KR101931022B1

KR101931022B1 - 라이다 시스템

Info

Publication number: KR101931022B1
Application number: KR1020170109636A
Authority: KR
Inventors: 한영근; 신종철
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2018-12-19

Abstract

라이다 시스템이 개시된다. 라이다 시스템은 코딩정보를 제공하는 엔코더; 상기 코딩정보에 의해 코딩된 단일의 광을 출력하는 광원; 상기 코딩된 단일의 광을 파장별로 분리하고, 파장 정보에 따라 서로 다른 채널로 광을 출력하는 WDM 변환부; 상기 채널 별로 제공되며, 단일의 파장 정보를 갖는 광을 시간 정보에 따라 분할하는 복수 개의 TDM 변환부; 상기 TDM 변환부들에서 출력된 광을 주변으로 전달하고, 주변에서 반사된 광을 수신하는 광 스캐닝부; 상기 광 스캐닝부에 수신된 광을 상기 파장 정보에 따라 선택적으로 투과시키는 복수 개의 광학 필터; 상기 광학 필터를 투과한 광 신호를 검출하는 광 검출부; 및 상기 광 검출부에 검출된 광 신호를 상기 코딩정보에 따라, 상기 파장 정보에 따라, 그리고 상기 시간 정보에 따라 분석하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.

Description

라이다 시스템{Lidar system}

본 발명은 라이다 시스템에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 단일 채널 광을 다중 채널 광으로 분할할 수 있는 라이다 시스템에 관한 것이다.

라이다(LIDAR: Light Detection And Ranging)는 빛을 이용하여 대상물을 검출하고 대상물까지의 거리를 측정하는 것을 말한다. 라이다는 기능에 있어서 레이더(RADAR: Radio Detection And Ranging)와 유사하지만, 전파를 이용하는 레이다와 달리 빛을 이용한다는 차이가 있으며, 이러한 점에서 '영상 레이더'라고 칭해지기도 한다.

빛과 마이크로파 간의 도플러 효과 차이로 인하여, 라이다는 레이더에 비하여 방위 분해능, 거리 분해능 등이 우수하다는 특징을 가진다. 라이다 장치는 위성이나 항공기에서 레이저 펄스를 방출하고, 대기중의 입자에 의해 후방 산란되는 펄스를 지상 관측소에서 수신하는 항공 라이다가 주류를 이루어왔으며, 이러한 항공 라이다는 바람 정보와 함께 먼지, 연기, 에어로졸, 구름 입자 등의 존재와 이동을 측정하고, 대기중의 먼지입자의 분포 또는 대기 오염도를 분석하는데 사용되어왔다. 그런데, 최근에는 송신계와 수신계가 모두 지상에 설치되어 장애물 탐지, 지형 모델링, 대상물까지의 위치 획득 기능을 수행하는 지상 라이다도 감시정찰로봇, 전투로봇, 무인수상함, 무인헬기 등의 국방분야나, 민수용 이동로봇, 지능형자동차, 무인자동차 등의 민수용 분야에 대한 적용을 염두에 두고 활발히 연구가 이루어지고 있다.

라이다 장치는, 통상적으로, 레이저 펄스를 방출하는 광원과, 외부의 객체의 의해 반사되는 반사광을 수신하는 광 검출기와, 상기 객체의 위치를 결정하는 분석부로 구성된다. 여기서 분석부는 반사광에 대하여 송수신에 소요된 시간을 결정하여 반사된 객체까지의 거리를 계산하고, 특히 각 방향으로부터 수신되는 반사광에 대하여 거리를 계산함으로써 화각(FOV: Field of View)에 상응한 영상 내에서 거리맵을 작성할 수도 있다.

기존의 다중채널 라이다 기술은 광원의 개수가 채널 수에 맞게 구현이 되어 있으며, 각 채널 수에 맞는 광 검출기도 포함 되어 있어, 채널수가 증가 할수록 광원 및 광 검출기의 사용량이 증가하게 되며, 채널 수가 늘어남에 따른 라이다의 크기가 커지며, 단가가 상승한다는 단점을 갖는다.

본 발명은 광원에서 출력된 단일 채널의 광을 다중 채널의 광으로 분리할 수 있는 라이다 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 라이다 시스템들 간의 신호 간섭을 예방할 할 수 있는 라이다 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 제조 비용이 절감되고, 소형화 가능한 라이다 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 라이다 시스템은 코딩정보를 제공하는 엔코더; 상기 코딩정보에 의해 코딩된 단일의 광을 출력하는 광원; 상기 코딩된 단일의 광을 파장별로 분리하고, 파장 정보에 따라 서로 다른 채널로 광을 출력하는 WDM 변환부; 상기 채널 별로 제공되며, 단일의 파장 정보를 갖는 광을 시간 정보에 따라 분할하는 복수 개의 TDM 변환부; 상기 TDM 변환부들에서 출력된 광을 주변으로 전달하고, 주변에서 반사된 광을 수신하는 광 스캐닝부; 상기 광 스캐닝부에 수신된 광을 상기 파장 정보에 따라 선택적으로 투과시키는 복수 개의 광학 필터; 상기 광학 필터를 투과한 광 신호를 검출하는 광 검출부; 및 상기 광 검출부에 검출된 광 신호를 상기 코딩정보에 따라, 상기 파장 정보에 따라, 그리고 상기 시간 정보에 따라 분석하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 엔코더는 CDM, FDM, 그리고 SDM 중 어느 하나의 방식으로 상기 코딩 정보를 생성할 수 있다.

또한, 상기 광학 필터는 상기 파장 정보들에 대응하는 개수로 제공될 수 있다.

또한, 상기 WDM 변환부에서 상기 코딩된 단일의 광이 파장별로 분리된 파장 정보의 수는 상기 TDM 변환부들의 수와 동일할 수 있다.

또한, 상기 WDM 변환부는 상기 코딩된 단일의 광을 m개(여기서 m은 2이상의 자연수)의 파장 정보로 분리하고, 상기 TDM 변환부들는 단일의 파장 정보를 갖는 광을 n(여기서 n은 2이상의 자연수)개의 시간 정보에 따라 분할할 수 있다.

본 발명에 따른 라이다 시스템은 제1코딩정보로 코딩된 광을 파장 별로 분리하고, 파장 정보에 따라 서로 다른 채널로 광을 출력하고, 상기 채널 별로 단일의 파장 정보를 갖는 광을 시간에 따라 분할하여 주변을 스캔하고, 주변에서 반사된 광을 상기 파장 정보에 따라 선택적으로 검출하는 제1라이다 모듈; 및 제2코딩정보로 코딩된 광을 파장 별로 분리하고, 파장 정보에 따라 서로 다른 채널로 광을 출력하고, 상기 채널 별로 단일의 파장 정보를 갖는 광을 시간에 따라 분할하여 주변을 스캔하고, 주변에서 반사된 광을 상기 파장 정보에 따라 선택적으로 검출하는 제2라이다 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1코딩 정보 및 상기 제2코딩 정보는, CDM, FDM, 그리고 SDM 중 어느 하나의 방식으로 생성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 광원에서 출력된 단일 채널의 광을 파장 정보에 따라, 그리고 시간 정보에 따라 분리하므로, 다중 채널의 광을 통해 주변을 스캐닝할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 코딩 정보에 의해 코딩된 광이 광원에서 출력되며, 수신된 광 신호를 코딩 정보에 따라 선별하므로, 다수의 라이다 시스템들 간의 신호 간섭이 예방될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 단일의 광원을 이용하여 다중 채널의 광을 생성하므로, 라이다 시스템의 제조 비용이 절감되고, 소형화가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 라이다 시스템에서 광 스캐닝부로 광을 출력하기 위한 구성들을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 라이다 시스템에서 광 스캐닝부에 수광된 광 신호를 처리하기 위한 구성들을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 라이다 시스템에서 광 스캐닝부에 수광된 광 신호를 처리하기 위한 구성들을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 라이다 시스템을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 라이다 시스템에서 광 스캐닝부로 광을 출력하기 위한 구성들을 나타내는 도면이고, 도 3은 도 1의 라이다 시스템에서 광 스캐닝부에 수광된 광 신호를 처리하기 위한 구성들을 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 라이다 시스템(100)은 엔코더(110), 광원(120), WDM 변환부(130), TDM 변환부(140), 광 스캐닝부(150), 렌즈(160), 광학 필터(170), 광 검출부(180), 전기 필터(190), 그리고 신호 처리부(210)를 포함한다.

엔코더(110)는 코딩정보를 생성하여 광원(120)에 제공한다. 코딩정보는 다중분할방식의 코딩정보를 생성할 수 있다. 실시 예에 의하면, 코딩정보는 CDM(Code Division Multiplexing; 코드분할방식), FDM(Frequency Division Multiplexing; 주파수분할방식), SDM(Spatial Division Multiplexing; 공간분할방식) 중 어느 하나의 방식으로 생성될 수 있다.

광원(120)은 단일의 광을 출력하며, 상기 코딩정보에 의해 코딩된 광을 출력한다. 광원(120)은 laser diode, super continuum, super luminescent diode(SLD), light emitting diode(LED), 파장가변레이저 중 어느 하나가 사용될 수 있다.

WDM 변환부(130)는 코딩된 단일의 광을 파장분할방식(Wavelength Division Multiplexing, WDM)으로 파장별로 분리하며, 분리된 파장별 광을 파장 정보(λ1, λ2, λ3, … λn)에 따라 서로 다른 채널로 출력한다. 이에 의해, WDM 변환부(130)에서 출력되는 다수 채널의 광 신호들은 동일한 코딩정보와 서로 다른 파장정보(λ1, λ2, λ3, … λn)를 갖는다. 실시 예에 의하면, WDM 변환부(130)에서 분리하고자 하는 파장 정보(λ1, λ2, λ3, … λn)는 사용자에 의해 선택될 수 있다. 사용자의 선택에 의해 분리되는 파장의 개수를 선택할 수 있다.

TDM 변환부(140)는 WDM 변환부(130)에서 출력되는 광의 채널들에 대응하는 개수로 제공되며, 광의 채널들 각각에 제공된다. TDM 변환부(140)는 단일의 파장 정보를 갖는 광을 시 분할 분배방식(Time Division Multiplexing, TDM)으로 시간 정보(t1, t2, t3, … tn)에 따라 여러 채널로 분할한다. 하나의 TDM 변환부(140)에서 출력되는 광 신호는 채널마다 동일한 파장정보를 갖고, 채널별로 서로 다른 시간정보(t1, t2, t3, … tn)를 갖는다.

광 스캐닝부(150)는 TDM 변환부(140)에서 출력되는 광을 시간 정보에 따라 주변으로 전달하고, 주변에서 반사된 광을 수신한다. 광 스캐닝부(150)는 360도 전방위로 주변을 스캐닝할 수 있다.

렌즈(160)는 광 스캐닝부(150)에 수신된 광을 집광한다. 렌즈(160)는 TDM 변환부(140)에 대응하는 개수로 제공되며, 수신된 광을 광학 필터(170)에 집광한다.

광학 필터(Optical Filter, 170)는 WDM 변환부(130)에서 광을 파장별로 분리하는 파장 정보(λ1, λ2, λ3, … λn)들에 대응하는 개수로 제공되며, 렌즈(160)에 의해 집광되는 광을 파장 정보(λ1, λ2, λ3, … λn)에 따라 선택적으로 투과시킨다. 광학 필터(170)들은 WDM 변환부(130)에서 분리된 광의 파장 정보(λ1, λ2, λ3, …λn)들에 대응하여, 각각이 서로 상이한 파장 정보의 광을 투과하도록 제공된다.

광 검출부(Photo Diode, 180)는 광학 필터(170)들을 투과한 광을 검출한다. 실시 예에 의하면, 광 검출부(180)는 광학 필터(170)들에 대응하는 개수로 제공되며, 광학 필터(170)를 투과한 광을 파장별로 검출한다.

전기 필터(Electrical Filter, 190)는 광 검출부(180)에서 검출된 광 신호에 포함된 외부 노이즈를 제거한다. 일 예에 의하면, 전기 필터(190)는 광 스캐닝부(150)에 광이 수신되는 과정에서 외부로부터의 광 신호에 의한 노이즈를 제거할 수 있다. 실시 예에 의하면, 전기 필터(190)는 광 검출부(190)들에 대응하는 개수로 제공되며, 광의 파장별로 외부 노이즈를 제공할 수 있다. 전기 필터(190)들은 광의 개별 파장별로 외부 노이즈를 제거하므로, 외부 노이즈의 판별 및 이의 제거가 용이하다.

신호 처리부(210)는 광 검출부(180)에 검출된 광 신호를 파장 정보(λ1, λ2, λ3, … λn)에 따라, 시간 정보(t1, t2, t3, … tn)에 따라 그리고 코딩정보에 따라 분석한다. WDM 변환부(130)에서 분리되는 파장 정보의 개수를 m개(m은 2이상의 자연수)라 하고, TDM 변환부(140)에서 시 분할 분배방식으로 분리되는 시간 정보를 n개(n은 2이상의 자연수)라 할 경우, 신호 처리부(210)는 mⅹn개의 광 신호들, 즉 파장 정보별로 서로 다른 시간정보를 갖는 광 신호들을 분석한다. 또한, 신호 처리부(210)는 코딩정보에 따라 광 신호를 분석하므로, 광원(120)에서 출력된 광 신호를 다른 광 신호와 분리하여 분석할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 라이다 시스템에서 광 스캐닝부에 수광된 광 신호를 처리하기 위한 구성들을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 광 검출부(180)는 광 검출기(Photo Diode)가 복수의 어레이로 배열된 구조로 제공될 수 있다. 각각의 광 검출기는 광학 필터(170)를 투과한 광을 파장별로 검출한다.

전기 필터(190)는 광 검출부(180)들에서 검출된 광 신호에 포함된 외부 노이즈를 제거한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 라이다 시스템을 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 라이다 시스템(100)은 복수 개의 라이다 모듈(100a, 100b, … 100n)로 제공된다. 라이다 모듈(100a, 100b, … 100n)들 각각은 도 1 내지 도 4에서 설명한 라이다 시스템 중 어느 하나와 동일한 구성들로 제공될 수 있다.

라이다 모듈(100a, 100b, … 100n)들의 엔코더(110a, 110b, … 110n)들에서는 서로 상이한 코딩정보를 생성하여 각각의 광원(120a, 120b, … 120n)으로 제공하며, 광원(120a, 120b, … 120n)들에서는 서로 상이한 코딩정보로 코딩된 광을 출력한다. 서로 상이한 코딩정보를 갖는 광은 각각의 라이다 모듈(100a, 100b, … 100n)의 WDM 변환부(130a, 130b, … 130n)에서 파장 정보(λ1, λ2, λ3, … λn)에 따라 분리되고, TDM 변환부(140a, 140b, … 140n)에서 시간에 따라 분리되며, 각각의 광 스캐닝부(150a, 150b, … 150n)를 통해 주변을 스캐닝한다.

스캐닝 과정에서 광 신호는 인접한 라이다 모듈(100a, 100b, … 100n)들에도 수신될 수 있는데, 각각의 신호 처리부(210a, 21b, … 210n)들은 광 신호에 포함된 코딩 정보를 통해 같은 라이다 모듈(100a, 100b, … 100n)의 광원에서 출력된 신호임을 선별할 수 있다. 따라서, 코딩 정보를 통해 라이다 모듈(100a, 100b, … 100n)들간의 신호 간섭이 예방될 수 있다.

실시 예에 의하면, 라이다 모듈(100a, 100b, … 100n)들이 서로 다른 차량들에 탑재되는 경우, 차량들 각각에서 출력되는 광 신호들은 다른 차량의 라이다 모듈에 수신될 수 있으며, 이 경우 코딩 정보를 통해 동일 차량에서 출력된 광 신호를 선별할 수 있다. 이를 통해 차량들 간의 신호 간섭이 예방되어 안정적으로 차량 주변을 스캐닝할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 광 신호를 다중 채널로 주변을 스캐닝함에 있어, 단일의 광원을 사용함으로써, 기존의 라이다 시스템이 채널 수에 맞게 광원들을 구비함으로써 발생되는 비용문제를 절감시킬 수 있다.

또한, 다수의 라이다 시스템들이 주변을 동시에 스캐닝하더라도 수신된 광 신호에 포함된 코딩정보를 통해 광 신호를 선별할 수 있으므로 라이다 시스템들간의 신호 간섭이 예방될 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100: 라이다 시스템(100)
110: 엔코더
120: 광원
130: WDM 변환부
140: TDM 변환부
150: 광 스캐닝부
160: 렌즈
170: 광학 필터
180: 광 검출부
190: 전기 필터
210: 신호 처리부

Claims

코딩정보를 제공하는 엔코더;
상기 코딩정보에 의해 코딩된 단일의 광을 출력하는 광원;
상기 코딩된 단일의 광을 파장별로 분리하고, 파장 정보에 따라 서로 다른 채널로 광을 출력하는 WDM 변환부;
상기 채널 별로 제공되며, 단일의 파장 정보를 갖는 광을 시간 정보에 따라 분할하는 복수 개의 TDM 변환부;
상기 TDM 변환부들에서 출력된 광을 주변으로 전달하고, 주변에서 반사된 광을 수신하는 광 스캐닝부;
상기 광 스캐닝부에 수신된 광을 상기 파장 정보에 따라 선택적으로 투과시키는 복수 개의 광학 필터;
상기 광학 필터를 투과한 광 신호를 검출하는 광 검출부; 및
상기 광 검출부에 검출된 광 신호를 상기 코딩정보에 따라, 상기 파장 정보에 따라, 그리고 상기 시간 정보에 따라 분석하는 신호 처리부를 포함하는 라이다 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 엔코더는 CDM, FDM, 그리고 SDM 중 어느 하나의 방식으로 상기 코딩 정보를 생성하는 라이다 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 광학 필터는 상기 파장 정보들에 대응하는 개수로 제공되는 라이다 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 WDM 변환부에서 상기 코딩된 단일의 광이 파장별로 분리된 파장 정보의 수는 상기 TDM 변환부들의 수와 동일한 라이다 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 WDM 변환부는 상기 코딩된 단일의 광을 m개(여기서 m은 2이상의 자연수)의 파장 정보로 분리하고,
상기 TDM 변환부들는 단일의 파장 정보를 갖는 광을 n(여기서 n은 2이상의 자연수)개의 시간 정보에 따라 분할할 수 있는 라이다 시스템.
제1코딩정보로 코딩된 광을 파장 별로 분리하고, 파장 정보에 따라 서로 다른 채널로 광을 출력하고, 상기 채널 별로 단일의 파장 정보를 갖는 광을 시간에 따라 분할하여 주변을 스캔하고, 주변에서 반사된 광을 상기 파장 정보에 따라 선택적으로 검출하는 제1라이다 모듈; 및
제2코딩정보로 코딩된 광을 파장 별로 분리하고, 파장 정보에 따라 서로 다른 채널로 광을 출력하고, 상기 채널 별로 단일의 파장 정보를 갖는 광을 시간에 따라 분할하여 주변을 스캔하고, 주변에서 반사된 광을 상기 파장 정보에 따라 선택적으로 검출하는 제2라이다 모듈을 포함하되,
상기 제1코딩정보와 상기 제2코딩정보는 서로 상이한 코딩정보를 갖는 라이다 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 제1코딩 정보 및 상기 제2코딩 정보는,
CDM, FDM, 그리고 SDM 중 어느 하나의 방식으로 생성되는 라이다 시스템.