KR101301376B1

KR101301376B1 - 거리 측정시스템

Info

Publication number: KR101301376B1
Application number: KR1020120021828A
Authority: KR
Inventors: 김태경; 최안식; 조병모
Original assignee: 순천대학교 산학협력단; (주)큐에스아이
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2013-08-28

Abstract

본 발명은 거리 측정시스템에 관한 것으로, 측정거리 범위를 확장하고 오차를 줄일 수 있는 거리측정시스템을 좀 더 간소화된 회로구성으로 구현하고자 하였다.
본 발명에 따르면, 거리를 측정하고자 하는 목표물에 기준 펄스를 송출하고, 상기 기준 펄스가 목표물에 반사되어 생성되는 타깃 펄스를 수신하여, 상기 기준 펄스와 타깃 펄스의 발생 시차에 해당되는 펄스 폭을 갖는 기준 타깃 펄스를 생성하여, 상기 기준 타깃 펄스의 펄스 폭으로 목표물까지의 거리를 측정하며, 기준 타깃 펄스를 과도응답 발생 회로에 입력하여 그 출력을 거리 환산하여 거리를 측정하게 하였다.

Description

거리 측정시스템{Range Finding System}

본 발명은 거리 측정시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 펄스 파를 이용한 거리측정시스템에 관한 것이다.

레이저 거리 측정기는 군사용 목적으로 개발되었으며, 현재는 생활 속에서 줄자를 대체할 수 있는, 이른바, 레이저 줄자라고도 불리 우는 편리한 거리측정기로 자리매김하고 있다. 이와 같은 레이저 거리측정기는 레이저를 발생하는 장치와 표적에서 반사되어 되돌아온 레이저를 감지하는 광검출기(detector), 그리고 시간계산을 위한 계수기(counter)를 포함하여 구성된다. 거리측정의 원리는, 지향성이 우수한 레이저를 거리측정하고자 하는 표적에 대해 발사한 뒤, 레이저가 표적으로부터 반사되어 돌아온 시간을 측정하여 거리를 계산하는 것으로 이루어진다.

사각파를 이용하는 거리계는, LD(Laser Diode)와 APD(Avalanch PhotoDiode)를 이용할 수 있으며, 이와 같은 레이저 거리계를 구현할 때에는 광신호의 전파 속도가 빠르기 때문에 펄스 계수법(Pulse Counting) 방법보다는 측정하고자하는 거리의 대략적인 범위를 고려하여, 적절한 주파수를 가진 펄스를 발생시켜, 송신파와 수신파의 위상차를 이용하여 거리를 계산한다. 그에 따라 일반적으로 LD에서 사각파로 된 기준 연속파(Continuous Wave:CW로 약칭하기도 함) 광신호를 발생하고 상기 발생 된 사각파(Ref. CW)와 타깃(Target)에서 반사되어 되돌아오는 CW(Test CW)의 사각파 간의 위상 차를 이용하여 타깃(Target)까지의 거리를 계산한다. 이때 최대 측정 거리에 따라 송신파와 수신파의 위상 차를 발생하게 하는 CW 주파수를 달리 설정해야 한다. 즉, 광신호는 1초에 3×10⁸m를 전파한다. 이에 따라 거리계의 경우, 왕복 거리를 고려하여 최대 왕복 측정 거리가 2d 일 때, 필요주파수를 다음과 같이 계산할 수 있다.

여기서 x는 최대 왕복 측정거리이다. 즉, 2d가 100[m]일 경우, 주파수 1/3[MHz]이면 최대 100[m]까지 측정이 가능하다. 만일 500[m]까지 측정하려면 5/3[MHz]의 사각파의 CW를 발생하여 거리를 측정한다. 이와 같이 측정 거리가 멀어짐에 따라 CW 주파수는 낮아진다.

이와 같은 CW 레이저를 이용한 장거리 측정용 거리계는 다음과 같은 문제점을 지닌다.

즉, CW를 이용하여 거리를 측정할 때, CW 레이저 다이오드의 발생 전력(Power)이 그다지 크지 않아, 장거리를 전파하는데 어려움이 있기 때문에 장거리용의 거리계에는 사용하기 어렵다는 한계가 있다. 따라서 장거리의 거리계를 구현하기 위해서는 CW 레이저보다는 전력이 큰 펄스형의 LD를 이용하는 수밖에 없다. 이때 펄스형의 LD 구동 회로는 짧은 펄스 폭(약 100[nsec]의 폭)의 펄스 레이저를 발생한다. 그리고 APD에서는 상기 펄스를 감지하여 펄스 형의 신호를 얻어서 타깃(Target) 까지의 거리를 계산한다.

도 1을 참조하여, 외부 클럭(Clock)을 이용한 CW 발생 방식에 대해 다음과 같이 설명한다.

먼저 도 1과 같이 외부 클록이 인가되고 시작(Start) 신호가 출력되면 외부 클록에 동기 되어서 시작 펄스(Start Pulse)에 의해 LD 구동부에서 레이저가 발생 된다. 또한, 상기 시작 펄스(Start Pulse)에 동기 되어서 CW0(Ref. CW)가 발생 된다. 상기 시작 펄스(Start Pulse)는 시작(Start) 신호에 대해 약간의 지연은 있지만, 실제 레이저 펄스가 출력되는 시점을 기준으로 CW1 파형이 발생 되기 때문에 거리 계산에는 영향을 미치지 않는다. 도 1에서 PW1은 송신(시작) 펄스의 폭이고 PW2는 수신 펄스 폭이다.

타깃(Target)에서 반사되어 되돌아오는 수신 펄스(Received Pulse)는 외부 클록에 동기 되어서 CW1이 발생 된다. 이때 외부 클록에 동기 되어서 CW1이 발생 되기 때문에 반사되어 되돌아오는 펄스의 시점에 따라서 오차가 발생한다. 실제 송신 펄스와 수신 펄스 사이의 위상 차는 B점과 C점 사이 만큼에 해당한다. 그러나 수신 펄스는 C점에서 인가되었지만 외부 클록의 상승 에지에 동기 되어서 CW1이 발생 되기 때문에 C점이 아닌 D점에서 CW1이 발생 된다. 따라서 외부 클록을 이용하여 CW를 발생할 때에는 C점과 D점 간격만큼의 오차가 발생하므로 이를 줄이기 위해서는 주기가 짧은, 즉 외부 클록 주파수를 높이는 것이 효과적이다. 그러나 높은 외부 클록 주파수에서 동작하는 디지털 소자는 거의 없는 실정이다. 따라서 C점과 D점 간격에 해당하는 오차를 줄이기 위해서는 외부 클록과 상관없이 동작하는 방식이 요구된다.

상기 요구에 따라 외부 클럭과 관계없이 동작하는 거리 측정시스템을 LD를 이용하여 구현할 수 있으나, 이러한 경우에도 온도가 상승함에 따라 주파수가 변동되어 그에 따른 위상변화가 곧 거리측정 오차를 만들어 문제된다.

한편, 측정거리 범위가 확장된 거리측정시스템의 오차를 줄일 수 있는 설계는 좀 더 간소화된 회로구성으로 구현하는 것이라야 실효성이 있게 된다.

따라서 본 발명의 목적은 측정거리 범위를 확장하고 오차를 줄일 수 있는 거리측정시스템을 좀 더 간소화된 회로구성으로 구현하고자 하는 것이다.

그에 따라 본 발명은, 기준 펄스를 생성하고 이를 목표물에 입사시켜 반사되는 타깃 펄스를 수신하여 상기 기준 펄스와 타깃 펄스로부터 목표물까지의 거리에 해당하는 펄스 폭을 갖는 기준타깃 펄스를 생성하고, 상기 기준타깃 펄스의 펄스 폭은 과도응답 발생회로를 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 거리측정시스템을 제공한다.

본 발명은,

펄스 파를 이용한 거리측정 시스템에 있어서,

거리를 측정하고자 하는 목표물에 기준 펄스를 송출하고;

상기 기준 펄스가 목표물에 반사되어 생성되는 타깃 펄스를 수신하고;

상기 기준 펄스와 타깃 펄스의 발생 시차에 해당되는 펄스 폭을 갖는 기준 타깃 펄스를 생성하여, 상기 기준 타깃 펄스의 펄스 폭으로 목표물까지의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 기준 타깃 펄의 펄스 폭의 측정은, 과도 응답 발생회로에 상기 기준 타깃 펄스를 인가하여 출력을 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 과도 응답 발생회로의 출력을 거리로 변환하되, 상기 출력 중 선형성을 나타내는 구간만을 선택하여 거리로 변환하는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 과도 응답 발생회로에 입력하는 기준 타깃 펄스의 최대 펄스 폭은 상기 과도 응답 발생회로의 시정수를 상한으로 하는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 호스트 제어기(Host Controller);

상기 호스트 제어기와 통신하는 레인징 제어기(Ranging Controller);

상기 레인징 제어기와 통신하는 송신부; 및

상기 레인징 제어기와 통신하는 수신부;를 포함하고,

상기 호스트 제어기에서 상기 레인징 제어기에 시작 신호를 전송하면, 상기 레인징 제어기는 상기 시작 신호를 인식하고 시작 펄스를 생성하여 상기 송신부에 전송하고,

상기 송신부는 상기 시작 펄스를 수신하면, 광신호를 목표물에 대해 송출함과 동시에 기준 펄스를 생성하여 상기 수신부로 전송하고,

목표물로부터 반사된 광신호는 타깃 신호로 형성되어 타깃 신호를 상기 수신부에서 수신하고,

상기 수신부는 상기 송신부로부터 수신된 상기 기준 펄스를 상기 레인징 제어기로 전송하는 한편, 수신된 상기 타깃 신호로부터 타깃 펄스를 생성하여 상기 레인징 제어기로 전송하고,

상기 레인징 제어기는 수신된 상기 기준 펄스와 상기 타깃 펄스로부터 기준 타깃 펄스를 생성하되, 기준 타깃 펄스의 펄스 폭은 상기 기준 펄스와 상기 타깃 펄스의 발생 시차와 같게 만드는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 호스트 제어기(Host Controller);

상기 레인징 제어기와 통신하는 송신부; 및

상기 레인징 제어기와 통신하는 수신부;를 포함하고,

목표물로부터 반사된 광신호는 타깃 신호로 형성되어 타깃 신호를 상기 수신부에서 수신하여 타깃 펄스를 생성하고,

상기 수신부는 상기 송신부로부터 수신된 상기 기준 펄스와 수신된 상기 타깃 펄스로부터 기준 타깃 펄스를 생성하되, 기준 타깃 펄스의 펄스 폭은 상기 기준 펄스와 상기 타깃 펄스의 발생 시차와 같게 만드는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 기준 타깃 펄스는 호스트 제어기로 전송되어, 상기 호스트 제어기에서 상기 기준 타깃 펄스의 펄스 폭을 과도응답 회로에 입력하여 과도응답 회로의 출력을 측정거리로 환산하여 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 레인징 제어기에서 생성하는 시작 펄스의 펄스 폭은 송신부에 구비된 레이저 드라이버의 레이저에서 생성할 수 있는 펄스 폭을 기준으로 선택되는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 레인징 제어기는, 제1 플립플롭, 제1 플립플롭 및 제3 플립플롭을 포함하고,

상기 제1 플립플롭은, 클럭 신호 입력단, 입력신호 입력단 및 출력단을 포함하며, 입력단과 출력단에는 각각 게이트가 연결되고, 출력단에는 게이트와 병렬로 펄스 폭 계산기를 더 포함하고,

상기 제2 플립플롭은, 클럭 신호 입력단, 입력신호 입력단 및 출력단을 포함하며, 입력단과 출력단에는 각각 게이트가 연결되고,

상기 제3 플립플롭은, 클럭 신호 입력단, 입력신호 입력단 및 출력단을 포함하며, 제3 플립플롭의 출력단은 상기 제2 플립플롭의 입력단 게이트에 연결되어,

호스트(Host) 제어기에서 클리어(Clear) 신호를 출력하여 상기 제1, 제2 및 제3 플립플롭은 모두 클리어 되고,

상기 호스트(Host) 제어기에서 제1 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 시작 신호를 전송입력하여, 제1 플립플롭의 출력단에 연결된 게이트에서 시작 펄스를 생성개시함과 동시에 펄스 폭 계산기는 상기 송신부에 구비된 레이저 드라이버의 레이저 펄스 폭을 기준으로 상기 시작 펄스의 폭을 선택하여, 선택 폭에 해당하는 시간 경과 시, 제1 플립플롭의 입력단 게이트에 신호를 입력하여 상기 시작 펄스의 펄스 폭을 결정하여 상기 시작 펄스를 생성완료하고,

상기 시작 펄스 수신에 따라 상기 송신부의 참조 APD(avalanche photo diode)에 의해 기준 펄스(Ref_Pulse)가 생성되어 상기 제2 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 입력되면 제2 플립플롭의 출력단에 연결된 게이트 출력으로서 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)가 생성개시되고,

수신부로부터 상기 타깃 펄스(Target_Pulse)가 제3 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 입력되면 제3 플립플롭의 출력단의 출력이 상기 제2 플립플롭의 입력단 게이트에 입력되어, 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)가 특정 폭을 갖게 되면서 생성완료되고, 상기 기준 타깃 펄스의 펄스 폭으로부터 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 레인징 제어기는, 제1 플립플롭을 포함하고, 상기 수신부는, 제2 플립플롭 및 제3 플립플롭을 포함하고,

또한, 본 발명은, 상기 기준 타깃 펄스의 펄스 폭을 과도응답 회로에 입력하여 과도응답 회로의 출력을 측정거리로 환산하여 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 제1 플립플롭, 제1 플립플롭 및 제3 플립플롭을 포함하고,

클리어(Clear) 신호가 상기 제1, 제2 및 제3 플립플롭에 입력되어 제1, 제2 및 제3 플립플롭 모두 클리어 되고,

상기 제1 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 시작 신호를 전송입력하여, 제1 플립플롭의 출력단에 연결된 게이트에서 시작 펄스를 생성개시함과 동시에 펄스 폭 계산기는 상기 시작 펄스의 폭을 선택하여, 선택 폭에 해당하는 시간 경과 시, 제1 플립플롭의 입력단 게이트에 신호를 입력하여 상기 시작 펄스의 펄스 폭을 결정하여 상기 시작 펄스를 생성완료하고,

기준 펄스(Ref_Pulse)가 상기 제2 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 입력되면 제2 플립플롭의 출력단에 연결된 게이트 출력으로서 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)가 생성개시되고,

타깃 펄스(Target_Pulse)가 제3 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 입력되면 제3 플립플롭의 출력단의 출력이 상기 제2 플립플롭의 입력단 게이트에 입력되어, 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)가 특정 폭을 갖게 되면서 생성완료되어,

기준 펄스와 타깃 펄스로부터 특정 폭을 갖는 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)를 생성하는 것을 특징으로 하는 펄스 발생 회로를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 레이저 거리측정시스템에 의한 측정거리 범위를 확장할 수 있고, 오차를 줄여 종래 기술보다 더 정확하게 측정할 수 있으며, 과도응답 발생회로를 이용하여 거리를 계산함으로써 회로구성 또한 간소화될 수 있다.

도 1은 종래의 레이저거리 측정시스템을 설명하기 위한 타이밍도 이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저거리 측정시스템의 전체적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저거리 측정시스템에 의해 거리 측정을 위한 펄스 생성 및 펄스 폭을 보여주는 타이밍도 이다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저거리 측정시스템에 의해 펄스 발생을 구현하는 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저거리 측정시스템의 펄스 폭을 이용한 거리 계산 방법을 나타내는 블록도와 과도 응답 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 레이저거리 측정시스템의 예시적 회로도 및 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 레이저거리 측정시스템의 과도 응답 발생회로의 펄스폭과 출력과의 관계를 설명하는 그래프이다.
도 8은 시정수가 일정할 때, 펄스 폭과 전압과의 관계를 설명하기 위한 예시적인 그래프이다.
도 9a 내지 도 9d는 과도응답 발생 회로의 시정수와 출력의 관계를 설명하는 그래프들이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여, 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 레이저거리 측정시스템의 전체적인 구성을 나타내는 블록도로, 펄스 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 구성이다.

호스트제어기(Host Controller)는 레이저 레인징 제어기(Laser Ranging Controller)와 통신하며, 송신 펄스를 발생하여 타깃에서 반사되어 발생 되는 타깃 펄스의 전파 시간을 감지하여 거리를 계산하는 기능이 있다.

레이저 레인징 제어기는 호스트 제어기에서 수신된 명령을 받아 송신 부(Laser Diode Driver)로 하여금 레이저를 발생하게 하고, 수신 부(APD Driver)에서 수신된 타깃의 신호를 받아 송-수신 사이의 시간 지연 정보를 호스트 제어기로 전송한다. 상기 레이저 레인징 제어기의 기능은 펄스에 대한 타이밍 도와 함께, 도 3에 상세히 나타내었다. 다음은 거리 측정에 이용되는 펄스 발생 방법에 대한 설명이다.

1. 펄스 발생 방법

① 먼저, 호스트 제어기에서 시작 신호(Start_Signal)가 출력된다. 이때 펄스폭 PW1은 거리측정에 있어서 중요하지 않으며, 레이저 레인징(Ranging) 제어기는 시작신호(Start_Signal)의 상승 에지(rising edge)에서 시작 신호(Start_Signal)임을 인식한다.

② 레이저 레인징 제어기에는 상기 시작 신호(Start_Signal)가 입력된다. 그리고 시작 신호 발생시점으로부터 DT1 시간 지연 후에 LD 구동기(Laser Diode Driver)의 LD의 최적 펄스 폭에 적합한 펄스 폭을 생성하여 시작 펄스(Start_Pulse)를 송신 부(LD Driver)로 출력한다. 시간 지연 DT1은 레이저 레인징(Ranging) 제어기에서 처리되는 시간 지연이며, 펄스폭 PW2는 펄스 레이저 거리계에 사용한 LD의 특성에 최적인 펄스 폭이다. 대개 펄스 레이저 거리계에 사용되는 LD의 최적 펄스 폭은 100 내지 150 ns 정도이나, 이에 한정되는 것은 아니다.

③ 송신부 내에 설치된 참조 APD(Ref. APD:avalanche photo diode)에 입력된 광신호를 펄스로 생성하여 시작 펄스 발생시점으로부터 DT2 시간 지연 후에 기준 펄스(Ref_Pulse)가 입력된다. 이때 펄스 폭 PW3은 광신호를 펄스로 생성하는 회로의 특성에 따라서 펄스 폭이 결정되지만 상기 펄스 폭 PW3은 거리 측정에 있어 중요하지 않다.

④ 송신부에서 출력된 광신호가 타깃(목표물)에 반사되어 돌아오는 타깃 신호(Target_Signal)의 광신호를 수신부에서 펄스로 생성하여 타깃 펄스(Target_Pulse)가 레이저 레인징 제어기로 입력된다. 마찬가지로 타깃 펄스의 펄스 폭 PW4는 광신호를 펄스로 생성하는 회로의 특성에 따라서 펄스 폭이 결정되지만 상기 펄스 폭 PW4도 거리 측정에는 중요하지 않다.

⑤ 기준 펄스(Ref_Pulse)의 상승 에지에서 타깃 펄스(Target_Pulse)의 상승 에지 시간까지가 물체까지의 거리에 해당하는 시간으로, 광신호가 해당거리를 왕복 전파한 시간이다. 상기 전파 시간을 감지하는 로직(LOGIC:논리회로) 구성은 도 4와 같으며, F/F(Flip-Flop)과 게이트로 구성하였다. 상기 논리회로에 의해 궁극적으로 생성되는 기준 타깃 펄스의 펄스 폭이 타깃까지의 거리에 해당 되며, 이에 따른 내용은 본 발명의 거리측정시스템의 주요 기술사상을 이룬다.

다음은 이러한 펄스 발생 시스템에 대해 설명한다.

2. 펄스 발생 시스템

① 호스트(Host) 제어기에서 클리어(Clear) 신호를 출력하여 모든 플립플롭 F/F은 하강 에지에서 클리어 된다. 시작 펄스(Start_Pulse)와 기준 타깃 펄스 폭 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)는 로(Low)가 되며, F/F3의 출력 Q는 하이(High)가 된다.

② 호스트(Host) 제어기에서 시작 신호(Start_Signal)를 출력하면 레이저 레인징 제어기는 시작 신호(Start_Signal)의 상승 에지에서 F/F1의 출력 Q가 로(Low)로 되고, 시작 펄스(Start_Pulse)의 출력은 하이(High)가 된다. 이때부터 펄스 폭 계산기(Pulse Width Calculation)에서는 LD의 최적 펄스폭을 계산하여 LD의 펄스폭에 해당되는 시점에 오면 F/F1의 PR 단자를 로(Low)로 하여 F/F1의 출력을 하이(High)로 하고 그에 따라 최종 시작 펄스(Start_Pulse)를 로(Low)로 한다. 상기 시작 펄스(Start_Pulse)의 하이(High)에서 로(Low)까지의 시간 차가 LD의 최적 펄스 폭이 된다.

③ 송신부 내에 설치된 참조 APD(Ref. APD)에 의해 기준 펄스(Ref_Pulse)가 입력되면 F/F2의 출력 Q는 로(Low)가 되며, 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)는 하이(High)가 된다.

④ 송신부에서 출력된 광신호가 타깃에 반사되어 돌아오는 타깃 펄스(Target_Pulse)가 F/F3의 클럭 신호 입력단에 입력되면 F/F3의 출력 Q는 로(Low)가 되며, 상기 출력 로(Low)의 값이 F/F2의 PR 단자를 로(Low)로 하여 기준 타깃 펄스 (Ref_Target_Pulse_Width)의 신호가 로(Low)로 된다. 이에 따라 생성되는 펄스 폭이 광신호가 물체까지 전파하는 왕복시간이 된다. 즉, 기준 타깃 펄스의 펄스 폭을 측정하면 물체까지의 거리를 계산할 수 있다.

이하에서 펄스 폭으로 해당 거리를 환산해내는 계산방법을 설명한다.

3. 펄스 폭을 이용한 거리 계산 방법

① 도 5에 펄스 폭을 이용한 거리계산 과정의 블록 도를 나타내었다.

즉, 도 3에서 기준 펄스(Ref_Pulse)와 타깃 펄스(Target_Pulse)를 이용하여 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)를 생성한 후에 상기 펄스를 도 5의 과도 응답 발생 회로에 입력한다.

② 과도응답 발생 회로의 출력은 입력 펄스의 상승 에지에 대해 출력전압이 지수함수로 점차 증가한다. 또한 입력 펄스의 하강 에지 부분에 대해서는 반대로 지수함수로 감소한다. 즉, 입력 펄스의 상승 에지부터 입력 펄스의 하강 에지 시점까지 전압이 지수함수로 점차 증가한다. 입력 펄스의 하강 에지에서의 전압(최고점 전압)은 입력 펄스의 폭이 증가하면 상기 전압도 증가한다. 따라서 측정하고자 하는 물체의 거리가 멀리 있으면 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)의 펄스 폭이 증가하며, 하강 에지에서의 전압도 증가한다. 이와 같은 원리를 거리측정시스템에 적용할 수 있다.

③ 지수함수로 증가하는 전압을 최대 전압 감지회로(Peak Detector)에 입력하여 하강 에지 부분에서의 값을 유지한다. 최대 전압 감지회로를 이용하는 이유는 주기가 짧은 펄스 폭을 디지털로 변환하기 용이하게 하기 위함이다.

④ 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)의 펄스 폭 하강 에지 부분에서의 전압 값을 디지털로 변환하여 거리계산에 이용한다.

3-1. 과도 응답 발생 회로의 입력과 출력 관계

도 6에 펄스 폭을 감지하기 위한 회로의 한 예를 나타내었다. 이 회로에 입력 v(t)가 입력될 때에 출력 v₀(t)는 다음과 같다.

: (1)

여기서 R, C는 회로의 소자이며, 이 R과 C 값에 따라서 시 정수가 결정된다.

만일 v(t)가 펄스입력이라면, 그리고 펄스 폭이 T_p이라면

이다. 여기서 u(t)는 단위 스텝 함수이며, u(t-T_p)는 u(t)를 T_p만큼 이동시킨 것이다. 또한 V는 펄스 폭의 진폭이다.

: (2)

식 (2)를 펄스 폭 T_p가 일정한 경우 시정수 RC값에 따라 시간 축에 대한 출력 전압 변화를 그리면, 도 6의 출력 v₀₁(t), v₀₂(t), v₀₃(t)가 나타날 수 있다. 상기 출력의 의미는 다음과 같다.

즉, 입력 펄스폭이 일정하다고 가정하면, 과도 응답 발생 회로의 시정수가 클 때 출력의 최대값은 v₀₃(t)과 같이 낮아진다. 반대로 시정수가 작으면 출력의 최대값은 v₀₁(t)과 같이 전압이 높아진다.

상기 내용과 반대로 과도 응답 발생 회로의 시정수를 일정하다고 가정하면 입력 펄스의 폭이 감소할 때 출력은 v₀₃(t)과 같이 작아지며, 입력 펄스의 폭이 증가하면 출력은 v₀₁(t)과 같이 증가한다. 따라서 출력 값은 펄스 폭, 즉 물체와의 거리에 해당되는 정보가 들어 있다. 이와 같은 관계를 도 7에 나타내었다. 파란색은 입력 펄스이며, 빨간색은 출력 전압이다. 펄스 폭이 증가하면 도 7c와 같이 응답 발생 회로의 출력은 증가한다.

실제 이를 구성하는 방법은 여러 가지 방법이 있지만 본 발명에서는 고속 스위칭 트랜지스터와 수동소자인 R, C로 구성하였으나 이에 한정되지 않음은 물론이다.

3-2. 출력 전압과 측정 거리의 관계

궁극적으로 출력전압을 측정거리의 지표로 삼게 되므로, 이에 대한 변수들 간의 관계를 수치적인 예를 들어 아래와 같이 설명한다. 수치는 이해를 돕기 위한 설정일 뿐, 발명의 내용이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 8에 시정수가 1[usec]인 과도 응답 발생 회로에 펄스폭(파란색)이 4[usec]인 펄스가 인가된 경우 회로의 출력(과도 응답) (빨간색)을 나타내었다. 그리고 표 1에 시정수에 따른 출력 전압 크기를 나타내었다. 과도 발생 회로의 출력 전압과 펄스폭의 관계를 이용해서 거리를 측정할 때, 거리에 해당되는 펄스폭은 선형으로 증가하지만 출력 전압은 선형 특성이 아닌 지수함수로 증가하는 비선형 특성의 전압을 나타낸다. 이러한 문제는 비선형 특성의 전압을 디지털로 변환하여 디지털 데이터를 이용해서 선형으로 변환하면 해결가능하다. 그러나 디지털로 변환하는 다이나믹 레인지가 감소하기 때문에 선형 구간에서만 이용하는 것이 바람직하다.

한편, 펄스폭을 이용해서 거리에 해당되는 정보를 얻고자할 때에 어느 정도의 시정수를 갖는 펄스폭까지를 이용할 것인가 가 문제될 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 본 발명자는 표 1에 나타낸 시정수와 출력 전압의 관계를 살펴 다음과 같은 결론에 도달하였다.

도 8에서 출력 전압을 디지털로 변환할 때에 크기(진폭)의 변화가 단위 시간당 클수록 유리하다.

따라서 입력의 상승 에지에서 x축으로 2칸 되는 x 축 지점이 시정수가 1[usec]되는 지점이다. 이는 발생회로의 시정수와 같다. 이 지점에서의 출력 전압은 약 3[V]이지만, 발생 회로의 시정수의 2배인 2[usec]되는 시점의 전압은 4.2[V]이다. 상기 시정수 이상의 시점부터는 출력 전압의 변화는 점점 작아진다. 이 시점부터는 거리에 해당되는 전압을 디지털로 변환하면 분해능이 떨어지기 때문에 펄스폭과 시정수가 동일한 시정수를 갖는 회로를 거리측정시스템에 응용한다. 즉, 거리측정시스템에서는, 과도 응답 발생 회로의 시정수와 같은 펄스폭, 즉 이 펄스폭이 최대 측정 범위에 해당 되며, 이에 해당되는 거리까지 측정하는데 거리측정시스템이 응용될 수 있다.

예를 들어서 최대 1500[m]까지 측정 가능한 거리측정시스템을 설계하려면 다음과 같은 과정으로 진행한다.

① 광신호가 1500[m](왕복은 3000[m])까지 전파하는데 1[usec]가 소요된다. 이는 최대 펄스 폭이 1[usec]라는 의미이다.

② 펄스폭이 1[usec]이므로 이와 같은 시정수를 갖는 과도 발생 회로를 설계한다.

이유는 시정수의 0.5배인 도 9(c)의 경우에는 비선형의 특성이 있는 반면 시정수와 같은 도 9(d)의 경우에는 선형 특성이 강하다. 따라서 도 9(d)와 같은 시정수를 갖는 회로를 이용하며, 다음 단에 증폭기를 사용하여 증폭하면 5[V]가 되므로 A/D 변환기의 다이나믹레인지(Dynamic Range)를 확보할 수 있기 때문이다.

3-3. 거리측정시스템에의 적용

과도 응답의 시정수가 500[nsec]인 회로에 입력 펄스폭이 인가될 때, 과도 응답이 500[nsec]라는 의미는 입력 최대 펄스폭이 500[nsec]까지 측정할 수 있다는 의미이다. 이를 거리로 환산하면 75[m]가 된다.

입력 펄스폭이 100[nsec] 즉, 15[m]의 위치에 있는 타깃에 신호가 반사될 때 출력 전압은 측정하고, 이를 증폭하여 피크 검출기(Peak-Detector)로 최대값을 감지하여 디지털로 변환한 후에 디지털 값을 75[m]에 대해 거리 환산하여 거리측정치를 얻을 수 있다.

언급한 바와 같이, 수치는 이해를 쉽게 하도록 들어놓은 예시이며, 다른 임의의 수치에 대하여도 상기 원리에 따라 거리측정치를 얻을 수 있음은 물론이다.

상기와 같이 하여, 레이저 펄스 폭을 이용한 거리측정 시스템을 구현할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도면 부호 없음

Claims

펄스 파를 이용한 거리측정 방법에 있어서,
거리를 측정하고자 하는 목표물에 기준 펄스를 송출하고;
상기 기준 펄스가 목표물에 반사되어 생성되는 타깃 펄스를 수신하고;
상기 기준 펄스와 타깃 펄스의 발생 시차에 해당되는 펄스 폭을 갖는 기준 타깃 펄스를 생성하여, 상기 기준 타깃 펄스의 펄스 폭을 측정하여 목표물까지의 거리를 측정하며, 기준 타깃 펄스의 펄스 폭의 측정은, 과도 응답 발생회로에 기준 타깃 펄스를 인가하여 출력 측정에 의하며, 상기 과도 응답 발생회로의 출력을 거리로 변환하되, 상기 출력 중 선형성을 나타내는 구간만을 선택하여 거리로 변환하는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법.
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제1항에 있어서, 상기 과도 응답 발생회로에 입력하는 기준 타깃 펄스의 최대 펄스 폭은 상기 과도 응답 발생회로의 시정수를 상한으로 하는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법.
호스트 제어기(Host Controller);
상기 호스트 제어기와 통신하는 레인징 제어기(Ranging Controller);
상기 레인징 제어기와 통신하는 송신부; 및
상기 레인징 제어기와 통신하는 수신부;를 포함하고,
상기 호스트 제어기에서 상기 레인징 제어기에 시작 신호를 전송하면, 상기 레인징 제어기는 상기 시작 신호를 인식하고 시작 펄스를 생성하여 상기 송신부에 전송하고,
상기 송신부는 상기 시작 펄스를 수신하면, 광신호를 목표물에 대해 송출함과 동시에 기준 펄스를 생성하여 상기 수신부로 전송하고,
목표물로부터 반사된 광신호는 타깃 신호로 형성되어 타깃 신호를 상기 수신부에서 수신하고,
상기 수신부는 상기 송신부로부터 수신된 상기 기준 펄스를 상기 레인징 제어기로 전송하는 한편, 수신된 상기 타깃 신호로부터 타깃 펄스를 생성하여 상기 레인징 제어기로 전송하고,
상기 레인징 제어기는 수신된 상기 기준 펄스와 상기 타깃 펄스로부터 기준 타깃 펄스를 생성하되, 기준 타깃 펄스의 펄스 폭은 상기 기준 펄스와 상기 타깃 펄스의 발생 시차와 같게 만드는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
호스트 제어기(Host Controller);
상기 호스트 제어기와 통신하는 레인징 제어기(Ranging Controller);
상기 레인징 제어기와 통신하는 송신부; 및
상기 레인징 제어기와 통신하는 수신부;를 포함하고,
상기 호스트 제어기에서 상기 레인징 제어기에 시작 신호를 전송하면, 상기 레인징 제어기는 상기 시작 신호를 인식하고 시작 펄스를 생성하여 상기 송신부에 전송하고,
상기 송신부는 상기 시작 펄스를 수신하면, 광신호를 목표물에 대해 송출함과 동시에 기준 펄스를 생성하여 상기 수신부로 전송하고,
목표물로부터 반사된 광신호는 타깃 신호로 형성되어 타깃 신호를 상기 수신부에서 수신하여 타깃 펄스를 생성하고,
상기 수신부는 상기 송신부로부터 수신된 상기 기준 펄스와 수신된 상기 타깃 펄스로부터 기준 타깃 펄스를 생성하되, 기준 타깃 펄스의 펄스 폭은 상기 기준 펄스와 상기 타깃 펄스의 발생 시차와 같게 만드는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 기준 타깃 펄스는 호스트 제어기로 전송되어, 상기 호스트 제어기에서 상기 기준 타깃 펄스의 펄스 폭을 과도응답 회로에 입력하여 과도응답 회로의 출력을 측정거리로 환산하여 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 레인징 제어기에서 생성하는 시작 펄스의 펄스 폭은 송신부에 구비된 레이저 드라이버의 레이저에서 생성할 수 있는 펄스 폭을 기준으로 선택되는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
제5항에 있어서, 상기 레인징 제어기는, 제1 플립플롭, 제2 플립플롭 및 제3 플립플롭을 포함하고,
상기 제1 플립플롭은, 클럭 신호 입력단, 입력신호 입력단 및 출력단을 포함하며, 입력단과 출력단에는 각각 게이트가 연결되고, 출력단에는 게이트와 병렬로 펄스 폭 계산기를 더 포함하고,
상기 제2 플립플롭은, 클럭 신호 입력단, 입력신호 입력단 및 출력단을 포함하며, 입력단과 출력단에는 각각 게이트가 연결되고,
상기 제3 플립플롭은, 클럭 신호 입력단, 입력신호 입력단 및 출력단을 포함하며, 제3 플립플롭의 출력단은 상기 제2 플립플롭의 입력단 게이트에 연결되어,
호스트(Host) 제어기에서 클리어(Clear) 신호를 출력하여 상기 제1, 제2 및 제3 플립플롭은 모두 클리어 되고,
상기 호스트(Host) 제어기에서 제1 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 시작 신호를 전송입력하여, 제1 플립플롭의 출력단에 연결된 게이트에서 시작 펄스를 생성개시함과 동시에 펄스 폭 계산기는 상기 송신부에 구비된 레이저 드라이버의 레이저 펄스 폭을 기준으로 상기 시작 펄스의 폭을 선택하여, 선택 폭에 해당하는 시간 경과 시, 제1 플립플롭의 입력단 게이트에 신호를 입력하여 상기 시작 펄스의 펄스 폭을 결정하여 상기 시작 펄스를 생성완료하고,
상기 시작 펄스 수신에 따라 상기 송신부의 참조 APD(avalanche photo diode)에 의해 기준 펄스(Ref_Pulse)가 생성되어 상기 제2 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 입력되면 제2 플립플롭의 출력단에 연결된 게이트 출력으로서 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)가 생성개시되고,
수신부로부터 상기 타깃 펄스(Target_Pulse)가 제3 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 입력되면 제3 플립플롭의 출력단의 출력이 상기 제2 플립플롭의 입력단 게이트에 입력되어, 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)가 특정 폭을 갖게 되면서 생성완료되고, 상기 기준 타깃 펄스의 펄스 폭으로부터 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
제6항에 있어서, 상기 레인징 제어기는, 제1 플립플롭을 포함하고, 상기 수신부는, 제2 플립플롭 및 제3 플립플롭을 포함하고,
상기 제1 플립플롭은, 클럭 신호 입력단, 입력신호 입력단 및 출력단을 포함하며, 입력단과 출력단에는 각각 게이트가 연결되고, 출력단에는 게이트와 병렬로 펄스 폭 계산기를 더 포함하고,
상기 제2 플립플롭은, 클럭 신호 입력단, 입력신호 입력단 및 출력단을 포함하며, 입력단과 출력단에는 각각 게이트가 연결되고,
상기 제3 플립플롭은, 클럭 신호 입력단, 입력신호 입력단 및 출력단을 포함하며, 제3 플립플롭의 출력단은 상기 제2 플립플롭의 입력단 게이트에 연결되어,
호스트(Host) 제어기에서 클리어(Clear) 신호를 출력하여 상기 제1, 제2 및 제3 플립플롭은 모두 클리어 되고,
상기 호스트(Host) 제어기에서 제1 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 시작 신호를 전송입력하여, 제1 플립플롭의 출력단에 연결된 게이트에서 시작 펄스를 생성개시함과 동시에 펄스 폭 계산기는 상기 송신부에 구비된 레이저 드라이버의 레이저 펄스 폭을 기준으로 상기 시작 펄스의 폭을 선택하여, 선택 폭에 해당하는 시간 경과 시, 제1 플립플롭의 입력단 게이트에 신호를 입력하여 상기 시작 펄스의 펄스 폭을 결정하여 상기 시작 펄스를 생성완료하고,
상기 시작 펄스 수신에 따라 상기 송신부의 참조 APD(avalanche photo diode)에 의해 기준 펄스(Ref_Pulse)가 생성되어 상기 제2 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 입력되면 제2 플립플롭의 출력단에 연결된 게이트 출력으로서 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)가 생성개시되고,
수신부로부터 상기 타깃 펄스(Target_Pulse)가 제3 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 입력되면 제3 플립플롭의 출력단의 출력이 상기 제2 플립플롭의 입력단 게이트에 입력되어, 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)가 특정 폭을 갖게 되면서 생성완료되고, 상기 기준 타깃 펄스의 펄스 폭으로부터 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 기준 타깃 펄스의 펄스 폭을 과도응답 회로에 입력하여 과도응답 회로의 출력을 측정거리로 환산하여 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
제1 플립플롭, 제2 플립플롭 및 제3 플립플롭을 포함하고,
상기 제1 플립플롭은, 클럭 신호 입력단, 입력신호 입력단 및 출력단을 포함하며, 입력단과 출력단에는 각각 게이트가 연결되고, 출력단에는 게이트와 병렬로 펄스 폭 계산기를 더 포함하고,
상기 제2 플립플롭은, 클럭 신호 입력단, 입력신호 입력단 및 출력단을 포함하며, 입력단과 출력단에는 각각 게이트가 연결되고,
상기 제3 플립플롭은, 클럭 신호 입력단, 입력신호 입력단 및 출력단을 포함하며, 제3 플립플롭의 출력단은 상기 제2 플립플롭의 입력단 게이트에 연결되어,
클리어(Clear) 신호가 상기 제1, 제2 및 제3 플립플롭에 입력되어 제1, 제2 및 제3 플립플롭 모두 클리어 되고,
상기 제1 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 시작 신호를 전송입력하여, 제1 플립플롭의 출력단에 연결된 게이트에서 시작 펄스를 생성개시함과 동시에 펄스 폭 계산기는 상기 시작 펄스의 폭을 선택하여, 선택 폭에 해당하는 시간 경과 시, 제1 플립플롭의 입력단 게이트에 신호를 입력하여 상기 시작 펄스의 펄스 폭을 결정하여 상기 시작 펄스를 생성완료하고,
기준 펄스(Ref_Pulse)가 상기 제2 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 입력되면 제2 플립플롭의 출력단에 연결된 게이트 출력으로서 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)가 생성개시되고,
타깃 펄스(Target_Pulse)가 제3 플립플롭의 클럭 신호 입력단에 입력되면 제3 플립플롭의 출력단의 출력이 상기 제2 플립플롭의 입력단 게이트에 입력되어, 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)가 특정 폭을 갖게 되면서 생성완료되어,
기준 펄스와 타깃 펄스로부터 특정 폭을 갖는 기준 타깃 펄스(Ref_Target_Pulse_Width)를 생성하는 것을 특징으로 하는 펄스 발생 회로.