KR20230126451A - 라이다 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라이다 센서에 관한 것으로, 홀수 프레임에서 제1출력의 레이저광을 출력하고, 짝수 프레임에서 상기 제1출력에 비하여 낮은 출력인 제2출력의 레이저광을 출력하는 제1송신부와, 홀수 프레임에서 상기 제2출력의 레이저광을 출력하고, 짝수 프레임에서 상기 제1출력의 레이저광을 출력하는 제2송신부와, 상기 제1송신부와 제2송신부에서 출력된 레이저광의 반사광을 수신하여, 타겟을 검출하는 수신부를 포함한다.

Description

라이다 센서{LIDAR sensor}

본 발명은 라이다 센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 고속 반복 송신이 가능하면서도 발열을 감소시킬 수 있는 라이다 센서에 관한 것이다.

차량용 라이다 센서는 물체에 빛을 출력하여 반사되는 신호를 기반으로 차량과 물체와의 거리를 측정하는 센서이다.

라이다 센서는 레이저광을 출력하는 송신단과, 타겟에서 반사된 레이저광을 수신하는 수신단을 포함하여 구성된다. 원거리 또는 저반사율의 타겟을 검출하기 위해서는 고출력 레이저를 사용해야 한다.

레이저의 출력은, 내부 레이저 모듈에서 빛이 출력 되고 일반적으로 레이저 모듈에 인가하는 전압에 따라 출력 파워가 결정되지만, 아이 세이프티(Eye-Safety) 규격 제한 등에 의해 출력 파워를 무한정 증가시킬 수 없다.

출력 파워와 함께 레이저 송신의 요소는 Hz 단위의 반복률이 고려된다. 반복률은 레이저의 출력 주기를 나타낸다.

종래 라이다 센서는 단일 배열 송신단을 사용하며, 단일 배열 송신단을 사용할 때, 반복률의 증가는 송신단의 온도 상승을 발생시키며, 온도 상승에 따라 출력이 저하되고, 고장의 원인이 된다.

또한, 일정한 출력 파워를 송신하는 라이다 센서의 경우 타겟의 반사율을 감지하기 위한 다이나믹 레인지(dynamic range)에 제한이 있다. 즉, 원거리 혹은 저반사율 타겟 감지를 위해 고출력 레이저를 송신할 경우 근거리 또는 고반사율 타겟 감지시 수신단에 포화현상이 발생하게 된다.

그리고 일정한 반복률로 레이저광을 송신하는 라이다 센서의 경우 타 라이다 센서의 송신광에 의해 간섭을 받을 수 있다. 타 라이다 센서의 송신광이 수신될 경우 수신단 포화현상이 발생할 수 있으며, 일정시간 동안 타겟 감지가 불가능한 문제점이 있었다.

따라서 고속의 반복률로 송신하면서도 온도 상승을 최소화하며, 수신단의 다이나믹 레인지 확보 및 타 라이다 센서와 간섭이 발생하지 않는 라이다 센서가 요구되고 있다.

[선행기술 문헌]

등록특허 10-2050632(2019. 11. 25) 다채널 라이다 센서 모듈

상기와 같은 요구를 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 고속의 반복률로 레이저광을 송신하면서도 온도 상승을 최소화할 수 있는 라이다 센서를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 주변의 다른 라이다 센서와 간섭되는 것을 방지할 수 있는 라이다 센서를 제공함에 다른 목적이 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 라이다 센서는, 홀수 프레임에서 제1출력의 레이저광을 출력하고, 짝수 프레임에서 상기 제1출력에 비하여 낮은 출력인 제2출력의 레이저광을 출력하는 제1송신부와, 홀수 프레임에서 상기 제2출력의 레이저광을 출력하고, 짝수 프레임에서 상기 제1출력의 레이저광을 출력하는 제2송신부와, 상기 제1송신부와 제2송신부에서 출력된 레이저광의 반사광을 수신하여, 타겟을 검출하는 수신부를 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 홀수 프레임에서, 상기 제1송신부의 제1출력의 레이저광은 제2송신부의 제2출력의 레이저광에 비하여 선행할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1송신부의 제1출력 레이저광과 제2송신부의 제2출력 레이저광은 일정한 시간차로 출력될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 짝수 프레임에서, 상기 제1송신부의 제2출력의 레이저광은 제2송신부의 제1출력의 레이저광에 비하여 후행할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1송신부의 제1출력 레이저광과 제2송신부의 제2출력 레이저광은 일정한 시간차로 출력될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 수신부에 수신된 상기 제1송신부 레이저광의 반사광과 상기 제2송신부 레이저광의 반사광은 일정한 간격으로 수신되어, 다른 라이다 센서의 송신 레이저광과 구분될 수 있다.

본 발명은 2배열의 송신단을 구비하고, 각 프레임마다 송신단 각각의 출력에 교번하여 차등을 두어 열 발생을 최소화하면서도, 반복률을 증가시켜, 저 반사율 타겟을 고해상도로 검출할 수 있으며, 수신단의 포화를 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 송신단 각각의 출력에 교번하여 차등을 둠으로써, 수신단 포화를 방지하면서도 감지 거리를 증가시킴과 아울러 기준거리 이하의 타겟 반사율 정보를 획득할 수 있는 효과가 있다.

아울러 본 발명은 2배열의 송신단 각각의 출력과 반복률을 제어하여, 주변의 다른 라이다 센서와 간섭되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1과 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다 센서의 구성 예시도이다.
도 3은 제1송신부와 제2송신부의 출력 레이저광의 송신 출력 그래프이다.
도 4는 본 발명의 홀수 프레임에서 고반사율 타겟에 대한 수신 신호의 예시도이다.
도 5는 홀수 프레임에서 저반사율 타겟에 대한 수신 신호의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 라이다 센서가 종래 라이다 센서와의 간섭을 방지할 수 있음을 설명하기 위한 파형도이다.
도 7은 프레임 별 제1송신부의 출력과 제2송신부의 출력 그래프이다.
도 8의 본 발명과 종래 라이다 센서의 레이저 온도 변화 비교 그래프이다.

이하, 본 발명 라이다 센서에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 아래에 설명되는 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 발명을 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는"포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되지 않음은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 실시 예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1과 도 2는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다 센서의 배치 상태를 보인 구성도이다.

도 1과 도 2를 각각 참조하면 본 발명은 제1송신부(10)와, 제2송신부(20) 및 수신부(30)를 포함하여 구성된다.

도 1에는 제1송신부(10)와 제2송신부(20)가 수신부(30)의 일면에서 각각 상하 배치된 예를 도시하였으며, 도 2에는 제1송신부(10)와 제2송신부(20)가 수신부의 일면에서 좌우 배치된 예를 도시하였다.

상기 제1송신부(10)와 제2송신부(20)는 적어도 레이저광을 출력하는 레이저 출력모듈과 렌즈를 포함하고, 수신부(30)는 적어도 렌즈와 레이저광을 수신하는 광수신 센서를 포함한다.

본 발명은 스캐너를 적용하여 제1송신부(10)와 제2송신부(20)의 출력 레이저광을 소정의 영역으로 반사키며 스캔하는 구조에 적용될 수 있다. 상기 스캐너는 타겟에서 반사된 레이저 반사광을 수신부(30)에 입사시키는 역할도 할 수 있다.

본 발명은 스캐너를 사용하지 않는 구조에도 적용될 수 있다.

본 발명의 특징은 제1송신부(10)와 제2송신부(20)의 레이저광의 출력과 반복률에 차등을 두는 것이며, 특히 레이저광의 송신 출력을 서로 교번하여 크고 작은 파워로 출력한다.

도 3에는 제1송신부(10)와 제2송신부(20)의 출력 레이저광의 송신 출력 그래프를 도시하였다.

도 3의 (a)는 홀수 프레임이며, 도 3의 (b)는 짝수 프레임에서의 송신 출력을 나타낸다.

즉, 본 발명 라이다 센서는 도 3의 (a)에 도시한 출력과 도 3의 (b)에 도시한 출력을 교번하여 출력한다.

먼저, 홀수 프레임에서 제1송신부(10)의 출력(Tx1)은 제2송신부(20)의 출력(Tx2)에 비하여 더 큰 출력을 가지도록 출력된다.

제1송신부(10)의 상대적으로 큰 출력(Tx1)의 레이저광이 출력되고, 이후 제2송신부(20)의 상대적으로 작은 출력(Tx2)의 레이저광이 출력되며, 감지 거리 계산을 위한 수신신호 대기 시간을 고려하여, 소정의 반복률로 반복 출력된다.

즉, 제1송신부(10)와 제2송신부(20)의 레이저광 출력(Tx1, Tx2)은 시간차를 두고 출력된다.

짝수 프레임에서는 반대로 제2송신부(20)의 출력(Tx2)이 제1송신부(10)의 출력(Tx1)에 비하여 더 큰 송신출력을 가지도록 출력되며, 출력 순서 또한 제2송신부(20)의 출력(Tx2)이 제1송신부(10)의 출력(Tx1) 보다 더 빠른 출력이 이루어지도록 제어된다.

이러한 제어는 도면에는 도시하지 않았으나, 제1송신부(10)와 제2송신부(20)의 출력을 제어하는 제어부에 의해 수행될 수 있다.

이와 같은 제어에 의하여 홀수 프레임에서는 제1송신부(10)의 출력을 높이고, 짝수 프레임에서는 제1송신부(10)의 출력을 낮춰, 상대적으로 높은 송신 출력 상태가 지속적으로 유지되는 것을 방지하여 온도의 상승을 감소시킬 수 있다.

이는 제2송신부(20)도 동일하게 적용된다.

라이다 센서는 수신부(30)에 수신된 수신 신호의 세기로 타겟의 반사율 정보를 획득하며, 수신부(30)의 최대 전압 설정에 따라 일정 강도 이상의 신호가 수신되면 포화되어 반사율 정보를 얻을 수 없다.

그러나 본 발명은 동일한 프레임에서 상대적으로 강한 출력과 상대적으로 약한 출력의 제1송신부(10)와 제2송신부(20)의 두 레이저광이 출력되고, 수신부(30)에서 이를 수신하기 때문에 포화를 방지하면서도, 최대 감지거리의 감소를 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 홀수 프레임에서 고반사율 타겟에 대한 수신 신호의 예시도이다.

도 4를 참조하면, 홀수 프레임에서 상대적으로 강한 송신 출력의 제1송신부(10) 출력(Tx1)은 기준 거리 이내에서는 거리에 따라 수신신호의 변화가 없는 포화상태가 될 수 있으나, 기준 거리 이상에서는 제1송신부(10)의 출력(Tx1)의 반사광이 선형으로 감소하도록 함으로써, 최대 감지거리까지 고반사율 타겟을 검출할 수 있다.

또한, 라이다 센서로부터 기준 거리 이내에서는 송신 출력이 상대적으로 낮은 제2송신부(20) 출력(Tx2)의 반사광이 포화 구간 없이 선형으로 감소하는 파형을 나타내므로, 타겟의 반사율 정보를 획득할 수 있게 된다.

짝수 프레임에서는 반대로 제2송신부(20)의 출력(Tx2)에 의해 최대 감지 거리가 결정되고, 기준 거리 이내의 타겟 검출은 상대적으로 송신 출력이 낮은 제1송신부(10)의 출력(Tx1) 반사광에 의해 이루어지게 된다.

도 5는 홀수 프레임에서 저반사율 타겟에 대한 수신 신호의 예시도이다.

도 5를 참조하면, 도 4에 도시하고 설명한 파형에 비하여 최대 감지 거리가 감소하고, 포화구간의 거리가 짧아지기는 하지만, 제1송신부(10)의 포화 구간에서는 제2송신부(20)의 출력(Tx2)의 반사광에 의한 타겟의 검출이 가능하다.

이처럼 본 발명은 출력 강도가 서로 다른 송신 레이저광을 송신하고, 이를 수신한 수신부(30)가 포화되는 것을 방지하여, 라이다 센서가 타겟의 반사율을 감지하기 위한 다이나믹 레인지를 향상시킬 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 라이다 센서가 종래 라이다 센서와의 간섭을 방지할 수 있음을 설명하기 위한 파형도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명은 일정한 시간차를 가지는 두 송신 출력(Tx1, Tx2)에 의한 크기가 다른 반사광을 수신하게 되며, 종래 라이다 센서의 간섭에 의해 수신부(30)에 수신되는 신호는 타겟과 무관하게 임의의 위치에 신호가 발생할 수 있으며, 간섭신호를 발생하는 라이다의 위치에 따라 제1송신부 출력(Tx1)에 의한 반사광 또는 제2송신부(20)의 출력(Tx2)에 의한 반사광에 비하여 더 크거나 작은 신호로 수신될 수 있다.

또한, 본 발명은 일정한 시간차를 두고 출력되는 두 송신 출력(Tx1, Tx2)의 반사광이 수신부(30)에 수신되기 때문에 수신부(30)에 수신된 신호의 크기와 간격을 이용하여 다른 라이다 센서의 간섭신호와 송신 출력(Tx1, Tx2)의 수신신호를 구분할 수 있게 된다.

이러한 구분에 따라 간섭신호를 제외하고, 타겟까지의 정확한 거리 계산이 가능하게 된다.

도 7은 앞서 설명한 프레임 별 제1송신부(10)의 출력(Tx1)과 제2송신부(20)의 출력(Tx2)의 그래프이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명은 제1송신부(10)의 출력(Tx1)이 상대적으로 고출력과 저출력 구간을 프레임 별로 반복하고, 반대로 제2송신부(20)의 출력(Tx2)이 상대적으로 저출력과 고출력 구간을 프레임 별로 반복함으로써, 제1송신부(10)와 제2송신부(20)의 송신소자인 레이저의 온도가 증가와 감소가 반복하여 이루어지도록 함으로써, 레이저의 온도 증가를 최소화할 수 있다.

이는 도 8의 레이저 온도 변화 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이 종래 라이다 센서의 송신단 온도에 비하여 본 발명의 라이다 센서는 더 낮은 온도를 유지할 수 있다.

따라서, 라이다 센서 송신단의 발열에 의한 송신 출력의 저하를 최소화할 수 있으며, 발열에 의한 고장 발생 또는 파손을 방지할 수 있게 된다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

10:제1송신부 20:제2송신부
30:수신부

Claims (6)

1. 홀수 프레임에서 제1출력의 레이저광을 출력하고, 짝수 프레임에서 상기 제1출력에 비하여 낮은 출력인 제2출력의 레이저광을 출력하는 제1송신부;
   홀수 프레임에서 상기 제2출력의 레이저광을 출력하고, 짝수 프레임에서 상기 제1출력의 레이저광을 출력하는 제2송신부; 및
   상기 제1송신부와 제2송신부에서 출력된 레이저광의 반사광을 수신하여, 타겟을 검출하는 수신부를 포함하는 라이다 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 홀수 프레임에서,
   상기 제1송신부의 제1출력의 레이저광은 제2송신부의 제2출력의 레이저광에 비하여 선행하는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1송신부의 제1출력 레이저광과 제2송신부의 제2출력 레이저광은 일정한 시간차로 출력되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 짝수 프레임에서,
   상기 제1송신부의 제2출력의 레이저광은 제2송신부의 제1출력의 레이저광에 비하여 후행하는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1송신부의 제1출력 레이저광과 제2송신부의 제2출력 레이저광은 일정한 시간차로 출력되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
6. 제1항에 있어서,
   상기 수신부에 수신된 상기 제1송신부 레이저광의 반사광과 상기 제2송신부 레이저광의 반사광은 일정한 간격으로 수신되어,
   다른 라이다 센서의 송신 레이저광과 구분되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.