KR19990069210A - 레이저 거리 측정 능력을 증가시키는 방법 - Google Patents

Abstract

레이저 거리 측정 능력을 증가시키기 위한 방법을 개시한다. 본 방법은 레이저 거리 측정에 대한 시간차를 정전류를 갖는 선형 충전 회로에 의해 전압 신호로 전환시키는 공정과, A/D 변환기에 의해 전압 신호를 디지털 데이터로 변형시키고, 거리 데이터를 계산하여 중앙 처리 장치를 통해 상기 데이터를 디스플레이 장치상에 나타내는 공정과, 정전류를 갖는 선형 충전 회로를 위해 교정 회로를 이용하여 두 개의 해당 데이터로 변환되는 두 개의 표적 거리 신호를 시뮬레이트하는 공정과, 그리고 계속해서, 중앙 처리 장치에 의해 평균 값을 계산하여 보정 레벨과 보정 이익을 얻음으로써 중앙 처리 장치가 즉시 데이터를 보정하여 측정에 대한 소정의 정확성과 열적 보상 효과를 유지하도록 하는 공정을 포함한다. 따라서, 레이저 사거리측정기를 위한 레이저 거리 측정의 능력은 60 %정도 증가될 수 있고 또한 정확성도 개선된다.

Description

레이저 거리 측정 능력을 증가시키는 방법

본 발명은 레이저 거리 측정 능력을 증가시키기 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 레이저 송신 전력을 사용하지 않고도 자기 교정 기능으로 레이저 사거리측정기(射距離測定器)(laser range finder)의 거리 측정을 안정화하여 열적 효과를 감소시키고 더 나아가 측정의 정확성을 증가시기 위한 방법에 관한 것이다.

레이저 기술에 바탕을 둔 사거리측정기는 레이저 테크사(Laser Tech Co.)에 의해 출원된 미합중국 특허 제 5,359,404호, 제 5,612,779호 그리고 제 5,574,552호에 개시된 바와 같이 성공적으로 개발되었으며, 이 측정기는 1 Km를 1 m이내의 높은 정밀도로 측정할 수 있고, 레이저 다이오드를 광원으로 사용한다. 종래 기술에서는 세 가지 주요 기술이 사용된다. 첫 번째로, 수신 시간을 확대시키는 기능을 달성하기 위해 고속 충전하고 저속 방전하는 방법이 사용된다. 따라서, 레이저 다이오드가 광을 전송한 후에 수신 회로가 해당 반향광을 수신할 때까지의 시간 간격은 확대되고 저속 시간(클록)으로 샘플을 카운트하여 거리로 변환시킨다. 사거리측정장치의 상기 소요 회로는 고속 충전, 저속 방전의 필요성 때문에 가격이 비싸다. 두 번째로, 수신 회로의 감도를 최적화하기 위해서 자동 임계값 조정법(automatical threshold adjustment)이 사용된다. 하지만, 궤환 감도는 너무 높아서 조절할 수 없다. 세 번째로, 종래 레이저 광에 대해 환경 조건이 고려되지 않아서 열적 효과로 인한 이동 현상이 정확성과 안정성에 영향을 줄 수도 있었다.

본 발명의 목적은 레이저 사거리측정기의 감도를 최적화하기 위한 방법을 제공하여, 고도의 정확도를 측정기 내 수신회로의 임계 전압을 단지 약간만 조정하여도 달성되도록 하는 것이다. 본 발명에 있어서, 정확성은 1 m이내이다. 본 발명에서 강조하고 있는 것은 자기 교정과 열적 보상 기능이다.

본 발명에 따라, 해당 제품은 성공적으로 개발되었으며 다음과 같은 특징을 갖는다:

1. 레이저를 송신하고 수신하는 시간 간격을 전압으로 변환하고 그 전압을 해당 거리로 변형하는 작동 사이클을 만번 이상 반복하는 데 전원으로써 단지 9 V 전지가 필요하기 때문에, 본 발명은 전력 소비가 낮다는 이점이 있다.

2. 측정 정확성이 0.5 m 이내일 수 있다.

3. 본 발명에서 사용된 반도체 레이저의 출력은 24 W 내지 38 W이고 펄스 폭은 20 ns에서 50 ns로 1 Km 떨어진 콘크리트 건물 표적을 측정하도록 되어있다.

본 발명의 해당 제품은 골프 공을 측정할 정도로 정밀하다. 정확도를 더욱 증가시키기 위해, 수신기가 최적 상태로 작동할 때, 사용자는 상이한 목표에 대해 송신 번호를 정하여 각각의 송신에 대해 3 m이내의 정확도를 가지는 적어도 두 개의 거리 데이터를 얻은 다음 모든 데이터를 평균 내어 더욱 정확한 거리 데이터를 얻을 수 있다. 자기 교정 및 열적 보상에 대한 회로 및 방법을 다음에서 더 상세히 설명한다.

상기 설명에 따르면, 본 발명의 거리 측정 능력을 증가시키기 위해 사용된 자기 교정 및 열적 보상 회로 기술은 다음의 세 가지 주요 장치를 포함한다:

1. 일정 전류의 선형 충전 회로, 이것은 레이저 측정에서의 시간차를 전압 신호로 변형시킨다. 디지털 데이터를 위의 전압 신호로부터 A/D 변환기를 사용해서 얻고, 중앙 처리 장치(CPU)로 해당 거리 데이터를 계산하여 디스플레이 장치에 표시한다.

2. 교정 회로, 이것은 일정 전류의 선형 충전 회로용의 두 표적 거리 신호를 시뮬레이트하여 두 개의 해당 데이터로 변형시키고, 중앙 처리 장치에 의해 평균값을 계산하고, 보정 레벨 및 보정 이득을 얻어 중앙 처리 장치에 제공하여 즉시 데이터를 수정하고 측정에 대하여 소정의 정확성 및 열적 보상 효과를 유지하도록 한다.

3. 레이저 송신 및 수신에 사용된 세가지 기술(또 다른 출원에서), 이것은 잡음을 줄여서 신호 대 잡음비(S/N)와 감도를 최적화할 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점은 첨부 도면과 관련한 하기 설명으로 더 명확해 질 것이다.

도 1은 본 발명의 레이저 사거리측정기에 대한 기능 블록도.

도 2는 본 발명 측정기의 송신부에 대한 개략적인 회로도.

도 3은 본 발명 측정기의 수신부에 대한 개략적인 회로도.

도 4는 본 발명의 정밀 충전부 및 자기 교정부에 대한 개략도.

도 5는 정밀 충전부의 타이밍 선도.

도 6 A, B, C는 자기 교정부의 타이밍 선도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 레이저 송신부 20 레이저 수신부

21 로그 증폭기 30 HV 전원

40 정밀 충전부 50 자기 교정부

60 CPU 70 A/D 변환기

LD 레이저 다이오드 APD 검출기

R 저항기 C 커패시터

Q 트랜지스터

도 1에 관해 살펴보면, 본 발명의 레이저 사거리측정기는 레이저 송신부(10), 레이저 수신부(20), 고전압(HV) 전원(30), 정밀 충전부(40), 자기 교정부(50), CPU(60) 및 A/D 변환기(an analog to digital converter)(70)를 포함한다.

레이저 송신부(10)는 HV 전원(30)에 의해 제공된 소정의 고전압과 CPU(60)로부터 트리거 신호를 받아 레이저 다이오드(LD)가 적절한 때에 레이저 광을 송신하도록 한다.

레이저 수신부(20)은 소정의 검출기 바이어스 전압을 받아 표적에 의해 반사된 반향 레이저를 수신 및 증폭시키고, 최고 작동 감도를 조정한다.

정밀 충전부(40)는 내부 R/S 플립 플롭(도 4에 도시된 바와 같은)에 의해 송신 펄스와 수신 펄스간의 시간차를 해당 펄스폭으로 변형시키고 선형 커패시터를 가진 충전 회로를 통해 펄스폭을 해당 전압비로 전환시킨다.

자기 교정부(50)는 두-점 자기 교정 회로(a two-point self-calibration circuit)이고, 이것은 두 점으로 한 선을 이루어 이 것을 이용하여 열적 효과로 인한 전류 원과 커패시턴스의 변동을 보정하고 보상하는 원리를 이용한다.

CPU(60)는 위의 장치에 소정의 타이밍 신호를 제공한다.

A/D 변환기(70)(본 발명에서는 10 비트 A/D 변환기가 사용된다)는 정밀 충전부(40)에서 나온 전압 신호를 디지털 신호로 전환해서 CPU(60)로 보내어서 더 처리하도록 한다.

본 발명의 정신은 레이저 거리 측정 능력을 증가시키기 위한 방법을 제공하는 것으로, 다음 설명에서는 단지 레이저 송신부(10), 레이저 수신부(20), 정밀 충전부(40), 자기 교정부(50), CPU(60) 그리고 A/D 변환기(70)만을 더 설명하여 어떻게 레이저 거리 측정의 정밀성과 안정성을 증가시키는가를 설명하겠다.

도 2에서는 본 발명에서 측정기의 송신부에 대한 개략적인 회로도를 나타내고 있다. 회로는 부품 개수가 적고 작은 안티-EM 파 상자에 패키징될 수 있다. 도 2에 보이는 바와 같이, 커패시터(C1, C2, C4 및 C5)와 저항기(R1)는 π 필터를 구성하여 HV 전원(30)의 간섭을 제거한다. 저항기(R2)와 커패시터(C5)는 충전 회로를 구성한다. 커패시터(C5), 레이저 다이오드(LD), 고속 다이오드(D1), 저항기(R3) 및 SCR은 방전 회로를 구성한다. 충전 및 방전 회로는 레이저 광을 발생시키기 위해 사용된다. 트리거 시간은 TTL 포지티브 에지 신호에 의해 측정되고, 저항기(R4, R5)에 부과되어 SCR을 기동시킨다. 타이밍은 CPU(60)에 의해 제어된다.

도 3에 보인 바와 같이, 본 발명 측정기의 수신부(20)는 로그증폭기(21), 정합 필터(22), 태양 잡음 평균 회로(23), 고속 비교기(24) 및 광학 대역 필터(25)를 포함한다.

검출기(APD)의 바이어스는 π 필터에 의해 발생하는데, 이 필터는 커패시터(C6, C7) 및 저항기(R6)로 이루어져, HV 전원(30)으로부터의 간섭 및 레이저 송신부(10)와 레이저 수신부(20)로부터의 고전압 결합 잡음을 제거한다.

상기 광학 대역 필터(25)는 검출기(APD) 앞에 놓여 대부분의 태양 잡음을 걸러 낸다.

저항기(R6)와 검출기 사이에 연결된 부하 저항기(R7) 및 커패시터(C8)와 저항기(R8)와 고속 다이오드(D2, D3)로 이루어진 로그 증폭기(21)는 레이저 수신부(20)에 동적 레인지(dynamic range)를 제공하기 위해 사용된다. 따라서, AGC와 유사하게, 표적이 가까워질 때 이득은 감소하고 표적이 멀어질 때 이득은 증가한다.

세 개의 트랜지스터(Q1, Q2, Q3)(이것은 본 발명에서 사용된 저잡음 트랜지스터이다) 및 다섯 개의 저항기(R9, R10, R11, R12, R13)는 제1단계 트랜스레지스턴스 증폭기(221)를 구성하고, 이 증폭기는 APD에 의해 수신된 레이저 신호를 전압 신호로 변형시킬 수 있다. 제1단계 트랜스레지스턴스 증폭기(221) 및 로그 증폭기(21)는 대역 필터를 구성하고, 이 필터는 적절한 파라미터를 선택하여 대역 필터의 주파수 응답 및 레이저 펄스의 주파수 응답을 정합하도록 한다. 그래서, 정합 증폭기가 구성된다.

제2단계 트랜스레지스턴스 증폭기(222)는 트랜지스터(Q4, Q5, Q6) 및 저항기(R14, R15, R16, R17, R18, R19)로 이루어지고, 저항기(R20)와 커패시터(C9)를 통해 트랜지스터(Q3)의 드레인에 결합된다. 따라서, 대역 필터를 가진 다른 전압 증폭기가 얻어진다. 따라서, 로그 증폭기(21), 제1단계 트랜스레지스턴스 증폭기(221) 및 제2단계 트랜스레지스턴스 증폭기(222)로 구성된 정합 필터(22)는 레이저 펄스에 해당하는 신호를 발생시켜 최적의 S/N을 얻을 수 있게 한다.

제1단계 트랜스레지스턴스 증폭기(221)의 출력은 정류 다이오드(D4), 커패시터(C10) 및 분할 저항기(R21, R22)[다시 말해, 태양 잡음 평균 회로(23)]를 경유하여 이미터 폴로어(emitter follower)로써 트랜지스터(Q7)를 통과하여 제1단계 트랜스레지스턴스 증폭기(221)에 대한 평균 잡음을 얻도록 한다. 평균 잡음은 광학 대역 필터(25)에서 백색 잡음이고, 태양광에 의해 유기된 것이다. HV 전원부(30)에 의해 발생된 결합 잡음에 대해서는, HV 전원부(30)는 고전압이 먼저 구축되어 있기 때문에 전압 궤환 회로에 의해 자동으로 닫힌다.

고속 비교기(24)의 임계 전압은 평균 태양 잡음의 출력 전압 및 저항기(R22, R23)에 의해 형성된 고정 임계 전압에 의해 조정된다. 태양 잡음이 증가할 때 임계 전압은 증가할 것이고, 태양 잡음이 감소할 때 임계 전압은 감소할 것이다.

레이저 사거리측정기에 대한 가장 중요한 점은 어떻게 레이저 광이 표적에 입사(入射)될 때와 수신부(20)가 표적으로부터 반사된 레이저 광을 받을 때 사이의 시간차를 변환시켜 소정의 거리 데이터를 얻을 것이냐하는 것이다. 본 발명에서 사용된 기술은 시간차를 거리 데이터로 효과적으로 변환시키기 위해 정밀 충전 개념을 이용하는 것이다.

도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명에서 사용된 셋-리셋 플립 플롭(a set-reset flip-flop)(41)은 시작 펄스와 정지 신호를 유효 네거티브 펄스 폭(Q로부터의 출력)으로 변형시키고, 그에 따라 고속 스위치 트랜지스터(Q8)가 닫혀서, 커패시터(C11)는 네거티브 펄스 폭의 주기 동안 저항기(R25, R26, R27, R28), 연산 증폭기(OP), 그리고 트랜지스터(Q8)로 이루어진 일정 전류원에 의해 선형으로 충전된다. 충전 과정 후의 전압은 제너 다이오드(ZD) 및 커패시터(C12)에 의해 유지되고 A/D 변환기(70)에 의해 디지털 신호로 변환되어 CPU(60)에 제공된다. 마지막으로, 고(high)레벨이 저항기(R29, R30)와 트랜지스터(Q9)에 보내져서 트랜지스터(Q9)를 접지시키고 다음 충전 과정을 위해 커패시터(C12)에 저장된 전압 강하를 제거한다. 관련된 타이밍 선도가 도 5에 상세히 도시된다.

정밀 충전부(40)의 정확성은 열적 효과에 의해 심하게 떨어지기 때문에, 본 발명은 두 점 보정법을 사용하는 자기 교정 회로 및 교정 방법에 의해 떨어진 정확성을 바로잡는다. 두 점이 한 선을 이루는 원리에 따라, 상기 방법은 두 점 교정 충전 선을 이용하여 열적 효과로 인한 전류원과 커패시턴스 값의 변동을 보정하고 보상한다. 이 두 개의 전기적 데이터는 적당한 공식에 사용되어 수학식 1에 도시된 것과 같은 보정 이익(Cal), 수학식 2에 도시된 것과 같은 보정 레벨(Off), 그리고 즉석 샘플 값(dm)과 수학식 3에 의해 보정된 보정 값(dcorr)을 평가한다.

Cal = (d1-d2)/(d1'-d2')

Off = (d2d1'-d1d2')/(d2-d1)

dcorr = Cal*(dm-Off)

도 4에 도시된 것과 같이 보정 회로에서는, 시스템이 시작된 다음에, CPU(60)는 기지(旣知) 폭을 가진 두 개의 보정 펄스를 보낸다. 도 6A의 t1 구간에서는 트랜지스터(Q10)을 통해 저항기(R25, R26, R27, R28, R31, R32)와 OP와 트랜지스터(Q7, Q8)로 이루어진 정밀 충전부 내의 충전 회로(40)를 일정 전류로 충전하여 집적 전압값(d1')을 얻는다. 유사하게, 도 6B의 t2 구간에서는 한정된 폭을 가진 보정 펄스에 대한 집적 전압값(d2')를 얻을 것이다. 도 6C에서는, 표준값(d1, d2)은 같은 방법으로 상기 식에 의한 이상적인 응답으로 d1', d2'로부터 측정된 응답을 보정하기 위해 사용된다. CPU(60)가 보정 이익(Cal) 및 보정 레벨(Off)을 계산한 후에, 정상적인 작동 과정을 진행시켜 전원, 송신, 샘플링, 효과적인 평균을 제어하여 즉석 샘플값(dm)을 얻고, 마지막으로, 상기 공식에 의해 동일한 정확성을 갖는 값이 또 얻어진다. 따라서, 1 m 보다 더 작은 정확성을 자기 교정과 열적 보상 회로에 의해 달성될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 해당 해결 방안을 제공하여 레이저 거리 측정의 능력을 증가시켜, 레이저 사거리측정기의 정확성을 성공적으로 개선시켜 종래 기술의 문제를 극복하게 한다.

비록 상기 설명에서는 단지 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였지만, 본 발명의 정신에 속하는 어떠한 수정이나 조합도 보호되기를 바란다.

Claims (6)

1. (1) 일정 전류로 선형 충전하는 과정을 제공하여, 레이저 거리 측정용 시간차를 전압값으로 전환하고 상기 전압값을 디지털 신호로 변형함으로써 중앙 처리 장치를 통해 거리 데이터를 얻는 단계와;

   (2) 자기 교정 및 열적 보상을 포함하는 기술을 채용하여, 일정 전류의 상기 선형 충전 회로를 위해 두 개의 표적 거리 신호를 시뮬레이트(simulate)하여 두 개의 해당 데이터로 변형시켜서, 상기 중앙 처리 장치가 평균값을 평가하여 보정 레벨 및 보정 이익을 얻어 즉시 데이터를 보정하여, 거리 측정에 대해 소정의 정확성과 열적 보상 효과를 보장하는 단계를 포함하고;

   상기 열적 효과에 의해 일어나고, 상기 거리 측정의 정확성과 안정성을 떨어뜨릴 수 있는 이동 현상(shift phenomenon)이 상기 시간차가 상기 거리 데이터로 효과적으로 변환됨으로써 제거되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 능력을 증가시키는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 단계(1)는 플립 플롭이 시작 펄스와 정지 신호를 유효 네거티브 펄스 폭으로 변형시키고, 이에 따라 커패시터는 상기 네거티브 펄스 폭의 주기 동안 상기 전압 값으로 선형으로 충전되고, 이어서 상기 전압 값은 A/D 변환기에 의해 상기 디지털 신호로 변환되고 상기 중앙 처리 장치에 제공되어 상기 소정의 거리 데이터를 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 능력을 증가시키는 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 플립 플롭은 셋-리셋 플립 플롭(a set-reset flip-flop)을 사용할 수도 있는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 능력을 증가시키는 방법.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 A/D 변환기는 10 비트 A/D 변환기를 사용할 수도 있는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 능력을 증가시키는 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 단계(2)는 주로 두 점 보정 방법(two point correction method)을 이용함으로써 상기 열적 효과로 인한 전류원과 커패시턴스 값의 변동을 보정하고 보상하여 보정 이익과 보정 레벨이 두 점 데이터로부터 평가될 수 있고 보정후에 즉석 샘플 데이터와 몇가지 적절한 공식에 의해 보정된 값이 얻어질 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 능력을 증가시키는 방법.
6. 제 1항에 있어서,

   시스템이 시작된 후에, 기지 폭을 가진 두 개의 보정 펄스는 상기 중앙 처리 장치에 의해 보내진 다음 집적화되고 각각 집적 값을 얻어 측정 반응 곡선이 형성되고; 두 개의 원래 표준값이 사용되어 측정 반응을 보정하고 이상적인 반응을 얻고; 상기 보정 이익과 보정 레벨을 계산한 후에, 상기 중앙 처리 장치는 정상적인 작동 처리를 진행시켜 전원, 송신, 수신, 샘플링, 효과적인 값의 평균을 제어하여 상기 즉석 샘플 데이터를 얻고; 그리고 마지막으로, 동일한 정확성을 갖는 값은 상기 보정 공식을 통한 보정에 의해 얻어지고, 따라서 상기 정확성이 증가하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 능력을 증가시키는 방법.