KR101678122B1 - 전방향 라이다 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전방향 라이다 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기를 필요로 하는 구성을 한 쪽으로 몰아 설치(라이다 및 회전반사경(모터 포함))가 가능하여 구성을 간소화 시키고 소형화가 가능한 전방향 라이다 장치를 제공한다.

Description

전방향 라이다 장치 {APPARATUS FOR OMNIDIRECTIONAL LIDAR}
본 발명은 전방향 라이다 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기를 필요로 하는 구성을 한 쪽으로 몰아 설치(라이다 및 회전반사경(모터 포함))가 가능하여 구성을 간소화 시키고 소형화가 가능한 전방향 라이다 장치에 관한 것이다.
지구과학 및 우주 탐사를 목적으로 지속적으로 발전해 온 라이다 센서 기술은 현재 항공기 및 위성에 탑재되어 정밀한 지구 지형 및 환경 관측을 위한 주요 수단으로 사용되고 있으며, 우주 정거장과 우주선의 도킹 시스템, 우주 탐사 로봇에 활용되고 있다. 지상에서는 원거리 거리 측정, 자동차 속도 위반 단속 등을 위한 간단한 형태의 라이다 센서를 비롯하여 최근에는 3차원 영상 복원을 위한 레이저 스캐너, 미래 무인자동차를 위한 3차원 영상 센서의 핵심 기술로 활용되면서 그 활용성과 중요성이 점차 증가되고 있다.
라이다 센서는 레이저를 목표물에 비춤으로써 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있는 기술이다. 라이다 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.
라이다 센서 기술은 탐조등 빛의 산란 세기를 통하여 상공에서의 공기 밀도 분석 등을 위한 목적으로 1930년 대 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 있다.
지상에서는 원거리 거리 측정, 자동차 속도 위반 단속 등을 위한 간단한 형태의 라이다 센서 기술들이 상용화되어 왔으며, 최근에는 3D reverse engineering 및 미래 무인자동차를 위한 laser scanner 및 3D 영상 카메라의 핵심 기술로 활용되면서 그 활용성과 중요성이 점차 증가되고 있다.
라이다 센서 기술은 이러한 광범위한 분야에서의 응용에도 불구하고, 미국, 유럽 및 일본에 비하여 우주 및 지구 과학분야의 발전이 상대적으로 미약한 국내에서는 그 동안 크게 주목 받지 못한 관계로 관련 핵심 기술의 확보가 아직 미약한 수준이다.
LIDAR는 Light Detection And Ranging의 약어이며, 때로는 LADAR(Laser Detection And Ranging)라는 이름으로 사용된다. LIDAR가 보다 일반적인 용어이므로 '라이다'로 명칭한다.
2 차원 레이저 스캐너(2D laser scanner)는 일반적으로 회전 방식을 이용하여 레이저 빔의 진행 방향을 포함하는 특정 평면에서의 영상 정보를 수집한다.
회전 방식을 이용한 2 차원 레이저 스캐너는 회전체 내부에 레이저와 수신소자가 구비되며, 모터의 회전에 의해 회전체와 함께 레이저와 수신소자가 회전한다.
이때, 레이저와 수신소자에 전원을 공급하고, 수신소자로부터 획득한 정보를 전송하기 위해 복잡한 전기적 연결을 필요로 하는 문제점이 있다.
또한, 복잡한 구성으로 인해 소형/경량화 시키기 어려운 문제가 있다.
한국공개특허 [10-2016-0034719]에서는 라이다 시스템이 개시되어 있다.
한국공개특허 [10-2016-0034719](공개일자: 2016년03월30일)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전기를 필요로 하는 구성을 한 쪽으로 몰아 설치(라이다 및 회전반사경(모터 포함))가 가능하여 구성을 간소화 시키고 소형화가 가능한 전방향 라이다 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실 시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치는, 레이저 펄스 빔을 생성하여 발사하는 레이저발광부(110)로부터 생성된 레이저를 발사하고, 반사 또는 산란되어 돌아와 레이저수광부(190)에 수광된 레이저를 분석하여 목표방향을 탐지하는 라이다(100); 상기 라이다(100)로부터 발사된 레이저를 레이저가 입사된 방향으로 반사시키되, 레이저가 입사된 경로와 레이저가 반사된 경로가 서로 다른 역반사체(200); 및 상기 역반사체(200)에 의해 반사되어 입사된 레이저를 반사시켜 목표방향으로 보내거나, 상기 목표방향으로부터 반사 또는 산란되어 입사된 레이저를 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내되, 모터(310)의 작동에 의해 회전되는 회전반사경(300);를 포함하며, 상기 라이다(100)로부터 발광된 레이저를 상기 역반사체(200)가 반사시켜 상기 회전반사경(300)으로 보내고, 상기 회전반사경(300)에 반사된 레이저가 목표물(10)에 반사 또는 산란되어 돌아온 레이저를 상기 회전반사경(300)이 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내면, 상기 역반사체(200)가 이를 반사시켜 상기 라이다(100)로 보내어, 상기 회전반사경(300)이 향하는 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 라이다(100)는 레이저발광부(110)가 복수로 구비된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 복수의 레이저발광부(110)는 각각 서로 다른 특징의 레이저를 발광하는 것을 특징으로 한다.
또한, 복수로 구비된 레이저발광부(110)는 직선 또는 다각형 형상으로 배치된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 라이다(100)는 상기 레이저수광부(190)가 복수로 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 라이다(100)는 입사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120); 및 레이저를 반사시키는 고정반사경(130);을 포함하며, 상기 빔분할기(120) 또는 고정반사경(130)은, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 상기 역반사체(200)로 안내하고, 상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 상기 레이저수광부(190)로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 구비된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 라이다(100)는 상기 라이다(100)로부터 상기 역반사체(200)로 향하는 레이저 수의 정수배가 되도록 레이저수광부(190)를 구비하며, 입사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120); 및 레이저를 반사시키는 고정반사경(130);을 포함하고, 상기 빔분할기(120) 및 고정반사경(130)중 일부는, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 상기 역반사체(200)로 안내하고, 상기 빔분할기(120) 및 고정반사경(130)중 일부는, 상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 복수로 분할하여 상기 레이저수광부(190)로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전방향 라이다 장치는 일정 수의 레이저수광부(190)로부터 각각 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 비교하여 동일하면 해당 왕복 비행시간(TOF) 정보를 유효 왕복 비행시간(TOF) 정보로 판단하여 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 한다.
또, 거리 정보는 다음식,
Figure 112016058408219-pat00001
(여기서, c는 3×108m/s이고, TOF는 왕복 비행시간이다)를 이용하여 계산하고,
상기 레이저수광부(190)에 수광된 레이저에 대한, 개별 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식,
Figure 112016058408219-pat00002
,
Figure 112016058408219-pat00003
(여기서, SPE는 레이저 펄스 빔에 의해 생성되는 평균 1차 전자의 생성률, NPE는 노이즈에 의해 생성되는 평균 1차 전자의 생성률이고, RPE(t) = SPE(t) + NPE(t)임) 를 이용하여 산출하며,
전체 표적 검출 확률은 다음식,
Figure 112016058408219-pat00004
를 이용하여 산출되고,
오작동 확률(false alarm probability)은 다음식,
Figure 112016058408219-pat00005
를 이용하여 산출되며, 상기 전방향 라이다 장치는 상기 오작동 확률이 허용범위 내로 유지되도록, 한 지점의 반사 또는 산란된 광을 수광하는 레이저수광부(190)의 일정 수를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 역반사체(200)는 수직단면의 내측 형상이 반원 또는 삼각형 형상으로 반사면이 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치에 의하면, 전기를 필요로 하는 구성을 한 쪽으로 몰아 설치(라이다 및 회전반사경(모터 포함))가 가능하여 구성을 간소화 시키고 소형화가 가능하여 제작 비용을 최소화 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 레이저발광부가 복수로 구비됨에 따라, 회전반사경의 회전 수에 비해 많은 신호를 수집할 수 있는 효과가 있다.
또, 복수의 레이저발광부가 각각 서로 다른 특징의 레이저를 발광함에 따라, 동시에 여러 변수를 측정해야 할 경우 한 번에 여러 변수를 측정할 수 있는 데이터를 수집하거나, 동시에 다수의 레이저가 발사되기 때문에 발생되는 오작동을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 복수로 구비된 레이저발광부가 직선 또는 다각형 형상으로 배치됨에 따라, 원하는 형상으로 정렬된 데이터를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또, 레이저수광부가 복수로 구비됨에 따라, 회전반사경의 회전 수에 비해 많은 신호를 수집할 수 있는 효과가 있다.
또한, 빔분할기 또는 고정반사경은, 레이저발광부로부터 발사된 레이저를 역반사체로 안내하고, 역반사체로부터 입사된 레이저를 레이저수광부로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 빔분할기 및 고정반사경이 구비됨에 따라, 발사를 원하는 레이저의 수보다 적은 수의 레이저발광부를 구비하여 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또, 역반사체로부터 입사된 레이저를 복수로 분할하여 레이저수광부로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 빔분할기 및 고정반사경이 구비됨에 따라, 역반사체로부터 입사된 레이저를 수광이 필요한 파장 대역으로 분리하여 레이저수광부에 보냄으로, 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 일정 수의 레이저수광부로부터 각각 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 비교하여 동일하면 해당 왕복 비행시간(TOF) 정보를 유효 왕복 비행시간(TOF) 정보로 판단하여 목표방향을 탐지함에 따라, 오작동을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또, 오작동 확률이 허용범위 내로 유지되도록, 한 지점의 반사 또는 산란된 광을 수광하는 레이저수광부의 일정 수를 결정함에 따라, 오작동 확률의 허용범위 내로 하는 비용을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 역반사체 수직단면의 내측 형상이 반원 또는 삼각형 형상으로 반사면이 구비됨에 따라, 역반사체의 구성을 단순화 시켜 역반사체의 제작이 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 개념도.
도 2는 레이저발광부와 레이저수광부가 다수 구비된, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 레이저발광부 배열의 예를 보여주는 개념도.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 라이다 내부에 빔분할기와 고정반사경이 구비된 예를 보여주는 개념도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 레이저수광부에 도달하는 산란된 레이저 펄스 빔과 노이즈에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 평균 생성률의 시간에 따른 그래프.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 목표물(130)이 10m 거리에 있을 때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프.
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따라 목표물(130)이 150m 거리에 있을 때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프.
도 10은 본 발명의 다른 일실시예에 따라 목표물(130)이 290m 거리에 있을 때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 5MHz 이고 목표물(130)이 15m 거리에 있을때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 실험 결과 그래프.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 9.5MHz 이고 목표물(130)이 15m 거리에 있을때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수(SPE_tot)에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 실험 결과 그래프.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 12MHz 일 때,1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여 촬영한 3차원 영상.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 역반사체 단면의 예를 보여주는 개념도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 개념도이고, 도 2는 레이저발광부와 레이저수광부가 다수 구비된, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 레이저발광부 배열의 예를 보여주는 개념도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 라이다 내부에 빔분할기와 고정반사경이 구비된 예를 보여주는 개념도이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 레이저수광부에 도달하는 산란된 레이저 펄스 빔과 노이즈에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 평균 생성률의 시간에 따른 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 목표물(130)이 10m 거리에 있을 때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프이며, 도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따라 목표물(130)이 150m 거리에 있을 때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프이고, 도 10은 본 발명의 다른 일실시예에 따라 목표물(130)이 290m 거리에 있을 때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 전산모사 결과 그래프이며, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 5MHz 이고 목표물(130)이 15m 거리에 있을때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 실험 결과 그래프이고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 9.5MHz 이고 목표물(130)이 15m 거리에 있을때, 1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수(SPE_tot)에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 오작동 확률(false-alarm probability)에 대한 실험 결과 그래프이며, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 12MHz 일 때,1개의 레이저수광부로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부로 구현된 경우의 비교를 위하여 촬영한 3차원 영상이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 역반사체 단면의 예를 보여주는 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치는 라이다(100), 역반사체(200) 및 회전반사경(300)을 포함하며, 상기 라이다(100)로부터 발광된 레이저를 상기 역반사체(200)가 반사시켜 상기 회전반사경(300)으로 보내고, 상기 회전반사경(300)에 반사된 레이저가 목표물(10)에 반사 또는 산란되어 돌아온 레이저를 상기 회전반사경(300)이 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내면, 상기 역반사체(200)가 이를 반사시켜 상기 라이다(100)로 보내어, 상기 회전반사경(300)이 향하는 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 한다.
라이다(100)는 레이저 펄스 빔을 생성하여 발사하는 레이저발광부(레이저 다이오드)(110)로부터 생성된 레이저(레이저 펄스 빔)를 발사하고, 반사 또는 산란되어 돌아와 레이저수광부(190)에 수광된 레이저를 분석하여 목표방향을 탐지한다.
라이다(LIDAR, Light Detection And Ranging)(100)의 구성은 응용 분야에 따라 때로는 매우 복잡하게 구성되지만, 기본적인 구성은 레이저발광부(110), 레이저수광부(190), 레이저 검출부, 신호 수집 및 처리와 데이터를 송수신하기 위한 부분으로 단순하게 구분될 수 있다.
아울러 라이다(100)는 레이저 신호의 변조 방법에 따라 time-of-flight(TOF) 방식과 phase-shift 방식으로 구분될 수 있다.
TOF 방식은 레이저가 펄스 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 물체들로부터의 반사 펄스 신호들이 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써 거리를 측정하는 것이 가능하다.
Phase-shift 방식은 특정 주파수를 가지고 연속적으로 변조되는 레이저 빔을 방출하고 측정 범위 내에 있는 물체로부터 반사되어 되돌아 오는 신호의 위상 변화량을 측정하여 시간 및 거리를 계산하는 방식이다.
레이저 광원은 250nm부터 11μm까지의 파장 영역에서 특정 파장을 가지거나 파장 가변이 가능한 레이저 광원들이 사용되며, 최근에는 소형, 저전력이 가능한 반도체 레이저 다이오드가 많이 사용된다.
특히, 레이저의 파장은 대기, 구름, 비 등에 대한 투과성과 eye-safety에 직접적인 영향을 준다.
기본적으로 레이저 출력, 파장, 스펙트럼 특성, 펄스 폭 및 모양 등과 함께 수신기의 수신감도 및 다이내믹 레인지, 그리고 광학필터 및 렌즈의 특성이 라이다의 성능을 결정하는 주요 요인이다.
이와 함께 수신기의 측정 각도를 나타내는 Field Of View(FOV), 측정 범위를 선택하기 위한 field stop, 레이저빔과 수신기의 FOV overlap 특성 등도 중요한 항목이다. 광속에 대하여 단위 데이터 수집을 위한 최소 시간은 거리 분해능(range resolution)을 결정하는 요인이며, 따라서 1m 이하의 거리 분해능을 위해서는 수 ns 이내의 데이터 수집 및 처리가 요구된다.
이때, 상기 레이저발광부(110)는 콜리메이션 렌즈(Collimation Lens)를 장착하여 레이저의 평행성을 증가시킬 수 있다.
라이다(100)는 기상 관측 및 거리 측정을 목적으로 주로 연구되었으며, 최근에는 위성에서의 기상 관측, 무인 로봇 센서 및 3차원 영상 모델링을 위한 기술들이 연구된다.
Elastic-backscatter lidar는 레이저 파장의 변화 없이 입자들의 운동량에 따라 backscattering되는 빛의 spectral broadening 특성을 이용하여 대기 중의 aerosol 및 구름의 특성 측정 등에 활용되는 기술이고,
Raman lidar는 분자 에너지 상태에 따라 분산되는 레이저 빛의 주파수 변화 및 Raman band 내의 세기 분포 분석을 통하여 대기 중의 수증기 및 온도 분포 등의 측정에 활용되는 기술이며,
Differential-absorption lidar(DIAL)는 각기 다른 레이저 파장을 가지는 레이저 빔들에 대하여 측정 대상 물질의 흡수 차이를 이용하여 대기 오염물질 등의 농도 분포를 측정할 수 있는 기술이고,
Resonance fluorescence lidar는 원자, 이온 또는 분자의 에너지 천이와 동일한 에너지를 가지는 레이저 빛에 대하여 동일 파장의 빛 또는 긴 파장의 빛을 방출하는 특성을 이용하여 중간권역 대기 중의 원자 및 이온 농도를 측정하는 기술이며,
Doppler lidar는 Doppler 효과에 의한 레이저 빔의 미세한 주파수 변화를 측정하여 바람 등의 속도를 측정하는 기술이고,
Laser rangefinder는 물체로부터 반사되는 레이저의 수신 시간을 측정하여 거리를 측정하는 가장 간단한 형태의 라이다 기술이며,
Imaging lidar는 레이저 빔의 진행 방향에 대한 거리 정보를 포함하여 공간에 대한 영상 모델링이 가능한 기술로써 laser rangefinder 기술을 기반으로 point-scanning을 통하여 point cloud 정보를 수집하거나 광각의 flash-laser에 대하여 반사되는 레이저 빛을 다중 배열 수신소자를 통하여 수집함으로써 3차원 영상 구현이 가능한 기술이다.
앞에서 설명한 laser rangefinder가 1차원(1D) 스캐너에 해당한다면, 2D laser scanner는 일반적으로 회전 방식을 이용하여 레이저 빔의 진행 방향을 포함하는 특정 평면에서의 영상 정보를 수집한다. 시스템의 구성은 laser rangefinder와 같이 단일 레이저와 단일 수신소자로 구성될 수 있으며 회전을 위한 모터가 추가된다.
종래의 회전 방식을 이용한 2 차원 레이저 스캐너는 회전체 내부에 레이저와 수신소자가 구비되며, 모터의 회전에 의해 회전체와 함께 레이저와 수신소자가 회전되거나, 레이저 빔을 거울을 이용하여 모터의 회전축 방향에 대하여 90도로 꺾어 회전함으로써 2D 정보를 수집할 수 있다.
2D laser scanner를 차량 등에 탑재하여 이동하면서 공간 정보를 스캔하면 컴퓨터를 통하여 3D 영상 구현이 가능해진다.
3D Flash Lidar는 현재 상용화 개발된 회전 방식의 3D laser scanner 기술은 광 시야각을 확보하는 데 유리하지만 수직 방향의 해상도가 낮고 보다 소형화하는 데 어려움이 있다.
3D Flash lidar는 단일 레이저 빔을 광 시야각으로 확장하여 조사하고 반사되는 레이저 빔을 다중 배열 수신 소자를 통하여 수신함으로써 일반적인 비디오 카메라와 같이 실시간 영상 정보를 수집하는 기술이다. 높은 해상도와 넓은 시야각을 위한 수신기가 필요하지만, 소형 집적화가 가능하다.
상기에 다양한 라이다를 예로 들었으나, 본 발명이 이에 한정된 것은 아니며, 상기에서 예로 들지 않은 라이다를 활용할 수 있음은 물론이다.
그러나, 종래의 회전방식은 레이저발광부 및 레이저수광부가 회전하거나, 레이저발광부의 레이저가 발사되는 방향에 설치된 거울이 회전되어야 하기 때문에, 구조가 복잡해지는 문제점(전기를 필요로 하는 구성이 분산되기 때문에 발생되는 문제점)이 있어, 이를 해결하기 위해 본 발명은 역반사체(200)와 회전반사경(300)을 구비하되, 라이다(100)(레이저발광부(110)) 측에 회전반사경(300)이 회전 가능하도록 설치함으로써, 전기를 필요로 하는 구성을 한 쪽으로 몰아 설치할 수 있다.
역반사체(200)는 상기 라이다(100)로부터 발사된 레이저를 레이저가 입사된 방향으로 반사시키되, 레이저가 입사된 경로와 레이저가 반사된 경로가 서로 다른 것을 특징으로 한다.
이는, 회전하여야 하는 회전반사경(300)을 라이다(100)(레이저발광부(110)) 측에 설치하기 위한 구성이다.
회전반사경(300)은 상기 역반사체(200)에 의해 반사되어 입사된 레이저를 반사시켜 목표방향으로 보내거나, 상기 목표방향으로부터 반사 또는 산란되어 입사된 레이저를 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내되, 모터(310)의 작동에 의해 회전된다.
상기 회전반사경(300)은 레이저 빔을 반사시켜 목표방향으로 보내기 위한 구성이다.
이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 라이다(100)가 일측 방향에서 타측 방향을 향하도록 일측 방향에 구비되고, 상기 역반사체(200)가 타측 방향에서 상기 라이다(100)를 향하도록 구비되며, 상기 회전반사경(300)이 상기 라이다(100)측 방향에 구비될 수 있다.
즉, 라이다(100)로부터 발사된 레이저가 상기 역반사체(200)에 최소 2 번 이상 반사되어 상기 라이다 측으로 보내면, 이를 회전반사경(300)이 반사시켜 목표방향으로 보낼 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 상기 라이다(100)는 레이저발광부(110)가 복수로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.
이는, 회전반사경(300)의 회전 수에 비해 많은 신호를 수집하기 위한 구성이다.
예를 들어, 레이저발광부(110)가 1 개 있는 라이다(100)가 3 번 회전하여 얻을 수 있는 데이터를 레이저발광부(110)가 3 개 있는 라이다(100)가 1 번 회전하여 얻을 수 있다.
이때, 상기 복수의 레이저발광부(110)는 각각 서로 다른 특징(파장)의 레이저를 발광하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이는, 동시에 여러 변수를 측정해야 할 경우 한 번에 여러 변수를 측정할 수 있는 데이터를 수집하거나, 동시에 다수의 레이저가 발사되기 때문에 발생되는 오작동을 줄이기 위함이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 복수로 구비된 상기 레이저발광부(110)는 직선(도 3의 (A) 참조) 또는 다각형(도 3의 (B) 참조) 형상으로 배치된 것을 특징으로 할 수 있다.
도 3의 (A) 경우, 일렬로 정렬된 데이터를 얻을 수 있고,
도 3의 (B) 경우, 레이저를 발사하는 시간을 조절하면 일렬로 정렬된 데이터 뿐 아니라 마름모꼴로 정렬된 데이터도 얻을 수 있다.
상기에서 직선 및 삼각형으로 레이저발광부(110)가 구비된 예를 들었으나, 본 발명이 이에 한정된 것은 아니며, 톱니무늬 등 다양한 형상으로 레이저발광부(110)를 구비할 수 있음은 물론이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 상기 라이다(100)는 상기 레이저수광부(190)가 복수로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.
이 역시, 회전반사경(300)의 회전 수에 비해 많은 신호를 수집하기 위한 구성이다.
예를 들어, 레이저수광부(190)가 1 개 있는 라이다(100)가 3 번 회전하여 얻을 수 있는 데이터를 레이저수광부(190)가 3 개 있는 라이다(100)가 1 번 회전하여 얻을 수 있다.
이때, 레이저발광부(110)와 레이저수광부(190)의 수를 동일하게 구비(도 2 참조)하는 것도 가능하나, 레이저발광부(110)의 수보다 레이저수광부(190)의 수를 많게 구비(도 4 참조)하는 것(비용절감 가능)도 가능하며, 레이저발광부(110)의 수보다 레이저수광부(190)의 수를 적게 구비하는 것(파장 별로 분석)도 가능한 것은 물론이다.
도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 상기 라이다(100)는 입사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120) 및 레이저를 반사시키는 고정반사경(130)을 포함하며, 상기 빔분할기(120) 또는 고정반사경(130)은, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 상기 역반사체(200)로 안내하고, 상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 상기 레이저수광부(190)로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.
빔분할기(120)로 빔 스플리터(Beam Splitter)를 사용할 수 있다. 빔 스플리터는 입사(入射) 광선속(光線束)을 둘로 나누는 광학 소자로, 간섭계 등에 쓰인다. 보통은 반투명 거울을 지칭하는 경우가 많다. 결정의 복굴절성을 이용하여 진동 방향이 서로 수직인 2개의 사출광(射出光)을 얻는 사바르판이나 월라스톤 프리즘 등도 일종의 빔 스플리터이다. 또한, 회절 격자나 프레넬 대판(帶板), 확산판 등이 빔 스플리터로 쓰이는 경우도 있다.
이때, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 분할하는데 사용되는 빔분할기(120)는 N - 1(도 4 참조) 또는 N(도 5 참조) 개(여기서 N은 분할하고자 하는 빔의 수)의 수가 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120)를 하나 또는 복수 사용하여 레이저를 분할하는 것은, 동시에 여러 변수를 측정해야 할 경우 한 번에 여러 변수를 측정할 수 있는 데이터를 수집하거나, 동시에 다수의 레이저가 발사되기 때문에 발생되는 오작동을 줄이기 위함이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 상기 라이다(100)는 상기 라이다(100)로부터 상기 역반사체(200)로 향하는 레이저 수의 정수배가 되도록 레이저수광부(190)를 구비하며, 입사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120) 및 레이저를 반사시키는 고정반사경(130)을 포함하고, 상기 빔분할기(120) 및 고정반사경(130)중 일부는, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 상기 역반사체(200)로 안내하고, 상기 빔분할기(120) 및 고정반사경(130)중 일부는, 상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 복수로 분할하여 상기 레이저수광부(190)로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 복수로 분할하여 상기 레이저수광부(190)로 안내하는 것은, 동시에 여러 변수를 측정해야 할 경우 한 번에 여러 변수를 측정할 수 있는 데이터를 수집하기 위함이다.
이때, 상기 전방향 라이다 장치는 일정 수(도 6을 예로 들면 위에서부터 2 개의 레이저수광부(190)를 한 세트로 사용하기 때문에 2 개가 됨)의 레이저수광부(190)로부터 각각 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 비교하여 동일하면 해당 왕복 비행시간(TOF) 정보를 유효 왕복 비행시간(TOF) 정보로 판단하여 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이는, 오작동을 줄이기 위함이며 이에 대하여 자세히 설명하도록 한다.
이때, 상기 레이저수광부(190)는 가이거 모드 어밸런치 광다이오드(GmAPD: Geiger-mode Avalanche PhotoDiode)를 사용할 수 있으며, 이 TOF는 TDC(Time-to-Digital Converter) 변환기를 통하여 신호처리시스템으로 전송되어 거리 정보들로 변환되고, 이를 통해 이차원 또는 3차원 영상을 획득할 수 있다.
왕복 비행시간(TOF: Time Of Fly)은 다음 수학식을 통하여 거리정보로 변환된다.
Figure 112016058408219-pat00006
여기서, c는 3×108m/s이고, TOF는 왕복 비행시간이다.
전방향 라이다 장치는 측정된 TOF 데이터들을 이용하여 별도의 영상처리 없이, 목표물(10)까지의 거리 정보를 산출함으로써 노이즈가 거의 없는 2차원 또는 3차원 영상으로 변환할 수 있다. 이에 따라 2차원 또는 3차원 영상이 가시화되며, 노이즈를 제거하는 알고리즘을 적용하여 노이즈를 제거할 수 있다. 물론, 이를 위해 마이크로프로세서, 프로그램 및/또는 소프트웨어 데이터를 저장하는 메모리, 하드디스크, 처리된 영상을 표시하는 표시장치 등이 구비될 수 있다.
이때, 표적 검출 확률(target detection probability)과 거짓 경보 확률(false-alarm probability)을 이론적으로 비교할 수 있다.
2003년에 Applied Optics, Vol. 42, Issue 27, pp. 5388-5398 에 등재된 “Detection and false-alarm probabilities for laser radars that use Geiger-mode detectors" 와 2010년에 Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 49, 026601에 등재된 ”Time-of-flight analysis of three-dimensional imaging laser radar using a Geiger-mode avlanche photodiode"와 2010년에 Current Applied Physics, Vol. 10에 등제된 "Systematic experiments for proof of Poisson statistc on direct-detection laser radar using Geiger mode avalanche photodiode"에 따르면, 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)의 전기 신호 발생 확률은 근사적으로 포와송 통계(Poisson statistics)를 따른다.
레이저수광부(190)에 도달하는 목표물(10)로부터 반사 또는 산란되어 수집된 레이저로 발생하게 되는 평균 1차 전자(primary electrons)의 생성률과 노이즈들에 의하여 발생하는 평균 1차 전자(primary electrons)의 생성률을 나타내면 도 7과 같다.
도 7을 참조하면, SPE(420)는 레이저수광부(190)에 수집되는 레이저 펄스 빔에 의하여 발생하는 평균 Primary electrons의 생성률, NPE는 노이즈들에 의하여 발생하는 평균 1차 전자(Primary electrons)의 생성률, RPE는 그 두 생성률의 합이며, 그들의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 NPE(410)는 일정하고 SPE는 time bin number(400) 축 중 한 개의 time bin에 구속되어있다고 가정한다. 여기서, 이들의 관계식은 다음식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016058408219-pat00007
이때의 i번째 time bin에서 1차 전자(Primary electron)가 생성될 확률, 즉 전기 신호가 발생할 확률은 포와송 통계(Poisson statistics)를 이용하여 다음식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016058408219-pat00008
목표물이 j번째 time bin에 위치하고 있는 상황에서 한 개의 레이저수광부(190)를 이용하여 계산된 표적 검출 확률(target detection probability)과 거짓 경보 확률(false-alarm probability)은 다음식과 같이 주어진다.
Figure 112016058408219-pat00009
Figure 112016058408219-pat00010
그리고 두 개의 레이저수광부(190)를 빔 분할기와 함께 사용한 경우의 각각에서의 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식과 같다.
Figure 112016058408219-pat00011
Figure 112016058408219-pat00012
(여기서, SPE는 레이저 펄스 빔에 의해 생성되는 평균 1차 전자의 생성률, NPE는 노이즈에 의해 생성되는 평균 1차 전자의 생성률이고, RPE(t) = SPE(t) + NPE(t)임)
위 수학식 6 및 7에 AND 게이트(도 2의 250)를 적용하면, 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112016058408219-pat00013
또한, 오작동 확률(false alarm probability)은 다음식과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112016058408219-pat00014
본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치는 상기 오작동 확률이 허용범위 내로 유지되도록, 한 지점의 반사 또는 산란된 광을 수광하는 레이저수광부(190)의 일정 수를 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
레이저수광부(190)를 한 개 운용하는 경우와 두 개 운용하는 경우에 대하여 NPE와 SPE를 바꿔가면서 표적 검출 확률과 거짓 경보 확률을 계산한 결과가 도 8 내지 10에 나타나 있다. 이때, 2μs의 게이트 시간(gate time)과 1ns의 time bin의 경우를 가정하고, 각각 10m, 150m, 290m에 위치한 목표물에 대하여 계산하였다.
도 8은 목표물이 10m 거리에 위치한 경우(500 내지 520)로써, NPE 값이 10kHz에서 1000kHz까지 변하는 동안 한 개의 가이거 모드 광다이오드(GmAPD)의 경우 거짓 경보 확률(505)이 0.1%~86.6%까지 나타나는 반면에 두 개의 GmAPD의 경우 거짓 경 확률(507)이 1.6*10-7%~1.6*10-3% 나타나는 것을 확인할 수 있다.
일반적으로 표적 검출 확률(target detection probability)은 SPE가 증가함에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있으며 두 개의 레이저수광부(190)의 경우 표적 검출 확률(503)은 SPE가 20 이하인 영역에서는 한 개의 레이저수광부(190)의 경우 표적 검출 확률(501) 보다 절반 정도 작은 것을 확인할 수 있다.
이것은 레이저 펄스 빔의 에너지가 빔분할기(120)에서 반으로 나뉘어져서 각각의 레이저수광부(190)로 향하기 때문이다. 이것은 false-alarm probability을 줄이는 대신 발생하는 일종의 상충관계이다.
도 9는 목표물이 150m 거리에 위치한 경우(600 내지 620)로, NPE 값이 10kHz에서 1000kHz까지 변하는 동안 한 개의 레이저수광부(190)의 경우는 false-alarm probability가 2.0%~86.4%까지 나타나는 반면에 두 개의 레이저수광부(190)의 경우는 2.5*10-7%~2.0*10-2% 나타나는 것을 확인할 수 있다.
여기서도 SPE가 20 이하인 영역에서는 한 개의 레이저수광부(190)의 경우보다 두 개의 레이저수광부(190)의 경우가 절반 정도 작게 나타나는 상충관계가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 목표물이 290m 거리에 위치한 경우(700 내지 720)로, NPE 값이 10kHz에서 1000kHz까지 변하는 동안 한 개의 레이저수광부(190)의 경우는 false-alarm probability가 2.0%~86.4%까지 나타나는 반면에 두 개의 레이저수광부(190)의 경우는 4.8*10-6%~2.2*10-2% 나타나는 것을 확인할 수 있다.
여기서도 SPE가 20 이하인 영역에서는 한 개의 레이저수광부(190)의 경우보다 두 개의 레이저수광부(190)의 경우가 절반 정도 작게 나타나는 상충관계가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 11 에서는 노이즈 발생율(NPE) 이 5MHz, 도 9에서는 9.5MHz 일 때, 1개의 레이저수광부(190)로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부(190)로 구현된 경우의 비교를 위하여, 목표물(10)로부터 산란된 레이저 펄스 빔에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 개수(SPE_tot)에 따른 표적 검출 확률(target detection probability)과 거짓 경보 확률(false-alarm probability)에 대한 실험 결과 그래프를 나타내고 있다. 물체는 검출기로부터 15m에 위치하고 있으며, 데이터 처리 시, 게이트 시간(gate time)은 100ns, time bin은 3ns로 하였다. 도 11의 경우, 한 개의 레이저수광부(190)의 경우 거짓 경보 확률(505)이 23%~37%까지 나타나는 반면에 두 개의 레이저수광부(190)의 경우 거짓 경 확률(507)이 0.09%~0.1% 나타나는 것을 확인할 수 있다. 도 12의 경우, 한 개의 레이저수광부(190)의 경우 거짓 경보 확률(505)이 38%~58%까지 나타나는 반면에 두 개의 레이저수광부(190)의 경우 거짓 경 확률(507)이 0.3%~0.4% 나타나는 것을 확인할 수 있다
도 13은 본 발명의 두 개의 레이저수광부(190) 일실시예에 따라 노이즈 발생율(NPE)이 12MHz 일 때,1개의 레이저수광부(190)로 구현된 경우와 2개의 레이저수광부(190)로 구현된 경우의 비교를 위하여 촬영한 3차원 영상이다. 물체는 철제 상자이고 스캐닝을 통해 256×256 픽셀의 영상을 획득하였다. 결과를 보면, 도13의 (a)에 도시된 바와 같이 1개의 레이저수광부(190)로 구현된 경우 false-alarm probability가 46.9%인 반면, 도13의 (b)에 도시된 바와 같이 2 개의 레이저수광부(190)를 운용하는 경우 false-alarm probability가 0.0092% 이하로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 2개의 레이저수광부(190)를 운용하는 경우 false-alarm probability가 5,097 배 적게 측정되었다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 라이다 장치의 상기 역반사체(200)는 수직단면의 내측 형상이 반원 또는 삼각형 형상으로 반사면이 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 상기 역반사체(200)는 반구형(단면 내측 형상이 반원), 아치형(단면 내측 형상이 반원), 원뿔형(단면 내측 형상이 삼각형) 또는 사각뿔형(단면 내측 형상이 삼각형) 등으로 형성될 수 있다.
상기에서 직선 및 삼각형으로 레이저발광부(110)가 구비된 예를 들었으나, 본 발명이 이에 한정된 것은 아니며, 다각형 등 다양한 형상으로 레이저발광부(110)를 구비할 수 있음은 물론이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 라이다
110: 레이저발광부
120: 빔분할기
130: 고정반사경
190: 레이저수광부
200: 역반사체
300: 회전반사경
310: 모터

Claims (10)

  1. 레이저 펄스 빔을 생성하여 발사하는 레이저발광부(110)로부터 생성된 레이저를 발사하고, 반사 또는 산란되어 돌아와 레이저수광부(190)에 수광된 레이저를 분석하여 목표방향을 탐지하는 라이다(100);
    상기 라이다(100)로부터 발사된 레이저를 레이저가 입사된 방향으로 반사시키되, 레이저가 입사된 경로와 레이저가 반사된 경로가 서로 다른 역반사체(200); 및
    상기 역반사체(200)에 의해 반사되어 입사된 레이저를 반사시켜 목표방향으로 보내거나, 상기 목표방향으로부터 반사 또는 산란되어 입사된 레이저를 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내되, 모터(310)의 작동에 의해 회전되는 회전반사경(300);
    를 포함하며,
    상기 라이다(100)로부터 발광된 레이저를 상기 역반사체(200)가 반사시켜 상기 회전반사경(300)으로 보내고, 상기 회전반사경(300)에 반사된 레이저가 목표물(10)에 반사 또는 산란되어 돌아온 레이저를 상기 회전반사경(300)이 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내면, 상기 역반사체(200)가 이를 반사시켜 상기 라이다(100)로 보내어, 상기 회전반사경(300)이 향하는 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 하되,
    상기 라이다(100)는
    상기 라이다(100)로부터 상기 역반사체(200)로 향하는 레이저 수의 정수배가 되도록 레이저수광부(190)를 구비하며,
    입사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120); 및
    레이저를 반사시키는 고정반사경(130);
    을 포함하고,
    상기 빔분할기(120) 및 고정반사경(130)중 일부는, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 상기 역반사체(200)로 안내하고, 상기 빔분할기(120) 및 고정반사경(130)중 일부는, 상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 복수로 분할하여 상기 레이저수광부(190)로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 구비된 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라이다(100)는
    레이저발광부(110)가 복수로 구비된 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 레이저발광부(110)는
    각각 서로 다른 특징의 레이저를 발광하는 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    복수로 구비된 레이저발광부(110)는
    직선 또는 다각형 형상으로 배치된 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 라이다(100)는
    상기 레이저수광부(190)가 복수로 구비된 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 라이다(100)는
    입사된 레이저를 2 방향으로 분할하는 빔분할기(120); 및
    레이저를 반사시키는 고정반사경(130);
    을 포함하며,
    상기 빔분할기(120) 또는 고정반사경(130)은, 상기 레이저발광부(110)로부터 발사된 레이저를 상기 역반사체(200)로 안내하고, 상기 역반사체(200)로부터 입사된 레이저를 상기 레이저수광부(190)로 안내하되, 레이저가 일 방향으로 향하도록 구비된 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전방향 라이다 장치는
    일정 수의 레이저수광부(190)로부터 각각 왕복 비행시간(TOF) 정보를 산출하고, 상기 복수의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 비교하여 동일하면 해당 왕복 비행시간(TOF) 정보를 유효 왕복 비행시간(TOF) 정보로 판단하여 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
  9. 레이저 펄스 빔을 생성하여 발사하는 레이저발광부(110)로부터 생성된 레이저를 발사하고, 반사 또는 산란되어 돌아와 레이저수광부(190)에 수광된 레이저를 분석하여 목표방향을 탐지하는 라이다(100);
    상기 라이다(100)로부터 발사된 레이저를 레이저가 입사된 방향으로 반사시키되, 레이저가 입사된 경로와 레이저가 반사된 경로가 서로 다른 역반사체(200); 및
    상기 역반사체(200)에 의해 반사되어 입사된 레이저를 반사시켜 목표방향으로 보내거나, 상기 목표방향으로부터 반사 또는 산란되어 입사된 레이저를 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내되, 모터(310)의 작동에 의해 회전되는 회전반사경(300);
    를 포함하며,
    상기 라이다(100)로부터 발광된 레이저를 상기 역반사체(200)가 반사시켜 상기 회전반사경(300)으로 보내고, 상기 회전반사경(300)에 반사된 레이저가 목표물(10)에 반사 또는 산란되어 돌아온 레이저를 상기 회전반사경(300)이 반사시켜 상기 역반사체(200)로 보내면, 상기 역반사체(200)가 이를 반사시켜 상기 라이다(100)로 보내어, 상기 회전반사경(300)이 향하는 목표방향을 탐지하는 것을 특징으로 하되,
    거리 정보는 다음식,
    Figure 112016087166100-pat00015

    (여기서, c는 3×108m/s이고, TOF는 왕복 비행시간이다)
    를 이용하여 계산하고,
    상기 레이저수광부(190)에 수광된 레이저에 대한,
    개별 표적 검출 확률(target detection probability)은 다음식,
    Figure 112016087166100-pat00016
    ,
    Figure 112016087166100-pat00017

    (여기서, SPE는 레이저 펄스 빔에 의해 생성되는 평균 1차 전자의 생성률, NPE는 노이즈에 의해 생성되는 평균 1차 전자의 생성률이고, RPE(t) = SPE(t) + NPE(t)임) 를 이용하여 산출하며,
    전체 표적 검출 확률은 다음식,
    Figure 112016087166100-pat00018
    를 이용하여 산출되고,
    오작동 확률(false alarm probability)은 다음식,
    Figure 112016087166100-pat00019
    를 이용하여 산출되며,
    상기 오작동 확률이 허용범위 내로 유지되도록, 한 지점의 반사 또는 산란된 광을 수광하는 레이저수광부(190)의 일정 수를 결정하는 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
  10. 제1항 또는 제9항에 있어서,
    상기 역반사체(200)는
    수직단면의 내측 형상이 반원 또는 삼각형 형상으로 반사면이 구비되는 것을 특징으로 하는 전방향 라이다 장치.
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