KR102280189B1 - 라이다 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적 실시예에 따른 라이다 장치는, 광원; 상기 광원에서 발진된 레이저빔을 측정 영역으로 조사하고, 산란되어 돌아오는 광 신호를 수신하는 광섬유 커플러; 상기 광섬유 커플러를 따라서 송신되는 상기 레이저빔 및 수신되는 상기 광 신호를 검출하는 광 검출부; 및 상기 광 검출부에서 전송되는 데이터를 처리하는 처리부;를 포함하고, 상기 광 검출부는 수신되는 상기 광 신호를 검출하는 제1 센서 및 송신되는 상기 레이저빔의 출력을 검출하여 상기 광 신호의 오차보정을 위해 사용되는 제2 센서를 포함할 수 있다.

Description

라이다 장치{LIDAR APPARATUS}
본 발명은 라이다 장치에 관한 것이다.
라이다(Lidar)는 레이저를 사용하여 멀리 떨어진 대기중의 에어로졸의 농도 및 종류, 구름, 미세먼지나 황사등을 측정하는 원격측정 장치로, 기상 및 환경 분야에서 활용도가 높아지고 있다.
라이다에서 레이저빔을 송신하고 측정 대상에서 산란된 신호를 수신하는 송수신 광학계는 크게 송신광학계의 축과 수신광학계의 축이 다른 이축 라이다(Bi-axial Lidar)와 송신광학계의 축과 수신광학계의 축이 같은 공축 라이다(On-axial Lidar)로 나눌 수 있는데, 측정 범위를 넓게 하기 위해 요즘은 공축 라이다를 많이 사용하고 있다(US 9,229,110B2).
도 1a 및 도 1b에서는 기존에 사용하고 있는 공축 라이다 장치를 나타내고 있다.
도 1a는 레이저 송신부(1)와 수신부인 측정센서(2) 사이에 빔분할기(beam spliter, 3)를 사용하여, 송신되는 레이저빔(Lt)의 일부를 빔분할기(3)를 투과시켜 측정 대상체에 보내고, 측정 대상체에서 산란되어 수신되는 광산란신호(Lr)가 다시 빔분할기(3)에서 반사되어 측정센서(2)에 수신되는 구성이다.
도 1b는 빔분할기(3) 대신에 홀미러(hole mirror, 4)를 사용하는 것으로, 중간에 구멍(hole)이 뚫어져 있어서 송신되는 레이저빔(Lt)은 구멍으로 나가고, 수신되는 광산란신호(Lr)는 구멍 둘레의 외곽부분에서 반사되어 측정센서(2)로 수신되는 구성이다.
이러한 공축 광학계에서는 레이저 송신부와 신호 수신부가 다르기 때문에 빔분할기(3)나 홀미러(4)의 정렬이 조금이라도 틀어지게 되면 라이다 장치의 성능이 크게 저하되는 문제가 있다.
US9,229,110
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 빔분할기나 홀미러를 사용하지 않아 온도변화나 충격 등에 의해 발생할 수 있는 광정렬 틀어짐의 문제를 해소할 수 있도록 하는 라이다 장치를 제공하는 것이다.
다만 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 예시적 실시예에 따른 라이다 장치는, 광원; 상기 광원에서 발진된 레이저빔을 측정 영역으로 조사하고, 산란되어 돌아오는 광 신호를 수신하는 광섬유 커플러; 상기 광섬유 커플러를 따라서 송신되는 상기 레이저빔 및 수신되는 상기 광 신호를 검출하는 광 검출부; 및 상기 광 검출부에서 전송되는 데이터를 처리하는 처리부; 를 포함하고, 상기 광 검출부는 수신되는 상기 광 신호를 검출하는 제1 센서 및 송신되는 상기 레이저빔의 출력을 검출하여 상기 광 신호의 오차보정을 위해 사용되는 제2 센서를 포함하며, 상기 광섬유 커플러는 상기 광원과 연계되는 제1 단부, 상기 레이저빔이 조사되고 상기 광 신호가 수신되는 제2 단부, 상기 광 검출부와 연계되는 제3 단부와 제4 단부를 포함하며, 상기 광섬유 커플러는, 에어로졸을 편광특성에 따라 측정하도록, 상기 레이저빔의 편광에 따라서 커플링 비율이 달라지는 편광유지 광섬유 커플러; 및 상기 편광유지 광섬유 커플러의 상기 제1 단부에 연결되는 보조 편광유지 광섬유 커플러;를 포함하고, 상기 보조 편광유지 광섬유 커플러는 상기 광원과 연계되는 제5 단부 및 상기 광 검출부와 연계되는 제6 단부를 포함할 수 있다.
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상기 광섬유 커플러는 상기 제2 단부의 전방에 배치되는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 제2 단부에서 초점거리만큼 이격된 위치에 배치될 수 있다.
상기 처리부는 상기 광 신호를 이용하여 상기 측정 영역의 대기중의 정보를 분석하는 전산기, 상기 광원을 구동하는 드라이버를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 빔분할기나 홀미러를 사용하지 않아 온도변화나 충격 등에 의해 발생할 수 있는 광정렬 틀어짐의 문제를 해소할 수 있도록 하는 라이다 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 공축 라이다 장치를 개략적으로 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 라이다 장치를 개략적으로 나타내는 구성도.
도 3은 도 2의 라이다 장치에서 광섬유 커플러의 일 실시예를 나타내는 개략도.
도 4는 도 2의 라이다 장치에서 광섬유 커플러의 다른 실시예를 나타내는 개략도.
도 5는 도 4의 광섬유 커플러의 변형예를 나타내는 개략도.
도 6은 도 5의 광섬유 커플러를 통해 대기중으로 조사되는 레이저빔과 산란되어 수신되는 광 신호의 편광특성을 설명하는 개략도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 또한, 본 명세서에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자나 구성요소가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 예시적 실시예에 따른 라이다 장치를 설명한다. 도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 라이다 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 3은 도 2의 라이다 장치에서 광섬유 커플러의 일 실시예를 나타내는 개략도이며, 도 4는 도 2의 라이다 장치에서 광섬유 커플러의 다른 실시예를 나타내는 개략도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 라이다 장치(10)는 광원(100), 광섬유 커플러(200), 광 검출부(300) 및 처리부(400)를 포함할 수 있다.
광원(100)은 레이저 다이오드(laser diode)를 포함할 수 있으며, 레이저빔(Lt)을 발진시킬 수 있다.
광섬유 커플러(200)는 광원(100)과 연계되어 광원(100)에서 발진된 레이저빔(Lt)을 측정 영역으로 조사하고, 측정 영역 내의 대기중의 물체(에어로졸, 공기분자, 미세먼지, 황사 등)에 산란되어 돌아오는 광 신호(Lr)를 수신할 수 있다.
광섬유 커플러(200)는 광원(100)과 연계되는 제1 단부(201), 레이저빔(Lt)이 조사되고 광 신호(Lr)가 수신되는 제2 단부(202), 광 검출부(300)와 연계되는 제3 단부(203)와 제4 단부(204)를 포함하며, 전체적으로 대략 'X'자 형상으로 커플링된 구조를 가질 수 있다.
광섬유 커플러(200)의 제2 단부(202)의 전방에는 렌즈(210)가 배치될 수 있다. 렌즈는 제2 단부(202)에서 초점거리(F)만큼 이격된 위치에 배치될 수 있다. 레이저빔(Lt)은 렌즈(210)를 통과해 측정 영역으로 조사되고, 돌아오는 광 신호(Lr)는 렌즈(210)를 통해 제2 단부(202)로 집속될 수 있다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 광섬유 커플러(200)는 이중 클래드 광섬유 커플러(Dual clad fiber coupler, 200-1)를 포함할 수 있다. 이중 클래드 광섬유 커플러는 멀티모드 광섬유(220) 내에 싱글모드 광섬유(230)를 결합시킨 구조로 이루어질 수 있다.
레이저빔(Lt)을 싱글모드 광섬유(230)를 통해 싱글모드 영역으로 입사시킬 경우 대부분의 레이저빔(Lt)은 싱글모드 영역으로 전파되고 일부만 멀티모드 광섬유(220)의 멀티모드 영역으로 커플링된다. 반면에, 구경의 대부분을 차지하는 멀티모드 영역으로 레이저빔(Lt)을 입사시키면 대부분의 레이저빔(Lt)은 멀티모드 영역으로 전파된다.
라이다 장치(10)에 싱글모드 레이저빔을 사용하고 이중 클래드 광섬유 커플러(200-1)를 적용하면, 싱글모드 레이저빔(Lt)은 대부분 싱글모드 영역을 따라서 전파하게 되므로 송신되는 레이저빔의 손실이 크게 줄어들게 된다. 또한, 산란되어 돌아오는 광 신호(Lr)는 멀티모드 영역을 따라서 들어오게 되므로 손실 감소의 효과를 갖게 된다.
광원(100)에서 발진된 레이저빔(Lt)은 제1 단부(201)에서 대부분 싱글모드 광섬유(230)를 통해 싱글모드 영역으로 전파되어 제2 단부(202)를 통해 측정 영역으로 조사된다. 레이저빔(Lt)의 일부는 멀티모드 영역으로 커플링되어 제4 단부(204)를 통해 광 검출부(300)로 수신된다.
한편, 산란되어 돌아오는 광 신호(Lr)는 제2 단부(202)에서 멀티모드 광섬유(220)를 통해 멀티모드 영역으로 전파되어 제3 단부(203)를 통해 광 검출부(300)로 수신된다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 광섬유 커플러는 편광유지 광섬유 커플러(Polarization maintaining fiber coupler, 200-2)를 포함할 수 있다. 편광유지 광섬유 커플러(200-2)는 레이저빔(Lt)의 편광에 따라서 커플링 비율이 달라지는 구조로 이루어질 수 있다.
라이다 장치(10)에 사용되는 대부분의 레이저빔(Lt)은 편광이 되어 있으므로, 레이저빔(Lt)의 편광이 광섬유 커플러(200-2)의 편광과 맞도록 설치하면 레이저빔(Lt)의 송신시의 손실을 최소화할 수 있다.
광 검출부(300)는 광섬유 커플러(200)를 따라서 송신되는 레이저빔(Lt) 및 수신되는 광 신호(Lr)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 광 검출부(300)는 수신되는 광 신호(Lr)를 검출하는 제1 센서(310) 및 송신되는 레이저빔(Lt)의 출력을 검출하는 제2 센서(320)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 센서(310)는 애벌랜치 포토다이오드(APD)일 수 있고, 제2 센서(320)는 포토다이오드(PD)일 수 있다.
광섬유 커플러(200)의 제3 단부(203)에는 제1 센서(310)가 연계되어 수신되는 광 신호(Lr)를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 그리고, 제4 단부(204)에는 제2 센서(320)가 연계되어 광원(100)에서 발진되는 레이저빔(Lt)의 출력을 모니터링함으로써 광 신호(Lr)의 오차보정을 위해 사용될 수 있다.
처리부(400)는 광 검출부(300)에서 전송되는 데이터를 처리할 수 있다. 처리부(400)는 광 신호(Lr)를 이용하여 측정 영역의 대기중의 정보를 분석하는 전산기(410), 광원(100)을 구동하는 드라이버(420)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 처리부(400)는 광 검출부(300)에서 전송되는 데이터를 수집하여 전산기(410)로 보내는 데이터 수집장치(DAQ, 430)를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 라이다 장치(10)는 광학계로 광섬유 커플러(200)를 도입함으로써 종래의 이동형 라이다 장치에서 문제가 되고 있는 광정렬 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 또한, 광섬유를 사용하는 광학계에서 발생하는 문제점인 레이저빔의 송수신 효율 문제는 레이저빔의 특성에 따라 이중 클래드 광섬유 커플러를 사용하거나 편광유지 광섬유 커플러를 사용하는 것으로 해결할 수 있다.
도 5에서는 도 4에 도시된 광섬유 커플러의 변형예를 나타내고 있다.
도면을 참조하면, 편광유지 광섬유 커플러(200-2)의 제1 단부(201)에는 보조 편광유지 광섬유 커플러(200-3)가 더 연결될 수 있다.
보조 편광유지 광섬유 커플러(200-3)는 광원(100)과 연계되는 제5 단부(205) 및 광 검출부(300)와 연계되는 제6 단부(206)를 포함하며, 접속 장치(240)를 통해 편광유지 광섬유 커플러(200-2)의 제1 단부(201)에 연결되어 커플링될 수 있다.
편광유지 광섬유 커플러(200-2)의 제3 단부(203)와 보조 편광유지 광섬유 커플러(200-3)의 제6 단부(206)에는 각각 제1 센서(310)가 연계되어 수신되는 광 신호(Lr)를 검출하고, 편광유지 광섬유 커플러(200-2)의 제4 단부(204)에는 제2 센서(320)가 연계되어 광원(100)에서 발진되는 레이저빔(Lt)의 출력을 모니터링함으로써 광 신호(Lr)의 오차보정을 위해 사용될 수 있다.
도 6에서는 대기중으로 조사되는 레이저빔과 산란되어 수신되는 광 신호의 편광특성을 설명하고 있다.
일 실시예에서, 레이저빔(Lt)을 p-편광(ⓧ)이라면, p-편광(ⓧ)의 레이저빔(Lt)은 거의 손실이 없이 대기중으로 조사될 수 있다. 그리고, 극히 일부의 s-편광(⊙)의 레이저빔(Lt)은 포토다이오드(320)로 입사되어 오차보정을 위한 모니터링 신호로 사용된다.
대기중의 에어로졸에 의해 산란된 광 신호(Lr)는 p-편광(ⓧ) 성분과 s-편광(⊙) 성분을 가지고 있으며, s-편광(⊙) 성분은 편광유지 광섬유 커플러(200-2)의 제3 단부(203)와 연계되는 제1 센서(310a)로 수신하게 되고, p-편광(ⓧ) 성분은 보조 편광유지 광섬유 커플러(200-3)의 제6 단부(206)에 연계되는 제1 센서(310b)로 수신하게 된다. 이러한 구성을 통해서 편광 성분의 독자적인 측정이 가능하게 된다.
이와 같이, 편광유지 광섬유 커플러(200-2)에 보조 편광유지 광섬유 커플러(200-3)를 추가함으로써 대기중에서 에어로졸에 의해 산란되는 광 신호(Lr)의 편광성분을 분리하여 수신하는 것이 가능하다. 이 경우, 에어로졸의 특성을 구별할 수 있게 되어 동일한 라이다 장치의 활용성을 높일 수 있다. 예를 들어, 물방울은 편광이 유지되고, 황사는 편광이 깨지는 것을 통해 에어로졸의 종류와 농도에 대한 보다 정확한 측정이 가능하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10... 공축 라이다 장치
100... 광원
200... 광섬유 커플러
200-1... 이중 클래드 광섬유 커플러
200-2... 편광유지 광섬유 커플러
210... 렌즈
300... 광 검출부
310... 제1 센서
320... 제2 센서
400... 처리부
410... 전산기
420... 드라이버
430... 데이터 수집장치

Claims (7)

  1. 광원;
    상기 광원에서 발진된 레이저빔을 측정 영역으로 조사하고, 산란되어 돌아오는 광 신호를 수신하는 광섬유 커플러;
    상기 광섬유 커플러를 따라서 송신되는 상기 레이저빔 및 수신되는 상기 광 신호를 검출하는 광 검출부; 및
    상기 광 검출부에서 전송되는 데이터를 처리하는 처리부;
    를 포함하고,
    상기 광 검출부는 수신되는 상기 광 신호를 검출하는 제1 센서 및 송신되는 상기 레이저빔의 출력을 검출하여 상기 광 신호의 오차보정을 위해 사용되는 제2 센서를 포함하며,
    상기 광섬유 커플러는 상기 광원과 연계되는 제1 단부, 상기 레이저빔이 조사되고 상기 광 신호가 수신되는 제2 단부, 상기 광 검출부와 연계되는 제3 단부와 제4 단부를 포함하며,
    상기 광섬유 커플러는, 에어로졸을 편광특성에 따라 측정하도록,
    상기 레이저빔의 편광에 따라서 커플링 비율이 달라지는 편광유지 광섬유 커플러; 및
    상기 편광유지 광섬유 커플러의 상기 제1 단부에 연결되는 보조 편광유지 광섬유 커플러;를 포함하고,
    상기 보조 편광유지 광섬유 커플러는 상기 광원과 연계되는 제5 단부 및 상기 광 검출부와 연계되는 제6 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 커플러는 상기 제2 단부의 전방에 배치되는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 제2 단부에서 초점거리만큼 이격된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는 상기 광 신호를 이용하여 상기 측정 영역의 대기중의 정보를 분석하는 전산기, 상기 광원을 구동하는 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
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