KR101027808B1 - 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치와 그 방법, 및 상기 장치를 구비하는 레이저 스캐너 - Google Patents

레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치와 그 방법, 및 상기 장치를 구비하는 레이저 스캐너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 스캐너에서 중간 주파수 신호를 이용한 복조를 통해 광신호의 위상을 계산하는 장치와 그 방법, 및 상기 장치를 구비하는 레이저 스캐너에 관한 것이다. 본 발명은 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 관측 대상물로부터 반사된 반사 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 제1 신호 생성부; 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 제2 신호 생성부; 및 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 변조/복조 신호 처리시 높은 증폭률을 얻을 수 있으며, 저주파 노이즈를 감소시킬 수 있다. 또한, 신호대잡음비를 개선시킬 수 있으며, 스캐너의 분해능을 향상시킬 수 있다.
레이저 스캐너, 위상 복조, 위상 계산, 분해능, 신호대잡음비(SNR), 스캐너 헤드

Description

레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치와 그 방법, 및 상기 장치를 구비하는 레이저 스캐너 {Apparatus and method for calculating phase of laser in laser scanner, and laser scanner with the said apparatus}
본 발명은 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치와 그 방법, 및 상기 장치를 구비하는 레이저 스캐너에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 레이저 스캐너에서 중간 주파수 신호를 이용한 복조를 통해 광신호의 위상을 계산하는 장치와 그 방법, 및 상기 장치를 구비하는 레이저 스캐너에 관한 것이다.
레이저 스캐너는 관측 대상물의 표면에 조밀한 간격으로 무수히 많은 레이저 광선을 주사하여 3차원 좌표값을 포인트 형식으로 얻어내는 측량 장치이다. 이러한 레이저 스캐너는 넓은 영역을 우수한 분해능으로 측정 가능한 장점이 있다. 그래서, 레이저 스캐너는 3차원 포인트 좌표를 시각화하고 모델링하는 등의 3차원 형상 측정 분야, 3차원 포인트 좌표를 이용하여 도면을 제작하는 등의 건축 분야, 공장 자동화 분야, 이동 차량이나 도로에 설치하여 도로 주변의 정보를 취득하는 등의 교통 분야, 로봇 항법, 무인 자동차, 조선 항만 산업 등 산업 전반에 걸쳐 널리 활용되고 있으며, 오늘날 그 응용 시장은 더욱 확대되고 있는 실정이다.
종래 레이저 스캐너를 이용하여 거리를 계산하는 방법으로는 비행 시간법과 광신호의 위상차를 이용한 거리 계산법 등이 있다. 전자(비행 시간법)는 빛이 진행한 시간을 펄스의 개수로 세어 거리를 계산하는 방법으로, 군사 목적으로 장거리를 측정하는 데에 주로 이용되고 있다. 그러나, 이 방법은 10mm 이내의 분해능을 얻기 위해 30GHz 이상의 펄스 개수기가 요구되는 등의 문제점이 있다.
후자(광신호의 위상차를 이용한 거리 계산법)는 기준 신호와 관측 대상물로부터 반사된 반사 신호의 위상차를 통해 거리를 계산하는 방법이다. 이 방법은 광원의 변조 방식에 따라 주파수를 통해 거리 정보를 얻어내는 주파수 변조/복조 방법, 위상각을 통해 거리 정보를 얻어내는 진폭 변조/위상 복조 방법 등으로 구분된다.
주파수 변조/복조 방법은 단거리 측정용으로 적합하며 진폭 변조/위상 복조 방법보다 더 우수한 분해능을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나, 주파수 변조/복조 방법은 주파수를 가변시키기 위해 고가의 광원이 필요하며, 장거리 측정용으로 부적합한 단점이 있다.
반면, 진폭 변조/위상 복조 방법은 수 m ~ 수십 m 측정 거리에서 mm 단위의 분해능을 얻어낼 수 있는 등 장거리 측정용으로 적합하다. 그런데, 종래의 진폭 변조/위상 복조 방법에서는 높은 분해능을 얻기 위해 고주파 신호를 이용하여 광원을 가진시켜야 한다. 그러나, 신호의 증폭률이 주파수 대역폭에 의해 제한되기 때문에 변조/복조 신호 처리 과정에서 고주파 신호를 증폭시키는 것이 매우 어려웠다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 레이저 스캐너에서 중간 주파수 신호를 이용한 다단계 위상 복조를 통해 광신호의 위상을 계산하는 장치와 그 방법, 및 상기 장치를 구비하는 레이저 스캐너를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 관측 대상물로부터 반사된 반사 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 제1 신호 생성부; 상기 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 제2 신호 생성부; 및 상기 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 상기 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 위상 계산 장치는 상기 제2 중간 주파수 신호에 상기 제1 중간 주파수 신호를 합산시켜 상기 최종 중간 주파수 신호를 생성하는 최종 신호 생성부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 위상 계산부는 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주 파수 신호의 곱셈값인 기준 출력을 생성하는 기준 출력 생성 모듈; 위상 천이된 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 비교 출력을 생성하는 비교 출력 생성 모듈; 및 상기 기준 출력과 상기 비교 출력 간의 비율값인 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산 모듈을 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 기준 출력 생성 모듈 또는 상기 비교 출력 생성 모듈은 상기 생성된 출력 중 상기 중간 주파수 성분보다 작은 주파수 성분을 갖는 신호를 통과시키는 필터링 모듈을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 신호 생성부는 상기 제1 기준 신호를 이용하여 상기 반사 신호를 위상 복조시키는 위상 복조부; 및 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키는 제1 중간 주파수 신호 생성부를 포함하거나, 상기 제2 신호 생성부는 상기 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시키는 위상 복조부; 및 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성시키는 제2 중간 주파수 신호 생성부를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 제1 중간 주파수 신호 생성부는 상기 반사 신호의 주파수 성분과 상기 제1 기준 신호의 주파수 성분 간의 차이값을 주파수 성분으로 하는 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시킨다. 더욱더 바람직하게는, 상기 제1 중간 주파수 신호 생성부는 상기 위상 복조된 신호 중에서 상기 제1 중간 주파수 신호의 주파수 성분보다 크고 상기 반사 신호의 주파수 성분보다 작은 신호를 통과시키는 필터링부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 신호 생성부는 상기 위상 천이 신호로 상기 기준 복 조 신호를 90도 위상 천이시킨 신호를 이용한다.
바람직하게는, 상기 제2 신호 생성부는 상기 제1 기준 신호를 적어도 2회 위상 천이시켜가면서 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성한다.
또한, 본 발명은 (a) 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 관측 대상물로부터 반사된 반사 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 단계; (b) 상기 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 단계; 및 (c) 상기 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 상기 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계의 중간 단계는 상기 제2 중간 주파수 신호에 상기 제1 중간 주파수 신호를 합산시켜 상기 최종 중간 주파수 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 (c) 단계는 (ca) 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 기준 출력을 생성하는 단계; (cb) 위상 천이된 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 비교 출력을 생성하는 단계; 및 (cc) 상기 기준 출력과 상기 비교 출력 간의 비율값인 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 단계를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 (ca) 단계 또는 상기 (cb) 단계는 상기 생성된 출력 중 상기 중간 주파수 성분보다 작은 주파수 성분을 갖는 신호 를 통과시켜 상기 기준 출력 또는 상기 비교 출력을 생성한다.
바람직하게는, 상기 (a) 단계는 (aa) 상기 제1 기준 신호를 이용하여 상기 반사 신호를 위상 복조시키는 단계; 및 (ab) 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키는 단계를 포함하거나, 상기 (b) 단계는 (ba) 상기 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시키는 단계; 및 (bb) 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성시키는 단계를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 (ab) 단계는 상기 반사 신호의 주파수 성분과 상기 제1 기준 신호의 주파수 성분 간의 차이값을 주파수 성분으로 하는 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키거나, 상기 위상 복조된 신호 중에서 상기 제1 중간 주파수 신호의 주파수 성분보다 크고 상기 반사 신호의 주파수 성분보다 작은 신호를 통과시켜 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시킨다.
바람직하게는, 상기 (b) 단계는 상기 제1 기준 신호를 적어도 2회 위상 천이시켜가면서 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성한다.
또한, 본 발명은 레이저 광을 발생시키는 광 발생부; 상기 발생된 광을 평행광으로 조정하는 광방향 조정부; 상기 평행광을 대상물로 출력시키는 광 송신부; 상기 대상물로부터 반사된 광을 수신하는 광 수신부; 상기 수신된 광을 검출하는 광 검출부; 및 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 상기 검출된 광에 기반하는 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 제1 신호 생성부와, 상기 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 제2 신호 생성부, 및 상기 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 상기 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산부를 포함하는 위상 계산 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캐너를 제공한다.
바람직하게는, 상기 레이저 스캐너는 상기 대상물로 출력되는 광의 발사각을 변경시키는 스캐너 헤드를 더 포함하며, 상기 스캐너 헤드에 의해 발사각이 변경되는 광을 이용하여 상기 대상물의 일측까지의 거리를 계산한다.
본 발명에 따르면, 레이저 스캐너에서 중간 주파수 신호를 이용한 다단계 위상 복조를 통해 광신호의 위상을 계산함으로써 다음 효과를 얻을 수 있다. 첫째, 중간 주파수 신호를 이용함으로써 변조/복조 신호 처리시 매우 높은 증폭률을 얻을 수 있으며, 저주파 노이즈를 감소시킬 수 있다. 둘째, 다단계 위상 복조 과정을 수행함으로써 신호대잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio)를 개선시킬 수 있으며, 스캐너의 분해능을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경 우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너를 개략적으로 도시한 블록도이다. 이하 설명은 도 1을 참조한다.
도 1에 따르면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너(100)는 광 발생부(110), 광 변조부(120), 광 송신부(130), 광 수신부(140), 광 검출부(150) 및 위상 계산 장치(160)를 포함한다.
본 실시예에 따른 레이저 스캐너(100)는 진폭 변조/위상 복조 방법을 이용하는 레이저 스캐너이다. 이러한 레이저 스캐너(100)는 레이저 광선별로 거리를 계산하여 관측 대상물에 대한 3차원 포인트 좌표를 시각화시키고 관측 대상물을 모델링시킬 수 있게 한다.
진폭 변조/위상 복조 방법을 이용하는 기존 레이저 스캐너는 높은 분해능을 얻기 위해 고주파 신호를 이용하여 광원을 가진시킨다. 그러나, 신호의 증폭률이 주파수 대역폭에 의해 제한되기 때문에 변조/복조 신호 처리 과정에서 고주파 신호를 증폭시킨다는 것이 매우 어렵다. 따라서, 본 실시예에 따른 레이저 스캐너(100)는 중간 주파수 신호를 이용한 다단계 위상 복조를 통해 광신호의 위상을 계산한다. 레이저 스캐너(100)에서 이러한 기능은 위상 계산 장치(160)가 담당하며, 보다 자세한 설명은 후술한다.
광 발생부(110)는 광을 발생시키는 기능을 수행한다. 본 실시예에서는 전기 적으로 변조 신호를 만들어 낸 후 이것을 광 발생부(110)에 인가시킴으로써, 광 발생부(110)가 광을 발생시키도록 한다. 이러한 광 발생부(110)는 레이저 빔을 생성시키는 레이저 다이오드(laser diode; 111)를 포함하여 이루어진다. 광 발생부(110)가 발생시킨 광은 기준 신호로써 광 송신부(130)로 전송된다.
광 송신부(130)는 발생광을 외부의 관측 대상물에 송신시키는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 광 송신부(130)는 스캐닝 대상인 관측 대상물의 제원을 조밀하게 취득할 수 있도록 변조광의 각도를 조절하는 스캐너 헤드부(131)를 포함하여 이루어진다.
스캐너 헤드부(131)는 1개의 고정식 스캐너 헤드 또는 1개의 회전식 스캐너 헤드를 포함한다. 고정식 스캐너 헤드는 고정된 피사체의 둘레를 스캐닝함으로써 고정된 피사체의 제원을 고속으로 조밀하게 취득할 수 있게 한다. 그러나, 스캐너 헤드가 고정되어 있기 때문에 예컨대 도로 주변 여건과 같이 이동하면서 주변 사물의 제원을 조밀하게 취득할 수 없는 문제점이 있다. 회전식 스캐너 헤드도 마찬가지로 주변 사물의 제원을 고속으로 조밀하게 취득하기 어려운 문제점이 있다. 본 실시예에서는 이러한 점을 고려하여 스캐너 헤드부(131)가 복수개의 고정식 스캐너 헤드, 복수개의 회전식 스캐너 헤드, 적어도 하나의 고정식 스캐너 헤드와 적어도 하나의 회전식 스캐너 헤드 등 멀티 헤드형인 것이 바람직하다.
한편, 광 발생부(110)와 광 송신부(130) 사이에 광방향 조정부(120)를 더 포함할 수 있다. 광방향 조정부(120)는 발산하는 발생광을 평행광으로 조정하는 기능을 수행한다. 이러한 광방향 조정부(120)는 예컨대 시준 렌즈(collimating lens)로 구현할 수 있다.
광 수신부(140)는 관측 대상물로부터 반사된 반사광을 수신하는 기능을 수행한다. 이러한 광 수신부(140)는 수신광을 집광시키기 위한 집광부(141)를 더 포함한다. 집광부(141)의 집광 기능은 광의 여는 각을 크게 하여 분해능을 향상시킬 수 있다. 집광부(141)는 예컨대 집광 렌즈(condenser)로 구현될 수 있다.
광 검출부(150)는 집광된 광을 검출하는 기능을 수행한다. 이러한 광 검출부(150)는 예컨대 포토 디텍터(photo detector)로 구현될 수 있다.
위상 계산 장치(160)는 중간 주파수 신호를 이용한 다단계 위상 복조를 통해 광신호의 위상을 계산하는 기능을 수행한다. 위상 계산 장치(160)의 이러한 기능은 광신호의 위상 복조 단계에서 이루어지며, 본 실시예에 따라 레이저 광선별로 거리를 계산할 수 있게 하며, 관측 대상물을 3차원 입체로 모델링시킬 수 있게 한다. 이하에서 위상 계산 장치(160)에 대해 보다 자세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 이하 설명은 도 2를 참조한다.
도 2에 따르면, 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치, 즉 위상 계산 장치(160)는 관측 대상물로부터 반사된 후 획득된 광신호를 다단계 위상 복조시키면서 중간 주파수 성분을 이용하여 위상을 계산한다. 이러한 위상 계산 장치(160)는 본 실시예에서 제1 위상 복조부(161), 제1 중간 주파수 신호 생성부(162), 제2 위상 복조부(163), 제2 중간 주파수 신호 생성부(164), 최종 중간 주파수 신호 생성부(165) 및 위상 계산부(166)를 포함한다.
제1 위상 복조부(161)는 획득된 광신호에 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 기준 복조 신호를 곱하여 획득 신호의 위상을 복조시키는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 미리 정해진 복조 주파수 성분은 그 성분값이 19.95MHz인 것을 특징으로 한다. 그러나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 미리 정해진 복조 주파수 성분은 경우에 따라 사용자에 의해 임의 선택될 수 있다.
진폭 변조/위상 복조 신호처리 방법에 따르면, 기준 복조 신호와 획득된 광신호는 각각 아래 수학식 1의 (a), (b)와 같다.
Figure 112009029530383-pat00001
수학식 1에서, Vref는 기준 복조 신호, Vr은 기준 복조 신호의 진폭, wd는 기준 복조 신호의 주파수, Vd는 획득 신호, Vsig는 획득 신호의 진폭, wsig는 획득 신호의 주파수, φ는 거리 정보를 갖는 위상값, N(ξ)는 노이즈 성분을 의미한다.
제1 위상 복조부(161)는 수학식 1의 (a)와 (b)를 곱하여 획득 신호의 위상을 복조시킨다. 위상 복조된 신호는 아래 수학식 2와 같다.
Figure 112009029530383-pat00002
수학식 2에서, Vi는 위상 복조된 신호, wi는 중간 주파수로서 wsig-wd이다. 본 실시예에서 중간 주파수는 50kHz이다. 그러나, 중간 주파수가 반드시 이에 한정될 필요는 없다.
제1 중간 주파수 신호 생성부(162)는 위상 복조된 신호를 필터링시켜 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 제1 중간 주파수 신호 생성부(162)는 저역 통과 필터(LPF)를 이용하여 컷-오프(cut-off) 주파수가 중간 주파수보다 크고 획득 광신호의 주파수보다 작은 신호들을 통과시킨다. 이에 따라, 제1 중간 주파수 신호 생성부(162)로부터 추출되는 제1 중간 주파수 신호는 아래 수학식 3과 같다. 수학식 3은 수학식 2에서 두번째 항과 세번째 항이 제거된 것이다.
Figure 112009029530383-pat00003
수학식 3에서 vi'는 제1 중간 주파수 신호이다.
제2 위상 복조부(163)는 제1 중간 주파수 신호에 천이 신호를 곱하여 제1 중간 주파수 신호의 위상을 복조시키는 기능을 수행한다. 천이 신호는 기준 복조 신호를 위상 천이시킨 신호로서, 본 실시예에서 기준 복조 신호를 90° 천이시킨다.
제2 중간 주파수 신호 생성부(164)는 제2 위상 복조부(163)를 통해 재위상 복조된 신호를 필터링시켜 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 제2 중간 주파수 신호는 아래 수학식 4와 같다.
Figure 112009029530383-pat00004
수학식 4에서 Vi''는 제2 중간 주파수 신호이다.
본 실시예에서는 제1 위상 복조부(161), 제1 중간 주파수 신호 생성부(162), 제2 위상 복조부(163), 제2 중간 주파수 신호 생성부(164) 등 2단계 위상 복조 과정을 통해 중간 주파수 신호를 얻는다. 그러나, 본 실시예에서 이에 한정되지 않으며, 3단계 이상 위상 복조 과정을 통해 중간 주파수 신호를 얻는 것도 가능하다.
최종 중간 주파수 신호 생성부(165)는 제2 중간 주파수 신호를 증폭시켜 최종 중간 주파수 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 최종 중간 주파수 신호 생성부(165)는 제2 중간 주파수 신호에 제1 중간 주파수 신호를 합산시켜 최종 중간 주파수 신호를 얻는다. 최종 중간 주파수 신호는 아래 수학식 5와 같다.
Figure 112009029530383-pat00005
수학식 5에서, Vd'는 최종 중간 주파수 신호이다.
본 실시예에서 최종 중간 주파수 신호를 이용하면 진폭 변조/위상 복조 신호처리 과정에서 증폭률을 효과적으로 조절할 수 있다. 그 이유는 최종 중간 주파수 신호가 다단계 위상 복조 과정을 거치면서 낮은 주파수 대역(=50kHz)으로 천이되기 때문이다. 이에 따라, 고주파 신호를 용이하게 증폭시킬 수 있고, 높은 증폭률을 얻을 수 있으며, 노이즈에 관계없이 신호에 기준 복조 신호의 진폭(Vr)만큼의 이득이 곱해지므로 기존보다 더욱 향상된 신호대잡음비를 얻을 수 있다.
위상 계산부(166)는 중간 주파수 성분을 갖는 기준 신호와 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 위상을 계산하는 기능을 수행한다. 위상 계산부(166)가 위상을 계산하는 방법은 다음과 같다.
제1 단계에서, 중간 주파수 성분을 갖는 기준 신호와 최종 중간 주파수 신호를 곱하여 최초 기준 출력을 생성한다. 본 실시예에서 이 기능은 최초 기준 출력 모듈(미도시)이 담당한다. 최초 기준 출력은 아래 수학식 6과 같다.
Figure 112009029530383-pat00006
수학식 6에서, Vi,out은 최초 기준 출력이다.
그런데, 최초 기준 출력은 주파수 2wi를 갖는 고주파 성분을 포함하므로 필터링을 통해 이 성분을 제거시킬 필요가 있다. 제2 단계에서는 최종 기준 출력 모듈(미도시)이 컷-오프 주파수가 wi보다 작은 신호를 통과시킨다. 제2 단계를 거쳐 출력되는 최종 기준 출력은 아래 수학식 7과 같다.
Figure 112009029530383-pat00007
수학식 7에서, Vi,out'는 최종 기준 출력이다.
제3 단계에서, 최초 비교 출력 모듈(미도시)이 위상 천이된 기준 신호와 최종 중간 주파수 신호를 곱하여 최초 비교 출력을 생성한다. 위상 천이된 기준 신호는 상기 기준 신호 Vr'sinwit를 90° 천이시킨 신호이다.
제4 단계에서, 최종 비교 출력 모듈(미도시)이 고주파 성분을 필터링시켜 컷-오프 주파수가 wi보다 작은 신호를 통과시킨다. 이에 따라, 최종 비교 출력 모듈로 부터 출력되는 최종 비교 출력은 아래 수학식 8과 같다.
Figure 112009029530383-pat00008
수학식 8에서, Vi,out''는 최종 비교 출력이다.
제5 단계에서, 위상값 계산 모듈(미도시)이 비교 출력의 기준 출력에 대한 비율로부터 위상값을 계산한다. 위상값 계산은 아래 수학식 9에 따른다.
Figure 112009029530383-pat00009
수학식 9에서, φ'는 위상값이다.
수학식 7과 수학식 8에서와 같이 복조 과정에 있어서 Vr과 Vr' 만큼의 이득이 신호에만 곱해지게 되므로 기존보다 신호대잡음비가 향상되며, 수학식 9에서 얻어지는 위상값 역시 높은 신호대잡음비를 가진다. 이에 따라, 본 실시예에서는 레이저 스캐너의 분해능 향상을 기대할 수 있다. 진폭 변조/위상 복조 방법을 이용한 레이저 스캐너에서 분해능은 아래 수학식 10으로부터 구할 수 있다.
Figure 112009029530383-pat00010
수학식 10에서, δd는 분해능을 의미하며, δφ는 위상값을 의미한다.
한편, 상기에서 위상값 φ'는 최종 거리 신호를 가지고 있으므로, 이로부터 레이저 광선별 관측 대상물까지의 거리를 구하는 것도 가능하다. 이 경우, 다단계 복조 과정을 통해 신호대잡음비와 분해능이 향상됨에 따라 정밀한 거리 측정이 가능할 것으로 기대된다.
도 3은 기존 진폭 변조/위상 복조 방법에 따른 위상과 본 실시예에 따른 위상을 비교하는 그래프이다. 도 3에서 (a)는 레이저 스캐너에서 관측 대상물까지의 거리가 1m일 때 기존 방법에 따른 위상의 노이즈 레벨을 도시한 그래프이다. 그리고, (b)는 레이저 스캐너에서 관측 대상물까지의 거리가 1m일 때 본 실시예에 따른 위상의 노이즈 레벨을 도시한 그래프이다. 그리고, (c)는 레이저 스캐너에서 관측 대상물까지의 거리가 7.5m일 때 기존 방법에 따른 위상의 노이즈 레벨을 도시한 그래프이다. 그리고, (d)는 레이저 스캐너에서 관측 대상물까지의 거리가 7.5m일 때 본 실시예에 따른 위상의 노이즈 레벨을 도시한 그래프이다. (b), (d)를 각각 (a), (c)와 비교해 보았을 때 알 수 있듯이 본 실시예에 따른 방법은 기존보다 신호대잡음비와 분해능을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 방법을 설명한다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 방법을 도시한 순서도이다. 이하 설명은 도 4를 참조한다.
먼저, 제1 위상 복조부(161)가 획득된 광신호에 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 기준 복조 신호를 곱하여 획득 신호의 위상을 복조시킨다(S400).
이후, 제1 중간 주파수 신호 생성부(162)가 위상 복조된 신호를 필터링시켜 제1 중간 주파수 신호를 생성한다(S410). 본 실시예에서 제1 중간 주파수 신호 생성부(162)는 저역 통과 필터(LPF)를 이용하여 컷-오프(cut-off) 주파수가 중간 주파수보다 크고 획득 광신호의 주파수보다 작은 신호들을 통과시켜 제1 중간 주파수 신호를 생성한다.
이후, 제2 위상 복조부(163)가 제1 중간 주파수 신호에 천이 신호를 곱하여 제1 중간 주파수 신호의 위상을 복조시킨다(S420). 천이 신호는 기준 복조 신호를 위상 천이시킨 신호로서, 본 실시예에서 기준 복조 신호를 90° 천이시킨다.
이후, 제2 중간 주파수 신호 생성부(164)가 제2 위상 복조부(163)를 통해 재위상 복조된 신호를 필터링시켜 제2 중간 주파수 신호를 생성한다(S430).
이후, 최종 중간 주파수 신호 생성부(165)가 제2 중간 주파수 신호를 증폭시켜 최종 중간 주파수 신호를 생성한다(S440). 본 실시예에서 최종 중간 주파수 신호 생성부(165)는 제2 중간 주파수 신호에 제1 중간 주파수 신호를 합산시켜 최종 중간 주파수 신호를 얻는다.
이후, 위상 계산부(166)가 중간 주파수 성분을 갖는 기준 신호와 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 위상을 계산한다(S450). 위상 계산부(166)가 위상을 계산하는 방법에 대해서는 도 2를 참조하여 전술하였으므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질 적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 아날로그 위상 복조 과정에서 적절한 중간 주파수(50kHz, 10kHz)를 선정하며 다단계 복조 과정을 통하여 효과적인 신호 증폭이 가능하고, 노이즈 영향을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 신호대잡음비를 향상시키고, 분해능 성능을 향상시킴으로써 보다 정밀한 거리 측정이 가능하다.
본 발명은 3차원 형상 측정이 요구되는 산업 전반에 사용될 수 있다. 즉, 본 발명은 로봇 항법, 자동차 간 거리, 기계 부품의 3차원 형상, 토목 건축물 측량, 조선 항만에서의 기중기 높이 측정, 문화재 건축물의 복원을 위한 형상 측정 등 다양한 분야에 널리 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 기존 진폭 변조/위상 복조 방법에 따른 위상과 본 실시예에 따른 위상을 비교하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 방법을 도시한 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 레이저 스캐너 110 : 광 발생부
111 : 레이저 다이오드 120 : 광 변조부
130 : 광 송신부 131 : 스캐너 헤드
140 : 광 수신부 141 : 집광부
150 : 광 검출부 160 : 위상 계산 장치
161 : 제1 위상 복조부 162 : 제1 중간 주파수 신호 생성부
163 : 제2 위상 복조부 164 : 제2 중간 주파수 신호 생성부
165 : 최종 중간 주파수 신호 생성부 166 : 위상 계산부

Claims (18)

  1. 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 관측 대상물로부터 반사된 반사 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 제1 신호 생성부;
    상기 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 제2 신호 생성부; 및
    상기 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 상기 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 중간 주파수 신호에 상기 제1 중간 주파수 신호를 합산시켜 상기 최종 중간 주파수 신호를 생성하는 최종 신호 생성부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 계산부는,
    상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 기준 출력을 생성하는 기준 출력 생성 모듈;
    위상 천이된 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 비교 출력을 생성하는 비교 출력 생성 모듈; 및
    상기 기준 출력과 상기 비교 출력 간의 비율값인 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산 모듈
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 신호 생성부는,
    상기 제1 기준 신호를 이용하여 상기 반사 신호를 위상 복조시키는 위상 복조부; 및
    상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키는 제1 중간 주파수 신호 생성부
    를 포함하거나,
    상기 제2 신호 생성부는,
    상기 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시키는 위상 복조부; 및
    상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성시키는 제2 중간 주파수 신호 생성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 중간 주파수 신호 생성부는 상기 반사 신호의 주파수 성분과 상기 제1 기준 신호의 주파수 성분 간의 차이값을 주파수 성분으로 하는 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 중간 주파수 신호 생성부는 상기 위상 복조된 신호 중에서 상기 제1 중간 주파수 신호의 주파수 성분보다 크고 상기 반사 신호의 주파수 성분보다 작은 신호를 통과시키는 필터링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 기준 출력 생성 모듈 또는 상기 비교 출력 생성 모듈은 상기 생성된 출력 중 상기 중간 주파수 성분보다 작은 주파수 성분을 갖는 신호를 통과시키는 필터링 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 신호 생성부는 상기 위상 천이 신호로 상기 기준 복조 신호를 90도 위상 천이시킨 신호를 이용하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 신호 생성부는 상기 제1 기준 신호를 적어도 2회 위상 천이시켜가면서 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.
  10. (a) 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 관측 대상물로부터 반사된 반사 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 단계;
    (b) 상기 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 단계; 및
    (c) 상기 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 상기 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계의 중간 단계는 상기 제2 중간 주파수 신호에 상기 제1 중간 주파수 신호를 합산시켜 상기 최종 중간 주파수 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (ca) 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 기준 출력을 생성하는 단계;
    (cb) 위상 천이된 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 비교 출력을 생성하는 단계; 및
    (cc) 상기 기준 출력과 상기 비교 출력 간의 비율값인 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (aa) 상기 제1 기준 신호를 이용하여 상기 반사 신호를 위상 복조시키는 단계; 및
    (ab) 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키는 단계
    를 포함하거나,
    상기 (b) 단계는,
    (ba) 상기 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시키는 단계; 및
    (bb) 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 (ab) 단계는 상기 반사 신호의 주파수 성분과 상기 제1 기준 신호의 주파수 성분 간의 차이값을 주파수 성분으로 하는 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키거나, 상기 위상 복조된 신호 중에서 상기 제1 중간 주파수 신호의 주파수 성분보다 크고 상기 반사 신호의 주파수 성분보다 작은 신호를 통과시켜 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 (ca) 단계 또는 상기 (cb) 단계는 상기 생성된 출력 중 상기 중간 주파수 성분보다 작은 주파수 성분을 갖는 신호를 통과시켜 상기 기준 출력 또는 상기 비교 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 상기 제1 기준 신호를 적어도 2회 위상 천이시켜가면서 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.
  17. 레이저 광을 발생시키는 광 발생부;
    상기 발생된 광을 평행광으로 조정하는 광방향 조정부;
    상기 평행광을 대상물로 출력시키는 광 송신부;
    상기 대상물로부터 반사된 광을 수신하는 광 수신부;
    상기 수신된 광을 검출하는 광 검출부; 및
    미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 상기 검출된 광에 기반하는 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 제1 신호 생성부와, 상기 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 제2 신호 생성부, 및 상기 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 상기 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산부를 포함하는 위상 계산 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캐너.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 레이저 스캐너는 상기 대상물로 출력되는 광의 발사각을 변경시키는 스캐너 헤드를 더 포함하며, 상기 스캐너 헤드에 의해 발사각이 변경되는 광을 이용하여 상기 대상물의 일측까지의 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캐너.
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