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Diese
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Laser-Radar-Bilderzeugung und
verwandte Sensortechnologie.
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Herkömmliche
Systeme zur aktiven Laser-Radar-Bilderzeugung stellen ein Array
von Sensorelementen bereit, die optisch kombiniert werden, um ein
Bild eines Körpers
oder Zieles zu erfassen. Die Verwendung einer aktiven oder gepulsten
Lichtquelle wie etwa eines Lasers, um den Körper oder das Ziel zu beleuchten,
stellt im Allgemeinen einen verbesserten optischen Rückfluss
bereit, wodurch es ermöglicht
wird, ein dreidimensionales Bild einer Szene zu erfassen. Derartige
Bilder umfassen Informationen, die sich auf Azimut, Elevation und
Entfernung beziehen.
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Wenn
ein Laser als die aktive oder gepulste Lichtquelle verwendet wird,
um die erforderlichen optischen Rückflüsse zu produzieren, ist es
von Vorteil, Laserimpulse kurzer Dauer zu benutzen, um dazu beizutragen,
die von den Sensorsystemen erforderten Energieniveaus zu reduzieren.
Die Verwendung derartiger Laser trägt dazu bei, ein größeres Entfernungsauflösungsvermögen zu erzielen.
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Herkömmliche
Detektorelemente mit Sensor-Arrays, die mit aktiven oder gepulsten
Lichtquellen verwendet werden, weisen häufig relativ lange Zeitkonstanten
auf, die erfordern, dass Impulse kürzerer Dauer zu längeren Impulsen
integriert werden. Dies kann zu einer Reduktion des Entfernungsauflösungsvermögens des
Systems als Ganzem führen. Die
Verwendung von Lichtquellen mit aktiven Impulsen als ein Mittel
zum Erzielen eines größeren Entfernungsauflösungsvermögens wurde
durch die Verwendung von Güteschaltung
ermöglicht,
wodurch Laserquellen Impulsdauern im Nanosekundenbereich erzielen
können.
Um dazu beizutragen, die Integrationsprobleme zu überwinden,
welche mit herkömmlichen
Array-Detektorelementen assoziiert sind, sind Lawinenphotodioden
(APDs) verwendet worden. APDs können
die erforderliche optische Erkennung und Verarbeitung von Impulsen
kurzer Dauer leicht durchführen,
aber es bestehen noch immer Probleme in Bezug auf die Fabrikation
von APDs zu Arrays.
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In
einer Veröffentlichung
Nr. 3065-04, die auf der Tagung SPIE AeroSense (20. bis 25. April
1997 in Orlando, Florida) präsentiert
wurde, wurde ein Prototyp eines Laser-Radar-Empfängers zur aktiven Bilderzeugung
präsentiert.
Der Empfänger
inkorporierte ein Array aus mit Fasern gekoppelten Mehrkanalempfängern, was
ihm ermöglichte,
Bilder aus einem einzelnen Laserimpuls zu erwerben. Herkömmliche Abtast-Empfänger zur
Laser-Radar-Bilderzeugung erfordern mehrere Impulse, um ganze Bilder
zusammenzustellen, und leiden unter Jitter und Bildriss (Image Tearing),
die durch Plattform- oder Zielinstabilität und andere Umgebungseinflüsse verursacht werden.
Die Veröffentlichung
schlug die Verwendung eines Ansatzes mit einzelnem Impuls vor, um
dadurch Verzerrungen zu eliminieren und auf Entfernung basierende
Bilder mit hoher Qualität
und hoher Geschwindigkeit bereitstellen zu können.
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Der
Empfänger
bestand gemäß der Präsentation
in der Veröffentlichung
aus einem Array im Brennfeld (Focal Plane Array), das aus Mehrmodenfasern
mit polierten Enden gebildet war. Jede Faser dient als ein Lichteimer
(Light Gucket), wodurch optische Signale erfasst und die Signale
an eine Serie von Detektorelementen weitergesendet werden. Ein Array
von APDs (APDs) wurde dann benutzt, um Licht zu erkennen und zu
verarbeiten, das von den Pixeln, welche durch jede Faseroptik mit
poliertem Ende gebildet wurden, erfasst worden war.
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Die
Konfiguration des Laser-Radar-Empfängers zur Bilderzeugung, wie
in der oben verzeichneten Veröffentlichung
präsentiert,
erfordert, dass jedes Pixel in dem faseroptischen Array einen zugehörigen APD-Detektor
aufweist. Daraus folgt, dass zum Beispiel ein Array von 24×24 Pixelelementen
insgesamt 576 APD-Detektor- und Verarbeitungselemente erfordern
würde.
Dies macht jeden derartigen Empfänger
verhältnismäßig groß und teuer
in Hinsicht auf die Anzahl an APDs und der zugehörigen Elektronik. Zusätzlich zu
der physikalischen Größe und den
Kosten der Entwicklung eines derartigen Systems bleibt die APD-Erkennungs-
und Verarbeitungselektronik im hohen Maße inaktiv, wenn eine typische
Pulsrate von 1 kHz verwendet wird. Dies folgt daraus, dass der Detektor
auf Impulse mit einer Dauer von wenigen Nanosekunden reagieren muss,
um danach für
den Rest der Impulsdauer von einer Millisekunde inaktiv zu ruhen.
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Die
Erfindung stellt einen Laser-Radar-Empfänger zur Bilderzeugung bereit,
der wesentlich weniger Detektoren (und zugehörige Verarbeitungselektronik)
erfordert, indem er faseroptische Verzögerungsleitungen benutzt, um
jedem Detektor zeitverschobene Impulse zuzuführen. Diese Reduktion der Anzahl
an Detektoren kann ein physikalisch kleineres und kompakteres Empfängersystem
zusammen mit einer entsprechenden Reduktion der Kosten, die mit der
Anzahl an erforderlichen APDs assoziiert sind, bereitstellen. Des
Weiteren stellt die Erfindung in Bezug auf den physikalischen Standort
sowohl der Detektoren als auch der zugehörigen Elektronik eine Flexibilität bereit,
wodurch weitere Vorteile in Hinsicht auf das Verpackungsvolumen
und die Verwendung ansonsten redundanten Raums in Wirtsbehältern und
Vehikeln bereitgestellt werden.
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Demgemäß wird ein
Laser-Radar-Empfänger
zum Empfangen von gepulster elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt,
der eine Vielzahl von optischen Fasern umfasst, von denen jede ein
Eingabeende und ein Ausgabeende aufweist, wobei die Eingabeenden
als ein Array zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung angeordnet
sind, wobei die Ausgabeenden der optischen Fasern mit demselben
Detektormittel für
elektromagnetische Strahlung verbunden sind, wobei jede der optischen Fasern
unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweist, die bekannte
und unterschiedliche Verzögerungen
in der Übertragungszeit
eines Impulses von elektromagnetischer Strahlung von jedem der Eingabeenden
der optischen Fasern zu dem Detektormittel für elektromagnetische Strahlung
zur Folge haben, wobei jede der optischen Fasern dazu geeignet ist,
zumindest entlang einem Teil ihrer Länge einen ersten Pfad und einen
zweiten Pfad für
die elektromagnetische Strahlung zu bieten, wobei jeder Impuls von
elektromagnetischer Strahlung zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten
Pfad aufgespalten wird, wobei der erste Pfad eine von dem zweiten
Pfad verschiedene physikalische Eigenschaft aufweist, mit dem Ergebnis,
dass die Zeit, die ein Strahlungsimpuls benötigt, um sich entlang dem ersten
Pfad zu bewegen, von der Zeit verschieden ist, die ein Strahlungsimpuls
benötigt,
um sich entlang dem zweiten Pfad zu bewegen.
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Ein
Laser-Radar-Empfänger
zum Empfangen von gepulster elektromagnetischer Strahlung, der eine
Vielzahl n von optischen Fasern umfasst, von denen jede ein Eingabeende
und ein Ausgabeende aufweist, wobei die Eingabeenden als ein Array zum
Empfangen der elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind, wobei
die optischen Fasern in Serie mit einem Detektormittel für elektromagnetische Strahlung
verbunden sind, wobei das Ausgabeende der ersten optischen Faser
mit der zweiten optischen Faser benachbart zu deren Eingabeende
optisch verbunden ist, wobei das Ausgabeende der zweiten optischen
Faser mit der dritten optischen Faser benachbart zu deren Eingabeende
optisch verbunden ist, und so weiter, so dass die (n – 1)-te
optische Faser mit der n-ten optischen Faser benachbart zu deren Eingabeende
optisch verbunden ist, und die n-te optische Faser mit einem Detektormittel
für elektromagnetische
Strahlung verbunden ist, so dass die Übertragung von elektromagnetischer
Strahlung von jedem der Eingabeenden zu dem Detektormittel einer unterschiedlichen
Zeitverzögerung
ausgesetzt sein wird.
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Die
Erfindung wird nun lediglich mittels Beispielen unter Bezugnahme
auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung eines Laser-Radar-Empfängers
zur Bilderzeugung des Stands der Technik zeigt;
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2 eine
schematische Darstellung eines Laser-Radar-Empfängers
zur Bilderzeugung, der für das
Verständnis
der Erfindung nützlich
ist, zeigt;
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3 eine
schematische Darstellung eines Laser-Radar-Empfängers
zur Bilderzeugung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, der
eine Variante des in 2 gezeigten ist, zeigt;
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4a und 4b eine
Impulsfolge, die von der Vorrichtung der 2 bzw. 3 empfangen wird,
zeigen;
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5 einen
Laser-Radar-Empfänger
zur Bilderzeugung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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1 zeigt
ein Array aus neun Endflächen (Pixeln) 4 von
Glasfaserkabeln, von denen jede einen faseroptischen Übertragungspfad 6 aufweist,
um optische Signale zu einem entsprechenden Array von APDs 8 zu
tragen. Wenn eine Lichtquelle 1 auf das Array von Pixeln 2 einfällt, dient
jede Faser als ein Lichteimer, der das optische Signal 1 erfasst
und es über
die faseroptische Übertragungsleitung 6 an
seine zweckgebundene APD 8 weitersendet. Jede APD 8 stellt
das Mittel zur optischen Erkennung und Verarbeitung der Lichtquelle 1 bereit,
wobei jede eine entsprechende Ausgabeübertragungsleitung 9 zum Zuführen der
Lichtinformationen zu einem weiteren Verarbeitungsmittel 10 über Eingabeterminals 12 aufweist.
Das weitere Verarbeitungsmittel 10 wird dann benutzt, um
ein dreidimensionales Bild des Körpers,
der von der Lichtquelle beleuchtet wird, zu konstruieren. Jede der
faseroptischen Übertragungsleitungen 6 ist
von im Wesentlichen gleicher Länge,
wodurch alle Lichtquelleninformationen 1, die auf ein beliebiges
der Pixel 4 fallen, den APDs 8 in Phase bereitgestellt
werden.
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2 zeigt
einen Laser-Radar zur Bilderzeugung, der eine identische Anzahl
an Pixeln 4 wie in dem in 1 gezeigten
Beispiel aufweist, sich aber darin von diesem unterscheidet, dass jede
der faseroptischen Übertragungsleitungen 14 Lichtquelleninformationen 1 zu
einer einzelnen APD 18 trägt. Der in 2 gezeigte
Empfänger
benutzt Verzögerungen 16 in
den faseroptischen Übertragungsleitungen 14,
um der APD 18 zeitverschobene Impulse bereitzustellen.
In dem Array aus 3×3
Pixeln, das in 2 gezeigt ist, speisen alle
neun Pixel eine APD 18. Das mittlere Pixel 24 weist
die kürzeste
faseroptische Übertragungsleitung 26 auf,
um Lichtquelleninformationen 1 an die APD 18 zu übertragen.
Jedes der restlichen umgebenden Pixel ist mit der APD 18 über faseroptische Übertragungsleitungen 14 verbunden,
wobei jede entsprechende Verzögerungen 16 aufweist,
wobei jede Verzögerung
(d1, d2, d3 ... d8) verschieden ist und jede Verzögerung in
diesem Beispiel durch eine verschiedene Länge von Faser bereitgestellt
wird. Diese Anordnung sieht vor, dass die Lichtquellendaten 1 von
den neun Pixeln in die APD 18 gemultiplext werden.
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Die
Auswahl des mittleren Pixels als dasjenige Pixel mit dem kürzesten Übertragungspfad
zu der APD dient nur als Beispiel und soll kein beschränkendes
Merkmal der Erfindung darstellen. Demgemäß könnte in einem Array jedes beliebige
Pixel gleichermaßen
als dasjenige mit dem Übertragungspfad
der kürzesten
Zeit ausgewählt
werden.
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Wenn
das in 1 beschriebene System mit dem aus 2 verglichen
wird, wird offensichtlich, dass das 3×3-Beispiel in 2 eine
Anordnung bereitstellt, die acht APDs weniger erfordert, um die gleichen
Lichtquellendaten 1 einer APD zur weiteren Verarbeitung
durch die Prozessoreinheit 20 bereitzustellen. Dieses Prinzip
kann skaliert werden, um zu verschiedenen Arrays von Pixeln, die
die gleichen Vorteile behalten, zu passen. Zum Beispiel wäre es bei
einem 5×5-Array
möglich,
ein mittleres Pixel zu benutzen, das von vierundzwanzig weiteren
Pixeln umgeben ist, wobei alle in ihren jeweiligen optischen Übertragungsleitungen
Verzögerungen 16 benutzen. Im
Vergleich mit einem 5×5-Array-System
des Stands der Technik, das der in 1 beschriebenen Lehre
folgt, würde
ein vergleichbares System gemäß dem Empfänger, der
in 2 beschrieben ist, vierundzwanzig APD-Elemente
weniger verwenden.
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Nun
folgt ein Beispiel von typischen Werten, das verwendet wird, um
den in 2 gezeigten Empfänger zu erläutern. Es wird bei einem 3×3-Array
davon ausgegangen, dass die Verzögerungsleitungen 16 Längen aufweisen,
die ganzzahlige Werte sind (z. B. 40 m, 80 m, 120 m, 160 m ...).
Die Lichtquelleninformationen 1, die sich durch eine 40
m lange Faser mit einem Brechungsindex von 1,5 bewegen, benötigen 200
ns, um sich von dem Pixel zu der APD 18 zu bewegen. Der
erste Impuls von dem Array kommt von dem mittleren Pixel, es sei
denn, ein benachbartes Pixel erzeugt ein Bild eines Objektes, das
mehr als 30 m (d. h. 40 × 1,5 ÷ 2) dichter
als das Hauptpixel ist. Diese Bedingung ist als „Entfernungsmehrdeutigkeit" bekannt und eine
Konsequenz der Verwendung eines Ansatzes mit pulsverschobenem Array.
Falls tatsächlich
eine derartige Mehrdeutigkeit auftreten sollte, würde die
Verarbeitungseinheit 20 nicht einen, sondern zwei Impulse
in einem Zeitraum von 200 ns erkennen, wodurch angedeutet würde, dass
ein Entfernungsmehrdeutigkeitsproblem oder „falscher Alarm" vorliegt.
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Eine
andere Art der Entfernungsmehrdeutigkeit tritt auf, wenn nicht alle
Pixel des Array ein optisches Signal erfassen. Dies kann zum Beispiel
dann auftreten, wenn das Array in Richtung des Rands des Körpers oder
Ziels gerichtet ist und nicht alle Pixel einen reflektierten Impuls
empfangen.
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Unter
der Annahme, dass in dem Beispiel keine Entfernungsmehrdeutigkeiten
bestehen, nimmt die APD 18 den Impuls von dem mittleren
Pixel wahr, gefolgt von acht Impulsen in Abfolge von den umgebenden
Pixeln. Jeder Impuls tritt in Intervallen von genau oder etwa 200
ns auf, je nach der physikalischen Beziehung zwischen der Ebene
des Arrays von Pixeln und dem Winkel zur Lichtquelle. Die Folge der
neun Impulse würde
innerhalb von etwa 1,6 μs
(d. h. 8 × 200
ns) erkannt. Unter der Annahme einer typischen Bilderzeugung mit
einer Rahmenfrequenz von 1 kHz wird ersichtlich, das in dem oben
aufgeführten
Beispiel noch viel mehr Impulse von umgebenden Pixeln erkannt werden
könnten,
wenn eine Wiederholfrequenz von 1 kHz ein Fenster von 1 Millisekunde
(1000 μs)
bedeutet. Die Entfernung zu einem Objekt, ungeachtet dessen, ob
es sich um das mittlere oder ein umgebendes Pixel handelt, kann
daher für
jedes Pixel bestimmt werden, und ein 3-dimensionales Bild des beleuchteten
Objektes kann konstruiert werden.
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Ein
weiterer Aspekt, der berücksichtigt
werden muss, wenn das Beispiel aus 2 betrachtet wird,
ist die Gesamtlänge
des erforderlichen Glasfaserkabels. In dem Beispiel weist das erste
umgebende Pixel eine zugehörige
40 m lange Faser auf, und das letzte (d. h. das 8.) weist eine 320
m lange Faser auf. Die Länge
der Faser, die für
jedes 3×3-Array
erforderlich ist, welches den Empfänger wie in 2 beschrieben
verwendet, beträgt
1,44 km. Wenn diese Figur nun auf eine hochskalierte und repräsentative Array-Größe von 24×24 Pixeln
angewendet wird, hat das Benutzen einer APD pro neun Pixeln zur
Folge, dass vierundsechzig 3×3- Anordnungen erforderlich sind.
Demgemäß würde die
Gesamtlänge
von Glasfaserkabel, die für
ein Array von 24×24
Pixeln erforderlich wäre,
92 km betragen. Bei Verwendung von Fasern mit einem Außendurchmesser
von 100 μm und
unter Annahme einer Packungsdichte von 78% (d. h. π/4) würde dies
zur Folge haben, dass ein faseroptisches Volumen von 900 cm3 erforderlich wäre.
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Dieses
Volumen kann um einen Faktor von vier weiter reduziert werden, wenn
eine Faser mit einem Durchmesser von 50 μm benutzt würde. Weitere Reduktionen des
erforderlichen Faservolumens könnten
ebenfalls erzielt werden, indem Fasern mit gespiegeltem Ende verwendet
werden, um Doppeldurchgangs-Verzögerungsstichleitungen
zu produzieren. Die Einführung
von derartigen Doppeldurchgangs-Verzögerungsstichleitungen könnte die
physikalische Länge
der faseroptischen Übertragungsleitungen 14 effektiv
halbieren.
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Wenn
eine Entfernungsmehrdeutigkeit wie die oben beschriebenen tatsächlich besteht,
kann dies angegangen werden, indem ein bekannter Entfernungsmesser
verwendet wird. Alternativ dazu kann die Erfindung verwendet werden,
um Entfernungsmehrdeutigkeiten zu eliminieren. Dies könnte dadurch
erfolgen, dass identifiziert wird, welches Pixel welches Signal
an die APD überträgt. Dies
könnte auf
eine Vielfalt von verschiedenen Wegen erfolgen, einschließlich des
nachfolgend mit Bezug auf 3 beschriebenen.
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3 zeigt
einen Laser-Radar-Empfänger zur
Bilderzeugung, der dem aus 2 ähnlich ist, aber
aus Gründen
der Deutlichkeit sind nur die faseroptischen Übertragungskabel 14 von
dreien der Pixel gezeigt. Jedes Pixel weist ein Glasfaserkabel 14 auf, um Lichtquelleninformationen
zu einer einzelnen APD 18 zu tragen. Jedes der faseroptischen Übertragungskabel 14 ist
von einer verschiedenen Länge, wie
mit Bezug auf 2 beschrieben, aber sie unterscheiden
sich von den in 2 gezeigten dadurch, dass sie
jeweils einen alternativen Pfad 14a aufweisen. Auf diese
Weise kommt Licht, dass sich entlang einem faseroptischen Übertragungskabel 14 bewegt, an
einer Verzweigungsstelle an und kann sich entweder entlang dem ursprünglichen
faseroptischen Übertragungskabel 14 bewegen,
oder es kann sich entlang dem alternativen Pfad 14a bewegen.
Der alternative Pfad ist ein faseroptisches Übertragungskabel, das die gleichen
oder ähnliche
Eigenschaften wie das ursprüngliche
faseroptische Übertragungskabel 14 aufweist.
Der alternative Pfad 14a vereinigt sich mit dem ursprünglichen
faseroptischen Übertragungskabel 14 vor
der Ankunft an der APD 18. Der alternative Pfad 14a ist
von einer anderen Länge
als der entsprechende Abschnitt 14b des ursprünglichen faseroptischen Übertragungskabels 14.
Somit kommt Licht, dass sich entlang dem längeren Pfad bewegt (in diesem
Beispiel 14a, obwohl der alternative Pfad stattdessen ausgeführt sein
könnte,
um kürzer
als der ursprüngliche
zu sein), an der APD 18 später an als das Licht, das sich
entlang dem kürzeren
Pfad (in diesem Beispiel 14b) bewegt, wobei der Unterschied Δd beträgt. Der
Unterschied Δd
der Ankunftszeiten der zwei Lichtimpulse von jedem beliebigen Pixel
an der APD 18 ist vorzugsweise sehr klein im Vergleich zu
dem Unterschied der Ankunftszeiten der Lichtimpulse von den verschiedenen
Pixeln. (z. B. dem Unterschied zwischen d1 und d8). Jedes Pixel
weist einen alternativen Pfad von anderer Länge als derjenigen anderer
Pixel auf, so dass der Unterschied Δd für die zwei Lichtimpulse, die
von jedem der Pixel getragen werden, verschieden ist. Dies ermöglicht es, dass
die Prozessoreinheit 20 identifiziert, welches Pixel das
reflektierte Licht empfangen hat.
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Die 4a und 4b tragen
zu der Erläuterung
bei, wie Entfernungsmehrdeutigkeiten eliminiert werden können, indem
die Vorrichtung, die mit Bezug auf 3 beschrieben
ist, verwendet wird. Die Entfernung ist eine Funktion der Zeit,
die der Lichtimpuls benötigt,
um sich zu dem Körper
oder Ziel und zurück
zu bewegen, plus die Zeit, die der Lichtimpuls benötigt, um
sich entlang dem faseroptischen Übertragungskabel 14 zu
bewegen.
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Die
Impulsfolge 50 ist diejenige, die von der APD 18 empfangen
werden könnte,
wenn die Vorrichtung aus 2 verwendet wird. Die Zeit T0 ist die Zeit, zu der die ersten Lichtquellendaten 1 von
einem Pixel empfangen werden. Die Verzögerung der Signale, die die
APD erreichen, ist für
jedes Pixel aufgrund des Unterschieds der Kabellänge verschieden.
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Unter
der Annahme, dass Licht von den anderen Pixeln zu quasi derselben
Zeit empfangen wird und dass keine Entfernungsmehrdeutigkeiten bestehen,
würde die
Impulsfolge 50 auftreten. Jede Entfernungsmehrdeutigkeit
hätte zur
Folge, dass die Impulse entweder in einer anderen Reihenfolge als
erwartet vorlägen
oder dass weniger als ein vollständiger Satz
Impulse (in diesem Fall neun) empfangen würden, und der Prozessor weiß dann nicht,
welche Pixel die Lichtquellendaten empfangen haben, und daher kennt
der Prozessor die Kabellänge
für diese
Pixel und somit die Entfernung des Objektes nicht.
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Wenn
die Vorrichtung aus 3 in der gleichen Situation
eingesetzt würde,
dann würde
die resultierende Impulsfolge 52 auftreten. Der Unterschied
zwischen den von einem Pixel empfangenen Signalen Δd ist für jedes
Pixel verschieden (Δd1, Δd2, etc.),
und daher kann jedes Pixel, das Lichtquellendaten empfängt, von
dem Prozessor identifiziert werden. Jede Entfernungsmehrdeutigkeit,
die zur Folge hat, dass weniger als ein vollständiger Satz Impulse empfangen
wird, würde
die Entfernungsberechnungen nicht behindern, das der Prozessor in der
Lage ist, das Pixel, das die Lichtquellendaten empfängt, zu
identifizieren, und daher kennt der Prozessor die Kabellänge des
Pixels, und die Entfernung des Objektes kann berechnet werden.
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Anstatt
verschiedene Längen
von Glasfaserkabel für
die alternativen Pfade 14a zu verwenden, könnten Glasfaserkabel 14a mit
verschiedenen Eigenschaften stattdessen für jedes Pixel verwendet werden.
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Es
lässt sich
erkennen, dass die Frage der Entfernungsmehrdeutigkeit auf eine
Vielfalt von verschiedenen Wegen angegangen werden kann.
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5 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung, bei der eine andere Anordnung der faseroptischen
Verzögerungsleitungen 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 und 44 bereitgestellt
ist. Ein Pixel 24, das im Folgenden als „Haupt"-Pixel bezeichnet
wird, ist über eine
faseroptische Übertragungsleitung 28 auf
eine ähnliche
Weise wie der in 2 beschriebenen mit einer APD 18 verbunden.
Die Verzögerungsleitung 30,
die von dem „Neben"-Pixel f1 ausgeht,
ist in die Verzögerungsleitung 28 des
Hauptpixels 24 verbunden. Jedes der restlichen „Neben"-Pixel f2, f3, ...,
f8 ist auf ähnliche
Weise in Serie verbunden, wobei die Verzögerungsleitung 32 vom
Pixel f2 in die Verzögerungsleitung 30 des
Pixels f1 und weiter in die Übertragungsleitung 28 aus
optischer Faser verbunden ist. Die Sequenz des Verbindens der faseroptischen Verzögerungsleitung
von jedem zugehörigen
Pixel in seinen Nachbarn stellt eine Verzögerungsleitungsstruktur bereit,
bei der sich zum Beispiel Lichtsignale 1, die auf das Pixel
f8 einfallen, durch die faseroptische Verzögerungsleitung 44 bewegen,
weiter durch die faseroptische Verzögerungsleitung 42,
die mit dem Pixel f7 assoziiert ist, und auf ähnliche Weise weiter durch
die faseroptische Verzögerungsleitung 40,
die mit dem Pixel f6 assoziiert ist, bis das Signal schließlich über die Übertragungsleitung 28 aus
optischer Faser des Hauptpixels an die APD 18 übertragen
wird.
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Es
wird ersichtlich, dass das Verwenden der „In Serie"-Anordnung der Verzögerungsleitungen aus 5 einen
Zeitverschiebungseffekt für
die Nebenimpulse zur Folge hat, die letztendlich an die APD 18 übertragen
werden. Bei Signalen von den Nebenpixeln höherer Ordnung werden größere Verbindungs- und
Schnittstellenverluste erwartet, zusammen mit Geisterimpulsen aufgrund
mehrfacher Reflektionen entlang der Länge der optischen Fasern der
Verzögerungsleitung.
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Beim
Vergleich der Länge
von optischer Faser, die erforderlich ist, um ein Array von 24×24 Pixeln
herbeizuführen,
das die „In-Serie"-Anordnung verwendet, ergibt sich, dass
vierundsechzig APD-Detektorelemente,
die jeweils acht × 40
Meter Glasfaserkabel aufweisen, folglich eine Gesamtfaserlänge von
20,5 km erfordern. Wenn dies auf einem Faseraußendurchmesser und einer Packungsdichte
basiert, die zu denjenigen in dem Beispiel identisch sind, das in
der in 2 beschriebenen Ausführungsform gegeben ist, (d.
h. Faser von 100 μm
AD und Packungsdichte von π/4),
entspricht dies einem Faserpackungsvolumen von 200 cm3.
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Alternative
Verfahren, durch die die Verzögerung
in die optischen Übertragungsleitungen
eines beliebigen der oben beschriebenen Laser-Radar-Empfänger gemäß der vorliegenden
Erfindung eingeführt
werden kann, schließen
ebenfalls, ohne darauf beschränkt
zu sein, Variationen des Brechungsindex des Materials der optischen
Faser und die Verwendung optischer Fasern aus unterschiedlichen
Materialien ein.
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Des
Weiteren könnten
die geschnittenen Enden 4 der optischen Fasern 2 mit
oder durch Materialien beschichtet oder bedeckt sein, die als Filter
dienen, wie etwa als Bandpass-, Hochpass- oder Tiefpassfilter, ohne
darauf beschränkt
zu sein, um dadurch vorzusehen, dass das System entworfen ist, um
auf bestimmte Spannbreiten von Wellenlängen elektromagnetischer Energie
zu reagieren.
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Die
oben beschriebene Erfindung könnte
alternativ eine Array-Anordnung
im Brennfeld umfassen.
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Die
hier beschriebenen Beispiele beziehen sich auf Arrays aus Pixelelementen,
die zu regelmäßigen quadratischen
Elementen (d. h. 3×3,
4×4, 5×5 etc.)
gebildet sind. Dieses Merkmal sollte nicht so ausgelegt werden,
dass es die Erfindung auf Array-Muster aus regelmäßigen Formen
beschränkt. Arrays
gemäß der Erfindung
können
Pixel umfassen, die zu regelmäßigen oder
unregelmäßigen oder
zufälligen
Strukturentwürfen
gebildet sind, sei es planar oder nicht planar (d. h. 2- oder 3-dimensional).
Arrays können
auch dahingehend konform sein, dass ihre Anwendung derart ist, dass
es erforderlich ist, sie in die äußere Oberfläche wie
etwa eines Fahrzeugs oder eines Körpers zu integrieren.
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Zusätzlich dazu
ist die Array-Größe nicht
auf eine Gruppe von Pixeln beschränkt. Jede Anzahl an Gruppen
kann kombiniert werden, um ein Gesamt-Array gemäß der Erfindung zu produzieren. Größere Arrays
können
Gruppen von Pixeln von jeder der in den 1, 2 oder 3 beschriebenen
Gestalten oder in einer beliebigen Kombination davon umfassen.
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Obwohl
diskrete Impulse von kurzer Dauer vorzuziehen sind, ist es möglich, Impulse
von längerer
Dauer zu empfangen, wie etwa Impulse, die eine längere Dauer aufweisen als der
Abstand zwischen Impulsen. In diesem Fall würde die APD einen Strom erfahren,
der jedes Mal, wenn die APD ein optisches Signal von einem Pixel
empfängt,
einen schrittweisen Anstieg aufzeigt.
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Die
Qualität
der durch das Benutzen der vorliegenden Erfindung erhaltenen Informationen
kann auf individuelle Anwendungen zugeschnitten werden, indem die
Anzahl an Impulsen innerhalb eines gegebenen Zeitraums und die Dauer
dieser Impulse angepasst werden.