KR101272908B1 - Lidar system and signal processing method using spectral time-of flight(tof) - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 분광 비행시간법을 이용한 라이더(LIDAR) 시스템과 라이더 신호 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 극초단 펄스의 파장별 도달 시간차를 이용하여 측정대상의 절대거리와 물성정보를 획득할 수 있는 라이더(LIDAR) 시스템과 신호처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a rider (LIDAR) system and a rider signal processing method using the spectroscopic flight time method, and more specifically, it is possible to obtain the absolute distance and the property information of the measurement target by using the time difference of arrival of each ultrashort pulse. Rider (LIDAR) system and signal processing method.
라이더(LIDAR, light detection and ranging)는 빛을 이용한 원격분석 기술로, 일반적으로 잘 알려진 레이더(RADAR, radio detection and ranging)와 작동원리가 유사하다.Light detection and ranging (LIDAR) is a light-based telemetry technique that is similar in principle to the well-known radar (radio detection and ranging).
레이더(RADAR)는 마이크로파 정도의 전자기파를 물체에 반사시켜 상기 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도 등을 알아내는 반면, 라이더(LIDAR)는 가시광선이나 적외선 영역의 빛을 이용하여 측정 대상물질의 거리 정보 및 물성 정보를 획득하기 때문에 보다 정밀한 거리 관측에 이용되고 있다.The radar reflects the electromagnetic wave of the microwave level to the object and receives the electromagnetic wave reflected from the object to find the distance, direction, and altitude of the object, while the rider (LIDAR) emits light in the visible or infrared region. It is used for more precise distance observation because it acquires distance information and physical property information of the material to be measured.
종래 지상무인차량의 거리 측정 센서로는 펄스 레이저와 비행시간법을 이용하여 측정 대상물의 위치를 파악하는 TLS(terrestrial laser scanner)가 활용되고 있으며, 측정 대상물의 절대거리는 아래의 수학식 1과 같이 구할 수 있다. 이때, 비행시간법은 측정 대상물을 맞고 돌아오는 펄스 레이저의 왕복시간에 빛의 속도를 곱하여 측정 대상물의 거리를 측정하는 것으로 펄스의 송신시간과 수신시간의 차를 이용한다.Conventionally, as a distance sensor of an unmanned vehicle, a terrestrial laser scanner (TLS) is used to detect a location of a measurement object using a pulse laser and a flight time method, and an absolute distance of the measurement object is obtained as shown in
여기서, c는 빛의 속도이며, 은 펄스의 왕복시간이고, N은 빛이 통과한 경로의 군굴절률이다.Where c is the speed of light Is the round trip time of the pulse, and N is the group refractive index of the path through which light passes.
따라서, 수학식 1에 의하면 검출기를 통해 펄스의 왕복시간을 정확히 측정할 수 있다면 거리제한 없이 측정 대상물의 절대 위치를 측정할 수 있다.Therefore, according to
도 1은 종래 펄스 레이저를 이용한 절대 거리 측정 원리를 도시한 것이다.1 illustrates an absolute distance measuring principle using a conventional pulse laser.
도 1에서 보면, 높은 대역폭을 가지는 외부 클럭(Clock)을 이용하여 시작 펄스와 정지 펄스의 상승 에지 값의 차이를 측정함으로써 거리를 계산할 수 있다.Referring to FIG. 1, the distance may be calculated by measuring a difference between the rising edge values of the start pulse and the stop pulse using an external clock having a high bandwidth.
도 1에서 상승 에지와 시작 펄스 및 정지 펄스 사이의 위상차를 각각 ε와 σ라고 하면 실제 시작 펄스와 정지 펄스의 시간 차이()는 아래의 수학식 2와 같다.In FIG. 1, when the phase difference between the rising edge and the start pulse and the stop pulse is ε and σ, respectively, the time difference between the actual start pulse and the stop pulse ( ) Is shown in Equation 2 below.
따라서, 도 1과 같이 클럭을 이용하여 측정된 과 사이에는 측정시간의 오차가 발생하며, 이로 인하여 거리 측정 오차가 발생한다.Therefore, as measured using a clock as shown in FIG. and An error in the measurement time occurs between, and thus a distance measurement error occurs.
이때 거리 측정 오차는 이며, 최대 값은 가 된다.The distance measurement error is , The maximum value is .
따라서, 극초단 펄스를 종래의 비행시간법에 적용할 경우 클럭의 검출 대역폭과 광검출기의 대역폭에 의해 종래 펄스레이저를 이용한 거리측정과 같이 측정 오차가 발생하게 된다.Therefore, when the ultra-short pulse is applied to the conventional time-of-flight method, a measurement error occurs due to the detection bandwidth of the clock and the bandwidth of the photodetector as in the distance measurement using a conventional pulse laser.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 Joohyung Lee, Young Jin Kim, Keunwoo Lee, Sanghyun Lee 및 Seung Woo Kim에 의해 제안된 논문 "Time-of flight measurement with femtosecond light pulses(Nature photonics, 2010.10, vol.4, pp.716-720)"에는 거리 측정에 있어서 150fs의 좁은 펄스폭을 가지는 광원을 사용하여 수 nm의 거리 분해능을 획득하는 내용이 개시되어 있다.In order to solve this problem, the papers proposed by Joohyung Lee, Young Jin Kim, Keunwoo Lee, Sanghyun Lee, and Seung Woo Kim "Time-of flight measurement with femtosecond light pulses (Nature photonics, 2010.10, vol. 4, pp. 716-720) discloses a distance resolution of several nm using a light source having a narrow pulse width of 150 fs for distance measurement.
그러나 상기 방법에 따르면 200m 이하의 범위에서 측정이 불가능한 지점이 존재하며 이를 해결하기 위해서는 광원의 반복률 증배 방법이 추가되어야 한다는 점과 정확한 시간차 검출을 위해서는 각 목표지점에서 두 펄스간의 시간차를 일정한 값에 잠금하는 과정이 추가로 필요하다는 점 등의 문제가 있다.However, according to the above method, there is a point that cannot be measured in the range of 200m or less, and in order to solve this problem, it is necessary to add a repetition rate multiplication method of the light source. There are problems such as the need for an additional process.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 처프된 극초단 펄스의 파장별 도달 시간차이를 이용하여 측정대상의 절대거리를 측정함으로써 측정 오차를 감소시킬 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a system that can reduce the measurement error by measuring the absolute distance of the measurement object by using the time difference of arrival of each wavelength of the chirped ultrashort pulse.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 검출기를 통해 획득한 파장별 광강도 분포를 이용하여 측정대상의 흡광 스펙트럼을 획득함으로써 측정대상의 물성정보를 얻을 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a system that can obtain information on the physical properties of the measurement target by obtaining the absorption spectrum of the measurement target using the light intensity distribution for each wavelength obtained through the detector.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 레이저로부터 출력되는 극초단 펄스를 두 개로 분리하여 송신하는 송신부와, 상기 두 개로 분리된 극초단 펄스가 측정대상과 위치가 고정된 기준대상에 각각 반사되어 돌아오는 측정펄스와 기준펄스를 수신하는 수신부와, 상기 수신된 측정펄스와 기준펄스를 분산시켜 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 생성하여 출력하는 분산부와, 상기 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 파장별로 분리하여 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 생성하여 출력하는 분광부와, 상기 파장에 따라 입사되는 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 순차적으로 전기신호로 변환하고 각 펄스의 클럭수와 파장별 도달 시간값 및 파장별 광강도 분포를 획득하는 검출부 및 상기 클럭수와 파장별 도달 시간값을 통해 상기 측정펄스와 기준펄스의 파장별 측정 시간차를 획득하여 상기 측정대상의 절대 거리를 파악하고, 상기 파장별 광강도 분포를 통해 상기 측정대상의 흡광 스펙트럼을 획득하여 상기 측정대상의 물성정보를 파악하는 제어부를 포함하여 이루어지는 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템을 일 실시예로 제안한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a transmitter for separating and transmitting two ultra-short pulses output from a laser, and the two ultra-short pulses are reflected on a measurement object and a reference object having a fixed position. A receiver for receiving a measurement pulse and a reference pulse, a dispersion unit for dispersing the received measurement pulse and the reference pulse to generate and output a chirped measurement pulse and a chirped reference pulse, and the chirped measurement pulse and the chirped reference A spectroscope which generates and outputs a spectroscopic measurement pulse and a spectroscopic reference pulse by separating the pulses by wavelength, and converts the incident spectroscopic measurement pulse and the spectroscopic reference pulse according to the wavelength into electrical signals in sequence, and then clocks and wavelengths of each pulse. A detection unit for acquiring the time of arrival for each star and the distribution of light intensity for each wavelength, and the measurement pulse and the unit based on the number of clocks and the time of arrival for each wavelength. And a control unit for acquiring a measurement time difference for each wavelength of a pulse to determine an absolute distance of the measurement target, and acquiring an absorption spectrum of the measurement target through the light intensity distribution for each wavelength to determine physical property information of the measurement target. A rider system using the spectroscopic time method is proposed as an example.
상기 분산부는, 극초단 펄스로 구성된 상기 기준 펄스와 상기 측정 펄스에 대하여 각 파장 성분의 군속도(group velocity)에 차이를 발생시켜 펄스를 퍼뜨림으로써 파장별 펄스가 서로 다른 시간에 특정지점을 통과하도록 처프시킬 수 있다.The dispersing unit generates a difference in the group velocity of each wavelength component with respect to the reference pulse and the measurement pulse composed of the ultrashort pulses and spreads a pulse so that the pulse for each wavelength passes a specific point at different times. You can chirp.
상기 분광부는, 프리즘, 회절격자, 미러 및 광파이버 등을 이용하여 상기 처프된 기준 펄스와 상기 처프된 측정 펄스를 파장별로 분리할 수 있다.The spectroscope may separate the chirped reference pulse and the chirped measurement pulse by wavelength using a prism, a diffraction grating, a mirror, an optical fiber, and the like.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 송신부를 통해 레이저로부터 출력되는 극초단 펄스를 두 개로 분리하여 송신하는 단계와, 수신부를 통해 상기 두 개로 분리된 극초단 펄스가 각각 측정대상과 위치가 고정된 기준대상에 반사되어 돌아오는 측정펄스와 기준펄스를 수신하는 단계와, 분산부를 통해 상기 수신된 측정펄스와 기준펄스를 분산시켜 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 생성하여 출력하는 단계와, 분광부를 통해 상기 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 파장별로 분리하여 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 생성하여 출력하는 단계와, 검출부를 통해 상기 파장에 따라 입사되는 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 전기신호로 변환하고 각 펄스의 클럭수와 파장별 도달 시간값 및 파장별 광강도 분포를 획득하는 단계 와 제어부를 통해 상기 클럭수와 파장별 도달 시간값을 이용하여 상기 측정펄스와 기준펄스의 파장별 측정 시간차를 획득하고 상기 측정대상의 절대 거리를 파악하는 단계 및 제어부를 통해 상기 파장별 광강도 분포를 이용하여 상기 측정대상의 흡광 스펙트럼을 획득하고 상기 측정대상의 물성정보를 파악하는 제어부를 포함하여 이루어지는 분광 비행시간법을 이용한 라이더 신호처리 방법을 다른 실시예로 제안한다.In order to solve the above problems, the present invention comprises the steps of separating and transmitting two ultra-short pulses output from the laser through the transmitter, and the two ultra-short pulses are separated from the measuring unit and the position is respectively fixed Receiving a measurement pulse and a reference pulse reflected back to a reference object, dispersing the received measurement pulse and the reference pulse through a dispersion unit to generate and output a chirped measurement pulse and a chirped reference pulse, and spectroscopy Generating a spectroscopic measurement pulse and a spectroscopic reference pulse by separating the chirped measurement pulses and the chirped reference pulses for each wavelength through a signal, and outputting the spectroscopic measurement pulses and the spectroscopic reference pulses incident to the wavelengths through a detector; Converting into a signal and acquiring the clock number of each pulse, the arrival time value for each wavelength, and the light intensity distribution for each wavelength; Using the clock number and the arrival time value for each wavelength, the measurement time difference between the measurement pulse and the reference pulse is acquired for each wavelength, and the absolute distance of the measurement target is determined. According to another embodiment, a rider signal processing method using a spectroscopic flight time method including a control unit for acquiring an absorption spectrum of the measurement target and grasping the physical property information of the measurement target is provided.
본 발명에 의하면, 처프된 극초단 펄스의 파장별 도달 시간차를 이용하여 측정대상의 절대거리를 측정함으로써 측정 오차를 감소시킬 수 있으며, 종래 광검출기의 검출 한계나 클럭의 대역폭으로 인해 제한되었던 검출 분해능을 향상시킬 수 있다. 또한, 광검출부에서 획득한 파장별 광강도 분포를 통해 측정대상의 물성정보를 획득할 수 있다.According to the present invention, the measurement error can be reduced by measuring the absolute distance of the measurement target by using the time difference of arrival of the chirped ultrashort pulses for each wavelength, and the detection resolution that was limited due to the detection limit of the conventional photodetector or the bandwidth of the clock. Can improve. In addition, the property information of the measurement target may be obtained through the light intensity distribution for each wavelength obtained by the light detector.
도 1은 종래 펄스 레이저를 이용한 절대 거리 측정 원리를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분광 비행시간법을 이용한 거리 측정 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파장별 펄스 신호의 전기적 신호 변환을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기준펄스의 파장별 시간 측정 방법을 도시한 것이다.1 illustrates an absolute distance measuring principle using a conventional pulse laser.
Figure 2 schematically shows a distance measuring method using the spectroscopic flight time method according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the configuration of a rider system using the spectroscopic flight time method according to an embodiment of the present invention.
4 illustrates an electrical signal conversion of a pulse signal for each wavelength according to an embodiment of the present invention.
5 illustrates a time measurement method for each wavelength of a reference pulse according to an exemplary embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서, 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하며 명세서 전체를 통하여 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted to clearly describe the present invention, and the same reference numerals are used for the same parts throughout the specification.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Whenever a component is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements, not the exclusion of any other element, unless the context clearly dictates otherwise. In addition, the terms “… unit”, “module”, etc. described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware, software, or a combination of software.
명세서 전체에서 "극초단 펄스"는 시간폭이 펨토초 영역인 매우 짧은 펄스를 의미하며, "기준대상"은 위치가 고정되어 절대거리를 알고 있는 타겟(target)을 의미하고, "측정대상"은 본 발명의 라이더 시스템을 통해 절대거리 또는 물성정보를 획득하고자 하는 타겟(target)을 의미한다.
Throughout the specification, "extreme pulse" means a very short pulse having a time width of femtosecond region, "reference object" means a target having a fixed position and knowing an absolute distance, and "measurement object" By a rider system of the present invention means a target (target) to obtain absolute distance or property information.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분광 비행시간법을 이용한 거리 측정 방법을 개략적으로 도시한 것이다.Figure 2 schematically shows a distance measuring method using the spectroscopic flight time method according to an embodiment of the present invention.
극초단 펄스 레이저에서 출력된 펄스는 두 펄스로 분리되고 하나의 펄스는 위치가 고정된 기준면에 반사된 후 기준펄스(Reference signal)로 돌아오고 다른 하나의 펄스는 측정 대상물에 반사된 후 측정펄스(Measurement signal)로 돌아온다.The pulse output from the ultra-short pulse laser is divided into two pulses, and one pulse is reflected on the fixed reference plane and then returned to the reference signal, and the other pulse is reflected on the measurement object and then measured pulse ( Return to Measurement signal.
상기 기준펄스와 측정펄스는 시간축을 기준으로 짧은 펄스 폭을 유지하는데 상기 기준펄스와 측정펄스를 분산값이 큰 매질에 통과시키면 군속도 분산이 발생하고 펄스 내에 포함된 각 파장 성분이 한 지점에 도달하는데에 소요되는 시간이 변하게 된다.The reference pulse and the measurement pulse maintain a short pulse width with respect to the time axis. When the reference pulse and the measurement pulse are passed through a medium having a large dispersion value, group velocity dispersion occurs and each wavelength component included in the pulse reaches one point. The time it takes to change.
이로 인해, 시간 축으로 보면 기준펄스와 측정펄스에 처프 현상이 일어나게 된다.Therefore, in the time axis, the chirp phenomenon occurs in the reference pulse and the measurement pulse.
처프된 기준펄스와 처프된 측정펄스는 광분광기를 통과한 후 각각 다채널 광검출기로 입사하게 되며, 광검출기의 각 채널에서 입사된 파장별 펄스 성분이 전기적 신호로 변환되어 측정대상의 거리를 측정한다.The chirped reference pulses and the chirped measurement pulses pass through the optical spectrometer and then enter the multi-channel photodetector, and the pulse components for each wavelength incident from each channel of the photodetector are converted into electrical signals to measure the distance of the measurement target. do.
아래에서는 본 발명의 실시예에 따른 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템을 통해 측정대상의 절대거리와 물성정보를 획득하는 방법에 대하여 자세히 설명한다.Hereinafter, a method of obtaining absolute distance and physical property information of a measurement target through a rider system using a spectroscopic flight time method according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템의 구성을 도시한 것이다.Figure 3 shows the configuration of a rider system using the spectroscopic flight time method according to an embodiment of the present invention.
도 3의 라이더 시스템(30)은 극초단 펄스를 이용하여 측정대상의 절대거리와 물성정보를 획득할 수 있으며, 송신부(31), 수신부(32), 분산부(33), 분광부(34), 검출부(35) 및 제어부(36)를 포함하여 이루어진다.The
송신부(31)는 가시광선이나 적외선 영역의 빔을 조사하는 펄스 레이저를 포함하며, 상기 펄스 레이저에서 출력되는 극초단 펄스를 두 개로 분리하여 각각 측정대상(10)과 기준대상(20)에 조사한다.The
또한, 송신부(31)는 제어부(36)와 연결되어 제어부(36)를 통해 조사하는 빔의 주파수나 파장을 제어할 수 있다.(도 1에 미도시)In addition, the
수신부(32)는 송신부(31)에 의해 조사된 두 개의 극초단 펄스가 각각 측정대상(10)과 기준대상(20)에 반사되어 돌아오는 측정펄스와 기준펄스를 수신한다.The
분산부(33)는 수신부(32)에 의해 수신된 측정펄스와 기준펄스를 분산시켜 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 생성하고 분광부(34)로 출력한다.The
이때 극초단 펄스로 구성된 측정펄스와 기준펄스에 대하여 각 파장성분의 군속도에 차이를 발생시켜 펄스를 퍼뜨림으로써 파장별 펄스가 서로 다른 지점을 통과하도록 처프시킨다.At this time, the pulses for each wavelength pass through different points by spreading the pulse by generating a difference in the group velocity of each wavelength component with respect to the measurement pulse and the reference pulse composed of the ultra-short pulses.
이로써 측정펄스와 기준펄스는 각 파장의 진동수가 변하지 않은 채 파장의 길이가 달라짐으로써 파장별 속도의 차이가 발생하게 된다.As a result, the measurement pulse and the reference pulse have different wavelengths without changing the frequency of each wavelength, thereby causing a difference in speed for each wavelength.
이때, 측정펄스와 기준펄스의 길이는 매질의 거리에 따라 증가하므로 측정펄스와 기준펄스의 분산 정도는 클럭의 주기가 일 경우, 클럭의 반 주기 즉, 가 되도록 매질의 길이를 결정해주는 것이 바람직하다.At this time, since the length of the measurement pulse and the reference pulse increases with the distance of the medium, the degree of dispersion of the measurement pulse and the reference pulse has a clock cycle. , The half period of the clock, It is desirable to determine the length of the medium so that
분광부(34)는 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 파장별로 분리하고 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 생성하여 검출부(35)로 출력한다.The
이때, 분광부(34)는 프리즘, 회절격자, 미러 및 광파이버 중 하나로 구현될 수 있다.In this case, the
검출부(35)는 분광부(34)에 의해 파장에 따라 입사되는 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 전기신호로 변환하며, pn접합 광다이오드, pin 광다이오드, 금속반도체금속다이오드, 양자우물형 다단계 다이오드, 레이저다이오드, 발광다이오드 및 이들의 결합형태 등으로 구현될 수 있다.The
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파장별 펄스 신호의 전기적 신호 변환을 도시한 것이다.4 illustrates an electrical signal conversion of a pulse signal for each wavelength according to an embodiment of the present invention.
도 4에서 보듯, 파장별로 획득되는 전기신호는 처프된 정도에 따라 소정의 시간 간격을 두고 발생한다.As shown in FIG. 4, an electrical signal obtained for each wavelength is generated at predetermined time intervals according to the degree of chirping.
이때 발생하는 파장별 시간차를 측정하여 종래 광검출기의 검출 한계와 클럭의 대역폭에 의해 제한되었던 검출 분해능을 향상시킬 수 있다.At this time, by measuring the time difference according to the wavelength can be improved the detection resolution that was limited by the detection limit of the conventional photodetector and the bandwidth of the clock.
또한, 상기 전기신호를 통해 각 펄스의 클럭수와 파장별 도달 시간값 및 파장별 광강도 분포를 획득한다.In addition, the clock number of each pulse, the arrival time value for each wavelength, and the light intensity distribution for each wavelength are obtained through the electric signal.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기준펄스의 파장별 시간 측정 방법을 도시한 것이다.5 illustrates a time measurement method for each wavelength of a reference pulse according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5에서 보면, 검출부(35)를 통해 전기신호로 변환된 기준펄스에 대하여 파장별 클럭의 상승 에지값을 통해 파장의 도달 시간값과 클럭수를 획득할 수 있다.Referring to FIG. 5, the arrival time value of the wavelength and the number of clocks may be obtained from the rising edge value of the clock for each wavelength with respect to the reference pulse converted into the electrical signal through the
또한, 도 5와 유사한 방법으로 측정펄스에 대하여 파장별 도달 시간값과 클럭수 역시 획득할 수 있다.In addition, the arrival time value and the number of clocks for each wavelength can also be obtained in a method similar to that of FIG. 5.
제어부(36)는 검출부(35)에서 획득한 클럭수와 파장별 도달 시간값 및 파장별 광강도 분포를 이용하여 측정대상(10)의 절대거리와 물성정보를 산출한다.The
제어부(36)는 검출부(35)에서 획득한 클럭수와 파장별 도달 시간값을 통해 측정펄스와 기준펄스의 파장별 도달 시간차를 산출하고 이를 이용하여 측정대상(10)의 절대거리를 획득한다.The
이때, 도 5의 파장별 도달 시간 측정 방법에 따른 측정 거리의 오차는 아래의 수학식 3과 같으며, 종래 비행시간법에 비하여 측정 거리 오차가 2N배로 감소한 것을 확인할 수 있다.At this time, the error of the measurement distance according to the arrival time measurement method for each wavelength of FIG. 5 is shown in Equation 3 below, and it can be seen that the measurement distance error is reduced by 2N times as compared to the conventional flight time method.
이때, 는 클럭의 주기이며, 는 펄스의 분산 정도이고, N은 검출부의 채널 개수이다.At this time, Is the period of the clock, Is the degree of dispersion of the pulse and N is the number of channels in the detector.
또한, 제어부(36)는 검출부(35)에서 획득한 파장별 광강도 분포를 통해 측정대상(10)의 흡광 스펙트럼을 산출하고 흡광 스펙트럼을 이용하여 측정대상(10)의 색 또는 재질 등의 정보인 물성정보를 획득한다.In addition, the
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also the rights of the present invention. It belongs to the range.
10 : 측정대상 20 : 기준대상
30 : 라이더시스템 31 : 송신부
32 : 수신부 33 : 분산부
34 : 분광부 35 : 검출부
36 : 제어부10: measurement object 20: reference object
30: rider system 31: transmitter
32: receiving unit 33: distribution unit
34: spectrometer 35: detector
36: control unit
Claims (4)
상기 두 개로 분리된 극초단 펄스가 측정대상과 위치가 고정된 기준대상에 각각 반사되어 돌아오는 측정펄스와 기준펄스를 수신하는 수신부;
상기 수신된 측정펄스와 기준펄스를 분산시켜 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 생성하여 출력하는 분산부;
상기 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 파장별로 분리하여 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 생성하여 출력하는 분광부;
상기 파장에 따라 입사되는 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 순차적으로 전기신호로 변환하고 각 펄스의 클럭수와 파장별 도달 시간값 및 파장별 광강도 분포를 획득하는 검출부; 및
상기 클럭수와 파장별 도달 시간값을 통해 상기 측정펄스와 기준펄스의 파장별 측정 시간차를 획득하여 상기 측정대상의 절대 거리를 파악하고, 상기 파장별 광강도 분포를 통해 상기 측정대상의 흡광 스펙트럼을 획득하여 상기 측정대상의 물성정보를 파악하는 제어부;
를 포함하여 이루어지는 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템.A transmitter for separating and transmitting two ultra-short pulses output from a laser;
A receiver for receiving the measurement pulse and the reference pulse in which the two ultra-short pulses are reflected back to the measurement object and the reference object having a fixed position;
A dispersion unit configured to disperse the received measurement pulse and the reference pulse to generate and output a chirped measurement pulse and a chirped reference pulse;
A spectrometer configured to generate the spectroscopic measurement pulse and the spectroscopic reference pulse by separating the chirped measurement pulse and the chirped reference pulse for each wavelength;
A detector for converting the spectroscopic measurement pulses and the spectral reference pulses incident to the wavelengths into electrical signals sequentially, and obtaining a clock number of each pulse, a time value of arrival for each wavelength, and a light intensity distribution for each wavelength; And
The absolute distance of the measurement object is determined by obtaining the measurement time difference of the measurement pulse and the reference pulse by the wavelength using the clock number and the arrival time value by wavelength, and the absorption spectrum of the measurement object is determined through the light intensity distribution for each wavelength. A control unit which acquires and grasps physical property information of the measurement target;
Rider system using a spectroscopic flight time method comprising a.
극초단 펄스로 구성된 상기 기준 펄스와 상기 측정 펄스에 대하여 각 파장 성분의 군속도(group velocity)에 차이를 발생시켜 펄스를 퍼뜨림으로써 파장별 펄스가 서로 다른 시간에 특정지점을 통과하도록 처프시키는 것을 특징으로 하는 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템.The method of claim 1, wherein the dispersion unit,
By diffusing a pulse by generating a difference in the group velocity of each wavelength component with respect to the reference pulse and the measurement pulse composed of ultra-short pulses, the pulse for each wavelength passes through a specific point at different times. Rider system using spectroscopic flight time method.
프리즘, 회절격자, 미러 및 광파이버 등을 이용하여 상기 처프된 기준 펄스와 상기 처프된 측정 펄스를 파장별로 분리하는 것을 특징으로 하는 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템.The method of claim 1, wherein the spectroscopic portion,
And a spectral time-of-flight method for separating the chirped reference pulses and the chirped measurement pulses by wavelength using a prism, a diffraction grating, a mirror, and an optical fiber.
수신부를 통해 상기 두 개로 분리된 극초단 펄스가 각각 측정대상과 위치가 고정된 기준대상에 반사되어 돌아오는 측정펄스와 기준펄스를 수신하는 단계;
분산부를 통해 상기 수신된 측정펄스와 기준펄스를 분산시켜 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 생성하여 출력하는 단계;
분광부를 통해 상기 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 파장별로 분리하여 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 생성하여 출력하는 단계;
검출부를 통해 상기 파장에 따라 입사되는 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 전기신호로 변환하고 각 펄스의 클럭수와 파장별 도달 시간값 및 파장별 광강도 분포를 획득하는 단계;
제어부를 통해 상기 클럭수와 파장별 도달 시간값을 이용하여 상기 측정펄스와 기준펄스의 파장별 측정 시간차를 획득하고 상기 측정대상의 절대 거리를 파악하는 단계; 및
제어부를 통해 상기 파장별 광강도 분포를 이용하여 상기 측정대상의 흡광 스펙트럼을 획득하고 상기 측정대상의 물성정보를 파악하는 제어부;
를 포함하여 이루어지는 분광 비행시간법을 이용한 라이더 신호처리 방법.Separating and transmitting two ultra-short pulses output from the laser through a transmitter;
Receiving a measurement pulse and a reference pulse, in which the two ultra-short pulses are reflected back to the measurement object and the reference object having a fixed position, respectively through a receiver;
Dispersing the received measurement pulse and the reference pulse through a dispersion unit to generate and output a chirped measurement pulse and a chirped reference pulse;
Generating a spectroscopic measurement pulse and a spectroscopic reference pulse by separating the chirped measurement pulse and the chirped reference pulse by wavelength through a spectroscope;
Converting the spectroscopic measurement pulse and the spectral reference pulse incident to the wavelength through the detection unit into an electric signal, and obtaining a clock number of each pulse, a time value of arrival for each wavelength, and a light intensity distribution for each wavelength;
Obtaining a measurement time difference for each wavelength of the measurement pulse and the reference pulse using the clock number and the arrival time value for each wavelength through a control unit, and determining an absolute distance of the measurement object; And
A control unit which acquires an absorption spectrum of the measurement target and obtains physical property information of the measurement target by using the light intensity distribution for each wavelength through a control unit;
Rider signal processing method using a spectroscopic flight time method comprising a.
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