KR102176700B1 - An Apparatus and A Method For Lidar Time Of Flight measurement - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 라이다 비행시간 측정 장치는 라이다 시스템 내 레이저 펄스 신호를 출력하는 레이저 다이오드를 구동시키기 위한 레이저 다이오드 구동부를 포함하는 제어부; 및 상기 레이저 다이오드 및 대상체로부터 반사된 레이저 신호를 감지하기 위한 포토 다이오드 사이에 연결되며, 상기 레이저 다이오드로부터 송신되는 레이저 펄스 신호를 상기 포토 다이오드로 미러링시키기 위한 미러링부;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 포토 다이오드에서 입력 받은 상기 미러링된 레이저 펄스 신호에 기초하여 라이다 비행시간에 있어서 출발시간을 계산할 수 있다.A lidar flight time measurement apparatus according to an embodiment of the present invention includes a control unit including a laser diode driving unit for driving a laser diode outputting a laser pulse signal in the lidar system; And a mirroring unit connected between the laser diode and a photodiode for detecting a laser signal reflected from the object, and for mirroring the laser pulse signal transmitted from the laser diode to the photodiode, wherein the control unit includes the Based on the mirrored laser pulse signal input from the photodiode, it is possible to calculate the departure time in the lidar flight time.

Figure R1020180155072
Figure R1020180155072

Description

라이다 비행시간 측정 장치 및 방법{An Apparatus and A Method For Lidar Time Of Flight measurement}An Apparatus and A Method For Lidar Time Of Flight measurement}

본 발명은 라이다 비행시간 측정 장치 및 방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 라이다(LIDAR) 센서의 비행시간(ToF) 측정 정확성을 높이는 라이다 비행시간 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring a time of flight of a lidar, and more particularly, to a device and method for measuring a time of flight of a lidar to increase the accuracy of measuring time of flight (ToF) of a lidar sensor.

라이다(LIDAR: Light Detection and Ranging)란 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 기술로써, 3차원 GIS(Geographic Information System) 정보 구축을 위한 지형 데이터를 구축하고, 이를 가시화하는 형태로 발전되어 건설, 국방 등의 분야에 응용되었고, 최근 들어 자율주행자동차 및 이동로봇 등에 적용되면서 핵심 기술로 주목을 받고 있다.LIDAR (Light Detection and Ranging) is a technology that measures distance using a laser, and it is developed in the form of constructing and visualizing terrain data for building 3D GIS (Geographic Information System) information. It has been applied to fields such as, and is attracting attention as a core technology as it is applied to autonomous vehicles and mobile robots in recent years.

특히, 자동차용 라이다는 주행중인 차량이 앞 차와의 충돌을 피하거나 또는 충격을 최소화할 수 있도록 차간거리를 실시간으로 측정하여 경고 또는 차량 자동제어를 할 수 있도록 하는 장치로써 라이다/레이다, 영상센서, 통신 3D 맵 등 자율주행차의 차량거리 센서 시스템의 주요 부품 중 가장 필수적인 부품으로 사용되고 있다.In particular, a motor vehicle lidar is a device that enables warning or automatic vehicle control by measuring the distance between vehicles in real time so that a vehicle in front of the vehicle can avoid collision or minimize impact. It is used as the most essential part of the main parts of the vehicle distance sensor system for autonomous vehicles such as image sensors and communication 3D maps.

이러한, 라이다(Lidar)는 거리감지를 위해 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)와 포토 다이오드(PD: Photodiode Array)를 이용한다. 보다 구체적으로, 레이저 다이오드에서 발사한 빛을 물체가 맞고 돌아온 후 포토 다이오드에서 반사된 빛을 흡수하고 이를 전류화시켜 신호화하며, 이때, 레이저 다이오드에서 발사한 빛과 되돌아온 빛의 신호간격 시간을 체크하여 비행시간을 계산한다.Such Lidar uses a laser diode (LD) and a photodiode (PD) for distance sensing. More specifically, after the object hits and returns to the light emitted from the laser diode, the light reflected from the photodiode is absorbed and converted into a current signal. At this time, the signal interval time between the light emitted from the laser diode and the light returned is checked. And calculate the flight time.

한편, 발사하는 빛의 신호는 레이저 다이오드 드라이버를 거쳐 레이저 다이오드에 전류를 인가하는 과정을 거치게 되는데. 이 과정에서 지연(delay)이 발생될 수 있었다.Meanwhile, the signal of emitted light goes through a process of applying current to the laser diode through the laser diode driver. A delay could have occurred in this process.

또한, 라이다 기술은 수십 ~ 수 ns 이내의 데이터 수집 및 처리가 요구되는 매우 정밀한 기술로서 ns 단위의 작은 시간 연산 오차에 대해서도 실제 거리 측정에서는 상당한 거리 오차로 표현되는데, 변환과정에서의 수 ns 지연(dealy)이라도 큰 거리오차를 발생시킬 수 있으며, 예를 들어 1ns의 오차에 대하여 약 15cm의 거리 오차가 발생할 수 있다. 또한, 이러한 거리 오차는 차량 및 운전자의 안전에 심각한 영향을 미칠 수 있었다.In addition, LiDAR technology is a very precise technology that requires data collection and processing within tens to several ns. Even a small time operation error in ns is expressed as a considerable distance error in actual distance measurement. Even (dealy), a large distance error may occur, and for example, a distance error of about 15cm may occur for an error of 1 ns. In addition, this distance error could have a serious impact on the safety of the vehicle and the driver.

본 발명은 상술한 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 라이다(Lidar) 센서의 비행시간(ToF) 측정 정확도를 향상시킬 수 있는 라이다 비행시간 측정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.The present invention has been devised to meet the above-described requirements, and is to provide a Lidar flight time measurement apparatus and method capable of improving the accuracy of the flight time (ToF) measurement of a Lidar sensor.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 비행시간 측정 장치는 라이다 시스템 내 레이저 펄스 신호를 출력하는 레이저 다이오드를 구동시키기 위한 레이저 다이오드 구동부를 포함하는 제어부; 및 상기 레이저 다이오드 및 대상체로부터 반사된 레이저 신호를 감지하기 위한 포토 다이오드 사이에 연결되며, 상기 레이저 다이오드로부터 송신되는 레이저 펄스 신호를 상기 포토 다이오드로 미러링시키기 위한 미러링부;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 포토 다이오드에서 입력 받은 상기 미러링된 레이저 펄스 신호에 기초하여 라이다 비행시간에 있어서 출발시간을 계산할 수 있다.A lidar flight time measurement apparatus according to an embodiment of the present invention includes a control unit including a laser diode driving unit for driving a laser diode outputting a laser pulse signal in the lidar system; And a mirroring unit connected between the laser diode and a photodiode for detecting a laser signal reflected from the object, and for mirroring the laser pulse signal transmitted from the laser diode to the photodiode, wherein the control unit includes the Based on the mirrored laser pulse signal received from the photodiode, the departure time may be calculated in the lidar flight time.

이 경우, 상기 제어부는 상기 포토 다이오드를 통해 상기 레이저 펄스 신호를 인가 받은 대상체로부터 반사된 반사파 신호를 입력 받아 라이다 비행시간에 있어서 도착 시간을 계산할 수 있다.In this case, the controller may receive a reflected wave signal reflected from an object to which the laser pulse signal is applied through the photodiode and calculate an arrival time in the Lidar flight time.

또한, 상기 제어부는 상기 미러링된 레이저 펄스 신호의 감지 시부터 상기 반사파 신호의 감지 시까지의 비행시간을 계산할 수 있다.In addition, the controller may calculate a flight time from the detection of the mirrored laser pulse signal to the detection of the reflected wave signal.

또한, 상기 미러링부는 일측에서는 상기 레이저 다이오드의 동작 전류가 흐르고 타측에서는 상기 포토다이오드의 동작 전류가 흐르도록 전류비가 설정될 수 있다.In addition, a current ratio may be set such that an operating current of the laser diode flows at one side of the mirroring unit and an operating current of the photodiode flows at the other side.

또한, 상기 미러링부는, 제 1 전류비를 갖도록 설정된 제 1 미러링 회로 및 제 2 전류비를 갖도록 설정된 제 2 미러링 회로를 포함하며, 상기 제 1 미러링 회로 및 상기 제 2 미러링 회로는 서로 직렬 연결되고, 상기 제 1 전류비와 상기 제 2 전류비의 곱은 상기 레이저 다이오드의 동작 전류 대 상기 포토 다이오드의 동작전류의 비일 수 있다.In addition, the mirroring unit includes a first mirroring circuit set to have a first current ratio and a second mirroring circuit set to have a second current ratio, and the first mirroring circuit and the second mirroring circuit are connected in series with each other, The product of the first current ratio and the second current ratio may be a ratio of the operating current of the laser diode to the operating current of the photodiode.

또한, 상기 제 1 미러링 회로 및 상기 제 2 미러링 회로는 각각 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭소자는 그 게이트들끼리 서로 연결되고 그 소오스들끼리 서로 연결되도록 구성될 수 있다.In addition, the first mirroring circuit and the second mirroring circuit each include a first switching element and a second switching element, and the first switching element and the second switching element are connected to each other and sources thereof It can be configured to be connected to each other.

또한, 상기 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭 소자는 모스펫(MOSFET) 또는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT)를 포함할 수 있다.In addition, the first switching element and the second switching element may include a MOSFET or a bipolar junction transistor (BJT).

한편, 본 발명의 실시예에 따른 라이다 비행시간 측정 방법은 레이저 다이오드를 구동시키기 위한 구동신호를 레이저 다이오드 드라이버에 입력하는 단계; 상기 구동신호를 입력 받은 상기 레이저 다이오드 드라이버가 상기 레이저 다이오드에 구동 전류를 인가하고, 상기 구동 전류를 입력 받은 상기 레이저 다이오드가 레이저 펄스 신호를 송신하는 단계; 상기 레이저 다이오드로부터 송신되는 상기 레이저 펄스 신호를 대상체로부터 반사된 레이저 신호를 감지하기 위한 포토 다이오드로 미러링하는 단계; 상기 포토 다이오드가 상기 미러링된 레이저 펄스 신호를 센싱하는 단계; 및 상기 미러링된 레이저 펄스 신호에 기초하여 라이다 비행시간의 출발시간을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.Meanwhile, a method for measuring a LiDAR flight time according to an embodiment of the present invention includes the steps of inputting a driving signal for driving a laser diode to a laser diode driver; The laser diode driver receiving the driving signal applying a driving current to the laser diode, and transmitting a laser pulse signal by the laser diode receiving the driving current; Mirroring the laser pulse signal transmitted from the laser diode to a photodiode for detecting a laser signal reflected from an object; Sensing the mirrored laser pulse signal by the photodiode; And calculating a departure time of the lidar flight time based on the mirrored laser pulse signal.

이 경우, 상기 레이저 다이오드에서 송신되는 상기 레이저 펄스를 인가 받은 상기 대상체로부터 반사된 반사파 신호를 수신 받아 라이다 비행시간의 도착시간을 계산하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In this case, the step of calculating the arrival time of the Lidar flight time by receiving the reflected wave signal reflected from the object to which the laser pulse transmitted from the laser diode is applied; may further include.

또한, 상기 비행시간 측정 단계는, 상기 미러링된 상기 레이저 펄스 신호의 감지 시부터 상기 반사파 신호의 감지시까지의 비행시간을 계산할 수 있다.In addition, the flight time measurement step may calculate a flight time from the detection of the mirrored laser pulse signal to the detection of the reflected wave signal.

또한, 상기 레이저 펄스 신호 미러링 단계는, 상기 레이저 다이오드로부터 송신되는 상기 레이저 펄스를 상기 대상체에 송신함과 동시에 상기 포토 다이오드로 미러링할 수 있다.In addition, in the mirroring of the laser pulse signal, the laser pulse transmitted from the laser diode may be transmitted to the object and mirrored to the photodiode.

상술한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 비행시간 측정 장치 및 방법은 레이저 다이오드로부터 송신되는 레이저 펄스 신호를 포토 다이오드로 미러링 하여 포토 다이오드에서 미러링된 레이저 펄스 신호를 라이다 비행시간(ToF)의 출발 시간(스타트 신호)으로 계산하기 때문에, 레이저 다이오드 구동부에서 레이저 다이오드 드라이버로 구동신호를 인가할 때의 신호를 라이다 비행시간(ToF)의 출발 시간으로 계산할 때 발생되는 시간 지연(time delay) 문제를 해결할 수 있다. In the apparatus and method for measuring a LiDAR flight time according to an embodiment of the present invention made as described above, the laser pulse signal transmitted from the laser diode is mirrored with a photodiode, and the laser pulse signal mirrored from the photodiode is converted to the LiDAR flight time ( ToF) is calculated as the start time (start signal), so the time delay that occurs when the signal when applying the driving signal from the laser diode driver to the laser diode driver is calculated as the start time of the lidar flight time (ToF). delay) problem can be solved.

이로 인해, 비행 시간(ToF) 측정 시, 시간 지연(time delay)을 계산하여, 보상하는 과정을 생략할 수 있으며, 라이다 비행 시간(ToF) 계산에 대한 오차가 감소되고, 비행시간 측정의 정확도가 향상될 수 있다. 물론 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Therefore, when measuring the flight time (ToF), it is possible to omit the process of calculating and compensating the time delay, reducing the error in calculating the flight time (ToF), and the accuracy of the flight time measurement. Can be improved. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 라이다 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 라이다 비행시간 측정 방법에 대한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 미러링부에 대한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비행시간(ToF)을 계산하는 방법을 설명하기 위한 신호파형을 나타낸 도면이다. 1 is a block diagram showing a lidar system according to an embodiment of the present invention.
2 is a flow chart for a method of measuring the flight time of Lida according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram of a mirroring unit according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a signal waveform for explaining a method of calculating a flight time (ToF) according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 또한, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and the following embodiments make the disclosure of the present invention complete, and the scope of the invention to those of ordinary skill in the art. It is provided to fully inform you. In addition, for convenience of description, in the drawings, the sizes of components may be exaggerated or reduced. In addition, the following examples are provided so that the present invention may be sufficiently understood by those of ordinary skill in the art, and may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is limited to the examples described below. It does not become.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 라이다 시스템을 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram showing a lidar system according to an embodiment of the present invention.

라이다 시스템(10)은 제어부(100), 레이저 다이오드 드라이버(105), 레이저 다이오드(120), 포토 다이오드(130), 광학부(140) 및 미러링부(110)를 포함할 수 있으며, 여기서 제어부(100)는 레이저 다이오드 구동부(103) 및 수신 신호 처리부(160)를 포함할 수 있다.The lidar system 10 may include a control unit 100, a laser diode driver 105, a laser diode 120, a photodiode 130, an optical unit 140, and a mirror unit 110, wherein the control unit 100 may include a laser diode driving unit 103 and a reception signal processing unit 160.

보다 구체적으로, 제어부(100)는 라이다(Lidar) 센서 시스템의 전체적인 제어 및 비행시간(ToF: Time of Flight)을 계산할 수 있으며, 레이저 다이오드 구동부(103)에서 레이저 다이오드(120)를 구동시키기 위한 구동신호를 레이저 다이오드 드라이버(105)에 입력할 수 있다. More specifically, the control unit 100 may calculate the overall control and time of flight (ToF) of the Lidar sensor system, and for driving the laser diode 120 in the laser diode driving unit 103 The driving signal may be input to the laser diode driver 105.

이때, 레이저 다이오드 드라이버(105)는 레이저 다이오드(120)에 구동 전류를 인가할 수 있으며, 레이저 다이오드(120)는 구동 전류를 입력 받아, 광학부(140)를 통해 레이저 펄스 신호를 대상체(150)에 송신할 수 있다.In this case, the laser diode driver 105 may apply a driving current to the laser diode 120, and the laser diode 120 receives a driving current and transmits a laser pulse signal to the object 150 through the optical unit 140. Can send to.

예컨대, 광학부(140)는 레이저 다이오드(120)에서 송신되는 레이저 펄스 시야각 확보 및 정밀한 각 해상도 확보를 위해 레이저 발광 분포 균일화, 빔 정형 비율, 수광시 빔의 집광력 등 광학적 특성을 고려한 광학 렌즈(143, 145), 프리즘(미도시) 등을 포함할 수 있다. For example, the optical unit 140 is an optical lens 143 that considers optical characteristics such as uniform laser emission distribution, beam shaping ratio, and condensing power of the beam at the time of receiving light in order to secure the viewing angle of the laser pulse transmitted from the laser diode 120 and secure angular resolution. , 145), and a prism (not shown).

또한, 레이저 다이오드(120)가 레이저 펄스 신호를 대상체에 송신한 후, 포토 다이오드(130)는 광학부(140)를 통해 레이저 펄스 신호를 인가 받은 대상체(150)로부터 반사된 반사파 신호를 감지할 수 있다.In addition, after the laser diode 120 transmits the laser pulse signal to the object, the photodiode 130 may detect the reflected wave signal reflected from the object 150 to which the laser pulse signal is applied through the optical unit 140. have.

한편, 본 발명은 레이저 다이오드(120)로부터 송신되는 레이저 펄스 신호를 포토 다이오드(130)로 미러링 시키기 위해 레이저 다이오드(120) 및 포토 다이오드(130) 사이에 연결되는 미러링부(110)를 포함할 수 있다.Meanwhile, the present invention may include a mirroring unit 110 connected between the laser diode 120 and the photo diode 130 in order to mirror the laser pulse signal transmitted from the laser diode 120 to the photo diode 130. have.

보다 구체적으로, 미러링부(110)에 대하여 도 3을 통해 상세히 후술하도록 한다.More specifically, the mirroring unit 110 will be described in detail later with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 미러링부에 대한 회로도이다.3 is a circuit diagram of a mirroring unit according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 미러링부(110)는 제 1 미러링 회로(300) 및 제 2 미러링 회로(310)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the mirroring unit 110 may include a first mirroring circuit 300 and a second mirroring circuit 310.

예컨대, 레이저 다이오드(120)가 먼 거리까지 레이저 펄스 신호를 송신하기 위해서는 출력 신호를 높여야 하고 상당한 구동 전류를 필요하기 때문에, 레이저 다이오드 드라이버(105)는 레이저 다이오드(120)에 레이저 펄스 신호를 송신하기 위한 상당한 구동 전류를 인가하게 된다. For example, in order for the laser diode 120 to transmit a laser pulse signal to a long distance, the output signal must be increased and a considerable driving current is required, so the laser diode driver 105 transmits a laser pulse signal to the laser diode 120. To apply a significant driving current.

따라서, 레이저 다이오드(120)에서 송신되는 전류가 크기 때문에 레이저 다이오드(120)의 레이저 펄스 신호를 포토 다이오드(130)에 인가하기 전, 레이저 다이오드(120)의 전류를 감쇄할 필요가 있으며, 본 발명의 미러링부(110)는 제 1 미러링 회로(300) 및 제 2 미러링 회로(310)를 통해 레이저 다이오드(120)에서 포토 다이오드(130)로 인가되는 전류를 감쇄시킬 수 있다.Therefore, since the current transmitted from the laser diode 120 is large, before applying the laser pulse signal of the laser diode 120 to the photodiode 130, it is necessary to attenuate the current of the laser diode 120, and the present invention The mirroring unit 110 of may attenuate the current applied from the laser diode 120 to the photodiode 130 through the first mirroring circuit 300 and the second mirroring circuit 310.

한편, 제 1 미러링 회로(300) 및 제 2 미러링 회로(310)는 각각 다른 전류비로 동작되고 있으며, 미러링부(110) 일측에서는 레이저 다이오드(120)의 동작 전류가 흐르고, 타측에서는 포토 다이오드(130)의 동작 전류가 흐르도록 전류비가 설정될 수 있다. Meanwhile, the first mirroring circuit 300 and the second mirroring circuit 310 are operated at different current ratios, and the operating current of the laser diode 120 flows from one side of the mirroring unit 110, and the photodiode 130 flows from the other side. The current ratio can be set so that the operating current of) flows.

보다 구체적으로, 제 1 미러링 회로(300)는 레이저 다이오드(120)와 연결되고, 제 2 미러링 회로(310)는 포토 다이오드(130)와 연결되어 있으며, 제 1 미러링 회로(300) 및 제 2 미러링 회로(310)는 서로 직렬 연결되어 있다.More specifically, the first mirroring circuit 300 is connected to the laser diode 120, the second mirroring circuit 310 is connected to the photodiode 130, the first mirroring circuit 300 and the second mirroring The circuits 310 are connected in series with each other.

또한, 제 1 미러링 회로(300) 및 제 2 미러링 회로(310)는 각각 제 1 전류비(A:B) 및 제 2 전류비(C:D)를 갖도록 설정될 수 있으며, 제 1 미러링 회로(300)의 제 1 전류비(A:B)와 제 2 미러링 회로(310)의 제 2 전류비(C:D)의 곱은 레이저 다이오드(120)의 동작 전류 대 포토 다이오드(130)의 동작전류 비로 설정될 수 있다.In addition, the first mirroring circuit 300 and the second mirroring circuit 310 may be set to have a first current ratio (A:B) and a second current ratio (C:D), respectively, and the first mirroring circuit ( The product of the first current ratio (A:B) of 300) and the second current ratio (C:D) of the second mirroring circuit 310 is the ratio of the operating current of the laser diode 120 to the operating current of the photodiode 130 Can be set.

한편, 제 1 미러링 회로(300) 및 제 2 미러링 회로(310)는 각각 제 1 스위칭 소자(303, 313) 및 제 2 스위칭 소자(305, 315)를 포함하며, 제 1 스위칭 소자(303, 313) 및 제 2 스위칭 소자(305, 315)는 그 게이트들끼리 서로 연결되고 및 그 소오스들끼리 서로 연결될 수 있다.Meanwhile, the first mirroring circuit 300 and the second mirroring circuit 310 include first and second switching elements 303 and 313 and second switching elements 305 and 315, respectively, and the first and second switching elements 303 and 313 ) And the second switching elements 305 and 315 may be connected to each other, and sources thereof may be connected to each other.

예컨대 제 1 스위칭 소자(303, 313) 및 제 2 스위칭 소자(305, 315)는 모스펫(MOSFET) 또는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT)를 포함할 수 있다.For example, the first switching elements 303 and 313 and the second switching elements 305 and 315 may include a MOSFET or a bipolar junction transistor BJT.

한편, 본 발명은 미러링부(110)를 통해 레이저 다이오드(120)로부터 송신되는 레이저 펄스 신호가 포토 다이오드(130)로 미러링 되는데, 보다 구체적으로, 레이저 다이오드(120)에서 송신한 레이저 펄스 신호가 제 1 미러링 회로(300)의 제 1 스위칭 소자(303)에 인가되면, 제 1 스위칭 소자(303)에 전류가 인가되면서 제 1 스위칭 소자(303)의 게이트와 연결되어 있는 제 1 미러링 회로(300)의 제 2 스위칭 소자(305)의 게이트가 턴온 되면서, 제 2 스위칭 소자(305)에 전류가 흐르게 된다.Meanwhile, in the present invention, the laser pulse signal transmitted from the laser diode 120 through the mirroring unit 110 is mirrored to the photodiode 130. More specifically, the laser pulse signal transmitted from the laser diode 120 is 1 When applied to the first switching element 303 of the mirroring circuit 300, the first mirroring circuit 300 connected to the gate of the first switching element 303 while current is applied to the first switching element 303 As the gate of the second switching element 305 of is turned on, current flows through the second switching element 305.

이때, 제 1 미러링 회로(300)의 제 2 스위칭 소자(305)의 전류가 제 2 미러링 회로(310)의 제 1 스위칭 소자(313)에 인가되고, 제 2 미러링 회로(310)의 제 1 스위칭 소자(313)에 전류가 인가되면서 제 2 미러링 회로(310)의 제 1 스위칭 소자(313)의 게이트와 연결되어 있는 제 2 미러링 회로(310)의 제 2 스위칭 소자(315)의 게이트가 턴온되어 최종적으로 레이저 펄스 신호가 포토 다이오드(130)로 인가될 수 있다.At this time, the current of the second switching element 305 of the first mirroring circuit 300 is applied to the first switching element 313 of the second mirroring circuit 310, and the first switching of the second mirroring circuit 310 As current is applied to the device 313, the gate of the second switching device 315 of the second mirroring circuit 310 connected to the gate of the first switching device 313 of the second mirroring circuit 310 is turned on. Finally, a laser pulse signal may be applied to the photodiode 130.

한편, 미러링부(110)는 라이다 시스템의 전류사양에 따라 크기가 결정되므로 예컨대, 미러링부(110)는 외장소자 혹은 반도체 내 블록으로 설계될 수도 있다.Meanwhile, since the size of the mirroring unit 110 is determined according to the current specification of the lidar system, for example, the mirroring unit 110 may be designed as an external device or a block in a semiconductor.

또한, 레이저 다이오드(120)로부터 송신되는 레이저 펄스를 대상체에 송신함과 동시에 레이저 펄스 신호가 미러링부(110)를 통해 포토 다이오드(130)로 미러링될 수 있다.In addition, the laser pulse signal transmitted from the laser diode 120 may be transmitted to the object and the laser pulse signal may be mirrored to the photodiode 130 through the mirroring unit 110.

다시 도 1을 참조하면, 제어부(100)는 포토 다이오드(130)에서 입력 받은 미러링된 레이저 펄스 신호에 기초하여 라이다 비행시간(ToF)에 있어서 출발시간(스타트 신호)을 계산할 수 있다.Referring back to FIG. 1, the control unit 100 may calculate a start time (start signal) in the lidar flight time (ToF) based on the mirrored laser pulse signal received from the photodiode 130.

또한, 제어부(100)는 포토 다이오드(130)를 통해 레이저 펄스 신호를 인가 받은 대상체로부터 반사된 반사파 신호를 입력 받아 라이다 비행시간(ToF)에 있어서 도착 시간(스탑 신호)을 계산할 수 있다.In addition, the control unit 100 may receive a reflected wave signal reflected from an object to which the laser pulse signal is applied through the photodiode 130 and calculate the arrival time (stop signal) in the lidar flight time (ToF).

보다 구체적으로, 제어부(100)는 포토 다이오드(130)를 통해 미러링된 레이저 펄스 신호 및 반사파 신호를 입력 받아, 미러링된 레이저 펄스 신호의 감지시부터 반사파 신호의 감지시까지의 비행시간(ToF)을 계산할 수 있다.More specifically, the controller 100 receives the mirrored laser pulse signal and the reflected wave signal through the photodiode 130, and calculates the flight time (ToF) from the detection of the mirrored laser pulse signal to the detection of the reflected wave signal. Can be calculated.

한편, 제어부(100)는 비행시간을 계산하기 위해 포토 다이오드로(130)부터 입력 받은 신호를 처리하는 수신 신호 처리부(160)를 포함할 수 있으며, 제어부(100)는 수신 신호 처리부(160)에서 처리된 신호에 기초하여 비행시간을 계산할 수 있다. On the other hand, the control unit 100 may include a reception signal processing unit 160 for processing a signal received from the photodiode furnace 130 to calculate the flight time, the control unit 100 is the reception signal processing unit 160 Flight time can be calculated based on the processed signal.

수신 신호 처리부(160)는 증폭기(161), 비교기(163) 및 시간-디지털 변환부(TDC, Time-to-Digital Converter, 165)를 포함할 수 있다.The reception signal processing unit 160 may include an amplifier 161, a comparator 163, and a time-to-digital converter (TDC) 165.

보다 구체적으로, 포토 다이오드(130)로부터 입력 받은 신호는 증폭기(161)를 통해 비교기(163) 및 시간-디지털 변환기(165)의 입력 전압 레벨에 적합하도록 증폭될 수 있으며, 예컨대 증폭기(161)는 트랜스 임피던스 증폭기(TIA: Transimpedance amplifier)가 사용될 수 있다.More specifically, the signal received from the photodiode 130 may be amplified to fit the input voltage level of the comparator 163 and the time-digital converter 165 through the amplifier 161, for example, the amplifier 161 A transimpedance amplifier (TIA) may be used.

또한, 증폭기(161)를 통과한 신호는 비교기(163)에 인가되며, 비교기(163)는 증폭기(161)를 통해 증폭된 복수의 전압 신호를 임계 전압(Threshold voltage)과 비교하여, 임계 전압 이상일 경우, 펄스신호를 생성할 수 있다.In addition, the signal passing through the amplifier 161 is applied to the comparator 163, and the comparator 163 compares a plurality of voltage signals amplified through the amplifier 161 with a threshold voltage, and is equal to or greater than the threshold voltage. In this case, a pulse signal can be generated.

한편, 시간-디지털 변환기(165)는 비교기(163)를 통과한 펄스신호를 수신하고, 비행시간(ToF)를 계산하기 위한 인코딩된 출발 시간 및 도착 시간을 디지털 데이터로 생성할 수 있다.Meanwhile, the time-to-digital converter 165 may receive a pulse signal that has passed through the comparator 163 and generate encoded departure time and arrival time as digital data for calculating flight time (ToF).

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 라이다 비행시간 측정 방법에 대한 순서도이다.2 is a flow chart for a method of measuring the flight time of Lida according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 먼저 레이저 다이오드 구동부(103)가 레이저 다이오드(120)를 구동시키기 위한 구동신호를 레이저 다이오드 드라이버(105)에 입력할 수 있다. (단계 S200)Referring to FIG. 2, first, the laser diode driver 103 may input a driving signal for driving the laser diode 120 to the laser diode driver 105. (Step S200)

이때, 레이저 다이오드 드라이버(105)는 레이저 다이오드 구동부(103)로부터 구동신호를 입력 받아 레이저 다이오드(120)에 구동 전류를 인가하고, 구동 전류를 입력 받은 레이저 다이오드(120)가 레이저 펄스를 송신할 수 있다. (단계 S210)At this time, the laser diode driver 105 receives a driving signal from the laser diode driver 103 and applies a driving current to the laser diode 120, and the laser diode 120 receiving the driving current can transmit a laser pulse. have. (Step S210)

또한, 레이저 다이오드(120)로부터 송신되는 레이저 펄스 신호를 포토 다이오드(130)로 미러링할 수 있다. (단계 S220)In addition, the laser pulse signal transmitted from the laser diode 120 may be mirrored to the photodiode 130. (Step S220)

보다 상세하게, 이때 레이저 다이오드(120)로부터 송신되는 레이저 펄스는 대상체에 송신함과 동시에 포토 다이오드(130)로 미러링할 수 있다. In more detail, at this time, the laser pulse transmitted from the laser diode 120 may be transmitted to the object and mirrored to the photodiode 130 at the same time.

이때, 포토 다이오드(130)는 미러링된 레이저 펄스 신호를 센싱할 수 있다. (단계 S230)In this case, the photodiode 130 may sense the mirrored laser pulse signal. (Step S230)

마지막으로, 제어부(100)는 미러링된 레이저 펄스 신호에 기초하여 라이다 비행시간(ToF)의 출발시간을 계산할 수 있다. (단계 S240)Finally, the controller 100 may calculate the departure time of the lidar flight time (ToF) based on the mirrored laser pulse signal. (Step S240)

한편, 포토 다이오드(130)는 레이저 다이오드(120)에서 송신되는 레이저 펄스를 인가 받은 대상체로부터 반사된 반사파 신호를 수신 받을 수 있으며, 제어부(100)는 포토 다이오드(130)를 통해 입력 받은 반사파 신호를 통해 라이다 비행시간의 도착시간을 계산할 수 있다.Meanwhile, the photodiode 130 may receive a reflected wave signal reflected from an object to which the laser pulse transmitted from the laser diode 120 is applied, and the controller 100 receives the reflected wave signal received through the photodiode 130. You can calculate the arrival time of the LiDAR flight time.

보다 상세하게, 제어부(100)는 미러링된 레이저 펄스 신호의 감지 시부터 반사파 신호의 감지시까지의 비행시간을 측정할 수 있으며, 예컨대, 본 발명의 제어부(100)는 포토 다이오드(130)로부터 미러링된 레이저 펄스 신호 및 반사파 신호를 입력 받을 수 있다. In more detail, the control unit 100 may measure the flight time from the detection of the mirrored laser pulse signal to the detection of the reflected wave signal. For example, the control unit 100 of the present invention is mirrored from the photodiode 130 The laser pulse signal and reflected wave signal can be input.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비행시간(ToF)을 계산하는 방법을 설명하기 위한 신호파형을 나타낸 도면이다.4 is a diagram showing a signal waveform for explaining a method of calculating a flight time (ToF) according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제어부(100)는 레이저 다이오드(120)에서 송신된 레이저 펄스신호를 미러링부(110)를 통해 포토 다이오드(130)로부터 입력 받아, 미러링된 레이저 펄스 신호에 기초하여 라이다 비행시간(ToF)의 출발시간(start time, 410)을 계산하고, 포토 다이오드(130)를 통해 레이저 펄스 신호를 인가 받은 대상체로부터 반사된 반사파 신호를 입력 받아 라이다 비행 시간(ToF)의 도착 시간(stop time, 420)을 계산하여 비행시간(ToF, 415)을 계산할 수 있다. 4, the control unit 100 of the present invention receives the laser pulse signal transmitted from the laser diode 120 from the photodiode 130 through the mirroring unit 110, based on the mirrored laser pulse signal Calculate the start time 410 of the lidar flight time (ToF), receive the reflected wave signal reflected from the object to which the laser pulse signal is applied through the photodiode 130, It is possible to calculate the flight time (ToF, 415) by calculating the arrival time (stop time, 420).

보다 구체적으로 본 발명의 제어부(100)는 미러링된 레이저 펄스 신호의 감지 시부터 반사파 신호의 감지 시까지의 비행시간(415)을 계산할 수 있다.More specifically, the control unit 100 of the present invention may calculate the flight time 415 from the detection of the mirrored laser pulse signal to the detection of the reflected wave signal.

한편, 종래에는 제어부에 포함된 레이저 다이오드 구동부에서 레이저 다이오드 드라이버로 구동신호를 인가할 때의 신호를 출발 시간(400)으로 계산하여 비행시간(405)을 계산하였지만, 레이저 다이오드 구동부로부터 레이저 다이오드 드라이버까지 구동신호를 인가하는데 시간지연(time delay, 407)이 발생하여 비행시간(415)이 정확히 계산되지 않았다.On the other hand, conventionally, the flight time 405 was calculated by calculating the signal when applying the driving signal from the laser diode driver included in the control unit to the laser diode driver as the departure time 400, but from the laser diode driver to the laser diode driver The flight time 415 was not accurately calculated because a time delay 407 occurred in applying the driving signal.

또한, 라이다 기술은 수십 ~ 수 ns 이내의 데이터 수집 및 처리가 요구되는 매우 정밀한 기술로서 ns 단위의 작은 시간 연산 오차에 대해서도 실제 거리 측정에서는 상당한 거리 오차로 표현되는데, 변환과정에서의 수ns 지연(dealy)라도 큰 거리오차를 발생시킬 수 있으며, 예를 들어 1ns의 오차에 대하여 약 15cm의 거리 오차가 발생할 수 있었다. 또한, 이와 같은 거리 오차는 차량 및 운전자의 안전에 심각한 영향을 미칠 수 있었다.In addition, LiDAR technology is a very precise technology that requires data collection and processing within tens to several ns, and even a small time operation error in ns is expressed as a considerable distance error in actual distance measurement. Even (dealy) can cause a large distance error, for example, for an error of 1 ns, a distance error of about 15 cm could occur. In addition, such a distance error could seriously affect the safety of the vehicle and the driver.

따라서, 종래에는 시간지연(time delay, 407)이 발생하는 오차 범위에 대하여 오차 범위의 상수값을 계산하고, 비행시간을 계산할 때 오차범위의 상수값을 보상하여 비행시간을 계산하였다.Accordingly, in the related art, a constant value of the error range is calculated for an error range in which a time delay 407 occurs, and the flight time is calculated by compensating the constant value of the error range when calculating the flight time.

하지만, 본 발명은 레이저 다이오드 드라이버(105)가 레이저 다이오드(120)로 구동 전류를 인가하고, 레이저 다이오드(120)가 레이저 펄스 신호를 송신됨과 동시에 레이저 펄스 신호가 미러링부(110)를 통해 포토 다이오드(130)로 인가되어, 포토 다이오드(130)에서 센싱된 레이저 펄스 신호를 라이다 비행시간의 출발 시간(스타트 신호, 410)으로 감지하기 때문에, 시간 지연(time delay, 407)없이 라이다 비행시간의 출발 시간(스타트 신호, 410)이 다이나믹하게 센싱 될 수 있다. 이로 인해, 본 발명은 비행 시간(ToF) 측정 시, 시간 지연(time delay, 407)을 계산하여, 보상하는 과정을 생략할 수 있으며, 라이다 비행 시간(ToF) 계산에 대한 오차가 감소되고, 비행시간 측정의 정확도가 향상될 수 있다. However, in the present invention, the laser diode driver 105 applies a driving current to the laser diode 120, the laser diode 120 transmits the laser pulse signal, and at the same time, the laser pulse signal is transmitted through the mirroring unit 110 to the photodiode. Since it is applied to 130 and senses the laser pulse signal sensed by the photodiode 130 as the start time (start signal, 410) of the lidar flight time, the lidar flight time without a time delay (407) The start time (start signal, 410) of can be dynamically sensed. Accordingly, in the present invention, when measuring the flight time (ToF), the process of calculating and compensating a time delay (407) can be omitted, and an error in calculating the Lidar flight time (ToF) is reduced, The accuracy of time-of-flight measurement can be improved.

본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although specific embodiments have been described in the detailed description and accompanying drawings of the present invention, the present invention is not limited to the disclosed embodiments and does not depart from the technical spirit of the present invention for those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs. Various substitutions, modifications and changes are possible within the range. Accordingly, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, and should be construed as including the claims and equivalents as well as the claims to be described later.

100: 제어부
103: 레이저 다이오드 구동부
105: 레이저 다이오드 드라이버
110: 미러링부
120: 레이저 다이오드(LD)
130: 포토 다이오드(PD)
100: control unit
103: laser diode driving unit
105: laser diode driver
110: mirroring unit
120: laser diode (LD)
130: photodiode (PD)

Claims (11)

라이다 시스템 내 레이저 펄스 신호를 출력하는 레이저 다이오드를 구동시키기 위한 레이저 다이오드 구동부를 포함하는 제어부; 및
상기 레이저 다이오드 및 대상체로부터 반사된 레이저 신호를 감지하기 위한 포토 다이오드 사이에 연결되며, 상기 레이저 다이오드로부터 송신되는 레이저 펄스 신호를 상기 포토 다이오드로 미러링시키기 위한 미러링부;를 포함하며,
상기 제어부는 상기 포토 다이오드에서 입력 받은 상기 미러링된 레이저 펄스 신호에 기초하여 라이다 비행시간에 있어서 출발시간을 계산하는,
라이다 비행시간 측정 장치.
A control unit including a laser diode driving unit for driving a laser diode outputting a laser pulse signal in the lidar system; And
A mirroring unit connected between the laser diode and a photodiode for sensing a laser signal reflected from the object, and a mirroring unit for mirroring the laser pulse signal transmitted from the laser diode to the photodiode,
The control unit calculates a departure time in the lidar flight time based on the mirrored laser pulse signal input from the photodiode,
Lida flight time measurement device.
 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 포토 다이오드를 통해 상기 레이저 펄스 신호를 인가 받은 대상체로부터 반사된 반사파 신호를 입력 받아 라이다 비행시간에 있어서 도착 시간을 계산하는,
라이다 비행시간 측정 장치.
The method of claim 1,
The control unit receives the reflected wave signal reflected from the object to which the laser pulse signal is applied through the photodiode and calculates an arrival time in the Lidar flight time,
Lida flight time measurement device.
 제 2 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 미러링된 레이저 펄스 신호의 감지 시부터 상기 반사파 신호의 감지 시까지의 비행시간을 계산하는,
라이다 비행시간 측정 장치.
The method of claim 2,
The control unit calculates a flight time from the detection of the mirrored laser pulse signal to the detection of the reflected wave signal,
Lida flight time measurement device.
 제 1 항에 있어서,
상기 미러링부는 일측에서는 상기 레이저 다이오드의 동작 전류가 흐르고 타측에서는 상기 포토다이오드의 동작 전류가 흐르도록 전류비가 설정되는,
라이다 비행시간 측정 장치.
The method of claim 1,
In the mirroring unit, a current ratio is set so that an operating current of the laser diode flows at one side and an operating current of the photodiode flows at the other side,
Lida flight time measurement device.
 제 4 항에 있어서,
상기 미러링부는,
제 1 전류비를 갖도록 설정된 제 1 미러링 회로 및 제 2 전류비를 갖도록 설정된 제 2 미러링 회로를 포함하며,
상기 제 1 미러링 회로 및 상기 제 2 미러링 회로는 서로 직렬 연결되고,
상기 제 1 전류비와 상기 제 2 전류비의 곱은 상기 레이저 다이오드의 동작 전류 대 상기 포토 다이오드의 동작전류의 비인,
라이다 비행시간 측정 장치.
The method of claim 4,
The mirroring unit,
And a first mirroring circuit set to have a first current ratio and a second mirroring circuit set to have a second current ratio,
The first mirroring circuit and the second mirroring circuit are connected in series with each other,
The product of the first current ratio and the second current ratio is a ratio of the operating current of the laser diode to the operating current of the photodiode,
Lida flight time measurement device.
 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 미러링 회로 및 상기 제 2 미러링 회로는 각각 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자를 포함하며,
상기 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭소자는 그 게이트들끼리 서로 연결되고 그 소오스들끼리 서로 연결되도록 구성되는,
라이다 비행시간 측정 장치.
The method of claim 5,
The first mirroring circuit and the second mirroring circuit each include a first switching element and a second switching element,
The first switching element and the second switching element are configured such that the gates are connected to each other and the sources are connected to each other,
Lida flight time measurement device.
 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭 소자는 모스펫(MOSFET) 또는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT)를 포함하는,
라이다 비행시간 측정 장치.
The method of claim 6,
The first switching element and the second switching element include a MOSFET or a bipolar junction transistor (BJT),
Lida flight time measurement device.
 레이저 다이오드를 구동시키기 위한 구동신호를 레이저 다이오드 드라이버에 입력하는 단계;
상기 구동신호를 입력 받은 상기 레이저 다이오드 드라이버가 상기 레이저 다이오드에 구동 전류를 인가하고, 상기 구동 전류를 입력 받은 상기 레이저 다이오드가 레이저 펄스 신호를 송신하는 단계;
상기 레이저 다이오드로부터 송신되는 상기 레이저 펄스 신호를 대상체로부터 반사된 레이저 신호를 감지하기 위한 포토 다이오드로 미러링하는 단계;
상기 포토 다이오드가 상기 미러링된 레이저 펄스 신호를 센싱하는 단계; 및
상기 미러링된 레이저 펄스 신호에 기초하여 라이다 비행시간의 출발시간을 계산하는 단계;를 포함하는,
라이다 비행시간 측정 방법.
Inputting a driving signal for driving the laser diode to the laser diode driver;
The laser diode driver receiving the driving signal applying a driving current to the laser diode, and transmitting a laser pulse signal by the laser diode receiving the driving current;
Mirroring the laser pulse signal transmitted from the laser diode to a photodiode for detecting a laser signal reflected from an object;
Sensing the mirrored laser pulse signal by the photodiode; And
Comprising a departure time of the Lidar flight time based on the mirrored laser pulse signal; containing,
Lida flight time measurement method.
 제 8 항에 있어서,
상기 레이저 다이오드에서 송신되는 상기 레이저 펄스를 인가 받은 상기 대상체로부터 반사된 반사파 신호를 수신 받아 라이다 비행시간의 도착시간을 계산하는 단계;를 더 포함하는,
라이다 비행시간 측정 방법.
The method of claim 8,
Receiving the reflected wave signal reflected from the object to which the laser pulse transmitted from the laser diode is applied, and calculating the arrival time of the lidar flight time; further comprising,
Lida flight time measurement method.
 제 9 항에 있어서,
상기 비행시간 측정 단계는,
상기 미러링된 상기 레이저 펄스 신호의 감지 시부터 상기 반사파 신호의 감지시까지의 비행시간을 계산하는,
라이다 비행시간 측정 방법.
The method of claim 9,
The flight time measurement step,
To calculate a flight time from the detection of the mirrored laser pulse signal to the detection of the reflected wave signal,
Lida flight time measurement method.
 제 8 항에 있어서,
상기 레이저 펄스 신호 미러링 단계는,
상기 레이저 다이오드로부터 송신되는 상기 레이저 펄스를 상기 대상체에 송신함과 동시에 상기 포토 다이오드로 미러링하는,
라이다 비행시간 측정 방법.The method of claim 8,
The laser pulse signal mirroring step,
Transmitting the laser pulse transmitted from the laser diode to the object and mirroring it to the photodiode at the same time,
Lida flight time measurement method.
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