KR102664396B1 - 라이다 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
일부 실시예에 따르면, 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 대상체를 향해 조사하는 광 송신부, 대상체로부터 반사된 레이저 펄스를 수신하고, 수신된 레이저 펄스로부터 측정 신호를 획득하는 광 수신부 및 측정 신호와 기준 신호 각각을 단극 신호로 변환하고, 변환된 측정 신호와 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는, 라이다 장치가 개시된다.
Description
본 개시는 라이다 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
라이다(Light Detection And Ranging: LiDAR) 장치는 다양한 분야, 예를 들어, 우주항공, 지질학, 3차원 지도, 자동차, 로봇, 드론 등에 응용되고 있다. 라이다 장치는 빛의 왕복 비행시간 측정법(Time of Flight, 이하 ToF라 한다)을 기본 동작 원리로 이용한다. 예를 들어, 라이다 장치는 대상체를 향해 빛을 송신하고 센서를 통해 이를 다시 수신하며, 고속 전기회로를 이용하여 비행시간을 계측할 수 있다. 또한, 라이다 장치는 비행시간으로부터 대상체까지의 거리를 연산하고, 대상체의 각 위치 별로 연산된 거리를 이용하여 대상체에 대한 깊이 영상을 생성할 수 있다.
한편, 노이즈가 존재하는 환경 또는 측정 신호가 소신호(small signal)인 환경에서도 라이다 장치가 깊이 영상을 정확하게 처리하기 위해서는 빛의 비행시간을 정확하게 계측하는 기술이 요구될 수 있다.
다양한 실시예들은 라이다 장치 및 그 동작 방법을 제공하는데 있다. 본 개시가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 일 측면에 따른 라이다(Light Detection And Ranging: LiDAR) 장치는, 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 대상체를 향해 조사하는 광 송신부; 상기 대상체로부터 반사된 레이저 펄스를 수신하고, 상기 수신된 레이저 펄스로부터 측정 신호를 획득하는 광 수신부; 및 상기 측정 신호 및 상기 기준 신호 각각을 단극(unipolar) 신호로 변환하고, 상기 변환된 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계(correlation)를 이용하여 상기 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
상기 라이다 장치는 상기 측정 신호로부터 오프셋을 제거하는 고역 필터(high-pass filter); 및 상기 오프셋이 제거된 측정 신호를 양자화하는 아날로그디지털 컨버터(Analog-digital converter: ADC)를 더 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 양자화된 측정 신호를 나타내는 신호 값들의 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 상기 측정 신호를 단극 신호로 변환할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 기준 신호를 나타내는 신호 값들의 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 상기 기준 신호를 단극 신호로 변환할 수 있다.
상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 변환된 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수를 계산하고, 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점을 결정하며, 상기 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 상기 대상체를 향해 조사한 시점부터 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점까지의 시간을 상기 비행 시간으로 결정할 수 있다.
상기 변환된 측정 신호를 , 상기 변환된 기준 신호를 라고 할 때, 상기 변환된 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수는 다음과 같은 수학식 에 의해 계산될 수 있다.
한편, 일부 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 상기 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 상기 기준 신호의 세기(intensity)를 증가시킬 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 상기 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 상기 광 송신부가 상기 대상체를 향해 레이저 펄스를 복수 번 조사하도록 제어하고, 상기 대상체로부터 반사된 레이저 펄스들로부터 복수의 측정 신호들을 획득하며, 상기 획득된 복수의 측정 신호들을 이용하여 상기 레이저 펄스의 비행 시간을 검출할 수도 있다.
상기 광 수신부는 상기 수신된 레이저 펄스를 전기적인 신호로 변환함으로써 상기 측정 신호를 획득하는 광 검출기(photo detector)를 더 포함할 수 있고, 상기 광 검출기는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo-diode: APD) 및 싱글 포토 애벌런치 다이오드(SPAD) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 검출된 비행 시간 및 빛의 속도를 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 계산할 수 있다.
또한, 다른 측면에 따른 라이다 장치의 동작 방법은, 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 상기 대상체를 향해 조사하는 단계; 상기 대상체로부터 반사된 레이저 펄스를 수신하고, 상기 수신된 레이저 펄스로부터 측정 신호를 획득하는 단계; 상기 측정 신호 및 상기 기준 신호 각각을 단극 신호로 변환하는 단계; 및 상기 변환된 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 상기 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단극 신호로 변환하는 단계는, 상기 측정 신호를 고역 필터에 통과시킴으로써 상기 측정 신호로부터 오프셋을 제거하는 단계; ADC를 이용하여 상기 오프셋이 제거된 측정 신호를 양자화하는 단계; 및 상기 양자화된 측정 신호를 나타내는 신호 값들의 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 상기 측정 신호를 단극 신호로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 펄스의 비행 시간을 검출하는 단계는, 상기 변환된 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수를 계산하는 단계; 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점을 결정하는 단계; 및 상기 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 상기 대상체를 향해 조사한 시점부터 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점까지의 시간을 상기 비행 시간으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 상기 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 상기 기준 신호의 세기를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 상기 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 상기 대상체를 향해 레이저 펄스를 복수 번 조사하는 단계; 상기 대상체로부터 반사된 레이저 펄스들로부터 복수의 측정 신호들을 획득하는 단계; 및 상기 획득된 복수의 측정 신호들을 이용하여 상기 레이저 펄스의 비행 시간을 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 일부 실시예에 따른 라이다 장치의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 라이다 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 개요도이다.
도 3은 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환하지 않고, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 경우의 실험예를 나타내는 도면이다.
도 4는 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환한 후, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 경우의 실험예를 나타내는 도면이다.
도 5는 일부 실시예에 따른 라이다 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 일부 실시예에 따른 라이다 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 라이다 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 개요도이다.
도 3은 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환하지 않고, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 경우의 실험예를 나타내는 도면이다.
도 4는 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환한 후, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 경우의 실험예를 나타내는 도면이다.
도 5는 일부 실시예에 따른 라이다 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 일부 실시예에 따른 라이다 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 실시예들에서 사용되는 용어는 본 실시예들에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 임의로 선정된 용어도 있으며, 이 경우 해당 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 실시예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시예들의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
실시예들에 대한 설명들에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 실시예들에서 사용되는 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
하기 실시예들에 대한 설명은 권리범위를 제한하는 것으로 해석되지 말아야 하며, 해당 기술분야의 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 것은 실시예들의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 이하 첨부된 도면들을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일부 실시예에 따른 라이다 장치의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 라이다 장치(10)는 광 송신부(110), 광 수신부(120) 및 적어도 하나의 프로세서(130)를 포함할 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 라이다 장치(10)에는 본 실시예들와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 라이다 장치(10)에는 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 예를 들어, 라이다 장치(10)는 메모리를 더 포함할 수 있다.
메모리는 라이다 장치(10) 내에서 처리되는 각종 데이터들을 저장하는 하드웨어로서, 예를 들어, 메모리는 라이다 장치(10)에서 처리된 데이터들 및 처리될 데이터들을 저장할 수 있다. 또한, 메모리는 라이다 장치(10)에 의해 구동될 애플리케이션들, 드라이버들 등을 저장할 수 있다.
메모리는 DRAM(dynamic random access memory), SRAM(static random access memory) 등과 같은 RAM(random access memory), ROM(read-only memory), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), CD-ROM, 블루레이 또는 다른 광학 디스크 스토리지, HDD(hard disk drive), SSD(solid state drive), 또는 플래시 메모리를 포함하며, 나아가서, 라이다 장치(10)에 액세스될 수 있는 외부의 다른 스토리지 디바이스를 포함할 수 있다.
광 송신부(110)는 광을 조사하는 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원은 적외선 영역의 광을 조사하는 장치일 수 있다. 적외선 영역의 광을 이용할 경우 태양광을 포함하는 가시광선 영역의 자연광과 혼합되는 것이 방지될 수 있다. 다만, 이에 반드시 제한되는 것은 아니며, 광 송신부(110)는 다양한 파장 대역의 광을 조사하는 광원을 포함할 수 있고, 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 조사할 수도 있다. 또한, 광 송신부(110)는 펄스광 또는 연속광을 조사할 수 있다.
광 송신부(110)는 LD(laser diode), 측면 발광 레이저(Edge emitting laser), 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical-cavity surface emitting laser;VCSEL) 분포궤환형 레이저(Distributed feedback laser), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 예에서, 광 송신부(110)는 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 대상체를 향해 조사할 수 있다. 기준 신호는 대상체를 향해 조사되는 레이저 펄스의 특성을 결정할 수 있다. 예를 들어, 레이저 펄스는 기준 신호의 세기(intensity) 또는 주파수에 대응되는 세기 또는 주파수를 가질 수 있다. 라이다 장치(10)는 기준 신호의 특성을 조정함으로써, 광 송신부(110)가 조사하는 레이저 펄스의 특성을 변경시킬 수 있다. 광 송신부(110)로부터 조사된 레이저 펄스는 대상체에 부딪힌 후 반사될 수 있다.
광 수신부(120)는 대상체로부터 반사된 레이저 펄스를 수신하는 수신장치일 수 있다. 광 수신부(120)는 광을 센싱할 수 있는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 광 수신부(120)는 수신된 레이저 펄스로부터 측정 신호를 획득할 수 있다. 예를 들어, 광 수신부(120)는 수신된 레이저 펄스를 전기적인 신호로 변환하는 광 검출기(photo detector)를 더 포함할 수 있고, 광 검출기에 의해 출력되는 전기적인 신호는 측정 신호에 대응될 수 있다. 일 예에서, 광 검출기는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo-diode: APD) 및 싱글 포토 애벌런치 다이오드(SPAD) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
적어도 하나의 프로세서(130)는 라이다 장치(10)를 제어하기 위한 전반적인 기능을 수행하는 역할을 한다. 적어도 하나의 프로세서(130)는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수 있고, 범용적인 마이크로 프로세서와 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 메모리의 조합으로 구현될 수도 있다. 또한, 적어도 하나의 프로세서(130)는 광학 신호 또는 전기적인 신호를 처리하는 신호 처리기(signal processor) 및 신호들이 나타내는 신호 값들에 대한 연산을 수행하는 연산기(computing unit)를 모두 포괄할 수 있다.
적어도 하나의 프로세서(130)는 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계(correlation)를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출할 수 있다. 측정 신호는 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스가 대상체로부터 반사됨에 따라 광 수신부(120)에 의해 획득되는 신호이므로, 기준 신호의 특성과 동일 또는 유사한 특성을 갖는다. 따라서, 측정 신호 및 기준 신호 간에 상관관계가 높아지는 시점을 검출하면, 광 송신부(110)로부터 조사된 레이저 펄스가 다시 광 수신부(120)에 의해 수신되는 시점이 검출될 수 있고, 레이저 펄스의 비행시간이 검출될 수 있다.
예를 들어, 적어도 하나의 프로세서(130)는 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수를 계산할 수 있다. 상호 상관함수는 두 함수들 간의 상관 정도를 나타내는 함수이므로, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수는 두 신호 간의 상관관계에 비례하는 값을 출력할 수 있다. 예를 들어, 측정 신호를 , 기준 신호를 라고 할 때, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수는 다음과 같은 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
적어도 하나의 프로세서(130)는 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점을 결정할 수 있다. 기 설정된 임계값은 적어도 하나의 프로세서(130)에 의해 결정될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기 설정된 임계값은 외부로부터의 입력에 의해 결정될 수도 있다. 적어도 하나의 프로세서(130)는 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 대상체를 향해 조사한 시점부터 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점까지의 시간을 비행시간으로 결정할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 프로세서(130)는 레이저 펄스의 비행시간 및 빛의 속도를 이용하여 대상체까지의 거리를 계산할 수 있다. 레이저 펄스의 비행시간 및 빛의 속도를 이용하여 대상체까지의 거리를 계산하는 방식(예를 들어, ToF 방식)은 통상의 기술자에게 자명하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 상호 상관함수를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 방식은 측정 신호 및 기준 신호의 상관관계를 통한 증폭 효과를 이용하므로, 측정 신호 또는 기준 신호가 소신호(small-signal)인 경우에도 높은 측정 정확도를 갖는다.
다만, 노이즈 또는 오실레이션 등에 의해 측정 신호 또는 기준 신호를 나타내는 신호 값들에 음의 값들이 포함되는 경우 상호 상관함수 계산에 의한 증폭 효과가 감소될 수 있다. 적어도 하나의 프로세서(130)는 노이즈 또는 오실레이션 등에 의해 상호 상관함수 계산에 의한 증폭 효과가 감소되는 것을 방지하기 위해 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출하기 이전에, 측정 신호 및 기준 신호 각각을 단극(unipolar) 신호로 변환할 수 있다. 단극 신호는 양극(bipolar) 신호의 반대 개념으로서, 음 또는 양 중 어느 하나의 극성의 신호 값들만을 갖는 신호를 의미할 수 있다. 이하 도 2를 참조하여 본 개시에 따른 라이다 장치(10)의 동작 방법을 보다 상세히 설명한다.
도 2는 일부 실시예에 따른 라이다 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 개요도이다.
도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 라이다 장치(10)는 광 송신부(110), 광 수신부(120) 및 적어도 하나의 프로세서(130)를 포함할 수 있다. 또한, 광 송신부(110)는 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스(Laser Beam(Output))를 대상체(20)를 향해 조사하고, 광 수신부(120)는 대상체(20)로부터 반사된 레이저 펄스(Laser Beam(Input))를 수신하고, 수신된 레이저 펄스(Laser Beam(Input))로부터 측정 신호를 획득할 수 있다.
라이다 장치(10)는 측정 신호로부터 오프셋을 제거하는 고역 필터(high-pass filter) 및 오프셋이 제거된 측정 신호를 양자화하는 아날로그디지털 컨버터(Analog-digital converter: ADC)를 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 프로세서(130)는 양자화된 측정 신호를 나타내는 신호 값들의 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 측정 신호를 단극 신호로 변환할 수 있다. 고역 필터에 의해 측정 신호의 오프셋이 제거됨에 따라 측정 신호가 단극 신호로 변환되는 과정에서 측정 신호의 특성이 변경되지 않을 수 있고, 이에 따라 기준 신호와의 상관관계가 정확히 계산될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 프로세서(130)는 기준 신호를 나타내는 신호 값들의 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 기준 신호를 단극 신호로 변환할 수 있다.
다만, 이에 반드시 제한되는 것은 아니며, 적어도 하나의 프로세서(130)는 절대값을 취하는 방식 외의 다른 방식을 이용하여 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환할 수도 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 프로세서(130)는 측정 신호 또는 기준 신호를 나타내는 신호 값들 중 특정한 값(0 이상의 값)보다 작은 값을 갖는 신호 값들을 모두 특정한 값으로 대체하는 방식을 이용하여 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환할 수 있으며, 측정 신호 또는 기준 신호를 나타내는 신호값들에 제곱을 취하는 방식을 이용하여 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환할 수도 있다.
적어도 하나의 프로세서(130)는 단극 신호로 변환된 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수를 계산하고, 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점을 결정하며, 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 대상체(20)를 향해 조사한 시점부터 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점까지의 시간을 비행시간으로 결정할 수 있다. 이 때, 변환된 측정 신호를 , 변환된 기준 신호를 라고 할 때, 변환된 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수는 다음과 같은 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
이와 같이, 적어도 하나의 프로세서(130)는 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환한 후 변환된 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수를 계산하므로, 노이즈 또는 오실레이션 등에 의해 측정 신호 또는 기준 신호를 나타내는 신호 값들에 음의 값들이 포함되는 경우라도 상호 상관함수 계산에 의한 증폭 효과가 감소되지 않을 수 있다. 이하 도 3 및 도 4를 참조하여 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환함에 따라 발생될 수 있는 효과를 보다 상세히 설명한다.
도 3은 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환하지 않고, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 경우의 실험예를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 시간에 따른 기준 신호의 진폭을 나타내는 그래프(310), 시간에 따른 측정 신호의 진폭을 나타내는 그래프(320) 및 시간에 따른 측정 신호 및 기준 신호의 정합 필터 출력(matched filter out)을 나타내는 그래프(330)의 예시가 도시되어 있다. 측정 신호 및 기준 신호의 정합 필터 출력은 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수의 값에 대응될 수 있다.
광 송신부(110)로부터 대상체를 향해 조사되는 레이저 펄스는 기준 신호에 기초하여 생성되므로, 그래프(310)를 참조하면, t=0ns일 때 광 송신부(110)로부터 레이저 펄스가 조사되었음을 알 수 있다. 한편, 그래프(320)에서 위치(325)는 기준 신호에 의해 생성된 레이저 펄스에 대응되는 신호가 수신된 지점으로서, 광 수신부(120)에 의해 반사된 레이저 펄스가 수신된 시구간을 나타낸다. 다만, 그래프(320)를 참조하면, 측정 신호는 위치(325)에 대응되는 구간 외에도 노이즈 또는 오실레이션 등에 의해 진동하는 신호 값들을 가짐을 알 수 있다.
이에 따라, 그래프(330)에 도시된 바와 같이, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 위치(335)뿐만 아니라 위치(340)에서도 존재하게 된다. 위치(335)는 광 수신부(120)에 의해 반사된 레이저 펄스가 수신된 시구간에 대응되나, 위치(340)는 광 수신부(120)에 의해 반사된 레이저 펄스가 수신된 시구간에 대응되지 않는다. 이와 같이, 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환하지 않고, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 경우 광 수신부(120)에 의해 반사된 레이저 펄스가 수신된 시구간의 측정 정확도가 감소될 수 있다.
이와 달리, 도 4는 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환한 후, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 경우의 실험예를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 시간에 따른 단극 신호로 변환된 기준 신호의 진폭을 나타내는 그래프(410), 시간에 따른 단극 신호로 변환된 측정 신호의 진폭을 나타내는 그래프(420) 및 시간에 따른 변환된 측정 신호 및 기준 신호의 정합 필터 출력을 나타내는 그래프(430)의 예시가 도시되어 있다. 변환된 측정 신호 및 기준 신호의 정합 필터 출력은 변환된 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수의 값에 대응될 수 있다.
그래프(410) 및 그래프(420) 각각은 기준 신호 및 측정 신호 각각이 단극 신호로 변환된 경우를 나타내는바, 도 3의 그래프(310) 및 그래프(320)의 신호 값들에 절대값을 취한 경우에 대응될 수 있다. 그래프(420)를 참조하면, 위치(425)는 기준 신호에 의해 생성된 레이저 펄스에 대응되는 신호가 수신된 지점으로서, 광 수신부(120)에 의해 반사된 레이저 펄스가 수신된 시구간을 나타낸다.
한편, 그래프(430)를 참조하면, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 위치(435)에만 존재함을 알 수 있다. 이와 같이, 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환한 후, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출하면, 측정 신호가 노이즈 또는 오실레이션 등에 의해 진동하는 신호 값들을 갖더라도 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수 계산에 의한 증폭 효과가 감소되지 않을 수 있고, 반사된 레이저 펄스가 광 수신부(120)에 의해 수신되는 시점이 정확하게 측정됨을 알 수 있다.
다시 도 2로 돌아와서, 일부 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서(130)는 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 기준 신호의 세기(intensity)를 증가시킬 수 있다. 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않다는 것은 광 송신부(110)가 레이저 펄스를 조사하였음에도 광 수신부(120)에서 레이저 펄스를 수신한 시점이 검출되지 않는 것을 의미할 수 있고, 이는 주변 환경에 의한 노이즈의 크기가 측정 신호의 크기보다 크다는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 프로세서(130)는 기준 신호의 세기를 증가시켜 기준 신호에 기초하여 생성되는 레이저 펄스의 세기를 증가시킴으로써 노이즈가 많은 환경에서도 반사된 레이저 펄스의 수신 시점을 정확하게 검출할 확률을 증가시킬 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서(130)는 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 광 송신부(110)가 대상체(20)를 향해 레이저 펄스를 복수 번 조사하도록 제어하고, 대상체(20)로부터 반사된 레이저 펄스들로부터 복수의 측정 신호들을 획득하며, 획득된 복수의 측정 신호들을 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출할 수도 있다. 적어도 하나의 프로세서(130)는 복수 번의 측정을 통해 측정 신호들을 포함하는 모집단의 수를 증가시킬 수 있고, 에버리징(averaging) 등의 기법을 이용함으로써 노이즈 제거(noise cancellation)를 수행할 수 있다. 이에 따라, 노이즈가 많은 환경에서도 반사된 레이저 펄스의 수신 시점이 정확하게 검출될 수 있다.
도 5는 일부 실시예에 따른 라이다 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
일 예에서, 라이다 장치(50)는 자율 주행 자동차 또는 ADAS(Advanced Driver Assistance Systems)를 채용하는 자동차에 배치되는 라이다 시스템일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 라이다 장치(50)는 우주항공, 지질학, 3차원 지도, 로봇, 드론 등과 같은 다양한 분야에 응용될 수 있음을 해당 기술분야의 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 것이다. 라이다 장치(50)는 레이저 빔을 이용하여 노출된 주변의 장면 또는 풍경에 대한 정보를 획득하고, 획득된 정보에 기초하여 노출된 주변의 장면 또는 풍경에 대한 3차원 포인트 클라우드(point cloud)를 구성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 라이다 장치(50)는 광원부(510), 광 스캐너(light scanner) 또는 광 디퓨저(light diffuser)(520), 제1 광학 렌즈(530), 제2 광학 렌즈(540), 광 검출기(550), 신호 처리기(560) 및 연산기(570)를 포함할 수 있다. 도 5의 광원부(510), 광 스캐너 또는 광 디퓨저(520) 및 제1 광학 렌즈(530)는 도 1 및 도 2의 광 송신부(110)에 대응되고, 도 5의 제2 광학 렌즈(540) 및 광 검출기(550)는 도 1 및 도 2의 광 수신부(120)에 대응되며, 도 5의 신호 처리기(560) 및 연산기(570)는 도 1 및 도 2의 적어도 하나의 프로세서(130)에 대응될 수 있는바, 중복적인 설명은 생략한다.
광원부(510)는 복수의 광원들로 구성될 수 있으며, 대상체의 위치 또는 형상의 분석에 사용할 광을 조사할 수 있다. 광원부(510)는 소장 파장의 광을 생성, 조사하며, 예를 들어, 대상체의 위치 또는 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광을 방출할 수 있다. 광원부(510)는 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 또한, 광원부(510)는 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
광원부(510)는 프로세서의 제어하에, 대상체를 향해 광을 조사할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 각 광원에서의 광의 조사 방향 또는 조사 각도를 설정할 수 있고, 복수의 광원들이 각 설정된 조사 각도 또는 방향에 따라 광을 조사하도록 광원부(510)를 제어할 수 있다. 프로세서는 라이다 장치(50)의 전반적인 동작을 제어하는 구성으로서, 도 1 및 도 2의 적어도 하나의 프로세서(130)에 대응될 수 있다.
광 스캐너 또는 광 디퓨저(520)는 광원부(510)로부터의 광을 대상체를 향해 조준하며 조준방향을 시순차적으로 조절함으로써 광원부(510)에서 나오는 점광(point light)이 대상체 전체를 스캔하도록 한다. 광 스캐너 또는 광 디퓨저(520)로는 스캐닝 미러 또는 광학 위상 어레이(optical phased array)가 사용될 수 있다. 광 스캐너 또는 광 디퓨저(520)로부터 조준된 광은 제1 광학 렌즈(530)를 통해 대상체로 조사될 수 있다. 한편, 대상체로부터 반사된 반사광은 제2 광학 렌즈(540)를 통해 광 검출기(550)에 수신될 수 있다.
광 검출기(550)는 대상체로부터의 반사광을 위치에 따라 구분하여 검출할 수 있는 픽셀화된 복수의 영역들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 검출기(550)는 복수의 픽셀들로 구획된 디텍터 어레이를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들 각각에는 광 검출요소가 배치될 수 있다. 광 검출요소는 광을 센싱할 수 있는 센서로서, 예를 들어, 광 에너지에 의해 전기 신호를 발생시키는 수광 소자일 수 있다. 광 검출요소들은 디텍터 어레이 내에서의 위치에 따라 구분되는 픽셀들을 이루며, 각 픽셀들은 대상체로부터의 반사광을 광원부(510)에서 조사되는 광의 조사 각도에 따라 구분하여 검출할 수 있다.
신호 처리기(560) 및 연산기(570)는 광 검출기(550)로부터 검출된 반사광으로부터 광의 비행시간을 계산할 수 있다. 신호 처리기(560) 및 연산기(570)가 광의 비행시간을 계산하는 구체적인 방법은 도 1 및 도 2를 참조하여 전술하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다. 신호 처리기(560) 및 연산기(570)는 비행시간으로부터 대상체까지의 거리를 연산하고, 대상체의 각 위치 별로 연산된 거리를 이용하여 대상체에 대한 깊이 영상 또는 3차원 포인트 클라우드를 생성할 수 있다.
도 6은 일부 실시예에 따른 라이다 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 라이다 장치의 동작 방법은 도 1 및 도 5에 도시된 라이다 장치(10 및 50)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라고 하더라도 도 1 내지 도 5 에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 6의 라이다 장치의 동작 방법에도 적용됨을 알 수 있다.
단계 610에서, 라이다 장치는 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 대상체를 향해 조사할 수 있다. 기준 신호는 대상체를 향해 조사되는 레이저 펄스의 특성을 결정할 수 있다. 예를 들어, 조사되는 레이저 펄스는 기준 신호의 세기 또는 주파수에 대응되는 세기 또는 주파수를 가질 수 있다. 라이다 장치는 기준 신호의 특성을 조정함으로써, 조사되는 레이저 펄스의 특성을 변경시킬 수 있다.
단계 620에서, 라이다 장치는 대상체로부터 반사된 레이저 펄스를 수신하고, 수신된 레이저 펄스로부터 측정 신호를 획득할 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치는 수신된 레이저 펄스를 전기적인 신호로 변환하는 광 검출기를 이용하여 측정 신호를 획득할 수 있다. 광 검출기에 의해 출력되는 전기적인 신호는 측정 신호에 대응될 수 있다.
단계 630에서, 라이다 장치는 측정 신호 및 기준 신호 각각을 단극 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치는 측정 신호를 고역 필터에 통과시킴으로써 측정 신호로부터 오프셋을 제거하고, ADC를 이용하여 오프셋이 제거된 측정 신호를 양자화하며, 양자화된 측정 신호를 나타내는 신호 값들의 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 측정 신호를 단극 신호로 변환할 수 있다. 고역 필터에 의해 측정 신호의 오프셋이 제거됨에 따라 측정 신호가 단극 신호로 변환되는 과정에서 측정 신호의 특성이 변경되지 않을 수 있고, 이에 따라 기준 신호와의 상관관계가 정확히 계산될 수 있다. 또한, 라이다 장치는 기준 신호를 나타내는 신호 값들의 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 기준 신호를 단극 신호로 변환할 수 있다.
단계 640에서, 라이다 장치는 변환된 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출할 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치는 변환된 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수를 계산하고, 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점을 결정할 수 있다. 라이다 장치는 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 대상체를 향해 조사한 시점부터 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점까지의 시간을 비행시간으로 결정할 수 있다.
이와 같이, 측정 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환한 후, 측정 신호 및 기준 신호 간의 상관관계를 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출하면, 측정 신호가 노이즈 또는 오실레이션 등에 의해 진동하는 신호 값들을 갖더라도 측정 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수 계산에 의한 증폭 효과가 감소되지 않을 수 있고, 반사된 레이저 펄스가 라이다 장치에 의해 수신되는 시점이 정확하게 측정될 수 있다.
한편, 일부 실시예에 따르면, 라이다 장치는 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 기준 신호의 세기를 증가시킬 수 있다. 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않다는 것은 주변 환경에 의한 노이즈의 크기가 측정 신호의 크기보다 크다는 것을 의미할 수 있다. 라이다 장치는 기준 신호의 세기를 증가시켜 기준 신호에 기초하여 생성되는 레이저 펄스의 세기를 증가시킴으로써 노이즈가 많은 환경에서도 반사된 레이저 펄스의 수신 시점을 정확하게 검출할 확률을 증가시킬 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 라이다 장치는 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 대상체를 향해 레이저 펄스를 복수 번 조사하고, 대상체로부터 반사된 레이저 펄스들로부터 복수의 측정 신호들을 획득하며, 획득된 복수의 측정 신호들을 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출할 수 있다. 라이다 장치는 복수 번의 측정을 통해 측정 신호들을 포함하는 모집단의 수를 증가시킬 수 있고, 에버리징 등의 기법을 이용함으로써 노이즈 제거를 수행할 수 있다. 이에 따라, 노이즈가 많은 환경에서도 반사된 레이저 펄스의 수신 시점이 정확하게 검출될 수 있다.
한편, 전술한 라이다 장치의 동작 방법은 그 방법을 실행하는 명령어들을 포함하는 하나 이상의 프로그램이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
Claims (15)
- 라이다(Light Detection And Ranging: LiDAR) 장치에 있어서,
기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 대상체를 향해 조사하는 광 송신부;
상기 대상체로부터 반사된 레이저 펄스를 수신하고, 상기 수신된 레이저 펄스로부터 측정 신호를 획득하는 광 수신부; 및
상기 측정 신호를 제1 단극(unipolar) 신호로 변환하고, 상기 기준 신호를 제2 단극 신호로 변환하며, 상기 제1 단극 신호 및 상기 제2 단극 신호 간의 상관관계(correlation)를 이용하여 상기 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
상기 적어도 하나의 프로세서는,
상기 제1 단극 신호 및 상기 제2 단극 신호 간의 상호 상관함수를 계산하고, 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점을 결정하며, 상기 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 상기 대상체를 향해 조사한 시점부터 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점까지의 시간을 상기 비행시간으로 결정하는, 라이다 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 라이다 장치는,
상기 측정 신호로부터 오프셋을 제거하는 고역 필터(high-pass filter); 및
상기 오프셋이 제거된 측정 신호를 양자화하는 아날로그디지털 컨버터(Analog-digital converter: ADC)를 더 포함하고,
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 양자화된 측정 신호를 나타내는 신호 값들의 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 상기 측정 신호를 상기 제1 단극 신호로 변환하는, 라이다 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 기준 신호를 나타내는 신호 값들의 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 상기 기준 신호를 상기 제2 단극 신호로 변환하는, 라이다 장치. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 제1 단극 신호를 , 상기 제2 단극 신호를 라고 할 때, 상기 제1 단극 신호 및 상기 제2 단극 신호 간의 상호 상관함수는 다음과 같은 수학식 에 의해 계산되는, 라이다 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 상기 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 상기 기준 신호의 세기(intensity)를 증가시키는, 라이다 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 상기 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 상기 광 송신부가 상기 대상체를 향해 레이저 펄스를 복수 번 조사하도록 제어하고, 상기 대상체로부터 반사된 레이저 펄스들로부터 복수의 측정 신호들을 획득하며, 상기 획득된 복수의 측정 신호들을 이용하여 상기 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는, 라이다 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 광 수신부는 상기 수신된 레이저 펄스를 전기적인 신호로 변환함으로써 상기 측정 신호를 획득하는 광 검출기(photo detector)를 더 포함하는, 라이다 장치. - 제 8항에 있어서,
상기 광 검출기는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo-diode: APD) 및 싱글 포토 애벌런치 다이오드(SPAD) 중 적어도 하나를 포함하는, 라이다 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 검출된 비행시간 및 빛의 속도를 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 계산하는, 라이다 장치. - 라이다 장치의 동작 방법에 있어서,
기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 대상체를 향해 조사하는 단계;
상기 대상체로부터 반사된 레이저 펄스를 수신하고, 상기 수신된 레이저 펄스로부터 측정 신호를 획득하는 단계;
상기 측정 신호를 제1 단극 신호로 변환하고, 상기 기준 신호를 제2 단극 신호로 변환하는 단계; 및
상기 제1 단극 신호 및 상기 제2 단극 신호 간의 상관관계를 이용하여 상기 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 단계를 포함하고,
상기 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 단계는,
상기 제1 단극 신호 및 상기 제2 단극 신호 간의 상호 상관함수를 계산하는 단계;
상기 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점을 결정하는 단계; 및
상기 기준 신호에 기초하여 생성된 레이저 펄스를 상기 대상체를 향해 조사한 시점부터 상기 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점까지의 시간을 상기 비행시간으로 결정하는 단계를 포함하는, 라이다 장치의 동작 방법. - 제 11항에 있어서,
상기 변환하는 단계는,
상기 측정 신호를 고역 필터에 통과시킴으로써 상기 측정 신호로부터 오프셋을 제거하는 단계;
ADC를 이용하여 상기 오프셋이 제거된 측정 신호를 양자화하는 단계; 및
상기 양자화된 측정 신호를 나타내는 신호 값들의 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 상기 측정 신호를 상기 제1 단극 신호로 변환하는 단계를 포함하는, 라이다 장치의 동작 방법. - 삭제
- 제 11항에 있어서,
상기 방법은,
상기 계산된 상호 상관함수의 값이 상기 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 상기 기준 신호의 세기를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 라이다 장치의 동작 방법. - 제 11항에 있어서,
상기 방법은,
상기 계산된 상호 상관함수의 값이 상기 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 상기 대상체를 향해 레이저 펄스를 복수 번 조사하는 단계;
상기 대상체로부터 반사된 레이저 펄스들로부터 복수의 측정 신호들을 획득하는 단계; 및
상기 획득된 복수의 측정 신호들을 이용하여 상기 레이저 펄스의 비행시간을 검출하는 단계를 더 포함하는, 라이다 장치의 동작 방법.
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