KR20230008995A

KR20230008995A - 라이다 신호처리장치

Info

Publication number: KR20230008995A
Application number: KR1020210089475A
Authority: KR
Inventors: 이상창
Original assignee: 이상창
Priority date: 2021-07-08
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2023-01-17

Abstract

본 발명은, 시스템 클럭 펄스 동기화 신호를 기반으로 하는 제어신호를 생성하여, 펄스 레이저의 송수신을 제어하는 제어부(110), 제어부(110)로부터 생성된 제어신호에 따라 펄스 레이저 송신신호를 객체로 송신하는 송신부(120), 객체로부터 반사된 펄스 레이저 수신신호를 수신하는 수신부(130), 및 펄스 레이저 송신신호의 시작 시점과 펄스 레이저 수신신호의 정지 시점을 미리 설정된 주기로 카운팅하고, 카운팅값을 제어부(110)로 전달하는 시간 디지털 변환 카운터부(140)를 포함하고, 제어부(110)는, 카운팅값을 이용하여 TOF를 연산하여 객체와의 거리를 정확하게 산출하는, 라이다 신호처리장치를 개시한다.

Description

라이다 신호처리장치{SIGNAL PROCESSOR FOR LiDAR}

본 발명은 비동기 카운터를 사용하여 전력소모를 줄여 저전력으로 구동하도록 하고, 가비지 데이터 출력을 방지하여 정확한 값을 출력하도록 하고, 고해상도의 분해능을 구성하도록 할 수 있는, 라이다 신호처리장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 라이다는 레이저 빛의 입사 단파장, 높은 직진성, 높은 에너지 밀도를 가지는 특성을 이용하여, 타겟(객체)으로부터 산란, 반사된 빛의 ToF(Time of Flight)를 측정한 후, ToF를 거리 공식에 대입하여 물체와 라이다 사이의 거리를 계산하는데 사용되고 있다.

최근 들어, 라이다 시스템이 정확한 거리 및 대상 식별 정보를 수집하는 특성이 있기 때문에 자율주행차량, 야간 감시, 항공 및 해상탐지 등 많은 분야에서 활용가치가 확대되고 있다.

한편, 신호처리 모듈에 의해 레이저가 출력된 시점(start)과 반사광이 수신된 시점(stop) 사이의 시간(ToF)을 디지털 신호로 변환하여 물체 사이의 거리를 획득할 수 있지만, 아날로그 특성을 갖는 광신호를 디지털 신호로 변환하는 과정에서 광신호를 클럭속도로 카운팅하는 방법을 사용하게 되면 거리 해상도가 정밀하게 획득되지 못하는 문제점이 있다.

즉, 해상도는 시간 디지털 변환 과정에서 카운팅하는 클럭속도에 따라 결정되므로, 클럭속도를 증가시키면 해상도의 정밀도를 높일 수 있다.

하지만, 대부분의 라이다 시스템에서 전력소모나 오실레이터 문제로 인해 GHz 이하 주기 클럭을 사용하게 되므로, 클록속도를 무한히 증가시켜 해상도의 정밀도를 높이는 것은 전력소모를 증가시키고 오실레이터에 무리를 주는 문제점이 있다.

한국 공개특허공보 제10-2021-0073230호 (라이다 장치 및 이를 이용한 거리 측정 방법) 한국 등록특허공보 제10-2030457호 (거리 검출 센서 시간 변이 보상 장치 및 방법)

본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 비동기 카운터를 사용하여 전력소모를 줄여 저전력으로 구동하도록 하고, 가비지 데이터 출력을 방지하여 정확한 값을 출력하도록 하고, 고해상도의 분해능을 구성하도록 할 수 있는, 라이다 신호처리장치를 제공하는 데 있다.

전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은, 시스템 클럭 펄스 동기화 신호를 기반으로 하는 제어신호를 생성하여, 펄스 레이저의 송수신을 제어하는 제어부; 상기 제어부로부터 생성된 제어신호에 따라 펄스 레이저 송신신호를 객체로 송신하는 송신부; 객체로부터 반사된 펄스 레이저 수신신호를 수신하는 수신부; 및 상기 펄스 레이저 송신신호의 시작 시점과 상기 펄스 레이저 수신신호의 정지 시점을 미리 설정된 주기로 카운팅하고, 카운팅값을 상기 제어부로 전달하는 시간 디지털 변환 카운터부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 카운팅값을 이용하여 TOF를 연산하여 객체와의 거리를 산출하는, 라이다 신호처리장치를 제공한다.

여기서, 상기 시간 디지털 변환 카운터부는, 비동기 및 동기의 하이브리드 카운터를 포함하되, 출력신호를 비동기로 각각 출력하도록 구성되는 M개의 플립-플롭들을 포함하는 비동기 카운터와, 출력신호를 동기로 출력하도록 구성되는 N개의 플립-플롭들을 포함하는 동기 카운터와, 비동기 카운터의 출력신호의 출력시점을 동기 카운터의 출력신호의 출력시점으로 지연하는 지연회로로 구성될 수 있다.

또한, 상기 시간 디지털 변환 카운터부의 디지털 컨트롤러는, 상기 멀티 위상 클럭을 이용하여 펄스 레이저 신호의 출력 시간과, 펄스 레이저 신호의 수신 시간 사이의 시간 간격을 피코 초 단위로 측정할 수 있다.

또한, 상기 시간 디지털 변환 카운터부는 멀티 위상 클럭을 생성하는 DLL을 포함할 수 있다.

또한, 상기 DLL은, PLL로부터의 특정 클럭을 이용하여 멀티 위상 클럭으로 분해하는 C-DLL과, 8개의 위상 중 한 위상이 클럭으로 입력되는 카운터와, C-DLL로부터의 위상을 멀티 위상 클럭으로 분해하는 F-DLL로 구성될 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 입력신호의 신호세기를 확인하고, 상기 확인된 신호세기를 이용하여 객체를 구분하고, 상기 확인된 신호세기를 이용하여 객체와의 거리 오차를 보정할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 온도 센서에 의한 온도에 기초하여 내부 버퍼의 지연값의 변화에 따른 오차를 연산하는 온도 보상부와, 상기 시간 디지털 변환 카운터부의 출력값에 기초하여 시간왜곡을 연산하는 시간왜곡 보상부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 비동기 카운터를 사용하여 전력소모를 줄여 저전력으로 구동하도록 하고, 가비지 데이터 출력을 방지하여 정확한 값을 출력하도록 하고, 고해상도의 분해능을 구성하도록 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 라이다 신호처리장치의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 라이다 신호처리장치의 시간 디지털 변환 카운터부를 예시한 것이다.
도 3은 도 1의 라이다 신호처리장치의 시간 디지털 변환 카운터부의 타이밍도를 예시한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 전술한 특징을 갖는 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 실시예에 의한 라이다 신호처리장치는, 시스템 클럭 펄스 동기화 신호를 기반으로 하는 제어신호를 생성하여, 펄스 레이저의 송수신을 제어하는 제어부(110), 제어부(110)로부터 생성된 제어신호에 따라 펄스 레이저 송신신호를 객체로 송신하는 송신부(120), 객체로부터 반사된 펄스 레이저 수신신호를 수신하는 수신부(130), 및 펄스 레이저 송신신호의 시작 시점과 펄스 레이저 수신신호의 정지 시점을 미리 설정된 주기로 카운팅하고, 카운팅값을 제어부(110)로 전달하는 시간 디지털 변환 카운터부(140)를 포함하고, 제어부(110)는, 카운팅값을 이용하여 TOF를 연산하여 객체와의 거리를 정확하게 산출하는 것을 요지로 한다.

이하, 도면을 참조하여, 전술한 구성의 라이다 신호처리장치를 구체적으로 상술하면 다음과 같다.

한편, 본 실시예에 의한 라이다 신호처리장치는 객체에 대한 펄스 레이저의 송수신에 따른 반사 시간과 파장 사이의 차이를 이용하여 객체의 위치 또는 객체와의 거리를 측정하고, 객체에 대한 3차원 표현이 가능하도록 신호처리한다.

우선, 제어부(110)는, 시스템 클럭 펄스 동기화 신호를 기반으로 하는 제어신호를 생성하여, 송신부(120) 및 수신부(130)로 전송하여 펄스 레이저의 송수신을 제어하도록 한다.

다음, 송신부(transmitter)(120)는 제어부(110)로부터 생성된 제어신호에 따라 펄스 레이저 송신신호를 객체로 송신한다.

예컨대, 송신부(120)는 광을 생성하는 발광소자와, 제어부(110)의 제어신호에 따라 발광소자로 전력이 공급되도록 발광회로를 스위칭하는 스위치와, 제어신호를 스위치로 전달하기 위한 버퍼를 포함하고, 발광소자는 레이저 다이오드(Laser Diode : LD)일 수 있다. 여기서, 발광소자는 LD 전원에 연결되어 있는 상태에서 스위치의 작동에 의해 전류가 공급되어 펄스 레이저를 생성할 수 있다.

다음, 수신부(130)는 객체로부터 반사된 펄스 레이저 수신신호를 수신한다.

예컨대, 수신부(130)는 반사된 펄스 레이저를 수신하는 포토 다이오드로 구성되고, 포토 다이오드에 반사 펄스 레이저가 수신되면 수광신호를 생성하여, 시간 디지털 변환 카운터부(140)의 입력신호로 제공할 수 있다.

한편, 포토 다이오드는 수신렌즈를 통해 집광된 펄스 레이저의 광신호를 전기신호로 변환하고, 신호 수신율을 높이기 위해 저잡음 특성의 트랜스임피던스 증폭기(trans-impedance amplifier) 또는 전치 증폭기(post amplifier)를 포함할 수 있다.

다음, 시간 디지털 변환 카운터부(TDC ; Time-to-Digital Converter)(140)는, 송신부(120)로부터의 펄스 레이저 송신신호의 시작 시점과, 수신부(130)로부터의 펄스 레이저 수신신호의 정지 시점을 미리 설정된 주기로 카운팅하고, 카운팅값을 제어부(110)로 전달한다.

여기서, 시간 디지털 변환 카운터부(140)는, DLL VCDL(voltage controlled delay line)을 사용하여 입력신호를 지연시켜서 출력신호로 내보내고, 멀티 위상 클럭을 생성하는 DLL(Delay-Locked Loop)을 포함하고, 도 2에 도시된 바와 같이, DLL은, 구체적으로, PLL(Phase-Locked Loop)로부터의 특정 클럭을 이용하여 멀티 위상 클럭으로 분해하는 C-DLL(Coarse-DLL)(145)과, 8개의 위상 중 한 위상이 클럭으로 입력되는 카운터와, C-DLL(145)로부터의 위상을 멀티 위상 클럭으로 분해하는 F-DLL(fine-DLL)(146)로 구성되어, 도 3에 예시된 바와 같이, C-DLL(145)는 200ps에서 락킹하고, F-DLL(146)은 50ps에서 락킹하도록 할 수 있다.

참고로, PLL은 위상에 대한 네거티브 피드백 루프를 사용하여 입력신호와 출력신호의 위상 차이(phase difference)를 줄이거나 0이 되게 하는 비선형 아날로그 소자일 수 있고, 아비터(arbiter)(147)는 비동기 신호와 F-DLL(146)로부터의 위상을 비교한다.

또한, 시간 디지털 변환 카운터부(140)는, 비동기(asynchronous) 및 동기(synchronous)의 하이브리드 카운터(hybrid counter)를 포함하되, 출력신호를 비동기로 각각 출력하도록 구성되는 M개의 플립-플롭(flip-flop)들을 포함하는 비동기 카운터(141)와, 출력신호를 동기로 출력하도록 구성되는 N개의 플립-플롭들을 포함하는 동기 카운터(142)와, 비동기 카운터(141)의 출력신호의 출력시점을 동기 카운터(142)의 출력신호의 출력시점으로 지연하는 지연회로(143)로 구성될 수 있다.

예컨대, 카운터는, 고해상도 및 저전력 구현을 위해, 하위(lower) 4비트의 멀티 비트를 생성하는 비동기 카운터(141)와, 상위(upper) 9비트의 멀티 비트를 생성하는 동기 카운터(142)로 구성되고, TSPC(True Single-Phase Clock)(144)의 플립-플롭은 비동기화되어 동작하여 하위 4비트를 카운트할 수 있고, 지연회로(143)는 플립-플롭들의 출력신호들을 지연시켜 동시에 또는 동기로 출력할 수 있고, 리타이밍 기법을 사용하여 고정된 지연시간 이후 값을 읽어 비동기 카운터(141)가 정확한 값을 출력하여 가비지 데이터(garbage data) 출력을 방지하도록 할 수 있다.

한편, 디지털 컨트롤러(148)는, 멀티 위상 클럭을 이용하여 펄스 레이저 신호의 출력 시간과, 펄스 레이저 신호의 수신 시간 사이의 시간 간격을 피코 초(pico second) 단위로 측정할 수 있다.

이후, 제어부(110)는, 카운팅값을 이용하여 시작 신호 및 정지 신호 간의 TOF(Time of Flight)를 연산하여 객체와의 거리를 최종적으로 산출한다.

또한, 제어부(110)는, 입력신호의 신호세기를 확인하고, 확인된 신호세기를 이용하여 객체를 구분하고, 확인된 신호세기를 이용하여 객체와의 거리 오차에 따른 거리 왜곡을 보정할 수도 있다.

또한, 제어부(110)는, 온도 센서(미도시)에 의한 온도에 기초하여 내부 버퍼의 지연값의 변화에 따른 오차를 연산하는 온도 보상부와, 시간 디지털 변환 카운터부(140)의 출력값에 기초하여 시간왜곡(time walk)을 연산하는 시간왜곡 보상부를 더 포함할 수도 있고, 시간왜곡의 크기에 기초하여 거리 오차를 보상할 수도 있다.

따라서, 전술한 바와 같은 라이다 신호처리장치에 의해, 비동기 카운터를 사용하여 전력소모를 줄여 저전력으로 구동하도록 하고, 가비지 데이터 출력을 방지하여 정확한 값을 출력하도록 하고, 고해상도의 분해능을 구성하도록 할 수 있다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

110 : 제어부 120 : 송신부
130 : 수신부 140 : 시간 디지털 변환 카운터부
141 : 비동기 카운터 142 : 동기 카운터
143 : 지연회로 144 : TSPC
145 : C-DLL 146 : F-DLL
147 : 아비터 148 : 디지털 컨트롤러

Claims

시스템 클럭 펄스 동기화 신호를 기반으로 하는 제어신호를 생성하여, 펄스 레이저의 송수신을 제어하는 제어부;
상기 제어부로부터 생성된 제어신호에 따라 펄스 레이저 송신신호를 객체로 송신하는 송신부;
객체로부터 반사된 펄스 레이저 수신신호를 수신하는 수신부; 및
상기 펄스 레이저 송신신호의 시작 시점과 상기 펄스 레이저 수신신호의 정지 시점을 미리 설정된 주기로 카운팅하고, 카운팅값을 상기 제어부로 전달하는 시간 디지털 변환 카운터부;를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 카운팅값을 이용하여 TOF를 연산하여 객체와의 거리를 산출하는,
라이다 신호처리장치.
제1항에 있어서,
상기 시간 디지털 변환 카운터부는, 비동기 및 동기의 하이브리드 카운터를 포함하되, 출력신호를 비동기로 각각 출력하도록 구성되는 M개의 플립-플롭들을 포함하는 비동기 카운터와, 출력신호를 동기로 출력하도록 구성되는 N개의 플립-플롭들을 포함하는 동기 카운터와, 비동기 카운터의 출력신호의 출력시점을 동기 카운터의 출력신호의 출력시점으로 지연하는 지연회로로 구성되는 것을 특징으로 하는,
라이다 신호처리장치.
제1항에 있어서,
상기 시간 디지털 변환 카운터부의 디지털 컨트롤러는, 상기 멀티 위상 클럭을 이용하여 펄스 레이저 신호의 출력 시간과, 펄스 레이저 신호의 수신 시간 사이의 시간 간격을 피코 초 단위로 측정하는 것을 특징으로 하는,
라이다 신호처리장치.
제1항에 있어서,
상기 시간 디지털 변환 카운터부는 멀티 위상 클럭을 생성하는 DLL을 포함하는 것을 특징으로 하는,
라이다 신호처리장치.
제4항에 있어서,
상기 DLL은, PLL로부터의 특정 클럭을 이용하여 멀티 위상 클럭으로 분해하는 C-DLL과, 8개의 위상 중 한 위상이 클럭으로 입력되는 카운터와, C-DLL로부터의 위상을 멀티 위상 클럭으로 분해하는 F-DLL로 구성되는 것을 특징으로 하는,
라이다 신호처리장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 입력신호의 신호세기를 확인하고, 상기 확인된 신호세기를 이용하여 객체를 구분하고, 상기 확인된 신호세기를 이용하여 객체와의 거리 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는,
라이다 신호처리장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
온도 센서에 의한 온도에 기초하여 내부 버퍼의 지연값의 변화에 따른 오차를 연산하는 온도 보상부와, 상기 시간 디지털 변환 카운터부의 출력값에 기초하여 시간왜곡을 연산하는 시간왜곡 보상부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
라이다 신호처리장치.