(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信器、受信器、光学混合器、およびプロセッサを含む光による検知と測距（ＬＩＤＡＲ）システムであって、ここで：
前記送信器は、コードに基づいてレーザーからのレーザー信号を変調することによって生成された位相符号化信号を送信するように構成され、
前記受信器は、前記位相符号化信号の送信に応じて、帰還信号を受信するように構成され、
前記光学混合器は、電気信号を生成するために、前記帰還信号を、前記レーザー信号に基づいて生成された基準信号と混合するように構成され、
前記プロセッサは：
前記電気信号の第１の成分と前記電気信号の第２の成分との間の交差スペクトルを判定し；
前記交差スペクトルのピークに基づいて、前記帰還信号のドップラー周波数シフトを判定し；および、
前記ドップラー周波数シフトに基づいて車両を操作する；ことを行うように構成される、
ＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２】
前記電気信号を生成するために、混合の結果としての混合信号を検知するように構成される光検知器をさらに含む、
請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項３】
前記帰還信号を前記基準信号と混合することにおいて、前記光学混合器は、第１の信号および第２の信号を生成するために、前記帰還信号を前記基準信号と混合するようにさらに構成され、  
前記光検知器は第１の検知器および第２の検知器を含み、
前記混合信号を検知することにおいて、前記第１の検知器は、第１の電気信号を生成するために前記第１の信号を検知するように構成され、および、前記第２の検知器は、第２の電気信号を生成するために前記第２の信号を検知するように構成され、ならびに、
前記交差スペクトルを判定することにおいて、前記プロセッサは、前記第１の電気信号と前記第２の電気信号との間の前記交差スペクトルを判定するように構成される、
請求項２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項４】
ディスプレイ装置をさらに含み、ここで、前記プロセッサは、送信された前記位相符号化信号によって照らされた複数のスポットにある少なくとも１つの物体のドップラー補正位置を示す画像を前記ディスプレイ装置に提示するようにさらに構成される、
請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項５】
ディスプレイ装置をさらに含み、ここで、移動物体が、静止物体と不在物体から識別されるように、送信された前記位相符号化信号によって照らされた複数のスポットにおけるドップラー周波数シフトのサイズを示す画像を前記ディスプレイ装置に提示するようにさらに構成される、
請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項６】
請求項１−５のいずれか１つに記載のＬＩＤＡＲシステムを使用する方法であって、前記方法は：
コードに基づいてレーザーからのレーザー信号を変調することによって生成される位相符号化信号を送信する工程と；
前記位相符号化信号の送信に応じて、帰還信号を受信する工程と；
電気信号を生成するために、前記帰還信号を、前記レーザー信号に基づいて生成される基準信号と混合する工程と；
前記電気信号の第１の成分と前記電気信号の第２の成分との間の交差スペクトルを判定する工程と；
前記交差スペクトルのピークに基づいて、前記帰還信号のドップラー周波数シフトを判定する工程と；
前記ドップラー周波数シフトに基づいて車両を操作する工程と；を含む、
方法。
【請求項７】
前記コードは位相符号化無線周波数信号に関する位相の配列を示す、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
位相符号化無線周波数信号の第１のフーリエ変換を判定する工程と；
前記電気信号の第２のフーリエ変換を判定する工程と；
前記第２のフーリエ変換および前記ドップラー周波数シフトに基づいて第３のフーリエ変換を判定する工程と；
前記第１のフーリエ変換および前記第３のフーリエ変換に基づいて相互相関を判定する工程と；
前記相互相関の第１のピークのタイムラグに基づいて第１の距離を判定する工程と；
前記第１の距離に基づいて車両を操作する工程と；をさらに含む、
請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記帰還信号を前記基準信号と混合する工程は：
前記電気信号を生成するために、混合の結果としての混合信号を検知することを含み、ここで、前記電気信号を生成するために前記混合信号を検知することは、対応する複数の位相符号化信号の送信に応じて受信された複数の帰還信号に対する、光検知器からの平均出力を、前記光検知器の出力から引くことによって、前記電気信号を生成することを含む、
請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記帰還信号を前記基準信号と混合する工程は、第１の信号および第２の信号を生成するために、前記帰還信号を前記基準信号と混合することをさらに含み、
前記混合信号を検知することは、第１の電気信号を生成するために前記第１の信号を検知すること、および、第２の電気信号を生成するために前記第２の信号を検知することを含み、ならびに、
前記交差スペクトルを判定することは、前記第１の電気信号と前記第２の電気信号との間の前記交差スペクトルを判定することを含む、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記帰還信号を前記基準信号と混合する工程は、第１の帰還信号と前記基準信号の和である第１の信号、前記第１の帰還信号と前記基準信号との差である第２の信号、前記第２の信号と前記基準信号の和である第３の信号、前記第２の信号と前記基準信号の差である第４の信号を生成することを含み、
前記第１の電気信号を生成するために前記第１の信号を検知することは、前記第１の信号および前記第２の信号を検知することを含み、ならびに
前記第２の電気信号を生成するために前記第２の信号を検知することは、前記第３の信号および前記第４の信号を検知することをさらに含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
送信された前記位相符号化信号によって照らされた複数のスポットにある少なくとも１つの物体のドップラー補正位置；あるいは、
移動物体が、静止物体と不在物体から識別されるように、送信された前記位相符号化信号によって照らされた複数のスポットにおけるドップラー周波数シフトの値；を示す画像を、ディスプレイ装置に提示する工程をさらに含む、
請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
送信された前記位相符号化信号によって照らされた複数のスポットにおけるドップラー補正位置の点群に基づいて、少なくとも１つの物体を識別するデータを前記車両に通信することをさらに含む、
請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
前記帰還信号の前記ドップラー周波数シフトを判定する工程は、前記交差スペクトルにおけるピークに基づいて前記帰還信号の前記ドップラー周波数シフトを判定することを含み；および、
前記交差スペクトルに基づいて前記ドップラー周波数シフトを判定する工程は、前記交差スペクトルの虚数部のピークに基づいて前記ドップラー周波数シフトを判定することを含む、
請求項６に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１−５のいずれか１つに記載されるＬＩＤＡＲシステムを含む自律車両制御システムであって、前記システムは１つ以上のプロセッサを含み、前記１つ以上のプロセッサは：
位相符号化信号を生成するために、コードに基づいてレーザーからのレーザー信号を変調し；
前記レーザー信号に基づいて基準信号を生成し；
前記基準信号を、前記位相符号化信号の送信に応じて受信された帰還信号と混合することによって、電気信号を生成し；
前記電気信号の第１の成分と前記電気信号の第２の成分との間の交差スペクトルを判定し；
前記交差スペクトルのピークに基づいて前記帰還信号のドップラー周波数シフトを判定し；ならびに、
前記ドップラー周波数シフトに基づいて車両を操作する；ことを行うように構成される、
自律車両制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願への相互参照＞
本出願は、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）のもと、２０１７年２月３日に出願された米国特許出願第１５／４２３，９７８号の利益を主張し、その内容の全体が、本明細書に完全に明記されているかのように参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
光検知測距のための、しばしばニーモニック、ＬＩＤＡＲと呼ばれる、レーザーを使用する距離の光学検知は、高度測定から画像化、衡突防止までの様々な用途に使用される。ＬＩＤＡＲは、レーダー（ＲＡＤＡＲ）等の、従来のマイクロ波測距システムよりも小さな光線サイズで、より細かい縮尺距離分解能を提供する。光検知測距は、いくつかの異なる技術を用いて行うことができ、これには、物体までの光パルスの往復旅行時間に基づいた直接測距、送信されたチャープ光信号と物体からの散乱された帰還信号との間の周波数差に基づいたチャープ検知、および自然信号から区別可能な信号周波数位相変化の配列に基づいた位相符号化検知が含まれる。
【０００３】
許容域の精度と検知感度を達成するために、長距離ＬＩＤＡＲシステムは、低いパルス反復率と非常に高いパルスピーク電力を有する短いパルスレーザーを使用する。高いパルス電力は、光学要素の急速な劣化をもたらし得る。チャープされた位相符号化ＬＩＤＡＲシステムは、比較的低いピークの光出力を伴う長い光パルスを使用する。この構成では、距離精度は、パルス持続時間ではなくチャープバンド幅または位相コードの長さと共に増加し、したがって優れた距離精度を依然として得ることができる。
【０００４】
有用な光学チャープバンド幅は、光搬送を調節するために広帯域の無線周波数（ＲＦ）電気信号を使用して達成される。チャープＬＩＤＡＲにおける最近の進歩は、基準信号と帰還光信号との間の周波数または位相の違いに比例する、ＲＦバンドでの比較的低いうなり周波数で生じる電気信号を生成するために、光検知器において帰還信号と混合される基準信号としての、同じ調節された光搬送の使用を含む。検知器における周波数差のこの種のうなり周波数検波は、ヘテロダイン検波と呼ばれる。これは、即時かつ安価に利用可能なＲＦコンポーネントを使用するという利点等の、当技術分野で既知のいくつかの利点を有する。特許第７，７４２，１５２号に記載された最近の研究は、本明細書で使用される用語と一致しない用語を別にすれば、本明細書に完全に明記されているかのごとくその全内容が参照により本明細書に組み込まれ、基準光信号、つまり送信光信号から分割された光信号として使用する光学要素の新規でより単純な構成を示す。この構成は、該特許においてホモダイン検波と呼ばれる。
【０００５】
光搬送上で調節された位相符号化マイクロ波信号を用いたＬＩＤＡＲ検知もまた、使用されてきた。ここで、バンド幅Ｂは、各位相（Ｂ＝１／τ）を運ぶパルスの持続時間の逆数に比例し、任意の位相符号化信号は多くの数のそのようなパルスから構成される。この技術は、帰還信号における特定の周波数の位相（または位相変化）の配列を、送信信号のそれと相関させることに依存する。相関におけるピークに関係した時間遅延は、媒体における光速度による距離に関係する。距離分解能は、パルス幅τに比例する。この技術の利点として、より少ないコンポーネントの必要、および位相符号化マイクロ波と光通信のために開発された大量生産ハードウェアコンポーネントの使用があげられる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明者らは、物体までの距離が光学位相符号化を使用して検知され、該物体の動きが、ドップラー周波数シフトゆえにそのような用途に顕著に影響を与えるという状況と用途を認識している。物体の速度を判定するためにドップラー効果を検知し、次にそのような光学位相符号化から距離測定におけるドップラー効果を補償するための技術が提供される。
【０００７】
実施形態の第１のセットにおいて、方法は、位相符号化無線周波数信号に関する位相の配列を指示する符号をプロセッサにおいて判定する工程と、位相符号化無線周波数信号の第１のフーリエ変換を判定する工程を含む。該方法はさらに、位相符号化光信号を生成するために符号に基づいてレーザーからの光信号を調節する工程と、位相符号化光信号を送信する工程を含む。さらに、該方法は、位相符号化光信号の送信に応じて、帰還光信号を受信する工程と、レーザーからの光信号に基づいて帰還光信号を基準光信号と混合する工程を含む。またさらに、該方法は、電気信号を生成するために光検知器において混合光信号を検知する工程を含む。さらに加えて、該方法は、電気信号の同相分と電気信号の直角分との間の交差スペクトルをプロセッサにおいて判定する工程、交差スペクトルのピークに基づいて、帰還光信号のドップラー周波数シフトを判定する工程を含む。またさらに、該方法は、ドップラー周波数シフトに基づいてデバイス（例えば、車両）を操作する工程を含む。
【０００８】
第１のセットのいくつかの実施形態では、帰還光信号を基準光信号と混合する工程は、同相光信号と直角光信号を生成するために、帰還光信号を基準光信号と混合する工程を含む。さらに、光検知器で混合光信号を検知する工程は、第一の電気信号を生成するために第１の検知器で同相光信号を検知し、および第２の電気信号を生成するために第２の光検知器で直角光信号を検知する工程を含む。さらに、交差スペクトルを判定する工程は、第１の電気信号と第２の電気信号との間の交差スペクトルを判定する工程を含む。
【０００９】
これらの実施形態のいくつかでは、同相光信号と直角光信号を生成するために帰還光信号を基準光信号と混合する工程は、同相の帰還光信号と基準信号の和である第１の光信号、同相の帰還光信号と基準信号の差である第２の光信号、直角の帰還光信号と基準信号の和である第３の光信号、直角の帰還光信号と基準信号の差である第４の光信号を生成するために、帰還光信号を基準光信号と混合する工程を含む。これらの実施形態では、第１の電気信号を生成するために第１の検知器で同相光信号を検知する工程は、第１の検知器で第１の光信号と第２の光信号を検知する工程を含む。さらにこれらの実施形態では、第２の電気信号を生成するために第２の光検知器で直角光信号を検知する工程は、第２の光検知器で第３および第４の光信号を検知する工程を含む。
【００１０】
第１のセットのいくつかの実施形態では、該方法はまた、電気信号の第２のフーリエ変換をプロセッサにおいて判定する工程、および第２のフーリエ変換とドップラー周波数シフトに基づいて第３のフーリエ変換を判定する工程を含む。またさらに該方法は、第１のフーリエ変換と第３のフーリエ変換に基づいて、プロセッサにおいて相互相関を判定する工程、および相互相関における第１のピークのタイムラグに基づいて第１の距離を判定する工程を含む。これらの実施形態では、ドップラー周波数シフトに基づいたデバイス（例えば、車両）の操作は、第１の距離に基づいて上記デバイスを操作する工程を含む。
【００１１】
他の実施形態において、システムまたは装置またはコンピュータ可読媒体は、上記の方法の１つ以上の工程を行うように構成される。
【００１２】
さらに他の態様、特徴、および利点は、本発明を実行するために熟考された最良の様式を含む、多くの特定の実施形態および実装を単に例示することによって、以下の詳細な説明から容易に明らかになる。他の実施形態もまた、他の異なる特徴と利点が可能であり、およびそのいくつかの詳細は、すべてが本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な明確な点で変更が可能である。したがって、図面と説明は、本質的に例示であるとみなされ、限定とは見なされない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
同様の参照符号が類似の要素を指す添付図面の図において、例として、および限定としてではなく、実施形態が例示される。
【図１Ａ】一実施形態に係る、距離測定のための送信された光学位相符号化信号の例を例示する概略的なグラフである。
【図１Ｂ】一実施形態に係る、距離測定のための帰還光信号と共に、一連の２進数字として図１Ａの送信信号の例を例示する概略的なグラフである。
【図１Ｃ】一実施形態に係る、２つの帰還信号との基準信号の相互相関の例を例示する概略的なグラフである。
【図１Ｄ】一実施形態に係る、基準信号のスペクトルの例と、ドップラーシフト帰還信号のスペクトルの例を例示する概略的なグラフである。
【図１Ｅ】一実施形態に係る、ドップラーシフト帰還信号の位相成分の交差スペクトルの例を例示する概略的なグラフである。
【図２】一実施形態に係る、高分解能ＬＩＤＡＲシステムのコンポーネントの例を例示するブロック図である。
【図３Ａ】一実施形態に係る、位相符号化ＬＩＤＡＲシステムのコンポーネントの例を例示するブロック図である。
【図３Ｂ】一実施形態に係る、ドップラー補償位相符号化ＬＩＤＡＲシステムのコンポーネントの例を例示するブロック図である。
【図４】一実施形態に係る、距離に対するドップラー効果に関して判定と補償を行うための、ドップラー補償位相符号化ＬＩＤＡＲシステムを使用する方法の例を例示するフローチャートである。
【図５Ａ】一実施形態に係る、有意なドップラーシフトを導入しない実質的に静止した物体のための光検知器により出力された、同相と直角の電気的増幅の例を例示するグラフである。
【図５Ｂ】一実施形態に係る、有意なドップラーシフトを導入する移動物体のための光検知器により出力された、同相と直角の電気的増幅の例を例示するグラフである。
【図６Ａ】一実施形態に係る、有意なドップラーシフトを導入しない、実質的に静止した物体に関する帰還信号の同相分と直角分の交差スペクトルの例を例示するグラフである。
【図６Ｂ】一実施形態に係る、有意なドップラーシフトを導入しない、実質的に静止した物体に関する帰還信号の同相分と直角分の交差スペクトルの例を例示するグラフである。
【図６Ｃ】一実施形態に係る、有意なドップラーシフトを導入しない、移動物体に関する帰還信号の同相分と直角分の交差スペクトルの例を例示するグラフである。
【図７Ａ】一実施形態に係る、送信信号のいくつかのブロックに対して平均していない、実質的に静止した物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）のトレースの例を例示するグラフである。
【図７Ｂ】一実施形態に係る、送信信号のいくつかのブロックに対して平均していない、実質的に静止した物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）のトレースの例を例示するグラフである。
【図７Ｃ】一実施形態に係る、送信信号のいくつかのブロックに対して平均した、実質的に静止した物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）のトレースの例を例示するグラフである。
【図７Ｄ】一実施形態に係る、送信信号のいくつかのブロックに対して平均した、実質的に静止した物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）のトレースの例を例示するグラフである。
【図８Ａ】一実施形態に係る、ドップラー補償を伴う、移動物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）のトレースの例を例示するグラフである。
【図８Ｂ】一実施形態に係る、ドップラー補償を伴う、移動物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）のトレースの例を例示するグラフである。
【図９Ａ】一実施形態に係る、同相光信号と直角光信号へ分離されない混合光信号に基づいたドップラー補償で、移動物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）のトレースの例を例示するグラフである。
【図９Ｂ】一実施形態に係る、同相光信号と直角光信号へ分離される混合光信号に基づいたドップラー補償で、移動物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）の上位トレースの例を例示するグラフである。
【図１０】一実施形態に係る、容易に識別されるドップラー効果を示すための、ドップラーアンビギュイティスペースの例を例示するグラフである。
【図１１】一実施形態に係る、内部光からの帰還を取り除くための多地点平均化の例を例示するブロック図である。
【図１２Ａ】一実施形態に係る、内部光からの帰還を取り除くための補正の前と後の距離信号の例を例示するグラフである。
【図１２Ｂ】一実施形態に係る、内部光からの帰還を取り除くための補正の前と後の距離信号の例を例示するグラフである。
【図１２Ｃ】一実施形態に係る、内部光からの帰還を取り除くための補正の前と後の距離信号の例を例示するグラフである。
【図１２Ｄ】一実施形態に係る、内部光からの帰還を取り除くための補正の前と後の距離信号の例を例示するグラフである。
【図１３】一実施形態に係る、成功裡に処理された多数の異なるドップラーシフトを伴う多数の距離帰還の例を例示する画像である。
【図１４】本発明の実施形態が実施され得るコンピュータシステムを例示するブロック図である。
【図１５】本発明の実施形態が実装され得るチップセットを例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
方法と装置とシステムとコンピュータ可読媒体が、光学位相符号化距離検知のドップラー補正に関して記載される。以下の記載では、説明目的で、本発明の徹底的な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が明記される。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細なしで実施され得ることは、当業者に明白となる。他の事例では、本発明を不必要に不明瞭化しないように、周知の構造およびデバイスがブロック図の形態で示される。
【００１５】
広い範囲を明記する数値の範囲およびパラメータが近似値であるにもかかわらず、具体的な非限定的例において明記された数値は、可能な限り正確に報告される。しかしながら数値は、本明細書の執筆時点でそれぞれの試験測定値に見られた標準偏差に必然的に起因する特定の誤差を本質的に含んでいる。さらに、文脈から明白でない限り、本明細書に示される数値は、最下位の数字によって与えられる暗黙の精度を有する。したがって値１．１は、１．０５〜１．１５の値を意味する。用語「約」は、所与の値を中心としてより広い範囲を指すために使用され、文脈から明白でない限り、最下位の数字付近のより広い範囲を意味し、「約１．１」は１．０〜１．２の範囲を意味する等である。最下位の数字が明確でない場合、用語「約」は、２倍を意味し、例えば「約Ｘ」は０．５Ｘ〜２Ｘの範囲の値を意味し、例えば約１００は５０〜２００の範囲の値を意味する。さらに、本明細書に開示される範囲はすべて、包含される任意のおよびすべての部分範囲を含むことが理解されるべきである。例えば、「１０未満」の範囲は、最小値０と最大値１０の間の（およびそれらを含む）、すなわち０以上の最小値および１０以下の最大値、例えば１〜４を有する任意のおよびすべての部分範囲を含むことができる。
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態は、光信号上で調節された無線周波数の２進法（９０度）位相符号化の文脈で以下に記載される；しかし、実施形態はこの文脈に限定されない。他の実施形態において、他の位相符号化は、異なる位相差（例えば３０、６０または１８０度）または３つ以上の異なる位相での符号化を用いて使用される。実施形態は、単一の検知器または対になった検知器での単一の光線とその帰還の文脈で記載され、他の実施形態では、次に任意の既知の走査手段、リニアステッピングまたは回転式の光学要素、または送信器のアレイまたは検知器のアレイまたは複数対の検知器等を使用して走査され得る。
【００１７】
＜１．位相符号化検知の概略＞
図１Ａは、一実施形態に係る、距離測定のための送信された光学位相符号化信号の例を例示する概略的なグラフ（１１０）である。横軸（１１２）は、０の開始時刻から任意の単位で時間を示す。左の縦軸（１１４ａ）は、任意の単位で送信信号中の電力を示す；および右の縦軸（１１４ｂ）は、任意の単位で送信信号の位相を示す。最も単純に位相符号化ＬＩＤＡＲの技術を例示するために、２進法の位相符号化が実証される。トレース（１１５）は、左の軸（１１４ａ）に関連する電力を示し、送信信号中で一定であり、および送信信号外で０まで落ちる。点状のトレース（１１６）は、持続波信号に関連する信号の位相を示す。
【００１８】
以上のように、トレースは、送信信号の部分のための搬送（位相＝０）と同相にあり、次に短期間の間Δφ（位相＝Δφ）だけ変化し、省略符号（１１７）によって示されるように送信信号上で繰り返し２つの位相間で切り替わる。一定位相の最短の間隔はパルス持続時間τと呼ばれる符号化のパラメータであり、典型的にはバンドにおける最低の周波数のいくつかの期間の持続時間である。逆数、１／τはボーレートであり、各ボーはシンボルを示す。送信信号の時間中のそのような一定の位相パルスの数Ｎは、シンボルの数Ｎであり、符号化の長さを表す。２進法の符号化には二相値があり、および最短の間隔の位相は、１つの値に関して０、および他の値に対して１と見なすことができ、したがってシンボルは１ビットであり、ボーレートはビットレートと呼ばれる。多相符号化には、多数の位相値がある。例えば、Δφ＊｛０、１、２および３｝等の４位相値、これはΔφ＝π／２（９０度）に関しては、｛０、π／２、πおよび３π／２｝とそれぞれ同等であり；したがって、４位相値は、それぞれ０、１、２、３を表すことができる。この例では、各シンボルは２ビットであり、ビットレートはボーレートの２倍である。
【００１９】
位相偏移キーイング（ＰＳＫ）は、図１Ａに例示されるように、基準信号（搬送波）の位相を変更（調節）することによってデータを運ぶデジタル変調スキームを指す。変調は、正確な時点でサインとコサインの入力を変えることによって刻み込まれる。無線周波数（ＲＦ）において、ＰＳＫは、無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ＲＦ識別（ＲＦＩＤ）、およびブルートゥース通信に広く使用される。代替的に、一定の基準波に関して動作する代わりに、伝達はそれ自体に関して動作することができる。単一の送信波形の位相における変化は、シンボルと見なすことができる。このシステムでは、デモジュレータは、（基準波に関する）位相自体ではなく受信信号の位相における変化を判定する。このスキームは連続位相間の違いに左右されるため、差動位相偏移変調（ＤＰＳＫ）と名付けられる。デモジュレータは、受信信号の正確な位相を判定するために基準信号のコピーを有する必要がないため（非コヒーレントスキーム）、ＤＰＳＫは、通常のＰＳＫよりもかなり単純に実施することができる。
【００２０】
光学測距の用途では、搬送周波数は光周波数ｆＣであり、およびＲＦ ｆ０は光搬送上で調節される。数Ｎと持続時間τのシンボルは、望ましい距離精度と分解能を達成するために選択される。シンボルのパターンは、符号化された信号と雑音の他の源から識別可能なように選択される。したがって、送信信号と帰還信号との間の強い相関は、反射または後方散乱された信号の強い徴候である。送信信号は、シンボルの１つ以上のブロックから構成され、各ブロックは、雑音が存在する状態でさえ、反射または後方散乱された帰還との強い相関を提供するのに十分に長い。以下の論考では、ＭとＮが負の整数でない場合、送信信号は、１つのブロック当たりのＮシンボルのＭブロックから構成されると仮定される。
【００２１】
図１Ｂは、一実施形態に係る、距離測定のための帰還光信号と共に、一連の２進数字として図１Ａの送信信号の例を例示する概略的なグラフ（１２０）である。横軸（１２２）は、任意の単位で０の開始時刻後の時間を示す。縦軸（１２４ａ）は、０に対して任意の単位で周波数ｆｃ＋ｆ０での光送信信号の振幅を示す。縦軸（１２４ｂ）は、０に対して任意の単位で周波数ｆｃ＋ｆ０での光帰還信号の振幅を示し、トレースを分離するために軸（１２４ａ）からオフセットされる。トレース（１２５）は、０００１１０１０から始まり、省略符号によって示されるように続くコードを生成するために図１Ａに示される位相変化を伴う、Ｍ＊Ｎの２進法シンボルの送信信号を表す。トレース（１２６）は、動いていない物体から散乱された理想的な（雑音のない）帰還信号を示す（したがって、帰還はドップラーシフトされていない）。振幅は縮小されるが、コード０００１１０１０は認識可能である。トレース（１２７）は、移動しており、したがってドップラーシフトされている物体から散乱された理想的な（雑音のない）帰還信号を表す。帰還は、適切な光周波数ｆｃ＋ｆ０ではなく、かつ期待される周波数バンドでは十分に検出されないため、振幅は縮小される。
【００２２】
観察された帰還周波数ｆ’は、方程式１によって得られるドップラー効果による帰還の正確な周波数ｆ＝ｆｃ＋ｆ０とは異なる。
【００２３】
【数１】
0006919972.tif 000002
式中、ｃは媒体における光速度である。観察者と源が同じ速度で同じ方向に、２者間のベクトル上で移動している場合、２つの周波数は同じであることに留意されたい。２つの周波数の違い、Δｆ＝ｆ’−ｆはドップラーシフト（ΔｆＤ）であり、これは距離測定に関する問題を引き起こし、および方程式２から得られる。
【００２４】
【数２】
0006919972.tif 000003
エラーの大きさは、信号の周波数ｆに伴って増加することに留意されたい。静止したＬＩＤＡＲシステム（ｖｏ＝０）では、毎秒１０メートル（ｖｏ＝１０）で移動する物体と約５００ＴＨｚの周波数の可視光線の場合、エラーのサイズは、約１６メガヘルツ（ＭＨｚ、１ＭＨｚ＝１０６ヘルツ、Ｈｚ、１Ｈｚ＝１サイクル／秒）であることに留意されたい。以下に記載の様々な実施形態では、ドップラーシフトのエラーが検出され、処理の計算用データを処理するために使用される。
【００２５】
図１Ｃは、一実施形態に係る、２つの帰還信号との送信信号の相互相関の例を例示する概略的なグラフ（１３０）である。位相符号化距離において、位相符号化反射の到着は、送信信号または他の基準信号を帰還信号と相互相関させることによって帰還において検出され、ヘテロダイン検波を使用し、しがってダウンミックスしてＲＦバンドへ戻すことによって、ＲＦ信号に関するコードを光検知器からの電気信号と相互相関させることにより実際的に実施される。横軸（１３２）は、帰還信号との相互相関を計算する前に、符号化された信号に適用された任意の単位の遅延時間を示す。縦軸（１３４）は、相互相関計算の振幅を示す。１つの任意のラグに関する相互相関は、２つのトレースをたたみ込むことによって、すなわち２つのトレースにおける対応値を掛け、トレースの全ポイントにわたって合計し、次に各タイムラグを反復することによって、計算される。代替的に、相互相関は、各２つのトレースのフーリエ変換の乗算、続いてフーリエ逆変換によって行うことができる。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）用の効果的なハードウェアとソフトウェアの実装は、フーリエ（ｆｏｒｗａｒｄ）変換とフーリエ逆変換の両方に広く利用可能である。相互相関を行なうためのより正確な数学式は、以下で、いくつかの実施形態例に関して提供される。
【００２６】
相互相関計算は典型的に、帰還の振幅と位相が光検知器で検出された後に、アナログまたはデジタルの電気信号を用いて行われることに留意されたい。容易にデジタル化できるＲＦ周波数範囲に光検知器の信号を移動させるために、光帰還信号は、検知器にぶつかる前に基準信号と光学的に混合される。位相符号化送信光信号のコピーは基準信号として使用可能であるが、基準信号としてレーザーによる持続波搬送周波数光信号出力を使用し、検知器による電気信号出力の振幅と位相の両方を捕らえることも可能であり、多くの場合望ましい。
【００２７】
トレース（１３６）は、動いていない物体から反射された理想的な（雑音のない）帰還信号との相互相関を示す（したがって、帰還はドップラーシフトされていない）。ピークは、送信信号の開始後に時間Δｔにおいて生じる。これは、帰還信号が時間Δｔで始まる送信位相符号の１つのバージョンを含むことを示す。反射する（または後方散乱する）物体の距離Ｒは、方程式３により提供されるように、媒体における光速度ｃに基づいた往復走時遅延から計算される。
Ｒ＝ｃ＊Δｔ／２    （３）
【００２８】
点線のトレース（１３７）は、移動物体から散乱された理想的な（雑音のない）帰還信号との相互相関を示す（したがって、帰還はドップラーシフトされている）。帰還信号は、適切な周波数ビンへの位相符号化を含まず、相関はすべてのタイムラグに関して低いままであり、およびピークは容易に検出されない。したがって、Δｔは容易には判定されず、距離Ｒは容易には生成されない。
【００２９】
より詳細に以下に記載される様々な実施形態によれば、ドップラーシフトは帰還信号の電気的処理で判定され；およびドップラーシフトは、相互相関算定を修正するために使用される。したがってピークは、より容易に見つけられ、および距離はより容易に判定され得る。図１Ｄは、一実施形態に係る、送信信号のスペクトルの例と、ドップラーシフト帰還信号のスペクトルの例を例示する概略的なグラフである。横軸（１４２）は、任意の単位の光搬送ｆＣからのＲＦ周波数オフセットを示す。縦軸（１４４ａ）は、０に対して任意の単位で、スペクトル密度と呼ばれる特定の狭い周波数ビンの振幅を示す。縦軸（１４４ｂ）は、０に対して任意の単位のスペクトル密度を示し、およびトレースを分離するために軸（１４４ａ）からオフセットされる。トレース（１４５）は、送信信号を表す；およびピークは、適切なＲＦ ｆ０で生じる。トレース（１４６）は、移動しており、したがってドップラーシフトされている物体からの後方散乱である理想的な（雑音のない）帰還信号を表す。帰還は、適切なＲＦ ｆ０にピークを有さない；しかし代わりに、ΔｆＤによってシフト周波数ｆＳへと青色シフトされている。
【００３０】
いくつかのドップラー補正の実施形態では、図１Ｄに例示されるように、送信信号と帰還信号の両方のスペクトルをとることによりΔｆＤを見つけ、かつ各々におけるピークを探し、次に対応するピークの周波数を引くよりもむしろ、ＲＦバンドのミックスダウンされた帰還信号の同相分と直角分の交差スペクトルをとるのがより効果的である。図１Ｅは、一実施形態に係る、交差スペクトルの例を例示する概略的なグラフ（１５０）である。横軸（１５２）は、基準スペクトルに対する任意の単位の周波数シフトを示す；および縦軸（１５４）は、０に対する任意の単位の交差スペクトルの振幅を示す。トレース（１５５）は、ＬＩＤＡＲシステムに向かって移動する１つの物体（図１の青色シフトΔｆＤ１＝ΔｆＤ）、およびＬＩＤＡＲシステムから遠ざかる第２の物体（赤色シフトΔｆＤ２）によって生成された理想的な（雑音のない）帰還信号との交差スペクトルを表す。要素の１つが青色シフトΔｆＤ１である場合、ピークが生じる；および要素の１つが赤色シフトΔｆＤ２である場合、他のピークが生じる。こうしてドップラーシフトが判定される。これらのシフトは、衡突防止の用途に重要であり得る、ＬＩＤＡＲに接近する物体の接近速度を判定するために使用することができる。
【００３１】
より詳細に以下に記載されるように、交差スペクトルで検出されるドップラーシフトは、ピーク（１３５）が遅延Δｔでドップラー補償ドップラーシフトされた帰還において明白であり、かつ距離Ｒが判定可能なように、相互相関を補正するために使用される。ドップラーシフトを判定し補償するために必要な情報は収集されず、先の位相符号化ＬＩＤＡＲシステムで使用されることもない。
【００３２】
＜２．光学位相符号化検知ハードウェアの概略＞
どのように位相符号化検知アプローチが実施されるかを示すために、いくつかの一般的かつ特異的なハードウェアアプローチが記載される。図２は、一実施形態に係る、高分解能ＬＩＤＡＲシステムのコンポーネントの例を例示するブロック図である。レーザー源（２１２）は、シンボル長さＭ＊Ｎと持続時間Ｄ＝Ｍ＊Ｎ＊τを有する位相符号化光信号（２０３）を生成するために、位相モジュレータ（２８２）で変調された搬送波（２０１）を発する。スプリッタ（２１６）は、本明細書で送信信号とも呼ばれる標的ビーム（２０５）へと光信号を分割し、ビーム（２０３）およびはるかに少量のエネルギーを有する基準ビーム（２０７ａ）のほとんどのエネルギーを用いて、物体（図示せず）から散乱された帰還光（２９１）との十分な混合が行われる。いくつかの実施形態では、スプリッタ（２１６）は、位相モジュレータ（２８２）の上流に配置される。基準ビーム（２０７ａ）は基準経路（２２０）を通過し、および基準ビーム（２０７ｂ）として１つ以上の検知器に向けられる。いくつかの実施形態では、基準経路（２２０）は、基準ビーム（２０７ｂ）が散乱光を伴って検知器アレイ（２３０）に達するのに十分な既知の遅延を導入する。いくつかの実施形態では、基準ビーム（２０７ｂ）は、別個の発振器から基準ビーム（２０７ｂ）を局所的に生成する、より古いアプローチを指す、局部発振器（ＬＯ）信号と呼ばれる。様々な実施形態では、より少ない柔軟性からより大きな柔軟性のアプローチへと、基準は以下によって散乱または反射された場を伴って到達される：１）経路の長さが十分に一致するように、検知器アレイで送信ビームの一部が反射するように鏡をその場に置く；２）図２に示唆されるように、特定の距離に対して観察または予想される位相差を補償するために経路の長さを調節するかどうかに関わらず、検知器アレイ近くの光学素子を用いて、経路の長さをぴったりと一致させ、かつ基準信号を散布するために、ファイバー遅延を使用する；または３）経路の長さのミスマッチを補償する個別の変調を生成するために、局部発振器波形変調周波数の偏移デバイス（音響光学変調器）または時間遅延を使用する；またはいくつかの組み合わせ。いくつかの実施形態では、物体は、帰還が遅延なく基準信号に十分にオーバーラップするのに十分なだけ接近し、かつ十分に長く伝達される。
【００３３】
検知器アレイは、物体からの帰還ビーム（２９１）におおよそ垂直な平面に配置された、対になった、または対になっていない単一の検知器、または対になった、または対になっていない検知器の１次元（１Ｄ）または２次元（２Ｄ）のアレイである。基準ビーム（２０７ｂ）と帰還ビーム（２９１）は、適切に検出される特性の光信号を生成するために、０以上の光学混合器で結合される。干渉パターンの位相または振幅、またはいくつかの組み合わせは、信号の持続時間Ｄの多数の時点で、各検知器の収集システム（２４０）によって記録される。信号の持続時間あたりの一時的なサンプルの数は、ダウンレンジの範囲に影響を与える。数は多くの場合、信号あたりのシンボルの数、信号の反復度、および利用可能なカメラフレームレートに基づいて選択された実際的な考察である。フレームレートは、しばしば「デジタイザ周波数」と呼ばれるサンプリング帯域幅である。距離範囲の基本的な限度のみが、レーザーのコヒーレンス長、および（明白な距離測定のための）反復前のユニークコードの長さである。帰還ビットのデジタル記録が、先の伝達履歴からの送信ビットの任意の部分と相関するため、これは可能である。収集されたデータは、図１４に関連して以下に記載されるコンピュータシステム、または図１５に関連して以下に記載されるチップセット等の、処理システム（２５０）に利用可能になる。ドップラー補償モジュール（２７０）は、ドップラーシフトのサイズ、および本明細書に記載される他の補正と共にそれに基づいた補正範囲を決定する。既知の装置またはシステムが、レーザー源（２１２）、位相モジュレータ（２８２）、ビームスプリッタ（２１６）、基準経路（２２０）、光学混合器（２８４）、検知器アレイ（２３０）、または収集システム（２４０）を実装するために使用されてもよい。標的上での氾濫または焦点への光結合、または瞳面を経た焦点は示されない。本明細書で使用されるように、オプティカルカプラは、とりわけ真空、空気、ガラス、結晶、鏡、レンズ、光サーキュレータ、ビームスプリッタ、位相板、偏光子、光ファイバー等の単独または組み合わせ等の、１つのコンポーネントから別のコンポーネントへと光を配向するために空間座標内の光の伝播に影響を与える任意のコンポーネントである。
【００３４】
いくつかの実施形態では、電気光学モジュレータは変調を提供する。システムは、様々な実施形態に関して以下により詳細に記載されるように、望ましいダウンレンジ分解能に適した長さＭ＊Ｎの位相コードとシンボル持続時間τを生成するように構成される。例えば、３Ｄ画像化の用途では、パルスＭ＊Ｎの総数は、約５００〜約４０００の範囲にある。処理がデジタルドメインで行われるため、２の累乗として、例えば５１２〜４０９６の間隔で、Ｍ＊Ｎを選択すると有利である。平均化が行われない場合、Ｍは１である。不規則雑音が寄与する場合、Ｍが約１０であると有利である。その結果、Ｎは、Ｍ＝１では５１２〜４０９６の範囲にあり、およびＭ＝１０では約５０〜約４００の範囲にある。５００Ｍｂｐｓ〜１Ｇｂｐｓのボーレートでは、これらのコードの持続時間は、したがって約５００ｎｓ〜８マイクロセカンドである。距離ウィンドウは、これらの条件下で数キロメートル拡張可能であり、およびドップラー分解能はまた極めて高くなり得ることに留意されたい（送信信号の持続時間に依存）。プロセスと機器とデータ構造は、例示の目的で特定の配置の一体型ブロックとして図２に示されるが、他の実施形態では、１つ以上のプロセスまたはデータ構造、またはそれらの一部は、異なる方式で、同じまたは異なるホスト上に、または１つ以上のデータベースに配置され、または省略され、または１つ以上の異なるプロセスまたはデータ構造が同じまたは異なるホストに含まれる。例えば、スプリッタ（２１６）と基準経路（２２０）は、０以上のオプティカルカプラを含む。
【００３５】
図３Ａは、位相符号化ＬＩＤＡＲシステム（３００ａ）のコンポーネントの例を例示するブロック図である。物体（３９０）は、システム（３００ａ）の動作を例示するために描かれるが、物体（３９０）はシステム（３００ａ）の一部ではない。システムは、レーザー源（３１０）、ビームスプリッタ（３１２）、位相モジュレータ（３２０）、極性ビームスプリッタ（３２２）、光学混合器（３６０）、光検知器（３３０）、および処理システム（３５０）を含み、後者はデジタルコードモジュール（３７２）とドップラー補正モジュール（３７０）を含む。光信号は太い矢印で、電気信号は細い矢印で描かれる。
【００３６】
電気工学では、位相変調（数学関数ｅｘｐ（ｉωｔ）の実数部と虚数部との間の角度変調に対応）を伴うシヌソイドは、４分の１サイクル（π／２ラジアン）まで位相においてオフセットされる２つの振幅変調シヌソイドへと分解され、またはそれから合成され得る。３つのすべての関数が同じ周波数を有している。振幅変調シヌソイドは、０位相での同相分（Ｉ）として知られ、かつπ／２位相での直角分（Ｑ）として知られる。レーザー（３１０）は、搬送周波数ｆＣで光信号を生成する。レーザー光信号Ｌは、方程式４によって数学的に表される。
Ｌ＝Ｉ０ｅｘｐ（ｉωｔ）    （４）
式中、Ｉ０はレーザーによる強度出力であり、ｅｘｐ（）はｅｘｐ（ｘ）＝ｅｘ等の指数関数であり、ｉは、−１の平方根の特性を有する虚数であり、ｔは時間であり、およびω＝２πｆＣは光学搬送周波数ｆＣに対応する角周波数である。数学的には、この式は、実数部＝Ｉ０Ｒｃｏｓ（ωｔ）と虚数部＝Ｉ０Ｉｓｉｎ（ωｔ）を有し、ここでＩ０Ｒは強度（同相）の実数部であり、およびＩ０Ｉは虚数部である。振動の位相は、実数部と虚数部との間の角度から得られる。したがって、Ｌ＝Ｉ０Ｒｃｏｓ（ωｔ）＋ｉＩ０Ｉｓｉｎ（ωｔ）、およびＩ０は、実数部と虚数部の二乗の合計の根であり、Ｉ０２＝Ｉ０Ｒ２＋Ｉ０Ｉ２である。スプリッタ（３１２）は、方程式５から得られる基準信号（局部発振器と呼ばれる）ＬＯとして使用するための信号の強度の小さな部分を対象とする。
ＬＯ＝ＡＬＯ ｅｘｐ（ｉωｔ）＝ＡＲ ｃｏｓ（ωｔ）＋ｉ ＡＩｓｉｎ（ωｔ）（５ａ）
式中、Ａはスプリッタ（３１２）の強度効果を表す定数である。電界ＥＬＯは、したがって方程式５ｂとして書くことができる。
ＥＬＯ＝ＡＬＯｅｉωｔ    （５ｂ）
基準信号（ＬＯ）が未変調のレーザー信号である場合、全信号は同相であり、および虚数成分は０であり、したがって以下である。
ＬＯ＝Ａ ｃｏｓ（ωｔ）    （５ｃ）
【００３７】
処理システム（３５０）のデジタルコードモジュール（３７２）は、Ｂ（ｔ）として表される、光搬送上に位相変化として課されるシンボルのデジタルコードを示す電気信号を送り、ここでｂ（ｔ）は、ｔの関数として０〜π／２の間で切り替わる。位相モジュレータ（３２０）は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）からデジタル回線を取り出し、それらを増幅し、そしてＥＯ位相モジュレータを駆動することによって、光搬送上に位相変化を課す。送信された光信号（Ｔ）がその後、方程式６から得られる。
Ｔ＝Ｃ ｅｘｐ（ｉ［ωｔ＋Ｂ（ｔ）］）    （６）
式中、Ｃは、フラクションＡの散乱、および位相モジュレータ（３２０）によって課された増幅またはさらなる低減による、Ｉ０における低減を説明する定数である。
【００３８】
任意の位相モジュレータをモジュレータ（３２０）として使用してもよい。例えば、ニオブ酸リチウム等の結晶を含む電気光学モジュレーター（ＥＯＭ）が使用され、その屈折率は、局所電場の強度の関数である。それは、ニオブ酸リチウムが電場に露出している場合、光がそれをよりゆっくりと通過するであろうことを意味する。しかし、結晶を去る光の位相は、光がそれを通過するのにかかる時間の長さと正比例する。したがって、ＥＯＭを出るレーザー光ビームの位相は、デジタルコードモジュール（３７２）によって提供されるデジタルコードに従い、結晶における電界の変化によって制御することができる。位相変化は、ボーレート、１／τとほぼ等しいバンド幅（Ｂ）を用いて、広帯域の周波数信号を引き起こす。
【００３９】
位相モジュレータ（３２０）による位相符号化光信号出力は、極性ビームスプリッタ（ＰＢＳ）（３２２）または他のサーキュレータ光学素子等の、いくつかのオプティカルカプラを通じて伝達され、その後、送信信号を運ぶビームにおいて任意の物体（３９０）によって散乱される。例えば、ファイバー連結極性ビームスプリッタコンバイナーは、この光学部品としてファイバーベースのサーキュレータよりもポート間のよりよい分離を提供する。これは、送信と受信の間で十分に分離されない信号が距離プロファイルにおいて望ましくない大きなピークとして現れるため、重要である。したがって、送信信号はポート１に注入され、ポート２から放射され、そして後方散乱帰還信号はポート２で受信され、ポート３を出る。いくつかの標的（例えば金属標的）は、ビームの偏波を保全し、およびいくつかの標的（例えば散乱標的）は、帰還ビームを脱偏波する。いくつかの実施形態では、脱分極されない標的を適切に補償するために４／１波長板が送信光学に含まれている。
【００４０】
帰還信号（３２４）は、オプティカルカプラ、例えばＰＢＳ（３２２）によって光学混合器（３６０）に配向され、ここで帰還光信号（３２４）は、方程式５によって得られる基準光信号（ＬＯ）（３１４）と混合される。透過ビームによって遮られたｋ番目の物体からの帰還信号Ｒは、方程式７ａから得られる。
Ｒｋ＝Ａｋ ｅｘｐ（ｉ［（ω＋ωＤｋ）（ｔ＋Δｔｋ）＋Ｂ（ｔ＋Δｔｋ）］）（７ａ）
式中、Ａｋは、物体（３９０）への、および物体（３９０）からの伝播と、ｋ番目の物体（３９０）での散乱に起因する強度の損失を説明する定数であり、Δｔｋは、ＬＩＤＡＲシステムとｋ番目の物体（３９０）との間の往復旅行時間であり、およびωＤｋ＝２πΔｆＤは、ｋ番目の物体のドップラー周波数シフト（便宜上、本明細書ではドップラーシフトと呼ばれる）の角周波数である。次に、すべての標的に関して合計された帰還信号、ＥＲの電界は、方程式７ｂから得られる。
【００４１】
【数３】
0006919972.tif 000004
【００４２】
光学混合器（３６０）において一致する信号（３２４）と（３１４）は、混合されている２つの光信号の周波数と位相と振幅における違いに関係するうなり周波数を有する混合光信号（３６２）と、光学混合器（３６０）の機能に応じた出力を生成する。本明細書で使用されるように、ダウンミックスは光ヘテロダイン検波を指し、これは非線形の光学プロセスを使用したヘテロダイン検波原則の実装である。本明細書において「ダウンミックス」と呼ばれる光ヘテロダイン検波では、いくつかの光周波数における対象の光信号は、すぐ近くの周波数に設定されている基準「局部発振器」（ＬＯ）と非直線的に混合される。望ましい結果は差周波数であり、これは、もとの光周波数信号の情報（振幅、位相、および周波数変調）を伝えるが、ＲＦバンドで好都合にも、本明細書でうなり周波数と呼ばれる、より低くより容易に処理された周波数で振動する。生の信号とも呼ばれるそのような混合光信号の例は、図５Ａに関連して以下に示される。いくつかの実施形態では、このうなり周波数は、ＲＦアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）によって容易にデジタル化することができる電気アナログ信号等の、電気信号（３３２）として光検知器から出力することができるＲＦバンドにある。デジタル電気信号（３３２）は、処理システム（３５０）へ入力され、相互相関と距離を判定するために、およびいくつかの実施形態では速度とドップラーシフトを判定するために、ドップラー補償モジュール（３７０）によって、モジュール（３７２）からのデジタルコードと共に使用される。
【００４３】
いくつかの実施形態では、生の信号は、ドップラーピークを見つけるために処理され、およびその周波数ωＤは、相関計算を修正し、かつ正確な距離を判定するために使用される。他の実施形態において、光学混合器と処理が、同相分と直角分を判定し、および、まずωＤを推定し、次にωＤを使用して相互相関計算を修正してΔｔを導くために、その分離を使用するように構成されると有利であることがわかった。ωＤの値もまた、物体の速度を示すために使用される。Δｔの値はその後、上記の方程式３を使用して物体への距離を判定して提示するために使用される。光学混合器によるＩ信号とＱ信号の分離は、ドップラーシフトの徴候を明確に判定することを可能にする。
【００４４】
ここで、一実施形態に従い、ハードウェアの実施形態の例は、位相符号化信号の同相と直角（Ｉ／Ｑ）信号の同期検波を支持するように設計されている。このアプローチの利点は、非常に安いが高帯域の、波形生産必要高（２進法のデジタルまたはポリ位相デジタルコード）、および最小限の変調要件（単一の電気光学位相モジュレータ）である。９０度の光ハイブリッド光学混合器は、その後にデジタル化される２つのチャネル上の光学的ダウンミックス信号のＩ／Ｑ検出を可能にする。このシステムは、非常に柔軟な「定義されたソフトウェア」測定アーキテクチャが生じるのを可能にする。
【００４５】
図３Ｂは、一実施形態に係る、ドップラー補償位相符号化ＬＩＤＡＲシステム（３００ｂ）のコンポーネントの例を例示するブロック図である。この実施形態は、π／２によって分離された二相での、しかし電気的分離ではなく同相分と直角分の光学的分離での、２進法位相符号化を使用する。物体（３９０）は、システム（３００ａ）の動作を例示するために描かれるが、物体（３９０）はシステム（３００ａ）の一部ではない。システムは、レーザー源（３１０）、ビームスプリッタ（３１２）、位相モジュレータ（３２０）、極性ビームスプリッタ（３２２）、図３Ａの一般的な光学混合器（３６０）の代わりに９０度ハイブリッド混合器（３６１）、図３Ａの光検知器（３３０）の代わりに平衡光検知器（３３１）、および処理システム（３５０）を含み、処理システム（３５０）はデジタルコードモジュール（３７２）とドップラー補償モジュール（３７１）を含む。光信号は細い矢印で、および電気信号は細い矢印で表される。レーザー（３１０）は、光搬送周波数ｆＣで光信号を生成する。スプリッタ（３１２）は、基準信号（局部発振器と呼ばれる）ＬＯ（３１４）として使用する信号の電力の小部分を配向する。処理システム（３５０）のデジタルコードモジュール（３７２）は、位相変化として光搬送に課されるシンボルのデジタルコードを指示する電気信号を送る。位相モジュレータ（３２０）は、上記のように、光搬送に位相変化を課す。
【００４６】
位相モジュレータ（３２０）による位相符号化光信号出力は、極性ビームスプリッタ（ＰＢＳ）（３２２）等の、いくつかのオプティカルカプラを通じて伝達され、その後、送信信号を運ぶビームによって遮られた任意の物体（３９０）によって散乱される。帰還信号（３２４）は、オプティカルカプラ、例えばＰＢＳ（３２２）によって９０度ハイブリッド光学混合器（３６１）に配向され、ここで帰還光信号（３２４）は、方程式５ｂによって得られる基準光信号ＬＯ（３１４）と混合される。帰還信号Ｒは、方程式７ａから得られる。ハイブリッド混合器は、それぞれＩ＋、Ｉ−、Ｑ＋、およびＱ−と名付けられた４つの光信号を出力し、方程式８ａ〜８ｄに定義されるように、ＲＩとして示される帰還信号Ｒの同相分、ＲＱとして示される帰還信号Ｒの直角分をＬＯと組み合わせる。
Ｉ＋＝ＬＯ＋ＲＩ    （８ａ）
Ｉ−＝ＬＯ−ＲＩ    （８ｂ）
Ｑ＋＝ＬＯ＋ＲＱ    （８ｃ）
Ｑ−＝ＬＯ−ＲＱ    （８ｄ）
式中、ＲＩは、帰還信号ＲのＡＣ成分の同相コヒーレント交差項であり、およびＲＱは、帰還信号ＲのＡＣ成分の９０度外れた位相コヒーレント交差項である。例えば、上記の関係の電界は、上記の方程式５ｂと方程式７ｂ、および方程式８ｈ〜８ｋを導く以下の方程式８ｅ〜８ｋに基づいて表現され得る。
【００４７】
【数４】
0006919972.tif 000005
式中、＊は複素数の複素共役を示し、Ｉｍａｇ（）は複素数の虚数部を返す関数であり、およびＲｅａｌ（）は複素数の実数部を返す関数である。ＡＣ項
【００４８】
【数５】
0006919972.tif 000006
は、信号の光周波数部分の全てを取り消し、帰還信号のＲＦ部分を伴うＬＯのＲＦ「うなり」（この場合はドップラーシフトとコード関数）のみを残す。項｜ＥＬＯ｜２と｜ＥＲ｜２は、一定の（直流、ＤＣ）項である。後者は前者に関して無視できる；したがって、後者の項は、方程式８ａから方程式８ｄの特定の形態として、方程式８ｈから方程式８ｋに表される組み合わせにおいて無視される。
【００４９】
【数６】
0006919972.tif 000007
【００５０】
方程式９ａと９ｂに従い、２つの同相分Ｉ＋とＩ−は、チャネル１（Ｃｈ１）上でＲＦ電気信号を生成するために平衡検知器ペアにおいて結合され、および２つの直角分Ｑ＋とＱ−は、チャネル２（Ｃｈ２）上でＲＦ電気信号Ｑを生成するために第２の平衡検知器ペアにおいて結合される。
Ｉ＝Ｉ＋ −Ｉ−    （９ａ）
Ｑ＝Ｑ＋ −Ｑ−    （９ｂ）
平衡検知器（光検知器の平衡ペアを備える）の使用は、同相雑音の抹殺という利点を備え、これは、高い信号対雑音比（ＳＮＲ）を備えた信頼できる測定値を提供する。いくつかの実施例では、そのような同相雑音は無視してもよく、またはそうでなければ重要ではない；したがって、単純な光検知器または不平衡ペアが、平衡ペアの代わりに使用される。その後、ドップラー補償モジュール（３７１）は、対応する速度で、信号ＩとＱを使用して１つ以上のドップラーシフトωＤを判定し、次にデジタルコードモジュール（３７２）と信号ＩおよびＱからの値ωＤと値Ｂ（ｔ）を使用して、補正された相関トレースを生成し、該トレースにおいてピークは１つ以上の速度の各々で１つ以上のΔｔを示す。多数の速度が検出される場合、各々は対応する多重相関トレースのピークに関係する。いくつかの実施例では、これは、どの電流の速度／位置ペアリングが、同様の速度／位置の先のペアリングと最も関係する可能性があるかを判定するために、一致処理によって行われる。１つ以上のΔｔはその後、上記の方程式３を使用して１つ以上の距離を判定するために使用される。
【００５１】
最初に相関に使用され、そして走査時に各測定点のために再度使用されるコードの周波数領域表示を準備すると有利である；したがって、これはいくつかの実施形態で行われる。持続時間Ｄ＝（Ｍ＊Ｎ）＊τの長いコードは、透過光上に符号化され、および同じ持続時間の帰還信号は、データ収集エレクトロニクスによって収集される。同じデータストリーム、および信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善するために平均された結果において、相関を複数回導くことができるように、コードと信号の両方が、長さＮのＭより短いブロックへと解読される。Ｎシンボルの各ブロックは、Ｎシンボルの異なるブロックとは異なり、したがって各ブロックは独立した測定値である。したがって、平均は、帰還信号の雑音を減らす。入力Ｉ／Ｑ信号はπ／２によって位相に分割される。いくつかの実施形態では、より詳細に以下に記載されるように、さらなる平均化が、内部光学から純粋に反射の効果を取り除くために、照らされたいくつかのスポットに対して行なわれる。
【００５２】
＜３．光学位相符号化検知法＞
示されたアプローチは、Ｉ／Ｑ信号（電気信号または光信号のいずれか）を使用した交差スペクトルの計算のために位相差を利用し、これはドップラー周波数における明確なピークを提供する。アプローチはまた、距離を判定するための相関に関する複雑な信号を構成するためにＩ／Ｑ信号の位相差を利用する。ドップラー補償は、複素帰還信号のＦＦＴをまずとり、次に周波数ビンのアレイ内のＦＦＴの値を偏移させることにより行われる。補正された信号は、逆ＦＦＴを偏移ＦＦＴに適用することにより回復可能であるが、偏移ＦＦＴがいくつかの実施形態ではコードＦＦＴとの相関に直接使用されるため、これは必要ではない。他の実施形態において、複素帰還信号は、交差スペクトルで測定されたドップラー周波数から形成された複素指数関数により掛け算され、および補正された信号のＦＦＴはコードとの相関に使用される。いくつかの実施形態では、相関は、有限のインパルス応答（ＦＩＲ）フィルタを使用して判定される。相関（本明細書では距離プロファイルとも呼ばれる）が各コード／信号ブロックごとに計算された後、結果がＭブロックに関して平均され、および標的への距離が、平均距離プロファイルにおけるピークの時間遅延から計算される。距離プロファイルに複数のピークがあれば、アプローチは次に、複数の標的への距離を記録する。
【００５３】
図４は、一実施形態に係る、距離に対するドップラー効果に関して判定と補償を行うための、ドップラー補償位相符号化ＬＩＤＡＲシステムを使用する方法例（４００）を例示するフローチャートである。行程は、例示目的のために特定の順序で不可欠な工程として図４に描かれるが、他の実施形態では、１つ以上の工程またはそれらの一部が、異なる順序で、時間的に重なり合って、連続して、または平行して実行され、または省略され、あるいは１つ以上の追加の工程が加えられ、または方法が、方法のいくつかの組み合わせにより変更される。いくつかの実施形態では、行程（４０３）を介する工程（４３３）と（４１０）は、処理システム（３５０）によって行なわれる。例えば、行程（４０３）および工程（４１０）から（４３３）のすべてにおけるデジタルコードのＦＦＴの判定は、図３Ａのドップラー補償モジュール（３７０）または図３Ｂのモジュール（３７１）によって行われる。
【００５４】
工程（４０１）では、トランシーバー、例えばＬＩＤＡＲシステムは、位相コード配列の入力に基づいて位相符号化光信号を送信するように構成される。レーザーからの未変調入力光信号の一部（例えば１％〜１０％）、または位相符号化送信信号もまた、基準光学経路へと配向される。トランシーバーもまた、送信信号によって照らされた外部物体から後方散乱された光信号を受け取るように構成される。いくつかの実施形態では、工程（４０１）は、例えば図３Ａまたは図３Ｂに例示されるように、または同等に、以下の行程の１つ以上の関数をも提供するためにハードウェアにある他の光学コンポーネントを構成する行程を含む。送信信号がビームである必要はないことに留意されたい。分岐信号は確かに、単一の距離プロファイル内に多くの異なる距離とドップラー値を見せるだろう；しかし、照らされたスポット内に交差距離分解能を提供しない。しかしながら、物体を識別するのに有用な交差距離分解能を提供するために、逐一の走査を備えた固有の稀薄性を提供する細いビームを使用すると有利である。
【００５５】
行程（４０３）において、Ｍ＊Ｎシンボルの配列で構成されたコードは、レンジングに使用するために生成され、Ｍブロック間の重複なくＮシンボルのＭブロックを表わす。いくつかの実施形態では、そのような位相符号化によるＲＦ信号のフーリエ変換もまた、工程（４０３）の間に判定され、なぜなら変換は、以下に記載されるように工程（４２３）で繰り返し使用可能であり、および各送信ごとに個別にフーリエ変換を計算する必要がないのは有利であるからである。例えば、複素（実際成分と虚数成分）デジタル信号はＲＦ角周波数ωで生成され、およびコードによる位相π／２が生成され、そして複素デジタル高速フーリエ変換（ＦＦＴ）は、この複素デジタル信号に関して計算される。結果として生じる複素ＦＦＴ関数は、複素信号の複素共役をとることにより工程（４２３）での動作のために準備される。例えば、複素ＦＦＴ、ＣｏｄｅＦＦＴの複素共役は、コードのＭブロックの各々に関して方程式１０により表される。
ＣｏｄｅＦＦＴ＝ｃｏｎｊ（ＦＦＴ（ｅｘｐ（ｉＢｔ））    （１０）
式中、ｃｏｎｊ（）は複素共役動作を表し、すなわちｃｏｎｊ（ｘ＋ｉｙ）＝ｘ−ｉｙである。この複素ＦＦＴは、以下に記載されるように、工程（４２３）での続く使用のために、例えばコンピュータ可読媒体に保存される。
【００５６】
工程（４０５）において、方程式４によって表される、レーザー出力の第１の部分は、方程式６によって表される、送信された位相符号化信号を生成するためにデジタルコードモジュール（３７２）から受信したコードを使用して位相符号化され、物体または物体の一部が存在し得る、または存在しないであろう場所のスポットに向けられる。加えて、工程（４０５）において、レーザー出力の第２の部分は、方程式５ａまたは方程式５ｂによって表されるように、局部発振器（ＬＯ）信号とも呼ばれ、基準経路に沿って、基準信号として配向される。
【００５７】
工程（４０７）において、方程式７によって表されるように、なんらかの旅行時間遅延ΔｔとドップラーシフトωＤを伴う後方散乱帰還信号Ｒは、１つ以上の混合光信号（３６２）を出力するために、方程式５ａまたは方程式５ｂによって表されるように、基準信号ＬＯと混合される。混合信号は、同相分と直角分に通知する。例えば、図３Ｂに例示される実施形態では、混合光信号（３６２）は、同相分と直角分を通知する４つの光信号、つまり方程式８ａ〜８ｄで定義されるＩ＋、Ｉ−、Ｑ＋、Ｑ−を含む。他の実施形態では、他の光学混合器が使用される。例えば、いくつかの実施形態では、依然としてＩ／Ｑ検出を支持するために、３×３カプラが９０度の光学ハイブリッドの代わりに使用される。
【００５８】
工程（４０８）において、混合光信号は、光信号を１つ以上の対応する電気信号に変換するために、１つ以上の光検知器に向けられ、および光検知器によって検知される。例えば、図３Ｂに例示される実施形態では、２つの電気信号が検知器によって生成される。１つのチャネル（Ｃｈ１）上の１つの電気信号は、方程式９ａから得られるダウンミックス同相分Ｉを示す；および、異なるチャネル（ＣＨ２）上の別の電気信号は、方程式９ｂにより得られるダウンミックス直角分Ｑを示す。タウンミックス複素信号Ｓは、方程式１１により得られるように、２つの電気信号に基づいて計算される。
Ｓ＝Ｉ＋ｉＱ    （１１ａ）
信号ＳとＩとＱは、少なくとも持続時間Ｄ＝Ｍ＊Ｎ＊τの時間ｔの関数であることに留意されたい。
【００５９】
いくつかの実施形態では、ＰＢＳ（３２２）等の、帰還信号経路に沿った内部光学コンポーネントで生成された位相符号化信号の偽造コピーを取り除くために、いくつかの異なる帰還信号Ｓ（ｔ）に対して平均化が行なわれる。そのような偽造コピーは、外部物体からの実際の帰還との相関を減らし、したがってかろうじて検出できる実際の帰還を遮断することができる。単一の物体がすべてのそれらの照らされたスポットにないように、異なる照明スポットの数Ｐと帰還に対して平均化が行われると、次に平均は、内部光学部品によって生成されたコードの偽造コピーによって支配される。コードのこの偽造コピーはその後、補正された複素電気信号Ｓ（ｔ）における実際の帰還のみを残して、帰還信号から除去され得る。Ｐは、同じ物体がすべてのスポットで照らされていないことを保証するのに十分に大きい数である。Ｐ＝１００と同等に低い値は、グラフィカル処理ユニット（ＧＰＵ）の実装にとって計算上有利である；他方で、Ｐ＝１０００と同等に高い値は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）の実装にとって好ましく、かつ適用可能である。実施形態の例では、Ｐは約１００である。他の実施形態では、用途に応じて、Ｐは約１０〜約５０００の範囲にあり得る。図１１は、一実施形態に係る、内部光からの帰還を取り除くための多地点平均化の例を例示するブロック図である。工程（４０９）と（４１０）はこの補正を行なう。
【００６０】
工程（４０９）では、Ｐ帰還が受信されたかどうかを判定する。否であれば、制御は、他のスポットを照らすために工程（４０５）に戻る。是であれば、次に制御は工程（４１０）に移る。工程（４１０）において、平均信号ＳＳ（ｔ）が方程式１１ｂに従って計算され、ここで持続時間Ｄの各受信信号は、Ｓｐ（ｔ）と呼ばれる。
【００６１】
【数７】
0006919972.tif 000008
この平均信号は、方程式（１１ｃ）により得られるように、後の工程で受信信号Ｓ（ｔ）として使用する補正信号ＳｐＣ（ｔ）を生成するために、受信信号Ｓｐ（ｔ）の各々を補正するために使用される。
Ｓ（ｔ）＝ＳｐＣ（ｔ）＝Ｓｐ（ｔ）−ＳＳ（ｔ）    （１１ｃ）
いくつかの実施形態では、内部光は、システムの多くの続く展開のために保存されるＳＳ（ｔ）に関する固定値を生成するために、抑制された条件下で一旦較正される。したがって工程（４１０）は、方程式（１１ｃ）を適用する工程のみを含む。いくつかの実施形態では、内部光によって生成されたコードの偽のコピーは、十分に小さく、または外部物体への距離とは十分に異なる関連距離であり、その場合、工程（４０９）と（４１０）は省略することができる。したがって、いくつかの実施形態では、工程（４０９）と（４１０）は省略され、および制御は、工程（４１０）の方程式１１ｃではなく工程（４０８）からのＳ（ｔ）を使用して、工程（４０８）から工程（４１１）へと直接向かう。
【００６２】
工程（４１１）において、交差スペクトルは、ドップラーシフトを検知するために使用される。以下の説明は、例示の目的で提供される；しかしながら、様々な技術の特徴と有用性は、この説明の正確性または完全性によって制限されることはない。ＩとＱの周波数成分は、ドップラー（シヌソイド）とコード（方形波）を含む。ドップラー成分に関して、Ｉは、それがシヌソイドであるため９０度ずつＱを遅らせる、または進ませると予想される。遅延または進行は、ドップラーシフトの徴候に依存する。コード成分は、この効果（時間の関数として帰還ビットを示すＩとＱのレベルが、同相または１８０度外れた位相のいずれでも移動する）を実証しない。ＸＳ動作のブラケット内の動作は、任意の周波数でのＩとＱの間の複素振幅差を計算する。任意の周波数においてＩとＱの間に９０度の位相差がある場合（ドップラー成分等の場合）、これは結果の虚数部にあらわれる。コード周波数成分は、逆に結果の虚数部には現われず、なぜなら上記のように、コードのＩとＱの態様は、同相または選ばれた２進コードに対して１８０度外れた位相のいずれかであり、したがって各周波数における複素振幅差は常に真である。交差スペクトル動作、ＸＳ（）は、ドロップアウトするコードを伴い、ドップラーに関する信号スペクトルのそれらの態様のみを明らかにする方法として見ることができる。これは、ドップラー周波数成分を見つけることをより容易にする。対照的に、帰還信号の通常のスペクトルでは、コード周波数成分は、十分なドップラー推定／補正を行うのに望ましいドップラー周波数成分を曖昧にし得る。
【００６３】
例えば、交差スペクトルは方程式１２によって得られるように算出される。
ＸＳ（Ｓ）＝ＦＦＦ（Ｉ）＊ｃｏｎｊ［ＦＦＴ（Ｑ）］    （１２）
方程式１２から得られるＸＳ（Ｓ）は、複素値アレイである。この交差スペクトルにおけるピークは、帰還信号における１つ以上のドップラーシフトωＤを表す。任意のピーク検出法が、交差スペクトルＸＳ（Ｓ）におけるピークを自動的に判定するために使用されてもよい。一般に、交差スペクトルの虚数成分の大きな正または負のピークの識別は、ドップラーシフトについての情報を明らかにするだろう。しかしながら、いくつかの特殊事情の下では、実数部もまたそのような情報を明らかにし得る。そのような状況の一例は、類似するドップラー値を有する多数の距離帰還の存在であろう。実数部における平面振幅は、そのような状況を示すことができる。いくつかの実施形態では、交差スペクトル動作は、各データブロック上で別々に行なわれ、およびＭブロック上で平均化される。これらのドップラーシフトと対応する相対速度は、さらなる使用のために、例えば１つ以上のコンピュータ可読媒体に保存される。
【００６４】
工程（４１３）において、ダウンミックス帰還複素信号Ｓの複素フーリエ変換が、例えばハードウェアまたはソフトウェアに実装された複素ＦＦＴ関数ＦＦＴ（Ｓ）を使用して判定される。
【００６５】
工程（４２１）において、ＦＦＴ（Ｓ）は、以下に記載の方程式１４ａまたは１４ｂから得られるように、補正スペクトル、現在の０ドップラーシフトまたは工程（４１１）で観察されるより多くのドップラーシフトに関して、ＳＦＦＴを生成するためにドップラーシフトによってシフトされる。Ｆｏｕｃｒａｓ  ２０１４に示されるように、方程式２７、時間的推移の定理は、ドップラーコード補償を達成するために適用することができる。実際、時間的推移の周波数定理は方程式１３から得られる。
Ｆ（ｘ（ｔ＋δ））＝ｅｘｐ（ｉζδ）Ｆ（ζ）    （１３）
式中、Ｆはフーリエオペレーターを示し、ｘ（ｔ）は時間ｔの関数であり、δは時間的推移であり、およびＦ（ζ）はｘ（ｔ）のフーリエ変換を示す。次に、ＦＦＴベースの取得方法については、コードドップラーによって引き起こされたコード遅延は、周波数領域で局所的に広がるコードのＦＦＴに複雑な指数関数を掛けることにより償うことができる。この方法の利点は、拡散コード配列のフーリエ変換が構築され、メモリに保存されている場合、後退した（拡張した）拡散コードのフーリエ変換は、単純な方法で周波数領域へと変換することができるということである。そして正確な拡散コードを素早く生成することができる。この技術は、Ｋｒａｓｎｅｒ  １９９８により特許取得された。ドップラーの効果は、コードのスペクトルを周波数シフトすることである。したがって、素早く相互相関を計算するために重畳積分定理を使用する場合、測定されたコードの周波数成分は、基準の周波数成分と一致しない。ドップラー補償によって、周波数スペクトルは整列（一直線）に戻され、相互相関が再び効果的になる。
【００６６】
いくつかの実施形態では、正確なスペクトルは方程式１４ａを使用して計算される。
ＳＦＦＴ＝ｃｉｒｃｓｈｉｆｔ（ＦＦＴ（Ｓ），ωＤ）    （１４ａ）
式中、ｃｉｒｃｓｈｉｆｔ（ｘ，ｙ）は、自変数の量ｙによって有限領域上の自変数の関数ｘをシフトし、それによって、有限領域の一方端からシフトされたものは何であれ、有限領域の反対の端へとシフトされる。いくつかの実施形態では、正確なスペクトルは方程式１４ｂを使用して計算され、方程式１３に示されるように、複素指数関数に乗算し、次にＦＦＴを計算することによって、ドップラー効果が取り除かれる。
ＳＦＦＴ＝ＦＦＴ（Ｓ＊ｅｘｐ（−ｉ ωＤｔ））    （１４ｂ）
【００６７】
工程（４２３）において、補正された複素信号、Ｓｃｏｒｒを用いた、位相符号化、ｅｘｐ（ｉＢ（ｔ））の相互相関、ＸＣが判定され、Ｎシンボルの独立したＭブロックの各々に対してＸＣ（Ｃｏｄｅ，Ｓｃｏｒｒ）を指定し、そして平均化する。いくつかの実施形態では、これは、方程式１５ａで得られるように、補正された複素スペクトルＳＦＦＴの逆高速フーリエ変換（ｉｎｖＦＦＴ）と、その補正された複素帰還Ｓｃｏｒｒを、コードを表すデジタル信号ｅｘｐ（ｉＢ（ｔ））と相関させることによって行われる。
【００６８】
【数８】
0006919972.tif 000009
式中、ｃｏｒｒｅｌ（ｘ，ｙ）は、シリーズｙとシリーズｘの相関を決定する関数であり、およびＢｍ（ｔ）は、ｍ番目のブロックに関するコードである。ｉｎｖＦＦＴとｃｏｒｒｅｌ関数の両者が、シリーズの各メンバーに対する複数の操作を含む。いくつかの実施形態では、計算資源は、工程（４２１）で既に決定されたＳＦＦＴを使用してフーリエ空間での掛け算を行い、次に、方程式１５ｂから得られるように、逆ＦＦＴをとることによって節約される。
【００６９】
【数９】
0006919972.tif 000010
ＸＣ（Ｃｏｄｅ，Ｓｃｏｒｒ）における任意のピークが、現在のドップラーシフトでの遅延時間Δｔを判定するために使用され、および０以上の遅延時間が、現在のドップラーシフトでの０以上の対応する距離を計算するために使用される。
【００７０】
いくつかの実施形態では、相互相関（ＸＣ）を判定するためのＦＦＴベースのたたみ込みもまた、方程式１５ｃ得られる有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタベースのたたみ込みを用いて効率的に行なうことができる。これは、いくつかのより短いコード長、およびいくつかの計算ハードウェア環境（ＦＰＧＡ）にとってより効果的なポテンシャルを有する。各距離ビン、ｋに関し、相互相関において、
【００７１】
【数１０】
0006919972.tif 000011
ドット掛け算（＊）は、基準コードＢｍと補正信号Ｓとの間の異なるシフト（ｋ）での一連の内積を意味することに留意されたい。以上のように、図１５ｃのＦＩＲアプローチは、単純なレジスタシフト操作と、図１５ｂのより複雑なＦＦＴ法と比較して単純な掛け算を意味する。ＦＩＲアプローチの繰り返しのシフトと掛け算は、より短いコード、Ｂにとって計算上より効果的であり得る。
【００７２】
工程（４２５）において、例えば１つ以上のドップラーシフトが工程（４１１）で検出される場合、他のドップラーシフトがあるかどうかが判定される。そうであれば、制御は、次のドップラーシフトで複素帰還スペクトルＦＦＴ（Ｓ）を補正するために工程（４２１）に戻される。そうでなければ、制御は工程（４２７）に進む。工程（４２７）で、ドップラーアンビギュイティは、もしあれば、例えば上記の一致処理によって除去される。走査中に生じる、いわゆる「分離画素」のシナリオに関するいくつかの可能性が存在する。そのようなシナリオでは、ビームは、その一部がある距離とドップラーの面を測定し、別の部分が異なる距離とドップラーを測定するように、切り取られてもよい。そのようなシナリオでは、すべての関連情報を抽出するために効果的な処理戦略が求められる。例えば、交差スペクトルは多数の０でないドップラー値を検知し得る。これは、多数のドップラー補正および相互相関をもたらすだろう。１つの戦略は、単交差相関に先立って、ドップラー補正された時間領域信号をコヒーレントに合計することである。これは、距離−ドップラーの組み合わせにおけるいくらかのアンビギュイティ、および最終的な距離プロファイルへの各補正信号の雑音成分の付加を犠牲にして、多数の相互相関の計算上の重荷を回避する。アンビギュイティは、アンビギュイティでない（単一の距離−ドップラー）ポイントへの空間的近接に基づいて「最も有望な」距離−ドップラーの組み合わせを見つけるように設計された空間一致アルゴリズムを用いて分類されてもよい。相加性雑音は、さほど重要ではないかもしれない。多数の帰還性能が幾人かのユーザーにとって望ましい場合もあるため、この処理戦略は考慮に値する。いくつかの実施形態では、工程（４２７）は省略され、制御は直接、工程（４３１）に向かう。
【００７３】
工程（４３１）において、例えば物体の場所に新たなスポットを見るための走査によって、物体の場所に照らされるべき別のスポットがあるかどうかが判定される。もしあれば、制御は、次のスポットを照らし、そして帰還を処理するために、工程（４０５）および続く工程に戻される。多地点平均を使用するいくつかの実施形態では、新たなスポットが平均に加えられ、および最も古いスポットが除去され、またはＰの新たなスポットが、工程（４０５）から（４０９）によって形成されたループにおいて回収される。他に照らすべきスポットがない場合、その結果が使用され、および制御は工程（４３３）に向かう。
【００７４】
工程（４３３）において、デバイス（例えば、車両）は、ドップラー効果または補正距離に基づいて操作される。いくつかの実施形態では、これは、送信光信号によって照らされた複数のスポットにある任意の物体のドップラー補正された位置を示す画像を、ディスプレイ装置に提示することを含む。いくつかの実施形態では、これは、デバイスに、送信光信号によって照らされた複数のスポットにドップラー補正された位置の点群に基づいて少なくとも１つの物体を識別するデータを通信することを含む。いくつかの実施形態では、これは、送信光信号によって照らされた複数のスポットにおけるドップラー効果のサイズを示す画像をディスプレイ装置に提示する工程を含み、これによって、移動物体は静止物体と不在物体から区別される。いくつかの実施形態では、これは、物体との衝突を回避するために車両を移動させることを含み、ここで車両と物体との閉止速度は、送信光信号によって照らされた複数のスポットにおけるドップラー効果のサイズに基づいて判定される。いくつかの実施形態では、これは、送信光信号によって照らされる複数のスポットにおけるドップラー補正位置の点群に基づいた、車両の識別、または衝突進路上の物体の識別を含む。ドップラーに基づいた点群データのフィルタリングは、そよ風で動いていることもある植物を識別し、除去する効果を有する。固い物体、人工の物体、あるいは高密度の物体がその後、フィルタリングプロセスによってよりよく明らかにされる。これは、保護と監視のシナリオにおいて有利になり得る。車両シナリオでは、ドップラーは、物体（つまり道路表面と移動車両）を分離するために使用され得る。
【００７５】
単一の帰還に対して多数のドップラーシフトを有するいくつかの実施形態では、工程（４３３）は、ドップラーシフトの１つに各遅延時間を関連づけ、特定の帰還が、１つの送信信号の持続時間にわたって特定の平均速度で移動している物体または物体の一部に基づくと仮定することを含む。任意のドップラー補正に関して、そのドップラー補正に関連するそれらの距離ピークのみが、相互相関に存在する。したがって、多数の実例において、任意の距離とドップラーを不正確に組み合わせることは起こりそうもない。言い換えれば、このアプローチのアンビギュイティ関数は、混乱がありえないことを保証する。これは、「ドップラーアンビギュイティスペース」を示す図１０に関して、以下の実施形態例で実証される。この画像は、可能性のあるドップラー補正の幅広いセットに及ぶ相互相関を計算することにより、距離−ドップラースペースをマッピングして生成された。点は帰還を示し、およびスペースは実際に非常にまばらである。
【００７６】
＜４．実例となる実施形態＞
これらの例実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、位相符号化光送信信号を生成するために上記に例示されるコンポーネントを使用した。これらの実施形態では、シンボル時間（パルス幅）は２ナノセカンド（ｎｓ、１ｎｓ＝１０〜９秒）であり、１ブロック当たりのシンボルの数Ｎは２０４８であり、およびブロックの数は５であった。約０〜約２５０メートルの範囲の様々な標的が使用され、直径約５〜約２０ｍｍのビームスポットサイズで照らされた。
【００７７】
図５Ａは、一実施形態に係る、有意なドップラーシフトを導入しない実質的に静止した物体のための光検知器による、電気的な同相（Ｉ）と直角（Ｑ）の出力の例を例示するグラフである。横軸は、マイクロセカンド（μ、１μｓ＝１０〜６秒）で０の開始時間からの到着時間を示す。縦軸は、ボルトで電気信号を示す。図は、ＩをＣｈ１、ＱをＣｈ２、およびμｓをｕｓとして標識する。データは、２０４８パルスの単一ブロックごとにプロットされる。図５Ｂは、一実施形態に係る、有意なドップラーシフトを導入する移動物体のための光検知器による、電気的増幅の直角の出力の例を例示するグラフである。横軸は、μｓでの０の開始時間からの到着時間を示す。垂直軸は、ボルトで電気信号を示す。図は、ＩをＣｈ１、ＱをＣｈ２、およびμｓをｕｓとして標識する。帰還のドップラー成分は、約３ＭＨｚのドップラーシフトに対応する、同相Ｃｈ１および直角位相Ｃｈ２信号の両方における約０．３μｓの期間の正弦波パターンとして明白である。この例は１．５５ミクロンの波長（１９３．４１４４８９ＴＨｚ）を使用し、したがってこれは約４．７ｍ／ｓの速度を示した。このドップラー効果は、符号化位相ｅｘｐ（ｉＢ（ｔ））と生の信号の相関に干渉する。
【００７８】
図６Ａは、一実施形態に係る、有意なドップラーシフトを導入しない、実質的に静止した物体に関する帰還信号の同相分と直角分の交差スペクトルの例を例示するグラフである。横軸は、０〜４５０ＭＨｚのスパンを超えるメガヘルツ単位の周波数を示す。縦軸は、任意の単位で交差スペクトルの虚数成分の振幅を示し、−２０〜＋２０まで拡張する。方程式１２によって示されるように、例えばこの振幅は、ドップラーシフト周波数でピークを現わすと予想される；したがって図の垂直軸は、ドップラー帰還と呼ばれる。図６Ａのトレースは明白なピークを示さない；したがって、標的はＬＩＤＡＲシステムに対して移動せず、およびドップラー補償は必要ではなく、または適用されない。
【００７９】
図６Ｂと図６Ｃは、一実施形態に係る、有意なドップラーシフトを導入しない、移動物体に関する帰還信号の同相分と直角分の交差スペクトルの例を例示するグラフである。図６Ｂでは、横軸はメガヘルツで周波数を示し、および図６Ａと同じ範囲に及ぶ。縦軸は、任意の単位で（ドップラー帰還を示す）交差スペクトルの虚数成分の振幅を示し、さらに図６Ａと同じ範囲に及ぶ。図６Ｂのトレースは、約１０ＭＨｚより低い低周波でかなりの振幅を示す；したがって、いくつかの物体は、ＬＩＤＡＲシステムに対して動いており、およびいくつかのドップラー補償は様々な実施形態で適用される。図６Ｃでは、トレースの低周波部分が拡大されている。横軸はメガヘルツで周波数を示し、図６Ａにおける距離の１／４５に及び、１０ＭＨｚのみまで拡張する。縦軸は、任意の単位で（ドップラー帰還を示す）交差スペクトルの虚数成分の振幅を示す；および、０〜１２０、図６Ａと図６Ｂの垂直軸の範囲の３倍、および以前のプロットの縦軸の正の部分の６倍まで拡張する。トレースは、１１０の任意のユニットを超える値を有する３ＭＨｚでの明確なピークを示す。
【００８０】
Ｍブロックに対するインコヒーレント平均化は、静止物体に関して図７Ａから図７Ｄに例示されるように雑音を減らす。図７Ａと図７Ｂは、一実施形態に係る、送信信号のいくつかのブロックに対して平均されることなく、実質的に静止した物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）のトレースの例を例示するグラフである。図７Ａでは、横軸は、マイクロセカンド（μｓ、ｕｓと標識）で旅行時間を示し、および０〜２マイクロセカンドの旅行時間に及ぶ。縦軸は、任意の単位で（後方散乱された帰還信号を示す）相互相関の振幅を示す。図７Ａのトレースは、２つの旅行時間、０および約０．２μｓにおいてかなりの振幅を示す。時間＝０近くの大きなピークは、偏光ビームスプリッタ（３２２）からの帰還であり、および時間＝０．２μｓ（ｕｓ）近くのより短いピークは、標的物体からの帰還である。図７Ｂでは、トレースの短い旅行時間部分が拡大されている。横軸はマイクロセカンド（ｕｓ）で時間を示し、および図７Ａの距離の１／５に及び、０．４μｓ（ｕｓ）だけ拡張する。縦軸は図７Ａの縦軸と同じである。両トレースは、０．２μｓで後方散乱された帰還を示しているが、トレースには少々、雑音が多く、これによってピークの自動検出と特性評価を困難にする。旅行時間遅延Δｔ＝０．２μｓのピークは、光速度に関する約３０メートル（ｍ）の距離、方程式３に係る、秒速（ｍ／ｓ）あたりｃ＝３×１０８メートルに対応する。
【００８１】
図７Ｃと図７Ｄは、一実施形態に係る、送信信号のいくつかのブロックに対して平均した、実質的に静止した物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）のトレースの例を例示するグラフである。横軸と縦軸はそれぞれ図７Ａと図７Ｂと同様である。ここでも、両トレースは、０．２μｓで後方散乱された帰還を示す。しかしながら、図７Ａと図７Ｂと比較して、図７Ｃと図７Ｄのトレースはそれぞれ、明らかに雑音が少なく、これによってピークの自動検出と特性評価はより容易になる。
【００８２】
本明細書に記載されるように、平均化とドップラー補償を用いて、物体への正確な距離が判定され得る。図８Ａと図８Ｂは、一実施形態に係る、ドップラー補償を用いた、移動物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）のトレースの例を例示するグラフである。図８Ａでは、横軸は、マイクロセカンド（ｕｓ）で旅行時間を示し、および０〜４マイクロセカンド（ｕｓ標識）の旅行時間に及び、図７Ａと図７Ｃの横軸の２倍のスパンである。縦軸は、任意の単位で（後方散乱された帰還信号を示す）相互相関の振幅を示し、０〜２５、図７Ａから図７Ｄの縦軸のスパンの３倍以上に及ぶ。図８Ａのトレースは、１つの旅行時間、約０．１でかなりの振幅を示す。図８Ｂでは、トレースの短い旅行時間部分が拡大されている。横軸はマイクロセカンド（ｕｓ）で時間を示し、および図８Ａの距離の１／１９に及び、０．４μｓ（ｕｓ）だけ拡張する。縦軸は図８Ａの縦軸と同じである。往復旅行時間を示すピークは、約０．０５μｓで図８Ｂのトレースに明確に示され、これは、方程式３に従い、光速度に関し約７．５メートル（ｍ）の距離、秒速（ｍ／ｓ）ｃ＝３×１０８メートルに対応する。図８Ａと図８Ｂでは、ＰＢＳ（３２２）からの帰還は、ドップラー保守ゆえに距離プロファイルに存在しない。
【００８３】
図９Ａは、一実施形態に係る、同相光信号と直角光信号へ分離されない混合光信号に基づいたドップラー補償で、移動物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）のトレースの例を例示するグラフである。横軸は、マイクロセカンドで時間を示す（μｓ、略語で示す）；および垂直軸は、検出された帰還信号を示す相互相関を示す。本実施形態において、標的は、活発に回転するファンブレードであった。該構成は、図３Ａに描かれる混合光信号（３６２）の実数部だけを使用し、これは同相分（Ｉ）と直角分（Ｑ）を分離させない。トレースは、帰還が約０．２μｓで検出されることを示す。
【００８４】
図９Ｂは、一実施形態に係る、同相光信号と直角光信号へ分離される混合光信号に基づいたドップラー補償で、移動物体に関する帰還信号の相互相関振幅 対 時間（距離プロファイル）の上位トレースの例を例示するグラフである。横軸はマイクロセカンド単位で時間を示す（μｓ、略語ｕｓによって示す）；および垂直軸は、帰還信号を示す相互相関が検出されたことを示す。本実施形態において、標的は、図９Ａのデータに使用されたものと同じ活発に回転するファンブレードであった。この構成は、図３Ｂで光信号（３６４）として示される分離された同相分（Ｉ）と直角分（Ｑ）を使用する。トレースは、帰還が約０．２μｓで再度検出されることを示す；しかし本実施形態において、相互相関ははるかに高い。これは、光学混合器から同相および直角の光信号を分離することを使用する技術が、騒音に対してより堅調であり、かつより長い距離で十分な検知を提供する可能性がより高いことを示す。
【００８５】
図１０は、一実施形態に係る、容易に識別されるドップラー効果を示すための、ドップラーアンビギュイティスペースの例を例示するグラフである。この画像は、可能性のあるドップラー補正の幅広いセットに及ぶ相互相関を計算することにより、距離−ドップラースペースをマッピングして生成された。横軸は、ＭＨｚでドップラー周波数を示す；および垂直軸は、メートルで距離を示す。相互相関の強度は画素の暗さによって示される。ダーク画素のみが、デバイスを離れず、したがってドップラーのないサーキュレータ出力を示す領域（１０１５）、および約２７メートルの距離で約１７ＭＨｚのドップラーを示す領域（１０１６）に存在する。スペースは実際、非常にまばらである。
【００８６】
システムにおいて物体表面からの後方反射は、距離プロファイルにおける一連の非常に大きな距離帰還に寄与することが実験でわかった。これらの大きな帰還は、現実の標的からのより小さな距離帰還を不明瞭にし得る、距離プロファイルにおける大きなサイドローブ構造をもたらす（位相コードとの相互相関のパワー 対 距離ビンに対応する時間区間）。この問題と闘うために、コヒーレント処理スキームが、サーキュレータ光学に関する信号の部分の推定値を引くために考案された（図４の工程（４０９）と（４１０）に関連して上記されるように）。このアプローチは、いくつかの（約３２より多くの）続くコードに対する、サーキュレータ光学からの帰還のコヒーレンスに依存する。早晩、これは少なくとも数十マイクロセカンドになるだろう。サーキュレータ帰還がビームの走査中に安定しているため、安定性の持続期間にわたる時間のブロックのコヒーレント平均（複素数を使用）は、サーキュレータ光学に関する信号の部分を推定するのに十分である。ビームが走査していると、真の標的に関する信号は一貫しない；および、これらのコンポーネントは、この操作において平均的な線に落ち着く。進行中の補正、ＳＳ（ｔ）により、それは、コードブロックのサブセットから複素ベクトルをコヒーレントに引くことによって適用される。結果は、サーキュレータ距離の帰還と関連するサイドローブの強度における極めて効果的な減少である。
【００８７】
図１２Ａから図１２Ｄは、一実施形態に係る、内部光からの帰還を取り除くための補正の前と後の距離信号の例を例示するグラフである。図１２Ａでは、横軸は、０〜４０００ｍ以上のメートルで、距離ビンを示す；および縦軸は、基準に対するデシベル（ｄＢ、１ｄＢ＝ｌｏｇ（ｙ／ｙ０））で相互相関電力を示す。トレースは、３２のスポットの平均を引く前の相関ピークを示す。大きなピークは約１００ｍで現れ、および約２０００ｍでより小さなピークが現われる。図１２Ｂでは、軸は同じであるが、トレースは、平均３２のスポットを引くことにより補正された後に相関ピークを示す。内部光学コンポーネント（ここでは、ＰＢＳ（３２２）の代わりに使用されるサーキュレータ）に起因する約１００ｍの偽ピークは大幅に縮小され、および実際の外部物体に起因する約２０００ｍのピークは、いくらか高められる。これは図１２Ｃと図１２Ｄにより明確に示され、前者は、内部光学コンポーネントからの帰還に近いゾーンＡの領域を拡大しており、および後者は、外部物体からの実際の帰還近くのゾーンＡの領域を拡大している。図１２Ｃは、６０〜９０メートルの多数の偽反射を示す実線のトレースを示し、これは、補正距離プロファイルを示す破線のトレースでほぼ完全に取り除かれる。図１２Ｄは、約１８５０ｍでの実際のピークを示す実線のトレースを示し、これは、補正距離プロファイルを示す破線のトレースにおいて約１０％高められている。この補正は、図１３の歩行者の画像を生成するために使用された。
【００８８】
図１３は、一実施形態に係る、成功裡に処理された多数の異なるドップラーシフトを伴う多数の距離帰還の例を例示する画像である。この画像は、水平方向に＋／−２５度（５０度の水平視野）と、１０度を超える垂直視野との間で収集された。場所は、垂直のジッパーパターンを伴う１０Ｈｚのフレーム速度で走査された。２０４８のコードが利用された。これは、６２５Ｍｂｐｓの速度で行われ、および信号は１．２５Ｇｓｐｓでサンプリングされた。データは処理され、記載されるアルゴリズムのＣＵＤＡ実装を使用してリアルタイムで保存された。場面は、数人が歩き回っている駐車場であった。１０度の頂角は歩行者の脚と足を捕らえた。示されたいくつかのフレームの合成物が、センサーに向かって、およびセンサーから離れるように異なる速度で歩く人々の追跡を示すように、採色はドップラー値を示す。
【００８９】
様々な実施形態では、標的識別、空間の分解能と精度、および対象速度の分解能と精度の望ましいタイプは、上記のシステムの１つ以上のパラメータに関する値を選択するために使用される。そのようなパラメータは、コード長、コードブロック長、平均用のコードブロックの数、（設計されたコードを調べる）コード自体、長距離でのより良好な検知のための信号とコード間のシフト、速度の最適化、データ収集レート、位相変調の深度、伝達されたレーザパワー、レーザースポットサイズ、走査方法および走査パターンの１つ以上を含む。
【００９０】
＜５．コンピュータハードウェアの概略＞
図１４は、本発明の実施形態が実施され得るコンピューターシステム（１４００）を例示するブロック図である。コンピュータシステム（１４００）は、コンピュータシステム（１４００）の他の内部コンポーネントと外部コンポーネントとの間の情報を送信するためのバス（１４１０）等の通信メカニズムを含む。情報は、測定可能な現象の物理的な信号として表され、典型的には電気の電圧であり、他の実施形態では、磁気、電磁気、圧力、化学薬品、分子の原子と量子の相互作用等の現象が含まれる。例えば、北と南の磁場、または０および０でない電気的電圧は、２進数字（ビット）の２つの状態（０，１）を表す。他の現象は、より高い基数のデジットを表すことができる。測定前の多数の同時量子状態の重ね合せは、量子ビット（キュービット）を表す。１つ以上の数字列は、文字のための数またはコードを表すために使用されるデジタルデータを構成する。いくつかの実施形態では、アナログデータと呼ばれる情報は、特定の範囲内の測定可能な値の近い連続体によって表される。コンピュータシステム（１４００）またはその一部は、本明細書に記載される１つ以上の方法の１つ以上の工程を行うための手段を構成する。
【００９１】
２進数字の配列は、文字のための数またはコードを表すために使用されるデジタルデータを構成する。バス（１４１０）は、バス（１４１０）に接続されたデバイス間を情報が素早く運ばれるように、多くの平行する情報のコンダクタを含む。情報を処理するための１つ以上のプロセッサ（１４０２）は、バス（１４１０）に接続される。プロセッサ（１４０２）は、情報に１セットの動作を行なう。動作のセットは、バス（１４１０）から情報を持ち込み、およびバス（１４１０）に情報を配置することを含む。動作のセットはさらに、典型的には、情報の２つ以上のユニットを比較し、情報のユニットの位置を変え、および加算または乗算等によって情報の２つ以上のユニットを結合することを含む。プロセッサ（１４０２）によって実行される動作の配列は、コンピュータ命令を構成する。
【００９２】
コンピュータシステム（１４００）はまた、バス（１４１０）に接続されたメモリ（１４０４）を含む。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等のメモリ（１４０４）は、コンピュータ命令を含む情報を保存する。ダイナミックメモリは、そこに保存された情報が、コンピュータシステム（１４００）によって変更されることを許可する。ＲＡＭは、メモリアドレスと呼ばれる場所に保存された情報のユニットが、隣接アドレスに保存された情報とは無関係に保存され、かつ取り出されることを許可する。メモリ（１４０４）はまた、コンピュータ命令の実行中に一時的に値を保存するために、プロセッサ（１４０２）によって使用される。コンピュータシステム（１４００）はまた、コンピュータシステム（１４００）によって変更されない、命令を含む静的な情報を保存するための、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）（１４０６）、またはバス（１４１０）に接続された他の静的記憶装置を含む。さらにバス（１４１０）に接続されるのは、コンピュータシステム（１４００）が切れら、またはそうでなければ電力を失った場合でさえも持続する、命令を含む情報を保存するための磁気ディスクまたは光ディスク等の不揮発性の（持続的）記憶装置（１４０８）である。
【００９３】
命令を含む情報は、人間のユーザーによって操作される英数字キーを含むキーボードまたはセンサー等の外部入力装置（１４１２）から、プロセッサによって使用されるバス（１４１０）に提供される。センサーは、その近位の状態を検出し、およびコンピュータシステム（１４００）に情報を表示するために使用される信号と互換性のある信号に、そのような検出を変換する。主にヒトとのインタラクトに使用される、バス（１４１０）に接続された他の外部デバイスは、ブラウン管（ＣＲＴ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の、画像を提示するためのディスプレイ装置（１４１４）、およびマウスまたはトラックボールまたはカーソル指令キー等の、ディスプレイ（１４１４）上に提示される小さなカーソル画像の位置を制御するための、およびディスプレイ（１４１４）に提示されるグラフィカル要素に関連するコマンドを発するための、ポインティングディバイス（１４１６）を含む。
【００９４】
例示された実施形態では、特定用途向け集積回路（ＩＣ）（１４２０）等の専用ハードウェアが、バス（１４１０）に接続される。専用ハードウェアは、特定の目的のためにプロセッサ（１４０２）によって十分な速度では行われない動作を行うように構成される。特定用途向けＩＣの例として、ディスプレイ（１４１４）に画像を生成するためのグラフィックスアクセラレータカード、ネットワーク経由で送信されたメッセージの暗号化と解読のための暗号ボード、および、ハードウェアにより効果的に実装されるいくつかの複雑な配列の動作を繰り返し行うロボットアームおよび医療走査機器等の、特別な外部デバイスへのインタフェースがあげられる。
【００９５】
コンピュータシステム（１４００）はまた、バス（１４１０）に接続された通信インターフェース（１４７０）の１つ以上の実例を含む。通信インターフェース（１４７０）は、プリンタ、スキャナ、および外付けディスク等の、それ自体のプロセッサにより動作する様々な外部デバイスへの双方向通信での接続を提供する。一般に、接続は、それ自体のプロセッサを有する様々な外部デバイスが接続されるローカルネットワーク（１４８０）に接続されたネットワークリンク（１４７８）を用いる。例えば、通信インターフェース（１４７０）は、パソコンにあるパラレルポートまたはシリアルポートまたはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）であってもよい。いくつかの実施形態では、通信インターフェース（１４７０）は、対応するタイプの電話線に情報通信接続を提供する、ＩＳＤＮ（ｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｓｅｒｖｉｃｅｓ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｎｅｔｗｏｒｋ）カード、またはデジタル加入者線（ＤＳＬ）カード、または電話モデムである。いくつかの実施形態では、通信インターフェース（１４７０）は、バス（１４１０）上の信号を同軸ケーブルを経由した通信接続のための信号、または光ファイバーケーブルを経由した通信接続のための光信号に変換するケーブルモデムである。他の例として、通信インターフェース（１４７０）は、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ等の、互換性のあるＬＡＮへのデータ通信接続を提供するローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）カードであってもよい。無線リンクもまた、実装されてもよい。電波と光波と赤外線波を含む、音波と電磁波等の光搬送波は、ワイヤまたはケーブルのない空間を移動する。信号は、振幅、周波数、位相、偏波、または搬送波の他の物理的性質に人工的な変動を含む。無線リンクについては、通信インターフェース（１４７０）は、デジタルデータ等の情報の流れを運ぶ、赤外線信号と光信号を含む電気信号、聴覚信号、または電磁気信号を送受信する。
【００９６】
コンピュータ可読媒体という用語は、実行のための命令を含む、プロセッサ（１４０２）への情報の提供に関与するあらゆる媒体を指して、本明細書において使用される。そのような媒体は、限定されないが、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含む形態であってもよい。不揮発性媒体として、例えば記憶装置（１４０８）等の光学ディスクまたは磁気ディスクがあげられる。揮発性媒体として、例えばダイナミックメモリ（１４０４）があげられる。伝送媒体として、例えば、光波と電波と赤外線波を含む音波および電磁波等の、ワイヤまたはケーブルなしで空間内を移動する同軸ケーブル、銅線、光ファイバーケーブル、および電波があげられる。コンピュータ可読記憶媒体という用語は、伝送媒体を除き、プロセッサ（１４０２）への情報の提供に関与するあらゆる媒体を指して、本明細書において使用される。
【００９７】
コンピュータ可読媒体の一般的な形態として、例えば、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、または他の磁気メディア、コンパクトディスクＲＯＭ（ＣＤ−ＲＯＭ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、または他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、または穴のパターンを有する他の物理的媒体、ＲＡＭ、プログラマブルＲＯＭ（ＰＲＯＭ）、消去可能なＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、または他のメモリチップまたはカートリッジ、搬送波、またはコンピュータによる読み取りが可能な他の媒体があげられる。非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、搬送波と他の信号を除き、プロセッサ（１４０２）への情報の提供に関与するあらゆる媒体を指し、本明細書において使用される。
【００９８】
１つ以上の触知可能な媒体に符号化された論理は、ＡＳＩＣ（１４２０）等の、コンピュータ可読記憶媒体および専用ハードウェアにある一方または両方のプロセッサ命令を含む。
【００９９】
ネットワークリンク（１４７８）は典型的に、情報を使用し、または処理する他のデバイスに１つ以上のネットワークを通じた情報通信を提供する。例えば、ネットワークリンク（１４７８）は、ローカルネットワーク（１４８０）経由の接続をホストコンピュータ（１４８２）、またはインターネットサービスプロバイダー（ＩＳＰ）によって操作される機器（１４８４）に提供してもよい。ＩＳＰ機器（１４８４）は次に、今日では一般にインターネット（１４９０）と呼ばれるネットワークの、公共の、ワールドワイドなパケット交換通信網を通じたデータ通信サービスを提供する。インターネットに接続されたサーバー（１４９２）と呼ばれるコンピュータは、インターネット経由で受信された情報に応じてサービスを提供する。例えば、サーバー（１４９２）は、ディスプレイ（１４１４）に提示するために、ビデオデータを表す情報を提供する。
【０１００】
本発明は、本明細書に記載の技術を実施するためのコンピュータシステム（１４００）の使用に関する。本発明の一実施形態によれば、それらの技術は、メモリ（１４０４）に含まれる１つ以上の命令の１つ以上の配列を実行するプロセッサ（１４０２）に応答してコンピュータシステム（１４００）によって行なわれる。ソフトウェアおよびプログラムコードとも呼ばれるそのような命令は、記憶装置（１４０８）等の他のコンピュータ可読媒体からメモリ（１４０４）に読み込まれてもよい。メモリ（１４０４）に含まれる命令の配列の実行により、プロセッサ（１４０２）は本明細書に記載される方法の工程を行なう。代替的な実施形態では、特定用途向け集積回路（１４２０）等のハードウェアは、本発明を実行するためにソフトウェアの代わりに、またはそのソフトウェアと組み合わせて使用されてもよい。したがって、本発明の実施形態は、ハードウェアとソフトウェアの特定の組み合わせに制限されない。
【０１０１】
通信インターフェース（１４７０）を介したネットワークリンク（１４７８）および他のネットワークを経由して送信された信号は、コンピュータシステム（１４００）を行き交う情報を運ぶ。コンピュータシステム（１４００）は、とりわけネットワーク（１４８０）（１４９０）を通じて、ネットワークリンク（１４７８）と通信インターフェース（１４７０）を通じて、プログラムコードを含む情報を送受信することができる。インターネット（１４９０）を使用する例では、サーバー（１４９２）は、インターネット（１４９０）、ＩＳＰ機器（１４８４）、ローカルネットワーク（１４８０）、および通信インターフェース（１４７０）を通じて、コンピュータ（１４００）から送信されたメッセージによって要求される特定のアプリケーション用のプログラムコードを伝達する。受信されたコードは、それが受信されると、または後の実行のために記憶装置（１４０８）または他の不揮発性記憶装置に保存され得ると、またはその両方であると、プロセッサ（１４０２）によって実行され得る。このように、コンピュータシステム（１４００）は、搬送波上の信号の形でアプリケーションプログラムコードを獲得してもよい。
【０１０２】
コンピュータ可読媒体の様々な形態が、実行のためのプロセッサ（１４０２）に対する命令またはデータの配列の１つ以上またはそれらの両方を運ぶことに関与する場合もある。例えば、命令とデータはまず、ホスト（１４８２）等の遠隔コンピュータの磁気ディスク上で運ばれてもよい。遠隔コンピュータは、そのダイナミックメモリに命令とデータをロードし、そしてモデムを使用し、電話線を通じて命令とデータを送る。コンピュータシステム（１４００）に局所的なモデムは、電話線経由で命令とデータを受信し、および命令とデータを、ネットワークリンク（１４７８）の役目を担う赤外線搬送波上の信号に変換するために赤外線送信器を使用する。通信インターフェース（１４７０）として機能する赤外線検出器は、赤外線信号において搬送される命令とデータを受信し、および命令とデータを表す情報をバス（１４１０）に配置する。バス（１４１０）は、メモリ（１４０４）に情報を運び、命令と共に送信されたデータのいくつかを使用してプロセッサ（１４０２）はメモリ（１４０４）から命令を取り出し実行する。メモリ（１４０４）で受信される命令とデータは随意に、プロセッサ（１４０２）による実行の前または後に、記憶装置（１４０８）に保存され得る。
【０１０３】
図１５は、本発明の実施形態が実装され得るチップセット（１５００）を例示する。チップセット（１５００）は、本明細書に記載される方法の１つ以上の工程を行なうようにプログラムされ、例えば、１つ以上の物理的なパッケージ（例えばチップ）に組み込まれた図１４に関して記載されるプロセッサとメモリコンポーネントを含む。例えば、物理的なパッケージは、物理強度、サイズの保存、および／または電気的な相互作用の限界等の１つ以上の特性を提供するために、構造アセンブリ（例えばベースボード）上に１つ以上の物質、コンポーネント、および／またはワイヤの構成を含む。特定の実施形態では、チップセットが単一のチップに実装可能であることが熟考される。チップセット（１５００）またはその一部は、本明細書に記載される方法の１つ以上の工程を行なうための手段を構成する。
【０１０４】
一実施形態では、チップセット（１５００）は、チップセット（１５００）のコンポーネント間で情報を送信するためのバス（１５０１）等の通信メカニズムを含む。プロセッサ（１５０３）は、命令を実行し、かつ例えばメモリ（１５０５）に保存された情報を処理するために、バス（１５０１）への接続性を有している。プロセッサ（１５０３）は、独立して動作するように構成された各コアを有する１つ以上の処理コアを含んでもよい。マルチコアプロセッサは、単一の物理的なパッケージ内で多重プロセッシングを可能にする。マルチコアプロセッサの例には、２、４、８、またはより多くの処理コアが含まれる。代替的にまたは付加的に、プロセッサ（１５０３）は、命令の独立した実行、パイプライン方式、およびマルチスレッディングを可能にするために、バス（１５０１）を介して縦並びに構成された１つ以上のマイクロプロセッサを含んでもよい。プロセッサ（１５０３）はまた、１つ以上のデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）（１５０７）または１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）（１５０９）等の、特定の処理機能とタスクを行うための１つ以上の専用コンポーネントを伴ってもよい。ＤＳＰ（１５０７）は典型的に、プロセッサ（１５０３）と無関係にリアルタイムで現実世界の信号（例えば音）を処理するように構成される。同様に、ＡＳＩＣ（１５０９）は、一般的な目的のためのプロセッサによって容易には行なわれない特殊な機能を行うように構成することができる。本明細書に記載される創造性のある機能を行なうのを助ける他の専用コンポーネントは、１つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）（図示せず）、１つ以上のコントローラ（図示せず）、または１つ以上の他の専用計算機チップを含む。
【０１０５】
プロセッサ（１５０３）と付随するコンポーネントは、バス（１５０１）経由でのメモリ（１５０５）への接続性を有している。メモリ（１５０５）は、実行された時に本明細書に記載の１つ以上の工程を行う実行可能な命令を保存するための、ダイナミックメモリ（例えばＲＡＭ、磁気ディスク、書き込み可能な光ディスク等）とスタティックメモリ（例えばＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等）の両方を含む。メモリ（１５０５）はまた、本明細書に記載の方法の１つ以上の工程に関連する、またはその実行によって生成されるデータを保存する。
【０１０６】
＜６．変更、拡張、および修正＞
前述の詳細な説明において、本発明は、その特定の実施形態に関連して記載されてきた。しかしながら、様々な修正および変更が、本発明のより広い精神と範囲から逸脱することなくなされ得ることは明らかであろう。明細書および図面は、したがって、限定的意味ではなく例示的意味でとらえられる。この明細書と特許請求の範囲の全体にわたって、文脈が他で要求しない限り、単語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」と「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等のその変化形は、記載されるアイテム、要素または工程、あるいはアイテム、要素または工程のグループを包含するが、他のアイテム、要素または工程、あるいはアイテム、要素または工程のグループを除外しないことを意味すると理解される。さらに、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、冠詞によって修飾されたアイテム、要素または工程の１つ以上を示すことを意味する。本明細書で使用されるように、文脈から明確でない限り、値は、他の値の２倍（２倍または１／２）の範囲にあれば、「約」別の値である。範囲の例が提供されるが、文脈から明確でない限り、包含される範囲が様々な実施形態でも意図される。したがって、０〜１０の範囲は、いくつかの実施形態では範囲１〜４を含む。
【０１０７】
＜７．参考文献＞
以下の参考文献が本明細書に引用され、本明細書で使用されるものと一致しない用語を除いて、本明細書で完全に明記されているかのように、その各々の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。
Ｆｏｕｃｒａｓ，Ｍ．ｅｔ ａｌ．，２０１４，“Ｄｅｔａｉｌｅｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｄｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｏｎ ｔｈｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｎｅｗ ＧＮＳＳ Ｓｉｇｎａｌｓ，”ＩＯＮ ＩＴＭ ２０１４，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ．Ｊａｎ ２０１４．
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【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１Ｅ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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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１２Ｄ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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