KR101178133B1 - 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대상물체의 표면 색깔에 관계 없이 대상물체에서 반사되는 반사광의 검출신호의 크기를 일정하게 제어할 수 있는 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명은 레이저 광원으로부터 대상물체에 투사된 후 반사되는 레이저광의 반사광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 광신호검출부에 역 바이어스 전압을 인가하는 역 바이어스 전압 제어기; 상기 광신호검출부에 의해 변환된 전기 신호를 처리하여 기준광과 상기 반사광의 위상차를 검출하는 신호처리부의 출력신호의 실효값(RMS, Root-Mean-Square)을 검출하는 실효값 검출기; 기준전압으로부터 상기 실효값 검출기로부터 검출되는 신호처리부의 출력신호의 실효값을 뺄셈연산하는 뺄셈기; 및 상기 기준전압과 상기 실효값의 차이값을 비례적분 연산하여 상기 역 바이어스 전압 제어기의 제어 신호로 출력하는 비례적분 제어기;를 포함한다.

Description

위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치 및 제어 방법{Device and method for controlling intensity of signal of LIDAR}
본 발명은 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대상물체의 표면 색깔에 관계 없이 대상물체에서 반사되는 반사광의 검출신호의 크기를 일정하게 제어할 수 있는 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
레이저 스캐너는 측정 가능 영역이 넓고 분해능이 우수하다는 장점이 있어 로봇항법, 건축, 3차원 형상측정, 무인자동차, 조선항만산업 등 산업 전반에서 널리 사용 되고 있다. 특히, 위상 검출을 통해 거리를 계산하는 방법(Phase shift Method)은 TOF(time-of-flight) 방식 중의 하나로서 수 미터에서 수십 미터 범위에 있는 물체의 거리를 측정하기 위하여 많이 사용된다.
도 1은 위상 검출 방식의 레이저 스캐너가 대상물체의 거리를 측정하는 원리를 도시하는 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 위상 검출 방식에 의한 거리 측정 원리는, 정현파로 변조되어 대상물체에 투사된 레이저광이 대상물체의 표면에서 확산 및 반사되어 되돌아온 반사신호와 기준신호의 위상차를 검출하여 대상물체까지의 거리를 측정한다. 따라서, 레이저 스캐너에는 레이저광의 위상차를 검출하기 위한 광소자가 필요한데, 일반적으로 APD(Avalanche Photo Diode) 소자가 많이 이용된다. APD는 광신호를 전기 신호로 변환하는 소자로서, 내부증폭률이 높기 때문에 대상물체에서 난반사된 낮은 크기의 레이저광도 검출할 수 있다.
그러나, 측정 대상물체의 표면 색깔에 따라 반사율이 다르기 때문에, 대상물체가 동일한 위치에 놓이더라도 대상물체에서 반사되는 레이저광의 광량이 대상물체의 표면 색깔에 따라 다를 수 있다. 대상물체에서 반사되는 레이저광의 광량이 변하면 APD의 증폭기 또는 주파수 천이회로에 사용되는 전자부품 소자들에 대한 입력 신호의 크기가 변함으로써, 대상물체의 표면 색깔에 따라 서로 다른 위상 지연이 발생된다. 즉, 동일한 위치에 놓인 물체에 의해 반사된 레이저광을 측정하더라도 측정 대상물체의 표면 색깔에 따라 반사광의 광량이 달라짐으로써 상이한 위상 지연이 발생하고, 이로 인해 거리 측정 결과가 달라질 수 있다. 따라서, 대상물체의 거리를 정확하게 측정하기 위해서는 대상물체에서 반사되는 레이저광의 전기 신호가 측정 대상물체의 표면 색깔에 관계없이 항상 일정한 크기로 신호처리부에 입력될 수 있도록 유지하는 것이 매우 중요하다.
한편, APD 소자의 위상 지연 특성 문제를 해결하기 위하여 대상물체에서 반사되는 레이저광의 전기 신호의 진폭을 일정하게 유지시켜주는 AGC(Auto Gain Controller) 또는 정규화(normalization) 회로가 이용될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112011037754574-pat00001
그러나, 수학식1에 표현된 것과 같이, AGC에 의하면 반사광의 전기 신호의 진폭을 검출한 후 이를 이용하여 반사광의 전기 신호를 나누어 주면 항상 일정한 진폭의 신호를 얻을 수 있다. 그러나, 수학식 1에 표현된 것과 같이, 상기의 나눗셈에 의하여 φ'텀이 추가됨으로써 또 다른 위상 지연이 유발된다. 일반적으로 φ'는 Vsig의 함수로 표현되고, 상기의 나눗셈에 의하여 반사광의 전기 신호의 진폭이 항상 일정하게 유지된다고 하더라도 이에 따른 위상변화 오차는 그대로 존재하는 문제점이 있다.
또한, 기존에 많이 사용되고 있는 정규화 방법의 경우 진폭이 정규화되면서 비선형적으로 위상 변화가 발생한다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 거리 측정 대상물체의 표면 색깔에 따라 반사광의 광량이 차이가 나더라도, 반사광의 위상을 검출하는 신호처리회로에는 일정한 크기의 반사광의 검출신호가 입력될 수 있도록 제어할 수 있는 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 레이저 광원으로부터 대상물체에 투사된 후 반사되는 레이저광의 반사광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 광신호검출부에 역 바이어스 전압을 인가하는 역 바이어스 전압 제어기; 상기 광신호검출부에 의해 변환된 전기 신호를 처리하여 기준광과 상기 반사광의 위상차를 검출하는 신호처리부의 출력신호의 실효값(RMS, Root-Mean-Square)을 검출하는 실효값 검출기; 기준전압으로부터 상기 실효값 검출기로부터 검출되는 신호처리부의 출력신호의 실효값을 뺄셈연산하는 뺄셈기; 및 상기 기준전압과 상기 실효값의 차이값을 비례적분 연산하여 상기 역 바이어스 전압 제어기의 제어 신호로 출력하는 비례적분 제어기;를 포함하는 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 광신호검출부가 대상물체에서 반사되는 레이저광의 반사광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 단계; 신호처리부가 상기 광신호검출부에 의해 변환된 상기 반사광의 검출신호를 처리하는 단계; 실효값 검출기가 상기 신호처리부의 출력신호의 실효값을 검출하는 단계; 뺄셈시가 기준전압과 상기 실효값을 비교하여 차이값을 얻는 단계; 비례적분 제어기가 상기 차이값을 비례적분 연산하여 제어값을 출력하는 단계; 및 역 바이어스 전압 제어기가 상기 제어값을 입력받아 역 바이어스 전압을 상기 광신호검출부에 인가하는 단계;를 포함하는 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 광신호검출부는 APD(Avalanche Photo Diode)인 것이 바람직하고, 상기 레이저 광원은 레이저 다이오드인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 신호처리부에 입력되는 반사광의 검출신호의 크기가 비례적분 제어기에 의하여 일정하게 제어되므로, 대상물체의 표면 색깔에 관계없이 대상물체의 거리를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 위상 검출 방식의 레이저 스캐너가 대상물체의 거리를 측정하는 원리를 도시하는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치의 블록선도이다.
도 3은 위상 검출 방식 레이저 스캐너에 있어서 반사광의 위상값을 검출하기 위한 신호처리부의 일 실시예의 블록선도이다.
도 4는 증폭기의 입력신호 크기 및 증폭률에 따른 위상지연 특성을 도시하는 그래프이다.
도 5는 APD의 역 바이어스 전압에 따른 증폭률 변화 특성을 도시하는 그래프이다.
도 6은 APD의 역 바이어스 전압의 변화에 따라 신호처리부에 의해 측정되는 대상물체의 거리를 도시하는 그래프이다.
도 7의 (a)는 검출신호의 크기를 제어하기 전에 대상물체의 표면 색깔에 따른 거리 오차를 도시하는 그래프이고, 도 7의 (b)는 검출신호의 크기를 제어한 후에 대상물체의 표면 색깔에 따른 거리 오차 측정 결과를 도시하는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 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 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 위상 검출 방식의 레이저 스캐너가 대상물체의 거리를 측정하는 원리를 도시하는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치의 블록선도이며, 도 3은 위상 검출 방식 레이저 스캐너에 있어서 반사광의 위상값을 검출하기 위한 신호처리부의 일 실시예의 블록선도이다. 그리고, 도 4는 증폭기의 입력신호 크기 및 증폭률에 따른 위상지연 특성을 도시하는 그래프이고, 도 5는 APD의 역 바이어스 전압에 따른 증폭률 변화 특성을 도시하는 그래프이다. 그리고, 도 6은 APD의 역 바이어스 전압의 변화에 따라 신호처리부에 의해 측정되는 대상물체의 거리를 도시하는 그래프이며, 도 7의 (a)는 검출신호의 크기를 제어하기 전에 대상물체의 표면 색깔에 따른 거리 오차를 도시하는 그래프이고, 도 7의 (b)는 검출신호의 크기를 제어한 후에 대상물체의 표면 색깔에 따른 거리 오차 측정 결과를 도시하는 그래프이다.
위상 검출 방식 레이저 스캐너는 도 1에 도시된 바와 같이, 거리측정 대상물체(20)에 투사된 후 대상물체(20)의 표면에서 확산 및 반사되어 되돌아온 레이저광의 반사광(12)과 기준광(11)의 위상 차이를 이용하여 거리를 측정한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 위상 검출 방식 레이저 스캐너는, 레이저광을 대상물체(20)로 조사하는 레이저 광원(10)와, 반사광(12)을 전기 신호로 변환하는 광신호검출부(30)와, 광신호검출부(30)로부터 출력되는 전기 신호를 처리하여 기준광(11)과 반사광(12)의 위상차를 검출하는 신호처리부(80)를 포함한다. 또한, 위상 검출 방식 레이저 스캐너는, 레이저광을 정현파로 변조하는 정현파 변조기(미도시)와, 레이저광이 대상물체(20)로부터 반사되는 반사광(12)을 집광하는 집광렌즈(90)를 더 포함할 수 있다.
광신호검출부(30)는 대상물체(20)에서 반사된 레이저광의 반사광(12)을 검출하여 전기 신호로 변환한다. 광신호검출부(30)는 APD(Avalanche Photo Diode)(31)인 것이 바람직하다. APD(31)는 높은 역 바이어스 전압을 인가하여 빛에 의해 발생한 전자가 높은 전계에서 가속되어 원자와 충돌하여 새로운 전자와 정공이 발생하도록 함(Avalanche effect, 눈사태 효과)으로써 역 바이어스 전압에 비례하는 높은 증폭률을 가지며, 역 바이어스 전압 변화에 따라 증폭률 또한 변화한다. 이와 같은 특징으로 인하여, APD(31)는 신호 대 잡음비(S/N ratio)가 높고, 고속 신호처리에 적합하다는 장점이 있다.
위상 검출 방식 레이저 스캐너는 다음과 같은 방법으로 신호처리를 수행한다. 레이저 광원으로부터 방출되는 레이저광이 주파수 ωsig, 진폭 Vr의 정현파로 변조된다. 본 실시예의 경우, 레이저 광원(10)는 레이저 다이오드이며, 레이저광은 40MHz의 주파수를 가진다. 정현파로 변조된 레이저광의 기준광(11) Vref은 다음 식과 같이 표현 될 수 있다.
[수학식 2]
Vref=Vrsinωsigt
대상물체(20)에 투사된 후 대상물체(20)의 표면에서 반사되는 레이저광의 반사광(12) Vd는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Vd=Vsigsin(ωsigt+φd)
여기서, φd는 반사광(12)의 위상값, Vsig는 APD(31)에 의해 검출된 반사광(12)의 진폭이다.
φd는 대상물체(20)의 거리 정보를 갖고 있으며, 신호처리부(80)는 반사광(12) 신호 Vd를 처리하여 φd를 검출하고, 이로부터 대상물체(20)의 거리를 산출한다.
도 3에는 반사광(12)의 위상값 φd를 검출하기 위한 신호처리부(80)의 일 실시예의 블록선도가 도시된다. 신호처리부(80)는 반사광(12)의 검출신호를 처리하는 과정에서 증폭기를 이용하여 검출신호를 증폭하거나, 곱셈기를 이용하여 두 신호를 곱하는 경우 신호처리부(80) 내의 전자 부품들의 동특성에 의해 신호처리부(80)에 입력되는 검출신호의 크기 차이에 따라 다양한 위상 지연이 발생하게 된다. 증폭기의 경우를 예로 들어보면 도 4에 도시된 바와 같이 증폭률 및 입력되는 신호의 크기에 따라 서로 다른 위상 지연이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
신호처리부(80)에 의해 처리되어 출력되는 신호 Vd'는 다음 식과 같이 표현된다.
[수학식 4]
Vd'=Vsigsin[ωsigt+φd+φ'(Vsig)]
수학식 4는 수학식 3에 신호처리부(80)의 전자부품들의 동특성에 의해 발생된 위상에러 φ'(Vsig)가 더해진 형태이다. 수학식 4로부터, 신호처리부(80)에 입력되는 반사광(12)의 검출신호의 진폭을 항상 일정하게 유지하더라도 이에 따른 위상 변화오차는 그대로 존재하게 된다는 것을 알 수 있다. 아주 작은 위상에러도 수십 mm의 거리를 나타내므로 신호처리 과정에서 생길 수 있는 위상 에러를 제거하여야 한다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, APD(31)의 역 바이어스 전압이 변경되면 APD(31)의 증폭률이 변경되고, 수학식 4에 표기된 바와 같이 증폭률의 변화에 따라 검출신호의 크기 Vsig가 변하게 되어 위상에러 φ'(Vsig) 또한 변하게 된다. 이와 같은 APD(31)의 특성을 이용하여 신호처리부(80)에 입력되는 반사광(12)의 검출신호를 항상 일정한 크기로 유지할 수 있도록 제어기를 구성한다.
본 발명에 따른 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치(이하 '검출신호 크기 제어 장치'라 함)는 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 신호처리부(80)에 입력되는 레이저광의 반사광(12)의 검출신호의 크기를 일정 레벨로 제어하기 위한 것으로서, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 검출신호 크기 제어 장치는, 대상물체(20)에서 반사되는 레이저광의 반사광(12)을 검출하여 전기 신호로 변환하는 APD(31)에 역 바이어스 전압을 인가하는 역 바이어스 전압 제어기(40)와, APD(31)에 의해 변환된 전기 신호를 처리하여 기준광(11)과 반사광(12)의 위상차를 검출하는 신호처리부(80)의 출력신호의 실효값(RMS, Root-Mean-Square)을 검출하는 실효값 검출기(50)와, 기준전압으로부터 실효값 검출기(50)로부터 출력되는 실효값을 뺄셈연산하는 뺄셈기(60)와, 기준전압과 실효값의 차이값을 비례적분 연산하여 역 바이어스 전압 제어기(40)의 제어 신호로 출력하는 비례적분 제어기(70)를 포함한다.
역 바이어스 전압 제어기(40)는 APD(31)를 구동하기 위한 역 바이어스 전압을 APD(31)에 인가한다. 역 바이어스 전압 제어기(40)가 APD(31)에 인가하는 역 바이어스 전압은 비례적분 제어기(70)에 의해 제어된다. APD(31)에 인가되는 역 바이어스 전압이 반사광(12)의 검출신호의 크기에 따라 가변적으로 제어됨으로써 APD(31)의 증폭률이 조절되고, 결과적으로 APD(31)에 의해 검출되어 신호처리부(80)에 입력되는 반사광(12)의 검출신호의 크기가 일정한 크기로 제어될 수 있다.
실효값 검출기(50)는 신호처리부(80)의 출력신호의 실효값을 검출한다. 신호처리부(80)의 출력신호의 실효값을 기준전압과 비교하여 차이가 발생하는 경우, 그 차이값을 이용하여 APD(31)에 인가되는 역 바이어스 전압을 제어함으로써 신호처리부(80)의 출력신호의 실효값을 기준전압과 동일한 레벨로 유지시킬 수 있다. 이때, 기준전압은 사용자의 필요에 따라 다양하게 조절할 수 있다.
비례적분 제어기(70)는 기준전압과 신호처리부(80)의 출력신호 Vd'의 차이값을 비례적분 연산하여 역 바이어스 전압 제어기(40)의 입력 신호로 출력함으로써, 신호처리부(80)의 출력신호 Vd'가 기준전압과 동일한 크기가 되도록 제어한다. 이를 위해, 비례적분 제어기(70)는, 기준전압과 신호처리부(80)의 출력신호 Vd'의 실효값의 차이값의 일정 비례값과 그 시점까지의 기준전압과 신호처리부(80)의 출력신호 Vd'의 실효값의 차이값을 축적 가산한 적분값을 동시에 출력한다. 비례적분 제어기(70)를 이용하여 신호처리부(80)의 출력신호가 커지면 역 바이어스 전압을 낮추고, 반대로 신호처리부(80)의 출력신호가 작아지면 역 바이어스 전압을 높임으로써 신호처리부(80)에 입력되는 반사광(12)의 검출신호가 항상 일정한 크기로 유지될 수 있도록 한다. 이에 따라, 대상물체(20)의 표면 색깔에 관계없는 거리 측정 성능을 유지하도록 한다.
위와 같은 구성에 의하여, 수학식 4에 표기된 바와 같이 신호처리부에 입력되는 검출신호의 크기 Vsig가 일정하게 유지됨으로써 위상에러 φ'(Vsig) 또한 일정하게 유지된다. 따라서, 신호처리부에서 위상에러 φ'(Vsig)가 발생하더라도 항상 동일한 크기의 위상에러가 발생하므로 이를 보정 해줌으로써 다양한 표면 색깔을 가지는 대상물체의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 신호처리부(80)에 입력되는 반사광(12)의 검출신호를 일정하게 유지시킴으로써, 대상물체(20)가 다양한 표면 색깔을 가지더라도 대상물체(20)의 거리를 정확하게 측정할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 레이저 광원 11 : 기준광
12 : 반사광 20 : 대상물체
30 : 광신호검출부 31 : APD
40 : 역 바이어스 전압 제어기 50 : 실효값 검출기
60 : 뺄셈기 70 : 비례적분 제어기
80 : 신호처리부 90 : 집광렌즈

Claims (6)

  1. 레이저 광원으로부터 대상물체에 투사된 후 반사되는 레이저광의 반사광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 광신호검출부에 역 바이어스 전압을 인가하는 역 바이어스 전압 제어기;
    상기 광신호검출부에 의해 변환된 전기 신호를 처리하여 기준광과 상기 반사광의 위상차를 검출하는 신호처리부의 출력신호의 실효값(RMS, Root-Mean-Square)을 검출하는 실효값 검출기;
    기준전압으로부터 상기 실효값 검출기로부터 검출되는 신호처리부의 출력신호의 실효값을 뺄셈연산하는 뺄셈기; 및
    상기 기준전압과 상기 실효값의 차이값을 비례적분 연산하여 상기 역 바이어스 전압 제어기의 제어 신호로 출력하는 비례적분 제어기;
    를 포함하는 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광신호검출부는 APD(Avalanche Photo Diode)인 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 레이저 다이오드인 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 장치.
  4. 광신호검출부가 대상물체에서 반사되는 레이저광의 반사광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 단계;
    신호처리부가 상기 광신호검출부에 의해 변환된 상기 반사광의 검출신호를 처리하는 단계;
    실효값 검출기가 상기 신호처리부의 출력신호의 실효값을 검출하는 단계;
    뺄셈시가 기준전압과 상기 실효값을 비교하여 차이값을 얻는 단계;
    비례적분 제어기가 상기 차이값을 비례적분 연산하여 제어값을 출력하는 단계; 및
    역 바이어스 전압 제어기가 상기 제어값을 입력받아 역 바이어스 전압을 상기 광신호검출부에 인가하는 단계;
    를 포함하는 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광신호검출부는 APD(Avalanche Photo Diode)인 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 레이저광은 레이저 다이오드로부터 출력되는 위상 검출 방식 레이저 스캐너의 검출신호 크기 제어 방법.
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KR101027808B1 (ko) 2009-05-18 2011-04-07 광주과학기술원 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치와 그 방법, 및 상기 장치를 구비하는 레이저 스캐너

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