KR20220061591A - 분광 비행시간법을 이용한 라이더 장치 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분광 비행시간법을 이용한 라이더(LIDAR) 시스템에 관한 것으로, 처프된 극초단 펄스의 파장별 도달 시간차이를 이용하여 측정대상과 기준대상의 절대거리를 측정하고, 검출기를 통해 획득한 파장별 광강도 분포를 이용하여 측정대상의 흡광 스펙트럼을 획득함으로써 측정대상의 물성을 분석할 수 있는 시스템을 일 실시예로 제안한다. 본 발명에 의하면 처프된 극초단 펄스의 파장별 도달 시간차를 이용하여 기준대상과 측정대상과의 절대 거리를 측정함으로써 측정 오차를 감소시킬 수 있으며, 종래 광검출기의 검출 한계나 클럭의 대역폭으로 인해 제한되었던 검출 분해능을 향상시킬 수 있다.

Description

분광 비행시간법을 이용한 라이더 장치 및 시스템{LIDAR device and system using spectral time-of-flight method}

본 발명은 분광 비행시간법을 이용한 라이더 장치 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 극초단 펄스의 파장별 도달 시간차를 이용하여 측정대상의 절대거리와 물성정보를 획득할 수 있는 라이더(LIDAR) 시스템과 신호처리 방법에 관한 것이다.

라이더(LIDAR, light detection and ranging)는 빛을 이용한 원격분석 기술로, 일반적으로 잘 알려진 레이더(RADAR, radio detection and ranging)와 작동원리가 유사하다.

레이더(RADAR)는 마이크로파 정도의 전자기파를 물체에 반사시켜 상기 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도 등을 알아내는 반면, 라이더(LIDAR)는 가시광선이나 적외선 영역의 빛을 이용하여 측정 대상물질의 거리 정보 및 물성 정보를 획득하기 때문에 보다 정밀한 거리 관측에 이용되고 있다.

종래 지상무인차량의 거리 측정 센서로는 펄스 레이저와 비행시간법을 이용하여 측정 대상물의 위치를 파악하는 TLS(terrestrial laser scanner)가 활용되고 있으며, 측정 대상물의 절대거리는 아래의 수학식 1과 같이 구할 수 있다. 이때, 비행시간법은 측정 대상물을 맞고 돌아오는 펄스 레이저의 왕복시간에 빛의 속도를 곱하여 측정 대상물의 거리를 측정하는 것으로 펄스의 송신시간과 수신시간의 차를 이용한다.

수학식1.

여기서, c는 빛의 속도이며,

은 펄스의 왕복시간이고, N은 빛이 통과한 경로의 군굴절률이다.

따라서, 수학식 1에 의하면 검출기를 통해 펄스의 왕복시간을 정확히 측정할 수 있다면 거리제한 없이 측정 대상물의 절대 위치를 측정할 수 있다.

도 1은 종래 펄스 레이저를 이용한 절대 거리 측정 원리를 도시한 것이다.

도 1에서 보면, 높은 대역폭을 가지는 외부 클럭(Clock)을 이용하여 시작 펄스와 정지 펄스의 상승 에지 값의 차이를 측정함으로써 거리를 계산할 수 있다.

도 1에서 상승 에지와 시작 펄스 및 정지 펄스 사이의 위상차를 각각 ε와 σ라고 하면 실제 시작 펄스와 정지 펄스의 시간 차이(

)는 아래의 수학식 2와 같다.

수학식2.

따라서, 도 1과 같이 클럭을 이용하여 측정된

과

사이에는 측정시간의 오차가 발생하며, 이로 인하여 거리 측정 오차가 발생한다.

이때 거리 측정 오차는

이며, 최대 값은

가 된다.

따라서, 극초단 펄스를 종래의 비행시간법에 적용할 경우 클럭의 검출 대역폭과 광검출기의 대역폭에 의해 종래 펄스레이저를 이용한 거리측정과 같이 측정 오차가 발생하게 된다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 Joohyung Lee, Young Jin Kim, Keunwoo Lee, Sanghyun Lee 및 Seung Woob Kim에 의해 제안된 논문 "Time-of flight measurement with femtosecond light pulses(Nature photonics, 201010, vol4, pp716-720)"에는 거리 측정에 있어서 150fs의 좁은 펄스폭을 가지는 광원을 사용하여 수 nm의 거리 분해능을 획득하는 내용이 개시되어 있다.

그러나 상기 방법에 따르면 200m 이하의 범위에서 측정이 불가능한 지점이 존재하며 이를 해결하기 위해서는 광원의 반복률 증배 방법이 추가되어야 한다는 점과 정확한 시간차 검출을 위해서는 각 목표지점에서 두 펄스간의 시간차를 일정한 값에 잠금하는 과정이 추가로 필요하다는 점 등의 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 처프된 극초단 펄스의 파장별 도달 시간차이를 이용하여 측정대상의 절대거리를 측정함으로써 측정 오차를 감소시킬 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 검출기를 통해 획득한 파장별 광강도 분포를 이용하여 측정대상의 흡광 스펙트럼을 획득함으로써 측정대상의 물성정보를 얻을 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 레이저로부터 출력되는 극초단 펄스를 두 개로 분리하여 송신하는 송신부와, 상기 두 개로 분리된 극초단 펄스가 측정대상과 위치가 고정된 기준대상에 각각 반사되어 돌아오는 측정펄스와 기준펄스를 수신하는 수신부와, 상기 수신된 측정펄스와 기준펄스를 분산시켜 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 생성하여 출력하는 분산부와, 상기 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 파장별로 분리하여 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 생성하여 출력하는 분광부와, 상기 파장에 따라 입사되는 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 순차적으로 전기신호로 변환하고 각 펄스의 클럭수와 파장별 도달 시간값 및 파장별 광강도 분포를 획득하는 검출부 및 상기 클럭수와 파장별 도달 시간값을 통해 상기 측정펄스와 기준펄스의 파장별 측정 시간차를 획득하여 상기 측정대상의 절대 거리를 파악하고, 상기 파장별 광강도 분포를 통해 상기 측정대상의 흡광 스펙트럼을 획득하여 상기 측정대상의 물성정보를 파악하는 제어부를 포함하여 이루어지는 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템을 일 실시예로 제안한다.

상기 분산부는, 극초단 펄스로 구성된 상기 기준 펄스와 상기 측정 펄스에 대하여 각 파장 성분의 군속도(group velocity)에 차이를 발생시켜 펄스를 퍼뜨림으로써 파장별 펄스가 서로 다른 시간에 특정지점을 통과하도록 처프시킬 수 있다.

상기 분광부는, 프리즘, 회절격자, 미러 및 광파이버 등을 이용하여 상기 처프된 기준 펄스와 상기 처프된 측정펄스를 파장별로 분리할 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 송신부를 통해 레이저로부터 출력되는 극초단 펄스를 두 개로 분리하여 송신하는 단계와, 수신부를 통해 상기 두 개로 분리된 극초단 펄스가 각각 측정대상과 위치가 고정된 기준대상에 반사되어 돌아오는 측정펄스와 기준펄스를 수신하는 단계와, 분산부를 통해 상기 수신된 측정펄스와 기준펄스를 분산시켜 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 생성하여 출력하는 단계와, 분광부를 통해 상기 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 파장별로 분리하여 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 생성하여 출력하는 단계와, 검출부를 통해 상기 파장에 따라 입사되는 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 전기신호로 변환하고 각 펄스의 클럭수와 파장별 도달 시간값 및 파장별 광강도 분포를 획득하는 단계 와 제어부를 통해 상기 클럭수와 파장별 도달 시간값을 이용하여 상기 측정펄스와 기준펄스의 파장별 측정 시간차를 획득하고 상기 측정대상의 절대 거리를 파악하는 단계 및 제어부를 통해 상기 파장별 광강도 분포를 이용하여 상기 측정대상의 흡광 스펙트럼을 획득하고 상기 측정대상의 물성정보를 파악하는 제어부를 포함하여 이루어지는 분광 비행시간법을 이용한 라이더 신호처리 방법을 다른 실시예로 제안한다.

본 발명에 의하면, 처프된 극초단 펄스의 파장별 도달 시간차를 이용하여 측정대상의 절대거리를 측정함으로써 측정 오차를 감소시킬 수 있으며, 종래 광검출기의 검출 한계나 클럭의 대역폭으로 인해 제한되었던 검출 분해능을 향상시킬 수 있다. 또한, 광검출부에서 획득한 파장별 광강도 분포를 통해 측정대상의 물성정보를 획득할 수 있다.

도 1은 종래 펄스 레이저를 이용한 절대 거리 측정 원리를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분광 비행시간법을 이용한 거리 측정 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파장별 펄스 신호의 전기적 신호 변환을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기준펄스의 파장별 시간 측정 방법을 도시한 것이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서, 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하며 명세서 전체를 통하여 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

명세서 전체에서 "극초단 펄스"는 시간폭이 펨토초 영역인 매우 짧은 펄스를 의미하며, "기준대상"은 위치가 고정되어 절대거리를 알고 있는 타겟(target)을 의미하고, "측정대상"은 본 발명의 라이더 시스템을 통해 절대거리 또는 물성정보를 획득하고자 하는 타겟(target)을 의미한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분광 비행시간법을 이용한 거리 측정 방법을 개략적으로 도시한 것이다.

극초단 펄스 레이저에서 출력된 펄스는 두 펄스로 분리되고 하나의 펄스는 위치가 고정된 기준면에 반사된 후 기준펄스(Reference signal)로 돌아오고 다른 하나의 펄스는 측정 대상물에 반사된 후 측정펄스(Measurement signal)로 돌아온다.

상기 기준펄스와 측정펄스는 시간축을 기준으로 짧은 펄스 폭을 유지하는데 상기 기준펄스와 측정펄스를 분산값이 큰 매질에 통과시키면 군속도 분산이 발생하고 펄스 내에 포함된 각 파장 성분이 한 지점에 도달하는데에 소요되는 시간이 변하게 된다.

이로 인해, 시간 축으로 보면 기준펄스와 측정펄스에 처프 현상이 일어나게 된다.

처프된 기준펄스와 처프된 측정펄스는 광분광기를 통과한 후 각각 다채널 광검출기로 입사하게 되며, 광검출기의 각 채널에서 입사된 파장별 펄스 성분이 전기적 신호로 변환되어 측정대상의 거리를 측정한다.

아래에서는 본 발명의 실시예에 따른 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템을 통해 측정대상의 절대거리와 물성정보를 획득하는 방법에 대하여 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템의 구성을 도시한 것이다.

도 3의 라이더 시스템(30)은 극초단 펄스를 이용하여 측정대상의 절대거리와 물성정보를 획득할 수 있으며, 송신부(31), 수신부(32), 분산부(33), 분광부(34), 검출부(35) 및 제어부(36)를 포함하여 이루어진다.

송신부(31)는 가시광선이나 적외선 영역의 빔을 조사하는 펄스 레이저를 포함하며, 상기 펄스 레이저에서 출력되는 극초단 펄스를 두 개로 분리하여 각각 측정대상(10)과 기준대상(20)에 조사한다.

또한, 송신부(31)는 제어부(36)와 연결되어 제어부(36)를 통해 조사하는 빔의 주파수나 파장을 제어할 수 있다.(도 1에 미도시)

수신부(32)는 송신부(31)에 의해 조사된 두 개의 극초단 펄스가 각각 측정대상(10)과 기준대상(20)에 반사되어 돌아오는 측정펄스와 기준펄스를 수신한다.

분산부(33)는 수신부(32)에 의해 수신된 측정펄스와 기준펄스를 분산시켜 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 생성하고 분광부(34)로 출력한다.

이때 극초단 펄스로 구성된 측정펄스와 기준펄스에 대하여 각 파장성분의 군속도에 차이를 발생시켜 펄스를 퍼뜨림으로써 파장별 펄스가 서로 다른 지점을 통과하도록 처프시킨다.

이로써 측정펄스와 기준펄스는 각 파장의 진동수가 변하지 않은 채 파장의 길이가 달라짐으로써 파장별 속도의 차이가 발생하게 된다.

이때, 측정펄스와 기준펄스의 길이는 매질의 거리에 따라 증가하므로 측정펄스와 기준펄스의 분산 정도는 클럭의 주기가

일 경우, 클럭의 반 주기 즉,

가 되도록 매질의 길이를 결정해주는 것이 바람직하다.

분광부(34)는 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 파장별로 분리하고 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 생성하여 검출부(35)로 출력한다.

이때, 분광부(34)는 프리즘, 회절격자, 미러 및 광파이버 중 하나로 구현될 수 있다.

검출부(35)는 분광부(34)에 의해 파장에 따라 입사되는 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 전기신호로 변환하며, pn접합 광다이오드, pin 광다이오드, 금속반도체금속다이오드, 양자우물형 다단계 다이오드, 레이저다이오드, 발광다이오드 및 이들의 결합형태 등으로 구현될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파장별 펄스 신호의 전기적 신호 변환을 도시한 것이다.

도 4에서 보듯, 파장별로 획득되는 전기신호는 처프된 정도에 따라 소정의 시간 간격을 두고 발생한다.

이때 발생하는 파장별 시간차를 측정하여 종래 광검출기의 검출 한계와 클럭의 대역폭에 의해 제한되었던 검출 분해능을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 전기신호를 통해 각 펄스의 클럭수와 파장별 도달 시간값 및 파장별 광강도 분포를 획득한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기준펄스의 파장별 시간 측정 방법을 도시한 것이다.

도 5에서 보면, 검출부(35)를 통해 전기신호로 변환된 기준펄스에 대하여 파장별 클럭의 상승 에지값을 통해 파장의 도달 시간값과 클럭수를 획득할 수 있다.

또한, 도 5와 유사한 방법으로 측정펄스에 대하여 파장별 도달 시간값과 클럭수 역시 획득할 수 있다.

제어부(36)는 검출부(35)에서 획득한 클럭수와 파장별 도달 시간값 및 파장별 광강도 분포를 이용하여 측정대상(10)의 절대거리와 물성정보를 산출한다.

제어부(36)는 검출부(35)에서 획득한 클럭수와 파장별 도달 시간값을 통해 측정펄스와 기준펄스의 파장별 도달 시간차를 산출하고 이를 이용하여 측정대상(10)의 절대거리를 획득한다.

이때, 도 5의 파장별 도달 시간 측정 방법에 따른 측정 거리의 오차는 아래의 수학식 3과 같으며, 종래 비행시간법에 비하여 측정 거리 오차가 2N배로 감소한 것을 확인할 수 있다.

수학식 3

이때,

는 클럭의 주기이며,

는 펄스의 분산 정도이고, N은 검출부의 채널 개수이다.

또한, 제어부(36)는 검출부(35)에서 획득한 파장별 광강도 분포를 통해 측정대상(10)의 흡광 스펙트럼을 산출하고 흡광 스펙트럼을 이용하여 측정대상(10)의 색 또는 재질 등의 정보인 물성정보를 획득한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10 : 측정대상 20 : 기준대상
30 : 라이더시스템 31 : 송신부
32 : 수신부 33 : 분산부
34 : 분광부 35 : 검출부
36 : 제어부

Claims (4)

1. 레이저로부터 출력되는 극초단 펄스를 두 개로 분리하여 송신하는 송신부;상기 두 개로 분리된 극초단 펄스가 측정대상과 위치가 고정된 기준대상에 각각 반사되어 돌아오는 측정펄스와 기준펄스를 수신하는 수신부; 상기 수신된 측정펄스와 기준펄스를 분산시켜 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 생성하여 출력하는 분산부;
   상기 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 파장별로 분리하여 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 생성하여 출력하는 분광부; 상기 파장에 따라 입사되는 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 순차적으로 전기신호로 변환하고 각 펄스의 클럭수와 파장별 도달 시간값 및 파장별 광강도 분포를 획득하는 검출부; 및 상기 클럭수와 파장별 도달 시간값을 통해 상기 측정펄스와 기준펄스의 파장별 측정 시간차를 획득하여 상기 측정대상의 절대 거리를 파악하고, 상기 파장별 광강도 분포를 통해 상기 측정대상의 흡광 스펙트럼을 획득하여 상기 측정대상의 물성정보를 파악하는 제어부;
   를 포함하여 이루어지는 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 분산부는,
   극초단 펄스로 구성된 상기 기준 펄스와 상기 측정 펄스에 대하여 각 파장 성분의 군속도(group velocity)에 차이를 발생시켜 펄스를 퍼뜨림으로써 파장별 펄스가 서로 다른 시간에 특정지점을 통과하도록 처프시키는 것을 특징으로 하는 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 분광부는,
   프리즘, 회절격자, 미러 및 광파이버 등을 이용하여 상기 처프된 기준 펄스와 상기 처프된 측정 펄스를 파장별로 분리하는 것을 특징으로 하는 분광 비행시간법을 이용한 라이더 시스템.
4. 송신부를 통해 레이저로부터 출력되는 극초단 펄스를 두 개로 분리하여 송신하는 단계; 수신부를 통해 상기 두 개로 분리된 극초단 펄스가 각각 측정대상과 위치가 고정된 기준대상에 반사되어 돌아오는 측정펄스와 기준펄스를 수신하는 단계;
   분산부를 통해 상기 수신된 측정펄스와 기준펄스를 분산시켜 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 생성하여 출력하는 단계; 분광부를 통해 상기 처프된 측정펄스와 처프된 기준펄스를 파장별로 분리하여 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 생성하여 출력하는 단계; 검출부를 통해 상기 파장에 따라 입사되는 분광 측정펄스와 분광 기준펄스를 전기신호로 변환하고 각 펄스의 클럭수와 파장별 도달 시간값 및 파장별 광강도 분포를 획득하는 단계; 제어부를 통해 상기 클럭수와 파장별 도달 시간값을 이용하여 상기 측정펄스와 기준펄스의 파장별 측정 시간차를 획득하고 상기 측정대상의 절대 거리를 파악하는 단계; 및 제어부를 통해 상기 파장별 광강도 분포를 이용하여 상기 측정대상의 흡광 스펙트럼을 획득하고 상기 측정대상의 물성정보를 파악하는 제어부; 를 포함하여 이루어지는 분광 비행시간법을 이용한 라이더 신호처리 방법.

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