(57)【要約】目標画像再構成のシステムは、異なる期間に異なる周波数を有するステップ周波数波形を放出するように構成されたステップ周波数送信機と、各期間に放出されたステップ周波数波形を変調信号で変調して、帯域幅が増大した変調されたステップ周波数波形を出力するように構成された変調器とを備える。システムは、その変調されたステップ周波数波形を目標に送信するとともに、目標から反射された変調されたステップ周波数波形の反射を受信するように構成された送受信機と、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形の反射とを干渉させて、変調されていないステップ周波数波形の変調されたステップ周波数波形の反射との干渉のビート信号を生成するミキサと、そのビート信号から目標画像を再構成する信号プロセッサとを備える。
2022502658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる期間に異なる一定の周波数を有するステップ周波数波形を放出するように構成されたステップ周波数送信機と、
各期間に放出された前記ステップ周波数波形を変調信号で変調して、帯域幅が増大した変調されたステップ周波数波形を出力するように構成された変調器と、
前記変調されたステップ周波数波形を目標に送信するとともに、前記目標から反射された前記変調されたステップ周波数波形の反射を受信するように構成された送受信機と、
変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形の反射とを干渉させて、前記変調されていないステップ周波数波形の前記変調されたステップ周波数波形の反射との干渉のビート信号を生成するミキサと、
前記ビート信号から目標画像を再構成する信号プロセッサと、
を備える、目標画像再構成のシステム。
【請求項２】
前記信号プロセッサは、
前記変調されていないステップ周波数波形の各ステップ周波数に対して低解像度画像を再構成して、一組の低解像度画像を生成し、
前記一組の低解像度画像をフーリエ変換によって変換して一組のフーリエ変換信号を生成し、
前記一組のフーリエ変換信号を、それらに対応するステップ周波数に関して結合して、結合されたフーリエ変換信号を生成し、
前記結合されたフーリエ変換信号を逆フーリエ変換によって変換して前記目標画像を生成する、
ように構成され、前記目標画像の解像度は、前記低解像度画像のうちのそれぞれの低解像度画像の解像度よりも高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記システムは、前記変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形との干渉を示す参照信号を発生させるように構成された参照信号発生器を更に備え、
前記信号プロセッサは、前記ビート信号及び前記参照信号を用いて前記目標画像を再構成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記信号プロセッサはデジタル信号プロセッサであり、前記ビート信号はデジタル領域に変換され、前記参照信号発生器は、
前記変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形とのビートを生じさせて前記参照信号を生成するように構成された干渉計と、
前記参照信号をデジタル領域に変換するように構成されたデジタイザと、
を備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記信号プロセッサはデジタル信号プロセッサであり、前記ビート信号はデジタル領域に変換され、前記参照信号発生器は、前記変調信号、システムインパルス応答及び変調シーケンスタイミングを用いて、デジタル領域において第２のビート信号を構成するデジタル発生器である、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記信号プロセッサは、
前記変調されていないステップ周波数波形の周波数ごとに周波数領域において前記ビート信号と前記参照信号とを相互相関させて、周波数ごとに１つの相関信号があるように相関信号を生成し、
周波数領域において前記相関信号をそれらのそれぞれの周波数の順序で結合して、前記周波数領域で前記目標の周波数画像を生成し、
空間フーリエ変換を用いて前記周波数画像を変換して前記目標画像を生成する、
ように構成されている、請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記ステップ周波数送信機は、等間隔の時間においてそれぞれ一定の周波数にわたって前記変調されていないステップ周波数波形を放出するように構成され、２つの隣接する周波数の間隔は、前記変調器によって増大する前記帯域幅以下である、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
一定の周波数ごとの前記変調されたステップ周波数波形の部分は、一定期間にわたって送信される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ステップ周波数送信機はステップ周波数レーザを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ステップ周波数送信機は、
それぞれが異なる周波数で放出する一組の単一周波数レーザと、
対応する期間に各レーザをオン及びオフにするスイッチング機構と、
スイッチングタイミング及びシーケンスを制御するスイッチングクロックと、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ステップ周波数送信機は、
波長可変レーザと、
前記変調されていないステップ周波数波形の一組の固定周波数に対応する一組の入力を指定するチューニングマップと、
前記波長可変レーザのスイッチングタイミング及びシーケンスを制御するスイッチングクロックと、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ステップ周波数送信機は、前記ステップ周波数波形の光を放出する１つ又は複数のレーザを含み、前記ミキサは、
前記変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形の反射とのビートを生じさせて、干渉の第１のデジタル信号を生成するように構成された第１の受光装置と、
前記変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形とのビートを生じさせて、第２のデジタル信号を生成するように構成された第２の受光装置と、
を含み、
前記信号プロセッサは、前記第１のデジタル信号及び前記第２のデジタル信号を用いて前記目標画像を再構成するように構成されたデジタル信号プロセッサである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記デジタル信号プロセッサは、
前記変調されていない光の周波数ごとに周波数領域において前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号とを相互相関させて、周波数ごとに１つの相関信号があるように相関信号を生成し、
周波数領域において前記相関信号をそれらのそれぞれの周波数の順序で結合して、前記周波数領域で前記目標の周波数画像を生成し、
空間フーリエ変換を用いて前記周波数画像を変換して前記目標画像を生成する、
ように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１の受光装置及び前記第２の受光装置のうちの一方又は両方は、位相ダイバースコヒーレント受光装置である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
目標画像再構成の方法であって、
異なる期間に異なる一定の周波数を有するステップ周波数波形を放出することと、
各期間に放出された前記ステップ周波数波形を変調信号で変調して、帯域幅が増大した変調されたステップ周波数波形を出力することと、
前記変調されたステップ周波数波形を目標に送信するとともに、前記目標から反射された前記変調されたステップ周波数波形の反射を受信することと、
変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形の反射とを干渉させて、前記変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形の反射との干渉のビート信号を生成することと、
前記ビート信号から目標画像を再構成することと、
を含む、方法。
【請求項１６】
前記再構成することは、
前記変調されていない波形のステップ周波数ごとに低解像度画像を再構成して、一組の低解像度画像を生成することと、
前記一組の低解像度画像をフーリエ変換によって変換して一組のフーリエ変換信号を生成することと、
前記一組のフーリエ変換信号をそれらに対応するステップ周波数に関して結合して、結合されたフーリエ変換信号を生成することと、
前記結合されたフーリエ変換信号を逆フーリエ変換によって変換して前記目標画像を生成することと、
を含み、前記目標の画像の解像度は、前記低解像度画像のうちのそれぞれの低解像度画像の解像度よりも高い、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形との干渉を示す参照信号を発生させることと、
前記ビート信号及び前記参照信号を用いて前記目標画像を再構成することと、
を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記再構成することは、
前記変調されていないステップ周波数波形の周波数ごとに周波数領域において前記ビート信号と前記参照信号とを相互相関させて、周波数ごとに１つの相関信号があるように相関信号を生成することと、
周波数領域において前記相関信号をそれらのそれぞれの周波数の順序で結合して、周波数領域で前記目標の周波数画像を生成することと、
空間フーリエ変換を用いて前記周波数画像を変換して前記目標画像を生成することと、
を含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、検知、周波数変調に関し、詳細には、周波数変調信号を用いた画像再構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
音波、無線及び光の周波数帯における線形掃引ソースが、高分解能、低ハードウェアコスト、及び軽量信号処理で反射体のレンジ（距離）を推定するのに用いられている。周波数変調連続波（ＦＭＣＷ：Frequency modulation continuous wave）レーダ、光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ：optical frequency-domain reflectometry）及び波長掃引型光干渉断層計（ＳＳ−ＯＣＴ：swept source optical coherence tomography）は、線形掃引ソースの代表的な応用例である。ＦＭＣＷベース検知システムは、反射体までのレンジを推定することができる。線形掃引ソースは、医療用撮像及び産業用撮像等の応用において、対象物の３Ｄ画像を構築するコヒーレント光センサにも使用される。
【０００３】
例えば、ＦＭＣＷレーダは、線形に周波数変調された連続波を送信し、この連続波の周波数パターンは、時間に対して鋸歯状パターン又は三角パターンになっている。対象となる種々の物体からの反射信号は、送信信号を生成するのに用いられる局所発振器信号と混合されて、アナログビート信号となり、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を介してデジタルビート信号として出力される。ビート信号の周波数は物体までの距離に比例するため、ビート信号の標準的な高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて、ピークを特定するとともに距離を推定することができる。移動物体の場合、ビート信号の周波数は、ＦＭＣＷレーダと物体との間の視線速度にも依存する。この速度は、複数の線形ＦＭスキャンで２回目のＦＦＴを行うことによって推定することができる。
【０００４】
ＯＦＤＲ干渉計でも同様に、２つの光信号、すなわち、線形チャープを有する高コヒーレント光源から生じる参照信号と、測定対象であるファイバの光路からの反射光又は後方散乱光との間の光干渉によって生成されたビート信号が得られる。結果として得られる干渉信号は、波長可変レーザ源（ＴＬＳ）の光周波数の関数として収集される。その後、ＦＦＴを用いて、この周波数領域情報が空間情報に変換される。
【０００５】
同様に、ＳＳ−ＯＣＴでは、撮像応用のために高精度なレンジ分解能測定を実現するために、線形周波数掃引レーザを用いている。高速な掃引速度と狭い瞬時線幅とで広範囲の周波数を走査する波長可変レーザ源を用いて、ＳＳ−ＯＣＴは、反射光信号と静止した参照信号との間の干渉信号の周波数スペクトルから１回の軸方向スキャンによって全てのレンジ情報を取得する。
【０００６】
線形掃引ソースを用いた検知に関する１つの共通の課題は、掃引ソースが完全に線形に変調されていない場合、レンジ分解能が劣化するということである。ソースの非線形性は、レーザ源の非線形波長調節及び位相雑音、低コストの電圧制御発振器（ＶＣＯ）の障害、並びにレーザ源の温度感度が原因である可能性がある。非線形性によって、ビート信号のスペクトル拡散が発生し、空間分解能及び感度が低下する。また、非線形性効果はレンジに依存する。すなわち、測定距離が短いと小さくなり、測定距離が長いと大きくなる。
【０００７】
現行技術水準の計算方法では、非線形性の補正を行うために既知の参照ブランチを用いる。具体的には、変調ソースの未知の非線形性によって、レンジ推定において未知のずれが生じ、推定システム全体の精度が低下する。そのため、いくつかのシステムは、既知の距離の専用パスを用いて、少なくとも１つの未知数をレンジ推定から消去するとともに、変調の非線形性を推定する。しかしながら、専用パスを用いるには追加のハードウェアリソースが必要になり、これはいくつかの応用では望ましくない。
【０００８】
線形掃引ソースを利用するセンサの別の限界は、それらの分解能が、物体を照射するために使用される線形掃引ソースの帯域幅に制限されるということである。広帯域幅（high bandwidth）をカバーする理想的な線形掃引ソースを生成することは、困難であり、また費用がかかる。従来のセンサは、複数の検出器と組み合わせてランダムに変化する広帯域幅ソース、又は、単一の受信機と組み合わされて周波数領域で掃引し時間変化する広帯域幅ソースのいずれかを使用する。これらの解決法の両方によって、高分解能を得ることができるが、前者の場合は検出器、後者の場合はソースを製造することが複雑であるため、極めて高いコストを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
いくつかの実施形態の目的は、シーンにおける目標から反射された周波数変調された信号からシーンの画像を再構成するように構成されたセンサを提供することである。こうした画像を、本明細書では目標画像と称する。いくつかの実施形態の目的は、理想的な線形掃引ソースを製造するコスト、及び／又は、現行の線形掃引ソースの実際の実施態様における非線形性によってもたらされる不完全性がない状態で、周波数領域において線形掃引波形を放出する線形掃引ソースの機能を用いる、こうしたセンサを提供することである。いくつかの実施形態の目的は、通常は広帯域幅掃引ソースに関連する製造のコストを不釣り合いに増大させることなく、こうした掃引ソースの帯域幅を増大させることである。
【００１０】
一方では、これらの目的は楽観的すぎるように見える。しかしながら、いくつかの実施形態は、線形掃引ソースをステップ周波数掃引ソース（stepped frequency swept source）と置き換えることを目標とする。その理由は、ステップ周波数掃引ソースは、帯域幅の増大に関連するいかなるコストを増大させることなく、又は適度なコストの増大で、事実上任意に広い帯域幅をカバーすることができるためである。しかしながら、周波数変調された画像の再構成においてステップ周波数掃引ソースを使用するために、いくつかの実施形態は複数の難題を克服する。
【００１１】
第１に、いくつかの実施形態は、ステップ周波数掃引ソースは、単独では周波数変調された画像の再構成に適していないという理解に基づく。ステップ周波数掃引ソースは、異なる期間に異なる周波数を有するが、各期間で単一周波数のみを有する波形を放出する。本質的に、ステップ周波数掃引ソースによって放出される波形は、有限個のみの区分を有する区分的な定数関数であるステップ関数によって表すことができる、ステップ周波数波形である。これらの特性により、カバーされる帯域幅におけるわずかな数の周波数しか定義されず（値を有さず）、これにより画像の再構成が劣化する。
【００１２】
いくつかの実施形態は、ステップ周波数波形の各周波数を、その帯域幅を増大させるように変調することができる、という理解に基づく。実際には、こうした変調により、周波数は、その周波数を含む或る帯域幅を完全に占有するように拡がる。変調後の各周波数は、或る範囲内の周波数の各値を返す範囲関数によって表すことができる。変調関数が適切に選択された場合、変調されたステップ周波数波形は、ステップ周波数波形の最低の周波数と最高の周波数との間の帯域幅全体を占有する。
【００１３】
１つの実施形態では、ステップ周波数波形は、任意の２つの隣接する周波数の差が一定であるように、各ステップに対して一定の高さを有する。この実施形態では、ステップ周波数波形のステップによって定義される範囲にわたって周波数を拡げるように構成された単一変調器は、ステップ周波数波形全体を、帯域幅全体を占有するように変調することができる。このように、（複数の周波数ソースで実装することができる）単一ステップ周波数掃引ソースと単一変調器とが、実質的に、任意に広い帯域幅をカバーする変調された信号を生成することができる。
【００１４】
このように、ステップ周波数送信機と変調器との組み合わせにより、送信機のコストを不釣り合いに増大させることなく、送信信号の帯域幅を増大させることができる。しかしながら、画像再構成において、変調されたステップ周波数波形を使用するためには、周波数変調された信号の送信の反射からの画像再構成の原理を変更する必要がある。通常、理想的な掃引ソースは、送信信号と反射信号との干渉から目標画像再構成を必要とする。その理由は、理想的な線形掃引ソースを使用する場合、各時点において、この干渉された信号と目標画像のフーリエ変換との間に、目標画像再構成を可能にする１対１の対応があるためである。しかしながら、理想的な線形掃引ソースとは対照的に、目標に送信される変調されたステップ周波数波形は、変調された信号のスペクトルの周波数値が時間的に線形に増大していないため、この１対１マッピングを有さない。そのため、ステップ周波数信号から変調された信号と目標からの反射との干渉から目標画像を復元することは、不良設定問題又は劣決定問題である可能性がある。
【００１５】
いくつかの実施形態は、変調されたステップ周波数波形の反射と、各時点に単一の周波数の値のみを有する単一値波形との干渉に基づき、変調されたステップ周波数波形の反射から、目標画像を再構成することができる、という理解に基づく。特に、このように、目標画像は、送信波形と受信波形との干渉からではなく、受信波形と他の何らかの異なる（非送信）波形との干渉から再構成される。しかしながら、単一の任意の値の波形と、変調されたステップ周波数波形の反射との干渉は、変調されたステップ周波数波形と単一値波形との帯域幅の差が大きくなる可能性があるため、干渉計に広帯域幅での対応が必要となる可能性がある。干渉計に広帯域幅対応が必要となることにより、センサのコストが望ましくないほど増大する可能性がある。
【００１６】
いくつかの実施形態は、変調されていないステップ周波数波形が、反射されたステップ周波数波形の周波数変化を模倣する単一値波形である、という理解に基づく。したがって、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形の反射との干渉は、ステップ周波数波形の周波数ステップに相当する帯域幅を有する単一干渉計によって実施することができる。
【００１７】
したがって、いくつかの実施形態は、送信信号と受信信号との干渉からではなく、変調されていない信号（ただし、非送信信号）と反射信号との干渉から、目標画像を再構成する。具体的には、いくつかの実施形態は、変調されていない（ただし、送信されていない）ステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形の送信からの反射との干渉を検出し、受信された干渉から受信された変調信号に対して逆畳み込みを行って、推測目標スペクトルを形成し、その目標スペクトルから目標画像を再構成する。
【００１８】
したがって、１つの実施形態は、異なる期間に異なる周波数を有するステップ周波数波形を放出するように構成されたステップ周波数送信機と、各期間に放出されたステップ周波数波形を変調信号で変調して、帯域幅が増大した変調されたステップ周波数波形を出力するように構成された変調器と、その変調されたステップ周波数波形を目標に送信するとともに、目標から反射された変調されたステップ周波数波形の反射を受信するように構成された送受信機と、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形の反射とを干渉させて、干渉を生成するミキサと、その干渉から目標画像を再構成する信号プロセッサとを備えるセンサを開示する。
【００１９】
いくつかの実施形態は、変調されたステップ周波数波形の各ステップ周波数を別個に処理することができる、という別の理解に基づく。これにより、任意に広い結合された帯域幅を有する多くのレーザの使用が可能になるため、このことは有利である。各ステップ周波数に対する個々の目標画像再構成により、対応するステップ周波数の変調の小さい帯域幅に対応する低解像度の目標画像が生成される。しかしながら、異なるステップ周波数に対するこれらの低解像度目標画像を周波数領域で互いに結合して、目標画像の解像度を上昇させることができる。そのため、いくつかの実施形態は、異なる周波数の変調されていないステップ周波数波形を用いて、複数の推測目標スペクトルを測定し、推測目標スペクトルの全てからの情報を含む推測スペクトルを構成する。周波数領域においてこれらのスペクトルを一緒に結合することにより、いくつかの実施形態では、目標のタイコグラフィによる超解像画像を構成する。
【００２０】
例えば、１つの実施形態では、信号プロセッサは、変調されていないステップ周波数波形の各ステップ周波数に対して低解像度画像を再構成して、一組の低解像度画像を生成し、その一組の低解像度画像をフーリエ変換によって変換して一組のフーリエ変換信号（transformations）を生成し、その一組のフーリエ変換信号をそれらの対応するステップ周波数に関して結合して、結合されたフーリエ変換信号を生成し、その結合されたフーリエ変換信号を逆フーリエ変換して低解像度画像の低解像度よりも高い解像度の目標画像を生成するように構成されている。
【００２１】
いくつかの実施形態は、変調のパラメータの知識は、目標画像再構成に有用であり得るという別の理解に基づく。具体的には、目標から反射される波形は、注目するプロセスと補助的なプロセスとを含む複数のプロセスによって影響を受ける。注目するプロセスは、目標画像からの反射である。このプロセスは、目標画像の再構成を可能にする方法で波形に影響を与える。補助的なプロセスは、波形の生成及び波形の変調の方法を含む。生成の影響は、変調されたステップ周波数波形の反射と元の且つ変調されていないステップ周波数波形とを干渉させることにより低減する。しかしながら、目標画像再構成中に変調の影響を考慮する必要もある。
【００２２】
変調のパラメータは、処理された波形の伝播の原理とは異なる原理を有する。このため、目標画像再構成においてそれらのパラメータを直接考慮することは困難である可能性がある。しかしながら、いくつかの実施形態は、目標画像再構成において変調を考慮する１つの方法は、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形とを干渉させて、プロセス波形の形態に類似する形態で変調のパラメータを受け取るのを可能にすることによる、という理解に基づく。この２回目の干渉は、変調されたステップ周波数波形の反射に対する変調の影響を分離するのに役立つ。
【００２３】
例えば、１つの実施形態では、センサは２つの干渉計を含む。第１の干渉計は、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形の反射とのビートを生じさせて（beat）、第１のビート信号を生成するように構成されている。第２の干渉計は、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形とのビートを生じさせて、第２のビート信号を生成するように構成されている。これらの２つのビート信号により、信号プロセッサは、変調されていないステップ周波数波形の周波数ごとに、周波数領域において第１のビート信号を第２のビート信号とを相互相関させて、周波数ごとに１つの相関信号があるように相関信号を生成することができる。それらの相関信号は、周波数領域において、それらのそれぞれの波長の順序で結合されて、周波数領域において異なる推測スペクトルの情報を含む目標の周波数画像を生成する。次に、信号プロセッサは、空間フーリエ変換を用いて周波数画像を変換して、目標画像を生成することができる。
【００２４】
いくつかの実施形態は、上述した原理を、コヒーレント光センサの作製に使用することができる、という認識に基づく。コヒーレント光検出の利点は莫大である。目標から反射される光ビームの情報搬送能力は、他の利用可能なシステムよりもけた違いに大きい。簡単に言えば、光ヘテロダイン検出の使用により、量子雑音レベルでの光放射線検出が可能になる。したがって、コヒーレント光学システムは、他の多くの測定システムよりも広い範囲、高い精度及び高い信頼性を提供する。コヒーレント光学システムはまた、より広い走査範囲、より広い作用被写界深度も提供することができるとともに、周囲光条件において動作することもできる。さらに、コヒーレントシステムでは、目標ビームは、その目標場所の特徴に関する十分な情報を得るために非常に長く目標に留まる必要はない。
【００２５】
そのため、いくつかの実施形態は、光源を用いてステップ周波数波形を発生させる光センサを開示する。こうしたソースの例は、ステップ周波数レーザ等のレーザ、又は、タイマーと組み合わされた、異なる周波数で放出する一組の単一周波数レーザであり、タイマーは、対応する期間に各レーザをオン及びオフするように構成されている。
【００２６】
いくつかの実施形態は、ステップ周波数波形の変調によってもたらされる信号処理の複雑性に起因して、例えば、送信信号及び反射信号の光領域ではなく、デジタル領域において目標画像を再構成することが有利である、という別の理解に基づく。そのため、いくつかの実施形態は、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形の反射との干渉のパラメータを示すデジタル信号を生成する、ミキサに光学的に接続された光検出器を含む。それらの実施形態では、信号プロセッサは、デジタル信号から目標画像を再構成するように構成されたデジタル信号プロセッサである。
【００２７】
したがって、１つの実施形態は、異なる期間に異なる周波数を有するステップ周波数波形を放出するように構成されたステップ周波数送信機と、各期間に放出されたステップ周波数波形を変調信号で変調して、帯域幅が増大した変調されたステップ周波数波形を出力するように構成された変調器と、その変調されたステップ周波数波形を目標に送信するとともに、目標から反射された変調されたステップ周波数波形の反射を受信するように構成された送受信機と、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形の反射とを干渉させて、変調されていないステップ周波数波形の変調されたステップ周波数波形の反射との干渉のビート信号を生成するミキサと、そのビート信号から目標画像を再構成する信号プロセッサとを備える、目標画像再構成のシステムを開示する。
【００２８】
別の実施形態は、異なる期間に異なる周波数を有するステップ周波数波形を放出することと、各期間に放出されたステップ周波数波形を変調信号で変調して、帯域幅が増大した変調されたステップ周波数波形を出力することと、その変調されたステップ周波数波形を目標に送信するとともに、目標から反射された変調されたステップ周波数波形の反射を受信することと、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形の反射とを干渉させて、変調されていないステップ周波数波形の変調されたステップ周波数波形の反射との干渉のビート信号を生成することと、そのビート信号から目標画像を再構成することとを含む、目標画像再構成の方法を開示する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】いくつかの実施形態による画像再構成システムを示す図である。
【図１Ｂ】画像再構成のためにいくつかの実施形態によって使用されるステップ周波数波形の概略図である。
【図１Ｃ】画像再構成のためにいくつかの実施形態によって使用される変調されたステップ周波数波形の概略図である。
【図１Ｄ】いくつかの実施形態によるステップ周波数コヒーレント検知システムを示す図である。
【図２Ａ】１つの実施形態による超解像目標画像再構成の方法のフローチャートである。
【図２Ｂ】１つの実施形態による、図２Ａの超解像目標画像再構成の信号フローモデルを示す図である。
【図２Ｃ】図２Ａの超解像目標画像再構成の信号及びスペクトルの一例を示す図である。
【図３】いくつかの実施形態によって使用される参照システムの概略図である。
【図４Ａ】参照信号を用いて目標画像を再構成する１つの実施形態の概略図である。
【図４Ｂ】参照信号を用いて目標画像を再構成する別の実施形態の概略図である。
【図５】１つの実施形態による、スペクトル連結（concatenation）を含む相互相関ベースの画像計算の信号フロー概略図である。
【図６】いくつかの実施形態によって使用される変調によるステップ周波数光波形の概略スペクトログラムである。
【図７Ａ】１つの実施形態によるステップ周波数ソースのシステム図である。
【図７Ｂ】別の実施形態によるステップ周波数ソースのシステム図である。
【図８】１つの実施形態による、光参照信号を組み込んだ光センサ／ミキサの概略図である。
【図９】１つの実施形態による、光センサのためのデジタル信号プロセッサにおける画像再構成アルゴリズム例の概略図である。
【図１０】いくつかの実施形態による、図１Ａのシステムの原理の例示的な実施態様のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１Ａは、いくつかの実施形態による画像再構成システム１００を示す。システム１００は、シーンにおける目標から反射される周波数変調された信号からシーンの画像を再構成するように構成されている。こうした画像を、本明細書では、目標画像と称する。システム１００は、理想的な線形掃引ソースを製造するコスト、及び／又は現行の線形掃引ソースの実際の実施態様における非線形性によってもたらされる不完全性がない状態で、周波数領域において線形掃引波形を放出する線形掃引ソースの機能を用いる。システム１００は、一般に広帯域幅掃引ソースに関連する製造のコストを不釣り合いに増大させることなく、こうした掃引ソースの帯域幅を増大させることができる。
【００３１】
そのため、システム１００は、異なる期間に異なる周波数を有するステップ周波数波形１１５を放出するように構成されたステップ周波数ソースを含む。このように、いくつかの実施形態は、線形掃引ソースをステップ周波数掃引ソースに置き換える。ステップ周波数ソースは、帯域幅の増大に関連するいかなるコストを増大させることなく、又は適度なコストの増大で、実質的に任意に広帯域幅をカバーすることができる。ステップ周波数ソースの例としては、ステップ周波数レーザ等のステップ周波数送信機が挙げられ、各送信機が異なる固定周波数を放出する場合は一組の単一周波数送信機が挙げられる。
【００３２】
図１Ｂは、画像再構成のためにいくつかの実施形態によって使用されるステップ周波数波形１１５の概略図を示す。ステップ周波数波形は、異なる期間に異なる周波数を有するが、各期間に対して単一周波数のみを有する。この例では、ステップ周波数波形は、等間隔の時間においてそれぞれ一定の周波数が放出される。例えば、期間１１１では、ステップ周波数波形は一定周波数１１２を有し、期間１１４では、ステップ周波数波形は一定周波数１１６を有する。本質的に、ステップ周波数波形はステップ関数によって表すことができ、ステップ関数は、有限個のみの区分を有する区分的な定数関数である。これらの特性により、カバーされる帯域幅におけるわずかな数の周波数のみが定義され（値を有し）、それにより画像再構成が劣化する。例えば、ステップ周波数波形は、周波数１１３という値を有していない。
【００３３】
ステップ周波数波形のこうした欠陥により、ステップ周波数波形は周波数変調された画像再構成に対して適切でなくなる。この欠陥に対処するために、システム１００は、各期間に放出されたステップ周波数波形を、変調信号、例えば擬似乱数パルス列によって変調して、帯域幅が増大した変調されたステップ周波数波形１２５を出力するように構成された、変調器１２０を備える。
【００３４】
図１Ｃは、画像再構成のためにいくつかの実施形態によって使用される変調されたステップ周波数波形１２５の概略図を示す。いくつかの実施形態は、ステップ周波数波形の各周波数を、その帯域幅を増大させるように変調することができる、という理解に基づく。実際に、こうした変調により、周波数は、その周波数を含む或る範囲の帯域幅を完全に占有するように拡がる。例えば、周波数１２１は、周波数範囲１２２に変調される、すなわち、拡げられる。変調後の各周波数は、範囲１２２内の周波数の各値を返す範囲関数によって表すことができる。変調関数は、変調されたステップ周波数波形が、ステップ周波数波形の最低の周波数及び最高の周波数を含む帯域幅全体１２３を占有するように、選択される。
【００３５】
一般的に、変調器１２０は、入ってくる信号を変調するように構成された装置である。例えば、いくつかの実施形態では、光のビームを変調するために電気光学効果を示す信号制御された素子が用いられる光学デバイスである、電気光学変調器（ＥＯＭ）が用いられる。１つの実施形態では、変調は、ビームの位相及び／又は周波数に課される。レーザ制御される変調器を使用することにより、変調帯域幅をギガヘルツ範囲まで拡張することが可能である。
【００３６】
電気光学効果は、ＤＣ又は低周波電界の印加によって生じる材料の屈折率の変化である。これは、材料を構成する分子の位置、配向又は形状を歪ませる力によってもたらされる。一般的に、非線形光学材料（有機ポリマーは最速の反応速度を有するのでこの応用には最適である）は、静電界や低周波の光電界が入社すると、その屈折率が変調する。１つの実施態様では、ＥＯＭは、ニオブ酸リチウム等、屈折率が局所電界の強度の関数である結晶を含む。それは、ニオブ酸リチウムが電界に晒された場合、光がそのニオブ酸リチウムを通してより低速に進むことを意味する。結晶から出る光の位相は、その光が結晶を通過するのにかかる時間の長さに正比例する。したがって、ＥＯＭから出るレーザ光の位相は、結晶における電界を変化させることにより制御することができる。
【００３７】
１つの実施形態では、ステップ周波数波形は、任意の２つの隣接する周波数の差が一定であるように、各ステップに対して一定の高さを有する。この実施形態では、ステップ周波数波形のステップによって定義される範囲にわたって周波数を拡げるように構成された単一変調器が、ステップ周波数波形全体を、帯域幅全体を占有するように変調することができる。このように、（複数の周波数ソースで実装することができる）単一ステップ周波数掃引ソースと単一変調器とが、実質的に、任意に広い帯域幅１２３をカバーする変調された信号を生成することができる。
【００３８】
このように、ステップ周波数送信機と変調器との組み合わせにより、送信機のコストを不釣り合いに増大させることなく、送信信号の帯域幅を増大させることができる。しかしながら、画像再構成において、変調されたステップ周波数波形を使用するためには、周波数変調された信号の送信の反射からの画像再構成の原理を変更する必要がある。通常、理想的な掃引ソースは、送信信号と反射信号との干渉から目標画像再構成を必要とする。その理由は、理想的な線形掃引ソースを使用する場合、各時点において、この干渉された信号と目標画像のフーリエ変換との間に、目標画像再構成を可能にする１対１の対応があるためである。しかしながら、理想的な線形掃引ソースとは対照的に、目標に送信される変調されたステップ周波数波形１２５は、変調された信号のスペクトルの周波数値が時間的に線形に増大していないため、この１対１マッピングを有さない。そのため、ステップ周波数信号から変調された信号と目標からの反射との干渉から目標画像を復元することは、不良設定問題又は劣決定問題である可能性がある。
【００３９】
いくつかの実施形態は、変調されたステップ周波数波形の反射と、各時点に単一の周波数の値のみを有する単一値波形との干渉に基づき、変調されたステップ周波数波形の反射から、目標画像を再構成することができる、という理解に基づく。特に、このように、目標画像は、送信波形と受信波形との干渉からではなく、受信波形と他の何らかの異なる（非送信）波形との干渉から再構成される。しかしながら、単一の任意の値の波形と、変調されたステップ周波数波形の反射との干渉は、変調されたステップ周波数波形と単一値波形との帯域幅の差が大きくなる可能性があるため、これらの波形を干渉させるミキサに広帯域幅での対応が必要となる可能性がある。ミキサに広帯域幅対応が必要となることにより、センサのコストが望ましくないほど増大する可能性がある。
【００４０】
いくつかの実施形態は、変調されていないステップ周波数波形が、反射されたステップ周波数波形の周波数変化を模倣する単一値波形である、という理解に基づく。したがって、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形の反射との干渉は、ステップ周波数波形の周波数ステップに相当する帯域幅を有する単一ミキサによって実施することができる。
【００４１】
そのため、システム１００は、変調されたステップ周波数波形１２５を目標に送信するとともに、目標から反射された変調されたステップ周波数波形の反射１３５を受信するように構成された送受信機１３０と、変調されていないステップ周波数波形１１５と変調されたステップ周波数波形の反射１３５とを干渉させて、変調されていないステップ周波数波形の変調されたステップ周波数波形の反射との干渉のビート信号１４５を生成するように構成されたミキサ１４０とを備える。
【００４２】
さらに、システム１００は、ビート信号１４５から目標画像１５５を再構成する信号プロセッサ１５０を備える。したがって、いくつかの実施形態は、送信信号と受信信号との干渉からではなく、変調されていない信号（ただし、非送信信号）と反射信号との干渉から、目標画像を再構成する。具体的には、いくつかの実施形態は、変調されていない（ただし、送信されていない）ステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形の送信からの反射との干渉を検出し、受信された干渉から受信された変調信号に対して逆畳み込みを行って、推測目標スペクトルを形成し、その目標スペクトルから目標画像を再構成する。
【００４３】
図１Ｄは、いくつかの実施形態によるステップ周波数コヒーレント検知システムを示す。ステップ周波数ソース１６１によって放出された波形は、２つの波形に分割される（１６５）。１つの波形は、変調器１２０によって変調され、その後、サーキュレータ１７０に送信される。サーキュレータは、受動的な非可逆的３ポート又は４ポートデバイスであり、そこでは、任意のポートに入るマイクロ波又は無線周波信号は、順に（in rotation）次のポートに伝送される。１つの実施態様では、サーキュレータ１７０は、任意のポートに入る信号が次のポートから出るように設計された３ポートサーキュレータである。これは、信号が、ポート１に入った場合、ポート２から放出されるが、放出される信号の幾分かがサーキュレータに戻るように反射される場合、それはポート１から出てくるのではなくポート３から出ることを意味する。光信号を用いる、例えばステップ周波数ソースとしてレーザを用いる実施形態では、サーキュレータ１７０は光サーキュレータである。
【００４４】
サーキュレータ１７０の第２のポートから放出された変調された波形は、撮像ヘッド１７５に送信される。撮像ヘッドは、センサの内外への光の結合と、光を目標上に向けるのを可能にする装置である。次いで、変調された波形は、自由空間チャネル１８０を介して目標１８５まで送信される。次いで、目標からの反射は、撮像ヘッド１７５によって収集された後、サーキュレータ１７０のポート２とポート３との間に送信される。次いで、反射信号１３５は、ミキサ１９０において変調されていないステップ周波数波形１１５と混合され、その後、デジタル信号プロセッサ１９５等の信号プロセッサ１５０によって処理される。
【００４５】
いくつかの実施形態では、ステップ周波数ソースによって放出される波形はコヒーレント波形であり、図１Ｄのシステムは、「コヒーレント」検出を行う能力を有する「コヒーレント」光伝送システムであり、これは、光受信機が、送信信号によって搬送される任意の位相及び周波数情報を抽出するように、光送信機の位相を追跡することができること（したがって、「位相コヒーレンス」）を意味する。
【００４６】
例えば、いくつかの実施形態では、ミキサ１９０は、受信信号をデジタル領域に変換するコヒーレントセンサであり、信号プロセッサ１５０もまた、デジタル領域で実装される（１９５）。これらの実施形態では、混合機能及び画像復元機能は、デジタル領域においてセンサ１９０及びデジタル信号プロセッサ１９５によって実施される。
【００４７】
いくつかの実施形態は、変調されたステップ周波数波形の各ステップ周波数を別個に処理することができる、という別の理解に基づく。これは、多くのレーザを用いることによって任意に帯域幅を拡張することができるため、有利である。各ステップ周波数に対する個々の目標画像再構成により、対応するステップ周波数の変調の小さい帯域幅に対応する低解像度の目標画像が生成される。しかしながら、異なるステップ周波数に対するこれらの低解像度目標画像を周波数領域で互いに結合して、目標画像の解像度を上昇させることができる。そのために、いくつかの実施形態は、異なる周波数の変調されていないステップ周波数波形を用いて、複数の推測目標スペクトルを測定し、推測目標スペクトルの全てからの情報を含む推測スペクトルを構成する。周波数領域においてこれらのスペクトルを一緒に結合することにより、いくつかの実施形態は、目標のタイコグラフィによる超解像画像を構成する。
【００４８】
図２Ａは、１つの実施形態による超解像目標画像再構成の方法のフローチャートを示す。この実施形態では、信号プロセッサは、変調されていないステップ周波数波形の各ステップ周波数に対して低解像度画像を再構成して（２０１）一組の低解像度画像２０５を生成し、フーリエ変換を用いて一組の低解像度画像を変換して（２０２）一組のフーリエ変換信号２０６を生成する。信号プロセッサは、一組のフーリエ変換信号をそれらの対応するステップ周波数に関して結合して（２０３）結合されたフーリエ変換信号２０７を生成し、結合されたフーリエ変換信号を逆フーリエ変換して（２０４）低解像度画像２０５の解像度より高い解像度の目標画像２０８を生成する。したがって、低解像度画像のスペクトルを連結することにより、高解像度画像を生成することができる。連結されたスペクトルの全帯域幅がなく、高解像度画像を生成することは不可能である。
【００４９】
例えば、低解像度画像２０５を再構成する（２０１）ために、いくつかの実施態様は、以下を解く。
【数１】
2022502658.tif 000003
式中、Ｙｉは第ｉの画像ｙであり、ＸＴｉは目標からの第ｉの反射であり、ＸＲｉは第ｉの参照信号である。演算子＊は畳み込みを示す。
【００５０】
低解像度画像２０５のフーリエ変換（２０２）は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）に従って実施することができる。一組のフーリエ変換信号２０６は、それらのそれぞれの値によって表される絶対周波数に従って互いに結合することができる（２０３）。次に、結合されたフーリエ変換信号２０７は、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）に従って逆変換されて（２０４）高解像度画像２０８が得られる。
【００５１】
図２Ｂは、１つの実施形態による、図２Ａの超解像目標画像再構成の信号フローモデルを示す。少なくとも２つの低解像度画像２００、２１０、２２０が、ＦＦＴ２０１、２１１、２２１によってフーリエ領域にそれぞれ変換される。次いで、結果として得られるスペクトルは、連結され（２３０）、その後、ＩＦＦＴ２４０によって画像領域に戻るように変換されて、高解像度画像２５０が得られる。
【００５２】
図２Ｃは、図２Ａの超解像目標画像再構成の信号及びスペクトルの例を示す。一組の低解像度画像２６０、２７０、２８０がフーリエ領域に変換され、一組の重ならない狭帯域幅のスペクトル２６１、２７１、２８１となる。そして、結果として得られるスペクトルは連結されて、単一の広帯域幅スペクトル２９０となり、その後、ＩＦＦＴによって画像領域に戻るように変換されて高解像度画像２９５が得られる。
【００５３】
いくつかの実施形態は、変調のパラメータの知識は、目標画像再構成に有用であり得るという別の理解に基づく。変調のパラメータの例としては、変調信号、システムインパルス応答、及び測定装置に対する変調シーケンスの相対的な位相を示す変調シーケンスタイミングが挙げられる。具体的には、目標から反射される波形は、注目するプロセスと補助的なプロセスとを含む複数のプロセスによって影響を受ける。注目するプロセスは、目標画像からの反射である。このプロセスは、目標画像の再構成を可能にする方法で波形に影響を与える。補助的なプロセスは、波形の生成及び波形の変調の方法を含む。生成の影響は、変調されたステップ周波数波形の反射と元の且つ変調されていないステップ周波数波形とを干渉させることにより低減する。しかしながら、目標画像再構成中に変調の影響を考慮する必要もある。
【００５４】
変調のパラメータは、処理された波形の伝播の原理とは異なる原理を有する。このため、目標画像再構成においてそれらのパラメータを直接考慮することは困難である可能性がある。しかしながら、いくつかの実施形態は、目標画像再構成において変調を考慮する１つの方法は、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形との干渉を示す参照信号を有することで、プロセス波形の形態に類似する形態で変調のパラメータを受け取るのを可能にすることによる、という理解に基づく。この参照信号は、変調されたステップ周波数波形の反射に対する変調の影響を分離するのに役立つことができる。
【００５５】
図３は、いくつかの実施形態によって使用される参照システムの概略図を示す。これらの実施形態では、システム１００は、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形との干渉を示す参照信号３２０を発生させるように構成された参照信号発生器３１０を備える。このため、信号プロセッサ３３０は、ビート信号１４５及び参照信号３２０を用いて目標画像を再構成する。
【００５６】
図４Ａは、参照信号を用いて目標画像を再構成する１つの実施形態の概略図を示す。この実施形態では、信号プロセッサはデジタル信号プロセッサ４３０であり、ミキサ１４０によって生成されるビート信号１４５は、デジタイザ４１５を用いてデジタル領域に変換される。この実施形態では、参照信号発生器は、変調されていないステップ周波数波形１１５と変調されたステップ周波数波形１２５とのビートを生じさせて参照信号３２０を生成するように構成された干渉計４２０を備える。システム１００はまた、参照信号３２０をデジタル領域に変換するように構成されたデジタイザ４２５も備える。
【００５７】
図４Ｂは、参照信号を用いて目標画像を再構成する別の実施形態の概略図を示す。この実施形態では、参照信号３２０は、デジタル領域で直接生成される。この実施形態では、参照信号発生器は、デジタル領域で参照信号を構成するデジタル参照信号発生器４４０である。例えば、参照信号は、変調信号、システムインパルス応答及び変調シーケンスタイミングを用いて生成することができる。参照信号は、例えば、変調信号をシステムインパルス応答で畳み込み、その後、それを、変調シーケンスタイミングに従って正確な時間遅延により遅延させることによって生成することができる。
【００５８】
参照信号を用いるいくつかの実施形態では、目標画像を再構成するために、信号プロセッサは、変調されていないステップ周波数波形の周波数ごとに、周波数領域においてビート信号と参照信号とを相互相関させて、周波数ごとに１つの相関信号があるように相関信号を生成する。それらの相関信号は、周波数領域においてそれらのそれぞれの波長の順序で結合されて、周波数領域において、異なる推測スペクトルの情報を含む目標の周波数画像が得られる。次に、信号プロセッサは、逆フーリエ変換を用いて周波数画像を変換して、目標画像を生成する。この画像は、より狭い帯域幅、従ってより低い解像度を有する成分画像よりも高い解像度を有する。
【００５９】
図５は、１つの実施形態による、スペクトル連結を含む相互相関ベースの画像計算に対するＤＳＰ信号フロー概略図を示す。反射信号５０５と参照信号５００とが相互相関されて（５１０）、低解像度画像５１５が計算される。次いで、この低解像度画像が、ＦＦＴ５２０によってフーリエ領域に変換されて、狭帯域幅スペクトル５２５が得られる。次いで、このスペクトルは、周波数領域において他のこうした重ならない狭帯域幅スペクトルと連結されて（５３０）、広帯域幅スペクトル５３５が得られる。次いで、これは、ＩＦＦＴ５４０によって画像領域に変換されて、高解像度画像５５０が得られる。
【００６０】
いくつかの実施形態は、上述した原理を、コヒーレント光センサの作製に使用することができる、という認識に基づく。コヒーレント光検出の利点は莫大である。目標から反射される光ビームの情報搬送能力は、他の利用可能なシステムよりもけた違いに大きい。簡単に言えば、光ヘテロダイン検出の使用により、量子雑音レベルでの光放射線検出が可能になる。したがって、コヒーレント光学システムは、他の多くの測定システムよりも広い範囲、高い精度及び高い信頼性を提供する。コヒーレント光学システムはまた、より広い走査範囲、より広い作用被写界深度も提供することができるとともに、周囲光条件において動作することもできる。さらに、コヒーレントシステムでは、目標ビームは、その目標場所の特徴に関する十分な情報を得るために非常に長く目標に留まる必要はない。
【００６１】
図６は、いくつかの実施形態によって使用される変調によるステップ周波数光波形の概略スペクトログラムを示す。有限持続時間Ｔ６１０と変調によって誘発された帯域幅Ｂ６２０とを有する一組の搬送波６００を示す。そのため、いくつかの実施形態は、光源を用いてステップ周波数波形を発生させる光センサを開示する。こうしたソースの例は、ステップ周波数レーザ等のレーザ、又は、タイマーと組み合わされた、異なる周波数で放出する一組の単一周波数レーザであり、タイマーは、対応する期間に各レーザをオン及びオフするように構成されている。
【００６２】
図７Ａは、１つの実施形態によるステップ周波数ソースのシステム図を示す。この実施形態では、ステップ周波数ソースは、多くの固定周波数レーザ及び光スイッチングを組み込んだステップ周波数レーザである。一組の固定周波数レーザ７００、７０１、７０２が光スイッチ７１０に入力する。スイッチは、スイッチングタイミングを決定するスイッチングクロック７２５によりスイッチングシーケンスを決定するスイッチコントローラ７２０によって、動作する。
【００６３】
図７Ｂは、別の実施形態によるステップ周波数ソースのシステム図を示す。この実施形態では、ステップ周波数ソースは、電子制御による単一の高速スイッチングレーザを組み込んだステップ周波数レーザを含む。高速スイッチングレーザ７５０は、スイッチングシーケンスを決定する電子チューニングマップ７６０と、スイッチングタイミングを決定するスイッチングクロック７６５とによって制御される。
【００６４】
いくつかの実施形態は、ステップ周波数波形の変調によってもたらされる信号処理の複雑性に起因して、例えば、送信信号及び反射信号の光領域ではなく、デジタル領域において目標画像を再構成することが有利である、という別の理解に基づく。そのため、いくつかの実施形態は、変調されていないステップ周波数波形と変調されたステップ周波数波形の反射との干渉のパラメータを示すデジタル信号を生成する、ミキサに光学的に接続された光検出器を含む。それらの実施形態では、信号プロセッサは、デジタル信号から目標画像を再構成するように構成されたデジタル信号プロセッサである。
【００６５】
図８は、１つの実施形態による、光参照信号を組み込んだ光センサ／ミキサの概略図を示す。参照信号８００及び反射信号８１０は一対の受光装置８１５、８２０に入力され、そこで、それらの信号は、ステップ周波数光源８０５からの光とそれぞれ混合される。次いで、２つの結果として得られる干渉信号は量子化され（８３０、８３５）、その後、デジタル信号プロセッサ８４０において処理される。
【００６６】
図９は、１つの実施形態による、光センサのためのデジタル信号プロセッサにおける画像再構成アルゴリズム例の概略図を示す。参照信号９００と反射信号９１０との間で相互相関９２０が計算されて、低解像度画像が決定される。次いで、この画像は、ＦＦＴ９３０によりスペクトル領域に変換され、そこで、そのスペクトルは、ウィーナーフィルタ９４０等、ローパスフィルタリングの影響を低減させる方法によって質を向上させることができる。次いで、成分スペクトルは他のこうしたスペクトル９４５と結合されて（９５０）、広帯域幅スペクトルが得られる。次いで、このスペクトルは、ＩＦＦＴ９６０によって画像領域に戻るように変換されて、高解像度画像９７０が得られる。
【００６７】
図１０は、いくつかの実施形態による、コンピュータ又はハードウェアプロセッサを用いて実施することができる図１Ａのシステム１００の原理の例示的な実施態様のブロック図である。コンピュータ１０１１は、バス１０５６を通じて接続されている、ハードウェアプロセッサ１０４０と、コンピュータ可読メモリ１０１２と、記憶装置１０５８と、ディスプレイ１０５２及びキーボード１０５１とのユーザインターフェース１０４９とを備える。例えば、ハードウェアプロセッサ１０４０及びコンピュータ可読メモリ１０１２と通信するユーザインターフェース１０４９は、ユーザによるユーザインターフェース１０４９の表面であるキーボード面から入力を受信すると、信号データ例を取得し、コンピュータ可読メモリ１０１２に記憶する。
【００６８】
コンピュータ１０１１は、電源１２５４を備えることができる。用途に応じて、電源１２５４は、コンピュータ１０１１の外部に配置することもできる。ディスプレイデバイス１０４８に接続するように適合されたユーザ入力インターフェース１０５７を、バス１０５６を通じて結合することができる。ディスプレイデバイス１０４８は、特に、コンピュータモニタ、カメラ、テレビ、プロジェクタ又はモバイルデバイスを含むことができる。プリンタインターフェース１０５９も、バス１０５６を通じて接続することができ、印刷デバイス１０３２に接続するように適合することができる。印刷デバイス１０３２は、液体インクジェットプリンタ、固体インクプリンタ、大型商用プリンタ、サーマルプリンタ、ＵＶプリンタ又は昇華型プリンタを含むことができる。ネットワークインターフェースコントローラ（ＮＩＣ）１０５４は、バス１０５６を通じてネットワーク１０３６に接続するように適合されている。時系列データ又は他のデータを、コンピュータ１０１１の外部のサードパーティディスプレイデバイス、サードパーティ撮像デバイス及び／又はサードパーティ印刷デバイスにレンダリングすることができる。
【００６９】
図１０を更に参照すると、信号データ又は他のデータは、記憶及び／又は更なる処理のために、ネットワーク１０３６の通信チャネルを介して送信することができ、及び／又は、記憶システム１０５８内に記憶することができる。信号データは、最初に外部メモリに記憶しておき、後に処理するためにハードウェアプロセッサによって取り出すことができ、又は、後の或る時点において処理するためにハードウェアプロセッサのメモリに信号データを記憶することができることが考えられる。ハードウェアプロセッサメモリは、例えば、柔軟な復旧システム／方法を実行するハードウェアプロセッサ又はコンピュータによって実行可能な記憶された実行可能プログラム、配電システム動作データ、当該配電システムと同じタイプの履歴配電システムデータ、並びに配電システムの柔軟な復旧又は当該配電システムと同様のタイプの配電システムに関連する他のデータを含む。
【００７０】
さらに、信号データ又は他のデータは、受信機１０４６（又は外部受信機１０３８）から無線又は有線で受信することができ、又は、送信機１０４７（又は外部送信機１０３９）を介して無線又は有線で送信することができる。受信機１０４６及び送信機１０４７はともに、バス１０５６を通じて接続されている。コンピュータ１０１１は、入力インターフェース１００８を介して外部検知デバイス１０４４及び外部入出力デバイス１０４１に接続することができる。例えば、外部検知デバイス１０４４は、配電システムの収集された信号データの収集前／収集中／収集後にデータを収集するセンサとすることができる。データは、例えば、災害によって引き起こされた障害のある線路、障害のあるタイプ、及び障害の影響を受けた顧客である。コンピュータ１０１１は、他の外部コンピュータ１０４２に接続することができる。出力インターフェース１００９は、ハードウェアプロセッサ１０４０からの処理されたデータを出力するのに用いることができる。ハードウェアプロセッサ１０４０及び非一時的コンピュータ可読記憶媒体１０１２と通信するユーザインターフェース１０４９は、ユーザによるユーザインターフェース１０４９の表面からの入力を受け取ると、領域データを取得し、非一時的コンピュータ可読記憶媒体１０１２に記憶することに留意されたい。
【００７１】
以上の説明は、例示的な実施形態のみを提供し、本開示の範囲も、適用範囲も、構成も限定することを意図していない。そうではなく、例示的な実施形態の以上の説明は１つ以上の例示的な実施形態を実施することを可能にする説明を当業者に提供する。添付の特許請求の範囲に明記されているような開示された主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく要素の機能及び配置に行うことができる様々な変更が意図されている。
【００７２】
以上の説明では、実施形態の十分な理解を提供するために、具体的な詳細が与えられる。しかしながら、当業者は、これらの具体的な詳細がなくても実施形態を実施することができることを理解することができる。例えば、開示された主題におけるシステム、プロセス、及び他の要素は、実施形態を不必要な詳細で不明瞭にしないように、ブロック図形式の構成要素として示される場合がある。それ以外の場合において、よく知られたプロセス、構造、及び技法は、実施形態を不明瞭にしないように不必要な詳細なしで示される場合がある。さらに、様々な図面における同様の参照符号及び名称は、同様の要素を示す。
【００７３】
また、個々の実施形態は、フローチャート、フロー図、データフロー図、構造図、又はブロック図として描かれるプロセスとして説明される場合がある。フローチャートは、動作を逐次的なプロセスとして説明することができるが、これらの動作の多くは、並列又は同時に実行することができる。加えて、これらの動作の順序は、再配列することができる。プロセスは、その動作が完了したときに終了することができるが、論述されない又は図に含まれない追加のステップを有する場合がある。さらに、特に説明される任意のプロセスにおける全ての動作が全ての実施形態において行われ得るとは限らない。プロセスは、方法、関数、手順、サブルーチン、サブプログラム等に対応することができる。プロセスが関数に対応するとき、その関数の終了は、呼び出し側関数又はメイン関数へのその機能の復帰に対応することができる。
【００７４】
さらに、開示された主題の実施形態は、少なくとも一部は手動又は自動のいずれかで実施することができる。手動実施又は自動実施は、機械、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、又はそれらの任意の組み合わせを用いて実行することもできるし、少なくとも援助することができる。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア又はマイクロコードで実施されるとき、必要なタスクを実行するプログラムコード又はプログラムコードセグメントは、機械可読媒体に記憶することができる。プロセッサが、それらの必要なタスクを実行することができる。
【００７５】
本明細書において略述された様々な方法又はプロセスは、様々なオペレーティングシステム又はプラットフォームのうちの任意の１つを用いる１つ以上のプロセッサ上で実行可能なソフトウェアとしてコード化することができる。加えて、そのようなソフトウェアは、複数の適したプログラミング言語及び／又はプログラミングツール若しくはスクリプティングツールのうちの任意のものを用いて記述することができ、実行可能機械語コード、又はフレームワーク若しくは仮想機械上で実行される中間コードとしてコンパイルすることもできる。通常、プログラムモジュールの機能は、様々な実施形態において所望に応じて組み合わせることもできるし、分散させることもできる。
【００７６】
本開示の実施形態は、方法として具現化することができ、この方法の一例が提供されている。この方法の一部として実行される動作は、任意の適した方法で順序付けることができる。したがって、例示したものと異なる順序で動作が実行される実施形態を構築することができ、この順序は、いくつかの動作が例示の実施形態では順次的な動作として示されていても、それらの動作を同時に実行することを含むことができる。さらに、請求項の要素を修飾する、特許請求の範囲における「第１」、「第２」等の序数の使用は、それ自体で、１つの請求項の要素の別の請求項の要素に対する優先順位も、優位性も、順序も暗示するものでもなければ、方法の動作が実行される時間的な順序も暗示するものでもなく、請求項の要素を区別するために、単に、或る特定の名称を有する１つの請求項の要素を、同じ（序数の用語の使用を除く）名称を有する別の要素と区別するラベルとして用いられているにすぎない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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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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【手続補正書】
【提出日】令和3年4月1日(2021.4.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる期間に異なる一定の周波数を有するステップ周波数波形を放出するように構成されたステップ周波数送信機と、
各期間に放出された前記ステップ周波数波形を変調信号で変調して、帯域幅が増大した変調されたステップ周波数波形を出力するように構成された変調器と、
前記変調されたステップ周波数波形を目標に送信するとともに、前記目標から反射された前記変調されたステップ周波数波形の反射を受信するように構成された送受信機と、
変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形の反射とを干渉させて、前記変調されていないステップ周波数波形の前記変調されたステップ周波数波形の反射との干渉のビート信号を生成するように構成されたミキサと、
前記ビート信号から目標画像を再構成するように構成された信号プロセッサと、
を備える、目標画像再構成のシステム。
【請求項２】
前記信号プロセッサは、
前記変調されていないステップ周波数波形の各ステップ周波数に対して低解像度画像を再構成して、一組の低解像度画像を生成し、
前記一組の低解像度画像をフーリエ変換によって変換して一組のフーリエ変換信号を生成し、
前記一組のフーリエ変換信号を、それらに対応するステップ周波数に関して結合して、結合されたフーリエ変換信号を生成し、
前記結合されたフーリエ変換信号を逆フーリエ変換によって変換して前記目標画像を生成する、
ように構成され、前記目標画像の解像度は、前記低解像度画像のうちのそれぞれの低解像度画像の解像度よりも高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記システムは、前記変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形との干渉を示す参照信号を発生させるように構成された参照信号発生器を更に備え、
前記信号プロセッサは、前記ビート信号及び前記参照信号を用いて前記目標画像を再構成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記信号プロセッサはデジタル信号プロセッサであり、前記ビート信号はデジタル領域に変換され、前記参照信号発生器は、
前記変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形とのビートを生じさせて前記参照信号を生成するように構成された干渉計と、
前記参照信号をデジタル領域に変換するように構成されたデジタイザと、
を備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記信号プロセッサはデジタル信号プロセッサであり、前記ビート信号はデジタル領域に変換され、前記参照信号発生器は、前記変調信号、システムインパルス応答及び変調シーケンスタイミングを用いて、デジタル領域において第２のビート信号を構成するデジタル発生器である、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記信号プロセッサは、
前記変調されていないステップ周波数波形の周波数ごとに周波数領域において前記ビート信号と前記参照信号とを相互相関させて、周波数ごとに１つの相関信号があるように相関信号を生成し、
周波数領域において前記相関信号をそれらのそれぞれの周波数の順序で結合して、前記周波数領域で前記目標の周波数画像を生成し、
空間フーリエ変換を用いて前記周波数画像を変換して前記目標画像を生成する、
ように構成されている、請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記ステップ周波数送信機は、等間隔の時間においてそれぞれ一定の周波数にわたって前記変調されていないステップ周波数波形を放出するように構成され、２つの隣接する周波数の間隔は、前記変調器によって増大する前記帯域幅以下である、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
一定の周波数ごとの前記変調されたステップ周波数波形の部分は、一定期間にわたって送信される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ステップ周波数送信機はステップ周波数レーザを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ステップ周波数送信機は、
それぞれが異なる周波数で放出する一組の単一周波数レーザと、
対応する期間に各レーザをオン及びオフにするスイッチング機構と、
スイッチングタイミング及びシーケンスを制御するスイッチングクロックと、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ステップ周波数送信機は、
波長可変レーザと、
前記変調されていないステップ周波数波形の一組の固定周波数に対応する一組の入力を指定するチューニングマップと、
前記波長可変レーザのスイッチングタイミング及びシーケンスを制御するスイッチングクロックと、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ステップ周波数送信機は、前記ステップ周波数波形の光を放出する１つ又は複数のレーザを含み、前記ミキサは、
前記変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形の反射とのビートを生じさせて、干渉の第１のデジタル信号を生成するように構成された第１の受光装置と、
前記変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形とのビートを生じさせて、第２のデジタル信号を生成するように構成された第２の受光装置と、
を含み、
前記信号プロセッサは、前記第１のデジタル信号及び前記第２のデジタル信号を用いて前記目標画像を再構成するように構成されたデジタル信号プロセッサである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記デジタル信号プロセッサは、
前記変調されていない光の周波数ごとに周波数領域において前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号とを相互相関させて、周波数ごとに１つの相関信号があるように相関信号を生成し、
周波数領域において前記相関信号をそれらのそれぞれの周波数の順序で結合して、前記周波数領域で前記目標の周波数画像を生成し、
空間フーリエ変換を用いて前記周波数画像を変換して前記目標画像を生成する、
ように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１の受光装置及び前記第２の受光装置のうちの一方又は両方は、位相ダイバースコヒーレント受光装置である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
目標画像再構成の方法であって、
異なる期間に異なる一定の周波数を有するステップ周波数波形を放出することと、
各期間に放出された前記ステップ周波数波形を変調信号で変調して、帯域幅が増大した変調されたステップ周波数波形を出力することと、
前記変調されたステップ周波数波形を目標に送信するとともに、前記目標から反射された前記変調されたステップ周波数波形の反射を受信することと、
変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形の反射とを干渉させて、前記変調されていないステップ周波数波形と前記変調されたステップ周波数波形の反射との干渉のビート信号を生成することと、
前記ビート信号から目標画像を再構成することと、
を含む、方法。
【国際調査報告】
2022502658.tif 000021
2022502658.tif 000022