KR20230086489A - 단일 송수신 광학계를 가진 fmcw 라이다 시스템 및 이의 신호처리 방법 - Google Patents

단일 송수신 광학계를 가진 fmcw 라이다 시스템 및 이의 신호처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 FMCW 라이다 시스템은, 레이저 광원을 구비하여 광신호를 송신하는 송신단과, 물체로부터 반사된 반사광 신호를 수신하는 수신단과, 상기 송신단으로부터의 출사광과 입사하는 반사광을 스위칭하는 광 서큘레이터와, 상기 광 서큘레이터 전단에 배치되고, 상기 송신단과 상기 수신단이 공통으로 이용하는 단일의 광학계와, 송신된 신호와 상기 수신단에 입력된 신호를 처리하여 물체와의 거리를 측정하여 공간맵을 생성하고 라이다 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 신호처리 및 제어부를 포함한다.

Description

단일 송수신 광학계를 가진 FMCW 라이다 시스템 및 이의 신호처리 방법{FMCW RiDAR system with common optical assebly and processing method thereof}
본 발명은 FMCW 라이다 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 송신단과 수신단이 하나의 광학계를 공유하는 FMCW 라이다 시스템 및 이의 신호처리 방법에 관한 것이다.
라이다(LiDAR)는 Light Detection And Ranging의 약자이며, 빛으로 탐지하고 거리를 측정한다는 뜻이다. 광원(레이저)을 목표물에 비춤으로써 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있는 기술이다. LiDAR 센서는 일반적으로 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀한 대기 중의 물성 관측 및 거리 측정 등에 활용이 된다.
LiDAR 센서 기술은 탐조등 빛의 산란 세기를 통하여 상공에서의 공기 밀도 분석 등을 위한 목적으로 1930년대 처음 시도되었으나, 1960년대 레이저의 발명과 함께 비로소 본격적인 개발이 가능하였다. 1970년대 이후 레이저 광원 기술의 지속적인 발전과 함께 다양한 분야에 응용 가능한 라이다 센서 기술들이 개발되었다.
항공기, 위성 등에 탑재되어 정밀한 대기 분석 및 지구환경 관측을 위한 중요한 관측 기술로 활용되고 있으며, 또한 우주선 및 탐사 로봇에 장착되어 사물까지의 거리 측정 등 카메라 기능을 보완하기 위한 수단으로 활용되고 있으며, 최근에는 자율주행 차량의 핵심 기술로 활용되면서 그 활용성과 중요성이 점차 증가되고 있다.
특히 FMCW 라이다는 기준신호(송출신호)와 반사된 신호간의 주파수 차이(비트 주파수)를 기초로 거리 정보를 추출하기 때문에 일반적인 TOF 방식의 라이다에 비하여 안개나 박무, 폭우 등 시계가 불량한 악천후에서도 안정된 성능을 발휘할 수 있다.
그런데, 종래의 FMCW 라이다 시스템은 레이저를 출사하는 송신단의 광학계와, 반사파를 수신하는 수신단의 광학계가 각각 별도로 구비되어 있다. 그러므로 송신부 및 수신부의 광 구성이 복잡해지며 문제 발생시 송신쪽 문제인지 수신쪽 문제인지 쉽게 확인할 수 없는 문제점이 있다.
아울러, 송신부 및 수신부를 따로 사용하려면 송수신 광학계를 함께 광정렬을 하는 과정을 거쳐야 하며 라이더 시스템을 제작하는데 많은 시간이 소요된다. 또한 광정렬이 매우 미세하게 틀어지더라도 라이더의 성능이 현저히 떨어지는 것도 문제가 된다.
송신단과 수신단이 하나의 광학계를 공통으로 채택하려는 경우에는 반사손실등으로 인한 사용이 어려움이 있다. 예를들어 송수신 광학계를 통합 사용할 경우 종래에는 광 써큘레이터(Optical circulator)를 이용하게 되는데, 예컨대 시분할 광통신기와 같은 경우에는 광써큘레이터를 이용하여 무리없이 사용할 수 있지만 FMCW 라이다의 경우 출사광원이 광학계 내부에서 되돌아오는 반사 손실로 인하여 반사광을 제대로 수신할 수 없게 되므로, 종래의 방식을 채택할 수 없다. 이와 같이 광 서큘레이터를 포함한 렌즈 및 파이버 퍼럴(fiber Ferrul) 등의 광학계 반사손실로 인하여 송수신 광학계의 통합사용은 어려움이 있다.
본 발명은 레이저를 출사하는 송신단과 반사파를 수신하는 수신단이 공통의 단일 광학계를 이용하는 FMCW 라이다 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일면에 따른 FMCW 라이다 시스템은, 레이저 광원을 구비하여 광신호를 송신하는 송신단과, 물체로부터 반사된 반사광 신호를 수신하는 수신단과, 상기 송신단으로부터의 출사광과 입사하는 반사광을 스위칭하는 광 서큘레이터와, 상기 광 서큘레이터 전단에 배치되고, 상기 송신단과 상기 수신단이 공통으로 이용하는 단일의 광학계와, 송신된 신호와 상기 수신단에 입력된 신호를 광 간섭계에서 처리하여 물체와의 거리를 측정하여 공간맵을 생성하고 라이다 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 신호처리 및 제어부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 신호처리 및 제어부는, 상기 송신단에서 출력된 신호가 상기 서큘레이터 및 상기 광학계 중 적어도 하나에 의하여 출사되지 못하고 상기 송신단으로 되돌아 입력되는 되돌이 반사신호의 주기에 따라 상기 측정 결과를 보정한다.
일 실시예에서, 상기 신호처리 및 제어부는, 상기 되돌이 반사신호의 주기에 상응하는 거리별로 인접한 구간의 측정결과를 토대로 보정한다.
본 발명의 다른 면에 따른 FMCW 라이다 시스템의 신호처리 방법은, 신호처리 및 제어부가 송신단을 제어하여 광학계를 통해 송신신호를 송신하는 단계와, 수신단이 상기 송신신호의 반사광을 입력받는 단계와, 신호처리 및 제어부가 상기 송신신호와 수신신호의 주파수 차이에 기초하여 물체(들)과의 거리와 위치를 파악하고, 되돌이 반사신호의 주기별로 보정을 수행한 후 이를 토대로 공간맵을 생성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 보정은 상기 되돌이 반사신호의 주기에 대응하는 특정 거리 구간들의 인접 영역 신호처리 결과를 기초로 수행된다.
본 발명에 따르면, 레이저를 출사하는 송신단과 반사파를 수신하는 수신단이 공통의 단일 광학계를 이용하는 FMCW 라이다 시스템의 구현이 가능한다.
그럼으로써 광학계 구성을 단순화 할 수 있어서 제조시의 시간과 비용을 절감할 수 있으면 유지보수가 용이해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 라이다 시스템의 구성도.
도 2는 도 1의 FMCW 라이다 시스템의 되돌이 반사신호 현상을 설명하기 위한 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 FMCW 라이다 시스템의 신호처리 방법을 도시한 순서도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 FMCW 라이다 시스템의 구성도이다.
본 발명에 따른 FMCW 라이다 시스템은 송신단과 수신단이 단일한 하나의 광학계를 이용한다.
도시된 바와 같이, 레이저 광원을 구비하여 광신호를 송신하는 송신단(110), 물체로부터 반사된 반사광 신호를 수신하는 수신단(120), 송신단으로부터의 출사광과 렌즈를 통해 입사하는 반사광을 스위칭하는 광 서큘레이터(130)와 송신단(110)과 수신단(120)이 공통으로 이용하는 단일의 광학계(140)과, 송신된 신호와 수신단에 입력된 신호를 광 간섭계(미도시)에서 처리하여 물체와의 거리를 측정하여 공간맵을 생성하고 라이다 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 신호처리 및 제어부(150)를 포함한다.
광학계(140)는 광학계는 렌즈, 미러 및 파이버(fiber)를 포함하는데, 송신단(110)에의하여 레이저 광 출사시에는 광원의 빔이 렌즈와 미러를 통하여 출사하고, 반사광 입사시에는 렌즈 및 파이버를 통해 수신단의 PD로 입력되며, 렌즈는 공통으로 이용한다.
전술한 각 구성요소는 설명의 편의와 이해의 증진을 위하여 기능 단위별로 설정하였을 뿐, 구현에 있어서는 각 구성요소는 하나의 H/W로 통합되어 구현될 수 있고, 또는 더 세분화되어 별개 모듈 또는 장치로 구현될 수 있음은 물론이다. 예컨대, 신호처리 및 제어부(150)는 신호처리부와 제어부가 별도의 H/W 모듈 또는 장치로 구현될 수 있다.
한편, FMCW 라이다 시스템의 작동 원리가 기준신호(송신신호)와 반사신호(수신신호)의 주파수 차이에 기초하여 물체와의 거리를 산출하는 방식이므로, 기본적으로 기준신호와 반사신호의 간섭 현상을 이용하는데, 단일한 공통의 광학계를 이용할 경우, 도 2와 같이 송신단(110)의 송신포트에서 출사관 광신호가 광 서큘레이터(130) 또는 광학계(140)에 반사되어 출사되지 못하고 수신단(120)의 수신포트로 입사되는 되돌이 반사신호가 발생한다.
이러한 경우, 물체로부터의 반사신호와 되돌이 반사신호가 합쳐져서 노이즈가 발생하게 되므로 정확한 신호처리가 불가능하다.
따라서 본 발명은 신호처리 및 제어부(150)에서 S/W적으로 되돌이 반사신호를 처리하여 이러한 문제를 해결한다.
도 3을 참조하여 본 발명에 따른 신호처리 방법을 상세히 설명한다.
신호처리 및 제어부(150)가 송신단(110)을 제어하여 광학계(130)를 통해 송신신호(레이저 광)를 송신한다(S210).
송신된 레이저 광은 물체에 반사되고 이중 일부의 반사광이 동일한 광학계(130)를 통해 입사되어 수신단(120)에 입력된다.
신호처리 및 제어부(150)는 송신신호와 수신신호의 주파수 차이에 기초하여 물체(들)과의 거리와 위치를 파악하고 이를 토대로 공간맵을 생성한다(S240).
이때, 송신단(110)과 수신단(120)이 단일의 광학계(130)을 공통으로 이용하므로 광 서큘레이터(130)가 소정의 주기에 따라 송신단(110)과 수신단(120)을 스위칭하며, 송신신호가 출사되지 못하고 광학계 내에서 반사되는 되돌이 반사신호가 주기적으로 수신단(120)에 입사하게 된다.
되돌이 반사신호로 말미암아 소정 주기에 따른 특정 거리(예컨대, 5m, 10m, 15m 등)의 특정 구간(예컨대, 수 Cm)의 거리와 위치 파악이 제대로 되지 않는다.
따라서, 문제가 되는 특정 구간에 대한 S/W적인 보정을 수행한다(S240). 보정의 방식은 문제되는 특정 구간들의 인접 영역 신호처리에 기초하여 수행하되, 예컨대 특정 구간의 앞과 뒤 영역의 신호처리결과를 기초로 보간법을 이용하여 문제되는 특정 구간에 대한 보정을 수행할 수 있다.
보정을 거친 라이다 측정 결과를 자율주행 DCU 등 다른 제어기 등에 출력한다(S250).
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 레이저 광원을 구비하여 광신호를 송신하는 송신단과,
    물체로부터 반사된 반사광 신호를 수신하는 수신단과,
    상기 송신단으로부터의 출사광과 입사하는 반사광을 스위칭하는 광 서큘레이터와,
    상기 광 서큘레이터 전단에 배치되고, 렌즈, 미러 및 파이버를 포함하며 상기 송신단과 상기 수신단이 공통으로 이용하는 단일의 광학계와,
    송신된 신호와 상기 수신단에 입력된 신호를 광 간섭계에서 처리하여 물체와의 거리를 측정하여 공간맵을 생성하고 라이다 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 신호처리 및 제어부
    를 포함하는 FMCW 라이다 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 신호처리 및 제어부는,
    상기 송신단에서 출력된 신호가 상기 서큘레이터 및 상기 광학계 중 적어도 하나에 의하여 출사되지 못하고 상기 송신단으로 되돌아 입력되는 되돌이 반사신호의 주기에 따라 상기 측정 결과를 보정하는 것인 FMCW 라이다 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 신호처리 및 제어부는,
    상기 되돌이 반사신호의 주기에 상응하는 거리별로 인접한 구간의 측정결과를 토대로 보정을 하는 것인 FMCW 라이다 시스템.
  4. 신호처리 및 제어부가 송신단을 제어하여 광학계를 통해 송신신호를 송신하는 단계와,
    수신단이 상기 송신신호의 반사광을 입력받는 단계와,
    신호처리 및 제어부가 상기 송신신호와 수신신호의 주파수 차이에 기초하여 물체(들)과의 거리와 위치를 파악하고, 되돌이 반사신호의 주기별로 보정을 수행한 후 이를 토대로 공간맵을 생성하는 단계
    를 포함하는 것인 FMCW 라이다 시스템의 신호처리 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공간맵을 생성하는 단계는,
    상기 되돌이 반사신호의 주기에 대응하는 특정 거리 구간들의 인접 영역 신호처리 결과를 기초로 보정을 수행하는 것인 FMCW 라이다 시스템의 신호처리 방법.
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