KR102440067B1 - 반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법 - Google Patents

반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법 Download PDF

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Abstract

반사판 기반 레이저 감지 장치는 레이저 펄스 신호를 송출하고, 상기 레이저 펄스 신호가 반사판에 의해 반사되어 되돌아오는 반사 펄스 신호를 포함하는 수신 신호를 분기시켜 한쪽을 설정된 지연 시간만큼 시간 지연시키며, 상기 시간 지연된 한쪽의 신호와 분기된 다른 한쪽의 신호를 이용하여 상기 수신 신호에서 외란광 노이즈를 제거하여 상기 반사 펄스 신호를 검출한 후, 검출된 상기 반사 펄스 신호의 SNR(Signal-to-noise ratio)을 토대로 상기 반사 펄스 신호의 펄스 폭을 조절한다.

Description

반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법{LASER DETECTOR BASED REFLECTOR AND METHOD FOR REDUCING DISTURBANCE LIGHT NOISE THEREOF}
본 발명은 반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법에 관한 것으로, 특히 반사판 기반 레이저 감지 장치에서 태양광과 같이 순간적으로 크게 변화하는 강력한 외란광 노이즈의 영향을 제거하면서 원하고자 하는 펄스 신호만을 손실 없이 검출할 수 있는 반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법에 관한 것이다.
적외선 발광 다이오드(Emitter) 및 레이저 다이오드는 매우 오랜 기간 보안업계의 센서 응용으로 널리 사용되고 있다. 특히, 레이저 다이오드는 최근 10여년 동안 광 변환 효율 및 가격 경쟁력이 크게 개선되어 보안업계뿐만 아니라 IoT(Internet of Things) 센서, 라이다(Light Detection and Ranging, Lidar) 용의 자율주행 차량 업계에서도 그 수요가 폭발적으로 증가되고 있다.
레이저 다이오드 기반의 광학 시스템은 기본적으로 송출한 레이저 펄스 신호를 수신하기 위해 포토 다이오드를 사용한다. 하지만, 태양광 노이즈와 같이 강력한 외란광 노이즈가 포토 다이오드에 입사되었을 때, 포토 다이오드 자체가 쉽게 포화되어 수신되는 레이저 펄스 신호의 SNR(signal-to-noise ratio)이 낮아지는 문제점이 있다. 또한 태양광 노이즈의 입사량이 구름, 비, 안개 등 기상 상황 및 주변 환경에 의해 짧은 시간 동안 크게 변화하여 안정적인 수신 신호 처리가 매우 어렵다. 특히, 유리창 및 벽 등과 같이 태양광이 쉽게 반사 및 회절이 될 수 있는 환경에서는 불안정적인 동일 파장대역의 태양광 노이즈가 유입되어 수신되는 레이저 펄스 신호의 SNR이 매우 낮아지게 된다.
본 발명이 해결하려는 과제는 태양광 노이즈를 줄이고 수신되는 레이저 펄스 신호의 SNR을 최적화시킬 수 있는 반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 반사판 기반 레이저 감지 장치에서 외란광 노이즈를 제거하는 방법이 제공된다. 외란광 노이즈 제거 방법은 레이저 펄스 신호를 송출하는 단계, 상기 레이저 펄스 신호가 반사판에 의해 반사되어 되돌아오는 반사 펄스 신호를 포함하는 수신 신호를 분기시켜 한쪽을 설정된 지연 시간만큼 시간 지연시키는 단계, 상기 시간 지연된 한쪽의 신호와 분기된 다른 한쪽의 신호를 이용하여 상기 수신 신호에서 외란광 노이즈를 제거하여 상기 반사 펄스 신호를 검출하는 단계, 그리고 검출된 상기 반사 펄스 신호의 SNR(Signal-to-noise ratio)을 토대로 상기 반사 펄스 신호의 펄스 폭을 조절하는 단계를 포함한다.
상기 조절하는 단계는 상기 반사 펄스 신호로부터 SNR을 계산하는 단계, 그리고 계산된 상기 SNR을 토대로 상기 지연 시간을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 검출하는 단계는 상기 수신 신호를 전기 신호로 변환하는 단계, 상기 전기 신호를 전압으로 변환하는 단계, 변환된 상기 전압을 분기하여 한쪽을 상기 지연 시간만큼 시간 지연시키는 단계, 그리고 분기된 다른 한쪽의 전압과 상기 시간 지연된 한쪽의 전압간 차를 증폭시켜 상기 반사 펄스 신호로서 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 조절하는 단계는 상기 반사 펄스 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 단계, 상기 디지털 신호로부터 SNR을 계산하는 단계, 그리고 계산된 SNR과 직전에 계산된 SNR을 비교하여, 상기 지연 시간을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 외란광 노이즈 제거 방법은 상기 반사 펄스 신호를 증폭시키는 단계, 증폭된 상기 반사 펄스 신호와 기준 전압의 비교를 통해 신호를 생성하는 단계, 그리고 생성된 상기 신호를 이용하여 서비스를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 외란광 노이즈 제거 방법은 상기 검출된 반사 펄스 신호로부터 침입 감지를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 외란광은 태양광을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시 예에 따르면, 반사판 기반 레이저 감지 장치가 제공된다. 반사판 기반 레이저 감지 장치는 송신부, 그리고 수신부를 포함한다. 상기 송신부는 레이저 펄스 신호를 송출한다. 상기 수신부는 상기 레이저 펄스 신호가 반사판에 의해 반사되어 되돌아오는 반사 펄스 신호를 포함하는 수신 신호를 분기시켜 한쪽을 설정된 지연 시간만큼 시간 지연되도록 하고, 상기 시간 지연된 한쪽의 신호와 분기된 다른 한쪽의 신호간 전압 차에 해당하는 신호를 상기 반사 펄스 신호로서 검출하고, 검출된 상기 반사 펄스 신호의 SNR(Signal-to-noise ratio)을 토대로 상기 반사 펄스 신호의 펄스 폭을 조절하여 상기 반사 펄스 신호의 SNR을 최적화시킨다.
상기 수신부는 상기 수신 신호로부터 정해진 파장대역의 신호를 검출하는 대역통과 광 필터, 검출된 상기 파장대역의 신호를 전기 신호로 변환하는 포토 다이오드, 상기 전기 신호의 전압에 해당하는 신호를 상기 지연 시간만큼 지연시켜 출력하는 시간 지연 회로, 상기 전기 신호의 전압에 해당하는 신호와 상기 시간 지연 회로로부터 출력된 시간 지연된 신호의 전압 차를 증폭하여 출력하는 차동 증폭기, 그리고 상기 차동 증폭기의 출력 신호로부터 상기 SNR을 계산하고, 상기 SNR을 이용하여 상기 시간 지연 회로의 지연 시간을 조절하는 피드백 제어부를 포함할 수 있다.
상기 피드백 제어부는 상기 차동 증폭기의 출력 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환시키는 아날로그 디지털 변환기, 계산된 상기 SNR을 저장하는 메모리, 그리고 현재 계산된 SNR과 직전 계산된 SNR을 비교하여, 상기 SNR이 최적화될 때까지 상기 시간 지연 회로의 지연 시간을 조절하는 디지털 신호 처리부를 포함할 수 있다.
상기 시간 지연 회로는 상기 포토 다이오드로부터 출력되는 전기 신호의 전압이 입력되는 입력 단자, 상기 시간 지연된 신호의 전압을 출력하는 출력 단자, 전원이 공급되는 전원 단자, 셋 단자 및 디바이더 단자를 가지며, 상기 셋 단자와 상기 디바이더 단자를 통해 입력되는 전압에 따라 상기 지연 시간이 결정되는 지연 집적 회로, 상기 셋 단자와 접지단 사이에 연결되어 있는 제1 가변 저항, 그리고 상기 전원 단자와 상기 디바이더 사이에 직렬로 연결되어 있으며, 접점이 상기 디바이더 단자에 연결되는 제2 및 제3 가변 저항을 포함하며, 상기 피드백 제어부는 상기 SNR을 이용하여 상기 제1 내지 제3 가변 저항 중 적어도 하나의 저항값을 가변시킬 수 있다.
상기 피드백 제어부는 상기 SNR이 설정된 임계값 이하인 경우 상기 시간 지연 회로의 지연 시간을 줄일 수 잇따.
상기 수신부는 상기 포토 다이오드와 상기 차동 증폭기의 사이에 연결되어 있는 분리 버퍼를 더 포함할 수 있다.
상기 수신부는 상기 차동 증폭기에 의해 출력된 전압을 증폭시키는 적어도 하나의 증폭기를 더 포함할 수 있다.
상기 반사판 기반 레이저 감지 장치는 상기 반사 펄스 신호를 이용하여 침입 감지를 수행하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 시간 지연 회로를 이용하여 수신되는 신호를 분기하여 한쪽은 그대로 차동 증폭기의 한 입력 단자로 입력시키고 다른 한쪽은 시간 지연 회로를 이용하여 시간 지연시켜 차동 증폭기의 다른 입력 단자로 입력시킴으로써, 태양광 노이즈 및 기타 환경 광 노이즈를 제거하면서 원 반사 펄스 신호만을 검출할 수 있다.
또한 순간적으로 수신 광량이 빠르게 변하는 환경에서도 반사 펄스 신호의 펄스 폭을 수신 SNR에 따라 가변시킴으로써, 높은 SNR을 얻을 수 있어, 시스템의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있다.
이에 따라 본 발명의 실시 예에서 제안된 수신기 구조는 보안용 침입 감지기 이외에 실내외용 IoT 감지기 및 Lidar 응용에도 매우 폭넓게 사용될 수 있으며, 보안용 침입 감지기에 해당하는 반사판 기반의 레이저 감지기에서는 기존의 태양광과 같은 주변 환경 광 노이즈에 영향을 많이 받는 적외선 감지기와 비교하여 매우 강력한 외란광 내성을 확보할 수 있게 되어 보안 시장에서 매우 널리 적용될 수 있을 것으로 예상된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반사판 기반 레이저 감지 장치를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치에 영향을 주는 태양광 노이즈를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 수신 처리부의 상세 회로 구조의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치의 외란광 노이즈 제거 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 태양광 신호가 순간적으로 변할 때 시간 지연 회로를 이용하여 획득되는 반사 펄스 신호의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 수신 처리부의 상세 회로 구조의 다른 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 태양광 신호가 순간적으로 변할 때 도 7에 도시된 수신 처리부에 의해 획득되는 반사 펄스 신호의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 7에 도시된 차동 증폭기의 입력과 출력의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 7에 도시된 수신 처리부의 증폭기 및 전압 비교기의 출력의 일 예를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반사판 기반 레이저 감지 장치를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 1을 참고하면, 반사판 기반 레이저 감지 장치(이하, "레이저 감지 장치"라 함)(100)는 재귀 반사판(200)을 향해 레이저 펄스 신호를 송출하고, 재귀 반사판(200)에 의해 반사되어 되돌아오는 신호인 반사 펄스 신호를 수신한 후, 수신한 반사 펄스 신호를 이용하여 원하고자 하는 기능을 수행한다. 예를 들어, 감시 공간 내에서의 침입 감지를 위한 레이저 감지 장치(100)는 재귀 반사판(200)으로부터 반사되어 되돌아오는 반사 펄스 신호를 이용하여 감시 공간 내의 침입자의 침입 감지를 수행할 수 있다.
한편, 레이저 감지 장치(100)의 설치 환경이 태양광과 같은 외란광의 영향을 받는 경우, 레이저 감지 장치(100)의 성능을 확보하기 위해서는 송출되는 레이저 펄스 신호와 동일 파장대역을 갖는 외란광 노이즈 신호의 제거가 필요하다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치에 영향을 주는 태양광 노이즈를 설명하는 도면이다.
도 2를 참고하면, 레이저 감지 장치(100)는 레이저 펄스 신호의 송출을 위해 레이저 다이오드를 사용하며, 반사 펄스 신호의 수신을 위해 포토 다이오드와 같은 광 수신 소자를 사용한다.
레이저 감지 장치(100)의 레이저 다이오드에서는 단일 파장의 레이저 펄스 신호를 송출하는데, 예를 들면, 940nm 파장의 레이저 펄스 신호를 송출할 수 있다.
태양은 가시광선 영역부터 적외선 영역에 이르기까지 다양한 파장대역의 빛을 방출한다. 적외선은 약 750nm~1000nm의 파장대역의 빛을 말하며, 가시광선은 390nm~700nm의 파장대역의 빛을 말한다. 도 2에서는 태양에서 방출되는 빛의 파장대역으로 레이저 다이오드에서 사용하는 파장의 인접 파장대역만을 도시하였다.
레이저 감지 장치(100)의 레이저 다이오드에서 940nm 파장의 레이저 펄스 신호를 송출한다고 가정하면, 레이저 감지 장치(100)에서는 940nm 파장의 반사 펄스 신호와 함께 다양한 파장대역의 태양광 신호를 수신할 수 있다. 이때 노이즈로 작용하는 태양광 신호를 제거하기 위해 레이저 감지 장치(100)는 레이저 펄스 신호의 파장대역만을 통과시키는 대역통과 광 필터를 사용한다. 그러나 대역통과 광 필터를 사용하더라도, 레이저 펄스 신호의 파장과 동일 파장대역의 태양광 신호는 제거되지 않고 포토 다이오드에 수신된다.
이와 같이, 태양광 노이즈의 제거를 위해 대역통과 광 필터를 사용하여도, 레이저 펄스 신호의 파장과 동일 파장대역의 태양광 신호는 제거되기가 어렵다. 또한 태양광 신호의 입사량이 기상 상황 및 주변 환경에 의해 짧은 시간 동안 크게 변할 수 있어 안정적인 수신 성능을 확보하기 어려울 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치(100)는 이러한 외란광 노이즈를 안정적이고 효과적으로 제거하여 원하는 반사 펄스 신호를 획득하고, 반사 펄스 신호의 SNR을 최적화시킬 수 있는 구조 및 방법을 제공한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3을 참고하면, 레이저 감지 장치(100)는 송신부(110), 수신부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.
송신부(110)는 레이저 다이오드(112)를 포함한다. 레이저 다이오드(112)는 제어부(130)의 제어에 따라 정해진 파장의 레이저 펄스 신호를 송출한다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 레이저 펄스 신호는 940nm의 파장을 가질 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.
송신부(110)는 레이저 다이오드(112)의 출력단에 연결된 경통(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 경통은 레이저 다이오드(112)에 의해 송출된 레이저 펄스 신호가 재귀 반사판(200)을 향하도록 가이드한다.
레이저 다이오드(112)에 의해 송출된 레이저 펄스 신호는 재귀 반사판(200)에 의해 반사되고, 반사된 반사 펄스 신호는 수신부(120)에서 수신한다.
수신부(120)는 렌즈(122), 대역통과 광 필터(124), 포토 다이오드(126) 및 수신 처리부(128)를 포함한다.
렌즈(122)는 외부로부터 광 신호를 수신하여 대역통과 광 필터(124)로 전달한다. 이때 렌즈(122)를 통해 수신된 광 신호가 대역통과 광 필터(124)로 전달되도록, 렌즈(122)의 출력단에 경통(도시하지 않음)이 연결되어 있을 수 있다. 렌즈(122)는 재귀 반사판(200)에 의해 반사된 반사 펄스 신호를 수신한다. 또한 태양에 의해 발산되는 태양광 신호가 수신될 수 있다.
대역통과 광 필터(124)는 원하는 파장대역의 신호만을 통과시켜 포토 다이오드(126)로 출력한다. 대역통과 광 필터(124)는 반사 펄스 신호를 통과시키기 위해 레이저 다이오드(112)에서 사용한 파장을 포함하는 파장대역의 신호만을 통과시키도록 설정된다.
포토 다이오드(126)는 대역통과 광 필터(124)를 통과한 신호를 전기 신호로 변환한다.
수신 처리부(128)는 현재 시간에서의 전기 신호와 직전 시간에서의 전기 신호간 차분 신호를 구하고, 차분 신호를 증폭하여 제어부(130)로 전달한다. 수신 처리부(128)는 현재 시간에서의 전기 신호와 직전 시간에서의 전기 신호간 차분 신호를 구하는 과정을 통해 수신 신호로부터 동일 파장대역의 태양광 노이즈가 제거된 반사 펄스 신호를 획득한다. 수신 처리부(128)는 현재 시간에서의 전기 신호와 직전 시간에서의 전기 신호를 구하기 위해 시간 지연 회로를 이용할 수 있다.
제어부(130)는 증폭된 차분 신호를 이용하여 원하는 서비스를 위한 기능을 수행한다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 제어부(130)는 증폭된 차분 신호를 이용하여 침입자의 침입 감지를 수행할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 수신 처리부의 상세 회로 구조의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참고하면, 수신 처리부(128)는 저항(R1~R4), 커패시터(C1~C3), 분리 버퍼(isolation buffer)(1281), 시간 지연 회로(1282), 차동 증폭기(1283), 적어도 하나의 증폭기(1284, 1285) 및 전압 비교기(1286)를 포함한다.
커패시터(C1)의 일단은 포토 다이오드(126)의 출력단에 연결되며, 포토 다이오드(126)로부터 생성된 전류를 충전시킨다.
저항(R1)은 커패시터(C1)의 타단과 접지단 사이에 연결되며, 커패시터(C1)에 충전된 전류를 전압으로 변환시킨다. 저항(R1)의 저항 값은 수신 감도에 따라 결정될 수 있다.
저항(R1)에 의해 변환된 전압(VF1)은 분기되어 시간 지연 회로(1282)의 입력 단자(In)와 차동 증폭기(1283)의 한 입력 단자로 입력된다. 그리고 차동 증폭기(1283)의 다른 입력 단자는 시간 지연 회로(1282)의 출력단(OUT)과 연결되어 있다.
차동 증폭기(1283)의 입력측에는 기본적으로 레이저 펄스 신호를 수신하기 위한 포토 다이오드(126)가 연결되어 있다. 이때 포토 다이오드(126)에 의해 인가되는 펄스 전압이 높은 입력 임피던스를 갖는 차동 증폭기(1283)에 그대로 인가되면 신호 반사가 발생할 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위해 포토 다이오드(126)와 차동 증폭기(1283) 사이에 분리 버퍼(1281)가 추가될 수 있다. 분리 버퍼(1281)는 포토 다이오드(126)와 시간 지연 회로(1282)의 입력단(In) 사이에 연결되며, 포토 다이오드(126)와 차동 증폭기(1283)간 분리도를 확보하기 위해 사용된다. 분리 버퍼(1281)는 신호 반사 여부에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.
시간 지연 회로(1282)는 전원단(VCC)을 통해 전원을 공급 받아 동작하며, 입력 단자(IN)를 통해 입력된 전압을 설정된 지연 시간만큼 지연시킨 후 출력단(OUT)을 통해 출력한다. 시간 지연 회로(1282)의 지연 시간은 예를 들면, 레이저 펄스 신호의 펄스 폭에 대응하는 시간으로 설정될 수 있다. 시간 지연 회로(1282)는 시간 지연 IC(Integrated Circuit)로 구현될 수 있다.
차동 증폭기(1283)는 연산 증폭기(Op-Amp)(10) 및 저항(R11, R12, R13, R14)을 포함할 수 있다. 연산 증폭기(10)의 비반전 입력 단자(+)로는 분기된 전압(VF2)이 직접 입력되고, 연산 증폭기(10)의 반전 입력 단자(-)로는 시간 지연 회로(1282)에 의해 시간 지연된 전압(VF3)이 입력된다. 이때 연산 증폭기(10)의 비반전 입력 단자(+)와 연산 증폭기(10)의 반전 입력 단자(-)에는 각각 저항(R11, R12)이 연결되어 있을 수 있다. 또한 연산 증폭기(10)의 비반전 입력 단자(+)는 저항(R13)을 통해 접지되고, 연산 증폭기(10)의 반전 입력 단자(-)는 저항(R14)을 통해 연산 증폭기(10)의 출력 단자와 연결된다. 이러한 구조의 차동 증폭기(1283)는 비반전 입력 단자(+)와 반전 입력 단자(-)로 각각 입력되는 두 전압(VF2, VF3)의 전압 차를 증폭하여 출력한다. 즉, 비반전 입력 단자(+)로는 분기된 전압이 바로 입력되고, 반전 입력 단자(-)로는 분기된 전압이 시간 지연 회로(1282)를 통과한 후에 입력되므로, 차동 증폭기(1283)는 현재 시간에서 분기된 전압과 직전 시간에서 분기된 전압의 시간 지연된 전압의 차를 출력하게 된다. 매우 짧은 시간(수십 us 내지 수백us) 동안 태양광에서 발산되는 동일 파장대역 즉, 940nm 파장대역의 에너지는 거의 유사하다고 가정하면, 현재 시간에서 분기된 전압에서 직전 시간에서 분기된 전압의 시간 지연된 전압의 차를 구하면, 동일 파장대역의 태양광 노이즈가 제거된 반사 펄스 신호가 획득될 수 있다.
차동 증폭기(1283)에 의해 증폭된 전압 차(VF4)는 고역 통과 필터를 거쳐 증폭기(1284)로 전달된다. 차동 증폭기(1283)와 증폭기(1284) 사이에는 커패시터(C2)와 저항(R2)으로 구성된 고역 통과 필터가 연결되어 있을 수 있다.
증폭기(1284)는 비반전 증폭기로서, 이와 다른 증폭기가 사용될 수 있다. 증폭기(1284)는 연산 증폭기(Op-Amp)(20) 및 저항(R21, R22)를 포함할 수 있다. 연산 증폭기(20)의 비반전 입력 단자(+)는 차동 증폭기(1283)의 출력 단자와 연결되며, 고역 통과 필터를 통과한 전압(VF4)이 연산 증폭기(20)의 비반전 입력 단자(+)로 입력된다. 연산 증폭기(20)의 반전 입력 단자(-)는 저항(R21)을 통해 접지되고 저항(R22)을 통해 연산 증폭기(20)의 출력 단자와 연결된다. 이러한 구조의 증폭기(1284)는 비반전 입력 단자(+)로 입력되는 전압(VF4)을 설정된 증폭율에 따라 증폭시켜 출력한다.
증폭기(1284)에 의해 증폭된 전압(VF5)은 증폭기(1285)에 의해 추가적으로 증폭될 수 있다. 이때 두 증폭기(1284, 1285) 사이에는 커패시터(C3)와 저항(R3)으로 구성된 고역 통과 필터가 연결되어 있을 수 있다.
증폭기(1285)는 증폭기(1284)와 동일한 비반전 증폭기로서, 이와 다른 증폭기가 사용될 수 있다. 즉, 증폭기(1285)는 연산 증폭기(Op-Amp)(30) 및 저항(R31, R32)를 포함할 수 있다. 연산 증폭기(30)의 비반전 입력 단자(+)는 증폭기(1284)의 출력 단자와 연결된다. 연산 증폭기(30)의 반전 입력 단자(-)는 저항(R31)을 통해 접지되고 저항(R32)을 통해 연산 증폭기(30)의 출력 단자와 연결된다. 증폭기(1285)는 비반전 입력 단자(+)로 입력되는 전압(VF5)을 설정된 증폭율에 따라 증폭시켜 출력한다. 이러한 증폭기(1284, 1285)는 선택적으로 사용될 수 있다.
증폭기(1285)에 의해 증폭된 전압(VF6)은 전압 비교기(1286)로 입력된다.
전압 비교기(1286)는 연산 비교기(40), 커패시터(C41) 및 저항(R41, R42)을 포함할 수 있다. 연산 비교기(40)의 비반전 입력 단자(+)로는 증폭기(1285)에 증폭된 전압(VF6)이 입력되고, 연산 비교기(40)의 반전 입력 단자(-)로는 기준 전압이 입력된다. 이때 소정의 전압을 생성하는 전압원과 접지단 사이에 저항(R41, R42)이 직렬로 연결되어 있고, 저항(R41, R42) 사이의 접점 전압이 연산 비교기(40)의 반전 입력 단자(-)로 입력된다. 저항(R41, R42)에 의해 접점 전압이 결정되고, 접전 전압이 전압 비교기(1286)의 기준 전압이 된다. 커패시터(C41)는 저항(R41, R42) 사이의 접점과 접지단 사이에 연결되며, 기준 전압을 충전한다. 연산 비교기(40)의 출력 단자는 제어부(130)와 연결된다. 이러한 구조의 전압 비교기(1286)는 두 입력 단자(+, -)로 입력되는 전압을 비교하고, 비교 결과에 따른 신호를 제어부(130)로 출력한다. 예를 들면, 전압 비교기(1286)는 비반전 입력 단자(+)로 입력된 전압(VF6)이 반전 입력 단자(-)로 입력되는 기준 전압보다 크면, 하이 레벨의 신호를 출력하고 그렇지 않으면 로우 레벨의 신호를 출력할 수 있다.
한편, 전압 비교기(1286)의 비반전 입력 단자(+)와 접지단 사이에 저항(R5)이 연결되어 있을 수 있다.
또한 차동 증폭기(1283)과 증폭기(1284) 사이 및 두 증폭기(1284, 1285) 사이에 연결된 고역 통과 필터는 필요에 따라 시정수 및 사용 여부가 결정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치의 외란광 노이즈 제거 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5를 참고하면, 레이저 감지 장치(100)의 송신부(110)는 레이저 펄스 신호를 송출한다(S510). 송출된 레이저 펄스 신호는 재귀 반사판(200)에 의해 반사된다.
레이저 감지 장치(100)의 수신부(120)는 재귀 반사판(200)에 의해 반사된 반사 펄스 신호 및 태양광 노이즈를 포함한 신호를 수신한다(S520).
레이저 감지 장치(100)의 수신부(120)는 수신 신호로부터 수신을 원하는 파장대역(예를 들면, 940nm)의 신호를 검출하고(S530), 검출된 파장대역의 신호를 전기 신호로 변환한다(S540).
레이저 감지 장치(100)의 수신부(120)는 현재 시간에 대한 전기 신호와 직전 시간에 대한 전기 신호간 전압 차에 해당하는 신호를 생성함으로써(S550), 수신을 원하는 반사 펄스 신호로부터 동일 파장대역의 태양광 노이즈를 제거한다.
레이저 감지 장치(100)의 수신부(120)는 전압 차에 해당하는 신호를 증폭시킨다(S560).
다음, 레이저 감지 장치(100)의 수신부(120)는 증폭된 신호를 설정된 기준 전압과 비교하고, 비교 결과를 출력한다(S570).
제어부(130)에서는 비교 결과를 토대로 침입자의 침입 여부를 검출한다.
한편, 태양광의 입사량은 기상 상황 및 주변 환경에 의해 매우 짧은 시간 동안 크게 변할 수 있다. 이러한 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 시간 지연 회로(1282)를 이용하여도 순간적으로 크게 변화되는 동일 파장대역의 태양광 노이즈의 제거가 어려울 수 있다. 또한 반사 펄스 신호의 SNR을 악화시키는 경우도 발생될 수 있다.
도 6은 시간 지연 회로를 이용하여 획득되는 반사 펄스 신호의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참고하면, 태양광 신호가 순간적으로 크게 변화되는 경우, 시간 지연 회로(1282)를 이용하여도 순간적으로 크게 변화되는 동일 파장대역의 태양광 노이즈의 제거가 어려울 수 있다. 예를 들어, 반사 펄스 신호의 펄스 폭이 400us이고, 시간 지연 회로(1282)의 지연 시간이 400us로 설정되어 있다고 가정한다. 이때 태양광 신호가 순간적으로 크게 변하는 경우, 현재 시간에서의 수신 신호에 대한 전압(반사 펄스 신호의 전압+태양광 신호의 전압)에서 시간 지연 회로(1282)에서 400us로 시간 지연되어 출력된 전압을 차감하여도, 반사 펄스 신호의 펄스 폭이 길게 설정되어 있어, 태양광 노이즈가 제거되지 않고 반사 펄스 신호에 남아있을 수 있다. 또한 제거되지 않고 남아 있는 태양광 노이즈는 반사 펄스 신호의 SNR을 저하시킨다.
아래에서는 순간적으로 변화하는 태양광 노이즈에 의한 반사 펄스 신호의 SNR을 높일 수 있는 실시 예에 대하여 도 7을 참고로 하여 자세하게 설명한다.
도 7은 도 3에 도시된 수신 처리부의 상세 회로 구조의 다른 일 예를 나타낸 도면이다.
도 7을 참고하면, 수신 처리부(128')는 피드백 제어부(1287)를 더 포함할 수 있다.
피드백 제어부(1287)는 차동 증폭기(1283)의 출력 신호로부터 SNR을 계산하여 최적의 SNR이 될 때까지 실시간으로 반사 펄스 신호의 펄스 폭을 지속적으로 제어하여 급변하는 태양광 노이즈를 안정적으로 제거해 주는 역할을 한다.
피드백 제어부(1287)는 아날로그 디지털 변환기(Analog to digital converter, ADC)(71), 디지털 신호 처리부(72) 및 메모리(73)를 포함할 수 있다.
ADC(71)는 차동 증폭기(1283)의 출력 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환시킨다.
디지털 신호 처리부(72)는 ADC(71)에 의해 변환된 디지털 신호로부터 SNR을 계산한 후 메모리(73)에 저장한다. 또한 디지털 신호 처리부(72)는 현재 시간에서 계산된 SNR과 직전 시간에서 계산된 SNR을 비교하여, SNR이 최적화되도록 시간 지연 회로(1282')의 지연 시간을 제어한다.
시간 지연 회로(1282')는 시간 지연 IC(50) 및 저항(R51, R52, R53)을 포함할 수 있다. 시간 지연 IC(50)는 입력 단자(IN), 출력 단자(OUT), 셋(SET) 단자, 디바이더(DIV) 단자, 전원(V+) 단자 및 접지 단자(GND)를 가지며, 입력 단자(IN)는 분리 버퍼(1281)의 출력단과 연결되어 있고, 출력 단자(OUT)는 차동 증폭기(1283)의 반전 단자(-)와 연결되어 있다. 저항(R51)은 셋(SET) 단자와 접지단 사이에 연결되어 있다. 전원(V+) 단자는 전원을 공급하는 전원단과 연결되어 있다. 저항(R52, R53)은 전원(V+) 단자와 접지단 사이에 직렬로 연결되어 있고, 디바이더(DIV) 단자 는 두 저항(R52, R53)의 접점에 연결되어 있다. 시간 지연 IC(50)는 입력 단자(IN)를 통해 입력되는 전압을 설정된 지연 시간만큼 지연시킨 후 출력 단자(OUT)를 통해 출력한다. 이때 시간 지연 IC(50)는 셋(SET) 단자를 통해 입력되는 전압 및 디바이더(DIV) 단자를 통해 입력되는 전압에 따라 지연 시간을 조절할 수 있다. 디지털 신호 처리부(72)는 현재 시간에서 계산된 SNR과 직전 시간에서 계산된 SNR을 비교하고, 비교 결과에 따라 SNR이 최적화되도록 시간 지연 IC(50)의 지연 시간을 결정하고, 결정된 지연 시간에 따라 저항(R51)과 저항(R52, R53)의 저항값을 가변시킴으로써, 셋(SET) 단자를 통해 입력되는 전압 및 디바이더(DIV) 단자를 통해 입력되는 전압을 변경한다. 이때 저항(R51, R52, R53)은 가변 저항일 수 있다.
저항(R51)의 저항값은 결정된 지연 시간 tdelay 와 시간 지연 IC(50)의 NDIV에 의해 계산될 수 있다. NDIV는 해당 시간 지연 IC(50)의 데이터시트에 있는 코드 테이블을 따른다. 예를 들어, tdelay가 100us이고, 시간 지연 IC(50)의 데이터시트에 있는 코드 테이블이 표 1과 같은 경우, 저항(R51)의 저항값은 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112020077390642-pat00001
NDIV는 저항(R52, R53)에 의해 정해지는 시간 지연 IC(50)의 고유 값으로써, 표 1에 의하면 NDIV는 8이며, 이때 코드값은 14이며 저항(R52)은 102kohm, 저항(R53)은 976kohm이다. 표 1은 LTC6994-2 시간 지연 IC의 데이터시의 일 예를 나타내며, R1과 R2는 저항(R52, R53)에 대응된다.
Figure 112020077390642-pat00002
차동 증폭기(1283)로부터 출력되는 신호의 펄스 폭은 시간 지연 IC(50)의 지연 시간에 따라 결정된다. 저항(R51, R52, R53)의 저항값에 따라서 시간 지연 IC(50)의 지연 시간이 조절되면, 차동 증폭기(1283)로부터 출력되는 신호 즉, 반사 펄스 신호의 펄스 폭도 조절된다. 따라서, 디지털 신호 처리부(72)는 차동 증폭기(1283)로부터 출력되는 신호의 SNR을 토대로 저항(R51, R52, R53)의 저항값을 가변시킴으로써, 차동 증폭기(1283)로부터 출력되는 신호의 SNR을 최적화시킬 수 있다.
특히, 디지털 신호 처리부(72)는 유리창이나 벽과 같이 태양광의 회절 및 반사 영향이 짧은 시간 동안 매우 심한 환경에서는 펄스 폭이 상대적으로 짧게 설정되도록 저항(R51, R52, R53)의 저항 값을 조절하고, 반대로 태양광의 반사 영향이 낮은 환경에서는 주변 환경에 의한 순간적인 태양광 노이즈의 변화가 적기 때문에 펄스 폭이 상대적으로 길게 설정되도록 저항(R51, R52, R53)의 저항 값을 조절할 수 있다.
이렇게 하면, 수신된 반사 펄스 신호에서 동일 파장대역의 태양광 신호를 저감시킬 수 있고, 순간적으로 변화하는 태양광 노이즈에 대해서도 대응이 가능하여 반사 펄스 신호에 대한 최적의 SNR을 얻을 수 있다.
도 8은 도 6에 비해 반사 펄스 신호의 펄스 폭을 짧게 설정한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 반사 펄스 신호의 펄스 폭이 짧게 설정되면, 순간적으로 크게 변화되는 태양광 신호 및 주변 물체의 반사광 신호가 반사 펄스 신호에 미치는 영향을 도 6에 비해 상대적으로 낮출 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 피드백 제어부(1287)에서는 차동 증폭기(1283)로부터 출력되는 신호의 SNR을 토대로 저항(R51, R52, R53)의 저항값을 가변시켜, 차동 증폭기(1283)로부터 출력되는 신호의 펄스 폭을 조절한다. 예를 들어, 차동 증폭기(1283)로부터 출력되는 신호의 SNR이 직전 계산된 SNR과 비교하여 좋지 않거나, 차동 증폭기(1283)로부터 출력되는 신호의 SNR이 설정된 임계값 이하인 경우에 반사 펄스 신호의 펄스 폭을 줄임으로써, 순간적으로 크게 변화되는 태양광 신호가 반사 펄스 신호에 미치는 영향을 줄여, 반사 펄스 신호의 SNR을 향상시킬 수 있다.
도 9는 도 7에 도시된 차동 증폭기의 입력과 출력의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 10은 도 7에 도시된 수신 처리부의 증폭기 및 전압 비교기의 출력의 일 예를 나타낸 도면이다. 도 9 및 도 10은 940nm 파장의 반사 펄스 신호 전류 100nA, 940nm 파장대역의 태양광 DC 전압 400mV가 인가되었을 때의 시뮬레이션 결과를 도시하였다.
도 9를 참고하면, 포토 다이오드(126)로 수신된 광 전류는 저항(R1)을 거쳐 전압으로 변환되며, 변환된 전압은 병렬로 분기되어 한 쪽은 차동 증폭기(1283)의 비반전 입력 단자(+)로 인가시키고 나머지 한쪽은 시간 지연 회로(1282)에 의해 100us 지연된 후 차동 증폭기(1283)의 반전 입력 단자(-)로 입력된다.
차동 증폭기(1283)의 입력 두 단자(+, -)에 인가되는 신호는 상호간 시간차를 통해 태양광 노이즈 및 기타 환경 광 노이즈가 제거된다. 이로 인해 도 9와 같이, 태양광에 의한 노이즈 전압은 제거되고 순수한 반사 펄스 신호만 신호만 남게 된다.
또한 도 9를 보면, 차동 증폭기(1283)의 비반전 입력 단자(+)에는 분기된 신호가 그대로 입력되고, 반전 입력 단자(-)에는 100us만큼 지연된 신호가 입력되었을 때, 태양광 DC 노이즈가 깨끗이 제거된 후 반사 펄스 신호의 증폭 신호만 출력되는 것을 알 수 있다.
또한 도 10을 보면, 차동 증폭기(1283)에 의해 출력된 전압(VF4)은 0.073V이고, 두 증폭기(1284, 125)에 의해 증폭되어 출력된 전압(VF6)은 4.97V이 된다.
이와 같은 도 9 및 도 10에 도시된 결과를 보면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치(100)의 수신부(120)는 외부 외란광 노이즈에 영향을 거의 받지 않는다는 것을 알 수 있으며, 이러한 수신부(120)를 통해 외란광 영향에 매우 강인한 재귀 반사판 기반의 송수신 일체형의 레이저 감지 장치의 구현이 가능해진다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (15)

  1. 반사판 기반 레이저 감지 장치에서 외란광 노이즈를 제거하는 방법으로서,
    레이저 펄스 신호를 송출하는 단계,
    상기 레이저 펄스 신호가 반사판에 의해 반사되어 되돌아오는 반사 펄스 신호를 포함하는 수신 신호를 분기시켜 한쪽을 설정된 지연 시간만큼 시간 지연시키는 단계,
    상기 시간 지연된 한쪽의 신호와 분기된 다른 한쪽의 신호를 이용하여 상기 수신 신호에서 외란광 노이즈를 제거하여 상기 반사 펄스 신호를 검출하는 단계,
    상기 반사 펄스 신호로부터 SNR(Signal-to-noise ratio)을 계산하는 단계, 그리고
    현재 시간에서 검출된 반사 펄스 신호의 SNR과 직전 시간에서 검출된 반사 펄스 신호의 SNR의 비교 결과를 토대로 상기 반사 펄스 신호의 펄스 폭을 조절하는 단계
    를 포함하는 외란광 노이즈 제거 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 조절하는 단계는 상기 비교 결과에 따라 상기 지연 시간을 조절하는 단계를 포함하는 외란광 노이즈 제거 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 검출하는 단계는
    상기 수신 신호를 전기 신호로 변환하는 단계,
    상기 전기 신호를 전압으로 변환하는 단계,
    변환된 상기 전압을 분기하여 한쪽을 상기 지연 시간만큼 시간 지연시키는 단계, 그리고
    분기된 다른 한쪽의 전압과 상기 시간 지연된 한쪽의 전압간 차를 증폭시켜 상기 반사 펄스 신호로서 출력하는 단계를 포함하는 외란광 노이즈 제거 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에서,
    상기 외란광은 태양광을 포함하는 외란광 노이즈 제거 방법.
  8. 반사판 기반 레이저 감지 장치에서,
    레이저 펄스 신호를 송출하는 송신부, 그리고
    상기 레이저 펄스 신호가 반사판에 의해 반사되어 되돌아오는 반사 펄스 신호를 포함하는 수신 신호를 분기시켜 한쪽을 설정된 지연 시간만큼 시간 지연되도록 하고, 상기 시간 지연된 한쪽의 신호와 분기된 다른 한쪽의 신호간 전압 차에 해당하는 신호를 상기 반사 펄스 신호로서 검출하고, 검출된 상기 반사 펄스 신호의 SNR(Signal-to-noise ratio)을 계산하고 현재 시간에서 검출된 반사 펄스 신호의 SNR과 직전 시간에서 검출된 반사 펄스 신호의 SNR의 비교 결과를 토대로 상기 반사 펄스 신호의 펄스 폭을 조절하여 상기 반사 펄스 신호의 SNR을 최적화시키는 수신부
    를 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 수신부는
    상기 수신 신호로부터 정해진 파장대역의 신호를 검출하는 대역통과 광 필터,
    검출된 상기 파장대역의 신호를 전기 신호로 변환하는 포토 다이오드,
    상기 전기 신호의 전압에 해당하는 신호를 상기 지연 시간만큼 지연시켜 출력하는 시간 지연 회로,
    상기 전기 신호의 전압에 해당하는 신호와 상기 시간 지연 회로로부터 출력된 시간 지연된 신호의 전압 차를 증폭하여 출력하는 차동 증폭기, 그리고
    상기 차동 증폭기의 출력 신호로부터 상기 SNR을 계산하고, 상기 SNR을 이용하여 상기 시간 지연 회로의 지연 시간을 조절하는 피드백 제어부를 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 피드백 제어부는
    상기 차동 증폭기의 출력 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환시키는 아날로그 디지털 변환기,
    계산된 상기 SNR을 저장하는 메모리, 그리고
    현재 계산된 SNR과 직전 계산된 SNR을 비교하여, 상기 SNR이 최적화될 때까지 상기 시간 지연 회로의 지연 시간을 조절하는 디지털 신호 처리부를 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
  11. 제9항에서,
    상기 시간 지연 회로는
    상기 포토 다이오드로부터 출력되는 전기 신호의 전압이 입력되는 입력 단자, 상기 시간 지연된 신호의 전압을 출력하는 출력 단자, 전원이 공급되는 전원 단자, 셋 단자 및 디바이더 단자를 가지며, 상기 셋 단자와 상기 디바이더 단자를 통해 입력되는 전압에 따라 상기 지연 시간이 결정되는 지연 집적 회로,
    상기 셋 단자와 접지단 사이에 연결되어 있는 제1 가변 저항, 그리고
    상기 전원 단자와 상기 디바이더 단자 사이에 직렬로 연결되어 있으며, 접점이 상기 디바이더 단자에 연결되는 제2 및 제3 가변 저항을 포함하며,
    상기 피드백 제어부는 상기 SNR을 이용하여 상기 제1 내지 제3 가변 저항 중 적어도 하나의 저항값을 가변시키는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
  12. 제9항에서,
    상기 피드백 제어부는 상기 SNR이 설정된 임계값 이하인 경우 상기 시간 지연 회로의 지연 시간을 줄이는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
  13. 제9항에서,
    상기 수신부는 상기 포토 다이오드와 상기 차동 증폭기의 사이에 연결되어 있는 분리 버퍼를 더 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
  14. 제9항에서,
    상기 수신부는 상기 차동 증폭기에 의해 출력된 전압을 증폭시키는 적어도 하나의 증폭기를 더 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
  15. 제8항에서,
    상기 반사 펄스 신호를 이용하여 침입 감지를 수행하는 제어부
    를 더 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
KR1020200092057A 2020-07-24 2020-07-24 반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법 KR102440067B1 (ko)

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