KR102562042B1 - 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 fmcw 라이다 시스템 - Google Patents

다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 fmcw 라이다 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수신 광학계를 하나로 통합 구성하여 다채널용으로 사용함으로써, 조립 및 제조공정을 단순화하고, 송신 광학계의 무한 확장과 수직 및 수평 시계에 대한 각도 분해능을 향상시키며, 크로스토크에 의한 노이즈 및 성능저하를 방지할 수 있도록 하는 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템에 관한 것이다.

Description

다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템{FMCW LiDAR SYSTEM WITH INTEGRATED RECEIVING OPTICS FOR MULTIPLE CHANNELS}
본 발명은 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수신 광학계를 하나로 통합 구성하여 다채널용으로 사용함으로써, 조립 및 제조공정을 단순화하고, 송신 광학계의 무한 확장과 수직 및 수평 시계에 대한 각도 분해능을 향상시키며, 크로스토크에 의한 노이즈 및 성능저하를 방지할 수 있는 FMCW 라이다 시스템에 관한 것이다.
라이다(LiDAR: Light Detection And Ranging)는 레이저를 특정 오브젝트에 비추어 해당 오브젝트까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질분포 및 농도 특성을 감지할 수 있는 기술이다.
라이다는 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀한 대기 중의 물성 관측 및 거리 측정 등에 활용되는 것은 물론, 항공기, 위성 등에 탑재되어 정밀한 대기 분석 및 지구환경 관측에 활용되고 있으며, 최근 들어 3D 리버스 엔지니어링, 미래 무인자동차를 위한 레이저 스캐너 및 3D 영상 카메라의 핵심 기술로 활용되면서 그 중요성이 점차 증가되고 있다.
레이저를 이용한 거리측정은 크게 펄스의 왕복시간을 측정하는 pulsed TOF(time of flight), 신호의 위상차를 통해 거리를 측정하는 위상변이(phase shift), 그리고 주파수에 변화를 준 후 주파수 차이를 통해 거리 정보를 추출하는 주파수 변조법(FMCW, frequency modulated continuous wave) 기술 등이 있다. TOF 방식은 레이저가 펄스 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 물체들로부터의 반사 펄스 신호들이 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써 거리를 측정하는 것으로서, 우수한 성능을 보여주지만 시스템의 크기가 크고 고비용이 요구되기 때문에 저가의 거리 측정 시스템에는 주로 위상변이 또는 FMCW 방식이 사용되고 있다.
하지만, 종래의 FMCW 라이다는 신호의 흔들림이나 크로스토크에 의해 시스템의 성능이 제한되고, 주파수 변화의 비선형성에 의해 시스템 성능이 제한된다. 특히, FMCW 라이다에서 다채널 송수신 광학계를 구성하기 위해서는 채널별로 각각 송수신 광학계를 배치하여 구성하여야 하므로 채널수가 늘어나면 늘어날수록 렌즈, 미러 등의 광학계열 부품이 증가되고, 이에 따라 비용이 늘어나는 문제가 있었다.
또한, FMCW 라이다에서 다채널 송수신 광학계를 구성할 경우, 송수신 광학계를 일체형으로 사용하기 위해서 하나의 콜리메이터 렌즈(collimator lens)에 옵티컬 서큘레이터를 적용하여, 입력에 사용된 레이저의 빛과 타겟에서 반사된 빛을 서로 간섭시켜 타겟과의 거리 정보를 획득하였지만, 서큘레이터에서 크로스토크로 인해 타겟의 거리 정보에 노이즈가 발생하고 측정신호의 SNR(signal to noise ratio)이 저하되는 문제가 있었다.
따라서 본 발명에서는 FMCW 라이다 시스템에서 렌즈 어셈블리와 태퍼드 광섬유(tapered fiber)를 일체화한 수신 광학계를 구성함으로써, 조립 및 제조공정의 단순화, 송신 광학계의 무한 확장, 수직 및 수평 시계에 대한 각도 분해능 향상, 크로스토크에 의한 노이즈 및 성능저하 방지를 수행할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
다음으로 본 발명의 기술분야에 존재하는 선행발명에 대하여 간단하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행발명에 비해서 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해서 기술하고자 한다.
먼저 한국등록특허 제2050632호(2019.12.03.)는 다채널 라이다 센서 모듈에 관한 것으로, 레이저빔을 발광하는 적어도 한 쌍의 발광부; 상기 적어도 한 쌍의 발광부 사이에 형성되며, 상기 적어도 한 쌍의 발광부에서 발광되어 대상체에 의해 반사된 적어도 한 쌍의 반사 레이저빔을 수신하는 수광부를 포함하는 다채널 라이다 센서 모듈에 관한 선행발명이다.
또한 한국등록특허 제1296780호(2013.08.14.)는 레이저 광을 발생하는 레이저 광원; 전방의 영상 및 상기 레이저 광원에서 발생된 레이저 광의 조사하고 상기 전방의 레이저 광 조사 영상을 촬영하는 카메라; 상기 카메라에서 촬영된 영상을 처리하는 화상처리장치를 포함하는 레이저를 이용한 장애물 감지장치 및 방법에 관한 선행발명이다.
하지만, 본 발명은 렌즈 어셈블리와 태퍼드 광섬유를 일체화하여 수신 광학계를 구성한 것이므로, 하나의 이미지센서로 적어도 2개의 대상체를 측정할 수 있는 다채널 라이다 센서 모듈에 대해 기재하고 있는 상기 한국등록특허 제2050632호, 다양한 환경에서도 정확하게 장애물을 감지할 수 있는 레이저를 이용한 장애물 감지장치 및 방법에 대해 기재하고 있는 상기 한국등록특허 제1296780호와 본 발명은 현저한 구성상 차이점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 렌즈 어셈블리와 태퍼드 광섬유의 일체화를 통해 수신 광학계를 하나로 통합하여 다채널용으로 활용할 수 있는 FMCW 라이다 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 하나로 통합한 다채널용 수신 광학계를 통해서 공정의 난이도를 낮추어 조립 및 제조 공정을 단순화할 수 있는 FMCW 라이다 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 하나로 통합한 수신 광학계와 별도로 송신 광학계의 무한 확장이 가능하고, 수직 및 수평 시계에 대한 각도 분해능을 향상시킬 수 있는 FMCW 라이다 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 송신 광학계와 수신 광학계를 별도로 사용함으로써, 옵티컬 서큘레이터 사용에 따른 크로스토크에 의한 노이즈 및 SNR 저하를 방지할 수 있는 FMCW 라이다 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템은, 적어도 하나 이상의 오브젝트에 의해 반사되는 각 채널별 반사신호를 수신하는 수신 광학부; 및 상기 수신 광학부의 일측에 접속되는 신호 전달부;를 포함하며, 상기 수신 광학부와 신호 전달부는, 일체로 형성되어 상기 각 채널별 반사신호를 동시에 수신할 수 있다.
또한, 상기 FMCW 라이다 시스템은, 레이저를 평행광으로 콜리메이션하여 출력하는 적어도 하나 이상의 송신 광학부; 및 상기 신호 전달부를 통해 입력되는 상기 반사신호를 토대로 상기 오브젝트와의 거리정보를 산출하는 신호처리모듈;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신 광학부는, 상기 각 채널별로 독립적으로 구성하여, 적어도 하나 이상의 오브젝트 각각으로 레이저를 발광할 수 있다.
이때 상기 송신 광학부는, 상기 채널의 증가에 따른 수량 증가를 통해서 수평 또는 수직 방향의 측정 시계에 대한 각도 분해능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 수신 광학부는, 상기 각 채널별로 출력되어 상기 적어도 하나 이상의 오브젝트에 의해 반사된 반사신호를 동시에 수신하여 상기 신호 전달부를 통해 상기 신호처리모듈로 출력할 수 있다.
또한, 상기 송신 광학부는, 상기 각 채널별로 주파수를 서로 다르게 조절하여 출력할 수 있다.
또한, 상기 신호 전달부는, 광 파이버로서, 일측이 다른 일측보다 광역으로 형성되고, 상기 일측에서 다른 일측 방향으로 점차 가늘어지는 형태로 구비된 태퍼드(tapered) 파이버일 수 있다.
또한, 상기 수신 광학부는, 서로 다른 형상과 크기를 가진 적어도 하나 이상의 렌즈;를 포함하며, 상기 렌즈의 조합을 토대로 상기 반사신호의 수신율을 높이고 수신에러를 줄일 수 있다.
또한, 상기 FMCW 라이다 시스템은, 상기 수신 광학부와 송신 광학부의 독립적인 사용을 통해서 크로스토크에 의한 노이즈와 신호대잡음비(SNR)의 저하를 방지할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템 운용 방법은, FMCW 라이다 시스템에서, 적어도 하나 이상의 송신 광학부를 통해 각 채널별로 레이저를 평행광으로 콜리메이션하여 적어도 하나 이상의 오브젝트로 출력하는 단계; 상기 FMCW 라이다 시스템에서, 수신 광학부를 통해 상기 적어도 하나 이상의 오브젝트에 의해 반사되는 상기 각 채널별 반사신호를 동시에 수신하는 단계; 상기 FMCW 라이다 시스템에서, 상기 수신 광학부의 일측에 일체로 접속된 신호 전달부를 통해 상기 각 채널별로 수신한 반사신호를 신호처리모듈로 출력하는 단계; 및 상기 FMCW 라이다 시스템에서, 상기 신호처리모듈을 통해 상기 각 채널별로 수신한 반사신호를 토대로 상기 오브젝트와의 거리정보를 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템에 따르면, 렌즈 어셈블리와 태퍼드 광섬유를 일체화하여 하나로 통합한 다채널용 수신 광학계를 통해서 공정의 난이도를 낮추어 조립 및 제조 공정을 단순화할 수 있고, 송신 광학계의 무한 확장과 수직 및 수평 시계에 대한 각도 분해능을 향상시킬 수 있으며, 송신 광학계와 수신 광학계의 별도 사용을 통해 기존의 옵티컬 서큘레이터 사용에 따른 크로스토크에 의한 노이즈 및 SNR 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.
다만, 본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 FMCW 라이다 시스템에서의 다채널 송수신 광학계 구성과 옵티컬 서큘레이터 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 라이다 시스템에서 수신 광학부와 신호 전달부를 일체로 형성한 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템의 구성을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템의 구성을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템 운용 방법의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 일반적인 FMCW 라이다 시스템에서의 다채널 송수신 광학계 구성과 옵티컬 서큘레이터 구성을 설명하기 위한 도면이다.
기존의 FMCW 라이다 시스템에서 다채널의 송수신 광학계를 구성할 경우에는 다음과 같이 크게 2가지 방식이 제안되어 사용되었다.
첫 번째 방식은 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 복수 개의 송신 광학계 및 수신 광학계를 얼라인하여 사용하는 것으로서, 각 채널마다 송신 광학계와 수신 광학계를 하나씩 구성하는 방식이다.
하지만, 이렇게 송신 광학계와 수신 광학계를 각 채널에 따라 별개로 구성하게 되면 채널 수에 비례하여 광 부품이 함께 증가하기 때문에, 공간의 제약은 물론 시스템의 구성이 복잡해지는 문제가 있었다.
이를 개선하기 위한 두 번째 방식은 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 송신 광학계와 수신 광학계를 일체로 사용하기 위해서 하나의 콜리메이션 렌즈에 옵티컬 서큘레이터를 적용한 것으로서, 광 부품의 수를 줄이고 송신 광학계와 수신 광학계의 얼라인의 어려움을 해소하는 장점을 가지고 있다.
이와 같이 옵티컬 서큘레이터를 적용한 FMCW 라이다 시스템은 입력에 사용된 레이저의 빛(즉 도 1에서의 port 1)과 port 3을 통해서 수신되는 오브젝트에서 반사된 빛(Rx)을 간섭시켜 해당 오브젝트에 대한 거리정보를 산출한다.
하지만 이 과정에서 port 1의 빛이 port 3으로 누출되는 크로스토크 현상으로 인해서 port 3에서는 오브젝트에서 반사된 빛과 서큘레이터에서 크로스토크된 빛이 함께 획득된다. 즉 오브젝트의 거리정보 산출을 위한 신호로 입력에 사용된 레이저, 오브젝트에서 반사된 신호, 및 서큘레이터의 port 1에서 port 3으로 누출되는 크로스토크가 이용되기 때문에, 서로 간섭이 발생되는 것은 물론, 이로 인해 오브젝트의 거리 정보에 노이즈가 발생하고 측정신호의 SNR이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 기존의 FMCW 라이다 시스템에서 다채널 송수신 광학계를 구성할 때의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 도 2 내지 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템(100, 이하, FMCW 라이다 시스템이라 함)은 적어도 하나 이상(바람직하게는, 적어도 2개 이상)의 송신 광학부(110), 하나의 수신 광학부(120), 신호 전달부(130), 신호처리모듈(140) 등을 포함하여 구성된다.
일예로, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 자율주행을 수행하는 자동차 등에 적용될 수 있다.
송신 광학부(110)는 제어모듈(미도시)의 제어를 토대로 소정의 거리에 위치한 오브젝트(예: 주변의 거리측정 대상이 되는 다른 자동차 등) 방향으로 레이저를 발광한다.
이때 상기 송신 광학부(110)는 레이저를 평행광으로 콜리메이션(collimation)하고, 콜리메이션된 레이저를 소정의 각도로 출력한다. 여기서, 콜리메이션은 레이저의 진행방향을 기준이 되는 광축과 평행하도록 정렬하는 것을 의미한다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)에서 사용되는 레이저는 다른 광원에 비해 직진성이 우수하지만 발산되기 때문에 적은 양의 레이저가 오브젝트에 입사될 수 있다. 이처럼 해당 오브젝트에 입사되는 레이저의 양이 적으면 오브젝트로부터 반사되는 레이저의 양 또한 줄어들고, 이로 인해 원하는 측정결과를 얻을 수 없게 된다. 또한, 이와는 반대로 조사된 레이저의 발산 정도가 클 경우에는 측정 거리가 줄어들 수 있다. 그러므로 상기 레이저의 광로상에 상기 송신 광학부(110)를 위치시켜 상기 레이저를 평행광으로 콜리메이션함으로써, 상기 레이저의 발산 정도를 감소시켜야 한다.
한편, 상기 송신 광학부(110)는 각각의 채널별로 독립적으로 하나씩 구성하고, 각각의 송신 광학부를 통해 적어도 하나 이상의 오브젝트 각각으로 레이저를 발광할 수 있다.
예를 들어, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)의 채널 수가 3개로 설정된 경우, 상기 송신 광학부(110)는 채널 수에 맞추어 3개로 구성될 수 있다. 즉 채널 수에 맞추어 상기 송신 광학부(110)를 증가시킬 수 있는 것이다.
이는 본 발명의 주요 특징중 하나로서, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 송신 광학계와 수신 광학계를 별개로 사용하면서 송신 광학부를 채널의 수에 맞추어 무한으로 확장하여 구성하는 것이 가능하며, 송신 광학부의 무한 확장으로 인하여 수직 방향 및 수평 방향의 측정 시계에 대한 각도 분해능이 향상되는 장점을 얻을 수 있게 된다.
또한, 상기 송신 광학부(110)는 각각의 채널별로 주파수를 서로 다르게 조절하여 출력하는 것도 가능하다.
즉, 각 채널별 송신 광학부(110)를 통해 서로 다른 주파수로 레이저를 발광하고, 오브젝트에 의해 반사되는 반사신호를 수신 광학부(120)를 통해 수신한 다음, 신호처리모듈(140)에서 각 주파수별 비교를 통해서 오브젝트와의 거리정보를 산출할 수 있는 것이다.
수신 광학부(120)는 적어도 하나 이상의 오브젝트에 의해 반사되는 각 채널별 반사신호를 동시에 수신하는 기능을 수행한다.
즉 상기 수신 광학부(120)는 각 채널별로 하나씩 구성되는 제1 내지 제n 송신 광학부(110)에서 각각 발광되는 레이저가 오브젝트에 의해 반사되면, 상기 반사된 각 채널별 반사신호를 하나의 수신 광학계를 통해 동시에 수신하고, 상기 동시에 수신한 각 채널별 반사신호를 신호 전달부(130)를 통해 신호처리모듈(140)로 전달하도록 하는 것이다.
이는 본 발명의 주요 특징중 하나로서, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 하나의 수신 광학부를 통해 각 채널별 반사신호의 동시 수신이 가능하고, 각 채널별로 수신 광학부를 독립적으로 구성할 필요가 없어 공정상의 배치(align)를 단순화할 수 있으며, 결과적으로 조립 및 제조 공정을 단순화할 수 있게 된다.
한편, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 상기 송신 광학부(110)와 수신 광학부(120)를 독립적인 별개의 구성으로 구현함으로써, 기존의 옵티컬 서큘레이터의 사용시 발생하였던 크로스토크에 의한 노이즈와 신호대잡음비(SNR)의 저하 문제를 해결할 수 있다.
신호 전달부(130)는 상기 수신 광학부(120)의 일측에 일체로 접속되어 있으며, 상기 수신 광학부(120)에서 각 채널별로 동시에 수신한 반사신호를 신호처리모듈(140)로 전달한다. 즉 상기 수신 광학부(120)와 신호 전달부(130)를 일체로 통합하여 구성함으로써, 수신 광학부(120)를 각각의 채널별로 별개로 구성할 필요가 없도록 한 것이다.
이때 상기 신호 전달부(130)는 광 파이버를 사용하는 것이 바람직하다. 일예로, 본 발명에서는 일측이 다른 일측보다 광역으로 형성되고, 상기 일측에서 다른 일측 방향으로 점차 가늘어지는 형태로 구비된 태퍼드(tapered) 파이버를 사용할 수 있다.(도 3 참조)
신호처리모듈(140)은 상기 신호 전달부(130)를 통해 입력되는 상기 각 채널별 반사신호를 토대로 상기 오브젝트와의 거리정보를 산출하는 기능을 수행한다.
즉 각 채널별로 구비된 상기 송신 광학부(110)를 통해 각각 발광되는 레이저와 상기 신호 전달부(130)를 통해 상기 수신 광학부(120)에서 수신한 각 채널별 반사신호를 비교하여, 측정 대상이 되는 특정 오브젝트와의 거리정보를 구체적으로 확인하는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 라이다 시스템에서 수신 광학부와 신호 전달부를 일체로 형성한 예를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 라이다 시스템(100)은 수신 광학부(120)와 신호 전달부(130)를 일체화한 구성이다.
즉 다채널의 송신 광학계와 수신 광학계를 구성할 때, 송신 광학부는 각 채널별로 독립적으로 구성하고, 수신 광학부는 각 채널별 반사신호의 동시 수신이 가능하도록 하나로 구성함으로써, 공정상의 얼라인 난이도를 낮추어 조립 및 제조 공정을 단순화한 것이다.
이때 상기 수신 광학부(120)는 서로 다른 형상과 크기를 가진 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함하여 구성된다.
즉 본 발명에서는 서로 다른 형상과 크기를 가진 각 렌즈의 조합을 통해서 오브젝트로부터 반사된 각 채널별 반사신호의 수신율을 높이고 수신에러를 감소시킬 수 있는 것이다.
예를 들어, 도 3의 (a)에서와 같이 오브젝트로부터 반사되는 반사신호가 입력되는 가장 외측에 큰 렌즈를 배치하고 그 후단에 반사신호의 집광 및 평행화를 위한 렌즈를 배치하는 경우에는 상하 수직 방향의 측정 시야를 개선할 수 있을 것이다. 마찬가지로, 도 3의 (b)에서와 같이 오브젝트로부터 반사되는 반사신호가 입력되는 가장 외측에 집광 및 평행화를 위한 렌즈를 배치하는 경우에는 좌우 수평 방향의 측정 시야의 개선이 가능할 것이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템의 구성을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 (a)에 나타낸 구조를 적용한 FMCW 라이다 시스템(100)에 대한 실시예로서, 우선 송신 광학부(110)를 통해 레이저 A, 렌즈 A 및 스캐너를 포함한 어느 하나의 채널, 레이저 B, 렌즈 B 및 스캐너를 포함한 또 다른 채널로 오브젝트의 거리 측정을 위한 레이저가 각각 발광된다. 이때 채널은 2개를 예로 하여 설명하지만, 채널의 수는 증가할 수 있다.
수신 광학부(120)는 각 채널별로 오브젝트에 의해 반사된 반사신호를 동시에 수신하고, 상기 동시에 수신한 반사신호는 상기 수신 광학부(120)의 일측에 일체로 구비된 신호 전달부(130)를 통해 옵티컬 믹서 및 포토 다이오드를 거쳐 신호처리모듈(140)로 전달된다.
신호처리모듈(140)은 각 채널별로 발광되는 레이저와 상기 신호 전달부(130)를 통해 전달되는 오브젝트에서 반사된 반사신호를 토대로 해당 오브젝트의 거리정보를 산출한다. 즉 상기 송신 광학부(110)를 통해 발광된 레이저와 오브젝트로부터 반사된 반사신호의 서로 다른 2개의 신호를 간섭시켜 FMCW 라이다 시스템(100)과 특정 오브젝트간의 거리를 산출하는 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템의 구성을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3의 (b)에 나타낸 구조를 적용한 FMCW 라이다 시스템(100)에 대한 실시예로서, 각 구성별 동작은 상기 도 4의 구성과 동일하게 수행되므로 여기에서의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다음에는, 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템 운용 방법의 일 실시예를 도 6을 참조하여 상세하게 설명한다. 이때 본 발명의 방법에 따른 각 단계는 사용 환경이나 당업자에 의해 순서가 변경될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템 운용 방법의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템(100)은 적어도 하나 이상의 송신 광학부(110)를 통해 각각의 채널별로 레이저를 평행광으로 콜리메이션하여 적어도 하나 이상의 오브젝트로 출력하는 단계를 수행한다(S100).
이후, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 수신 광학부(120)를 통해 상기 적어도 하나 이상의 오브젝트에 의해 반사되는 각각의 채널별 반사신호를 동시에 수신하는 단계를 수행한다(S200).
상기 S200 단계를 통해 각 채널별로 오브젝트에 의한 반사신호가 동시에 수신되면, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 상기 수신 광학부(120)의 일측에 일체로 접속된 신호 전달부(130)를 통해 각각의 채널별로 수신한 반사신호를 신호처리모듈로 출력하는 단계를 수행한다(S300).
그리고 상기 신호처리모듈(140)은 상기 S100 단계를 통해 각 송신 광학부(110)에서 각각의 채널별로 발광되는 레이저와 상기 S300 단계를 통해 각각의 채널별로 동시에 수신한 반사신호를 토대로 상기 오브젝트와의 거리정보를 산출하는 단계를 수행한다(S400).
또한 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 오브젝트의 거리정보 산출이 종료되는지를 판단하고(S500), 판단결과 오브젝트의 거리정보 산출이 종료될 때까지 상기 S100 단계 이후를 반복하여 수행한다.
한편, 상기 송신 광학부(110)는 채널의 수만큼 독립적으로 하나씩 구성할 수 있으며, 각 채널별로 주파수를 달리 하여 출력할 수 있다.
또한 상기 수신 광학부(120)는 송신 광학부의 수와 상관없이 하나만 구성되고, 후단에 광 파이버로 형성된 신호 전달부(130)가 일체로 연결되며, 모든 채널의 반사신호를 동시에 수신하여 상기 신호 전달부(130)를 통해 신호처리모듈(140)로 출력할 수 있도록 구성된 것임은 상기 설명한 바와 같다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 보다 명확하게 표현하기 위해, 본 발명의 기술적 사상과 관련성이 없거나 떨어지는 구성에 대해서는 간략하게 표현하거나 생략하였다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
100 : FMCW 라이다 시스템 110 : 송신 광학부
120 : 수신 광학부 130 : 신호 전달부
140 : 신호처리모듈

Claims (10)

  1. 레이저를 평행광으로 콜리메이션하여 출력하는 적어도 하나 이상의 송신 광학부;
    적어도 하나 이상의 오브젝트에 의해 반사되는 각 채널별 반사신호를 수신하는 수신 광학부;
    상기 수신 광학부와 일체로 형성되어, 상기 수신 광학부의 일측에 접속되는 신호 전달부; 및
    상기 신호 전달부를 통해 입력되는 상기 반사신호를 토대로 상기 오브젝트와의 거리정보를 산출하는 신호처리모듈;을 포함하며,
    상기 송신 광학부는, 상기 각 채널별로 독립적으로 구성되어, 상기 적어도 하나 이상의 오브젝트 각각으로 레이저를 발광하며,
    상기 수신 광학부는, 하나로 구성되어, 상기 적어도 하나 이상의 오브젝트에 의해 반사되는 각 채널별 반사신호를 동시에 수신하여 상기 신호 전달부를 통해 상기 신호처리모듈로 출력함으로써, 각 채널별로 독립적으로 구성할 필요가 없어 공정상 배치를 단순화할 수 있도록 하며,
    상기 수신 광학부는, 서로 다른 형상과 크기를 가진 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함하되, 상기 반사신호가 입력되는 가장 외측에 큰 렌즈를 배치하고 그 후단에 반사신호의 집광 및 평행화를 위한 렌즈를 배치하여, 상하 수직 방향의 측정 시야를 개선하도록 하거나, 상기 반사신호가 입력되는 가장 외측에 집광 및 평행화를 위한 렌즈를 배치하여, 좌우 수평 방향의 측정 시야의 개선하도록 함으로써, 상기 반사신호의 수신율을 높이고 수신에러를 줄이는 것을 특징으로 하는 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신 광학부는,
    상기 채널의 증가에 따른 수량 증가를 통해서 수평 또는 수직 방향의 측정 시계에 대한 각도 분해능을 향상시키는 것을 특징으로 하는 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신 광학부는,
    상기 각 채널별로 주파수를 서로 다르게 조절하여 출력하는 것을 특징으로 하는 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호 전달부는,
    광 파이버로서, 일측이 다른 일측보다 광역으로 형성되고, 상기 일측에서 다른 일측 방향으로 점차 가늘어지는 형태로 구비된 태퍼드(tapered) 파이버인 것을 특징으로 하는 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 FMCW 라이다 시스템은,
    상기 수신 광학부와 송신 광학부의 독립적인 사용을 통해서 크로스토크에 의한 노이즈와 신호대잡음비(SNR)의 저하를 방지하는 것을 특징으로 하는 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템.
  10. FMCW 라이다 시스템에서, 적어도 하나 이상의 송신 광학부를 통해 각 채널별로 레이저를 평행광으로 콜리메이션하여 적어도 하나 이상의 오브젝트로 출력하는 단계;
    상기 FMCW 라이다 시스템에서, 수신 광학부를 통해 상기 적어도 하나 이상의 오브젝트에 의해 반사되는 상기 각 채널별 반사신호를 동시에 수신하는 단계;
    상기 FMCW 라이다 시스템에서, 상기 수신 광학부의 일측에 일체로 접속된 신호 전달부를 통해 상기 각 채널별로 수신한 반사신호를 신호처리모듈로 출력하는 단계; 및
    상기 FMCW 라이다 시스템에서, 상기 신호처리모듈을 통해 상기 각 채널별로 수신한 반사신호를 토대로 상기 오브젝트와의 거리정보를 산출하는 단계;를 포함하며,
    상기 송신 광학부는, 상기 각 채널별로 독립적으로 구성되어, 상기 적어도 하나 이상의 오브젝트 각각으로 레이저를 발광하며,
    상기 수신 광학부는, 하나로 구성되어, 상기 적어도 하나 이상의 오브젝트에 의해 반사되는 각 채널별 반사신호를 동시에 수신하여 상기 신호 전달부를 통해 상기 신호처리모듈로 출력함으로써, 각 채널별로 독립적으로 구성할 필요가 없어 공정상 배치를 단순화할 수 있도록 하며,
    상기 수신 광학부는, 서로 다른 형상과 크기를 가진 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함하되, 상기 반사신호가 입력되는 가장 외측에 큰 렌즈를 배치하고 그 후단에 반사신호의 집광 및 평행화를 위한 렌즈를 배치하여, 상하 수직 방향의 측정 시야를 개선하도록 하거나, 상기 반사신호가 입력되는 가장 외측에 집광 및 평행화를 위한 렌즈를 배치하여, 좌우 수평 방향의 측정 시야의 개선하도록 함으로써, 상기 반사신호의 수신율을 높이고 수신에러를 줄이는 것을 특징으로 하는 다채널용 일체형 수신 광학계를 구비한 FMCW 라이다 시스템 운용 방법.
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KR20190066220A (ko) * 2017-12-05 2019-06-13 광주과학기술원 3차원 라이다 장치 및 거리측정 방법
KR20210112596A (ko) * 2020-03-05 2021-09-15 현대자동차주식회사 라이다용 레이저 송수신 모듈

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