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JP7645368B2 - Method for compensating for phase impairments in a light detection and ranging (LIDAR) system - Google Patents
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Description

本願は、米国特許法第119条(e)に基づく2020年10月9日に出願された米国仮特許出願第63/089,886号、および2021年6月1日に出願された米国特許出願第17/335,530号の優先権を主張するものであり、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。 This application claims priority under 35 U.S.C. §119(e) to U.S. Provisional Patent Application No. 63/089,886, filed October 9, 2020, and U.S. Patent Application No. 17/335,530, filed June 1, 2021, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

本開示は、光検出および測距(LIDAR)システムに関する。 This disclosure relates to light detection and ranging (LIDAR) systems.

従来の周波数変調連続波(FMCW)LIDARシステムには、レーザの位相ノイズ、回路の位相ノイズ、レーザの駆動用電子部品が発するフリッカノイズ、温度/天候によるドリフト、チャープレートオフセットなどの位相障害が含まれている。これらの障害は、検出確率の低下、誤警報および距離/速度のバイアスの増加を引き起こし、さらに、推定ターゲット距離/速度の誤差の増加を引き起こす。 Conventional frequency modulated continuous wave (FMCW) LIDAR systems contain phase impairments such as laser phase noise, circuit phase noise, flicker noise from the laser driving electronics, temperature/weather drift, chirp rate offset, etc. These impairments cause reduced detection probability, increased false alarms and range/velocity bias, and also increased error in estimated target range/velocity.

本開示は、特に、LIDARシステムによって経験され得る位相障害を緩和するLIDARシステムおよび方法の様々な実施形態を説明する。本発明の実施形態は、ドップラー補正された位相障害補正を導入する機能を含む。 This disclosure describes various embodiments of LIDAR systems and methods that, among other things, mitigate phase disturbances that may be experienced by a LIDAR system. Embodiments of the invention include the ability to introduce Doppler-corrected phase disturbance corrections.

一つの側面によれば、本開示は、光検出および測距(LIDAR)システムにおける位相障害を補償する方法に関する。
この方法は、ターゲットに向けて第1の光ビームを送信するステップと、前記第1の光ビームに基づいて前記ターゲットからの第2の光ビームを受信してリターン信号を生成するステップと、局部発振器(LO)ビーム、第1の光検出器、および前記リターン信号を用いて、デジタルサンプリングされたターゲット信号を生成するステップと、を含む。
この方法はまた、推定エゴ(「エゴ」とは「自己」という意味、以下同じ)速度および推定ターゲット速度に基づいて、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号のエゴ速度およびターゲット速度を補償し、補償されたデジタルサンプリングされたターゲット信号を生成するステップを含む。
この方法はまた、ポイントクラウドに送信するために、前記補償されたデジタルサンプリングされたターゲット信号に対して位相障害補正を実行するステップを含む。一実施形態では、この方法はまた、前記エゴ速度は、1つ以上のモーションセンサを用いて測定された近接する対象物に基づいて計算された前記LIDARシステムの速度であり、前記LIDARシステムの前記エゴ速度を決定するステップを含む。
一実施形態では、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号の前記エゴ速度およびターゲット速度を補償するステップは、前記システムのエゴ速度の関数である第1の周波数シフトを、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に適用するステップと、前記第1の周波数シフトの共役である第2の周波数シフトを、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に適用するステップと、を含む。
一実施形態では、前記方法はまた、ファイバ遅延装置および第2の光検出器を介して送信される基準ビームを用いて、デジタルサンプリングされた基準信号を生成するステップを含み、かつ、ここで、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に対して位相障害補正を行うことは、前記局部発振器(LO)ビームおよび前記リターン信号によって、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に取り入れられた位相障害を補正することを含む。
一実施形態では、前記方法はまた、前記ターゲットの周辺において近接する検出ポイントの速度を決定するステップと、前記近接する検出ポイントの速度に基づいて、前記推定ターゲット速度を生成するステップと、を含む。一実施形態では、前記近接する検出ポイントの速度を決定するステップは、前記近接する検出ポイントの総てに対して標準の補正器を実行するステップと、前記近接する検出ポイントの速度の統計値を推定するステップと、を含む。一実施形態では、前記方法はまた、ポイントクラウド内の前記ターゲットの以前の検出ポイントの速度を決定するステップと、前記以前の検出ポイントの速度に基づいて前記推定ターゲット速度を生成するステップと、を含む。一実施形態では、前記ポイントクラウド内の前記ターゲットの以前の点の速度を決定するステップは、同一のスキャンライン上にある直前の検出ポイントの速度を決定するステップ、以前のスキャンラインからの検出ポイントの速度を決定するステップ、または、以前のスキャンフレームからの検出ポイントの速度を決定するステップ、を含む。
In accordance with one aspect, the present disclosure relates to a method for compensating for phase impairments in a Light Detection and Ranging (LIDAR) system.
The method includes the steps of transmitting a first optical beam toward a target, receiving a second optical beam from the target based on the first optical beam to generate a return signal, and generating a digitally sampled target signal using a local oscillator (LO) beam, a first optical detector, and the return signal.
The method also includes compensating ego velocity and target velocity of the digitally sampled target signal based on an estimated ego velocity and an estimated target velocity to generate a compensated digitally sampled target signal.
The method also includes performing a phase impairment correction on the compensated digitally sampled target signal for transmission to a point cloud. In one embodiment, the method also includes determining the ego velocity of the LIDAR system, where the ego velocity is a calculated velocity of the LIDAR system based on nearby objects measured using one or more motion sensors.
In one embodiment, compensating for the ego velocity and target velocity of the digitally sampled target signal includes applying a first frequency shift to the digitally sampled target signal that is a function of the ego velocity of the system, and applying a second frequency shift to the digitally sampled target signal that is a conjugate of the first frequency shift.
In one embodiment, the method also includes generating a digitally sampled reference signal using a reference beam transmitted through a fiber delay device and a second photodetector, and wherein performing phase impairment correction on the digitally sampled target signal includes correcting phase impairments introduced into the digitally sampled target signal by the local oscillator (LO) beam and the return signal.
In one embodiment, the method also includes determining a velocity of adjacent detection points around the target and generating the estimated target velocity based on the velocities of the adjacent detection points. In one embodiment, determining the velocity of the adjacent detection points includes running a standard corrector on all of the adjacent detection points and estimating statistics of the velocities of the adjacent detection points. In one embodiment, the method also includes determining a velocity of a previous detection point of the target in the point cloud and generating the estimated target velocity based on the velocities of the previous detection points. In one embodiment, determining the velocity of a previous point of the target in the point cloud includes determining the velocity of a previous detection point on the same scan line, determining the velocity of a detection point from a previous scan line, or determining the velocity of a detection point from a previous scan frame.

別の側面によれば、本開示は、ターゲットに対して第1の光ビームを送信する光ビーム源と、前記ターゲットからのリターン信号およびLOビームを受信し、デジタルサンプリングされたターゲット信号を生成する第1の光検出器と、既知の長さを有し、かつ、前記光ビーム源に結合されたファイバ遅延装置と、前記ファイバ遅延装置に結合されており、前記ファイバ遅延装置を介して送信される基準ビームを用いて、デジタルサンプリングされた基準信号を生成する第2の光検出器と、推定エゴ速度および推定ターゲット速度に基づいて、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号におけるエゴ速度およびターゲット速度を補償するための少なくとも2つの周波数シフタと、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に対して位相障害補正を行うデスキューフィルタと、を備えるLIDARシステムに関する。
一実施形態では、前記エゴ速度は、1つ以上のモーションセンサを用いて測定された近接する対象物に対する当該LIDARシステムの速度である。一実施形態では、前記少なくとも2つの周波数シフタは、前記システムのエゴ速度の関数である第1の周波数シフトを、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に適用する第1の周波数シフタと、前記前記第1の周波数シフトの共役である第2の周波数シフトを、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に適用する第2の周波数シフタと、を備える。一実施形態では、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に対する位相障害補正は、前記局部発振器(LO)ビームおよび前記リターン信号によって前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に取り入れられる位相障害を補正する。一実施形態では、前記LIDARシステムはまた、前記ターゲットの周辺において近接する検出ポイントの速度に基づいて、前記推定ターゲット速度を決定するように構成される。一実施形態では、前記LIDARシステムは、前記近接する検出ポイントの総てに対して標準補正を実行することにより、前記近接する検出ポイントの速度を決定し、かつ、前記近接する検出ポイントの速度の統計値を推定する。一実施形態では、前記LIDARシステムはまた、ポイントクラウド内の前記ターゲットの以前の検出ポイントの速度に基づいて前記推定ターゲット速度を決定するように構成されている。一実施形態では、前記LIDARシステムは、同じスキャンライン上の直前の検出ポイントの速度を決定すること、以前のスキャンライン上の検出ポイントの速度を決定すること、または、以前のスキャンフレーム上の検出ポイントの速度を決定することによって、前記以前の検出ポイントの速度を決定する。
According to another aspect, the present disclosure relates to a LIDAR system including an optical beam source that transmits a first optical beam to a target; a first optical detector that receives a return signal and an LO beam from the target and generates a digitally sampled target signal; a fiber delay device having a known length and coupled to the optical beam source; a second optical detector that is coupled to the fiber delay device and generates a digitally sampled reference signal using a reference beam transmitted through the fiber delay device; at least two frequency shifters for compensating ego velocity and target velocity in the digitally sampled target signal based on an estimated ego velocity and an estimated target velocity; and a deskew filter that provides phase impairment correction to the digitally sampled target signal.
In one embodiment, the ego velocity is the velocity of the LIDAR system relative to a nearby object measured using one or more motion sensors. In one embodiment, the at least two frequency shifters include a first frequency shifter that applies a first frequency shift to the digitally sampled target signal that is a function of the ego velocity of the system, and a second frequency shifter that applies a second frequency shift to the digitally sampled target signal that is a conjugate of the first frequency shift. In one embodiment, the phase impairment correction to the digitally sampled target signal corrects for phase impairments introduced into the digitally sampled target signal by the local oscillator (LO) beam and the return signal. In one embodiment, the LIDAR system is also configured to determine the estimated target velocity based on the velocities of nearby detection points around the target. In one embodiment, the LIDAR system determines the velocities of the nearby detection points by performing a standard correction on all of the nearby detection points and estimates the statistics of the velocities of the nearby detection points. In one embodiment, the LIDAR system is also configured to determine the estimated target velocity based on a velocity of a previous detection point of the target in a point cloud, hi one embodiment, the LIDAR system determines the velocity of the previous detection point by determining the velocity of a immediately preceding detection point on the same scan line, determining the velocity of a detection point on a previous scan line, or determining the velocity of a detection point on a previous scan frame.

別の側面によれば、本開示は、LIDARシステムにおける位相障害の補償方法に関する。
この方法は、当該LIDARシステムからターゲットに第1の光ビームを送信するステップと、当該LIDARシステムにおいて、前記ターゲットからのリターン信号を第1の光検出器で受信するステップと、ファイバ遅延装置および第2の光検出器を介して送信される基準ビームを用いて、デジタルサンプリングされた基準信号を生成するステップと、前記デジタルサンプリングされた基準信号を用いて当該LIDARシステムの1つ以上の位相障害を推定し、1つ以上の推定位相障害を生成するステップと、当該LIDARシステムのエゴ速度と推定ターゲット速度の関数である第1の周波数シフトを、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に適用するステップと、デスキューフィルタを用いてポイントクラウドに送信するために前記デジタルサンプリングされたターゲット信号の位相障害を調整するステップと、前記第1の周波数シフトの共役である第2の周波数シフトを、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に適用するステップと、を含む。
一実施形態では、デジタルサンプリングされたターゲット信号の位相障害を調整することは、局部発振器(LO)ビームおよび前記リターン信号によって、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に取り入れられた位相障害を補正するステップを含む。一実施形態では、前記方法はまた、前記ターゲットの周辺において近接する検出ポイントの速度を決定するステップと、前記近接する検出ポイントの速度に基づいて、前記推定ターゲット速度を生成するステップとを含む。一実施形態では、前記方法はまた、ポイントクラウド内の前記ターゲットの以前の検出ポイントの速度を決定するステップと、前記以前の検出ポイントの速度に基づいて前記推定ターゲット速度を生成するステップと、を含む。
In another aspect, the present disclosure relates to a method for compensating for phase disturbances in a LIDAR system.
The method includes transmitting a first light beam from the LIDAR system to a target; receiving a return signal from the target at a first photodetector in the LIDAR system; generating a digitally sampled reference signal using a reference beam transmitted through a fiber delay and a second photodetector; estimating one or more phase impairments of the LIDAR system using the digitally sampled reference signal to generate one or more estimated phase impairments; applying a first frequency shift to the digitally sampled target signal, the first frequency shift being a function of an ego velocity of the LIDAR system and an estimated target velocity; adjusting for phase impairments of the digitally sampled target signal for transmission to a point cloud using a deskew filter; and applying a second frequency shift to the digitally sampled target signal, the second frequency shift being a conjugate of the first frequency shift.
In one embodiment, adjusting for phase impairments in a digitally sampled target signal includes correcting for phase impairments introduced into the digitally sampled target signal by a local oscillator (LO) beam and the return signal. In one embodiment, the method also includes determining a velocity of nearby detection points in a periphery of the target and generating the estimated target velocity based on the velocities of the nearby detection points. In one embodiment, the method also includes determining a velocity of a previous detection point of the target in a point cloud and generating the estimated target velocity based on the velocities of the previous detection points.

本発明の種々の態様を明確にするために、後述の詳細な説明(実施形態)で参照される図面を示す。なお図中の同一の符号は同一の要素である。 In order to clarify various aspects of the present invention, the following drawings are referenced in the detailed description (embodiments). The same reference numerals in the drawings refer to the same elements.

本開示の実施形態に従った例示的なLIDARシステムを示す。1 illustrates an exemplary LIDAR system according to an embodiment of the present disclosure.

本開示の実施形態によるLIDAR波形が検出および処理される方法を示す時間周波数図である。FIG. 1 is a time-frequency diagram illustrating how LIDAR waveforms are detected and processed according to an embodiment of the present disclosure.

本開示の実施形態によって軽減することができる位相障害を示す。1 illustrates a phase disturbance that can be mitigated by an embodiment of the present disclosure.

本開示の実施形態によって障害が補正され得る動的シナリオを示す。1 illustrates a dynamic scenario in which a disturbance may be corrected according to an embodiment of the present disclosure.

本開示の実施形態による、基準アームを有する例示的なLIDARシステムのブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of an exemplary LIDAR system having a reference arm in accordance with an embodiment of the present disclosure.

本開示の実施形態に従ったエゴ・ドップラー補償型位相障害補正器を示す。1 illustrates an ego-Doppler compensation phase impairment corrector according to an embodiment of the present disclosure.

本開示の実施形態に従った近接速度ベースの補正器を示す図である。FIG. 1 illustrates a proximity velocity based corrector according to an embodiment of the present disclosure.

本開示の実施形態に従った前ポイントベースの補正器を示す図である。FIG. 1 illustrates a front-point based corrector according to an embodiment of the present disclosure.

本開示の実施形態に従った反復型位相障害補正器を示す。1 illustrates an iterative phase impairment corrector according to an embodiment of the present disclosure.

本開示の実施形態に従ったマルチドップラ補償補正器を示す図である。FIG. 2 illustrates a multi-Doppler compensation corrector according to an embodiment of the present disclosure.

本開示の実施形態による、LIDARシステム内の位相障害を補償する方法の一例を示す流れ図である。1 is a flow diagram illustrating an example of a method for compensating for phase impairments in a LIDAR system according to an embodiment of the present disclosure.

本開示の実施形態による、LIDARシステム内の位相障害を補償する別の方法の例を示す流れ図である。1 is a flow diagram illustrating another example method for compensating for phase impairments in a LIDAR system according to an embodiment of the present disclosure.

本開示は、LIDARシステムおよびLIDARシステムによって検出される動的シーンにおける位相障害を補償する方法の様々な例を説明する。
いくつかの実施形態によれば、上述したLIDARシステムは、輸送、製造、計測、医療、仮想現実、拡張現実、およびセキュリティシステムなどの任意のセンシング市場において実施することができるが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態によれば、上述したLIDARシステムは、自動運転支援システム、または自動運転車の空間認識を支援する周波数変調連続波(FMCW)デバイスのフロントエンドの一部として実装される。いくつかの実施形態によれば、上述したLIDARシステムは、自動運転支援システム、または自動運転車の空間認識を支援する周波数変調連続波(FMCW)デバイスのフロントエンドの一部として実装される。
This disclosure describes various examples of LIDAR systems and methods for compensating for phase obstructions in dynamic scenes detected by the LIDAR systems.
According to some embodiments, the LIDAR systems described above can be implemented in any sensing market, such as, but not limited to, transportation, manufacturing, metrology, medical, virtual reality, augmented reality, and security systems.
According to some embodiments, the LIDAR system described above is implemented as part of a front end of an automated driving assistance system or a frequency modulated continuous wave (FMCW) device that aids in the spatial awareness of an automated vehicle. According to some embodiments, the LIDAR system described above is implemented as part of a front end of an automated driving assistance system or a frequency modulated continuous wave (FMCW) device that aids in the spatial awareness of an automated vehicle.

図1は、本開示の例示的な実施態様によるLIDARシステム100を示す。
LIDARシステム100は、多数の構成要素のいずれか1つまたは複数を含むが、図1に示すよりも少ない構成要素または追加の構成要素を含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、図1に示された構成要素の1つ以上は、フォトニクスチップ上に実装することができる。いくつかの実施形態によれば、LIDARシステム100は、フォトニクスチップ上に実装することができる1つ以上のコンポーネントを含む。
光学回路101には、能動光学構成要素と受動光学構成要素との組み合わせが含まれている。能動光学構成要素は、光信号などを生成、増幅、および/または検出する。いくつかの例では、能動光学構成要素は、異なる波長の光ビームを有し、1つ以上の光増幅器、1つ以上の光検出器などを含んでいる。
FIG. 1 illustrates a LIDAR system 100 in accordance with an exemplary embodiment of the present disclosure.
LIDAR system 100 may include any one or more of a number of components, but may include fewer or additional components than those shown in FIG. 1.
According to some embodiments, one or more of the components illustrated in Figure 1 may be implemented on a photonics chip. According to some embodiments, LIDAR system 100 includes one or more components that may be implemented on a photonics chip.
Optical circuit 101 includes a combination of active and passive optical components. The active optical components generate, amplify, and/or detect optical signals, etc. In some examples, the active optical components have optical beams of different wavelengths and include one or more optical amplifiers, one or more optical detectors, etc.

自由空間光学系115には、光信号を送信し、能動光回路の適切な入力/出力ポートに光信号をルーティングして操作するための1つ以上の光導波路が含まれている。自由空間光学系115には、タップ、波長分割マルチプレクサ(WDM)、スプリッタ/コンバイナ、偏光ビームスプリッタ(PBS)、コリメータ、カプラなどの1つ以上の光学構成要素が含まれている。
一態様では、自由空間光学系115には、偏光状態を変換し、受信した偏光を、例えば、PBSを用いて光検出器に導くための構成要素が含まれている。また、自由空間光学系115には、異なる周波数を有する光ビームを軸(例えば、高速軸)に沿って異なる角度で偏向させる回折素子がさらに含まれる場合がある。
The free space optics 115 includes one or more optical waveguides for transmitting optical signals and for routing and manipulating the optical signals to the appropriate input/output ports of the active optical circuitry. The free space optics 115 includes one or more optical components such as taps, wavelength division multiplexers (WDMs), splitters/combiners, polarizing beam splitters (PBSs), collimators, couplers, etc.
In one aspect, the free space optics 115 includes components for converting the polarization state and directing the received polarized light to a photodetector, for example, using a PBS, and may further include a diffractive element that deflects light beams having different frequencies at different angles along an axis (e.g., the fast axis).

本実施形態のLIDARシステム100は、1つ以上のスキャニングミラーを有する光スキャナ102を備えている。これらのスキャニングミラーは、スキャニングパターンに従って環境をスキャンする光信号を誘導するために、回折素子の速軸に直交または実質的に直交する軸(例.低速軸)に沿って回転可能になっている。
例えば、スキャニングミラーは、1つ以上のガルバノメータによって回転可能である。ターゲット環境内の対象物は、入射光を散乱させてリターン光ビームやターゲットリターン信号にすることがある。
また、光スキャナ102は、リターン光ビームまたはターゲットリターン信号を収集し、これは光学回路101の光回路構成要素に戻される場合がある。例えば、リターン光ビームは、偏光ビームスプリッタによって光検出器に向けられる。
なお、光スキャナ102には、ミラーやガルバノメータに加えて、1/4波長板、レンズ、反射防止コーティングされた光学窓などが含まれる場合がある。
The LIDAR system 100 of this embodiment includes an optical scanner 102 having one or more scanning mirrors that are rotatable along an axis that is orthogonal or substantially orthogonal to the fast axis (e.g., a slow axis) of the diffractive element to direct an optical signal that scans the environment according to a scanning pattern.
For example, the scanning mirror may be rotated by one or more galvanometers.Objects in the target environment may scatter the incident light into a return light beam or target return signal.
The optical scanner 102 also collects a return light beam or a target return signal, which may be returned to the optical circuit components of the optical circuit 101. For example, the return light beam may be directed by a polarizing beam splitter to a photodetector.
In addition to mirrors and galvanometers, the optical scanner 102 may include quarter-wave plates, lenses, anti-reflective coated optical windows, and the like.

LIDARシステム100には、光学回路101および光スキャナ102を制御およびサポートするために、LIDAR制御装置110が設けられている。LIDAR制御装置110には、LIDARシステム100に必要な処理装置が含まれている。
一態様では、処理装置は、マイクロプロセッサ、中央処理装置などの1つ以上の汎用処理装置である。より具体的には、複合命令セットコンピューティング(CISC)マイクロプロセッサ、縮小命令セットコンピューティング(RISC)マイクロプロセッサ、超長命令語(VLIW)マイクロプロセッサ、または他の命令セットを実装するプロセッサ、または命令セットの組み合わせを実装するプロセッサである。また、上記処理装置は、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA:現場プログラム可能ゲートアレイ)、デジタル信号プロセッサ(DSP)、ネットワークプロセッサ等の特殊用途処理装置の1つ以上であってもよい。
The LIDAR system 100 is provided with a LIDAR controller 110 to control and support the optical circuit 101 and the optical scanner 102. The LIDAR controller 110 contains the processing equipment required for the LIDAR system 100.
In one aspect, the processing device is one or more general-purpose processing devices, such as a microprocessor, a central processing unit, or more specifically, a complex instruction set computing (CISC) microprocessor, a reduced instruction set computing (RISC) microprocessor, a very long instruction word (VLIW) microprocessor, or a processor implementing other instruction sets or a combination of instruction sets. The processing device may also be one or more special purpose processing devices, such as an application specific integrated circuit (ASIC), a field programmable gate array (FPGA), a digital signal processor (DSP), a network processor, or the like.

一態様では、LIDAR制御装置110には、DSPなどの信号処理ユニット112が設けられる。これにより、LIDAR制御装置110は、光学ドライバ103を制御するためのデジタル制御信号を出力する。そのデジタル制御信号は、信号変換ユニット106を介してアナログ信号に変換される。例えば、信号変換ユニット106には、デジタル/アナログ変換器が含まれる。
光学ドライバ103は、光学回路101の能動光学構成要素に駆動信号を供給し、レーザや増幅器などの光源を駆動する。一態様では、複数の光源を駆動するために、複数の光学ドライバ103および信号変換ユニット106を設けてもよい。
In one aspect, the LIDAR control device 110 is provided with a signal processing unit 112, such as a DSP, which outputs a digital control signal for controlling the optical driver 103. The digital control signal is converted to an analog signal via the signal conversion unit 106. For example, the signal conversion unit 106 includes a digital-to-analog converter.
The optical driver 103 provides drive signals to the active optical components of the optical circuit 101 to drive light sources such as lasers and amplifiers. In one aspect, multiple optical drivers 103 and signal conversion units 106 may be provided to drive multiple light sources.

LIDAR制御装置110はまた、光スキャナ102に対してデジタル制御信号を出力するように構成されている。モーション制御装置105は、LIDAR制御装置110から受信した制御信号に基づいて、光スキャナ102のガルバノメータを制御することができる。具体的には、デジタル/アナログ変換器を用いて、LIDAR制御装置110からの座標ルーティング情報を、光スキャナ102のガルバノメータによって処理可能な信号に変換することができる。
一態様では、モーション制御装置105は、光スキャナ102の構成要素の位置または動作に関する情報をLIDAR制御装置110に送り返すこともできる。具体的には、アナログ/デジタル変換器を用いて、ガルバノメータの位置に関する情報をLIDAR制御装置110が処理可能な信号に順次変換することができる。
The LIDAR controller 110 is also configured to output digital control signals to the optical scanner 102. The motion controller 105 can control the galvanometers of the optical scanner 102 based on the control signals received from the LIDAR controller 110. In particular, a digital-to-analog converter can be used to convert the coordinate routing information from the LIDAR controller 110 into signals that can be processed by the galvanometers of the optical scanner 102.
In one aspect, the motion controller 105 may also transmit information regarding the position or movement of components of the optical scanner 102 back to the LIDAR controller 110. In particular, an analog-to-digital converter may be used to convert the information regarding the galvanometer position into a signal that the LIDAR controller 110 can process.

LIDAR制御装置110は、さらに、入力されたデジタル信号を解析するように構成されている。これに関連して、LIDARシステム100には、光学回路101によって受信された1つ以上のビームを測定するための光受信器104が設けられている。具体的には、光受信器104としての基準ビーム受信器は、能動光学構成要素からの基準ビームの振幅を測定し、アナログ/デジタル変換器により、同基準ビーム受信器からの信号を、LIDAR制御装置110によって処理可能な信号に変換する。また、光受信器104としてのターゲット受信器は、ビート周波数変調光信号の形でターゲットの距離と速度に関する情報を搬送する光信号を計測する。この場合、光信号の反射ビームは、局部発振器からの信号と混合されてもよい。光受信器104には、ターゲット受信器からの信号をLIDAR制御装置110によって処理可能な信号に変換する高速アナログ/デジタル変換器を設けることができる。
一態様では、光受信器104からの信号は、LIDAR制御装置110に受信される前に、信号調整ユニット107による信号調整の対象となり得る。例えば、光受信器104からの信号は、リターン信号の増幅のために信号調整ユニット107のオペアンプに供給され、そのオペアンプによって増幅された信号がLIDAR制御装置110に供給されるようにしてもよい。
The LIDAR controller 110 is further configured to analyze the input digital signal. In this regard, the LIDAR system 100 is provided with an optical receiver 104 for measuring one or more beams received by the optical circuit 101. In particular, the reference beam receiver as the optical receiver 104 measures the amplitude of the reference beam from the active optical components and converts the signal from the reference beam receiver by means of an analog-to-digital converter into a signal that can be processed by the LIDAR controller 110. The target receiver as the optical receiver 104 also measures an optical signal that carries information about the distance and speed of the target in the form of a beat frequency modulated optical signal. In this case, the reflected beam of the optical signal may be mixed with a signal from a local oscillator. The optical receiver 104 may be provided with a high-speed analog-to-digital converter that converts the signal from the target receiver into a signal that can be processed by the LIDAR controller 110.
In one aspect, the signal from the optical receiver 104 may be subject to signal conditioning by the signal conditioning unit 107 before being received by the LIDAR controller 110. For example, the signal from the optical receiver 104 may be provided to an operational amplifier in the signal conditioning unit 107 for amplification of the return signal, and the amplified signal provided by the operational amplifier to the LIDAR controller 110.

一部のアプリケーションでは、LIDARシステム100には、環境の画像をキャプチャするように構成された1つ以上の撮像装置108、同システムの地理的位置を提供するように構成された全地球測位システム(GPS)109、または他のセンサ入力を追加的に設けることもできる。また、LIDARシステム100には画像処理装置114を設けることができる。この場合、同画像処理装置114は、撮像装置108および全地球測位システム(GPS)109から画像および地理的位置を受信し、画像および位置またはそれに関連する情報を、LIDAR制御装置110またはそれに接続された他のシステムに送信するように構成することができる。 In some applications, the LIDAR system 100 may additionally include one or more imagers 108 configured to capture images of the environment, a global positioning system (GPS) 109 configured to provide a geographic location of the system, or other sensor inputs. The LIDAR system 100 may also include an image processor 114 configured to receive images and geographic locations from the imagers 108 and the GPS 109, and transmit the images and location or related information to the LIDAR controller 110 or other systems connected thereto.

いくつかの実施例による動作では、LIDARシステム100は、非縮退光学光源を用いて2次元で距離および速度を同時に測定するように構成される。この機能により、周囲環境の距離、速度、方位角および仰角について遠距離測定がリアルタイムで可能になる。 In operation according to some embodiments, the LIDAR system 100 is configured to simultaneously measure distance and velocity in two dimensions using a non-degenerate optical source. This capability enables real-time, long-range measurements of distance, velocity, azimuth, and elevation of the surrounding environment.

いくつかの例では、スキャンプロセスは、光学ドライバ103およびLIDAR制御装置110から開始される。LIDAR制御装置110は、光学ドライバ103に1つ以上の光ビームをそれぞれ変調するように指示し、これらの変調信号は光学回路101の受動光学回路を通って自由空間光学系115のコリメータに送信される。同コリメータは、上記変調信号を光スキャナ102に誘導し、光スキャナ102はモーション制御装置105によって定義され事前にプログラムされたパターンで環境をスキャンする。光学回路101には、光が光学回路101を出る際に光の偏光状態を変換する偏光波長板(PWP)を設けてもよい。
一態様では、偏光波長板は、1/4波長板または半波長板であってもよい。偏光された光ビームの一部は、光学回路101に戻るように反射される場合もある。例えば、LIDARシステム100で使用されるレンズ系またはコリメート系は、自然な反射特性または反射コーティングを有する場合があり、これにより光ビームの一部が光学回路101に反射される。
In some examples, the scanning process is initiated by the optical driver 103 and the LIDAR controller 110. The LIDAR controller 110 instructs the optical driver 103 to modulate one or more light beams, respectively, and these modulated signals are transmitted through the passive optical circuitry of the optical circuitry 101 to the collimator of the free space optics 115. The collimator directs the modulated signals to the optical scanner 102, which scans the environment in a pre-programmed pattern defined by the motion controller 105. The optical circuitry 101 may be provided with a polarizing waveplate (PWP) that transforms the polarization state of the light as it exits the optical circuitry 101.
In one aspect, the polarizing wave plate may be a quarter wave plate or a half wave plate. A portion of the polarized light beam may be reflected back into the optical circuit 101. For example, a lens or collimating system used in the LIDAR system 100 may have natural reflective properties or a reflective coating that causes a portion of the light beam to be reflected back into the optical circuit 101.

環境から反射された光信号は、光学回路101を通して受信器(光受信器104)に送られる。このとき、光の偏光状態は変換されているため、光学回路101に反射して戻ってきた偏光光の一部とともに偏光ビームスプリッタで反射される。その結果、反射された光信号は、光源と同じ光ファイバまたは導波路には戻らず、それぞれ別の光受信器に反射される。これらの信号は互いに干渉し、合成された信号を生成する。ターゲットから戻ってくる各ビーム信号は、時間シフトされた波形を生成し、これら2つの波形間の時間的位相差によって光受信器(光検出器)で計測されるビート周波数が生成される。そして、その合成された信号は光受信器104に反射させることができる。 The optical signal reflected from the environment is sent through the optical circuit 101 to the receiver (optical receiver 104). At this time, the polarization state of the light has been changed, so it is reflected by the polarizing beam splitter along with a portion of the polarized light that was reflected back to the optical circuit 101. As a result, the reflected optical signals do not return to the same optical fiber or waveguide as the light source, but are reflected to different optical receivers. These signals interfere with each other and generate a combined signal. Each beam signal returning from the target generates a time-shifted waveform, and the time phase difference between these two waveforms generates a beat frequency that is measured by the optical receiver (photodetector). The combined signal can then be reflected to the optical receiver 104.

光受信器104で受信したアナログ信号は、ADC(アナログ/デジタル変換器)によりデジタル信号に変換される。次いで、同デジタル信号は、LIDAR制御装置110に送信される。同装置の信号処理ユニット112は、同デジタル信号を受信しそれらを処理する。一態様では、信号処理ユニット112は、モーション制御装置105およびガルバノメータ(図示されない)から位置データを受信し、画像処理装置114から画像データを受信する。これにより、信号処理ユニット112は、光スキャナ102が追加ポイントをスキャンする際に、環境内のポイントの距離と速度に関する情報を有する3Dポイントクラウドを生成することができる。信号処理ユニット112はまた、3Dポイントクラウドを画像データと重ね合わせて、周囲の対象物の速度および距離を決定する場合もある。
このシステムはさらに衛星ベースのナビゲーション位置データを処理して正確な全地球的位置情報を提供する場合もある。
The analog signal received by the optical receiver 104 is converted to a digital signal by an ADC (analog to digital converter). The digital signal is then sent to the LIDAR controller 110, whose signal processing unit 112 receives and processes the digital signals. In one aspect, the signal processing unit 112 receives position data from the motion controller 105 and a galvanometer (not shown) and image data from the image processor 114. This allows the signal processing unit 112 to generate a 3D point cloud with information about the distance and velocity of points in the environment as the optical scanner 102 scans additional points. The signal processing unit 112 may also overlay the 3D point cloud with image data to determine the velocity and distance of surrounding objects.
The system may further process satellite-based navigation position data to provide precise global position information.

図2は、一実施形態において、LIDARシステム100のようなLIDARシステムがターゲット環境をスキャンするために使用可能なFMCWスキャニング信号201の時間-周波数図200である。
この例において、fFM(t)と表示されたFMCWスキャニング信号201は、チャープ帯域幅Δfcおよびチャープ周期Tcを持つ鋸歯状波形(鋸歯「チャープ」)である。鋸歯の傾きは、k=(Δfc/Tc)である。
図2にはまた、一実施形態におけるターゲットリターン信号202が示される。
fFM(t-Δt)で示されるターゲットリターン信号202は、FMCWスキャニング信号201の時間遅延バージョンであり、Δtは、FMCWスキャニング信号201によって照射されたターゲットとの間の往復時間である。この往復時間はΔt=2R/vで与えられる。ここで、Rはターゲットの距離、vは光ビームの速度である光速cである。
したがって、同ターゲットの距離Rは、R=c(Δt/2)として計算できる。
ターゲットリターン信号202がFMCWスキャニング信号と光学的に混合されると、距離依存の差周波数(「ビート周波数」)ΔfR(t)が生成される。ビート周波数ΔfR(t)は、鋸歯の傾きkによって時間遅延Δtと線形の関係にある。つまり、ΔfR(t)=kΔtとなる。ターゲットの範囲RはΔtに比例するので、ターゲットの距離RはR=(c/2)(ΔfR(t)/k)として算出することができる。つまり、距離Rはビート周波数ΔfR(t)と線形の関係にある。
ビート周波数ΔfR(t)は、例えば、LIDARシステム100の光受信器104でアナログ信号として生成される。このビート周波数は、例えば、LIDARシステム100の信号調整ユニット107内のアナログ/デジタル変換器(ADC)によってデジタル化される。このようにしてデジタル化されたビート周波数信号は、LIDARシステム100内の信号処理ユニット(例えば、信号処理ユニット112)でデジタル処理される。
ただし、ターゲットがLIDARシステム100に対して相対速度を有する場合、ターゲットリターン信号202には一般に周波数オフセット(ドップラーシフト)が含まれることに注意する必要がある。
ドップラーシフトは別途検出されてリターン信号の周波数を補正するために使用されるため、図2では簡略化と説明の容易化のためドップラーシフトは表示されていない。また、ADCのサンプリング周波数は、エイリアシングを発生させずにシステムで処理可能な最高のビート周波数に決定されることに注意する必要がある。一般的に処理可能な最高周波数はサンプリング周波数の半分(すなわち「ナイキスト限界」)である。例えば、限定はしないが、ADCのサンプリング周波数が1ギガヘルツである場合、エイリアシングなしで処理できる最高ビート周波数(ΔfRmax)は500メガヘルツである。この限界は、システムの最大ターゲット距離Rmax=(c/2)(ΔfRmax/k)で決まり、これは鋸歯の傾きkを変更することによって調整することができる。
一例では、ADCからのデータサンプルは連続的であってもよいが、後述する後続のデジタル処理は、LIDARシステム100の所定の周期性に関連付けることができる「時間セグメント」に分割することができる。例えば、限定はしないが、時間セグメントは、チャープ周期Tcの数、または前述の光スキャナによる方位角方向の回転数に対応する。
FIG. 2 is a time-frequency diagram 200 of an FMCW scanning signal 201 that, in one embodiment, a LIDAR system, such as LIDAR system 100, can use to scan a target environment.
In this example, the FMCW scanning signal 201, denoted as fFM(t), is a sawtooth waveform (sawtooth "chirp") with a chirp bandwidth Δfc and a chirp period Tc. The slope of the sawtooth is k=(Δfc/Tc).
Also shown in FIG. 2 is a target return signal 202 in one embodiment.
The target return signal 202, denoted fFM(t-Δt), is a time delayed version of the FMCW scanning signal 201, where Δt is the round trip time to and from the target illuminated by the FMCW scanning signal 201. This round trip time is given by Δt=2R/v, where R is the range of the target and v is the speed of light, c, which is the speed of the light beam.
Therefore, the range R of the target can be calculated as R=c(Δt/2).
When the target return signal 202 is optically mixed with the FMCW scanning signal, a range-dependent difference frequency ("beat frequency") ΔfR(t) is generated. The beat frequency ΔfR(t) is linearly related to the time delay Δt by the sawtooth slope k, i.e., ΔfR(t) = kΔt. Since the range R of the target is proportional to Δt, the range R of the target can be calculated as R = (c/2)(ΔfR(t)/k). That is, the range R is linearly related to the beat frequency ΔfR(t).
The beat frequency ΔfR(t) is generated as an analog signal, for example, in the optical receiver 104 of the LIDAR system 100. This beat frequency is digitized, for example, by an analog-to-digital converter (ADC) in the signal conditioning unit 107 of the LIDAR system 100. The beat frequency signal thus digitized is digitally processed in a signal processing unit (e.g., signal processing unit 112) in the LIDAR system 100.
However, it should be noted that if the target has a relative velocity with respect to the LIDAR system 100, the target return signal 202 will generally contain a frequency offset (Doppler shift).
For simplicity and ease of illustration, the Doppler shift is not shown in FIG. 2 because it is detected separately and used to correct the frequency of the return signal. It should also be noted that the sampling frequency of the ADC is determined by the highest beat frequency that the system can handle without aliasing. Typically, the highest frequency that can be handled is half the sampling frequency (i.e., the "Nyquist limit"). For example, and not by way of limitation, if the sampling frequency of the ADC is 1 GHz, then the highest beat frequency (ΔfRmax) that can be handled without aliasing is 500 MHz. This limit is determined by the maximum target range of the system, Rmax=(c/2)(ΔfRmax/k), which can be adjusted by changing the sawtooth slope k.
In one example, data samples from the ADC may be continuous, but subsequent digital processing, described below, may be divided into "time segments" that may be related to a predetermined periodicity of the LIDAR system 100. For example, but not limited to, a time segment may correspond to a number of chirp periods Tc, or a number of azimuthal rotations by the optical scanner described above.

いくつかのシナリオでは、図1で説明したLIDARシステムなどのLIDARシステムが経験する位相障害の原因がいくつか存在する。
これらの原因として、例えば、レーザの位相ノイズ、回路の位相ノイズ、駆動電子機器がレーザに与えるフリッカノイズ、温度や天候によるドリフト、チャープレートオフセットなどがある。
In some scenarios, there are several sources of phase disturbance experienced by a LIDAR system, such as the LIDAR system described in FIG.
These sources include, for example, laser phase noise, circuit phase noise, flicker noise imparted to the laser by the drive electronics, drift due to temperature and weather, chirp rate offset, and so on.

図3Aは、本発明の実施形態によって軽減することができる位相障害を示す。
位相障害を補正したピーク301が、補正していないピーク303に対応して示されている。図3Aに示すように、受信信号に対する位相障害は、ターゲットの距離に依存する。シナリオによっては、より遠くにあるターゲットは、より近いターゲットと比較して、より高い帯域幅の位相障害を有する場合がある。例えば、図3Aに示す最も遠い非補正ピーク305は、近い非補正ピーク307と比較して、位相障害の帯域幅が著しく高いことがわかる。
あるシナリオでは、位相障害は距離のみに依存し、ドップラーシフトには依存しない場合があり、一方、ピーク周波数は距離およびドップラーシフトの両方に依存する場合がある。いくつかの実施形態において、位相障害の距離に対する依存性は、本明細書に記載されるいくつかの補正アルゴリズムにおいて利用される場合がある。いくつかの実施形態では、デスキューフィルタは、周波数に線形に比例する負の群遅延に適用することができる。
FIG. 3A illustrates a phase disturbance that can be mitigated by an embodiment of the present invention.
A peak 301 corrected for phase impairments is shown corresponding to an uncorrected peak 303. As shown in Figure 3A, the phase impairments on the received signal depend on the distance of the target. In some scenarios, a more distant target may have a higher bandwidth of phase impairments compared to a closer target. For example, the farthest uncorrected peak 305 shown in Figure 3A can be seen to have a significantly higher bandwidth of phase impairments compared to the closer uncorrected peak 307.
In some scenarios, the phase impairment may depend only on distance and not on Doppler shift, while the peak frequency may depend on both distance and Doppler shift. In some embodiments, the dependence of the phase impairment on distance may be exploited in some of the correction algorithms described herein. In some embodiments, the deskew filter may apply a negative group delay that is linearly proportional to frequency.

図3Bは、本発明の実施形態によって軽減することができる動的シナリオを示す。
図3Bに示すように、ピーク周波数311は、周波数=α×(かける)Δt±(プラスまたはマイナス)ドップラーシフト309として計算でき、αはチャープの傾き(チャープレートともいう)である。
いくつかの実施形態では、デスキューフィルタは、α×(かける)距離の代わりにα×(かける)距離±(プラスまたはマイナス)ドップラーシフトに基づく負の群遅延を適用する。このため、性能の低下と、動的なターゲットに対する検出確率および距離/速度誤差の低下をもたらすおそれがある。
FIG. 3B illustrates a dynamic scenario that can be mitigated by an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 3B, the peak frequency 311 can be calculated as Frequency = α × (times) Δt ± (plus or minus) Doppler shift 309, where α is the slope of the chirp (also called the chirp rate).
In some embodiments, the deskew filter applies a negative group delay based on α × (times) range ± (plus or minus) Doppler shift instead of α × (times) range, which may result in degraded performance and reduced probability of detection and range/velocity errors for dynamic targets.

本明細書で説明する実施形態は、例えば、説明したエゴ・ドップラー補償型位相障害補正器を利用することによって、これらの問題に対処する。エゴ・ドップラー補償型位相障害補正器は、デスキューフィルタを適用する前にエゴ速度を補償することができる。
本明細書に記載されるエゴ速度は、車両速度、センサ速度、ミラー速度などを含むが、それに限定されない。また、(同エゴ速度は)本明細書に記載されるシステムによって行われ、あるいは、同システムに対して提供された、以前のあらゆるエゴ速度の決定、およびそれらの任意の組み合わせも含む。
本明細書で使用されるように、エゴ速度は、ポイントクラウドのいずれかを使用して推定することができ、あるいは、慣性測定ユニット(IMU)などの1つ以上のモーションセンサを用いて測定することができる。
The embodiments described herein address these issues, for example, by utilizing a described ego-Doppler compensated phase impairment corrector, which can compensate for ego velocity before applying a deskew filter.
Ego speeds as described herein include, but are not limited to, vehicle speed, sensor speed, mirror speed, etc. Also includes any previous ego speed determinations made by or provided to the systems described herein, and any combination thereof.
As used herein, ego velocity can be estimated using either a point cloud or can be measured using one or more motion sensors, such as an inertial measurement unit (IMU).

いくつかの実施形態では、図6を参照して以下でより詳細に説明するように、近接速度ベースの位相障害補正器を使用することができる。信号をデスキューフィルタに通し、標準デスキューフィルタを用いた、近接する全検出ポイントのサブセットの速度を用いて真のターゲット速度の推定値を導き出し、近接速度推定値に基づいて補正手順を再実行してもよい。 In some embodiments, a proximity velocity based phase impairment corrector may be used, as described in more detail below with reference to FIG. 6. The signal may be passed through a deskew filter, and an estimate of the true target velocity may be derived using the velocity of a subset of all nearby detection points using a standard deskew filter, and the correction procedure may be re-run based on the proximity velocity estimate.

いくつかの実施形態では、以前の検出ポイントに基づいた位相障害補正器を用いることができる。以前の検出ポイントに基づいた位相障害補正器は、以前の推定検出ポイントからの速度を用いて、現在の検出ポイントの最も可能性の高い速度を推定し、デスキュー補正の前にその周波数シフトを適用することができる。いくつかの実施形態では、直前の検出ポイントを用いることができる。実施形態では、以前のスキャンラインからの検出ポイントを用いることができる。いくつかの実施形態では、以前のフレームからの検出ポイントを用いることができる。 In some embodiments, a phase impairment corrector based on previous detection points can be used. A phase impairment corrector based on previous detection points can use velocities from previous estimated detection points to estimate the most likely velocity of the current detection point and apply that frequency shift before deskewing. In some embodiments, the immediately previous detection point can be used. In embodiments, a detection point from a previous scan line can be used. In some embodiments, a detection point from a previous frame can be used.

いくつかの実施形態では、反復型位相障害補正器および/またはマルチドップラ-補償型位相障害補正器を使用することができる。いくつかの実施形態では、ドップラー補償は、説明されたいずれの手法においても、ターゲットのADCサンプルまたはデスキューフィルタ係数のいずれかに適用することができる。 In some embodiments, an iterative phase impairment corrector and/or a multi-Doppler compensation phase impairment corrector can be used. In some embodiments, Doppler compensation can be applied to either the target ADC samples or the deskew filter coefficients in any of the described approaches.

図4は、本開示の実施形態による、基準アーム427を有する例示的なLIDARシステムのブロック図である。
図4に示すように、いくつかの実施形態によれば、1つ以上の基準アーム427をLIDARシステムに追加して、送信信号の位相障害を推定するために用いることができるデジタル的にサンプリングされた基準信号426を生成することができる。例えば、一実施形態では、1つ以上の基準アーム427は、図1の光学回路101、信号変換ユニット106、および/または信号調整ユニット107の一部として含めることができる。この例示的な実施形態では、システムは、FMCWレーザ光源などのビーム源401を含む。ターゲットアーム405は、スキャニング信号403がターゲット407に向かう途中で通過することができる多数の光学部品(例えば、レンズまたはフィルタ)を含む。リターン信号409は、ターゲット407から反射され、光検出器411に向けて送られる。
本実施形態では、スキャニング信号403の一部である局部発振器(LO)信号413は、ターゲット407に送出される前に光検出器411に導かれる。光検出器411から、デジタルサンプリングされたターゲット信号416が、その後、ターゲットADC415を経て、DSP417に至る。
FIG. 4 is a block diagram of an exemplary LIDAR system having a reference arm 427 in accordance with an embodiment of the present disclosure.
As shown in FIG. 4, according to some embodiments, one or more reference arms 427 can be added to the LIDAR system to generate a digitally sampled reference signal 426 that can be used to estimate phase impairments of the transmitted signal. For example, in one embodiment, one or more reference arms 427 can be included as part of the optical circuit 101, the signal conversion unit 106, and/or the signal conditioning unit 107 of FIG. 1. In this exemplary embodiment, the system includes a beam source 401, such as an FMCW laser source. A target arm 405 includes a number of optical components (e.g., lenses or filters) through which the scanning signal 403 can pass on its way to the target 407. A return signal 409 is reflected from the target 407 and directed toward a photodetector 411.
In this embodiment, a local oscillator (LO) signal 413 that is part of the scanning signal 403 is directed to a photodetector 411 before being sent to the target 407. From the photodetector 411, a digitally sampled target signal 416 is then passed through a target ADC 415 to a DSP 417.

この実施形態に示されているように、基準アーム427はスキャニング信号403の信号部分419を受信し、この信号は直接光検出器421に供給される他、既知の長さを有する遅延装置423を通過した後に供給される。
いくつかの実施形態によれば、信号部分419は、スキャニング信号403がターゲットアーム405の光学構成要素を介して同時期に送信されるときに光検出器421によって受信される。いくつかの実施形態によれば、信号部分419は、スキャニング信号403がターゲットアーム405の光学構成要素を通過した後に光検出器421によって受信される。いくつかの実施形態によれば、遅延装置423は、ファイバ-遅延装置などとすることができる。一実施形態では、遅延装置423は、既知の距離で仮想ターゲット(例えば、ファイバ-ターゲット)を作成することができる既知の長さを有するファイバ-コイルを含むことができる。
As shown in this embodiment, the reference arm 427 receives a signal portion 419 of the scanning signal 403 which is provided either directly to a photodetector 421 or after passing through a delay device 423 of known length.
According to some embodiments, signal portion 419 is received by photodetector 421 as scanning signal 403 is contemporaneously transmitted through the optical components of target arm 405. According to some embodiments, signal portion 419 is received by photodetector 421 after scanning signal 403 passes through the optical components of target arm 405. According to some embodiments, delay device 423 can be a fiber-delay device, or the like. In one embodiment, delay device 423 can include a fiber-coil having a known length that can create a virtual target (e.g., fiber-target) at a known distance.

いくつかのシナリオでは、仮想ターゲットの距離は事前に決定することができる。基準遅延の出力における光信号は、図2に描かれたターゲットリターン信号202と同じ特性を有する。いくつかの実施形態によれば、図2で説明したのと同様の方法で、仮想ターゲットは、スキャニング信号403の時間遅延バージョンであるリターン信号409を生成することができる。リターン信号409がスキャニング信号403と光学的に混合されると、基準距離に依存する差周波数(以下、「基準ビート周波数」という)が生成される。いくつかの実施形態によれば、基準ビート周波数は、次に、例えば、図1において本明細書に記載された手順を用いてデジタル化され、調整される。この基準信号は、ターゲットからのリターン信号と同じ位相障害の特徴を有する。基準アーム427によって生成された基準信号に少なくとも部分的に基づく位相障害推定器および位相障害補正器は、ターゲットに向かって送信された信号(すなわち、「ターゲット」信号)およびそこから受信した信号(すなわち、「受信」信号)における位相障害を補償することができる。 In some scenarios, the distance of the virtual target can be determined in advance. The optical signal at the output of the reference delay has the same characteristics as the target return signal 202 depicted in FIG. 2. According to some embodiments, in a manner similar to that described in FIG. 2, the virtual target can generate a return signal 409 that is a time-delayed version of the scanning signal 403. When the return signal 409 is optically mixed with the scanning signal 403, a difference frequency (hereinafter referred to as the "reference beat frequency") is generated that depends on the reference distance. According to some embodiments, the reference beat frequency is then digitized and adjusted, for example using the procedure described herein in FIG. 1. This reference signal has the same phase impairment characteristics as the return signal from the target. A phase impairment estimator and a phase impairment corrector based at least in part on the reference signal generated by the reference arm 427 can compensate for phase impairments in the signal transmitted toward the target (i.e., the "target" signal) and the signal received therefrom (i.e., the "received" signal).

光検出器421から、デジタル的にサンプリングされた基準信号426は、その後、基準ADC425を、そしてDSP417を通過する。
図4に示すように、本発明の実施形態は、ターゲットからのリターン信号409、局部発振器(LO)信号413、および基準アーム427を含む様々な信号の送受信に基づいてポイントクラウドデータ429を生成することができる。
From the photodetector 421 , the digitally sampled reference signal 426 then passes through a reference ADC 425 and then to the DSP 417 .
As shown in FIG. 4, an embodiment of the present invention can generate point cloud data 429 based on transmitting and receiving various signals including a return signal 409 from a target, a local oscillator (LO) signal 413, and a reference arm 427.

図5は、本発明の実施形態に従ったエゴ・ドップラー補償型位相障害補正器を示す。
図5に示されているように、位相障害補正器509は、デスキューフィルタ508を実行する前に、周波数シフタ507によって、与えられた周波数シフトを受信信号に取り入れ、位相障害補正後に周波数シフタ511で周波数シフトを元に戻すことによって、推定または測定したエゴ・ドップラーを補償するように構成されたエゴ・ドップラー補償型位相障害補正器で構成されている。いくつかの実施形態では、エゴ・ドップラー補償型位相障害補正器は、所定のシーンにおける静的ターゲットに適用することができる。
FIG. 5 illustrates an ego-Doppler compensation phase impairment corrector in accordance with an embodiment of the present invention.
5, the phase impairment corrector 509 comprises an ego-Doppler compensation phase impairment corrector configured to compensate for the estimated or measured ego-Doppler by introducing an applied frequency shift into the received signal by frequency shifter 507 before executing the deskew filter 508, and restoring the frequency shift by frequency shifter 511 after the phase impairment correction. In some embodiments, the ego-Doppler compensation phase impairment corrector may be applied to static targets in a given scene.

図5に示すように、1つ以上の基準ADC501およびターゲットADC505とともに、位相障害推定器503、位相障害補正器509は、いくつかの実施形態において、図4のDSP417に対応することができる。
一実施形態では、位相障害推定器503および/または位相障害補正器509のうちの1つ以上が、図1の信号処理ユニット112の一部として含まれる。いくつかの実施形態では、アーキテクチャは、時間領域フィルタ513、時間領域(TD)から周波数領域(FD)への変換器515、周波数領域フィルタ517、およびピーク検出構成要素519も含む。デジタル信号処理アーキテクチャは、ポイントクラウドデータ521のようなデータを生成し、処理することができる。
本明細書ではポイントクラウドの使用について説明するが、実施形態はそのようなものに限定されず、ポイントクラウドを含むことができるが、これに限定されないことを理解すべきである。
As shown in FIG. 5, the phase impairment estimator 503, phase impairment corrector 509, along with one or more reference ADCs 501 and target ADCs 505, may correspond to DSP 417 of FIG. 4 in some embodiments.
In one embodiment, one or more of the phase impairment estimator 503 and/or phase impairment corrector 509 are included as part of the signal processing unit 112 of Figure 1. In some embodiments, the architecture also includes a time domain filter 513, a time domain (TD) to frequency domain (FD) converter 515, a frequency domain filter 517, and a peak detection component 519. The digital signal processing architecture can generate and process data such as point cloud data 521.
Although the use of point clouds is described herein, it should be understood that embodiments are not limited to such and may include, but are not limited to, point clouds.

図6は、本発明の実施形態に係る位相障害補正器によって用いられる近接速度ベースの補正器を示す。
図6に示すように、位相障害補正器609は、全点のサブセットに対して位相障害補正器623を実行し、近接推定器633を用いて近接検出ポイントに基づいて速度を推定する近接速度ベース補正器を備えて構成される。いくつかの実施形態では、推定値は、近接検出ポイントの速度の平均/中央値または他の任意の統計値である。代替実施形態では、近接速度ベース補正器は、推定ドップラーシフトを補償し、ピークを再推定するために位相障害補正器を再実行することができる。
FIG. 6 illustrates a proximity velocity based corrector used by a phase impairment corrector according to an embodiment of the present invention.
As shown in Figure 6, the phase impairment corrector 609 is configured with a proximity velocity based corrector that runs the phase impairment corrector 623 on a subset of all points and estimates the velocity based on the proximity detection points using a proximity estimator 633. In some embodiments, the estimate is the mean/median or any other statistical value of the velocity of the proximity detection points. In an alternative embodiment, the proximity velocity based corrector can re-run the phase impairment corrector to compensate for the estimated Doppler shift and re-estimate the peaks.

近接速度が推定されると、推定ドップラーシフトがドップラーシフト推定器635によって計算され、デスキューフィルタ608および位相障害補正器609の前に周波数シフタ607で関連する周波数シフトが取り入れられる。
上述したように、デスキューフィルタ608は、周波数に基づく可変遅延を適用するので、周波数シフタ607で導入される周波数の調整は、デスキューフィルタ608によって適用される遅延に影響を与える。いくつかの実施形態では、周波数シフタ611で適用される第2の周波数シフトは、周波数シフタ607で導入される第1の周波数シフトの共役である。
Once the approach velocity is estimated, an estimated Doppler shift is calculated by Doppler shift estimator 635 and the associated frequency shift is introduced in frequency shifter 607 before the deskew filter 608 and phase impairment corrector 609 .
As described above, deskew filter 608 applies a variable delay that is frequency based, so that adjustments to the frequency introduced by frequency shifter 607 affect the delay applied by deskew filter 608. In some embodiments, the second frequency shift applied by frequency shifter 611 is the conjugate of the first frequency shift introduced by frequency shifter 607.

図6に示すように、デジタル信号処理アーキテクチャは、1つ以上の基準ADC601およびターゲットADC605とともに、位相障害推定器603、位相障害補正器609を含む。
いくつかの実施形態では、近接速度推定器アームは、時間領域フィルタ625、TDからFDへの変換器627、周波数領域フィルタ629、およびピーク検出構成要素631も含む。同様に、ターゲットアームのアーキテクチャは、時間領域フィルタ613、TDからFDへの変換器615、周波数領域フィルタ617、およびピーク検出構成要素619も含むことができる。デジタル信号処理アーキテクチャは、ポイントクラウドデータ621のようなデータを生成し、処理することができる。
As shown in FIG. 6, the digital signal processing architecture includes one or more reference ADCs 601 and target ADCs 605 , as well as a phase impairment estimator 603 , a phase impairment corrector 609 .
In some embodiments, the proximity velocity estimator arm also includes a time domain filter 625, a TD to FD converter 627, a frequency domain filter 629, and a peak detection component 631. Similarly, the target arm architecture may also include a time domain filter 613, a TD to FD converter 615, a frequency domain filter 617, and a peak detection component 619. The digital signal processing architecture may generate and process data such as point cloud data 621.

図7は、本発明の実施形態に従った前検出ポイントベースの補正器を示す図である。
図7に示すように、位相障害補正器709は、以前に推定した検出ポイントに基づいて検出ポイントの速度を推定するように構成された前検出ポイントベース補正器を備えている。いくつかの実施形態では、直前の検出ポイントが用いられることがある。いくつかの実施形態では、以前のスキャンラインからの検出ポイントが用いられてもよいし、以前のフレームからの検出ポイントが用いられてもよい。位相障害補正器の前にドップラーシフトを補償するために、前検出ポイントベースの補正器を使用して速度を推定することができる。
FIG. 7 is a diagram illustrating a pre-detection point-based corrector according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 7, the phase impairment corrector 709 includes a previous detection point based corrector configured to estimate the velocity of a detection point based on a previously estimated detection point. In some embodiments, the immediately previous detection point may be used. In some embodiments, a detection point from a previous scan line may be used, or a detection point from a previous frame may be used. The previous detection point based corrector may be used to estimate the velocity to compensate for the Doppler shift before the phase impairment corrector.

図7に示すように、デジタル信号処理アーキテクチャは、1つ以上の基準ADC701およびターゲットADC705とともに、位相障害推定器703、位相障害補正器709を含む。
いくつかの実施形態では、ターゲットアームのアーキテクチャは、時間領域フィルタ713、TDからFDへの変換器715、周波数領域フィルタ717、およびピーク検出部719も含むことができる。デジタル信号処理アーキテクチャは、ポイントクラウドデータ721のようなデータを生成し、処理することができる。この例示的な実施形態では、ピーク検出部719の後、速度推定器723が、上述したように、以前の検出ポイントの速度を推定する。この速度推定に基づき、デスキューフィルタ708および位相障害補正器709の前の周波数シフタ707において、関連する周波数シフトを取り入れることができる。
上述したように、デスキューフィルタ708は、周波数に基づく可変遅延を適用するので、周波数シフタ707で導入される周波数の調整は、デスキューフィルタ708で適用される遅延に影響を与える。いくつかの実施形態では、周波数シフタ711で適用される第2の周波数シフトは、周波数シフタ707で導入される第1の周波数シフトの共役である。
As shown in FIG. 7, the digital signal processing architecture includes one or more reference ADCs 701 and target ADCs 705 , as well as a phase impairment estimator 703 , a phase impairment corrector 709 .
In some embodiments, the target arm architecture may also include a time domain filter 713, a TD to FD converter 715, a frequency domain filter 717, and a peak detector 719. The digital signal processing architecture may generate and process data such as point cloud data 721. In this exemplary embodiment, after the peak detector 719, a velocity estimator 723 estimates the velocity of the previous detection point as described above. Based on this velocity estimate, an associated frequency shift may be introduced in a frequency shifter 707 before the deskew filter 708 and the phase impairment corrector 709.
As described above, deskew filter 708 applies a variable delay based on frequency, so that adjustments to the frequency introduced by frequency shifter 707 affect the delay applied by deskew filter 708. In some embodiments, the second frequency shift applied by frequency shifter 711 is the conjugate of the first frequency shift introduced by frequency shifter 707.

図8は、本発明の実施形態に従った反復型位相障害補正器を示す。
図8に示すように、位相障害補正器807は、反復型位相障害補正器を用いて構成されており、収束するまで複数回ループを繰り返すことができる。図8に示すように、デジタル信号処理アーキテクチャは、位相障害推定器801、フィルタタップの計算803、および位相障害補正器807を含む。
いくつかの実施形態では、ターゲットアームのアーキテクチャは、時間領域フィルタ811、TDからFDへの変換器813、周波数領域フィルタ815、およびピーク検出部817を含むこともできる。
FIG. 8 illustrates an iterative phase impairment corrector according to an embodiment of the present invention.
As shown in Figure 8, the phase impairment corrector 807 is configured using an iterative phase impairment corrector, which can loop multiple times until convergence. As shown in Figure 8, the digital signal processing architecture includes a phase impairment estimator 801, a filter tap calculation 803, and a phase impairment corrector 807.
In some embodiments, the target arm architecture may also include a time domain filter 811 , a TD to FD converter 813 , a frequency domain filter 815 , and a peak detector 817 .

この例示的な実施形態では、デスキューフィルタ808および位相障害補正器807の前に、周波数シフタ805で第1の周波数シフトが取り入れられる。周波数シフタ809で第2の周波数シフトを導入することができ、第2の周波数シフトは、周波数シフタ805からの第1の周波数シフトの共役とすることができる。
この例示的な実施形態では、ピーク検出部817の後、収束するまで、周波数シフタ805および周波数シフタ809で取り入れられる異なる周波数シフトを用いて、プロセスが繰り返される。各繰り返しでは、前回の繰り返しからの速度推定値が周波数シフトの適用に用いられる。
したがって、各繰り返しにおいて、選択されたピークおよび対応する距離および速度の推定値が異なる可能性がある。選択されたピークが2回以上の連続した繰り返しで同じであれば、収束が達成される。
In this exemplary embodiment, a first frequency shift is introduced in frequency shifter 805 before deskew filter 808 and phase impairment corrector 807. A second frequency shift may be introduced in frequency shifter 809, which may be the conjugate of the first frequency shift from frequency shifter 805.
In this exemplary embodiment, after peak detector 817, the process is repeated with different frequency shifts introduced in frequency shifter 805 and frequency shifter 809 until convergence. In each iteration, the velocity estimate from the previous iteration is used to apply the frequency shift.
Thus, in each iteration, the selected peak and the corresponding distance and velocity estimates may be different. If the selected peak is the same for two or more successive iterations, convergence is achieved.

図9は、本発明の実施形態によるマルチエゴ・ドップラー補償型位相障害補正器を示す。
図9に示すように、位相障害補正器909、927はそれぞれ、異なる複数(N個)のドップラー補償された受信信号に対して位相障害補正を行い、最も良いものを選ぶマルチエゴ・ドップラー補償型位相障害補正器である。
FIG. 9 illustrates a multi-ego Doppler compensation phase impairment corrector according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 9, each of the phase impairment correctors 909 and 927 is a multi-ego Doppler compensation type phase impairment corrector that performs phase impairment correction on a plurality of different (N) Doppler compensated received signals and selects the best one.

図9に示すように、デジタル信号処理アーキテクチャは、1つ以上の基準ADC901およびターゲットADC905とともに、位相障害推定器903、多数の位相障害補正器909、927を含む。この特定の実施形態では、受信信号904は、多数の異なる経路に流用され、各パスは異なる周波数シフトを含む。例えば、第1のデスキューフィルタ908及び第1の位相障害補正器909の前に、周波数シフタ907で第1の周波数シフトを取り入れることができる。第1の位相障害補正器909の後、周波数シフタ907で取り入れられた周波数シフトは、周波数シフタ911で反転させることができる。
いくつかの実施形態では、この第1のターゲットアームは、時間領域フィルタ913、TDからFDへの変換器915、周波数領域フィルタ917、およびピーク検出構成要素919も含むことができる。同様に、N番目のターゲットアームは、N番目のデスキューフィルタ925およびN番目の位相障害補正器927の前に周波数シフタ923にて取り入れられたN番目の周波数シフトを含むことができる。N番目の位相障害補正器927の後、周波数シフタ923にて取り入れられた周波数シフトは、周波数シフタ929にて反転させることができる。いくつかの実施形態では、N番目のターゲットアームは、時間領域フィルタ931、TDからFDへの変換器933、周波数領域フィルタ935、およびピーク検出構成要素937も含むことができる。
最後に、いくつかの遅延のそれぞれについてピークが検出されると、921にて最適のピークを選択することができる。最適なピークを選択することは、いくつかの実施形態では、最も強いピーク、最も高いSNR、または信号検出に使用される他の指標を選ぶことを含む場合がある。
As shown in FIG. 9, the digital signal processing architecture includes a phase impairment estimator 903, multiple phase impairment correctors 909, 927, along with one or more reference ADCs 901 and target ADCs 905. In this particular embodiment, a received signal 904 is diverted into multiple different paths, each path including a different frequency shift. For example, a first frequency shift can be introduced by a frequency shifter 907 before the first deskew filter 908 and the first phase impairment corrector 909. After the first phase impairment corrector 909, the frequency shift introduced by the frequency shifter 907 can be inverted by a frequency shifter 911.
In some embodiments, this first target arm may also include a time domain filter 913, a TD to FD converter 915, a frequency domain filter 917, and a peak detection component 919. Similarly, the Nth target arm may include an Nth frequency shift introduced in a frequency shifter 923 before the Nth deskew filter 925 and the Nth phase impairment corrector 927. After the Nth phase impairment corrector 927, the frequency shift introduced in the frequency shifter 923 may be inverted in a frequency shifter 929. In some embodiments, the Nth target arm may also include a time domain filter 931, a TD to FD converter 933, a frequency domain filter 935, and a peak detection component 937.
Finally, once peaks have been detected for each of several delays, the best peak can be selected at 921. Selecting the best peak may, in some embodiments, include picking the strongest peak, highest SNR, or other metric used for signal detection.

図10は、本開示の実施形態による、LIDARシステム内の位相障害を補償する方法の例を示す流れ図である。
この方法は、動作1001において、第1の光ビームをターゲットに送信することによって開始される。第1の光ビームは、例えば、FMWCビームを含むことができる。実施形態では、光ビームは、ビーム源401から送信することができる。
FIG. 10 is a flow diagram illustrating an example of a method for compensating for phase impairments in a LIDAR system according to an embodiment of the present disclosure.
The method begins in operation 1001 by transmitting a first light beam to a target. The first light beam may include, for example, an FMWC beam. In an embodiment, the light beam may be transmitted from a beam source 401.

動作1003では、リターン信号409が、第1の検出器においてターゲットから受信される。リターン信号409を受信する第1の検出器は、図4を参照して上述した光検出器411であってよい。 In operation 1003, a return signal 409 is received from the target at a first detector. The first detector that receives the return signal 409 may be the optical detector 411 described above with reference to FIG. 4.

動作1005では、局部発振器(LO)局部発振器(LO)信号413、光検出器411、およびリターン信号409を用いて、デジタルサンプリングされたターゲット信号416を生成する。 In operation 1005, the local oscillator (LO) signal 413, the photodetector 411, and the return signal 409 are used to generate a digitally sampled target signal 416.

動作1007では、デジタルサンプリングされたターゲット信号416のエゴ速度およびターゲット速度は、推定エゴ速度および推定ターゲット速度に基づいて補償される。この補償は、いくつかの実施形態では、周波数シフタ507,511,607,611,707,711,805,809,907,911,923,929を用いて行うことができる。一実施形態では、第1の周波数シフトは、デジタルサンプリングされたターゲット信号に適用することができ、ここで、第1の周波数シフトは、LIDARシステムのエゴ速度と推定ターゲット速度の関数である。デジタルサンプリングされたターゲット信号には、第1の周波数シフトの共役である第2の周波数シフトを適用することができる。
いくつかの実施形態では、推定ターゲット速度は、近接検出ポイントの速度に基づいており、近接検出ポイントの速度は、近接検出ポイントの総てに対して標準の補正器を実行し、かつ、近接検出ポイントの速度の統計値(例えば、平均値または中央値)を推定することによって決定することができる。
他の実施形態では、推定ターゲット速度は、以前の検出ポイントの速度に基づく。
In operation 1007, the ego velocity and target velocity of the digitally sampled target signal 416 are compensated based on the estimated ego velocity and the estimated target velocity. This compensation can be performed in some embodiments using frequency shifters 507, 511, 607, 611, 707, 711, 805, 809, 907, 911, 923, 929. In one embodiment, a first frequency shift can be applied to the digitally sampled target signal, where the first frequency shift is a function of the ego velocity of the LIDAR system and the estimated target velocity. A second frequency shift can be applied to the digitally sampled target signal that is the conjugate of the first frequency shift.
In some embodiments, the estimated target velocity is based on the velocity of the proximity detection points, which can be determined by running a standard corrector on all of the proximity detection points and estimating a statistical value (e.g., average or median) of the velocities of the proximity detection points.
In other embodiments, the estimated target velocity is based on the velocity of a previous detection point.

動作1009では、位相障害補正器509,609,709,807,909,927を用いて、デジタルサンプリングされたターゲット信号に対して位相障害補正が実行される。
いくつかの実施形態では、この方法は、既知の長さを有するファイバ遅延装置を介して送信される基準ビームを用いて、デジタルサンプリングされた基準信号を生成することも含む。位相障害補正は、LOビームおよびリターン信号によってデジタルサンプリングされたターゲット信号に取り入れられた位相障害を補正することができる。このような実施形態では、基準ビームは、ビームスプリッタを使用して第1の光ビームから分配することができる。いくつかの実施形態では、リターン信号の位相障害を調整することは、リターン信号の周波数に基づいてリターン信号に遅延を取り入れることを含む。このような遅延は、リターン信号の周波数に比例する場合がある。つまり、より遠くのターゲットからの反射はより多くの遅延を受け、より近くのターゲットからの反射はより少ない遅延を受けることがある。この遅延は、例えば、デスキューフィルタ508,608,708,808,908,925を用いて取り入れることができる。
In operation 1009, phase impairment correction is performed on the digitally sampled target signal using the phase impairment correctors 509, 609, 709, 807, 909, and 927.
In some embodiments, the method also includes generating a digitally sampled reference signal using a reference beam transmitted through a fiber delay device having a known length. The phase impairment correction can correct for phase impairments introduced into the digitally sampled target signal by the LO beam and the return signal. In such embodiments, the reference beam can be split from the first optical beam using a beam splitter. In some embodiments, adjusting for phase impairments in the return signal includes introducing a delay into the return signal based on the frequency of the return signal. Such a delay can be proportional to the frequency of the return signal. That is, reflections from more distant targets can experience more delay and reflections from closer targets can experience less delay. This delay can be introduced using, for example, deskew filters 508, 608, 708, 808, 908, 925.

図11は、本開示の実施形態による、LIDARシステム内の位相障害を補償する別の例の方法を示す流れ図である。
この方法は、動作1101において、LIDARシステムにてターゲット407から反射されたリターン信号409を受信することによって開始する。リターン信号409は、LIDARシステムから送信されたスキャニング信号(第1の光ビーム)403の反射である。スキャニング信号(第1の光ビーム)403は、いくつかの実施形態において、ビーム源401を用いて送信することができる。
FIG. 11 is a flow diagram illustrating another example method for compensating for phase impairments in a LIDAR system according to an embodiment of the present disclosure.
The method begins in operation 1101 by receiving a return signal 409 reflected from a target 407 at a LIDAR system. The return signal 409 is a reflection of a scanning signal (first optical beam) 403 transmitted from the LIDAR system. The scanning signal (first optical beam) 403 can be transmitted using a beam source 401 in some embodiments.

動作1103では、この方法は、LIDARシステムのエゴ速度を決定する。いくつかの実施形態では、エゴ速度は、近接する対象物に対するLIDARシステムの速度である。また、エゴ速度には、LIDARシステムに関連するミラーの速度も含まれることがある。
いくつかの実施形態では、LIDARシステムのエゴ速度は、例えば、図1を参照して説明した信号処理ユニット112またはモーション制御装置105を用いて決定することができる。
In operation 1103, the method determines the ego velocity of the LIDAR system. In some embodiments, the ego velocity is the velocity of the LIDAR system relative to a nearby object. The ego velocity may also include the velocity of a mirror associated with the LIDAR system.
In some embodiments, the ego velocity of the LIDAR system can be determined using, for example, the signal processing unit 112 or the motion controller 105 described with reference to FIG. 1 .

動作1105では、本方法は、推定ターゲット速度を決定する。いくつかの実施形態では、推定ターゲット速度を決定することは、ターゲットに近接する近接検出ポイントの速度を決定すること、および近接検出ポイントの速度に基づいて推定ターゲット速度を生成することを含む。
いくつかの実施形態では、近接検出ポイントの速度を推定することは、すべての近接検出ポイントに対して標準の補正器を実行すること、および近接検出ポイントの速度の統計値(例えば、平均値または中央値)を推定することを含む。代替実施形態では、推定ターゲット速度を決定することは、ポイントクラウド内のターゲットの以前の検出ポイントの速度を決定することと、以前の検出ポイントの速度に基づいて推定ターゲット速度を生成することを含む。いくつかの実施形態では、以前の検出ポイントは、同じスキャンラインにおける直前の検出ポイント、あるいは、以前のスキャンラインまたは以前のスキャンフレームからの検出ポイントの速度を含む。いくつかの実施形態では、推定ターゲット速度は、例えば、図1を参照して説明した信号処理ユニット112または画像処理装置114を用いて決定することができる。
In operation 1105, the method determines an estimated target velocity. In some embodiments, determining the estimated target velocity includes determining a velocity of a proximity detection point proximate to the target and generating the estimated target velocity based on the velocities of the proximity detection points.
In some embodiments, estimating the velocity of the proximity detection points includes running a standard corrector on all the proximity detection points and estimating a statistic (e.g., average or median) of the velocities of the proximity detection points. In an alternative embodiment, determining the estimated target velocity includes determining the velocity of a previous detection point of the target in the point cloud and generating the estimated target velocity based on the velocity of the previous detection point. In some embodiments, the previous detection point includes the velocity of an immediately preceding detection point in the same scan line or a detection point from a previous scan line or a previous scan frame. In some embodiments, the estimated target velocity can be determined using, for example, the signal processing unit 112 or the image processing unit 114 described with reference to FIG. 1.

動作1107では、位相障害推定器503,603,703,801,903を用いて推定位相障害が計算される。動作1109では、第1の周波数シフトがリターン信号に適用される。いくつかの実施形態では、第1の周波数シフトは、LIDARシステムのエゴ速度の関数である。いくつかの実施形態では、第1の周波数シフトは、動作1105で決定された推定ターゲット速度の関数である。 In operation 1107, an estimated phase impairment is calculated using the phase impairment estimator 503, 603, 703, 801, 903. In operation 1109, a first frequency shift is applied to the return signal. In some embodiments, the first frequency shift is a function of the ego velocity of the LIDAR system. In some embodiments, the first frequency shift is a function of the estimated target velocity determined in operation 1105.

第1の周波数シフトが適用されると、動作1111において、リターン信号は、推定位相障害に基づいて位相障害を考慮して調整される。
いくつかの実施形態において、リターン信号の位相障害を調整することは、リターン信号の周波数に基づいてリターン信号に遅延を取り入れることを含む。
このような遅延は、リターン信号の周波数に比例する場合がある。つまり、より遠くのターゲットからの反射はより多くの遅延を受け、より近くのターゲットからの反射はより少ない遅延を受けることがある。この遅延は、例えば、デスキューフィルタ508,608,708,808,908,925を用いて取り入れることができる。
Once the first frequency shift has been applied, in operation 1111 the return signal is adjusted to account for the phase impairment based on the estimated phase impairment.
In some embodiments, adjusting for phase impairments in the return signal includes introducing a delay into the return signal based on a frequency of the return signal.
Such a delay may be proportional to the frequency of the return signal (i.e., reflections from more distant targets may experience more delay and reflections from closer targets may experience less delay). This delay may be introduced using, for example, deskew filters 508, 608, 708, 808, 908, 925.

動作1113では、デスキューフィルタからの遅延ビームに第2の周波数シフトが適用される。
いくつかの実施形態では、第2の周波数シフトは、第1の周波数シフトの共役である。動作1109および1113にて実行される周波数シフトは、例えば、周波数シフタ507,511,607,611,707,711,805,809,907,911,923,929を用いて実行することができる。
In operation 1113, a second frequency shift is applied to the delayed beam from the deskew filter.
In some embodiments, the second frequency shift is the conjugate of the first frequency shift. The frequency shifts performed in operations 1109 and 1113 can be performed using frequency shifters 507, 511, 607, 611, 707, 711, 805, 809, 907, 911, 923, and 929, for example.

前述した説明では、本発明の実施形態を理解しやすくするために、特定のシステム、構成要素、方法などの具体例を複数示しているが、当業者であればこれらの具体例の説明がなくても本発明を実施することができる。また、公知の構成要素や方法はその詳細が省略され、または、単純なブロック図の形式で示されることがあるが、これは本発明の理解を容易にするためである。したがって、開示された内容は単に例示であり、一事例は他の例示と異なる場合があっても、本発明の範囲内に含まれると考えられる。 In the above description, specific examples of specific systems, components, methods, etc. are shown to facilitate understanding of the embodiments of the present invention. However, those skilled in the art can practice the present invention without the description of these specific examples. Also, details of well-known components and methods may be omitted or shown in the form of simple block diagrams in order to facilitate understanding of the present invention. Therefore, the contents disclosed are merely examples, and even if one example differs from other examples, it is considered to be within the scope of the present invention.

本明細書において「一実施形態」または「実施形態」という表現が使用される場合、それらの実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が少なくとも一つの実施形態に含まれていることを意味する。したがって、本明細書のいくつかの箇所で「一実施形態において」または「実施形態において」という表現が現れている場合、必ずしも同じ実施形態を示すものではない。 When the phrase "one embodiment" or "embodiment" is used in this specification, it means that the particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment. Thus, the appearance of the phrase "in one embodiment" or "in an embodiment" in several places in this specification does not necessarily refer to the same embodiment.

「結合」という用語は、その派生語とともに、2つ以上の要素が相互に作用することを示すために使用される。これらの結合要素は、互いに直接的な物理的または電気的に接触している場合もあれば、接触していない場合もある。 The term "coupled," along with its derivatives, is used to indicate that two or more elements interact with each other. These coupled elements may or may not be in direct physical or electrical contact with each other.

ここで説明されている方法の操作は特定の順序で示されているが、各方法の操作の順序は変更されることがあり、特定の操作を逆順で行ってもよいし、少なくとも一部の操作を他の操作と同時に行ってもよい。異なる操作の指示または補助的な操作は、断続的または交互に行うことができる。 Although the method operations described herein are shown in a particular order, the order of operations in each method may be changed, certain operations may be performed in reverse order, or at least some operations may be performed simultaneously with other operations. Instructions for different operations or auxiliary operations may be performed intermittently or alternately.

上記に記載されている発明の実施例についての説明(要約に記載されている内容を含む)は、詳細で網羅的であることを意図しているものではなく、開示された具体的形態に限定するものでもない。本発明の具体的な実施態様および実施例は、例示の目的で本明細書に記載されているが、当業者が認識する範囲で種々の同等な変更を行うことができる。ここで使用される「例」または「例示的」の語は、例、実例または説明として役立つことを意味するために使用されている。本明細書において「例」または「例示」と説明された態様または設計は、必ずしも他の態様または設計よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。むしろ、「例」または「例示」という用語の使用は、概念を具体的な形で示すことを意図している。
本明細書において使用される「または」の用語は、排他的な「または」ではなく、包括的な「または」として解釈されることを意図している。つまり、特に指定されていない限り、あるいは文脈から明らかでない限り、「XはAまたはBを含む」という表現は、自然な包括的順列のいずれかを意味する。つまり、XがAを含む場合、XがBを含む場合、あるいはXがAおよびBの両方を含む場合、前述のいずれの場合にも、「XはAまたはBを含む」という条件を満たすことになる。
さらに、本明細書および添付された特許請求の範囲で使用される冠詞「a」および「an」は、特に指定されていない限り、文脈から単数形であることが明らかでない場合には「1つまたは複数」を意味するものと解釈される。
さらに、本明細書において「第1」、「第2」、「第3」、「第4」のような用語が使用される場合、これらの用語は異なる要素を区別するための識別子として使用されるもので、数字の指定に従って必ずしも順序を示すものではない。
The above-described description of the embodiments of the invention (including the contents described in the Abstract) is not intended to be detailed or exhaustive, nor is it intended to limit the invention to the specific forms disclosed. Specific embodiments and examples of the invention are described herein for illustrative purposes, but various equivalent modifications may be made within the scope of those skilled in the art. As used herein, the word "example" or "exemplary" is used to mean serving as an example, illustration, or explanation. An aspect or design described herein as "example" or "exemplary" should not necessarily be construed as preferred or advantageous over other aspects or designs. Rather, use of the term "example" or "exemplary" is intended to illustrate concepts in a concrete manner.
The term "or" as used herein is intended to be interpreted as an inclusive "or" rather than an exclusive "or." That is, unless otherwise specified or clear from the context, the phrase "X includes A or B" refers to any of the natural inclusive permutations. That is, if X includes A, if X includes B, or if X includes both A and B, then in any of the above cases, the condition "X includes A or B" is satisfied.
Furthermore, the articles "a" and "an" as used in this specification and the appended claims are to be construed to mean "one or more" unless otherwise specified and unless the singular form is clear from the context.
Furthermore, when terms such as "first,""second,""third," and "fourth" are used in this specification, these terms are used as identifiers to distinguish different elements and do not necessarily indicate an order according to the numerical designation.

Claims (17)

光検出および測距(LIDAR)システム(以下、LIDARシステムという)における位相障害を補正する方法であって、
ターゲットに向けて第1の光ビームを送信するステップと、
前記第1の光ビームに基づいて前記ターゲットから第2の光ビームを受信してリターン信号を生成するステップと、
局部発振器(LO)ビームおよび前記リターン信号を第1の光検出器に送信し、この第1の光検出器を用いてデジタルサンプリングされたターゲット信号を生成するステップと、
前記第1の光ビームの信号の一部と、この信号の一部をファイバ遅延装置を介して遅延させた光信号とを第2の光検出器に送信し、この第2の光検出器を用いてデジタルサンプリングされた基準信号を生成するステップと、
前記LIDARシステムの推定エゴ速度、および前記ターゲットの推定ターゲット速度を求めるステップと、
前記LIDARシステムの推定エゴ速度および前記ターゲットの推定ターゲット速度に基づいて、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に対して第1の周波数フィルタによって周波数シフトを取り入れるステップと、
前記周波数シフトを取り入れたターゲット信号の位相障害を前記基準信号に基づいて補正するステップと、
ポイントクラウドを生成するために、前記位相障害を補正したターゲット信号の前記周波数シフトを第2の周波数フィルタによって元に戻すステップと、
を含む方法。
1. A method for correcting phase impairments in a Light Detection and Ranging (LIDAR) system (hereinafter referred to as a LIDAR system) , comprising:
transmitting a first light beam towards a target;
receiving a second light beam from the target based on the first light beam to generate a return signal;
transmitting a local oscillator (LO) beam and the return signal to a first photodetector and using the first photodetector to generate a digitally sampled target signal;
transmitting a portion of the first optical beam signal and a fiber delay of the portion of the first optical beam signal to a second optical detector and using the second optical detector to generate a digitally sampled reference signal;
determining an estimated ego velocity of the LIDAR system and an estimated target velocity of the target;
introducing a frequency shift to the digitally sampled target signal through a first frequency filter based on an estimated ego velocity of the LIDAR system and an estimated target velocity of the target;
correcting a phase impairment of the target signal incorporating the frequency shift based on the reference signal;
undoing the frequency shift of the phase impairment corrected target signal with a second frequency filter to generate a point cloud;
The method includes:
請求項1に記載の方法は、
前記推定エゴ速度は、1つ以上のモーションセンサを用いて測定された近接する対象物に基づいて計算された前記LIDARシステムのエゴ速度である、方法。
The method according to claim 1,
The method of claim 1, wherein the estimated ego velocity is an ego velocity of the LIDAR system calculated based on nearby objects measured using one or more motion sensors.
請求項1に記載の方法であって
前記第1の周波数シフタによる周波数シフトは、前記LIDARシステムのエゴ速度の関数であり、
前記第2の周波数シフタによる周波数シフトは、前記第1の周波数シフタによる周波数シフトの共役である、方法。
2. The method of claim 1 ,
the frequency shift by the first frequency shifter is a function of ego velocity of the LIDAR system;
A method according to claim 1, wherein the frequency shift by the second frequency shifter is a conjugate of the frequency shift by the first frequency shifter .
請求項1に記載の方法は、
前記ターゲットの周辺において近接する検出ポイントの速度を決定するステップと、
前記近接する検出ポイントの速度に基づいて、前記推定ターゲット速度を生成するステップと、をさらに含む方法。
The method according to claim 1,
determining the velocity of adjacent detection points around the periphery of the target;
generating the estimated target velocity based on velocities of the adjacent detection points .
請求項4に記載の方法であって、
前記近接する検出ポイントの速度を決定するステップは、
前記近接する検出ポイントの総てに対して標準の補正器を実行するステップと、
前記近接する検出ポイントの速度の統計値を推定するステップと、を含む方法。
5. The method of claim 4,
The step of determining the velocity of adjacent detection points comprises:
running a standard corrector on all of the adjacent detection points;
and estimating statistics of the velocities of said adjacent detection points .
請求項1に記載の方法は、
前記ポイントクラウド内の前記ターゲットの以前の検出ポイントの速度を決定するステップと、
前記以前の検出ポイントの速度に基づいて前記推定ターゲット速度を生成するステップと、をさらに含む方法。
The method according to claim 1,
determining a velocity of a previous detection point of the target within the point cloud;
generating the estimated target velocity based on velocities of the previous detection points .
請求項6に記載の方法であって、
前記ポイントクラウド内の前記ターゲットの以前の検出ポイントの速度を決定するステップは、
同一のスキャンライン上にある直前の検出ポイントの速度を決定するステップ、以前のスキャンラインからの検出ポイントの速度を決定するステップ、または、以前のスキャンフレームからの検出ポイントの速度を決定するステップ、を含む方法。
7. The method of claim 6,
The step of determining a velocity of a previous detection point of the target within the point cloud comprises:
The method includes determining the velocity of a immediately preceding detection point on the same scan line, determining the velocity of a detection point from a previous scan line, or determining the velocity of a detection point from a previous scan frame .
光検出および測距(LIDAR)システム(以下、LIDARシステムという)であって、
ターゲットに対して第1の光ビームを送信する光ビーム源と、
前記ターゲットからのリターン信号および局部発振器(LO)ビームを受信し、デジタルサンプリングされたターゲット信号を生成する第1の光検出器と、
既知の長さを有し、かつ、前記光ビーム源に結合されたファイバ遅延装置と、
前記ファイバ遅延装置に結合されており、前記第1の光ビームの信号の一部と、この信号の一部を前記ファイバ遅延装置を介して遅延させた信号とを用いて、デジタルサンプリングされた基準信号を生成する第2の光検出器と、
前記LIDARシステムの推定エゴ速度および前記ターゲットの推定ターゲット速度に基づいて、前記デジタルサンプリングされたターゲット信号に対して周波数シフトを取り入れる第1の周波数シフタと、
前記周波数シフトを取り入れたターゲット信号の位相障害を前記基準信号に基づいて補正するデスキューフィルタと、
ポイントクラウドを生成するために、前記位相障害を補正したターゲット信号に対して前記周波数シフトを元に戻す第2の周波数シフタと、
を備える、LIDARシステム
1. A light detection and ranging (LIDAR) system (hereinafter referred to as a LIDAR system), comprising:
a light beam source for transmitting a first light beam to a target;
a first photodetector that receives a return signal from the target and a local oscillator (LO) beam and generates a digitally sampled target signal;
a fiber delay device having a known length and coupled to the optical beam source;
a second photodetector coupled to the fiber delay for generating a digitally sampled reference signal using a portion of the first optical beam signal and a portion of the first optical beam signal delayed through the fiber delay;
a first frequency shifter that introduces a frequency shift to the digitally sampled target signal based on an estimated ego velocity of the LIDAR system and an estimated target velocity of the target;
a deskew filter for correcting a phase impairment of the target signal incorporating the frequency shift based on the reference signal;
a second frequency shifter for undoing the frequency shift on the phase impairment corrected target signal to generate a point cloud;
A LIDAR system comprising :
請求項8に記載のLIDARシステムであって、
前記推定エゴ速度は、1つ以上のモーションセンサを用いて測定された近接する対象物に対する前記LIDARシステムのエゴ速度である、LIDARシステム。
9. The LIDAR system of claim 8,
The estimated ego velocity is the ego velocity of the LIDAR system relative to a nearby object as measured using one or more motion sensors .
請求項8に記載のLIDARシステムであって、
前記第1の周波数シフタによる周波数シフトは、前記LIDARシステムのエゴ速度の関数であり、
前記第2の周波数シフタによる周波数シフトは、前記第1の周波数シフタによる周波数シフトの共役である、LIDARシステム。
9. The LIDAR system of claim 8,
the frequency shift by the first frequency shifter is a function of ego velocity of the LIDAR system;
a frequency shift by the second frequency shifter is a conjugate of a frequency shift by the first frequency shifter .
請求項に記載のLIDARシステムであって、
前記ターゲットの周辺において近接する検出ポイントの速度に基づいて、前記推定ターゲット速度を決定するようにさらに構成される、LIDARシステム。
9. The LIDAR system of claim 8 ,
The LIDAR system is further configured to determine the estimated target velocity based on velocities of adjacent detection points in a perimeter of the target .
請求項11に記載のLIDARシステムであって、
前記近接する検出ポイントの総てに対して標準補正を実行することにより、前記近接する検出ポイントの速度を決定し、かつ、前記近接する検出ポイントの速度の統計値を推定する、LIDARシステム。
12. The LIDAR system of claim 11 ,
determining velocities of the adjacent detection points by performing a standard correction on all of the adjacent detection points and estimating statistics of the velocities of the adjacent detection points.
請求項に記載のLIDARシステムであって、
ポイントクラウド内の前記ターゲットの以前の検出ポイントの速度に基づいて、前記推定ターゲット速度を決定するようにさらに構成される、LIDARシステム。
9. The LIDAR system of claim 8 ,
The LIDAR system is further configured to determine the estimated target velocity based on a velocity of a previous detection point of the target in a point cloud .
請求項13に記載のLIDARシステムであって、
同じスキャンライン上の直前の検出ポイントの速度を決定すること、以前のスキャンライン上の検出ポイントの速度を決定すること、または、以前のスキャンフレーム上の検出ポイントの速度を決定することによって、前記以前の検出ポイントの速度を決定する、LIDARシステム。
14. The LIDAR system of claim 13,
determining the velocity of the previously detected point by determining the velocity of a immediately preceding detected point on the same scan line, determining the velocity of the detected point on a previous scan line, or determining the velocity of the detected point on a previous scan frame .
光検出および測距(LIDAR)システム(以下、LIDARシステムという)における位相障害を補正する方法であって、
当該LIDARシステムからターゲットに第1の光ビームを送信するステップと、
当該LIDARシステムにおいて、局部発振器(LO)ビームと前記ターゲットからのリターン信号とを第1の光検出器で受信し、この第1の光検出器を用いてデジタルサンプリングされたターゲット信号を生成するステップと、
前記第1の光ビームの信号の一部と、この信号の一部をファイバ遅延装置を介して遅延させた光信号とを第2の光検出器で受信し、この第2の光検出器を用いてデジタルサンプリングされた基準信号を生成するステップと、
前記デジタルサンプリングされた基準信号を用いて当該LIDARシステムの1つ以上の位相障害を推定し、1つ以上の推定位相障害を生成するステップと、
前記LIDARシステムのエゴ速度と前記ターゲットの推定ターゲット速度との関数である第1の周波数シフトを前記ターゲット信号に適用するステップと、
前記第1の周波数シフトを適用した前記ターゲット信号の位相障害を前記推定位相障害に基づいて調整するステップと、
デスキューフィルタを用いてポイントクラウドを生成するために、前記第1の周波数シフトの共役である第2の周波数シフトを、前記位相障害を調整した前記ターゲット信号に適用するステップと、
を含む方法
1. A method for correcting phase impairments in a Light Detection and Ranging (LIDAR) system (hereinafter referred to as a LIDAR system), comprising:
transmitting a first beam of light from the LIDAR system to a target;
receiving a local oscillator (LO) beam and a return signal from the target at a first photodetector in the LIDAR system and generating a digitally sampled target signal using the first photodetector;
receiving a portion of the first optical beam signal and a portion of the first optical beam signal delayed through a fiber delay device at a second optical detector, and generating a digitally sampled reference signal using the second optical detector;
estimating one or more phase impairments of the LIDAR system using the digitally sampled reference signal to generate one or more estimated phase impairments;
applying a first frequency shift to the target signal, the first frequency shift being a function of an ego velocity of the LIDAR system and an estimated target velocity of the target;
adjusting a phase impairment of the target signal having the first frequency shift applied based on the estimated phase impairment;
applying a second frequency shift, which is a conjugate of the first frequency shift, to the phase impairment adjusted target signal to generate a point cloud using a deskew filter;
The method includes :
請求項15に記載の方法は
前記ターゲットの周辺において近接する検出ポイントの速度を決定するステップと、
前記近接する検出ポイントの速度に基づいて前記推定ターゲット速度を生成するステップと、をさらに含む方法
The method according to claim 15, further comprising the steps of:
determining the velocity of adjacent detection points around the periphery of the target;
generating the estimated target velocity based on velocities of the adjacent detection points .
請求項15に記載の方法は、
前記ポイントクラウド内の前記ターゲットの以前の検出ポイントの速度を決定するステップと、
前記以前の検出ポイントの速度に基づいて前記推定ターゲット速度を生成するステップと、をさらに含む方法。
The method according to claim 15, further comprising the steps of:
determining a velocity of a previous detection point of the target within the point cloud;
generating the estimated target velocity based on velocities of the previous detection points .
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