KR20240049879A - 레이저 직접변조와 교차상관기법을 이용한 라이다 신호 처리장치 - Google Patents

레이저 직접변조와 교차상관기법을 이용한 라이다 신호 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 직접변조와 교차상관기법을 이용한 라이다 신호 처리장치에 관한 것으로서, 입력된 기준패턴 신호에 대응하는 레이저 펄스신호를 생성하여 출력하는 광원부와, 입력된 제어신호에 따른 기준패턴신호를 생성하여 광원부에 출력하는 기준신호 생성부와, 광원부에서 출사되어 측정대상체로부터 반사된 광을 검출하는 광검출기와, 기준신호 생성부를 제어하고, 기준패턴신호에 대한 광검출기의 출력 신호와의 교차상관도를 산출하고, 산출된 교차상관도에 따라 측정대상체에 대한 거리를 결정하는 교차상관처리 유니트를 구비한다. 이러한 레이저 직접변조와 교차상관기법을 이용한 라이다 신호 처리장치에 의하면, 파장을 가변시키지 않는 광원을 적용하면서도 악천후 환경에 광신호 획득 및 거리 측정이 가능하고 소형화할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

레이저 직접변조와 교차상관기법을 이용한 라이다 신호 처리장치{Lidar signal processing apparatus using laser modulation and cross correlation}
본 발명은 레이저 직접변조와 교차상관기법을 이용한 라이다 신호 처리장치에 관한 것으로서, 상세하게는 레이저광의 파장을 그대로 유지하면서 강우, 강설, 연무 등의 환경에서도 광신호를 복원하여 신호 왕복시간을 측정할 수 있도록 지원하는 라이다 신호 처리장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이 라이다(Lidar)는 레이저를 기반으로 계측기와 대상 물체간의 거리를 측정하는 기술로서 건축, 토목 측량 분야와 차량 센서로 많이 활용되는 기술이다.
기존에 많이 활용된 라이다 기술은 레이저 펄스를 측정하고자 하는 물체에 조사한 후, 펄스가 반사되어 되돌아온 시간을 시간 디지털 변환기(TDC:time to digital converter)기술로 측정하여 거리를 계산하는 방식으로 국내등록특허 제10-2308786호에 개시되어 있다. 이러한 거리 측정 방법은 구조 및 신호처리가 간단하여 소형화, 저가화가 가능하지만 강우, 강설, 연무 등의 악천후 환경에서는 레이저 펄스의 산란 및 세기 감쇠로 거리 측정에 있어 오류가 증가하거나 측정이 불가능한 상황이 많이 발생되는 문제점을 안고 있다.
이와 같이 거리 산출시 외부 환경에 대한 영향을 줄이고, 신호대잡음비(SNR)를 높여 정밀한 거리측정을 지원할 수 있는 주파수변조 연속파 검출 기술이 활용되고 있다. 주파수 변조 연속파 검출기술은 국내 공개특허 제10-2021-0112596호, 국내 공개특허 제10-2022-0008734호, 국내 등록특허 제10-2259887호 등에 제안되어 있다.
이러한, 주파수변조연속파 검출 기술은 파장이 주기적으로 변하는 광원과 광간섭 현상을 이용한 기술로서, 광원의 파장과 물체에 반사되어 되돌아온 신호의 파장 차이를 광간섭을 이용해 전기 주파수 신호로 변환하고, 거리에 따라 주파수 차이가 비례하여 증가함을 이용해 거리를 계산하는 기술이다.
이와 같이 주파수변조연속파 검출 기술은 신호 세기를 측정하는 것이 아닌 간섭 주파수 신호를 이용하기 때문에 악천후 환경에서도 사용이 가능하며, 도플러 천이 효과를 분석하여 측정 물체의 상대 속도도 알 수 있기 때문에 펄스 라이다 기술보다 더 큰 이점이 존재한다. 하지만 레이저 광원의 파장이 지속적으로 스윕(sweep) 되어야 하고, 광원의 선폭이 좁아야 가간섭성이 길어 장거리를 왕복한 신호와 레이저 신호를 간섭시킬 수 있으므로 고가의 광원을 적용해야하는 단점이 있다. 또한 광간섭계의 부피가 크기 때문에 소형화가 어려우며, 퓨리어 변환(Fourier transform)과정을 거쳐야 하기 때문에 신호처리 속도가 펄스 라이다보다 느려 고속으로 측정하기 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 광원의 파장을 변동시키지 않으면서 강우, 강설, 연무 등의 악천후 환경에서도 거리 측정이 가능하게 지원할 수 있는 레이저 직접변조와 교차상관기법을 이용한 라이다 신호 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 라이다 신호 처리장치는 입력된 기준패턴 신호에 대응하는 레이저 펄스신호를 생성하여 출력하는 광원부와; 입력된 제어신호에 따른 기준패턴신호를 생성하여 상기 광원부에 출력하는 기준신호 생성부와; 상기 광원부에서 출사되어 측정대상체로부터 반사된 광을 검출하는 광검출기와; 상기 기준신호 생성부를 제어하고, 상기 기준패턴신호에 대한 상기 광검출기의 출력 신호와의 교차상관도를 산출하고, 산출된 교차상관도에 따라 측정대상체에 대한 거리를 결정하는 교차상관처리 유니트;를 구비한다.
바람직하게는 상기 교차상관 처리유니트는 상기 광검출기에서 출력되는 신호를 설정된 기준레벨 신호와 비교하고, 비교결과를 출력하는 비교기와; 상기 비교기에서 출력되는 신호와 상기 기준신호 생성부에서 상기 광원부에 인가한 기준패턴신호와의 교차상관도를 산출하는 교차상관분석부와; 상기 교차상관분석부에서 출력되는 신호의 피크를 검출하는 피크검출부와; 상기 피크검출부에서 검출된 피크의 검출시기와 상기 기준패턴신호의 발생시기정보를 이용하여 측정대상체에 대한 거리를 산출하는 산출부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 기준 패턴신호는 50%듀티의 펄스신호를 설정된 주기로 반복하여 출력하도록 구축된다.
또 다르게는 상기 기준 패턴신호는 설정된 주기 내에서 펄스폭이 점진적으로 줄어드는 복수개의 펄스가 상호 이격되게 출력하도록 구축된다.
또 다르게는 상기 산출부는 상기 기준패턴 신호 생성을 위해 0과 1의 이진수 중 어느 하나의 난수를 설정된 비트 단위로 반복 발생시키고, 발생된 난수에 대응하는 펄스를 출력하는 난수 발생기를 적용한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 난수 발생기는 직렬상으로 복수의 셀이 어레이되어 입력단이 되는 선단셀을 통해 입력되는 값을 순차적으로 쉬프트 시키면서 종단 셀에 기록된 값을 기준패턴신호의 펄스 생성용으로 쉬프트 하여 출력하는 쉬프트 레지스터와; 상기 쉬프트 레지스터의 종단셀과 종단 이전의 셀의 신호를 각각 입력받아 배타적 논리연산하고, 연산 결과를 상기 쉬프트 레지스터의 입력단이 되는 선단셀로 출력하는 배타적 논리합 연산자(XOR);를 구비한다.
본 발명에 따른 레이저 직접변조와 교차상관기법을 이용한 라이다 신호 처리장치에 의하면, 파장을 가변시키지 않는 광원을 적용하면서도 악천후 환경에 광신호 획득 및 거리 측정이 가능하고 소형화할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 라이다 신호처리장치를 나타내 보인 블록도이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 기준패턴신호를 나타내 보인 그래프이고,
도 3은 도 2의 기준패턴 신호에 대한 교차상관도의 일 예를 나타내 보인 그래프이고,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 기준패턴신호를 나타내 보인 그래프이고,
도 5는 도 4의 기준패턴 신호에 대한 교차상관도의 일 예를 나타내 보인 그래프이고,
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 기준패턴신호를 나타내 보인 그래프이고,
도 7은 도 6의 기준패턴 신호에 대한 교차상관도의 일 예를 나타내 보인 그래프이고,
도 8은 도 1의 산출부에 적용되는 난수 발생기의 예를 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 직접변조와 교차상관기법을 이용한 라이다 신호 처리장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 라이다 신호처리장치를 나타내 보인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 라이다 신호처리장치(100)는 광원부(110), 기준신호 생성부(120), 광검출기(130) 및 교차상관처리 유니트(150)를 구비한다.
광원부(110)는 입력된 기준패턴 신호에 대응하는 레이저 펄스신호를 생성하여 측정대상체(10)로 출력한다. 광원부(110)는 레이저 광원이 적용된다.
기준신호 생성부(120)는 교차상관처리 유니트(150)의 산출부(180)로부터 입력된 제어신호에 따른 기준패턴신호를 생성하여 광원부(110)에 출력한다. 기준패턴신호에 대해서는 후술한다. 기준신호 생성부(120)는 기준패턴신호를 후술되는 교차상관분석부(160)에도 제공한다.
광검출기(130)는 광원부(110)에서 출사되어 측정대상체(10)로부터 반사된 광을 검출하고, 검출된 광의 세기에 대응한 전기적 신호를 출력한다. 광검출기(130)는 포토다이오드가 적용될 수 있다.
교차상관처리 유니트(150)는 기준신호 생성부(120)를 제어하고, 기준패턴신호에 대한 광검출기(130)의 출력신호와의 교차상관도를 산출하고, 산출된 교차상관도에 따라 측정대상체(10)에 대한 거리를 연산에 의해 결정하고, 결정된 거리 정보를 출력부(183)를 통해 출력한다.
교차상관처리 유니트(150)는 비교기(151), 교차상관분석부(160), 피크검출부(170), 산출부(180)를 구비한다.
비교기(151)는 광검출기(183)에서 출력되는 신호를 설정된 기준레벨 신호와 비교하고, 비교결과를 출력한다. 비교기(151)는 기준레벨신호 이상 또는 초과하는 신호에 대해서는 하이레벨신호를 출력하고, 기준레벨 미만 또는 이하의 신호에 대해서는 로우레벨의 신호를 출력하도록 구축된 것을 적용할 수 있다.
교차상관분석부(160)는 산출부(180)에 제어되어 비교기(151)에서 출력되는 신호와 기준신호 생성부(110)에서 출력되는 기준패턴신호에 대한 교차상관도를 산출한다. 이와는 다르게 교차상관분석부(160)는 산출부(180)에서 기준신호 생성부(110)에 기준패턴신호 생성용으로 인가한 제어신호로부터 기준패턴신호를 자체적으로 생성하고, 생성된 기준패턴신호와 비교기(151)에서 출력되는 신호 상호간에 대한 교차상관도를 산출하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
교차상관분석부(160)는 아래의 수학식1에 의해 교차상관도(f*g)를 산출하도록 구축되어 있다.
Figure pat00001
여기서, f(τ)는 광검출기(130)를 통해 수신된 복귀신호이고, g(t-τ)는 기준패턴신호이며, t는 현재시간, T는 기준패턴신호의 주기, τ는 미소시간이다.
피크 검출부(170)는 교차상관분석부(160)에서 위 수학식 1에 의해 산출되어 출력되는 신호의 피크를 검출하여 산출부(180)에 제공한다.
산출부(180)는 기준패턴신호가 기준신호 생성부(110)에서 생성되도록 처리하고, 교차상관분석부(160)에서 교차상관도를 산출하도록 제어하며, 피크검출부(170)에서 검출된 피크의 검출시기와 기준패턴신호의 발생시기정보를 이용하여 측정대상체에 대한 거리를 산출한다. 산출부(180)는 기준패턴신호의 발생시기로부터 피크가 검출된 시기까지의 시간을 측정대상체(10)에 광이 왕복한 왕복시간으로 결정하고, 결정된 왕복시간 정보와 광속도 정보를 이용하여 측정대상체(10) 까지의 거리를 산출한다.
조작부(181)는 지원되는 기능을 산출부(180)에 설정할 수 있도록 되어 있다.
츨력부(183)는 산출된 거리를 표시하는 표시장치 또는 통신망을 통해 목적지 주소로 거리정보를 제공하는 통신장치 등 다양한 방식이 적용될 수 있다.
이러한 구조에서 기준 패턴신호는 도 2에 도시된 바와 같이 50%듀티의 펄스신호를 설정된 주기(T)로 반복하여 출력하도록 된 것이 적용될 수 있다. 이러한 기준 패턴신호에 대한 교차상관도는 도 3에 도시된 바와 같은 톱니 형태의 신호로 획득된다.
이와는 다르게 기준 패턴신호는 도 4에 도시된 바와 같이 설정된 주기(T) 내에서 펄스폭이 점진적으로 줄어드는 복수개의 펄스가 상호 이격되게 출력하도록 된 것이 적용될 수 있다. 도 4의 기준 패턴신호에 대한 교차 상관도는 도 5에 도시된 바와 같이 피크 형성영역이 도 3에 비해 좀더 좁은 영역에서 집중되는 형태로 획득되며 이 경우 도 3에 비해 피크 검출이 좀더 용이하다.
또 다르게는 도 6에 도시된 바와 같이 펄스를 랜덤하게 발생시키되 주기(T)마다 반복되게 하는 방식이 적용될 수 있다. 이 경우 도 7에 도시된 바와 같이 피크 형성영역이 도 5에 비해 더욱더 좁은 영역에서 집중되는 형태로 획득되며 이 경우 도 5에 비해 피크 검출이 좀더 용이하다.
이와 같이 펄스를 랜덤하게 발생시키는 방안으로서 산출부(180)에 기준패턴 신호 생성을 위해 0과 1의 이진수 중 어느 하나의 난수를 설정된 비트 단위로 반복 발생시키고, 발생된 난수에 대응하는 펄스를 출력하는 난수 발생기가 적용되고 그 예를 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8을 참조하면, 난수 발생기(181)는 쉬프트 레지스터(182)와 배타적 논리합 연산자(XOR)(183)로 구축되어 있다.
쉬프트 레지스터(182)는 직렬상으로 4개의 셀이 어레이되어 입력단이 되는 선단셀(182a)을 통해 입력되는 값을 순차적으로 쉬프트 시키면서 종단 셀(182d)에 기록된 값을 기준패턴신호의 펄스 생성용으로 쉬프트 하여 출력하도록 되어 있다.
배타적 논리합 연산자(XOR)(183)는 쉬프트 레지스터(182)의 종단셀(182d)과 종단 이전의 셀의 신호를 각각 입력받아 배타적 논리연산하고, 연산 결과를 쉬프트 레지스터(182)의 입력단이 되는 선단셀(182a)로 출력하도록 되어 있다.
이러한 난수 발생기는 도시된 예와 같이 4비트의 쉬프트 레지스터(182) 셀들의 초기값이 모두 '1'인 경우 이후의 연산과정을 통해 '111100010011010'이 15비트 형태의 길이를 갖는 기준패턴신호를 생성하고, 이 경우 '1'은 펄스의 하이를 유지하고, '0'은 펄스의 로우를 유지하도록 하는 펄스 패턴을 생성할 수 있다.
이러한 난수 발생기는 쉬프트 레지스터의 셀을 5 내지 19비트 등으로 적용하고, 길이를 31비트 구조 내지 524287 비트 구조 등으로 다양하게 변경하여 적용할 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명된 레이저 직접변조와 교차상관기법을 이용한 라이다 신호 처리장치에 의하면, 파장을 가변시키지 않는 광원을 적용하면서도 악천후 환경에 광신호 획득 및 거리 측정이 가능하고 소형화할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 광원부 120: 기준신호 생성부
130: 광검출기 150: 교차상관처리 유니트
151: 비교기 160: 교차상관분석부
170: 피크검출부 180: 산출부

Claims (6)

  1. 입력된 기준패턴 신호에 대응하는 레이저 펄스신호를 생성하여 출력하는 광원부와;
    입력된 제어신호에 따른 기준패턴신호를 생성하여 상기 광원부에 출력하는 기준신호 생성부와;
    상기 광원부에서 출사되어 측정대상체로부터 반사된 광을 검출하는 광검출기와;
    상기 기준신호 생성부를 제어하고, 상기 기준패턴신호에 대한 상기 광검출기의 출력 신호와의 교차상관도를 산출하고, 산출된 교차상관도에 따라 측정대상체에 대한 거리를 결정하는 교차상관처리 유니트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 라이다 신호처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 교차상관 처리유니트는
    상기 광검출기에서 출력되는 신호를 설정된 기준레벨 신호와 비교하고, 비교결과를 출력하는 비교기와;
    상기 비교기에서 출력되는 신호와 상기 기준신호 생성부에서 상기 광원부에 인가한 기준패턴신호와의 교차상관도를 산출하는 교차상관분석부와;
    상기 교차상관분석부에서 출력되는 신호의 피크를 검출하는 피크검출부와;
    상기 피크검출부에서 검출된 피크의 검출시기와 상기 기준패턴신호의 발생시기정보를 이용하여 측정대상체에 대한 거리를 산출하는 산출부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 라이다 신호처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기준 패턴신호는 50%듀티의 펄스신호를 설정된 주기로 반복하여 출력하도록 된 것을 특징으로 하는 라이다 신호처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기준 패턴신호는 설정된 주기 내에서 펄스폭이 점진적으로 줄어드는 복수개의 펄스가 상호 이격되게 출력하도록 된 것을 특징으로 하는 라이다 신호처리 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 산출부는 상기 기준패턴 신호 생성을 위해
    0과 1의 이진수 중 어느 하나의 난수를 설정된 비트 단위로 반복 발생시키고, 발생된 난수에 대응하는 펄스를 출력하는 난수 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 신호처리 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 난수 발생기는
    직렬상으로 복수의 셀이 어레이되어 입력단이 되는 선단셀을 통해 입력되는 값을 순차적으로 쉬프트 시키면서 종단 셀에 기록된 값을 기준패턴신호의 펄스 생성용으로 쉬프트 하여 출력하는 쉬프트 레지스터와;
    상기 쉬프트 레지스터의 종단셀과 종단 이전의 셀의 신호를 각각 입력받아 배타적 논리연산하고, 연산 결과를 상기 쉬프트 레지스터의 입력단이 되는 선단셀로 출력하는 배타적 논리합 연산자(XOR);를 구비하는 것을 특징으로 하는 라이다 신호처리 장치.



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