KR20120098529A - Scanning three-dimensional imaging pulsed laser radar system and method using dual geiger-mode avalanche photodiodes - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A scanning three dimensional imaging pulse laser radar system and method thereof are provided to rapidly reduce false-alarm probability by connecting a signal to an AND gate. CONSTITUTION: A pulse laser unit(110) examines a target(130) by creating a laser pulse beam. A transmission and reception optical system(200) receives a part of a laser pulse beam scattered from the target and transmits the irradiated laser pulse beam to the target. A beam splitter(220) divides the laser beam pulse to two directions by receiving the laser pulse beam from the transmission and reception optical system. A plurality of Geiger mode photo diodes(230,240) converts the divided beam into electric signals by receiving the beam. Flight time computation units(250,260,310) computes the flight time information of the laser pulse beam using an interval between laser pulse beam creation start time information and stop time information according to the converted electric signal. A display unit(270) creates a three dimensional image signal according to distance information using the fight time information. [Reference numerals] (110) Pulse laser unit; (120) Scanning optical system; (130) To target; (130) From target; (230) First Geiger mode photo diode; (240) Second Geiger mode photo diode; (250) AND gate; (260) First channel time-digital convertor; (270) Display unit; (AA) Optical signal; (BB) Electric signal

Description

듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 및 방법{Scanning three-dimensional imaging pulsed laser radar System and Method using dual Geiger-mode avalanche photodiodes}Scanning three-dimensional imaging pulsed laser radar system and method using dual Geiger-mode avalanche photodiodes

본 발명은 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 수십 나노초 이하의 펄스폭을 갖는 레이저 펄스 빔을 목표물에 조사하고, 그로부터 산란되어 돌아오는 광의 일부를 광학계를 통해 가이거 모드 어밸런치 광다이오드(GmAPD: Geiger-mode Avalanche PhotoDiode)로 검출함으로써 레이저 펄스 빔의 TOF(Time-Of-Flight)를 측정하게 되며 이 TOF는 TDC(Time-to-Digital Converter) 변환기를 통하여 신호처리시스템으로 전송되어 거리 정보들로 변환되고, 이를 통해 3차원 영상을 획득하게 되는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 및 방법에 대한 것이다.
The present invention relates to a scanning three-dimensional imaging pulsed laser radar system and method for operating a dual Geiger mode avalanche photodiode, and more particularly, to irradiate a target with a laser pulse beam having a pulse width of several tens of nanoseconds or less. A portion of the returned light is detected by a Geiger-mode Avalanche PhotoDiode (GmAPD) through an optical system to measure the time-of-flight (TOF) of the laser pulse beam. Scanning 3D imaging pulse laser radar system and method for operating dual Geiger mode avalanche photodiodes transmitted to a signal processing system through a to-Digital Converter and converted into distance information, thereby obtaining a 3D image It is about.

3차원 영상 레이저 레이더 기술은 우주, 군사, 산업, 보안, 의료 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이러한 3차원 영상 레이저 레이더 기술을 구현하는 시스템 구성도를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1은 일반적인 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템의 구성도이다. Three-dimensional imaging laser radar technology is used in various fields such as space, military, industrial, security and medical. A diagram showing a system configuration for implementing such a three-dimensional image laser radar technique is shown in FIG. 1. 1 is a block diagram of a general scanning three-dimensional imaging pulse laser radar system.

도 1을 참조하면, 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템은 주로 펄스 레이저부(110), 스캐닝 광학계(120), 광신호 검출부(140), 신호 처리부(150), 영상 처리부(160) 등으로 구성된다. 펄스 레이저부(110)는 원거리 3차원 영상획득을 목표로 하는 경우, 펄스 레이저가 사용된다. Referring to FIG. 1, a scanning 3D imaging pulse laser radar system mainly includes a pulse laser unit 110, a scanning optical system 120, an optical signal detector 140, a signal processor 150, an image processor 160, and the like. do. When the pulse laser unit 110 targets a long distance 3D image acquisition, a pulse laser is used.

이 펄스 레이저부(110)에서 출력된 펄스를 레이저 펄스 빔라고 하며, 이 레이저 펄스 빔은 스캐닝 광학계(120)를 통하여 목표물(130)에 조사되며, 이 목표물(130)로부터 산란되어 돌아오는 레이저 펄스 빔의 일부를 스캐닝 광학계(120)를 통하여 수집한다. 수집된 레이저 펄스 빔들은 광신호 검출부(140)에서 전기 신호로 변환되어 신호처리부(150)로 전달된다.The pulse output from the pulse laser unit 110 is referred to as a laser pulse beam, and the laser pulse beam is irradiated onto the target 130 through the scanning optical system 120, and the laser pulse scattered from the target 130 returns. A portion of the beam is collected through the scanning optics 120. The collected laser pulse beams are converted into electrical signals by the optical signal detector 140 and transferred to the signal processor 150.

신호 처리부(150)에서는 레이저 펄스 빔의 왕복 비행시간을 시간-디지털 변환기를 통하여 측정하여 시간 정보를 생성하게 된다. 측정된 시간 정보들은 거리 정보로 변환되어 영상 처리부(160)에서 목표물(130)에 대한 3차원 영상이 가시화된다.The signal processor 150 generates time information by measuring a round trip time of the laser pulse beam through a time-to-digital converter. The measured time information is converted into distance information so that the 3D image of the target 130 is visualized in the image processor 160.

일반적으로 3차원 영상 레이저 레이더 시스템은 우주선, 비행기, 차량 등에 탑재되어 활용되기 때문에 긴 작동시간(2시간 이상)을 위해 적은 전력소모를 필요로 한다. 이를 위해 레이저 펄스 빔 에너지의 축소가 불가피한 상황이므로, 광신호 검출부(140)를 고감도의 광신호 검출기인 GmAPD(Geiger-mode Avalanche PhotoDiode)로 구성하게 된다. In general, three-dimensional imaging laser radar systems are used in spacecraft, airplanes, vehicles, etc., and require low power consumption for long operation times (more than two hours). To this end, since the reduction of the laser pulse beam energy is inevitable, the optical signal detector 140 is configured by a high-sensitivity optical signal detector GmAPD (Geiger-mode Avalanche PhotoDiode).

일반적으로 GmAPD는 단일 광자를 검출할 정도의 고감도 센서인 반면에, 돌아오는 광신호의 에너지 정보는 손실되고 광신호의 검출 유무를 동일한 전기신호를 발생시키어 나타내므로 목표물(130)에서 산란되어 돌아오는 펄스에 의한 신호와 노이즈에 의한 신호를 구별할 수 없게 되는 문제점이 있었다. In general, GmAPD is a high-sensitivity sensor that detects a single photon, whereas energy information of the returning optical signal is lost and indicates whether or not the optical signal is detected by generating the same electrical signal. There is a problem that it is impossible to distinguish between a signal caused by a pulse and a signal caused by noise.

노이즈는 레이저 레이더 광학계의 FOV(Field-Of-View)안에 해당하는 백그라운드 광(background light)과 GmAPD 자체의 열잡음(thermal noise)인 다크 카운트(dark count)가 대표적이며, 이로 인해 거짓 경보(false-alarm)을 유발한다. The noise is representative of the background light corresponding to the field-of-view (FOV) of the laser radar optics and the dark count, the thermal noise of the GmAPD itself. alarm).

이러한 단점을 해소하고자, GmAPD를 운용하는 레이저 레이더 시스템에 있어서, 목표물에 의한 신호와 노이즈에 의한 신호를 구별하는 방법으로 TCSPC(Time Correlated Single Photon Counting)이 적용되고 있다. In order to solve this disadvantage, in the laser radar system operating GmAPD, TCSPC (Time Correlated Single Photon Counting) has been applied as a method of distinguishing a signal caused by a target from a signal caused by noise.

이것은 많은 수의 레이저 펄스 빔을 목표물에 조사하여 TOF들을 측정하고, 그것들을 TOF 히스토그램으로 변환하여 발생 빈도수를 비교함으로써, 목표물에 의한 신호와 노이즈에 의한 신호를 구별하는 방법이다. 3차원 영상 획득 후, 노이즈 제거할 시에는 TCSPC를 3차원적으로 확장하여 적용한다. This is a method of distinguishing a signal by a target from a signal by noise by irradiating a large number of laser pulse beams to a target, measuring TOFs, converting them to a TOF histogram, and comparing the frequency of occurrence. After the 3D image acquisition, the TCSPC is extended three-dimensionally to remove noise.

구체적으로 얻어진 왕복 비행시간 데이터들을 Point-Cloud 방법으로 나타내고 복셀(voxel) 공간으로 변환한 뒤, 각 voxel에서의 도수(accumulation)를 비교한 후 thresholding하여 노이즈를 제거한다. Specifically, the obtained round-trip flight time data are represented by a Point-Cloud method, converted into voxel space, and then the noise is compared by thresholding in each voxel and then thresholded.

GmAPD를 운용하는 레이저 레이더 시스템에 관한 다양한 발명들이 제안되었다. 대표적으로 1999년 4월 6일에 등록된 미국특허 U.S. pat. No. 5,892,575,“Method and apparatus for imaging a scene using a light detector operating in non-linear Geiger mode" 와 2007년 11월 27일 등록된 미국 특허 U.S. pat. No. 7,301,608, ”Photon-counting, non-imaging direct-detector LADAR"를 들 수 있다. Various inventions have been proposed regarding laser radar systems operating GmAPD. U.S. Patent. pat. No. 5,892,575, “Method and apparatus for imaging a scene using a light detector operating in non-linear Geiger mode” and US Patent US Pat. No. 7,301,608, ”Photon-counting, non-imaging direct- detector LADAR ".

특히, 위의 특허들은 GmAPD FPA(Focal Plane Array) 초점면 배열을 이용하여 목표물의 3차원 영상을 획득하거나 목표물까지의 거리를 측정하는 시스템에 관한 발명이다. In particular, the above patents relate to a system for obtaining a 3D image of a target or measuring a distance to the target using a GmAPD focal plane array (FPA) focal plane array.

이중, U.S. 특허 제5,892,575호의 경우, 2006년에 발표된 Lincoln Lab. J. Vol. 16 No. 1 “Real-time 3D Ladar Imaging”을 참고하면, 3차원 거리 데이터를 3차원 voxel 공간에 전시한 후에 thresholding함으로써 노이즈가 없는 3차원 영상을 획득하였다. Of these, U.S. For patent 5,892,575, Lincoln Lab. Published in 2006. J. Vol. 16 No. 1 Referring to “Real-time 3D Ladar Imaging”, noise-free 3D images were obtained by thresholding the 3D distance data in 3D voxel space.

참고적으로 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"에서 thresholding값의 변화에 따른 3차원 영상을 확인할 수 있다. For reference, see Japanese Journal of Applied Physics, Vol. Time-of-flight analysis of three-dimensional imaging laser radar using a Geiger-mode avlanche photodiode listed in 49, 026601 shows three-dimensional images of thresholding values.

또한, U.S. 특허 제7,301,608호의 경우는 3차원 영상이 아닌 거리를 측정하는데 있어서 GmAPD FPA를 이용함으로써, 한 개의 레이저 펄스 빔으로 여러 개의 레이저 펄스 빔을 이용하여 데이터를 획득한 효과를 나타낸다. 이 특허 또한, 히스토그램으로 변환하여 thresholding을 수행함으로써 노이즈를 제거할 수 있었다. Also, U.S. Pat. In case of Patent 7,301,608, GmAPD FPA is used to measure the distance, not the three-dimensional image, thereby showing the effect of acquiring data using several laser pulse beams with one laser pulse beam. This patent also eliminated noise by converting to a histogram and performing thresholding.

그런데, 거짓 경보(false-alarm)을 제거하기 위하여 많은 량의 TOF 데이터를 획득한 뒤, 별도의 노이즈 제거 단계가 필요하다는 단점이 있다. However, after removing a large amount of TOF data in order to remove false-alarm, a separate noise removing step is required.

특히, 많은 량의 레이저 펄스 빔을 이용하여 얻은 3차원 거리 데이터를 영상화하였을 때 노이즈에 의한 신호들을 제거하기 위하여 수행하는 영상처리 단계에서 많은 시간이 소요되며, 이는 실시간 영상화에 걸림돌이 된다는 단점이 있다. In particular, when imaging 3D distance data obtained by using a large amount of laser pulse beam, it takes a lot of time in the image processing step to remove signals due to noise, which has a drawback in real time imaging. .

이는 노이즈에 의한 신호를 제거하는데 소요되는 시간 때문에, 깨끗한 3차원 영상 획득을 위한 소요 시간이 증가됨을 의미한다.
This means that the time required for clear 3D image acquisition is increased because of the time required to remove a signal due to noise.

미국등록특허 [5892575]United States Patent [5892575] 미국등록특허 [7301608]United States Patent [7301608]

본 발명은 위에서 제기된 종래 기술의 문제점을 극복하고자 노이즈 신호가 강한 상황에서도 거짓 경보 확률(false-alarm probability)을 현저하게 낮게 만드는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention provides a scanning three-dimensional imaging pulsed laser radar operating a dual Geiger mode avalanche photodiode that significantly lowers false-alarm probability even in the presence of strong noise signals to overcome the problems of the prior art. Its purpose is to provide a system and method.

또한, 본 발명은 깨끗한 3차원 영상을 획득하는 데에 걸리는 시간을 최소로 단축시켜, 이를 통해 저전력, 실시간 원거리 3차원 영상획득이 가능한 펄스 레이저 레이더 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
In addition, another object of the present invention is to provide a pulse laser radar system and method capable of shortening the time taken to obtain a clean three-dimensional image to a minimum, thereby enabling low-power, real-time long-range three-dimensional image acquisition.

본 발명은 위에서 제기된 과제를 달성하기 위해, 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템을 제공한다. 이 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템은, 레이저 펄스 빔을 생성하여 목표물(130)을 향하에 조사하는 펄스 레이저부(110); 조사된 레이저 펄스 빔을 상기 목표물(130)에 송신하거나 상기 목표물(130)에 조사된 레이저 펄스 빔이 상기 목표물(130)로부터 산란된 경우 산란된 레이저 펄스 빔의 일부를 수신하는 송수신 광학계(200); 상기 송수신 광학계(200)로부터 상기 산란된 레이저 펄스 빔의 일부를 수신하여 2 방향으로 분할하는 빔 분할기(220); 분할된 빔을 수신하여 전기 신호로 변환하는 복수의 가이거 모드 광다이오드(230,240); 변환된 전기 신호의 입력에 따라 상기 펄스 레이저부(110)로부터 상기 레이저 펄스 빔이 생성된 시작 시간 정보와 상기 전기 신호의 입력에 따른 정지 시간 정보에 대한 간격을 이용하여 상기 레이저 펄스 빔의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 계산하는 왕복 비행시간(TOF) 산출 수단(250,260,310); 및 상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하여 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하는 디스플레이부(270)를 포함한다. The present invention provides a scanning three-dimensional imaging pulsed laser radar system operating a dual Geiger mode avalanche photodiode to achieve the challenges posed above. The scanning 3D imaging pulse laser radar system includes a pulse laser unit 110 for generating a laser pulse beam and irradiating the target 130 toward the target 130; Transmitting and receiving optical system 200 which transmits the irradiated laser pulse beam to the target 130 or receives a portion of the scattered laser pulse beam when the laser pulse beam irradiated to the target 130 is scattered from the target 130. ; A beam splitter 220 which receives a portion of the scattered laser pulse beam from the transmission / reception optical system 200 and divides it in two directions; A plurality of Geiger mode photodiodes 230 and 240 for receiving the divided beams and converting them into electrical signals; The reciprocating flight of the laser pulse beam using the interval between the start time information for generating the laser pulse beam from the pulse laser unit 110 and the stop time information according to the input of the electrical signal according to the input of the converted electrical signal Round trip flight time (TOF) calculating means (250,260,310) for calculating time TOF information; And a display unit 270 that obtains distance information to the target 130 by using the round trip flight time information and generates a 3D image signal according to the distance information.

여기서, 디스플레이부는 상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하고 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하여 하나의 프레임을 만드는 프레임 생성부; 상기 프레임 생성부에서 만들어진 프레임을 이전에 만들어진 프레임과 비교하는 프레임 비교부; 및 상기 프레임 비교부를 통해 걸러진 데이터로 3차원 영상 신호를 생성하는 영상 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The display unit may include: a frame generation unit configured to obtain distance information to the target 130 using the round trip flight time (TOF) information and to generate a 3D image signal according to the distance information to create one frame; A frame comparing unit comparing the frame made by the frame generating unit with a frame made previously; And an image signal generator configured to generate a 3D image signal from the data filtered through the frame comparator.

또, 상기 왕복 비행시간(TOF) 산출 수단(250,260,310)은, 상기 복수의 가이거 모드 광다이오드(230,240)로부터 동시에 상기 전기 신호가 발생하는 때만 동작하는 AND 게이트(250); 및 상기 AND 게이트(250)가 동작함에 따라 상기 시작 시간 정보와 정지 시간 정보를 생성하여 상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하는 1채널 시간-디지털 컨버터(260)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the round trip time (TOF) calculating means (250, 260, 310), the AND gate 250 which operates only when the electrical signal is generated from the plurality of Geiger mode photodiodes (230, 240) at the same time; And a one-channel time-to-digital converter 260 which generates the round trip time information by generating the start time information and the stop time information as the AND gate 250 operates. have.

또한, 다른 실시예로서, 상기 왕복 비행시간(TOF) 산출 수단(250,260,310)은, 상기 2개의 가이거 모드 광다이오드(230,240)로부터 각각 상기 시작 시간 정보와 정지 시간 정보를 생성하여 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF)을 비교하여 동일하면 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF) 중 어느 하나를 상기 디스플레이부(270)에 전송하는 2채널 시간-디지털 컨버터(310)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. Further, as another embodiment, the round trip time (TOF) calculating means (250, 260, 310), respectively, the start time information and the stop time information from the two Geiger mode photodiodes (230,240) to generate a plurality of round trip flight time ( 2 channel time-to-digital converter for calculating TOF information, and comparing one of the plurality of round trip flight times TOF and transmitting one of the plurality of round trip flight times TOF to the display unit 270. 310).

여기서, 상기 거리 정보는 다음식,

Figure pat00001
(여기서, c는 3ㅧ108m/s이고, TOF는 왕복 비행시간이다)를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다. Here, the distance information is the following equation,
Figure pat00001
(Where c is 3 ㅧ 108m / s and TOF is the round-trip flight time).

여기서, 복수의 가이거 모드 광다이오드(230,240)는 2개로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. Here, the plurality of Geiger mode photodiodes 230 and 240 may be configured as two.

이때, j 번째 time bin에 표적(target)이 있을 경우, 상기 산란된 레이저 펄스 빔에 대한 개별 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식,

Figure pat00002
, 및In this case, when there is a target in the j th time bin, an individual target detection probability for the scattered laser pulse beam is represented by the following equation,
Figure pat00002
, And

Figure 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 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
Figure pat00003
Where SPE is the generation rate of the average primary electrons generated by the laser pulse beam, NPE is the production rate of the average primary electrons generated by the noise, and RPE (t) = SPE (t) + NPE (t) It may be characterized by using.

또한, 상기 AND 게이트(250)에 적용하여 생성되는 전체 표적 검출 확률은 다음식,

Figure pat00004
를 이용하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the total target detection probability generated by applying to the AND gate 250 is the following equation,
Figure pat00004
It may be characterized by using.

또한, 오작동 확률(false alarm probability)은 다음식,

Figure pat00005
를 이용하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the false alarm probability is given by
Figure pat00005
It may be characterized by using.

한편의 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 방법은, 펄스 레이저부(110)가 레이저 펄스 빔을 생성하여 목표물(130)을 향하에 조사하는 레이저 펄스 빔 조사 단계; 송수신 광학계(200)가 조사된 레이저 펄스 빔을 상기 목표물(130)에 송신하거나 상기 목표물(130)에 조사된 레이저 펄스 빔이 상기 목표물(130)로부터 산란된 경우 산란된 레이저 펄스 빔의 일부를 수신하는 레이저 펄스 빔 수신 단계; 빔 분할기(220)가 상기 송수신 광학계(200)로부터 상기 산란된 레이저 펄스 빔의 일부를 수신하여 2 방향으로 분할하는 분할 단계; 복수의 가이거 모드 광다이오드(230,240)가 분할된 빔을 수신하여 전기 신호로 변환하는 빔-전기 신호 변환 단계; 왕복 비행시간(TOF) 산출 수단(250,260,310)이 변환된 전기 신호의 입력에 따라 상기 펄스 레이저부(110)로부터 상기 레이저 펄스 빔이 생성된 시작 시간 정보와 상기 전기 신호의 입력에 따른 정지 시간 정보에 대한 간격을 이용하여 상기 레이저 펄스 빔의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 계산하는 왕복 비행시간 산출 단계; 및 디스플레이부(270)가 상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하여 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하는 영상 신호 생성 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In the scanning 3D imaging pulse laser radar method using the dual Geiger mode avalanche photodiode according to an embodiment of the present invention, the pulse laser unit 110 generates a laser pulse beam to face the target 130. Irradiating a laser pulse beam; Transmitting and receiving the laser pulse beam irradiated by the transmission and reception optical system 200 to the target 130 or a portion of the scattered laser pulse beam when the laser pulse beam irradiated to the target 130 is scattered from the target 130 Receiving a laser pulse beam; A splitting step in which a beam splitter 220 receives a part of the scattered laser pulse beam from the transmission / reception optical system 200 and splits the beam in two directions; A beam-electric signal conversion step of receiving a split beam by the plurality of Geiger mode photodiodes 230 and 240 into an electric signal; Round trip time (TOF) calculating means (250,260,310) in accordance with the input of the converted electrical signal from the pulse laser unit 110 start time information generated by the laser pulse beam and the stop time information according to the input of the electrical signal A round trip time calculation step of calculating round trip time (TOF) information of the laser pulse beam using the intervals for the plurality of beams; And an image signal generation step of the display unit 270 acquiring the distance information to the target 130 using the round trip flight time (TOF) information and generating a 3D image signal according to the distance information. It features.

여기서, 영상 신호 생성 단계는 디스플레이부(270)가 상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하고 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하여 하나의 프레임을 만드는 프레임 생성 단계; 상기 프레임 생성부에서 만들어진 프레임을 이전에 만들어진 프레임과 비교하는 프레임 비교 단계; 및 상기 프레임 비교부 단계 통해 노이즈가 제거된 데이터로 3차원 영상 신호를 생성하는 영상 신호 처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Here, in the video signal generation step, the display unit 270 obtains the distance information to the target 130 using the round trip flight time (TOF) information and generates a 3D image signal according to the distance information. A frame generation step of creating a frame; A frame comparison step of comparing a frame made by the frame generator with a frame made previously; And an image signal processing step of generating a 3D image signal using data from which noise is removed through the frame comparison unit.

또, 상기 왕복 비행시간(TOF) 산출 수단(250,260,310)은 상기 복수의 가이거 모드 광다이오드(230,240)로부터 동시에 상기 전기 신호가 발생하는 때만 동작하는 AND 게이트(250); 및 상기 AND 게이트(250)가 동작함에 따라 상기 시작 시간 정보와 정지 시간 정보를 생성하여 상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하는 1채널 시간-디지털 컨버터(260)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the round trip flight time (TOF) calculating means (250, 260, 310) includes: an AND gate (250) which operates only when the electrical signal is generated simultaneously from the plurality of Geiger mode photodiodes (230, 240); And a one-channel time-to-digital converter 260 which generates the round trip time information by generating the start time information and the stop time information as the AND gate 250 operates. have.

또한, 상기 왕복 비행시간(TOF) 산출 수단(250,260,310)은 상기 2개의 가이거 모드 광다이오드(230,240)로부터 각각 상기 시작 시간 정보와 정지 시간 정보를 생성하여 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF)을 비교하여 동일하면 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF) 중 어느 하나를 상기 디스플레이부(270)에 전송하는 2채널 시간-디지털 컨버터(310)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the round trip time (TOF) calculating means (250,260,310) generates the start time information and the stop time information from the two Geiger mode photodiodes (230,240), respectively, to calculate a plurality of round trip time (TOF) information And a two-channel time-to-digital converter 310 for comparing one of the plurality of round trip flight times and transmitting one of the plurality of round trip flight times to the display unit 270. It can be characterized.

또, 상기 거리 정보는 다음식,In addition, the distance information is the following equation,

Figure pat00006
(여기서, c는 3ㅧ108m/s이고, TOF는 왕복 비행시간이다)를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
Figure pat00006
(Where c is 3 ㅧ 108m / s and TOF is the round-trip flight time).

또한, 복수의 가이거 모드 광다이오드(230,240)는 2개로 구성되되, In addition, the plurality of Geiger mode photodiodes 230 and 240 are composed of two,

상기 산란된 레이저 펄스 빔에 대한 개별 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식,The individual target detection probability for the scattered laser pulse beam is

Figure pat00007
,
Figure pat00007
,

Figure pat00008
(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 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
Figure pat00008
Where SPE is the generation rate of the average primary electrons generated by the laser pulse beam, NPE is the production rate of the average primary electrons generated by the noise, and RPE (t) = SPE (t) + NPE (t) It may be characterized by using.

아울러, 상기 AND 게이트(250)에 적용하여 생성되는 전체 표적 검출 확률은 다음식,In addition, the overall target detection probability generated by applying to the AND gate 250 is the following equation,

Figure pat00009
를 이용하여 산출되고,
Figure pat00009
Calculated using

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

Figure pat00010
Figure pat00010

를 이용하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
It may be characterized by using.

본 발명에 따르면, 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템의 신호 검출부에 두 개의 GmAPD를 위치하고 빔 분할기로 동일한 빛 에너지가 각각의 GmAPD로 전달되게 하게 두 개의 GmAPD로부터 나오는 신호를 AND 게이트에 연결함으로써, 거짓 경보 확률(false-alarm probability)을 급격하게 낮출 수 있다.According to the present invention, false alarms are provided by placing two GmAPD in the signal detection section of a three-dimensional imaging pulsed laser radar system and connecting the signals from the two GmAPD to the AND gates so that the same light energy is transferred to each GmAPD with a beam splitter. The false-alarm probability can be drastically lowered.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 별도의 노이즈 제거를 위한 신호처리 또는 영상처리 구성이 요구되지 않으므로 실시간으로 노이즈 없는 3차원 영상 획득이 가능하게 된다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that since a signal processing or image processing configuration for removing noise is not required, it is possible to obtain a noise-free three-dimensional image in real time.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 깨끗한 3차원 영상을 획득하는 데에 걸리는 시간을 최소로 단축시키게 되므로 저전력, 실시간 원거리 3차원 영상획득이 가능하다는 점을 들 수 있다.
In addition, another effect of the present invention is that the time required for acquiring a clean 3D image can be shortened to a minimum, and thus low power and real time long distance 3D images can be obtained.

도 1은 종래 기술에 따른 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 1-채널 TDC(Time-to-Digital Converter)를 운영할 경우, 두 개의 GmAPD(Geiger-mode avalanche photodiode)으로 구현된 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 구성도.
도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 2-채널 TDC(Time-to-Digital Converter)를 운영할 경우, 두 개의 GmAPD(Geiger-mode avalanche photodiode)으로 구현된 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 구성도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 GmAPD에 도달하는 산란된 레이저 펄스 빔과 노이즈에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 평균 생성률의 시간에 따른 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 목표물(130)이 10m 거리에 있을 때, 1개의 GmAPD로 구현된 경우와 2개의 GmAPD로 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 거짓 경보 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따라 목표물(130)이 150m 거리에 있을 때, 1개의 GmAPD로 구현된 경우와 2개의 GmAPD로 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 거짓 경보 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프.
도 7은 본 발명의 다른 일실시예에 따라 목표물(130)이 290m 거리에 있을 때, 1개의 GmAPD로 구현된 경우와 2개의 GmAPD로 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 거짓 경보 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 5MHz 이고 목표물(130)이 15m 거리에 있을때, 1개의 GmAPD로 구현된 경우와 2개의 GmAPD로 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 거짓 경보 확률(false-alarm probability)에 대한 실험 결과 그래프.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 9.5MHz 이고 목표물(130)이 15m 거리에 있을때, 1개의 GmAPD로 구현된 경우와 2개의 GmAPD로 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 거짓 경보 확률(false-alarm probability)에 대한 실험 결과 그래프.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 12MHz 일 때,1개의 GmAPD로 구현된 경우와 2개의 GmAPD로 구현된 경우의 비교를 위하여 쵤영한 3차원 영상.1 is a block diagram of a scanning three-dimensional imaging pulse laser radar system according to the prior art.
2 is a scanning three-dimensional imaging pulse laser radar system configuration implemented by two GmAPD (Geiger-mode avalanche photodiode) when operating a 1-channel TDC (Time-to-Digital Converter) according to an embodiment of the present invention Degree.
3 is a scanning three-dimensional imaging pulse laser radar system implemented with two GmAPD (Geiger-mode avalanche photodiode) when operating a two-channel TDC (Time-to-Digital Converter) according to another embodiment of the present invention Diagram.
4 is a graph over time of the average production rate of primary electrons generated by noise and scattered laser pulse beams reaching GmAPD in accordance with one embodiment of the present invention.
5 is a laser scattered from the target 130 for comparison between the case implemented with one GmAPD and two GmAPD when the target 130 is at a distance of 10m according to an embodiment of the present invention Computational simulation result graph of target detection probability and false-alarm probability according to the number of primary electrons generated by the pulse beam.
FIG. 6 is scattered from the target 130 when the target 130 is at a distance of 150 m according to another embodiment of the present invention, for comparison between the case where one GmAPD is implemented and two GmAPD. Computational simulation graph of the target detection probability and false-alarm probability according to the number of primary electrons generated by the laser pulse beam.
FIG. 7 is scattered from the target 130 when the target 130 is at a distance of 290 m according to another embodiment of the present invention, for comparison with the case where one GmAPD is implemented and two GmAPD. Computational simulation graph of the target detection probability and false-alarm probability according to the number of primary electrons generated by the laser pulse beam.
FIG. 8 illustrates a target for comparison between the case where one GmAPD is implemented and two GmAPD 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. Experimental results graphs for target detection probability and false-alarm probability according to the number of primary electrons generated by the laser pulse beam scattered from 130.
9 is a noise generation rate (NPE) is 9.5MHz and the target 130 is a distance of 15m, according to an embodiment of the present invention, for the comparison of the case implemented with one GmAPD and two GmAPD, Experimental results for target detection probability and false-alarm probability according to the number of primary electrons SPE_tot generated by the laser pulse beam scattered from the target 130 graph.
FIG. 10 is a 3D image taken for comparison between a case where one GmAPD is implemented and two GmAPD when a noise generation rate (NPE) is 12 MHz according to one embodiment of the present invention; FIG.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 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. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

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. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 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, . 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, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 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. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination 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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 및 방법을 설명한다. Hereinafter, a scanning 3D imaging pulse laser radar system and method for operating a dual geiger mode avalanche photodiode according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서 제안한 듀얼(2개) GmAPD를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템의 구성이 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 1-채널 TDC(Time-to-Digital Converter)를 운영할 경우, 두 개의 GmAPD(Geiger-mode avalanche photodiode)으로 구현된 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 구성도이다. 특히 도 2는 1-채널 TDC를 운용하는 예를 보여준다.The configuration of the scanning 3D imaging pulse laser radar system operating the dual (two) GmAPD proposed in the present invention is shown in FIGS. 2 and 3. 2 is a scanning three-dimensional imaging pulse laser radar system configuration implemented by two GmAPD (Geiger-mode avalanche photodiode) when operating a 1-channel TDC (Time-to-Digital Converter) according to an embodiment of the present invention It is also. In particular, FIG. 2 shows an example of operating a 1-channel TDC.

도 2를 참조하면, 펄스 레이저부(110)에서 나노초 이하의 펄스폭을 갖는 레이저 펄스 빔이 발진되어 송수신 광학계(200)를 통하여 목표물(130)로 조사된다. 목표물(130)에 조사된 레이저 펄스 빔은 산란되며, 이 산란된 레이저 펄스 빔의 일부가 송수신 광학계(200)를 통하여 수집된다. 2, a laser pulse beam having a pulse width of nanoseconds or less is oscillated by the pulse laser unit 110 and irradiated to the target 130 through the transmission / reception optical system 200. The laser pulse beam irradiated onto the target object 130 is scattered, and a part of the scattered laser pulse beam is collected through the transmission / reception optical system 200.

송수신 광학계(200)는 제 1 빔 분할기(210) 및 스캐닝 광학계(120)로 구성되어, 스캐닝 광학계(120)를 통하여 수집된 빔을 제 2 빔 분할기(220)로 반사한다.The transmission / reception optical system 200 includes a first beam splitter 210 and a scanning optical system 120 to reflect the beam collected through the scanning optical system 120 to the second beam splitter 220.

수집된 빔의 광 에너지들은 제 2 빔 분할기(220)에서 에너지가 반반으로 나뉘어 제 1 가이거 모드 광다이오드(230) 및 제 2 가이거 모드 광다이오드(240) 쪽으로 향하게 된다. The light energies of the collected beams are split in half in the second beam splitter 220 to be directed towards the first Geiger mode photodiode 230 and the second Geiger mode photodiode 240.

가이거 모드 광다이오드(230,240)는 제 2 빔 분할기(220)로부터 분할된 빔을 수신하여 전기 신호로 변환하는 역활을 한다. 가이거 모드 광다이오드(230,240)는 단일 광자까지도 일일이 감지하여 계수하여 전기 신호로 변환할 수 있는 소자이다.The Geiger mode photodiodes 230 and 240 serve to receive the split beam from the second beam splitter 220 and convert the beam into an electrical signal. The Geiger mode photodiodes 230 and 240 are devices capable of detecting, counting and converting even a single photon into electrical signals.

가이거 모드 광다이오드(GmAPD: Gieger mode Avalanche PhotoDiode)는 비교적 간단한 ROIC(ReadOut Integrated Circuit) 구조를 가진다는 점에서도 장점을 갖는다. 또한, GmAPD는 일반적인 광다이오드에 항복 전압(breakdown voltage) 이상으로 역전압을 걸어줌으로써, 소량의 광자가 공핍층(depletion region)으로 도달하여 전자 홀 쌍 생성(electron hole pair generation)을 일으키면 연쇄적으로 충격 이온화(impact ionization)를 일으켜 전기신호로 증폭시킨다. Gieger mode Avalanche PhotoDiodes (GmAPD) also have advantages in that they have a relatively simple ReadOut Integrated Circuit (ROIC) structure. In addition, GmAPD applies a reverse voltage above a breakdown voltage to a typical photodiode, so that when a small amount of photons reaches the depletion region and causes electron hole pair generation, Impact ionization is amplified by an electrical signal.

이때의 증폭률(gain)은 108 이상이 되며, GmAPD는 한 개의 광자도 검출할 정도의 고감도 센서가 된다. 끊임없이 일어나게 되는 전류를 멈추게 하기 위하여 quenching circuit이 필요하다. 이러한 Quenching circuit에 의하여 어밸런치(avalanche) 전류가 사라지고 다시 역전압이 걸리게 되기까지 걸리는 시간 동안은 광자를 검출하지 못하며 이 시간을 dead time이라고 한다. At this time, the gain (gain) is more than 108, GmAPD is a high sensitivity sensor enough to detect even one photon. A quenching circuit is needed to stop the constant current. Due to this quenching circuit, photons are not detected during the time it takes for the avalanche current to disappear and the reverse voltage is applied again. This time is called dead time.

quenching 방식에는 Active quenching 방식, passive quenching 방식 등이 있다. Active quenching 방식을 이용하는 경우 수십 나노초 정도가 걸리며, passive quenching 방식을 이용하는 경우 수 마이크로초 정도가 된다. 이러한 dead time을 극복하기 위하여 single-hit mode에서 gate time을 적절하게 조정하거나, multi-hit mode로 동작시킨다. The quenching method includes an active quenching method and a passive quenching method. Active quenching can take several tens of nanoseconds, and passive quenching can take several microseconds. To overcome this dead time, adjust the gate time appropriately in single-hit mode or operate in multi-hit mode.

물론, 본 발명의 일실시예에서는 가이거 모드 광다이오드를 들어 설명하였으나, 초고감도 실리콘 광센서인 ‘실리콘 광증배소자(SiPM:Silicon Photomultiplier), 하이브리드 광다이오드(HPD) 등도 사용이 가능하다. Of course, in one embodiment of the present invention has been described with a Geiger mode photodiode, 'silicon photomultiplier (SiPM), hybrid photodiode (HPD) and the like, which is an ultra-high sensitivity silicon optical sensor can be used.

두 개의 가이거 모드 광다이오드(230,240)에서 발생하는 전기 신호들은 AND 게이트(250)로 향하고, 전기 신호들이 동시에 들어왔을 경우에만 1채널 시간-디지털 컨버터(TDC: Time-to-Digital Converter)(260)로 전기 신호가 전달된다. Electrical signals generated from the two Geiger mode photodiodes 230 and 240 are directed to the AND gate 250, and only when the electrical signals come in at the same time, a one-channel time-to-digital converter (TDC) 260 An electrical signal is transmitted to

이때, 펄스 레이저부(110))에서 레이저 펄스 빔 발진시 전달된 신호와 AND 게이트(8)를 통하여 전달된 신호 사이의 시간차가 측정된다. 부연하면, 변환된 전기 신호의 입력에 따라 펄스 레이저부(110)로부터 상기 레이저 펄스 빔이 생성된 시작 시간 정보와 상기 전기 신호의 입력에 따른 정지 시간 정보에 대한 간격을 이용하여 펄스 레이저부(110)에서 목표물(130)까지의 레이저 펄스 빔의 왕복 비행시간(TOF: Time Of Fly) 정보를 산출하게 된다. At this time, the time difference between the signal transmitted during the laser pulse beam oscillation in the pulse laser unit 110 and the signal transmitted through the AND gate 8 is measured. In other words, the pulse laser unit 110 using the interval between the start time information for generating the laser pulse beam from the pulse laser unit 110 and the stop time information according to the input of the electrical signal according to the input of the converted electrical signal. ) To calculate the round trip time (TOF) information of the laser pulse beam to the target 130.

왕복 비행시간(TOF)은 다음 수학식을 통하여 거리정보로 변환된다. The round trip flight time (TOF) is converted into distance information through the following equation.

Figure pat00011
Figure pat00011

여기서, D는 거리, c는 빛의 속도(3ㅧ108m/s), TOF(7)는 측정된 왕복 비행시간이다.Where D is the distance, c is the speed of light (3 ㅧ 108m / s), and TOF 7 is the measured return flight time.

디스플레이부(270)는 측정된 TOF 데이터들을 이용하여 별도의 영상처리 없이, 목표물(130)까지의 거리 정보를 산출함으로써 노이즈가 거의 없는 3차원 영상으로 변환한다. 이에 따라 3차원 영상이 가시화되며, 노이즈를 제거하는 알고리즘을 적용하여 노이즈를 제거한다. 물론, 이를 위해 디스플레이부(270)는 마이크로프로세서, 프로그램 및/또는 소프트웨어 데이터를 저장하는 메모리, 하드디스크, 처리된 영상을 표시하는 표시장치 등이 구비된다. The display unit 270 converts the three-dimensional image with little noise by calculating distance information to the target object 130 without additional image processing using the measured TOF data. Accordingly, the 3D image is visualized and noise is removed by applying an algorithm for removing noise. Of course, the display unit 270 includes a microprocessor, a memory for storing programs and / or software data, a hard disk, a display device for displaying a processed image, and the like.

여기서, 디스플레이부(270)는 프레임 생성부, 프레임 비교부, 영상신호 생성부를 포함하여 구성할 수 있다. 프레임 생성부는 상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하고 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하여 하나의 프레임을 만든다. 프레임 비교부는 상기 프레임 생성부에서 만들어진 프레임을 이전에 만들어진 프레임과 비교하여 각 픽셀별로 동일한 레이저 펄스 빔의 왕복 비행시간(TOF)에 발생한 신호를 데이터로 선택한다. 즉 동일한 시간에 발생한 신호만 데이터로 선택한다. 영상 신호 생성부는 상기 프레임 비교부를 통해 노이즈가 제거된 데이터로 3차원 영상 신호를 생성하는 영상 신호 생성부를 포함하여 구성될 수 있다.The display unit 270 may include a frame generator, a frame comparator, and an image signal generator. The frame generation unit obtains distance information to the target 130 using the round trip time information and generates a 3D image signal according to the distance information to make a frame. The frame comparator compares a frame generated by the frame generator with a frame previously generated, and selects, as data, a signal generated at a round trip time (TOF) of the same laser pulse beam for each pixel. That is, only signals generated at the same time are selected as data. The image signal generator may include an image signal generator that generates a 3D image signal using data from which noise is removed through the frame comparator.

도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 2-채널 TDC(Time-to-Digital Converter)를 운영할 경우, 두 개의 GmAPD(Geiger-mode avalanche photodiode)으로 구현된 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 구성도이다. 도 2와 달리, 도 3의 경우는 2-채널 시간-디지털 컨버터(310)를 운용하는 경우의 구성도이다. 3 is a scanning three-dimensional imaging pulse laser radar system implemented with two GmAPD (Geiger-mode avalanche photodiode) when operating a two-channel TDC (Time-to-Digital Converter) according to another embodiment of the present invention It is a block diagram. Unlike FIG. 2, FIG. 3 is a configuration diagram when the two-channel time-digital converter 310 is operated.

물론, 도 2의 경우와 마찬가지로 펄스 레이저부(110)에서 레이저 펄스 빔이 발진되어 송수신 광학계(200)를 통하여 목표물(130)로 조사되고 산란된 빛 에너지들은 송수신 광학계(200)를 통하여 두 개의 가이거 모드 광다이오드(230,240)로 향하게 된다. Of course, as in the case of FIG. 2, the laser pulse beam is oscillated in the pulse laser unit 110, irradiated to the target 130 through the transmission / reception optical system 200, and scattered light energies through the transmission / reception optical system 200. Directed to the mode photodiodes 230 and 240.

이때 두 개의 신호는 바로 2-채널 시간-디지털 컨버터(310)로 전달되어 컴퓨터상에서 AND gate 신호처리를 구현하여 왕복 비행시간(TOF)을 측정한다. At this time, the two signals are directly transmitted to the two-channel time-to-digital converter 310 to implement the AND gate signal processing on the computer to measure the round trip flight time (TOF).

부연하면, 2개의 가이거 모드 광다이오드(230,240)로부터 각각 시작 시간 정보와 정지 시간 정보를 생성하여 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 왕복 비행시간(TOF)들을 비교하여 동일하면 복수의 왕복 비행시간(TOF) 중 어느 하나를 디스플레이부(270)에 전송하게 된다. 따라서, 도 2의 경우와 마찬가지로, 측정된 TOF 데이터들은 별도의 영상처리 없이, 노이즈가 거의 없는 3차원 영상으로 변환된다.In other words, the start time information and the stop time information are generated from the two Geiger mode photodiodes 230 and 240, respectively, to calculate a plurality of round trip time (TOF) information. One of the round trip flight time TOF is transmitted to the display unit 270. Thus, as in the case of Figure 2, the measured TOF data is converted into a three-dimensional image with little noise, without additional image processing.

즉, 도 2는 물리적인 회로칩(즉, AND 게이트(도 2의 250))을 이용하여 레이저 펄스 빔의 왕복 비행시간(TOF)을 계산함에 반해, 도 3은 데이터만을 프로그램적으로 이용하여 레이저 펄스 빔의 왕복 비행시간(TOF)을 계산하는 방식이다.That is, while FIG. 2 calculates the round trip time (TOF) of the laser pulse beam using a physical circuit chip (that is, the AND gate (250 in FIG. 2)), FIG. The round trip time (TOF) of the pulse beam is calculated.

이제, 도 2 및 도 3에서 설명한 레이저 펄스 빔으로부터 왕복 비행시간(TOF)을 계산하는 원리를 이론적으로 설명하기로 한다. Now, the principle of calculating the round trip time (TOF) from the laser pulse beam described with reference to FIGS. 2 and 3 will be described theoretically.

먼저, 한 개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)를 이용한 경우와 본 발명의 일실시예에서 제안된 두 개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)를 운용하는 경우의 표적 검출 확률(target detection probability)과 거짓 경보 확률(false-alarm probability)을 이론적으로 비교한다. First, target detection probability and false alarm probability when using one Geiger mode photodiode (GmAPD) and two Geiger mode photodiodes (GmAPD) proposed in one embodiment of the present invention. (false-alarm probability) is 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. "Detection and false-alarm probabilities for laser radars that use Geiger-mode detectors" listed in 5388-5398 and in the 2010 Journal of Applied Physics, Vol. 49, 026601, "Time-of-flight analysis of three" -dimensional imaging laser radar using a Geiger-mode avlanche photodiode "and in 2010 Current Applied Physics, Vol. According to the "Systematic experiments for proof of Poisson statistc on direct-detection laser radar using Geiger mode avalanche photodiode", which is listed in 10, the probability of electrical signal generation in a Geiger mode photodiode (GmAPD) is approximated by Poisson statistics. Follow.

가이거 모드 광다이오드(도 2의 230,240)에 도달하는 목표물로부터 산란되어 수집된 레이저 펄스 빔과 발생하게 되는 평균 1차 전자(primary electrons)의 생성률과 노이즈들에 의하여 발생하는 평균 1차 전자(primary electrons)의 생성률을 나타내면 도 4와 같다. Average primary electrons generated by noises and the generation rate of laser pulse beams generated and scattered from targets reaching the Geiger mode photodiode (230,240 in FIG. 2) and the average primary electrons generated Figure 4 shows the rate of generation.

도 4를 참조하면, SPE(420)는 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)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. 4, the SPE 420 generates an average primary electrons generated by a laser pulse beam collected in a Geiger mode photodiode (GmAPD), and the NPE is an average primary electrons generated by noises. RPE is the sum of the two generation rates, and their relationship can be expressed as follows. Here, it is assumed that the NPE 410 is constant and the SPE is bound to one time bin of the time bin number 400 axis. Here, these relational expressions can be expressed as follows.

Figure pat00012
Figure pat00012

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 primary electrons are generated in the i-th time bin, that is, the probability that an electrical signal is generated, may be expressed as follows using Poisson statistics.

Figure pat00013
Figure pat00013

목표물이 j번째 time bin에 위치하고 있는 상황에서 한 개의 GmAPD를 이용하여 계산된 표적 검출 확률(target detection probability)과 거짓 경보 확률(false-alarm probability)은 다음식과 같이 주어진다.In the situation where the target is located in the jth time bin, the target detection probability and the false-alarm probability calculated using one GmAPD are given by the following equation.

Figure pat00014
Figure pat00014

Figure pat00015
Figure pat00015

그리고 두 개의 가이거 모드 광다이오드(도 2의 230,240)를 빔 분할기(도 2의 220)와 함께 사용한 경우의 각각에서의 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식과 같다.In addition, the target detection probability in each case where two Geiger mode photodiodes 230 and 240 of FIG. 2 are used together with the beam splitter 220 of FIG. 2 is as follows.

Figure pat00016
Figure pat00016

Figure pat00017

Figure pat00017

위 수학식 6 및 7에 AND 게이트(도 2의 250)를 적용하면, 표적 검출 확률(target detection probability)과 거짓 경보 확률(false alarm probability)을 다음식과 같이 얻을 수 있다.By applying the AND gate (250 of FIG. 2) to Equations 6 and 7, the target detection probability and false alarm probability can be obtained as follows.

Figure pat00018
Figure pat00018

Figure pat00019
Figure pat00019

가이거 모드 광다이오드(도 2의 230,240)를 한 개 운용하는 경우와 두 개 운용하는 경우에 대하여 NPE와 SPE를 바꿔가면서 표적 검출 확률과 거짓 경보 확률을 계산한 결과가 도 5 내지 7에 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 false alarm probability while switching between NPE and SPE for one and two Geiger mode photodiodes (230,240 of FIG. 2) are shown in FIGS. 5 to 7. In this case, the gate time of 2 μs and the time bin of 1 ns are assumed and calculated for targets located at 10 m, 150 m, and 290 m, respectively.

도 5는 목표물(도 2의 130)이 10m 거리에 위치한 경우(500 내지 120)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. FIG. 5 shows that the target (130 in FIG. 2) is located at a distance of 10 m (500 to 120), where a false alarm probability 505 is obtained for one Geiger mode photodiode (GmAPD) while the NPE value varies from 10 kHz to 1000 kHz. In the case of two GmAPD, false probability (507) 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 GmAPD의 경우 표적 검출 확률(503)은 SPE가 20 이하인 영역에서는 한 개의 GmAPD의 경우 표적 검출 확률(501) 보다 절반 정도 작은 것을 확인할 수 있다. In general, the target detection probability increases as the SPE increases, and the target detection probability 503 for two GmAPDs is the target detection probability 501 for one GmAPD in an area where the SPE is 20 or less. You can see that it is about half smaller than).

이것은 레이저 펄스 빔의 에너지가 빔 분할기(도 2의 220)에서 반으로 나뉘어져서 각각의 가이거 모드 광다이오드(230,240)로 향하기 때문이다. 이것은 false-alarm probability을 줄이는 대신 발생하는 일종의 상충관계이다.This is because the energy of the laser pulse beam is split in half at the beam splitter (220 in FIG. 2) and directed to each Geiger mode photodiode 230,240. This is a kind of trade-off that occurs instead of reducing the false-alarm probability.

도 6은 목표물이 150m 거리에 위치한 경우(600 내지 620)로써, NPE 값이 10kHz에서 1000kHz까지 변하는 동안 한 개의 GmAPD의 경우는 false-alarm probability가 2.0%~86.4%까지 나타나는 반면에 두 개의 GmAPD의 경우는 2.5*10-7%~2.0*10-2% 나타나는 것을 확인할 수 있다. FIG. 6 shows that the target is located at a distance of 150m (600 to 620), where one GmAPD shows false-alarm probability of 2.0% to 86.4% while the NPE value varies from 10kHz to 1000kHz, while In this case, it can be seen that 2.5 * 10-7% ~ 2.0 * 10-2% appears.

여기서도 SPE가 20 이하인 영역에서는 한 개의 GmAPD의 경우보다 두 개의 GmAPD의 경우가 절반 정도 작게 나타나는 상충관계가 나타나는 것을 확인할 수 있다.Here, it can be seen that in the region where the SPE is 20 or less, there is a trade-off in which two GmAPD cases are about half smaller than one GmAPD case.

도 7은 목표물이 290m 거리에 위치한 경우(700 내지 720)로써, NPE 값이 10kHz에서 1000kHz까지 변하는 동안 한 개의 GmAPD의 경우는 false-alarm probability가 2.0%~86.4%까지 나타나는 반면에 두 개의 GmAPD의 경우는 4.8*10-6%~2.2*10-2% 나타나는 것을 확인할 수 있다. FIG. 7 shows that the target is located at a distance of 290m (700 to 720), where one GmAPD shows false-alarm probability of 2.0% to 86.4% while the NPE value varies from 10kHz to 1000kHz. In this case, it can be seen that 4.8 * 10-6% ~ 2.2 * 10-2% appears.

여기서도 SPE가 20 이하인 영역에서는 한 개의 GmAPD의 경우보다 두 개의 GmAPD의 경우가 절반 정도 작게 나타나는 상충관계가 나타나는 것을 확인할 수 있다.Here, it can be seen that in the region where the SPE is 20 or less, there is a trade-off in which two GmAPD cases are about half smaller than one GmAPD case.

도 8 에서는 노이즈 발생율(NPE) 이 5MHz, 도 9에서는 9.5MHz 일 때, 1개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)로 구현된 경우와 2개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)로 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 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 8의 경우, 한 개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)의 경우 거짓 경보 확률(505)이 23%~37%까지 나타나는 반면에 두 개의 GmAPD의 경우 거짓 경 확률(507)이 0.09%~0.1% 나타나는 것을 확인할 수 있다. 도 9의 경우, 한 개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)의 경우 거짓 경보 확률(505)이 38%~58%까지 나타나는 반면에 두 개의 GmAPD의 경우 거짓 경 확률(507)이 0.3%~0.4% 나타나는 것을 확인할 수 있다 In FIG. 8, when the noise generation rate (NPE) is 5 MHz and 9.5 MHz in FIG. 9, a case of implementing one Geiger mode photodiode (GmAPD) and two Geiger mode photodiodes (GmAPD) is used for comparison. Experiment for target detection probability and false-alarm probability according to the number of primary electrons SPE_tot generated by the laser pulse beam scattered from the target 130 The result graph is shown. The object is located 15m from the detector, and during data processing, the gate time is 100ns and the time bin is 3ns. In the case of FIG. 8, false alarm probability 505 is shown to be 23% to 37% for one Geiger mode photodiode (GmAPD), while false alarm probability 507 is shown to be 0.09% to 0.1% for two GmAPD. You can see that. In the case of FIG. 9, the false alarm probability 505 is shown to be 38% to 58% for one Geiger mode photodiode (GmAPD), while the false alarm probability 507 is 0.3% to 0.4% for two GmAPDs. I can confirm that

도 10은 본 발명의 두 개의 GmAPD(도 2의 230,240) 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 12MHz 일 때,1개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)로 구현된 경우와 2개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)로 구현된 경우의 비교를 위하여 쵤영한 3차원 영상이다. 물체는 철제 상자이고 스캐닝을 통해 256ㅧ256 픽셀의 영상을 획득하였다. 결과를 보면, 도10의 (a)에 도시된 바와 같이 1개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)로 구현된 경우 false-alarm probability가 46.9%인 반면, 도10의 (b)에 도시된 바와 같이 2 개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)(도 2의 230,240)를 운용하는 경우 false-alarm probability가 0.0092% 이하로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 2개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)를 운용하는 경우 false-alarm probability가 5,097 배 적게 측정되었다.
FIG. 10 illustrates two Geiger mode photodiodes and two Geiger mode photodiodes when the noise generation rate (NPE) is 12 MHz according to one embodiment of the present invention. This is a 3D image taken for comparison with the case of (GmAPD). The object was an iron box and a 256 × 256 pixel image was obtained by scanning. As a result, as shown in (a) of FIG. 10, when implemented with one Geiger mode photodiode (GmAPD), the false-alarm probability is 46.9%, whereas as shown in (b) of FIG. When operating two Geiger mode photodiodes (GmAPD) (230, 240 of FIG. 2), it can be seen that the false-alarm probability is maintained at 0.0092% or less. When using two Geiger mode photodiodes (GmAPD), the false-alarm probability was 5,097 times less.

110: 펄스 레이저부 120: 스캐닝 광학계
200: 송수신 광학계 210: 제 1 빔 분할기
220: 제 2 빔 분할기 230: 제 1 가이거 모드 광다이오드
240: 제 2 가이거 모드 광다이오드
250: AND 게이트
260: 1채널 시간-디지털 컨버터
270: 디스플레이부
310: 2채널 시간-디지털 컨버터110: pulse laser unit 120: scanning optical system
200: transceiver optical system 210: first beam splitter
220: second beam splitter 230: first Geiger mode photodiode
240: second Geiger mode photodiode
250: AND gate
260: 1-channel time-to-digital converter
270: display unit
310: two-channel time-to-digital converter

Claims (14)

레이저 펄스 빔을 생성하여 목표물(130)을 향하에 조사하는 펄스 레이저부(110);
조사된 레이저 펄스 빔을 상기 목표물(130)에 송신하거나 상기 목표물(130)에 조사된 레이저 펄스 빔이 상기 목표물(130)로부터 산란된 경우 산란된 레이저 펄스 빔의 일부를 수신하는 송수신 광학계(200);
상기 송수신 광학계(200)로부터 상기 산란된 레이저 펄스 빔의 일부를 수신하여 2 방향으로 분할하는 빔 분할기(220);
분할된 빔을 수신하여 전기 신호로 변환하는 복수의 가이거 모드 광다이오드(230,240);
변환된 전기 신호의 입력에 따라 상기 펄스 레이저부(110)로부터 상기 레이저 펄스 빔이 생성된 시작 시간 정보와 상기 전기 신호의 입력에 따른 정지 시간 정보에 대한 간격을 이용하여 상기 레이저 펄스 빔의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 계산하는 왕복 비행시간(TOF) 산출 수단(250,260,310); 및
상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하여 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하는 디스플레이부(270)
를 포함하는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템.
A pulse laser unit 110 for generating a laser pulse beam and irradiating it toward the target 130;
Transmitting and receiving optical system 200 which transmits the irradiated laser pulse beam to the target 130 or receives a portion of the scattered laser pulse beam when the laser pulse beam irradiated to the target 130 is scattered from the target 130. ;
A beam splitter 220 which receives a portion of the scattered laser pulse beam from the transmission / reception optical system 200 and divides it in two directions;
A plurality of Geiger mode photodiodes 230 and 240 for receiving the divided beams and converting them into electrical signals;
The reciprocating flight of the laser pulse beam using the interval between the start time information for generating the laser pulse beam from the pulse laser unit 110 and the stop time information according to the input of the electrical signal according to the input of the converted electrical signal Round trip flight time (TOF) calculating means (250,260,310) for calculating time TOF information; And
The display unit 270 which obtains distance information to the target 130 using the round trip time information and generates a 3D image signal according to the distance information.
Scanning three-dimensional imaging pulse laser radar system operating a dual Geiger mode avalanche photodiode comprising.
제 1 항에 있어서, 디스플레이부는
상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하고 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하여 하나의 프레임을 만드는 프레임 생성부;
상기 프레임 생성부에서 만들어진 프레임을 이전에 만들어진 프레임과 비교하여 각 픽셀별로 동일한 레이저 펄스 빔의 왕복 비행시간(TOF)에 발생한 신호를 데이터로 선택하는 프레임 비교부;
상기 프레임 비교부를 통해 노이즈가 제거된 데이터로 3차원 영상 신호를 생성하는 영상 신호 생성부; 및
를 포함하는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템.
The method of claim 1, wherein the display unit
A frame generator which obtains distance information to the target 130 by using the round trip flight time information and generates a 3D image signal according to the distance information to create a frame;
A frame comparator for selecting a signal generated at a round trip time (TOF) of the same laser pulse beam for each pixel by comparing the frame generated by the frame generator with a frame previously produced;
An image signal generator configured to generate a 3D image signal using data from which noise is removed through the frame comparator; And
Scanning three-dimensional imaging pulse laser radar system operating a dual Geiger mode avalanche photodiode comprising.
제 1 항에 있어서,
상기 왕복 비행시간(TOF) 산출 수단(250,260,310)은,
상기 복수의 가이거 모드 광다이오드(230,240)로부터 동시에 상기 전기 신호가 발생하는 때만 동작하는 AND 게이트(250); 및
상기 AND 게이트(250)가 동작함에 따라 상기 시작 시간 정보와 정지 시간 정보를 생성하여 상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하는 1채널 시간-디지털 컨버터(260);
를 포함하는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템.
The method of claim 1,
The round trip flight time (TOF) calculation means (250,260,310),
An AND gate 250 that operates only when the electrical signal is generated simultaneously from the plurality of Geiger mode photodiodes 230 and 240; And
A one-channel time-to-digital converter 260 for generating the start time information and the stop time information as the AND gate 250 operates to calculate the round trip flight time (TOF) information;
Scanning three-dimensional imaging pulse laser radar system operating a dual Geiger mode avalanche photodiode comprising.
제 1 항에 있어서,
상기 왕복 비행시간(TOF) 산출 수단(250,260,310)은,
상기 2개의 가이거 모드 광다이오드(230,240)로부터 각각 상기 시작 시간 정보와 정지 시간 정보를 생성하여 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF)을 비교하여 동일하면 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF) 중 어느 하나를 상기 디스플레이부(270)에 전송하는 2채널 시간-디지털 컨버터(310)를 포함하는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템.
The method of claim 1,
The round trip flight time (TOF) calculation means (250,260,310),
The start time information and the stop time information are generated from the two Geiger mode photodiodes 230 and 240, respectively, to calculate a plurality of round trip flight time information and compare the plurality of round trip flight times. Scanning three-dimensional imaging pulsed laser to operate a dual Geiger mode avalanche photodiode comprising a two-channel time-digital converter 310 for transmitting any one of the plurality of round trip time (TOF) to the display unit 270 Radar system.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 거리 정보는 다음식,
Figure pat00020
(여기서, c는 3ㅧ108m/s이고, TOF는 왕복 비행시간이다)를 이용하여 계산되는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템.
The method according to any one of claims 1 to 4,
The distance information is represented by the following equation,
Figure pat00020
A scanning three-dimensional imaging pulsed laser radar system operating a dual Geiger mode avalanche photodiode calculated using (where c is 3 x 108 m / s and TOF is round trip time).
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 가이거 모드 광다이오드(230,240)는 2개로 구성되되,
상기 산란된 레이저 펄스 빔에 대한 개별 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식,
Figure pat00021
,
Figure pat00022
(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 산출되는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템.
The method according to any one of claims 1 to 4,
A plurality of Geiger mode photodiodes 230 and 240 are composed of two,
The individual target detection probability for the scattered laser pulse beam is
Figure pat00021
,
Figure pat00022
Where SPE is the generation rate of the average primary electrons generated by the laser pulse beam, NPE is the production rate of the average primary electrons generated by the noise, and RPE (t) = SPE (t) + NPE (t) Scanning three-dimensional imaging pulse laser radar system operating a dual Geiger mode avalanche photodiode calculated using.
제 6 항에 있어서,
상기 AND 게이트(250)에 적용하여 생성되는 전체 표적 검출 확률은 다음식,
Figure pat00023
를 이용하여 산출되고,
오작동 확률(false alarm probability)은 다음식,
Figure pat00024
를 이용하여 산출되는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템.
The method according to claim 6,
The overall target detection probability generated by applying to the AND gate 250 is the following equation,
Figure pat00023
Calculated using
The false alarm probability is given by
Figure pat00024
Scanning three-dimensional imaging pulse laser radar system operating a dual Geiger mode avalanche photodiode calculated using.
펄스 레이저부(110)가 레이저 펄스 빔을 생성하여 목표물(130)을 향하에 조사하는 레이저 펄스 빔 조사 단계;
송수신 광학계(200)가 조사된 레이저 펄스 빔을 상기 목표물(130)에 송신하거나 상기 목표물(130)에 조사된 레이저 펄스 빔이 상기 목표물(130)로부터 산란된 경우 산란된 레이저 펄스 빔의 일부를 수신하는 레이저 펄스 빔 수신 단계;
빔 분할기(220)가 상기 송수신 광학계(200)로부터 상기 산란된 레이저 펄스 빔의 일부를 수신하여 2 방향으로 분할하는 분할 단계;
복수의 가이거 모드 광다이오드(230,240)가 분할된 빔을 수신하여 전기 신호로 변환하는 빔-전기 신호 변환 단계;
왕복 비행시간(TOF) 산출 수단(250,260,310)이 변환된 전기 신호의 입력에 따라 상기 펄스 레이저부(110)로부터 상기 레이저 펄스 빔이 생성된 시작 시간 정보와 상기 전기 신호의 입력에 따른 정지 시간 정보에 대한 간격을 이용하여 상기 레이저 펄스 빔의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 계산하는 왕복 비행시간 산출 단계; 및
디스플레이부(270)가 상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하여 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하는 영상 신호 생성 단계;
를 포함하는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 방법.
A laser pulse beam irradiation step of generating a laser pulse beam by the pulse laser unit 110 and irradiating it toward the target 130;
Transmitting and receiving the laser pulse beam irradiated by the transmission and reception optical system 200 to the target 130 or a portion of the scattered laser pulse beam when the laser pulse beam irradiated to the target 130 is scattered from the target 130 Receiving a laser pulse beam;
A splitting step in which a beam splitter 220 receives a part of the scattered laser pulse beam from the transmission / reception optical system 200 and splits the beam in two directions;
A beam-electric signal conversion step of receiving a split beam by the plurality of Geiger mode photodiodes 230 and 240 into an electric signal;
Round trip time (TOF) calculating means (250,260,310) in accordance with the input of the converted electrical signal from the pulse laser unit 110 start time information generated by the laser pulse beam and the stop time information according to the input of the electrical signal A round trip time calculation step of calculating round trip time (TOF) information of the laser pulse beam using the intervals for the plurality of beams; And
Generating a 3D image signal based on the distance information by the display unit 270 acquiring distance information to the target 130 using the round trip time information;
Scanning three-dimensional imaging pulse laser radar method for operating a dual Geiger mode avalanche photodiode comprising a.
제 8 항에 있어서, 영상 신호 생성 단계는
디스플레이부(270)가 상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하고 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하여 하나의 프레임을 만드는 프레임 생성 단계;
상기 프레임 생성부에서 만들어진 프레임을 이전에 만들어진 프레임과 비교하여 각 픽셀별로 동일한 레이저 펄스 빔의 왕복 비행시간(TOF)에 발생한 신호를 데이터로 선택하는 프레임 비교 단계;
상기 프레임 비교부 단계 통해 노이즈가 제거된 데이터로 3차원 영상 신호를 생성하는 영상 신호 처리 단계;
를 포함하는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 방법.
The method of claim 8, wherein the image signal generating step
A frame generation step of obtaining, by the display unit 270, distance information to the target 130 using the round trip flight time (TOF) information and generating a 3D image signal according to the distance information to create one frame;
A frame comparison step of selecting, as data, a signal generated at a round trip time (TOF) of the same laser pulse beam for each pixel by comparing the frame generated by the frame generator with a frame previously produced;
An image signal processing step of generating a 3D image signal from the noise-removed data through the frame comparison unit;
Scanning three-dimensional imaging pulse laser radar method for operating a dual Geiger mode avalanche photodiode comprising a.
제 8 항에 있어서,
상기 왕복 비행시간(TOF) 산출 수단(250,260,310)은,
상기 복수의 가이거 모드 광다이오드(230,240)로부터 동시에 상기 전기 신호가 발생하는 때만 동작하는 AND 게이트(250); 및
상기 AND 게이트(250)가 동작함에 따라 상기 시작 시간 정보와 정지 시간 정보를 생성하여 상기 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하는 1채널 시간-디지털 컨버터(260)를 포함하는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 방법.
The method of claim 8,
The round trip flight time (TOF) calculation means (250,260,310),
An AND gate 250 that operates only when the electrical signal is generated simultaneously from the plurality of Geiger mode photodiodes 230 and 240; And
Dual Geiger mode avalanche light including a one-channel time-to-digital converter 260 that generates the start time information and the stop time information as the AND gate 250 operates to calculate the round trip flight time (TOF) information. Scanning three-dimensional imaging pulse laser radar method using a diode.
제 8 항에 있어서,
상기 왕복 비행시간(TOF) 산출 수단(250,260,310)은,
상기 2개의 가이거 모드 광다이오드(230,240)로부터 각각 상기 시작 시간 정보와 정지 시간 정보를 생성하여 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF)을 비교하여 동일하면 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF) 중 어느 하나를 상기 디스플레이부(270)에 전송하는 2채널 시간-디지털 컨버터(310)를 포함하는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 방법.
The method of claim 8,
The round trip flight time (TOF) calculation means (250,260,310),
The start time information and the stop time information are generated from the two Geiger mode photodiodes 230 and 240, respectively, to calculate a plurality of round trip flight time information and compare the plurality of round trip flight times. Scanning three-dimensional imaging pulsed laser to operate a dual Geiger mode avalanche photodiode comprising a two-channel time-digital converter 310 for transmitting any one of the plurality of round trip time (TOF) to the display unit 270 Radar method.
제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 거리 정보는 다음식,
Figure pat00025
(여기서, c는 3ㅧ108m/s이고, TOF는 왕복 비행시간이다)를 이용하여 계산되는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 방법.
The method according to any one of claims 8 to 11,
The distance information is represented by the following equation,
Figure pat00025
A scanning three-dimensional imaging pulsed laser radar method employing dual Geiger mode avalanche photodiodes calculated using (where c is 3 x 108 m / s and TOF is round trip time).
제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 가이거 모드 광다이오드(230,240)는 2개로 구성되되,
상기 산란된 레이저 펄스 빔에 대한 개별 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식,
Figure pat00026
,
Figure pat00027
(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 산출되는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 방법.
The method according to any one of claims 8 to 11,
A plurality of Geiger mode photodiodes 230 and 240 are composed of two,
The individual target detection probability for the scattered laser pulse beam is
Figure pat00026
,
Figure pat00027
Where SPE is the generation rate of the average primary electrons generated by the laser pulse beam, NPE is the production rate of the average primary electrons generated by the noise, and RPE (t) = SPE (t) + NPE (t) Scanning three-dimensional imaging pulse laser radar method using a dual Geiger mode avalanche photodiode calculated using.
제 13 항에 있어서,
상기 AND 게이트(250)에 적용하여 생성되는 전체 표적 검출 확률은 다음식,
Figure pat00028
를 이용하여 산출되고,
오작동 확률(false alarm probability)은 다음식,
Figure pat00029
를 이용하여 산출되는 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 방법.The method of claim 13,
The overall target detection probability generated by applying to the AND gate 250 is the following equation,
Figure pat00028
Calculated using
The false alarm probability is given by
Figure pat00029
Scanning three-dimensional imaging pulse laser radar method using a dual Geiger mode avalanche photodiode calculated using.
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014066813A1 (en) * 2012-10-26 2014-05-01 Kla-Tencor Corporation Sample inspection system detector
KR20170127865A (en) * 2016-05-13 2017-11-22 충남대학교산학협력단 Range Image Sensor comprised of Combined Pixel
KR20190001428U (en) 2019-05-27 2019-06-14 이성원 Rope for hanging scaffolding
WO2020162669A3 (en) * 2019-02-07 2020-11-05 국민대학교산학협력단 Time-resolved single-photon counting apparatus
CN112767284A (en) * 2021-02-03 2021-05-07 哈尔滨工业大学 Laser three-dimensional imaging cloud and mist backscattering filtering method and system based on photon counting entropy
CN113589320A (en) * 2021-07-12 2021-11-02 中国科学院西安光学精密机械研究所 Non-scanning type single three-dimensional laser radar imaging method and device
CN113885042A (en) * 2021-08-17 2022-01-04 哈尔滨工业大学 1.55 mu m single photon coherent laser radar detection method and device
CN114279581A (en) * 2021-12-24 2022-04-05 安徽问天量子科技股份有限公司 Method and system for detecting gated single photon above 3GHz
KR102390757B1 (en) 2022-01-14 2022-04-27 초연결 주식회사 Rope for system-type hanging scaffolding

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10620300B2 (en) 2015-08-20 2020-04-14 Apple Inc. SPAD array with gated histogram construction
US10830879B2 (en) 2017-06-29 2020-11-10 Apple Inc. Time-of-flight depth mapping with parallax compensation
WO2019125349A1 (en) * 2017-12-18 2019-06-27 Montrose Laboratories Llc Time-of-flight sensing using an addressable array of emitters
WO2020167338A1 (en) 2019-02-11 2020-08-20 Apple Inc. Depth sensing using a sparse array of pulsed beams
US11500094B2 (en) 2019-06-10 2022-11-15 Apple Inc. Selection of pulse repetition intervals for sensing time of flight
US11555900B1 (en) 2019-07-17 2023-01-17 Apple Inc. LiDAR system with enhanced area coverage
US11733359B2 (en) 2019-12-03 2023-08-22 Apple Inc. Configurable array of single-photon detectors
US11681028B2 (en) 2021-07-18 2023-06-20 Apple Inc. Close-range measurement of time of flight using parallax shift

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003142724A (en) 2001-11-02 2003-05-16 Univ Nihon Single photon detector
JP2007501934A (en) * 2003-08-12 2007-02-01 ライカ ミクロジュステムス ツェーエムエス ゲーエムベーハー Light beam photon detector
KR20100120808A (en) * 2009-05-07 2010-11-17 주식회사 바이옵틱 A method to supply pulse bias to an avalanche photo diode by optically utilizing serially connected photo diode to it and to eliminate after pulse using flyback diode in an optical detection circuit operated in geiger mode constructed with an avalanche photo diode.

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014066813A1 (en) * 2012-10-26 2014-05-01 Kla-Tencor Corporation Sample inspection system detector
KR20170127865A (en) * 2016-05-13 2017-11-22 충남대학교산학협력단 Range Image Sensor comprised of Combined Pixel
US11703387B2 (en) 2019-02-07 2023-07-18 Kookmin University Industry Academy Cooperation Foundation Time-resolved single-photon counting apparatus
WO2020162669A3 (en) * 2019-02-07 2020-11-05 국민대학교산학협력단 Time-resolved single-photon counting apparatus
KR20190001428U (en) 2019-05-27 2019-06-14 이성원 Rope for hanging scaffolding
CN112767284A (en) * 2021-02-03 2021-05-07 哈尔滨工业大学 Laser three-dimensional imaging cloud and mist backscattering filtering method and system based on photon counting entropy
CN112767284B (en) * 2021-02-03 2024-03-08 哈尔滨工业大学 Laser three-dimensional imaging cloud and fog back scattering filtering method and system based on photon counting entropy
CN113589320A (en) * 2021-07-12 2021-11-02 中国科学院西安光学精密机械研究所 Non-scanning type single three-dimensional laser radar imaging method and device
CN113589320B (en) * 2021-07-12 2023-12-08 中国科学院西安光学精密机械研究所 Non-scanning type single three-dimensional laser radar imaging method and device
CN113885042A (en) * 2021-08-17 2022-01-04 哈尔滨工业大学 1.55 mu m single photon coherent laser radar detection method and device
CN113885042B (en) * 2021-08-17 2022-06-03 哈尔滨工业大学 1.55 mu m single photon coherent laser radar detection method and device
CN114279581A (en) * 2021-12-24 2022-04-05 安徽问天量子科技股份有限公司 Method and system for detecting gated single photon above 3GHz
CN114279581B (en) * 2021-12-24 2024-05-14 安徽问天量子科技股份有限公司 Gating single photon detection method and system above 3GHz
KR102390757B1 (en) 2022-01-14 2022-04-27 초연결 주식회사 Rope for system-type hanging scaffolding

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KR101318951B1 (en) 2013-10-17

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