KR20220110016A

KR20220110016A - 전기 광학 주사방식을 이용한 주파수 변조 연속파 라이다

Info

Publication number: KR20220110016A
Application number: KR1020210025241A
Authority: KR
Inventors: 라종필
Original assignee: 라종필
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-08-05
Also published as: KR102577072B1

Abstract

본 발명은 주파수 변조 연속파 라이다(100)에 관한 것으로, 레이저광을 발생하는 레이저 광원(110)과, 레이저 광원이 발생하는 레이저광의 발진주파수가 선형적으로 변화하도록 레이저 광원을 제어하는 레이저 광원 구동제어부(130)와, 레이저 광원에서 발생한 레이저광을 대상물(T)에 주사하고, 대상물에서 반사한 레이저광을 수신하는 송수신부(120)와, 레이저 광원에서 발생한 레이저광과 대상물에서 반사한 레이저광을 간섭시켜서 간섭 광을 얻는 파형 간섭부(150)와, 간섭 광으로부터 얻은 비트신호를 처리하여 대상물을 분석하는 신호처리부(170)를 포함하고, 송수신부는 대상물에 대해 X 방향 또는 Y 방향 중 어느 한 방향으로 레이저광을 주사하는 전기 광 스캐너를 구비한다.

Description

전기 광학 주사방식을 이용한 주파수 변조 연속파 라이다{FREQUENCY MODULATION CONTINUOUS WAVE LiDAR USING ELECTRO-OPTIC SCANNING}

본 발명은 주파수 변조 연속파 라이다에 관한 것으로, 특히, 전기 광학 주사방식을 이용한 주파수 변조 연속파 라이다에 관한 것이다.

펄스 형상(특정 파형(waveform))으로 발광하는 레이저광을 대상물에 주사하고, 그 산란광을 측정하여 원거리에 있는 대상물까지의 거리나 상대속도 또는 상대 각도 등의, 대상물의 다양한 성질이나 상태 등을 분석하는 라이다(Light Detection and Ranging : LiDAR)에 관한 기술로 주파수 변조 연속파 라이다(Frequency Modulation Continuous Wave LiDAR : FMCW LiDAR)가 공지되어 있다.

이와 같은 라이다에서 거리나 속도 등을 계측하기 위한 계측 대상물에 레이저광을 주사(scan)하는 방식으로는 예를 들어 갈바노미터나 회전 거울 또는 폴리곤 미러 스캐너 등을 이용하는 기계식 스캐너방식, MEMS 미러 방식, 또는 광 위상 어레이 방식(Optical Phased Array : OPA) 등이 이용되고 있다.

이들 중 기계식 스캐너방식은 대구경 스캔이 가능하고 저속에서는 안정적인 동작이 가능하나, 고속 스캔을 위해서는 매우 큰 전력이 필요하고, 라이다의 크기도 매우 커진다는 문제가 있다. 또, MEMS 미러 방식은 스캐너의 소형화는 가능하나, 소형화하는 만큼 송수신 광학계의 구경이 작아져서 측정 거리가 제한되고, 외부 진동에도 취약하다는 문제가 있어서 자율주행 자동차 등에의 적용에는 제약이 있다.

한편, 레이저광을 방사하는 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나소자에 위상차를 부여하여, 광의 간섭을 통해서 일정한 방향으로 대상물에 광을 주사하는 방식인 OPA 방식은, 기계식 스캐너와 같은 기계적 구동부가 없고, 전기 광(Electric Optic) 변조기에 의한 위상제어만으로 스캔이 가능하므로, 수 나노 초(㎱) 정도의 고속으로 빔의 주사위치 이동을 할 수 있다는 등의 장점이 있어서 최근 널리 사용되고 있다(예를 들어 특허문헌 1).

그러나 OPA 방식의 스캐너는 다른 방식에 비해 광의 송수신 효율이 현저히 낮고, 대면적화가 어려워서 집광효율이 떨어지는 등의 이유에서 측정거리의 제약이 있으며, 이들 문제를 극복하기 위해서는 고출력 레이저가 필요하므로 장거리 측정용 라이다에는 적합하지 않다는 문제가 있다.

또, OPA 스캐너 자체는 소형으로 제작할 수 있으나, 실제로 이 방식을 라이다에 적용하는 경우에는 16 내지 64의 여러 채널에 대해 광의 위상을 독립적으로 제어해야 하므로 위상차를 부여하기 위한 제어부의 구성이 복잡해진다는 문제가 있다.

그러나 본 발명자들이 확인한 바에 의하면 OPA 스캐너를 비롯한 종래 기술의 스캐너가 가지는 상기 문제점을 개선하여, 고속 주사가 가능하면서도 OPA 스캐너 등에 비해 고효율 주사가 가능한 기술은 발견할 수 없었다.

한편, FMCW 방식 라이다에서는 주입 전류의 변조에 의해 시간의 변화에 따라서 선형적(linear)으로 증가 또는 감소(up sweep 또는 down sweep)하는 주파수 파형의 레이저광의 발생을 전제로 하고 있고, 만일 주파수의 변화가 비선형적으로 증가 또는 감소하는 경우에는 일정해야 할 비트신호(beat signal)의 비트주파수(beat frequency)가 변화하며, 이 비트신호로부터 얻어지는 거리나 속도 등의 계측 값의 정밀도도 저하하게 된다.

이에 대한 대안으로 특허문헌 2에는 광 주파수 광 주파수 선형 스윕 장치용 변조 보정데이터 기록장치 및 이를 이용한 선형 스윕(sweep) 장치가 개시되어 있다.

이를 위해 상기 특허문헌 2에서는, 소정 주기로 시간 변화하는 광 주파수 변조신호를 출력하는 동시에 외부로부터의 보정신호에 의해 광주파수의 보정 변조가 가능한 파장 가변형 광원과, 파장 가변형 광원의 제어에 필요한 기준신호를 발생하는 기준신호 발생기와, 보정을 위해 미리 준비해 둔 보정신호를 출력하는 보정신호 발생기와, 기준신호와 보정신호의 가산 출력을 파장 가변형 광원에 공급하는 가산기에 의해 레이저광의 비선형성을 개선하도록 하고 있다.

또한, 상기 보정신호 발생기의 보정신호는, 보정 간섭계에 의해 파장 가변형 광원으로부터의 광 주파수 변조신호에 대해서 미리 설정된 경로 차에 상당하는 비트 광을 얻고, 주파수 변별기에 의해 상기 비트 광으로부터 검출된 전기신호에 대해 순시 주파수의 시간변동신호를 검출한 후, 직류 커트 필터에 의해 검출된 시간변동신호의 직류 성분을 커트하여 만들어진 보정신호를 예를 들어 플로피디스크 등의 저장매체에 기록하여 사용하도록 하고 있다.

그러나 특허문헌 2의 기술은 광 주파수 광 주파수 선형 스윕 장치용 변조 보정데이터 기록장치에 의해 사전에 얻은 보정신호에 의해서만 비선형성의 보정을 하고 있으므로, 실시간으로 변화하는 다양한 요인들에 의해 변동될 수 있는 발진주파수의 비선형성의 개선은 어렵다는 문제가 있다.

공개특허 10-2020-0066196호 공보(2020. 06. 09. 공개) 일본 특개 2000-111312호 공보(2000. 4. 18. 공개)

본 발명은 종래기술의 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, OPA 스캐너에 비해서 광의 송수신 효율이 높고, 빔 품질도 우수하여, 고속 스캔이 가능한 동시에 측정거리가 길면서도 고효율 스캔이 가능한 라이다를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 발명은 레이저광의 발진 주파수의 선형성을 최대한 확보할 수 있는 라이다를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 라이다는 주파수 변조 연속파 라이다로, 레이저광을 발생하는 레이저 광원과, 상기 레이저 광원이 발생하는 레이저광의 발진주파수가 선형적으로 변화하도록 상기 레이저 광원을 제어하는 레이저 광원 구동제어부와, 상기 레이저 광원에서 발생한 레이저광을 대상물에 주사하고, 상기 대상물에서 반사한 레이저광을 수신하는 송수신부와, 상기 레이저 광원에서 발생한 레이저광과 상기 대상물에서 반사한 레이저광을 간섭시켜서 간섭 광을 얻는 파형 간섭부와, 상기 간섭 광으로부터 얻은 비트신호를 처리하여 상기 대상물을 분석하는 신호처리부를 포함하고, 상기 송수신부는 상기 대상물에 대해 X 방향 또는 Y 방향 중 어느 한 방향으로 레이저광을 주사하는 전기 광 스캐너를 구비한다.

또, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 형태의 라이다는 주파수 변조 연속파 라이다로, 레이저광을 발생하는 레이저 광원과, 상기 레이저 광원이 발생하는 레이저광의 발진주파수가 선형적으로 변화하도록 상기 레이저 광원을 제어하는 레이저 광원 구동제어부와, 상기 레이저 광원에서 발생한 레이저광을 대상물에 주사하고, 상기 대상물에서 반사한 레이저광을 수신하는 송수신부와, 상기 레이저 광원에서 발생한 레이저광과 상기 대상물에서 반사한 레이저광을 간섭시켜서 간섭 광을 얻는 파형 간섭부와, 상기 간섭 광으로부터 얻은 비트신호를 처리하여 상기 대상물을 분석하는 신호처리부를 포함하고, 상기 레이저 구동제어부는 보정정보 기억부와 광 위상 동기루프를 구비하며, 상기 보정정보 기억부는 사전에 미리 설정된 보정신호와 상기 레이저 광원이 발생하는 레이저광의 발진주파수가 선형적으로 변화하는가 여부를 판정하기 위한 기준이 되는 기준주파수를 기억하고 있고, 상기 광 위상 동기루프는 상기 레이저 광원의 출력으로부터 분기한 레이저광으로부터 얻은 비트주파수를 가진 간섭 광과 상기 기준주파수와의 비교에 의해 위상잡음신호를 얻고, 상기 위상잡음신호에 상기 보정신호를 가산한 가산신호에 의해 상기 레이저 광원의 구동을 제어한다.

대상물에 계측 광을 주사하는 스캐너로 전기 광 스캐너를 이용하는 본 발명의 라이다에 의하면, 예를 들어 복수의 대상물 중 어느 하나 이상의 대상물에 대해, 선택된 대상물의 복수의 지점(일정 영역)에 선형 광으로 이루어지는 계측 광을 동시에 주사하거나, 또는, 단일 대상물의 일정 영역을 선택하여, 선택된 영역에 대해 선형 광으로 이루어지는 계측 광을 동시에 주사할 수 있으므로, 간단한 구성에 의해 동시 주사영역의 범위를 확대할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

따라서 종래의 OPA 방식 스캐너에 비해 광의 송수신 효율이 높고, 수신하는 레이저빔의 품질이 우수하여, 고속 스캔이 가능하면서, 동시에 측정거리가 길면서도 고효율 스캔이 가능한 라이다를 얻을 수 있다.

또, 본 발명에 의하면 실시간으로 변화하는 발진주파수의 비선형성을 개선할 수 있는 라이다를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태 1의 전기 광학 주사방식을 이용한 주파수 변조 연속파 라이다의 개략적인 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태 1의 파형 간섭부 및 검출기의 구성 예를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시형태 1의 M×N 개의 광 출력을 가진 전기 광 스캐너의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시형태 1의 전기 광 스캐너의 M×N 개의 광 출력을 대상물에 주사하는 송신광학계의 구성을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시형태 2의 전기 광학 주사방식을 이용한 주파수 변조 연속파 라이다의 개략적인 구성을 나타내는 블록도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시형태 2의 레이저 구동제어부의 구성 예를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태의 전기 광학 주사방식을 이용한 주파수 변조 연속파 라이다에 대해서 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

<실시형태 1>

본 발명의 바람직한 실시형태 1의 라이다(100)에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 바람직한 실시형태 1의 라이다(100)의 개략적인 구성에 대해서 도 1을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태 1의 전기 광학 주사방식을 이용한 주파수 변조 연속파 라이다의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.

도 1에 나타내는 것과 같이, 본 발명의 바람직한 실시형태 1의 전기 광학 주사방식을 이용한 주파수 변조 연속파 라이다(이하, 간략하게 「라이다(100)」로 기재하는 경우도 있다)는 레이저 광원(110)과 송수신부(120)와 레이저 구동제어부(130)와 파형 간섭부(150)와 신호 변환부(160) 및 신호처리부(170)를 포함한다. 또, 필요에 따라서는 레이저 광원(110)에서 발생한 광을 증폭하는 증폭기(180)를 더 포함해도 좋다.

레이저 광원(110)은 예를 들어 거리나 상대속도 등의 측정대상이 되는 대상물(T)에 주사하는 레이저광을 발생하며, 바람직하게는 주파수 변조 기능을 가지며 주파수 선 폭이 좁은 협대역 레이저 모듈을 사용한다. 이와 같은 레이저 모듈로는 예를 들어 ECDL(External Cavity Diode Laser) 또는 DFB-LD(Distributed Feedback Laser Diode) 등을 이용할 수 있다.

송수신부(120)는 광 서큘레이터(미 도시)를 이용하여 레이저 광원(110)으로부터 입력하는 레이저광을 대상물(T)에 주사하고(이하에서는 이 레이저광을 「계측 광(Tx)」이라 한다), 대상물(T)에서 반사하여 되돌아오는 레이저광(이하에서는 이 레이저광을 「수신 광(Rx)」이라 한다)을 수신하여 파형 간섭부(150)에 출력한다. 이때, 송수신부(120)는 레이저 광원(110)으로부터 입력하는 레이저광의 일부를 분기하여 참조 광(LO)으로 후술하는 파형 간섭부(150)에 출력한다. 송수신부(120)의 상세한 구성 및 동작에 대해서는 후술한다.

레이저 구동제어부(130)는 레이저 광원(110)을 구동하는 구동전류의 제어에 의해 레이저 광원(110)이 발생하는 레이저광의 발진주파수가 선형적으로 변화하도록 제어한다. 레이저 구동제어부(130)의 상세에 대해서는 실시형태 2에서 후술한다.

파형 간섭부(150)는 레이저 광원(110)이 출력하는 레이저광의 일부로서 송수신부(120)로부터 수신한 레이저광인 참조 광(LO)과 계측 광(Tx)이 대상물(T)에서 반사하여 되돌아온 광인 수신 광(Rx)을 간섭하여 간섭 광신호를 얻는다.

신호 변환부(160)는 파형 간섭부(150)로부터 입력하는 간섭 광신호를 전기신호로 변환한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태 1의 파형 간섭부(150) 및 신호 변환부(160)의 상세 구성 예를 나타내는 도면으로, 도 2의 예에서는 파형 간섭부(150)는 2개의 Mach Zehnder 간섭계로 구성하고 있다.

신호 변환부(160)는 2개의 Mach Zehnder 간섭계로 구성된 파형 간섭부(150)가 출력하는 광신호를 전류 값으로 변환하는 광 다이오드(161)와 광 다이오드(161)의 출력전류를 전압으로 변환하는 TIA(Trans-Impedance Amplifier, 163) 및 TIA(163)의 출력전압을 증폭하는 증폭기(165)에 의해 90° Optical Hybrid 형태를 이루도록 구성하고 있다. 여기서, 증폭기(165)는 필수적인 구성은 아니며 필요에 따라서는 생략 가능하다.

도 2에 나타내는 것과 같이, 본 실시형태에서는 참조 광(LO)과 수신 광(Rx)을 입력으로 하는 2개의 Mach Zehnder 간섭계로 구성되는 파형 간섭부(150)에 의해 어느 한 채널의 간섭계는 다른 채널의 간섭계에 대해서 90°의 위상차를 가지도록 간섭시켜서 후술하는 신호처리부(170)에서 복소 FFT(Complex Fast Fourier Transform) 연산을 위한 Inphase/Quadrature 신호를 생성하도록 하고 있다. 따라서 Inphase/Quadrature 출력으로부터 주파수의 방향을 알 수 있으므로, 대상물(T)이 라이다(100) 방향으로 가까워지고 있는가, 아니면 멀어지고 있는가에 대해서도 확인할 수 있다.

다음에, 본 실시형태 1의 주제인 송수신부(120)의 구성 및 동작에 대해서 도 1, 3 및 4를 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시형태 1의 M×N 개의 광 출력을 가진 전기 광 스캐너의 일 예를 나타내는 도면, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시형태 1의 전기 광 스캐너의 M×N 개의 광 출력을 대상물에 주사하는 송신광학계의 구성을 나타내는 도면이다.

이하의 설명에서는, 설명의 간략화를 위해, 송수신부(120)가 레이저 광원(110)에서 발생한 레이저광을 계측 광(Tx)으로 대상물(T)에 전송하는 송신광학계를 중심으로 설명하며, 수신광학계에 대해서는 꼭 필요한 부분을 제외하고는 설명을 생략한다. 대상물(T)에서 반사하여 송수신부(120)로 되돌아오는 수신 광(Rx)을 수신하는 수신광학계는, 송신광학계와는 동일한 구성의 광학계를 더 설치하여, 이 수신광학계에 의해 수신한 수신 광(Rx)을 파형 간섭부(150)로 출력하도록 구성하면 좋으며, 이는 통상의 기술자라면 쉽게 실시할 수 있는 기술이다.

송수신부(120)는 전기 광 스캐너(Electro-Optic Scanner, 121)와 기계식 스캐너(Mechanical Scanner, 123)를 포함한다.

전기 광 스캐너(121)는 예를 들어 대상물(T)에 대해 수직방향(Y 방향) 또는 수평방향(X 방향) 중 어느 한 방향으로 레이저광(계측 광(Tx))을 주사하고(송신광학계로 사용 시), 주사한 레이저 중 대상물(T)에서 반사하여 되돌아오는 레이저광(수신 광(Rx))을 수신한다(수신광학계로 사용 시).

기계식 스캐너(123)는 전기 광 스캐너(121)가 주사하는 레이저광의 주사방향과 직교하는 방향, 즉, 전기 광 스캐너(121)의 주사방향이 수평방향(X 방향)인 때는 수직방향(Y 방향)으로, 전기 광 스캐너(121)의 주사방향이 수직방향(X 방향)인 때는 수평방향(X 방향)으로 대상물(T)에 레이저광을 주사하고, 대상물(T)에서 반사하여 되돌아오는 레이저광을 수신한다. 기계식 스캐너(123)로는 예를 들어 갈바노미터나 회전 거울 또는 폴리곤 미러 스캐너 등의 공지의 기술을 이용하면 좋으며, 상세한 설명은 생략한다.

그러나 본 발명의 라이다(100)에서는 반드시 전기 광 스캐너(121)와 기계식 스캐너(123)을 모두 필요로 하는 것은 아니며, 예를 들어 X 방향 또는 Y 방향 중 어느 한 방향만의 주사에 의해서도 대상물(T)에 대한 계측이 가능한 경우는 송수신부(120)를 전기 광 스캐너 하나만으로 구성해도 좋고, 또는, 필요에 따라서는 X, Y 방향 모두 전기 광 스캐너로 구성해도 좋다.

이어서, 본 실시형태 1의 전기 광 스캐너(121)에 대해서 설명한다.

도 3에 나타내는 것과 같이, 본 실시형태의 전기 광 스캐너(121)는 전기 광 스위치와 광섬유 어레이를 이용하여 구성되는 광도파로 형태의 Mach-Zehnder 간섭계를 이용하여 1개의 입력에 2개의 출력을 가진 전기 광 스위치(1×2 전기 광 스위치)를 기본 구성하고 있다. 이와 같은 구성의 1×2 전기 광 스위치에 대해 전기 광 변조기를 이용하여 간섭을 형성하는 두 레이저빔의 위상차를 제어하여 레이저의 출력방향을 스위칭해서 전기 광학 스위치에 입사한 레이저의 출력방향을 2개의 출력단 중 어느 하나로 선택적으로 스위칭할 수 있다.

또, 이 1×2 전기 광 스위치 복수 개를 계단식으로 연결하여 1개의 입력에 M 개의 출력을 가진 전기 광 스위치(1×M 전기 광 스위치, 단, M은 2의 배수)를 얻을 수 있고, 이 1×M 전기 광 스위치와 1개의 입력에 N 개의 출력을 가진 광 분배기(1×N 광 분배기, optical splitter)(단, N은 양의 정수)를 2개 이상 조합하여 1개의 입력에 M×N 개의 출력을 가진 전기 광 스위치(1×M×N 전기 광 스위치)를 구성한다.

먼저, 도 3 (a)를 이용하여 1×2 전기 광 스위치(1211)에 대해서 설명한다.

1×2 전기 광 스위치(1211)는 일정한 지연을 가지는 비평형 Mach-Zehnder 간섭계를 이용하여 구성할 수 있다.

구체적으로는, 1×2 광 스위치(1211)는 코어(1211a)와 클래드(1211b)를 가지는 광 도파로에 1개의 입력에 2개의 출력을 가진(1×2, 50:50) 광 커플러(또는 2개의 입력에 2개의 출력을 가진(2×2, 50:50) 광 커플러)로 이루어지는 입력 측 커플러(1211c)와 입력 측 커플러(1211c)의 2개의 출력단 중 어느 한쪽에 형성된 전기 광 변조기(1211d)와 2×2(50:50) 구성의 출력 측 커플러(1211e)를 형성하여 구성된다. 이 구성의 1×2 광 스위치(1211)의 전기 광 변조기(1211d)를 온(on) 또는 오프(off) 시켜서 도파로의 굴절률을 변화시켜서 출력 광에 대해 180°의 위상차를 발생시키면, 입력 단(in)으로 입력하는 레이저광을 2개의 출력단(out 1 또는 out 2) 중 어느 하나로 선택적으로 출력하도록 스위칭할 수 있다. 또한 2개의 출력단에 동시에 출력하도록 제어할 수 있다.

이와 같은 구성의 전기 광 변조기(1211d)는 나노 초(㎱) 단위의 고속 동작이 가능하며, 따라서 1×2 전기 광 스위치(1211)를 고속 주사가 가능한 고속 광 스캐너로 사용할 수 있다.

도 3 (b)에 나타내는 것과 같이, 도 3 (a)의 1×2 전기 광 스위치(1211) 3개를 2단으로 계단식으로 연결하면 1개의 입력단(in)에 4개의 출력단(out 1, out 2, out 3, out 4)을 가지는 1개의 입력에 4 출력을 가진 전기 광 스위치(1×4 전기 광 스위치, 1213)를 구성할 수 있다.

또, 도 3 (c)의 좌측에 나타내는 것과 같이, 도 3 (b)의 1×2 전기 광 스위치(1211)의 단수를 증가시켜서 M 개의 출력단(out 1, out 2, out 3, …, out M)을 가지는 1개의 입력에 M 개의 출력을 가진 전기 광 스위치(1×M 전기 광 스위치, 1213M)를 구성할 수 있다.

또한, 도 3 (c)에 나타내는 것과 같이, 1×M의 전기 광 스위치(1213M)의 M 개의 출력단(out 1, out 2, out 3, …, out M) 각각에 1×N 광 분배기(1215)를 접속하여 1개의 입력에 M×N 출력을 가진 전기 광 스위치(1×M×N 전기 광 스위치, 1217)를 구성할 수 있다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시형태 1의 전기 광 스캐너의 M×N 개의 광 출력을 대상물에 주사하는 송신광학계에 대해서 도면 4도 참조하면서 설명한다.

송신광학계(1219)는 1개의 입력에 M×N 개의 출력을 가진 전기 광 스위치(1217)와 확산렌즈(L)를 포함하며, 1×M×N 출력 전기 광 스위치(1217)의 M×N의 출력은 각 출력단과 접속되는 각각의 광섬유(Fiber 1, Fiber 2, …, Fiber M×N)를 통해 확산렌즈(L)로 출력되어서 선형 광(line beam)을 형성하며, 확산렌즈(L)에 의해 형성된 선형 광이 광섬유를 통해서 예를 들어 송신 안테나 등으로 전송되어서 대상물(T)에 주사된다.

이와 같은 구성의 송신광학계에 의하면 1×M 전기 광 스위치(1213M)에 의해서는 1개의 입력단(in)으로 입력하는 광 입력을 M 개의 출력단 중 어느 하나의 출력단으로 선택적(switching)으로 출력할 수 있고, 동시에, 1×N 광 분배기(1215), 즉 1 : N 광 분배기에 의해서는 1개의 입력을 N 개의 출력으로 분배하여 동시에 함께 출력할 수 있다.

따라서 이와 같은 구성의 송신광학계를 가지는 전기 광 스캐너(121)에 의하면 예를 들어 복수의 대상물 중 어느 하나 이상의 대상물에 대해, 선택된 대상물의 복수의 지점(일정 영역)에 선형 광으로 이루어지는 계측 광(Tx)을 동시에 주사하거나, 또는, 단일 대상물의 일정 영역을 선택하여, 선택된 영역에 대해 선형 광으로 이루어지는 계측 광(Tx)을 동시에 주사할 수 있으며, 따라서 간단한 구성에 의해 동시 주사영역의 범위를 확대할 수 있다.

또, 상기 구성의 수신광학계를 가지는 전기 광 스캐너(121)에 의한 수신 광(Rx)의 수신에 대해서도 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 이 효과는 OPA 방식의 라이다에 의해서는 얻을 수 없는 본 발명 특유의 효과이다.

<실시형태 2>

다음에 본 발명의 바람직한 실시형태 2의 라이다(200)에 대해서 도 5 내지 6을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시형태 2의 전기 광학 주사방식을 이용한 주파수 변조 연속파 라이다의 개략적인 구성을 나타내는 블록도, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시형태 2의 레이저 구동제어부의 구성 예를 나타내는 도면이다.

도 5에 나타내는 것과 같이, 본 발명의 바람직한 실시형태 2의 라이다(200)는 전반적인 구성은 실시형태 1의 라이다(100)와 동일하며, 다만, 레이저 구동제어부(230)의 구성이 실시형태 1의 레이저 구동제어부(130)와 다르다. 따라서 이하의 설명에서는 실시형태 1의 라이다(100)와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 차이점에 대해서 주로 설명한다.

FMCW 라이다는 레이저 구동제어부(230)에 의한 구동전류의 제어에 의해 레이저 광원(110)은 발진주파수가 선형적으로 상승 또는 하강하는 레이저광을 발생하여, 발생한 레이저광을 송수신부(120)를 통해서 계측 광(Tx)으로 대상물(T)에 주사하고, 주사한 계측 광(Tx)이 대상물(T)에서 반사하여 되돌아오는 수신 광(Rx)을 수신하여 대상물(T)까지의 거리 등의 정보를 얻는다.

이때, 앞에서도 설명한 것과 같이, 레이저 광원(110)이 발생하는 레이저광의 주파수는 선형적으로 증가 또는 감소해야 하며, 본 실시형태 2의 라이다(200)의 레이저 구동제어부(230)에서는 발진 주파수의 선형성을 확보하기 위한 구성에 초점을 맞추고 있다.

도 6에 나타내는 것과 같이, 본 실시형태 2의 라이다(200)의 레이저 구동제어부(230)는 광 위상 동기루프(Optical Phase Locked Loop : OPLL, 231)와 보정정보 기억부(233)를 포함하여 구성된다.

광 위상 동기루프(231)는 1개의 1×2(50:50) 광 분배기(또는, 2×2(50:50) 광 분배기도 상관없음)와 1×2(50:50) 광 분배기의 한쪽 출력단에 형성된 지연선(delay line) 및 1개의 2×2(50:50) 광 커플러로 구성되는 비평형 Mach-Zehnder 간섭계(231a)와, 광검출기(231b)와, TIA(231c)와, 믹서(231d)와, 루프필터(231e) 및 가산기(231f)를 포함한다.

Mach-Zehnder 간섭계(231a)의 1×2(50:50) 광 분배기의 입력단으로는 레이저 광원(110)이 발생하는 레이저광의 일부가 분기 입력하며, 1×2(50:50) 광 분배기의 한쪽 출력은 그대로 2×2(50:50) 광 커플러로, 다른 쪽 출력은 지연선을 통해서 지연되어서 2×2(50:50) 광 커플러로 입력하며, 지연선에 의해 지연된 광과 지연되지 않은 2개의 광은 2×2(50:50) 광 커플러에서 서로 간섭을 일으켜서 간섭신호로서 출력된다. 이때 Mach-Zehnder 간섭계(231a)를 통과한 간섭 광은 2개의 레이저광의 경로 차(지연선에 의한 지연에 따른 차이)에 대응하는 비트주파수를 포함하고 있다.

광검출기(231b)는 Mach-Zehnder 간섭계(231a)의 출력단에 접속되어서, Mach-Zehnder 간섭계(231a)가 출력하는 간섭 광을 전기신호로 변환한다. TIA(231c)는 광검출기(231b)의 출력단에 접속되어서 광검출기(231b)에서 검출된 전기신호를 증폭한다.

믹서(231d)는 TIA(231c)의 후단에 접속되어서, TIA(231c)에서 증폭된 전기신호를 후술하는 보정정보 기억부(233)에 기억된 기준주파수(Ref. Frequency)와 비교하여 양자의 주파수 차에 해당하는 위상잡음신호(phase noise signal)를 얻는다. 루프필터(231e)는 믹서(231d)의 후단에 접속되어서, 믹서(231d)가 출력하는 위상잡음에서 고주파신호를 제거한다.

가산기(231f)는 후술하는 보정정보 기억부(233)에 저장되어 있는 보정신호(Pre-distorted Signal)와 루프필터(231e)에서 필터링 된 위상잡음신호를 합산한 합산신호에 의해 레이저 광원(110)을 구동 제어한다. 이때, 가산기(231f)는 상기 합산신호에 레이저 광원(110)이 발생하는 레이저광의 변조주파수를 옵셋시키는 옵셋 전류(offset current)를 더 합산하도록 해도 좋다.

보정정보 기억부(233)는 경험치 등으로부터 사전에 미리 얻은 보정신호(Pre-distorted Signal)와 레이저 광원(110)이 발생하는 레이저광의 주파수가 선형적으로 증가 또는 감소하는가 여부를 판정하기 위한 기준이 되는 기준주파수(Ref. Frequency) 신호를 기억하고 있다. 여기서, 상기 경험치 등으로부터 사전에 미리 얻은 보정신호는 예를 들어 특허문헌 2의 광 주파수 선형 스윕 장치용 변조 보정데이터 기록장치에 의해 얻어진 보정데이터를 이용할 수도 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나, 그 파형은 예를 들어 변형된 삼각파 또는 톱니파 형태의 파형을 가지는 신호일 수 있다.

이상의 구성의 레이저 구동제어부(230)에 의한 레이저 광원(110) 구동 제어방법에 대해서 설명한다.

먼저, 레이저 광원(110)에서 발생한 레이저광의 일부가 분기되어서 레이저 구동제어부(230)로 입력되는 레이저광(laser)을 이용하여 비평형 Mach-Zehnder 간섭계(231a)는 비트주파수를 가지는 간섭 광을 얻는다. 이때, 만일 레이저 광원(110)이 발생하는 레이저광의 변조 주파수의 변화가 선형적이면 간섭 광의 비트주파수는 일정한 값을 가지게 된다. 그러나 만일 레이저 광원(110)이 출력하는 레이저광의 변조 주파수가 비선형적으로 증가 또는 감소하면 비트주파수는 보정정보 기억부(233)에 기억되어 있는 기준주파수보다 크거나 또는 작으며, 믹서(231d)는 이 비트주파수와 기준주파수(Ref. Frequency)를 비교하여 양자의 주파수 차에 해당하는 위상잡음신호를 얻는다.

이어서, 루프필터(231e)에서 위상잡음신호의 고주파성분이 제거되고, 고주파 성분이 제거된 위상잡음신호는 가산기(231f)에서 보정정보 기억부(233)가 기억하고 있는 보정신호와 합산되어서 레이저 광원(110)을 구동 제어하기 위한 구동 제어신호로서 레이저 광원(110)에 공급되며, 레이저 광원(110)선형적으로 증가 또는 감소하는 레이저광을 출력할 수 있게 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시형태에 의해 설명하였으나, 본 발명은 실시형태 1, 2에 기재된 형태로 한정되는 것은 아니며, 청구범위에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 변형 또는 변경 실시할 수 있다.

또, 실시형태 1, 2는 각각 실시해도 좋고, 서로 조합하여 실시해도 좋다.

100, 200 라이다
110 레이저 광원
120 송수신부
121 전기 광 스캐너
123 기계식 스캐너
130, 230 레이저 구동제어부
150 파형 간섭부
160 광검출기
170 신호처리부

Claims

주파수 변조 연속파 라이다로,
레이저광을 발생하는 레이저 광원과,
상기 레이저 광원이 발생하는 레이저광의 발진주파수가 선형적으로 변화하도록 상기 레이저 광원을 제어하는 레이저 광원 구동제어부와,
상기 레이저 광원에서 발생한 레이저광을 대상물에 주사하고, 상기 대상물에서 반사한 레이저광을 수신하는 송수신부와,
상기 레이저 광원에서 발생한 레이저광과 상기 대상물에서 반사한 레이저광을 간섭시켜서 간섭 광을 얻는 파형 간섭부와,
상기 간섭 광으로부터 얻은 비트신호를 처리하여 상기 대상물을 분석하는 신호처리부를 포함하고,
상기 송수신부는 상기 대상물에 대해 X 방향 또는 Y 방향 중 어느 한 방향으로 레이저광을 주사하는 전기 광 스캐너를 구비하는 주파수 변조 연속파 라이다.
청구항 1에 있어서,
상기 전기 광 스캐너의 레이저 조사방향과 직교하는 방향으로 레이저광을 조사하는 기계식 스캐너 또는 전기 광 스캐너를 더 포함하는 주파수 변조 연속파 라이다.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 전기 광 스캐너는 1개의 입력에 M 개의 출력을 가진 전기 광 스위치(단, M은 2의 배수)와 상기 M 개의 출력의 출력단에 각각 접속된 하나 이상의 1개의 입력에 N 개의 출력을 가진 광 분배기(단, N은 양의 정수)로 구성되는 주파수 변조 연속파 라이다.
청구항 3에 있어서,
상기 1개의 입력에 M 개의 출력을 가진 전기 광 스위치(단, M은 2의 배수)는 일정한 지연을 가지는 비평형 Mach-Zehnder 간섭계로 구성되며 1개의 입력에 2개의 출력을 가진 복수 개의 전기 광 스위치를 다단으로 접속하여 구성되는 주파수 변조 연속파 라이다.
주파수 변조 연속파 라이다로,
레이저광을 발생하는 레이저 광원과,
상기 레이저 광원이 발생하는 레이저광의 발진주파수가 선형적으로 변화하도록 상기 레이저 광원을 제어하는 레이저 광원 구동제어부와,
상기 레이저 광원에서 발생한 레이저광을 대상물에 주사하고, 상기 대상물에서 반사한 레이저광을 수신하는 송수신부와,
상기 레이저 광원에서 발생한 레이저광과 상기 대상물에서 반사한 레이저광을 간섭시켜서 간섭 광을 얻는 파형 간섭부와,
상기 간섭 광으로부터 얻은 비트신호를 처리하여 상기 대상물을 분석하는 신호처리부를 포함하고,
상기 레이저 구동제어부는 보정정보 기억부와 광 위상 동기루프를 구비하며,
상기 보정정보 기억부는 사전에 미리 설정된 보정신호와 상기 레이저 광원이 발생하는 레이저광의 발진주파수가 선형적으로 변화하는가 여부를 판정하기 위한 기준이 되는 기준주파수를 기억하고 있고,
상기 광 위상 동기루프는 상기 레이저 광원의 출력으로부터 분기한 레이저광으로부터 얻은 비트주파수를 가진 간섭 광과 상기 기준주파수와의 비교에 의해 위상잡음신호를 얻고, 상기 위상잡음신호에 상기 보정신호를 가산한 가산신호에 의해 상기 레이저 광원의 구동을 제어하는 주파수 변조 연속파 라이다.
청구항 5에 있어서,
상기 광 위상 동기루프는,
상기 분기한 레이저광으로부터 상기 간섭 광을 얻는 비평형 Mach-Zehnder 간섭계와,
상기 간섭 광을 전기신호로 변환하는 광검출기와,
상기 전기신호와 상기 기준주파수로부터 의해 상기 위상잡음신호를 얻는 믹서와,
상기 보정신호에 상기 위상잡음신호를 가산하여 상기 레이저 광원에 공급하는 가산기를 포함하는 주파수 변조 연속파 라이다.
청구항 6에 있어서,
상기 위상잡음신호의 고주파 잡음을 필터링 하는 루프필터를 더 포함하는 주파수 변조 연속파 라이다.