KR101101739B1 - 거리 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 거리 측정 장치는 외부 광경로에 의한 목표물까지의 왕복 시간과 상기 내부 기준 광학계의 내부 광경로의 시간을 측정하여 목표물의 거리를 측정하는 거리 측정부; 상기 거리 측정부로부터 데이터를 전송받아 측정 거리의 평균값을 계산하고 측정 거리 평균 변화량이 일정한 값 범위 내로 수렴하는 측정 데이터 개수를 결정하는 동적 데이터 개수 결정부; 및 상기 동적 데이터 개수 결정부에서 결정된 측정 데이터를 가중 최소 자승법을 이용하여 취득 데이터 중 이상치의 영향을 제거하는 가중치 연산부를 포함한다.

거리측정장치, 중앙처리유닛, 동적 데이터 개수 결정부, 가중 연산부, 가중 최소 자승법, 감마 필터

Description

거리 측정 장치 및 방법{Device and method for measuring distance}

이 발명은 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 동일한 측정 지점에 대한 다수의 거리 측정 데이터를 기초로 측정장치 내부 및 외부 변수에 의한 오차를 데이터 프로세싱에 의하여 보정하여 정확한 거리를 측정할 수 있는 거리측정장치 및 방법에 관한 것이다.

전자 거리 측정 장치(EDM :Electronic Distance Meter)은 일반적으로 광파거리측정기라고도 불린다. 전자 거리 측정 장치에서는 가시광선 또는 적외선을 이용하여, 측정 대상과 전자 거리 측정 장치 사이의 거리 간격을 송신 신호와 수신 신호사이의 위상차(Phase shift) 또는 송신 신호의 비행 시간(TOF:Time of Flight)을 측정하는 방법이 일반적으로 사용된다.

위상차 방법은 사인 파형과 같이 주기적인 크기 변화를 가지는 레이저 신호를 연속해서 송신하여, 측정 대상(반사 프리즘 등)에 반사되어 돌아온 수신 레이저 신호를 취득, 송신 레이저 신호와의 위상차를 산출하여 거리를 측정하는 방법이다. 비행시간 측정 방법은 레이저 펄스를 송신하여, 송신 레이저 펄스가 반사되어 돌아 올 때까지의 시간 간격을 측정하여, 거리를 측정하는 방법이다.

위상차 방법은 비행시간 방식 보다 정밀한 거리 측정이 가능하지만, 측정 가능 거리 간격이 짧은 것이 특징이다. 반대로, 비행시간 방식은 측정 가능 거리 간격이 길어, 수 km 이상의 거리 측정에 사용되어진다.

비행시간 방법은 수 km까지의 거리 간격을 측정하기 위하여 일반적으로 905nm 파장의 적외선을 이용하여 거리를 측정하고 있다.

일반적인 거리측정원리인 TOF(Time Of Flight) 방법을 살펴보면 다음과 같다. 도 1에 도시된 바와 같이, 거리측정유닛(1)에서 일정한 주기 신호를 발생하여 에미터(2)에서 공기, 동선, 광섬유와 같은 매질을 통과하는 펄스 신호, 예를 들어 광신호, 전자기파신호, 음파신호등을 발생시키고, 발신부(4)에서 신호출발시각(t_E)를 측정하고, 송신된 신호가 매질을 통과하여 목표물(6)에서 반사된 후, 다시 매질을 통과하여 펄스 신호가 되돌아 와서 수신부(5)에서 신호도착시각(t_R)이 측정된다. 다시 말하면, 도 2에 도시된 거리측정신호의 타이밍 차트(timing chart)에 도시된 바와 같이, 측정신호를 발생하기 위하여 일정한 주파수를 갖는 신호 클록을 발생시켜 일정시간 지연 후 시각(t_E)에서 발신신호가 송출되고 목표물에 반사되어 되돌아온 신호를 시각(t_R)에서 수신한다. 이에 따라 거리측정신호가 매질을 통과하여 왕복하는 시간은 t_R-t_E이고, 여기에 매질의 신호전달속도(v)를 곱하면 목표물까지의 왕복거리가 된다. 따라서, 거리측정장치와 목표물사이의 거리는 다음과 같이 계산된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전자 거리 측정 장치의 구성은 크게 광학계와 전자계로 구성된다.

광학계는 레이저 펄스를 송신하는 레이저 송신부와 목표물에 반사되어 돌아오는 레이저 펄스를 수신하는 레이저 수신부 및 측정 목표물에 전자 거리 측정 장치를 시준하는 시준 망원경 등으로 구성되어 있다.

전자계는 송신 레이저 펄스를 생성하는 레이저 다이오드, 레이저 수신부로 수신된 레이저 펄스를 전기 신호로 변환하기 위한 아발란치 포토 다이오드(APD:Avalanche Photo diode), 수신된 레이저 펄스의 해석 및 시간 측정, 거리 산출을 담당하는 중앙 처리 유닛(예를 들어, ARM7), 시간-디지털 컨버터(TDC: Time to Digital Convertor) 및 주변 장치로 구성된다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 디지털 도메인에서 정현파를 생성하여 발신신호와 수신신호의 위상차를 정확히 측정할 수 있는 거리 측정 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치는 광원 유닛; 투영 광축을 구비하여 상기 광원 유닛으로부터 측정 물체에 거리 측정 광을 외부 광경로로 투영하는 투영 광학계; 광 검출 광축을 구비하고 측정물체로부터 거리 측정 광을 입사받는 광 검출 광학계; 상기 광원 유닛으로부터 상기 광 검출 광학계로 거리 측정 광을 내부 광경로를 안내하는 내부 기준 광학계; 상기 투영 광학계를 투영된 거리 측정 광이 상기 광 검출 광학계로 수신되는 외부 광경로에 의한 목표물까지의 왕복 시간과 상기 내부 기준 광학계의 내부 광경로의 시간을 측정하여 목표물의 거리를 측정하는 거리 측정부; 상기 거리 측정부로부터 데이터를 전송받아 측정 거리의 평균값을 계산하고 측정 거리 평균 변화량이 일정한 값 범위 내로 수렴하는 측정 데이터 개수를 결정하는 동적 데이터 개수 결정부; 및 상기 동적 데이터 개수 결정부에서 결정된 측정 데이터를 가중 최소 자승법을 이용하여 취득 데이터 중 이상치의 영향을 제거하는 가중치 연산부를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치는 가중치 연산부에서 취득한 데이터들의 분포에서 평균값에서 일정한 범위내에 속하는 데이터만 거리 측정 데이터 로 추출하는 감마 필터를 더 포함할 수 있다.

상기 광원 유닛은 상기 광원으로부터 방사된 광의 경로를 상기 투영 광학계 또는 상기 내부 기준 광학계로 선택하는 광 경로 선택 수단을 더 포함할 수 있다.

상기 동적 데이터 개수 결정부는 식(4)와 식(5)에 의하여 데이터 평균 변화량이 소정의 값으로 수렴하는 경우 데이터 취득 횟수를 결정한다.

--- 식(4)

--- 식(5)

여기서, n은 데이터 취득 횟수, d_n은 n번째 취득한 데이터, a_n은 n개까지의 데이터의 평균, diff_a는 데이터 평균 변화량을 나타낸다.

상기 가중치 연산부는 식(10)에 의한 가중 함수에 의하여 연산된다.

--- 식(10)

여기서, i는 소집단의 인덱스, n은 데이터의 인덱스이며, n_a는 소집단의 데이터의 개수단위이다. 따라서, a_i는 i번째 소집단 데이터의 평균을, A는 모 데이터의 평균을 의미한다. W는 가중 함수, K는 데이터의 추출 범위를 나타낸다.

상기 감마 필터는 식(11)에 의하여 거리 측정 데이터를 추출한다.

--- 식(11)

여기서, R'은 감마 필터 적용 후의 거리 측정값, R은 감마 필터 적용 전의 거리 측정값, r은 가중 최소 자승법을 적용 한 거리 측정값, γ는 감마 필터의 계수를 나타낸다.

본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 방법은 외부 광경로에 의한 목표물까지의 왕복 시간과 내부 광경로의 시간을 측정하여 목표물의 거리를 측정하는 단계; 측정 거리의 평균값을 계산하고 측정 거리 평균 변화량이 일정한 값 범위 내로 수렴하는 측정 데이터 개수를 결정하는 단계; 취득 데이터 중 이상치의 영향을 제거하기 위하여 측정 데이터에 가중치를 적용하여 계산하는 단계; 및 측정 데이터의 분포에서 평균값에서 일정한 범위내에 속하는 데이터를 거리 측정 데이터로 추출하는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 광학 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예 따른 거리 측정 광학 장치의 광학계의 개략적 구성을 나타내는 구성 블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 거리측정장치는 광원 유닛(100), 투영 광학계(200), 내부 기준 광학계(300), 광 검출 광학계(400), 접안 광학계(500) 및 거리 측정 연산부를 포함하고 있다.

우선, 광원 유닛(100)을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 광원은 예를 들어 905nm의 레이저 광을 출사하는 제1 레이저 다이오드(8)가 될 수 있다. 광원, 예를 들어 제1 레이저 다이오드(8)에서 방사된 레이저는 광축(30)을 따라 진행한다. 광 경로 선택 수단(11)이 수평위치에 놓여 있는 경우, 레이저는 한 쌍의 커플링 렌즈(9)와 원주형 렌즈(10)에 의하여 커플링과정을 거쳐 광파이버(12)의 일단에 입사하게 된다. 입사된 레이저는 광파이버(12)의 타단에서 방사되어 투영 렌즈계(200)를 통하여 목포물까지 도달된다.

광 파이버(12)로 입사된 레이저는 광 파이버(12) 내부에서 레이저 다이오드(8)에 의해 방사될 때의 스폿의 크기나 방사각도에 대한 성분이 모두 섞이며, 단지 광파이버(12)가 갖는 코아의 크기와 발산각을 갖고 재방사된다. 이렇게 방사된 레이저는 정확한 원형을 이루며 원거리를 진행하더라도 레이저 스폿의 모양은 변하지 않아 거리측정에 유리하다.

광 경로 선택 수단(11)은 한 쌍의 커플링 렌즈(9)사이에 위치하여 레이저를 광 경로를 투영 광학계(100)로 향하게 하거나 내부 기준 광학계(300)로 향하게 선택한다. 광 경로 선택 수단(11)은 거리 측정 시 일정한 시간 간격으로 경사 위치와 수평 위치로 회동 가능하다. 광 경로 선택 수단(11)이 수평 위치에 놓인 경우, 레이저가 광파이버(12)로 입사하여 목표물의 거리를 측정하도록 투영 광학계(100)로 방사되고 광 경로 선택 수단(11)이 경사 위치에 놓인 경우, 내부 광파이버(16)으로 레이저가 입사되어 광 경로 오차를 측정할 수 있다.

한편, 광원유닛(100)은 근거리 물체 측정시, 관측자가 거리 측정시 주간 광학계를 이용하지 않더라도 쉽게 시준할 수 있도록 제2 레이저 다이오드(21)를 포함한다. 제2 레이저 다이오드는(21)는 예를 들어, 685nm의 파장을 갖는 눈에 보이는 레이저를 방사하며, 방사된 레이저 역시 제1 광 경로 굴절 수단(14)과 제2 광 경로 굴절 수단(15)에 의해 주간 광학계가 갖는 광축과 일치하게 되며, 관측자가 목표로 하는 물체까지 정확하게 도달하여 조준 물체를 식별할 수 있게 된다. 눈에 보이는 레이저(685nm)는 측정 물체에 반사되어 대물렌즈로 재입사되더라도 관측자의 눈을 보호하기 위하여 차단된다.

다음으로 투영광학계(200)에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4와 도 6에 도시된 바와 같이, 광 파이버(12)에서 방사된 레이저는 컨버전스 렌즈(13)와 대물 렌즈(1)을 통과하여 원거리까지 적은 발산각을 가지고 진행하게 된다. 레이저는 관측자가 주간 광학계를 통해 시준한 목표물까지 정확히 도달할 수 있도록 주간 광학계가 갖는 광축(40)과 일치하게 정렬되어 있는 제1 광 경로 굴절 수단(14)과 제2 광 경로 굴절 수단(15)에 의해 반사되어 대물 렌즈에 입사하게 된다. 대물 렌즈(1)는 레이저를 평행광으로 방사하여 측정 목표물까지 도달하게 한다.

다음으로 도 4와 도 7을 참조하여, 내부 기준 광학계(300)를 설명하면 다음과 같다.

제 1 레이저 다이오드(8)에서 방사된 레이저(905nm)는 광축(30)을 진행하다가 경사 위치에 놓인 광 경로 선택수단(11)에 의하여 반사되어 내부 광파이버(16) 로 입사하게 되며, 입사된 레이저는 내부 광파이버(16)의 반대편에서 재방사되어 수신 프리즘(17)으로 입사된다. 수신 프리즘(17)에 입사된 레이저는 다시 수신 프리즘(17)에 의해 반사되어, 905nm 파장의 레이저의 세기를 조절하는 ND 필터(Neutral Density filter)(18)를 거쳐, 포토 다이오드(19)로 입사된다. 포토 다이오드(19)는 입사된 레이저를 전기 신호로 전환하여 거리 측정 연산부로 전달한다.

다음으로, 광 검출 광학계(400)를 설명하면 다음과 같다.

도 4와 도 7에 도시된 바와 같이, 투영 광학계(200)에서 방사시킨 레이저는 목표물에서 반사되어 대물렌즈(1)까지 도달하게 된다. 도달된 레이저는 광축(40)을 따라 대물렌즈(1)과 제2 광 경로 굴절 수단(15)를 관통한 후, 다이크로익 프리즘(2)에서 반사되어 진행 경로를 전환하여 수신 프리즘(17)으로 입사된다. 수신 프리즘(17)으로 입사된 레이저는 다시 수신 프리즘(17)에 의해 반사되어, 태양광내 존재하는 다른 파장의 빛들을 차단하고 실제 거리측정에 사용되는 905nm 파장의 레이저만 필터링하는 ND필터(18)를 거쳐, 포토 다이오드(19)로 입사된다. 포토 다이오드(19)는 입사된 레이저를 전기 신호로 변환하여 연산부(50)로 전달한다.

다음으로 접안 광학계(500)를 설명하면 다음과 같다.

도 4에 도시된 바와 같이, 접안 광학계는 광축(40)을 갖고 광축(40)은 다이크로익 렌즈(2)를 관통하여 대물렌즈(1) 광축의 연장선과 정렬되어 있다. 접안 광학계는 광축(40)을 따라 이동 가능하게 배열되는 초점 렌즈(31), 이미지를 직립 이미지로 변환하는 직립 프리즘(4), 크로스와 같은 콜리메이션 라인(collimation line)을 갖는 콜리메이션 판(5), 및 접안 렌즈(7)을 포함한다.

제 2 레이저 다이오드(21)에서 방사된 가시 레이저는 빔 스플리터(20)에 의하여 반사된다. 빔 스플리터(20)에 의하여 반사된 가시 레이저는 관측자가 주간 광학계를 통해 시준한 목표물까지 정확히 도달할 수 있도록 주간 광학계가 갖는 광축(40)과 일치하게 정렬되어 있는 제1 광 경로 굴절 수단(14)과 제2 광 경로 굴절 수단(15)에 의해 반사되어 대물 렌즈에 입사하게 된다. 대물 렌즈(1)는 가시 레이저를 평행광으로 방사하여 측정 목표물까지 도달하게 한다.

레이저 거리 측정 광학 장치는 레이저가 목표물까지 도달했다가 다시 되돌아오는 시간을 가지고 거리를 계산해 내는 장비이므로, 레이저가 방사되는 시간이 정확해야 한다. 그러나 레이저를 방사시킬 때 사용하는 하드웨어 부품들 간의 시간 지연 현상과 거리 측정 장치 장비 내에서 진행되는 레이저 광 경로의 차가 존재하므로, 정확한 거리측정이 어렵다. 이 문제점을 해결하기 위해 거리 측정 광학 장치 내부에서 발생되는 지연된 시간을 측정하여 거리 측정 시 발생하는 거리오차를 보정할 필요가 있다.

거리 측정 광학 장치 내부에서 발생된 시간 오차를 측정하는 하나의 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 거리 측정 장치와 목표물 사이의 왕복시간인 외부 광경로 시간은 광원유닛(100)에서 송출된 레이저 펄스가 투영 광학계(200)를 거쳐 목표물에 반사된 후 투영 광학계(200)로 다시 입사되고 광 검출 광학계(400)에서 전기적 신호로 변환되어 측정된다.

거리 측정 장치의 내부의 보정하기 위한 내부 광경로 시간은 광원 유닛(100)에서 송출된 레이저 펄스가 내부 기준 광학계(300)를 거쳐 광 검출 광학계(400)에서 전기적 신호로 변환되어 측정된다.

본 발명에 따른 거리 측정 장치는 외부 광경로 시간(t_external)에서 내부 광경로 시간(t_internal)을 차감하여 거리 측정 장치 내부의 지연시간을 보정하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 거리 측정 장치는 외부 광경로 시간과 내부 광경로 시간을 동시에 측정할 수 없기 때문에 내부 광경로 시간은 외부 광경로 시간 측정 전과 후에 각각 측정하여 이를 평균하여 계산된다. 이러한 방식으로 해야 외부 광경로 시간 측정 동안 온도등 광학 내부의 변수등에 의한 오차를 줄일 수 있다.

거리 측정 장치와 목표물 사이의 왕복시간 T 는 다음과 같이 산출 한다.

T = t_external - (t_internal1+t_internal2)/2 ---식(2)

여기서, t_external는 외부 광경로 시간, t_internal1는 외부 광경로 시간 측정 전의 내부 광경로 시간 측정 값, t_internal2는 외부 광경로 시간 측정 후의 내부 광경로 시간 측정 값이다.

레이저 펄스의 왕복 시간 T가 산출되면, 측정 거리( S )는 식(1)을 적용하여 다음과 같이 산출한다. 여기서, v는 대기 중의 빛의 속도이다.

S= T×v/2 ---식(3)

중앙 처리 유닛은 거리 측정부, 동적 데이터 개수 결정부, 가중치 연산부 및 감마 필터를 포함한다.

중앙 처리 유닛은 거리 측정 전에 포토 다이오드(19)의 바이어스 전압 및 ND필터(18)의 투과율을 결정한다. 그 후, 중앙 처리 유닛은 내부 광경로 시간과 외부 광경로 시간의 측정을 선택하여 거리 측정부에 측정 명령 신호를 보내고 광원유닛(100)은 거리 측정부에서 거리 측정 명령을 받아 레이저 펄스를 방출하게 된다. 거리 측정을 위한 데이터를 취득하기 위하여 내부 광경로 → 외부 광경로 → 내부 광경로 → 외부 광경로 → 내부 광경로를 선택하여 순차적으로 측정되며, 수신된 신호는 광 검출 광학계(400)에서 전기적 신호로 변환되어 거리 측정부에서 수신한 후 거리측정을 위한 왕복 시간을 식(2)와 식(3)에 의하여 계산한다.

본 발명에 일실시예에 따른 정확한 거리 측정을 위한 왕복 시간 데이터를 산출하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 왕복 시간 데이터의 개수를 측정 거리 및 매질(광 파이버 또는 대기)의 상태에 따라 적절하게 결정하기 위하여 평균의 수렴 조건을 적용하여 동적 데이터 개수를 결정할 필요가 있다.

거리 측정 장치의 중앙 처리 장치는 내부 광경로와 외부 광경로에서 수백에서 수천 번 레이저 펄스를 송수신하여 취득한 측정 데이터의 평균을 산출하여 거리를 산출한다.

그러나, 측정 데이터의 개수를 무한정 늘리는 것은 거리 측정 장치의 중앙 처리 장치 등 전자 부품의 메모리 용량에 한계가 있어 이를 적절히 결정할 필요가 있다.

또한, 정확한 거리 측정에 필요한 데이터 개수는 측정 거리 간격 및 대기 상태에 따라 취득 되는 데이터 집단의 분산은 다르고 대기 밀도의 불균일한 변화 및 온도 변화 등의 자연 환경적인 요인과 거리 측정 장치 내부 전자회로의 특성 변화 및 기계적 요인 등의 영향에 따라 취득 데이터의 평균을 구하기 위한 필요 데이터의 개수는 다르다.

따라서, 동적 데이터 개수 결정부는 필요 데이터의 개수를 적절하게 구하기 위해 도 9에 도시된 바와 같이 데이터의 개수가 많아질수록 취득 데이터 집단의 평균이 수렴한다는 통계적 성질을 응용하여 식(5)와 같은 측정 거리 평균 변화량(diff_a)이 일정한 값(ε)범위 내에 있고 측정 거리 평균 변화량이 일정한 값 범위 내에 존재하는 연속 회수에 의하여 데이터 개수를 결정한다.

--- 식(4)

--- 식(5)

여기서, n은 데이터 번호, d_n은 n번째 데이터 값, a_n은 n번까지 데이터 평균, diff_a는 데이터 평균 변화량을 나타낸다.

도 9에 도시된 바와 같이, 동적 데이터 개수 결정부는 예를 들어 측정 거리 평균 변화량(diff_a)<ε=0.1보다 작고 측정 거리 평균 변화량(diff_a)이 연속적으로 400회 나타난 경우, 취득 데이터의 평균이 충분히 수렴되었다고 판단하여 이때까지 수집된 데이터 군을 거리 측정을 위한 모 데이터로 설정한다.

다음으로, 가중치 연산부는 동적 데이터 개수 결정부에서 결정된 모 데이터를 기초로 하여 가중 최소 자승법(LMS: Weighted Least Mean Square Method)을 적용하여 취득 데이터 중에 이상치(outlier)가 존재할 경우, 이상치(outlier)의 영향을 제거한다.

도 10에 도시된 바와 같이, 집단의 평균을 산출할 때, 집단에서 거리가 먼 이상치가 존재 할 경우에는 평균의 참값을 구하기가 어려워진다.

가중 최소 자승법이란 최소 자승법으로 구한 모델과 취득 데이터 사이의 거리 간격에 따라 모델의 변수에 대한 가중치를 변화시켜, 모델의 변수를 재산출하는 방법이다.

가중 최소 자승법을 적용하려면 거리 측정 장치의 메모리 용량이 제한적이기 때문에, 모 데이터를 일정한 비율, 예를 들어 50분의 1로 줄일 필요가 있다.

따라서, 가중 연산부는 동적 데이터 결정부에서 취득된 데이터를 일정 개수 단위, 예를 들어 50개 단위로 데이터를 소집단 데이터 단위로 구분한 후 평균을 산출하고 소집단 데이터 평균값들을 메모리에 저장한다. 물론, 동적 데이터 결정부는 모 데이터의 개수가 결정될 때까지 회귀 프로세스로 취득된 데이터의 전체 평균도 산출하여 메모리에 저장한다.

한편, 동적 데이터 개수 결정부가 취득 데이터 전체의 측정 거리 평균 변화량(diff_a)이 일정한 값(ε)범위 내로 수렴하여 모 데이터 개수를 결정할 때까지, 가 중 연산부는 일정 개수 단위로 취득 데이터를 구분하고 소집단 데이터의 평균값의 산출하여 소집단 데이터의 평균값을 저장하는 행위를 반복하게 된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 가중 연산부는 소집단 데이터의 평균값들을 예를 들어 소집단 데이터의 분포 양상을 최대한 고려하여 삼각형 모양의 가중치를 소집단 데이터의 평균값에 적용하면 좌우대칭 및 중심에서 가장 큰 가중값을 갖게 된다.

가중 연산부는 다음과 같은 식에 의하여 가중치를 적용하여 소집단 데이터의의 평균을 재산출하여 거리 산출에 활용한다.

--- 식(6)

--- 식(7)

--- 식(8)

--- 식(9)

여기서, d는 취득 데이터 값, i는 소집단 번호, n은 데이터 번호이며, n_a는 소집단의 데이터 개수이고 n_g는 모집단의 데이터 개수이다. 따라서, a_i는 i번째 소집단 데이터의 평균을, A는 모 데이터의 평균을 의미한다. W는 가중 함수로서, 전체 평균과 소집단의 평균의 거리에 따라 가중치를 달리 설정하게 된다. W는 다음과 같이 설정하였다.

--- 식(10)

여기서, K는 데이터의 추출 범위이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 이상치가 존재하는 모 데이터에서 평균값이 42.929m에서 가중 최소 자승법을 적용하여 이상치의 영향을 제거하는 경우 거리 측정 값이 우측으로 이동하여 42.9299m가 됨을 알 수 있다.

본 발명에 따른 거리 측정 장치는 기계적, 전자적 요인에 의해 약 1.2mm 정도의 거리 변화가 관찰된다. 여기에서의 거리변화는 내부 광경로와 외부 광경로로 경로 전환을 위한 경로 컨트롤러 및 전자 회로의 특성 변화에 의한 것으로, 변화량에 대한 모델 추정이 불가능한 곳이기 때문에 감마 필터를 사용할 수 있다.

예를 들어, 측정 데이터의 분포에서 평균 값을 기준으로 예를 들어 2σ(σ: 표준편차) 범위에 있는 데이터만을 거리 측정을 위한 데이터로 추출하게 된다.

이러한 감마 필터는 식(11)에 의하여 데이터를 추출한다.

--- 식(11)

여기서, R'은 감마 필터 적용 후의 거리 측정값이며, R은 감마 필터 적용 전의 거리 측정값, r은 가중 최소 자승법을 적용 한 거리 측정값이다. γ는 감마 필터의 계수로써, 클수록 거리측정의 변화 값을 무시하게 되는데, 감마 필터 계수는 실험치로서 1.1로 설정할 수 있다. 이는 거리 측정 장치의 거리측정 값의 변화 정도를 제어 가능한 범위로 다음과 같이 적용한 것이다.

--- 식(12)

도 12에 도시된 바와 같이, 가중 최소 자승법과 감마 필터를 동시에 적용한 경우 거리 측정 값의 변화가 크지 않은 상태로 커짐을 알 수 있다.

이제까지 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 이 발명이 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 이해되어야 한다. 이 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 이 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래의 거리 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성 블록도,

도 2는 종래의 거리 측정 장치의 거리 측정을 위한 송수신 레이저 펄스를 나타내는 타이밍 차트,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성 블록도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치의 광학계를 나타내는 구성 블록도,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치의 광 경로를 선택하는 구성을 나타내는 구성 블록도,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치의 투영 광학계의 구성을 나타내는 구성 블록도,

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치의 내부 기준 광학계를 나타내는 구성 블록도,

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치의 광 검출 광학계를 나타내는 구성 블록도,

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 동적 데이터 개수 결정부에서 취득 데이터 개수를 결정하기 위한 평균 데이터 측정값의 수렴분포를 나타내는 그래프,

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 데이터의 이상치를 제거하기 위하여 가중치을 적용하기 위한 가중치 분포와 데이터 측정치 분포를 나타내는 그래프,

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 가중치 연산부의 적용 전과 적용 후의 거리 측정값의 분포를 나타내는 그래프,

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 감마 필터의 적용 전과 적용 후의 거리 측정값의 분포를 나타내는 그래프를 도시한 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >

100: 광원 유닛 200: 투영 광학계

300: 내부 기준 광학계 400: 광 검출 광학계

500: 접안 광학계 1: 대물 렌즈

2: 다이크로익 프리즘 4: 직립 프리즘

5: 콜리메이션 판 7: 접안 렌즈

8: 제1 레이저 다이오드 9: 커플링 렌즈

10: 원주형 렌즈 11: 광 경로 선택 수단

12: 광파이버 13: 컨버전스 렌즈

14: 제1 광 경로 굴절 수단 15: 제2 광 경로 굴절 수단

16: 내부 광파이버 17: 수신프리즘

18: ND필터 19: 포토 다이오드

20: 빔 스플리터 21: 제2 레이저 다이오드

30, 40: 광축 31:초점 렌즈

Claims (7)

1. 거리 측정 장치에 있어서,

   광원 유닛;

   투영 광축을 구비하여 상기 광원 유닛으로부터 측정 물체에 거리 측정 광을 외부 광경로로 투영하는 투영 광학계;

   광 검출 광축을 구비하고 측정물체로부터 거리 측정 광을 입사받는 광 검출 광학계;

   상기 광원 유닛으로부터 상기 광 검출 광학계로 거리 측정 광을 내부 광경로를 안내하는 내부 기준 광학계;

   상기 투영 광학계를 투영된 거리 측정 광이 상기 광 검출 광학계로 수신되는 외부 광경로에 의한 목표물까지의 왕복 시간과 상기 내부 기준 광학계의 내부 광경로의 시간을 측정하여 목표물의 거리를 측정하는 거리 측정부;

   상기 거리 측정부로부터 데이터를 전송받아 측정 거리의 평균값을 계산하고 측정 거리 평균 변화량이 일정한 값 범위 내로 수렴하는 측정 데이터 개수를 결정하는 동적 데이터 개수 결정부; 및

   상기 동적 데이터 개수 결정부에서 결정된 측정 데이터를 가중 최소 자승법을 이용하여 취득 데이터 중 이상치의 영향을 제거하는 가중치 연산부를 포함하는 거리 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가중치 연산부에서 취득한 데이터들의 분포에서 평균값에서 일정한 범위내에 속하는 데이터만 거리 측정 데이터로 추출하는 감마 필터를 더 포함하는 거리 측정 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 광원 유닛은 상기 광원으로부터 방사된 광의 경로를 상기 투영 광학계 또는 상기 내부 기준 광학계로 선택하는 광 경로 선택 수단을 더 포함하는 거리 측정 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 동적 데이터 개수 결정부는 식(4)와 식(5)에 의하여 데이터 평균 변화량이 소정의 값으로 수렴하는 경우 데이터 취득 횟수를 결정하는 거리 측정 장치.

   

   --- 식(4)

   

   --- 식(5)

   여기서, n은 데이터 번호, d_n은 n번째 데이터 값, a_n은 n번까지 데이터 평균, diff_a는 데이터 평균 변화량을 나타낸다.
5. 제4항에 있어서,

   상기 가중치 연산부는 다음 식들에 의한 가중 함수에 의하여 연산되는 거리 측정 장치.

   

   --- 식(6)

   

   --- 식(7)

   

   --- 식(8)

   

   --- 식(9)

   

   --- 식(10)

   여기서 i는 소집단 번호, n은 데이터 번호이며, n_a는 소집단의 데이터 개수이고 n_g는 모집단의 데이터 개수, a_i는 i번째 소집단 데이터의 평균, A는 모 데이터의 평균이다. W는 가중 함수, K는 데이터의 추출 범위이다.
6. 제5항에 있어서,

   상기 감마 필터는 식(11)에 의하여 거리 측정 데이터를 추출하는 거리 측정 장치.

   

   --- 식(11)

   여기서, R'은 감마 필터 적용 후의 거리 측정값, R은 감마 필터 적용 전의 거리 측정값, r은 가중 최소 자승법을 적용 한 거리 측정값, γ는 감마 필터의 계수를 나타낸다.
7. 거리 측정 방법에 있어서,

   외부 광경로에 의한 목표물까지의 왕복 시간과 내부 광경로의 시간을 측정하여 목표물의 거리를 측정하는 단계;

   측정 거리의 평균값을 계산하고 측정 거리 평균 변화량이 일정한 값 범위 내로 수렴하는 측정 데이터 개수를 결정하는 단계;

   취득 데이터 중 이상치의 영향을 제거하기 위하여 측정 데이터에 가중치를 적용하여 계산하는 단계; 및

   측정 데이터의 분포에서 평균값에서 일정한 범위내에 속하는 데이터를 거리 측정 데이터로 추출하는 단계를 포함하는 거리 측정 방법.

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