KR20100124001A - Apparatus and method for calculating phase of laser in laser scanner, and laser scanner with the said apparatus - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A laser scanner for calculating the phase of an optical signal, a method thereof and a laser scanner for obtaining high amplification rate in the laser scanner are provided to calculate the phase of the optical signal through the multi layer phase modulation. CONSTITUTION: A second signal generating unit comprises a second phase demodulating unit(163) and a second intermediate frequency signal generating unit(164). The second signal generating unit generates second intermediate frequency signal in which the phase of the first intermediate frequency signal is demodulated. A phase calculation unit(166) calculates the phase of the reflective signal by using the second reference signal having intermediate frequency factor.

Description

레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치와 그 방법, 및 상기 장치를 구비하는 레이저 스캐너 {Apparatus and method for calculating phase of laser in laser scanner, and laser scanner with the said apparatus}Apparatus and method for calculating phase of laser in laser scanner, and laser scanner with the said apparatus}

본 발명은 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치와 그 방법, 및 상기 장치를 구비하는 레이저 스캐너에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 레이저 스캐너에서 중간 주파수 신호를 이용한 복조를 통해 광신호의 위상을 계산하는 장치와 그 방법, 및 상기 장치를 구비하는 레이저 스캐너에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for calculating the phase of an optical signal in a laser scanner, a method thereof, and a laser scanner having the apparatus. More particularly, the present invention relates to an apparatus and method for calculating a phase of an optical signal through demodulation using an intermediate frequency signal in a laser scanner, and a laser scanner having the apparatus.

레이저 스캐너는 관측 대상물의 표면에 조밀한 간격으로 무수히 많은 레이저 광선을 주사하여 3차원 좌표값을 포인트 형식으로 얻어내는 측량 장치이다. 이러한 레이저 스캐너는 넓은 영역을 우수한 분해능으로 측정 가능한 장점이 있다. 그래서, 레이저 스캐너는 3차원 포인트 좌표를 시각화하고 모델링하는 등의 3차원 형상 측정 분야, 3차원 포인트 좌표를 이용하여 도면을 제작하는 등의 건축 분야, 공장 자동화 분야, 이동 차량이나 도로에 설치하여 도로 주변의 정보를 취득하는 등의 교통 분야, 로봇 항법, 무인 자동차, 조선 항만 산업 등 산업 전반에 걸쳐 널리 활용되고 있으며, 오늘날 그 응용 시장은 더욱 확대되고 있는 실정이다.A laser scanner is a surveying device that scans a myriad of laser beams at close intervals on the surface of an object to obtain three-dimensional coordinate values in the form of points. Such laser scanners have the advantage of being able to measure large areas with good resolution. Therefore, laser scanners are installed in three-dimensional shape measurement fields, such as visualizing and modeling three-dimensional point coordinates, construction fields, such as manufacturing drawings using three-dimensional point coordinates, factory automation fields, roads installed in moving vehicles or roads. It is widely used throughout the transportation industry, such as acquiring surrounding information, robot navigation, driverless car, shipbuilding port industry, and its application market is expanding.

종래 레이저 스캐너를 이용하여 거리를 계산하는 방법으로는 비행 시간법과 광신호의 위상차를 이용한 거리 계산법 등이 있다. 전자(비행 시간법)는 빛이 진행한 시간을 펄스의 개수로 세어 거리를 계산하는 방법으로, 군사 목적으로 장거리를 측정하는 데에 주로 이용되고 있다. 그러나, 이 방법은 10mm 이내의 분해능을 얻기 위해 30GHz 이상의 펄스 개수기가 요구되는 등의 문제점이 있다.Conventional methods for calculating distance using a laser scanner include a flight time method and a distance calculation method using a phase difference of an optical signal. The former (flight time method) is a method of calculating the distance by counting the time the light has traveled in the number of pulses, and is mainly used for measuring long distances for military purposes. However, this method has a problem such that a pulse counter of 30 GHz or more is required to obtain a resolution within 10 mm.

후자(광신호의 위상차를 이용한 거리 계산법)는 기준 신호와 관측 대상물로부터 반사된 반사 신호의 위상차를 통해 거리를 계산하는 방법이다. 이 방법은 광원의 변조 방식에 따라 주파수를 통해 거리 정보를 얻어내는 주파수 변조/복조 방법, 위상각을 통해 거리 정보를 얻어내는 진폭 변조/위상 복조 방법 등으로 구분된다.The latter (distance calculation method using the phase difference of the optical signal) is a method of calculating the distance through the phase difference between the reference signal and the reflected signal reflected from the observation object. This method is classified into a frequency modulation / demodulation method for obtaining distance information through frequency and an amplitude modulation / phase demodulation method for obtaining distance information through phase angle according to a modulation method of a light source.

주파수 변조/복조 방법은 단거리 측정용으로 적합하며 진폭 변조/위상 복조 방법보다 더 우수한 분해능을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나, 주파수 변조/복조 방법은 주파수를 가변시키기 위해 고가의 광원이 필요하며, 장거리 측정용으로 부적합한 단점이 있다.The frequency modulation / demodulation method is suitable for short-range measurements and has the advantage of achieving better resolution than the amplitude modulation / phase demodulation method. However, the frequency modulation / demodulation method requires an expensive light source to vary the frequency, which is disadvantageous for long distance measurement.

반면, 진폭 변조/위상 복조 방법은 수 m ~ 수십 m 측정 거리에서 mm 단위의 분해능을 얻어낼 수 있는 등 장거리 측정용으로 적합하다. 그런데, 종래의 진폭 변조/위상 복조 방법에서는 높은 분해능을 얻기 위해 고주파 신호를 이용하여 광원을 가진시켜야 한다. 그러나, 신호의 증폭률이 주파수 대역폭에 의해 제한되기 때문에 변조/복조 신호 처리 과정에서 고주파 신호를 증폭시키는 것이 매우 어려웠다.On the other hand, the amplitude modulation / phase demodulation method is suitable for long distance measurement, such as obtaining a resolution in mm from a measurement distance of several m to several tens of meters. However, in the conventional amplitude modulation / phase demodulation method, the light source must be excited using a high frequency signal in order to obtain high resolution. However, it has been very difficult to amplify a high frequency signal during the modulation / demodulation signal processing because the signal amplification rate is limited by the frequency bandwidth.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 레이저 스캐너에서 중간 주파수 신호를 이용한 다단계 위상 복조를 통해 광신호의 위상을 계산하는 장치와 그 방법, 및 상기 장치를 구비하는 레이저 스캐너를 제공함을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and provides an apparatus and method for calculating the phase of an optical signal through multi-stage phase demodulation using an intermediate frequency signal in a laser scanner, and a laser scanner including the apparatus. The purpose.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 관측 대상물로부터 반사된 반사 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 제1 신호 생성부; 상기 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 제2 신호 생성부; 및 상기 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 상기 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치를 제공한다.The present invention has been made to achieve the above object, a first signal for generating a first intermediate frequency signal of the phase demodulated the reflected signal reflected from the observation object using a first reference signal having a predetermined demodulation frequency component Generation unit; A second signal generator configured to generate a second intermediate frequency signal obtained by phase demodulating the first intermediate frequency signal using a phase shift signal obtained by phase shifting the first reference signal; And a phase calculator configured to calculate a phase of the reflected signal using a second reference signal having an intermediate frequency component extracted from the first intermediate frequency signal and a final intermediate frequency signal amplified by the second intermediate frequency signal. A phase calculation device is provided.

바람직하게는, 상기 위상 계산 장치는 상기 제2 중간 주파수 신호에 상기 제1 중간 주파수 신호를 합산시켜 상기 최종 중간 주파수 신호를 생성하는 최종 신호 생성부를 더 포함한다.Preferably, the phase calculation device further comprises a final signal generator for generating the final intermediate frequency signal by adding the first intermediate frequency signal to the second intermediate frequency signal.

바람직하게는, 상기 위상 계산부는 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주 파수 신호의 곱셈값인 기준 출력을 생성하는 기준 출력 생성 모듈; 위상 천이된 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 비교 출력을 생성하는 비교 출력 생성 모듈; 및 상기 기준 출력과 상기 비교 출력 간의 비율값인 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산 모듈을 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 기준 출력 생성 모듈 또는 상기 비교 출력 생성 모듈은 상기 생성된 출력 중 상기 중간 주파수 성분보다 작은 주파수 성분을 갖는 신호를 통과시키는 필터링 모듈을 포함한다.Preferably, the phase calculator comprises a reference output generation module for generating a reference output that is a product of the second reference signal and the final intermediate frequency signal; A comparison output generation module for generating a comparison output that is a product of the phase shifted second reference signal and the final intermediate frequency signal; And a phase calculation module for calculating a phase of the reflected signal which is a ratio value between the reference output and the comparison output. More preferably, the reference output generation module or the comparison output generation module includes a filtering module for passing a signal having a frequency component smaller than the intermediate frequency component of the generated output.

바람직하게는, 상기 제1 신호 생성부는 상기 제1 기준 신호를 이용하여 상기 반사 신호를 위상 복조시키는 위상 복조부; 및 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키는 제1 중간 주파수 신호 생성부를 포함하거나, 상기 제2 신호 생성부는 상기 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시키는 위상 복조부; 및 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성시키는 제2 중간 주파수 신호 생성부를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 제1 중간 주파수 신호 생성부는 상기 반사 신호의 주파수 성분과 상기 제1 기준 신호의 주파수 성분 간의 차이값을 주파수 성분으로 하는 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시킨다. 더욱더 바람직하게는, 상기 제1 중간 주파수 신호 생성부는 상기 위상 복조된 신호 중에서 상기 제1 중간 주파수 신호의 주파수 성분보다 크고 상기 반사 신호의 주파수 성분보다 작은 신호를 통과시키는 필터링부를 포함한다.Preferably, the first signal generator comprises: a phase demodulator for phase demodulating the reflected signal using the first reference signal; And a first intermediate frequency signal generator for filtering the phase demodulated signal to generate the first intermediate frequency signal, or the second signal generator phase demodulating the first intermediate frequency signal using the phase shift signal. A phase demodulator; And a second intermediate frequency signal generator for filtering the phase demodulated signal to generate the second intermediate frequency signal. More preferably, the first intermediate frequency signal generator generates the first intermediate frequency signal having a difference value between a frequency component of the reflected signal and a frequency component of the first reference signal as a frequency component. Still more preferably, the first intermediate frequency signal generator includes a filtering unit for passing a signal greater than a frequency component of the first intermediate frequency signal and smaller than a frequency component of the reflected signal among the phase demodulated signals.

바람직하게는, 상기 제2 신호 생성부는 상기 위상 천이 신호로 상기 기준 복 조 신호를 90도 위상 천이시킨 신호를 이용한다.Preferably, the second signal generator uses a signal obtained by phase shifting the reference demodulation signal by 90 degrees with the phase shift signal.

바람직하게는, 상기 제2 신호 생성부는 상기 제1 기준 신호를 적어도 2회 위상 천이시켜가면서 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성한다.Preferably, the second signal generator generates the second intermediate frequency signal by phase shifting the first reference signal at least twice.

또한, 본 발명은 (a) 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 관측 대상물로부터 반사된 반사 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 단계; (b) 상기 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 단계; 및 (c) 상기 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 상기 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (a) generating a first intermediate frequency signal demodulated demodulated from the reflection signal reflected from the observation object using a first reference signal having a predetermined demodulation frequency component; (b) generating a second intermediate frequency signal obtained by phase demodulating the first intermediate frequency signal using a phase shift signal obtained by phase shifting the first reference signal; And (c) calculating a phase of the reflected signal using a second reference signal having an intermediate frequency component extracted from the first intermediate frequency signal and a final intermediate frequency signal amplified by the second intermediate frequency signal. It provides a phase calculation method characterized in that.

바람직하게는, 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계의 중간 단계는 상기 제2 중간 주파수 신호에 상기 제1 중간 주파수 신호를 합산시켜 상기 최종 중간 주파수 신호를 생성하는 단계를 포함한다.Advantageously, said intermediate step of steps (b) and (c) includes adding said first intermediate frequency signal to said second intermediate frequency signal to produce said final intermediate frequency signal.

바람직하게는, 상기 (c) 단계는 (ca) 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 기준 출력을 생성하는 단계; (cb) 위상 천이된 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 비교 출력을 생성하는 단계; 및 (cc) 상기 기준 출력과 상기 비교 출력 간의 비율값인 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 단계를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 (ca) 단계 또는 상기 (cb) 단계는 상기 생성된 출력 중 상기 중간 주파수 성분보다 작은 주파수 성분을 갖는 신호 를 통과시켜 상기 기준 출력 또는 상기 비교 출력을 생성한다.Advantageously, step (c) comprises: (ca) generating a reference output that is a product of said second reference signal and said final intermediate frequency signal; (cb) generating a comparison output that is a product of the phase shifted second reference signal and the final intermediate frequency signal; And (cc) calculating a phase of the reflected signal that is a ratio value between the reference output and the comparison output. More preferably, step (ca) or step (cb) passes the signal having a frequency component smaller than the intermediate frequency component of the generated output to generate the reference output or the comparison output.

바람직하게는, 상기 (a) 단계는 (aa) 상기 제1 기준 신호를 이용하여 상기 반사 신호를 위상 복조시키는 단계; 및 (ab) 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키는 단계를 포함하거나, 상기 (b) 단계는 (ba) 상기 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시키는 단계; 및 (bb) 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성시키는 단계를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 (ab) 단계는 상기 반사 신호의 주파수 성분과 상기 제1 기준 신호의 주파수 성분 간의 차이값을 주파수 성분으로 하는 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키거나, 상기 위상 복조된 신호 중에서 상기 제1 중간 주파수 신호의 주파수 성분보다 크고 상기 반사 신호의 주파수 성분보다 작은 신호를 통과시켜 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시킨다.Advantageously, step (a) comprises: (aa) phase demodulating said reflected signal using said first reference signal; And (ab) filtering the phase demodulated signal to generate the first intermediate frequency signal, or (b) step (ba) phase the first intermediate frequency signal using the phase shift signal. Demodulating; And (bb) filtering the phase demodulated signal to produce the second intermediate frequency signal. More preferably, the step (ab) generates the first intermediate frequency signal having the difference between the frequency component of the reflected signal and the frequency component of the first reference signal as a frequency component, or the phase demodulated signal. The first intermediate frequency signal is generated by passing a signal larger than a frequency component of the first intermediate frequency signal and smaller than a frequency component of the reflected signal.

바람직하게는, 상기 (b) 단계는 상기 제1 기준 신호를 적어도 2회 위상 천이시켜가면서 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성한다.Advantageously, step (b) generates said second intermediate frequency signal by phase shifting said first reference signal at least twice.

또한, 본 발명은 레이저 광을 발생시키는 광 발생부; 상기 발생된 광을 평행광으로 조정하는 광방향 조정부; 상기 평행광을 대상물로 출력시키는 광 송신부; 상기 대상물로부터 반사된 광을 수신하는 광 수신부; 상기 수신된 광을 검출하는 광 검출부; 및 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 상기 검출된 광에 기반하는 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 제1 신호 생성부와, 상기 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 제2 신호 생성부, 및 상기 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 상기 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산부를 포함하는 위상 계산 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캐너를 제공한다.In addition, the present invention includes a light generating unit for generating a laser light; A light direction adjusting unit which adjusts the generated light into parallel light; An optical transmitter for outputting the parallel light to an object; A light receiver configured to receive light reflected from the object; A light detector detecting the received light; And a first signal generator configured to generate a first intermediate frequency signal obtained by phase demodulating the signal based on the detected light using a first reference signal having a predetermined demodulation frequency component, and phase shifting the first reference signal. A second signal generator for generating a second intermediate frequency signal obtained by phase demodulating the first intermediate frequency signal using the phase shift signal; and a second reference signal having an intermediate frequency component extracted from the first intermediate frequency signal. And a phase calculator including a phase calculator configured to calculate a phase of the reflected signal by using a final intermediate frequency signal amplified by the second intermediate frequency signal.

바람직하게는, 상기 레이저 스캐너는 상기 대상물로 출력되는 광의 발사각을 변경시키는 스캐너 헤드를 더 포함하며, 상기 스캐너 헤드에 의해 발사각이 변경되는 광을 이용하여 상기 대상물의 일측까지의 거리를 계산한다.Preferably, the laser scanner further comprises a scanner head for changing the firing angle of the light output to the object, and calculates the distance to one side of the object using the light whose firing angle is changed by the scanner head.

본 발명에 따르면, 레이저 스캐너에서 중간 주파수 신호를 이용한 다단계 위상 복조를 통해 광신호의 위상을 계산함으로써 다음 효과를 얻을 수 있다. 첫째, 중간 주파수 신호를 이용함으로써 변조/복조 신호 처리시 매우 높은 증폭률을 얻을 수 있으며, 저주파 노이즈를 감소시킬 수 있다. 둘째, 다단계 위상 복조 과정을 수행함으로써 신호대잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio)를 개선시킬 수 있으며, 스캐너의 분해능을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the following effects can be obtained by calculating the phase of an optical signal through multi-phase demodulation using an intermediate frequency signal in a laser scanner. First, by using an intermediate frequency signal, a very high amplification factor can be obtained during modulation / demodulation signal processing and low frequency noise can be reduced. Second, by performing a multi-step demodulation process, signal to noise ratio (SNR) can be improved and the resolution of the scanner can be improved.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경 우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are assigned to the same components as much as possible even if displayed on different drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the following will describe a preferred embodiment of the present invention, but the technical idea of the present invention is not limited thereto and may be variously modified and modified by those skilled in the art.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너를 개략적으로 도시한 블록도이다. 이하 설명은 도 1을 참조한다.1 is a block diagram schematically showing a laser scanner according to a preferred embodiment of the present invention. The following description refers to FIG. 1.

도 1에 따르면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너(100)는 광 발생부(110), 광 변조부(120), 광 송신부(130), 광 수신부(140), 광 검출부(150) 및 위상 계산 장치(160)를 포함한다.According to FIG. 1, the laser scanner 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a light generator 110, an optical modulator 120, an optical transmitter 130, an optical receiver 140, and an optical detector 150. And a phase calculation device 160.

본 실시예에 따른 레이저 스캐너(100)는 진폭 변조/위상 복조 방법을 이용하는 레이저 스캐너이다. 이러한 레이저 스캐너(100)는 레이저 광선별로 거리를 계산하여 관측 대상물에 대한 3차원 포인트 좌표를 시각화시키고 관측 대상물을 모델링시킬 수 있게 한다.The laser scanner 100 according to the present embodiment is a laser scanner using an amplitude modulation / phase demodulation method. The laser scanner 100 calculates the distance for each laser beam to visualize three-dimensional point coordinates for the observation object and to model the observation object.

진폭 변조/위상 복조 방법을 이용하는 기존 레이저 스캐너는 높은 분해능을 얻기 위해 고주파 신호를 이용하여 광원을 가진시킨다. 그러나, 신호의 증폭률이 주파수 대역폭에 의해 제한되기 때문에 변조/복조 신호 처리 과정에서 고주파 신호를 증폭시킨다는 것이 매우 어렵다. 따라서, 본 실시예에 따른 레이저 스캐너(100)는 중간 주파수 신호를 이용한 다단계 위상 복조를 통해 광신호의 위상을 계산한다. 레이저 스캐너(100)에서 이러한 기능은 위상 계산 장치(160)가 담당하며, 보다 자세한 설명은 후술한다.Conventional laser scanners using amplitude modulation / phase demodulation methods use high frequency signals to excite a light source to achieve high resolution. However, it is very difficult to amplify a high frequency signal during the modulation / demodulation signal processing because the amplification rate of the signal is limited by the frequency bandwidth. Therefore, the laser scanner 100 according to the present embodiment calculates the phase of the optical signal through multi-step demodulation using the intermediate frequency signal. In the laser scanner 100, such a function is performed by the phase calculation device 160, and a detailed description thereof will be described later.

광 발생부(110)는 광을 발생시키는 기능을 수행한다. 본 실시예에서는 전기 적으로 변조 신호를 만들어 낸 후 이것을 광 발생부(110)에 인가시킴으로써, 광 발생부(110)가 광을 발생시키도록 한다. 이러한 광 발생부(110)는 레이저 빔을 생성시키는 레이저 다이오드(laser diode; 111)를 포함하여 이루어진다. 광 발생부(110)가 발생시킨 광은 기준 신호로써 광 송신부(130)로 전송된다.The light generator 110 performs a function of generating light. In this embodiment, the modulated signal is electrically generated and then applied to the light generator 110 so that the light generator 110 generates light. The light generator 110 includes a laser diode 111 for generating a laser beam. The light generated by the light generator 110 is transmitted to the light transmitter 130 as a reference signal.

광 송신부(130)는 발생광을 외부의 관측 대상물에 송신시키는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 광 송신부(130)는 스캐닝 대상인 관측 대상물의 제원을 조밀하게 취득할 수 있도록 변조광의 각도를 조절하는 스캐너 헤드부(131)를 포함하여 이루어진다.The optical transmitter 130 transmits the generated light to an external observation object. In the present embodiment, the optical transmitter 130 includes a scanner head 131 that adjusts the angle of the modulated light so that the specification of the observation target to be scanned can be densely obtained.

스캐너 헤드부(131)는 1개의 고정식 스캐너 헤드 또는 1개의 회전식 스캐너 헤드를 포함한다. 고정식 스캐너 헤드는 고정된 피사체의 둘레를 스캐닝함으로써 고정된 피사체의 제원을 고속으로 조밀하게 취득할 수 있게 한다. 그러나, 스캐너 헤드가 고정되어 있기 때문에 예컨대 도로 주변 여건과 같이 이동하면서 주변 사물의 제원을 조밀하게 취득할 수 없는 문제점이 있다. 회전식 스캐너 헤드도 마찬가지로 주변 사물의 제원을 고속으로 조밀하게 취득하기 어려운 문제점이 있다. 본 실시예에서는 이러한 점을 고려하여 스캐너 헤드부(131)가 복수개의 고정식 스캐너 헤드, 복수개의 회전식 스캐너 헤드, 적어도 하나의 고정식 스캐너 헤드와 적어도 하나의 회전식 스캐너 헤드 등 멀티 헤드형인 것이 바람직하다.The scanner head portion 131 includes one stationary scanner head or one rotary scanner head. The fixed scanner head makes it possible to obtain a fixed subject specification at high speed by scanning the circumference of the fixed subject. However, since the scanner head is fixed, there is a problem in that the specifications of the surrounding objects cannot be obtained densely while moving, for example, in a condition around a road. Similarly, the rotary scanner head has a problem that it is difficult to densely obtain the specifications of surrounding objects at high speed. In this embodiment, it is preferable that the scanner head portion 131 be a multi-head type such as a plurality of fixed scanner heads, a plurality of rotary scanner heads, at least one fixed scanner head, and at least one rotary scanner head.

한편, 광 발생부(110)와 광 송신부(130) 사이에 광방향 조정부(120)를 더 포함할 수 있다. 광방향 조정부(120)는 발산하는 발생광을 평행광으로 조정하는 기능을 수행한다. 이러한 광방향 조정부(120)는 예컨대 시준 렌즈(collimating lens)로 구현할 수 있다.Meanwhile, the light direction controller 120 may be further included between the light generator 110 and the light transmitter 130. The light direction adjusting unit 120 adjusts the generated light emitted into parallel light. The light direction controller 120 may be implemented by, for example, a collimating lens.

광 수신부(140)는 관측 대상물로부터 반사된 반사광을 수신하는 기능을 수행한다. 이러한 광 수신부(140)는 수신광을 집광시키기 위한 집광부(141)를 더 포함한다. 집광부(141)의 집광 기능은 광의 여는 각을 크게 하여 분해능을 향상시킬 수 있다. 집광부(141)는 예컨대 집광 렌즈(condenser)로 구현될 수 있다.The light receiver 140 performs a function of receiving the reflected light reflected from the observation object. The light receiving unit 140 further includes a light collecting unit 141 for condensing the received light. The condensing function of the condenser 141 can improve the resolution by increasing the opening angle of the light. The condenser 141 may be implemented as, for example, a condenser.

광 검출부(150)는 집광된 광을 검출하는 기능을 수행한다. 이러한 광 검출부(150)는 예컨대 포토 디텍터(photo detector)로 구현될 수 있다.The light detector 150 detects the collected light. The light detector 150 may be implemented as, for example, a photo detector.

위상 계산 장치(160)는 중간 주파수 신호를 이용한 다단계 위상 복조를 통해 광신호의 위상을 계산하는 기능을 수행한다. 위상 계산 장치(160)의 이러한 기능은 광신호의 위상 복조 단계에서 이루어지며, 본 실시예에 따라 레이저 광선별로 거리를 계산할 수 있게 하며, 관측 대상물을 3차원 입체로 모델링시킬 수 있게 한다. 이하에서 위상 계산 장치(160)에 대해 보다 자세하게 설명한다.The phase calculating device 160 calculates a phase of an optical signal through multi-step demodulation using an intermediate frequency signal. This function of the phase calculation device 160 is performed in the phase demodulation step of the optical signal, it is possible to calculate the distance for each laser beam in accordance with the present embodiment, and to model the object to be observed in three-dimensional solid. Hereinafter, the phase calculation device 160 will be described in more detail.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 이하 설명은 도 2를 참조한다.2 is a block diagram schematically illustrating an apparatus for calculating a phase of an optical signal in a laser scanner according to a preferred embodiment of the present invention. The following description refers to FIG. 2.

도 2에 따르면, 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치, 즉 위상 계산 장치(160)는 관측 대상물로부터 반사된 후 획득된 광신호를 다단계 위상 복조시키면서 중간 주파수 성분을 이용하여 위상을 계산한다. 이러한 위상 계산 장치(160)는 본 실시예에서 제1 위상 복조부(161), 제1 중간 주파수 신호 생성부(162), 제2 위상 복조부(163), 제2 중간 주파수 신호 생성부(164), 최종 중간 주파수 신호 생성부(165) 및 위상 계산부(166)를 포함한다.According to FIG. 2, a device for calculating a phase of an optical signal in a laser scanner, that is, the phase calculating device 160 calculates a phase using an intermediate frequency component while multi-phase demodulating an optical signal obtained after being reflected from an object to be observed. . In the present embodiment, the phase calculator 160 may include the first phase demodulator 161, the first intermediate frequency signal generator 162, the second phase demodulator 163, and the second intermediate frequency signal generator 164. ), The final intermediate frequency signal generator 165 and the phase calculator 166.

제1 위상 복조부(161)는 획득된 광신호에 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 기준 복조 신호를 곱하여 획득 신호의 위상을 복조시키는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 미리 정해진 복조 주파수 성분은 그 성분값이 19.95MHz인 것을 특징으로 한다. 그러나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 미리 정해진 복조 주파수 성분은 경우에 따라 사용자에 의해 임의 선택될 수 있다.The first phase demodulator 161 performs a function of demodulating the phase of the acquisition signal by multiplying the obtained optical signal by a reference demodulation signal having a predetermined demodulation frequency component. In the present embodiment, the predetermined demodulation frequency component has a component value of 19.95 MHz. However, the present invention is not necessarily limited thereto, and the predetermined demodulation frequency component may be arbitrarily selected by the user in some cases.

진폭 변조/위상 복조 신호처리 방법에 따르면, 기준 복조 신호와 획득된 광신호는 각각 아래 수학식 1의 (a), (b)와 같다.According to the amplitude modulation / phase demodulation signal processing method, the reference demodulation signal and the obtained optical signal are respectively represented by Equations 1 (a) and (b) below.

수학식 1에서, Vref는 기준 복조 신호, Vr은 기준 복조 신호의 진폭, wd는 기준 복조 신호의 주파수, Vd는 획득 신호, Vsig는 획득 신호의 진폭, wsig는 획득 신호의 주파수, φ는 거리 정보를 갖는 위상값, N(ξ)는 노이즈 성분을 의미한다.In Equation 1, V ref is the reference demodulation signal, V r is the amplitude of the reference demodulation signal, w d is the frequency of the reference demodulation signal, V d is the acquisition signal, V sig is the amplitude of the acquisition signal, and w sig is the acquisition signal. The frequency φ represents a phase value having distance information, and N (ξ) represents a noise component.

제1 위상 복조부(161)는 수학식 1의 (a)와 (b)를 곱하여 획득 신호의 위상을 복조시킨다. 위상 복조된 신호는 아래 수학식 2와 같다.The first phase demodulator 161 demodulates the phase of the acquisition signal by multiplying (a) and (b) in Equation (1). The phase demodulated signal is expressed by Equation 2 below.

Figure 112009029530383-PAT00002
Figure 112009029530383-PAT00002

수학식 2에서, Vi는 위상 복조된 신호, wi는 중간 주파수로서 wsig-wd이다. 본 실시예에서 중간 주파수는 50kHz이다. 그러나, 중간 주파수가 반드시 이에 한정될 필요는 없다.In Equation 2, V i is a phase demodulated signal, w i is w sig -w d as the intermediate frequency. In this embodiment, the intermediate frequency is 50 kHz. However, the intermediate frequency does not necessarily need to be limited thereto.

제1 중간 주파수 신호 생성부(162)는 위상 복조된 신호를 필터링시켜 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 제1 중간 주파수 신호 생성부(162)는 저역 통과 필터(LPF)를 이용하여 컷-오프(cut-off) 주파수가 중간 주파수보다 크고 획득 광신호의 주파수보다 작은 신호들을 통과시킨다. 이에 따라, 제1 중간 주파수 신호 생성부(162)로부터 추출되는 제1 중간 주파수 신호는 아래 수학식 3과 같다. 수학식 3은 수학식 2에서 두번째 항과 세번째 항이 제거된 것이다.The first intermediate frequency signal generator 162 filters the phase demodulated signal to generate a first intermediate frequency signal. In the present embodiment, the first intermediate frequency signal generator 162 uses a low pass filter (LPF) to pass signals whose cut-off frequency is larger than the intermediate frequency and smaller than the frequency of the acquired optical signal. Accordingly, the first intermediate frequency signal extracted from the first intermediate frequency signal generator 162 is expressed by Equation 3 below. Equation 3 is to remove the second and third terms in the equation (2).

Figure 112009029530383-PAT00003
Figure 112009029530383-PAT00003

수학식 3에서 vi'는 제1 중간 주파수 신호이다.In Equation 3, v i 'is the first intermediate frequency signal.

제2 위상 복조부(163)는 제1 중간 주파수 신호에 천이 신호를 곱하여 제1 중간 주파수 신호의 위상을 복조시키는 기능을 수행한다. 천이 신호는 기준 복조 신호를 위상 천이시킨 신호로서, 본 실시예에서 기준 복조 신호를 90° 천이시킨다.The second phase demodulator 163 demodulates the phase of the first intermediate frequency signal by multiplying the first intermediate frequency signal by the transition signal. The transition signal is a signal obtained by phase shifting the reference demodulation signal, and in this embodiment, the reference demodulation signal is shifted by 90 degrees.

제2 중간 주파수 신호 생성부(164)는 제2 위상 복조부(163)를 통해 재위상 복조된 신호를 필터링시켜 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 제2 중간 주파수 신호는 아래 수학식 4와 같다.The second intermediate frequency signal generator 164 filters the rephase demodulated signal through the second phase demodulator 163 to generate a second intermediate frequency signal. The second intermediate frequency signal is expressed by Equation 4 below.

Figure 112009029530383-PAT00004
Figure 112009029530383-PAT00004

수학식 4에서 Vi''는 제2 중간 주파수 신호이다.In Equation 4 V i '' is a second intermediate frequency signal.

본 실시예에서는 제1 위상 복조부(161), 제1 중간 주파수 신호 생성부(162), 제2 위상 복조부(163), 제2 중간 주파수 신호 생성부(164) 등 2단계 위상 복조 과정을 통해 중간 주파수 신호를 얻는다. 그러나, 본 실시예에서 이에 한정되지 않으며, 3단계 이상 위상 복조 과정을 통해 중간 주파수 신호를 얻는 것도 가능하다.In the present exemplary embodiment, a two-step phase demodulation process such as a first phase demodulator 161, a first intermediate frequency signal generator 162, a second phase demodulator 163, and a second intermediate frequency signal generator 164 is performed. To obtain an intermediate frequency signal. However, the present embodiment is not limited thereto, and it is also possible to obtain an intermediate frequency signal through three or more phase demodulation processes.

최종 중간 주파수 신호 생성부(165)는 제2 중간 주파수 신호를 증폭시켜 최종 중간 주파수 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 최종 중간 주파수 신호 생성부(165)는 제2 중간 주파수 신호에 제1 중간 주파수 신호를 합산시켜 최종 중간 주파수 신호를 얻는다. 최종 중간 주파수 신호는 아래 수학식 5와 같다.The final intermediate frequency signal generator 165 amplifies the second intermediate frequency signal to generate a final intermediate frequency signal. In this embodiment, the final intermediate frequency signal generator 165 adds the first intermediate frequency signal to the second intermediate frequency signal to obtain a final intermediate frequency signal. The final intermediate frequency signal is expressed by Equation 5 below.

Figure 112009029530383-PAT00005
Figure 112009029530383-PAT00005

수학식 5에서, Vd'는 최종 중간 주파수 신호이다.In Equation 5, V d 'is the final intermediate frequency signal.

본 실시예에서 최종 중간 주파수 신호를 이용하면 진폭 변조/위상 복조 신호처리 과정에서 증폭률을 효과적으로 조절할 수 있다. 그 이유는 최종 중간 주파수 신호가 다단계 위상 복조 과정을 거치면서 낮은 주파수 대역(=50kHz)으로 천이되기 때문이다. 이에 따라, 고주파 신호를 용이하게 증폭시킬 수 있고, 높은 증폭률을 얻을 수 있으며, 노이즈에 관계없이 신호에 기준 복조 신호의 진폭(Vr)만큼의 이득이 곱해지므로 기존보다 더욱 향상된 신호대잡음비를 얻을 수 있다.By using the final intermediate frequency signal in this embodiment, the amplification factor can be effectively adjusted during the amplitude modulation / phase demodulation signal processing. This is because the final intermediate frequency signal transitions to the low frequency band (= 50 kHz) as it undergoes a multi-phase demodulation process. Accordingly, a high frequency signal can be easily amplified, a high amplification rate can be obtained, and a signal-to-noise ratio can be further improved than before because the signal is multiplied by a gain equal to the amplitude (Vr) of the reference demodulated signal regardless of noise. .

위상 계산부(166)는 중간 주파수 성분을 갖는 기준 신호와 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 위상을 계산하는 기능을 수행한다. 위상 계산부(166)가 위상을 계산하는 방법은 다음과 같다.The phase calculator 166 calculates a phase using a reference signal having an intermediate frequency component and a final intermediate frequency signal. The phase calculation unit 166 calculates the phase as follows.

제1 단계에서, 중간 주파수 성분을 갖는 기준 신호와 최종 중간 주파수 신호를 곱하여 최초 기준 출력을 생성한다. 본 실시예에서 이 기능은 최초 기준 출력 모듈(미도시)이 담당한다. 최초 기준 출력은 아래 수학식 6과 같다.In a first step, an initial reference output is generated by multiplying a reference signal having an intermediate frequency component by a final intermediate frequency signal. In this embodiment, this function is the first reference output module (not shown). The initial reference output is shown in Equation 6 below.

Figure 112009029530383-PAT00006
Figure 112009029530383-PAT00006

수학식 6에서, Vi,out은 최초 기준 출력이다.In Equation 6, V i, out is the initial reference output.

그런데, 최초 기준 출력은 주파수 2wi를 갖는 고주파 성분을 포함하므로 필터링을 통해 이 성분을 제거시킬 필요가 있다. 제2 단계에서는 최종 기준 출력 모듈(미도시)이 컷-오프 주파수가 wi보다 작은 신호를 통과시킨다. 제2 단계를 거쳐 출력되는 최종 기준 출력은 아래 수학식 7과 같다.However, since the initial reference output includes a high frequency component having a frequency 2w i , it is necessary to remove this component through filtering. In a second step, the final reference output module (not shown) passes a signal whose cut-off frequency is less than w i . The final reference output output through the second step is expressed by Equation 7 below.

Figure 112009029530383-PAT00007
Figure 112009029530383-PAT00007

수학식 7에서, Vi,out'는 최종 기준 출력이다.In Equation 7, V i, out ′ is the final reference output.

제3 단계에서, 최초 비교 출력 모듈(미도시)이 위상 천이된 기준 신호와 최종 중간 주파수 신호를 곱하여 최초 비교 출력을 생성한다. 위상 천이된 기준 신호는 상기 기준 신호 Vr'sinwit를 90° 천이시킨 신호이다.In a third step, an initial comparison output module (not shown) multiplies the phase shifted reference signal by the final intermediate frequency signal to produce an initial comparison output. The phase shifted reference signal is a signal obtained by shifting the reference signal V r 'sinw i t by 90 °.

제4 단계에서, 최종 비교 출력 모듈(미도시)이 고주파 성분을 필터링시켜 컷-오프 주파수가 wi보다 작은 신호를 통과시킨다. 이에 따라, 최종 비교 출력 모듈로 부터 출력되는 최종 비교 출력은 아래 수학식 8과 같다.In a fourth step, the final comparison output module (not shown) filters the high frequency components to pass signals whose cut-off frequency is less than w i . Accordingly, the final comparison output output from the final comparison output module is expressed by Equation 8 below.

Figure 112009029530383-PAT00008
Figure 112009029530383-PAT00008

수학식 8에서, Vi,out''는 최종 비교 출력이다.In Equation 8, V i, out '' is the final comparison output.

제5 단계에서, 위상값 계산 모듈(미도시)이 비교 출력의 기준 출력에 대한 비율로부터 위상값을 계산한다. 위상값 계산은 아래 수학식 9에 따른다.In a fifth step, the phase value calculation module (not shown) calculates the phase value from the ratio to the reference output of the comparison output. The phase value is calculated according to Equation 9 below.

Figure 112009029530383-PAT00009
Figure 112009029530383-PAT00009

수학식 9에서, φ'는 위상값이다.In Equation 9, φ 'is a phase value.

수학식 7과 수학식 8에서와 같이 복조 과정에 있어서 Vr과 Vr' 만큼의 이득이 신호에만 곱해지게 되므로 기존보다 신호대잡음비가 향상되며, 수학식 9에서 얻어지는 위상값 역시 높은 신호대잡음비를 가진다. 이에 따라, 본 실시예에서는 레이저 스캐너의 분해능 향상을 기대할 수 있다. 진폭 변조/위상 복조 방법을 이용한 레이저 스캐너에서 분해능은 아래 수학식 10으로부터 구할 수 있다.In the demodulation process, as in Equations 7 and 8, the gains of V r and V r 'are multiplied only by the signal, thereby improving the signal-to-noise ratio, and the phase value obtained by Equation 9 also has a high signal-to-noise ratio. . Accordingly, in the present embodiment, an improvement in resolution of the laser scanner can be expected. Resolution in a laser scanner using an amplitude modulation / phase demodulation method can be obtained from Equation 10 below.

Figure 112009029530383-PAT00010
Figure 112009029530383-PAT00010

수학식 10에서, δd는 분해능을 의미하며, δφ는 위상값을 의미한다.In Equation 10, δ d means resolution and δ φ means a phase value.

한편, 상기에서 위상값 φ'는 최종 거리 신호를 가지고 있으므로, 이로부터 레이저 광선별 관측 대상물까지의 거리를 구하는 것도 가능하다. 이 경우, 다단계 복조 과정을 통해 신호대잡음비와 분해능이 향상됨에 따라 정밀한 거리 측정이 가능할 것으로 기대된다.On the other hand, since the phase value? 'Has a final distance signal, it is also possible to obtain the distance from this to the laser beam-observing object. In this case, the multi-step demodulation process is expected to enable accurate distance measurement as signal-to-noise ratio and resolution are improved.

도 3은 기존 진폭 변조/위상 복조 방법에 따른 위상과 본 실시예에 따른 위상을 비교하는 그래프이다. 도 3에서 (a)는 레이저 스캐너에서 관측 대상물까지의 거리가 1m일 때 기존 방법에 따른 위상의 노이즈 레벨을 도시한 그래프이다. 그리고, (b)는 레이저 스캐너에서 관측 대상물까지의 거리가 1m일 때 본 실시예에 따른 위상의 노이즈 레벨을 도시한 그래프이다. 그리고, (c)는 레이저 스캐너에서 관측 대상물까지의 거리가 7.5m일 때 기존 방법에 따른 위상의 노이즈 레벨을 도시한 그래프이다. 그리고, (d)는 레이저 스캐너에서 관측 대상물까지의 거리가 7.5m일 때 본 실시예에 따른 위상의 노이즈 레벨을 도시한 그래프이다. (b), (d)를 각각 (a), (c)와 비교해 보았을 때 알 수 있듯이 본 실시예에 따른 방법은 기존보다 신호대잡음비와 분해능을 향상시킬 수 있다.3 is a graph comparing a phase according to an existing amplitude modulation / phase demodulation method and a phase according to the present embodiment. 3A is a graph showing the noise level of the phase according to the conventional method when the distance from the laser scanner to the object to be observed is 1 m. And (b) is a graph showing the noise level of the phase according to the present embodiment when the distance from the laser scanner to the observation object is 1m. And, (c) is a graph showing the noise level of the phase according to the conventional method when the distance from the laser scanner to the observation object is 7.5m. And, (d) is a graph showing the noise level of the phase according to the present embodiment when the distance from the laser scanner to the observation object is 7.5m. As can be seen when comparing (b) and (d) with (a) and (c), respectively, the method according to the present embodiment can improve the signal-to-noise ratio and resolution than the conventional method.

다음으로, 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 방법을 설명한다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 방법을 도시한 순서도이다. 이하 설명은 도 4를 참조한다.Next, a method of calculating the phase of the optical signal in the laser scanner will be described. 4 is a flowchart illustrating a method of calculating a phase of an optical signal in a laser scanner according to a preferred embodiment of the present invention. The following description refers to FIG. 4.

먼저, 제1 위상 복조부(161)가 획득된 광신호에 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 기준 복조 신호를 곱하여 획득 신호의 위상을 복조시킨다(S400).First, the first phase demodulator 161 demodulates a phase of an acquisition signal by multiplying the obtained optical signal by a reference demodulation signal having a predetermined demodulation frequency component (S400).

이후, 제1 중간 주파수 신호 생성부(162)가 위상 복조된 신호를 필터링시켜 제1 중간 주파수 신호를 생성한다(S410). 본 실시예에서 제1 중간 주파수 신호 생성부(162)는 저역 통과 필터(LPF)를 이용하여 컷-오프(cut-off) 주파수가 중간 주파수보다 크고 획득 광신호의 주파수보다 작은 신호들을 통과시켜 제1 중간 주파수 신호를 생성한다.Thereafter, the first intermediate frequency signal generator 162 filters the phase demodulated signal to generate a first intermediate frequency signal (S410). In this embodiment, the first intermediate frequency signal generator 162 uses a low pass filter (LPF) to pass signals having a cut-off frequency greater than the intermediate frequency and smaller than the frequency of the acquired optical signal. 1 Generate an intermediate frequency signal.

이후, 제2 위상 복조부(163)가 제1 중간 주파수 신호에 천이 신호를 곱하여 제1 중간 주파수 신호의 위상을 복조시킨다(S420). 천이 신호는 기준 복조 신호를 위상 천이시킨 신호로서, 본 실시예에서 기준 복조 신호를 90° 천이시킨다.Thereafter, the second phase demodulator 163 demodulates the phase of the first intermediate frequency signal by multiplying the first intermediate frequency signal by the transition signal (S420). The transition signal is a signal obtained by phase shifting the reference demodulation signal, and in this embodiment, the reference demodulation signal is shifted by 90 degrees.

이후, 제2 중간 주파수 신호 생성부(164)가 제2 위상 복조부(163)를 통해 재위상 복조된 신호를 필터링시켜 제2 중간 주파수 신호를 생성한다(S430).Thereafter, the second intermediate frequency signal generator 164 filters the rephase demodulated signal through the second phase demodulator 163 to generate a second intermediate frequency signal (S430).

이후, 최종 중간 주파수 신호 생성부(165)가 제2 중간 주파수 신호를 증폭시켜 최종 중간 주파수 신호를 생성한다(S440). 본 실시예에서 최종 중간 주파수 신호 생성부(165)는 제2 중간 주파수 신호에 제1 중간 주파수 신호를 합산시켜 최종 중간 주파수 신호를 얻는다.Thereafter, the final intermediate frequency signal generator 165 amplifies the second intermediate frequency signal to generate a final intermediate frequency signal (S440). In this embodiment, the final intermediate frequency signal generator 165 adds the first intermediate frequency signal to the second intermediate frequency signal to obtain a final intermediate frequency signal.

이후, 위상 계산부(166)가 중간 주파수 성분을 갖는 기준 신호와 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 위상을 계산한다(S450). 위상 계산부(166)가 위상을 계산하는 방법에 대해서는 도 2를 참조하여 전술하였으므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.Thereafter, the phase calculator 166 calculates a phase using the reference signal having the intermediate frequency component and the final intermediate frequency signal (S450). Since the method for calculating the phase by the phase calculator 166 has been described above with reference to FIG. 2, the description thereof is omitted here.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질 적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various modifications, changes, and substitutions may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. It will be possible. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by the embodiments and the accompanying drawings. . The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

본 발명은 아날로그 위상 복조 과정에서 적절한 중간 주파수(50kHz, 10kHz)를 선정하며 다단계 복조 과정을 통하여 효과적인 신호 증폭이 가능하고, 노이즈 영향을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 신호대잡음비를 향상시키고, 분해능 성능을 향상시킴으로써 보다 정밀한 거리 측정이 가능하다.The present invention selects an appropriate intermediate frequency (50 kHz, 10 kHz) in the analog phase demodulation process, and has an advantage of enabling effective signal amplification and reducing noise effects through a multi-step demodulation process. In addition, more accurate distance measurement is possible by improving the signal-to-noise ratio and improving the resolution performance.

본 발명은 3차원 형상 측정이 요구되는 산업 전반에 사용될 수 있다. 즉, 본 발명은 로봇 항법, 자동차 간 거리, 기계 부품의 3차원 형상, 토목 건축물 측량, 조선 항만에서의 기중기 높이 측정, 문화재 건축물의 복원을 위한 형상 측정 등 다양한 분야에 널리 활용될 수 있다.The present invention can be used throughout the industry where three-dimensional shape measurement is required. That is, the present invention can be widely used in various fields such as robot navigation, distance between cars, three-dimensional shape of mechanical parts, civil building surveying, crane height measurement in shipbuilding port, shape measurement for restoration of cultural property building.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너를 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing a laser scanner according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.2 is a block diagram schematically illustrating an apparatus for calculating a phase of an optical signal in a laser scanner according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3은 기존 진폭 변조/위상 복조 방법에 따른 위상과 본 실시예에 따른 위상을 비교하는 그래프이다.3 is a graph comparing a phase according to an existing amplitude modulation / phase demodulation method and a phase according to the present embodiment.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 스캐너에서 광신호의 위상을 계산하는 방법을 도시한 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a method of calculating a phase of an optical signal in a laser scanner according to a preferred embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 레이저 스캐너 110 : 광 발생부100: laser scanner 110: light generating unit

111 : 레이저 다이오드 120 : 광 변조부111 laser diode 120 light modulator

130 : 광 송신부 131 : 스캐너 헤드130: light transmitting unit 131: scanner head

140 : 광 수신부 141 : 집광부140: light receiving unit 141: light collecting unit

150 : 광 검출부 160 : 위상 계산 장치150: light detector 160: phase calculating device

161 : 제1 위상 복조부 162 : 제1 중간 주파수 신호 생성부161: first phase demodulator 162: first intermediate frequency signal generator

163 : 제2 위상 복조부 164 : 제2 중간 주파수 신호 생성부163: second phase demodulator 164: second intermediate frequency signal generator

165 : 최종 중간 주파수 신호 생성부 166 : 위상 계산부165: final intermediate frequency signal generator 166: phase calculator

Claims (18)

미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 관측 대상물로부터 반사된 반사 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 제1 신호 생성부;A first signal generator for generating a first intermediate frequency signal obtained by phase demodulating a reflected signal reflected from an object to be observed using a first reference signal having a predetermined demodulation frequency component; 상기 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 제2 신호 생성부; 및A second signal generator configured to generate a second intermediate frequency signal obtained by phase demodulating the first intermediate frequency signal using a phase shift signal obtained by phase shifting the first reference signal; And 상기 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 상기 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산부A phase calculator for calculating a phase of the reflected signal using a second reference signal having an intermediate frequency component extracted from the first intermediate frequency signal and a final intermediate frequency signal amplified by the second intermediate frequency signal; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.Phase calculation device comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 중간 주파수 신호에 상기 제1 중간 주파수 신호를 합산시켜 상기 최종 중간 주파수 신호를 생성하는 최종 신호 생성부The final signal generator for generating the final intermediate frequency signal by adding the first intermediate frequency signal to the second intermediate frequency signal 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.Phase calculation device further comprising. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 위상 계산부는,The phase calculation unit, 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 기준 출력을 생성하는 기준 출력 생성 모듈;A reference output generation module for generating a reference output that is a product of the second reference signal and the final intermediate frequency signal; 위상 천이된 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 비교 출력을 생성하는 비교 출력 생성 모듈; 및A comparison output generation module for generating a comparison output that is a product of the phase shifted second reference signal and the final intermediate frequency signal; And 상기 기준 출력과 상기 비교 출력 간의 비율값인 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산 모듈A phase calculation module for calculating a phase of the reflected signal that is a ratio value between the reference output and the comparison output 을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.Phase calculation device comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 신호 생성부는,The first signal generator, 상기 제1 기준 신호를 이용하여 상기 반사 신호를 위상 복조시키는 위상 복조부; 및A phase demodulator configured to phase demodulate the reflected signal using the first reference signal; And 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키는 제1 중간 주파수 신호 생성부A first intermediate frequency signal generator configured to filter the phase demodulated signal to generate the first intermediate frequency signal 를 포함하거나,Contains; 상기 제2 신호 생성부는,The second signal generator, 상기 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시키는 위상 복조부; 및A phase demodulator for phase demodulating the first intermediate frequency signal using the phase shift signal; And 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성시키는 제2 중간 주파수 신호 생성부A second intermediate frequency signal generator configured to filter the phase demodulated signal to generate the second intermediate frequency signal 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.Phase calculation device comprising a. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 제1 중간 주파수 신호 생성부는 상기 반사 신호의 주파수 성분과 상기 제1 기준 신호의 주파수 성분 간의 차이값을 주파수 성분으로 하는 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.And the first intermediate frequency signal generator generates the first intermediate frequency signal having a difference value between a frequency component of the reflected signal and a frequency component of the first reference signal as a frequency component. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제1 중간 주파수 신호 생성부는 상기 위상 복조된 신호 중에서 상기 제1 중간 주파수 신호의 주파수 성분보다 크고 상기 반사 신호의 주파수 성분보다 작은 신호를 통과시키는 필터링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.And the first intermediate frequency signal generator comprises a filtering unit configured to pass a signal greater than a frequency component of the first intermediate frequency signal and smaller than a frequency component of the reflected signal among the phase demodulated signals. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 기준 출력 생성 모듈 또는 상기 비교 출력 생성 모듈은 상기 생성된 출력 중 상기 중간 주파수 성분보다 작은 주파수 성분을 갖는 신호를 통과시키는 필터링 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.The reference output generation module or the comparison output generation module includes a filtering module for passing a signal having a frequency component smaller than the intermediate frequency component among the generated outputs. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 신호 생성부는 상기 위상 천이 신호로 상기 기준 복조 신호를 90도 위상 천이시킨 신호를 이용하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.And the second signal generator uses a signal obtained by phase shifting the reference demodulation signal by 90 degrees as the phase shift signal. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 신호 생성부는 상기 제1 기준 신호를 적어도 2회 위상 천이시켜가면서 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 장치.And the second signal generator generates the second intermediate frequency signal by phase shifting the first reference signal at least twice. (a) 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 관측 대상물로부터 반사된 반사 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 단계;(a) generating a first intermediate frequency signal obtained by phase demodulating a reflected signal reflected from an object to be observed using a first reference signal having a predetermined demodulation frequency component; (b) 상기 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 단계; 및(b) generating a second intermediate frequency signal obtained by phase demodulating the first intermediate frequency signal using a phase shift signal obtained by phase shifting the first reference signal; And (c) 상기 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 상기 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 단계(c) calculating a phase of the reflected signal using a second reference signal having an intermediate frequency component extracted from the first intermediate frequency signal and a final intermediate frequency signal amplified by the second intermediate frequency signal; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.Phase calculation method comprising a. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계의 중간 단계는 상기 제2 중간 주파수 신호에 상기 제1 중간 주파수 신호를 합산시켜 상기 최종 중간 주파수 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.The intermediate step of the steps (b) and (c) includes the step of adding the first intermediate frequency signal to the second intermediate frequency signal to generate the final intermediate frequency signal. . 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 (c) 단계는,In step (c), (ca) 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 기준 출력을 생성하는 단계;(ca) generating a reference output that is a product of the second reference signal and the final intermediate frequency signal; (cb) 위상 천이된 상기 제2 기준 신호와 상기 최종 중간 주파수 신호의 곱셈값인 비교 출력을 생성하는 단계; 및(cb) generating a comparison output that is a product of the phase shifted second reference signal and the final intermediate frequency signal; And (cc) 상기 기준 출력과 상기 비교 출력 간의 비율값인 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 단계(cc) calculating a phase of the reflected signal which is a ratio value between the reference output and the comparison output 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.Phase calculation method comprising a. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 (a) 단계는,In step (a), (aa) 상기 제1 기준 신호를 이용하여 상기 반사 신호를 위상 복조시키는 단계; 및(aa) phase demodulating the reflected signal using the first reference signal; And (ab) 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키는 단계(ab) filtering the phase demodulated signal to produce the first intermediate frequency signal 를 포함하거나,Contains; 상기 (b) 단계는,In step (b), (ba) 상기 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시키는 단계; 및(ba) phase demodulating the first intermediate frequency signal using the phase shift signal; And (bb) 상기 위상 복조된 신호를 필터링시켜 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성시키는 단계(bb) filtering the phase demodulated signal to produce the second intermediate frequency signal 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.Phase calculation method comprising a. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 상기 (ab) 단계는 상기 반사 신호의 주파수 성분과 상기 제1 기준 신호의 주파수 성분 간의 차이값을 주파수 성분으로 하는 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키거나, 상기 위상 복조된 신호 중에서 상기 제1 중간 주파수 신호의 주파수 성분보다 크고 상기 반사 신호의 주파수 성분보다 작은 신호를 통과시켜 상기 제1 중간 주파수 신호를 생성시키는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.The step (ab) generates the first intermediate frequency signal having a difference value between the frequency component of the reflected signal and the frequency component of the first reference signal as a frequency component, or the first intermediate frequency signal among the phase demodulated signals. And passing the signal larger than the frequency component of the frequency signal and smaller than the frequency component of the reflected signal to generate the first intermediate frequency signal. 제 12 항에 있어서,13. The method of claim 12, 상기 (ca) 단계 또는 상기 (cb) 단계는 상기 생성된 출력 중 상기 중간 주파수 성분보다 작은 주파수 성분을 갖는 신호를 통과시켜 상기 기준 출력 또는 상기 비교 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.The step (ca) or step (cb) is a phase calculation method characterized in that for generating the reference output or the comparison output by passing a signal having a frequency component smaller than the intermediate frequency component of the generated output. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 (b) 단계는 상기 제1 기준 신호를 적어도 2회 위상 천이시켜가면서 상기 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 위상 계산 방법.And (b) generating the second intermediate frequency signal by phase shifting the first reference signal at least twice. 레이저 광을 발생시키는 광 발생부;A light generator for generating laser light; 상기 발생된 광을 평행광으로 조정하는 광방향 조정부;A light direction adjusting unit which adjusts the generated light into parallel light; 상기 평행광을 대상물로 출력시키는 광 송신부;An optical transmitter for outputting the parallel light to an object; 상기 대상물로부터 반사된 광을 수신하는 광 수신부;A light receiver configured to receive light reflected from the object; 상기 수신된 광을 검출하는 광 검출부; 및A light detector detecting the received light; And 미리 정해진 복조 주파수 성분을 갖는 제1 기준 신호를 이용하여 상기 검출된 광에 기반하는 신호를 위상 복조시킨 제1 중간 주파수 신호를 생성하는 제1 신호 생성부와, 상기 제1 기준 신호를 위상 천이시킨 위상 천이 신호를 이용하여 상기 제1 중간 주파수 신호를 위상 복조시킨 제2 중간 주파수 신호를 생성하는 제2 신호 생성부, 및 상기 제1 중간 주파수 신호로부터 추출된 중간 주파수 성분을 갖는 제2 기준 신호와 상기 제2 중간 주파수 신호를 증폭시킨 최종 중간 주파수 신호를 이용하여 상기 반사 신호의 위상을 계산하는 위상 계산부를 포함하는 위상 계산 장치A first signal generator which generates a first intermediate frequency signal obtained by phase demodulating the signal based on the detected light using a first reference signal having a predetermined demodulation frequency component, and phase shifting the first reference signal A second signal generator configured to generate a second intermediate frequency signal obtained by phase demodulating the first intermediate frequency signal using a phase shift signal, and a second reference signal having an intermediate frequency component extracted from the first intermediate frequency signal; And a phase calculator configured to calculate a phase of the reflected signal by using a final intermediate frequency signal amplified by the second intermediate frequency signal. 를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캐너.Laser scanner comprising a. 제 17 항에 있어서,The method of claim 17, 상기 레이저 스캐너는 상기 대상물로 출력되는 광의 발사각을 변경시키는 스캐너 헤드를 더 포함하며, 상기 스캐너 헤드에 의해 발사각이 변경되는 광을 이용하여 상기 대상물의 일측까지의 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캐너.The laser scanner further comprises a scanner head for changing the firing angle of the light output to the object, the laser scanner, characterized in that for calculating the distance to one side of the object by using the light whose firing angle is changed by the scanner head .
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