KR20220013059A - 반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법 - Google Patents

Abstract

반사판 기반 레이저 감지 장치는 정해진 파장의 레이저 신호를 송출하고, 상기 레이저 신호가 반사판에 의해 반사되어 되돌아오는 반사 펄스 신호를 포함하는 수신 신호로부터 상기 정해진 파장을 포함하는 제1 파장대역의 신호와 상기 제1 파장대역에 인접한 제2 파장대역의 신호를 검출하며, 상기 제2 파장대역의 신호를 이용하여 상기 제1 파장대역의 신호에서 상기 제1 파장대역의 외란광 노이즈를 제거하여 상기 반사 펄스 신호를 검출한다. 그리고 검출된 상기 반사 펄스 신호의 SNR(Signal-to-noise ratio)을 토대로 상기 제2 파장대역의 신호를 제어하여 상기 반사 펄스 신호의 SNR이 최적화시킨다.

Description

반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법{LASER DETECTOR BASED REFLECTOR AND METHOD FOR REDUCING DISTURBANCE LIGHT NOISE THEREOF}

본 발명은 반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법에 관한 것으로, 특히 특정 파장대역의 레이저 광을 사용하는 반사판 기반 레이저 감지 장치에서 송출되는 레이저 신호와 동일한 파장 대역을 갖는 외란광 노이즈 신호를 효율적으로 제거할 수 있는 반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법에 관한 것이다.

적외선 발광 다이오드(Emitter) 및 레이저 다이오드는 매우 오랜 기간 보안업계의 센서 응용으로 널리 사용되고 있다. 특히, 레이저 다이오드는 최근 10여년 동안 광 변환 효율 및 가격 경쟁력이 크게 개선되어 보안업계뿐만 아니라 IoT(Internet of Things) 센서, 라이다(Light Detection and Ranging, Lidar) 용의 자율주행 차량 업계에서도 그 수요가 폭발적으로 증가되고 있다.

레이저 다이오드 기반의 광학 시스템은 기본적으로 송출한 신호 광원을 수신하기 위해 포토 다이오드 또는 포토 트랜지스터 소자를 수신기에 사용하고 있다. 하지만, 지금까지 모든 관련 업계가 직면하고 있는 가장 큰 문제점은 태양광 노이즈와 같이 강력한 외란광 노이즈가 포토 다이오드에 입사되었을 때, 포토 다이오드 자체가 포화되어 송신기에서 송출한 레이저 신호 자체를 수신할 수 없게 된다는 점이다.

태양광은 많은 파장대역의 광 스펙트럼을 포함하고 있다. 태양광이 존재하는 환경에서 특정 파장대역의 레이저 광원을 사용하는 반사판 기반 레이저 감지 장치의 경우, 송출되는 레이저 신호와 동일 파장대역을 갖는 태양광 신호는 노이즈로 작용하여 수신기의 수신 효율을 저하시킨다.

일반적으로, 이러한 태양광 노이즈 제거를 위해 가장 많이 사용하는 방법은 송신기에서 레이저 신호에 펄스 변조 기법을 적용하거나, 수신기에서 대역통과 광 필터(optic filter)를 적용하는 방법이다. 하지만, 이 방법들도 레이저 신호와 동일 파장대역을 갖는 태양광 노이즈 신호는 제거할 수 없으며, 직사광선과 같이 동일 파장대역을 갖는 태양광 노이즈가 매우 강할 경우에는 포토 다이오드의 포화(보통 수백 mV)를 야기한다. 포토 다이오드가 태양광 노이즈로 인해 포화되는 경우에는 송신기에서 송출한 레이저 신호 자체를 받을 수 없다.

태양광 노이즈가 포토 다이오드에 입사되었을 때, 송신기에서 송출한 레이저 신호의 수신 효율 저감 없이 이론적으로 태양광 노이즈 영향을 완전히 없앨 수 있는 수신기 자체도 존재하지 않을 뿐만 아니라, 태양광 노이즈에 매우 강한 내성을 갖는 수신기 또한 전무한 실정이다. 따라서, 수신기의 수신 효율을 향상시켜 제품의 성능 확보를 위해서는 태양광 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 방법이 필요하다.

본 발명이 해결하려는 과제는 특정 파장대역의 레이저 광원을 사용하는 반사판 기반 레이저 감지 장치에서 송출되는 레이저 펄스 신호와 동일한 파장대역을 갖는 외란광 노이즈 신호를 효율적으로 제거할 수 있는 반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 반사판 기반 레이저 감지 장치에서 외란광 노이즈를 제거하는 방법이 제공된다. 외란광 노이즈 제거 방법은 정해진 파장의 레이저 신호를 송출하는 단계, 상기 레이저 신호가 반사판에 의해 반사되어 되돌아오는 반사 펄스 신호를 포함하는 수신 신호로부터 상기 정해진 파장을 포함하는 제1 파장대역의 신호와 상기 제1 파장대역에 인접한 제2 파장대역의 신호를 검출하는 단계, 상기 제2 파장대역의 신호를 이용하여 상기 제1 파장대역의 신호에서 상기 제1 파장대역의 외란광 노이즈를 제거하여 상기 반사 펄스 신호를 검출하는 단계, 그리고 검출된 상기 반사 펄스 신호의 SNR(Signal-to-noise ratio)을 토대로 상기 제2 파장대역의 신호를 제어하여 상기 반사 펄스 신호의 SNR이 최적화시키는 단계를 포함한다.

상기 반사 펄스 신호를 검출하는 단계는 상기 제1 및 제2 파장대역의 신호를 각각 제1 및 제2 전기신호로 변환하는 단계, 그리고 상기 제1 전기 신호와 상기 제2 전기 신호의 전압 차에 해당하는 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 최적화시키는 단계는 현재 반사 펄스 신호의 SNR과 직전 반사 펄스 신호의 SNR을 비교하여, 상기 제2 전기 신호의 전압을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 반사 펄스 신호를 검출하는 단계는 상기 전압 차에 해당하는 신호를 증폭시켜 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 최적화시키는 단계는 상기 제1 전기 신호와 상기 제2 전기 신호의 전압 차에 해당하는 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 단계, 그리고 상기 디지털 신호로부터 SNR을 계산하여 메모리에 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 외란광 노이즈 제거 방법은 상기 검출된 반사 펄스 신호로부터 침입 감지를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 외란광은 태양광을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 한 실시 예에 따르면, 반사판 기반 레이저 감지 장치가 제공된다. 반사판 기반 레이저 감지 장치는 송신부, 수신부, 그리고 제어부를 포함한다. 상기 송신부는 정해진 파장의 레이저 신호를 송출한다. 상기 수신부는 상기 레이저 신호가 반사판에 의해 반사되어 되돌아오는 반사 펄스 신호를 포함하는 수신 신호로부터 상기 정해진 파장을 포함하는 제1 파장대역의 신호와 상기 제1 파장대역에 인접한 제2 파장대역의 신호를 검출하고, 상기 제2 파장대역의 신호를 이용하여 상기 제1 파장대역의 신호에서 상기 제1 파장대역의 외란광 노이즈를 제거하여 상기 반사 펄스 신호를 검출하며, 상기 제2 파장대역의 신호를 제어하여 상기 반사 펄스 신호의 SNR(Signal-to-noise ratio)을 최적화시킨다. 그리고 상기 제어부는 상기 반사 펄스 신호를 이용하여 서비스를 제공한다.

상기 제어부는 상기 제1 파장대역의 외란광 노이즈가 제거된 제1 파장대역의 신호를 이용하여 침입 감지를 수행할 수 있다.

상기 수신부는 상기 수신 신호로부터 상기 제1 파장대역의 신호와 상기 제2 파장대역의 신호를 각각 검출하기 위한 제1 및 제2 대역통과 광 필터, 상기 제1 파장대역의 신호와 상기 제2 파장대역의 신호를 각각 제1 및 제2 전기 신호로 변환하는 제1 및 제2 포토 다이오드, 그리고 상기 제1 파장대역의 외란광 노이즈 제거를 위해 상기 제1 전기 신호와 상기 제2 전기 신호의 전압 차에 해당하는 신호를 생성하고, 상기 전압 차에 해당하는 신호로부터 SNR을 계산하고, 계산된 SNR을 토대로 상기 제2 전기 신호의 전압을 가변시키는 수신 처리부를 포함할 수 있다.

상기 수신 처리부는 제1 및 제2 입력 단자로 상기 제1 전기 신호의 전압과 상기 제2 전기 신호의 전압을 각각 입력 받고, 상기 제1 및 제2 입력 단자의 전압 차를 증폭하여 출력하는 차동 증폭기, 상기 제1 포토 다이오드와 상기 제1 입력 단자 사이에 연결되어 있는 제1 저항, 상기 포토 다이오드와 상기 제2 입력 단자 사이에 연결되어 있는 제2 저항, 그리고 상기 차동 증폭기의 출력 신호로부터 상기 SNR을 계산하고, 상기 SNR을 이용하여 상기 제2 저항의 저항값을 조절하는 피드백 제어부를 포함할 수 있다.

상기 피드백 제어부는 상기 차동 증폭기의 출력 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환시키는 아날로그 디지털 변환기, 상기 계산된 SNR을 저장하는 메모리, 그리고 현재 시간에서의 계산된 SNR과 직전 시간에서 계산된 SNR을 비교하여, 상기 SNR이 최적화될 때까지 상기 제2 저항의 저항값을 조절하는 디지털 신호 처리부를 포함할 수 있다.

상기 제2 저항은 가변 저항일 수 있다.

상기 수신 처리부는 상기 제1 포토 다이오드와 상기 차동 증폭기의 제1 입력 단자 사이에 연결되어 있는 제1 분리 버퍼, 그리고 상기 제2 포토 다이오드와 상기 차동 증폭기의 제2 입력 단자 사이에 연결되어 있는 제2 분리 버퍼를 더 포함할 수 있다.

상기 수신 처리부는 상기 차동 증폭기에 의해 출력된 전압과 기준 전압의 비교를 통해 비교 결과에 해당하는 신호를 상기 제어부로 출력하는 전압 비교기를 더 포함할 수 있다.

상기 수신 처리부는 상기 차동 증폭기에 의해 출력된 전압을 증폭시키는 적어도 하나의 증폭기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 적외선 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 사용하는 시스템에서, 태양광과 같은 강력한 외란광 노이즈의 영향을 거의 완벽하게 제거하면서 원 레이저 펄스 신호만을 손실 없이 검출할 수 있다. 이로 인해, 강력한 외란광 노이즈가 존재하는 상황에서도 원 레이저 펄스 신호 대비 잡음 성능을 매우 크게 개선할 수 있어, 시스템의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있다.

특히, 레이저 펄스 신호와 동일 파장대역의 외란광 노이즈를 인접 파장대역의 외란광 노이즈를 기반으로 제거하는 수신기 구조는 보안용 침입 감지기 이외에 실내외용 IoT 감지기 및 Lidar 응용에도 매우 폭넓게 사용될 수 있으며, 보안용 침입 감지기에 해당하는 반사판 기반의 레이저 감지기에서는 기존의 태양광 영향을 많이 받는 적외선 감지기와 비교하여 매우 강력한 외란광 내성을 확보할 수 있게 되어 보안 시장에서 매우 널리 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반사판 기반 레이저 감지 장치를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치에 영향을 주는 태양광 노이즈를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 수신 처리부의 상세 회로 구조의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시 예에 따른 레이저 감지 장치의 외란광 노이즈 제거 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 반사 펄스 신호가 감쇄되는 경우를 나타낸 도면이다.
도 7은 동일 파장대역의 태양광 노이즈가 제대로 제거되지 않은 경우를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 3에 도시된 수신 처리부의 상세 회로 구조의 다른 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 수신 처리부의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 반사판 기반 레이저 감지 장치 및 그의 외란광 노이즈 제거 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반사판 기반 레이저 감지 장치를 개략적으로 설명하는 도면이다.

도 1을 참고하면, 반사판 기반 레이저 감지 장치(이하, "레이저 감지 장치"라 함)(100)는 재귀 반사판(200)을 향해 레이저 펄스 신호를 송출하고, 재귀 반사판(200)에 의해 반사되어 되돌아오는 신호인 반사 펄스 신호를 수신한 후, 수신한 반사 펄스 신호를 이용하여 원하고자 하는 기능을 수행한다. 예를 들어, 감시 공간 내에서의 침입 감지를 위한 레이저 감지 장치(100)는 재귀 반사판(200)으로부터 반사되어 되돌아오는 반사 펄스 신호를 이용하여 감시 공간 내의 침입자의 침입 감지를 수행할 수 있다.

한편, 레이저 감지 장치(100)의 설치 환경이 태양광과 같은 외란광의 영향을 받는 경우, 레이저 감지 장치(100)의 성능을 확보하기 위해서는 송출되는 레이저 펄스 신호와 동일 파장대역을 갖는 외란광 노이즈 신호의 제거가 필요하다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치에 영향을 주는 태양광 노이즈를 설명하는 도면이다.

도 2를 참고하면, 레이저 감지 장치(100)는 레이저 펄스 신호의 송출을 위해 레이저 다이오드를 사용하며, 반사 펄스 신호의 수신을 위해 포토 다이오드 또는 포토 트랜지스터 소자와 같은 광 수신 소자를 사용한다 레이저 감지 장치(100)의 레이저 다이오드에서는 단일 파장의 레이저 펄스 신호를 송출하는데, 예를 들면, 940nm 파장의 레이저 펄스 신호를 송출할 수 있다.

태양은 가시광선 영역부터 적외선 영역에 이르기까지 다양한 파장대역의 빛을 방출한다. 적외선은 약 750nm~1000nm의 파장대역의 빛을 말하며, 가시광선은 390nm~700nm의 파장대역의 빛을 말한다. 도 2에서는 태양에서 방출되는 빛의 파장대역으로 레이저 다이오드에서 사용하는 파장의 인접 파장대역만을 도시하였다.

레이저 감지 장치(100)의 레이저 다이오드에서 940nm 파장의 레이저 펄스 신호를 송출한다고 가정하면, 레이저 감지 장치(100)에서는 반사 펄스 신호와 함께 다양한 파장대역의 태양광 신호를 수신한다. 노이즈로 작용하는 태양광 신호를 제거하기 위해 레이저 감지 장치(100)는 레이저 펄스 신호의 파장대역을 통과시키는 대역통과 광 필터를 사용한다. 그러나 대역통과 광 필터를 사용하더라도, 레이저 펄스 신호의 파장과 동일 파장대역의 태양광 신호는 제거되지 않고 포토 다이오드에 수신된다.

이와 같이, 대역통과 광 필터를 사용하여도, 레이저 펄스 신호의 파장과 동일 파장대역의 태양광 신호는 제거하기가 어렵다.

한편, 태양에서 발산되는 940nm 파장의 에너지는 인접한 대역 파장 예를 들면, 850nm의 에너지와 거의 유사하며, 시간에 따른 에너지 변화도 거의 같다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치(100)는 레이저 다이오드에서 송출하는 파장의 인접 파장대역에 있는 태양광 에너지를 이용하여 레이저 다이오드에서 송출하는 파장과 동일한 파장대역의 태양광 노이즈를 효과적으로 제거하는 방법을 제공한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3을 참고하면, 레이저 감지 장치(100)는 송신부(110), 수신부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.

송신부(110)는 레이저 다이오드(112)를 포함한다. 레이저 다이오드(112)는 제어부(130)의 제어에 따라 정해진 파장의 레이저 펄스 신호를 송출한다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 레이저 펄스 신호는 940nm의 파장을 가질 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.

송신부(110)는 레이저 다이오드(112)의 출력단에 연결된 경통(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 경통은 레이저 다이오드(112)에 의해 송출된 레이저 펄스 신호가 재귀 반사판(200)을 향하도록 가이드한다.

레이저 다이오드(112)에 의해 송출된 레이저 펄스 신호는 재귀 반사판(200)에 의해 반사되고, 반사된 반사 펄스 신호는 수신부(120)에서 수신된다.

수신부(120)는 렌즈(122a, 122b), 대역통과 광 필터(124a, 124b), 포토 다이오드(126a, 126b) 및 수신 처리부(128)를 포함한다. 이때 렌즈(122a), 대역통과 광 필터(124a) 및 포토 다이오드(126a)는 레이저 다이오드(112)에서 사용한 파장과 동일 파장대역의 신호를 수신하기 위한 광 수신부(도시하지 않음)에 해당하며, 렌즈(122b), 대역통과 광 필터(124b) 및 포토 다이오드(126b)는 레이저 다이오드(112)에서 사용한 파장대역의 인접 파장대역의 신호를 수신하기 위한 광 수신부(도시하지 않음)에 해당한다. 도 4에서는 인접 파장대역으로 예를 들면, 850nm의 파장을 포함하는 파장대역을 도시하였으나, 이에 한정되지는 않는다.

렌즈(122a, 122b)는 외부로부터 광 신호를 수신하여 대역통과 광 필터(124a, 124b)로 전달한다. 이때 렌즈(122a, 122b)를 통해 각각 수신된 광 신호가 대응하는 대역통과 광 필터(124a, 124b)로 전달되도록, 렌즈(122a, 122b)의 출력단에 각각 경통(도시하지 않음)이 연결되어 있을 수 있다. 렌즈(122a, 122b)는 재귀 반사판(200)에 의해 반사된 반사 펄스 신호를 수신한다. 이때 태양에 의해 발산되는 태양광 신호도 수신될 수 있다.

대역통과 광 필터(124a, 124b)는 각각 원하는 파장대역의 신호만을 통과시켜 대응하는 포토 다이오드(126a, 126b)로 출력한다. 대역통과 광 필터(124a)는 반사 펄스 신호를 통과시키기 위해 레이저 다이오드(112)에서 사용한 파장과 동일 파장 대역의 신호만을 통과시키도록 설정되고, 대역통과 광 필터(124b)는 레이저 다이오드(112)에서 사용한 파장대역의 인접 파장대역의 신호만을 통과시키도록 설정된다.

포토 다이오드(126a, 126b)는 각각 대역통과 광 필터(124a, 124b)를 통과한 신호를 전기 신호로 변환한다.

수신 처리부(128)는 포토 다이오드(126a)로부터 출력된 전기 신호와 포토 다이오드(126b)로부터 출력된 전기 신호간 차분 신호를 구하고, 차분 신호를 증폭하여 제어부(130)로 전달한다. 이때 수신 처리부(128)는 포토 다이오드(126a)로부터 출력된 전기 신호와 포토 다이오드(126b)로부터 출력된 전기 신호간 차분 신호를 구하는 과정을 통해 동일 파장대역의 태양광 노이즈를 제거한다.

즉, 포토 다이오드(126a)로부터 출력된 전기 신호는 수신을 원하는 반사 펄스 신호 및 이와 동일 파장대역의 태양광 노이즈가 합해진 신호에 해당된다. 포토 다이오드(126b)로부터 출력된 전기 신호는 인접 파장대역의 태양광 신호에 해당된다. 앞에서 설명한 바와 같이, 태양에서 발산되는 940nm 파장의 광 에너지는 인접 대역의 파장 예를 들면, 850nm의 광 에너지와 거의 유사하며, 시간에 따른 에너지 변화도 거의 같다. 따라서, 동일 파장대역의 태양광 신호에 의해 생성되는 전기 신호의 전압은 인접 파장대역의 태양광 신호에 의해 생성되는 전기 신호의 전압과 거의 같은 것으로 간주될 수 있다. 결국, 포토 다이오드(126a)로부터 출력된 전기 신호의 전압에서 포토 다이오드(126b)로부터 출력된 전기 신호의 전압을 차감시키면, 포토 다이오드(126a)로부터 출력된 전기 신호로부터 원래 제거하고자 하는 동일 파장 대역의 태양광 노이즈를 제거한 것이 된다.

제어부(130)는 증폭된 차분 신호를 이용하여 원하는 서비스를 위한 기능을 수행한다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 제어부(130)는 증폭된 차분 신호를 이용하여 침입자의 침입 감지를 수행한다.

도 4는 도 3에 도시된 수신 처리부의 상세 회로 구조의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 4를 참고하면, 수신 처리부(128)의 기본 동작은 서로 인접한 파장대역의 광 에너지를 수신할 수 있는 2개의 대역통과 광 필터(124a, 124b) 및 포토 다이오드(126a, 126b)를 사용하여 생성된, 각각의 전류를 전압으로 변환한 후, 두 전압의 차이를 구하고 이를 증폭한다. 도 4에 도시된 수신 처리부(128)의 회로 구조는 사용하는 펄스 폭, 펄스 주기, 수신 감도 및 증폭율 설정에 따라 회로의 시정수 값이 달라질 수 있다.

수신 처리부(128)는 저항(R1~R5), 커패시터(C1~C4), 분리 버퍼(isolation buffer)(1281, 1282), 차동 증폭기(1283), 적어도 하나의 증폭기(1284, 1285) 및 전압 비교기(1286)를 포함한다.

커패시터(C1)의 일단은 포토 다이오드(126a)의 출력단에 연결되며, 포토 다이오드(126a)로부터 생성된 전류를 충전시킨다.

저항(R1)은 커패시터(C1)의 타단과 접지단 사이에 연결되며, 커패시터(C1)에 충전된 전류를 전압으로 변환시킨다.

커패시터(C2)의 일단은 포토 다이오드(126b)의 출력단에 연결되며, 포토 다이오드(126b)로부터 생성된 전류를 충전시킨다.

저항(R2)은 커패시터(C2)의 타단과 접지단 사이에 연결되며, 커패시터(C2)에 충전된 전류를 전압으로 변환시킨다.

저항(R1, R2)의 저항 값은 수신 감도에 따라 결정될 수 있다.

저항(R1, R2)에 의해 각각 변환된 전압(VF1, VF2)은 분리 버퍼(1281, 1282)를 거쳐서 차동 증폭기(1283)의 두 입력 단자로 입력된다.

차동 증폭기(1283)의 입력측에는 기본적으로 레이저 펄스 신호를 수신하기 위한 포토 다이오드(126a)와 레이저 펄스 신호와 동일 파장대역의 태양광 노이즈를 제거하기 위해 인접 파장대역의 태양광 신호를 수신하기 위한 포토 다이오드(126b)가 연결되어 있다. 이때 포토 다이오드(126a)에 의해 인가되는 펄스 전압이 높은 입력 임피던스를 갖는 차동 증폭기(1283)에 그대로 인가되면 신호 반사가 발생하여 포토 다이오드(126b)에 의해 생성된 전압에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위해 포토 다이오드(126a, 126b)와 차동 증폭기(1283) 사이에 각각 분리 버퍼(1281, 1281)가 추가될 수 있다.

분리 버퍼(1281)는 포토 다이오드(126a)와 차동 증폭기(1283)의 하나의 입력 단자 사이에 연결되어, 포토 다이오드(126a)와 차동 증폭기(1283)간 분리도를 확보하기 위해 사용되며, 분리 버퍼(1282)는 포토 다이오드(126b)와 차동 증폭기(1283)의 다른 하나의 입력 단자 사이에 연결되어, 포토 다이오드(126b)와 차동 증폭기(1283)간 분리도를 확보하기 위해 사용된다. 분리 버퍼(1281, 1282)는 신호 반사 여부에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.

차동 증폭기(1283)는 연산 증폭기(Op-Amp)(10) 및 저항(R11, R12, R13. R14)을 포함할 수 있다. 연산 증폭기(10)의 반전 입력 단자(+)와 반전 입력 단자(-)는 각각 저항(R12, R11)을 통해 분리 버퍼(1281, 1282)의 출력단과 연결된다. 그리고 연산 증폭기(10)의 비반전 입력 단자(+)는 저항(R13)을 통해 접지되고, 연산 증폭기(10)의 반전 입력 단자(-)는 저항(R14)을 통해 연산 증폭기(10)의 출력 단자와 연결된다. 연산 증폭기(10)의 비반전 입력 단자(+)와 반전 입력 단자(-)가 차동 증폭기(1283)의 두 입력 단자가 되며, 이러한 차동 증폭기(1283)는 입력되는 두 전압(VF1, VF2)의 전압 차를 증폭하여 출력한다.

차동 증폭기(1283)와 증폭기(1284) 사이에는 커패시터(C3)와 저항(R3)으로 구성된 고역 통과 필터가 연결되어 있을 수 있다. 차동 증폭기(1283)에 의해 증폭된 전압 차(VF3)는 고역 통과 필터를 거쳐 증폭기로 전달된다.

증폭기(1284)는 비반전 증폭기로서, 이와 다른 증폭기가 사용될 수 있다. 증폭기(1284)는 연산 증폭기(Op-Amp)(20) 및 저항(R21, R22)를 포함할 수 있다. 연산 증폭기(20)의 비반전 입력 단자(+)는 차동 증폭기(1283)의 출력 단자와 연결되어, 고역 통과 필터를 통과한 전압(VF4)이 입력된다. 연산 증폭기(20)의 반전 입력 단자(-)는 저항(R21)을 통해 접지되고 저항(R22)을 통해 연산 증폭기(20)의 출력 단자와 연결된다. 이러한 구조의 증폭기(1284)는 비반전 입력 단자(+)로 입력되는 전압(VF4)을 설정된 증폭율에 따라 증폭시켜 출력한다.

증폭기(1284)에 의해 증폭된 전압은 증폭기(1285)에 의해 추가적으로 증폭될 수 있다. 이때 두 증폭기(1284, 1285) 사이에는 커패시터(C4)와 저항(R4)으로 구성된 고역 통과 필터가 연결되어 있을 수 있다.

증폭기(1285)는 증폭기(1284)와 동일한 비반전 증폭기로서, 이와 다른 증폭기가 사용될 수 있다. 즉, 증폭기(1285)는 연산 증폭기(Op-Amp)(30) 및 저항(R31, R32)를 포함할 수 있다. 연산 증폭기(30)의 비반전 입력 단자(+)는 증폭기(1284)의 출력 단자와 연결되어, 증폭기(1284)에 의해 증폭된 후 고역 통과 필터를 통과한 전압(VF5)이 입력된다. 연산 증폭기(30)의 반전 입력 단자(-)는 저항(R31)을 통해 접지되고 저항(R32)을 통해 연산 증폭기(30)의 출력 단자와 연결된다. 이러한 증폭기(1284, 1285)는 선택적으로 사용될 수 있다.

증폭기(1285)에 의해 증폭된 전압(VF6)은 전압 비교기(1286)로 입력된다.

전압 비교기(1286)는 연산 비교기(40), 커패시터(C41) 및 저항(R41, R42)을 포함할 수 있다. 연산 비교기(40)의 비반전 입력 단자(+)로는 증폭기(1285)에 증폭된 전압(VF6)이 입력되고, 연산 비교기(40)의 반전 입력 단자(-)로는 기준 전압이 입력된다. 이때 소정의 전압을 생성하는 전압원과 접지단 사이에 저항(R41, R42)이 직렬로 연결되어 있고, 저항(R41, R42) 사이의 접점 전압이 연산 비교기(40)의 반전 입력 단자(-)로 입력된다. 저항(R41, R42)에 의해 접점 전압이 결정되고, 접전 전압이 전압 비교기(1286)의 기준 전압이 된다. 커패시터(C41)는 저항(R41, R42) 사이의 접점과 접지단 사이에 연결되며, 기준 전압을 충전한다. 연산 비교기(40)의 출력 단자는 제어부(130)와 연결된다. 이러한 구조의 전압 비교기(1286)는 두 입력 단자(+, -)로 입력되는 전압을 비교하고, 비교 결과에 따른 신호를 제어부(130)로 출력한다. 예를 들면, 전압 비교기(1286)는 비반전 입력 단자(+)로 입력된 전압(VF6)이 반전 입력 단자(-)로 입력되는 기준 전압보다 크면, 하이 레벨의 신호를 출력하고 그렇지 않으면 로우 레벨의 신호를 출력할 수 있다.

한편, 전압 비교기(1286)의 비반전 입력 단자(+)와 접지단 사이에 저항(R5)이 연결되어 있을 수 있다.

또한 차동 증폭기(1283)과 증폭기(1284) 사이 및 두 증폭기(1284, 1285) 사이에 연결된 고역 통과 필터는 필요에 따라 시정수 및 사용 여부가 결정될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치의 외란광 노이즈 제거 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 5를 참고하면, 레이저 감지 장치(100)의 송신부(110)는 레이저 펄스 신호를 송출한다(S510). 송출된 레이저 펄스 신호는 재귀 반사판(200)에 의해 반사된다.

레이저 감지 장치(100)의 수신부(120)는 재귀 반사판(200)에 의해 반사된 반사 펄스 신호 및 태양광 노이즈를 포함한 신호를 수신한다(S520).

레이저 감지 장치(100)의 수신부(120)는 수신 신호로부터 수신을 원하는 제1파장대역(예를 들면, 940nm)의 신호와 인접 파장대역인 제2 파장대역(예를 들면, 850nm)의 신호를 각각 검출하고(S530), 제1 파장대역의 신호와 제2 파장대역의 신호를 각각 전기 신호로 변환한다(S540).

레이저 감지 장치(100)의 수신부(120)는 제1 파장대역에 해당하는 전기 신호와 제2 파장대역에 해당하는 전기 신호간 전압 차에 해당하는 신호를 생성하고(S550), 전압 차에 해당하는 신호를 증폭시킨다(S560). 앞에서 설명한 바와 같이, 제1 파장대역에 해당하는 전기 신호와 제2 파장대역에 해당하는 전기 신호간 전압 차에 해당하는 신호를 구함으로써, 수신을 원하는 반사 펄스 신호로부터 동일 파장대역의 태양광 노이즈가 제거될 수 있다.

다음, 레이저 감지 장치(100)의 수신부(120)는 증폭된 신호를 설정된 기준 전압과 비교하고, 비교 결과를 출력한다(S570).

제어부(130)에서는 비교 결과를 토대로 침입자의 침입 여부를 검출한다.

한편, 레이저 펄스 신호가 포함된 수신 신호에서 동일 파장대역의 태양광 신호를 인접 파장대역의 태양광 신호를 이용하여 제거하는 경우, 인접 파장대역의 태양광 신호를 이용함에 따라 레이저 펄스 신호가 감쇄될 수도 있고, 동일 파장대역의 태양광 노이즈가 제대로 제거되지 않을 수도 있다.

도 6은 반사 펄스 신호가 감쇄되는 경우를 나타낸 도면이고, 도 7은 동일 파장대역의 태양광 노이즈가 제대로 제거되지 않은 경우를 나타낸 도면이다.

도 6을 참고하면, 인접 파장대역의 태양광 신호에 해당하는 인접대역 태양광 전압이 동일 파장대역의 태양광 신호에 해당하는 전압보다 높을 수 있다. 이 경우, 반사 펄스 신호와 태양광 신호를 포함한 수신 신호에 해당하는 전압에서 인접대역 태양광 전압을 차감시키면, 원래 제거해야 할 동일 파장대역의 태양광 전압보다 더 큰 전압이 차감되어, 원 신호인 반사 펄스 신호가 감쇄되고, 이에 따라 반사 펄스 신호의 SNR(signal-to-noise ratio)이 낮아질 수 있다.

또한 도 7을 참고하면, 인접대역 태양광 전압이 동일 파장대역의 태양광 전압보다 낮은 경우, 반사 펄스 신호와 태양광 신호를 포함한 수신 신호에 해당하는 전압에서 인접대역 태양광 전압을 차감시켜도, 원 신호인 반사 펄스 신호에 여전히 동일 파장대역의 태양광 노이즈가 남아 있어, 반사 펄스 신호의 SNR이 낮아질 수 있다.

아래에서는 수신 신호에서 동일 파장대역의 태양광 신호를 인접 파장대역의 태양광 신호를 이용하여 제거하면서 반사 펄스 신호의 SNR을 높일 수 있는 실시 예에 대하여 도 8을 참고로 하여 자세하게 설명한다.

도 8은 도 3에 도시된 수신 처리부의 상세 회로 구조의 다른 일 예를 나타낸 도면이다.

도 8을 참고하면, 수신 처리부(128')는 피드백 제어부(1287)를 더 포함할 수 있다.

피드백 제어부(1287)는 차동 증폭기(1283)의 출력 신호를 이용하여 인접 파장대역의 태양광 신호에 해당하는 전압을 조절하여, 반사 펄스 신호의 SNR을 향상시키는 역할을 한다.

피드백 제어부(128)는 아날로그 디지털 변환기(Analog to digital converter, ADC)(71), 디지털 신호 처리부(72) 및 메모리(73)를 포함할 수 있다.

ADC(71)는 차동 증폭기(1283)의 출력 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환시킨다.

디지털 신호 처리부(72)는 ADC(71)에 의해 변환된 디지털 신호로부터 SNR을 계산한 후 메모리(73)에 저장한다. 또한 디지털 신호 처리부(72)는 현재 계산된 SNR과 직전 계산된 SNR을 비교하여, SNR이 최적화되도록 저항(R2)의 저항값을 가변시킨다. 저항(R2)은 도 4에서와 달리 가변 저항일 수 있다.

디지털 신호 처리부(72)는 현재 계산된 SNR과 직전 계산된 SNR을 비교하면서, 차동 증폭기(1283)의 출력 신호로부터 최적의 SNR을 얻을 때까지 저항(R2)의 저항값을 계속적으로 가변시킨다.

이렇게 하면, 검출된 반사 펄스 신호에서 동일 파장대역의 태양광 신호를 인접 파장대역의 태양광 신호를 이용하여 제거하는 경우, 원 신호인 반사 펄스 신호의 SNR을 높일 수 있다.

도 9는 도 8에 도시된 수신 처리부의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프도이다. 도 9에서는 940nm 파장의 반사 펄스 신호 전류 100nA, 940nm 파장대역의 태양광 DC 노이즈 전류 400mA, 850nm 파장대역의 태양광 DC 노이즈 400mA가 인가되었을 때, 수신 처리부(128')의 입력 전압(VF1, VF2)부터 각 증폭기(1283, 1284, 1285)의 출력에 대한 신호 파형(VF4, VF5, VF6)을 도시하였다.

도 9에 도시된 바와 같이, 전압(VF1, VF2)은 포토 다이오드(126a, 126b)에 의해 각각 생성된 전류가 저항(R1, R2)에 의해 변환된 전압이다. 저항(R1, R2)에 의해 변환된 전압(VF1, VF2)은 0.03V와 0V인 것을 볼 수 있다. 이때 포토 다이오드(126a, 126b)에서 각 파장대역의 태양광으로 인해 생성된 DC 전압은 커패시터(C1, C2)에 의해 대부분 사라진다. 다음, 일부 남아 있는 노이즈 전압은 차동 증폭기(1283)는 상호 입력되는 전압을 차감하게 되므로, 차동 증폭기(1283)에 의해 일부 남아 있는 태양광 전압 또한 없어진 후 증폭된다. 즉, 차동 증폭기(1283)에 의해 출력된 증폭된 전압 차에 대응하는 전압(VF4)은 0.56V가 되며, 두 증폭기(1284, 125)에 의해 증폭되어 출력된 전압(VF6)은 4.98V가 되는 것을 볼 수 있다..

이와 같은 결과를 보면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 감지 장치의 수신부(120)는 매우 높은 외부 외란광 노이즈에 영향을 거의 받지 않는다는 것을 알 수 있으며, 이러한 수신부(120)를 통해 외란광 영향에 매우 강인한 재귀 반사판 기반의 송수신 일체형의 레이저 감지 장치의 구현이 가능해진다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (15)

1. 반사판 기반 레이저 감지 장치에서 외란광 노이즈를 제거하는 방법으로서,
   정해진 파장의 레이저 신호를 송출하는 단계,
   상기 레이저 신호가 반사판에 의해 반사되어 되돌아오는 반사 펄스 신호를 포함하는 수신 신호로부터 상기 정해진 파장을 포함하는 제1 파장대역의 신호와 상기 제1 파장대역에 인접한 제2 파장대역의 신호를 검출하는 단계,
   상기 제2 파장대역의 신호를 이용하여 상기 제1 파장대역의 신호에서 상기 제1 파장대역의 외란광 노이즈를 제거하여 상기 반사 펄스 신호를 검출하는 단계, 그리고
   검출된 상기 반사 펄스 신호의 SNR(Signal-to-noise ratio)을 토대로 상기 제2 파장대역의 신호를 제어하여 상기 반사 펄스 신호의 SNR이 최적화시키는 단계
   를 포함하는 외란광 노이즈 제거 방법.
2. 제1항에서,
   상기 반사 펄스 신호를 검출하는 단계는
   상기 제1 및 제2 파장대역의 신호를 각각 제1 및 제2 전기신호로 변환하는 단계, 그리고
   상기 제1 전기 신호와 상기 제2 전기 신호의 전압 차에 해당하는 신호를 생성하는 단계를 포함하며,
   상기 최적화시키는 단계는 현재 반사 펄스 신호의 SNR과 직전 반사 펄스 신호의 SNR을 비교하여, 상기 제2 전기 신호의 전압을 조절하는 단계를 포함하는 외란광 노이즈 제거 방법.
3. 제2항에서,
   상기 반사 펄스 신호를 검출하는 단계는 상기 전압 차에 해당하는 신호를 증폭시켜 출력하는 단계를 더 포함하는 외란광 노이즈 제거 방법.
4. 제2항에서,
   상기 최적화시키는 단계는
   상기 제1 전기 신호와 상기 제2 전기 신호의 전압 차에 해당하는 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 단계, 그리고
   상기 디지털 신호로부터 SNR을 계산하여 메모리에 저장하는 단계를 더 포함하는 외란광 노이즈 제거 방법.
5. 제1항에서,
   상기 검출된 반사 펄스 신호로부터 침입 감지를 수행하는 단계
   를 더 포함하는 외란광 노이즈 제거 방법.
6. 제1항에서,
   상기 외란광은 태양광을 포함하는 외란광 노이즈 제거 방법.
7. 반사판 기반 레이저 감지 장치에서,
   정해진 파장의 레이저 신호를 송출하는 송신부,
   상기 레이저 신호가 반사판에 의해 반사되어 되돌아오는 반사 펄스 신호를 포함하는 수신 신호로부터 상기 정해진 파장을 포함하는 제1 파장대역의 신호와 상기 제1 파장대역에 인접한 제2 파장대역의 신호를 검출하고, 상기 제2 파장대역의 신호를 이용하여 상기 제1 파장대역의 신호에서 상기 제1 파장대역의 외란광 노이즈를 제거하여 상기 반사 펄스 신호를 검출하며, 상기 제2 파장대역의 신호를 제어하여 상기 반사 펄스 신호의 SNR(Signal-to-noise ratio)을 최적화시키는 수신부, 그리고
   상기 반사 펄스 신호를 이용하여 서비스를 제공하는 제어부
   를 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
8. 제7항에서,
   상기 제어부는 상기 제1 파장대역의 외란광 노이즈가 제거된 제1 파장대역의 신호를 이용하여 침입 감지를 수행하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
9. 제7항에서,
   상기 수신부는
   상기 수신 신호로부터 상기 제1 파장대역의 신호와 상기 제2 파장대역의 신호를 각각 검출하기 위한 제1 및 제2 대역통과 광 필터,
   상기 제1 파장대역의 신호와 상기 제2 파장대역의 신호를 각각 제1 및 제2 전기 신호로 변환하는 제1 및 제2 포토 다이오드, 그리고
   상기 제1 파장대역의 외란광 노이즈 제거를 위해 상기 제1 전기 신호와 상기 제2 전기 신호의 전압 차에 해당하는 신호를 생성하고, 상기 전압 차에 해당하는 신호로부터 SNR을 계산하고, 계산된 SNR을 토대로 상기 제2 전기 신호의 전압을 가변시키는 수신 처리부를 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
10. 제9항에서,
    상기 수신 처리부는
    제1 및 제2 입력 단자로 상기 제1 전기 신호의 전압과 상기 제2 전기 신호의 전압을 각각 입력 받고, 상기 제1 및 제2 입력 단자의 전압 차를 증폭하여 출력하는 차동 증폭기,
    상기 제1 포토 다이오드와 상기 제1 입력 단자 사이에 연결되어 있는 제1 저항,
    상기 포토 다이오드와 상기 제2 입력 단자 사이에 연결되어 있는 제2 저항, 그리고
    상기 차동 증폭기의 출력 신호로부터 상기 SNR을 계산하고, 상기 SNR을 이용하여 상기 제2 저항의 저항값을 조절하는 피드백 제어부를 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
11. 제10항에서,
    상기 피드백 제어부는
    상기 차동 증폭기의 출력 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환시키는 아날로그 디지털 변환기,
    상기 계산된 SNR을 저장하는 메모리, 그리고
    현재 시간에서의 계산된 SNR과 직전 시간에서 계산된 SNR을 비교하여, 상기 SNR이 최적화될 때까지 상기 제2 저항의 저항값을 조절하는 디지털 신호 처리부를 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
12. 제10항에서,
    상기 제2 저항은 가변 저항인 반사판 기반 레이저 감지 장치.
13. 제10항에서,
    상기 수신 처리부는
    상기 제1 포토 다이오드와 상기 차동 증폭기의 제1 입력 단자 사이에 연결되어 있는 제1 분리 버퍼, 그리고
    상기 제2 포토 다이오드와 상기 차동 증폭기의 제2 입력 단자 사이에 연결되어 있는 제2 분리 버퍼를 더 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
14. 제10항에서,
    상기 수신 처리부는 상기 차동 증폭기에 의해 출력된 전압과 기준 전압의 비교를 통해 비교 결과에 해당하는 신호를 상기 제어부로 출력하는 전압 비교기를 더 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.
15. 제10항에서,
    상기 수신 처리부는 상기 차동 증폭기에 의해 출력된 전압을 증폭시키는 적어도 하나의 증폭기를 더 포함하는 반사판 기반 레이저 감지 장치.

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