのスペクトルにマッチさせるために使用され得る。次いで、サイドローブ周波数、幅、サイドローブ振幅、中心ピーク振幅、および他の特性などの、理想化されたスペクトルの様々な態様が、2つのスペクトルの間の差を最小にするように(たとえば、最小二乗を使用して)調整され得る。次いで、理想化されたスペクトルにおける結果として得られるサイドローブの位置は、横方向速度を決定するために使用することができる。他の最良適合技術も使用され得る。
【００７６】
同様に、反射ビームのスペクトルからサイドローブ幅を決定するために、機械学習アルゴリズムが開発され得る。知られているサイドローブ幅(あるいは、知られている横方向速度)を有するサンプルスペクトルのデータセットは、これらの技術を使用することに向けられるアルゴリズムを開発するために生成され、使用され得る。
【００７７】
反射ビームは、反射点における物体の反射率を測定するためにも使用され得る。反射ビームの振幅は、たとえば、ルックアップテーブルを使用して、匹敵する距離で得られた実験結果と比較したときの物体の反射率を示すことができる。
【００７８】
反射ビームのパワースペクトルのさらなる分析は、反射点における表面の追加の特性を示すことができる。図14A〜図14Dは、毎秒50メートルの横方向速度の様々な材料に対するパワースペクトルを示す。上述のように、サイドローブは、反射点での表面上の特徴によって引き起こされ、サイドローブの形態は、表面上のそれらの特徴の影響を受け得る。たとえば、サイドローブは、追加の側波帯を含むことができ、これは、図13の信号スペクトルに見ることができ、これは、[sinc(αx)]2関数のサイドローブ内の周期的特徴を示す。これらの側波帯の振幅は、一般的に、表面特徴の深さに比例する。したがって、たとえば、ピットがある材料は、ピットの深さが大きくなるにつれてより大きな振幅を有する側波帯を有することになる。さらに、側波帯の振幅はサイドローブの振幅に加わり得るので、サイドローブの振幅は、反射表面の深さプロファイルにも比例し得る。したがって、材料に関する情報を決定するためのサイドローブの使用は、側波帯の使用を暗黙のうちに含み得る。反射点での材料に関する追加情報も、ただ単なる横方向速度または表面特徴の深さを超えて、反射ビームのスペクトル分析から決定され得る。材料の特徴はスペクトルの形状を決定し、各タイプの材料は異なる特徴を有することができる。たとえば、材料上の繰り返しパターンは、反射ビームのスペクトル内に繰り返しパターンを誘発し得る。材料上の不規則なプロファイルは、より複雑なスペクトルを誘発することができるが、それでも、マルチモードピーク、勾配の変動、および他の特徴など、材料に特徴的ないくつかの痕跡を潜在的に含み得る。
【００７９】
これらのスペクトル分析は、物体の「色」または物体の他の何らかの化学的特性を検出することもあり得るスペクトル分析とは異なることに留意されたい。スペクトル分析は、反射への波長依存性に基づく色分析の代わりに、固定波長に基づくものとしてよい。同様に、スペクトル分析は、正規化されたスペクトル(たとえば、図14A〜図14Dに示されるような0kHzを任意に中心とする)に基づき行うことができる。しかしながら、いくつかの実施形態において、物体の「色」などの付加的情報も使用することができる。
【００８０】
一例として、塗装された乾式壁材料(その生成されたスペクトルが図14Aに示されている)は、木綿のタオル(その生成されたスペクトルが図14Bに示されている)または毛織物(図14Dの)に関する相対的に滑らかな表面を有する。その結果、木綿のタオルおよび毛織物の側波帯の振幅は、より高い振幅であり、したがって、追加の特徴は、スペクトル内でより顕著である。側波帯の振幅および他の特徴は、サイドローブ幅に関して上述したものと似た方式で最良適合または機械学習アルゴリズムを使用して決定され、それにより、材料の特徴または材料の素性を決定することができる。
【００８１】
さらに、材料を同定するために反射ビームのスペクトル内のパターンを用いたアルゴリズムが開発され得る。たとえば、スペクトルに基づき材料を同定するために、機械学習アルゴリズムは様々な材料からのデータを使用して訓練され得る。限定はしないが側波帯の周波数間隔および振幅を含む特徴が任意選択で使用され得る。化学分析のための標準フーリエ変換赤外(FTIR)分光法で利用される技術に類似している技術は、全体が参照により本明細書に組み込まれている、Peter R. Griffiths、James A. de Haseth著「Fourier Transform Infrared Spectroscopy」、John Wiley & Sons、2007年、第2版で説明されているように、この文脈における使用に合わせて任意選択で適合され得る。
【００８２】
横方向速度と同様に、表面の特性も、任意選択で、コード化されたビームなどの本明細書において説明されている他の技術と組み合わせて使用され得る。横方向速度とまったく同様に、表面特性は、また、コード化されたビームを使用せずに測定され得るが、コード化されたビームは、反射ビームをバックグラウンド放射から分離するのに役立つ。ここでもまた、図11と同様の方法が使用されてよく、表面の特性を推定する追加のステップは、潜在的にビームから推定された他の情報を使用して、含められ得る。
【００８３】
図5B〜図5Hの例で示されているように、ライダーセンサー100の設計に関するさらなる変更形態も可能であり、これは、断りのない限り、類似の名称および参照番号で類似のコンポーネントを示す、図5Aの実施形態に類似しているものであってよい。たとえば、図5Bに示されているように、ライダーセンサー100Bは、1つの周波数シフター140B(たとえば、音響光学変調器「AOM」であるが、他の周波数シフターも可能である)と1つの位相変調器(電気光学変調器「EOM」として示されているが、限定はしないがデュアルパラレルマッハ-ツェンダー干渉計を含む他の位相変調器も可能である)150Bのみを備えることができ、それにより、初期光ビームの第1の部分の周波数を調整し、レーザー110Bによって放射される初期光ビームの第1および第2の部分の各々にコードを適用する。この初期光ビームは、ビームの内部部分を光学センサー160Bの方へ向け、残りのビームを光シンセサイザー回路115Bに向けることができる第1のファイバーカプラ170Bに遭遇し得る。光シンセサイザー回路115Bは、送光のためにビームの第1の部分と第2の部分とを分割する、第2のファイバーカプラ171Bを備えることができる。第1の部分は、図5Aと実質的に同じ方式で、周波数シフター140Bに直接進み、次いで位相変調器150Bに進み、次いでトランスミッタ120Bに進むことができる。図5Aとは異なり、図5Bの実施形態は、周波数シフター140Bと位相変調器150Bとの間の第1の光サーキュレータ190Bを、位相変調器と第3のファイバーカプラ172Bとの間に第2の光サーキュレータ191Bを、第3のファイバーカプラ172Bとトランスミッタ120Bとの間に第3の光サーキュレータ192Bを備えることができる。しかしながら、第2の部分は、第2のファイバーカプラ171Bから第2の光サーキュレータ191Bに向けられ、次いで、第1の部分に関して逆に位相変調器150Bを通過することができる。次いで、第2の部分は、第1の光サーキュレータ190Bによって任意選択の遅延線200Bに、次いで、第3のファイバーカプラ172B(これは第1の部分と組み合わされてよく、カプラはコンバイナとして機能する)に向けられ、図5Aのように第1のビーム部分とともに送光され得る。
【００８４】
位相変調器150Bによって提供されるコードは、上述のような疑似ランダムコードなどにより、固有であり得る(スペクトラム拡散理論からの異なるタイプのコードが使用されてもよいが)。このコードは、遅延線200Bによって提供される遅延が光ビームの第1および第2の部分に適用されるコードを2つのコードが互いに実質的に直交するのに十分な量だけシフトすることができるように十分にランダムであり得る。したがって、ライダーセンサー100Bからの信号の処理は、f2がゼロであることを除き、図5Aのライダーセンサー100からの信号の処理と実質的に同じであり得る。それにもかかわらず、f1は、任意選択で、図5Aに関して上述のように測定された距離に対して所望の曖昧さ範囲を達成するように類似の方式で調整され得る。
【００８５】
図5Bは、また、トランスミッタ120Bおよびレシーバ130Bが単一のトランシーバに組み合わされ、第3の光サーキュレータ192Bがトランシーバ120B/130Bからの反射ビームを第4のファイバーカプラ193Bに向ける実施形態を示す。第4のファイバーカプラ193Bは、反射ビームと初期ビームの内部部分とを組み合わせて、それらを光学センサー160Bに向ける。
【００８６】
図5Cは、図5Aおよび図5Bの両方のライダーセンサー100A、100Bと類似点を有する実施形態のライダーセンサー100Cを示す。図示されているように、光シンセサイザー回路115Cは、図5Aのように、初期光ビームの第1および第2の部分の各々について別々の独立した経路を含むことができる。しかしながら、1つの周波数シフター140Cのみが含まれ、図5Bのように、2つの部分のうちの一方だけがその周波数をシフトしている。
【００８７】
図5Dは、図5Aのライダーセンサー100Aに実質的に類似している実施形態のライダーセンサー100Dを示すが、いくつかの小さな違いがある。たとえば、トランシーバ120D/130Dは、図5Aの別個のコンポーネントを置き換えることができる。
【００８８】
図5Eは、図5Dのライダーセンサー100Dに実質的に類似しているが、1つの周波数シフター140Eのみを含む実施形態のライダーセンサー100Eを示す。図示されているように、光シンセサイザー回路115Eは、周波数シフター140Eと第1の位相変調器150Eとの間に部分的に反射する鏡210Eを備えることができ、初期ビームの第1の部分は図5A〜図5Dのようにこれらの2つのコンポーネントを通過することができる。初期ビームの第2の部分は、以前の実施形態について図示されているような光ファイバーファイバーカプラの代わりに、インライン部分逆反射体210E(インラインファイバーカプラとして機能する)での反射によってここでは第1の部分から分離され得る。次いで、第2の部分は、周波数シフター140Eを2回目に通過し、周波数f0+2fm(第1の部分の周波数がf0+fmにある)をもたらすことができる。次いで、第2の部分は、光サーキュレータ190Eによって第2の位相変調器151Eに向けられ、コードを適用し、送光に先立って第1の部分との再結合のためにビームを第2のファイバーカプラ170Eに渡すことができる。
【００８９】
図5Fは、図5Eのライダーセンサー100Eに類似する実施形態のライダーセンサー100Fを示すが、単一の位相変調器150Fのみを使用し、初期ビームの第1の部分と第2の部分とを分離するための異なる方法を使用している。図示されているように、周波数シフター140Fと位相変調器150Fとの間の部分反射鏡の代わりに、第2のファイバーカプラ171Fが含まれていてよく第2の光サーキュレータ191Fは、トランシーバ120F/130Fの前に位相変調器150Fとファイバーカプラ172Fとの間に設けられ得る。したがって、初期ビームの第2の部分は、第2のファイバーカプラ171Fのところで分離されるものとしてよく、第2の部分を、位相変調器150Fを通り越して第2の光サーキュレータ191Fに向けることができる。次いで、第2の部分は、位相変調器150Fおよび周波数シフター140Fを通って逆方向に向けられ得る(図5Eのようにf0+2fmの周波数をもたらす)。最後に、第1の光サーキュレータ190Fは、第1の部分との再結合の前に、第2の部分を遅延線200Fを通すことができる。
【００９０】
図5Gは、図5Eのライダーセンサー100Eに類似する実施形態のライダーセンサー100Gを示すが、第1の部分および第2の部分の両方に同じコードを与える。図示されているように、単一の位相変調器150Gは、両方の部分が同じコードを受け取るように、トランシーバ120G/130Gの直前のファイバーカプラと第2の光サーキュレータ191Gとの間の、第2のファイバーカプラ171Gから下流に設けられ得る。
【００９１】
図5Hは、初期光ビームの一部分がシフトされていないままで、1つの周波数シフター140Hおよび1つの位相変調器150Hのみを含むようにさらに簡素化されている実施形態のライダーセンサー100Hを示す。その代わりに、レーザー110Hからの初期光ビームは、第1のファイバーカプラ170Hにおいて1回だけ、伝送部分と内部部分とに分割される。伝送部分は、前に説明されている実施形態とは異なり、伝送部分に重畳された2つの周波数変調を提供する周波数シフター140Hに向けられる。図示されているように、fmおよびfm+Δfの周波数は、(f0の周波数から始まる)伝送部分をシフトするために使用される。したがって、組み合わされたビームが生成され、Δfの周波数を有するものとしてよい。次いで、組み合わされたビームは、トランシーバ120H/130Hの方へビームを渡す前に単一のコードを適用する、位相変調器150Hに向けられ得る。したがって、組み合わされた周波数Δfおよび単一のコードを使用することで、反射ビームの分析は、上述の分析に類似しているものとしてよい。
【００９２】
したがって、様々な異なるライダーセンサーが可能であり、上述の実施形態の他の組合せおよび順列は、本明細書の開示の一部として当業者に理解されるであろう。
【００９３】
上述のスーパーヘテロダインライダーセンサーに加えて、スーパーホモダインライダーセンサーは、それが光学センサー上で発生する直流(「DC」)信号からの反射光の位相を測定するために使用され得る。図6A〜図6Cは、これらの技術を用いた異なるライダーセンサーを示しており、特定のコンポーネントは断りのない限り図5A〜図5Hのものに類似している。
【００９４】
図6Aは、図5Aのライダーセンサー100Aに実質的に類似しているレイアウトおよび動作モードを有するライダーセンサー100Iを示すが、周波数シフターを有していない。さらに、ライダーセンサー100Iは、送光されるべき初期光ビームの第1の部分に異なるコードc1を提供する位相変調器150I、151Iを備えることができる。図示されているように、コードc1は、「バーコード」(前に説明され、図7Aにおいて疑似ランダム雑音コードとして示されているものなどの)と、図7Aに示されている鋸歯位相変調などの周期的パターンとの組合せであってよく、図7Aに示されている組み合わされたコードc1をもたらす。ここでもまた、コードc1およびc2は互いに直交しているものとしてよい。これらのコードに関するさらなる変更形態も可能である。たとえば、周期的パターンは、線形鋸歯、2次鋸歯、3次鋸歯、正弦波であるか、または他のいくつかのプロファイルを有することができる。
【００９５】
コードc1およびc2を有する組み合わされた信号が送光され、反射され、受光された後、コードは、受光された反射ビームの送光の時間を特定するために使用することができる。また、類似の分析が、ドップラー周波数推定およびトラッキングなどの、上述のスーパーヘテロダインプロセスの場合と同様に受光信号に対して適用され、受光されたビームの位相を送光されたビームと比較して、雑音を低減することができる。
【００９６】
図6Aのライダーセンサーによって受光された反射ビームは、上記の他の実施形態において説明されているように、反射点における物体に関係する様々な特徴を測定するためにも使用することができる。しかしながら、いくつかの相違点があり得る。
【００９７】
たとえば、前に説明した方法では、距離は、(コードを除去するために受光された反射ビームを復調した後に)送光されたビームと受光された反射ビームの光照射野の位相の差を用いて決定することができる。前に説明した方法は、図6Aのシステムにおいても潜在的に使用され得るが、鋸歯ランプコードの周期性の使用は、ここで説明される。時刻tに光学センサー180Iで測定された相対位相Φrは時刻t-2L/cの変調ランプの位相に等しい。
Φr(t)=Φm(t-2L/c)
ただし、Lは物体までの距離であり、cは光速である。飛行時間2L/c、したがって距離LLは、単に変調ランプコードΦmの位相を反転させるだけで導出することができる。同様に、反射点の半径方向速度は、復号後に送光されたビームおよび受光された反射ビームの位相の差を使用して計算され得る。横方向速度は、上述の方法に類似する方法を使用して計算することができる。
【００９８】
反射ビームは、反射点における物体の反射率を測定するためにも使用され得る。光学センサーで反射ビームから結果として得られるDC信号の直角位相振幅は、たとえば、ルックアップテーブルを使用して、反射率を決定するために、匹敵する距離での実験結果と比較され得る。
【００９９】
さらに、変調器における鋸歯状位相プロファイルの傾きを減少させることは、ターゲット物体の表面微視的プロファイルを測定された光の位相にマッピングすることを可能にする。上述の反射点での表面の特性を決定するための技術は、スーパーホモダイン配置構成でも使用することができる。
【０１００】
図6Bおよび図6Cに示されているように、ライダーセンサー100Iの設計に関するさらなる変更形態も可能であり、これは、断りのない限り、類似の名称および参照番号で類似のコンポーネントを示す、図6Aの実施形態に類似しているものであってよい。たとえば、図6Bに示されているように、ライダーセンサー100Jは、位相変調器150Jを1つだけ備えることができる。初期光ビームの第1の部分は、図6Aに示されているように、位相変調器150Jを通過し、3つの光サーキュレータ190J、191J、192Jを通過することができる。初期光ビームの第2の部分は、逆方向に位相変調器150Jに通され、次いで、第1の光サーキュレータ190Jを使用して任意選択の遅延線200Jに通されるものとしてよい。この遅延により、第2の部分は再結合されたときに第1の部分のコードと直交するコードを有し得る。このライダー100Jは、図5Bに示されているライダー100B(周波数シフターなし)に実質的に類似していることに留意されたい。位相変調器150Jによって提供される位相変調は、任意選択で、図7Bに示されているように、放物線鋸歯状パターンと組み合わされた疑似ランダム2進コードを含むことができる。
【０１０１】
図6Cは、図6Aのライダーセンサー100Iに類似している実施形態のライダーセンサー100Kを示すが、いくつかの小さな違いがある。たとえば、トランシーバ120K/130Kは、図6Aの別個のコンポーネントを置き換えることができる。
【０１０２】
図5A〜図5Hに示されているスーパーヘテロダインの例と同様に、スーパーホモダインのライダーセンサーに関する追加の変更形態も提供され得る。たとえば、第1の部分および第2の部分は、光ファイバーファイバーカプラまたは部分的に反射するインライン逆反射体を使用して分離することができる。これらは、別々の経路に沿って経路指定されるか、または単一の経路に組み合わされ得る。また、これらは、任意選択で、同じコードを与えられ得る。
【０１０３】
図9〜図11は、距離を測定するための様々な方法を示しており、これらは、上述のシステムを使用して任意選択で実装され得る。図9に示されているように、初期ビーム(レーザー110から生成されたビームなど)は、伝送部分と内部部分とに分割され得る。伝送部分は、環境に向けられる前に固有コード(上述のような)を埋め込むように変調された位相を有することができる。次いで、伝送部分から結果として生じる受光された反射ビームは、固有コードを検出することによって同定することができる。次いで、反射点までの距離は、反射ビームと内部部分とを使用することで推定できる。
【０１０４】
図10に示されている方法は、図9の方法に実質的に類似しているが、2つの別々の伝送部分は同時に距離を検出するために使用できることを示す。図11に示されている方法は、図9および図10の方法にも類似しているが、距離に加えて、半径方向速度および横方向速度などの複数の値が推定され得ることを示す。
【０１０５】
一実施形態により、本明細書において説明されている技術(距離、速度、および表面特性を測定することなどの)は、少なくとも1つのコンピューティングデバイスによって実装される。これらの技術は、パケットデータネットワークなどのネットワークを使用して結合されている少なくとも1つのサーバコンピュータおよび/または他のコンピューティングデバイスの組合せを使用して全体的にまたは部分的に実装され得る。コンピューティングデバイスは、これらの技術を実行するようにハード配線され得るか、またはこれらの技術を実行するように永続的にプログラムされている少なくとも1つの特定用途向け集積回路(ASIC)またはフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)などのデジタル電子デバイスを含み得るか、またはファームウェア、メモリ、他のストレージ、もしくは組合せ内のプログラム命令に従ってこれらの技術を実行するようにプログラムされている少なくとも1つの汎用ハードウェアプロセッサを含み得る。そのようなコンピューティングデバイスは、カスタムハード配線論理回路、ASIC、またはFPGAをカスタムプログラミングと組み合わせて、説明されている技術を達成し得る。コンピューティングデバイスは、サーバコンピュータ、ワークステーション、パーソナルコンピュータ、ポータブルコンピュータシステム、ハンドヘルドデバイス、モバイルコンピューティングデバイス、ウェアラブルデバイス、身体装着型もしくは埋め込み型デバイス、スマートフォン、スマートアプライアンス、インターネットワーキングデバイス、ロボットもしくは地上走行もしくは飛行する無人機などの自律型または半自律型デバイス、説明されている技術を実装するためのハード配線および/もしくはプログラムロジックを組み込んだ他の任意の電子デバイス、データセンター内の1つもしくは複数の仮想コンピューティングマシンまたはインスタンス、ならびに/またはサーバコンピュータおよび/もしくはパーソナルコンピュータのネットワークであってもよい。
【０１０６】
図8は、実施形態が実装され得るコンピュータシステムの一例を示すブロック図である。図3の例では、開示されている技術をハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの組合せで実装するためのコンピュータシステム300および命令は、コンピュータアーキテクチャおよびコンピュータシステムの実装について伝達するために本開示が関係する技術分野の当業者によってふつうに使用されるのと同じ詳細レベルで、概略として、たとえばボックスおよび円で表現される。
【０１０７】
コンピュータシステム300は、電子信号経路を介してコンピュータシステム300のコンポーネント間で情報および/または命令を伝達するためのバスおよび/または他の通信メカニズムを備え得る入出力(I/O)サブシステム302を具備する。I/Oサブシステム302は、I/Oコントローラ、メモリコントローラ、および少なくとも1つのI/Oポートを備え得る。電子信号経路は、図面内では、概略図として、たとえば、線、一方向矢印、または双方向矢印で表される。
【０１０８】
少なくとも1つのハードウェアプロセッサ304は、情報および命令を処理するためにI/Oサブシステム302に結合されている。ハードウェアプロセッサ304は、たとえば、汎用マイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラ、および/または組み込みシステムもしくはグラフィックスプロセッシングユニット(GPU)もしくはデジタルシグナルプロセッサもしくはARMプロセッサなどの専用マイクロプロセッサを備え得る。プロセッサ304は、集積化された演算論理ユニット(ALU)を備え得るか、または別個のALUに結合されてもよい。
【０１０９】
コンピュータシステム300は、プロセッサ304によって実行されるデータおよび命令を電子的にデジタル方式で記憶するためにI/Oサブシステム302に結合されたメインメモリなどのメモリ306の1つまたは複数のユニットを備える。メモリ306は、様々な形態のランダムアクセスメモリ(RAM)または他のダイナミックストレージデバイスなどの揮発性メモリを含み得る。メモリ306は、プロセッサ304によって実行されるべき命令の実行時に一時変数または他の中間情報を記憶するためにも使用されてもよい。そのような命令は、プロセッサ304からアクセス可能な非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶されているときに、コンピュータシステム300を命令で指定された演算を実行するようにカスタマイズされた専用マシンに変えることができる。
【０１１０】
コンピュータシステム300は、情報とプロセッサ304に対する命令とを記憶するためにI/Oサブシステム302に結合されているリードオンリーメモリ(ROM)308または他のスタティックストレージデバイスなどの不揮発性メモリをさらに備える。ROM308は、消去可能なPROM(EPROM)または電気的消去可能PROM(EEPROM)などの様々な形態のプログラマブルROM(PROM)を含み得る。永続的ストレージ310のユニットは、FLASH（登録商標）メモリなどの様々な形態の不揮発性RAM(NVRAM)、またはCD-ROMもしくはDVD-ROMなどのソリッドステートストレージ、磁気ディスク、もしくは光ディスクを含み、情報および命令を記憶するためにI/Oサブシステム302に結合され得る。ストレージ310は、プロセッサ304によって実行されたときに本明細書において説明されている技術を実行するコンピュータ実装方法を実行させる命令およびデータを記憶するために使用され得る非一時的コンピュータ可読媒体の一例である。
【０１１１】
メモリ306、ROM308、またはストレージ310内の命令は、モジュール、メソッド、オブジェクト、関数、ルーチン、またはコールとして編成されている1つまたは複数の命令のセットを含み得る。命令は、1つまたは複数のコンピュータプログラム、オペレーティングシステムサービス、またはモバイルアプリを含むアプリケーションプログラムとして編成されてよい。命令は、オペレーティングシステムおよび/またはシステムソフトウェア、マルチメディア、プログラミング、もしくは他の機能をサポートするための1つまたは複数のライブラリ、TCP/IP、HTTP、もしくは他の通信プロトコルを実装するためのデータプロトコル命令もしくはスタック、HTML、XML、JPEG、MPEG、もしくはPNGを使用してコード化されたファイルを解析するか、またはレンダリングするためのファイルフォーマット処理命令、グラフィカルユーザインターフェース(GUI)、コマンドラインインターフェース、またはテキストユーザインターフェースのためのコマンドをレンダリングもしくは解釈するためのユーザインターフェース命令、オフィススイート、インターネットアクセスアプリケーション、設計および製造アプリケーション、グラフィックスアプリケーション、オーディオアプリケーション、ソフトウェアエンジニアリングアプリケーション、教育アプリケーション、ゲームもしくは種々のアプリケーションなどのアプリケーションソフトウェアを含み得る。命令は、ウェブサーバ、ウェブアプリケーションサーバ、またはウェブクライアントを実装してもよい。命令は、構造化クエリ言語(SQL)を用いたリレーショナルデータベースシステム、もしくはSQLを用いないリレーショナルデータベースシステム、オブジェクトストア、グラフデータベース、フラットファイルシステム、または他のデータストレージなどのプレゼンテーション層、アプリケーション層、およびデータストレージ層として編成されてもよい。
【０１１２】
コンピュータシステム300は、I/Oサブシステム302を介して、少なくとも1つの出力デバイス312に結合され得る。一実施形態において、出力デバイス312は、デジタルコンピュータディスプレイである。様々な実施形態で使用され得るディスプレイの例は、タッチスクリーンディスプレイ、または発光ダイオード(LED)ディスプレイ、または液晶ディスプレイ(LCD)、または電子ペーパーディスプレイを含む。コンピュータシステム300は、ディスプレイデバイスの代替として、またはディスプレイデバイスに加えて、他のタイプの出力デバイス312を備えてもよい。他の出力デバイス312の例は、プリンタ、チケットプリンタ、プロッタ、プロジェクタ、サウンドカードまたはビデオカード、スピーカー、ブザーまたは圧電デバイスまたは他の可聴デバイス、ランプまたはLEDまたはLCDインジケータ、触覚デバイス、アクチュエータまたはサーボを含む。
【０１１３】
少なくとも1つの入力デバイス314は、I/Oサブシステム302に結合されており、プロセッサ304に信号、データ、コマンド選択、またはジェスチャーを伝達する。入力デバイス314の例は、本明細書において説明されている光学センサーおよび他のセンサー、ならびに潜在的に、タッチスクリーン、マイク、静止およびビデオデジタルカメラ、英数字および他のキー、キーパッド、キーボード、グラフィックタブレット、画像スキャナ、ジョイスティック、クロック、スイッチ、ボタン、ダイヤル、スライドなどの他のデバイス、ならびに/または力センサー、モーションセンサー、熱センサー、加速度センサー、ジャイロスコープ、および慣性測定ユニット(IMU)センサーなどの様々なタイプのセンサー、ならびに/またはセルラーもしくはWi-Fiなどのワイヤレスもしくは無線周波数(RF)もしくは赤外線(IR)トランシーバ、および全地球測位システム(GPS)トランシーバなどの様々なタイプのトランシーバを含む。
【０１１４】
別のタイプの入力デバイスは、入力機能の代替として、または入力機能に加えて、表示画面上のグラフィカルインターフェース内のカーソル制御またはナビゲーションなどの他の自動制御機能を実行し得る、制御デバイス316である。制御デバイス316は、方向情報およびコマンド選択をプロセッサ304に伝達し、ディスプレイ312上のカーソル移動を制御するためのタッチパッド、マウス、トラックボール、またはカーソル方向キーであってもよい。入力デバイスは、デバイスが平面内の位置を指定することを可能にする第1の軸(たとえば、x)と第2の軸(たとえば、y)の2つの軸において少なくとも自由度2を有し得る。別のタイプの入力デバイスは、ジョイスティック、ワンド、コンソール、ステアリングホイール、ペダル、ギアシフトメカニズム、または他のタイプの制御デバイスなどの有線、無線、または光学制御デバイスである。入力デバイス314は、ビデオカメラおよび深度センサーなどの複数の異なる入力デバイスの組合せを含み得る。
【０１１５】
別の実施形態において、コンピュータシステム300は、出力デバイス312、入力デバイス314、および制御デバイス316のうちの1つまたは複数が省かれているモノのインターネット(IoT)デバイスを備え得る。または、そのような実施形態において、入力デバイス314は、1つまたは複数のカメラ、動き検出器、温度計、マイク、地震検出器、他のセンサーまたは検出器、測定デバイスまたはエンコーダを含むものとしてよく、出力デバイス312は、シングルラインLEDまたはLCDディスプレイ、1つまたは複数のインジケータ、表示パネル、メーター、弁、ソレノイド、アクチュエータ、またはサーボなどの専用ディスプレイを含み得る。
【０１１６】
コンピュータシステム300がモバイルコンピューティングデバイスであるときには、入力デバイス314は、複数のGPS衛星に対して三角測量を行い、コンピュータシステム300の地球物理学上の位置についての緯度経度値などのジオロケーションまたは位置データを決定し生成することができるGPSモジュールに結合されている全地球測位システム(GPS)レシーバを含み得る。出力デバイス312は、ホスト324またはサーバ330に向けられた、単独または他のアプリケーション固有のデータと組み合わせたコンピュータシステム300の位置を指定する位置報告パケット、通知、パルスもしくは心拍信号、または他の繰り返しデータ伝送を生成するためのハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、およびインターフェースを含み得る。
【０１１７】
コンピュータシステム300は、ロードされ、使用されるか、または実行されたときにコンピュータシステムと組み合わせてコンピュータシステムが専用マシンとして動作することを行わせるか、またはプログラムするカスタマイズされたハード配線ロジック、少なくとも1つのASICもしくはFPGA、ファームウェアおよび/もしくはプログラム命令もしくはロジックを使用して本明細書において説明されている技術を実装するものとしてよい。一実施形態により、本明細書の技術は、プロセッサ304がメインメモリ306に収められている少なくとも1つの命令の少なくとも1つのシーケンスを実行したことに応答としてコンピュータシステム300によって実行される。そのような命令は、ストレージ310などの別の記憶媒体からメインメモリ306内に読み込まれ得る。メインメモリ306内に収められている命令のシーケンスが実行されると、プロセッサ304は本明細書において説明されているプロセスステップを実行する。代替実施形態では、ハード配線回路を、ソフトウェア命令の代わりに、またはソフトウェア命令と組み合わせて使用することができる。
【０１１８】
本明細書で使用されているような「記憶媒体」という用語は、特定の様式でマシンを動作させるデータおよび/または命令を格納する非一時的媒体を指す。このような記憶媒体は、不揮発性媒体および/または揮発性媒体を含み得る。不揮発性媒体は、たとえば、ストレージ310などの、光または磁気ディスクを含む。揮発性媒体は、メモリ306などのダイナミックメモリを含む。記憶媒体の一般的な形態は、たとえば、ハードディスク、ソリッドステートドライブ、フラッシュドライブ、磁気データ記憶媒体、任意の光学的もしくは物理的データ記憶媒体、メモリチップ、または同様のものを含む。
【０１１９】
記憶媒体は、伝送媒体とは異なるが、伝送媒体と併せて使用することができる。伝送媒体は、記憶媒体同士の間の情報の転送に関わる。たとえば、伝送媒体は、I/Oサブシステム302のバスを含む電線を含む、同軸ケーブル、銅線、および光ファイバーを含む。伝送媒体は、電波および赤外線データ通信で生成されるものなどの、音波または光波の形態もとり得る。
【０１２０】
様々な形態の媒体が、少なくとも1つの命令の少なくとも1つのシーケンスを、実行のためプロセッサ304に搬送することに関与し得る。たとえば、命令は、最初に、リモートコンピュータの磁気ディスクまたはソリッドステートドライブ上で運ばれ得る。リモートコンピュータは、そのダイナミックメモリに命令をロードし、モデムを使用して光ファイバーまたは同軸ケーブルまたは電話回線などの通信リンクを介して命令を送信することができる。コンピュータシステム300のローカルにあるモデムまたはルータは、通信リンク上でデータを受信し、データをコンピュータシステム300によって読み取り可能な形式に変換することができる。たとえば、無線周波数アンテナまたは赤外線検出器などのレシーバは、無線信号または光信号で運ばれたデータを受信することができ、適切な回路が、データをバス上に出すなど、データをI/Oサブシステム302に供給することができる。I/Oサブシステム302は、データをメモリ306に運び、そこからプロセッサ304が命令を取り出し実行する。メモリ306に受けた命令は、任意選択で、プロセッサ304による実行の前または後のいずれかに、ストレージ310上に記憶され得る。
【０１２１】
コンピュータシステム300は、バス302に結合された通信インターフェース318も備える。通信インターフェース318は、ネットワーク322またはインターネット上のパブリックもしくはプライベートクラウドなどの少なくとも1つの通信ネットワークに直接的にまたは間接的に接続されているネットワークリンク320に結合する双方向データ通信を提供する。たとえば、通信インターフェース318は、イーサネットネットワーキングインターフェース、デジタル総合サービス網(ISDN)カード、ケーブルモデム、衛星モデム、または対応するタイプの通信回線、たとえば、イーサネットケーブルもしくは任意の種類のメタルケーブルもしくは光ファイバー回線もしくは電話回線へのデータ通信接続を実現するためのモデムであってもよい。ネットワーク322は、広い意味で、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)、キャンパスネットワーク、インターネットワーク、またはこれらの任意の組合せを表す。通信インターフェース318は、互換性のあるLANへのデータ通信接続を提供するためのLANカード、またはセルラー無線電話ワイヤレスネットワーキング規格に従ってセルラーデータを送受信するように配線されているセルラー無線電話インターフェース、または衛星ワイヤレスネットワーキング規格に従ってデジタルデータを送受信するように配線されている衛星無線インターフェースを含み得る。任意のそのような実施形態において、通信インターフェース318は、様々なタイプの情報を表すデジタルデータストリームを搬送する信号経路上で電気信号、電磁信号、または光信号を送受信する。
【０１２２】
ネットワークリンク320は、典型的には、たとえば、衛星、セルラー、Wi-Fi、またはBLUETOOTH（登録商標）技術を使用して、直接的に、または少なくとも1つのネットワークを通して、電気的、電磁的、または光データ通信を他のデータデバイスに提供する。たとえば、ネットワークリンク320は、ネットワーク322を通してホストコンピュータ324に接続を提供し得る。
【０１２３】
さらに、ネットワークリンク320は、ネットワーク322を介した接続または他のコンピューティングデバイスへの接続を、インターネットサービスプロバイダ(ISP)326によって運営されるインターネットワーキングデバイスおよび/またはコンピュータを介して行うものとしてよい。ISP326は、インターネット328として表される世界的なパケットデータ通信ネットワークを通してデータ通信サービスを提供する。サーバコンピュータ330は、インターネット328に結合され得る。サーバ330は、広い意味で、ハイパーバイザを有するか、または有しない、任意のコンピュータ、データセンター、仮想マシン、もしくは仮想コンピューティングインスタンス、またはDOCKERもしくはKUBERNETESなどのコンテナ仮想化されたプログラムシステムを実行するコンピュータを表している。サーバ330は、複数のコンピュータまたはインスタンスを使用して実装され、Webサービス要求、HTTPペイロード内にパラメータを有する統一リソースロケータ(URL)文字列、APIコール、アプリサービスコール、または他のサービスコールを伝送することによってアクセスされ、使用される電子デジタルサービスを表し得る。コンピュータシステム300およびサーバ330は、タスクを実行か、またはアプリケーションもしくはサービスを実行するために連携する他のコンピュータ、処理クラスタ、サーバファームまたはコンピュータの他の組織を含む分散コンピューティングシステムの要素を形成し得る。サーバ330は、モジュール、メソッド、オブジェクト、関数、ルーチン、またはコールとして編成されている1つまたは複数の命令のセットを備え得る。命令は、1つまたは複数のコンピュータプログラム、オペレーティングシステムサービス、またはモバイルアプリを含むアプリケーションプログラムとして編成されてよい。命令は、オペレーティングシステムおよび/またはシステムソフトウェア、マルチメディア、プログラミング、もしくは他の機能をサポートするための1つまたは複数のライブラリ、TCP/IP、HTTP、もしくは他の通信プロトコルを実装するためのデータプロトコル命令もしくはスタック、HTML、XML、JPEG、MPEG、もしくはPNGを使用してコード化されたファイルを解析するか、またはレンダリングするための
ファイルフォーマット処理命令、グラフィカルユーザインターフェース(GUI)、コマンドラインインターフェース、またはテキストユーザインターフェースのためのコマンドをレンダリングもしくは解釈するためのユーザインターフェース命令、オフィススイート、インターネットアクセスアプリケーション、設計および製造アプリケーション、グラフィックスアプリケーション、オーディオアプリケーション、ソフトウェアエンジニアリングアプリケーション、教育アプリケーション、ゲームもしくは種々のアプリケーションなどのアプリケーションソフトウェアを含み得る。サーバ330は、構造化クエリ言語(SQL)を用いたリレーショナルデータベースシステム、またはSQLを使用しないリレーショナルデータベースシステム、オブジェクトストア、グラフデータベース、フラットファイルシステム、または他のデータストレージなどのプレゼンテーション層、アプリケーション層、およびデータストレージ層をホストするWebアプリケーションサーバを含み得る。
【０１２４】
コンピュータシステム300は、ネットワーク、ネットワークリンク320、および通信インターフェース318を通じて、メッセージを送信し、プログラムコードを含む、データおよび命令を受信することができる。インターネットの例では、サーバ330は、インターネット328、ISP326、ローカルネットワーク322、および通信インターフェース318を通して、アプリケーションプログラムのための要求コードを伝送し得る。受信されたコードは、受信されるとともにプロセッサ304によって実行され、および/または後から実行するためにストレージ310、もしくは他の不揮発性ストレージに記憶され得る。
【０１２５】
この項において説明されているような命令の実行は、実行され、プログラムコードとその現在のアクティビティからなる、コンピュータプログラムのインスタンスの形態でプロセスを実装し得る。オペレーティングシステム(OS)によっては、プロセスは、命令を同時実行する複数の実行スレッドから構成され得る。この文脈では、コンピュータプログラムは受動的な命令集合体であり、プロセスはそれらの命令の実際の実行であるものとしてよい。いくつかのプロセスが同じプログラムに関連付けられていてもよく、たとえば、同じプログラムの複数のインスタンスを開くことは、多くの場合、複数のプロセスが実行されていることを意味する。マルチタスクは、複数のプロセスがプロセッサ304を共有することを可能にするように実装され得る。各プロセッサ304またはプロセッサのコアがある時点において単一のタスクを実行するが、コンピュータシステム300はマルチタスクを実装するようにプログラムされ、各プロセッサが各タスクの終了を待つことなく実行されているタスクを切り替えることを可能にし得る。一実施形態において、切り替えは、タスクが入出力動作を実行するとき、タスクが切り替え可能であることを示すとき、またはハードウェア割り込みがかかったときに実行され得る。タイムシェアリングは、複数のプロセスが同時に実行されているかのように見せるためにコンテキストスイッチを素早く実行することによって、インタラクティブユーザアプリケーションの高速応答を可能にするように実装され得る。一実施形態において、セキュリティおよび信頼性のために、オペレーティングシステムは、独立したプロセス間の直接通信を防ぎ、厳格に媒介され制御されるプロセス間通信機能を提供し得る。
【０１２６】
いくつかの追加の例示的な実施形態は、次の項を考慮して説明される。
第1項。ライダーセンサーであって、
1つまたは複数の光ビームを受光することに少なくとも基づき信号を生成するように構成される光学センサーと、
初期光ビームを放射するように構成され、初期光ビームの第1の部分は環境に向けられ、初期光ビームの内部部分は光学センサーに向けられる、レーザーであって、光学センサーは、初期光ビームの内部部分と、初期光ビームの第1の部分が環境内の第1の反射点で反射された結果として生じる第1の反射光ビームとの両方を受光するように構成される、レーザーと、
プロセッサであって、
光学センサーから信号を受信し、
第1の反射光ビームを初期光ビームの第1の部分から結果として生じたものとして同定し、
第1の反射光ビーム、および初期光ビームの内部部分に少なくとも基づき反射点までの距離を決定し、
第1の反射光ビームと初期光ビームの内部部分との間の光照射野の位相差の時間微分に少なくとも基づきライダーセンサーに関する反射点の半径方向速度を決定し、
ライダーセンサーに関する反射点の横方向速度を、第1の反射光ビームのドップラー偏移および決定された半径方向速度に少なくとも基づき決定するように構成されている
プロセッサとを備えるライダーセンサー。
第2項。初期光ビームの第1の部分の位相をある期間にわたって固有コードで変調して、環境に向けられる前に初期光ビームの第1の部分の変調位相にその固有コードを埋め込むように構成されている位相変調器をさらに備える第1項に記載のライダーセンサー。
第3項。決定された距離は、少なくとも固有コードを使用する第1の反射光ビームの戻り時間に少なくとも基づく第2項に記載のライダーセンサー。
第4項。ライダーセンサーは、10メートルを超える距離を正確に決定するように構成される第1項に記載のライダーセンサー。
第5項。ライダーセンサーは、100メートルを超える距離を正確に決定するように構成される第4項に記載のライダーセンサー。
第6項。ライダーセンサーであって、
初期光ビームを放射するように構成されているレーザーと、
レーザーと光通信する第1のファイバーカプラであって、初期光ビームを受光して伝送部分と内部部分に分割する第1のファイバーカプラと、
第1のファイバーカプラと光通信する光シンセサイザー回路であって、第1の光ファイバーカプラから初期光ビームの伝送部分を受光し、初期光ビームの伝送部分の位相を調整する、光シンセサイザー回路と、
光シンセサイザー回路と光通信するトランスミッタであって、光シンセサイザー回路から、位相が調整された伝送部分を受光し、伝送部分を環境に向ける、トランスミッタと、
初期光ビームの伝送部分から結果として生じる環境からの反射光ビームを受光するように構成されるレシーバと、
レシーバおよび第1のファイバーカプラと光通信する第2のファイバーカプラであって、反射光ビームと初期光ビームの内部部分とを組み合わせて複合光ビームにする、第2のファイバーカプラと、
第2のファイバーカプラと光通信する光学センサーであって、第2の光ビームを受光する、光学センサーとを備えるライダーセンサー。
第7項。トランスミッタおよびレシーバは、単一のトランシーバである第6項に記載のライダーセンサー。
第8項。光シンセサイザー回路は、1つまたは複数の位相変調器を備え、位相変調器は固有コードを初期光ビームの伝送部分の変調位相に埋め込むように構成される第6項に記載のライダーセンサー。
第9項。1つまたは複数の位相変調器は、固有コードと組み合わされた周期的パターンを初期光ビームの伝送部分の変調位相に埋め込むようにも構成される第8項に記載のライダーセンサー。
第10項。光シンセサイザー回路は、少なくとも2つの異なる光路をさらに含み、初期光ビームの伝送部分を、少なくとも2つの異なる光路に沿って第1の部分と第2の部分とに分離し、トランスミッタによって受光される前に第1の部分と第2の部分とを再結合するように構成される第6項に記載のライダーセンサー。
第11項。光シンセサイザー回路は、初期光ビームの伝送部分を第1の部分と第2の部分とに分離するように構成されている第3のファイバーカプラと、トランスミッタによって受光される前に第1の部分と第2の部分とを再結合するように構成されている第4のファイバーカプラとを備える第10項に記載のライダーセンサー。
第12項。光シンセサイザー回路は、再結合される前に第1の部分および第2の部分の各々の変調位相に異なる固有コードを埋め込むように構成されている1つまたは複数の位相変調器を備える第10項に記載のライダーセンサー。
第13項。光シンセサイザー回路は、環境に向けられる前に、初期光ビームの伝送部分の周波数を調整するように構成されている周波数シフターを備える第6項に記載のライダーセンサー。
第14項。ライダーセンサーは、10メートルを超える距離を正確に決定するように構成される第6項に記載のライダーセンサー。
第15項。ライダーセンサーは、100メートルを超える距離を正確に決定するように構成される第14項に記載のライダーセンサー。
第16項。ライダーセンサーを動作させて物体までの距離および物体の速度を測定する方法であって、
光ビームを伝送部分と内部部分とに分割することと、
伝送部分を環境に向けることと、
伝送部分が環境に向けられた結果として生じる反射ビームを受光することと、
反射点までの距離を反射ビームと内部部分とを使用して推定することと、
ライダーセンサーに関する反射点の半径方向速度を反射光ビームと内部部分との間の光照射野の位相差の時間微分に少なくとも基づき推定することと、
ライダーセンサーに関する反射点の横方向速度を、反射ビームのドップラー偏移および決定された半径方向速度に少なくとも基づき推定することとを含む方法。
第17項。環境に向けられる前に、固有コードを伝送部分の変調位相に埋め込むために、固有コードで伝送部分の位相をある期間にわたって変調することをさらに含む第16項に記載の方法。
第18項。推定される距離は、少なくとも固有コードを使用して反射ビームの戻り時間に少なくとも基づき決定される第17項に記載の方法。
【符号の説明】
【０１２７】
1  自動車
10  中央ユニット
20  プローブ
100  ライダーセンサー
100A  ライダーセンサー
100B  ライダーセンサー
100C  ライダーセンサー
100D  ライダーセンサー
100E  ライダーセンサー
100F  ライダーセンサー
100G  ライダーセンサー
100H  ライダーセンサー
100I  ライダーセンサー
100J  ライダーセンサー
100K  ライダーセンサー
110  レーザー
110B  レーザー
110H  レーザー
115  光シンセサイザー回路
115B  光シンセサイザー回路
115C  光シンセサイザー回路
115E  光シンセサイザー回路
120  トランスミッタ
120B  トランスミッタ
120D/130D  トランシーバ
120F/130F  トランシーバ
120G/130G  トランシーバ
120H/130H  トランシーバ
120K/130K  トランシーバ
130  レシーバ
130B  レシーバ
140  第1の周波数シフター
140B  周波数シフター
140C  周波数シフター
140E  周波数シフター
140F  周波数シフター
140H  周波数シフター
141  第2の周波数シフター
150  第1の位相変調器
150B  位相変調器
150E  第1の位相変調器
150F  単一の位相変調器
150G  単一の位相変調器
150H  位相変調器
150I、151I  位相変調器
150J  位相変調器
151  第2の位相変調器
151E  第2の位相変調器
160B  光学センサー
170  ファイバーカプラ
170A  ファイバーカプラ
170B  第1のファイバーカプラ
170E  第2のファイバーカプラ
170H  第1のファイバーカプラ
171  ファイバーカプラ
171B  第2のファイバーカプラ
171F  第2のファイバーカプラ
171G  第2のファイバーカプラ
172B  第3のファイバーカプラ
172F  ファイバーカプラ
180  光学センサー
180I  光学センサー
190B  第1の光サーキュレータ
190E  光サーキュレータ
190F  第1の光サーキュレータ
190J、191J、192J  光サーキュレータ
191B  第2の光サーキュレータ
191F  第2の光サーキュレータ
191G  第2の光サーキュレータ
192B  第3の光サーキュレータ
193B  第4のファイバーカプラ
200B  遅延線
200F  遅延線
200J  遅延線
210E  部分的に反射する鏡
210E  インライン部分逆反射体
300  コンピュータシステム
302  I/Oサブシステム
304  ハードウェアプロセッサ
306  メモリ
308  リードオンリーメモリ(ROM)
310  ストレージ
312  出力デバイス
314  入力デバイス
316  制御デバイス
318  通信インターフェース
320  ネットワークリンク
322  ネットワーク
324  ホスト
326  ISP
328  インターネット
330  サーバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
2021529959.tif 000017
【図５Ｂ】
2021529959.tif 000018
【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【国際調査報告】
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2021529959.tif 000043
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