KR20240076927A - 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 fmcw 라이다 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템에 관한 것으로, FMCW 라이다에 옵티컬 서큘레이터를 적용할 때 발생하는 크로스토크 노이즈를 직접 활용하여 측정 대상 오브젝트의 거리정보를 산출함으로써, 크로스토크 노이즈가 큰 저가의 옵티컬 서큘레이터를 사용하더라도 안정적인 거리정보를 산출할 수 있으며, 저비용 고효율로 구현이 가능한 FMCW 라이다 시스템에 관한 것이다.

Description

서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템{SYSTEM FOR FMCW LiDAR USING CROSSTALK NOISE OF CIRCULATOR}

본 발명은 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 라이다에 옵티컬 서큘레이터를 적용할 때 발생하는 크로스토크 노이즈를 직접 활용하여 측정 대상 오브젝트의 거리정보를 산출함으로써, 크로스토크 노이즈가 큰 저가의 옵티컬 서큘레이터를 사용하더라도 안정적인 거리정보를 산출할 수 있으며, 저비용 고효율로 구현이 가능한 FMCW 라이다 시스템에 관한 것이다.

라이다(LiDAR; Light Detection And Ranging)는 레이저 펄스를 발사하여 그 빛이 대상 물체(즉 오브젝트)에 반사되어 돌아오는 것을 수신하여 거리 등을 측정하고 물체 형상까지 이미지화하는 기술로서, 전통적인 레이더(ladar)와 원리 측면에서는 동일하지만 사용하는 파장이 다르기 때문에 실제 적용 분야와 이용 기술에서 상이하다.

라이다는 구름, 빗방울, 에어로졸 등을 감지할 수 있어 기상 관측과 지형을 정밀하게 그려 내거나 비행체 착륙 유도에 사용될 수 있으며, 최근에는 3차원 영상을 구현하기 위한 필요 정보를 습득하는 센서의 핵심 기술로 사용되면서 자율주행 분야에서 각광받고 있다.

이러한 라이다를 이용한 거리측정에는 펄스의 왕복시간을 측정하는 pulsed TOF(time of flight), 신호의 위상차를 통해 거리를 측정하는 위상변이(phase shift), 그리고 주파수에 변화를 준 후 주파수 차이를 통해 거리 정보를 추출하는 주파수 변조법(FMCW) 등이 사용되고 있다.

TOF 방식은 레이저가 펄스 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 물체들로부터의 반사 펄스 신호들이 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써 거리를 측정하는 방식으로서, 매우 우수한 성능을 보여준다.

이러한 장점에도 불구하고, TOF 방식은 시스템의 크기가 비교적 크고, 고비용이 요구되는 단점으로 인하여 저가의 거리 측정 시스템에는 주로 위상변이 또는 FMCW 방식이 사용되고 있다.

그러나 FMCW 라이다 시스템은 송신부와 수신부가 따로 존재하기 때문에, 송신부 및 수신부의 광 구성이 복잡하고, 문제가 발생하였을 때 송신부 원인인지 수신부 원인인지 확인하여야 할 사항이 많은 문제가 있었다.

또한 송신부 및 수신부를 따로 사용하는 경우 송신부 및 수신부를 함께 광 정렬하는 과정을 거쳐야 하고, 시스템 설계에 많은 시간이 소요되었으며, 광 정렬이 매우 미세하게 틀어지더라도 라이더의 성능이 저하되는 문제가 있었다.

또한, FMCW 라이다 시스템에서 송신 및 수신 광학계를 일체형으로 사용하기 위해서 옵티컬 서큘레이터를 적용하는 경우, 입력에 사용된 레이저의 빛과 오브젝트에서 반사된 빛(즉 반사신호)을 서로 간섭시켜 오브젝트의 거리 정보를 획득하였지만, 옵티컬 서큘레이터에서 크로스토크 노이즈로 인해 수신 데이터에 노이즈 발생의 원인이 되는 문제가 있었다.

따라서 본 발명에서는 FMCW 라이다에 옵티컬 서큘레이터를 적용할 때 발생하는 크로스토크 노이즈를 직접 활용하여 측정 대상 오브젝트의 거리정보를 산출함으로써, 크로스토크 노이즈가 비교적 큰 저가의 옵티컬 서큘레이터를 사용하더라도 안정적인 오브젝트의 거리정보 산출이 가능하며, 저비용 고효율의 FMCW 라이다를 구현할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

다음으로 본 발명의 기술분야에 존재하는 선행발명에 대하여 간단하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행발명에 비해서 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해서 기술하고자 한다.

먼저 한국등록특허 제1264671호(2013.05.15.)는 광원 유닛으로부터 출사된 광을 측정광과 참조광으로 분할하고, 상기 참조광과 상기 측정광이 조사된 측정 대상으로부터 반사 또는 후방 산란된 광이 간섭한 간섭광을 검출하고, 상기 참조광의 광로에 설치된 광로 길이 가변 기구를 구동시켜서 상기 참조광의 광로 길이를 변화시키고, 상기 참조광의 광로 길이의 변화에 따라서 변화된 상기 간섭광에 의거하여 상기 검출한 간섭광에 의거한 화상이 정규의 상인지 뒤집힌 상인지를 판정하고, 정규의 상인지 뒤집힌 상인지의 판정 결과에 의거하여 상기 검출된 간섭광으로부터 상기 측정 대상을 계측하는 광 간섭 계측 방법 및 광 간섭 계측 장치에 관한 선행발명이다.

또한 한국등록특허 제1296780호(2013.08.14.)는 레이저 광을 발생하는 레이저 광원; 전방의 영상 및 상기 레이저 광원에서 발생된 레이저 광의 조사하고 상기 전방의 레이저 광 조사 영상을 촬영하는 카메라; 상기 카메라에서 촬영된 영상을 처리하는 화상처리장치를 포함하는 레이저를 이용한 장애물 감지장치 및 방법에 관한 선행발명이다.

하지만, 본 발명은 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 크로스토크 노이즈와 오브젝트에서 반사되는 반사신호를 통해서 측정 대상 오브젝트의 거리정보를 산출하는 것이므로, 반사광과 참조광을 간섭시킴으로써 간섭광을 발생시키고 그 간섭광을 사용하여 측정 대상을 계측하는 상기 한국등록특허 제1264671호와 다양한 환경에서도 정확하게 장애물을 감지할 수 있는 레이저를 이용한 장애물 감지장치 및 방법에 대해 기재하고 있는 상기 한국등록특허 제1296780호와 본 발명은 현저한 구성상 차이점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, FMCW 라이다에 옵티컬 서큘레이터를 적용할 때 발생하는 크로스토크 노이즈를 직접 활용하여 측정 대상 오브젝트의 거리정보를 정밀하게 산출할 수 있는 FMCW 라이다 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 옵티컬 서큘레이터 적용 시 발생하는 크로스토크 노이즈를 오브젝트에서 반사된 반사신호와 간섭시켜 광 간섭 신호를 생성하고, 이를 통해서 오브젝트의 정확한 거리정보 산출할 수 있는 FMCW 라이다 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 옵티컬 서큘레이터의 수신측에 광 증폭기를 추가로 구성하여 크로스토크 노이즈와 오브젝트에서 반사된 반사신호를 간섭시킨 광 간섭 신호를 증폭함으로써, 오브젝트의 거리정보 산출의 성능을 높일 수 있는 FMCW 라이다 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템은, 레이저를 발광하는 레이저 발광부; 상기 발광한 레이저를 거리 측정 대상의 오브젝트로 출력하고, 상기 오브젝트에 의해 반사되는 반사신호를 수신하는 옵티컬 서큘레이터; 및 상기 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 로컬신호와 상기 수신한 반사신호를 간섭시켜 광 간섭 신호를 생성하는 광 간섭 신호 생성부;를 포함하며, 상기 생성한 광 간섭 신호를 토대로 상기 오브젝트의 거리정보를 산출할 수 있다.

또한, 상기 로컬신호는, 상기 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 크로스토크 노이즈로서, 상기 광 간섭 신호 생성부는, 상기 레이저 발광부에서 발광한 레이저를 상기 로컬신호로 사용하지 않고 상기 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 크로스토크 노이즈를 로컬신호로 사용함으로써, 상기 오브젝트의 거리 측정에 상기 크로스토크 노이즈를 직접 활용하도록 할 수 있다.

또한, 상기 FMCW 라이다 시스템은, 상기 옵티컬 서큘레이터로부터 출력되는 상기 레이저를 집광 및 콜리메이션하여 출력하는 렌즈; 및 상기 렌즈를 통해 출력되는 집광 및 콜리메이션된 상기 레이저를 소정의 각도로 출력하고, 상기 오브젝트로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 스캐너;를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 FMCW 라이다 시스템은, 상기 광 간섭 신호 생성부에서 생성한 광 간섭 신호를 디지털 신호로 변환하는 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드를 통해 변환한 디지털 신호를 참조하여 상기 오브젝트의 거리정보를 산출하는 신호처리모듈;을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 FMCW 라이다 시스템은, 상기 광 간섭 신호 생성부의 출력단과 상기 포토다이오드의 입력단 사이에 연결되어, 상기 광 간섭 신호 생성부에서 생성한 광 간섭 신호를 증폭하여 출력하는 광 증폭부;를 더 포함하며, 상기 신호처리모듈은, 상기 광 증폭부에서 증폭한 광 간섭 신호를 통해서 거리측정의 정확도를 높일 수 있다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템 운용방법은, FMCW 라이다 시스템에서, 레이저 발광부를 통해 레이저를 발광하는 단계; 상기 FMCW 라이다 시스템에서, 옵티컬 서큘레이터를 통해 상기 발광한 레이저를 거리 측정 대상의 오브젝트로 출력하고, 상기 오브젝트에 의해 반사되는 반사신호를 수신하는 단계; 및 상기 FMCW 라이다 시스템에서, 광 간섭 신호 생성부를 통해 상기 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 로컬신호와 상기 수신한 반사신호를 간섭시켜 광 간섭 신호를 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 생성한 광 간섭 신호를 토대로 상기 오브젝트의 거리정보를 산출할 수 있다.

또한, 상기 로컬신호는, 상기 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 크로스토크 노이즈로서, 상기 광 간섭 신호를 생성하는 단계는, 상기 레이저 발광부에서 발광한 레이저를 상기 로컬신호로 사용하지 않고 상기 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 크로스토크 노이즈를 로컬신호로 사용함으로써, 상기 오브젝트의 거리 측정에 상기 크로스토크 노이즈를 직접 활용하도록 할 수 있다.

또한 상기 FMCW 라이다 시스템 운용방법은, 상기 FMCW 라이다 시스템에서, 렌즈를 통해 상기 옵티컬 서큘레이터로부터 출력되는 상기 레이저를 집광 및 콜리메이션하여 출력하는 단계; 및 상기 FMCW 라이다 시스템에서, 스캐너를 통해 상기 렌즈로부터 출력되는 집광 및 콜리메이션된 상기 레이저를 소정의 각도로 출력하고, 상기 오브젝트로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 FMCW 라이다 시스템 운용방법은, 상기 FMCW 라이다 시스템에서, 포토다이오드를 통해 상기 광 간섭 신호를 생성하는 단계에서 생성한 광 간섭 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계; 및 상기 FMCW 라이다 시스템에서, 신호처리모듈을 통해 상기 포토다이오드에서 변환한 디지털 신호를 참조하여 상기 오브젝트의 거리정보를 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 FMCW 라이다 시스템 운용방법은, 상기 FMCW 라이다 시스템에서, 상기 광 간섭 신호 생성부의 출력단과 상기 포토다이오드의 입력단 사이에 연결된 광 증폭부를 통해 상기 광 간섭 신호를 생성하는 단계에서 생성한 광 간섭 신호를 증폭하여 출력하는 단계;를 더 포함하며, 상기 신호처리모듈은, 상기 광 증폭부에서 증폭한 광 간섭 신호를 통해서 거리측정의 정확도를 높일 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명의 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템에 따르면, FMCW 라이다에 옵티컬 서큘레이터를 적용하였을 때 발생하는 크로스토크 노이즈를 직접 활용하여 측정 대상 오브젝트의 거리정보를 산출함으로써, 저가의 옵티컬 서큘레이터를 사용하더라도 안정적인 오브젝트의 거리정보를 산출하는 것이 가능하며, 이에 따라 저비용 고효율의 FMCW 라이다를 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 옵티컬 서큘레이터의 수신측에 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier, 어븀 도핑 광 증폭기)와 같은 광 증폭기를 추가로 적용함으로써, 크로스토크 노이즈와 오브젝트에서 반사된 반사신호를 간섭시킨 광 간섭 신호 증폭을 통해 오브젝트의 거리정보 산출의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

다만, 본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일반적인 FMCW 라이다 시스템에 적용되는 송수신단 구성과 옵티컬 서큘레이터 구성시의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템의 구성을 상세하게 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명에 적용된 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템의 실험 예와 포인트 클라우드 데이터를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템 운용방법의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 1은 일반적인 FMCW 라이다 시스템에 적용되는 송수신단 구성과 옵티컬 서큘레이터 구성시의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 FMCW 라이다 시스템은 크게 2가지 방식이 사용되고 있다.

먼저, 도 1의 (a)에서와 같이 송신단과 수신단이 서로 분리되어 구성한 방식이 있다. 이 방식은 송신단 및 수신단이 별개로 구성되기 때문에, 광 구성이 복잡하고, 문제가 발생하였을 때 송신단에서 발생한 문제인지, 아니면 수신단에서 발생한 문제인지를 확인하여야 하는 불편함이 있었다.

또한, 송신단 및 수신단의 광학계를 함께 광 정렬을 수행해야 하므로 시스템 구성에 많은 시간이 소요되고, 광 정렬이 틀어지게 되면 라이다의 성능이 현저하게 떨어지는 문제가 있었다.

또한, 채널의 수가 늘어날수록 송신단과 수신단의 구성이 증가되는 구조이므로, 공간의 제약은 물론 시스템 구성이 상당히 복잡하였다.

이를 개선하기 위한 방안으로 도 1의 (b)에서와 같이, 옵티컬 서큘레이터를 도입하여 송신단과 수신단을 일체로 구성할 수 있다. 즉, 광 부품의 수를 줄이고 송신단과 수신단의 구성상 어려움을 해소하기 위해서 하나의 옵티컬 서큘레이터를 적용한 것이다.

이러한 옵티컬 서큘레이터를 적용한 FMCW 라이다 시스템은 레이저에서 발광되는 빛이 포트 1로 입력되고, 포트 2를 거쳐 출력된다. 또한, 포트 2를 통해 출력된 레이저가 오브젝트(예: 자동차)에 의해 반사되면, 반사신호가 포트 2를 통해 입력되고, 포트 3으로 출력된다.

이어서, 입력에 사용된 레이저의 빛(즉 포트 1로 입력되는 빛)과 포트 3을 통해서 수신되는 오브젝트에서 반사된 반사신호를 간섭시켜 해당 오브젝트에 대한 거리정보를 산출한다.

하지만 이 과정에서 포트 1의 빛이 포트 3으로 누출되는 크로스토크 노이즈로 인하여, 포트 3에서는 오브젝트에서 반사된 반사신호와 서큘레이터에서 크로스토크된 노이즈가 함께 획득되기 때문에, 오브젝트의 거리정보에 노이즈가 발생하는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 기존의 FMCW 라이다 시스템의 문제를 해결하면서, 크로스토크 노이즈를 직접 활용할 수 있는 방안을 제시한 것으로서, 도 2 내지 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템의 구성을 상세하게 나타낸 블록도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템(100, 이하 FMCW 라이다 시스템이라 함)은 오브젝트로 발광되는 레이저와 오브젝트에 의해 반사된 반사신호를 간섭시켜 해당 오브젝트의 거리정보를 산출하는 기존의 방식을 사용하지 않고, 옵티컬 서큘레이터에서 발생되는 크로스토크 노이즈를 직접 활용한 기술이다.

즉, 오브젝트의 거리정보 산출에 크로스토크 노이즈를 직접 활용하기 때문에, 크로스토크 노이즈를 현저하게 줄인 비싼 그레이드의 옵티컬 서큘레이터를 사용하지 않고, 크로스토크 노이즈가 비교적 높은 값싼 그레이드의 옵티컬 서큘레이터를 사용하더라도 측정 대상 오브젝트의 거리정보 산출에 큰 차이가 없도록 한 것이다.

특히, 본 발명에 적용된 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 옵티컬 서큘레이터 적용 시 발생하는 크로스토크 노이즈를 오브젝트에서 반사된 반사신호와 간섭시켜 광 간섭 신호를 생성하고, 이를 통해서 오브젝트의 정확한 거리정보 산출할 수 있도록 한다.

또한, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 통상적으로 송신단측에 사용되는 광 증폭기를 수신단측에 적용하여 상기 생성한 광 간섭 신호를 증폭시켜 오브젝트의 거리정보 산출의 성능을 높일 수 있는 특징이 있다.

이를 위해서, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 발광부(110), 위상 변조부(120), 옵티컬 서큘레이터(130), 렌즈(140), 스캐너(150), 광 간섭 신호 생성부(160), 광 증폭부(170), 포토다이오드(180), 신호처리모듈(190) 등을 포함하여 구성된다.

상기 레이저 발광부(110)는 제어모듈(미도시)의 제어에 따라 소정 주파수의 레이저를 발광한다.

상기 위상 변조부(120)는 Y 분기형 위상 변조기(Y branch chip)로서, 상기 레이저 발광부(110)에서 발광된 레이저의 위상을 변화시켜 상기 옵티컬 서큘레이터(130)로 출력(즉, 도 1의 (b)의 포트 1)한다.

상기 옵티컬 서큘레이터(130)는 상기 레이저 발광부(110)에서 발광한 레이저를 거리 측정 대상의 오브젝트로 출력하고, 상기 오브젝트에 의해 반사되는 반사신호를 수신하는 기능을 수행한다.

즉, 상기 옵티컬 서큘레이터(130)는 상기 위상 변조부(120)를 통해 상기 도 1의 (b)의 포트 1로 입력되는 위상이 변화된 레이저를 상기 도 1의 (b)의 포트 2를 통해 출력하여, 후단의 렌즈(140) 및 스캐너(150)를 거쳐 오브젝트 방향으로 출력되도록 한다.

또한, 상기 옵티컬 서큘레이터(130)는 상기 오브젝트에 의해 반사되는 레이저를 상기 스캐너(150) 및 렌즈(140)를 통해 수신하여 상기 도 1의 (b)의 포트 3을 통해 상기 광 간섭 신호 생성부(160)로 출력한다.

상기 렌즈(140)는 상기 옵티컬 서큘레이터(130)로부터 출력되는 상기 레이저를 집광 및 콜리메이션(collimation)하여 상기 스캐너(150)로 출력한다. 여기서, 상기 콜리메이션은 상기 레이저의 진행방향을 기준이 되는 광축과 평행하도록 정렬하는 것을 의미한다.

또한, 상기 렌즈(140)는 집광 및 콜리메이션을 위한 복수의 군으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 스캐너(150)는 상기 렌즈(140)를 통해 출력되는 콜리메이션된 레이저를 소정의 각도로 오브젝트 방향으로 출력한다.

또한, 상기 스캐너(150)는 상기 오브젝트로부터 반사되는 반사신호를 상기 렌즈(140)로 출력한다.

상기 광 간섭 신호 생성부(160)는 상기 옵티컬 서큘레이터(130)에서 발생하는 로컬신호와 상기 스캐너(150) 및 렌즈(140)를 거쳐 상기 옵티컬 서큘레이터(130)에서 수신한 반사신호를 간섭시켜 광 간섭 신호(beat signal)를 생성하며, 상기 생성한 광 간섭 신호를 후단의 광 증폭부(170)를 통해 상기 포토다이오드(180)로 출력한다. 즉, 상기 광 간섭 신호를 참조하여 상기 신호처리모듈(190)에서 해당 오브젝트의 거리정보를 산출하도록 하는 것이다.

이때 상기 로컬신호는 상기 옵티컬 서큘레이터(130)에서 발생(즉, 도 1의 (b)의 포트 1에서 포트 3 사이에서 발생)하는 크로스토크 노이즈로서, 상기 광 간섭 신호 생성부(160)는 기존의 FMCW 라이다에서 사용하는 상기 레이저 발광부(110)에서 발광한 레이저를 로컬신호로 사용하지 않고, 상기 옵티컬 서큘레이터(130)에서 발생하는 크로스토크 노이즈를 로컬신호로 사용함으로써, 상기 오브젝트의 거리 측정에 상기 크로스토크 노이즈를 직접 활용할 수 있도록 한다.

상기 광 증폭부(170)는 상기 광 간섭 신호 생성부(160)의 출력단과 상기 포토다이오드(180)의 입력단 사이에 배치하여, 상기 광 간섭 신호 생성부(160)에서 생성한 광 간섭 신호를 증폭하여 상기 포토다이오드(180)로 제공할 수 있다.

즉, 상기 신호처리모듈(190)에서 상기 광 증폭부(170)를 통해 증폭한 광 간섭 신호를 통해서 오브젝트의 거리측정을 수행할 때 정확도를 더욱 높일 수 있도록 하는 것이다.

이때 상기 광 증폭부(170)는 어븀 이온이 방출하는 에너지로 입사광을 증폭시키는 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)가 주로 사용되며, 출력단에 구성되는 통상적인 FMCW 라이다와 달리 본 발명에서는 수신단에 사용함으로써, 크로스토크 노이즈를 직접 활용할 때 거리측정의 성능을 높일 수 있도록 한다. 또한 상기 광 증폭부(170)는 SOA(Semiconductor Optical Amplifier) 증폭기를 사용할 수도 있다.

한편, 상기 광 증폭부(170)는 FMCW 라이다 시스템의 구성 상태나 사용 환경에 따라 적용하지 않을 수 있음을 밝혀둔다.

상기 포토다이오드(180)는 상기 광 간섭 신호 생성부(160)에서 생성한 광 간섭 신호(즉, 로컬신호와 반사신호를 간섭시킨 결과)를 디지털 신호로 변환하여 상기 신호처리모듈(190)로 출력한다.

상기 신호처리모듈(190)은 상기 포토다이오드(180)를 통해 변환한 디지털 신호를 참조하여 상기 오브젝트의 거리정보를 산출한다.

도 3은 본 발명에 적용된 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템의 실험 예와 포인트 클라우드 데이터를 나타낸 도면이다.

본 발명에 적용된 FMCW 라이다 시스템(100)을 통해 도 3a에 나타낸 실험실을 기준으로 측정을 수행한 결과, 도 3b에서와 같이 포인트 클라우드 데이터가 산출되었다.

상기 포인트 클라우드는 3차원 공간상에 퍼져 있는 여러 포인트의 집합을 의미하며, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)을 통해 측정한 오브젝트(즉, 실험실 내의 각종 장비)를 X, Y 및 Z 공간 좌표계로 표시한 것이다.

이러한 포인트 클라우드 데이터의 측정 결과를 통해서, 본 발명에 적용된 FMCW 라이다 시스템(100)은 크로스토크 노이즈를 현저하게 낮춘 그레이드가 높은 옵티컬 서큘레이터를 사용하는 FMCW 라이다와 별다른 차이점이 없는 것을 확인할 수 있다. 즉 비용이 저렴한 옵티컬 서큘레이터를 사용하더라도 고사양의 비용이 높은 옵티컬 서큘레이터를 사용하는 FMCW 라이더와 마찬가지의 성능을 구현할 수 있는 것이다.

또한, 도 3c는 광 증폭부(170)를 사용하였을 때의 실험 환경(예, 60m 지하 주차장)이고, 도 3d는 이에 대한 포인트 클라우드 데이터를 나타낸다. 그리고 도 3e는 최대 거리 측정을 위한 실험 예이고, 도 3f는 이에 대한 포인트 클라우드 데이터를 나타낸다.

다음에는, 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템 운용방법의 일 실시예를 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다. 이때 본 발명의 방법에 따른 각 단계는 사용 환경이나 당업자에 의해 순서가 변경될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템 운용방법의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 라이다 시스템(100)은 측정 대상 오브젝트로 레이저를 발광하는 단계를 수행한다(S100).

즉, 상기 레이저 발광부(110)에서 발광된 레이저가 위상 변조부(120)에서 위상이 변조된 후, 상기 옵티컬 서큘레이터(130)의 포트 2, 렌즈(140) 및 스캐너(150)를 거쳐 오브젝트 방향으로 출력되는 것이다.

또한, 상기 S100 단계를 통해 출력되는 레이저가 상기 오브젝트에 의해 반사되고, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 상기 반사된 반사신호를 수신하는 단계를 수행한다(S200).

즉, 상기 반사신호를 상기 스캐너(150), 렌즈(140) 및 옵티컬 서큘레이터(130)의 포트 3을 통해 수신하는 것이다.

이어서, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 광 간섭 신호 생성부(160)를 통해 상기 S200 단계에서 수신한 상기 오브젝트에 의해 반사된 반사신호와 상기 옵티컬 서큘레이터(130)에서 발생하는 로컬신호를 간섭시켜 광 간섭 신호인 비트 신호(beat signal)를 생성하는 단계를 수행한다(S300).

이때 상기 로컬신호는 상기 옵티컬 서큘레이터(130)에서 발생하는 크로스토크 노이즈임은 상기 도 2에서 설명한 바와 같다. 즉 상기 광 간섭 신호 생성부(160)는 상기 레이저 발광부(110)에서 발광한 레이저를 로컬신호로 사용하지 않고, 상기 옵티컬 서큘레이터(130)에서 발생하는 크로스토크 노이즈를 로컬신호로 사용하여 광 간섭 신호를 생성하는 것이다.

또한, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 상기 S300 단계에서 생성한 광 간섭 신호를 상기 광 간섭 신호 생성부(160)의 출력단과 상기 포토다이오드(180)의 입력단 사이에 연결된 광 증폭부(170)를 통해 증폭하는 단계를 수행한 다음(S400), 상기 포토다이오드(180)를 통해 상기 S400 단계를 통해 증폭한 광 간섭 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계를 수행한다(S500).

이때 상기 S400 단계는 증폭한 광 간섭 신호를 통해서 오브젝트에 대한 거리측정의 정확도를 높일 수 있도록 하기 위함이며, 라이다 시스템의 사양이나 사용 환경에 따라 수행하지 않을 수 있다.

이어서, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 상기 신호처리모듈(190)을 통해 상기 S500 단계에서 변환한 디지털 신호를 참조하여 상기 오브젝트의 거리정보를 산출하는 단계를 수행한다(S600).

이후, 상기 FMCW 라이다 시스템(100)은 오브젝트의 거리정보 산출이 종료되는지를 판단하고(S700), 판단결과 오브젝트의 거리정보 산출이 종료될 때까지 상기 S100 내지 S600 단계 이후를 반복하여 수행한다.

이처럼, 본 발명은 FMCW 라이다에 옵티컬 서큘레이터를 적용하였을 때 발생하는 크로스토크 노이즈를 직접 활용하여 측정 대상 오브젝트의 거리정보를 산출할 수 있으므로, 저가의 옵티컬 서큘레이터를 사용하더라도 안정적인 오브젝트의 거리정보를 산출하는 것이 가능하며, 이에 따라 저비용 고효율의 FMCW 라이다를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명은 옵티컬 서큘레이터의 수신측에 EDFA와 같은 광 증폭수단을 추가로 적용하여, 크로스토크 노이즈와 오브젝트에서 반사된 반사신호를 간섭시킨 광 간섭 신호의 증폭을 통해 오브젝트의 거리정보 산출의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 보다 명확하게 표현하기 위해, 본 발명의 기술적 사상과 관련성이 없거나 떨어지는 구성에 대해서는 간략하게 표현하거나 생략하였다.

상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.

100 : 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템
110 : 레이저 발광부 120 : 위상 변조부
130 : 옵티컬 서큘레이터 140 : 렌즈
150 : 스캐너 160 : 광 간섭 신호 생성부
170 : 광 증폭부 180 : 포토다이오드
190 : 신호처리모듈

Claims (10)

1. 레이저를 발광하는 레이저 발광부;
   상기 발광한 레이저를 거리 측정 대상의 오브젝트로 출력하고, 상기 오브젝트에 의해 반사되는 반사신호를 수신하는 옵티컬 서큘레이터; 및
   상기 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 로컬신호와 상기 수신한 반사신호를 간섭시켜 광 간섭 신호를 생성하는 광 간섭 신호 생성부;를 포함하며,
   상기 생성한 광 간섭 신호를 토대로 상기 오브젝트의 거리정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 로컬신호는,
   상기 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 크로스토크 노이즈로서,
   상기 광 간섭 신호 생성부는, 상기 레이저 발광부에서 발광한 레이저를 상기 로컬신호로 사용하지 않고 상기 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 크로스토크 노이즈를 로컬신호로 사용함으로써, 상기 오브젝트의 거리 측정에 상기 크로스토크 노이즈를 직접 활용하도록 하는 것을 특징으로 하는 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 FMCW 라이다 시스템은,
   상기 옵티컬 서큘레이터로부터 출력되는 상기 레이저를 집광 및 콜리메이션하여 출력하는 렌즈; 및
   상기 렌즈를 통해 출력되는 집광 및 콜리메이션된 상기 레이저를 소정의 각도로 출력하고, 상기 오브젝트로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 스캐너;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 FMCW 라이다 시스템은,
   상기 광 간섭 신호 생성부에서 생성한 광 간섭 신호를 디지털 신호로 변환하는 포토다이오드; 및
   상기 포토다이오드를 통해 변환한 디지털 신호를 참조하여 상기 오브젝트의 거리정보를 산출하는 신호처리모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 FMCW 라이다 시스템은,
   상기 광 간섭 신호 생성부의 출력단과 상기 포토다이오드의 입력단 사이에 연결되어, 상기 광 간섭 신호 생성부에서 생성한 광 간섭 신호를 증폭하여 출력하는 광 증폭부;를 더 포함하며,
   상기 신호처리모듈은, 상기 광 증폭부에서 증폭한 광 간섭 신호를 통해서 거리측정의 정확도를 높이는 것을 특징으로 하는 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템.
   
6. FMCW 라이다 시스템에서, 레이저 발광부를 통해 레이저를 발광하는 단계;
   상기 FMCW 라이다 시스템에서, 옵티컬 서큘레이터를 통해 상기 발광한 레이저를 거리 측정 대상의 오브젝트로 출력하고, 상기 오브젝트에 의해 반사되는 반사신호를 수신하는 단계; 및
   상기 FMCW 라이다 시스템에서, 광 간섭 신호 생성부를 통해 상기 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 로컬신호와 상기 수신한 반사신호를 간섭시켜 광 간섭 신호를 생성하는 단계;를 포함하며,
   상기 생성한 광 간섭 신호를 토대로 상기 오브젝트의 거리정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템 운용방법.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 로컬신호는,
   상기 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 크로스토크 노이즈로서,
   상기 광 간섭 신호를 생성하는 단계는, 상기 레이저 발광부에서 발광한 레이저를 상기 로컬신호로 사용하지 않고 상기 옵티컬 서큘레이터에서 발생하는 크로스토크 노이즈를 로컬신호로 사용함으로써, 상기 오브젝트의 거리 측정에 상기 크로스토크 노이즈를 직접 활용하도록 하는 것을 특징으로 하는 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템 운용방법.
   
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 FMCW 라이다 시스템 운용방법은,
   상기 FMCW 라이다 시스템에서, 렌즈를 통해 상기 옵티컬 서큘레이터로부터 출력되는 상기 레이저를 집광 및 콜리메이션하여 출력하는 단계; 및
   상기 FMCW 라이다 시스템에서, 스캐너를 통해 상기 렌즈로부터 출력되는 집광 및 콜리메이션된 상기 레이저를 소정의 각도로 출력하고, 상기 오브젝트로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템 운용방법.
   
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 FMCW 라이다 시스템 운용방법은,
   상기 FMCW 라이다 시스템에서, 포토다이오드를 통해 상기 광 간섭 신호를 생성하는 단계에서 생성한 광 간섭 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계; 및
   상기 FMCW 라이다 시스템에서, 신호처리모듈을 통해 상기 포토다이오드에서 변환한 디지털 신호를 참조하여 상기 오브젝트의 거리정보를 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템 운용방법.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 FMCW 라이다 시스템 운용방법은,
    상기 FMCW 라이다 시스템에서, 상기 광 간섭 신호 생성부의 출력단과 상기 포토다이오드의 입력단 사이에 연결된 광 증폭부를 통해 상기 광 간섭 신호를 생성하는 단계에서 생성한 광 간섭 신호를 증폭하여 출력하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 신호처리모듈은, 상기 광 증폭부에서 증폭한 광 간섭 신호를 통해서 거리측정의 정확도를 높이는 것을 특징으로 하는 서큘레이터의 크로스토크 노이즈를 활용한 FMCW 라이다 시스템 운용방법.