KR100186821B1 - 레이저 거리 측정 수신기 - Google Patents

레이저 거리 측정 수신기 Download PDF

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쥬니어 찰스 이. 나우르키에르
로버트 쿠엔
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완다 케이. 덴슨-로우
레이티언 캄파니
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Abstract

레이저 거리 특정 수신기(16)는 반사 펄스를 검출ㅅ하고 그것을 지시하는 출력 신호를 제공하며 단일 칩 마이크로콘트롤러(13)는 수신기 동작을 제어하고, 특히, 수신기(16)를 재측정한다. 수신기(16)는 APD 광검출기(315)의 바이어스를 조정하기 위하여 마이크로컨트롤러(13)로부터 상승 및 하강 전류 제어 신호(IUP, IDN)에 응답한다. 오프셋 전압과 수신기 오경보율은 광검출기(315) 상에 빛이 없음에 따라 감시되고 그동안 측정 전압(VVAL)은 수신기(16)를 재측정하기 위해 조정된다. 마이크로컨트롤러(13)는 온도 센서(319)를 통해 광검출기 온도를 더 감시하고, APD 비이어스 조정과 온도 변화에 따른 수신기 재측정을 수행할 수 있어 광범위한 온도에서도 동작을 수행한다.

Description

레이저 거리 측정 수신기
본 발명은 일반적으로 레이저 거리 측정기에 관한 것으로, 특히 저가의 레이저 거리측정 수신기에 관한 것이다.
과거에는, 레이저 거리 측정 수신기는 특정 분야에 따라 별개로 설계되었다. 따라서 서로 다른 수신기가, 플레시 램프 펌프 레이저(flash lamp pumped laser)를 사용하는 거리 측정기, 다이오드 펌프 레이저(diode pumped laser), 또는 이미지 레이저 레이다(imaging laser radar)용으로 설계되었다.
본 레이저 거리 측정 수신기는 목표물의 반사를 검출하는데 광다이오드를 이용한다. 검출용 수신기 광다이오드에는 두 개의 중요한 종류가 있는데, 억셉터 진성 도우너(PIN)와 애벌런시 광다이오드(APD)이다. 각 형태의 부푼은 이듐 갈륨 비소(INGaAs) 또는 게류마늄 기술을 기초로 하고 있다. PIN다이오드는 가장 일반적으로 사용되고 있으나, 99%의 검출율을 위하여 60 내지 100 나노와트(naanowatt)의 신호를 필요로 한다. 현재 사용되고 있는 투박한 APD 수신기는 약 10 나노와트로 99%의 검출이 가능하다. 고감도의 APD 검출기는 최고의 시스템 영역으로 까지 확장하고 있으므로, 아이-세이프 레이저 거리 측정기(eye-safe laser range finder) 제품류에 사용할 수 있는 다기능 부품을 조립하는데 적당하다.
본 APD 수신기에서, APD 바이어스는 두 개의 인접 한계 전압이 각각의 3마이크로초 이내에 발생하는 잡음으로 인하여 교차될 때까지 APD 전압을 이동시켜 얻을 수 있다. 오경보율( FAR)은 두 개의 인접 한계 전압이 각각의 2 마이크로초 이내에 발생하는 잡음으로 인하여 교차될 때까지 한계 전압을 이동시켜 얻을 수 있다. 이러한 시험은 랜덤 데이터인 잡음상에서 이루어 지며, 필수적으로 어떠한 것이 필터링 되는 한번의 경우를 포함한다. 랜덤 데터의 일예를 들면, 잘못된 응답을 수신할 가능성은 높다.
본 레이저 거리 측정 수신기는 실내온도에서 최대 효과를 나타내므로 다른 동작 온도에서는 그 이하의 효과를 나타낸다. 그래서 이상온도에 대한 시스템 감도는 보장할 수 없다. 또한 다수의 부품이 본 APD 증푹기의 주파수 응답을 시험하는데 사용된다.
현재의 레이저 수신기들은 예를 들어 40개의 IC 및 더욱 많은 비선형 부품을 포함하는 값비싼 하이브리드 회로를 채용하고 있다. 그러한 회로는 불량 제품 생산, 증폭기 안정성 및 고감도 아날로그에 전송되는 디지탈 잡음으로 인해 손상되고 있다 종래의 기술은 중요한 하드웨어를 필요로 하며, 강력하지도 않고, 온도에 대한 민감성을 요구하지도 않는다.
본 발명의 제 1목적은 레이저 장치를 개량하려는 것이고;
본 발명의 제 2목적은 다양한 레이저 장치에 사용할 수 있는 다기능 수신기 구조를 제공하고;
본 발명의 제 3목적은 레이저 거리 측정 수신기를 개량하는 것이고;
본 발명의 제 4목적은 레이저 거리 측정 수신기의 감도를 증가시키는 것이고;
본 발명의 제 5먹적은 싸고, 전력 소비가 적고, 종래 시스템보다 더욱 훌륭한 효과를 나타내는 레이저 거리측정 장치를 제공하며;
본 발명의 제 6목적은 시스템의 복잡함과 단가를 현저하게 줄이는 반면 -40 내지 +85℃의 온도범위까지 레이저 거리 측정 수신기의 감도를 개량하려는 것이다.
도 1은 바람직한 수신기 실시예를 이용한 레이저 거리 측정 시스템을 설명하는 블록도.
도 2는 바람직한 실시예의 특징을 이용한 광검출기 바이어스 회로와 트랜스임피던스 증폭기(TIA)회로의 전기 회로도.
도 3은 바람직한 실시예의 특징을 이용한 TIA 증폭기 수신기 회로 다음부분의 전기 회로도.
도 4, 5 및 6은 바람직한 실시예의 구조와 동작을 설명하는 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
13 : 마이크로컨트롤러 16 : 수신기
17 : 전원 장치 35 : EMI 필터
25 : 거리 카운터 칩 157 : 메치 필터
본 발명에 따른 레이저 거리 측정 장치는 반사 펄스를 검출하고 그것을 지시하는 출력 신호를 제공하는 수신기 수단과 수신기 재측정하는 마이크로콘트롤러 또는 다른 프로그램된 프로세서를 포함한다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 수신기는 광검출기의 바이어스를 조정하기 위하여 마이크로컨트롤러로부터 상승 및 하강 전류 제어 신호에 응답한다. 본 발명의 다른 양태에 따르면, 오프셋 전압과 수신기 오경보율은 광검출기상에 빛이 없음에 따라 감시되고 수신기를 재측정하기 위해 조정된다. 또한 마이크로컨트롤러는 온도 센서를 통해 광검출기 온도를 감시할 수 있고, 광검출기 바이어스 조정과 온도 변화에 따른 수신기 재측정을 수행할 수 있어 광범위한 온도에서도 정확한 동작을 한다.
본 발명의 목적과 구성은 신규한 것으로써 첨부된 청구범위에 상세히 기술되어 있다. 본 발명은, 그 목적 및 장점들과 더불어 동작의 구성과 방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 다음 설명으로 이해할 수 있다.
다음 설명은 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해 할 수 있도록 기재되었으며 본 발명의 발명자가 심사숙고한 최선의 방식으로 기술되었다. 생산하기에 비교적 싸고 쉬우며 다양한 구성이 가능하고 자동으로 측정되는 레이저 거리 측정 수신기를 제공하기 위하여 본 발명의 일반적인 원리를 본 명세서에 특별히 규정해 놓았기 때문에 해당 분야에 통상의 지식을 가진자라면 다양한 수정 개량이 가능할 것이다.
레이저 거리 특정 시스템이 도 1에 설명된다. 도 1의 시스템은 다수의 장치로 나누어 지는데 : 전원장치(17), 타이밍 및 제어 장치(11), 수신기(16), 거리 카운터를 포함하고 디지탈 회로로 구성된 거리 카운터 칩(25), 및 제어반 /표시 장치(190)로 나누어 진다. 도 1의 나머지 부분은 레이저 빔을 발생시키는 레이저 모듈(115), 트랜시버 눈(transceiver optics)(119), 밧데리(37), 및 EMI 필터(35)를 포함한다.
타이밍 및 제어 장치(11)는 마이크로컨트롤러(13), 비휘발성 랜덤 억세스 메모리(NOVRAM)(191), 및 RS485 시스템 I/O 또는 다른 인터페이스(29)를 포함한다. RS485 시스템 I/O(29)는 마이크로컨트롤러(13)와 부속 발사 제저 시스템(111)간에 통신을 목적으로 I/O버스를 통하여 마이크로컨트롤러(13)에 연결되고 버스(12)를 통하여 부속 발사 제어 시스템(111)에 연결된다.
마이크로컨트롤러(13)는 프로그램된 프로세서로써 캘리포니아주 서니베일에 있는 필립스 세미콘덕터사에서 생산된 부품번호 87C552와 같은 상품를 사용할 수 있다. 이 부품은 부트 -업(boot-up)소프트웨어를 저장하고 있는 ROM을 내장하고 있다. 다양한 기타 주문형 또는 오프-더-쉘프 프로세서(off-the-shelf processors), 마이크로프로세서, 컴퓨터, 또는 프로그램된 프로세서를 기반으로 하는 제어기등이 본 발명에 따른 실시예에 사용될 수 있다.
NOVRAM(191)은 마이크로컨트롤러(13)에 의해 억세스되도록 배치되고 테이블에 따라 동작하는 실행 시스템 코드를 포함한다. 여러 가지 작동 변수들은 NOVRAM(191)내의 테이블(명령수행 코드부가 아님)안에 있으며, 실시간으로 수정 될 수 있다. NOVRAM테이블에 저장된 변수들은:
1. 수신기 오프셋 전압
2 . 한계 전압
3 . 오경보율
4 . APD 바이어스 전압
5 . PFN 전압
6 . 표시 명암
7 . 프로그래머블 래인지 게이트(Programmable range gate)
8 . 무기 측정용 수퍼 엘리베이션 테이블 (Super elevation table for weapon calibration)
을 포함한다. 상기 변수들의 사용과 의미는 이후에 상술할 것이다.
NOVRAM(191)는 두 부분으로 나누어 지는데 , 하나는 테이블을 포함하고 다른 하나는, 예를들어 하드웨어를 작동시키는데 필요한 변수에 관한 테이블로 보는 명령 C코드와 같은 실행가능한 소프트웨어를 포함한다. 테이블 자신은 스스로 갱신될 수 있다. 그래서, 바람직하게는 하드웨어를 개방함이 없이 휴대 컴퓨터와 플러그-인 연결함으로서 소프트웨어는 외부에서도 갱신될 수 있다.
마이크로컨트롤러(13)는 거리 카운터 칩(25)과 버스(15)를 통해 통신한다. 거리 카운터 칩(15)은 레이저 펄스의 발사와 수신기(16)에 의힌 펄스의 반사 검출간에 간격을 카운트하는 디지탈 거리 카운터를 포함하고, 그 카운트는 목표물까지의 간격 또는 거리를 포시한다. 그러므로 버스(15)의 근본 기능은 마이크로컨트롤러(13)로 거리 데이터(카운트)를 전송하는 것이며, 버스(15)는 읽기, 쓰기, 어드레스, 및 데이터 라인을 공하는 표준 버스 구조로 구성된다. 거리 카운터 칩(25)은 고속 디지탈 카운터와 고속 데이터 레지스터를 포함하는데, 그들은 각각 미국 출원 번호및로서 발명의 명칭은 고속 동기 카운터 회로와 레이저 거리 특정기용 고속 데이터 레지스터이고및(정리 번호 PD-94454 및 PD-94453)에 출원되었다. 거리 카운터 칩은 IFF 카운터(125), 지연 라인 미분기 로직, 프로그래머블 레인지 게이트, 및 디지탈 상태 레지스터를 더 포함한다.
마이크로컨트롤러(13)는 거리 측정기 레이저 모듈(115)에 의해 레이저 또는 광펄스가 발사되도록 신호 라인(14)를 통해 플래시 램프 발사 신호 F/L Fire를 제공하도록 구성된다. 마이크로컨트롤러(13)는 수동 또는 다른 방식의 레이저 거리 측정기 발사 명령 스위치(28)에 응답하여 발생된 레이저 발사 명령 신호(FIRE LRF)에 의해 F/L Fire신호를 발생하도록 동작할 수 있다. 레이저 발사 명령 신호(FIRE LRF)는 신호 라인(129)을 통해 IFF카운터(125)에 공급되고 카운터(125)가 카운트를 개시하도록 한다.
레이저 모듈(115)에 의해 발생된 광 펄스(117)의 일부(18)는 수신기(16)내의 광검출기(315)에 의해 검출되고 정지 신호 라인(123)을 통해 IFF 카운터(125)로 정지신호를 전송하는데, 바람직한 실시예에서는 16비트 카운터를 사용한다. IFF 카운터(125)는 차레로 카운트를 정지하고 그것의 IFF 시간 간격 카운트는 신호 라인(27)을 통해 마이크로컨트롤러(13)로 공급된다. 이 카운트는 아군과 적군을 확인하는 목적으로 사용될 수 있으며 미국 출원 번호에 레이저 거리 측정기 IFF(정리번호 PD-94205)명칭으로 기술되어 있다.
어떤 레이저 거리 측정기 시스템은 두 개의 광수신기를 가지고 있는데, 하나는 목표물 반사를 검출하는 것이고, 다른 하나는 광 펄스 모니(OPM)로 구성되어 시작 펄스의 존재를 검출하고 정지 신호 라인(123)을 통해 공급되는 정지 펄스를 발생시키는 것이다. 전형적으로 그러한 시스템은 OPM상에 전송된 빔의 작은 지점을 지시하기 위해 빔 스플리터(beam splitter)를 사용한다. 다른 시스템들은 하나의 수신기를 사용하는데, 이러한 경우 OPM 또는 빔 스플리터가 없으며, 시작 펄스의 존재는 목표물 반사와 동일한 방법으로 검출된다. 이 경우, 눈의 후방 산란은 시스템으로 다시 반사되어 수신기를 비추고 정지 펄스가 발생하게 한다.
전원 장치(17)는 밧데리(37)로 전력을 공급받을 수 있으며 그 사이에 EMI 필터(35)가 있다. 밧데리((37)은 제 1 및 제 2단자(19,20)와 LRF ON/OFF 스위치(120)을 통해 EMI 필터와 연결되고 신호 경로(21)를 통해 필터링 된 전압을 전원 장치(17)로 출력한다. LRF ON/OFF스위치(12)는 레이저 거리 측정기(LRF)에 전원을 온, 오프시킨다. 전원 장치(17)는 다수의 일정한 저 전압 전력출력(23)을 제공하는데, 예를 들면, 미국 특허 출원 번호로에 출원된 레이저 거리 측정기 전력 관리 시스템(정리 번호 PD-94288)을 참조할 수 있다.
마이크로컨트롤러(13)는 수신시(16)을 감시하고 조정하도록 구성된다. 이러한 목적 마이크로컨트롤러는, 온도 전압(VTEMP), 오프셋 전압(VOFFSET), 및 신호 랑니(126)상의 오경보율(FAR)신호를 포함하는 수신기(16)로부터 입력을 수신하고, 제 1 및 제 2 비이어스 제어 신호(IUP, IDN); 조정 전압(VCAL) ; 및 신호 라인(127)상의 FAR 리TFT신호를 포함하는 수신기(16)로 제어 신호를 출력한다. 마이크로컨트롤러(13)와 수시기(16)사이의 상호 작용은 이하 상세히 기술될 것이다.
도 1에서 설명되는 바람직한 수신기 실시예(16)는, 수신된 광 펄스 부분(18)을 전기 신호로 변환시키는 광검출기(315), 및 광검출기(315)에 의해 발생된 전기 신호을 중폭하는 트랜스임피던스 증폭기(317)를 포함한다. 검출기 바이어스 제어 회로(311)는 전원 장치(17)로부터 130 볼트 PFN 전력을 얻으며, 다음에 기술된 바와 같이 효율을 최대한으로 하기 위하여 검출기(315)에 적용된 바이어스 정압을 제어한다. 광검출기(315)에 사용된 검출 부품은 애벌런시 광다이오드(APD)가 바람직하다. 온도 센서(319)는 온도를 감시하기 위해 광검출기와 동일 층에 장착된다. 온도 센서(319)는 마이크로컨트롤러(13)에 광검출기 온도를 가리키는 전압(VTEMP)을 공급한다.
트랜스임피던스 증폭기(TIA)(317)의 출력은 전형적으로 입력에 대하여 이득율 5를 적용한 전단 증폭기(155)로 제 1입력을 제공한다. 전단 증폭기(155)의 출력은 매치 필터(157)에 공급된다. 매치 필터(157)는 로우 패스 필터로서, 바람직하게는 제 3세대 버터월스 필터(Butterworth filter)이며, 밴드폭은 출력 레이저 펄스폭에 기초한 신호 대 잡음비와 광검출기(315)와 TIA 증폭기(317)의 잡음 특성을 최대로 하기 위해 결정된다. 해당 분야에 잘 알려진 바와 같이, 매치 필터는 파형과 원하는 효율을 최적화하도록 설계된 필터이다. 이 경우에 , 내치 필터(157)는 간단한 한계 검출 시스템에 대한 거리 정밀도를 최대화 하고 잡음을 최소화(감도 최대화)하도록 설계된다.
매치 필터(157)의 출력은 하나의 버퍼 입력과 가산 증폭기(161)를 포함하는데, 가산증폭기는 매치 필터 출력을 오경보율과 오프셋 측정에 관한 DC전압(VCAL)과 시간 프로그램된 한계 신호(TPT)회로(159)에 의해 발생된 TPT신호에 가산한다. TPT회로(159)는 거리 카운터 칩(25)으로부터 카운트 인에이블 신호를 입력신호로 받는다.
TPT신호는 니어-엔드(near-end) 대기중의 후방 산란 효과를 막기 위해 시간 프로그램 한계를 제공한다. 레이저가 발사될 때, 구멍이 진동하여 먼지 입자들은 먼 거리를 여행하여 레이저 에너지가 충분히 소진될 때까지 니어 엔드 반사를 할 수 있다, 그래서, TPT신호는 한계 비교기(171)에 공급된 한계 전압을 상승시키고, 그 전압을 최대 감도 한계로 붕괴 및 하강시킨다. 예를 들어, 레이저가 일 킬로미터를 진행한 지점에서 니어-엔드 대기중 후방 산란 효과를 차단한다.
버퍼와 가산 증폭기(161)의 출력은 한계 검출 회로를 구동시키고 한계 비교기 증폭기(171)에 입력으로 공급된다. 한계 비교기(171)의 일 입력은 접지되어 있기 때문에, 측정 전압(VCAL)을 가산 증폭기(161)의 입력으로 공급함에 따라 한계 설정은 신호 경로(172)상에 오프셋 전압을 발생시켜 이루어 진다. 예를들어, 신호 경로(172)상의 안정 상태의 DC 전압이 15 밀리볼트의 일정 DC 전압에 의해 0에서부터 기동된다면, 시스템 한계는 15 밀리볼트에서 효과적으로 설정된다. 한계 증폭기(171)는 두 개의 증폭기 출력 라인(D-VID + 및 D-VID-)을 통해 거리 카운터 칩(25)으로 상이한 출력 신호를 공급한다(이하 간단히 D-VID로 표기한다.)이 상이한 출력신호(D-VID)에 응답하여, 그러한 출력 신호가 나타나는 순간 거리 카운터의 카운트는 거리 카운터 칩(25)상에 포함된 디지탈 레지스터 회로에 의하여 판독되고 래치된다.
신호(D-VID)는 반사 펄스의 검출을 확인한다.
도 2는 APD 바이어스 회로(311), APD 검출기(315), 및 트랜스임피던스 증폭기 회로(317)에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 바람직하게는 검출기(315)가 APD 장치일 경우 PIN과 같은 검출기 장치는 본 발명에 따라 구성된 다양한 실시예에 사용될 수 있다.
APD바이어스 회로(311)에 관하여, IUP과 IDN신호들은 시스템 마이크로컨틀롤러(13)에 의해 각각의 인버터 증폭기(Ab1, Ab2)로 공급된다. 인버터(Ab1)의 출력은 제 1바이어스 회로 전계 효과 트랜지스터(FET)(Qb1)의 게이트와 제 2인버터 증폭기(Ab3)의 입력으로 공급된다. 제 1 바이어스 회로 FET(Qb1)의 게이트는 저항(Rb3)을 통하여 기준 전압(+5볼트)로 접속된다. 제 1 FET(Qb1)의 소스는 접지되고, 드레인은 저항(Rb3) 의 제1단자에 접속된다. 저항(Rb3)의 제2단자는 저항(Rb2)의 제1단자와 제 2 바이어스 회로 FET(Qb2)의 게이트에 접속된다. 저항(Rb2)의 제2단자와 제2바이어스 회로 FET(Qb2)의 소스는 130 볼트 DC공급 전압에 공통으로 접속된다.
제너 다이오드(Zb1)는 저항(Rb2)에 병렬로 접속된다.
제 2 바이어스 회로 FET(Qb2)의 드레인은 저항(Rb4)의 제 1단자에 접속되고, 그 저항의 제 2단자는 다이오드(Db1)의 애노드와 제 3바이어스 회로 FET(Qb3)의 드레인에 접속된다. 제 3 바이어스 회로 FET(Qb3)의 소스는 접지되고, 그 게이트는 저항(Rb5)의 일 단자와 인버터 증폭기(Ab3)의 출력에 접속된다. 저항(Rb5)의 제 2 단자는 5볼트 DC 기준 전압에 접속된다.
다이오드(Db1)의 캐소드는 바이어스 전압 저장 콘덴서(C1)의 제 1단자와 소스가 접지된 제 4바이어스 회로 FET(Qb4)의 드레인에 접속된다. 제 4바이어스 회로FET(Qb4)의 게이트는 인버터 증폭기(Ab2)의 출력과 저항(Rb6)의 일 단자에 접속되며, 그 저항의 제 2단자는 5볼트 DC 기준 전압에 접속된다.
바이어스 전압 저장 콘데서(C1)는 제 1단자가 저항(R1)의 일 단자에 더 접속되며 그 저항의 제 2단자는 분로 콘덴서(C2)와 APD 검출기 다이오드(CR1)의 캐소드에 접속된다. 분로 콘덴서(C2)의 제 2단자는 접지된다. APD 다이오드(CR1)의 애노드는 PN다이오드(CR3)의 애노드에 접속되고 그 PN다이오드의 애노드는 접지된다. AC 커플링 콘덴서(C3)는 APD 검출기 다이오드(CR1)의 애노드를 트랜스임피던스 증폭기(317)의 입력에 연결시킨다.
트랜스임피던스 증폭기(317)로의 입력은 저항(R4 및 R5) 각각의 제 1단자의 중간에 노드를 포함한다. 저항(R4)의 제 2단자는 제 1 FET(Q1)의 게이트에 접속되며, 소스는 접지되고 드레인은 저항(R12)의 제 1단자와 PNP트랜지스터(Q2)의 에미터에 접속된다. 저항(R12)의 제 2단자는 콘덴서(C5) 의 일 단자에 접속되고 그 반대 단자는 PNP트랜지스터(Q3)의 콜렉터와 같이 접지된다.
제 2트랜지스터(Q2)의 콜렉터는 PN다이오드(CR4)의 애노드와 저항(R5)의 제 2단자와 저항(R6)의 제 1단자의 접합부에 접속된다. PN다이오드(CR4) 케소드는 콘덴서(C6)의 일 단자에 접속되고 제 2단자는 트랜지스터(Q2)의 베이스에 접속된다. 트렌지스터(Q2)의 베이스는 저항(R9)를 통해 저항(R12)의 제 2단자와 저항(R8)의 단자와 접속되고 저항(R8)의 제 2 단자는 5볼트 DC 기준 전압에 접속된다.
제 3트랜지스터(Q3)의 베이스는 저항(R5)의 제 2단자에 접속되어 증폭기(317)의 출력에서 입력으로 피드백 저항을 구성한다. 제 3 트랜지스터(Q3)의 에미터는 트랜스입피던스 증폭기 회로(317)의 출력을 구성하고 저항(R11)의 제 1단자에 접속된다. 저항(R11)의 제 2단자는 저항(R7)의 제 1단자에 접속되고 그 제 2단자는 -5 볼트 DC 기준 전압에 접속된다. 저항(R7)의 제 1단자는 콘덴서(C8)의 제 1단자와 저항(R7)의 제 2단자에 접속된다. 콘덴서(C8)의 제 2단자는 접지된다. 도 2의 회로에 대한 전형적인 부품을 예로 들면 다음과 같다:
[표]
상기 값들은 단지 예를 든 것이며 다양한 레이저 거리 측정 시스쳄의 최적의 효율을 위해 여러 가지 실시예에서 가변될 수 있다.
도 2의 회로 동작에서, IUP및 IDN제어 신호는 마이크로컨트롤러(13)에 의해 선택적으로 공급된다. 제어 신호(IUP)는 FET(Qb1)을 턴 오프 시켜 FET(Qb2)를 턴 온 시키고 FET(Qb2)의 게이트에서 전압이 발생되게 한다. 전압 상승은 전류가 저항(Rb4)과 다이오드(Db1)를 통해 130 볼트 소스로부터 전류 흐르게 하여 바이어스 저장 콘덴서(C1)의 전압을 IUP제어 신호가 턴 오프되는 시간까지 증가시킨다. 논리 게이트의 개방 콜렉터 형은 특히 FET(Qb1)같은 FET들을 구동하도록 설계된다.
IUP제어신호가 오프될 때, FET(Qb3)는 턴 온 되고, 저항(Rb4)이 접지시켜 콘덴서(C1)를 더 충전시키는 전류를 막기 위하여 FET(Qb2)로부터 전류가 누설되게 한다. IUP신호가 오프되는 동안, 다이오드(Db1)는 콘덴서(C1)가 잡고 있는 바이어스 전압을 유지시킨다; 즉 , FET(Qb3)를 통해 흐르는 전류에 의해 콘덴서 전압의 방전을 방지한다. 콘덴서(C1)가 잡고있는 바이어스 전압은 30 내지 90볼트이며 IUP이 온되는 시간의 길이와 ADP315의 항복 전압에 의해 결정된다.
IDN제어 신호에 의해 FET(Qb4)를 턴 온시키고 바이어스 전압 저장 콘덴서(C1)를 방전시켜 정항(Rb7)을 통해 접지된다. IUP및 IDN이 오프되면 회로가 정지한다.
바이어스 전압 저장 콘덴서(C1)가 한번 충전되었다면, 예를 들어 레이저 발사후 레이저 펄스 반사를 검출하기 위하여 검출기 회로(315)가 동작되도록 바이어스 된다. 이전에 지적된 바와 같이, 레이저가 처음 발사된 때에 매우 큰 에너지량이 레이저 거리 측정기 눈으로 반사 또는 후방 산란되어 TIA 증폭기(317)를 포화 시킨다. 따라서 다이오드(CR3)가 회로에 사용되어 검출기 전압을 증가시켜 순방향 바이어스 되게 하고 접지시킨다; 즉, 다이오드(CR3)는 초기 과부화를 수용하는 보호 회로를 포함한다. 콘덴서(C2)에 제공된 회로와 APD(315)에 접속된 저항(R1)은 다이오드(CR3)를 통과 할 수 있는 에너지량을 제한시킨다. 디이오드(CR3)가 단락된 후, 콘덴서(C1)과 저항(R1)을 통해 흐르는 충전 전류를 통하여 콘덴서(C2)의 전입이 급격히 증가한다.
TIA(317) 자신은, 설명된 실시예에서 51kΩ값을 가진 출력과 반전 입력 사이에 접속된 피드백 저항(R5)을 갖는 전형적인 연산 증폭기로 볼 수 있다.
도 1에 도시된 TIA 증폭기(317)에서, R4-R5-C3노드로 흐르는 전류는 피드백 저항(R5)의 값에 의해 증가되어 제 3트랜지스터(Q3) 에미터에서 출력 전압을 발생시킨다. FET(Q1)은 기본적으로 전압-전류 변환 요소인 gm 변수를 갖는다. 전류가 커플링 콘덴서(C3)를 통해 흐르기 때문에 FET(Q1)의 게이트 전압이 상승하여 FET(Q1)을 통해 더 많은 전류가 흐른다. 트랜지스터(Q2)는 정상 전압에서 FET(Q1)의 드레인을 잡아둔다. 그래서 FET(Q1)이 더 많은 전류를 요구하기 때문에 트랜지스터(Q2)는 턴오프 된다. 트랜지스터(Q2)가 오프 되므로 정상 상태를 유지하기 위하여 그 콜렉터 전압은 하강하고 피드백 저항(R4)를 통해 전압이 발생한다.
선택된 R5의 51kΩ에 대하여, 이 전압은 AC커플링 콘덴서(C3)를 통해 흐르는 51kΩ 배수의 전류와 같다. 트랜지스터(Q3)는 에미터 전압측이 베이스 전압보다. 7이하인 버퍼 -폴러워(buffer-follower)이다(즉 피드백 저항(R5)의 양단의 전압).
TIA 증폭기 저항(R6)는 바람직한 실시예에 따라 생산에 도움이 되도록 사용될 수 있다. 증폭기의 안정도는 개(open) 루프 이득의 함수이고 그것은 FET(Q1)의 gm과 저항(R6)의 값으로 결정된다. 그래서 gm이 변화하면 R6의 값은 그것을 보상하도록 조정될 수 있다. 따라서 생산에 있어서 FET(Q1)의 전체 웨이퍼가 조립 될 수 있다. R6가 웨이퍼로부터 하나의 FET(Q1)를 적당히 보상하도록 조정된 후 웨이퍼상의 모든 장치는 동일한 R6값으로 보상될 수 있다.
나머지 부품에 대하여는 저항(R9 및 R10)은 트랜지스터(Q2)를 바이어스 시키고 그 동작점을 설정한다. 콘덴서(C6)는 AC 단략 회로에 노드를 만든다. 다이오드(CR4)는 회로의 과부화를 방지한다. 저항(R7 및 R11)은 전원을 분리시키고 제 2트랜지스터(Q3)를 바이어스 시키는데 각각 사용된다.
피드백 저항(R5)는 트랜스임피던스 이득, 즉 전류-전압 전송량을 결정한다. C3 X 51k를 통해 흐르는 어떠한 전류든지 출력 전압 증폭과 같다. 피드백 저항(R5)는 시스템의 최대 밴드폭을 결정한다. R5 값의 저하는 더 큰 밴드폭을 제공하고 더욱 짭ㅅ은 레이저 펄스로 시스템을 동작시킨다.
검출기(315)와 TIA 증폭기(317)은 알루미늄과 같은 보통의 기판위에 하이브리드 회롤로 형성된다. 온도 센서(319)는 검출기(315) 다음 기판위에 장착되고 온도 기능으로 수신기(16)을 최대화 시킨다. 그래서 마이크로콘드롤러(13)은 이하에서 상세히 기술된 바와 같이 온도 기능으로써 수신기(16)을 연속적으로 감시하고 측정한다. 온도센서(319)는 AD590 센서가 사용될 수 있을며 기준 전압은 제 1단자(+TS)에 공급되고 온도와 관련된 제 2단자(-TS)에 전류를 발생한다. 이 전류는 전압으로 변화되어 검출기(315)의 온도를 판독하기 위해서 연결된 마이크로콘트롤러(13)을 인에이불시킨다.
도 2의 시스템의 주파수 응답은 변조되지 않은 CW 소스를 가진 검출기(315)에 빛을 빛추고 증폭기(317)의 출력(TIA OUT)에서 잡음 스펙트럼을 찾아내어 측정된다. 잡음 스펙트럼은 검출기/전치 증폭기 주파수 응답의 특성인 전력 포락선 대 주파수를 갖게 될 것이다. 증폭기(317)의 주파수 응답은 바람직한 NEC71000 GaAs FET의 gm변수에 의해 부분적으로 가변 될 것이다. 피드백 루프는 저항(R5 및 R6)값을 조정하여 이 효과에 보상할 수 있다. 이것은 NEC71000 FET의 각 제품에 대하여 선택적 시험이 한 번 이루어지기 때문에 단가을 낮추는 것이 매우 중요하다. 그러므로, 저항(R6)값은 제 1유니트에서 선택되고 제품 생산의 균형을 맞춘다. 저항(R5)값은 출력 전압값에 영향을 주기 때문에 정상적으로는 가변되지 않는다.
다른 구조는 검출기/전치 증폭기 패키지 안에 온도 센서(319)를 부가한 것이다. 최적의 검출기 바이어스 전압은 온도 변화에 따라 극적으로 시프트 될 수 있다. 온도 센서(319)는 시스템이 이하 상세히 설명되어 있는 수신기 오프셋 전압, 오경보율, 및 APD 바이어스 전압과 같은 수신기 작동 변수를 자기 측정하고 이 조건을 감시하게 한다. 필수적으로 수신기(16)는 전체 동작 온도에 효율을 최적회 시킬 수 있다.
해당 분야에 숙련된 자는 APD 광검출기(315)가 역 바이어스 되어 빛이 비칠 때 도통되어, 즉 광자가 전자로 변환되어, 전류가 TIA(317)로 흐르게 된다. 수신기 감도는 APD 잡음이 전자적 잡음보다 커질 때 까지 APD 바이어스 전압(이것은 APD 이득을 증가시킨다)을 증가시켜 최적화 된다. APD 잡음이 전치증폭기(317)의 전자적 잡음을 한 번 통제하기 시작하면, APD 이득의 증가는 시스템 NEP(잡음 등가 전력)을 감소시킬 것이다. 저온에서, APD 이득은 전치 증폭기 잡음을 극복하기 위하여 높아져야 한다. 이것은 저온에서 APD 내의 저 누설 전류에 기인한다. 이러한 조건 하에서, APD 잡음은 달성 가능한 APD 이득의 한계 때문에 전치 증폭기 잡음보다 커질수가 없다. 이러한 모든 효과는 설명된 바와 같이 자기 측정 전자공학적으로 APD 온도를 감시하여 최적화 될 수 있다.
수신기(16)의 전단 TAI 수신기 회로는 도 3에 상세히 도시된다. TIA 증폭기(317)로 부터 신호 출력은 블록킹 콘덴서(C31)를 통해 전단 증폭기(155)에 공급되고, CLC412 연산 증폭기(U2A)를 포함한다. 증폭기(U2A)는 저항(R14,R15 및 R16)을 통해 바이어스된다. 피드백 저항(R16)은 증폭기(U2A)의 출력으로부터 반전 입력에 각각 접속되고, 저항(R15 및 R14)은 접지로부터 증폭기(U2A)의 반전 및 비반전 입력에 접속된다. 증폭기(U2A)의 출력은 저항(R20)을 통해 매치 필터(157)로 공급된다.
매치 필터(157)는 제 1 및 제 2 단자를 가진 인덕터(L1)를 포함하고, 각각의 콘덴서(C7,C8)는 제 1 및 제 2 단자로부터 접지로 접속된다. 필터(157)의 출력은 저항(R21)을 통해 가산 노드(6)로 공급되고, 연산 증폭기(U2B)의 반전 입력을 포함한다. 이 가산 노드(6)는 이후 설명되는 TPT 신호와 일 형태의 VCAL신호를 수신한다. 증폭기(U2B)는 메치 필터(157)로부터 검출, 필터링 된 두개의 신호(TPT, VCAL)를 합산한다.
도 3의 왼쪽 부분에 도시된 바와같이, 마이크로콘트롤러(13)에 의해 공급된 측정신호(VCAL)는 디지털에서 아날로그로 변환되어 로우 패스 필터(203)에 공급되고, 연산 증폭기(U3A)를포함하는 연산 증폭기 회로(204)로 공급된다. 로우 패스 필터(203)는 제 2단자가 접지된 콘덴서(C6)의 제 1단자에 접속된 접합부를 가진 제 1및 제 2저항(R18 및 R19)를 포함한다.
증폭기(U3A)는 별개의 바이어스 회로에 의해 바이어스되고, 각각은 저항(R39, R40)의 별개의 제 1단자의 접합부에 접속된 제 1및 제 2접지 콘덴서쌍(C22, C27; C23, C289)을 포함하며, 저항의 제 2단자는 각각 전원 전압-5볼트와 +5볼트에 접속된다. 증폭기(U3A)를 포함하는 증폭기 회로(204)는 증폭기(U3A)의 출력과 그 반전 입력사이에 병렬로 접속된 콘덴서(C5)와 저항(R17)을 더 포함한다. 저항(R17)과 콘덴서(C5)의 병렬 접속은 잡음 감쇄 목적으로 로우 패스 필터링 기능을 더 제공한다. 증폭기(U3A)의 이득은 R17/(R19+R18)과 같으며, 이것은 설명한 실시예의 값1과 같게 설정된다. 증폭기(U3A)를 포함하는 증폭기 회로(204)는 VCAL신호를 버퍼링하며, 필터링 하고, 바람직한 출력 신호의 이득 범위를 확보한다. 그리고 저항(R14)을 통해 가산 노드(6)로 공급된다. +5볼트 공급 전압과 가산 노드(6)간에 접속된 저항(R8)은 노드(6)에 공급된 VCAL신호가 예를들어 -100 밀리볼트 내지 +50 밀리볼트의 바람직하고 선택된 범위내에 존재하도록 보장한다.
TPT 신호는 트랜지스터(Q5)를 온,오프시키기 위해 증폭기(UID)를 통해 공급되는 2진값이다. 트랜지스터(Q5)의 에미터는 +5볼트 공급 전압에 접속되고, 베이스는 저항(R9)을 통해 증폭기(U1D)의 출력에 접속되고, 콜렉터는 콘덴서(C17)와 저항(R22)의 제 1단자에 각각 접속되며, 콘덴서(C17)와 저항(R22)의 제 2단자는 각각 접지되고 가산 노드(6)에 접속된다.
레이저 거리 측정기 시스템이 작동을 정지하면, 증폭기(UID)의 출력은 로우(law)가 되고, 트랜지스터(Q5)는 온되어, 콘덴서(C17)가 +5볼트로 충전된다. 레이저가 발사되고 거리 카운터 칩(25)이 카운트 인에이블 신호를 발생하여 시스템이 작동되는 것을 지시하면, TPT는 트랜지스터(Q5)가 턴오프되도록 상태를 가변시켜 콘덴서(C17)가 저항(R22)을 통해 방전된다. 이러한 동작은 시간을 초과하여 0으로 감소되는 증폭기(U2B)의 노드(6)로 전압을 가산시키는 결과를 초래한다. 이러한 방법에서, 초기 오프 셋은 신호 경로(172)(도 1)상에 존재하는 한계 전압에 가산된다. 몇 마이크로초후에, 이 초기 오프 셋은 오직 안정 상태 한계 전압이 남아 있는 0으로 감소된다.
그래서, 증폭기(U2B)는 검출된 신호, TPT 신호, 및 VCAL신호에 대한 가산 접합을 포함한다. 증폭기(U2B)는 각각 접지된 콘덴서(C15,C24)와 ±5볼트 공급 전압에 접속된 각각의 저항(R11,R12)에 의해 바이어스되고, 출력으로부터 반전 입력으로 접속된 피드백 저항(R25)을 갖는다.
증폭기(U2B)의 출력은 로우-패스 필터링 되어 저항(R26)과 콘덴서(C9)를 포함하는 로우-패스 필터(207)에 의해 잡음을 제거하고, 한계 비교기(171)의 비반전 입력에 공급된다. 증폭기(U2B)의 출력은 또한 전압 분배기와 연산 증폭기(U3B)로 연결된다.
전압 분배기는 저항(R27)과 저항(R26)을 포함하며 시험 목적으로 오실로스코우프 상에서 영상 신호로 볼 수 있는 두개의 저항-버퍼링 된 하이 밴드폭 시험 지점을 제공한다. 증폭기(U3B)는 로우-밴드폭 버퍼 연산 증폭기이며 마이크로콘트롤러(13)의 오프세ㅌ 전압 신호(VOFFSET)를 제공한다.
한계 비교기(171)은 제 1 및 제 2출력 단자(211,212) 간에 상이한 에미터 결합 로직(ECL)을 제공한다. 저항(R45)와 콘덴서(C33)은 출력 단자(211)로부터 한계 비교기(171)의 비반전 입력으로 피드백 경로상에 접속되며 비교기의 반전입력은 접지된다. 이러한 피드백 부품(C33,R45)은 효과적으로 이득을 부과하고 개량된 출력 펄스 검출을 발생시키기 위하여 비교기(171)로 약한 입력 신호를 강화시켜 주는 피드백을 제공하여 히스테리시스 효과를 제공한다. 검출된 펄스가 통과된 후 회로는 안정 상태로 복귀한다.
한계 비교기(171)의 ECL 출력은 래치 회로(173)(도 1)로 공급되고 마이크로콘트롤로(13)로 오경보(FAR)신호를 제공하기 위하여 제 2비교기를 포함한다. 래치 회로(173)은 30 내지 50 나노초의 폭을 갖는 한계 비교기(171)로부터 출력 펄스폭을 검출하고 마이크로콘트롤러(13)에 의해 판독되기에 충분히 긴 시간 간격 동안 그 출력을 매치 할 것이다. 마이크로콘트롤러가 래치 회로(173)의 출력을 판독한 후, 래치회로(173)은 한계 비교기(171)로부터 다음 출력 펄스 동안 대기하기 위하여 리세트 된다. 그러한 래치 회로(173)은 바람직한 마이크로콘트로로(13)의 TTL로직이 거의 일 마이크로처 또는 그 이상의 간격동안 신호를 검출할 수 있기 때문에 제공된다.
바람직한 실시예의 전체 동작은 도 4를 참조하여 상세히 설명한다. 도시된 바와 같이, 시스템은 LRF ON/OFF 스위치(120)을 닫아 밧데리 전력을 공급하여(단계203) 먼저 인에이블된다. 여기에 응답하여, 전력 제어 장치(67)는 도 4의 단계 205에서 PFN 전력 장치(67)의 PFN 콘덴서(CPFN)(도시되지 않음)를 충전한다. 수신기(16)와 거리 카운터 칩(25)은 이 시간동안 전력 공급이 않되며 실질적으로 마이크로컨트롤러(13)에 의해 가동될 때까지 유지한다. 단계 205가 완료시점에는, 마이크로컨트롤러(13)는 저 전력 슬립(sleep)상태에 잇고 시스템은 10mA의 밧데리 전류보다 적게 사용된다. 마이크로컨트롤러(13)는 오직 FIRE LRP 버튼(28)을 사용하여(단계 217), 또는 내장 워치독 타이머를 사용하여(단계 211) 작동시킬 수 있다.
워치독 타이머는, 마이크로컨트롤러가 연장된 주기동안 슬립 상태에 있다면 마이크로컨트롤러(13)를 주지적으로 기동시킨다. 이것을 하기 위해 , 워치독 타이머는 인터럽트를 발생시켜 마이크로컨트롤러(13)가 배경 진단과 측정 루틴을 수행하게 하여(단계 215), 거리 측정가가 작동되지 않을 때 레이저 거리 측정기(16)를 측정하게 한다. FIRE LRF 신호는 도 4의 단계 211을 시작하면서 인터럽트를 마이크로컨트롤러(13)에 발생시키고 마이크로컨트롤러(13)가 레이저 거리 측정 시퀀스를 가동시킨다. 단계 221 에서, 마이크로컨트롤러(13)가 부팅되고 수신기 회로(16)를 턴 온시켜 시스템을 초기화 한다. 이러한 동작 후에, 전력이 디지탈 거리 카운터 칩(25)에 턴 온 된다(단계 223). APD 검출기 바이어스 최적화 루틴이 다음에 수행된다(단계 224).
그후 레이저가 발사된다(단계 225). 발사를 완료시키기 위하여, 마이크로컨트롤러(13)는 F/L Fire 신호를 PFN 전력 장치(67)에 보내고, 반대로 CPFN전압을 레이저 모듈(115)의 플래시 램프로 가하여 플래시 램프 트리거 신호를 공급한다. 반가 펄스가 검출된 후, 마이크로컨트롤러(13)는 거리 카운터의 최대 카운트값과 동일한 간격동안 지연되고(단계 227), 그후 거리 카운터의 카운트를 래치한다(단계 229). 카운트는 시스템 I/ㅐ(29)를 통해 접속된 발사 제어 회로(111)로 출력된다(단계 231). 마이크로컨트롤러(13)는 수신기(16)와 거리 카운터 칩(25)에 전력을 턴 오프 시키고(단계 233), 슬립 상태로 복귀하기 전에 다음 발사 동작동안 PFN 콘덴서(CPFN)를 재충전 시킨다.
상기 설명된 바와 같이, 한계 검출은 기준 정압에 따라서 작동하는 비교기(171)에 의해 바람직한 실시예에 따라 이루어 진다. 비교기(171)의 입력에서 잡음에 대한 기준 전압의 비율은 수신기(16)에 의해 검출되기 전의 필요한 신호 대 잡음비이다.
도 5에 설명된 바와 같이, 수신기 측정은 부트-업(boot-up)과 측정 루틴(215)의 마지막 단계(547)로 수행된다. 재측정에 우선하여, 마이크로컨트롤러(13)는 제어반 상태를 체크하고(단계 531); 시스템이 적절히 구성되었는지를 확인하고(단계535); 디스플레이(190)를 갱신하고(단계 539); 및 배경 구축 시험(BIT)을 수행한다(단계 543). 이 마지막 단계는 거리 카운터를 턴 온하고 동작을 검사하고 여러가지 디스프ㅍ레이, 예를 들어 소프트웨어 버전과 구성 번호를 표시하는 구축 실험을 시행한다. 마이크로컨트롤러(13)는 측정과 BIT 목적으로 수신기(16)에 전력을 공급한다(단계 530).
마이크로컨트롤러(13)에 의한 수신기(16)의 측정은 오경보율을 감시한다는 것에 중점을 둔다. 오경보율은, 예를 들어 100번의 레이저 발사중 한번의 요경보처럼 전형적으로 고객으로부터 요구된 규격이다. 시스템은 최대 감도를 얻고 바람직한 오경보율을 나타내도록 최적화 된다. 수신기(16)를 측정하기 위하여, 마이크로컨트롤러(13)는 신호 입력이 없으면 측정 전압(VCAL)을 점차적으로 조정하는데, 즉, 오프셋 전압(VOFFSET)이 0이 될 때까지 검출기(315)상에 빛이 없고, TPT 전압도 없다. 오프셋 전압(VOFFSET)이 0으로 설정되면, 여러 가지 요경보가 발생한다. 한 번에 10 밀리초인 필요한 요경보 수가 발생할때 까지, 래치 회로(173)를 판독하여 오경보율을 감시하는 동안, 마이크로컨트롤러(13)는 다시 신호 입력 없이 VCAL로 조정된다. 여기서 오프셋 전압(VOFFSET)은 0으로부터 멀어지고 수신기(16)는 측정된 것으로 인식한다.
APD 광검출기(315)는 그것과 관련된 이득을 가지며 검출기 바이어스의 경계에서 애벌런시(avalanche) 된다. 검출기(315)의 광 이득은 일차 근사치로서 숫자 55로 분할 된 동작점(바이어스) 전압을 뺀 항복 전압과 같다. 검출기(315)상의 바이어스 전압이 증가하는것처럼 내부 잡음도 증가한다. 그래서, 마이크로컨트롤러(13)동작의 목적은 최적의 감도가 얻어지는 점에서, 검출기 잡음이 전자적 잡음보다 커질 때 까지 검출기 잡음을 증가시키는 것이다. 이러한 동작은 높은 오경보율 전압 레벨로부터 거의 5볼트 증가된 APD 전압을 낮춤으로서 수행된다.
검출기 바이어스 전압을 최적화 시키고 측정하는 마이크로컨트롤러 동작은 도 6의 흐름도에서 설명된다. 이 동작은 도 5의 수신기 동작동안 결정된 VCAL의 값과 VCLAL을 증가시켜 수신기 측정동안 설정된 4밀리볼트 이상 증가된 한계 비교기(171)의 비접지된 입력에서의 전압값으로 시작되어 수행된다. 4밀리볼트의 값은 경험상 APD 바이어스 없는 수신기 잡음에 대하여 높은 한계를 설정하도록 결정된다.
레이저 발사 신호가 수신된 후, 거리 카운터 칩(25)에 대한 전력은 턴 온된다(단계 223)(도 4). APD 바이어스 전압은 제어 신호 (IDN)를 가동시켜 0으로 설정된다.(단계 505). 전원(예를 들어 130 볼트)으로부터의 바이어스 전압값은 시간을 결정하기 위하여 PFN 전압 감지 선을 통해 결정되고(단계 507). APD 바이어스 전압을 예정된 값까지 전압을 증가시키도록 하기 위하여 IUP은 활성화 되어야 한다.
다음, APD 전압은 높은 요경보율을 발생하는 값으로 설정된다(단계 509). 다음 단계에서, APD 바이어스 전압을 25 볼트 강하시키는 IDN이 온되어야 하는 시간 주기가 결정된다. 이러한 과정은 다음 공식으로 이해할 수 있다:
IDN은 APD 바이어스 전압을 V에서 VNEW으로 줄이기 위하여 ㅿt초동안 턴 온된다.
공식(1)의 양 변에 자연 로그를 취한다;
또는
상기 과정에 따라서 ㅿt를 결정한 후 , APD 바이어스의 한번 이상의 25볼트 강하는 오경보율이 NOVRAM에 저장된 요경보율 규격으로 될때 까지 일 이상의 주기동안제어 신호(IDN)을 활성화 시켜 강하된다(단계 513, 시험단계 514), 시험단계(514)가 만족되면, 마이크로컨트롤러(13)는 도 4의 흐름으로 복귀한다.
마이크로컨트롤러(13)는 온도 신호(VTEMP)를 감시하도록 더 프로그램되고 온도가 선택량, 즉 1℃까지 변화되는지를 결정하기 위해 그것을 시험한다. 마이크로컨트롤러(13)는 수신기와 APD 바이어스 조정 시퀸스를 측정하게 할 수 있다.
APD 바이어스 전압은 바람직하게는 정확한 동작점과 온도가 전형적으로 발사 사이에 변화될 것이기 때문에 레이저가 발사되는 모든 시간에 최적화된다. 높은 PRF(1Hz)를 요구하는 시시템에서, 수신기 측정과 APD 바이어스 조정은 시스템이 발사되는 각 시간에 완료될 수 없다. 이러한 조건에서, 시스템은 온도가 1℃까지 변화될 때 필요로 하는 만큼 최적화 된다. 이러한 최적화는 데이터의 프레임간에 발생하고 시스템 컴퓨터로부터 요구된다. 시스템 컴퓨터는 수신기(16)를 다시 최적화 시키기 위하여 양호한 타임 슬롯을 할당한다.
설명된 바와 같이, 도 2에 설명된 TIA(317)에서, TIA(317)의 밴드폭, 예를들어 3-dB점에서 35MHz정도 되는 밴드폭을 설정하기 위해 51k 저항(R5)이 있다. 모든 시스템에 있어, 레이저의 종류, 동작 요구사항, 저항(R5)값, 전단 증폭기(155)의 이득, 및 매치 필터(157)의 밴드폭은, 거리 측정기, 정해지는 중요한 특징, 거리 해상도, 거리 정밀도, 다중 목표물 식별력, 및 감도에 의해 발사된 레이저 펄스의 펄스폭에 기초하여 시스템을 최적화하도록 변화시킬 수 있다.
그래서, 광수신기(16)는 마이크로컨트롤러(13) 주위에 장작된다. 마이크로컨트롤러(13)는 도 3의 회로의 노드(6)에서 한계 전압을 제어하여 요경보율(FAR)을 최적화하는데 사용된다. 마이크로컨트롤러(13)는 또한 전체 온도 범위에서 시스템에 최적의 감도를 유지하면서, 검출기 온도를 연속적으로 감시하고 거출기 바이어스를 주기적으로 최적화 또는 재측정 한다. 수신기(16)는 공기에 인접한 후방 방사로부터 반사되는 오류를 최소화하는 시간 프로그램 한계(TPT)를 포함한다.
설명된 APD 바이어스 개념은 APD 바이어스 전압을 충전 또는 방전시키는 간단한 전류원을 사용한다는 것이다. 방전율은 APD 양단의 기생 콘덴서를 통해 적은 양의 전류가 흐르도록 충분히 느리다. TIA 증폭기(317)는 전류원이 디스에이블 된 후 가장 빨리 안정되도록 그 소신호 역동 범위안에 유지된다. 이것은 전치증폭기(317)의 입력에서 일력 클램핑 다이오드중 하나를 제거하여 회로를 단순화 하고, 시스템의 감도를 효과적으로 증가시킨다.
InGaAs APD 의 이득 대 바이어스 곡선은 보통 ND:YAG 거리 측정기에 사용되는 실리콘 APD보다 경사가 가파르므로, 최소 잡음에서 최대 이득을 얻기 위하여 더욱 정밀한 설정이 필요하다. 그래서, 단일 칩 컴퓨터 또는 마이크로컨트롤러(13)는 검출기 바이어스 및 시스템 FAR 와 같은 동작 변수의 최적화를 인에이블링하여 그러한 APD 사용을 허용한다.
기판상에 온도 센서(319)를 부가하여 모든 동작 조건에서 시스템을 최대 감도로 동작시킨다. 시스템 주파수 응답은 비변조된 CW 소스로 APD 검출기(315)를 빛추고 TIA출력에서 잡음 스펙트럼을 시험하여 측정된다. 잡음 스펙트럼은 검출기 / 전치증폭기(TIA)주파수 응답의 특성을 갖는 전력 포락선 대 주파수를 갖게 될 것이다. 종래 기술에서 부가된 기생 콘덴서와 시험 주파수 응답에 필요한 모든 부품은 제거된다. 그래서, 발명의 최종 효과는 감도의 마진을 증가시켜 단가를 낮추고 현저히 높생산량을 달성하고, 게다가 극한의 동작 온도에서도 시스템 효율을 최적화 하려는 것이다.
디지탈 필터링 알고리즘이 사용될 수 있으므로, 마이크로컨트롤러(13)는 디지탈적으로 전치증폭기 이득, 매치 필터 밴드폭을 변경하게하여, 수신기 기능을 디지탈적으로 수행한다.
해당 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않고도 기술된 바람직한 실시예의 다양한 적용과 수정이 가능할 것이다. 그러므로 첨부된 특허청구범위내에서 본 발명은 본 명세서에 상세히 기재된 것과는 상이하게 실현될수 있다는 것을 알수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 검출기(315)를 포함하고, 수신기(16)의 상태를 나타낸는 다수의 출력 신호(VTEMP,VOFFSET)를 제공하고, 그 성능을 조정하기 위해 최소한 하나의 측정 신호(예를 들면 VCAL)에 응답하는 수신기(16); 및
    상기 출력 신호(VTEMP,VOFFSET)에 응답하여 상기 최소한 하나의 측정 신호(예를 들면 VCAL)를 수신기(16)에 공급하므로써 수신기(16)를 측정하도록 프로그램된 프로그램 프로세서(13)
    를 포함하는 것을 특징응로 하는 레이저 거리 측정기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 검출기는 충돌하는 광 신호에 응답하여 전기 신호를 발생하는 광검출기(CR1)를 포함하고, 수신기(16)는;
    상기 광검출기(CR1)에 바이어스 전압을 인가하고 상기 바이어스 전압값을 조정하기 위해 제 1 및 제 2제어 신호(IUP,IDN)에 응답하는 바이어스 제어회로(311);
    제 1증폭기는 상기 전기 신호를 수신하기 위해 접속되고, 상기 전기 신호를 증폭하고 증폭된 출력 신호를 발생시키는 제 1 및 제 2증폭기(315, 317);
    상기 증폭된 출력 신호를 수신하기 위해 접속되고 필터링 된 출력을 발생하기 위해 상기 증폭된 출력 신호를 필터링 하는 메치 필터(157);
    상기 필터링 된 출력과 측정 전압(VCAL)을 입력 신호로 수신하고 가산된 출력을 발생하는 가산 증폭기(161); 및 입력 신호로서 상기 가산된 출력을 수신하여 상기 가산된 출력에서 목표물 반사를 검출하는 한계 검출회로(171)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 수신기(16)는 상기 광검출기(CR1)의 근처에 위치하고 상기 근처의 온도를 표시하는 온도 전압 신호를 발생하는 온도 센서(319)를 포함하는것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정기.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 한계 검출 회로(171)는 제 1 및 제 2입력에 제공된 제 1 및 제 2입력 전압을 비교하는 비교회로를 포함하며 상기 제 1입력 전압은 상기 가산 증폭기(161)의 상기 가산 출력을 포함하며 상기 제 2 입력 전압은 접지 전위인 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 1입력에 접속된 회로(U3B)를 포함하고 상기 제 1입력 전압값을 표시하는 전압 오프셋 신호(VOFFSET)를 제공하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정기.
  6. 제 5항에 있어서, 선택된 시간 간격동안 0으로 하강하는 전압을 발생하는 시간 프로그램 한계(TPT) 신호 발생 회로(159)를 더 포함하고, 상기 TPT 신호 전압은 상기 가산 증포기(161)의 입력에 더 제공되며, 상기 가산 증폭기(161)는 상기 TPT 신호 전압을 상기 필터링된 출력과 상기 측정 전압(VCAL)의 합에 더 가산하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정기.
  7. 제 1내지 6항중 어느 한 항에 있어서, 오경보 신호 발생 회로(173)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정기.
  8. 제 1내지 6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 수신기(16)는 수신기 효율을 조정하기 위햐여 다수의 측정 신호(VCAL,IUP,IDN)에 응답하며, 상기 다수의 측정 신호는 제 1 및 제 2검출기 바이어스 제어 신호(IUP,IDN)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정기.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2검출기 방이어스 제어 신호(IUP,IDN)는 각각 제1충전 제어 신호(IUP)와 제 2방전 전류 제어신호(IDN)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정기.
  10. 제 2, 4, 5 또는 6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 신호는 온도 전압 신호(VTEMP),오프셋 전압 신호(VOFFSET) 및 오경보 신호(FAR)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정기.
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