KR101678122B1 - Apparatus for omnidirectional lidar - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an omnidirectional lidar apparatus. More specifically, the omnidirectional lidar apparatus can install a lidar and a rotatable reflector (including a motor) by driving component requiring electricity to one side to simplify and miniaturize the component. The omnidirectional lidar apparatus includes: a lidar (100) detecting a target direction; a retroreflector (200) reflecting a laser discharged from the lidar (100) in an incidence direction of the laser; and a rotatable reflector (300) rotated by the operation of the motor (310).

Description

전방향 라이다 장치 {APPARATUS FOR OMNIDIRECTIONAL LIDAR}[0001] APPARATUS FOR OMNIDIRECTIONAL LIDAR [0002]

본 발명은 전방향 라이다 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기를 필요로 하는 구성을 한 쪽으로 몰아 설치(라이다 및 회전반사경(모터 포함))가 가능하여 구성을 간소화 시키고 소형화가 가능한 전방향 라이다 장치에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to an omnidirectional laddering device, and more particularly, to an omnidirectional laddering device which can be installed by driving a configuration requiring electricity to one side (including a ladder and a rotary reflector (including a motor) Lt; / RTI > device.

지구과학 및 우주 탐사를 목적으로 지속적으로 발전해 온 라이다 센서 기술은 현재 항공기 및 위성에 탑재되어 정밀한 지구 지형 및 환경 관측을 위한 주요 수단으로 사용되고 있으며, 우주 정거장과 우주선의 도킹 시스템, 우주 탐사 로봇에 활용되고 있다. 지상에서는 원거리 거리 측정, 자동차 속도 위반 단속 등을 위한 간단한 형태의 라이다 센서를 비롯하여 최근에는 3차원 영상 복원을 위한 레이저 스캐너, 미래 무인자동차를 위한 3차원 영상 센서의 핵심 기술로 활용되면서 그 활용성과 중요성이 점차 증가되고 있다. Raidasensor technology, which has been continuously developed for the purpose of earth science and space exploration, is now used as a main means for accurate terrestrial and environmental observations mounted on aircraft and satellites. It is used for space station, spacecraft docking system, and space exploration robot. . Recently, it has been utilized as a core technology of laser scanner for 3D image restoration and 3D image sensor for future unmanned automobiles, as well as a simple form of Lidar sensor for measuring distance, speeding of car speed violation, Importance is increasing.

라이다 센서는 레이저를 목표물에 비춤으로써 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있는 기술이다. 라이다 센서는 일반적으로 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀한 대기 중의 물성 관측 및 거리 측정 등에 활용이 된다.Rida sensor is a technology that can detect the distance, direction, speed, temperature, material distribution and concentration characteristic to objects by irradiating the laser to the target. Lidar sensors generally utilize the advantages of lasers that can generate pulse signals with high energy density and short periods, and are used for more precise measurement of the physical properties of the atmosphere and distance measurement.

라이다 센서 기술은 탐조등 빛의 산란 세기를 통하여 상공에서의 공기 밀도 분석 등을 위한 목적으로 1930년 대 처음 시도되었으나, 1960년대 레이저의 발명과 함께 비로소 본격적인 개발이 가능하였다. 1970년대 이후 레이저 광원 기술의 지속적인 발전과 함께 다양한 분야에 응용 가능한 라이다 센서 기술들이 개발되었다. 항공기, 위성 등에 탑재되어 정밀한 대기 분석 및 지구환경 관측을 위한 중요한 관측 기술로 활용되고 있으며, 또한 우주선 및 탐사 로봇에 장착되어 사물까지의 거리 측정 등 카메라 기능을 보완하기 위한 수단으로 활용되고 있다. Lidar sensor technology was first attempted in 1930 for analyzing the air density in the sky through the light intensity of the searchlight, but it was possible to develop the lidar in the 1960s with the invention of the laser in earnest. Since the 1970s, laser sensor technologies have been developed that can be applied to various fields along with the continuous development of laser light source technology. It is used as an important observation technology for precise atmospheric analysis and observation of the global environment mounted on airplanes and satellites. It is also used as a means to supplement camera functions such as distance measurement of objects mounted on spacecraft and exploration robots.

지상에서는 원거리 거리 측정, 자동차 속도 위반 단속 등을 위한 간단한 형태의 라이다 센서 기술들이 상용화되어 왔으며, 최근에는 3D reverse engineering 및 미래 무인자동차를 위한 laser scanner 및 3D 영상 카메라의 핵심 기술로 활용되면서 그 활용성과 중요성이 점차 증가되고 있다.In the ground, a simple form of the Raidasensor technology has been commercialized for long distance measurement, speeding of car speed violation, etc. Recently, it has been used as core technology of 3D scanner and 3D image camera for 3D reverse engineering and unmanned vehicle in the future. Performance has become increasingly important.

라이다 센서 기술은 이러한 광범위한 분야에서의 응용에도 불구하고, 미국, 유럽 및 일본에 비하여 우주 및 지구 과학분야의 발전이 상대적으로 미약한 국내에서는 그 동안 크게 주목 받지 못한 관계로 관련 핵심 기술의 확보가 아직 미약한 수준이다. Despite its application in a wide range of fields, the Raidasensor technology has not attracted much attention in Korea, where the development of space and earth science is relatively weak compared to the US, Europe and Japan. It is still weak.

LIDAR는 Light Detection And Ranging의 약어이며, 때로는 LADAR(Laser Detection And Ranging)라는 이름으로 사용된다. LIDAR가 보다 일반적인 용어이므로 '라이다'로 명칭한다.LIDAR is an abbreviation for Light Detection And Ranging, sometimes referred to as LADAR (Laser Detection And Ranging). Since LIDAR is a more general term, it is called "Lada".

2 차원 레이저 스캐너(2D laser scanner)는 일반적으로 회전 방식을 이용하여 레이저 빔의 진행 방향을 포함하는 특정 평면에서의 영상 정보를 수집한다. A 2D laser scanner generally collects image information in a specific plane including a traveling direction of the laser beam using a rotation method.

회전 방식을 이용한 2 차원 레이저 스캐너는 회전체 내부에 레이저와 수신소자가 구비되며, 모터의 회전에 의해 회전체와 함께 레이저와 수신소자가 회전한다.In a two-dimensional laser scanner using a rotation method, a laser and a receiving element are provided in the rotating body, and the laser and the receiving element rotate together with the rotating body by the rotation of the motor.

이때, 레이저와 수신소자에 전원을 공급하고, 수신소자로부터 획득한 정보를 전송하기 위해 복잡한 전기적 연결을 필요로 하는 문제점이 있다.At this time, there is a problem that a complicated electrical connection is required to supply power to the laser and the receiving element and to transmit the acquired information from the receiving element.

또한, 복잡한 구성으로 인해 소형/경량화 시키기 어려운 문제가 있다.Further, there is a problem that it is difficult to make it small / light because of its complicated configuration.

한국공개특허 [10-2016-0034719]에서는 라이다 시스템이 개시되어 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2016-0034719 discloses a lidar system.

한국공개특허 [10-2016-0034719](공개일자: 2016년03월30일)Korean Patent Publication [10-2016-0034719] (Publication date: March 30, 2016)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전기를 필요로 하는 구성을 한 쪽으로 몰아 설치(라이다 및 회전반사경(모터 포함))가 가능하여 구성을 간소화 시키고 소형화가 가능한 전방향 라이다 장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a lighting system and a lighting system, And to provide an omnidirectional ladder device that can be miniaturized.

본 발명의 실 시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the embodiments of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description .

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치는, 레이저 펄스 빔을 생성하여 발사하는 레이저발광부(110)로부터 생성된 레이저를 발사하고, 반사 또는 산란되어 돌아와 레이저수광부(190)에 수광된 레이저를 분석하여 목표방향을 탐지하는 라이다(100); 상기 라이다(100)로부터 발사된 레이저를 레이저가 입사된 방향으로 반사시키되, 레이저가 입사된 경로와 레이저가 반사된 경로가 서로 다른 역반사체(200); 및 상기 역반사체(200)에 의해 반사되어 입사된 레이저를 반사시켜 목표방향으로 보내거나, 상기 목표방향으로부터 반사 또는 산란되어 입사된 레이저를 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내되, 모터(310)의 작동에 의해 회전되는 회전반사경(300);를 포함하며, 상기 라이다(100)로부터 발광된 레이저를 상기 역반사체(200)가 반사시켜 상기 회전반사경(300)으로 보내고, 상기 회전반사경(300)에 반사된 레이저가 목표물(10)에 반사 또는 산란되어 돌아온 레이저를 상기 회전반사경(300)이 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내면, 상기 역반사체(200)가 이를 반사시켜 상기 라이다(100)로 보내어, 상기 회전반사경(300)이 향하는 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an omnidirectional laddering device for emitting a laser beam generated from a laser emitting unit for generating and emitting a laser pulse beam, (100) for detecting a target direction by analyzing a laser received by the laser light receiving unit (190); A retroreflector 200 that reflects the laser emitted from the ladder 100 in a direction in which the laser is incident, and has a path through which the laser is incident and a path through which the laser is reflected; And the laser beam reflected by the retroreflector 200 and reflected by the retroreflector 200 is reflected or scattered from the target direction and reflected by the retroreflector 200 to be reflected by the motor 310 And a rotating reflector 300 rotated by the operation of the rotating reflector 300. The laser beam emitted from the laser 100 is reflected by the retroreflector 200 and sent to the rotating reflector 300, 300 reflects the laser beam reflected or scattered by the target 10 and reflects the laser beam to the retroreflector 200 so that the retroreflector 200 reflects the laser beam, (100), and detects the target direction of the rotating mirror (300).

또한, 상기 라이다(100)는 레이저발광부(110)가 복수로 구비된 것을 특징으로 한다.The ladder 100 is characterized in that a plurality of laser emitting units 110 are provided.

또, 상기 복수의 레이저발광부(110)는 각각 서로 다른 특징의 레이저를 발광하는 것을 특징으로 한다.The plurality of laser emission units 110 emit laser beams having different characteristics.

또한, 복수로 구비된 레이저발광부(110)는 직선 또는 다각형 형상으로 배치된 것을 특징으로 한다.In addition, the plurality of laser emitting units 110 are arranged in a straight or polygonal shape.

또, 상기 라이다(100)는 상기 레이저수광부(190)가 복수로 구비된 것을 특징으로 한다.The ladder 100 is characterized in that a plurality of the laser light receiving portions 190 are provided.

또한, 상기 라이다(100)는 입사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120); 및 레이저를 반사시키는 고정반사경(130);을 포함하며, 상기 빔분할기(120) 또는 고정반사경(130)은, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 상기 역반사체(200)로 안내하고, 상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 상기 레이저수광부(190)로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 구비된 것을 특징으로 한다.In addition, the ladder 100 includes a beam splitter 120 for dividing an incident laser into two directions; The beam splitter 120 or the fixed mirror 130 guides the laser beam emitted from the laser emitting unit 110 to the retroreflector 200 And a laser is guided to the laser light receiving unit 190 and the laser is directed in one direction.

또, 상기 라이다(100)는 상기 라이다(100)로부터 상기 역반사체(200)로 향하는 레이저 수의 정수배가 되도록 레이저수광부(190)를 구비하며, 입사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120); 및 레이저를 반사시키는 고정반사경(130);을 포함하고, 상기 빔분할기(120) 및 고정반사경(130)중 일부는, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 상기 역반사체(200)로 안내하고, 상기 빔분할기(120) 및 고정반사경(130)중 일부는, 상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 복수로 분할하여 상기 레이저수광부(190)로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 구비된 것을 특징으로 한다.The ladder 100 has a laser light receiving unit 190 so as to have an integral multiple of the laser number from the ladder 100 toward the retroreflector 200. The laser light receiving unit 190 includes a beam splitter (120); And part of the beam splitter 120 and the fixed reflector 130 are connected to the retroreflector 200 by a laser beam emitted from the laser emitting part 110 And a part of the beam splitter 120 and the fixed reflector 130 divides a laser incident from the retroreflector 200 into a plurality of beams and guides the beams to the laser light receiving unit 190, .

또한, 상기 전방향 라이다 장치는 일정 수의 레이저수광부(190)로부터 각각 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 비교하여 동일하면 해당 왕복 비행시간(TOF) 정보를 유효 왕복 비행시간(TOF) 정보로 판단하여 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 한다.In addition, the omnidirectional Radar apparatus calculates the round trip time (TOF) information from a predetermined number of laser light receiving units 190, compares the plurality of round trip time (TOF) information, TOF information as effective round trip time (TOF) information to detect a target direction.

또, 거리 정보는 다음식, In addition, the distance information is as follows:

Figure 112016058408219-pat00001
Figure 112016058408219-pat00001

(여기서, c는 3×108m/s이고, TOF는 왕복 비행시간이다)를 이용하여 계산하고, (Where c is 3 x 10 < 8 > m / s and TOF is the round trip time)

상기 레이저수광부(190)에 수광된 레이저에 대한, 개별 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식, The target detection probabilities for the laser beams received by the laser light receiving unit 190 are as follows:

Figure 112016058408219-pat00002
,
Figure 112016058408219-pat00002
,

Figure 112016058408219-pat00003
Figure 112016058408219-pat00003

(여기서, SPE는 레이저 펄스 빔에 의해 생성되는 평균 1차 전자의 생성률, NPE는 노이즈에 의해 생성되는 평균 1차 전자의 생성률이고, RPE(t) = SPE(t) + NPE(t)임) 를 이용하여 산출하며, R PE (t) = S PE (t) + N PE (t) where S PE is the rate of generation of the average primary electrons generated by the laser pulse beam, N PE is the rate of generation of the average primary electrons generated by noise, (t)),

전체 표적 검출 확률은 다음식,The overall target detection probability is:

Figure 112016058408219-pat00004
를 이용하여 산출되고,
Figure 112016058408219-pat00004
, ≪ / RTI >

오작동 확률(false alarm probability)은 다음식,The false alarm probability is given by:

Figure 112016058408219-pat00005
를 이용하여 산출되며, 상기 전방향 라이다 장치는 상기 오작동 확률이 허용범위 내로 유지되도록, 한 지점의 반사 또는 산란된 광을 수광하는 레이저수광부(190)의 일정 수를 결정하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112016058408219-pat00005
And the omni-directional Ldar apparatus determines a certain number of laser light receiving units 190 that receive reflected or scattered light at one point so that the malfunction probability is kept within an allowable range.

또한, 상기 역반사체(200)는 수직단면의 내측 형상이 반원 또는 삼각형 형상으로 반사면이 구비되는 것을 특징으로 한다.In addition, the retro-reflector 200 is characterized in that the inner shape of the vertical section is a semicircular or triangular shape and a reflective surface.

본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치에 의하면, 전기를 필요로 하는 구성을 한 쪽으로 몰아 설치(라이다 및 회전반사경(모터 포함))가 가능하여 구성을 간소화 시키고 소형화가 가능하여 제작 비용을 최소화 시킬 수 있는 효과가 있다.According to the omnidirectional laddering device according to the embodiment of the present invention, the configuration requiring electricity can be installed in one side (including a lidar and a rotating mirror (including a motor)), There is an effect that the cost can be minimized.

또한, 레이저발광부가 복수로 구비됨에 따라, 회전반사경의 회전 수에 비해 많은 신호를 수집할 수 있는 효과가 있다.In addition, since a plurality of laser emission units are provided, it is possible to collect a larger number of signals than the rotation number of the rotating reflector.

또, 복수의 레이저발광부가 각각 서로 다른 특징의 레이저를 발광함에 따라, 동시에 여러 변수를 측정해야 할 경우 한 번에 여러 변수를 측정할 수 있는 데이터를 수집하거나, 동시에 다수의 레이저가 발사되기 때문에 발생되는 오작동을 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, since a plurality of laser emitting units emit lasers of different characteristics, when a plurality of parameters are required to be measured at the same time, it is possible to collect data capable of measuring various parameters at one time, There is an effect that the malfunction which is caused by the failure can be reduced.

또한, 복수로 구비된 레이저발광부가 직선 또는 다각형 형상으로 배치됨에 따라, 원하는 형상으로 정렬된 데이터를 얻을 수 있는 효과가 있다.In addition, since the plurality of laser emission units are arranged in a straight or polygonal shape, data arranged in a desired shape can be obtained.

또, 레이저수광부가 복수로 구비됨에 따라, 회전반사경의 회전 수에 비해 많은 신호를 수집할 수 있는 효과가 있다.Also, since a plurality of laser light receiving units are provided, there is an effect that a larger number of signals can be collected than the rotational number of the rotating reflector.

또한, 빔분할기 또는 고정반사경은, 레이저발광부로부터 발사된 레이저를 역반사체로 안내하고, 역반사체로부터 입사된 레이저를 레이저수광부로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 빔분할기 및 고정반사경이 구비됨에 따라, 발사를 원하는 레이저의 수보다 적은 수의 레이저발광부를 구비하여 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.The beam splitter or the fixed reflector guides the laser emitted from the laser emitting portion to the retroreflector, guides the laser incident from the retroreflector to the laser light receiving portion, and includes a beam splitter and a fixed reflector so that the laser is directed in one direction There is an effect that the manufacturing cost can be reduced by providing a number of laser emitting units less than the number of lasers to be fired.

또, 역반사체로부터 입사된 레이저를 복수로 분할하여 레이저수광부로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 빔분할기 및 고정반사경이 구비됨에 따라, 역반사체로부터 입사된 레이저를 수광이 필요한 파장 대역으로 분리하여 레이저수광부에 보냄으로, 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.Since the laser beam incident from the retroreflector is divided into a plurality of beams and guided to the laser light receiving portion, the beam splitter and the fixed mirror are provided so that the laser is directed in one direction, And is sent to the laser light receiving unit, thereby reducing manufacturing cost.

또한, 일정 수의 레이저수광부로부터 각각 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 비교하여 동일하면 해당 왕복 비행시간(TOF) 정보를 유효 왕복 비행시간(TOF) 정보로 판단하여 목표방향을 탐지함에 따라, 오작동을 줄일 수 있는 효과가 있다.When round trip time (TOF) information is calculated from a predetermined number of laser light receiving units and the same round trip time (TOF) information is compared and compared, the round trip time (TOF) As the information is determined and the target direction is detected, the malfunction can be reduced.

또, 오작동 확률이 허용범위 내로 유지되도록, 한 지점의 반사 또는 산란된 광을 수광하는 레이저수광부의 일정 수를 결정함에 따라, 오작동 확률의 허용범위 내로 하는 비용을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.In addition, by determining a certain number of laser light-receiving units that receive reflected or scattered light at one point so that the probability of malfunction is kept within the allowable range, the cost within the allowable range of the probability of malfunction can be minimized.

아울러, 역반사체 수직단면의 내측 형상이 반원 또는 삼각형 형상으로 반사면이 구비됨에 따라, 역반사체의 구성을 단순화 시켜 역반사체의 제작이 용이한 효과가 있다.In addition, since the inner shape of the vertical section of the retroreflector is formed in a semicircular or triangular shape and the reflective surface is provided, the structure of the retroreflector is simplified and the production of the retroreflector is facilitated.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 개념도.
도 2는 레이저발광부와 레이저수광부가 다수 구비된, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 레이저발광부 배열의 예를 보여주는 개념도.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 라이다 내부에 빔분할기와 고정반사경이 구비된 예를 보여주는 개념도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 레이저수광부에 도달하는 산란된 레이저 펄스 빔과 노이즈에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 평균 생성률의 시간에 따른 그래프.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 목표물(130)이 10m 거리에 있을 때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프.
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따라 목표물(130)이 150m 거리에 있을 때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프.
도 10은 본 발명의 다른 일실시예에 따라 목표물(130)이 290m 거리에 있을 때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 5MHz 이고 목표물(130)이 15m 거리에 있을때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 실험 결과 그래프.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 9.5MHz 이고 목표물(130)이 15m 거리에 있을때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수(SPE_tot)에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 실험 결과 그래프.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 12MHz 일 때,1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여 촬영한 3차원 영상.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 역반사체 단면의 예를 보여주는 개념도.1 is a conceptual diagram of an omnidirectional laddering device according to an embodiment of the present invention;
2 is a conceptual diagram of an omnidirectional laddering device according to an embodiment of the present invention, which is provided with a plurality of laser emitting units and laser receiving units.
3 is a conceptual diagram showing an example of an arrangement of laser emitting units of an omnidirectional laminating apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 4 to 6 are conceptual diagrams illustrating an example in which a beam splitter and a fixed mirror are provided inside a ladder of an omnidirectional laddering device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing an average generation rate of primary electrons generated by a scattered laser pulse beam and noise reaching a laser light receiving portion according to an embodiment of the present invention with time; FIG.
8 is a graph showing scattering (scattering) from the target 130 for the comparison between the case where the target 130 is located at a distance of 10 m and the case where the target 130 is implemented with one laser light receiving unit and the case where the target 130 is implemented with two laser light receiving units The graph of the target detection probability and the false-alarm probability according to the number of primary electrons generated by the laser pulse beam.
9 is a graph showing the relationship between the distance from the target 130 to the target 130 and the distance from the target 130 to the laser 130 when the target 130 is located at a distance of 150 m according to another embodiment of the present invention. Graphs of computational simulation results for target detection probability and false-alarm probability according to the number of primary electrons generated by scattered laser pulse beam.
10 is a graph showing the relationship between the distance from the target 130 to the laser 130 and the distance from the target 130 to the target 130 when the target 130 is at a distance of 290 m, Graphs of computational simulation results for target detection probability and false-alarm probability according to the number of primary electrons generated by scattered laser pulse beam.
FIG. 11 is a diagram illustrating a case where the laser is implemented as one laser light receiving part and the case where two laser light receiving parts are implemented, when the noise generation rate (NPE) is 5 MHz and the target 130 is at a distance of 15 m according to an embodiment of the present invention Graphs of experimental detection results of target detection probability and false-alarm probability according to the number of primary electrons generated by the laser pulse beam scattered from the target 130. FIG.
12 is a diagram illustrating a comparison between the case where the laser is implemented as one laser light receiving unit and the case where the object is implemented with two laser light receiving units when the noise generation rate (NPE) is 9.5 MHz and the target 130 is at a distance of 15 m according to an embodiment of the present invention An experiment on target detection probability and false-alarm probability according to the number (SPE_tot) of primary electrons generated by the laser pulse beam scattered from the target 130 Results graph.
FIG. 13 is a three-dimensional image photographed for comparison between the case where the laser light receiving unit is implemented with two laser light receiving units and the case where the noise generating rate (NPE) is 12 MHz according to an embodiment of the present invention.
14 is a conceptual diagram showing an example of a retroreflective section of an omnidirectional laddering device according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, .

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the term "comprises" or "having ", etc. is intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof, And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the relevant art and are to be construed as ideal or overly formal in meaning unless explicitly defined in the present application Do not.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed to be limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor should properly interpret the concept of the term to describe its own invention in the best way. The present invention should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Further, it is to be understood that, unless otherwise defined, technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted. The following drawings are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms. In addition, like reference numerals designate like elements throughout the specification. It is to be noted that the same elements among the drawings are denoted by the same reference numerals whenever possible.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 개념도이고, 도 2는 레이저발광부와 레이저수광부가 다수 구비된, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 레이저발광부 배열의 예를 보여주는 개념도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 라이다 내부에 빔분할기와 고정반사경이 구비된 예를 보여주는 개념도이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 레이저수광부에 도달하는 산란된 레이저 펄스 빔과 노이즈에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 평균 생성률의 시간에 따른 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 목표물(130)이 10m 거리에 있을 때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프이며, 도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따라 목표물(130)이 150m 거리에 있을 때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프이고, 도 10은 본 발명의 다른 일실시예에 따라 목표물(130)이 290m 거리에 있을 때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프이며, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 5MHz 이고 목표물(130)이 15m 거리에 있을때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 실험 결과 그래프이고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 9.5MHz 이고 목표물(130)이 15m 거리에 있을때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수(SPE_tot)에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 실험 결과 그래프이며, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 12MHz 일 때,1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여 촬영한 3차원 영상이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 역반사체 단면의 예를 보여주는 개념도이다.FIG. 1 is a conceptual diagram of an omnidirectional laddering device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram of an omni-directional laddering device according to an embodiment of the present invention including a plurality of laser emitting units and laser receiving units FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of the arrangement of laser emitting units of an omnidirectional laminating apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 4 to 6 are cross- FIG. 7 is a conceptual diagram showing an example in which a beam splitter and a fixed mirror are provided in a laser light receiving portion of a laser light source according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 8 is a graph illustrating a case where the laser 130 is implemented with one laser light receiving portion and the laser light receiving portion implemented with two laser light receiving portions when the target 130 is at a distance of 10 m according to an embodiment of the present invention. For a target detection probability and a false-alarm probability according to the number of primary electrons generated by the laser pulse beam scattered from the target 130, FIG. 9 is a graph showing the result of computational simulation. FIG. 9 is a graph illustrating a comparison between the case where the target 130 is located at a distance of 150 m and the case where the laser 130 is implemented with one laser light receiving unit and the case where two laser light receiving units are implemented according to another embodiment of the present invention. A graph of a target detection probability and a false-alarm probability according to the number of primary electrons generated by the laser pulse beam scattered from the target 130 , Fig. 10 is a graph showing a comparison between the case where the target 130 is implemented at one laser light receiving portion and the case where two laser receiving portions are implemented when the target 130 is at a distance of 290 m according to another embodiment of the present invention A graphical representation of a target detection probability and a false-alarm probability according to the number of primary electrons generated by the laser pulse beam scattered from the target 130 FIG. 11 is a diagram illustrating a case in which the laser is implemented as one laser light receiving unit and the laser light receiving unit is implemented when the noise generation rate (NPE) is 5 MHz and the target 130 is at a distance of 15 m according to an embodiment of the present invention. An experimental result graph for a target detection probability and a false-alarm probability according to the number of primary electrons generated by the laser pulse beam scattered from the target 130 12 is a diagram illustrating a case in which the laser is implemented as one laser light receiving portion and the case where two laser beams are used when the noise generation rate (NPE) is 9.5 MHz and the target 130 is at a distance of 15 m according to an embodiment of the present invention. (Target detection probability) and a malfunction probability (target detection probability) according to the number of primary electrons (SPE_tot) generated by the laser pulse beam scattered from the target 130 FIG. 13 is a graph showing experimental results on the false-alarm probability. FIG. 13 is a graph showing the results of experiments performed on one laser light receiving unit and two laser light receiving units when the noise generation rate (NPE) is 12 MHz according to an embodiment of the present invention. FIG. 14 is a conceptual diagram showing an example of a retroreflective section of an omnidirectional R laterality apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치는 라이다(100), 역반사체(200) 및 회전반사경(300)을 포함하며, 상기 라이다(100)로부터 발광된 레이저를 상기 역반사체(200)가 반사시켜 상기 회전반사경(300)으로 보내고, 상기 회전반사경(300)에 반사된 레이저가 목표물(10)에 반사 또는 산란되어 돌아온 레이저를 상기 회전반사경(300)이 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내면, 상기 역반사체(200)가 이를 반사시켜 상기 라이다(100)로 보내어, 상기 회전반사경(300)이 향하는 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 한다.1, an omni-directional laddering device according to an embodiment of the present invention includes a ladder 100, a retroreflector 200, and a rotating reflector 300, The emitted laser is reflected by the retroreflector 200 and sent to the rotating reflector 300. The laser reflected by the rotating reflector 300 is reflected or scattered by the target 10, Is reflected by the reflector 200 and is transmitted to the retroreflector 200. The retroreflector 200 reflects the light and transmits the reflected light to the ladder 100 to detect a target direction of the rotary reflector 300. [

라이다(100)는 레이저 펄스 빔을 생성하여 발사하는 레이저발광부(레이저 다이오드)(110)로부터 생성된 레이저(레이저 펄스 빔)를 발사하고, 반사 또는 산란되어 돌아와 레이저수광부(190)에 수광된 레이저를 분석하여 목표방향을 탐지한다. The laser generator 100 generates a laser pulse beam and emits a laser (laser pulse beam) generated from a laser emitting unit (laser diode) 110 that emits the laser pulse beam. The laser beam is reflected or scattered to be received by the laser receiving unit 190 Analyze the laser to detect the target direction.

라이다(LIDAR, Light Detection And Ranging)(100)의 구성은 응용 분야에 따라 때로는 매우 복잡하게 구성되지만, 기본적인 구성은 레이저발광부(110), 레이저수광부(190), 레이저 검출부, 신호 수집 및 처리와 데이터를 송수신하기 위한 부분으로 단순하게 구분될 수 있다. Although the configuration of the LIDAR (Light Detection And Ranging) 100 is sometimes very complicated depending on the application field, the basic configuration includes the laser emitting unit 110, the laser light receiving unit 190, the laser detecting unit, And a part for transmitting and receiving data.

아울러 라이다(100)는 레이저 신호의 변조 방법에 따라 time-of-flight(TOF) 방식과 phase-shift 방식으로 구분될 수 있다. In addition, the laser 100 may be divided into a time-of-flight (TOF) method and a phase-shift method according to a modulation method of a laser signal.

TOF 방식은 레이저가 펄스 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 물체들로부터의 반사 펄스 신호들이 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써 거리를 측정하는 것이 가능하다. The TOF method is capable of measuring the distance by measuring the time that the laser emits a pulse signal and the reflected pulse signals from objects within the measurement range arrive at the receiver.

Phase-shift 방식은 특정 주파수를 가지고 연속적으로 변조되는 레이저 빔을 방출하고 측정 범위 내에 있는 물체로부터 반사되어 되돌아 오는 신호의 위상 변화량을 측정하여 시간 및 거리를 계산하는 방식이다.The phase-shift method emits a continuously modulated laser beam with a specific frequency, and calculates the time and distance by measuring the amount of phase shift of the signal reflected back from the object within the measurement range.

레이저 광원은 250nm부터 11μm까지의 파장 영역에서 특정 파장을 가지거나 파장 가변이 가능한 레이저 광원들이 사용되며, 최근에는 소형, 저전력이 가능한 반도체 레이저 다이오드가 많이 사용된다. A laser light source is a laser light source having a specific wavelength or a variable wavelength in a wavelength range of 250 to 11 μm. Recently, a semiconductor laser diode capable of small size and low power is widely used.

특히, 레이저의 파장은 대기, 구름, 비 등에 대한 투과성과 eye-safety에 직접적인 영향을 준다. In particular, the wavelength of the laser has a direct impact on permeability and eye-safety for air, clouds, rain, and so on.

기본적으로 레이저 출력, 파장, 스펙트럼 특성, 펄스 폭 및 모양 등과 함께 수신기의 수신감도 및 다이내믹 레인지, 그리고 광학필터 및 렌즈의 특성이 라이다의 성능을 결정하는 주요 요인이다. Basically, the receiver sensitivity and dynamic range of the receiver, along with the laser output, wavelength, spectral characteristics, pulse width and shape, as well as the characteristics of the optical filter and the lens are key factors in determining the performance of the LDA.

이와 함께 수신기의 측정 각도를 나타내는 Field Of View(FOV), 측정 범위를 선택하기 위한 field stop, 레이저빔과 수신기의 FOV overlap 특성 등도 중요한 항목이다. 광속에 대하여 단위 데이터 수집을 위한 최소 시간은 거리 분해능(range resolution)을 결정하는 요인이며, 따라서 1m 이하의 거리 분해능을 위해서는 수 ns 이내의 데이터 수집 및 처리가 요구된다.In addition, the field of view (FOV) that represents the measurement angle of the receiver, the field stop to select the measurement range, and the FOV overlap characteristic of the laser beam and the receiver are also important items. The minimum time for collecting unit data for the beam speed is the factor that determines the range resolution, so data acquisition and processing within several ns is required for distance resolution of less than 1m.

이때, 상기 레이저발광부(110)는 콜리메이션 렌즈(Collimation Lens)를 장착하여 레이저의 평행성을 증가시킬 수 있다. At this time, the laser emitting unit 110 may be equipped with a collimation lens to increase the parallelism of the laser.

라이다(100)는 기상 관측 및 거리 측정을 목적으로 주로 연구되었으며, 최근에는 위성에서의 기상 관측, 무인 로봇 센서 및 3차원 영상 모델링을 위한 기술들이 연구된다. Lada (100) has been mainly studied for the purpose of meteorological observation and distance measurement. Recently, techniques for meteorological observation, unmanned robot sensor and 3D image modeling in satellite have been studied.

Elastic-backscatter lidar는 레이저 파장의 변화 없이 입자들의 운동량에 따라 backscattering되는 빛의 spectral broadening 특성을 이용하여 대기 중의 aerosol 및 구름의 특성 측정 등에 활용되는 기술이고,Elastic-backscatter lidar is a technique that is used to measure aerosol and cloud characteristics in the atmosphere using spectral broadening characteristics of backscattering light according to the momentum of particles without changing the laser wavelength.

Raman lidar는 분자 에너지 상태에 따라 분산되는 레이저 빛의 주파수 변화 및 Raman band 내의 세기 분포 분석을 통하여 대기 중의 수증기 및 온도 분포 등의 측정에 활용되는 기술이며,Raman lidar is a technique used for measurement of atmospheric water vapor and temperature distribution through analysis of frequency distribution of laser light scattered according to molecular energy state and intensity distribution in Raman band.

Differential-absorption lidar(DIAL)는 각기 다른 레이저 파장을 가지는 레이저 빔들에 대하여 측정 대상 물질의 흡수 차이를 이용하여 대기 오염물질 등의 농도 분포를 측정할 수 있는 기술이고,Differential-absorption lidar (DIAL) is a technology that can measure the concentration distribution of air pollutants by using the absorption difference of the measurement target material for laser beams having different laser wavelengths.

Resonance fluorescence lidar는 원자, 이온 또는 분자의 에너지 천이와 동일한 에너지를 가지는 레이저 빛에 대하여 동일 파장의 빛 또는 긴 파장의 빛을 방출하는 특성을 이용하여 중간권역 대기 중의 원자 및 이온 농도를 측정하는 기술이며,Resonance fluorescence lidar is a technique for measuring atomic and ionic concentrations in the medium region using laser light with the same energy as the energy transition of atoms, ions, or molecules, by emitting light of the same wavelength or longer wavelength ,

Doppler lidar는 Doppler 효과에 의한 레이저 빔의 미세한 주파수 변화를 측정하여 바람 등의 속도를 측정하는 기술이고,Doppler lidar is a technique to measure the speed of wind by measuring the minute frequency variation of the laser beam due to the Doppler effect.

Laser rangefinder는 물체로부터 반사되는 레이저의 수신 시간을 측정하여 거리를 측정하는 가장 간단한 형태의 라이다 기술이며, The laser rangefinder is the simplest form of Lada technology that measures the distance by measuring the time it takes to reflect a laser beam from an object.

Imaging lidar는 레이저 빔의 진행 방향에 대한 거리 정보를 포함하여 공간에 대한 영상 모델링이 가능한 기술로써 laser rangefinder 기술을 기반으로 point-scanning을 통하여 point cloud 정보를 수집하거나 광각의 flash-laser에 대하여 반사되는 레이저 빛을 다중 배열 수신소자를 통하여 수집함으로써 3차원 영상 구현이 가능한 기술이다.Imaging lidar is a technology capable of image modeling of space by including distance information on the direction of the laser beam. It can collect point cloud information through point-scanning based on laser rangefinder technology, It is a technology that can realize 3D image by collecting laser light through a multi-array receiving element.

앞에서 설명한 laser rangefinder가 1차원(1D) 스캐너에 해당한다면, 2D laser scanner는 일반적으로 회전 방식을 이용하여 레이저 빔의 진행 방향을 포함하는 특정 평면에서의 영상 정보를 수집한다. 시스템의 구성은 laser rangefinder와 같이 단일 레이저와 단일 수신소자로 구성될 수 있으며 회전을 위한 모터가 추가된다.If the laser rangefinder described above corresponds to a one-dimensional (1D) scanner, the 2D laser scanner generally collects image information from a specific plane, including the direction of the laser beam, using a rotation scheme. The system configuration can consist of a single laser and a single receiving element, such as a laser rangefinder, and a motor for rotation is added.

종래의 회전 방식을 이용한 2 차원 레이저 스캐너는 회전체 내부에 레이저와 수신소자가 구비되며, 모터의 회전에 의해 회전체와 함께 레이저와 수신소자가 회전되거나, 레이저 빔을 거울을 이용하여 모터의 회전축 방향에 대하여 90도로 꺾어 회전함으로써 2D 정보를 수집할 수 있다.A conventional two-dimensional laser scanner using a rotating system includes a laser and a receiving element inside the rotating body. The laser and the receiving element are rotated together with the rotating body by the rotation of the motor, and the laser beam is transmitted to the rotating shaft Direction to rotate by 90 degrees to collect 2D information.

2D laser scanner를 차량 등에 탑재하여 이동하면서 공간 정보를 스캔하면 컴퓨터를 통하여 3D 영상 구현이 가능해진다.When a 2D laser scanner is mounted on a vehicle and scanned for spatial information, a 3D image can be realized through a computer.

3D Flash Lidar는 현재 상용화 개발된 회전 방식의 3D laser scanner 기술은 광 시야각을 확보하는 데 유리하지만 수직 방향의 해상도가 낮고 보다 소형화하는 데 어려움이 있다.3D Flash Lidar is a commercially available 3D laser scanner technology, which is advantageous for securing a wide viewing angle, but has a low vertical resolution and difficulty in miniaturization.

3D Flash lidar는 단일 레이저 빔을 광 시야각으로 확장하여 조사하고 반사되는 레이저 빔을 다중 배열 수신 소자를 통하여 수신함으로써 일반적인 비디오 카메라와 같이 실시간 영상 정보를 수집하는 기술이다. 높은 해상도와 넓은 시야각을 위한 수신기가 필요하지만, 소형 집적화가 가능하다.3D Flash lidar is a technology that collects real-time image information like general video camera by irradiating a single laser beam to a wide viewing angle and receiving a reflected laser beam through a multi-array receiving device. A receiver for a high resolution and a wide viewing angle is required, but a small integration is possible.

상기에 다양한 라이다를 예로 들었으나, 본 발명이 이에 한정된 것은 아니며, 상기에서 예로 들지 않은 라이다를 활용할 수 있음은 물론이다.Although various ladder examples have been described above, the present invention is not limited thereto, and it is needless to say that the example ladder may be utilized.

그러나, 종래의 회전방식은 레이저발광부 및 레이저수광부가 회전하거나, 레이저발광부의 레이저가 발사되는 방향에 설치된 거울이 회전되어야 하기 때문에, 구조가 복잡해지는 문제점(전기를 필요로 하는 구성이 분산되기 때문에 발생되는 문제점)이 있어, 이를 해결하기 위해 본 발명은 역반사체(200)와 회전반사경(300)을 구비하되, 라이다(100)(레이저발광부(110)) 측에 회전반사경(300)이 회전 가능하도록 설치함으로써, 전기를 필요로 하는 구성을 한 쪽으로 몰아 설치할 수 있다. However, in the conventional rotation method, since the laser light emitting portion and the laser light receiving portion must be rotated or the mirror installed in the direction in which the laser of the laser light emitting portion is to be rotated, there is a problem that the structure becomes complicated In order to solve the problem, the present invention is characterized in that a rotating reflector 300 is provided on the side of the laser emitting unit 110 (laser emitting unit 110) By providing a rotatable structure, a structure requiring electricity can be installed to one side.

역반사체(200)는 상기 라이다(100)로부터 발사된 레이저를 레이저가 입사된 방향으로 반사시키되, 레이저가 입사된 경로와 레이저가 반사된 경로가 서로 다른 것을 특징으로 한다.The retroreflector 200 reflects the laser emitted from the ladder 100 in a direction in which the laser is incident, and the path through which the laser is incident and the path through which the laser is reflected are different from each other.

이는, 회전하여야 하는 회전반사경(300)을 라이다(100)(레이저발광부(110)) 측에 설치하기 위한 구성이다. This is a structure for mounting the rotating reflector 300 to be rotated on the side of the laser light emitting unit 110 (laser light emitting unit 110).

회전반사경(300)은 상기 역반사체(200)에 의해 반사되어 입사된 레이저를 반사시켜 목표방향으로 보내거나, 상기 목표방향으로부터 반사 또는 산란되어 입사된 레이저를 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내되, 모터(310)의 작동에 의해 회전된다.The rotating reflector 300 reflects the incident laser beam reflected by the retroreflector 200 and transmits it to the target direction or reflects or scatters the laser beam from the target direction and reflects the laser beam to the retroreflector 200 And is rotated by the operation of the motor 310.

상기 회전반사경(300)은 레이저 빔을 반사시켜 목표방향으로 보내기 위한 구성이다. The rotating mirror 300 reflects the laser beam and transmits the laser beam in the target direction.

이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 라이다(100)가 일측 방향에서 타측 방향을 향하도록 일측 방향에 구비되고, 상기 역반사체(200)가 타측 방향에서 상기 라이다(100)를 향하도록 구비되며, 상기 회전반사경(300)이 상기 라이다(100)측 방향에 구비될 수 있다.For this, as shown in FIG. 1, the ladder 100 is provided in one direction so as to face the other direction from one side, and the retro-reflector 200 is provided in the other direction, And the rotary reflector 300 may be provided in the lateral direction of the ladder 100.

즉, 라이다(100)로부터 발사된 레이저가 상기 역반사체(200)에 최소 2 번 이상 반사되어 상기 라이다 측으로 보내면, 이를 회전반사경(300)이 반사시켜 목표방향으로 보낼 수 있다.That is, when the laser beam emitted from the ladder 100 is reflected at least twice on the retro-reflector 200 and transmitted to the ladder side, the rotary reflector 300 can reflect the laser beam toward the target direction.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 상기 라이다(100)는 레이저발광부(110)가 복수로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.2, the ladder 100 of the omnidirectional laddering device according to an embodiment of the present invention may include a plurality of laser emitting units 110.

이는, 회전반사경(300)의 회전 수에 비해 많은 신호를 수집하기 위한 구성이다.This is a configuration for collecting a larger number of signals than the number of revolutions of the rotating mirror 300.

예를 들어, 레이저발광부(110)가 1 개 있는 라이다(100)가 3 번 회전하여 얻을 수 있는 데이터를 레이저발광부(110)가 3 개 있는 라이다(100)가 1 번 회전하여 얻을 수 있다.For example, the data that can be obtained by rotating the laser emitting unit 110 by three times, that is, the laser emitting unit 110, is obtained by rotating the laser emitting unit 110 three times, that is, .

이때, 상기 복수의 레이저발광부(110)는 각각 서로 다른 특징(파장)의 레이저를 발광하는 것을 특징으로 할 수 있다.In this case, the plurality of laser emitting units 110 emit laser beams having different characteristics (wavelengths).

이는, 동시에 여러 변수를 측정해야 할 경우 한 번에 여러 변수를 측정할 수 있는 데이터를 수집하거나, 동시에 다수의 레이저가 발사되기 때문에 발생되는 오작동을 줄이기 위함이다.This is to collect data that can measure multiple variables at the same time when multiple variables are measured at the same time, or to reduce the malfunction caused by multiple laser firing at the same time.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 복수로 구비된 상기 레이저발광부(110)는 직선(도 3의 (A) 참조) 또는 다각형(도 3의 (B) 참조) 형상으로 배치된 것을 특징으로 할 수 있다.3, the laser emitting unit 110 includes a plurality of omnidirectional lasers according to an embodiment of the present invention. The laser emitting units 110 may include a straight line (see FIG. 3A) or a polygon (See Fig. 5 (B)).

도 3의 (A) 경우, 일렬로 정렬된 데이터를 얻을 수 있고,3 (A), data aligned in a line can be obtained,

도 3의 (B) 경우, 레이저를 발사하는 시간을 조절하면 일렬로 정렬된 데이터 뿐 아니라 마름모꼴로 정렬된 데이터도 얻을 수 있다.In FIG. 3 (B), when the laser emission time is adjusted, not only data arranged in a line but also data arranged in a diamond shape can be obtained.

상기에서 직선 및 삼각형으로 레이저발광부(110)가 구비된 예를 들었으나, 본 발명이 이에 한정된 것은 아니며, 톱니무늬 등 다양한 형상으로 레이저발광부(110)를 구비할 수 있음은 물론이다.Although the laser emitting unit 110 is provided in a straight line and a triangle in the above description, the present invention is not limited thereto. Needless to say, the laser emitting unit 110 may be provided in various shapes such as sawtooth patterns.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 상기 라이다(100)는 상기 레이저수광부(190)가 복수로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.As shown in FIG. 4, the laser diode 100 of the omnidirectional laser diode according to an embodiment of the present invention may include a plurality of the laser light receiving portions 190.

이 역시, 회전반사경(300)의 회전 수에 비해 많은 신호를 수집하기 위한 구성이다.This is also a configuration for collecting a larger number of signals than the number of revolutions of the rotating reflector 300.

예를 들어, 레이저수광부(190)가 1 개 있는 라이다(100)가 3 번 회전하여 얻을 수 있는 데이터를 레이저수광부(190)가 3 개 있는 라이다(100)가 1 번 회전하여 얻을 수 있다.For example, data that can be obtained by three rotations of the laser 100 with one laser light-receiving unit 190 can be obtained by rotating the laser 100 100 times with three laser-receiving units 190 .

이때, 레이저발광부(110)와 레이저수광부(190)의 수를 동일하게 구비(도 2 참조)하는 것도 가능하나, 레이저발광부(110)의 수보다 레이저수광부(190)의 수를 많게 구비(도 4 참조)하는 것(비용절감 가능)도 가능하며, 레이저발광부(110)의 수보다 레이저수광부(190)의 수를 적게 구비하는 것(파장 별로 분석)도 가능한 것은 물론이다. At this time, the number of the laser emitting units 110 and the number of the laser receiving units 190 may be the same (see FIG. 2), but the number of the laser receiving units 190 may be larger than the number of the laser emitting units 110 4), and it is also possible to reduce the number of the laser light receiving units 190 (by wavelengths) than the number of the laser emitting units 110.

도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 상기 라이다(100)는 입사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120) 및 레이저를 반사시키는 고정반사경(130)을 포함하며, 상기 빔분할기(120) 또는 고정반사경(130)은, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 상기 역반사체(200)로 안내하고, 상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 상기 레이저수광부(190)로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.4 to 5, the ladder 100 of the omnidirectional ladder device according to an embodiment of the present invention includes a beam splitter 120 for dividing an incident laser into two directions, Wherein the beam splitter 120 or the fixed reflector 130 guides the laser emitted from the laser emitting unit 110 to the retroreflector 200, 200 to the laser light receiving unit 190, and the laser is directed in one direction.

빔분할기(120)로 빔 스플리터(Beam Splitter)를 사용할 수 있다. 빔 스플리터는 입사(入射) 광선속(光線束)을 둘로 나누는 광학 소자로, 간섭계 등에 쓰인다. 보통은 반투명 거울을 지칭하는 경우가 많다. 결정의 복굴절성을 이용하여 진동 방향이 서로 수직인 2개의 사출광(射出光)을 얻는 사바르판이나 월라스톤 프리즘 등도 일종의 빔 스플리터이다. 또한, 회절 격자나 프레넬 대판(帶板), 확산판 등이 빔 스플리터로 쓰이는 경우도 있다.The beam splitter 120 may use a beam splitter. A beam splitter is an optical element that divides an incident light beam (light beam) into two, and is used in an interferometer or the like. Usually, translucent mirrors are often referred to. Saber plate or Wallace Stone prism, which obtains two outgoing lights (emission light) whose directions of oscillation are perpendicular to each other by using birefringence of crystals, is also a kind of beam splitter. Also, a diffraction grating, a Fresnel plate, a diffuser plate, or the like may be used as a beam splitter.

이때, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 분할하는데 사용되는 빔분할기(120)는 N - 1(도 4 참조) 또는 N(도 5 참조) 개(여기서 N은 분할하고자 하는 빔의 수)의 수가 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다. 4) or N (see FIG. 5), where N is the number of beams to be divided (see FIG. 4), and the beam splitter 120 used to split the laser emitted from the laser emitting unit 110, ) Are provided.

상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120)를 하나 또는 복수 사용하여 레이저를 분할하는 것은, 동시에 여러 변수를 측정해야 할 경우 한 번에 여러 변수를 측정할 수 있는 데이터를 수집하거나, 동시에 다수의 레이저가 발사되기 때문에 발생되는 오작동을 줄이기 위함이다.The use of one or a plurality of beam splitters 120 for dividing the laser emitted from the laser emitting unit 110 in two directions divides the laser when several parameters are simultaneously measured, And to reduce the malfunction caused by the simultaneous emission of multiple lasers at the same time.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 상기 라이다(100)는 상기 라이다(100)로부터 상기 역반사체(200)로 향하는 레이저 수의 정수배가 되도록 레이저수광부(190)를 구비하며, 입사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120) 및 레이저를 반사시키는 고정반사경(130)을 포함하고, 상기 빔분할기(120) 및 고정반사경(130)중 일부는, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 상기 역반사체(200)로 안내하고, 상기 빔분할기(120) 및 고정반사경(130)중 일부는, 상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 복수로 분할하여 상기 레이저수광부(190)로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.6, the ladder 100 of the omnidirectional laddering device according to an embodiment of the present invention may be formed to have an integral multiple of the laser number from the ladder 100 to the retroreflector 200 And a beam splitter 120 for splitting the incident laser in two directions and a fixed mirror 130 for reflecting the laser beam. The beam splitter 120 and the fixed mirror 130 Some of the beam splitter 120 and the fixed reflector 130 guide the laser emitted from the laser emitting unit 110 to the retroreflector 200, The laser is divided into a plurality of laser beams and guided to the laser light receiving unit 190 so that the laser beams are directed in one direction.

상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 복수로 분할하여 상기 레이저수광부(190)로 안내하는 것은, 동시에 여러 변수를 측정해야 할 경우 한 번에 여러 변수를 측정할 수 있는 데이터를 수집하기 위함이다.The purpose of dividing the laser incident from the retroreflector 200 into a plurality of laser beams and guiding the laser beams to the laser light receiving unit 190 is to collect data capable of measuring a plurality of parameters at a time when a plurality of parameters are measured simultaneously .

이때, 상기 전방향 라이다 장치는 일정 수(도 6을 예로 들면 위에서부터 2 개의 레이저수광부(190)를 한 세트로 사용하기 때문에 2 개가 됨)의 레이저수광부(190)로부터 각각 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 비교하여 동일하면 해당 왕복 비행시간(TOF) 정보를 유효 왕복 비행시간(TOF) 정보로 판단하여 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 할 수 있다.At this time, the omnidirectional Ldar apparatus transmits a round trip time (TOF) from the laser light receiving unit 190 of a constant number (for example, two laser light receiving units 190 are used as one set in FIG. 6, (TOF) information and compares the plurality of round trip time (TOF) information and determines the target round trip time (TOF) information as effective round trip time .

이는, 오작동을 줄이기 위함이며 이에 대하여 자세히 설명하도록 한다.This is to reduce malfunctions and will be explained in detail.

이때, 상기 레이저수광부(190)는 가이거 모드 어밸런치 광다이오드(GmAPD: Geiger-mode Avalanche PhotoDiode)를 사용할 수 있으며, 이 TOF는 TDC(Time-to-Digital Converter) 변환기를 통하여 신호처리시스템으로 전송되어 거리 정보들로 변환되고, 이를 통해 이차원 또는 3차원 영상을 획득할 수 있다.At this time, the laser light receiving unit 190 may use a Geiger-mode Avalanche PhotoDiode (GmAPD), which is transmitted to a signal processing system through a TDC (Time-to-Digital Converter) Distance information, thereby obtaining a two-dimensional or three-dimensional image.

왕복 비행시간(TOF: Time Of Fly)은 다음 수학식을 통하여 거리정보로 변환된다. The time of flight (TOF) is converted into distance information by the following equation.

Figure 112016058408219-pat00006
Figure 112016058408219-pat00006

여기서, c는 3×108m/s이고, TOF는 왕복 비행시간이다.Where c is 3 x 10 8 m / s and TOF is the round trip time.

전방향 라이다 장치는 측정된 TOF 데이터들을 이용하여 별도의 영상처리 없이, 목표물(10)까지의 거리 정보를 산출함으로써 노이즈가 거의 없는 2차원 또는 3차원 영상으로 변환할 수 있다. 이에 따라 2차원 또는 3차원 영상이 가시화되며, 노이즈를 제거하는 알고리즘을 적용하여 노이즈를 제거할 수 있다. 물론, 이를 위해 마이크로프로세서, 프로그램 및/또는 소프트웨어 데이터를 저장하는 메모리, 하드디스크, 처리된 영상을 표시하는 표시장치 등이 구비될 수 있다. The omnidirectional LIDAR apparatus can convert the two-dimensional or three-dimensional image having almost no noise by calculating the distance information to the target 10 without performing additional image processing using the measured TOF data. Accordingly, a two-dimensional or three-dimensional image is visualized, and noise can be removed by applying an algorithm for removing noise. Of course, a memory for storing a microprocessor, program and / or software data, a hard disk, a display device for displaying a processed image, and the like may be provided.

이때, 표적 검출 확률(target detection probability)과 거짓 경보 확률(false-alarm probability)을 이론적으로 비교할 수 있다.At this time, the target detection probability and the false-alarm probability can be theoretically compared.

2003년에 Applied Optics, Vol. 42, Issue 27, pp. 5388-5398 에 등재된 “Detection and false-alarm probabilities for laser radars that use Geiger-mode detectors" 와 2010년에 Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 49, 026601에 등재된 ”Time-of-flight analysis of three-dimensional imaging laser radar using a Geiger-mode avlanche photodiode"와 2010년에 Current Applied Physics, Vol. 10에 등제된 "Systematic experiments for proof of Poisson statistc on direct-detection laser radar using Geiger mode avalanche photodiode"에 따르면, 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)의 전기 신호 발생 확률은 근사적으로 포와송 통계(Poisson statistics)를 따른다.In 2003, Applied Optics, Vol. 42, Issue 27, pp. Quot; Time-of-flight analysis of three ", entitled " Detection and false-alarm probabilities for laser radars that use Geiger-mode detectors " -dimensional imaging laser radar using a Geiger-mode avlanche photodiode ", and Current Applied Physics, Vol. According to the "Geiger mode avalanche photodiode," the probability of electrical signal generation in a Geiger-mode photodiode (GmAPD) is approximately proportional to Poisson statistics, .

레이저수광부(190)에 도달하는 목표물(10)로부터 반사 또는 산란되어 수집된 레이저로 발생하게 되는 평균 1차 전자(primary electrons)의 생성률과 노이즈들에 의하여 발생하는 평균 1차 전자(primary electrons)의 생성률을 나타내면 도 7과 같다. The generation rate of the primary electrons generated by the collected laser light reflected or scattered from the target 10 reaching the laser light receiving unit 190 and the average primary electrons generated by the noises The generation rate is shown in FIG.

도 7을 참조하면, SPE(420)는 레이저수광부(190)에 수집되는 레이저 펄스 빔에 의하여 발생하는 평균 Primary electrons의 생성률, NPE는 노이즈들에 의하여 발생하는 평균 1차 전자(Primary electrons)의 생성률, RPE는 그 두 생성률의 합이며, 그들의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 NPE(410)는 일정하고 SPE는 time bin number(400) 축 중 한 개의 time bin에 구속되어있다고 가정한다. 여기서, 이들의 관계식은 다음식과 같이 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 7, the S PE 420 is a generation rate of average primary electrons generated by the laser pulse beam collected in the laser light receiving unit 190, N PE is the average primary electrons generated by the noise, R PE is the sum of the two production rates, and their relationship can be expressed as follows. Where N PE 410 is constant and S PE is constrained to one time bin of the time bin number (400) axis. Here, these relational expressions can be expressed by the following formulas.

Figure 112016058408219-pat00007
Figure 112016058408219-pat00007

이때의 i번째 time bin에서 1차 전자(Primary electron)가 생성될 확률, 즉 전기 신호가 발생할 확률은 포와송 통계(Poisson statistics)를 이용하여 다음식과 같이 나타낼 수 있다.The probability that the primary electron will be generated in the i-th time bin at this time, that is, the probability that the electric signal will be generated, can be expressed as Poisson statistics.

Figure 112016058408219-pat00008
Figure 112016058408219-pat00008

목표물이 j번째 time bin에 위치하고 있는 상황에서 한 개의 레이저수광부(190)를 이용하여 계산된 표적 검출 확률(target detection probability)과 거짓 경보 확률(false-alarm probability)은 다음식과 같이 주어진다.Target detection probability and false-alarm probability calculated using one laser light receiver 190 in the situation where the target is located at the jth time bin are given by the following equations.

Figure 112016058408219-pat00009
Figure 112016058408219-pat00009

Figure 112016058408219-pat00010
Figure 112016058408219-pat00010

그리고 두 개의 레이저수광부(190)를 빔 분할기와 함께 사용한 경우의 각각에서의 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식과 같다.The target detection probability in each of the two laser light receiving units 190 and the beam splitter is expressed by the following equation.

Figure 112016058408219-pat00011
Figure 112016058408219-pat00011

Figure 112016058408219-pat00012
Figure 112016058408219-pat00012

(여기서, SPE는 레이저 펄스 빔에 의해 생성되는 평균 1차 전자의 생성률, NPE는 노이즈에 의해 생성되는 평균 1차 전자의 생성률이고, RPE(t) = SPE(t) + NPE(t)임)R PE (t) = S PE (t) + N PE (t) where S PE is the rate of generation of the average primary electrons generated by the laser pulse beam, N PE is the rate of generation of the average primary electrons generated by noise, (t)

위 수학식 6 및 7에 AND 게이트(도 2의 250)를 적용하면, 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식과 같이 얻을 수 있다.When the AND gate (250 in FIG. 2) is applied to the above Equations (6) and (7), the target detection probability can be obtained as follows.

Figure 112016058408219-pat00013
Figure 112016058408219-pat00013

또한, 오작동 확률(false alarm probability)은 다음식과 같이 얻을 수 있다.Also, a false alarm probability can be obtained by the following equation.

Figure 112016058408219-pat00014
Figure 112016058408219-pat00014

본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치는 상기 오작동 확률이 허용범위 내로 유지되도록, 한 지점의 반사 또는 산란된 광을 수광하는 레이저수광부(190)의 일정 수를 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.The omnidirectional laddering device according to an embodiment of the present invention is characterized by determining a certain number of laser light receiving portions 190 that receive reflected or scattered light at one point so that the malfunction probability is kept within an allowable range .

레이저수광부(190)를 한 개 운용하는 경우와 두 개 운용하는 경우에 대하여 NPE와 SPE를 바꿔가면서 표적 검출 확률과 거짓 경보 확률을 계산한 결과가 도 8 내지 10에 나타나 있다. 이때, 2μs의 게이트 시간(gate time)과 1ns의 time bin의 경우를 가정하고, 각각 10m, 150m, 290m에 위치한 목표물에 대하여 계산하였다.The results of calculating the target detection probability and the false alarm probability while switching between N PE and S PE for the case of operating one laser light receiving unit 190 and the case of operating two laser light receiving units 190 are shown in FIGS. At this time, assuming a gate time of 2 μs and a time bin of 1 ns, it is calculated for targets located at 10 m, 150 m, and 290 m, respectively.

도 8은 목표물이 10m 거리에 위치한 경우(500 내지 520)로써, NPE 값이 10kHz에서 1000kHz까지 변하는 동안 한 개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)의 경우 거짓 경보 확률(505)이 0.1%~86.6%까지 나타나는 반면에 두 개의 GmAPD의 경우 거짓 경 확률(507)이 1.6*10-7%~1.6*10-3% 나타나는 것을 확인할 수 있다. 8 shows a false alarm probability 505 of 0.1% to 86.6% for one Geiger mode photodiode (GmAPD) while the N PE value changes from 10 kHz to 1000 kHz when the target is located at a distance of 10 m (500 to 520) , Whereas the false-worse probability (507) for the two GmAPDs is 1.6 * 10-7% ~ 1.6 * 10-3%.

일반적으로 표적 검출 확률(target detection probability)은 SPE가 증가함에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있으며 두 개의 레이저수광부(190)의 경우 표적 검출 확률(503)은 SPE가 20 이하인 영역에서는 한 개의 레이저수광부(190)의 경우 표적 검출 확률(501) 보다 절반 정도 작은 것을 확인할 수 있다. In general, the target detection probability increases with increasing S PE . In the case of the two laser light receiving units 190, the target detection probability 503 is one laser light receiving unit in the region where S PE is 20 or less (190) is about half that of the target detection probability (501).

이것은 레이저 펄스 빔의 에너지가 빔분할기(120)에서 반으로 나뉘어져서 각각의 레이저수광부(190)로 향하기 때문이다. 이것은 false-alarm probability을 줄이는 대신 발생하는 일종의 상충관계이다.This is because the energy of the laser pulse beam is divided in half at the beam splitter 120 and directed to each of the laser light receiving portions 190. This is a trade-off that occurs instead of reducing the false-alarm probability.

도 9는 목표물이 150m 거리에 위치한 경우(600 내지 620)로, NPE 값이 10kHz에서 1000kHz까지 변하는 동안 한 개의 레이저수광부(190)의 경우는 false-alarm probability가 2.0%~86.4%까지 나타나는 반면에 두 개의 레이저수광부(190)의 경우는 2.5*10-7%~2.0*10-2% 나타나는 것을 확인할 수 있다. 9 shows a case where the target is located at a distance of 150 m (600 to 620). In the case of one laser light receiver 190 while the N PE value changes from 10 kHz to 1000 kHz, a false-alarm probability is shown from 2.0% to 86.4% In the case of the two laser light receiving portions 190, 2.5 * 10-7% ~ 2.0 * 10-2%.

여기서도 SPE가 20 이하인 영역에서는 한 개의 레이저수광부(190)의 경우보다 두 개의 레이저수광부(190)의 경우가 절반 정도 작게 나타나는 상충관계가 나타나는 것을 확인할 수 있다.Here again, in the region where the S PE is 20 or less, it can be seen that there is a trade-off in which the two laser light-receiving portions 190 are about half as small as the case of one laser light-receiving portion 190.

도 10은 목표물이 290m 거리에 위치한 경우(700 내지 720)로, NPE 값이 10kHz에서 1000kHz까지 변하는 동안 한 개의 레이저수광부(190)의 경우는 false-alarm probability가 2.0%~86.4%까지 나타나는 반면에 두 개의 레이저수광부(190)의 경우는 4.8*10-6%~2.2*10-2% 나타나는 것을 확인할 수 있다. 10 shows a case where the target is located at a distance of 290 m (700 to 720). In the case of one laser light receiver 190 while the N PE value changes from 10 kHz to 1000 kHz, a false-alarm probability is shown from 2.0% to 86.4% In the case of the two laser light-receiving portions 190, it is 4.8 * 10-6% ~ 2.2 * 10-2%.

여기서도 SPE가 20 이하인 영역에서는 한 개의 레이저수광부(190)의 경우보다 두 개의 레이저수광부(190)의 경우가 절반 정도 작게 나타나는 상충관계가 나타나는 것을 확인할 수 있다.Here again, in the region where the S PE is 20 or less, it can be seen that there is a trade-off in which the two laser light-receiving portions 190 are about half as small as the case of one laser light-receiving portion 190.

도 11 에서는 노이즈 발생율(NPE) 이 5MHz, 도 9에서는 9.5MHz 일 때, 1개의 레이저수광부(190)로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부(190)로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(10)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수(SPE_tot)에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 거짓 경보 확률(false-alarm probability)에 대한 실험 결과 그래프를 나타내고 있다. 물체는 검출기로부터 15m에 위치하고 있으며, 데이터 처리 시, 게이트 시간(gate time)은 100ns, time bin은 3ns로 하였다. 도 11의 경우, 한 개의 레이저수광부(190)의 경우 거짓 경보 확률(505)이 23%~37%까지 나타나는 반면에 두 개의 레이저수광부(190)의 경우 거짓 경 확률(507)이 0.09%~0.1% 나타나는 것을 확인할 수 있다. 도 12의 경우, 한 개의 레이저수광부(190)의 경우 거짓 경보 확률(505)이 38%~58%까지 나타나는 반면에 두 개의 레이저수광부(190)의 경우 거짓 경 확률(507)이 0.3%~0.4% 나타나는 것을 확인할 수 있다11, in order to compare the case where the noise occurrence rate (N PE ) is 5 MHz and the case where it is implemented by one laser light receiving section 190 and the case where two laser light receiving sections 190 are implemented when the laser light receiving section 190 is implemented, The experimental results for the target detection probability and the false-alarm probability according to the number of primary electrons (S PE _tot) generated by the laser pulse beam scattered from the target FIG. The object is located 15 m from the detector. The gate time and the time bin are 100 ns and 3 ns, respectively, for data processing. 11, the false alarm probability 505 is 23% to 37% in the case of one laser light receiver 190, while the false alarm 507 is 0.09% to 0.1% in the case of the two laser light receiver 190. [ %. 12, the false alarm probability 505 is 38% to 58% in the case of one laser light receiver 190 while the false alarm 507 is 0.3% to 0.4% in the case of the two laser light receiver 190. [ % Can be seen

도 13은 본 발명의 두 개의 레이저수광부(190) 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 12MHz 일 때,1개의 레이저수광부(190)로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부(190)로 구현된 경우의 비교를 위하여 촬영한 3차원 영상이다. 물체는 철제 상자이고 스캐닝을 통해 256×256 픽셀의 영상을 획득하였다. 결과를 보면, 도13의 (a)에 도시된 바와 같이 1개의 레이저수광부(190)로 구현된 경우 false-alarm probability가 46.9%인 반면, 도13의 (b)에 도시된 바와 같이 2 개의 레이저수광부(190)를 운용하는 경우 false-alarm probability가 0.0092% 이하로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 2개의 레이저수광부(190)를 운용하는 경우 false-alarm probability가 5,097 배 적게 측정되었다.13 is a diagram illustrating a case where the laser light receiving unit 190 according to one embodiment of the present invention is implemented with one laser light receiving unit 190 when the noise generation rate (NPE) is 12 MHz, Dimensional images taken for comparison. The object was an iron box and the image of 256 × 256 pixels was obtained through scanning. As shown in FIG. 13 (a), the false-alarm probability is 46.9% when implemented with one laser light receiving unit 190, It can be confirmed that the false-alarm probability is maintained at 0.0092% or less when the light-receiving unit 190 is operated. The false-alarm probability was measured 5,097 times less when the two laser light-receiving portions 190 were operated.

도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 상기 역반사체(200)는 수직단면의 내측 형상이 반원 또는 삼각형 형상으로 반사면이 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.As shown in FIG. 14, the retro-reflector 200 of the omnidirectional laddering device according to the embodiment of the present invention may have a semi-circular or triangular inner shape of a vertical section and a reflective surface. have.

즉, 상기 역반사체(200)는 반구형(단면 내측 형상이 반원), 아치형(단면 내측 형상이 반원), 원뿔형(단면 내측 형상이 삼각형) 또는 사각뿔형(단면 내측 형상이 삼각형) 등으로 형성될 수 있다.That is, the retroreflector 200 may be formed in a semi-spherical shape (semicircular inner shape in cross section), arcuate shape (semicircular inner shape is semicircular), conical shape (triangular inner shape in cross section) have.

상기에서 직선 및 삼각형으로 레이저발광부(110)가 구비된 예를 들었으나, 본 발명이 이에 한정된 것은 아니며, 다각형 등 다양한 형상으로 레이저발광부(110)를 구비할 수 있음은 물론이다.Although the laser emitting unit 110 is provided in a straight line and a triangle in the above description, the present invention is not limited thereto. It is needless to say that the laser emitting unit 110 may be provided in various shapes such as a polygon.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100: 라이다
110: 레이저발광부
120: 빔분할기
130: 고정반사경
190: 레이저수광부
200: 역반사체
300: 회전반사경
310: 모터100: Rada
110: laser emitting part
120: beam splitter
130: Fixed reflector
190: laser light receiving portion
200: Retroreflector
300: rotating reflector
310: motor

Claims (10)

레이저 펄스 빔을 생성하여 발사하는 레이저발광부(110)로부터 생성된 레이저를 발사하고, 반사 또는 산란되어 돌아와 레이저수광부(190)에 수광된 레이저를 분석하여 목표방향을 탐지하는 라이다(100);
상기 라이다(100)로부터 발사된 레이저를 레이저가 입사된 방향으로 반사시키되, 레이저가 입사된 경로와 레이저가 반사된 경로가 서로 다른 역반사체(200); 및
상기 역반사체(200)에 의해 반사되어 입사된 레이저를 반사시켜 목표방향으로 보내거나, 상기 목표방향으로부터 반사 또는 산란되어 입사된 레이저를 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내되, 모터(310)의 작동에 의해 회전되는 회전반사경(300);
를 포함하며,
상기 라이다(100)로부터 발광된 레이저를 상기 역반사체(200)가 반사시켜 상기 회전반사경(300)으로 보내고, 상기 회전반사경(300)에 반사된 레이저가 목표물(10)에 반사 또는 산란되어 돌아온 레이저를 상기 회전반사경(300)이 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내면, 상기 역반사체(200)가 이를 반사시켜 상기 라이다(100)로 보내어, 상기 회전반사경(300)이 향하는 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 하되,
상기 라이다(100)는
상기 라이다(100)로부터 상기 역반사체(200)로 향하는 레이저 수의 정수배가 되도록 레이저수광부(190)를 구비하며,
입사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120); 및
레이저를 반사시키는 고정반사경(130);
을 포함하고,
상기 빔분할기(120) 및 고정반사경(130)중 일부는, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 상기 역반사체(200)로 안내하고, 상기 빔분할기(120) 및 고정반사경(130)중 일부는, 상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 복수로 분할하여 상기 레이저수광부(190)로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 구비된 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
(100) for emitting a laser beam generated from a laser emitting unit (110) generating and emitting a laser pulse beam, returning the laser beam reflected or scattered, and analyzing a laser beam received by the laser receiving unit (190) to detect a target direction;
A retroreflector 200 that reflects the laser emitted from the ladder 100 in a direction in which the laser is incident, and has a path through which the laser is incident and a path through which the laser is reflected; And
The laser beam reflected by the retroreflector 200 and reflected by the retroreflector 200 is reflected or scattered from the target direction, reflected by the retroreflector 200, A rotating mirror 300 rotated by the operation of the mirror 300;
/ RTI >
The laser beam emitted from the ladder 100 is reflected by the retroreflector 200 and sent to the rotating reflector 300. The laser beam reflected by the rotating reflector 300 is reflected or scattered by the target 10, When the laser beam is reflected by the rotating reflector 300 and is transmitted to the retroreflector 200, the retroreflector 200 reflects the laser beam and sends the reflected laser beam to the laser ray receiver 100, Characterized in that,
The Raid (100)
A laser light receiving unit 190 is provided so as to have an integral multiple of the laser number from the ladder 100 toward the retroreflector 200,
A beam splitter 120 for dividing the incident laser into two directions; And
A fixed mirror 130 for reflecting the laser;
/ RTI >
Some of the beam splitter 120 and the fixed mirror 130 guide the laser emitted from the laser emitting unit 110 to the retroreflector 200 and the beam splitter 120 and the fixed mirror 130, Wherein a part of the laser beam is divided into a plurality of laser beams from the retroreflector (200) and guided to the laser beam receiving part (190) so that the laser beams are directed in one direction.
제1항에 있어서,
상기 라이다(100)는
레이저발광부(110)가 복수로 구비된 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
The method according to claim 1,
The Raid (100)
And a plurality of laser emitting units (110) are provided.
제2항에 있어서,
상기 복수의 레이저발광부(110)는
각각 서로 다른 특징의 레이저를 발광하는 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
3. The method of claim 2,
The plurality of laser emitting units 110
And emits lasers of different characteristics from each other.
제2항에 있어서,
복수로 구비된 레이저발광부(110)는
직선 또는 다각형 형상으로 배치된 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
3. The method of claim 2,
The plurality of laser emitting units 110
Wherein the first and second electrodes are arranged in a straight or polygonal shape.
제1항에 있어서,
상기 라이다(100)는
상기 레이저수광부(190)가 복수로 구비된 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
The method according to claim 1,
The Raid (100)
Characterized in that a plurality of the laser light receiving units (190) are provided.
제1항에 있어서,
상기 라이다(100)는
입사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120); 및
레이저를 반사시키는 고정반사경(130);
을 포함하며,
상기 빔분할기(120) 또는 고정반사경(130)은, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 상기 역반사체(200)로 안내하고, 상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 상기 레이저수광부(190)로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 구비된 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
The method according to claim 1,
The Raid (100)
A beam splitter 120 for dividing the incident laser into two directions; And
A fixed mirror 130 for reflecting the laser;
/ RTI >
The beam splitter 120 or the fixed reflector 130 guides the laser emitted from the laser emitting unit 110 to the retroreflector 200 and transmits the laser incident from the retroreflector 200 to the laser light receiving unit 200. [ (190), wherein the laser is directed in one direction.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 전방향 라이다 장치는
일정 수의 레이저수광부(190)로부터 각각 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 비교하여 동일하면 해당 왕복 비행시간(TOF) 정보를 유효 왕복 비행시간(TOF) 정보로 판단하여 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
The method according to claim 1,
The omni-
(TOF) information from a predetermined number of laser light receiving units 190 and compares the round trip time (TOF) information with each other and compares the round trip time (TOF) information with the effective round trip time TOF) information, and detects a target direction.
레이저 펄스 빔을 생성하여 발사하는 레이저발광부(110)로부터 생성된 레이저를 발사하고, 반사 또는 산란되어 돌아와 레이저수광부(190)에 수광된 레이저를 분석하여 목표방향을 탐지하는 라이다(100);
상기 라이다(100)로부터 발사된 레이저를 레이저가 입사된 방향으로 반사시키되, 레이저가 입사된 경로와 레이저가 반사된 경로가 서로 다른 역반사체(200); 및
상기 역반사체(200)에 의해 반사되어 입사된 레이저를 반사시켜 목표방향으로 보내거나, 상기 목표방향으로부터 반사 또는 산란되어 입사된 레이저를 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내되, 모터(310)의 작동에 의해 회전되는 회전반사경(300);
를 포함하며,
상기 라이다(100)로부터 발광된 레이저를 상기 역반사체(200)가 반사시켜 상기 회전반사경(300)으로 보내고, 상기 회전반사경(300)에 반사된 레이저가 목표물(10)에 반사 또는 산란되어 돌아온 레이저를 상기 회전반사경(300)이 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내면, 상기 역반사체(200)가 이를 반사시켜 상기 라이다(100)로 보내어, 상기 회전반사경(300)이 향하는 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 하되,
거리 정보는 다음식,
Figure 112016087166100-pat00015

(여기서, c는 3×108m/s이고, TOF는 왕복 비행시간이다)
를 이용하여 계산하고,
상기 레이저수광부(190)에 수광된 레이저에 대한,
개별 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식,
Figure 112016087166100-pat00016
,
Figure 112016087166100-pat00017

(여기서, SPE는 레이저 펄스 빔에 의해 생성되는 평균 1차 전자의 생성률, NPE는 노이즈에 의해 생성되는 평균 1차 전자의 생성률이고, RPE(t) = SPE(t) + NPE(t)임) 를 이용하여 산출하며,
전체 표적 검출 확률은 다음식,
Figure 112016087166100-pat00018
를 이용하여 산출되고,
오작동 확률(false alarm probability)은 다음식,
Figure 112016087166100-pat00019
를 이용하여 산출되며,
상기 오작동 확률이 허용범위 내로 유지되도록, 한 지점의 반사 또는 산란된 광을 수광하는 레이저수광부(190)의 일정 수를 결정하는 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
(100) for emitting a laser beam generated from a laser emitting unit (110) generating and emitting a laser pulse beam, returning the laser beam reflected or scattered, and analyzing a laser beam received by the laser receiving unit (190) to detect a target direction;
A retroreflector 200 that reflects the laser emitted from the ladder 100 in a direction in which the laser is incident, and has a path through which the laser is incident and a path through which the laser is reflected; And
The laser beam reflected by the retroreflector 200 and reflected by the retroreflector 200 is reflected or scattered from the target direction, reflected by the retroreflector 200, A rotating mirror 300 rotated by the operation of the mirror 300;
/ RTI >
The laser beam emitted from the ladder 100 is reflected by the retroreflector 200 and sent to the rotating reflector 300. The laser beam reflected by the rotating reflector 300 is reflected or scattered by the target 10, When the laser beam is reflected by the rotating reflector 300 and is transmitted to the retroreflector 200, the retroreflector 200 reflects the laser beam and sends the reflected laser beam to the laser ray receiver 100, Characterized in that,
The street information is as follows:
Figure 112016087166100-pat00015

(Where c is 3 x 10 < 8 > m / s and TOF is the round trip time)
, ≪ / RTI >
For the laser received by the laser light receiving unit 190,
The individual target detection probabilities are:
Figure 112016087166100-pat00016
,
Figure 112016087166100-pat00017

R PE (t) = S PE (t) + N PE (t) where S PE is the rate of generation of the average primary electrons generated by the laser pulse beam, N PE is the rate of generation of the average primary electrons generated by noise, (t)),
The overall target detection probability is:
Figure 112016087166100-pat00018
, ≪ / RTI >
The false alarm probability is given by:
Figure 112016087166100-pat00019
, ≪ / RTI >
And determines a certain number of laser light receiving portions (190) that receive reflected or scattered light at one point so that the malfunction probability is kept within an allowable range.
제1항 또는 제9항에 있어서,
상기 역반사체(200)는
수직단면의 내측 형상이 반원 또는 삼각형 형상으로 반사면이 구비되는 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.10. The method of claim 1 or 9,
The retro-reflector (200)
Characterized in that the inner surface of the vertical section is provided with a reflecting surface in a semicircular or triangular shape.
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