KR100337369B1

KR100337369B1 - Time Dependent Gain Control Amplifier for Receiving Lidar Signal

Info

Publication number: KR100337369B1
Application number: KR1020000043701A
Authority: KR
Inventors: 김석철; 김승우; 박원규; 조성주
Original assignee: 박원규; 주식회사 라이다텍
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2002-05-22
Also published as: KR20020010245A

Abstract

본 발명은 라이다 신호 수신용 시간의존 이득제어 증폭 장치 및 방법에 관한 것으로서, 증폭 장치는 대기중에 발사하여 산란되는 광 신호를 받아들여 이를 전기 신호로 변환하는 광센서; 상기 광센서에 의해 변환된 전기 신호에 곱할 이득을 결정하고, 변조된 라이더 신호를 본래의 신호로 복구하는 CPU; 상기 CPU에 의해 결정된 이득을 저장하는 제1 메모리; 상기 제1 메모리에 저장된 이득을 증폭기의 이득으로 사용하기 위해 상기 이득값을 아날로그 신호로 변환하는 D/A 컨버터; 상기 광센서에 의해 변환된 전기 신호를 상기 아날로그 신호로 변환된 이득에 따라 증폭시키는 이득 제어 증폭기; 상기 제1 메모리에 저장된 이득값을 상기 D/A 컨버터에 입력할 때, 상기 이득값이 클럭 주파수에 맞추어 순차적으로 입력되도록 조절하는 클럭 발생기; 상기 이득 제어 증폭기에 의해 증폭된 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터; 상기 A/D 컨버터에 의해 변환된 디지털 신호 및 상기 이득을 결정하기 위해 발사하는 시험적인 라이다 신호를 저장하는 제2 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하고, 증폭 방법은 라이다 신호를 얻기 전에, 시험적인 레이저를 조사하여 시간에 따른 광 신호의 크기를 확인하는 단계(a); 상기 단계(a)에서 확인된 광 신호의 크기를 기준으로 획득할 라이더 신호에 곱할 이득을 결정하고 저장하는 단계(b); 라이더 신호를 획득하기 위해, 레이저를 대기중에 조사하고 산란되는 광신호를 전기신호로 변환하는 단계(c); 상기 단계(c)에서 변환된 전기 신호를 상기 단계(b)에서 결정된 이득 데이터와 동기화 시켜서, 상기 이득에 따라 전기 신호를증폭하는 단계(d); 상기 단계(d)에서 증폭된 전기 신호를 디지털 신호로 변환하고 저장하는 단계(e)를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a time-dependent gain control amplification apparatus and method for receiving a lidar signal, the amplification apparatus comprising: an optical sensor for receiving the scattered light signal emitted in the air and converts it into an electrical signal; A CPU for determining a gain to be multiplied by the electrical signal converted by the optical sensor and restoring the modulated rider signal to the original signal; A first memory for storing the gain determined by the CPU; A D / A converter converting the gain value into an analog signal for using the gain stored in the first memory as a gain of an amplifier; A gain control amplifier for amplifying the electrical signal converted by the optical sensor according to the gain converted into the analog signal; A clock generator configured to adjust the gain values to be sequentially input according to a clock frequency when the gain values stored in the first memory are input to the D / A converter; An A / D converter converting the electrical signal amplified by the gain control amplifier into a digital signal; And a second memory for storing the digital signal converted by the A / D converter and a test lidar signal firing to determine the gain, wherein the amplification method is performed prior to obtaining the lidar signal. (A) checking the magnitude of the optical signal over time by irradiating a conventional laser; Determining and storing a gain to be multiplied by a rider signal to be obtained based on the magnitude of the optical signal identified in the step (a); (C) irradiating a laser to the atmosphere and converting the scattered optical signal into an electrical signal to obtain a rider signal; Amplifying the electrical signal according to the gain by synchronizing the electrical signal converted in the step (c) with the gain data determined in the step (b); (E) converting and storing the electrical signal amplified in step (d) into a digital signal.

본 발명에 의하면 기존의 A/D 컨버터의 분해능을 가지고도 이득을 제어하는 방법을 통해 비교적 넓은 측정범위를 가질 수 있는 장점이 있으며, 과다한 신호가 A/D 컨버터로 입력되는 것을 방지할 수 있다.According to the present invention, there is an advantage of having a relatively wide measurement range through a method of controlling gain even with the resolution of a conventional A / D converter, and it is possible to prevent an excessive signal from being input to the A / D converter.

Description

Time-dependent gain control amplifier and method for receiving lidar signal {Time Dependent Gain Control Amplifier for Receiving Lidar Signal}

본 발명은 라이다 신호 수신용 시간의존 이득제어 증폭 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신호의 편차가 커서 기존의 A/D 컨버터로는 디지털 신호로 변환하기 어려운 라이다 신호를 각 신호에 크기에 따라 다른 이득에 의해 증폭한 후 디지털 신호로 변환하는 점에 특징이 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for time-dependent gain control amplification for receiving a lidar signal. More particularly, the present invention relates to a lidar signal, which is difficult to convert into a digital signal using a conventional A / D converter due to a large signal deviation. The present invention relates to an apparatus and method characterized by amplifying with a gain that varies according to size and then converting it into a digital signal.

라이다는 레이저를 대기중에 조사하여 대기중의 에어로졸(Aerosol) 또는 대기 물질과 부딪쳐 후방 산란되는 신호로 단시간에 광범위한 영역에 걸쳐서 대기 상태를 파악할 수 있는 장치를 말한다.RIDA is a device that can detect the air condition over a wide range of areas in a short time by a signal that is irradiated to the laser in the air and collided with the aerosol or atmospheric material in the air and backscattered.

라이다에서 광 신호를 얻기 위한 방법은 광자의 수를 카운트 하는 방법과 광센서의 전류를 측정하는 두 가지 방법으로 나누어진다. 첫 번째 광자의 수를 카운트 하는 방법은 레이저의 에너지가 미약하거나 측정 거리가 멀어 산란 신호의 크기가 미약한 경우로서, 광자의 수를 직접 헤아리는 광자 계수기(Photon Counter)를 이용하는 방법이다. 후자인 광센서의 전류를 측정하는 방법은 레이저의 에너지가 충분하거나 근거리 산란신호를 이용할 경우, 광센서를 이용해 이를 전기신호로 변환하여 사용하는 방법이다. 각각의 경우는 장단점이 있는데, 전자의 경우는 반복율이 수십 Hz로 작고 레이저의 에너지가 수 mJ 이상인 경우 사용이 용이하지 않으며, 후자의 경우는 A/D 컨버터의 비트수에 의하여 그 분해능이 많은 제한을 받는다. 본 발명은 후자의 경우를 개선하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.There are two ways to obtain an optical signal in lidar: counting the number of photons and measuring the current of the light sensor. The first method of counting the number of photons is to use a photon counter that directly counts the number of photons. The method of measuring the current of the latter optical sensor is a method of converting an electric signal using an optical sensor when the energy of the laser is sufficient or a near scattering signal is used. In each case, there are advantages and disadvantages. In the former case, the repetition rate is a few tens of Hz and the laser energy is more than a few mJ, and it is not easy to use. In the latter case, the resolution is limited by the number of bits of the A / D converter. Receive. The present invention relates to a method and apparatus for improving the latter case.

광센서에 의해 변환된 전기신호는 일반적으로 전류이며 이는 아날로그 신호이다. 이러한 아날로그 신호는 A/D 컨버터에 의해 디지털 신호로 변환되는데, 라이다 신호의 경우 100 m부터 10 km 내외의 넓은 영역에 신호가 분포되어 있어 센서의 전기적인 신호를 디지털 신호로 변환할 때 기존 A/D 컨버터의 분해능에 관한 문제 때문에 많은 어려운 점이 있다. 이러한 경우 근거리 신호와 원거리 신호의 크기의 비가 1000배에서 수백만 배 정도로 매우 넓은 영역의 신호의 크기를 보이게 되는데, 이러한 넓은 영역의 신호는 현재까지 개발된 A/D 컨버터로는 분해하는 것이 불가능하다.The electrical signal converted by the light sensor is usually an electric current, which is an analog signal. The analog signal is converted into a digital signal by the A / D converter. In the case of the lidar signal, the signal is distributed in a wide area within 100 m to 10 km. There are many difficulties due to problems with the resolution of the / D converter. In this case, the ratio of the distance between the short-range signal and the long-distance signal shows the magnitude of a very wide signal, ranging from 1000 times to millions of times. Such a wide area signal cannot be decomposed by the A / D converter developed so far.

또한 짧은 구간이라도 그 구간 내에 굴뚝의 연기나 구름과 같이 다량의 분진이 존재할 경우 신호의 범위가 커서 입력된 전기적 신호에 비례한 디지털 신호를 얻기가 어려운 경우가 많다. 즉 원거리에서는 A/D 컨버터에 의하여 분해능이 신호의 변화보다 작게 되거나, 굴뚝과 같은 곳에서는 신호가 포화(Saturation)되는 경향이 있다.In addition, even in a short section, when there is a large amount of dust such as smoke or clouds in the chimney, it is often difficult to obtain a digital signal proportional to the input electrical signal due to the large signal range. In other words, the resolution may be smaller than the change of the signal by the A / D converter at a long distance, or the signal may be saturated in a place such as a chimney.

종래에는 이와 같은 문제점을 개선하기 위해 로그 증폭기를 이용하는 방법이 등장하기는 하였으나, 증폭기의 이득이 로그 스케일에 따라 일정하게 증가하거나 감소하기 때문에 다양한 대기 조건에 맞도록 그 이득을 제어할 수 없는 문제점이 있었다.Conventionally, a method using a log amplifier has been introduced to improve the above problems. However, since the gain of the amplifier increases or decreases constantly according to the log scale, the gain cannot be controlled to meet various atmospheric conditions. there was.

본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 시험적인 레이저 신호를 발사하여 거리에 따른 라이다 신호의 크기를 미리 예측하고 이에 따른 이득을 미리 결정하여, 수신되는 광신호를 상기 결정된 이득에 따라 증폭함으로써, 비교적 작은 분해능을 가지는 A/D 컨버터로도 광범위한 신호를 가지는 라이다 신호를 정상적인 디지털 신호로 획득하고 이를 본래의 라이다 신호로 복구하는 장치 및 방법을 제안하고자 한다.In the present invention, in order to solve the problems of the prior art as described above, by firing a test laser signal to predict the magnitude of the lidar signal according to the distance in advance and the gain according to it in advance, the received optical signal is determined By amplifying according to a gain, an apparatus and a method for acquiring a lidar signal having a wide range of signals even with an A / D converter having a relatively small resolution as a normal digital signal and recovering the original Lidar signal are proposed.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다 신호 수신용 시간의존 이득제어 증폭 방법의 순서도,1 is a flow chart of a time-dependent gain control amplification method for receiving a lidar signal according to an embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다 신호 수신용 시간의존 이득제어 증폭기의 구성을 도시한 것,2 illustrates a configuration of a time-dependent gain control amplifier for receiving a lidar signal according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명에 의한 장치를 실제로 구동하여 얻은 이득제어 곡선 및 변조된 디지털 신호의 파형을 도시한 것.Figure 3 shows the gain control curve and the waveform of the modulated digital signal obtained by actually driving the apparatus according to the present invention.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 라이다 신호 수신용 시간의존 이득제어 증폭 장치는 대기중에 발사하여 산란되는 광 신호를 받아들여 이를 전기 신호로 변환하는 광센서; 상기 광센서에 의해 변환된 전기 신호에 곱할 이득을 결정하고, 변조된 라이더 신호를 본래의 신호로 복구하는 CPU; 상기CPU에 의해 결정된 이득을 저장하는 제1 메모리; 상기 제1 메모리에 저장된 이득을 증폭기의 이득으로 사용하기 위해 상기 이득값을 아날로그 신호로 변환하는 D/A 컨버터; 상기 광센서에 의해 변환된 전기 신호를 상기 아날로그 신호로 변환된 이득에 따라 증폭시키는 이득 제어 증폭기; 상기 제1 메모리에 저장된 이득값을 상기 D/A 컨버터에 입력할 때, 상기 이득값이 클럭 주파수에 맞추어 순차적으로 입력되도록 조절하는 클럭 발생기; 상기 이득 제어 증폭기에 의해 증폭된 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터; 상기 A/D 컨버터에 의해 변환된 디지털 신호 및 상기 이득을 결정하기 위해 발사하는 시험적인 라이다 신호를 저장하는 제2 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하고, 방법은 라이다 신호를 얻기 전에, 시험적인 레이저를 조사하여 시간에 따른 광 신호의 크기를 확인하는 단계(a); 상기 단계(a)에서 확인된 광 신호의 크기를 기준으로 획득할 라이더 신호에 곱할 이득을 결정하고 저장하는 단계(b); 라이더 신호를 획득하기 위해, 레이저를 대기중에 조사하고 산란되는 광신호를 전기신호로 변환하는 단계(c); 상기 단계(c)에서 변환된 전기 신호를 상기 단계(b)에서 결정된 이득 데이터와 동기화 시켜서, 상기 이득에 따라 전기 신호를 증폭하는 단계(d); 상기 단계(d)에서 증폭된 전기 신호를 디지털 신호로 변환하고 저장하는 단계(e)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the object as described above, the time-dependent gain control amplification device for receiving a lidar signal according to the present invention includes an optical sensor for receiving an optical signal that is scattered by firing in the air to convert it into an electrical signal; A CPU for determining a gain to be multiplied by the electrical signal converted by the optical sensor and restoring the modulated rider signal to the original signal; A first memory for storing the gain determined by the CPU; A D / A converter converting the gain value into an analog signal for using the gain stored in the first memory as a gain of an amplifier; A gain control amplifier for amplifying the electrical signal converted by the optical sensor according to the gain converted into the analog signal; A clock generator configured to adjust the gain values to be sequentially input according to a clock frequency when the gain values stored in the first memory are input to the D / A converter; An A / D converter converting the electrical signal amplified by the gain control amplifier into a digital signal; And a second memory for storing a digital signal converted by the A / D converter and a test lidar signal firing to determine the gain. (A) checking the magnitude of the optical signal over time by irradiating a laser; Determining and storing a gain to be multiplied by a rider signal to be obtained based on the magnitude of the optical signal identified in the step (a); (C) irradiating a laser to the atmosphere and converting the scattered optical signal into an electrical signal to obtain a rider signal; (D) synchronizing the electrical signal converted in step (c) with the gain data determined in step (b) to amplify the electrical signal according to the gain; (E) converting and storing the electrical signal amplified in step (d) into a digital signal.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 라이다 신호 수신용 시간의존 이득제어 증폭 장치 및 방법의 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of a time-dependent gain control amplification device and method for receiving a lidar signal according to the present invention.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다 신호 수신용 시간의존 이득제어 증폭 방법의 순서도를 도시한 것이다.1 is a flowchart illustrating a time-dependent gain control amplification method for receiving a lidar signal according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본격적인 라이다 신호를 측정하기 전, 측정하려는 지역에 시험적인 레이저 신호를 발사하여 레이저 신호가 어느 정도 크기의 값을 가지는가를 예측한다(S11). 일반적으로 가까운 곳의 라이다 신호는 큰 값을 가지게 되며, 먼 곳의 라이다 신호는 작은 값을 가지게 되며, 이와 같은 과정을 통해 거리에 따른 라이다 신호의 편차를 예측할 수 있게 된다.According to a preferred embodiment of the present invention, before measuring a full-scale lidar signal, a test laser signal is emitted to an area to be measured to predict the magnitude of the laser signal (S11). In general, the Lidar signal in the near position has a large value, and the Lidar signal in the far position has a small value. Through this process, it is possible to predict the deviation of the Lidar signal according to the distance.

상기 (S11)과정을 통해 거리에 따른 라이다 신호의 크기를 알아낸 후에는, 이에 근거하여 후에 본격적인 라이다 신호를 측정할 때 받아들인 라이다 신호를 증폭할 증폭기의 이득을 결정하고 이를 메모리에 저장한다(S12). 증폭기의 이득은 사용하려고 하는 A/D 컨버터의 분해능을 고려하여 결정한다. 빨리 도착하는 신호, 즉 근거리에 대한 신호는 일반적으로 큰 값을 가지므로 증폭 이득을 작게 설정하고, 늦게 도착하는 신호, 즉 원거리의 신호에 대해서는 증폭 이득을 크게 설정하는 것이다. 상기한 바와 같이 증폭 이득을 설정하게 되면, 본래 라이다 신호의 편차가 크더라도 증폭기를 통과한 라이다 신호의 편차를 크게 줄일 수 있다. 결정된 이득값은 거리에 따른 시간 순서에 따라 순차적으로 메모리에 저장한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 이득 값은 시험적으로 받아들인 라이다 신호에 반비례하게 정하는 것이 바람직하다.After determining the size of the lidar signal according to the distance through the step (S11), based on this, the gain of the amplifier to amplify the lidar signal received when measuring the full-scale lidar signal later is determined and stored in the memory. Save (S12). The gain of the amplifier is determined by considering the resolution of the A / D converter you are going to use. Since signals that arrive fast, i.e., signals for near field, generally have a large value, the amplification gain is set small, and for signals arriving later, i.e., a long distance signal, amplification gain is set large. When the amplification gain is set as described above, even if the variation of the original lidar signal is large, the variation of the lidar signal passing through the amplifier can be greatly reduced. The determined gain values are sequentially stored in the memory in chronological order by distance. According to a preferred embodiment of the present invention, the gain value is preferably determined in inverse proportion to the experimentally accepted lidar signal.

이득을 결정하여 메모리에 순차적으로 저장한 후에는 본격적인 레이저 신호를 측정하려는 지역의 대기중에 조사하여 라이다 신호를 받아들인다(S13). 라이다 신호는 광 신호이므로 이를 광센서와 같은 광 인식 수단을 이용해 전기 신호로 변환한다(S14). 전기 신호는 일반적으로 전류 신호가 된다.After the gain is determined and stored in the memory sequentially, the laser signal is irradiated in the atmosphere of the area to be measured in full scale to receive the Lidar signal (S13). Since the Lidar signal is an optical signal, the Lidar signal is converted into an electrical signal using an optical recognition means such as an optical sensor (S14). The electrical signal is generally a current signal.

변환된 전기 신호는 상기 단계(S12)에서 결정된 이득에 따라 증폭기에서 증폭된다(S15). 증폭기의 이득은 시간에 흐름에 따라 메모리에 순차적으로 저장이 되어 있으므로 디지털 값을 가지게 되므로 증폭기의 이득으로 사용하기 위해서는 이를 아날로그 신호로 변환할 필요가 있다. 이득 데이터를 아날로그 신호로 변화하기 위해서는 일반적인 D/A 컨버터를 이용할 수 있다.The converted electrical signal is amplified by the amplifier according to the gain determined in step S12 (S15). Since the gain of the amplifier is stored in memory sequentially over time, it has a digital value, so it needs to be converted into an analog signal in order to use it as the gain of the amplifier. To convert the gain data into an analog signal, a common D / A converter can be used.

증폭된 전기 신호는 상기한 바와 같이 본래의 라이다 신호보다 편차가 적으므로, 일반적인 A/D 컨버터를 이용하여 증폭된 전기신호를 디지털 신호로 변환한다(S16). 상기 변환된 디지털 신호 역시 메모리에 저장하는 것이 바람직하다.Since the amplified electric signal has less deviation than the original LiDAR signal as described above, the amplified electric signal is converted into a digital signal using a general A / D converter (S16). Preferably, the converted digital signal is also stored in a memory.

상기 단계(S16)에서 변환된 디지털 신호는 변조된 신호이고 본래의 라이다 신호와는 다른 형태를 가지게 된다. 따라서 본래의 신호에 비례하는 신호를 얻기 위해서는 상기 변조된 신호를 복조하는 과정이 필요하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 증폭기의 이득 값과 상기 변조된 디지털 신호는 모두 메모리에 저장이 되어 있으므로 변조된 신호를 증폭기의 이득으로 나누어서 본래의 신호를 복구하도록 한다(S17).The digital signal converted in step S16 is a modulated signal and has a different form from the original LiDAR signal. Therefore, in order to obtain a signal proportional to the original signal, a process of demodulating the modulated signal is required. According to a preferred embodiment of the present invention, since both the gain value of the amplifier and the modulated digital signal are stored in a memory, the modulated signal is divided by the gain of the amplifier to recover the original signal (S17).

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다 신호 수신용 시간의존 이득제어 증폭기의 구성을 도시한 것이다. 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 증폭기의 구성을 상세하게 설명한다.2 illustrates a configuration of a time-dependent gain control amplifier for receiving a lidar signal according to a preferred embodiment of the present invention. With reference to FIG. 2, the structure of the amplifier by this invention is demonstrated in detail.

측정하려는 지역의 라이다 신호의 편차를 예측하기 위해 레이저 신호를 발사하면, 이에 대한 라이다 신호는 광센서(6)를 통하여 전기 신호로 출력된다. 이러한시험적인 라이다 신호는 주컴퓨터의 기억장치(20)에 저장된다. 시험 라이다 신호를 저장한 주컴퓨터 기억 장치는 직렬 포트(24)를 통해 부컴퓨터 CPU(29)와 연결되어 있다. 부컴퓨터 CPU(29)는 상기 주컴퓨터 기억장치에 저장된 시험 신호를 수신하고, A/D 컨버터의 분해능을 고려하려 후에 획득할 라이다 신호를 증폭할 이득값을 결정한다. 전술한 바와 같이 시험 라이다 신호의 크기에 반비례하게 이득값을 정하는 것이 바람직하다.When the laser signal is emitted to predict the deviation of the lidar signal of the area to be measured, the lidar signal for this is output as an electric signal through the optical sensor 6. This test Lidar signal is stored in the storage device 20 of the host computer. The main computer storage device storing the test lidar signal is connected to the subcomputer CPU 29 through the serial port 24. The subcomputer CPU 29 receives the test signal stored in the main computer memory and determines a gain value for amplifying the LiDa signal to be obtained later, in consideration of the resolution of the A / D converter. As described above, it is desirable to set the gain value in inverse proportion to the magnitude of the test lidar signal.

부컴퓨터 CPU(29)에서 결정한 이득값은 부컴퓨터의 메모리(25)에 저장된다. 시험 라이더 신호는 시간에 따라 변하므로 이득값도 시간에 따라 변하게 되므로,본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 변화가 되는 이득값은 순차적으로 부컴퓨터 메모리(25)에 저장되도록 한다.The gain value determined by the subcomputer CPU 29 is stored in the memory 25 of the subcomputer. Since the test rider signal changes with time, the gain value also changes with time. According to a preferred embodiment of the present invention, the variable gain value is sequentially stored in the subcomputer memory 25.

이득값이 부컴퓨터 메모리(25)에 모두 저장된 후에는, 본격적인 라이다 신호의 측정을 위해 레이저(21)를 대기중으로 발사한다. 라이다 신호는 광센서(26)를 통해 수신된다. 광센서(26)는 수신되는 라이다 신호의 크기에 비례해서 이를 전류신호로 변환한다.After the gain values are all stored in the subcomputer memory 25, the laser 21 is fired into the atmosphere for the full measurement of the LiDAR signal. The lidar signal is received via the photosensor 26. The optical sensor 26 converts it into a current signal in proportion to the magnitude of the received LiDAR signal.

광센서(26)에 의해 변환된 전류 신호는 이득 제어 증폭기(22)의 입력신호로 들어간다. 이득 제어 증폭기(22)의 이득은 상기 부컴퓨터 메모리(25)에 저장된 이득값에 의하여 제어된다. 상기 저장된 이득값은 디지털 데이터이므로 이를 증폭기의 이득으로 하기 위해서는 아날로그 신호로 변환하여야 한다. 이와 같은 과정을 위해 부컴퓨터 메모리(25)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위해 D/A 컨버터(30)와 연결되어 있다.The current signal converted by the photosensor 26 enters the input signal of the gain control amplifier 22. The gain of the gain control amplifier 22 is controlled by the gain value stored in the subcomputer memory 25. Since the stored gain value is digital data, it must be converted into an analog signal in order to obtain the gain of the amplifier. For this process, the subcomputer memory 25 is connected to the D / A converter 30 to convert the digital signal into an analog signal.

증폭기의 이득값은 시간순으로 순차적으로 저장되어 있고, 이득값이 곱해지는 상기 증폭기의 입력신호가 되는 전기신호도 시간순으로 증폭기에 입력되므로 양신호를 동기화할 필요가 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 레이저의 동기신호(27)에 의해 클럭 발생기(8)의 클럭 펄스가 트리거되며, 클럭 발생기(8)는 클럭 주파수에 맞추어 부컴퓨터 메모리(25)에 저장된 이득값을 순차적으로 D/A 컨버터(30)로 전송한다. 이를 더 상세하게 설명하면, 클럭 신호가 한번 발생함에 따라 메모리의 주소는 한 번지씩 증가되고 메모리값도 증가되어 D/A 컨버터에 입력되며(30), D/A 컨버터(30)에서 변환된 아날로그 이득값은 이득 제어 증폭기(22)의 이득으로 입력이 된다.The gain values of the amplifiers are sequentially stored in chronological order, and since the electric signals, which are the input signals of the amplifiers multiplied by the gain values, are also input to the amplifier in chronological order, it is necessary to synchronize both signals. According to a preferred embodiment of the present invention, the clock pulse of the clock generator 8 is triggered by the synchronizing signal 27 of the laser, and the clock generator 8 is a gain value stored in the subcomputer memory 25 in accordance with the clock frequency. Are sequentially transmitted to the D / A converter (30). In more detail, as the clock signal occurs once, the address of the memory is increased by one address and the memory value is also increased and input to the D / A converter (30), and the analog converted by the D / A converter (30). The gain value is input to the gain of the gain control amplifier 22.

이득 제어 증폭기(22)에서 증폭되어 나오는 신호는 증폭기의 이득을 조절하는 방법으로 인해 본래의 라이더 신호보다 편차가 적게된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 증폭기(22)에서의 출력단은 A/D 컨버터(23)의 입력단과 연결되어 있어 출력신호는 A/D 컨터버(23)에서 디지털 데이터화된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 A/D 컨버터(23)의 샘플링 레이트와 상기 클럭 발생기(28)의 클럭 주파수는 동기화를 위해 같은 주파수를 갖도록 한다. 상기한 바와 같이 증폭기(22)의 이득이 D/A 컨버터의 출력값에 의하여 결정되고, A/D 컨버터에 의해 디지털 데이터로 변환되므로 결국 본 발명에 의한 장치 전체의 신호 분해능은 D/A 컨버터(21)의 신호 분해능과 A/D 컨버터의 신호분해능의 곱으로 결정된다. 즉 신호를 2⁸개로 분해할 수 있는 8 비트 D/A 컨버터와 신호를 2¹²개로 분리할 수 있는 12비트 A/D 컨버터를 사용하는 경우 20 비트 A/D 컨버터를 사용하는 것과 동일한 분해능을 가지게 된다.The signal amplified by the gain control amplifier 22 has less variation than the original rider signal due to the method of adjusting the gain of the amplifier. As shown in FIG. 2, the output terminal of the amplifier 22 is connected to the input terminal of the A / D converter 23 so that the output signal is digitalized by the A / D converter 23. According to a preferred embodiment of the present invention, the sampling rate of the A / D converter 23 and the clock frequency of the clock generator 28 have the same frequency for synchronization. As described above, since the gain of the amplifier 22 is determined by the output value of the D / A converter and is converted into digital data by the A / D converter, the signal resolution of the entire apparatus according to the present invention is ultimately determined by the D / A converter 21. It is determined by the product of the signal resolution of) and the signal resolution of the A / D converter. In other words, if you use an 8-bit D / A converter that can split the signal into 2 ⁸ and a 12-bit A / D converter that can split the signal into 2 ¹² , you will have the same resolution as using a 20-bit A / D converter. do.

A/D 컨버터에 의해 디지털 데이터화된 신호는 상기 주컴퓨터 기억장치(10)에 저장된다. 상기한 방법으로 저장된 라이더 신호는 본래의 신호하고는 다른 변조된 신호이므로 이를 광센서를 통해 발생하는 전기신호에 비례하는 신호로 복귀시켜야 한다. 이득 제어 증폭기의 이득값은 부컴퓨터 메모리(25)에 저장되어 있고, 변조된 디지털 신호는 주컴퓨터 메모리(20)에 저장되어 있으며, 저장된 신호를 가지고 복구하는 작업은 부컴퓨터 CPU(29)가 하게된다. 주컴퓨터 기억장치(20)에 저장된 변조된 디지털 신호는 직렬포트(24)를 통해 부컴퓨터 CPU(29)로 전송된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 변조된 디지털 데이터를 상기 이득값으로 나누는 방식을 통해 본래의 신호를 복구한다.The signal digitalized by the A / D converter is stored in the main computer memory 10. Since the rider signal stored by the above method is a modulated signal different from the original signal, it should be returned to a signal proportional to the electric signal generated through the optical sensor. The gain value of the gain control amplifier is stored in the subcomputer memory 25, the modulated digital signal is stored in the main computer memory 20, and the recovery operation with the stored signal is performed by the subcomputer CPU 29. do. The modulated digital signal stored in the main computer memory 20 is transmitted to the subcomputer CPU 29 through the serial port 24. According to a preferred embodiment of the present invention, the original signal is recovered by dividing the modulated digital data by the gain value.

도 3은 본 발명에 의한 장치를 실제로 구동하여 얻은 이득제어 곡선 및 변조된 디지털 신호의 파형을 도시한 것이다.Figure 3 shows the gain control curve and the waveform of the modulated digital signal obtained by actually driving the apparatus according to the present invention.

도 3에서 (31)은 입력된 라이더 신호이고, (32)는 미리 저장된 이득 제어 곡선이며, (33)은 출력신호이다.In Fig. 3, reference numeral 31 denotes an input rider signal, reference numeral 32 denotes a previously stored gain control curve, and reference numeral 33 denotes an output signal.

도 3에 도시된 바와 같이, 입력 신호(31) 현재 일정한 값을 보이고 있으며, 이득 제어 곡선(32)은 단조 증가하는 형태를 보이다가 T1과 T2 구간인T에서 급격하게 감소하고, 다시 단조 증가하는 형태를 보이고 있다. 급격히 이득값이 줄어든 부분은 시험 신호시 굴뚝이 존재하는 것으로 예측된 부분이다. 도 3에 도시된 바와 같이 출력 신호(33)는 입력신호(31)와 이득 제어 곡선(32)의 곱에 비례하는 형태를가지며, 이득이 낮은 곳에서는 출력곡선 역시 낮은 값을 보이고 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 3, the input signal 31 is currently showing a constant value, and the gain control curve 32 is monotonically increasing, and is a T1 and T2 interval. It shows a sharp decrease in T and a monotonous increase again. The drastically reduced gain is the part where the chimney is expected to be present in the test signal. As shown in FIG. 3, the output signal 33 has a form proportional to the product of the input signal 31 and the gain control curve 32, and the output curve also shows a low value where the gain is low. have.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 라이다 신호 수신용 시간의존 이득제어 증폭 장치 및 방법에 의하면, 기존의 일정한 이득을 가지는 증폭기나 로그 증폭기가 분진의 밀도가 심하게 변하는 지역에서는 측정 범위에 한계를 가지는 점을 개선하여, 기존의 A/D 컨버터의 분해능을 가지고도 이득을 제어하는 방법을 통해 비교적 넓은 측정범위를 가질 수 있는 장점이 있다. 또한 굴뚝과 같이 신호가 너무 커지는 곳에서는 이득을 줄이는 것과 같은 방법을 통해 과다한 신호가 A/D 컨버터로 입력되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명은 빠른 속도로 신호를 샘플링하면서, 고분해능으로 신호를 분해해야하는 라이다 시스템에 용이하게 응용될 수 있을 것이다.As described above, according to the apparatus and method for time-dependent gain control amplification for receiving a rider signal according to the present invention, the measurement range is limited in the region where the dust density of the conventional amplifier or log amplifier has severely changed dust. By improving the point, it is possible to have a relatively wide measurement range through a method of controlling gain even with the resolution of a conventional A / D converter. Also, where the signal is too large, such as a chimney, reducing the gain can prevent excessive signal from entering the A / D converter. The present invention can be easily applied to a lidar system that needs to decompose a signal at high resolution while sampling the signal at a high speed.

Claims

In the signal acquisition device of the lidar system,

An optical sensor which receives the scattered light signal in the air and converts the light signal into an electric signal;

A CPU that determines a gain to multiply the electrical signal converted by the photosensor;

A first memory for storing the gain determined by the CPU;

A D / A converter converting the gain value into an analog signal for using the gain stored in the first memory as a gain of an amplifier;

A gain control amplifier for amplifying the electrical signal converted by the optical sensor according to the gain converted into the analog signal;

A clock generator configured to adjust the gain values to be sequentially input according to a clock frequency when the gain values stored in the first memory are input to the D / A converter;

An A / D converter converting the electrical signal amplified by the gain control amplifier into a digital signal; And

And a second memory for storing the digital signal converted by the A / D converter and a test lidar signal firing to determine the gain.

The method of claim 1,

And a clock frequency of the clock generator and a sampling rate of the D / A converter have the same frequency.

The method of claim 1,

And a clock frequency of the clock generator is triggered by a synchronization signal generated from a laser.

The method of claim 1,

Wherein said first memory and said CPU belong to the same computer system, and said second memory is connected by said serial port with said CPU.

(A) verifying the magnitude of the optical signal over time by irradiating a test laser prior to obtaining the lidar signal;

Determining and storing a gain to be multiplied by a rider signal to be obtained based on the magnitude of the optical signal identified in the step (a);

(C) irradiating a laser to the atmosphere and converting the scattered optical signal into an electrical signal to obtain a rider signal;

(D) synchronizing the electrical signal converted in step (c) with the gain data determined in step (b) to amplify the electrical signal according to the gain; And

And (e) converting and storing the electrical signal amplified in step (d) into a digital signal.

The method of claim 5,

And recovering the original signal by using the converted digital data and the gain value stored in the step (b).

The method of claim 6,

And recovering the original signal by dividing the converted digital data by the stored gain value.