KR101371195B1 - 레이저를 이용한 감지 영역별 감도 차등화 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 이용하여 차량 등의 진입을 감지하되, 차량의 위치의 감지 감도를 높이고 여타 영역의 감도는 낮추도록 하는 레이저를 이용한 영역별 감도 차등화 시스템을 개시한다.
본 발명은 레이저 발, 수광모듈과 목표물까지의 거리 구간에서 목표물의 높이 구간만의 반사광이 효과적으로 레이저 수광모듈에 입사되는 고감도 영역으로 되고, 나머지 구간은 반사광이 다른 방향으로 산란되어 레이저 수광모듈에 유효한 신호로 입사되지 못하는 저감도 영역으로 되어 지정된 높이에서 낙엽, 눈, 비 등에 의한 오동작이 거의 없이 차량의 통행만을 정확하게 감지하여 작동의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 것일 뿐만 아니라, 이러한 선별적 감지에 의하여 작동의 신뢰성을 향상 시킬 수 있으면서도 하등의 추가적인 하드웨어나 소프트웨어가 불필요하게 되어 더욱 경제적인 효과가 있는 것이다.

Description

레이저를 이용한 감지 영역별 감도 차등화 시스템{Vehicle Detection Zonal Sensitivity Differential System Using Laser}

본 발명은 레이저를 이용한 감지 영역별 감도 차등화 시스템에 관한 것으로, 특히 레이저를 이용하여 차량 등의 진입을 감지하되, 차량 위치의 감지 감도를 높이고 여타 영역의 감도는 낮추도록 하는 레이저를 이용한 영역별 감도 차등화 시스템에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 종래에는 레이저를 발사하여 설정된 거리에 있는 목표물인 차량에 도달시키고 목표물에서 반사되는 레이저 반사광의 광도를 높게 수신하기 위하여 레이저 발광수단과 레이저 수광수단의 레이저광 발, 수광 중심축을 동일하게 하거나 거의 동일한 수준으로 되도록 설계, 제작하였던 것이다.

도 1에 레이저 발광수단과 레이저 수광수단의 광축을 동일하게 한 실시예를 도시하였다.(Rudd, M. J. 1968)

이에서 볼 수 있는 바와 같이 종래에는 레이저 발, 수광수단에서 출발한 빛이 빔스플리터를 거쳐서 목표물에 도달한 후, 목표물에서 반사되어 빔스플리터를 거쳐서 다시 레이저 발, 수광수단으로 입사되도록 하였다.

이러한 형태로 동일축광을 구성하는 경우 목표물인 차량에서 반사되어 다시 입사되는 레이저광의 광도는 최대로 할 수 있으나, 이는 거의 동일한 중심 광축을 갖도록 하여야 하므로 일체화된 형태로 레이저 발, 수광 소자를 제작하였던 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 종래에는 레이저 발광모듈과 레이저 수광모듈을 가급적 밀착시켜 설치함으로써 레이저 발광모듈의 발광축과 레이저 수광모듈의 수광축이 사실상 일치하도록 설계함으로써 감지가능한 모든 영역 내의 물체 감지 감도를 최고로 높여 줌으로써 감지 영역 내의 물체 유무와 물체와의 거리를 산출할 수 있도록 하였던 것이다.

이러한 실제 적용사례를 대한민국 등록특허 0136550 (발명의 명칭: 차량충돌방지 장치용 광학식 거리측정장치 및 방법; 이하 '인용발명1'이라 함)의 예에서 확인할 수 있으며, 이러한 인용발명1은 도 2로 도시한 바와 같이 발광부(10)와 수광부(20)가 하나의 하우징(30)내에 설치함으로써 레이저를 발사하는 발광부(10)와 수광부(20)의 중심축이 거의 일치하도록 설치되어 있음을 확인할 수 있다.

또한, 도 3으로 보인 실제 적용 사례에서 볼 수 있는 바와 같이 대한민국 등록특허 901614(발명의 명칭: 거리 측정 장치 및 방법; 이하 '인용발명2'이라 함)의 경우에도 발광소자(312)와 수광소자(314)가 매우 근접하여 설치되어 있으며 이와 같이 함으로써 발광소자(312)에서 출발하여 수광소자(314)로 입사되는 레이저의 광도가 최대로 되도록 하여 감도 향상을 도모하고 있는 것이다.

그러나, 이와 같은 종래의 레이저를 이용한 감지시스템은 도 4로 보인 바와 같이 레이저 발, 수광모듈과 차량 사이에 낙엽이 떨어지거나 눈, 비 등이 내리게 되면 수직으로 하강하는 레이저광이 이들에 의하여 수직으로 반사되면서 수광모듈에 입사되어 낙엽이나 눈, 비를 차량으로 인식하거나 노이즈를 발생시켜 작동의 신뢰성이 저하되는 공통의 문제점을 발생시키고 있다.

1. 대한민국 등록특허 0136550 (발명의 명칭: 차량충돌방지 장치용 광학식 거리측정장치 및 방법) 2. 대한민국 등록특허 901614(발명의 명칭: 거리 측정 장치 및 방법)

Rudd. M. J. 1968, A laser doppler velocimeter employing the laser as a mixer-oscillator, J. of Phys. E, vol. 1, pp 723 ~ 726

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 감지 가능 전체 영역에 걸쳐서 높은 감도를 확보하도록 하는 종래의 레이저를 이용한 감지장치와는 달리 레이저 발광모듈과 수광모듈의 발광 및 수광 광축 각도가 차감지 목표물에 대하여 설정 각도를 이루게 함으로써, 감지 목표물 의 위치에 집중적으로 고감도 감지 영역이 형성되고 여타 영역에서는 감도가 저하된 저감도 감지 영역이 형성되도록 함으로써 저감도 감지 영역에서는 낙엽, 눈, 비 등의 이물질이 침투하더라도 이를 감지하지 않도록 하여 오동작 발생률을 크게 감소시킬 수 있도록 한 레이저를 이용한 감지 영역별 감도 차등화 시스템을 제공함에 있다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 레이저 발광 모듈 및 레이저 수광 모듈과, 상기 레이저 발광 모듈 및 레이저 수광 모듈과 연결된 펄스발생부 및 펄스 수신부 그리고 거리 측정부로 구성되며, 감지 목표물 위치가 포함되는 고감도 감지영역과 상기 레이저 발광 모듈부터 상기 고감도 감지영역 직전까지 사이의 저감도 감지영역의 감도 차등화가 이루어지도록 상기 레이저 발광모듈의 레이저 다이오드 광축 중심 및 레이저 수광모듈의 APD 광축 중심과 목표물이 6m 내지 18m의 거리 범위 내에서 0.5도 내지 5도의 각도 범위에 있도록 하는 레이저를 이용한 감지 영역별 감도 차등화 시스템을 제안하여서 된 것이다.

이와 같이 하여 본 발명은 레이저 발, 수광모듈과 목표물까지의 거리 구간에서 목표물의 높이 구간만의 반사광이 효과적으로 레이저 수광모듈에 입사되는 고감도 영역으로 되고, 나머지 구간은 반사광이 산란되어 레이저 수광모듈에 유효한 신호로 입사되지 않게 되는 저감도 영역으로 되어 낙엽, 눈, 비 등에 의한 오동작이 거의 없이 차량의 통행만을 정확하게 감지하여 작동의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

더욱이, 본 발명은 이러한 선별적 감지에 의하여 작동의 신뢰성을 향상 시킬 수 있으면서도 하등의 추가적인 하드웨어나 소프트웨어가 불필요하게 되어 더욱 경제적인 효과가 있는 것이다.

도 1은 종래의 레이저 발, 수광소자가 일체로 된 레이저 변위 측정 설명도.
도 2는 종래의 차량충돌방지 장치용 광학식 거리측정장치를 보인 설명도.
도 3은 종래의 거리 측정 장치를 보인 절개 사시도.
도 4는 종래의 거리 측정 장치에 의한 오동작 상태를 보인 설명도.
도 5는 본 발명에 의한 레이저를 이용한 감지 영역별 감도 차등화 시스템의 구성을 보인 개략도.
도 6는 본 발명의 작용을 설명하기 위한 개념도.
도 7은 본 발명에 의한 실제의 작동을 설명하기 위한 개념도.
도 8은 본 발명에서 거리에 따른 레이저 다이오드와 APD의 각도 편차 변화를 보인 설명도.

이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 레이저를 이용한 감지 영역별 감도 차등화 시스템의 전체적인 구성을 도 5로 도시하였다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명은 레이저 발광 모듈(100)과 레이저 수광 모듈(200) 그리고 이들에 연결된 펄스발생부 및 펄스 수신부 그리고 거리 측정부로 구성된 레이저를 이용한 감지 시스템에 있어서,

감지 목표물 위치가 포함되는 고감도 감지영역과 상기 레이저 발광 모듈(100)로부터 상기 고감도 감지영역 사이인 저감도 감지영역 간의 감도 차등화가 이루어지도록 레이저 발광 모듈(100)의 송광 렌즈(103)와 레이저 수광 모듈(200)의 수광 렌즈(203) 중심축이 목표물인 차량과의 거리 범위인 6m 내지 18m의 범위 내에서 상기 레이저 발광 모듈(100)의 송광 렌즈(103)의 중심축과 레이저 수광 모듈(200)의 수광 렌즈(203)의 중심축이 목표물에 대하여 이루는 각도 범위가 0.5도 내지 5도의 각도 범위에 있도록 하여서 된 것이다.

이러한 본 발명을 각 구성요소별로 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 전원을 인가하여 작동이 개시되면 먼저 본 발명에 의한 시스템의 설치 높이, 감지 거리, 레이저 조사각도 등을 데이터 메모리(303)에 저장하기 위하여 키패드(302)를 조작하고, 실제 입력되는 값을 표시기(301)로 확인한다.

이와 같이 하여 초기 값 입력이 완료된 후에는 작동 개시를 위하여 키패드(302)에 지정된 기능키를 누르게 된다.

이에 따라 본 발명에 의한 시스템은 작동을 개시하게 된다.

먼저, 본 발명은 펄스발생부(104)에서 구동펄스가 출력됨을 거리 측정부(300)에서 인지하고 그 시각 데이터를 저장한다. 상기 펄스발생부(104)에서 출력된 펄스 출력은 레이저 다이오드(102) 구동부(101)에서 레이저 출력으로 변환되고, 이는 송광 렌즈(103)를 거쳐서 설정된 방향으로 레이저를 조사하게 되는 것이다.

이에 따라 상기 레이저가 조사되는 지점을 통과하는 감지 목표물인 차량이 있는 경우와, 차량이 없는 경우에 레이저가 차량이나 지면에 부딪혀 반사되며, 이와 같이 반사된 레이저는 수광 렌즈(203)를 통하여 APD(202)에 입사된다.

그러므로 상기 APD(202)에서는 수신된 펄스가 전기적 신호로 변환되어 펄스 수신부(201)의 출력이 발생하는 것이다. 그 결과, 펄스 수신부(201)에서 소정의 펄스 출력이 발생되고, 이는 거리 측정부(300)에 인가되는 것이다.

이에 따라 거리 측정부(300)에서는 레이저가 발사된 시간과 레이저가 수신된 시간차를 계산하여 차량 또는 지면과의 거리를 일정 시간 간격 마다 각각 계산하게 되는 것이다.

이러한 일련의 동작에 의하여 차량의 통행이 없는 경우에는 거리 측정부(300)에서 측정된 거리가 일정하게 유지된다. 이러한 상태는 차량이 접근하기 전까지 유지되며, 차량이 근접하여 통과하는 과정에서 감지되는 거리가 감소되면서 변화하게 된다.

즉, 레이저가 조사되는 상태에서 차량이 통과하게 되면, 레이저는 차량의 상단 높이에서 반사되어 APD(202)에 입사되므로 펄스수신부(201)에서 출력이 발생되고, 차량이 없는 경우보다 레이저 광의 주행 거리가 단축되어 되돌아오는 시간이 단축된다. 이러한 시간이 단축된 만큼 거리 측정부(300)에서는 단축된 거리를 산출하게 되는 것이며, 차량이 통과한 후에는 전술한 바와 같이 거리 측정부(300)에서 측정된 거리가 일정하게 유지되는 것이므로, 차량 1대의 통과를 인지할 수 있게 되는 것이어서 같은 과정을 반복하면 차량의 통과 시간과 통행량에 관련된 데이터를 얻을 수 있게 되는 것이다.

특히, 승용차는 1.5m ~ 1.8m 정도이고, 버스의 경우 높이가 3.2m 정도이며, 트럭은 4.2m 이하로 제한되어 있으므로, 이러한 높이 4.2m 이하의 높이에서 감도가 높아지도록 하기 위하여 목표물인 차량을 중심으로 하여 레이저 다이오드(102)의 송광 렌즈 광축(송광 렌즈의 중심축) 및 APD(202)의 수광 렌즈 광축(수광 렌즈의 중심축)을 종전과 같이 동일하게(평행하게) 하는 것이 아니라, 목표물과의 거리에 따라 0.5도 ~ 5도의 각도를 유지함으로써, 차량의 높이 이하에서만 반사파의 광도가 강하게 APD(202)로 입사될 수 있도록 한 것이다.

즉, 일반적인 레이저를 이용한 차량 감지 시스템에서는 차량을 중심으로 하여 레이저 다이오드(102)의 레이저 발사 광축 및 APD(202)의 수신 광축이 일치하므로(평행하므로) 수신 강도의 차이 없이 레이저가 발사되어 물체에 도달하기까지의 전 구간이 균일한 것이어서 차량은 물론 눈, 비, 낙엽이나 종이, 또는 기타 강풍으로 날아다니는 각종 이물질 등 모든 물질에 의하여 균일하게 높은 광도로 수신되나,

본 발명은 레이저가 상기 각도 범위 내에서 사선상으로 발사되고 있으므로 저감도 영역과 고감도 영역으로 구별되며, 저감도 영역인 차량 위치까지 진행하는 도중 이물질에 부딪히는 경우 이물질에 의하여 레이저가 사선상으로 산란되어 APD(202)의 입사 광축과 다른 방향으로 반사되는 것이어서 오동작을 방지하게 된다.

또한, 고감도 영역인 목표 지점으로 설정된 차량의 위치에 이르러서는 APD(202)의 입사 광축과 거의 일치하는 방향으로 반사되므로 차량에 의하여 반사된 레이저만이 산란되지 않고 고감도로 APD(202)에 도달하게 되는 것이다.

이러한 본 발명의 동작 개념을 도 6으로 도시하였다. 도 6은 레이저 다이오드(102) 및 APD(202) 그리고 차량 사이에 끼어드는 방해물을 편의상 개념 설명을 위하여 이상적인 형태인 평판을 수평으로 위치시킨 상태로 가정함으로써, 차량의 위치로 설정한 거리에서 레이저 광이 차량에 반사되어 APD(202)에 정확히 도달하는 위치를 고감도 영역으로 하고, 여타 부위는 저감도 영역으로 되는 원리를 도시한 것이다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이, 저감도 영역에서는 방해물의 존재 시 그 반사 각도는 APD(202)의 수광 중심축 각도와는 상이하게 되어 수광되는 광도가 낮게 된다. 반면에 고감도 영역에서는 레이저 다이오드(102)에서 발사된 레이저가 차량의 루프에 의하여 반사되었을 시 APD(202)에 입사되는 각도가 APD(202)의 수광 중심축과 같은 상태이어서 수광 광도가 높아 차량의 출현을 감지할 수 있게 되는 것이다.

또한, 방해물이 도 6과 같은 상태가 아닌 실제의 상태는 도 7로 보인 바와 같이 불규칙한 형상의 것이며, 이러한 경우에는 방해물 표면의 생김새에 따라 도면의 A, B, C로 보인 임의의 방향으로 반사되어 APD(202)에 오동작을 일으킬 수 있는 신호 입력이 차단되는 것이어서 더욱 정확한 차량 감지 동작이 가능하게 되는 것이다.

아울러 본 발명에서는 도 8로 보인 바와 같이, 예를 들어 레이저 다이오드(102) 및 APD(202)와 차량의 간격이 6m의 경우에 레이저 다이오드(102)의 송광 렌즈 광축과 APD(202)의 수광 렌즈 광축이 이루는 각도 범위를 1.5도 미만으로 좁게 하는 경우 전체 구간에 걸쳐서 반사광의 대부분이 APD(202)에 입사되어 전체 구간이 고감도 영역으로 되므로 구간에 따른 감도 차등화가 불가능하게 됨이 실험 결과에 의하여 확인되었고, 레이저 다이오드(102) 및 APD(202)와 차량의 간격이 6m의 경우에 상기 각도 범위가 5도를 초과하여 넓게 되는 경우 대부분의 구간이 저감도 영역으로 되므로 구간에 따른 감도 차등화가 불가능하게 됨이 실험 결과에 의하여 확인되었다.

또한 레이저 다이오드(102) 및 APD(202)와 차량의 간격이 18m의 경우에 상기 각도 범위가 0.5도 미만으로 더 좁게 되는 경우 차량과의 전체 구간에 걸쳐서 레이저 반사광이 APD(202)에 입사되므로 전체 구간이 고감도 영역으로 되어 구간에 따른 감도 차등화가 불가능하게 됨이 실험으로 확인되었고, 레이저 장비의 높이가 18m의 경우에 각도 5도를 초과하여 확대하는 경우 대부분의 구간이 저감도 영역으로 되므로 구간에 따른 감도 차등화가 불가능하게 된다.

그러므로, 레이저 다이오드(102) 및 APD(202)와 차량 위치가 6m ~ 18m인 경우에 레이저 다이오드(102) 및 APD(202)와 차량과의 각도는 0.5도 ~ 5도의 범위를 유지하여야 하는 것이다.

아울러, 본 발명에서는 레이저 다이오드(102)와 APD(202)의 전방에 집광을 위한 송광 렌즈(103) 및 수광 렌즈(203), 필터(400) 등 널리 알려진 통상의 광학 요소를 결합하여 노이즈 제거 등 성능 향상을 위한 요소를 결합하여 사용할 수 있음은 물론이며, 어느 경우에나 레이저 다이오드(102)와 송광 렌즈(103)의 광축은 일치하는 것이고, APD(202)의 광축과 수광 렌즈(203)의 광축 역시 항상 일치하는 것이므로, 상기 실시예의 작용 설명에서도 동일하게 이해되어야 함은 물론이다.

또한, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명이 의도하는 요지 및 개념 내에서 다양하게 변화시켜 실시하는 것이 가능함은 물론이다.

100: 레이저 발광 모듈 101: 레이저 다이오드 구동부
102: 레이저 다이오드 103: 송광 렌즈
200: 레이저 수광 모듈 201: 펄스 수신부
202: APD 203: 수광 렌즈
300: 거리 측정부 301: 표시기
302: 키패드 303: 메모리
400: 필터

Claims (2)

1. 레이저 발광 모듈 및 레이저 수광 모듈과, 상기 레이저 발광 모듈 및 레이저 수광 모듈과 연결된 펄스발생부 및 펄스 수신부 그리고 거리 측정부로 구성되되,
   감지 목표물 위치가 포함되는 고감도 감지영역과 상기 레이저 발광 모듈부터 상기 고감도 감지영역 직전까지 사이의 저감도 감지영역의 감도 차등화가 이루어지도록 상기 레이저 발광 모듈의 레이저 다이오드 광축 중심 및 레이저 수광 모듈의 APD 광축 중심과 목표물이 6m 내지 18m의 거리 범위 내에서 0.5도 내지 5도의 각도 범위에 있도록 함을 특징으로 하는 레이저를 이용한 감지 영역별 감도 차등화 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 다이오드와 레이저 수광 모듈의 APD가 6m 높이에 설치되는 경우 레이저 다이오드 및 APD 광축 중심이 목표물과 1.5도~ 5도의 각도 범위로 되도록 함을 특징으로 하는 레이저를 이용한 감지 영역별 감도 차등화 시스템.
   

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