(57)【要約】  安価な半導体レーザーダイオードを使用して、周波数変調パルス圧縮技術を使用する高分解能レーザー測距が達成され得る。結果として生じる測距データを処理するために必要とされる帯域幅は、波長の変化およびターゲットまでの距離に比例し、パルス持続時間に反比例する。レーザー測距に関する最近の適用は、しばしば、距離分解能と一緒に範囲を分解することができる距離を最大限にしようとし、これは広帯域変調を暗示しており、最近の適用はまた、より短い時間でより多くのデータを取得するためにパルス持続時間を最小限にしようとしている。本明細書では、処理時間または資金の増加を必要としない、低コストのコンポーネントおよび簡易な技術を使用してリアルタイムで大きな範囲データ帯域幅を圧縮する方法が記載される。【選択図】図２
2018520346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビート信号帯域幅圧縮方法であって、該方法は、
第１および少なくとも第２の周波数変調レーザー距離測定システムを提供する工程であって、第１および少なくとも第２の周波数変調レーザー距離測定システムが各々、対象に対する高周波数範囲判定のビート信号を生成する、工程；および
低周波数のビート差分信号を生成するために２つの高周波数範囲判定のビート信号を電気的に混合する工程を含み、ここで低周波数のビート差分信号は、対象までの距離を判定するために使用される、ビート信号帯域幅圧縮方法。
【請求項２】
第１のデルタタイムの間、第１のデルタ周波数範囲にわたって第１の周波数変調レーザー検出サブシステムからの放射を線形にスイープする工程；および
第２のデルタタイムの間、第２のデルタ周波数範囲にわたって第２の周波数変調レーザー検出サブシステムからの放射を線形にスイープする工程をさらに含み、ここで第１のデルタタイムで割られた第１のデルタ周波数の第１の比率が、第２のデルタタイムで割られた第２のデルタ周波数範囲の第２の比率と等しくない、請求項１に記載のビート信号帯域幅圧縮方法。
【請求項３】
第１のデルタ周波数範囲が、第１の中心周波数を中心に置いており；
第２のデルタ周波数範囲が、第２の中心周波数を中心に置いており；および
第１の中心周波数および第２の中心周波数が異なる、請求項２に記載のビート信号帯域幅圧縮方法。
【請求項４】
第１の周波数変調レーザー検出システムの放射周波数の範囲および第２の周波数変調レーザー検出システムの放射周波数の範囲が重複しないように、第１の中心周波数および第２の中心周波数が十分に分離されている、請求項３に記載のビート信号帯域幅圧縮方法。
【請求項５】
第１の比率および第２の比率が、測定されている距離に基づいて調節される、請求項２に記載のビート信号帯域幅圧縮方法。
【請求項６】
第１の測定を実行する工程、第２の測定を実行する工程、および対象までの距離および対象の半径方向速度の両方を判定するために、第１の測定および第２の測定を使用する工程をさらに含み；
ここで第１の測定を実行する工程が、
第１のデルタタイムの間、第１のデルタ周波数範囲にわたって第１の周波数変調レーザー検出サブシステムの放射を線形にスイープする工程であって、それによって、第１の高周波数範囲判定のビート信号を生成する、工程；
第２のデルタタイムの間、第２のデルタ周波数範囲にわたって第２の周波数変調レーザー検出サブシステムの放射を線形にスイープする工程であって、それによって、第２の高周波数範囲判定のビート信号を生成する、工程；および
低周波数のビート差分信号Ａを生成するために結果として生じる第１および第２の高周波数範囲判定のビート信号を電気的に混合する工程を含み；
ここで第２の測定を実行する工程が、
第３のデルタタイムの間、第３のデルタ周波数範囲にわたって第３の周波数変調レーザー検出サブシステムの放射を線形にスイープする工程であって、それによって、第３の高周波数範囲判定のビート信号を生成する、工程；
第４のデルタタイムの間、第４のデルタ周波数範囲にわたって第４の周波数変調レーザー検出サブシステムの放射を線形にスイープする工程であって、それによって、第４の高周波数範囲判定のビート信号を生成する、工程；および
低周波数のビート差分信号Ｂを生成するために結果として生じる２つの高周波数範囲判定のビート信号を電気的に混合する工程を含み；並びに
ここで第１の測定および第２の測定を使用する工程が、
低周波数のビート差分信号Ａおよび低周波数のビート差分信号Ｂの合計および差を使用する工程を含む、請求項２に記載のビート信号帯域幅圧縮方法。
【請求項７】
２つ以上の周波数変調レーザー距離測定システムが、遅延線を含む１つ以上の周波数変調レーザー距離測定システムを含む、請求項１に記載のビート信号帯域幅圧縮方法。
【請求項８】
低周波数のビート差分信号が、５００ＭＨｚ未満である、請求項１に記載のビート信号帯域幅圧縮方法。
【請求項９】
２つの高周波数範囲判定のビート信号が、５００ＭＨｚを超える、請求項１に記載のビート信号帯域幅圧縮方法。
【請求項１０】
ＬＩＤＡＲシステムであって、
２つ以上の周波数変調レーザー検出サブシステムを含み、その各々が、対象に対する高周波数範囲判定のビート周波数を同時に生成し、ここで２つ以上の別々の高周波数範囲判定のビート周波数が、１つ以上の低周波数のビート差分信号を生成するために電気的に混合され、ここで１つ以上の低周波数のビート差分信号が、対象までの距離を判定するために使用される、ＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１１】
各々の周波数変調レーザー検出サブシステムが、
ビームを放射する周波数変調レーザー源；
ビームを検出ビームおよび局部発振器ビームへと分割するためのスプリッター；
検出ビームを対象に配向するための光配向装置；
反射ビームを収集するコレクターであって、反射ビームが対象から反射された検出ビームの一部を含む、コレクター；
局部発振器ビームと反射されたビームを結合するコンバイナー；および
高周波数範囲判定のビート周波数を形成するために局部発振器ビームと反射されたビームの混合を検出する検出器を含む、請求項１０に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１２】
各々の周波数変調レーザー検出サブシステムが、同じコレクター、コンバイナー、および検出器を利用する、請求項１１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１３】
各々の周波数変調レーザー検出サブシステムが、同じコレクターを利用する、請求項１１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１４】
コレクターの後ろに位置付けられたサブシステムスプリッターをさらに含み、ここで反射されたビームが、それぞれの周波数変調レーザー検出サブシステムに基づいて分離される、請求項１３に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１５】
サブシステムスプリッターが放射波長フィルターを含む、請求項１４に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１６】
サブシステムスプリッターが偏光フィルターを含む、請求項１４に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願データ＞
本出願は、２０１５年６月２６日に出願の米国仮特許出願第６２／１８５０１４号の優先権を主張し、その主題は、その全体が引用によって組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本発明の態様および実施形態は、一般に範囲判定に適用される信号処理の分野に関し、より具体的には、高分解能レーザー測距のための装置、システム、および関連方法に関し、および最も具体的には、リアルタイムのビート周波数帯域幅圧縮に関係する方法および支持装置およびシステムに関する。
【０００３】
自動運転車の新しい開発、および建築上、地質調査上、および構造上の適用のための幾何学的形状（ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ）の取得とともに、１０−３００メートルの距離にわたる正確な深度マップを作成する性能がますます必要とされている。
【０００４】
安価な半導体レーザーダイオードを使用して、注入電流が具体的な方法で変調されるときにこれらのデバイスが受ける波長シフトを活用することによって、周波数変調パルス圧縮技術を使用する高分解能レーザー測距が達成され得る。「チャープ」としても知られている、結果として生じる波長／周波数シフトは、レーザーダイオードの基本波長まわりに集中した、何百ものＭＨｚから何百ものＧＨｚまでの広帯域周波数エクスカーションであり、これは何百ものＴＨｚでしばしば測定される。これらのレーザーダイオードが、デジタル通信モードにおいて何十ものＧＨｚでパルス化される（ｐｕｌｓｅｄ）ように設計されるため、周波数のこの変化は、数ナノ秒もの狭いパルスで達成され得る。
【０００５】
周波数「チャープ」を生成する技術がレーザーダイオードの波長シフトに依存するため、注入電流における小さな変化は、放射されたレーザーエネルギーの周波数エクスカーションの比較的大きな変化をもたらし得る。
【０００６】
線形周波数変調（ＬＦＭ）パルスの範囲精度が、周波数の変化に比例するため、周波数の大きな変化は、多くの測距適用（ｒａｎｇｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）に必要とされている。
【０００７】
簡易な線形ＦＭパルス圧縮の測距システムに対する距離分解能（２つの同時のターゲット間で区別する能力、または単一のターゲットの距離分解能）は、以下の方程式から得られ：
ｄＲ＝ｃ’／（２＊ｄＦ）                            （方程式１）
式中、［ｃ’］は空気中の光の速度であり、［ｄＦ］はＬＦＭパルスの帯域幅である。例えば、１メートルの距離分解能に関しては、わずか１５０ＭＨｚのｄＦが必要とされる。しかしながら、１センチメートルの距離分解能が望まれる場合、１５ＧＨｚのｄＦが必要とされる。リアルタイム取得に適した現代の測距システムは、１センチメートル未満の距離分解能を必要とし、さらに大きなｄＦを必要とする。
【０００８】
ＦＭパルス圧縮技術は、射出パルスの一部をターゲットから反射する光と相関させることを含み、その結果は、ターゲット間の往復遅延に比例するビート周波数を含み、これはターゲットまでの距離に比例する。
【０００９】
ビート周波数と距離との関連性は以下の通りであり：
ｂＦ＝（ｄＦ／ｄＴ）＊（２＊Ｄ／ｃ’）              （方程式２）
式中、［ｄＦ］はＬＦＭパルス内のチャープの周波数エクスカーションであり、［ｄＴ］はＬＦＭパルスの持続時間であり、［Ｄ］は反射源（ターゲット）までの距離であり、および［ｃ’］は空気中の光の速度である。
【００１０】
さらに、「ビート」の持続時間が、射出パルス間のインタラクション時間に加えて、反射されたエコーがシステムに戻るまでの時間に正比例しているため、さらに遠くのターゲットを測定するのに、より長い射出パルスを必要とし、これによってシステムのデータ／画素の取得速度は遅くなる。
Ｔｂ＝Ｔｐ−Ｔｅ；
Ｔｅ＝２Ｄ／ｃ’、
式中、Ｔｂはビート周波数持続時間であり、ＴｐはＬＦＭパルス幅であり、およびＴｅは、ターゲットから反射した信号がシステムに戻るまでの時間であり、これは単に、ターゲット間の距離（２Ｄ）を光の速度ｃ’で割ったものである。
【００１１】
上に記載された電流注入の変調方法を使用して短いｄＴにわたって比較的大きなｄＦを得ることが望ましく簡単であるが、ｄＦ／ｄＴが増大するにつれ、結果として生じるビート周波数帯域幅も増大する。
【００１２】
リアルタイムマッピングを含む測距適用、自動車用センシング適用、３Ｄビデオキャプチャーなどは、現在毎秒１００万画素を超える高画素レートを必要とする。画素レートがパルス時間（ｄＴ）に反比例するため、これらの適用は、Ｄにわたるビート周波数帯域幅の処理能力とｄＴとの境界内でｄＦ／ｄＴを最大限にしようとする。しかしながら、Ｄが増大すると、他のものすべてを保持しながら、ビート周波数帯域幅は線形に増大する。これは、ビート周波数を処理するのに必要とされるサンプリングシステムが、ナイキスト−シャノンの情報定理（Ｎｙｑｕｉｓｔ−Ｓｈａｎｎｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｅｍ）に従った測定されている最高周波数の少なくとも２倍速く作動する必要があるため、システム設計者にとって大きな障害となっている。したがって、数百ＭＨｚより著しく高いサンプリングビート周波数は、従来のサンプリングエレクトロニクスでは非実用的となり、非常に高価なアナログ−デジタルのサンプリングシステムを必要とする。例えば、単一の距離測定値を１ｃｍ以内に分解するためには、少なくとも１５ＧＨｚのｄＦが必要とされる。リアルタイムマッピング適用のために１秒以内の１００万のそのような測定値をもたらすことは、結果として、ビート周波数が方程式（２）によって１００ＭＨｚ／ｍ増大することにつながる。１０メートルまたはさらに遠くのターゲットは、結果として、＞１ＧＨｚのビート周波数をもたらし、これは、ビート周波数を正確に測定する且つしたがって距離を正確に判定するために、ナイキスト・サンプリング定理（Ｎｙｑｕｉｓｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｔｈｅｏｒｅｍ）にしたがって、少なくとも２ＧＨｚで作動するアナログ−デジタルのサンプリングシステムを必要とする。２ＧＨｚを超えるサンプリング周波数でのアナログ−デジタルのサンプリングシステムは、数千ドルのコストがかかり、非常に高価である。本開示内の議論のために、５００ＭＨｚ以上の周波数が「高」周波数であると考えられる。
【００１３】
この障害を認識すると、測距システムによって生成されたビート周波数を５００ＭＨｚ未満に減らすことが望ましい。開示された本発明は、遠距離の測定に起因する大きなビート周波数を減らすための方法および関連する装置を強調しており、それによって、それらは、距離分解能または距離に関する情報の損失なしで、安価な、既製のアナログ−デジタルのサンプリングシステムから容易に処理され得る。
【発明の概要】
【００１４】
本発明の態様は、ビート信号帯域幅圧縮のための方法である。該方法は、第１および少なくとも第２の周波数変調レーザー距離測定システムを提供する工程であって、第１および少なくとも第２の周波数変調レーザー距離測定システムが各々、対象に対する高周波数範囲判定のビート信号を生成する、工程；低周波数のビート差分信号を生成するために２つの高周波数範囲判定のビート信号を電気的に混合する工程を含み、ここで低周波数のビート差分信号は、対象までの距離を判定するために使用される。様々な典型的な限定しない態様によると、該方法はさらに、以下の工程、コンポーネント、アセンブリ、特徴、制限または特性の１つ以上を、単独で又は当業者が理解するであろう様々な組み合わせで含んでもよい：
−  第１のデルタタイムの間、第１のデルタ周波数範囲にわたって第１の周波数変調レーザー検出サブシステムからの放射を線形にスイープする工程；第２のデルタタイムの間、第２のデルタ周波数範囲にわたって第２の周波数変調レーザー検出サブシステムからの放射を線形にスイープする工程であって、第１のデルタタイムで割られた第１のデルタ周波数の第１の比率が、第２のデルタタイムで割られた第２のデルタ周波数範囲の第２の比率と等しくない、工程；
−  第１のデルタ周波数範囲は第１の中心周波数を中心に置いており；第２のデルタ周波数範囲は第２の中心周波数を中心に置いており；および第１の中心周波数および第２の中心周波数は異なり；
−  ここで、第１の周波数変調レーザー検出システムの放射周波数の範囲および第２の周波数変調レーザー検出システムの放射周波数の範囲が重複しないように、第１の中心周波数および第２の中心周波数は十分に分離され；
−  第１の比率および第２の比率は、測定されている距離に基づいて調節される；
−  該方法はさらに、第１の測定を実行する工程、第２の測定を実行する工程、および対象までの距離および対象の半径方向速度の両方を判定するために、第１の測定および第２の測定を使用する工程を含み；ここで、第１の測定を実行する工程は、第１のデルタタイムの間、第１のデルタ周波数範囲にわたって第１の周波数変調レーザー検出サブシステムの放射を線形にスイープする工程であって、それによって、第１の高周波数範囲判定のビート信号を生成する、工程；第２のデルタタイムの間、第２のデルタ周波数範囲にわたって第２の周波数変調レーザー検出サブシステムの放射を線形にスイープする工程であって、それによって、第２の高周波数範囲判定のビート信号を生成する、工程；低周波数のビート差分信号Ａを生成するために結果として生じる第１および第２の高周波数範囲判定のビート信号を電気的に混合する工程を含み；ここで、第２の測定を実行する工程は、第３のデルタタイムの間、第３のデルタ周波数範囲にわたって第３の周波数変調レーザー検出サブシステムの放射を線形にスイープする工程であって、それによって、第３の高周波数範囲判定のビート信号を生成する、工程；第４のデルタタイムの間、第４のデルタ周波数範囲にわたって第４の周波数変調レーザー検出サブシステムの放射を線形にスイープする工程であって、それによって、第４の高周波数範囲判定のビート信号を生成する、工程；低周波数のビート差分信号Ｂを生成するために結果として生じる２つの高周波数範囲判定のビート信号を電気的に混合する工程を含み；および、ここで、第１の測定および第２の測定を使用する工程は、低周波数のビート差分信号Ａおよび低周波数のビート差分信号Ｂの合計および差を使用する工程を含み；
−  ２つ以上の周波数変調レーザー距離測定システムは、遅延線を含む１つ以上の周波数変調レーザー距離測定システムを含み；
−  低周波数のビート差分信号は、５００ＭＨｚ未満であり；
−  ２つの高周波数範囲判定のビート信号は、５００ＭＨｚを超える。
【００１５】
本発明の態様はＬＩＤＡＲシステムである。典型的なＬＩＤＡＲシステムは、２つ以上の周波数変調レーザー検出サブシステムを含み、その各々は、対象に対する高周波数範囲判定のビート周波数を同時に生成し、ここで、２つ以上の別々の高周波数範囲判定のビート周波数は、１つ以上の低周波数のビート差分信号を生成するために電気的に混合され、ここで、１つ以上の低周波数のビート差分信号は、対象までの距離を判定するために使用される。様々な典型的な限定しない態様によると、ＬＩＤＡＲシステムはさらに、以下のコンポーネント、アセンブリ、特徴、制限または特性の１つ以上を、単独で又は当業者が理解するであろう様々な組み合わせで含んでもよい：
−  各々の周波数変調レーザー検出サブシステムは、ビームを放射する周波数変調レーザー源；ビームを検出ビームおよび局部発振器ビームへと分割するためのスプリッター；検出ビームを対象に配向するための光配向装置；反射ビームを収集するコレクターであって、反射ビームが対象から反射された検出ビームの一部を含む、コレクター；局部発振器ビームと反射されたビームを結合するコンバイナー；および高周波数範囲判定のビート周波数を形成するために局部発振器ビームと反射されたビームの混合を検出する検出器を含み；
−  ここで、各々の周波数変調レーザー検出サブシステムは、同じコレクター、コンバイナー、および検出器を利用し；
−  各々の周波数変調レーザー検出サブシステムは、同じコレクターを利用し；
−  ＬＩＤＡＲシステムはさらに、コレクターの後ろに位置付けられたサブシステムスプリッターを含み、ここで反射されたビームは、それぞれの周波数変調レーザー検出サブシステムに基づいて分離され；
−  ここで、サブシステムスプリッターは放射波長フィルターを含み；
−  サブシステムスプリッターは偏光フィルターを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の非限定の典型的な態様による、ｂＦ［２］［０．．ｎ］（上のライン）とｂＦ［１］［０．．ｎ］（真中のライン）の間の差が、２つのビート周波数ラインの差に比例した勾配でのｂＦ［２］［０．．ｎ］の帯域幅圧縮表示である、ｂＦ［２］’［０．．ｎ］（下のライン）である、具体化された本発明をグラフ式に例証する。
【図２】図２は、本発明の典型的な実施形態による２つの検出器システムを概略的に示す。
【図３】図３は、本発明の典型的な実施形態による単一の検出器システムを概略的に示す。
【図４】図４は、本発明の相対的な実例となる実施形態による、１つの検出器の実施形態に従った様々な電気信号と光信号の相互作用を概略的に／グラフ式に詳述する。
【図５】図５は、本発明の相対的な実例となる実施形態による、２つの検出器の実施形態に従った様々な電気信号と光信号の相互作用を概略的に／グラフ式に詳述する。
【図６】図６は、本発明の典型的な実施形態による複数のレーザー／検出器システムを概略的に示す。
【図７】図７は、本発明の実例となる実施形態による、距離に応じた結果として生じるビート周波数の観点からサブシステムの実例となる組み合わせを概略的に／グラフ式に示す。
【図８】図８は、本発明の典型的な実施形態による３つのビーム検出器システムを概略的に示す。
【図９】図９は、本発明の実例となる実施形態による、ビート周波数、ＬＦＭパルス幅、および飛行時間の間の関連性を例証する、チャープ周波数対時間のグラフである。
【図１０】図１０は、ターゲットとする本発明の実例となる実施形態による、遅延線の効果のある及びその効果のないターゲットまでの距離に応じたビート周波数のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜本発明の典型的な限定しない実施形態の詳述＞
本発明の実施形態は、ビート周波数帯域幅圧縮のための装置および方法に関する。
【００１８】
＜ビート周波数帯域幅の関連性＞
安価な半導体レーザーダイオードを使用して、注入電流が具体的な方法で変調されるときにこれらのデバイスが受ける波長シフトを活用することによって、周波数変調パルス圧縮技術を使用する高分解能レーザー測距が達成され得る。結果として生じる測距データを処理するために必要とされる帯域幅は、波長の変化およびターゲットまでの距離に比例し、パルス持続時間に反比例する。
【００１９】
レーザー測距に関する最近の適用は、しばしば、距離分解能と一緒に範囲を分解することができる距離を最大限にしようとし、これは広帯域変調を暗示しており；最近の適用はまた、より短い時間でより多くのデータを取得するためにパルス持続時間を最小限にしようとしている。これらの要件の組み合わせは、結果として、距離分解能およびパルス持続時間に左右される、数十メートルの範囲にわたって１０ＧＨｚを超過し得る、測距データを処理するための帯域幅要件の増加をもたらす。
【００２０】
結果として生じたそのような大きな帯域幅を処理することができる技術およびコンポーネントは複雑且つ高価である。本開示では、処理時間または資金の増加を必要としない、低コストのコンポーネントおよび簡易な技術を使用してリアルタイムでこの範囲データ帯域幅を圧縮する新しい方法を記載する。
【００２１】
安価な半導体レーザーダイオードを使用して、注入電流が具体的な方法で変調されるときにこれらのデバイスが受ける波長シフトを活用することによって、周波数変調パルス圧縮技術を使用する高分解能レーザー測距が達成され得る。結果として生じる波長シフトは、いかなる場所でも、しばしば何百ものＴＨｚで測定される、レーザーダイオードの基本波長のまわりに集中した何百ものＭＨｚから何百ものＧＨｚの潜在的に広帯域のＦＭチャープである。これらのレーザーダイオードが、デジタル通信モードにおいて数十のＧＨｚでパルス化されるように設計されるため、周波数のこの変化は、数ナノ秒もの狭いパルスで達成され得る。
【００２２】
ＬＦＭパルスの範囲精度が、周波数の変化に比例するため、周波数の大きな変化は、多くの測距適用に必要とされている。
【００２３】
簡易な線形ＦＭパルス圧縮の測距システムに対する距離分解能（２つの同時のターゲット間で区別する能力、または単一のターゲットの距離分解能）は、以下の方程式から得られ：
ｄＲ＝ｃ’／（２＊ｄＦ）
式中、［ｃ’］は空気中の光の速度であり、［ｄＦ］はＬＦＭパルスの帯域幅である。例えば、１メートルの距離分解能に関しては、わずか１５０ＭＨｚのｄＦが必要とされる。しかしながら、１センチメートルの距離分解能が望まれる場合、１５ＧＨｚのｄＦが必要とされる。リアルタイム取得に適した最近の測距システムは、１センチメートル未満の距離分解能を必要とし、さらに大きなｄＦを必要とする。
【００２４】
ＦＭパルス圧縮技術は、射出パルスの一部をターゲットから反射する光と相関させることを含み、その結果は、ターゲット間の往復遅延に比例するビート周波数を含み、これはターゲットまでの距離に比例する。
【００２５】
ビート周波数と距離との関連性は以下の通りであり：
Ｆｂ＝（ｄＦ／ｄＴ）＊（２＊Ｄ／ｃ’）
式中、［ｄＦ］＝ＬＦＭパルスの帯域幅であり、［ｄＴ］はＬＦＭパルスの持続時間であり、［Ｄ］は反射源までの距離であり、および［ｃ’］は空気中の光の速度である。
【００２６】
上に記載された電流注入の変調方法を使用して短いｄＴにわたって比較的大きなｄＦを得ることが望ましく簡単であるが、ｄＦ／ｄＴが増大するにつれ、結果として生じるビート周波数帯域幅も増大する。
【００２７】
リアルタイムマッピングを含む測距適用、自動車用センシング適用、３Ｄビデオキャプチャーなどは、現在毎秒１００万画素を超える高画素レートを必要とする。画素レートがパルス時間（ｄＴ）に反比例するため、これらの適用は、Ｄにわたるビート周波数帯域幅の処理能力とｄＴとの境界内でｄＦ／ｄＴを最大限にしようとする。
【００２８】
Ｄが増大すると、他の者すべてを保持しながら、ビート周波数帯域幅は線形に増大する。
【００２９】
上に記載されるようなＬＦＭパルス圧縮システムのビート周波数は、測定距離ＤおよびｄＦ／ｄＴの比率に比例するため、ＤおよびｄＴを一定に保持するが、ｄＦ単独を変化させることで、ｄＦのみに比例するビート周波数が生成されることになる、すなわち、一定のｄＴに対してｄＦ［１］＜ｄＦ［２］を変化させることで、与えられたＤに対するより低いｂＦが生成されることになる。さらにＤ［０．．ｎ］および固定のｄＴの固定範囲に関して、ｂＦ［１］［０．．ｎ］はすべて、ｂＦ［２］［０．．ｎ］より低くなり、ここでｂＦ［１］はｄＦ［１］に対応するビート周波数であり、ｂＦ［２］はｄＦ［２］に対応するビート周波数である。最終的に、図１に例証されるように、距離分解能がｄＦに比例するため、ｂＦ［１］［０．．ｎ］をつなぐラインの勾配は、ｂＦ［２］［０．．ｎ］をつなぐラインの勾配より低くなる。ｂＦ［２］［０．．ｎ］（上のライン）とｂＦ［１］［０．．ｎ］（真中のライン）の間の差は、２つのビート周波数ラインの差に比例した勾配でのｂＦ［２］［０．．ｎ］の帯域幅圧縮表示である、ｂＦ［２］’［０．．ｎ］（下のライン）である。
【００３０】
本明細書には、与えられたターゲットに対する２つ以上のビート周波数を同時に取得し、具体化されたビート周波数帯域幅圧縮を達成するためのヘテロダイン法でこれらのビート周波数を使用する方法が開示される。
【００３１】
半導体レーザーは、中心波長のまわりの狭帯域でコヒーレント光を放射する。電気通信適用のために設計された、大量生産された、安価なレーザーダイオードの使用における共通波長は、１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍを含む。多くの他の中心波長を使用することができ、具体化された本発明はこのパラメーターに左右されない。
【００３２】
ビームスプリッターおよびミラーを含む光学コンポーネントを使用して異なる波長のレーザーを結合することが可能であり、異なる波長のレーザー光が、互いに破壊的に干渉しないため、２つ以上のそのような光源を、同じターゲットに同時に配向することができる。
【００３３】
２つ以上の異なる中心波長のレーザーダイオードを含むシステムもまた、複数の光検出器を装備してもよく、その１つは各レーザーダイオードに対するものであり、ここで、各検出器の前に光学フィルターが先行し、それにより、中心波長の１つのみが検出器に達することが可能となる。したがって、各レーザーダイオードは、別々にではあるが同時に変調され得、ターゲットからの反射は、すべてが他のものから干渉されることなく、異なる検出器によって同時に検出され得る。
【００３４】
したがって、例として、ｄＦ［１］での１３１０ｎｍのレーザーからの光は、ｄＦ［２］での１５５０ｎｍのレーザーからの光と同一直線上で（ｉｎ ａ ｃｏｌｌｉｎｅａｒ ｆａｓｈｉｏｎ）結合することができ、ここでは、上に記載されるようにｄＦ［１］＜ｄＦ［２］である。ｄＦ［１］およびｄＦ［２］の両方は、同一時間間隔ｄＴにわたってＦＭパルス圧縮技術を使用して変調され、距離ＤでターゲットＴの方へと同時に放射される。結果として生じるビート周波数ｂＦ［１］およびｂＦ［２］は、ｄＦ［１］／ｄＦ［２］に比例して異なる。ビート周波数は、Ｓｉ、Ｇｅ、またはＩｎＧａＳのフォトダイオードなどの、光検出器の出力として生成された電気的振動である。ｂＦ［１］およびｂＦ［２］は、ＲＦミキサーにおいて結合され、これによって、結果として、出力としてのｂＦ［２］−ｂＦ［１］およびｂＦ［２］＋ｂＦ［１］がもたらされることになる。適切なＬＰＦ後に、ｂＦ［２］−ｂＦ［１］のみが残り、ｄＦ［１］での１３１０ｎｍのレーザーが、ｄＦ［２］での１５５０ｎｍのレーザーからのｂＦ［２］をミックスダウン（ｍｉｘ ｄｏｗｎ）するために、使用されてきたことがわかる。明らかに、その後、この技術が、Ｄにおいて大きな範囲のターゲットをサンプリングしているシステムにおいて使用される場合、結果として生じるビート周波数帯域幅は、ｄＦ［１］／ｄＦ［２］に比例して低減される。
【００３５】
後に一次周波数変調チャープレーザービートにヘテロダイン効果を生み出すために使用されるビートを生成するための１つ以上の周波数変調チャープレーザーの使用は、望ましい一次的な測距データの分解なしで、必要に応じて測距システムにおいて回避される（ｂｙｐａｓｓｅｄ）か又はそうでなければ無効にされることが可能であるはずである。さらに、一次的な測距レーザーが（例えばｄＦ／ｄＴで）駆動される方法と、１つ以上の二次的なレーザーがどのように駆動されるかとの間の関連性は、可変的であるはずである。例えば、勾配の低下が原因で、与えられたｄＦ／ｄＴに対する距離分解能によって与えられるような距離でインクリメント（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔｓ）に対応する個別のビート周波数間のより少ない分離を示す圧縮測距データを歪曲するノイズの存在下で、上に記載されたビート周波数帯域幅圧縮方法の制限が生じる可能性がある。したがって、距離分解能が（例えば、最高分解能が望ましい近くのターゲットに対して）不十分であることをシステムが検知する場合、ｄＦ［１］とｄＦ［２］の関連性は、ｂＦ［２］’の勾配を増大させ、それ故、望ましい分解能を可能にするように調節することができる。これは、継続的に可変的なプロセス、Ｄの関数、または他の操作パターンであり得る。
【００３６】
模範的な２つの検出器システムおよび関連方法の実施形態
図２において例示されるような、２つの検出器システム（２００）および関連方法の実施形態において、第１のレーザー（１００）はコヒーレントビーム（１０１）を生成する。コヒーレントビーム（１０１）は、ビームスプリッターコンポーネント（１０２）に衝突し、それによって、第１の局部発振器ビーム（１０４）および第１の検出ビーム（１０８）を生成する。並列のサブシステムは、コヒーレントビーム（１１１）を生成する第２のレーザー（１１０）を含む。コヒーレントビーム（１０１）および（１１１）は、波長の範囲にわたって、時間内に変調される、すなわちチャープされる波長を有する。コヒーレントビーム（１１１）はビームスプリッターコンポーネント（１１２）に衝突し、それによって、第２の局部発振器ビーム（１１４）および第２の検出ビーム（１１８）を生成する。第１の検出ビーム（１０８）が継続してスプリッター（１０５）を通り抜ける一方で、第２の検出ビーム（１１８）は、ミラー（１１５）に反射し、スプリッター（１０５）で第１の検出ビーム（１０８）と結合することで、結合検出ビーム（１２６）を形成する。
【００３７】
示されていないが、光学設計の当業者に対して一般的なコンポーネントである付加的な偏光子および四分の一波長板は、第１の局部発振器ビーム（１０４）および第２の局部発振器ビーム（１１４）とそれぞれの検出器表面で結合したときに、２つの光源が混合し電気的なビート信号（１０９）および（１１９）を生成するような方法で、第１の検出ビーム（１０８）および第２の検出ビーム（１１８）を結合するために使用される。２つの光源が検出器表面で混合するために、各光源の偏光は整列、またはほぼ整列していなければならない。議論の目的である、対象（１５０）までの距離測定のための装置の基準点は、スプリッター（１０５）において検出ビーム（１０８）および（１１８）が結合する位置である。ビームを結合検出ビーム（１２６）へと結合する目的は、装置から、同じ時間における同じ対象上の同じスポットまでの距離を、同時に測定することである。
【００３８】
結合検出ビーム（１２６）は、スポット（１５１）で対象（１５０）に投射される。スポット（１５１）において、結合検出ビーム（１２６）は、対象（１５０）の左側（図面における）まで、露出された半球体にわたって、拡散して反射される。検出器（１０３）および（１１３）に到達する反射光の一部は、反射光（１３０）によって示される。
【００３９】
図２に描かれているように、第１のレーザー源（１００）から対象（１５０）までの経路長と、第２のレーザー源（１１０）から対象（１５０）までの経路長との間に、小さな差が存在する。同様に、対象（１５０）から検出器（１０３）までの経路長と、対象（１５０）から検出器（１１３）までの経路長との間に、小さな差が存在する。そのような小さな差は、装置の校正の要因となりうる。
【００４０】
コヒーレントビーム（１０１）および（１１１）は、それらが時間内に変調される（チャープされる）波長を有するという点で類似しているが；それぞれの中心波長は相違する。それらの中心波長が相違するので、第１の検出ビーム（１０８）および第２の検出ビーム（１１８）から生じた結合検出ビーム（１２６）のスペクトルの一部のみが、それぞれ反射されたビーム（１３０）を介して検出器（１０３）および（１１３）に衝突するように、検出器（１０３）および（１１３）にわたって、フィルター（１０７）および（１１７）は、それぞれ配置することができる。その後、光混合は、コヒーレント光のみが第１のレーザー（１００）から生じつつ検出器（１０３）上で起こり；その後、同様に、光混合は、コヒーレント光のみが第２のレーザー（１１０）から生じつつ検出器（１１３）上で起こる。
【００４１】
一例として、コヒーレントビーム（１０１）は、１３０８ｎｍが中心の波長の範囲にわたって変調される波長を発することができたが、コヒーレントビーム（１１１）は、１３１０ｎｍが中心の波長の範囲にわたって変調される波長を発することができた。波長のはるかに大きい分離を有する別の例として、コヒーレントビーム（１０１）は、１３１０ｎｍが中心の波長の範囲にわたって変調される波長を発することができたが、コヒーレントビーム（１１１）は、１５５０ｎｍが中心の波長の範囲にわたって変調される波長を発することができた。波長中心の間の分離は、各検出器の直前のフィルター処理（フィルター（１０７）、（１１７））を容易にする。
【００４２】
検出器（１０３）および（１１３）上における光混合の結果として、それぞれの電気的なビート信号（１０９）と（１１９）が生じる。各ビート信号は、高周波のビート周波数を備えるコンポーネントを有する。これらのビート周波数の値から、装置と対象（１５０）との間の距離が判定されうる。
【００４３】
高周波のビート信号を距離測定値へと処理するために、ビート信号（１０９）および（１１９）は、ビート差分信号（１３１）を生成するためにミキサー（１２０）において電気的に混合される。一例として、ビート信号（１０９）は、１０ＧＨｚほどのビート周波数を有する成分を含んでもよく、およびビート信号（１１９）は、およそ５％低い、すなわち９．５ＧＨｚのビート周波数を有する成分を含んでもよい。２つのビート信号を混合することによって、ビート差分信号（１３１）は、好都合に著しくより低い５００ＭＨｚの周波数成分を結果として生じさせ、５００ＭＨｚは、１０ＧＨｚと９．５ＧＨｚの差であり、ビート差周波数（ｂｅａｔ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）と呼ばれる。
【００４４】
ミキサー（１２０）においてビート信号（１０９）およびビート信号（１１９）を混合した後に、ビート差分信号（１３１）は、ビート差周波数よりも高い様々な周波数を有する周波数成分を含み、それらは具体化された発明に対して重要ではない値の周波数である。これらのより高い周波数は、低域フィルター（ＬＰＦ）（１６０）を使用して、図２に示されるようにフィルター処理することができる。フィルター処理された信号（１６１）から、周波数測定ブロック（１６２）は、フィルター処理されたビート差周波数の周波数を含む周波数情報（１６３）を判定し、周波数情報（１６３）は装置と対象（１５０）との間の距離の指標となる。
【００４５】
回路設計の当業者に対して、フィルター処理されたビート差分信号（１６１）内でビート差周波数を判定するために使用することができる様々な技術があることは、一般に公知である。例えば、フィルター処理されたビート差分信号（１６１）は、アナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）回路を用いてサンプリングされ、その後、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行するようにデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）において処理されうる。代替的に、信号は、位相同期回路（ＰＬＬ）アーキテクチャへと供給されてもよく、内部電圧制御発振器上の制御電圧は、周波数の尺度としてサンプリングされる。一般的に、検出器からの電気信号に基づく周波数を混合すること、フィルター処理すること、および判定することに関係する信号処理は、信号処理ブロック（１７０）と呼ばれるだろう。
【００４６】
制御装置（１８０）は、周波数情報（１６３）を受信し、第１のレーザー（１００）および第２のレーザー（１１０）の波長を変調する際に使用される設定と一緒に、対象（１５０）までの距離を判定する（方程式（２）を参照）。
【００４７】
模範的な１つの検出器システムおよび関連方法の実施形態
図３に例示されるように、別のシステムと関連方法の実施形態は図２に詳述されるような１対の検出器の代わりに単一の検出器を利用する。図３はそのような単一の検出器システム（３００）を示す。この例の実施形態において、結合検出ビーム（１２６）は、上記される２つの検出器の実施形態と同じ方法で形成される。コヒーレントビーム（１０１）および（１１１）は、波長の範囲にわたって時間内に変調される（チャープされる）波長を有するが、それぞれの中心波長は相違する。さらに、それらの中心波長は、それぞれのチャープ帯域幅が重複しないように十分に相違する。
【００４８】
システム／方法（３００）がシステム／方法（２００）と相違し始めるときは、局部発振器ビームの処理中である。第１の局部発振器ビーム（１０４）は、これまで通りスプリッター（１０２）において分割され、検出器（３０３）に向けられるが、スプリッター（３１２）においてコヒーレントビーム（１１１）から分割された第２の局部発振器ビーム（３０４）は、ここで検出器（３０３）に向けられる。
【００４９】
第１の局部発振器ビーム（１０４）、および第２の局部発振器ビーム（３０４）は、検出器（３０３）の表面において対象の反射光（１３０）と混合する。反射光（１３０）が、コヒーレントビーム（１０１）およびコヒーレントビーム（１１１）の異なる周波数部分を含んでいるので、４つの光学信号は検出器（３０３）の表面において混合されるが；コヒーレントビーム（１０１）および（１１１）の中心波長が十分に相違するため、ビート周波数を判定する範囲を生成する初期の混合プロセスは影響を受けない。コヒーレントビーム（１０１）およびコヒーレントビーム（１１１）から生じる光が相互に作用するところで、より高周波数成分が生成されるが；これらは電気的にフィルター処理されうる第２のミキシング効果である。また、２つの検出器の実施形態中の場合でのように、波長フィルターが検出器（３０３）に光学的に先行しないことに注意すること。中心波長の分離が範囲判定ビート周波数を生成するために周波数の必要な偏析を提供する必要ないが；一般に、検出器（１０３）、（１１３）および（３０３）は、受光面の面積よりも大きい面積にわたって光を収集するために、受光面に先行する光学的性質を有してもよい。
【００５０】
図４は、例となる１つの検出器の実施形態に従う様々な電気信号および光学信号の相互作用を詳述する。図５は、比較対象として、２つの検出器の実施形態に従う様々な電気信号および光学信号の相互作用を詳述する。図４の縦軸は任意のユニットにおいて振幅である。水平軸は頻度である。信号をオーバーラップさせないようにするために各信号は垂直に分離される。各信号は信号（４００）から信号（４０４）までの一般的な表示を用いて列挙される。
【００５１】
信号（４００）は、振幅  対  コヒーレントビーム（１０１）の周波数を示す。チャープ成分（４１０）は、コヒーレントビーム（１０１）が時間内に変調される波長の範囲に相当する周波数の範囲を示す。中心周波数（４１１）は、波長の範囲の中心に相当する。同様に、シグナル（４０１）は、振幅  対  コヒーレントビーム（１１１）の周波数を示す。チャープ成分（４２０）は、コヒーレントビーム（１１１）が時間内に変調される波長の範囲に相当する周波数の範囲を示す。中心周波数（４２１）は、波長の範囲の中心に相当する。
【００５２】
１つの検知器の場合の混合プロセスへ進む前に、２つの検知器の場合の混合プロセスをレビューすることが一助となり、１つのレーザーからの光学信号だけが任意の１つの検出器上で混合する。図５を参照して、図４のように、信号（４００）および（４０１）は、それぞれ、コヒーレントビーム（１０１）およびコヒーレントビーム（１１１）の振幅  対  周波数を示す。２つの検出器の実施形態において、第１の局部発振器ビーム（１０４）および反射光（１３０）が検出器（１０３）で混合するとき、信号（５０２）が結果として生じる。信号（５０２）は、図２のビート信号（１０９）である。第１の局部発振器ビーム（１０４）内のチャープ成分（４１０）が、反射光（１３０）内のチャープ成分（４１０）と混合するとき、ビート周波数（５１２）が結果として生じる。より高い周波数成分も生成されるが、電気システムはそれらを分解することができない。
【００５３】
２つの検出器の実施形態において、第２の局部発振器ビーム（１１４）および反射光（１３０）が検出器（１１３）で混合するとき、信号（５０３）が結果として生じる。信号（５０３）は、図２のビート信号（１１９）である。局部発振器ビーム（１１４）内のチャープ成分（４２０）が、反射光（１３０）内のチャープ成分（４２０）と混合するとき、ビート周波数（５２２）が結果として生じる。
【００５４】
２つの検出器の実施形態（図２および５）において、ビート信号（１０９）およびビート信号（１１９）がミキサー（１２０）によって混合されるとき、ビート差分信号（１３１）が結果として生じる。信号（５０４）は、信号を低域フィルターに通した後に、ビート差分信号（１３１）を例示する。混合プロセスのために、当業者は、結果として生じる周波数の合計および差を推測する。ビート差周波数（５３２）は、ビート周波数（５１２）とビート周波数（５２２）との間の差である。周波数（５４２）は、ビート周波数（５１２）およびビート周波数（５２２）の合計である。低域フィルター処理は、ビート周波数（５３２）成分を、後の周波数測定ための信号の最有力な成分にするために実行される。
【００５５】
単一の検出器の実施形態（図３および４）において、前に示されたように、４つの信号が検出器（３０３）の表面で混合し：それらの信号は、第１の局部発振器ビーム（１０４）、第２の局部発振器ビーム（３１４）、ならびに反射光（１３０）内のコヒーレントビーム（１０１）およびコヒーレントビーム（１１１）の成分である。コヒーレント（１０１）およびコヒーレントビーム（１１１）の中心波長が十分に相違するため、ビート周波数を判定する範囲を生成する初期の混合プロセスは影響されない。ビート周波数（４１２）およびビート周波数（４２２）は、検出器（３０３）における光混合に起因し、信号（４０２）中に示される。ビート周波数（４１２）は、ビート周波数（５１２）（図５）と同じ値である。ビート信号（４２２）は、ビート周波数（５２２）（図５）と同じ値である。
【００５６】
図３に示されるように、検出器（３０３）から出力されたビート信号（３０９）はミキサー（１２０）内でそれ自体と混合される。ビート差分信号（１３１）が結果として生じ、一般的に信号（４０３）によって図４内で例示される。ビート差（４３２）は、１つの検出器の実施形態において結果として生じ、２つの検出器の実施形態におけるビート差周波数（５３２）と同じ周波数で生じる。ビート周波数の合計の集まりは、（４５１）によって示されるように生じる。周波数（４５１）は、図４中の信号（４０４）内の（４３２）としても示される、フィルター処理されたビート差分信号（１６１）を結果としてもたらすＬＰＦ（１６０）に続く信号処理において生じる低域フィルター処理によってフィルター処理される。
【００５７】
フィルター処理されたビート差分信号（１６１）内のビート差周波数（４３２）は、周波数測定ブロック（１６２）によって判定され、それによって、装置と対象（１５０）との間の距離の基準である周波数情報（１６３）を生成する。
【００５８】
模範的な複数の検出器システムおよび関連方法の実施形態
１つおよび２つの検出器の実施形態を考慮すると、レーザーおよび検出器の様々な他の組み合わせが可能であることが明らかであるに違いない。図６に示されるように、２つを超えるレーザーからの放射は、１つの結合ビーム（６２６）へと結合されうる。レーザー（６０１）、（６０２）および（６０３）からの放射は、光学アセンブリ（６０５）を使用して、結合ビーム（６２６）へと結合される。一般化されたスプリッター（６０６）は光検知器（６１１）、（６１２）および（６１３）において、後の光混合のための局部発振器ビームの集まり（ｌｏｃａｌ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）（６０７）を分割するために使用される。また、スポット（１５１）に反射する光（６３０）から、対象（１５０）までの距離を測定するために使用される検出ビーム（６２６）は、スプリッター（６０６）から分割される。反射光（６３０）は、検出器（６１１）、（６１２）および（６２３）の全てに衝突し、以下の例を含む複数の状況に対応する様々な方法において処理されうる：
１）短距離および中距離の測定、
２）類似の分解能だが異なる持続時間における中距離および遠距離の測定
３）様々な分解能における中距離および遠距離の測定；および、
４）距離と速度のより高速な同時測定。
【００５９】
短距離測定に関して、ビート信号帯域幅圧縮の方法は、結果として生じるビート周波数が、処理する、すなわち、ビート周波数の周波数を判定するためには十分に低いので、必要ではない可能性があるが；当業者は、対象までの距離を先験的に知っているとは限らない。このような理由で、複数の状況を同時に対応するための１つのシステムへと複数のレーザー測距サブシステムを結合することが有利である可能性がある。
【００６０】
短距離の測定および中距離の測定をカバーするように設計された一実施形態において、レーザー（６０１）および検出器（６１１）は、短距離の測定のために設計されうる一方、レーザー（６０２）および（６０３）、ならびに検出器（６１２）および（６１３）は、中距離の測定のために設計されうる。短距離の測定は、単一のレーザー、一般的な周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）距離測定技術を使用する単一の検出器を用いて対応されうる一方、中距離の測定は、ビート周波数帯域幅圧縮技術を使用して、デュアルレーザー、二重検出器の構成を用いて対応されうる。
【００６１】
短距離の測定および中距離の測定に対応するよう設計された実施形態に従って、図７は、距離の関数として、結果として生じるビート周波数の観点からサブシステムの例の組み合わせを示す。レーザー（６０１）は、周波数範囲ｄｆ１、およびビート周波数応答（７０５）を生み出す期間ｄＴにわたって変調されうる。信号処理電子機器が最大周波数（７０１）よりも大きいビート周波数を処理することができないと考えると、距離（７０８）を測定することのみ可能であった。媒体距離に関して、レーザー（６０２）およびレーザー（６０３）は、それぞれ、周波数範囲ｄＦ２および周波数範囲ｄＦ３にわたって変調されうる。レーザー（６０２）および（６０３）は、レーザー（６０１）が変調されるのと同じ期間ｄＴにわたって、それぞれの周波数範囲にわたり変調されうる。この方法で変調されたとき、ビート周波数応答（７１５）および（７１６）が結果として生じる。ビート周波数帯域幅圧縮方法を使用して、ビート周波数における差は、測定されうる距離（７１８）を最終的に制限するものである。距離（７１８）においては、ビート差周波数（７１７）は最大周波数（７０１）と同等である。
【００６２】
短距離の測定および中距離の測定に対応するように設計されたこの実施形態において、変調時間が同じであり、周波数範囲のみが相違するため、短距離の測定および中距離の測定の分解能は相違するだろう。分解能方程式がしめすように（方程式（１）を参照）、分解能は変調の周波数範囲に対して反比例する。したがって、この例となる実施形態において、中距離の測定値は短距離の測定よりも低い分解能を有するだろう。これはそうである必要はないが、トレードオフの関係が常に存在する。もし分解能がほぼ同等ならば、中距離の測定値は距離とともにより急勾配な、ビート周波数応答を有していただろう。ある点においては、２つのビート信号を混合するために使用されるミキサーが、最大混合周波数として図７に一般的に示されるように、処理することができる距離を制限する可能性がある。
【００６３】
中距離および遠距離の測定を適応するように設計される別の実施形態において、測定は様々な距離ではあるが、分解能方程式によって判定されるような同等な分解能で実行することができる。図６に示されるシステムが検討されるが、２つの付加的なレーザーおよび２つの付加的な検出器を備えるシステムを検討する。付加的なレーザーが、レーザー（６０２）および（６０３）が変調されるとともに、同じ周波数範囲ｄＦ２および周波数範囲ｄＦ３にわたって変調される場合、結果として生じる距離測定の分解能は、同じになるだろう。距離のより広い範囲を適応するために、２つの付加的なレーザーは、レーザー（６０２）および（６０３）と同じ周波数範囲だが、２倍の時間ｄＴにわたって変調されるだろう。ビート周波数応答（７２５）および（７２６）は、それぞれの局部発振器ビームの混合、および検出器上のターゲットからの、結合された反射ビームに起因するだろう。
【００６４】
ビート差周波数（７２７）は、距離（７２８）まで最大周波数（７０１）に到達しないだろう。さらに、この構成は、距離（７２８）が、距離（７１８）が測定されるのと同じ分解能で測定されることを可能にするだろう。
【００６５】
強調される要点は、複数のレーザーおよび複数の検出器を用いて、１つは短距離、中距離、および長距離の測定を同時に実行することができるということである。測定が短距離の測定であると判明すれば、単一のレーザーの、単一の検出器のサブシステムは、最も正確に距離が分かるだろう。測定が中距離の測定であると判明すれば、中距離および長距離のサブシステムの両方は、距離（７１８）を判定するが、前者は、その時間の半分で測定を実行するだろう。中距離においては、単一のレーザーの、単一の検出器のサブシステムは、距離（７１８）を測定するのに失敗するだろう。測定が長距離の測定であると判明すれば、長距離のサブシステムのみが、距離（７２８）を測定することができるだろう。
【００６６】
より長い範囲の測定を実行する２倍の時間をとるが、より短距離の測定に対して同等な分解能では、特定のアプリケーションに対するオプションではない可能性がある。中距離および遠距離の測定を適応するように設計された先の実施形態に対する代替的な実施形態において、変調時間ｄＴは、全ての距離測定サブシステムと同等に維持され、ｄＦの値のみ変更される。図７に示されるようなビート周波数応答の同一のセットが、結果として生じることができた。唯一の相違点は、各応答のより低い傾斜がより低い分解能の測定に対応している、すなわち、より長い範囲の測定がより低い分解能を有するということだろう。
【００６７】
別の実施形態において、対象までの距離、およびレーザー源に関する対象の半径方向速度の両方が、同時に判定されうる。典型的には、対象の半径方向速度は、２つのレーザーの変調、すなわち１つは時間とともに増大する波長（すなわち、アップチャープ）を有するもの、および１つは時間とともに低下する波長（すなわち、ダウンチャープ）を有するレーザー変調を使用して判定される。代替的に、アップチャープおよびダウンチャープは単一の三角波へと結合されうる。対象の半径方向速度に関連するドップラーシフトのために、増大する波長変調および低下する波長変調から生じるビート周波数は相違するだろう。それは周知である、ビート周波数における相違点は、半径方向速度の基準である一方、ビート周波数の平均は、ターゲットまでの距離の基準である。２つのレーザーおよび２つの検出器を活用することによって、１つのレーザー検出器ペアは、時間とともに増大する波長変調のために構成されうる一方、他のレーザー検出器ペアは、時間とともに低下する波長変調のために構成されうる。２つのレーザーの中心波長を分離し、各検出器にわたって適切なフィルターを配置することによって、２つのサブシステムが相互に作用するのを防止することができ、さらにサブシステムが、結合されている時に、対象の距離および半径方向速度の両方を判定する成分を同時に測定することが可能になる。効果的に、距離および速度の両方は、単一のレーザー、および単一パルスウィンドウにおいて結合されるアップチャープおよびダウンチャープ波形を使用するが、付加的なレーザー（複数可）および検出器（複数可）の追加された複雑性を有する単一の検出器のシステムのように同時に測定されうる。
【００６８】
ＬＦＭ技術を使用して距離の測定を実行する際に、レーザー源は典型的に、チャープ期間、およびチャープ帯域幅ｄＦにわたって、波長／周波数において直線的にチャープされる。連続的なチャープの間の検出器における混合の相互作用を防止するために、レーザーが止められる付加的な期間を導入することができる。他の方法は、連続的なパルスの間の相互作用を防止する可能性がある。
【００６９】
本明細書に記載されるシステムおよび方法は、改善された分解能および速度、ならびにビート周波数を判定する範囲を判定するのに使用される電子機器内に必要な減少した電気的複雑性を備えた、対象までの距離を判定する強化された方法を提供する。本明細書にこれまで記載されてきたものすべては、装置内の基準点と、その外の空間内のある点との間における測定である。装置から遠ざかる１つの直線の経路に沿う距離を判定することは有益であるが、視野にわたって分散された点のグリッドまでの距離を判定することができるほど有益ではない。視野にわたって検出ビームをスキャンすることを達成することが必要なスキャン装置は、出願番号が１４／７５３，９３７および１４／７４７，８３２であり、「Ｐｏｒｔａｂｌｅ  Ｐａｎｏｒａｍｉｃ  Ｌａｓｅｒ  Ｍａｐｐｉｎｇ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題される、同時係争中の出願に記載されている。
【００７０】
局部発振器ビーム（１０４）および（１１４）は、様々な技術、すなわち自由空間または光ファイバーを使用する検出器に対して送ることができる。図２、３および６は自遊空間光通信を示唆するが；別の実施形態においては、局部発振器ビームおよび検出ビームの両方に対するビーム送達の手段として、光ファイバーが使用されうる。例えば、ファイバー接続されたレーザーは、局部発振器ビームおよび検出ビームを形成するために、融合した波、またはエバネッセント波の１ｘ２光ファイバースプリッターを用いて使用することができる。その後、ファイバーを持つ局部発振器は、２ｘ２光ファイバーコンバイナーの１つの入力レッグ（ｉｎｐｕｔ  ｌｅｇ）に接続されうるが、検出ビームを持つファイバーが３つのポートの光ファイバーサーキュレーターのポート１に接続される。サーキュレーターのポート２は、２ｘ２光ファイバーコンバイナーの第２のレッグへと接続される場合、ターゲット対象上へと検出ビームを向ける望遠鏡式の画像処理システムに接続され、同時にターゲットからの検出ビームの反射された一部を収集し、サーキュレーターのポート３へとこの反射光を向ける。２ｘ２光ファイバーコンバイナーは、接続された光検出器の表面上へと局部発振器ビームおよび反射された検出ビームを同時に送達し、そこで、ビート周波数において２つの信号の光混合が結果として生じる。多くの方法において、このことが、１つ以上の検出器までの１つ以上の局部発振器ビームの送達を容易にする。さらに、より長い範囲の測定を可能にするために分割する光学素子と検出器との間に光ファイバケーブルの遅延長さを組み込むこともできた。
【００７１】
回路設計の当業者は、付加的なコンポーネントが、ビート差分信号のビート差周波数を判定するために、ビート信号の信号処理に必要である可能性があることを認識するだろう。具体的には、低雑音増幅器（ＬＮＡ）がミキサーの検出器と各レッグとの間に必要である可能性がある。付加的なコンポーネントは、信号処理ブロック内に記載される関数を達成するために必要である可能性があるが；それらは当業者にとって公知だろう。
【００７２】
図２、３および６で示される信号処理ブロックにおいて、混合プロセスを避けるために付加的なスイッチを含むように選択してもよい。実際、混合プロセスを避けることは、当業者が、単一のビート周波数が距離の判定のための単一のビート信号内で判定される標準ＦＭＣＷ距離測定技術を使用して、光学信号を処理することを可能にするだろう。
【００７３】
２つの検出器の実施形態において、フィルターは検出器上に配置される。これらのフィルターは、単一のレーザー源からの成分のみが各検出器上で混合するように、光学信号を分離する。波長分離ではなくむしろ偏光を使用して、光学信号を分離することが可能である。さらに、１つの検出器のみが使用されるとき、偏光を使用して光学信号をさらに分離することが可能である。
【００７４】
偏光を活用する１つ、または２つの検出器の実施形態において、各レーザー源は同じか、相違する中心波長とともにチャープされうる。レーザー源放射を検出ビームへと結合する前に、２つの光源の放射は直角に偏光されるべきである。検出器にわたって対応する偏光識別光学素子を配置することによって、対応するレーザー源から生じる放射のみが各検出器へ到達するだろう。
【００７５】
偏光を活用する１つの検出器の実施形態において、各レーザー源は同じか、相違する中心波長とともにチャープされうる。偏光を活用する２つの検知器ケースと同様に、検出ビームへとレーザー源放射を結合する前に、２つの光源の放射は互いに対して直角に偏光されるべきである。検出器の受光面において自然に起こる光混合処理を考慮して、同じ偏光を備えたそれらの光学成分のみが効率的に混合し；したがって、各光源が他方に対して９０度偏光したため、対応するレーザー源から生じる放射のみが検出器表面で混合するだろう。
【００７６】
ビート周波数と、ＬＦＭパルス幅と、反射エコーのための飛行時間との関係は、チャープ周波数  対  時間のグラフ（９００）を使用して、図９で詳述される。線（９０１）は、射出チャープの周波数  対  時間を示す。このチャープのための中心波長がおよそ１３１０ｎｍである場合、対応する中心周波数は、およそ（２２９）のテラサイクル／秒（ＴＨｚ）になるだろう。約２２９ＴＨｚのチャープの周波数エクスカーションは、例えば、１５ＧＨｚでありうる。
【００７７】
反射されたチャープ信号は、時間（９０３）内で、すなわち反射信号がターゲットに向かいそしてシステムに戻るまでの時間Ｔｅ内でシフトされることを除いて、線（９０１）と同等な線（９０２）によって図９において表わされる。時間（９０４）、すなわちＴｂは、ビート周波数が生成される持続時間である。時間（９０５）、すなわちＴｐは、ＬＦＭパルス幅である。
【００７８】
ビート信号を抽出し、それによってターゲットまでの距離を判定する信号処理は、時間（９０４）の間に行われるに違いない。当業者は、距離が増大するにつれて（すなわち、反射光のための移動時間が長くなるほど）、結果として生じるビート周波数（９０６）がより高くなることを、図９で直感的に理解することができる。さらに、当業者は、移動時間が長いほど、結果として生じたビート信号を信号処理しなければならない時間がより短くなる（時間（９０４）、すなわちＴｂ）ことも理解しうる。
【００７９】
高い比率において、および自動車用途における長い距離にわたって、システムがデータを得ることができることは望ましく、そのようなセンサが、衝突防止または自立制御のために使用されてもよい。具体化された発明は、方法を開示することによって、単一システムが近距離および遠距離の両方において、ターゲットを同時にスキャンすることができる。射出パルスの持続時間を伸ばすか増大させる代わりに、システムはセットアップを使用し、それによって射出ビームが３つの光路へと分割される。
【００８０】
大多数のレーザーエネルギーは、検出ビームとして１つの経路に沿ってターゲットに向かって伝達される。レーザーエネルギーのごく一部は、近くのターゲットからの射出レーザパルスから転換されたレーザーエネルギーと、反射光との間の混合または相互相関が、第１のビート周波数を生成するために発生するように、第１の局部発振器ビームのための第１のＰＩＮ光検出器へ転換される。時間内に遅らせられる第２の局部発振器ビームを形成するために、第２の光路におけるそれにとって大きさの内に類似しているレーザーエネルギーの別のごく一部は、所定長さの光ファイバケーブルなどの光遅延線によって、第２のＰＩＮ光検出器へ伝達される、混合の前の第１の局部発振器ビームが、第２のＰＩＮ光検出器の表面上の反射されたエコー信号とともに発生する。
【００８１】
そのようなシステムの一例は図８で示され、装置（８００）によって一般的に示される。レーザー（１００）は、スプリッター（１０２）において最初に分割される放射（１０１）を出力し、放射のほとんどがビーム（１０８）のまま存続し、そして残りの部分は第１の局部発振器ビーム（１０４）へと転換され、第一の検出器（８０３）へ方向づけられる。ビーム（１０８）はスプリッター（８０５）において再度分割され、放射のほとんどが検出ビーム（８２６）のまま存続し、そして残りの部分は第２の局部発振器ビーム（８１４）へ転換される。第２の局部発振器ビーム（８１４）を、例として、以下の３つの光学コンポーネントから構成される遅延線（８３０）を使用して、故意に遅延させる：第２の局部発振器を光ファイバーへと焦点を合わせるレンズ（８２７）、局部発振器信号を遅延させる光ファイバケーブル（８２８）、および遅延された第２の局部発振器信号を第２の検出器（８１３）へ送る射出レンズ（８２９）。光ファイバケーブル（８２８）は、例えば、ターゲットまでの距離５０ｍに対応し、１００ｍの遅延と同等である、３３０ナノセカンドの所定距離を移動する光に必要である往復時間と同等な時間によって、第２の局部発振器ビームを遅らせるように設計されている。光学設計の当業者は、ファイバーの長さが必要となるように設計することにおいて、当業者が光ファイバケーブル媒体の屈折率を考慮する必要があることを認識するだろう。
【００８２】
検出ビーム（８２６）は、点（１５１）において対象（１５０）として表わされるターゲットに衝突し、元の検出ビームよりも拡散した方式で反射光（１３０）として反射する。このような理由で、反射光（１３０）は第１の検出器（８０３）および第２の検出器（８１３）の両方に衝突するだろう。各検出器においては、それぞれの局部発振器ビームが、光学的に反射光（１３０）と混合し、それによって、第１のビート信号（８０９）および第２のビート信号（８１９）を生成するだろう。
【００８３】
ビート継続時間Ｔｂの観点から、光遅延線の追加は、第３の光路に沿うレーザー光線が第１の光路に沿う光よりも第２の検出器を到達ことにより長くかかるので、射出パルス持続時間を伸ばすようなビート継続時間を増大させることに類似の効果がある。このことは、エコー信号と、射出レーザパルスの一部との間で混合が発生する時間を実際に遅らせる。光遅延線の長さを正確に調節することによって、この効果的な混合時間遅延は、検出器が光遅延線を備えない検出器と同様に、一定距離を離れて超えてターゲットを観察するように設定されうる。例えば、１００ｍの同等な遅延を有して、５０−１００ｍ間のターゲットは、あたかもそれらが半径５０ｍ以内に存在するかのように、ビート周波数を生成するだろう。このように、システムは、射出レーザパルス持続時間を修正する必要なしに、近距離および遠距離の両方において、ターゲットを同時に「見る（ｓｅｅ）」ために作成されうる。
【００８４】
第１および第２のビート信号のビート周波数成分は、グラフ（１０００）によって図１０で詳述され、そのグラフは、遅延線の効果を備えるおよび備えないターゲットまでの距離の関数として結果として生じるビート周波数のグラフである。線（１００１）は、ターゲットまでの距離の関数としてビート信号（８０９）を備えないビート周波数成分である。５０ｍを超えると、結果として生じるビート周波数が５ＧＨｚを超過することに注意すること。ある周波数レベル、例えば周波数レベル（１００２）においては、ビート信号からビート周波数を抽出するような信号処理電子機器の設計は、法外なほど困難または高価となるだろう。さらに、５０ｍでは、例となる１μｓｅｃのチャープ持続時間の０．６６μｓｅｃのみが、ビート周波数を備えたビート信号を生成するということに注意すること。時間内に、ビート信号が生成されるこの減少は、問題ではない可能性があるが；システムは、より高速な測定のためにますます短いチャープ持続時間を用いて設計されるにつれて、このことが、最終的に測定速度の増大を制限する。
【００８５】
１００ｍ（往復５０ｍ）と同等な例となる光学的な遅延を加えることによって、双線形ライン（ｂｉｌｉｎｅａｒ  ｌｉｎｅ）（１００３）によって示されるような第２のビート信号（８１９）内にビート周波数が生成される。０から５０ｍまでは、遅延された第２の局部発振器ビームが到達する前に、反射光はほとんど検出器に到達する。第２のビート信号（８１９）は、５０ｍ水準まで低下する高いビート周波数成分を有し、５０ｍの水準で、反射光は局部発振器ビームが到達する同じ時間に到達する。それ以来、ビート周波数が再び増大すると、それはあたかも０−５０ｍの測定が実行されているかのようである。
【００８６】
第２の検出器に光学的遅延を加える付加的で有益な副作用は、発生したビート周波数の帯域幅が、安価な既製の測距機（ＲＦ）およびサンプリング電気コンポーネントを用いて測定されるほど十分に低いことである。両方の検出器のためのビート周波数帯域幅は、各光路のための別個の信号処理回路を有する代わりに、単一信号処理フロントエンドが使用されうるように、同様であるように作られうる。
【００８７】
光学設計の当業者は、遅延線（８３０）は、同様なタスクを達成するために、様々な他のコンポーネントを用いて完成されうることを認識するだろう。いかなるコンポーネントが使用されても、局部発振器ビームは計画的な量だけ遅延されるに違いない。
【００８８】
ビート信号帯域幅圧縮方法は、ビート周波数を判定する必要のある帯域幅を減らす。測定されている対象までの距離が増大するにつれて、この方法はますます必要になる。同様に、遅延線を使用する拡張範囲の方法は、長距離の測定のための帯域幅圧縮も提供し；さらに、拡張範囲の方法は、ビート周波数が生成され、それによって測定のための信号対雑音比を改善する、ビート信号持続時間を増大させる。２つの方法を共に結合することで、信号処理帯域幅要件を減少し、信号対雑音比を改善することにより測定されうる距離を、さらに拡張できる。提示された方法およびシステムから、これは、ビート信号帯域幅圧縮サブシステムおよび拡張範囲サブシステムを、１つの遠距離測定システムへと結合する単純な拡張である。要するに、模範的な多重検知器システムにおいて、拡張範囲の方法に従う付加的な検出器、局部発振器ビームの分割、遅延線、および信号処理を加えることにより、ビート信号帯域幅圧縮を拡張範囲の方法を用いて、一つのシステムへと結合することができた。
【００８９】
記載された実施形態のすべてにおいて、偏光子、四分の一波長板、レンズ、偏光するビームスプリッター、および偏光しないビームスプリッターなどの付加的な光学コンポーネントが、設計を完成させるのに必要である可能性があるが；これらのコンポーネントは、光学設計の当業者に対して有名である。さらに、同様な機能を完成させる多くの代替案がある。結局は、光学的な放射は、それらが１つ以上の検出器の受光面上で、記載されるように混合することができるように、適切に開始する偏光を用いて検出ビームへと結合される必要がある。直前の検出器の受光面、偏光子などの付加的な光学コンポーネント、四分の一波長板、ビームスプリッター、およびレンズは、設計を完成させるのに必要である可能性がある。結局は、光学的に混合する必要のある光学的な放射は、同様か、ほとんど類似の偏光を有しなければならない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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