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    • 专利摘要:
    検出された光の光学信号を取得し、蓄積されたデジタル・トレースを生成するためのシステム及び方法が提供される。この方法は、視野の照明のための光源と、光検出器と、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）とを設け、視野内に光源から１つのパルスを放出し、光検出器によりパルスの反射信号を検出し、ＡＤＣにより検出された反射信号のｊ点を取得し、バッファ内にｊ点のデジタル信号波形を格納し、２π／Ｐの位相シフトを導入し、バッファ内に、放出し、検出し、取得し、格納し、導入するステップをＰ回繰り返して、Ｐ×ｊ点のインターリーブされた波形を格納し、Ｎが放出されたパルスの総数であるものとして、合計Ｎ＝Ｍ×Ｐ個の取得セットについてのインターリーブされたＰ×ｊ点のＭ個のトレースを蓄積し、Ｍ個のトレースの各点を加算することにより、ｊ×Ｐ点の反射信号の１つの結合されたトレースを生成するステップを含む。さらに、結合されたトレースをパルスの検出された基準反射信号と比較して、パルスが移動した距離を求めることができる。
    公开号:JP2011506979A
    申请号:JP2010538303
    申请日:2008-12-19
    公开日:2011-03-03
    发明作者:イヴァン マイムオウルト
    申请人:レッダーテック インコーポレイテッド；
    IPC主号:G01S17-10
    专利说明:

    [0001] 本発明は、検出及び測距方法及びシステムにおいて、異なる種類の物体により反射された光の移動時間の測定を改良するための方法及びシステムに関する。
    （関連出願の相互参照）
    本出願は、出願人が、２００７年１２月２１日付けで出願した米国仮特許出願連続番号第６１／０１５，７３８号、２００７年１２月２１日付けで出願した米国仮特許出願連続番号第６１／０１５、８６７号、２００８年４月４日付けで出願した米国仮特許出願連続番号第６１／０４２，４２４号に基づく優先権を主張するものである。]
    背景技術

    [0002] 装置と物体との間の距離を測定するには、幾つかの方法がある。光学式測距システムは、多くの場合、飛行時間原理に依存して、装置から放射された光の短パルスが物体に到達し、光検出回路に反射されるのに掛かる時間を測定することにより、装置と物体との間の距離を求めるものである。従来の光学測距計は、始動パルスで起動され、次いで受信回路が、特定の閾値より高い値のパルスエコーを検出したときに停止するカウンタを用いる。この閾値は、感度を与えるために低く設定することができるが、システムは、過渡雑音から誤認警報を発生させる。閾値を高く設定して誤認警報を防ぐこともできるが、システムは、弱い信号反射を返す物体を検出しなくなる。雨又は雪等の悪天候の条件においては、幾つかのパルスエコーが発生することがある。一部の技術は特定の数のエコーの検出に役立ち、これを用いて一部の反射を排除することができるが、それらには限度がある。]
    [0003] 幾つかの光学測距計は、他の方法を用いて誤認警報に対してより頑強であるようにできている。１つの方法は、エコーバック信号の波形をデジタル化するためのアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）の利用に基づくものである。一旦デジタル化されると、波形をデジタル信号処理回路によって処理してシステムの性能を向上させることができる。]
    [0004] ＡＤＣを用いて光学測距計の性能を向上させるための技術が既に幾つか知られている。平均化は、信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善するのに効果的な方法である。しかしながら、平均化は、応答時間に影響を与え、幾つかのアプリケーションに対してシステムをあまりにも遅くさせてしまうことがある。]
    [0005] クロックパルス遅延回路技術を用いることにより、距離測定の分解能を高めることができる。この技術は、遅延回路と共にクロックパルス信号の整数（Ｎ）除算を用い、各々のエコーの光パルスのサンプルデータを再構成することにより、Ｎ倍だけ分解能を改善する。しかしながら、ＳＮＲを改善するために平均化技術も用いられる場合には、この技術は、平均の数に影響を与える。]
    [0006] デジタル相関法は、距離測定の分解能を向上させるための別のデジタル処理技術である。エコーパルス信号を事前に格納された波形と相関させることにより、物体までの距離を、相関関数の結果のピーク値を用いることによって推定することができる。]
    発明が解決しようとする課題

    [0007] 測距計の性能を改善するための幾つかのデジタル処理技術を詳細に説明したが、しかしながら、分解能及び信号対雑音の改善の点で、それらデジタル処理技術の必要性は一定ではなく、ほとんどの測距用途に対して範囲（ｒａｎｇｅ）の関数であることを、だれも考えなかった。]
    課題を解決するための手段

    [0008] 従って、本発明の目的は、上述の問題のうちの少なくとも１つに対処することである。
    本システムは、異なる用途の必要性の関数として範囲依存処理を適合させることにより、性能（分解能、繰返し率等）を最適化しながら、物体の存在の検出及び距離の測定を改善する。
    本システムは、照明のため、並びに、検出及び測距目的のために照明システムと共に用いるように適合させることが可能である。
    本システムはまた、雨、雪、霧、煙の検出を改善し、かつ、最新の気象条件についての情報を提供することもできる。]
    [0009] 本発明の１つの幅広い態様によると、検出された光の光学信号を取得し、蓄積されたデジタル・トレースを生成するためのシステム及び方法が提供され、この方法は、視野の照明のための光源と、光検出器と、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）とを準備し、視野内に光源から１つのパルスを放出し、光検出器によりパルスの反射信号を検出し、ＡＤＣにより検出された反射信号についてのｊ点を取得し、ｊ点のデジタル信号波形をバッファ内に格納し、２π／Ｐの位相シフトを導入し、放出、検出、取得、格納、及び導入するステップをＰ回繰り返して、バッファ内にＰ×ｊ点のインターリーブされた（ずらして組み合わされたとの意味、以下同じ）波形を格納し、Ｎが放出されたパルスの総数であるものとして、合計Ｎ＝Ｍ×Ｐの取得セットについてのインターリーブされたＰ×ｊ点のＭ個のトレースを蓄積し、Ｍ個のトレースの各点を加算することによりｊ×Ｐ点の反射信号の１つの結合されたトレースを生成することを含む。]
    [0010] さらに、結合されたトレースを、パルスの検出された基準反射信号と比較して、パルスが移動した距離を求めることができる。]
    [0011] 代替的に、タイマーをトリガして、パルスの放出と反射信号の検出との間の経過した時間を計算し、経過した時間に基づいて、パルスが移動した距離を求めることができる。]
    [0012] 本発明の別の幅広い態様によると、物体までの距離を検出するための方法が提供される。この方法は、視野の照明のための少なくとも１つのパルス幅変調可視光源を有する照明システムを準備し、時間ｔにおいて、可視光源を用いて時間ｙだけ視野を照明するために照明信号を放出し、時間ｔ−ｘから時間ｔ＋ｘまでの第１の時間についての反射エネルギーを積分し、第１の時間についての第１の積分値を求め、時間ｔ＋ｙ−ｘから時間ｔ＋ｙ＋ｘまでの第２の時間についての反射エネルギーを積分し、第２の時間についての第２の積分値を求め、第１の積分値と第２の積分値との間の差分値を計算し、差分値と比例する伝搬遅延値を求め、伝搬遅延値から物体への距離を求めることを含む。]
    [0013] 本発明の別の幅広い態様によると、検出された光の光学信号を取得し、蓄積されたデジタル・トレースを生成するための電動式照明システムが提供される。この電動式照明システムは、視野の照明のため及び視野内にパルスを放出するための少なくとも１つの光源と；光源を駆動するための照明駆動装置と；パルスの反射の反射信号を検出するための光検出器と；１／Ｆ秒毎にｊ点の１つを取得することにより、検出された反射信号についてのｊ点を取得し、それにより光学反射信号をｊ点のデジタル信号波形に変換するための、ＦＨｚのサンプルレートとＢビットの分解能とを有するアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）と；デジタル信号波形を格納するためのバッファと；照明駆動装置及び光検出器を制御し、バッファ内に格納するための情報を送信し、ここで、バッファの長さが少なくともｊ×Ｐであり、その中の各素子のビット数がＢ＋２Mであり、光のパルスの放出とＡＤＣによるｊ点の取得の開始との間に２π／Ｐの位相シフトを導入し、放出、検出、取得、格納、及び実施をＰ回繰り返させて、１／（Ｆ×Ｐ）秒の時間分解能による単一の取得に等しい、Ｐ×ｊ点のインターリーブされた波形を取得し、Ｎが放出されたパルスの総数であるものとして、合計Ｎ＝Ｍ×Ｐの取得セットについてのインターリーブされたＰ×ｊ点のＭ個のトレースを蓄積し、点ごとにＭ個のトレースの各点を加算することにより、ｊ×Ｐ点の反射信号の１つの結合されたトレースを生成し、ｊ×Ｐ点の１つの蓄積されたデジタル・トレースを生成するためのプロセッサであって、結合されたトレース内の各点はＭ＝Ｎ／Ｐ個のセットの蓄積であり、結合されたトレースの有効時間分解能は１／（Ｆ×Ｐ）秒である、プロセッサと；を含み、ＡＤＣのサンプルレートは事実上増加することにより、低いサンプルレートＦを有する低価格のＡＤＣを用いることが可能になる。]
    [0014] 従って、本発明の本質を一般的に説明したが、ここで、その好ましい実施形態を例証として示す添付図面を参照する。
    添付図面の全体を通して、同様の特徴は、同様の参照番号により識別されることが留意されるであろう。]
    図面の簡単な説明

    [0015] 照明システムの実施形態のブロック図である。
    蓄積及び位相シフト技術を用いる反射信号の例であり、蓄積及び位相シフトなしに取得されたトレースを示す。
    蓄積及び位相シフト技術を用いる反射信号の例であり、蓄積及び位相シフトの改善点を示す。
    蓄積及び位相シフト技術を用いる反射信号の例であり、より多数の蓄積及び位相シフトを示す。
    セグメント化のための例示的な設定パラメータの表である。
    距離の関数として調整されたパラメータを有する反射信号の例を示す。
    セグメント化プロセスの実施形態のフローチャートである。
    光パルス技術による１つのサンプルを用いた、１０ｍの測距計のための蓄積及び位相シフト技術の例を示す。
    光パルス技術による１つのサンプルを用いた、蓄積及び位相シフト技術の例示的な設定構成の表である。
    埋め込みプロセッサを用いたライダー・モジュールのブロック図である。
    適合され、フィルタ処理された、雑音のある信号を示す。
    １次導関数のゼロ交差点をもつガウスパルスを提示する。
    傾斜調整がなされた典型的なＰＷＭパターンを示す。
    光源及び反射信号からの立ち上がりエッジ信号を示す。
    線形回帰と共に、雑音のあるエコーバック信号の１０％〜９０％の立ち上がりエッジを示す。
    検出及び測距のためのＰＷＭエッジ技術の実施形態のフローチャートである。
    共振周波数の１サイクル後に安定する、オーバーシュートをもつ立ち上がりエッジを示す。
    反射信号からの積分信号を用い、ＰＷＭ光源の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジと同期される方法のタイミング図を示す。
    検出された光の光学信号を取得し、蓄積デジタル・トレースを生成するための方法の主要なステップのフローチャートである。
    物体への距離を検出するための方法の主要なステップのフローチャートである。]
    実施例

    [0016] 図１は、本システムを備えた照明システムの実施形態を示すブロック図である。照明システム１００は、可視光源１１２を有する。可視光源１１２は、第１の目的として、人間の視覚に対して、照明又は信号伝達のような情報の視覚的通信のための可視光の放射を行う。光放射のこの主たる目的は、光出力、視野及び光色のような特定の基準に従って制御されて、多数の規則を通して定義された要件が満たされる。好ましい実施形態においては、可視光源１１２は、例えば、ＬＥＤ又はＯＬＥＤ等の１つ又はそれ以上のソリッド・ステートの照明装置を有する。] 図１
    [0017] 可視光源１１２は、光源コントローラ１１４に接続され、可視光を生成するように駆動される。光の放射に加えて、システム１００は、物体及び粒子（車両、乗客、歩行者、浮遊微小粒子、気体及び液体）が、光源１１２により照明される環境／シーンの一部である場合、これらの検出を行う。従って、光源コントローラ１１４は、可視光源１１２を所定のモードで駆動し、放射光は、例えば、振幅変調光又はパルス光の放射による光信号の形態をとる。]
    [0018] これらの光信号は、データ／信号プロセッサ１１８及び光源コントローラ１１４を通して、アプリケーションにより要求される光照明レベルを与えるように用いることができ、その際、検出可能な信号を生成する。従って、通常人間の目には感じ取れないほど十分に速く（例えば、１００Ｈｚより高い周波数で）光信号を変調し、かつ、連続的な光源と同等な平均光出力を有することにより、連続的な光源と同等な光レベルを得ることが可能である。]
    [0019] １つの実施形態においては、光源コントローラ１１４は、一定のＤＣ信号又はパルス幅変調（ＰＷＭ）信号のような照明駆動信号を与えるように設計され、必要とされる照明を生成し、その強度を制御するために通常照明システムに用いられる、照明駆動信号は、コントローラ１１４の照明駆動装置サブモジュール１１４Ａにより生成される。]
    [0020] 変調／パルス駆動信号は、遠隔物体の検出に必要な高速変調／パルスシーケンスを供給する。この変調／パルス駆動信号は、コントローラ１１４の変調駆動装置サブモジュール１１４Ｂにより生成される。デューティサイクルが低い（典型的には、０．１％より小さい）間は、短パルス（典型的には、５０ｎｓより短い）の振幅は、公称値の数倍とすることができる。]
    [0021] 変調駆動装置１１４Ｂを用いて、光通信のためのデータを送信することもできる。両方の駆動信号を、独立して又は組み合わせて生成することができる。駆動信号の順次送信は、データ／信号プロセッサ１１８により制御される。光源１１２は、光検出器１１６により監視することができ、得られたパラメータが、データ処理の最適化のために、データ／信号プロセッサ１１８に送信される。]
    [0022] 検出のための光信号の光源の代替案は、補助光源（ＡＬＳ）１２２を必要とし、この補助光源は、変調駆動装置１１４Ｂを用いる可視光源又は非可視光源（例えば、ＵＶ又はＩＲ光、ＬＥＤ、又はレーザ）とすることができる。補助光源１２２は、物体及び粒子を検出するための付加的な機能を提供する。ＵＶ光源（具体的には、約２５０ｎｍ）は、ＵＶ検出器と併せて用いられる場合、日光の影響を制限するために用いることができる。ＩＲ光は、性能の向上及び検出領域の範囲の拡大に用いることができる。特定の波長を選択することにより、幾つかのタイプの粒子を検出するために、ＩＲ光及び他のタイプの光を用いることができる。補助光源１２２はまた、これをポインタ及び距離計の基準として用いれば、システムの取り付けの際にも有用である。補助光源１２２はまた、レンズの条件を判断するためにも用いることもできる。]
    [0023] 可視光源１１２は、ＬＥＤで構成されることが好ましい。より具体的には、ＬＥＤの強度は好適な速度で有効に変調／パルス化することができるため、ＬＥＤは、照明システム１００において用いるのに適している。この特徴を用いると、標準的な照明用途のために既に取り付けられた、ＬＥＤを使用する現行の照明システムを、エネルギー節約を目的とした存在検出、距離及び速度の測定、霧、雨、雪又は煙の検出、並びにガス放出又は霧の検出のための分光測定のような、検出用途のための光源１１２として用いることができる。]
    [0024] システム１００は、特定の用途に適した方法で光を放射する、少なくとも１つのレンズ１３０を有する。少なくとも１つのレンズ１３０の少なくとも１つの入力レンズ・セクション１３０ａは、例えば、物体／粒子１３４により反射又は拡散（すなわち後方散乱）される光信号を受信するために用いられる。この入力レンズ・セクション１３０ａは、単一の位置にあってもよいし又はレンズ１３０上に分散されてもよく（複数のゾーン素子）、少なくとも１つの視野を有することができる。例えば、フレネルレンズのような幾つかのタイプのレンズ１３０を用いることができる。レンズ１３０のサブセクションは、赤外線波長のために用いることができる。レンズ１３０のサブセクションは、光学データ受信のために用いることができる。]
    [0025] 検出器１１６が、可視光源１１２及び／又は補助光源１２２、及びレンズ１３０と関連付けられる。検出器モジュール１１６は、光源１１２／ＡＬＳ１２２により放射され、且つ物体／粒子１３４により後方散乱（反射）された光を収集するように設けられた１つまたは複数の光検出器である。検出器モジュール１１６はまた、可視光源１１２又は補助光源１２２を監視することができる。光検出器モジュール１１６を通して情報をデータ／信号プロセッサに送信することを目的とし、光信号が、この光の直接の光源として物体１３４からくることもある（遠隔制御等）。光検出器モジュール１１６は、例えば、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、光電子倍増管（ＰＭＴ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）又は電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイセンサで構成される。]
    [0026] 典型的には、フィルタには、照明システム１００以外の光源から放射された背景周辺光を制御するための検出器モジュール１１６が設けられている。フィルタはまた、分光計測のため、及び、光源１１２の性能を向上させるためにも用いることができる。]
    [0027] フロントエンド及びアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１２４が検出器１１６に接続され、そこから検出された光のデータを受信し、検出器１１６を制御する。例えば、ＡＰＤ検出器のＶｂｉａｓの調整を、自動利得制御（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＡＧＣ）に関する受信側セクションの利得を最適化するための検出器制御の１つとして行うことができる。特定の周波数を区別するため又はＤＣレベルを測定するために、アナログフィルタを用いることができる。]
    [0028] 検出及び測距デジタル処理ユニット１２６が、フロントエンド１２４に接続され、増幅器の利得、ＡＤＣの同期及びサンプルレート等のパラメータを制御する。検出及び測距デジタル処理ユニット１２６は、ＡＤＣからデータを受信し、データを前処理する。]
    [0029] データ／信号プロセッサ１１８が、検出及び測距処理モジュール１２６に接続され、前処理されたデータを受信する。データ／信号プロセッサ１１８はまた、光源コントローラ１１４にも接続され、そこから駆動データを受信する。データ／信号プロセッサ１１８は、処理ユニット（例えば、ＣＰＵ）を有し、光源コントローラ１１４の駆動データと比較して検出モジュール１２６からの前処理データを解釈し、これにより可視光源１１２により放出された光信号の所定の放射モードについての情報が与えられる。]
    [0030] 従って、物体についての情報（例えば、存在、距離、変位速度、組成、寸法等）は、駆動データと検出された光のデータとの間の関係（例えば、位相差、相対強度、スペクトル成分、飛行時間等）の関数として、データ／信号プロセッサ１１８により計算され、随意的にフロントエンド及びＡＤＣ１２４並びに検出及び測距処理ユニット１２６によって前処理される。データ／信号プロセッサ１１８と関連付けてデータベース１２０を設け、履歴データ又は表形式データを与えて物体のパラメータの計算を加速することができる。]
    [0031] データ信号プロセッサの実行する計算によって、データ／信号プロセッサ１１８は光源コントローラ１１４を制御し、従って、可視光源１１２の光出力を制御する。例えば、可視光源１１２に、その強度を増減させるよう、又はその出力のパラメータを変更するよう要求することができる。例えば、その出力パワーを変更することにより、日中の条件対夜間の条件、又は霧、雪若しくは雨のような視界が悪い条件において必要とされる照明レベルに適合させることができる。]
    [0032] システム１００には、データ／信号プロセッサ１１８に接続されたセンサ１３２を設けることができる。センサ１３２は、傾斜計、加速度計、温度センサ、昼／夜センサ等とすることができる。センサ１３２は、システムの取り付け中、及び、システムの動作中に役立つことができる。例えば、傾斜計及び加速計からのデータを利用して、風又はいずれかの種類の振動による視野に対する影響を補償することができる。温度センサは、気象についての情報（ＦＩＲレンズを用いての内部、外部又は遠隔温度）を与えるのに有用である。センサ１３２及びデータ／信号プロセッサ１１８からの情報と、取り付け中、特に光受信器の視野を調整するために、光源１１２及び補助光源１２２からの光を用いることができる。補助光源１１２は、ポインタ及び距離計として用いることができる。]
    [0033] システム１００は、電源及びインターフェース１２８を有する。インターフェース・セクションは、データ／信号プロセッサに接続され、（無線、電力線、イーサネット（登録商標）、ＣＡＮバス、ＵＳＢ等を介して）外部トラフィック管理システムに通信する。]
    [0034] 距離の関数としてのデジタル処理のセグメント化
    幾つかの距離測定用途には、距離の関数として異なる性能が必要とされる。車間距離制御（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｒｕｉｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＡＣＣ）等の自動車用途においては、１００メートルよりさらに先にある車両を検出することは有用であるが、衝突被害軽減等の短距離用途について、正確さ及び繰返し率に関する必要性は同じではない。基本的に、短距離用途においては、反射信号は強力であるが、通常、データの良好な分解能及び高速リフレッシュレートに対する必要性が高い。長距離用途においては、その逆のことが言え、反射信号は弱く雑音があるが、分解能及びリフレッシュレートに対する必要性は低い。]
    [0035] 位相シフト制御技術は、低いサンプルレートを有するデジタル取得システムを用いて精度を改善することができる。例えば、比較的低価格のＡＤＣ（例えば、５０ＭＳＰＳ）は、連続的取得が、取得時間と等値な分数だけ遅延された場合、改善された時間分解能を有するが、平均化が用いられる場合、この技術は、ＳＮＲ及びリフレッシュレートに影響を与える。]
    [0036] 性能を最適化するためには、特定のパラメータを、距離の関数として調整することができる。検出及び測距デジタル処理ユニット１２６とデータ／信号プロセッサ１１８を用いることにより、期間毎のシフト遅延数、蓄積数、及びサンプリングされた各データ点、若しくは幾つかのセグメントについてのリフレッシュレートの制御が可能になる。比較的強力なエコーバック信号を有するより短い距離の場合、分解能及び応答時間を改善するのに、シフト遅延数及びリフレッシュレートは高くなり得る。短い距離においては、蓄積数（又は、他の時間積分技術）は低くなるが、十分なものである（信号対雑音比、分解能、及び１秒当たりの結果数の間のトレードオフ）。]
    [0037] 蓄積技術は、複数の測定を用いて、検出された光信号の信号対雑音比を改善する。１つの距離測定を達成するため、この技術は、Ｍ個の光パルスを用い、各々の光パルスについて、光検出器により検出された信号が、１／Ｆ秒のＡＤＣ時間分解能を用いてＡＤＣによりサンプリングされ、それにより、ｊ点（Ｓ1からＳj）毎のＭ個のライダー・トレース（ｌｉｄａｒ ｔｒａｃｅ）が生成される。Ｍ個のライダー・トレースの点は、点ごとに加算されて、ｊ点の１つの蓄積されたデジタル・ライダー・トレースを生成する。]
    [0038] 位相シフト技術を用いて、ＡＤＣにより取得され、そのサンプルレートＦＨｚにより制限されるトレースの時間分解能を改善する。位相シフト技術は、有効サンプルレートを事実上増加させることにより、低いサンプルレートを有する低価格のＡＤＣの使用を可能にする。有効サンプルレートは、放射された光パルスとＡＤＣサンプリングレートとの間の位相をシフトしながら、Ｐ個の光パルスに対応するＰ個のセットを取得することにより、Ｐ倍だけ増加される。各々の取得間の位相シフトは、２π／Ｐに対応する。次いで、Ｐ個のセットをインターリーブすることにより、取得されたＰ個のセットが、１つのトレースに結合され、結果として得られるトレースは、時間分解能（１／Ｆ×Ｐ）秒による単一の測定値と等しくなる。]
    [0039] 蓄積及び位相シフト技術を組み合わせることにより、Ｍ個のセットの蓄積が、Ｐ個の位相シフトの各々１つについて行なわれ、合計Ｎ＝Ｍ×Ｐ個の取得セットとなる。Ｎ個のセットを用いて、検出及び測距デジタル処理ユニット１２６及びデータ／信号プロセッサ１１８は、反射された光パルスの１つの結合されたトレースを生成する。結合されたトレースにおける各点は、Ｍ＝Ｎ／Ｐセットの蓄積であり、結合されたトレースの有効時間分解能は１／（Ｆ×Ｐ）秒である。１つの完全なトレースを格納するために、バッファの長さは少なくともｊ×Ｐ素子であり、各素子のビット数は、ＡＤＣの分解能（ビット数、Ｂ）及び蓄積数Ｍの関数である。オーバーフローを防ぐために、バッファの各素子は、少なくともＢ＋２Mビットを有するべきである。蓄積及び位相シフト技術の例示的な結果を図２ａ、図２ｂ及び図２ｃに示す。この実験においては、ターゲットは、およそ１２メートルの距離にあり、システムは、５０ＭＳＰＳにおけるＡＤＣを用いる。図２ａは、蓄積も位相シフトもなしに得られたトレースを示す。この信号は、分解能がないため雑音があり、ターゲットを識別するのが非常に困難である。図２ｂは、６４セットを８シフト遅延で蓄積することによる信号対雑音比に関する改善を示す。最後に、図２ｃは、１０２４セットを２５６シフト遅延で蓄積すると、信号対雑音比及び分解能がどのように改善できるかを示す。] 図２ａ 図２ｂ 図２ｃ
    [0040] 蓄積及びシフト制御は、例えば、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ、ＦＰＧＡ）等のプログラム可能論理によって行うことができる。位相シフトは、ＡＤＣコンバータ１３０のクロックをわずかな時間だけ遅延させることによって、又は、光源の駆動装置を遅延させることによって制御することができる。]
    [0041] 図３は、距離の関数として異なるパラメータを用いる、本方法についての設定構成の一例を示す。異なる距離（例えば、１ｍから１００ｍまでの範囲）毎に、時間分解能、蓄積数及びリフレッシュレートを最適化し、ターゲットまでの距離の関数として、感度、精度、及び速度に関するトレードオフを行なうことができる。] 図３
    [0042] 図４は、システムにより近い物体からの第１のエコーと、光源からより遠い別の物体からの第２のエコーとを有する反射信号を示す。第１のエコーの振幅はより高く、システムは、時間分解能を最適化する。より遠い物体からの第２のエコーバック・パルスの振幅はより低く、システムは、分解能を最適化する代わりに、より多くの蓄積を用いてＳＮＲを最適化する。] 図４
    [0043] 各パラメータの値は、エコーバック信号の関数として適応できる。雑音のレベルを分析した後、システムは、優先順位の関数としてパラメータ（分解能、リフレッシュレート、ＳＮＲ）を調整することによって、プロセスを最適化することができる。例えば、雑音が予想より低い場合には、システムは、蓄積数を減らし、シフト遅延数を増やして、分解能を改善することができる。]
    [0044] 図５は、本方法に関する典型的なプロセスのフローチャートを示す。本出願のこのフローチャート及び全ての他のフローチャートにおいて、幾つかのステップは随意的なものであり得る。幾つかの随意的なステップは、そのステップに破線で囲んだボックスを用いることで識別される。構成５００は、プロセスの開始前に幾つかのパラメータを設定する。取得５０２は、光パルスの放射の同期及びＡＤＣによるサンプルの取得によりプロセスを開始する。データのデジタル・フィルタ処理及びその他の処理５０４は、ライダー・トレース５０６の抽出及びメモリ内への格納に関する調整を行なう。距離５０８の検出及び推定は、典型的には基準信号を用い、信号の放出と受信との間の経過時間を測定することによって行なわれる。結果５１０の伝送（距離の検出及び推定）は、外部システムに伝送される。雑音分析５１２が行われ、雑音レベル５１４の関数としてパラメータの調整を行ない、プロセスを最適化することができる。] 図５
    [0045] シフト遅延及び蓄積技術に基づいて、特に短距離の測定に対する、光学測距システムの費用を最適化することが可能である。１つの光パルスにつき１つのサンプルだけを用いることにより、ＡＤＣは、光パルスの放出の周波数でサンプルを取得しなければならない。ＬＨｚで光パルスを駆動するシステムについては、ＡＤＣは、Ｄナノ秒（ｎｓ）の遅延のＰのシフト遅延で、毎秒Ｌ個のサンプルを変換する。図６は、１０メートルの測距計に関するその技術の例を示す。光源は、数ＫＨｚ（例えば、１００ＫＨｚ）で、Ｔ＝０ｎｓにおいて２０ｎｓの光パルスを放出する。空中で、光パルスは、１０メートルのところにあるターゲットに到達し、反射してシステムのセンサに戻るのに約６５ｎｓかかる。パルスが放出される度に、ＡＤＣはサンプルを１つだけ取得する。ＡＤＣは、光パルス駆動装置と同じ周波数（例えば、１００ＫＨｚ）で動作する。最初の２０の光パルスの各々について、システムは、光パルス駆動装置とＡＤＣとの間に５ｎｓのシフト遅延を同期して入れる。２０パルス後、システムは、１０メートルのところにあるターゲットで反射して戻った信号の端部を検出するのにちょうど十分であるように、パルスが放出された９５ｎｓ後に反射して戻された信号をサンプリングする。この例においては、システムが１００ＫＨｚで動作した場合、２００マイクロ秒（μｓ）後には完全な１０メートルのライダー・トレースが記録される。信号対雑音比を改善するために、５０００回まで蓄積を行って、１秒当たり１つの完全なライダー・トレースを有することができる。図７は、本方法に関する設定構成を示す表である。１０メートル及び３０メートルの最大範囲に関して、表は、精度（時間分解能）と、感度（蓄積による信号対雑音比の改善）と速度（リフレッシュレート）との間のトレードオフを示す。] 図６ 図７
    [0046] 今日、埋め込みプロセッサ、マイクロコントローラ、及びデジタル信号プロセッサは、１秒当たり数百の浮動小数点演算、ｈｕｎｄｒｅｄｓｏｆ ＭｅｇａＦＬＯａｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ、ＭＦＬＯＰＳ）の性能により固定小数点又は浮動小数点単位での大量の処理能力を有する。それらは、アナログ・デジタル変換器、タイマー、ＰＷＭモジュール、及び幾つかのタイプのインターフェース（ＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、ＣＡＮバス等）と高度に統合されている。最後に説明された技術を用いると、主としてＡＤＣの速度に関する要件が低いために、測距システムの主要部分を埋め込みプロセッサ内に統合することができる。図８は、測距システムの費用を最適化する埋め込みプロセッサを用いたライダー・モジュール８００のブロック図を示す。埋め込みプロセッサ８０１は、光源８０３を駆動する駆動装置８０２のタイミングを制御する。光信号は、光学レンズ８０４により定められる方向に放出される。物体／粒子８３４からの反射信号は、光学レンズ８０４上で受信され、光検出器及び増幅器８０５により収集される。埋め込みプロセッサ８０１は、埋め込みＡＤＣを用いてライダー・トレースを取得し、データを処理し、情報を外部システム８４０に送信する。システム８００は、１つのセンサ又は幾つかのセンサを用いる、連続的に駆動される幾つかの光源を用いることができる。取得の周波数は、光源周波数に光源の数を乗じたものである。] 図８
    [0047] 移動平均、フィルタ、周波数分析、及びピーク検出
    Ｎ個のデータを収集し、次いで平均化を実行する（各１／Ｎ×［光源の周波数］ごとに１つの平均）代わりに、移動平均技術は、常に最後のＮ個のサンプルで平均を実行することを可能にする。新しいデータを加え、蓄積された最初のデータを減算することによるＦＩＦＯを用いることは、その技術の実施の例である。]
    [0048] 平均化にあまりにも長い積分時間を使うことにより、移動物体を検出する際に問題をもたらすことがある。平均化技術は、移動物体からの信号を雑音とみなし、これを判別できない。周波数領域分析は、この種の状況に有用である場合がある。ウェーブレット変換は、時間／周波数領域における信号分析に非常に有効であり、過渡信号に対して敏感である。エコーバック信号を幾つかのセグメントに分離し、スペクトル周波数を分析することにより、システムは、特定のセグメントにおける光源のパルスの周波数を検出することができる。平均化パラメータは、スペクトル分析プロセスにより検出されるイベントの関数として調整することができる。例えば、移動物体が異なるセグメントにおいて連続的に検出されたときには、平均の数を減らすべきである。]
    [0049] 低域通過フィルタは、平均化の前に各トレース上で前処理として用いることができる。フィルタは、１つより多いサンプルがエコーパルス上で利用可能であるときに、特に有効であり得る。雑音分析からの情報及び光源により放出された信号波形の情報からの情報が、信号を判別し、パラメータを調整するのに役立つ場合もがある。トレースの各点に対して又はセグメント毎に、特定の処理機能を用いることができる。]
    [0050] 物体の検出及び距離の測定を最適化するための別の方法は、基準信号を用い、ライダー・トレースとの適合を行なうことである。基準信号は、メモリ内に格納されたパターン信号、又は基準光検出器により検出された光パルスの基準反射信号とすることができる。基準光検出器は、基準ゼロ値を取得し、この基準信号がライダー・トレースと比較される。検出及び距離は、両方の信号間の比較に基づく。適合は、畳み込みにより行なうことができる。]
    [0051] 図９は、雑音の影響を減らすように適合され、フィルタ処理された雑音のある信号を示す。図９は、信号のフィルタ処理及び曲線適合の効果を提示する。生データの曲線は、センサから受信されたままの雑音のある信号である。フィルタ曲線は、理想的な（雑音のない）パルスとの相関によりフィルタ処理された後の生データ曲線である。これにより、高周波数の雑音が除去される。最後に、適合曲線は、フィルタ処理された信号上の理想的なパルスの最適な適合を提示する。適合は、特に信号が弱く、フィルタ処理後も依然として雑音が多すぎる場合に、距離の安定性を改善することができる。] 図９
    [0052] 信号波形がガウス・プロファイルを有する場合には、１次導関数のゼロ交差点に基づく方法を用いて、波形のピークを検出することが可能である。この技術は、雑音を除去するために事前のフィルタ処理を必要とする。イベントが検出されると（物体からのエコーバック・パルス）、システムは、所定の閾値にわたるＮ個の連続点を検出する。Ｎの値は、特にサンプルレート及び光源からのパルスの幅によって決まる。選択された点の１次導関数を計算し、補間を行なってゼロ交差点を見出すことにより、信号のピークの推定を見出すことができる。]
    [0053] 図１０は、所定の閾値にわたり選択されたデータをもつガウスパルスの例、及び選択されたデータの導関数計算からの結果を示す。パルスのピークを表わす導関数プロットからのゼロ交差を見ることができる。] 図１０
    [0054] エッジ検出を用いた測距計の光源としての照明駆動装置
    スイッチモードＬＥＤ駆動装置は、特にリニア駆動装置と比較した場合、効率において非常に有用である。ＰＷＭは、リニア駆動装置により通常生成される波長のドリフトなしに、非常に高い調光比を可能にする。その性能は、高出力ＬＥＤに特に適している。しかしながら、スイッチモードＬＥＤ駆動装置は、雑音がより多く、幾つかの用途にとってはＥＭＩが問題となり得る。この問題に対処するための１つの方法は、ゲート立ち上がり/立ち下がり傾斜調整回路を用いて、遷移速度を減少させることである。低速での遷移は、より少ないＥＭＩを意味する。図１１は、傾斜調整がなされた典型的なＰＷＭ信号を提示する。] 図１１
    [0055] 測距用途においては、一般に、信号の迅速な遷移が要求される。通常、良好な性能を得るために、電子回路は、数ナノ秒の分解能内で高速遷移信号を検出する必要がある。調整により傾斜速度を減らしたＰＷＭ駆動装置を有するＬＥＤ光源を検出及び測距のための光源として用いることは、原則的にあまり有用ではない。]
    [0056] １つの解決法は、ＰＷＭ回路が照明の強度を制御するように、同じＬＥＤ光源を照明用と検出及び測距用に用いることである。ＥＭＩを減らすために、ＰＷＭ ＬＥＤ光源は、立ち上がり/立ち下がりエッジの際は比較的一定の傾斜を有する（例えば、１００ｎｓの立ち上がり/立ち下がりエッジ）。光源からの光信号は、サンプリングされ、パルスの開始時間（Ｔ０）を定めることが可能になる。また、電気同期信号を用いて、開始点を示すことができる。反射信号は、十分な時間分解能でサンプリングされ、視野内の物体が知覚可能なエコーを返したときに、信号の傾斜中に幾つかの点を有するようにされる。]
    [0057] 図１２は、光源からの立ち上がりエッジ、光源から４．５メートル離れた物体からのエコーバック信号（約３０ｎｓ後）、及び光源から７メートル離れた物体からの別の信号（約４５ｎｓ後）を示す。線形回帰又は他の手段により傾斜を計算して、信号の起点の評価がなされ、光源からの信号とエコーバック信号との間の経過時間を求めることができる。この結果に基づいて、信号を反射する物体の存在及び距離を推定することができる。] 図１２
    [0058] 図１３は、光源から４．５メートルのところにある物体からの雑音のあるエコーバック信号の１０％から９０％の立ち上がりエッジを表わす。線形回帰により、インターセプト・ポイント（切片）を計算し、２つの信号間の遅延に関する良好な推定を得ることができる。傾斜の端部に近いサンプルは、より良好なＳＮＲを有する。雑音のレベルの関数として計算における異なる重みを求めることができる。立ち上がり及び立ち下がりエッジの両方を用いることができる。較正プロセス中、閾値を設定し、物体の有無を判定することができる。平均化及びフィルタ処理技術を用いて、雑音レベルを減らすことができ、またシフト技術を用いて、傾斜においてより多くの点を有するようにすることもできる。図９に示すように、雑音のある信号であっても、本方法は、良好な結果を与えることができる。] 図１３ 図９
    [0059] 図１４は、本方法の典型的なプロセスのフローチャートを示す。エコーバック信号は、典型的には、遷移周波数に基づいた帯域通過フィルタを用いて、フィルタ処理される１４００。立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジが検出され１４０２、サンプルが傾斜内に採取されて１４０４、傾斜のデジタル波形を記憶する。線形回帰の計算１４０６が行われ、インターセプト・ポイントの計算が可能になる１４０８。この情報に基づいて、信号の放出と受信した信号との間の時間差を計算すること１４１０により、物体への距離を推定することが可能になる１４１２。] 図１４
    [0060] 本方法は、復調及びスペクトル分析技術を用いることにより改善することができる。ＰＷＭの基本周波数を復調することができ、この復調の結果が、物体の存在の表示を与える。ＰＷＭ信号の傾斜からくる高調波に基づいて周波数を選択することにより、異なるセグメントのスペクトル分析により物体の位置を推定することができる。およその位置を知ることで、サンプルの取得は、立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジをターゲットにするように調整される。]
    [0061] エッジ検出技術を用いることにより、照明目的、並びに検出及び測距目的で、標準的なＬＥＤ駆動装置を用いることができる。ＰＷＭの周波数は、数ＫＨｚから１ＭＨｚまでの範囲内にあり得る。高周波変調は、平均化技術によって、ＳＮＲを著しく改善することができる。光源の光出力が光路により結合された場合（レンズ又はミラーからの反射、或いは光ファイバの使用）、本方法により、受信側から完全に電気的に絶縁されたＬＥＤ照明システムのためのＰＷＭ光源の使用が可能になる。]
    [0062] 他のタイプの立ち上がり/立ち下がりエッジ検出を、適切な曲線適合技術を用いて、本方法と併せて用いることができる。ＥＭＩが問題ではない場合には、電子駆動装置は、共振周波数における何らかのオーバーシュートを伴い、高速の立ち上がりエッジ及び／又は立ち下がりエッジを生成することができる。この信号は、特定の周波数においてより多くの出力を付加し、受信側により検出することができる信号を増加させる。図１５は、共振周波数の１サイクル後に安定した、オーバーシュートを伴う立ち上がりエッジを示す。] 図１５
    [0063] 所定のパターンの認識
    異なる形状の物体は、オリジナルの信号の修正された波形を反射する。壁からのエコーバック信号は、不規則な形状をもつ物体からのエコーバック信号と比較すると異なっている。長手方向の間隔距離が短い２つの物体からの反射もまた、明確な波形を生成する。データベース内に幾つかのタイプの波形を記憶することにより、このデータを用いてデジタル処理の性能を改善することができる。デジタル相関を行って、所定のパターンを検出することができる。]
    [0064] 追跡
    平均化技術は、移動物体に対してはあまり良好に機能しない。移動物体を追跡することにより、物体の位置を予想して、その状況に適合することができる。推定された位置に比例してシフトする平均化は、移動物体の場合であっても、ＳＮＲを改善する１つの方法である。エッジの追跡は、関心のある領域におけるより多くの点を用いて波形の取得を調整する別の方法である。スペクトル分析は、物体をロックし、追跡するために用いることもできる。]
    [0065] 気象情報及び条件の監視
    本システムは、道路気象情報システム（ＲＷＩＳ）として用いることができ、従って、温度、視程（霧、雪、雨、ダスト）、道路条件（凍結）及び汚染（スモッグ）についての情報を提供する。これを行うために、低周波数信号及びスパイクに基づくパターン認識を実施することができる。悪い気象条件パターンの認識は、雑音を物体から判別するのに役立つ。本システムは、気象条件に応じて、光の強度を調整するのに用いることができる。レンズの条件を監視することもまた可能である（汚れ、積雪等）。この監視は、光源から又は補助光源からのレンズ上での反射の測定することにより行なうことができる。]
    [0066] 積分時間に基づく検出
    図１６は、反射信号からの積分信号を使用し、ＰＷＭ光源の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジと同期される方法のタイミング図を示す。] 図１６
    [0067] 本方法は、積分器付きのセンサ又はセンサのアレイ（１Ｄ又は２Ｄアレイ−ＣＣＤ、ＣＭＯＳ）、又は電子シャッター、及びＰＷＭ光源又はパルス補助光源を用いる。図１６は、照明目的のために光の強度を制御するように、調整可能なデューティサイクルをもつＰＷＭ信号（ＰＷＭ曲線１６０１）を示す。ＰＷＭパルスの立ち上がりエッジ前、時間ｔ−ｘにおいて、センサは、反射信号の積分（センサ積分曲線１６０３）を開始する。時間ｔ＋ｘにおいて、センサは、積分を停止する。ＰＷＭの立ち下がりエッジにおいて、同じプロセスが行なわれる。光源からの光パルスは、移動距離に比例して遅延される（遅延曲線１６０２）。デルタ曲線１６０４は、光信号の移動の遅延のために、立ち上がりエッジについての積分Ｐ１が、立ち下がりエッジについての積分Ｐ２より小さいことを示す。実際には、物体が光源に非常に近い場合には、立ち上がりエッジからの積分値は、立ち下がりエッジからの積分値とほぼ等しくなる。しかしながら、物体がより遠い場合には、立ち上がりエッジの積分値は、立ち下がりエッジの積分値より小さくなる。値の間の差異は、距離に比例する。
    この関係は、
    距離＝ｃ×（ＩＮＴ／４）*（Ｐ２−Ｐ１）／（Ｐ２＋Ｐ１）であり、
    ここで、ｃは光の速度を表し、ＩＮＴは積分時間を表し、Ｐ１は光パルスの立ち上がりエッジと同期された積分値を表し、Ｐ２は光パルスの立ち下がりエッジ上で同期された積分値を表す。] 図１６
    [0068] 他の光源からの照明背景が無視できない場合、システムの光源がオフであるとき、積分時間ＩＮＴの際の背景Ｂの測定を行い、各積分値Ｐ１及びＰ２から減算することができる。無視できない背景との関係は、
    距離＝ｃ×（ＩＮＴ／４）*（（Ｐ２−Ｂ）−（Ｐ１−Ｂ））／（Ｐ２＋Ｐ１−２Ｂ）であり、
    ここで、Ｂはシステムの光源がオフであるときの光背景レベルの積分値である。]
    [0069] 積分時間が、光源のパルス幅より大きい場合、光源の信号と信号との同期をセンサ積分時間と切り換えることにより、同じ技術を用いることができる。結果は、
    距離＝ｃ×（ＩＮＴ／４）*（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ２＋Ｐ１）となり、
    ここで、ｃは光の速度を表し、ＩＮＴは積分時間を表し、Ｐ１は光パルスが積分の立ち上がりエッジと同期されたときの積分値を表し、Ｐ２は光パルスが積分の立ち下がりエッジと同期されたときの積分値を表す。]
    [0070] 他の光源からの照明背景が無視できない場合、この関係は、
    距離＝ｃ×（ＩＮＴ／４）*（（Ｐ１−Ｂ）−（Ｐ２−Ｂ））／（Ｐ２＋Ｐ１−２Ｂ）
    である。]
    [0071] 信号積分からの値は記憶される。センサ・アレイの場合、各々の「ピクセル」が記憶される。幾つかの積分を行ない、かつ平均化プロセスを行なって、信号対雑音比を改善することができる。また、アレイの場合、ピクセルの群を用い、これらを結合してより大きいピクセルを形成することにより（ビン処理）、信号対雑音比を改善することができる。]
    [0072] 要約すれば、図１７を参照すると、検出された光の光学信号を取得し、蓄積されたデジタル・トレースを生成するための方法の主要なステップが示される。本方法は、光源に、視野の照明のための光検出器を設け１７００、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）を設け１７０２、視野に光源から１つのパルスを放出し１７０４、光検出器によりパルスの反射信号を検出し１７０６、ＡＤＣにより検出された反射信号についてのｊ点を取得し１７０８、バッファ内にｊ点のデジタル信号波形を格納し１７１０、２π／Ｐの位相シフトを導入し１７１２、放出１７０４、検出１７０６、取得１７０８、格納１７１０、及び導入１７１２のステップをＰ回繰り返して１７１４、バッファ内にＰ×ｊ点のインターリーブ波形を格納し１７１０、Ｎが放出されたパルスの合計数であるものとして、合計Ｎ＝Ｍ×Ｐ取得セットについてのインターリーブされたＰ×ｊ点のＭ個のトレースを蓄積し１７１６、Ｍ個のトレースの各点を加算することによりｊ×Ｐ点の反射信号の１つの結合されたトレースを生成する１７１８ことを含む。] 図１７
    [0073] さらに、結合されたトレースを検出されたパルスの基準反射信号と比較して、パルスが移動した距離を求める１７２２ことができる。]
    [0074] 代替的には、タイマーをトリガして、パルスの放出と反射信号の検出との間の経過時間を計算し１７２４、経過時間に基づいてパルスにより移動した距離を求める１７２２ことができる。]
    [0075] 要約すれば、図１８を参照すると、物体までの距離を検出するための主要なステップが示される。本方法は、視野の照明のために少なくとも１つのパルス幅変調された可視光源を有する照明システム１８００を提供し、時間ｔにおいて可視光源を用いて時間ｙの間だけ視野を照明するための照明信号を放出し１８０２、時間ｔ−ｘから時間ｔ＋ｘまでの第１の時間についての反射エネルギーを積分し１８０８、第１の時間に対する第１の積分値を求め１８１０、時間ｔ＋ｙ−ｘから時間ｔ＋ｙ＋ｘまでの第２の時間についての反射エネルギーを積分し１８１２、第２の時間に対する第２の積分値を求め１８１４、第１の積分値と第２の積分値との間の差分値を計算し１８１６、差分値に比例する伝搬遅延値を求め１８１８、伝搬遅延値から物体への距離を求める１８２０ことを含む。] 図１８
    [0076] ブロック図においては、明確なデータ信号接続を介して互いに通信する別個のコンポーネントの群として示されたが、当業者であれば、図示した実施形態は、ハードウェア・コンポーネントとソフトウェア・コンポーネントの組み合わせにより提供でき、幾つかのコンポーネントは、ハードウェア又はソフトウェアシステムの所与の機能又は動作により実施され、図示されたデータ経路の多くは、コンピュータ・アプリケーション又はオペレーティング・システム内のデータ通信により実施されることが理解されるであろう。従って、図示された構造は、記載された実施形態を効果的に教示するために与えられたものである。]
    [0077] １００：照明システム
    １１２：可視光源
    １１４：光源コントローラ
    １１６：光検出器
    １１８：データ／信号プロセッサ
    １２０：データベース
    １２２：補助光源
    １２４：アナログ・デジタル変換器
    １２６：検出及び測距デジタル処理ユニット
    １２８：電源
    １３０：レンズ
    １３２：センサ
    １３４：物体／粒子
    １４０：外部システム
    ８０１：埋め込みプロセッサ]
    权利要求:

    請求項1
    検出された光の光学信号を取得し、蓄積されたデジタル・トレースを生成するための方法であって、前記方法は、視野の照明のための光源と、光検出器と、ＦＨｚのサンプルレートとＢビットの分解能とを有するアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）と、を準備するステップと、前記視野内に前記光源から１つのパルスを放出するステップと、前記光検出器により前記パルスの反射信号を検出するステップと、１／Ｆ秒ごとにｊ点の１つを取得することによって、前記ＡＤＣにより、前記検出された反射信号についてのｊ点を取得し、前記光反射信号をｊ点のデジタル信号波形に変換するステップと、前記ｊ点のデジタル信号波形をバッファ内に格納するステップと、前記光パルスの前記放出と前記ＡＤＣによる前記ｊ点の取得の開始との間に２π／Ｐの位相シフトを導入するステップと、前記放出するステップ、前記検出するステップ、前記取得するステップ、前記格納するステップ、前記導入するステップをＰ回繰り返して、１／（Ｆ×Ｐ）秒の時間分解能による単一の取得に等しい、Ｐ×ｊ点のインターリーブされた波形を前記バッファ内に格納するステップと、Ｎが放出されたパルスの総数であるものとして、合計Ｎ＝Ｍ×Ｐ個の取得セットについてのインターリーブされたＰ×ｊ個の点のＭ個のトレースを蓄積するステップと、前記Ｎ個のセットを用いて、点ごとに前記Ｍ個のトレースの各点を加算することにより前記反射信号の１つの結合されたトレースを生成し、ｊ×Ｐ点の１つの蓄積されたデジタル・トレースを生成するステップであって、前記結合されたトレース内の各点は、Ｍ＝Ｎ／Ｐ個のセットの蓄積であり、該結合されたトレースの有効時間分解能は、１／（Ｆ×Ｐ）秒である、ステップと、を含み、前記バッファの長さは少なくともｊ×Ｐであり、前記バッファ内の各要素のビット数はＢ＋２Mであり、前記ＡＤＣの前記サンプルレートを事実上増加することにより、低いサンプルレートＦを有する低価格のＡＤＣを用いることが可能になることを特徴とする方法。
    請求項2
    ｊは１に等しく、これによりパルス毎に１ポイントだけを取得することを特徴とする請求項１に記載の方法。
    請求項3
    Ｐ及びＭの少なくとも一方は、ｊの関数として調整されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
    請求項4
    基準信号を前記結合されたトレースと畳み込むステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
    請求項5
    前記パルスの前記放出において、基準光検出器により、前記パルスの基準反射信号を検出し、前記パルスについての基準ゼロ値及び基準トレースを取得するステップと、前記パルスについての前記基準トレースを前記結合されたトレースと比較するステップと、前記比較に基づいて、前記パルスが移動した距離を求めるステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
    請求項6
    タイマーを設けるステップと、前記タイマーをトリガして、前記パルスの前記放出と前記反射信号の前記検出との間の経過時間を計算するステップと、前記経過した時間に基づいて、前記パルスが移動した距離を求めるステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
    請求項7
    前記位相シフトを導入するステップは、わずかな時間だけ前記ＡＤＣのクロックを遅延させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
    請求項8
    前記位相シフトを導入するステップは、前記光源の駆動装置を遅延させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
    請求項9
    前記照明システムは、少なくとも１つのセンサを用いて、連続的に駆動される幾つかの光源を含み、取得周波数は、前記光源の周波数に前記光源の数を乗じたものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
    請求項10
    前記放出が行なわれた時間を求めるステップと、遷移周波数に基づいてフィルタを選択するステップと、前記フィルタを用いて前記反射信号をフィルタ処理するステップと、前記フィルタ処理された反射信号についての立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジの少なくとも一方を検出し、立ち上がり傾斜及び立ち下がり傾斜の少なくとも一方を見つけるステップと、前記立ち上がり傾斜及び立ち下がり傾斜の少なくとも一方におけるサンプルを取得して、前記傾斜のデジタル波形を記憶するステップと、前記傾斜の前記デジタル波形上の線形回帰を計算するステップと、前記線形回帰におけるインターセプト・ポイントを計算するステップと、前記放出と前記インターセプト・ポイントとの間の時間差を計算し、前記反射を生じさせる物体への距離を推定するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
    請求項11
    前記時間を求めるステップは、前記光源から前記信号をサンプリングするステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
    請求項12
    前記時間を求めるステップは、電気同期信号を用いるステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    請求項13
    雑音のレベルの関数として前記計算において異なる重みを決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    請求項14
    閾値を設けるステップと、前記閾値を用いて、所定のターゲット距離における物体の存在を判断するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    請求項15
    平均化技術及びフィルタ処理技術の少なくとも一方を用いて、雑音のレベルを減少させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    請求項16
    シフト技術を用いて、より多くの点を取得するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    請求項17
    検出された光の光学信号を取得し、蓄積されたデジタル・トレースを生成するための電動式照明システムであって、前記電動式照明システムは、視野の照明のため及び前記視野内にパルスを放出するための少なくとも１つの光源と、前記光源を駆動するための照明駆動装置と、前記パルスの反射の反射信号を検出するための光検出器と、１／Ｆ秒毎に、ｊ点の１つを取得することにより、前記検出された反射信号についてのｊ点を取得し、前記光学反射信号をｊ点のデジタル信号波形に変換するための、ＦＨｚのサンプルレートとＢビットの分解能とを有するアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）と、前記デジタル信号波形を格納するためのバッファと、前記照明駆動装置及び前記光検出器を制御し、その長さが少なくともｊ×Ｐであり、その中の各素子のビット数がＢ＋２Mである、前記バッファ内に格納するための情報を送信し、前記光パルスの前記放出と前記ＡＤＣによる前記ｊ点の前記取得の開始との間に２π／Ｐの位相シフトを導入し、前記放出、検出、取得、格納、及び導入をＰ回繰り返させて、１／（Ｆ×Ｐ）秒の時間分解能による単一の取得に等しい、Ｐ×ｊ点のインターリーブ波形を取得し、Ｎが放出されたパルスの総数であるものとして、合計Ｎ＝Ｍ×Ｐ個の取得セットについてのインターリーブされたＰ×ｊ点のＭ個のトレースを蓄積し、点ごとに前記Ｍ個のトレースの各点を加算し、ｊ×Ｐ点の１つの蓄積されたデジタル・トレースを生成することにより、前記Ｎ個のセットを用いて前記反射信号の１つの結合されたトレースを生成する、ためのプロセッサであって、前記結合されたトレースにおける各点は、Ｍ＝Ｎ／Ｐ個のセットの蓄積であり、該結合されたトレースの有効時間分解能は、１／（Ｆ×Ｐ）秒である、プロセッサと、を含み、前記ＡＤＣの前記サンプルレートを事実上増加することにより、低いサンプルレートＦを有する低価格のＡＤＣを用いることが可能になることを特徴とするシステム。
    請求項18
    ｊは１に等しく、これによりパルス毎に１ポイントだけを取得することを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
    請求項19
    Ｐ及びＭの少なくとも一方は、ｊの関数として調整されることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
    請求項20
    基準信号を与えるためのメモリをさらに含み、前記プロセッサは、前記基準信号を前記結合されたトレースと畳み込むことを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
    請求項21
    前記パルスの前記放出において該パルスの基準反射信号を検出して、それにより該パルスについての基準ゼロ値及び基準トレースを取得するための基準光検出器をさらに含み、前記プロセッサは、前記パルスについての前記基準トレースを前記結合されたトレースと比較し、前記比較に基づいて該パルスが移動した距離を求めることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
    請求項22
    タイマーをさらに含み、前記プロセッサは、前記タイマーをトリガして前記パルスの前記放出と前記反射信号の前記検出との間の経過時間を計算し、かつ、前記経過した時間に基づいて該パルスが移動した距離を求めることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
    請求項23
    前記位相シフトを導入することは、わずかな時間だけ前記ＡＤＣのクロックを遅延させることを含むことを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
    請求項24
    前記位相シフトを導入することは、前記光源の駆動装置を遅延させることを含むことを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
    請求項25
    前記照明システムは、少なくとも１つのセンサを用いて連続的に駆動される幾つかの光源を含み、取得周波数は、前記光源の周波数に前記光源の数を乗じたものであることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
    請求項26
    物体への距離を検出するための方法であって、視野の照明のための、少なくとも１つのパルス幅変調された可視光源を有する照明システムを準備するステップと、一般的に、少なくとも１つのパルスについて、前記視野の照明されていない状態から照明されている状態への遷移の中心である時間ｔにおいて、前記可視光源を用いて時間ｙだけ該視野を照明するために照明信号を放出するステップと、前記少なくとも１つのパルスの第１のものの時間ｔ−ｘにおける第１の時間において、前記照明信号の反射の、前記可視光源により捕捉された反射エネルギーを積分するために光センサを開始するステップと、前記少なくとも１つのパルスの前記第１のものにおける時間ｔ＋ｘにおいて前記第１の時間だけ前記光センサを停止し、前記第１の時間における第１の積分値を求めるステップと、前記少なくとも１つのパルスの第２のものの時間ｔ＋ｙ−ｘにおける第２の時間において、前記照明信号の前記反射の、前記可視光源により捕捉された前記反射エネルギーを積分するために前記光センサを開始するステップであって、前記第２のものは前記少なくとも１つのパルスの前記第１のもの及び別のもののうちの一方であり、ｙはｘより大きい、ステップと、前記少なくとも１つのパルスの前記第２のものの時間ｔ＋ｙ＋ｘにおける前記第２の時間において前記光センサを停止し、前記第２の時間における第２の積分値を求めるステップと、前記第１の積分値と前記第２の積分値との間の差分値を計算するステップと、前記差分値と比例する伝搬遅延値を求めるステップと、前記伝搬遅延値から前記物体への前記距離を求めるステップと、を含むことを特徴とする方法。
    請求項27
    予め識別された物体への閾値距離を与えるステップと、前記物体への前記距離を前記閾値距離と比較するステップと、前記比較が正である場合には、前記物体が前記予め識別された物体であると判断するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
    請求項28
    前記光源が放出していないときに、積分時間ｔ−ｘからｔ＋ｘまでの間、他の光源からの無視できない照明背景についての背景積分値を測定するステップと、前記差分を計算する前に、前記第１の積分値及び前記第２の積分値の各々から前記背景積分値を減算するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
    請求項29
    前記ｘが前記ｙより大きく、前記積分が前記パルスの幅より大きい場合、前記照明信号の同期を前記光センサの開始と切り換えるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
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