KR101254437B1 - 레이저 거리 측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은

Description

레이저 거리 측정시스템{Laser Range Finding System}

본 발명은 레이저 거리 측정시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 레이저 거리측정시스템의 오차를 줄일 수 있는 방법과 그에 따른 회로 구성에 관한 것이다.

레이저 거리 측정기는 군사용 목적으로 개발되었으며, 현재는 생활 속에서 줄자를 대체할 수 있는, 이른바, 레이저 줄자라고도 불리 우는 편리한 거리측정기로 자리매김하고 있다. 이와 같은 레이저 거리측정기는 레이저를 발생하는 장치와 표적에서 반사되어 되돌아온 레이저를 감지하는 광검출기(detector), 그리고 시간계산을 위한 계수기(counter)를 포함하여 구성된다. 거리측정의 원리는, 지향성이 우수한 레이저를 거리측정하고자 하는 표적에 대해 발사한 뒤, 레이저가 표적으로부터 반사되어 돌아온 시간을 측정하여 거리를 계산하는 것으로 이루어진다.

사각파를 이용하는 거리계는, LD(Laser Diode)와 APD(Avalanch PhotoDiode)를 이용할 수 있으며, 이와 같은 레이저 거리계를 구현할 때에는 광신호의 전파 속도가 빠르기 때문에 펄수 계수법(Pulse Counting) 방법보다는 측정하고자하는 거리의 대략적인 범위를 고려하여, 적절한 주파수를 가진 펄스를 발생시켜, 송신파와 수신파의 위상차를 이용하여 거리를 계산한다. 그에 따라 일반적으로 LD에서 사각파로 된 기준 연속파(Continuous Wave:CW로 약칭하기도 함) 광신호를 발생하고 상기 발생 된 사각파(Ref. CW)와 타깃(Target)에서 반사되어 되돌아오는 CW(Test CW)의 사각파 간의 위상 차를 이용하여 타깃(Target)까지의 거리를 계산한다. 이때 최대 측정 거리에 따라 송신파와 수신파의 위상 차를 발생하게 하는 CW 주파수를 달리 설정해야 한다. 즉, 광신호는 1초에 3×10⁸m를 전파한다. 이에 따라 거리계의 경우, 왕복 거리를 고려하여 최대 왕복 측정 거리가 2d 일 때, 필요주파수를 다음과 같이 계산할 수 있다.

여기서 x는 최대 왕복 측정거리이다. 즉, 2d가 100[m]일 경우, 주파수 1/3[MHz]이면 최대 100[m]까지 측정이 가능하다. 만일 500[m]까지 측정하려면 5/3[MHz]의 사각파의 CW를 발생하여 거리를 측정한다. 이와 같이 측정 거리가 멀어짐에 따라 CW 주파수는 낮아진다.

이와 같은 CW 레이저를 이용한 장거리 측정용 거리계는 다음과 같은 문제점을 지닌다.

즉, CW를 이용하여 거리를 측정할 때, CW 레이저 다이오드의 발생 전력(Power)이 그다지 크지 않아, 장거리를 전파하는데 어려움이 있기 때문에 장거리용의 거리계에는 사용하기 어렵다는 한계가 있다. 따라서 장거리의 거리계를 구현하기 위해서는 CW 레이저보다는 전력이 큰 펄스형의 LD를 이용하는 수밖에 없다. 이때 펄스형의 LD 구동 회로는 짧은 펄스 폭(약 100[nsec]의 폭)의 펄스 레이저를 발생한다. 그리고 APD에서는 상기 펄스를 감지하여 펄스 형의 신호를 얻어서 타깃(Target) 까지의 거리를 계산한다.

도 1을 참조하여, 외부 클럭(Clock)을 이용한 CW 발생 방식에 대해 다음과 같이 설명한다.

먼저 도 1과 같이 외부 클록이 인가되고 시작(Start) 신호가 출력되면 외부 클록에 동기 되어서 시작 펄스(Start Pulse)에 의해 LD 구동부에서 레이저가 발생 된다. 그리고 이 시작 펄스(Start Pulse)에 동기 되어서 CW0(Ref. CW)가 발생 된다. 이 시작 펄스(Start Pulse)는 시작(Start) 신호에 약간의 지연은 있지만, 실제 레이저 펄스가 출력되는 시점을 기준으로 CW1 파형이 발생 되기 때문에 거리 계산에는 영향을 미치지 않는다. 도 1에서 PW1은 송신(시작) 펄스의 폭이고 PW2는 수신 펄스폭이다.

타깃(Target)에서 반사되어 되돌아오는 수신 펄스(Received Pulse)는 외부 클록에 동기 되어서 CW1이 발생 된다. 이때 외부 클록에 동기 되어서 CW1이 발생 되기 때문에 반사되어 되돌아오는 펄스의 시점에 따라서 오차가 발생한다. 실제 송신 펄스와 수신 펄스 사이의 위상 차는 B점과 C점 사이 만큼에 해당한다. 그러나 수신 펄스는 C점에서 인가되었지만 외부 클록의 상승 에지에 동기 되어서 CW1이 발생 되기 때문에 C점이 아닌 D점에서 CW1이 발생 된다. 따라서 외부 클록을 이용하여 CW를 발생할 때에는 C점과 D점 간격만큼의 오차가 발생하므로 이를 줄이기 위해서는 주기가 짧은, 즉 외부 클록 주파수를 높이는 것이 효과적이다. 그러나 높은 외부 클록 주파수에서 동작하는 디지털 소자는 거의 없는 실정이다. 따라서 C점과 D점 간격에 해당하는 오차를 줄이기 위해서는 외부 클록과 상관없이 동작하는 방식이 요구된다.

따라서 본 발명의 목적은 CW 레이저를 이용한 장거리용 레이저 거리측정 시스템에 있어서, 외부 클록과 상관없이 동작하여, 송신 펄스와 수신 펄스의 위상 차를 측정할 때 발생하는 오차를 최소화할 수 있는 새로운 방식의 CW 발생 방식 및 이를 이용한 레이저 거리측정 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은, 연속파(CW:Continuous Wave)를 이용한 레이저 거리측정 시스템에 있어서,

레이저 다이오드를 구동시키는 시작신호에 동기 되어 연속파를 출력하는 연속파 출력수단;및

상기 연속파 출력수단과 접속되어 연속파 출력에 대한 지연 신호를 생성하는 제1 지연소자;를 포함하고,

상기 제1 지연소자의 출력은 상기 연속파 출력수단에 입력으로 회귀시켜, 상기 연속파는 상기 제1 지연소자의 지연 시간에 의해 연속파의 주파수를 결정하여, 연속적으로 발생 되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정 시스템용 연속파 발생 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 연속파 발생 시스템에 있어서,

상기 연속파 출력수단은 제1 플립플롭으로 구성하며,

상기 제1 플립플롭의 입력단은 OR 게이트를 통해 신호가 입력되며, 상기 제1 플립플롭의 두 출력단(Q, Q') 중 하나의 출력단(Q')은, 연속파 출력단으로 기능 함과 동시에 상기 제1 지연소자의 입력단과 접속되고,

상기 제1 지연소자의 출력단은, NOT 게이트를 거쳐 제2 플립플롭에 접속됨과 동시에 상기 제1 플립플롭에 회귀 입력되고,

상기 제2 플립플롭의 두 출력단(Q, Q') 중 하나의 출력단(Q')은, 제2 지연소자의 입력단과 접속됨과 동시에 상기 제1 플립플롭의 입력단에 접속된 OR 게이트의 한 입력단에 입력되고,

상기 제2 지연소자의 출력단은, NOT 게이트를 거쳐 제2 플립플롭에 입력되고,

상기 OR 게이트의 다른 입력단은 출발시 시작 신호가 레이저 다이오드 구동회로와 동시에 인가되게 하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정 시스템용 연속파 발생 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 연속파 발생 시스템에 있어서,

상기 레이저 다이오드 구동회로는,

상기 출발시 시작 신호가 입력단에 입력되는 제3 플립플롭;

상기 제3 플립플롭의 두 출력단(Q, Q') 중 하나의 출력단(Q')에 접속되는 제3 지연소자;및

상기 제3 지연소자의 출력단에 입력단이 접속되고 출력단은 상기 제3 플립플롭의 입력단으로 접속되는 NOT 게이트;를 구비하고,

상기 제3 플립플롭의 두 출력단(Q, Q') 중 하나의 출력단(Q')은 레이저 다이오드 구동신호를 출력함과 동시에 제3 지연소자에 입력되어, 지연신호가 NOT 게이트를 거쳐 제3 플립플롭을 클리어시키는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정 시스템용 연속파 발생 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 연속파 발생 시스템에 있어서,

상기 제1 지연소자를 다수 직렬연결하고,

각각의 제1 지연소자의 출력단을 멀티플렉서에 입력하여,

연속파의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정 시스템용 연속파 발생 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 연속파 발생 시스템에 있어서,

초기에 리셋 신호가 상기 제1 플립플롭과 제2플립플롭에 인가되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정 시스템용 연속파 발생 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은,

상기 레이저 거리측정 시스템용 연속파 발생 시스템 두 개를 병렬연결하고,

상기 두 개의 연속파 발생 시스템 중 하나에는 시작 신호를, 다른 하나에는 수신신호를 입력하고,

상기 두 개의 연속파 발생 시스템을 멀티플렉서로 연결하고,

상기 두 개의 연속파 발생 시스템의 각 출력신호들을 위상 감지장치에 입력하여 두 개 신호의 위상 차를 검출하여 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정 시스템을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 외부 클럭과 상관없이 연속파를 발생시킬 수 있으므로, 송신 펄스와 수신 펄스의 위상 차를 측정할 때 발생하는 오차를 종래기술에 비해 현저히 감소할 수 있는 새로운 방식의 연속파 발생 방식을 제공함으로써 장거리에도 높은 신뢰도의 레이저 거리 측정시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 레이저거리 측정시스템을 설명하기 위한 타이밍도 이다.
도 2는 본 발명의 연속파 발생장치를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2의 연속파 발생장치에 따라 연속파가 발생 되는 동작을 설명하는 타이밍도 이다.
도 4는 도 2의 연속파 발생장치에 연속파 주파수 제어 구성을 부가한 회로도이다.
도 5는 도 4의 주파수제어 가능한 연속파 발생장치를 이용하여 구성한 레이저 거리측정시스템의 회로도이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여, 첨부도면을 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.

먼저, LD를 이용한 거리계에 적용할 수 있는 연속파(CW) 발생 방법에 대하여, 도 2와 도 3을 참조하여 설명한다.

시작 펄스(Start Pulse)에 의해서 레이저가 발생 되어 상기 레이저가 타깃(Target)에 반사되어서 되돌아오고, 상기 광신호가 APD를 거친 후에 수신 펄스가 출력된다. 상기 시작 펄스(Start Pulse)에 의한 송신과 이에 따라 타깃에 반사되어 수신되는 수신 펄스(Received Pulse)를 이용하여 거리계를 구현하기 위해서는 이에 적합한 위상 발생 장치가 필요하다. 도 2와 도 3에 이의 방법에 필요한 블록도와 타이밍(Timing) 도를 나타내었다.

상기 블록도에 의한 동작 원리는 다음과 같다.

① 먼저 리셋 신호(Reset)가 인가되면 모든 플립플롭(Flip-Flop),F/F1과 F/F2는 초기화되어 F/F1과 F/F2의 출력 Q는 1이 되고 Q'은 0이 된다.

② 시작 신호(Start Pulse) 폭은 제1 지연소자의 신호 폭 DE1의 지연 시간보다 짧아야 하며, 상기 시작 신호 펄스가 발생 되면 논리합 게이트(OR Gate)를 통해 F/F1의 클럭 입력인 CK에 인가되고 상기 CK 입력에 의해 F/F1의 출력단에서Q는 0, Q'(도 3에서 F/F1 Output)은 1로 된다.

③ F/F1의 Q' 출력은 제1 지연 소자 DE1(Delay Element 1)에 인가되어 DE1의 지연 시간만큼(신호 폭만큼) 지연된다.

④ 제1 지연소자 DE1의 출력이 1이 되는 순간에 F/F1은 NOT 게이트(gate)를 통해 입력되는 신호로 클리어(Clear)되어 F/F1의 출력 Q는 1, Q'은 0으로 된다. 이와 동시에 제1 지연소자 DE1의 출력은 또한 NOT 게이트를 통과하여 F/F2의 입력단 CK에 인가된다. NOT 게이트는 도 3과 같이 2 개를 사용할 수도 있으나, 하나의 NOT 게이트에서 두 개의 분기 되는 출력을 인출하게 구성할 수도 있다.

⑤ 제1 지연소자 DE1의 출력이 NOT 게이트를 거쳐 F/F2에 입력되면 F/F2의 출력단에서 Q는 1, Q'은 0으로 된다.

⑥ F/F2는 ③에서와 같이 제2 지연소자 DE2(Delay Element 2) 지연 후 NOT 게이트를 거쳐 F/F2에 회귀입력되어 F/F2가 클리어(Clear) 된다. 상기 제2 지연소자의 지연신호 DE2에 의한 지연 폭(신호폭)은 제1 지연소자 DE1에 의한 지연 폭보다 작아 지연 사간이 DE1에 의한 시간보다 짧다. 이러한 구성은 DE2에 의한 지연 신호는 다음주기에 이용할 클럭을 발생시키기 위한 지연이기 때문이다.

⑦ F/F2의 출력은 F/F1의 입력단에 있는 OR 게이트를 통과한 후에 다시 F/F1의 CK에 다시 인가되어 F/F1의 출력 Q'는 다시 1로 되어, 위의 ②단계의 동작부터 다시 반복되어 연속파(CW)(F/F1의 출력 Q'))가 발생 된다.

⑧ 시작 신호에 의해 LD 구동 펄스 또한 발생 되어야 한다. LD 구동 펄스는 100~150[nsec]의 폭을 갖는 펄스로 함이 바람직하다. 시작 신호(Start Pulse)가 인가되면 F/F3의 CK에 인가된다. F/F3의 Q는 0, Q'은 1이 되며, 출력 Q'이 제3 지연소자 DE3에 인가되어 지연신호 DE3의 지연 시간만큼 지연된 후에 F/F3을 클리어(Clear)한다. 상기 지연신호 DE3의 지연 시간이 곧 LD 구동 펄스 폭이 되며, 이를 LD 구동부에 인가하여 LD을 구동하는 펄스로 이용한다.

여기서 제1 및 제2 지연소자(Delay Element 1과 2)는 게이트(Gate)만을 이용하여 구현한다. 즉, 일반적으로 게이트는 소자에 따라 약간의 차이는 있지만, 입력이 출력으로 전달될 때에 3[nsec]에서 10[nsec]까지의 지연이 발생한다. 이의 특성을 이용하여 게이트를 직렬로 순차 연결하여 해당되는 지연을 발생한다. 따라서 제1 지연소자의 지연신호 DE1은 제2 지연소자의 지연신호 DE2 보다 지연시간이 길어야 상기의 로직이 정상적으로 동작하며, 결과적으로 DE1에 의한 지연이 DE2에 의한 지연보다 길다. 또한, 연속파(CW)의 주파수는 제1 지연소자에 의한 지연신호 DE1의 지연을 변화시켜서 발생 주파수를 변화시킬 수 있다. 즉, 다음과 같은 연속파 주파수 제어회로 구성이 가능하다.

도 2의 연속파 발생 논리회로를 기본으로 하되, 제1 지연소자 DE1을 다수 직렬연결로 구성하고, 이들의 각 출력단을 멀티플렉서(MUX)에 접속하여, 주파수를 선택 제어하게 하는 것이다(도 4 참조). 이와 같이하면, 측정 거리에 따라 연속파(CW)의 주파수를 가변할 수 있는 연속파(CW) 가변 주파수 발생 장치를 구현할 수있으므로, 장거리에도 레이저 거리측정시스템을 응용할 수 있게 된다. 즉, 최대 측정 거리에 따라 연속파(CW)의 주기를 가변할 수 있으므로, 레이저 거리측정시스템의 적용범위를 더욱 넓힐 수 있다.

다음은 상기 주파수 가변 연속파 발생장치를 이용한 레이저 거리 측정 시스템의 구성에 대하여 회로도인 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 도 4의 주파수 가변 연속파 발생장치를 이용하여 송신파와 수신파의 위상 차를 검출하여 타깃까지의 거리를 측정하는 거리측정시스템의 구현을 나타낸다. 상기 거리측정시스템의 동작은 다음과 같다.

① 도 5에서 LD 구동부의 시작 신호(Start Pulse Signal)는 제어기에서 LD 레이저를 구동하는 펄스 발생에 이용된다. 상기 시작 신호가 인가되면 LD 구동부에서 LD 구동 펄스를 출력하고, 이와 동시에 연속파(CW)를 발생한다.

② 그에 따라 LD에서 발사된 레이저가 타깃(Target)으로부터 반사되어 되돌아오는 신호는 APD 구동부의 수신 신호(Received Signal, 도 4에서는 시작 신호에 해당됨)가 입력되면, 입력되는 시점에서 연속파(CW)를 발생한다.

③ ① 단계에서 LD 레이저 구동 펄스와 함께 출력된 연속파와 ② 단계에서 수신 신호 입력에 따라 발생 된 연속파, 이 두 연속파(CW) 신호를 이용하여 송신파와 수신파의 위상 차를 구하여 타깃까지의 거리를 측정할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.

도면부호 없음

Claims (6)

1. 연속파(CW:Continuous Wave)를 이용한 레이저 거리측정 시스템에 있어서,
   레이저 다이오드를 구동시키는 시작신호에 동기 되어 연속파를 출력하는 연속파 출력수단;및
   상기 연속파 출력수단과 접속되어 연속파 출력에 대한 지연 신호를 생성하는 제1 지연소자;를 포함하고,
   상기 제1 지연소자의 출력은 상기 연속파 출력수단에 입력으로 회귀시켜, 상기 연속파는 상기 제1 지연소자의 지연 시간에 의해 연속파의 주파수를 결정하여, 연속적으로 발생 되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정 시스템용 연속파 발생 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 연속파 출력수단은 제1 플립플롭으로 구성하며,
   상기 제1 플립플롭의 입력단은 OR 게이트를 통해 신호가 입력되며, 상기 제1 플립플롭의 두 출력단(Q, Q') 중 하나의 출력단(Q')은, 연속파 출력단으로 기능 함과 동시에 상기 제1 지연소자의 입력단과 접속되고,
   상기 제1 지연소자의 출력단은, NOT 게이트를 거쳐 제2 플립플롭에 접속됨과 동시에 상기 제1 플립플롭에 회귀 입력되고,
   상기 제2 플립플롭의 두 출력단(Q, Q') 중 하나의 출력단(Q')은, 제2 지연소자의 입력단과 접속됨과 동시에 상기 제1 플립플롭의 입력단에 접속된 OR 게이트의 한 입력단에 입력되고,
   상기 제2 지연소자의 출력단은, NOT 게이트를 거쳐 제2 플립플롭에 입력되고,
   상기 OR 게이트의 다른 입력단은 출발시 시작 신호가 레이저 다이오드 구동회로와 동시에 인가되게 하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정 시스템용 연속파 발생 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 레이저 다이오드 구동회로는,
   상기 출발시 시작 신호가 입력단에 입력되는 제3 플립플롭;
   상기 제3 플립플롭의 두 출력단(Q, Q') 중 하나의 출력단(Q')에 접속되는 제3 지연소자;및
   상기 제3 지연소자의 출력단에 입력단이 접속되고 출력단은 상기 제3 플립플롭의 입력단으로 접속되는 NOT 게이트;를 구비하고,
   상기 제3 플립플롭의 두 출력단(Q, Q') 중 하나의 출력단(Q')은 레이저 다이오드 구동신호를 출력함과 동시에 제3 지연소자에 입력되어, 지연신호가 NOT 게이트를 거쳐 제3 플립플롭을 클리어시키는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정 시스템용 연속파 발생 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 지연소자를 다수 직렬연결하고,
   각각의 제1 지연소자의 출력단을 멀티플렉서에 입력하여,
   연속파의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정 시스템용 연속파 발생 시스템.
5. 제4항에 있어서, 초기에 리셋 신호가 상기 제1 플립플롭과 제2플립플롭에 인가되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정 시스템용 연속파 발생 시스템.
6. 상기 청구항 1 내지 5항 중 어느 한 항의 레이저 거리측정 시스템용 연속파 발생 시스템 두 개를 병렬연결하고,
   상기 두 개의 연속파 발생 시스템 중 하나에는 시작 신호를, 다른 하나에는 수신신호를 입력하고,
   상기 두 개의 연속파 발생 시스템을 멀티플렉서로 연결하고,
   상기 두 개의 연속파 발생 시스템의 각 출력신호들을 위상 감지장치에 입력하여 두 개 신호의 위상 차를 검출하여 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정 시스템.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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