JP4044435B2 - パルスシフトアレイ - Google Patents

Description

【０００１】
この発明は、レーザレーダイメージング及びこれに関連するセンサ技術の分野に関連する。
【０００２】
従来のアクティブレーザレーダイメージングシステムは物体または目標のイメージを獲得するために光学的な合成を行うセンサ素子のアレイを提供する。物体あるいは目標を照射するのにレーザなどのアクティブなあるいはパルス光源を使用することは、戻り光（optical return）を改善することができ、シーンの３次元イメージを獲得することを可能にする。そのようなイメージは方位角（azimuth）、仰角（elevation）、範囲（range）に関連する情報を具備する。
【０００３】
要求された戻り光を生成するためにレーザをアクティブなあるいはパルス光源として使用するときに、センサシステムによって要求されるエネルギレベルを低減するのを助けるために短時間のレーザパルスを使用することが有益である。そのようなレーザの使用は大きなレンジ解像度を達成することを助ける。
【０００４】
アクティブなまたはパルス光源とともに使用される従来のセンサアレイ検出器素子はしばしば比較的大きな時定数をもち、短時間パルスを合成して長パルスにすることを要求する。このことは、システム全体のレンジ解像度の低下につながる。大きなレンジ解像度を達成する手段としてアクティブパルス光源を使用することは、Ｑスイッチングの使用により可能になり、これによって、レーザ光源はナノセカンドのパルス周期を達成することができる。従来のアレイ検出器素子に関連する合成の問題を克服するのを助けるために、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が使用されてきた。ＡＰＤは要求された光検出と短周期パルスの処理を容易に行うことができるが、ＡＰＤをアレイ内に製造することに関連した問題が残る。ＳＰＩＥエアロセンス（AeroSense）会議（１９９７年４月２０〜２５日、オーランド、フロリダ州）で提出された論文ＮＯ．♯３０６５−０４において、プロトタイプのアクティブイメージングレーザレーダ受信機が提案された。この受信機はファイバ結合マルチチャネル受信機のアレイに組み込まれ、単一のレーザパルスからイメージを獲得することを可能にする。従来の走査型レーザレーダイメージング受信機は、全イメージを組み立てるために多数のパルスを必要とし、プラットフォームまたは標的の不安定性及び他の環境要因によって引き起こされるジッタやイメージ***の問題をかかえる。上記論文は単一パルスを使用することによりひずみを除去して高品質、高速のレンジをベースとしたイメージを提供できることを提案した。
【０００５】
当該論文において提示された受信機は、先端が研磨されたマルチモードファイバで形成されるフォーカルプレーンアレイからなる。各ファイバは光バケツとして作用し、光信号を捕捉し、この信号を一連の検出器素子に中継する。次に、端部研磨されたそれぞれの光ファイバによって形成されたピクセルによって捕捉された光を検出して処理するためにＡＰＤアレイ（ＡＰＤ）が使用された。
【０００６】
上記の参考論文において提示されたイメージングレーザレーダ受信機の構成は、光ファイバアレイの各ピクセルが関連するＡＰＤ検出器を備えることを必要とする。したがって、例えば、２４×２４アレイのピクセルは、全部で５７６個のＡＰＤ検出器及び処理素子を必要とすることになる。このことは受信機が相対的に大型になり、かつ、ＡＰＤ及び関連する電子回路の数が増大して高価なものになってしまう。システムを開発する上でのそのような物理サイズとコストの問題に加えて、１ｋＨｚの一般的なパルス反復レートが使用されるならばＡＰＤ検出及び処理に関する電子回路が不作動状態になってしまう問題がある。これは、検出器が２，３ナノセカンドの周期のパルスに応答する必要があり、その後、残りの１ミリセカンドのパルス周期では不作動状態にとどまるからである。
【０００７】
本発明は、各検出器に時間シフトパルスを供給するために光ファイバ遅延線を使用することによって、実質的により少ない数の検出器（及び関連する処理用電子回路）で実現できるイメージングレーザレーダ受信機を提供するものである。検出器の数を低減することは、物理的により小さくよりコンパクトな受信機システムを提供することができるとともに、必要とされるＡＰＤの数に関連したコストをも低減することにつながる。さらに、本発明は、検出器及び関連する電子回路の物理的位置に関して柔軟性を提供することができ、梱包及びホストコンテナや自動車内の余分な空間を活用する上で都合がよい。
【０００８】
従って、複数の光ファイバの一方の端部を備えるアレイをを具備するレーザレーダ受信機が提供される。前記光ファイバの対応する対向端部は、少なくとも１つの電磁放射線検出器手段に接続され、前記光ファイバの各々は、パルス電磁放射線が前記光ファイバの前記一方の端部に入射して前記少なくとも１つの電磁放射線検出器手段に伝送されるまでの時間に所定の遅延をもたらす異なる物理特性をもつ。
【０００９】
以下に、添付の図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
【００１０】
図１は、９つの光ファイバケーブル端部（ピクセル）４のアレイを示し、それぞれが光信号をＡＰＤ８の対応するアレイに伝送するための光ファイバ伝送経路６をもつ。光源情報１がピクセルアレイ２に入射するとき、各ファイバは光ばけつとして機能して光源情報１を捕獲してそれを光ファイバ伝送線６を介して各ケーブルのための専用のＡＰＤ８に中継する。各ＡＰＤ８は、光源情報１の光検出及び処理のための手段を提供する。各ＡＰＤ８は光源情報を入力端末１２を介してさらなる処理手段１０に供給するために対応する出力伝送線９をもつ。さらなる処理手段１０は光源によって照射される物体の３次元イメージを構成するのに使用される。各光ファイバ伝送線６実質的に同じ長さであり、これによってピクセル４のいずれかに入射するすべての光源情報１はＡＰＤ８に供給される。
【００１１】
図２は、図１に示す例と同じ数のピクセル４をもつ本発明に従ったイメージングレーザレーダ受信機を示しているが、光伝送ケーブル１４の各々が単一のＡＰＤ１８へ光源情報を伝送する点が異なっている。本発明は時間シフトされたパルスをＡＰＤ１８に供給するために光ファイバ伝送線１４における遅延を利用する。図２に示されるピクセルの３×３“クラスタ”において、９つすべてのピクセルが単一のＡＰＤ１８に光を伝送する。中央のピクセル２４は光源情報１をＡＰＤ１８に伝送するための最短の光ファイバ伝送ケーブル２６を有する。残りの周囲のピクセルは、それぞれが対応する遅延１６をもつ光ファイバ伝送線１４によってＡＰＤ１８に接続されている。各遅延（ｄ１、ｄ２、ｄ３…ｄ８）は異なっており、これはこの例ではファイバの長さを異ならせることによって提供される。この構成は９つのピクセルからの光源情報１がＡＰＤ１８に集結されることを可能にしている。
【００１２】
中央のピクセルをＡＰＤに対する最短の伝送経路をもつピクセルとして選択することは単なる一例であり、本発明の特徴をこれに限定するものではない。したがって、アレイにおいて、任意の１つのピクセルを最短時間の伝送経路に選択することができる。
【００１３】
図１で説明されたシステムを図２に示すシステムと比較するとわかるように、図２に示す３×３の例は、プロセッサユニット２０によって次の処理を行うために同一の光源情報１をＡＰＤに供給するのに要するＡＰＤの数が８つ少なくて済む構成を提供している。この考え方は、同じ利点を維持しながらピクセルの種々のアレイに適合するように変更して適用することができる。例えば５×５アレイならば、２４の残りのピクセルによって囲まれた１つの中央ピクセルを使用することが可能であり、それぞれが各光伝送線における遅延１６を利用する。図１で説明した考え方に従って現在の５×５アレイシステムを考えると、図２で説明した本発明に従ったシステムでは、ＡＰＤ素子の数が２４だけ少ないものとなる。
【００１４】
図２に示される本発明を説明するのに使用される一般的な値の例について以下に説明する。３×３アレイでは、遅延線１６は整数値（例えば４０ｍ、８０ｍ、１２０ｍ、１６０ｍ…）の長さをもつことが仮定される。１．５の屈折係数をもつ４０ｍファイバを介して移動する光源情報１が、ピクセルからＡＰＤ１８へ移動するのに２００ｎｓの時間を要する。隣接ピクセルがマスタピクセルに対して３０ｍ（すなわち４０×１．５÷２）よりも近い物体を撮像する場合以外は、アレイから伝送される最初のパルスは中央のピクセルからのパルスとなる。このような状態は“レンジあいまいさ（range ambiguity）“として知られ、本発明のパルスシフトアレイによる方法を使用することの結果である。まれなことではあるがそのようなあいまいさが起こったときには処理ユニット２０は２００ｎｓ内に１つではなく２つのパルスを検出し、レンジあいまいさの問題あるいは“にせのアラーム”が存在することを知らせる。
【００１５】
アレイ内のすべてのピクセルが光信号を捕捉しない場合には他のタイプのレンジあいまいさが発生する。これは例えば、アレイが物体またはターゲットの端部に向けられていたり、すべてのピクセルが反射されたパルスを受信しなかったときに発生する。
【００１６】
この例において、レンジあいまいさが存在しないことを仮定するならば、ＡＰＤ１８は中央ピクセルからのパルスを観察し、周囲のピクセルからの８つのパルスが順番に後に続く。各パルスは、ピクセルのアレイの平面と光源に対する角度との物理的な関係に依存して２００ｎｓあるいは約２００ｎｓ間隔で発生する。すなわち、９つのパルス列は約１．６μｓ（すなわち、８×２００ｎｓ）内に検出される。１ｋＨｚのフレームレートでの一般的なイメージングを仮定すると、上記の例においてはさらに多くの周囲ピクセルのパルスが検出されることが明らかである。この場合、１ｋＨｚの反復レートは１ミリ秒（１０００μｓ）の窓を意味する。それが中央ピクセルであるか周囲のピクセルであるかとは無関係に、物体に対するレンジが各ピクセルに対して決定され、照射された物体の３次元イメージが構成される。
【００１７】
図２に示される例に関して考慮すべきさらなる側面は、要求される光ファイバケーブルの全長である。この例において最初の周囲ピクセルは関連する４０ｍのファイバを有し、最後（すなわち８番目の）ピクセルは３２０ｍのファイバを有する。図２に従って説明された本発明を使用する各３×３アレイに対して要求されるファイバ長は１．４４ｋｍである。図２の構成を２４×２４ピクセルの拡大された代表的なアレイサイズに適用した場合、９つのピクセルに対して１つのＡＰＤを使用するならば６４個の３×３構成が必要となる。したがって、２４×２４ピクセルアレイに対して要求される光ファイバケーブルの全長は等しく９２ｋｍとなる。１００μｍの外径をもつファイバを使用して７８％（すなわちπ／４）の充填密度を想定するならば、このことは９００ｃｃの光ファイバの容積が必要となる。
【００１８】
５０μｍ直径のファイバが使用されたならば、この容積は４の因数だけさらに低減することができる。同一構成の端部ファイバを使用して２パス“スタブ”遅延線を製造することによりファイバ容積に対する要求をさらに低減することが可能である。そのような２パススタブ遅延線の導入により、ファイバ伝送線１４の物理的な長さを事実上半分にすることができる。
【００１９】
上記したようなレンジあいまいさが存在するならば、このことは本発明による装置に関連した既知のレンジファインダを使用することによって解決できる。一方、この装置はレンジあいまいさを除去するのに適している。これはどのピクセルがＡＤＰに対してどの信号を伝送するかを特定することによって達成される。これは図３を参照して以下に説明する方法を含む種々の異なる方法によって達成される。
【００２０】
図３は図２に示すものと類似のイメージングレーザレーダ受信機であるが、ここでは説明をわかりやすくするために３つのピクセルからの光ファイバ伝送ケーブル１４のみが示されている。各ピクセルは光源情報を単一のＡＰＤ１８に伝送するための光ファイバ伝送ケーブル１４を有する。光ファイバ伝送ケーブル１４の各々は図２に示されるものと異なる長さのものである。それらはそれぞれ代わりの経路１４ａを有している点において図２のものと異なっている。光ファイバ伝送ケーブル１４に沿って移動する光は結合部に到着し、本来の光ファイバ伝送ケーブル１４に沿って移動するかあるいは代わりの経路１４ａに沿って移動する。代わりの経路１４ａは本来の光ファイバ伝送ケーブル１４の特性と同じか類似の特性をもつ光ファイバ伝送ケーブルである。代わりの経路１４ａはＡＰＤ１８に到着する前に本来の光ファイバ伝送ケーブル１４と結合される。代わりの経路１４ａは本来の光ファイバ伝送ケーブル１４の対応する部分１４ｂとは異なる長さとなっている。より長い経路（この例では１４ａ、しかし、代わりの経路を本来の経路よりも短くすることが可能である）に沿って移動する光は、より短い経路（この例では１４ｂ）に沿って移動する光よりも遅い時間にＡＰＤ１８に到着する。経路の相異はΔｄである。ＡＰＤ１８における任意の１つのピクセルからの２つの光パルスのＡＰＤ１８への到着時間の相異Δｄは好ましくは、異なるピクセルからの光パルスの到着時間の相異（例えばｄ１とｄ８間の相異）と比べて大変小さいことが望ましい。各ピクセルは他のピクセルとは異なる長さの代わりの経路を有しており、これによって、相異Δｄはそれぞれのピクセルから伝送される２つの光パルスの間で相異している。このことはプロセッサユニット２０がどのピクセルが反射光を受信したかを特定することを可能にする。
【００２１】
図４ａ及び図４ｂは、レンジあいまいさが図３に関して説明した装置を使用してどのようにして取り除くことができるかを説明する助けとなる。レンジは、光パルスが物体又はターゲットを往復するのに要する時間と、光パルスが光ファイバ伝送ケーブル１４に沿って移動する時間との和の関数である。
【００２２】
パルス列５０は図２の装置が使用されるときにＡＰＤ１８によって受信されるものである。時間Ｔ₀ は最初の光源データ１がピクセルによって受信される時間である。ＡＤＰに到達する信号の遅れはケーブル長に相異があるために各ピクセルごとに異なる。
【００２３】
光が実質的に同じ時間で他のピクセルにより受信され、かつ、レンジあいまいさが存在しないことを仮定すると、パルス列５０が発生する。何らかのレンジあいまいさが起こった場合には、パルスが予期されているのとは異なった順番になるか、あるいはフルセットのパルス（この例では９）よりも少ない数のパルスが受信され、この場合、プロセッサはどのピクセルが光源データを受信したのかを知ることができない。したがって、プロセッサはこれらのピクセルに対するケーブル長すなわち物体のレンジを知ることが出来ない。
【００２４】
図３の装置が同じ状況で使用されたならば、パルス列５２が発生することになる。１つのピクセルから受信した信号間の相異Δｄは各ピクセル（Δｄ１、Δｄ２など）ごとに異なっており、光源データを受信する各ピクセルはプロセッサによって特定可能である。どのようなレンジあいまいさであっても、フルセットのパルスよりも少ないパルスが受信されることになり、プロセッサは光源データを受信するピクセルを特定することができる。したがってプロセッサはピクセルのケーブル長を知ることができ、物体のレンジを計算できるので、レンジの計算の妨げとはならない。
【００２５】
代わりの経路１４ａとして異なる長さの光ファイバケーブルを使用する代わりに、異なる特性をもつケーブル１４ａを各ピクセルごとに使用することができる。
【００２６】
レンジあいまいさの問題は種々の異なる方法により解決することができる。
【００２７】
図５は、本発明の第２実施形態を示しており、ここでは、異なる構成の光ファイバ遅延線３０，３２…が提供される。ここでは‘マスタピクセル’と呼ばれるピクセル２４は、図２に示されるのと類似の方法により光ファイバ伝送線２８を介してＡＰＤ１８に接続される。‘スレーブ’ピクセルｆ１から延在する遅延線３０はマスタピクセル２４の遅延線２８に接続される。残りの‘スレーブ’ピクセルｆ２、ｆ３、…、ｆ８も同様にして直列に接続され、ピクセルｆ２からの遅延線３２は光ファイバｆ１の遅延線３０、さらには光ファイバ伝送線２８へと接続されている。光ファイバ遅延線を各関連するピクセルから隣接ピクセルに接続する手順は、例えばピクセルｆ８に入射する光源情報１は光ファイバ遅延線４４、さらにはピクセルｆ７に関連する光ファイバ遅延線４２を介し、さらに、ピクセルｆ６に関連する光ファイバ遅延線４０を介して当該信号がマスタピクセル光ファイバ伝送線２８を介して最終的にＡＰＤ１８に伝送されるまで移動する、遅延線構造を提供する。
【００２８】
図５に示すような‘直列(in series)’遅延線構成を使用することにより、最終的にＡＰＤ１８に伝送されるスレーブパルスに対する時間シフト効果が得られることは明らかである。より高い順位のスレーブピクセルからの信号と、遅延線ファイバの長さに沿った多元反射によるゴーストパルスからは、より大きな接続及びインタフェース損失が予期される。
【００２９】
‘直列な’構成を使用する２４×２４ピクセルアレイを実現するのに要するファイバの長さを比較すると、６４のＡＰＤ検出器素子はそれぞれが8×４０メートルの光ファイバ伝送ケーブルをもち、結果的に２０．５ｋｍの全体のファイバ長が必要となる。図２で説明した実施形態で与えられた例で使用されたものと同一のファイバ外径及び充填密度（すなわち、１００μｍ ＯＤ ファイバ及びπ／４充填密度）に基づいて考えると、これは２００ｃｃのファイバ充填容積に対応する。
【００３０】
本発明に従って上記したレーザレーダ受信機の光伝送線に遅延が導入される他の方法は、光ファイバ材料の屈折率の変更及び異なる材料の光ファイバの使用を含むが、それらに限定されないことは勿論である。
【００３１】
さらに、光ファイバ２の切断端部４は、バンドパス、ハイパスまたはローパスフィルタなどのフィルタ（これらのフィルタに限定されない）として機能する材料により塗布されるかあるいはそのような材料で包囲することが可能であり、これによって、システムを特定範囲の電磁エネルギ波長に応答するように設計することができる。
【００３２】
上記した本発明ではフォーカルプレーンアレイアッセンブリを代わりに使用可能である。
【００３３】
上記した例は、真四角の素子（すなわち、3×３、4×４、5×５など）に形成されるピクセル素子のアレイに関連する。この特徴は本発明を真四角形状のアレイパターンに限定するものではない。本発明に従ったアレイは規則的または不規則あるいはランダムなレイアウトに形成されたピクセルを具備し、それらは平面または非平面（すなわち2次元的又は3次元的）である。アレイは、当該アレイが自動車や物体などの外表面に集積される必要があるアプリケーションでは等角（conformal）である。
【００３４】
さらに、アレイサイズは、１つのクラスタのピクセルに限定されることはない。本発明に従って全アレイを生成するために任意の数のクラスタが組み合わされる。大きなアレイは図１，２あるいは３あるいはそれらの組み合わせにおいて説明された任意形状のピクセルのクラスタを具備する。
【００３５】
短時間の離散パルスが望ましいが、パルス間隔よりも長い時間をもつパルスなどの、より長い時間のパルスを受信することも可能である。この場合、ＡＰＤは当該ＡＰＤがピクセルから光信号を受信するたびにステップ増加を示す電流を受信するであろう。
【００３６】
本発明を使用することから得られる情報の品質は、与えられた時間のパルスの数と、これらのパルスの時間を調整することによって、個々のアプリケーションに適合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 現在のイメージングレーザレーダ受信機を示す図である。
【図２】 本発明の第１実施形態に従ったイメージングレーザレーダ受信機を示す図である。
【図３】 図２に示される構成の変形例を示すイメージングレーザレーダ受信機を示す図である。
【図４ａ】 図２の装置によって受信されるパルス列を示す図である。
【図４ｂ】 図３の装置によって受信されるパルス列を示す図である。
【図５】 本発明の第２実施形態に従ったイメージングレーザレーダ受信機を示す図である。

Claims (10)

1. 複数の光ファイバの一方の端部を備える少なくとも１つのアレイを具備するレーザレーダ受信機であって、前記アレイの前記光ファイバの対応する対向端部は同一の電磁放射線検出器手段に接続され、前記光ファイバの各々は、パルス電磁放射線が前記光ファイバの前記一方の端部に入射して前記少なくとも１つの電磁放射線検出器手段に伝送されるまでの時間に所定の異なる遅延をもたらす異なる物理的特性をもち、前記光ファイバのそれぞれは、少なくともその長さの一部に沿って、前記パルス電磁放射線に対して第1の経路と第２の経路を提供し、前記電磁放射線のパルスは前記第１の経路を通るパルスと前記第２の経路を通るパルスとに分離され、前記第１の経路は前記第２の経路と異なる物理的特性を持つことにより、前記電磁放射線のパルスが前記第１の経路を移動するのに要する時間は、前記電磁放射線のパルスが前記第２の経路を移動するのに要する時間と異なっているレーザレーダ受信機。
2. 前記各光ファイバの第１の経路はそれぞれ互いに異なる物理的特性をもち、前記各光ファイバの第２の経路はそれぞれ互いに異なる物理的特性をもつ請求項１に記載のレーザレーダ受信機。
3. 前記物理的特性はファイバ長を含む請求項１または２に記載のレーザレーダ受信機。
4. 前記物理的特性はファイバ屈折率を含む請求項１または２に記載のレーザレーダ受信機。
5. 前記物理的特性はファイバ材料を含む請求項１または２に記載のレーザレーダ受信機。
6. ピクセルアレイを備えたパルス電磁放射線を受信するレーザレーダ受信機であって、各ピクセルは、前記ピクセルアレイに入射される電磁放射線を受信するための光ファイバの端部を構成し、前記アレイは複数のスレーブピクセルと、１つのマスタピクセルとからなり、前記アレイの光ファイバは、電磁放射線検出器手段に対して直列の形態で接続され、前記マスタピクセルの光ファイバは、電磁放射線検出器手段に接続されるとともに、複数のスレーブピクセルのうち、第１のスレーブピクセルの光ファイバは、前記マスタピクセルの前記光ファイバに光学的に直列に接続され、複数のスレーブピクセルのうち、第２のスレーブピクセルの光ファイバは、前記第１のスレーブピクセルの光ファイバに光学的に直列に接続され、これによって前記アレイのすべてのスレーブピクセルの各光ファイバは光学的に直列に接続され、前記構成によって、前記ピクセルアレイの各ピクセルから前記電磁放射線検出器手段に伝送される電磁放射線の伝送時間が異なる時間遅延となるレーザレーダ受信機。
7. 前記アレイは等角アレイを形成する請求項１から６のいずれかに記載のレーザレーダ受信機。
8. 前記アレイはフォーカルプレーンアレイを形成する請求項１から６のいずれかに記載のレーザレーダ受信機。
9. 前記光ファイバの前記一方の端部は、前記検出器手段に伝送されるレーザエネルギの波長を選択的にフィルタリングするための手段を具備する請求項１から８のいずれかに記載のレーザレーダ受信機。
10. 前記アレイは複数のより小さい個々のアレイを具備する請求項１から９のいずれかに記載のレーザレーダ受信機。

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