KR102136401B1 - 다-파장 이미지 라이다 센서장치 및 이의 신호처리 방법 - Google Patents

다-파장 이미지 라이다 센서장치 및 이의 신호처리 방법 Download PDF

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Abstract

사물의 거리 및 형상 정보에 부가적으로 사물의 개별 특성 정보를 획득하고 처리하는 차세대 라이다 센서장치 및 이의 신호처리 방법이 개시된다. 본 발명에 따르면 관측 대상물의 위치 및 속도를 측정할 수 있는 3차원 이미지 라이다 센서에 부가적으로 사물의 색상 및 반사율과 같은 고유한 물질의 특성을 측정할 수 있는 기능을 추가함으로써 보다 정확하고 신속하게 사물을 식별하고 추적하는 것이 가능하다. 또한, 다수의 라이다 센서들이 측정 가능 거리가 중첩되는 공간 상에 분포할 경우 이웃하는 라이다 센서 신호들 간의 간섭 및 자연 발생적인 노이즈를 제거하는 것이 가능하다.

Description

다-파장 이미지 라이다 센서장치 및 이의 신호처리 방법{MULTI-WAVE IMAGE LIDAR SENSOR APPARATUS AND SIGNAL PROCESSING METHOD THEREOF}
본 발명은 레이저 또는 빛을 기반으로 사물의 거리 및 형상을 검출하기 위한 라이다 센서장치 및 이의 신호처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사물의 거리 및 형상 정보에 부가적으로 사물의 개별 특성 정보를 획득하고 처리하는 차세대 라이다 센서장치 및 이의 신호처리 방법에 관한 것이다.
공간 상에 분포하는 사물의 형상과 위치를 실시간으로 검출함으로써 보다 지능화된 기기와 서비스의 개발을 위한 노력들이 진행되고 있다. 이를 위한 다양한 센서 중에서 카메라 비젼은 사물의 2차원 이미지와 색상 정보를 높은 해상도로 검출 가능하며, 양안식 카메라의 경우 비교적 가까운 사물에 대한 위치 정보를 추가하여 3차원 이미지의 구성이 가능하다. RF신호를 이용하는 레이더(radar) 센서는 원거리에 존재하는 검출 가능한 크기 이상의 사물들에 대하여 위치와 이동 속도에 대한 정보를 제공하는 것이 가능하고, 이와 유사하게 빛을 이용하는 레이저 스캐너 또는 라이다(lidar) 센서는 사물의 위치 및 이동 속도와 함께 형상에 대한 정보를 실시간으로 제공하는 것이 가능하다.
카메라 비젼은 기본적으로 자연 가시 광을 수신하는 검출기를 중심으로 단순한 시스템의 구성이 가능하지만, 야간 또는 터널과 같은 주변 환경에 따라 광량이 부족한 경우에는 헤드라이트 또는 플래시라이트와 같은 비교적 고출력의 조명을 필요로 한다.
라이다 센서는 가시광 또는 IR 영역의 레이저 빔을 발사하고 사물로부터 수신되는 신호를 검출하는 방식을 사용하여 주변환경 변화에 무관하게 동일한 방법으로 정보를 획득할 수 있지만, 카메라 수준의 해상도를 가지는 이미지 정보를 얻기 위하여는 복잡한 시스템 구성과 높은 비용이 예상된다.
본 명세서 라이다 센서는 일반적으로 백색광 및 LED와 같은 논-코히런스(non-coherence) 특성의 광원과 레이저와 같은 코히런스(coherence) 특성의 광원을 사용하는 경우를 모두 포함하여 지칭하며, 레이저 광원을 이용하는 경우를 특정할 경우 레이저 센서로 표현한다.
현재 3차원 이미지 획득을 위하여 개발된 레이저 센서는 크게 레이저 스캐너와 플래쉬 레이저 라이다의 형태로 구분될 수 있다. 레이저 스캐너는 하나 또는 다수의 레이저 포인터 빔을 이용하여 공간을 빠르게 회전 또는 라인 스캐닝하며 현재 초당 수십 프레임 정도의 속도로 3차원 이미지 정보를 수집하는 것이 가능하다. 레이저 스캐너의 대표적인 제품으로는 Velodyne 사의 HDL-64E 및 HDL-32E 제품이 있으며, 64개 또는 32개의 레이저 광원들과 이에 대응하는 수신기들을 가진다. 이와 유사하게 SICK사의 LD-MRS 모델과 IBEO사의 LUX 8L 모델의 경우에도 4개 또는 8개의 레이저 광원들을 사용하여 10도 이내의 수직방향의 시야각을 확보함으로써 제한적이나마 3차원 이미지를 획득하는 것이 가능한 레이저 스캐너 제품들이다.
플래쉬 라이다는 카메라 플래쉬라이트와 유사하게 레이저 빔을 공간 상에 확산하여 발사하고, 카메라 CMOS 이미지 센서와 유사하게 수신되는 반사광을 어레이 수신소자의 단위셀들을 통하여 화소별 이미지 정보를 획득한다. 대표적으로 ASC사의 3D Flash Lidar 제품이 있으며, Eye-safety를 위하여 1550 nm 파장의 레이저 광원을 포함하는 플래쉬 송신부와 128 x 128 InGaAs APD array를 포함하는 수신부를 가진다.
위에서 예를 든 레이저 센서들은 단일 레이저를 사용하거나, 여러 파장의 레이저들을 사용한다 하더라도 서로 다른 시야 각을 확보하기 위한 수단으로 사용하기 때문에 사물의 형상 정보를 획득하는데 있어 색상(color) 정보의 수집이 불가능하다. 따라서 단색(monochromatic)의 점들로 이미지 정보를 획득한 다음 이웃하는 점 집합의 위치 및 형상 정보를 기반으로 한 신호처리를 통하여 사물을 분류하고, 각 사물에 따른 일반적인 색상들을 임의로 할당하는 방식으로 사물을 시각적으로 구분하는 방법을 사용한다.
그러나 단색보다는 색상정보를 가지는 이미지 정보를 획득하여, 이를 신호처리 한다면 사물의 분류와 추적이 보다 명확해지고 용이할 것이다.
대기 중에 분포하는 특정 물질을 측정하기 위한 종래의 기술로, Differential Absorption Lidar (DIAL)는 관측 대상에 대하여 흡수율이 서로 다른 두 개의 파장을 가지는 레이저를 이용하여 상대적인 흡수율의 차이에 따라 특정 가스의 존재와 농도를 관측한다. U.S Pat. No. 5157257에서 Allen R. Geiger et al은 “Mid-infrared light hydrocarbon DIAL Lidar”를 위하여 6개의 IR 파장을 가지는 레이저 빔들을 시간 다중 또는 파장 다중화하여 사용하기 위한 시스템 구성 및 방법을 제시하였다.
3차원 이미지에 부가적으로 색상정보를 더 측정하기 위한 종래의 레이저 센서 기술로, U.S 2010/0302528 A1에서 David S. Hall는 공간상의 사물의 한 지점에 대한 정보를 획득하는데 있어, 1개의 적외선 파장(IR) 레이저와 이에 대응하는 1개의 IR 수신기를 사용하여 거리정보를 획득하고, 각각 Red, Green, Blue (RGB)의 가시광 영역 파장을 가진 3개의 레이저와 이에 대응하는 각각의 RGB 수신기들을 사용하여 색상 정보를 획득하는 color laser scanner를 제안하였다. 이러한 방법을 통하여 RGB 색상정보와 함께 고해상도의 3차원 이미지 정보를 획득할 경우, 단일 라이다 센서로 가시광 영역 카메라 기능까지 통합할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
그러나 서로 다른 파장을 가지는 4개의 레이저들이 이웃하여 조립되어 동일한 지점을 지향하도록 구성하므로, 레이저들의 지향점이 일치하도록 정교하게 정렬한다고 하더라도 다소간의 상이한 관측지점을 관측하는 오차가 발생할 가능성이 높다. 아울러 수직방향 축의 이미지 정보를 위하여 HDL-64E 모델에서와 같이 64 채널을 구성한다면 모두 254 (64 x 4)개의 레이저와 동일한 수만큼의 수신기를 필요로 할 것이다.
특히, 코히런트 특성을 가지는 가시광 영역의 레이저 포인트 광원의 경우 동일한 세기의 백색광에 비하여 눈에 보다 심각한 위험을 야기하므로 Eye-safety에 대한 고려가 필요하다. 이를 위하여 레이저의 출력 제어와 함께 파장의 선택이 중요한데, 1550 nm와 같은 장파장 IR 영역은 가시광 영역에 비하여 각막 및 수정체 부분에서 수분에 의한 흡수율이 높아 망막의 시신경에 손상을 피할 수 있으며, 우수한 광전 변환 특성을 가지는 InGaAs 계열의 수신소자를 활용할 수 있는 장점을 가진다.
따라서 선행특허 U.S 2010/0302528 A1에서와 같이 RGB 파장을 위한 3개의 가시광 레이저들을 1개의 채널로 하여, 기존의 제품과 같이 수직방향으로 32 채널 또는 64 채널을 구성하는 라이다 센서의 경우 눈에 대한 안정성을 확보하기 위하여 출력 세기와 측정 가능 거리 사이에 제한이 있을 것으로 예상된다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 측정 대상이 되는 사물의 색상 또는 반사율과 같은 고유 특성을 추가적으로 검출하여 사물 식별 능력이 향상된 고차원의 다-파장 이미지 라이다 센서장치 및 이의 신호처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 동일한 파장을 사용하는 다수의 라이다 센서들이 측정 가능 거리가 중첩되는 공간 상에 분포할 경우, 이웃하는 센서 신호들 간의 간섭으로 인하여 가상의 이미지 또는 노이즈 정보들이 생성될 가능성이 높은데, 이러한 오류가 감소된 고차원의 다-파장 이미지 라이다 센서장치 및 이의 신호처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 다-파장 이미지 라이다 센서장치는 다-파장 광 펄스 신호를 출력하는 송신부와, 상기 다-파장 광 펄스 신호를 송신 광 신호로 변환하여 공간 상으로 출력하고, 상기 송신 광 신호가 공간 상의 물체에 반사되어 되돌아 오는 신호들을 집광한 수신 광 신호를 수신부에 전달하는 송수신 광학부와, 상기 수신 광 신호에 대해 각 파장 별 반사신호의 세기를 측정하는 수신부, 및 상기 각 파장 별 반사신호 세기에 따라 달라지는 상기 수신 광 신호에 대한 색 좌표 정보(Chromatic coordinate information)를 연산하는 프로세서를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 프로세서는 상기 각 파장 별 반사신호 세기 사이의 비율들을 연산하여, 이를 상기 색 좌표 정보로 사용한다.
여기서, 상기 프로세서는 각 파장 별 반사신호 세기 사이의 비율들에 따라 계층적인 클래스로 분류된 물질 데이터베이스와 상기 색 좌표 정보를 비교하여, 상기 색 좌표 정보에 매칭되는 물질들에 대한 확률적인 정보를 제공한다.
또한, 상기 프로세서는 측정 대상 공간 상에 위치하는 물체들의 각 측정 지점에 반사되어 각 수신 광 신호가 돌아오는 시간에 따라 결정되는 상기 각 측정 지점의 3차원 위치 좌표 정보와, 상기 색 좌표 정보를 이용하여 상기 측정 대상 공간에 대한 3차원 이미지 프레임을 구성한다.
일 실시예로서, 상기 송신 광 신호는 임의의 파장을 갖는 제1 파장 광 펄스 신호와, 상기 제1 파장 광 펄스 신호에 대해 기 정의된 시간 간격을 갖는 제2 파장 광 펄스 신호를 포함한다.
다른 실시예로서, 상기 송신 광 신호를 구성하는 여러 파장의 단일 파장 광 펄스 신호들 중에서 적어도 어느 하나의 단일 파장 광 펄스 신호는 기 정의된 시간 간격을 갖는 이중 펄스 형태로 생성된다.
한편, 상기 수신부는 상기 수신 광 신호에 대해 각 파장 별로 검출되는 광 펄스 신호들의 시간 간격을 상기 송신 광 신호에서 기 정의된 시간 간격과 비교하여 허용 가능한 오차 범위 내에서 수신되는지 여부를 확인하여 수신 신호의 신뢰도를 평가한다.
다른 한편으로, 상기 수신부는 상기 수신 광 신호에 대해 어느 하나의 단일 파장 광 펄스 신호가 기 정의된 시간 간격을 갖는 이중 펄스 형태인지 여부를 확인하여 수신 신호의 신뢰도를 평가한다.
일 실시예로서, 상기 송신부는 일정한 시간 간격을 갖는 서로 다른 파장의 광 펄스 신호들을 출력하는 광원들과, 상기 광 펄스 신호들을 단일 광도파로에 다중화 집적하여 다-파장의 송신 광 펄스 신호로 출력하는 필터들을 포함한다.
일 실시예로서, 상기 송수신 광학부는 다-파장의 송신 광 펄스 신호를 준 포인터 평형 집적 광신호로 변환하는 송신측 시준기(collimator)와, 상기 준 포인터 평형 집적 광 신호 중에서 일부를 투과시키고, 일부를 반사시키는 광 분배기와, 상기 광 분배기에 의해 분배된 광 신호 중 일부를 공간 상에 포인터 스캐닝하는 빔 스캐너와, 상기 광 분배기에 의해 분배된 광 신호 중 다른 일부를 상기 광 분배기로 전반사하는 반사 거울과, 공간 상에 포인터 스캐닝된 광 신호가 물체의 일 지점에 반사되어 돌아오는 신호들을 집광하여 상기 수신부로 전달하는 수신측 시준기를 포함한다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다-파장 라이다 센서장치를 활용할 경우, 관측 대상물의 위치 및 속도를 측정할 수 있는 3차원 이미지 라이다 센서에 부가적으로 사물의 색상 및 반사율과 같은 고유한 물질의 특성을 측정할 수 있는 기능을 추가함으로써 보다 정확하고 신속하게 사물을 식별하고 추적하는 것이 가능할 것으로 기대한다.
또한 본 발명에 따른 다-파장 송수신 펄스 신호들의 생성과 수신 방법을 통하여, 다수의 라이다 센서들이 측정 가능 거리가 중첩되는 공간 상에 분포할 경우 이웃하는 라이다 센서 신호들 간의 간섭 및 자연 발생적인 노이즈를 제거하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3-파장 이미지 스캐닝 라이다 센서장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3-파장 이미지 플래시 라이다 센서장치의 구성도.
도 3은 송신 펄스 신호의 생성과 수신 펄스 신호의 시간 관계를 나타낸 도면.
도 4는 공간 상의 물체들에서 서로 다른 측정 지점의 예를 도시한 도면.
도 5는 도 4의 측정 지점 및 파장에 따른 반사율의 예를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 다른 면에 따른 측정된 센서신호를 활용한 신호처리 방법의 일 실시예를 나타내는 흐름도.
도 7은 파장 별 반사율 간의 상호 비율에 따른 물질 분류의 일 예를 도시한 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에서는 각기 다른 복수의 파장 광원을 포함하는 라이다 센서 신호들을 기본적인 측정 수단으로 하여, 3차원 이미지와 함께 공간 상의 사물들의 서로 다른 특징들을 추출함으로써 사물의 식별과 추적을 위한 신호처리 방법을 제안하는 것을 주 목적으로 한다. 본 명세서에서는 일 실시예로서, 3-파장 라이다 센서를 구성하는 방법을 제시하며, 이는 U.S 2010/0302528 A1에서 제안된 칼라 레이저 스캐너와는 차별적인 특징들을 가지지만, 대기상의 물질 특성을 측정하기 위하여 개발된 2개 이상의 파장을 가지는 DIAL 기술들과는 오히려 유사성을 가진다.
따라서 도 1과 도 2를 참조하여 종래의 다파장 라이다 센서장치의 구성에 대해 일부 차별화된 요소를 중심으로 3-파장 라이다 센서장치의 일 실시 예를 설명하고, 도 3 내지 도 7을 참조하여 3-파장 라이다 센서장치에서의 신호처리 방법을 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3-파장 이미지 스캐닝 라이다 센서장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3-파장 이미지 스캐닝 라이다 센서장치는 송신부(110), 송수신 광학부(120) 및 수신부(140)를 포함하여 구성된다.
송신부(110)는 3 파장 광원들(111, 112, 113)과, 이들로부터 출력되는 각각 l1, l2, l3의 파장을 가진 광 펄스 신호들(11, 12, 13)을 단일 광도파로(116)에 다중화 집적하기 위한 WDM 필터들(114, 115)로 구성되며, 다중화 집적된 3 파장 광 펄스 신호들(117)은 일정한 시간 차 간격을 가지고 출력된다.
송수신 광학부(120)는 송신부(110)의 광도파로(116)에서 출력되는 송신 광 펄스 신호(14)를 준 포인터 평형 집적 광 신호(122)으로 변환하는 송신측 시준기(collimator, 121)와. 이를 부분적으로 투과 및 반사하는 광 분배기(123)와, 분배된 집적 광 신호의 일부분(예컨대, 광 신호(122)의 90%)(124)를 측정 대상 공간 상에 포인터 스캐닝하기 위한 빔 스캐너(128)를 포함한다.
또한, 상기 송수신 광학부(120)는 분배된 집적 광 신호의 다른 일부분(예컨대, 광 신호(122)의 10%)(125)를 광 분배기(123)으로 전반사하는 반사거울(126)과, 상기 빔 스캐너(128)에 의해 공간 상에 출력되는 포인터 빔(129)이 물체(130)의 일 지점(131)에서 반사되어 되돌아 오는 광 신호(132)가 빔 스캐너(128)를 통하여 전달되는 수신 광 신호(133)를 집광하여 수신부(140)로 전달하기 위한 수신측 시준기 (134)를 더 포함한다.
반사거울(126)에서 전반사된 집적 광 신호(122)의 일부분(125)은 광 분배기(123)에서 다시 부분 반사되고 일부분(예, 광 신호(122)의 10%의 90%, 즉 9%)(127)이 수신측 시준기(134)를 통하여 역시 수신부(140)로 전달된다.
여기서, 상기 수신측 시준기(134)를 통하여 수신부(140)로 전달되는 일부의 송신 광 신호는 송신 포인터 빔(129)의 출력 세기 및 펄스 타이밍을 모니터링 하기 위한 송신 모니터링 광 신호(127')로 활용된다.
이때, 상기 송신 모니터링 광 신호(127)와, 공간 상의 물체(130)로부터 되돌아 오는 수신 광신호(135)는 일정한 시간 간격을 가지며 수신 측 시준기(134)로부터 수신부(140)로 전달된다.
한편, 송신 포인터 빔(129)의 평형 집적도, 즉 빔의 크기 및 각도는 송신부(110)로부터의 평형 집적 광 신호(122), 송신측 시준기(121), 광분배기(123) 및 빔 스캐너(128)에 포함된 광학계와 빔의 광학적 거리의 조합에 의하여 결정된다.
빔 스캐너(128)와 수신측 시준기(134) 사이에서 수신 광신호(133) 진행 축의 수직방향에 대하여 광 분배기(123)의 위치는, 수신부(140)의 광학계와 수신측 시준기(134)에 의하여 결정되는 수신기의 입사 수용각에 의하여 결정된다.
따라서, 상기 광 분배기(123)는 필요에 따라 수신 광신호(133)의 빔 크기 가장자리 밖에 위치하거나 또는 빔 크기 내의 임의의 지점에 위치할 수 있다.
수신부(140)는 송신 모니터링 광 신호(127')와 수신 광 신호(135)에 포함된 서로 다른 파장의 펄스 신호를 역다중화하기 위한 WDM 필터들(145, 146)과, 이로부터 분기되는 l1, l2, l3의 각 파장 신호들(17, 18, 19)을 수신하기 위한 검출기들(141, 142, 143)로 구성된다.
송신 모니터링 광 신호(127')에 포함된 3-파장 신호는 송신 포인터 빔(129)의 출력과 함께 파장 별로 해당 수신기들(141, 142, 143)로 입력되어 송신 출력의 세기와 펄스 타이밍을 위한 정보를 제공하고, 수신 광 신호(135)에 포함된 3-파장 수신 신호는 반사지점(131)까지 왕복에 필요한 시간 후에 입력되어 물체까지의 거리, 방향 및 각 파장 별 반사신호 세기를 위한 정보를 제공한다.
한편, 본 발명에 따른 라이다 센서장치는 동일한 파장을 사용하는 다수의 라이다 센서들이 측정 가능 거리가 중첩되는 공간 상에 분포할 경우, 이웃하는 센서 신호들 간의 간섭으로 인하여 가상의 이미지 또는 노이즈 정보들이 생성될 가능성이 높으므로 이러한 오류를 감소할 수 있는 수단을 제공한다.
이를 위한 구체 구성으로서, 송신부(110)에서 출력되는 송신 광 펼스 신호는 임의의 파장을 갖는 제1 파장 광 펄스 신호와, 상기 제1 파장 광 펄스 신호에 대해 기 정의된 시간 간격을 갖는 제2 파장 광 펄스 신호로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제2 파장 광 펄스 신호는 상기 제1 파장 광 펄스 신호와 다른 파장을 가지는 어느 하나의 신호를 의미하는 것이 아니라, 상기 제1 파장 광 펄스 신호와 다른 파장을 갖는 모든 광 펄스 신호의 집합을 의미하는 것으로 해석된다.
또한, 상기 송신 광 펄스 신호를 구성하는 여러 파장의 단일 파장 광 펄스 신호들 중에서 적어도 어느 하나의 단일 파장 광 펄스 신호는 기 정의된 시간 간격을 갖는 이중 펄스 형태로 생성될 수 있다.
도 3을 참조하여, 간섭 및 노이즈를 제거하기 위해 본 발명에서 제안하고 있는 기술적 사상에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 3에서 그래프 301, 302, 303은 3-파장 이미지 라이다 송신부의 l1 파장 광원으로부터 출력되는 펄스 신호(311)와, l2 파장 펄스 신호(312) 및 l3 파장 펄스 신호(313)들이 각각 시간차 d1, d2를 가지는 하나의 송신 펄스 그룹으로 출력되는 것을 보인다.
시간 구간 T(310)는 라이다 센서장치에서 송신 펄스신호의 출력 시점 t0에서 측정하고자 하는 최대 목표 거리까지 빛이 도달하는 시간의 2배에 해당하는 시점 t1까지의 시간 간격을 나타낸다.
그래프 304, 305, 306는 최대 목표 거리보다 가까운 물체들로부터 반사되어 돌아오는 수신 신호들과 시간 간격을 보인다.
도 3을 참조하면, 정상적인 3-파장 수신 펄스 신호들(321, 322, 323)은 송신 펄스 신호들(311, 312, 313)이 경로 상의 물체로부터 반사되어 시간 간격 M1(320)에 수신되고, l1 파장 펄스(321)에 대하여 l2 및 l3 파장 펄스 신호들(322, 323)이 각각 d1 및 d2의 시간차를 가지는 것을 알 수 있다.
또한, 정상적으로 M2(330)의 시간에 수신된 l1 및 l2 파장의 수신 펄스 신호들(331, 332)과는 달리, l3 수신 펄스 신호는 l1 파장 펄스(331)에 대하여 d2의 시간차 내에 존재하지 않은 사실이 확인된다. 만약 l1, l2, l3 파장 송신 펄스 신호들(311, 312, 313) 중에서 l3 파장 펄스 신호가 물체에 의하여 완전 흡수되거나 수신기에서 검출 가능한 정도 이하의 세기로 시간 간격 수신될 경우가 이러하다.
이와 같이, 3-파장 송신 펄스 신호들을 d1 및 d2의 시간차를 두고 생성하는 것은 서로 다른 파장의 송신 광 신호들의 출력 세기를 시간에 대하여 얼마간 분산하기 위한 효과도 있지만, 위의 경우에서 나타낸 바와 같이 라이다 센서장치의 수신부에서 각 파장 별로 검출되는 펄스 신호들의 간격을 송신 펄스 신호들의 간격과 비교하여 허용 가능한 오차 범위 내에서 수신되는 지 여부의 확인함으로써 검출되는 수신 신호의 신뢰도를 확인하는 수단으로 활용될 수 있다.
다른 한편으로, 각 파장 펄스 신호들(311, 312, 313) 간에 d1, d2의 시간 간격을 가지면서 부가적인 수단으로, 참조부호 350에 보인 바와 같이 단일파장 신호에 대하여 t(353)의 시간 간격을 가지는 2중 펄스의 형태로 생성된 송신 펄스 신호를 사용하여 측정 데이터의 신뢰도를 향상 하는 것이 가능하다.
즉, 각 파장별 수신 펄스 신호들의 시간 간격이 송신 펄스 신호의 시간 간격 d1 및 d2에 대하여 허용 오차 범위 내에 있지 않다면, 수신된 신호는 다른 라이다에 의하여 생성된 간섭 신호 또는 노이즈로 해석될 수 있다.
또한, 그래프 306에서 신호 343과 같이 단일 파장의 펄스만이 수신되는 경우, 360에서 단일 파장 수신 펄스 간의 시간 간격 t(361)에 대한 확인을 통하여 수신 신호가 노이즈에 의한 것인지 또는 3-파장 송신 펄스 신호들 중에서 2개의 파장 신호가 목표물에 의하여 흡수되거나 검출 불가능한 세기로 반사되어 수신되는 경우에 해당하는 지 구분하는 것이 가능하다. 도 3에 보인 바와 같이 단일 파장 2중 펄스의 시간 간격 t와 각 파장별 펄스 신호들 사이의 시간 간격 d1 및 d2는 각 라이다 별로 다른 시간 간격의 조합을 가지도록 함으로써 주변의 다른 라이다로부터의 간섭 신호 또는 자연 발생적인 노이즈들을 검출기의 수신신호로부터 제거할 수 있는 수단을 제공한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3-파장 이미지 스캐닝 라이다 센서장치는 수신 광 신호(135)를 처리하기 위한 프로세서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
프로세서는 수신부(140)에서 측정된 상기 각 파장 별 반사신호 세기에 따라 달라지는 상기 수신 광 신호에 대한 색 좌표 정보(Chromatic coordinate information)를 연산한다.
구체적으로 설명하면, 상기 프로세서는 상기 각 파장 별 반사신호 세기 사이의 비율들을 연산하여, 이를 상기 색 좌표 정보로 사용한다.
다른 한편으로, 상기 프로세서는 각 파장 별 반사신호 세기 사이의 비율들에 따라 계층적인 클래스로 분류된 물질 데이터베이스와 상기 색 좌표 정보를 비교하여, 상기 색 좌표 정보에 매칭되는 물질들에 대한 확률적인 정보를 제공한다.
또한, 상기 프로세서는 측정 대상 공간 상에 위치하는 물체들의 각 측정 지점에 반사되어 각 수신 광 신호가 돌아오는 시간에 따라 결정되는 상기 각 측정 지점의 3차원 위치 좌표 정보와, 상기 색 좌표 정보를 이용하여 상기 측정 대상 공간에 대한 3차원 이미지 프레임을 구성한다.
이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여 상기 프로세서에서 수행되는 신호처리 방법에 대해 구체적으로 살펴본다.
도 4는 공간상의 물체(410) 표면에 분포하는 임의의 관측 지점 P1(411), P2(412), P3(413)와 물체(420) 표면에 분포하는 임의의 관측 지점 P4(421) 및 P5(422)를 나타낸다.
도 5는 도 4에 표시된 임의의 관측지점들 P1~P5에서 3파장 라이다 광원의 파장에 따른 반사율(reflectance)를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 동일 물질로 구성된 물체(410) 상의 관측 지점들 P1~P3에서의 반사율 그래프는 유사한 경향을 가지지만 물체(410) 표면의 상태 및 기울기 등에 의하여 다른 수치들을 나타낸다.
마찬가지로 다른 동일한 물질로 구성된 물체(420) 상의 관측 지점들 P4 및 P5에서의 반사율 그래프들은 유사한 경향을 보이지만, 물체(410) 상의 관측 지점들(P1, P2, P3)에서의 반사율 그래프와는 다른 경향을 나타낸다.
3-파장 이미지 라이다 센서장치에서 사용되는 파장들은 가시광 영역의 Blue, Green, Red를 위한 파장들(461, 462, 463)로 선택함으로써 full-color 이미지의 구현이 가능하지만, Eye-safety를 위하여 적외선 영역 내에서의 l1, l2, l3 파장들(471, 472, 473)만으로 선택 될 수 있다.
일 실시예로서, 적외선 영역의 파장 l1 신호로부터 측정되는 수신신호의 세기를 Blue, 파장 l2 신호로부터 측정되는 신호를 Green, 파장 l3로부터 측정되는 신호를 Red 칼라를 위한 값들로 활용할 수 있다.
적외선 영역의 파장들로부터 측정된 신호에 의하여 표현된 color 이미지는 인간의 시각에 의해 보이는 실제 색상과는 다르게 표현될 것이지만, 3-파장 라이다 센서장치에 의하여 측정된 센서 신호들을 칼라 디스플레이를 통하여 직접 표현하는데 있어 사람의 눈으로 사물들 간에 직관적인 분류가 가능 하도록 할 뿐 아니라, 자동화를 위한 신호처리에 있어 사물의 식별 및 추적을 위한 색 좌표(chromatic coordinate)으로 활용이 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 면에 따른 측정된 센서신호를 활용한 신호처리 방법의 일 실시예를 나타내는 흐름도이다.
본 발명에 따른 신호처리 방법은 측정 대상이 되는 공간 상의 임의의 측정 지점으로부터 반사되어 수신되는 3-파장 신호를 획득하는 단계(S10), 이어서 도 3에서 설명한 것처럼 송수신 신호들간의 시간 간격들을 확인함으로써 불필요한 간섭 또는 노이즈 신호들을 제거하는 단계(S20), 이어서 필터링된 신호들을 기반으로 각 측정 지점에 대한 x, y, z 좌표와 파장 별 반사율을 결정하는 단계(S30), 이어서 각 측정 지점에 대하여 색상 정보를 나타내는 색 좌표 정보(chromatic coordinate)와, l1, l2, l3 파장에서의 반사율(반사신호의 세기) 사이의 비율들을 결정하는 단계(S40)를 포함한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 신호처리 방법은 전술한 S10 내지 S40 단계를 거쳐 측정 대상 공간을 단일 3차원 이미지 프레임으로 구성한다. 그 결과, 측정 대상 공간의 각 측정 지점들에 대해 3차원 위치좌표 정보와 색 좌표 정보가 하나의 세트로 생성되고, 각 측정 지점들에 대한 상기 정보 집합은 chromatic 3D point cloud data로 생성된다.
이후, 상기 chromatic 3D point cloud data를 기반으로 객체 검출 및 객체 추적과 같은 후처리 단계가 수행된다.
구체적으로, 색 좌표 정보를 기반으로 이미지를 분류하는 단계(S50), 이어서 분류된 이미지 정보로부터 지표면(ground)과 관측 대상들(objects)을 분류하는 단계(S60), 이어서 관측 대상물들을 식별하는 단계(S70)가 수행된다.
예컨대, 물체 크기와 측정 가능한 표면이 있을 경우 그 표면의 수직성분 방향을 결정하고, 관측 대상물을 구성하는 포인트 정보들로부터 색상정보 및 반사율 계수의 중간값과 평균값을 결정한다.
이어서, S70 단계까지 신호처리를 거친 연속적인 3차원 이미지 프레임들로부터 관측 대상물을 시간에 따라 추적하는 단계(S80)가 수행된다. 단계 S80에서 관측 대상물들의 위치 추적을 통하여 이동 상태의 목표물을 분류하고 이동 속도를 측정하며, 물체의 크기 및 표면 수직방향의 변화 추적을 통하여 물체의 회전여부까지 관측이 가능하다.
도 7은 도 6의 S40 단계에서 파장별 반사율의 비율을 여러 단계의 클래스(계층)로 구분하고, 각 계층 별로 해당되는 여러 물질들을 분류한 표를 나타낸다. 계층마다 여러 개여 해당 물질이 존재 가능하며, 이때 실제 자연계에 분포하는 정도에 따라서 물질들 간의 우선 순위를 결정함으로써, 3-파장 라이다 센서장치에서 관측된 대상물이 어떤 물질로 구성되었을 가능성을 확률적인 정보로 제공할 수 있다.
도 2를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 3-파장 이미지 플래시 라이다 센서장치를 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3-파장 이미지 플래시 라이다 센서장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3-파장 이미지 플래쉬 라이다 센서장치는 송신부(210)와, 수신부(240)를 포함하여 구성된다.
송신부(210)는 3 파장 광원들(211, 212, 213)과, 이들로부터 출력되는 각각 l1, l2, l3의 파장을 가진 광 펄스 신호들(21, 22, 23)을 단일 광도파로(216)에 다중화 집적하기 위한 WDM 필터들(214, 215)을 포함한다. 이들 구성은 도 1의 송신부와 동일하므로 구체 설명은 생략한다.
광 분배기(221)는 3-파장 송신 광 신호(217) 세기의 일부분(예, 10%)을 분기(222)하고 이를 광 검출기(223)를 통하여 모니터링 함으로써 출력 광신호(224, 226)의 세기 및 펄스 타이밍 정보를 제공한다.
3-파장 송신 광 신호(217)의 다른 일부분(예, 90%)의 광 신호(224)는 빔 확장기(225)을 통하여 비교적 넓은 발산 각을 가지는 3-파장 광 송신 신호(226)로 변환되어 측정 공간으로 출력된다.
수신부(240)는 물체들로부터 반사되는 3-파장 광 신호(231)를 수신하여 집광하기 위한 시준기(232)와 수신 광신호(233)를 파장별로 역다중화하기 위한 WDM 필터들(245, 246) 및 각 파장별 광신호(27, 28, 29)를 수신하기 위한 검출기들(241, 242, 243)로 구성된다.
한편, 상술한 본 발명에 따른 라이다 센서장치에서의 신호처리 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 송신부 120: 송수신 광학부
130: 물체 140: 수신부
111,112,113: 광원 114,115: WDM 필터
116: 광도파로 121: 송신측 시준기
123: 광 분배기 126: 반사 거울
128: 빔 스캐너 134: 수신측 시준기
141,142,143: 수신기 145,146: WDM 필터
210: 송신부 240: 수신부
211,212,213: 광원 214,215: WDM 필터
216: 광도파로 223: 광 검출기
225: 빔 확장기 232: 시준기
241,242,243: 검출기 245,246: WDM 필터

Claims (19)

  1. 다-파장 광 펄스 신호를 출력하는 송신부;
    상기 다-파장 광 펄스 신호를 송신 광 신호로 변환하여 공간 상으로 출력하고, 상기 송신 광 신호가 공간 상의 물체에 반사되어 되돌아 오는 신호들을 집광한 수신 광 신호를 수신부에 전달하는 송수신 광학부;
    상기 수신 광 신호에 대해 각 파장 별 반사신호의 세기를 측정하는 수신부; 및
    상기 각 파장 별 반사신호 세기에 따라 달라지는 상기 수신 광 신호에 대한 색 좌표 정보(Chromatic coordinate information)를 연산하는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는, 각 파장 별 반사신호 세기 사이의 비율들에 따라 계층적인 클래스로 분류된 물질 데이터베이스와 상기 색 좌표 정보를 비교하여, 상기 색 좌표 정보에 매칭되는 물질들에 대한 확률적인 정보를 제공하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 각 파장 별 반사신호 세기 사이의 비율들을 연산하여, 이를 상기 색 좌표 정보로 사용하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는,
    측정 대상 공간 상에 위치하는 물체들의 각 측정 지점에 반사되어 각 수신 광 신호가 돌아오는 시간에 따라 결정되는 상기 각 측정 지점의 3차원 위치 좌표 정보와, 상기 색 좌표 정보를 이용하여 상기 측정 대상 공간에 대한 3차원 이미지 프레임을 구성하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 송신 광 신호는,
    임의의 파장을 갖는 제1 파장 광 펄스 신호와, 상기 제1 파장 광 펄스 신호에 대해 기 정의된 시간 간격을 갖는 제2 파장 광 펄스 신호, 상기 제2 파장 광 펄스 신호에 대해 기 정의된 시간 간격을 갖는 제 3파장 광 펄스 신호를 포함하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 송신 광 신호를 구성하는 여러 파장의 광 펄스 신호들은 적어도 하나 이상의 단일 파장 광 펄스 신호를 포함하되, 상기 단일 파장 광 펄스 신호는 기 정의된 시간 간격을 갖는 이중 펄스 형태로 생성된 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 수신부는,
    상기 수신 광 신호에 대해 각 파장 별로 검출되는 광 펄스 신호들의 시간 간격을 상기 송신 광 신호에서 기 정의된 시간 간격과 비교하여 허용 가능한 오차 범위 내에서 수신되는지 여부를 확인하여 수신 신호의 신뢰도를 평가하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 수신부는,
    상기 수신 광 신호에 대해 어느 하나의 단일 파장 광 펄스 신호가 기 정의된 시간 간격을 갖는 이중 펄스 형태인지 여부를 확인하여 수신 신호의 신뢰도를 평가하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 송신부는,
    일정한 시간 간격을 갖는 서로 다른 파장의 광 펄스 신호들을 출력하는 광원들과, 상기 광 펄스 신호들을 단일 광도파로에 다중화 집적하여 다-파장의 송신 광 펄스 신호로 출력하는 필터들을 포함하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 송수신 광학부는,
    다-파장의 송신 광 펄스 신호를 준 포인터 평형 집적 광신호로 변환하는 송신측 시준기(collimator)와,
    상기 준 포인터 평형 집적 광 신호 중에서 일부를 투과시키고, 일부를 반사시키는 광 분배기와,
    상기 광 분배기에 의해 분배된 광 신호 중 일부를 공간 상에 포인터 스캐닝하는 빔 스캐너와,
    상기 광 분배기에 의해 분배된 광 신호 중 다른 일부를 상기 광 분배기로 전반사하는 반사 거울과,
    공간 상에 포인터 스캐닝된 광 신호가 물체의 일 지점에 반사되어 돌아오는 신호들을 집광하여 상기 수신부로 전달하는 수신측 시준기를 포함하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치.
  11. 다-파장 이미지 라이다 센서장치에서 송출된 다-파장의 송신 광 신호가 공간 상의 임의의 물체에 반사되어 돌아오는 수신 광 신호를 처리하는 방법에 있어서,
    (a) 임의의 물체의 임의의 측정 지점에 반사되어 돌아오는 상기 수신 광 신호를 수신하는 단계;
    (b) 상기 수신 광 신호에 포함된 각 파장 별 반사신호 세기 및 상기 임의의 측정 지점의 3차원 위치 좌표 정보를 결정하는 단계;
    (c) 상기 각 파장 별 반사신호 세기를 이용하여 상기 임의의 측정 지점에 대한 색 좌표 정보(Chromatic coordinate information)를 연산하는 단계; 및
    (d) 각 측정 지점에 대한 3차원 위치 좌표 정보와, 색 좌표 정보를 이용하여 측정 대상 공간에 대한 3차원 이미지 프레임을 구성하는 후처리 단계를 포함하고,
    상기 (d) 단계는, 각 파장 별 반사신호 세기 사이의 비율들에 따라 계층적인 클래스로 분류된 물질 데이터베이스와 상기 색 좌표 정보를 비교하여, 상기 색 좌표 정보에 매칭되는 물질들에 대한 확률적인 정보를 제공하는 단계를 포함하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치에서의 신호처리 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 색 좌표 정보를 연산하는 단계는,
    상기 각 파장 별 반사신호 세기 사이의 비율들을 연산하는 단계를 포함하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치에서의 신호처리 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 송신 광 신호는,
    임의의 파장을 갖는 제1 파장 광 펄스 신호와, 상기 제1 파장 광 펄스 신호에 대해 기 정의된 시간 간격을 갖는 제2 파장 광 펄스 신호, 상기 제2 파장 광 펄스 신호에 대해 기 정의된 시간 간격을 갖는 제 3파장 광 펄스 신호를 포함하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치에서의 신호처리 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 송신 광 신호를 구성하는 여러 파장의 단일 파장 광 펄스 신호들 중에서 적어도 어느 하나의 단일 파장 광 펄스 신호는 기 정의된 시간 간격을 갖는 이중 펄스 형태로 생성된 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치에서의 신호처리 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에 상기 수신 광 신호에서 간섭 및 노이즈를 제거하는 단계를 더 포함하되,
    상기 간섭 및 노이즈를 제거하는 단계는,
    상기 수신 광 신호에 대해 각 파장 별로 검출되는 광 펄스 신호들의 시간 간격을 상기 송신 광 신호에서 기 정의된 시간 간격과 비교하여 허용 가능한 오차 범위 내에서 수신되는지 여부를 확인하는 단계를 포함하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치에서의 신호처리 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에 상기 수신 광 신호에서 간섭 및 노이즈를 제거하는 단계를 더 포함하되,
    상기 간섭 및 노이즈를 제거하는 단계는,
    상기 수신 광 신호에 대해 어느 하나의 단일 파장 광 펄스 신호가 기 정의된 시간 간격을 갖는 이중 펄스 형태인지 여부를 확인하는 단계를 포함하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치에서의 신호처리 방법.
  17. 삭제
  18. 제11항에 있어서, 상기 후처리 단계는,
    각 측정 지점에 대한 3차원 위치 좌표 정보와, 색 좌표 정보를 이용하여 상기 3차원 이미지 프레임 상에서 이미지 정보를 분류하는 단계와,
    분류된 이미지 정보로부터 지표면과 관측 대상의 객체들을 분류하는 단계와,
    관측 대상의 객체들을 식별하는 단계를 포함하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치에서의 신호처리 방법.
  19. 제11항에 있어서, 상기 후처리 단계는,
    적외선 영역의 파장을 기반으로 측정된 상기 색 좌표 정보를 가시 영역의 삼원색(R, G, B)로 디스플레이(표현)하여 시각적 정보를 제공하는 단계를 포함하는 것
    인 다-파장 이미지 라이다 센서장치에서의 신호처리 방법.
KR1020130125375A 2013-10-21 2013-10-21 다-파장 이미지 라이다 센서장치 및 이의 신호처리 방법 KR102136401B1 (ko)

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