KR20210065547A - 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치 및 그 제어 방법, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램 - Google Patents

단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치 및 그 제어 방법, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램 Download PDF

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Abstract

다양한 실시 예에 따르면, 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치에 있어서, 상단부, 하단부 및 상기 상단부의 일부분과 상기 하단부의 일부분에 결합하도록 구성된 투명 윈도우를 포함하는 원통형 하우징, 상기 투명 윈도우의 내에 배치되고, 레이저, 수직 구동 장치 및 이미지 센서를 포함하는 조립체, 상기 조립체의 하단에 위치되고, 상기 조립체가 수평 회전하도록 구성된 수평 구동 장치를 포함하며, 상기 수직 구동 장치는, 상기 조립체가 수직 회전하도록 구성될 수 있다.

Description

단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치 및 그 제어 방법, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램{3 DIMENSION SCANNING UNDERWATER LIDAR DEVICE USING SINGLE LASER BEAM AND METHOD, COMPUTER-READABLE STORAGE MEDIUM AND COMPUTER PROGRAM FOR CONTROLLING THEREOF}
본 발명은 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치 및 그 제어 방법, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
어뢰와 같이 수중에서 고속으로 이동하는 수중 운동체를 탐지 및 추적하기 위한 센서로는 음향 센서, 자기 센서, 광학 센서 등의 다양한 센서들이 있다. 그러나, 어뢰의 정숙화 및 강화 플라스틱 재질의 외형 채택 등과 같은 스텔스화 추세에 따라, 음향 센서 및 자기 센서 방식의 수중 운동체 탐지 기술은 여러 제약 사항이 있다. 이에 따라, 이러한 방식의 대안으로, 광학 센서를 이용한 수중 운동체 탐지 기술이 대두되고 있다.
라이다(LIDAR; light detection and ranging) 장치(시스템이라고도 함)는 레이저 광원을 표적에 조사하고, 이에 따라 반사되는 반사광을 탐지한 후 도플러 효과를 이용하여 표적에 대한 거리를 측정하는 레이저 기반 표적 탐지 및 거리 측정 장비이다.
종래에는 항공 및 지상 라이다 장치가 개발되어, 상기 항공 및 지상 라이다 장치가 장애물 탐지, 표적 탐지 및 표적 추적 기능을 수행하도록 하고 있으며, 최근에는 수중에서의 투과성이 좋은 청록 레이저 등의 수중 레이저가 개발되어, 상기 수중 레이저가 적용된 수중 라이다 장치가 상용화되어 판매되고 있다.
미국 공개 특허 2011/0216304 및 2012/0170029에 따르면, 종래에 개발된 수중 라이다 장치는 파장이 짧고 직진성이 좋은 레이저 광원을 사용하였기 때문에, 주로 기계적 회전 장치 구조물 위에 라이다 장치를 마운트하고 이를 수평 및 수직 방향으로 회전하도록 구동하여 3차원 스캐닝 기능을 수행하는 기술이 적용되고 있다. 이러한 종래의 마운트 타입의 3차원 스캐닝 기능을 수행하는 수중 라이다 장치는 대부분 고가이며, 장치의 크기가 크고 스캐닝 속도가 느린 단점이 있다.
한국 출원 특허 10/2016/0002772에 따르면, 종래에는 레이저 광원부 근처에 반사경(회전 거울이라고도 함)을 부착하여, 상기 반사경을 고속으로 회전시켜 레이저 광원이 굴절되도록 함으로써, 2차원 또는 3차원 스캐닝을 가능하게 하는 기술이 있다. 그러나, 이러한 반사경 방식이 적용된 장치의 경우, 소형화는 가능하지만 상대적으로 라이다 장치의 구조가 복잡해져서 라이다 장치의 제작이 어려운 단점이 있다.
또한, 종래에 개발된 기계적 회전 장치 구조물 위에 마운트되는 수중 라이다 장치는, 마운트 구동부로 인한 빔폭 제약 사항이 발생할 수 있기 때문에 3차원 전방향 스캐닝(panorama scanning)을 위해서는 다수의 라이다를 탑재해야 하는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명의 실시 예는, 상술한 종래의 수중 라이다 장치의 단점 및 문제를 해결하여 단일 레이저 빔으로도 3차원 전방향 스캐닝이 가능한 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치 및 그 제어 방법, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 수중 라이다 장치는 단일 레이저 빔과 상기 단일 레이저 빔이 부착된 조립체가 수평 및 수직의 2축으로 구동되도록 하는 2개의 구동 모터를 포함하는 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치를 제공할 수 있다. 상기와 같이 단일 레이저 빔 및 2개의 구동 모터를 포함하는 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치는 종래의 라이다 장치에 비해 저렴한 비용으로 간단하게 제작될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치에 있어서, 상단부, 하단부 및 상기 상단부의 일부분과 상기 하단부의 일부분에 결합하도록 구성된 투명 윈도우를 포함하는 원통형 하우징; 상기 투명 윈도우의 내에 배치되고, 레이저, 수직 구동 장치 및 이미지 센서를 포함하는 조립체; 상기 조립체의 하단에 위치되고, 상기 조립체가 수평 회전하도록 구성된 수평 구동 장치를 포함하며, 상기 수직 구동 장치는, 상기 조립체가 수직 회전하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 투명 윈도우는, 광 투과가 가능한 링 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 수직 구동 장치는, 적어도 하나의 모터 및 상기 적어도 하나의 모터의 구동에 의해 상기 조립체가 회전되도록 하는 회전 기어를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 수평 구동 장치는, 상기 조립체의 하단에 배치되는 짐벌, 상기 짐벌의 측면에 위치되는 적어도 하나의 모터, 및 상기 적어도 하나의 모터에 의해 상기 짐벌이 수평 회전하도록 하는 연결 벨트를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 하단부의 적어도 일부에는, 제어 장치와 연결되는 신호 배선을 통과시키기 위한 홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치는 상기 제어 장치를 더 포함하며, 상기 제어 장치는, 상기 레이저를 이용하여 빔을 조사하며, 상기 빔을 조사하는 동안, 상기 조립체가 수평 방향 및 수직 방향 중 적어도 하나의 방향으로 회전되도록 상기 수직 구동 장치 및 상기 수평 구동 장치 중 적어도 하나를 제어하며, 상기 이미지 센서의 상기 빔에 대응하는 반사광의 수광에 기초하여, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 표적 간의 거리를 결정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 제어 방법에 있어서, 빔이 조사되도록 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 레이저를 제어하는 동작; 상기 빔이 조사되는 동안 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치에 포함된 이미지 센서가 수평 방향 및 수직 방향 중 적어도 하나의 방향으로 회전되도록 하나 이상의 구동 장치를 구동시키는 동작; 및 상기 이미지 센서의 상기 빔에 대응하는 반사광의 수광에 기초하여, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 표적 간의 거리를 결정하는 동작을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 상기 표적 간의 거리는, 이미지 센서의 초점면 중심으로부터의 픽셀 수, 픽셀 피치당 라디안, 지정된 라디안 오프셋, 및 상기 레이저와 상기 이미지 센서 간의 거리에 기초하여, 결정될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독 가능 기록매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 빔이 조사되도록 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 레이저를 제어하는 동작; 상기 빔이 조사되는 동안 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치에 포함된 이미지 센서가 수평 방향 및 수직 방향 중 적어도 하나의 방향으로 회전되도록 하나 이상의 구동 장치를 구동시키는 동작; 및 상기 이미지 센서의 상기 빔에 대응하는 반사광의 수광에 기초하여, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 표적 간의 거리를 결정하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 빔이 조사되도록 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 레이저를 제어하는 동작; 상기 빔이 조사되는 동안 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치에 포함된 이미지 센서가 수평 방향 및 수직 방향 중 적어도 하나의 방향으로 회전되도록 하나 이상의 구동 장치를 구동시키는 동작; 및 상기 이미지 센서의 상기 빔에 대응하는 반사광의 수광에 기초하여, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 표적 간의 거리를 결정하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치 및 그 제어 방법, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램은, 단일 레이저 및 2축 구동 모터를 포함하는 원통형 구조의 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치를 제공할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 상기 원통형 구조의 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치는, 부유식 기만기나 무임 잠수정과 같은 원통형 구조의 수중 물체에 탑재하기가 용이할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 원통형 구조의 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치는, 종래의 수중 라이다 장치에 비해 단순한 구조적 특성을 가지며, 이에 따라 저렴한 비용으로 간편하게 제작될 수 있으며, 소형화할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 수중 라이다 장치의 세부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 수중 라이다 장치의 수직 구동 장치의 내부 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 레이저 빔을 이용한 수중 라이다 장치의 표적 거리 측정 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 레이저를 이용한 수중 라이다 장치의 3차원 전방향 스캐닝 패턴의 예를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중 라이다 장치의 활용 분야를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 제어 동작의 흐름도이다.
먼저, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 여기에서, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 범주를 명확하게 이해할 수 있도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것이므로, 본 발명의 기술적 범위는 청구항들에 의해 정의되어야 할 것이다.
아울러, 아래의 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성 등에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들인 것으로, 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 그 정의는 본 명세서의 전반에 걸쳐 기술되는 기술사상을 토대로 이루어져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 수중 라이다 장치(100)는, 레이저(103), 이미지 센서(105), 및/또는 하나 이상의 구동 장치(107)를 포함할 수 있다. 레이저(103)는, 빔을 조사할 수 있으며, 예를 들어, 블루 또는 그린 레이저일 수 있다.
이미지 센서(103)는 CCD 센서(CCD 이미지 센서)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서는, 상기 레이저(103)의 반사광을 탐지하는데 이용될 수 있다.
하나 이상의 구동 장치(107)은 수중 라이다 장치(100)의 적어도 일부가 수직 및/또는 수평 회전을 제어하기 위한 하나 이상의 장치를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 구동 장치(107)는, 수평 구동 장치 및 수직 구동 장치를 포함할 수 있다. 상기 수평 구동 장치 및 상기 수직 구동 장치의 세부 구성은 아래에 후술하였다.
추가로, 상기 수중 라이다 장치(100)는, 제어 장치(101)를 포함하거나, 통신 장치(109)를 포함하여 외부의 제어 장치(100)로부터 제어 신호를 수신할 수도 있다.
제어 장치(101)(제어부, 제어 회로 또는 프로세서라고도 함)는 연결된 수중 라이다 장치(100)의 적어도 하나의 다른 구성 요소(예: 하드웨어 구성 요소(예: 레이저(103), 이미지 센서(105), 하나 이상의 구동 장치(107) 및/또는 통신 장치(109)) 또는 소프트웨어 구성 요소)를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다.
통신 장치(109)는 수중 라이다 장치(100)와 외부 장치(예: 제어 장치(101))간의 유선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 예를 들어, 통신 장치(109)는 무선 통신 모듈 (예: 셀룰러 통신 모듈, 와이파이 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, 또는 GNSS(global navigation satellite system) 통신 모듈)을 포함하여, 외부 장치와 통신할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 수중 라이다 장치(100)는, 상단부, 하단부 및 상기 상단부의 일부분과 상기 하단부의 일부분에 결합하도록 구성된 투명 윈도우를 포함하는 원통형 하우징을 포함할 수 있다. 상기 레이저(103) 및 상기 이미지 센서(105)는, 투명 윈도우 내에 배치되는 조립체에 포함될 수 있다. 상기 조립체에는 상기 조립체가 수직 회전되도록 구성된 상기 수직 구동 장치가 더 포함될 수 있다. 상기 수중 라이다 장치(100)는 상기 조립체가 수평 회전하도록 구성된 상기 수평 구동 장치를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 투명 윈도우는, 광 투과가 가능한 링 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 수직 구동 장치는, 적어도 하나의 모터 및 상기 적어도 하나의 모터의 구동에 의해 상기 조립체가 회전되도록 하는 회전 기어를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 수평 구동 장치는, 상기 조립체의 하단에 배치되는 짐벌, 상기 짐벌의 측면에 위치되는 적어도 하나의 모터, 및 상기 적어도 하나의 모터에 의해 상기 짐벌이 수평 회전하도록 하는 연결 벨트를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 하단부의 적어도 일부에는, 상기 제어 장치(101)와 연결되는 신호 배선을 통과시키기 위한 홀이 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어 장치(101)는 상기 레이저(103)를 이용하여 빔을 조사하며, 상기 빔을 조사하는 동안, 상기 조립체(201)가 수평 방향 및 수직 방향 중 적어도 하나의 방향으로 회전되도록 상기 하나 이상의 구동 장치, 예를 들어, 수직 구동 장치 및 상기 수평 구동 장치 중 적어도 하나를 제어하며, 상기 이미지 센서(105)의 상기 빔에 대응하는 반사광의 수광에 기초하여, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치(100)와 표적 간의 거리를 결정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치(예: 수중 라이다 장치(100))는, 360도 전방향(panorama) 레이저 조사(illumination)를 위해, 레이저 투과가 가능한 유리막 케이스의 원통형 구조(201)(하우징이라고도 함)일 수 있다. 예를 들어, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치는 수밀이 가능한 광 센서 케이스(하우징 이라고도 함)의 구조를 가질 수 있다. 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 원통형 구조(201)는 상단부(203), 투명 윈도우(205) 및 하단부(207)를 포함하는 조립체일 수 있다. 투명 윈도우(205)는, 상하 각도 조절이 가능한 레이저(103) 및 CCD 센서 (211)를 포함하는 조립체(213)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 투명 윈도우(205)는 광 투과가 가능한 링 형태일 수 있다. 하단부(207)는 상기 레이저(103) 및 상기 CCD 센서(211)와 신호 배선을 연결하기 위한 신호 배선홀(215)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 신호 배선은, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 제어 장치(예: 제어 장치(101))와 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저(103)는 단일 레이저일 수 있으며, 상기 CCD 센서(211)는 상기 레이저(103)의 반사광을 탐지하는데 이용될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 수중 라이다 장치의 세부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 3차원 수중 라이다 장치(예: 수중 라이다 장치(100))의 원통형 구조(예: 원통형 구조(201))의 내부, 즉, 케이스 내부에는 레이저(103) 및 CCD 센서(211)를 포함하는 조립체(213)가 배치(포함)될 수 있다. 예를 들어, 상기 조립체(213)는 도 3b와 같이, 레이저(103) 및 CCD 센서(211)가 일자형으로 배치된 일자형 조립체일 수 있다. 상기 조립체(213)의 중앙, 예를 들어, 레이저(103) 및 CCD 센서(211) 사이에는 수직 구동 장치(309)가 배치(위치)될 수 있다. 즉, 상기 조립체(213)는 레이저(103), 수직 구동 장치(309) 및 CCD 센서(211)가 일자형으로 배치될 수 있다. 상기 조립체(213)의 하단에는 짐벌(301)이 배치되고, 상기 짐벌(301)은 수평 회전 모터(수평 구동 모터라고도 함)(303)의 구동에 의해, 연결 벨트(수평축 회전 연결선이라고도 함)(305)에 의해 수평으로 회전할 수 있으며, 이에 따라 상기 조립체(213)가 수평 회전을 하도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 짐벌(301), 상기 수평 회전 모터(303) 및 상기 연결 벨트(306)를 포함하는 구성을 수평 구동 장치라고 할 수 있다. 조립체(213)의 중앙에는 조립체(213)의 수직 구동 위한 수직 구동 장치(309)가 내장되어 있다. 상기 수직 구동 장치(309)의 구동에 따라, 상기 조립체(213)가 수직 회전을 할 수 있다. 예를 들어, 도 3c를 참조하면 상기 수직 구동 장치(309)의 구동에 따라 조립체(213)는 수직 구동축(313)을 중심으로 회전할 수 있다. 상기 수평 회전 모터(303) 및 상기 수직 구동 장치(309)를 통해, 상기 조립체(213)는 360도 수평 회전 중에 상하 수직 회전을 함으로써, 상기 조립체(213)에 포함된 CCD 센서(211)는 360도 전방향 스캐닝을 수행할 수 있게 된다. 예를 들어, 도 3c를 참조하면, 표적(311)이 수평축(315) 및/또는 수직축(317)으로 위치 이동하더라도, 상기 수평 회전 모터(303) 및/또는 상기 수직 구동 장치(309)의 구동에 따라, 조립체(213)에 포함된 레이저(103)는 레이저 빔을 360도 전방향으로 조사할 수 있으며, 상기 CCD 센서(211)는 위치 이동하는(위치 이동된) 표적(311)으로부터 상기 레이저 빔의 반사광을 감지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 수중 라이다 장치(예: 수중 라이다 장치(100))의 수직 구동 장치의 내부 구성도이다.
도 4를 참조하면, 수직 구동 장치(309)는, 내장 모터(401) 및 회전 기어(403)를 포함할 수 있으며, 상기 내장 모터(401)의 구동에 의해, 상기 회전 기어(403)는 조립체(213)의 수직 구동축(313)을 기준으로 회전될 수 있으며, 이에 따라, 조립체(213)가 회전될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 레이저 빔을 이용한 수중 라이다 장치의 표적 거리 측정 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 수장 라이다 장치(예: 수중 라이다 장치(100))는, CCD 센서(211)를 포함하는 카메라(501)를 포함할 수 있으며, 상기 카메라(501)는 렌즈(503)를 추가로 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 수중 라이다 장치가 레이저(103)를 이용하여 단일 레이저 빔을 조사하는 경우, 상기 단일 레이저 빔의 조사에 따라 표적(311)으로부터 반사된 빛은 CCD 센서(211)에 감응될 수 있으며, 상기 수중 라이다 장치는, CCD 센서(211)의 픽셀의 감응 위치와 레이저(103)의 거리간의 상관 관계를 이용하여 상기 수중 라이다 장치로부터 표적(311)의 거리(D)를 기하학적으로 산출할 수 있다.
예를 들어, 상기 수중 라이다 장치는, 상기 수중 라이다 장치의 CCD 센서(211)와 표적(311) 간의 거리(θ)를 다음의 수학식 1을 이용하여 계산할 수 있다.
[수학식 1]
θ=pfc ⅹ rpc + ro
pfc: 초점면(focal plane) 중심으로부터의 픽셀 수(number of pixels from center of focal plane), rpc: 픽셀 피치당 라디안(radians per pixel pitch), ro: 라디안 오프셋(radian offset)(정렬 오류에 대한 보상(보정))
예를 들어, 상기 수중 라이다 장치는, 상기 수중 라이다 장치의 레이저(103)와 표적(311) 간의 거리(d)를 다음의 수학식 2를 이용하여 계산할 수 있다.
[수학식 2]
d=h/tanθ
(h: 레이저와 CCD 센서 간의 거리)
예를 들어, 상기 수중 라이다 장치는, 상기 수중 라이다 장치로부터 표적(311)의 거리(D)는 다음의 수학식 3을 이용하여 계산할 수 있다.
[수학식 3]
D=h/tan(pfc ⅹ rpc + ro)
일 실시 예에 따르면, 상기 수중 라이다 장치는 CCD 센서(211)의 감응 시, 조립체(예: 조립체(213))의 수평 각도 및 수직 각도를 상기 조립체의 수평 회전 모터(예: 수평 회전 모터(303)) 및 수직 구동 장치(309)의 내장 모터(401)의 신호로부터 구할 수 있기 때문에, 상기 수중 라이다 장치는, 상기 수중 라이다 장치의 중심으로부터 360도 전방향 중 어느 한 방향에 존재하는 표적(311)의 3차원 거리 정보(X,Y,Z)를 산출할 수 있다.
이러한 상기 수중 라이다 장치는, 음향 센서나 자기 센서 보다 정확하게 표적과의 거리 및 표적의 방위 추출이 가능하며, 레이저의 출력에 따라 원거리 표적 탐지 센서로도 이용될 수 있다. 또한, 상기 수중 라이다 장치는, 어뢰와 같은 고속 수중 운동체의 거리, 방위 및/또는 속도 정보를 획득하는데도 용이하기 때문에 상기 고속 수중 운동체의 거리, 방위 및/또는 속도 정보를 이용하는 어뢰대항체계에서도 높은 활용성을 기대할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 레이저(예: 레이저(103))를 이용한 수중 라이다 장치의 3차원 전방향 스캐닝 패턴의 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 수중 라이다 장치(100)는, 수중 라이다 장치(100)의 조립체(예: 조립체(213))의 수평 및 수직 회전에 의해 레이저 빔이 조사될 경우, 도 6과 같은 3차원 스캐닝 패턴(601)을 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 수중 라이다 장치(100)는, 상기 조립체의 수평 회전 모터(예: 수평 회전 모터(303)) 및/또는 수직 구동 장치(예: 수직 구동 장치(309))의 내장 모터(예: 내장 모터(401))의 속도 제어를 통해, 상기 3차원 스캐닝 패턴(601)의 형성을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 조립체의 상기 수평 회전 모터 및/또는 상기 수직 구동 장치의 상기 내장 모터의 속도에 따라, 고속 또는 저속의 3차원 스캐닝이 가능하기 때문에, 상기 수중 라이다 장치(100)는 원거리 표적 탐색 시에는 저속 스캐닝 모드를 이용할 수 있으며, 근거리 표적 탐색 시에는 고속 스캐닝 모드를 적용하여 표적의 특성에 맞게 스캐닝 속도를 제어할 수 있다. 이를 통해 상기 수중 라이다 장치(100)는 표적 정보를 용이하게 획득할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중 라이다 장치의 활용 분야를 설명하기 위한 도면이다.
일 실시 예에 따르면, 수중 라이다 장치(100)는 부유식 기만기나 어뢰 형상의 소형 수중 운동체 내부에 내장 되어, 주변 환경이나 이동 표적의 스캐닝에 이용될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 수중 라이다 장치(100)는 부유식 기만기(700)의 일부분에 부착(배치)되어, 레이저 빔을 조사할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 수중 라이다 장치(100)는 부유식 기만기(700)의 어뢰 위치 탐지 센서(100)로 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 부유식 기만기(700)는 부유 장치(701) 및 음향 센서(703)를 포함할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 공격 함정(70)이 711 동작에서 어뢰(71)를 발사하는 경우, 713 동작에서 함정(700)은 부유식 기만기(700)를 발사(투하라고도 함)할 수 있다. 예를 들어, 부유식 기만기(700)의 발사는, 함정(700)의 어뢰 공격 방어 장치(미도시)가 종래의 어뢰 음향 대항 시스템의 운용 방식과 같이 공격 어뢰(71)의 공격 방위를 감지(탐지, 확인)하여 실행할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 투하된 상기 부유식 기만기(700)는 715 동작에서 음향 센서(705)를 이용하여, 어뢰(71)에 대한 함정 방사음 기만을 통해 어뢰(71)를 음향 유도할 수 있다. 예를 들어, 상기 부유식 기만기(700)는 음향 센서(201)를 이용한 방사음 출력을 통해 상기 어뢰(503)를 음향 유도할 수 있다. 상기의 715 동작에 따라, 상기 어뢰(71)가 부유식 기만기(700)로 접근할 경우, 부유식 기만기(700)는 717 동작에서 부유식 기만기(700)의 어뢰 위치 탐지 센서(100)인 수중 라이다 장치(100)를 이용하여 어뢰(71)의 방위 확인 및 상기 확인된 방위에 대응하는 정보를 함정(700)의 어뢰 공격 방어 장치로 전송할 수 있다. 예를 들어, 상기 부유식 기만기(700)는 수중 라이다 장치(100)는 수중 라이다 장치(100)의 조립체(예: 조립체(213))의 수평 및/또는 수직 회전을 제어하면서 레이저(예: 레이저(103)가 레이저 빔을 조사하도록 제어할 수 있으며, CCD 센서(예: CCD 센서(211))는 공격 어뢰(71)로부터 상기 레이저 빔의 반사광을 감지할 수 있다. 예를 들어, 상기 부유식 기만기(700)는 상기 레이저 빔의 반사광에 기초하여 상기 공격 어뢰(71)의 방위(위치 정보라고도 함)를 확인할 수 있다. 상기 부유식 기만기(700)는 상기 부유식 기만기(700)의 어뢰 위치 전송기(통신 장치라고도 함)(미도시)를 통해 함정(700)의 어뢰 공격 방어 장치로 상기 확인된 방위에 대응하는 정보를 전송할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 제어 동작의 흐름도이다.
801 동작에서, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치(예: 수중 라이다 장치(100) 또는 상기 수중 라이다 장치(100)의 제어 장치(101))는, 빔이 조사되도록 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 레이저를 제어할 수 있다.
803 동작에서, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치는, 상기 빔이 조사되는 동안 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치에 포함된 이미지 센서가 수평 방향 및 수직 방향 중 적어도 하나의 방향으로 회전되도록 하나 이상의 구동 장치를 구동시킬 수 있다.
805 동작에서, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치는, 상기 이미지 센서의 상기 빔에 대응하는 반사광의 수광에 기초하여, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 표적 간의 거리를 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 상기 표적 간의 거리는, 이미지 센서의 초점면 중심으로부터의 픽셀 수, 픽셀 피치당 라디안, 지정된 라디안 오프셋, 및 상기 레이저와 상기 이미지 센서 간의 거리에 기초하여, 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치는, 상술한 수학식 1 내지 3을 이용하여 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 상기 표적 간의 거리를 산출할 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들은 기기(machine)(예: 컴퓨터)로 읽을 수 있는 저장 매체(machine-readable storage media)(예: 메모리(215)(내장 메모리 또는 외장 메모리))에 저장된 명령어를 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램)로 구현될 수 있다. 기기는, 저장 매체로부터 저장된 명령어를 호출하고, 호출된 명령어에 따라 동작이 가능한 장치로서, 개시된 실시예들에 따른 전자 장치(예: 전자 장치(200))를 포함할 수 있다. 상기 명령이 프로세서(예: 프로세서(201))에 의해 실행될 경우, 프로세서가 직접, 또는 상기 프로세서의 제어하에 다른 구성요소들을 이용하여 상기 명령에 해당하는 기능을 수행할 수 있다. 명령은 컴파일러 또는 인터프리터에 의해 생성 또는 실행되는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장매체는, 비일시적(non-transitory) 저장매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장매체가 신호(signal)를 포함하지 않으며 실재(tangible)한다는 것을 의미할 뿐 데이터가 저장매체에 반영구적 또는 임시적으로 저장됨을 구분하지 않는다.
일시예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 등이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 즉, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술되는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치에 있어서,
    상단부, 하단부 및 상기 상단부의 일부분과 상기 하단부의 일부분에 결합하도록 구성된 투명 윈도우를 포함하는 원통형 하우징;
    상기 투명 윈도우의 내에 배치되고, 레이저, 수직 구동 장치 및 이미지 센서를 포함하는 조립체;
    상기 조립체의 하단에 위치되고, 상기 조립체가 수평 회전하도록 구성된 수평 구동 장치를 포함하며,
    상기 수직 구동 장치는, 상기 조립체가 수직 회전하도록 구성되는 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 투명 윈도우는,
    광 투과가 가능한 링 형태로 구성된 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 수직 구동 장치는,
    적어도 하나의 모터 및
    상기 적어도 하나의 모터의 구동에 의해 상기 조립체가 회전되도록 하는 회전 기어를 포함하는 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 수평 구동 장치는,
    상기 조립체의 하단에 배치되는 짐벌,
    상기 점벌의 측면에 위치되는 적어도 하나의 모터, 및
    상기 적어도 하나의 모터에 의해 상기 짐벌이 수평 회전하도록 하는 연결 벨트를 포함하는 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 하단부의 적어도 일부에는,
    제어 장치와 연결되는 신호 배선을 통과시키기 위한 홀이 형성된 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제어 장치를 더 포함하며,
    상기 제어 장치는,
    상기 레이저를 이용하여 빔을 조사하며,
    상기 빔을 조사하는 동안, 상기 조립체가 수평 방향 및 수직 방향 중 적어도 하나의 방향으로 회전되도록 상기 수직 구동 장치 및 상기 수평 구동 장치 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 이미지 센서의 상기 빔에 대응하는 반사광의 수광에 기초하여, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 표적 간의 거리를 결정하는 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치.
  7. 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 제어 방법에 있어서,
    빔이 조사되도록 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 레이저를 제어하는 동작;
    상기 빔이 조사되는 동안 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치에 포함된 이미지 센서가 수평 방향 및 수직 방향 중 적어도 하나의 방향으로 회전되도록 하나 이상의 구동 장치를 구동시키는 동작; 및
    상기 이미지 센서의 상기 빔에 대응하는 반사광의 수광에 기초하여, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 표적 간의 거리를 결정하는 동작을 포함하는 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 제어 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 상기 표적 간의 거리는,
    이미지 센서의 초점면 중심으로부터의 픽셀 수, 픽셀 피치당 라디안, 지정된 라디안 오프셋, 및 상기 레이저와 상기 이미지 센서 간의 거리에 기초하여, 결정되는 단일 레이저 빔을 이용한 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 제어 방법.
  9. 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독 가능 기록매체로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면,
    빔이 조사되도록 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 레이저를 제어하는 동작;
    상기 빔이 조사되는 동안 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치에 포함된 이미지 센서가 수평 방향 및 수직 방향 중 적어도 하나의 방향으로 회전되도록 하나 이상의 구동 장치를 구동시키는 동작; 및
    상기 이미지 센서의 상기 빔에 대응하는 반사광의 수광에 기초하여, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 표적 간의 거리를 결정하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
  10. 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램으로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면,
    빔이 조사되도록 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치의 레이저를 제어하는 동작;
    상기 빔이 조사되는 동안 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치에 포함된 이미지 센서가 수평 방향 및 수직 방향 중 적어도 하나의 방향으로 회전되도록 하나 이상의 구동 장치를 구동시키는 동작; 및
    상기 이미지 센서의 상기 빔에 대응하는 반사광의 수광에 기초하여, 상기 3차원 스캐닝 수중 라이다 장치와 표적 간의 거리를 결정하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 프로그램.
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