KR20220067509A

KR20220067509A - Method for extending non-ambiguity range for eletro-optic sampling based timing detector, method and system for measuring distance

Info

Publication number: KR20220067509A
Application number: KR1020210155141A
Authority: KR
Inventors: 김정원; 안창민
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2022-05-24

Abstract

An objective of the present invention is to provide a distance measuring system which simultaneously performs distance measurement with high speed and high resolution and long distance measurement by using one pulse laser. The distance measuring system comprises: a timing detector receiving a second light pulse divided from a first light pulse with changed time-of-flight, receiving a frequency-locked reference signal in a pulse laser, and outputting a voltage proportional to a timing error of the reference signal and the second light pulse based on electro-optic sampling; a long distance measuring device receiving a third light pulse divided from the first light pulse and a fourth light pulse which has not experienced a time-of-flight change, and measuring a phase difference between a microwave signal of a specific frequency extracted from the third light pulse and a microwave signal of the specific frequency extracted from the fourth light pulse; and a computing device calculating a first distance from a voltage outputted by the timing detector based on a voltage-distance corresponding relation, calculating a second distance corresponding to a phase difference measured by the long distance measuring device, determining the number of non-ambiguity ranges (NARs) of the timing detector included in the second distance, and using the first distance and the number of NARs to calculate a distance corresponding to a time-of-flight change of the first light pulse.

Description

METHOD FOR EXTENDING NON-AMBIGUITY RANGE FOR ELETRO-OPTIC SAMPLING BASED TIMING DETECTOR, METHOD AND SYSTEM FOR MEASURING DISTANCE

본 발명은 레이저 기반의 거리 측정에 관한 것이다.The present invention relates to laser-based distance measurement.

레이저 기반의 거리 측정 기술은 다양한 기술 분야에서 널리 사용된다. 거리 측정에서 중요한 성능 파라미터들은 정밀도(precision), 측정 속도(measurement speed) 그리고 모호함 없는 거리(Non-Ambiguity Range, NAR)이다. 하지만 일반적으로 한 파라미터의 성능 개선은 다른 파라미터들의 성능 저하를 감수해야 달성된다. Laser-based distance measurement technology is widely used in various technical fields. Important performance parameters in distance measurement are precision, measurement speed, and Non-Ambiguity Range (NAR). However, in general, performance improvement of one parameter is achieved at the expense of performance degradation of other parameters.

레이저 기반의 거리 측정에 기본적으로 간섭계가 이용된다. 간섭계를 통해 기준 신호와 측정 대상에서 돌아온 광펄스의 타이밍(위상) 오차를 검출하고, 이를 통해 거리가 측정된다. 간섭계 기반 거리 측정은 나노 미터 수준의 분해능을 가지는 장점이 있지만, 모호함 없는 거리가 광원의 사분파장인 마이크로미터 수준인 단점이 존재한다. 그렇기 때문에, 밀리미터 이상의 거리를 측정하기 위해서는 모터를 이용해 연속적인 변위를 주고, 모호함 없는 거리를 몇 번 지났는지 확인하는 과정이 필요하다. 이는 밀리미터 이상의 단차 측정 시 고속 측정이 불가하며, 중간에 빛이 돌아오지 않는 경우 측정이 힘들다.An interferometer is basically used for laser-based distance measurement. The interferometer detects a timing (phase) error between the reference signal and the light pulse returned from the measurement target, and the distance is measured through this. Interferometer-based distance measurement has the advantage of having nanometer-level resolution, but has a disadvantage that the distance without ambiguity is at the micrometer level, which is the quarter wavelength of the light source. Therefore, in order to measure a distance of more than millimeters, it is necessary to apply a continuous displacement using a motor and to check how many times the distance without ambiguity has been passed. High-speed measurement is not possible when measuring steps of more than millimeters, and it is difficult to measure when light does not return in the middle.

간섭계 기반의 거리 측정을 보완하기 위해 최근 펄스 레이저를 이용한 절대 거리 측정에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 절대 거리 측정(absolute distance measurement)은 밀리미터 이상의 모호함이 없는 거리를 가지기 때문에 별도의 모터를 이용한 스캐닝 없이 한 번에 거리를 측정할 수 있고, 측정 중간에 빛이 잠시 끊기더라도 거리를 정확히 측정할 수 있다. 그러나 기존 절대 거리 측정 기술들은 수 나노미터 수준의 분해능에 도달하기 위해서는 0.1 초 이상의 측정 시간이 필요하다. 또한, 기존 절대 거리 측정 기술들은 여러 대의 레이저들이 필요하므로 비용과 시스템 복잡성이 크다.In order to supplement the interferometer-based distance measurement, research on absolute distance measurement using a pulsed laser is being actively conducted. Since absolute distance measurement has a distance without ambiguity of more than a millimeter, it can measure the distance at once without scanning using a separate motor, and can measure the distance accurately even if the light is temporarily cut off in the middle of the measurement. . However, existing absolute distance measurement techniques require more than 0.1 seconds of measurement time to reach a resolution of several nanometers. In addition, existing absolute distance measurement techniques require multiple lasers, resulting in high cost and system complexity.

본 개시는 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기의 모호함 없는 거리를 늘리는 방법, 이를 구현한 거리 측정 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.An object of the present disclosure is to provide a method for increasing an unambiguous distance of an all-optical sampling-based timing detector, and a distance measuring method and system implementing the same.

본 개시는 하나의 펄스 레이저를 사용하여 초고속 및 고분해능의 거리 측정과 긴 거리 측정을 동시에 수행하는 방법, 이를 구현한 거리 측정 시스템을 제공하는 것이다The present disclosure provides a method for simultaneously performing ultra-high-speed and high-resolution distance measurement and long distance measurement using a single pulsed laser, and a distance measurement system implementing the same

실시예에 따른 거리 측정 시스템으로서, 비행 시간 변화된 제1 광 펄스로부터 나누어진 제2 광 펄스를 입력받고, 펄스 레이저에 주파수 잠금된 기준 신호를 입력받으며, 전광 샘플링 기반으로 상기 제2 광 펄스와 상기 기준 신호의 타이밍 오차에 비례하는 전압을 출력하는 타이밍 검출기, 상기 제1 광 펄스로부터 나누어진 제3 광 펄스 및 비행 시간 변화를 경험하지 않은 제4 광 펄스를 입력받고, 상기 제3 광 펄스로부터 추출된 특정 주파수의 마이크로파 신호와, 상기 제4 광 펄스에서 추출된 상기 특정 주파수의 마이크로파 신호 사이의 위상차를 측정하는 긴 거리 측정기, 그리고 전압-거리 대응 관계를 기초로 상기 타이밍 검출기에서 출력된 전압으로부터 제1 거리를 계산하고, 상기 긴 거리 측정기에서 측정된 위상차에 대응하는 제2 거리를 계산하고, 상기 제2 거리에 포함된 상기 타이밍 검출기의 모호함 없는 거리(Non-Ambiguity Range, NAR)의 수를 결정하며, 상기 제1 거리 및 상기 NAR의 수를 이용하여 상기 제1 광 펄스의 비행 시간 변화에 대응하는 거리를 계산하는 컴퓨팅 장치를 포함한다.As a distance measuring system according to an embodiment, a second optical pulse divided from a first optical pulse with a changed flight time is input, a frequency-locked reference signal is input to a pulse laser, and the second optical pulse and the second optical pulse are based on all-optical sampling. A timing detector that outputs a voltage proportional to the timing error of a reference signal, receives a third optical pulse divided from the first optical pulse and a fourth optical pulse that does not experience time-of-flight change, and extracts it from the third optical pulse A long distance measuring device that measures the phase difference between the microwave signal of the specified specific frequency and the microwave signal of the specific frequency extracted from the fourth optical pulse, and a second value from the voltage output from the timing detector based on the voltage-distance correspondence Calculate 1 distance, calculate a second distance corresponding to the phase difference measured by the long range finder, and determine the number of Non-Ambiguity Range (NAR) of the timing detector included in the second distance and a computing device configured to calculate a distance corresponding to a time-of-flight change of the first light pulse by using the first distance and the number of NARs.

상기 긴 거리 측정기가 가지는 모호함 없는 거리가 상기 타이밍 검출기보다 길도록 상기 특정 주파수가 결정될 수 있다.The specific frequency may be determined such that an unambiguous distance of the long range finder is longer than that of the timing detector.

상기 컴퓨팅 장치는 상기 제1 거리, 상기 NAR의 수, 그리고 상기 타이밍 검출기의 NAR을 이용하여, 상기 제1 광 펄스의 비행 시간 변화에 대응하는 거리를 계산할 수 있다.The computing device may calculate a distance corresponding to a time-of-flight change of the first optical pulse by using the first distance, the number of NARs, and the NAR of the timing detector.

상기 컴퓨팅 장치는 기준 광 파워에 대한 상기 제2 광 펄스의 파워 변화를 계산하고, 상기 파워 변화를 기초로 상기 타이밍 검출기에서 출력된 전압을 보정한 후, 상기 제1 거리를 계산할 수 있다.The computing device may calculate a power change of the second optical pulse with respect to a reference optical power, correct the voltage output from the timing detector based on the power change, and then calculate the first distance.

상기 긴 거리 측정기는 측정 경로로 입력된 상기 제3 광 펄스를 광전 변환하는 제1 광검출기, 상기 제1 광검출기에서 변환된 전기 신호에서 상기 특정 주파수의 마이크로파 신호로 추출하는 제1 대역 통과 필터, 기준 경로로 입력된 상기 제4 광 펄스를 광전 변환하는 제2 광검출기, 상기 제2 광검출기에서 변환된 전기 신호에서 상기 특정 주파수의 마이크로파 신호로 추출하는 제2 대역 통과 필터, 그리고 상기 측정 경로의 마이크로파 신호와 상기 기준 경로의 마이크로파 신호의 위상차에 비례하는 전압을 출력하는 위상차 계산기를 포함할 수 있다.The long range finder includes a first photodetector that photoelectrically converts the third optical pulse input to the measurement path, a first bandpass filter that extracts the electric signal converted by the first photodetector into a microwave signal of the specific frequency; A second photodetector that photoelectrically converts the fourth optical pulse input to a reference path, a second bandpass filter that extracts the microwave signal of the specific frequency from the electrical signal converted by the second photodetector, and the measurement path It may include a phase difference calculator that outputs a voltage proportional to the phase difference between the microwave signal and the microwave signal of the reference path.

상기 거리 측정 시스템은 상기 타이밍 검출기로 입력되는 상기 기준 신호를 출력하는 전압 제어 발진기, 그리고 상기 펄스 레이저에서 출력된 제5 광 펄스를 기초로, 상기 전압 제어 발진기에서 출력되는 마이크로파 신호를 상기 펄스 레이저에 동기화하는 동기화용 타이밍 검출기를 더 포함할 수 있다.The distance measuring system applies a microwave signal output from the voltage-controlled oscillator to the pulse laser based on a voltage-controlled oscillator outputting the reference signal input to the timing detector, and a fifth optical pulse output from the pulse laser. It may further include a timing detector for synchronization to synchronize.

실시예에 따른 거리 측정 시스템으로서, 비행 시간 변화된 제1 광 펄스를 제2 광 펄스와 제3 광 펄스로 분기하는 제1 커플러, 전광 샘플링 기반으로 상기 제2 광 펄스와 기준 마이크로파 신호의 타이밍 오차에 비례하는 전압을 출력하는 타이밍 검출기, 상기 제3 광 펄스에서 추출된 측정 경로의 마이크로파 신호와, 비행 시간 변화를 경험하지 않은 상기 제4 광 펄스로부터 추출된 기준 경로의 마이크로파 신호의 위상차를 측정하는 긴 거리 측정기, 그리고 전압-거리 대응 관계를 기초로 상기 타이밍 검출기에서 출력된 전압으로부터 제1 거리를 계산하고, 상기 제1 거리, 상기 타이밍 검출기의 모호함 없는 거리(Non-Ambiguity Range, NAR), 그리고 상기 위상차로부터 계산된 NAR 수를 기초로 상기 제1 광 펄스의 비행 시간 변화에 대응하는 거리를 계산하는 컴퓨팅 장치를 포함한다.As a distance measuring system according to an embodiment, a first coupler that branches a first optical pulse with a changed flight time into a second optical pulse and a third optical pulse, based on all-optical sampling, the timing error between the second optical pulse and the reference microwave signal A timing detector that outputs a voltage proportional to the phase difference between the microwave signal of the measurement path extracted from the third optical pulse and the microwave signal of the reference path extracted from the fourth optical pulse that does not experience flight time change a range finder, and calculate a first distance from the voltage output from the timing detector based on a voltage-distance correspondence, the first distance, a Non-Ambiguity Range (NAR) of the timing detector, and the and a computing device calculating a distance corresponding to a time-of-flight change of the first light pulse based on the number of NARs calculated from the phase difference.

상기 컴퓨팅 장치는 상기 긴 거리 측정기로부터 상기 위상차에 비례하는 전압을 획득하고, 상기 긴 거리 측정기의 출력 전압을 이용하여 제2 거리를 계산하고, 상기 제2 거리를 상기 타이밍 검출기의 NAR로 나누어 상기 NAR 수를 결정할 수 있다.The computing device obtains a voltage proportional to the phase difference from the long range finder, calculates a second distance using an output voltage of the long range finder, and divides the second distance by the NAR of the timing detector to determine the NAR number can be determined.

상기 타이밍 검출기의 NAR은 상기 기준 마이크로파 신호의 주파수를 기초로 계산될 수 있다.The NAR of the timing detector may be calculated based on the frequency of the reference microwave signal.

실시예에 따른 컴퓨팅 장치가 거리 측정하는 방법으로서, 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기로부터, 비행 시간 변화된 제1 광 펄스에서 분기된 제2 광 펄스와 기준 마이크로파 신호의 타이밍 오차에 비례하는 전압을 입력받는 단계, 상기 타이밍 검출기보다 긴 모호함 없는 거리(Non-Ambiguity Range, NAR)를 가지는 거리 측정기로부터, 두 마이크로파 신호 사이의 위상차에 비례하는 전압을 입력받는 단계, 전압-거리 대응 관계를 기초로 상기 타이밍 검출기에서 측정된 전압으로부터 제1 거리를 계산하는 단계, 상기 위상차에 대응하는 제2 거리를 기초로, 상기 타이밍 검출기의 NAR이 상기 제2 거리에서 반복된 수를 나타내는 NAR 수를 결정하는 단계, 그리고 상기 제1 거리, 상기 타이밍 검출기의 NAR, 그리고 상기 NAR 수를 기초로 상기 제1 광 펄스의 비행 시간 변화에 대응하는 거리를 계산하는 단계를 포함한다. 상기 두 마이크로파 신호는 상기 제1 광 펄스에서 분기된 제3 광 펄스 그리고 비행 시간 변화를 경험하지 않은 제4 광 펄스로부터 추출된다.A method of measuring a distance by a computing device according to an embodiment, the method comprising: receiving, from an all-optical sampling-based timing detector, a voltage proportional to a timing error between a second optical pulse branched from a first optical pulse having a time-of-flight and a reference microwave signal; Receiving a voltage proportional to the phase difference between two microwave signals from a range finder having a longer non-ambiguity range (NAR) than the timing detector, voltage-measured by the timing detector based on the distance correspondence calculating a first distance from the obtained voltage; determining, based on a second distance corresponding to the phase difference, a NAR number representing the number of times the NAR of the timing detector is repeated at the second distance; and and calculating a distance corresponding to a time-of-flight change of the first optical pulse based on the distance, the NAR of the timing detector, and the number of NARs. The two microwave signals are extracted from a third light pulse branched from the first light pulse and a fourth light pulse that does not experience time-of-flight change.

상기 제1 거리를 계산하는 단계는 기준 광 파워에 대한 상기 제2 광 펄스의 파워 변화를 계산하고, 상기 파워 변화를 기초로 상기 타이밍 검출기에서 출력된 전압을 보정한 후, 상기 제1 거리를 계산할 수 있다.The calculating of the first distance may include calculating a power change of the second optical pulse with respect to a reference optical power, correcting the voltage output from the timing detector based on the power change, and then calculating the first distance. can

상기 NAR의 수를 결정하는 단계는 상기 제2 거리를 상기 타이밍 검출기의 NAR로 나누어 상기 NAR 수를 결정할 수 있다. The determining of the number of NARs may include dividing the second distance by the NAR of the timing detector to determine the number of NARs.

실시예에 따르면 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기의 초고속 및 고분해능 특성은 유지하면서, 밀리미터 수준의 모호함 없는 거리를 비약적으로 늘릴 수 있다. According to the embodiment, it is possible to dramatically increase the distance without ambiguity at the millimeter level while maintaining the ultra-high-speed and high-resolution characteristics of the all-optical sampling-based timing detector.

실시예에 따르면 미터 수준의 모호함 없는 거리를 측정함과 동시에 밀리초의 속도에서도 나노미터 수준의 분해능을 만족하는 거리를 측정할 수 있다. According to the embodiment, it is possible to measure the distance without ambiguity at the meter level and at the same time measure the distance satisfying the resolution at the nanometer level even at the speed of milliseconds.

실시예에 따르면 하나의 펄스 레이저를 사용하여 초고속, 고분해능의 거리 측정과 긴 거리 측정을 동시에 수행할 수 있으므로, 비용과 시스템 복잡성을 낮출 수 있고, 실시간 거리 측정을 할 수 있다. According to an embodiment, since ultra-high-speed and high-resolution distance measurement and long distance measurement can be simultaneously performed using a single pulsed laser, cost and system complexity can be reduced, and real-time distance measurement can be performed.

도 1은 광 펄스의 비행 시간 검출 방법을 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 모호함 없는 거리(NAR)을 설명하는 도면이다.
도 3은 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기의 모호함 없는 거리를 설명하는 도면이다.
도 4는 한 실시예에 따른 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기를 포함하는 거리 측정 시스템을 설명하는 도면이다.
도 5는 한 실시예에 따른 거리 계산 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 한 실시예에 따른 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기의 예시이다.
도 7은 한 실시예에 따른 긴 거리 측정기의 구성도이다.
도 8은 한 실시예에 따른 거리 측정 방법의 흐름도이다. 1 is a diagram conceptually explaining a method of detecting a time-of-flight of an optical pulse.
2 is a diagram illustrating a distance without ambiguity (NAR).
3 is a diagram illustrating an unambiguous distance of an all-optical sampling-based timing detector.
4 is a diagram illustrating a distance measurement system including an all-optical sampling-based timing detector according to an embodiment.
5 is a view for explaining a distance calculation method according to an exemplary embodiment.
6 is an illustration of an all-optical sampling-based timing detector according to an embodiment.
7 is a configuration diagram of a long range finder according to an exemplary embodiment.
8 is a flowchart of a distance measuring method according to an exemplary embodiment.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

설명에서, 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. In the description, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

설명에서, 타이밍 오차, 위상 오차, 그리고 비행 시간(Time-of-flight, TOF) 변화를 혼용하여 사용할 수 있고, 또한 타이밍 오차, 타이밍 차이(difference), 타이밍 변화(change) 등을 혼용하여 설명할 수 있고, 간단히 타이밍이라고 부를 수 있다.In the description, timing error, phase error, and time-of-flight (TOF) change can be used interchangeably, and timing error, timing difference, timing change, etc. can be used interchangeably. and can simply be called timing.

설명에서, 도면 부호 및 이름은 설명의 편의를 위해 붙인 것으로서, 반드시 장치들이 반드시 도면 부호나 이름으로 엄격히 한정되는 것은 아니다.In the description, reference numerals and names are provided for convenience of description, and devices are not necessarily limited to the reference numbers or names.

도 1은 광 펄스의 비행 시간 검출 방법을 개념적으로 설명하는 도면이고, 도 2는 모호함 없는 거리(NAR)을 설명하는 도면이며, 도 3은 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기의 모호함 없는 거리를 설명하는 도면이다. 1 is a diagram conceptually explaining a time-of-flight detection method of an optical pulse, FIG. 2 is a diagram illustrating a distance without ambiguity (NAR), and FIG. 3 is a diagram illustrating a distance without ambiguity of an all-optical sampling-based timing detector. .

도 1을 참고하면, 광 펄스의 비행 시간은 레이저에 동기화된 기준 신호를 이용하여 검출된다. 기준 신호는 전기 신호이다. 예를 들면, 기준 신호는 전기 파형(electrical waveform)일 수 있고, 레이저에 동기화/주파수 잠금(frequency-locked)된 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator, VCO)의 마이크로파 신호일 수 있다. 또는, 기준 신호는 광 펄스가 광전 변환된 전기 펄스이거나, 전기 펄스로부터 추출된 전기 파형일 수 있다. 전기 펄스나 전기 펄스로부터 추출된 전기 파형은 이미 펄스 레이저에 동기화되어 있으므로, 별도의 동기화 장치가 필요하지 않다.Referring to FIG. 1 , the flight time of the light pulse is detected using a reference signal synchronized with the laser. The reference signal is an electrical signal. For example, the reference signal may be an electrical waveform, and may be a microwave signal of a voltage controlled oscillator (VCO) synchronized/frequency-locked to a laser. Alternatively, the reference signal may be an electrical pulse in which a light pulse is photoelectrically converted, or an electrical waveform extracted from the electrical pulse. Since the electric pulse or the electric waveform extracted from the electric pulse is already synchronized to the pulsed laser, a separate synchronizer is not required.

센서를 지나면서 비행 시간이 변한 광 펄스열(interrogating pulses)은 기준 신호와 위상(타이밍) 오차가 발생한다. 비행 시간 변화에 의한 위상 오차는 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기(Electro-Optic Sampling based timing detector, EOS-TD)를 이용하여 측정될 수 있다. 타이밍 검출기는 광 위상 검출기라고도 부를 수 있는데, 다양한 형태로 구현될 수 있다.Interrogating pulses whose flight time changes as they pass through the sensor generate a phase (timing) error with the reference signal. The phase error due to the flight time change may be measured using an Electro-Optic Sampling based timing detector (EOS-TD). The timing detector may also be referred to as an optical phase detector, and may be implemented in various forms.

EOS-TD는 기준 신호와의 위상 오차에 해당하는 전압을 출력하고, 전압이 거리로 환산된다. 도 2를 참고하면, 위상 오차에 해당하는 전압과 거리의 관계는 주기적으로 표현된다. 이러한 주기성 때문에, 긴 거리를 측정하면 전압 V에 해당하는 거리가 하나로 정의되지 않는다. 따라서, 전압에 일대일 대응하는 거리 범위를 모호함 없는 거리(Non-Ambiguity Range, NAR)라고 정의한다.EOS-TD outputs a voltage corresponding to a phase error with the reference signal, and the voltage is converted into a distance. Referring to FIG. 2 , the relationship between the voltage corresponding to the phase error and the distance is periodically expressed. Because of this periodicity, measuring long distances does not define a single distance corresponding to voltage V. Accordingly, a distance range corresponding to a voltage one-to-one is defined as a non-ambiguity range (NAR).

한편, 거리 측정에서 중요한 성능 파라미터들은 정밀도(precision), 측정 속도(measurement speed) 그리고 모호함 없는 거리(NAR)인데, 일반적으로 한 파라미터의 성능 개선은 다른 파라미터들의 성능 저하를 감수해야 달성된다. 따라서, EOS-TD는 초고속 및 고분해능 특성을 가지지만, 밀리미터 수준의 모호함 없는 거리를 가지는 한계가 있다. On the other hand, important performance parameters in distance measurement are precision, measurement speed, and unambiguous distance (NAR). In general, performance improvement of one parameter is achieved at the expense of performance degradation of other parameters. Therefore, although EOS-TD has ultra-fast and high-resolution characteristics, there is a limitation in having a distance without ambiguity at the millimeter level.

도 3을 참고하면, EOS-TD가 VCO의 마이크로파 신호를 기준 신호로 사용하는 경우, EOS-TD의 NAR은 마이크로파 신호의 사분파장에 해당한다. 예를 들어, 8GHz의 마이크로파 신호가 기준 신호인 경우, 왕복 거리 기준으로 NAR은 수학식 1과 같이 밀리미터 수준의 9.375 mm에 불과하다. Referring to FIG. 3 , when the EOS-TD uses the microwave signal of the VCO as a reference signal, the NAR of the EOS-TD corresponds to a quarter wavelength of the microwave signal. For example, when a microwave signal of 8 GHz is a reference signal, the NAR is only 9.375 mm in millimeter level as shown in Equation 1 based on the round trip distance.

따라서, 측정 거리가 NAR보다 긴 거리 L라면, EOS-TD에서 출력되는 전압을 기초로 환산된 거리 L_EOS-TD는 실제 거리 L과 차이가 난다. 결국, EOS-TD를 포함하는 거리 측정 시스템으로는 수 cm이상의 거리를 한 번에 측정하기 어렵다.Therefore, if the measured distance is a longer distance L than the NAR, the distance L _{EOS-TD converted based on the voltage output from the EOS-TD} is different from the actual distance L. As a result, it is difficult to measure a distance of several cm or more at once with a distance measuring system including EOS-TD.

배경 기술에서도 언급한 바와 같이, 종래에는 밀리미터 이상의 거리를 측정하기 위해서는 모터를 이용해 연속적인 변위를 주고, 모호함 없는 거리를 몇 번 지났는지 확인하는 방법이 제시되었으나, 고속 측정이 불가하고, 중간에 빛이 돌아오지 않는 경우 측정이 안되는 문제가 있다. 또한, 여러 대의 레이저들을 이용한 절대 거리 측정 방법은 비용과 시스템 복잡성이 크다.As mentioned in the background art, in the prior art, in order to measure a distance of millimeters or more, a method of applying a continuous displacement using a motor and checking how many times the distance without ambiguity has been passed has been proposed, but high-speed measurement is not possible, and light If this does not return, there is a problem that measurement cannot be performed. In addition, the absolute distance measurement method using multiple lasers has high cost and system complexity.

다음에서, 간단히 하나의 펄스 레이저를 사용하면서도, EOS-TD의 NAR보다 긴 거리 L을 초고속 및 고분해능으로 측정하는 방법 및 시스템에 대해 설명한다. In the following, a method and system for measuring a distance L longer than the NAR of EOS-TD with ultra-high speed and high resolution while simply using a single pulsed laser will be described.

도 4는 한 실시예에 따른 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기를 포함하는 거리 측정 시스템을 설명하는 도면이고, 도 5는 한 실시예에 따른 거리 계산 방법을 설명하는 도면이다.4 is a diagram illustrating a distance measurement system including an all-optical sampling-based timing detector according to an embodiment, and FIG. 5 is a diagram illustrating a distance calculation method according to an embodiment.

도 4를 참고하면, 거리 측정 시스템(10)은 측정 대상(1)을 지나온 광 펄스의 비행 시간(Time-of-flight, TOF) 변화(ΔTOF)를 기초로 거리를 측정한다. 거리 측정 시스템(10)은 측정 대상(1)의 움직이는 거리를 비롯하여, 단차(step), 곡률(curvature), 평탄도(flatness)와 같은 표면 형상(surface profile)을 측정할 수 있다. Referring to FIG. 4 , the distance measuring system 10 measures the distance based on the time-of-flight (TOF) change ΔTOF of the light pulse that has passed the measurement object 1 . The distance measuring system 10 may measure a surface profile such as a step, a curvature, and a flatness, as well as a moving distance of the measurement object 1 .

거리 측정 시스템(10)은 펄스 레이저(100), 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기(Electro-Optic sampling based timing detector, EOS-TD)(200), EOS-TD(200)의 기준 신호를 제공하는 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator, VCO)(300) 그리고 측정 대상(1)을 포함하는 센서 헤드(sensor head)(400)를 포함한다. 센서 헤드(400)는 광 펄스를 측정 대상(1)으로 입사하고, 측정 대상(1)의 표면에서 반사된 광 펄스를 역 경로로 전송한다. The distance measurement system 10 is a voltage-controlled oscillator that provides reference signals of the pulse laser 100 , an electro-optic sampling based timing detector (EOS-TD) 200 , and the EOS-TD 200 . (Voltage Controlled Oscillator, VCO) 300 and includes a sensor head (sensor head) 400 including the measurement object (1). The sensor head 400 transmits the light pulses incident on the measurement object 1 and reflected from the surface of the measurement object 1 in a reverse path.

거리 측정 시스템(10)은 VCO(300)를 펄스 레이저(100)에 동기화/주파수 잠금하기 위해 별도의 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기(EOS-TD)(500)를 더 포함할 수 있다. 여기서, EOS-TD(200)는 측정용 타이밍 검출기이고, EOS-TD(500)는 동기화용 타이밍 검출기라고 부를 수 있다. 동기화용 EOS-TD(500)는 측정용 EOS-TD(200)와 동일한 구조로 구현될 수 있으나, 반드시 동일할 필요는 없다.The distance measurement system 10 may further include a separate electro-optical sampling-based timing detector (EOS-TD) 500 to synchronize/frequency lock the VCO 300 to the pulse laser 100 . Here, the EOS-TD 200 may be referred to as a timing detector for measurement, and the EOS-TD 500 may be referred to as a timing detector for synchronization. The EOS-TD 500 for synchronization may be implemented in the same structure as the EOS-TD 200 for measurement, but it is not necessarily the same.

거리 측정 시스템(10)은 EOS-TD(200)에 비해 분해능은 떨어지지만 EOS-TD(200)의 NAR 보다 긴 NAR을 제공하는 긴 거리 측정기(600)를 더 포함한다. The distance measuring system 10 further includes a long range finder 600 that provides a longer NAR than that of the EOS-TD 200 although the resolution is lower than that of the EOS-TD 200 .

거리 측정 시스템(10)은 EOS-TD(200)의 출력(V_EOS-TD)과 긴 거리 측정기(600)의 출력(V_long)을 기초로 비행 시간 변화(ΔTOF)에 해당하는 거리 L을 계산하는 컴퓨팅 장치(700)를 더 포함한다. The distance measuring system 10 calculates the distance L corresponding to the change in flight time (ΔTOF) based on the output (V _EOS-TD ) of the EOS-TD 200 and the output (V _long ) of the long range finder 600 . It further includes a computing device 700 that does.

거리 측정 시스템(10)은 다음에서 설명하는 광 경로를 제공하기 위해, 서큘레이터(circulator, CL)(410), 광 펄스를 분기하는 커플러들(420, 430, 440)을 더 포함한다. 서큘레이터(410)는 입력 광 펄스를 센서 헤드(400)로 전달하고, 센서 헤드(400)에서 되돌아온 광 펄스를 EOS-TD(200) 방향으로 전달한다. 커플러(420)는 펄스 레이저(100)에서 출력된 광 펄스를 광 펄스1(Pulse 1)과 광 펄스2(Pulse 2)로 나눌 수 있다. 커플러(430)는 광 펄스1(Pulse 1)을 광 펄스1-1(Pulse 1-1)과 광 펄스1-2(Pulse 1-2)로 나눌 수 있다. 커플러(440)는 광 펄스2(Pulse 2)을 광 펄스2-1(Pulse 2-1)과 광 펄스2-2(Pulse 2-2)로 나눌 수 있다. 또한, 광 경로에 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium doped Fiber Amplifier, EDFA), 광 지연 라인(Optical Delay Line, ODL) 등이 추가될 수 있고, 필요에 따라 필터, 증폭기 등이 추가될 수 있다. The distance measuring system 10 further includes a circulator (CL) 410 and couplers 420 , 430 , 440 for branching the optical pulse to provide an optical path as described below. The circulator 410 transmits an input light pulse to the sensor head 400 , and transmits the light pulse returned from the sensor head 400 in the EOS-TD 200 direction. The coupler 420 may divide the optical pulse output from the pulsed laser 100 into an optical pulse 1 and an optical pulse 2 . The coupler 430 may divide the optical pulse 1 (Pulse 1) into an optical pulse 1-1 (Pulse 1-1) and an optical pulse 1-2 (Pulse 1-2). The coupler 440 may divide an optical pulse 2 (Pulse 2) into an optical pulse 2-1 (Pulse 2-1) and an optical pulse 2-2 (Pulse 2-2). In addition, an erbium doped fiber amplifier (EDFA), an optical delay line (ODL), etc. may be added to the optical path, and a filter, an amplifier, etc. may be added as necessary.

펄스 레이저(100)는 광 펄스열을 출력한다. 펄스 레이저(100)는 매우 짧은 펄스폭과 낮은 타이밍 지터(timing jitter)로 우수한 시간 분해능을 가지는 모드 잠금 레이저(mode-locked laser, MLL)일 수 있다. 펄스와 펄스 사이의 시간 간격(주기, T_rep)이 수 ns에서 ns 이하인 펄스열이 출력되는 경우, 주기의 역수인 반복률(repetition rate, f_rep)은 수백 MHz에서 수 GHz가 된다. 펄스 레이저(100)는 펨토초 스케일의 매우 짧은 광 펄스를 발생시키는 펨토초 레이저일 수 있으나, 레이저 종류는 달라질 수 있다. The pulse laser 100 outputs an optical pulse train. The pulse laser 100 may be a mode-locked laser (MLL) having excellent time resolution due to a very short pulse width and low timing jitter. When a pulse train having a time interval (period, T _rep ) between a pulse and a pulse is output from several ns to ns or less, the repetition rate, which is the reciprocal of the period, _becomes several GHz to several GHz. The pulse laser 100 may be a femtosecond laser generating a very short light pulse of a femtosecond scale, but the laser type may be different.

펄스 레이저(100)에서 출력되는 광 펄스열은 커플러(420)에 의해 광 펄스1(Pulse 1)과 광 펄스2(Pulse 2)로 나누어진다. The optical pulse train output from the pulse laser 100 is divided into an optical pulse 1 and an optical pulse 2 by the coupler 420 .

광 펄스1은 커플러(430)에 의해 광 펄스1-1(Pulse 1-1)과 광 펄스1-2(Pulse 1-2)로 나누어지는데, 광 펄스1-1은 EOS-TD(500)로 입력되고, 광펄스1-2는 긴 거리 측정기(600)로 입력된다. 광 펄스1-1과 광 펄스1-2는 비행시간 변화를 경험하지 않은 신호이다. 광 펄스1-1은 EOS-TD(500)에서 VCO(300)를 펄스 레이저(100)에 동기화하는 데 사용된다. 광 펄스1-2는 긴 거리 측정기(600)에서 기준 신호로 사용된다.The optical pulse 1 is divided into an optical pulse 1-1 and an optical pulse 1-2 by the coupler 430, and the optical pulse 1-1 is an EOS-TD 500. is input, and the optical pulses 1-2 are input to the long distance meter 600 . Light pulse 1-1 and light pulse 1-2 are signals that do not experience flight time change. Light pulse 1-1 is used to synchronize the VCO 300 to the pulse laser 100 in the EOS-TD 500 . Light pulses 1-2 are used as reference signals in the long range finder 600 .

광 펄스2는 서큘레이터(410)를 통해 센서 헤드(400)로 입력되고, 비행시간 변화(ΔTOF)를 경험한 후, 측정용 EOS-TD(200) 방향으로 전달된다. 이때, 광 펄스2는 커플러(440)에 의해 광 펄스2-1(Pulse 2-1)과 광 펄스2-2(Pulse 2-2)로 나누어진다. 광 펄스2-1는 EOS-TD(200)로 입력되고, 광 펄스2-2는 긴 거리 측정기(600)로 입력된다.Light pulse 2 is input to the sensor head 400 through the circulator 410, experiences a time-of-flight change (ΔTOF), and then is transmitted in the direction of the EOS-TD 200 for measurement. At this time, the optical pulse 2 is divided into an optical pulse 2-1 and an optical pulse 2-2 by the coupler 440 . Optical pulse 2-1 is input to the EOS-TD 200 , and optical pulse 2-2 is input to the long range finder 600 .

EOS-TD(200)는 센서 헤드(400)를 지나면서 비행 시간 변화된 광 펄스 2-1을 입력받고, VCO(200)로부터 주파수 잠금된 마이크로파 신호를 기준 신호로 입력받는다. EOS-TD(200)는 전광 샘플링 기반으로 비행 시간 변화된 광 펄스와 마이크로파 신호의 타이밍(위상) 오차를 계산한다. EOS-TD(200)는 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호를 출력한다. EOS-TD(200)에서 출력되는 전기 신호는 타이밍 오차에 비례하는 전압 V_EOS-TD일 수 있다. 전압 V_EOS-TD는 EOS-TD(200)의 NAR에서 거리 L_EOS-TD에 대응될 수 있다. The EOS-TD 200 receives the light pulse 2-1 with a changed flight time as it passes through the sensor head 400 , and receives a frequency-locked microwave signal from the VCO 200 as a reference signal. The EOS-TD 200 calculates the timing (phase) error of the optical pulse and the microwave signal with a time-of-flight change based on all-optical sampling. The EOS-TD 200 outputs an electrical signal proportional to the timing error. The electrical signal output from the EOS-TD 200 may be a voltage V _EOS-TD proportional to the timing error. The voltage V _EOS-TD may correspond to the distance L _EOS-TD from the NAR of the EOS-TD 200 .

EOS-TD(200)에게 기준 신호를 제공하는 VCO(200)는 펄스 레이저(100) 외부의 독립된 신호원이다. 따라서, VCO(300)의 위상을 펄스 레이저(100)의 반복률에 동기화하는 것이 필요하다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 마이크로파의 영점 교차점을 펄스 레이저(100)의 광 펄스열에 동기화하는 회로는 다양하게 설계될 수 있는데, 동기화용 EOS-TD(500)에 의해 VCO(300)가 펄스 레이저(100)에 동기화될 수 있다.The VCO 200 that provides the reference signal to the EOS-TD 200 is an independent signal source outside the pulse laser 100 . Therefore, it is necessary to synchronize the phase of the VCO 300 to the repetition rate of the pulse laser 100 . As described in FIG. 1, the circuit for synchronizing the zero crossing point of the microwave to the optical pulse train of the pulse laser 100 can be designed in various ways. 100) can be synchronized.

동기화용 EOS-TD(500)는 전광 샘플링 기반으로 광 펄스1-1과 마이크로파 신호의 타이밍(위상) 오차를 계산한다. 동기화용 EOS-TD(500)는 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호를 출력하고, 이를 VCO(300)로 피드백한다. The EOS-TD 500 for synchronization calculates the timing (phase) error between the optical pulse 1-1 and the microwave signal based on all-optical sampling. The EOS-TD 500 for synchronization outputs an electrical signal proportional to the timing error, and feeds it back to the VCO 300 .

VCO(300)은 EOS-TD(500)로부터 수신한 피드백 신호를 기초로 타이밍 오차를 보상하고, 광 펄스1-1에 동기화된 기준 신호를 출력한다. 마이크로파의 주파수(f_o)는 광 펄스 반복률의 정수 배(n * f_rep)일 수 있다. 예를 들면, VCO(300)은 주파수가 32f_rep인 마이크로파 신호를 출력할 수 있다. The VCO 300 compensates for a timing error based on the feedback signal received from the EOS-TD 500 and outputs a reference signal synchronized with the optical pulse 1-1. The frequency (f _o ) of the microwave may be an integer multiple of the light pulse repetition rate (n * f _rep ). For example, the VCO 300 may output a microwave signal having a frequency of 32f _rep .

긴 거리 측정기(600)는 비행시간 변화를 경험하지 않은 광 펄스1-2와 비행시간 변화를 경험한 광 펄스2-2를 입력받는다. 긴 거리 측정기(600)는 기준 경로로 입력된 광 펄스1-2와 측정 경로로 입력된 광 펄스2-2 각각에서 특정 주파수의 마이크로파 신호를 추출한 뒤, 두 마이크로파 신호 사이의 위상차

에 비례하는 전압(V_long)을 출력할 수 있다. The long range finder 600 receives optical pulses 1-2 that have not experienced a change in flight time and optical pulses 2-2 that have experienced a change in flight time. The long range finder 600 extracts a microwave signal of a specific frequency from each of the optical pulses 1-2 input to the reference path and the optical pulses 2-2 input to the measurement path, and then the phase difference between the two microwave signals

A voltage (V _long ) proportional to can be output.

긴 거리 측정기(600)는 기준 경로와 측정 경로로 입력된 각 광 펄스를 광전 변환하고, 주파수 대역 필터를 통해 원하는 특정 주파수의 마이크로파 신호를 추출할 수 있다. 긴 거리 측정기(600)의 분해능은 EOS-TD(200)보다 작지만, 특정 주파수가 250 MHz인 경우, 250 MHz의 마이크로파 신호로 측정 가능한 NAR은 수학식 2과 같이 300 mm로 EOS-TD(200)보다 훨씬 긴 NAR을 제공할 수 있다.The long range finder 600 may photoelectrically convert each optical pulse input to the reference path and the measurement path, and extract a microwave signal of a desired specific frequency through a frequency band filter. The resolution of the long range finder 600 is smaller than that of the EOS-TD (200), but when the specific frequency is 250 MHz, the NAR that can be measured with a microwave signal of 250 MHz is 300 mm as shown in Equation 2, and the EOS-TD (200) It can provide a much longer NAR than that.

긴 거리 측정기(600)에서 출력된 전압 V_long은 비행시간 변화에 대응하는 거리 L_long으로 환산될 수 있다. 구체적으로, V_long을 검출 민감도(V/rad)로 나누어서 위상차

가 계산될 수 있고, 위상차로부터 거리 L_long이 환산될 수 있다.The voltage V _long output from the long distance meter 600 may be converted into a distance L _long corresponding to a change in flight time. Specifically, the phase difference by dividing V _long by the detection sensitivity (V/rad)

can be calculated, and the distance L _long from the phase difference can be converted.

컴퓨팅 장치(700)는 적어도 하나의 프로세서에 의해 동작하고, EOS-TD(200)의 출력 V_EOS-TD과 긴 거리 측정기(600)의 출력 V_long을 입력받고, 비행 시간 변화(ΔTOF)에 해당하는 거리 L을 계산한다. The computing device 700 is operated by at least one processor, receives the output V _EOS-TD of the EOS-TD 200 and the output V _long of the long range finder 600, and corresponds to the change in flight time (ΔTOF) Calculate the distance L.

도 5를 참고하면, 컴퓨팅 장치(700)는 EOS-TD(200)의 출력 V_EOS-TD로부터, EOS-TD(200)의 NAR에서 전압 V_EOS-TD에 대응하는 거리 L_EOS-TD를 환산한다. EOS-TD(200)는 고분해능으로 거리를 측정하므로, 컴퓨팅 장치(700)는 정확한 L_EOS-TD를 획득할 수 있다. 이때, 컴퓨팅 장치(700)는 EOS-TD(200)로 입력되는 광 펄스 2-1의 파워와 기준 광 파워의 파워 변화를 계산하고, 파워 변화를 기초로 EOS-TD(200)에서 출력된 V_EOS-TD을 보정한다. 그리고, 컴퓨팅 장치(700)는 보정된 전압 V_EOS-TD’을 이용하여, 거리 L_EOS-TD를 환산할 수 있다. 기준 광 파워에 비해 평균 광 파워가 적은 광 펄스로 EOS-TD(200)에서 위상 오차가 검출된다면, 광 파워 변화가 없는 경우에 비해 전기 신호가 작게 출력된다. 따라서, 컴퓨팅 장치(700)는 광 파워 변화로 인해 거리 L_EOS-TD이 실제보다 작게 측정될 수 있으므로, EOS-TD(200)로 입력되는 광 펄스 2-1의 파워 변화를 보정할 수 있다. 이를 위해, 거리 측정 시스템(10)은 EOS-TD(200)로 향하는 광 펄스 2-1의 일부를 탭핑하는 커플러, 그리고 탭핑된 광 신호를 검출하는 광 검출기를 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5 , the computing device 700 converts the distance L _EOS-TD corresponding to the voltage V _EOS-TD in the NAR of the EOS-TD 200 from the output V _EOS-TD of the EOS-TD 200 . do. Since the EOS-TD 200 measures the distance with high resolution, the computing device 700 may obtain an accurate L _EOS-TD . At this time, the computing device 700 calculates the power change of the optical pulse 2-1 input to the EOS-TD 200 and the power change of the reference optical power, and V output from the EOS-TD 200 based on the power change Calibrate _EOS-TD . Then, the computing device 700 may convert the distance L _EOS-TD by using the corrected voltage V _EOS-TD '. If a phase error is detected in the EOS-TD 200 as an optical pulse having an average optical power smaller than the reference optical power, an electric signal is output to be smaller than when there is no optical power change. Accordingly, since the distance L _EOS-TD may be measured to be smaller than actual due to the change in optical power, the computing device 700 may correct the change in power of the optical pulse 2-1 input to the EOS-TD 200 . To this end, the distance measuring system 10 may further include a coupler that taps a part of the optical pulse 2-1 directed toward the EOS-TD 200 and a photodetector that detects the tapped optical signal.

컴퓨팅 장치(700)는 긴 거리 측정기(600)에서 출력된 V_long을 이용하여, 전압 V_long에 대응하는 거리 L_long을 환산한다. 전압 V_long은 기준 경로와 측정 경로로 입력된 각 광 펄스 간의 위상차에 대응하는 값이므로, 컴퓨팅 장치(700)는 전압 V_long을 이용하여 거리 L_long을 계산할 수 있다. 이때, 거리 L_long은 분해능은 낮지만, 넓은 NAR에서 환산된 긴 거리 값을 가지므로, 실제 거리 L에 근사한 값이다.The computing device 700 converts the distance L _long corresponding to the voltage V _long by using the V _long output from the long distance meter 600 . Since the voltage V _long is a value corresponding to the phase difference between each optical pulse input to the reference path and the measurement path, the computing device 700 may calculate the distance L _long using the voltage V _long . In this case, the distance L _long has a low resolution, but has a long distance value converted from a wide NAR, and thus is an approximate value to the actual distance L.

이때, 측정 거리 L은 수학식3과 같이 표현된다. L_EOS-TD는 고분해능 값이고, NAR은 수학식 1과 같이 계산되므로, EOS-TD(200)의 출력 V_EOS-TD가 몇 번의 NAR을 지나온 것인지를 나타내는 NAR 수만 알 수 있다면, 비행시간 변화에 대응하는 거리 L이 측정될 수 있다. In this case, the measurement distance L is expressed as in Equation (3). Since L _EOS-TD is a high-resolution value, and NAR is calculated as in Equation 1, if only the number of NARs indicating how many NARs the output V _EOS-TD of the EOS-TD 200 has passed can be known, the change in flight time A corresponding distance L can be measured.

컴퓨팅 장치(700)는 긴 거리 측정기(600)의 출력 전압 V_long을 이용하여, 분해능은 낮지만 실제 거리 L에 근사한 거리 L_long을 알고 있다. 따라서, 컴퓨팅 장치(700)는 수학식 4와 같이, 거리 L_long을 NAR로 나누어 얻은 몫(정수 값)을 NAR 수로 사용한다.The computing device 700 uses the output voltage V _long of the long range finder 600 to know the distance L _long close to the actual distance L although the resolution is low. Accordingly, the computing device 700 uses a quotient (an integer value) obtained by dividing the distance L _long by the NAR as the number of NARs as shown in Equation (4).

이처럼, 컴퓨팅 장치(700)는 긴 거리 측정기(600)를 통해 측정된 거리 L_long을 이용하여, EOS-TD(200)를 통해 측정된 거리 L_EOS-TD가 몇 번의 NAR을 지나온 것인지를 나타내는 NAR 수를 얻고, 이를 이용하여 거리 L을 계산할 수 있다. As such, the computing device 700 uses the distance L _long measured through the long range finder 600 , and the NAR indicating how many NARs the distance L _EOS-TD measured through the EOS-TD 200 has passed. We can get a number and use it to calculate the distance L.

이와 같이, 거리 측정 시스템(10)은 EOS-TD(200)와 긴 거리 측정기(600)를 통해 동시에 거리를 측정하고, 두 측정 값을 이용하여, EOS-TD(200)의 NAR을 뛰어 넘는 긴 거리 L을 측정할 수 있다. 따라서, 거리 측정 시스템(10)은 EOS-TD(200)의 고분해능 특성을 유지하면서, 밀리미터 수준의 NAR(예를 들면, 9.375 mm)을 긴 거리 측정기(600)의 NAR(예를 들면, 300mm)로 늘릴 수 있다. As such, the distance measuring system 10 simultaneously measures the distance through the EOS-TD 200 and the long range finder 600, and uses the two measured values to exceed the NAR of the EOS-TD 200 The distance L can be measured. Therefore, the distance measuring system 10 maintains the high-resolution characteristics of the EOS-TD 200, while maintaining the NAR of the millimeter level (eg, 9.375 mm) and the NAR of the long range finder 600 (eg, 300 mm). can be increased to

거리 측정 시스템(10)은 비행 시간 변화된 광 펄스를 분기하여, EOS-TD(200)에서 측정된 초고속 및 고분해능의 거리, 그리고 이와 동시에 긴 거리 측정기(600)에서 측정된 긴 거리를 측정한다. 따라서, 거리 측정 시스템(10)은 하나의 펄스 레이저를 이용하여 고분해능 및 긴 NAR을 제공할 수 있다.The distance measuring system 10 branches the time-of-flight-changed optical pulse, and measures the ultra-high-speed and high-resolution distance measured by the EOS-TD 200 and the long distance measured by the long range finder 600 at the same time. Therefore, the distance measuring system 10 can provide high resolution and long NAR by using one pulsed laser.

또한, 250 MHz 마이크로파간 위상 검출은 1us의 빠른 시간에서도 5.76 mm 이내의 분해능을 가지기 때문에 EOS-TD(200)의 초고속 및 고분해능의 장점을 살리면서 NAR을 늘리는 것이 가능하다. 이외에도 TOF sensor 등을 이용하여 긴 거리 측정기(600)를 구현하는 경우, 10m 이상의 거리까지도 측정할 수 있다.In addition, since 250 MHz microwave phase detection has a resolution of less than 5.76 mm even at a fast time of 1us, it is possible to increase the NAR while taking advantage of the high speed and high resolution of the EOS-TD (200). In addition, when the long distance measuring device 600 is implemented using a TOF sensor, it is possible to measure even a distance of 10 m or more.

도 6은 한 실시예에 따른 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기의 예시이다.6 is an illustration of an all-optical sampling-based timing detector according to an embodiment.

도 6을 참고하면, EOS-TD(200)는 다양한 형태로 구현될 수 있는데, 예를 들면, 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기나, 3x3 커플러 기반 위상 검출기로 구현될 수 있다.Referring to FIG. 6 , the EOS-TD 200 may be implemented in various forms, for example, an optical loop-based optical-microwave phase detector or a 3x3 coupler-based phase detector.

(a)를 참고하면, EOS-TD(200a)는 루프 간섭계(210), 그리고 균형 광 검출기(balanced photodetector, BPD)(230)를 포함할 수 있다. 루프 간섭계(210)는 서큘레이터(211), 루프에 구현된 커플러(213), 전광 위상 변조기(Electro-optic phase modulator)(215), 그리고 사분파장(π/2) 바이어스 유닛(bias unit)(217)을 포함할 수 있다. 균형 광 검출기(BPD)(230)는 루프 간섭계(210)의 두 출력 포트에서 출력되는 두 광 신호들을 입력받고, 두 광 신호들의 광 신호 세기의 차이를 전기 신호로 출력한다.Referring to (a), the EOS-TD 200a may include a loop interferometer 210 and a balanced photodetector (BPD) 230 . The loop interferometer 210 includes a circulator 211, a coupler 213 implemented in the loop, an electro-optic phase modulator 215, and a quarter-wavelength (π/2) bias unit ( 217) may be included. The balanced photodetector (BPD) 230 receives two optical signals output from two output ports of the loop interferometer 210 , and outputs a difference in optical signal intensity between the two optical signals as an electrical signal.

측정 대상의 표면에서 반사되어 되돌아온 광 펄스들은 EOS-TD(200a)로 입력된다. 입력된 광 펄스는 서큘레이터(211)를 지나 커플러(213)에 도달한다. 커플러(213)는 광 펄스의 파워를 반으로 나누어 두 개의 광 펄스를 생성한 뒤, 루프의 서로 다른 방향으로 전달한다. Light pulses reflected back from the surface of the measurement object are input to the EOS-TD 200a. The input optical pulse passes through the circulator 211 and arrives at the coupler 213 . The coupler 213 divides the power of the optical pulse in half to generate two optical pulses, and then transmits them in different directions of the loop.

전광 위상 변조기(215)는 기준 신호를 인가받고, 인가된 기준 신호의 순간 전압에 따라 제1 방향으로 순환하는 펄스의 위상을 변조한다. 기준 신호는 VCO(300)에서 출력되는 마이크로파 신호일 수 있다. The electro-optical phase modulator 215 receives the reference signal and modulates the phase of the pulse circulating in the first direction according to the instantaneous voltage of the applied reference signal. The reference signal may be a microwave signal output from the VCO 300 .

제1 방향으로 순환하는 펄스와 제2 방향으로 순환하는 펄스는 바이어스 유닛(217)을 지나면서 위상 차이가 π/2이 된다. 루프를 서로 다른 방향으로 순환하면서 위상 차이가 발생한 펄스들은 커플러(213)에서 합쳐지는데(combined), 이때 서로 다른 방향으로 순환한 펄스들 간에 간섭이 일어난다. 커플러(213)는 합쳐진 광 신호를 분리하고, 분리된 두 광 신호들(두 간섭 신호들)은 루프 간섭계(210)의 두 출력 포트들로 출력된다. 분리된 두 광 신호는 균형 광 검출기(230)로 입력된다. A phase difference between the pulses circulating in the first direction and the pulses circulating in the second direction becomes π/2 as they pass through the bias unit 217 . Pulses having a phase difference while circulating the loop in different directions are combined in the coupler 213, and interference occurs between the pulses circulating in different directions. The coupler 213 separates the combined optical signal, and the two separated optical signals (two interference signals) are output to two output ports of the loop interferometer 210 . The two separated optical signals are input to the balanced optical detector 230 .

균형 광 검출기(230)로 입력되는 두 광 신호의 세기 차이(intensity difference)는 EOS-TD(200a)로 입력된 광 펄스와 기준 신호의 타이밍 오차에 비례한다. 균형 광 검출기(230)는 두 개의 광 다이오드와 차동(differential) 증폭기를 통해, 두 광 다이오드로 들어온 광 신호의 세기 차이를 전기 신호 V_EOS-TD로 변환할 수 있다. An intensity difference between the two optical signals input to the balanced optical detector 230 is proportional to a timing error between the optical pulse input to the EOS-TD 200a and the reference signal. The balanced photodetector 230 may convert a difference in intensity of an optical signal entering the two photodiodes into an electrical signal V _EOS-TD through two photodiodes and a differential amplifier.

(b)를 참고하면, EOS-TD(200b)는 EOS-TD(200a)와 유사하게, 균형 광 검출기(230)를 통해, 입력된 광 펄스와 기준 신호의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호를 출력한다. 다만, EOS-TD(200b)는 바이어스 유닛(217)을 포함하지 않고, 3x3 커플러(220)와 전광 위상 변조기(215)로 구현되는 3x3 커플러 기반 위상 검출기일 수 있다. Referring to (b), the EOS-TD 200b outputs an electrical signal proportional to the timing error between the input optical pulse and the reference signal through the balanced photodetector 230, similarly to the EOS-TD 200a. do. However, the EOS-TD 200b does not include the bias unit 217 and may be a 3x3 coupler-based phase detector implemented with the 3x3 coupler 220 and the electro-optic phase modulator 215 .

도 7은 한 실시예에 따른 긴 거리 측정기의 구성도이다.7 is a configuration diagram of a long range finder according to an exemplary embodiment.

도 7을 참고하면, 긴 거리 측정기(600)는 기준 경로로 입력된 광 펄스1-2와 측정 경로로 입력된 광 펄스2-2 각각에서 특정 주파수의 마이크로파 신호를 추출한 뒤, 두 마이크로파 신호 사이의 위상차에 해당하는 전압 V_long을 출력하는데, 이를 위하 회로는 다양한 형태로 구현될 수 있다.Referring to FIG. 7 , the long distance measuring device 600 extracts a microwave signal of a specific frequency from each of the optical pulses 1-2 input to the reference path and the optical pulses 2-2 input to the measurement path, and then performs a distance between the two microwave signals. A voltage V _long corresponding to the phase difference is output, and a circuit for this may be implemented in various forms.

예를 들면, 긴 거리 측정기(600)는 기준 경로로 입력된 광 펄스1-2를 광전 변환하는 광검출기(610), 광검출기(610)에서 변환된 전기 신호에서 특정 주파수의 마이크로파 신호로 추출하는 대역 통과 필터(620), 대역 통과 필터(620)를 통과한 마이크로파 신호를 증폭하는 증폭기(630)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 긴 거리 측정기(600)는 측정 경로로 입력된 광 펄스2-2를 광전 변환하는 광검출기(611), 광검출기(611)에서 변환된 전기 신호에서 특정 주파수의 마이크로파 신호로 추출하는 대역 통과 필터(621), 대역 통과 필터(621)를 통과한 마이크로파 신호를 증폭하는 증폭기(631)를 포함할 수 있다. 대역 통과 필터(620, 621)는 250 MHz 대역을 통과시키는 필터일 수 있다. For example, the long range finder 600 is a photodetector 610 that photoelectrically converts light pulses 1-2 input as a reference path, and extracts the electric signal converted by the photodetector 610 into a microwave signal of a specific frequency. It may include a band-pass filter 620 and an amplifier 630 amplifying the microwave signal that has passed through the band-pass filter 620 . Similarly, the long range finder 600 is a photodetector 611 that photoelectrically converts the optical pulse 2-2 input to the measurement path, and bandpass extracting the electric signal converted by the photodetector 611 into a microwave signal of a specific frequency The filter 621 may include an amplifier 631 amplifying the microwave signal that has passed through the band-pass filter 621 . The band-pass filters 620 and 621 may be filters that pass a 250 MHz band.

긴 거리 측정기(600)는 기준 경로의 마이크로파 신호와 측정 경로의 마이크로파 신호의 위상차를 계산하는 위상차 계산기(640)를 포함한다. 위상차 계산기(640)는 두 마이크로파 신호 사이의 위상차

에 비례하는 전압 V_long을 출력할 수 있다. The long range finder 600 includes a phase difference calculator 640 that calculates a phase difference between the microwave signal of the reference path and the microwave signal of the measurement path. The phase difference calculator 640 calculates the phase difference between the two microwave signals.

A voltage V _long that is proportional to can be output.

도 8은 한 실시예에 따른 거리 측정 방법의 흐름도이다. 8 is a flowchart of a distance measuring method according to an exemplary embodiment.

도 8을 참고하면, 컴퓨팅 장치(700)는 EOS-TD(200)의 출력인 전압 V_EOS-TD, 그리고 EOS-TD(200)보다 긴 NAR을 가지는 긴 거리 측정기(600)의 출력 전압 V_long을 입력받는다(S110). EOS-TD(200)의 출력 V_EOS-TD는 비행 시간 변화된 광 펄스와, 펄스 레이저(100)에 주파수 잠금된 마이크로파 신호 사이의 타이밍(위상) 오차에 비례한다. EOS-TD(200)는 센서 헤드(400)를 지나면서 비행 시간 변화된 광 펄스2에서 분기된 광 펄스2-1을 입력받고, 주파수 잠금된 마이크로파 신호를 기준 신호로 입력받는다. EOS-TD(200)는 전광 샘플링 기반으로 비행 시간 변화된 광 펄스와 마이크로파 신호의 타이밍(위상) 오차를 계산하고, 타이밍 오차에 비례하는 전압 V_EOS-TD를 출력한다. 긴 거리 측정기(600)의 출력 V_long은 비행 시간 변화된 광 펄스2-2에서 추출된 마이크로파 신호와, 비행 시간 변화를 경험하지 않은 광 펄스1-2에서 추출된 마이크로파 신호 사이의 위상차에 비례한다. Referring to FIG. 8 , the computing device 700 outputs a voltage V _EOS-TD that is an output of the EOS-TD 200 , and an output voltage V _long of the long range finder 600 having a NAR longer than that of the EOS-TD 200 . is input (S110). The output V _EOS-TD of the EOS-TD 200 is proportional to the timing (phase) error between the time-of-flight changed optical pulse and the microwave signal frequency-locked to the pulse laser 100 . The EOS-TD 200 receives optical pulse 2-1 branched from optical pulse 2 whose flight time is changed as it passes through the sensor head 400, and receives a frequency-locked microwave signal as a reference signal. The EOS-TD 200 calculates the timing (phase) error of the microwave signal and the optical pulse with flight time changed based on all-optical sampling, and outputs a voltage V _EOS-TD proportional to the timing error. The output V _long of the long range finder 600 is proportional to the phase difference between the microwave signal extracted from the time-of-flight changed optical pulse 2-2 and the microwave signal extracted from the optical pulse 1-2 that has not experienced the time-of-flight change.

컴퓨팅 장치(700)는 EOS-TD(200)의 출력과 거리가 일대일 대응되는 모호함 없는 거리 범위(NAR)에서, EOS-TD(200)의 출력 전압 V_EOS-TD에 대응하는 거리 L_EOS-TD를 환산한다(S120). 이때, 컴퓨팅 장치(700)는 EOS-TD(200)로 입력되는 광 펄스 2-1의 파워와 기준 광 파워의 파워 변화를 계산하고, 파워 변화를 기초로 EOS-TD(200)에서 출력된 V_EOS-TD을 보정한 후, V_EOS-TD에 대응하는 거리 L_EOS-TD를 환산할 수 있다.The computing device 700 is a distance L _EOS-TD corresponding to the output voltage V _EOS-TD of the EOS-TD 200 in an unambiguous distance range (NAR) where the distance to the output of the EOS-TD 200 is one-to-one. is converted (S120). At this time, the computing device 700 calculates the power change of the optical pulse 2-1 input to the EOS-TD 200 and the power change of the reference optical power, and V output from the EOS-TD 200 based on the power change After correcting _EOS -TD, the distance L _EOS-TD corresponding to V _EOS-TD can be converted.

컴퓨팅 장치(700)는 긴 거리 측정기(600)의 출력 전압 V_long을 이용하여, 출력 전압 V_long에 대응하는 거리 L_long을 환산한다(S130). 이때, 긴 거리 측정기(600)의 분해능은 EOS-TD(200)보다 낮다. 따라서, 거리 L_long은 실제 거리 L에 근사한 값이다.The computing device 700 converts the distance L _long corresponding to the output voltage V _long by using the output voltage V _long of the long distance meter 600 ( S130 ). In this case, the resolution of the long range finder 600 is lower than that of the EOS-TD 200 . Therefore, the distance L _long is a value approximating the actual distance L.

컴퓨팅 장치(700)는 긴 거리 측정기(600)를 통해 측정한 거리 L_long을 EOS-TD(200)의 NAR로 나누어 얻은 몫(정수 값)을 NAR 수로 결정한다(S140). 컴퓨팅 장치(700)는 거리 L_long에 포함된 EOS-TD(200)의 NAR 수를 계산한다. EOS-TD(200)의 NAR이 거리 L_long에서 반복된 수가 NAR 수로 정의될 수 있다.The computing device 700 determines the quotient (integer value) obtained by dividing the distance L _long measured by the long range finder 600 by the NAR of the EOS-TD 200 as the number of NARs ( S140 ). The computing device 700 calculates the number of NARs of the EOS-TD 200 included in the distance L _long . The number of repetitions of the NAR of the EOS-TD 200 at a distance L _long may be defined as the number of NARs.

컴퓨팅 장치(700)는 EOS-TD(200)의 NAR, NAR 수, 그리고 EOS-TD(200)를 통해 측정한 L_EOS-TD를 이용하여, 광 펄스의 비행시간 변화에 대응하는 거리 L을 계산한다(S150). 컴퓨팅 장치(700)는 수학식 3과 같이, 비행시간 변화에 대응하는 거리 L을 계산할 수 있다. The computing device 700 calculates the distance L corresponding to the flight time change of the light pulse by using the NAR of the EOS-TD 200, the number of NARs, and L _EOS-TD measured through the EOS-TD 200 do (S150). The computing device 700 may calculate the distance L corresponding to the flight time change as in Equation 3 .

이와 같이, 실시예에 따르면 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기의 초고속 및 고분해능 특성은 유지하면서, 밀리미터 수준의 모호함 없는 거리를 비약적으로 늘릴 수 있다. As described above, according to the embodiment, it is possible to dramatically increase the distance without ambiguity at the millimeter level while maintaining the ultra-high speed and high resolution characteristics of the all-optical sampling-based timing detector.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.The embodiment of the present invention described above is not implemented only through the apparatus and method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the right.

Claims

A distance measurement system comprising:
A voltage proportional to a timing error between the second optical pulse and the reference signal based on all-optical sampling, receiving a second optical pulse divided from the first optical pulse with a time-of-flight change, receiving a frequency-locked reference signal to a pulse laser a timing detector that outputs
A third optical pulse divided from the first optical pulse and a fourth optical pulse not experiencing time-of-flight change are input, and a microwave signal of a specific frequency extracted from the third optical pulse and extracted from the fourth optical pulse a long range finder for measuring the phase difference between the microwave signals of the specified frequency, and
A first distance is calculated from the voltage output from the timing detector based on a voltage-distance correspondence relationship, a second distance corresponding to the phase difference measured by the long distance measurer is calculated, and the timing included in the second distance is calculated. A computing device for determining the number of non-ambiguity ranges (NARs) of a detector, and calculating a distance corresponding to a time-of-flight change of the first light pulse using the first distance and the number of NARs
Including, a distance measurement system.

In claim 1,
and the specific frequency is determined such that an unambiguous distance of the long range finder is longer than the timing detector.

In claim 1,
the computing device
calculating a distance corresponding to a time-of-flight change of the first optical pulse by using the first distance, the number of NARs, and the NAR of the timing detector.

In claim 1,
the computing device
and calculating the first distance after calculating a power change of the second optical pulse with respect to a reference optical power, and correcting the voltage output from the timing detector based on the power change.

In claim 1,
The long range finder
a first photodetector that photoelectrically converts the third optical pulse input through a measurement path, a first bandpass filter that extracts the electric signal converted by the first photodetector into a microwave signal of the specific frequency;
a second photodetector that photoelectrically converts the fourth optical pulse input to a reference path, a second bandpass filter that extracts the electric signal converted by the second photodetector into a microwave signal of the specific frequency; and
A phase difference calculator that outputs a voltage proportional to the phase difference between the microwave signal of the measurement path and the microwave signal of the reference path
Including, a distance measurement system.

In claim 1,
a voltage controlled oscillator outputting the reference signal input to the timing detector; and
A timing detector for synchronization that synchronizes a microwave signal output from the voltage-controlled oscillator to the pulse laser based on a fifth optical pulse output from the pulse laser
Further comprising, a distance measurement system.

A distance measurement system comprising:
A first coupler for branching the first optical pulse with the time-of-flight changed into a second optical pulse and a third optical pulse;
a timing detector for outputting a voltage proportional to a timing error between the second optical pulse and a reference microwave signal based on all-optical sampling;
A long range finder measuring the phase difference between the microwave signal of the measurement path extracted from the third optical pulse and the microwave signal of the reference path extracted from the fourth optical pulse that does not experience flight time change, and
A first distance is calculated from the voltage output from the timing detector based on a voltage-distance correspondence relationship, and the calculated distance is calculated from the first distance, a non-ambiguity range (NAR) of the timing detector, and the phase difference. Computing device for calculating a distance corresponding to a time-of-flight change of the first light pulse based on the number of NARs
Including, a distance measurement system.

In claim 7,
the computing device
Obtaining a voltage proportional to the phase difference from the long range finder, calculating a second distance using the output voltage of the long range finder, and dividing the second distance by the NAR of the timing detector to determine the number of NARs , a distance measuring system.

In claim 7,
the computing device
and calculating the first distance after calculating a power change of the second optical pulse with respect to a reference optical power, and correcting the voltage output from the timing detector based on the power change.

In claim 7,
and the specific frequency is determined such that an unambiguous distance of the long range finder is longer than the timing detector.

In claim 7,
and the NAR of the timing detector is calculated based on the frequency of the reference microwave signal.

A method for a computing device to measure a distance, comprising:
receiving, from an all-optical sampling-based timing detector, a voltage proportional to a timing error of a second optical pulse branched from the first optical pulse having a time-of-flight change and a timing error of a reference microwave signal;
receiving a voltage proportional to the phase difference between the two microwave signals from a range finder having a non-ambiguity range (NAR) longer than the timing detector;
calculating a first distance from the voltage measured by the timing detector based on a voltage-distance correspondence;
determining, based on the second distance corresponding to the phase difference, a NAR number representing the number of times the NAR of the timing detector is repeated at the second distance; and
calculating a distance corresponding to a time-of-flight change of the first optical pulse based on the first distance, the NAR of the timing detector, and the number of NARs
includes,
and the two microwave signals are extracted from a third optical pulse branched from the first optical pulse and a fourth optical pulse that does not experience a time-of-flight change.

In claim 12,
The step of calculating the first distance is
calculating the first distance after calculating a power change of the second optical pulse with respect to a reference optical power, and correcting the voltage output from the timing detector based on the power change.

In claim 12,
The step of determining the number of NARs
and dividing the second distance by the NAR of the timing detector to determine the number of NARs.