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KR20210073367A - 단속적인 연속파 광을 이용한 라이다 장치 - Google Patents

단속적인 연속파 광을 이용한 라이다 장치 Download PDF

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KR20210073367A
KR20210073367A KR1020190164143A KR20190164143A KR20210073367A KR 20210073367 A KR20210073367 A KR 20210073367A KR 1020190164143 A KR1020190164143 A KR 1020190164143A KR 20190164143 A KR20190164143 A KR 20190164143A KR 20210073367 A KR20210073367 A KR 20210073367A
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KR
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light
continuous wave
frequency
time
wave light
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KR1020190164143A
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신동재
변현일
신창균
장봉용
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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Priority to US16/886,180 priority patent/US11513226B2/en
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Priority to US17/976,190 priority patent/US11927670B2/en
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Abstract

전방에 있는 물체들의 속도 정보 및 거리 정보를 추출할 수 있는 라이다 장치가 개시된다. 개시된 라이다 장치는, 연속파 광을 발생시키는 연속파 광원; 상기 연속파 광을 외부에 방출하는 광 조향기; 물체로부터 반사된 광을 수광하여 수신 신호를 형성하는 수신기; 및 상기 수신기에서 형성된 수신 신호를 기초로 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성되는 신호 처리기;를 포함하며, 상기 광 조향기는 제 1 시간 동안 상기 연속파 광을 외부에 방출하고 제 2 시간 동안 상기 연속파 광을 외부에 방출하지 않도록 구성된다.

Description

단속적인 연속파 광을 이용한 라이다 장치 {LiDAR apparatus using interrupted continuous wave light}
개시된 실시예들은 라이다 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단속적인 연속파 광을 이용하여 전방에 있는 물체들의 속도 정보 및 거리 정보를 추출할 수 있는 라이다 장치에 관한 것이다.
최근 다양한 기능의 운전자보조시스템(Advanced Driving Assistance System; ADAS)이 상용화되고 있다. 예를 들어, 다른 차량의 위치와 속도를 인식하여 충돌 위험이 있을 경우에는 속도를 줄이고 충돌 위험이 없을 경우에는 설정된 속도 범위 내에서 차량을 주행하는 자동감응식 순항제어(Adaptive Cruise Control; ACC)나 전방 차량을 인식하여 충돌 위험이 있지만 운전자가 이에 대한 대응을 하지 않거나 대응 방식이 적절하지 않는 경우에 자동으로 제동을 가하여 충돌을 방지하는 자율긴급제동시스템(Autonomous Emergency Braking System; AEB) 등과 같은 기능을 장착한 차량이 증가하고 있는 추세이다. 또한, 가까운 장래에 자율 주행(autonomous driving)이 가능한 자동차가 상용화될 것으로 기대되고 있다.
이에 따라, 차량의 전방 정보를 제공하는 차량용 레이더의 중요성이 점차 증가하고 있다. 예를 들어, 레이저를 발사하여 산란되거나 반사된 레이저가 돌아오는 시간, 레이저의 세기 변화, 레이저의 주파수 변화, 레이저의 편광 상태 변화 등으로부터 측정 대상의 거리, 속도, 방위각 위치 등을 측정하는 라이다(LiDAR; light detection and ranging) 센서가 차량용 레이더로서 많이 사용된다.
라이다 센서는 크게 펄스를 이용하는 ToF(Time of Flight) 방식과 연속파 광을 이용하는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 방식이 있다. 펄스를 이용하는 ToF 방식의 경우, 펄스가 넓은 주파수 대역을 포함하고 있기 때문에 광대역 수신기를 사용하여야 한다. 이로 인해 잡음 억제가 어렵다. 한편, 연속파 광을 이용하는 FMCW 방식의 경우, 협대역 수신기를 사용하여 잡음을 억제할 수 있지만, 구현이 어렵고 고가인 고출력의 연속파 광원을 사용한다.
단속적인 연속파 광을 이용하여 전방에 있는 물체들의 속도 정보 및 거리 정보를 추출할 수 있는 라이다 장치를 제공한다.
협대역 수신기를 이용하여 잡음을 억제할 수 있고 저가의 저출력 연속파 광원을 사용할 수 있는 라이다 장치를 제공한다.
일 실시예에 따르면, 연속파 광을 발생시키는 연속파 광원; 상기 연속파 광을 외부에 방출하는 광 조향기; 물체로부터 반사된 광을 수광하여 수신 신호를 형성하는 수신기; 및 상기 수신기에서 형성된 수신 신호를 기초로 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성되는 신호 처리기;를 포함하는 라이다 장치가 제공된다. 여기서, 상기 광 조향기는 제 1 시간 동안 상기 연속파 광을 외부에 방출하고 제 2 시간 동안 상기 연속파 광을 외부에 방출하지 않도록 구성될 수 있다.
상기 광 조향기는 상기 연속파 광을 방출하는 제 1 시간과 방출하지 않는 제 2 시간이 주기적으로 반복되도록 구성될 수 있다.
상기 제 2 시간은 상기 제 1 시간보다 길 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 시간은 1ns 내지 1,000ns의 범위 내에 있을 수 있다.
상기 라이다 장치는, 상기 연속파 광원에서 발생한 연속파 광의 일부를 상기 광 조향기에 제공하고 나머지 일부를 상기 수신기에 제공하도록 구성된 광 분배기를 더 포함할 수 있다.
상기 수신기는 물체로부터 반사된 광과 상기 광 분배기로부터 제공된 연속파 광을 간섭하여 전기적인 수신 신호를 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 라이다 장치는 상기 연속파 광원에서 발생한 연속파 광을 증폭하여 증폭된 연속파 광을 상기 광 조향기에 제공하는 광 증폭기를 더 포함할 수 있다.
상기 광 증폭기는 상기 제 2 시간 동안 광 출력을 중단하도록 구성될 수 있다.
상기 광 조향기는 전방의 제 1 영역을 향해 상기 연속파 광을 다수 회 방출한 후에, 제 1 영역과 다른 제 2 영역을 향해 상기 연속파 광을 다수 회 방출하도록 구성될 수 있다.
상기 신호 처리기는, 상기 제 1 영역으로부터 수신한 다수의 수신 신호를 누적하여 누적된 수신 신호를 기초로 상기 제 1 영역에 있는 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하고, 상기 제 2 영역으로부터 수신한 다수의 수신 신호를 누적하여 누적된 수신 신호를 기초로 상기 제 2 영역에 있는 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 라이다 장치는 상기 연속파 광원이 주파수 변조된 광을 발생시키도록 상기 연속파 광원을 구동시키는 주파수 변조기를 더 포함하며, 상기 광 조향기는 상기 주파수 변조된 연속파 광을 증폭하여 제 1 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 외부에 방출하고 제 2 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 외부에 방출하지 않도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 신호 처리기는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 방식으로 상기 수신 신호의 주파수를 분석하여 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 주파수 변조기는 상기 주파수 변조된 연속파 광의 주파수를 제 3 시간의 주기로 선형적으로 증가시키도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 3 시간은 상기 제 1 시간과 제 2 시간의 합과 동일하며, 상기 광 조향기는 제 3 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 1회 방출하도록 구성될 수 있다.
대신에, 상기 제 3 시간은 상기 제 1 시간과 제 2 시간의 합보다 크며, 상기 광 조향기는 제 3 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 다수 회 방출하도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 주파수 변조기는 상기 주파수 변조된 연속파 광의 주파수를 제 3 시간 동안 선형적으로 증가시키고 제 4 시간 동안 선형적으로 감소시키며, 상기 주파수 변조된 연속파 광의 주파수를 증가시키는 제 3 시간과 상기 주파수 변조된 연속파 광의 주파수를 감소시키는 제 4 시간이 주기적으로 반복되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 3 시간 및 제 4 시간은 상기 제 1 시간과 제 2 시간의 합과 동일하며, 상기 광 조향기는 제 3 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 1회 방출하고 제 4 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 1회 방출하도록 구성될 수 있다.
대신에, 상기 제 3 시간 및 제 4 시간은 상기 제 1 시간과 제 2 시간의 합보다 크며, 상기 광 조향기는 제 3 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 다수 회 방출하고 제 4 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 다수 회 방출하도록 구성될 수 있다.
상기 신호 처리기는 제 3 시간 동안 방출된 상기 주파수 변조된 연속파 광의 반사광으로부터 얻은 수신 신호와 제 4 시간 동안 방출된 상기 주파수 변조된 연속파 광의 반사광으로부터 얻은 수신 신호를 기초로 FMCW 방식으로 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 신호 처리기는 ToF(Time of Flight) 방식으로 상기 수신 신호의 파형을 분석하여 물체에 관한 거리 정보를 추출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 신호 처리기는 ToF 방식으로 추출한 거리 정보와 FMCW 방식으로 추출한 거리 정보를 기초로 물체에 관한 거리 정보를 조절하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 신호 처리기는 TOF 방식으로 상기 수신 신호의 파형을 분석하여 물체에 관한 거리 정보를 추출하고 도플러 방식으로 상기 수신 신호의 주파수를 분석하여 물체에 관한 속도 정보를 추출하도록 구성될 수 있다.
개시된 실시예에 따른 라이다 장치는 저출력의 연속파 광원을 이용하여 주파수 변조된 연속파 광을 발생시킨다. 또한, 개시된 실시예에 따른 라이다 장치는 주파수 변조된 연속파 광을 고출력의 광 증폭기로 단속적으로 증폭하여 펄스 형태로 방출한다. 따라서, 고가의 고출력 연속파 광원을 사용할 필요가 없다. 또한, 고출력 광 증폭기가 일시적으로만 동작하기 때문에 개시된 실시예에 따른 라이다 장치의 소비전력이 낮다. 또한, 주파수 변조된 광을 이용하기 때문에 협대역 수신기를 이용하여 반사광을 수신할 수 있어서, 잡음을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 레이저 광을 스캐닝하기 위한 광 위상 어레이 소자의 구성과 동작을 예시적으로 보인다.
도 3은 도 1에 도시된 라이다 장치의 일 실시예에 따른 동작을 개략적으로 보이는 타이밍 다이어그램(timing diagram)이다.
도 4는 선형(linear) FMCW 방식에서 송신광의 주파수 성분과 수신광의 주파수 성분을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 라이다 장치의 다른 실시예에 따른 동작을 개략적으로 보이는 타이밍 다이어그램이다.
도 6은 도 1에 도시된 라이다 장치의 또 다른 실시예에 따른 동작을 개략적으로 보이는 타이밍 다이어그램이다.
도 7은 삼각(triangle) FMCW 방식에서 송신광의 주파수 성분과 수신광의 주파수 성분을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 8은 도 1에 도시된 라이다 장치의 또 다른 실시예에 따른 동작을 개략적으로 보이는 타이밍 다이어그램이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 10은 도 9에 도시된 라이다 장치의 일 실시예에 따른 동작을 개략적으로 보이는 타이밍 다이어그램이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 단속적인 연속파 광을 이용한 라이다 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 연속파 광을 발생시키는 연속파 광원(110), 연속파 광원(110)이 주파수 변조된 광을 발생시키도록 연속파 광원(110)을 구동하는 주파수 변조기(120), 연속파 광원(110)으로부터 방출된 주파수 변조된 연속파 광을 외부의 국부적인 영역을 향해 방출하는 광 조향기(beam steering device)(130), 외부의 물체로부터 반사된 광을 수광하여 수신 신호를 형성하는 수신기(140), 및 수신기(140)에서 형성된 수신 신호를 기초로 외부의 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성되는 신호 처리기(150)를 포함할 수 있다.
연속파 광원(110)은 지속적으로 발진하여, 예를 들어, 사인파와 같은 파형을 갖는 연속파(continuous wave) 광을 방출하도록 구성된다. 또한, 연속파 광원(110)은 사람의 눈에는 보이지 않는 적외선 대역의 레이저 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 연속파 광원(110)은 약 800 nm 내지 약 2,000 nm 대역의 파장을 갖는 레이저 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
주파수 변조기(120)는 연속파 광원(110)의 구동을 제어하는 역할을 한다. 연속파 광원(110)은 주파수 변조기(120)에 의해 제어되어 주파수 변조된 연속파 광을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 주파수 변조기(120)의 변조 주파수는 약 10kHz 내지 약 10MHz이고, 변조 대역폭은 약 100MHz 내지 약 10GHz일 수 있다.
또한, 라이다 장치(100)는 광 증폭기(125) 및 광 증폭기 제어기(126)를 더 포함할 수 있다. 광 증폭기(125)는 연속파 광원(110)에서 발생한 연속파 광을 증폭하여 증폭된 연속파 광을 광 조향기(130)에 제공하도록 구성된다. 또한, 광 증폭기 제어기(126)는 신호 처리기(150)의 명령을 기초로 광 증폭기(125)가 연속파 광을 증폭하는 동작을 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 광 증폭기 제어기(126)는 광 증폭기(125)의 ON/OFF, 증폭 이득 등을 제어할 수 있다. 광 증폭기(125)는, 예컨대, 약 5dB 내지 30dB의 이득을 가지며, 약 10mW 내지 약 1,000mW의 포화 출력(Saturation output power)을 갖는 고출력의 증폭기일 수 있다. 고출력의 광 증폭기(125)를 사용함으로써 연속파 광원(110)으로서 비교적 저렴한 저출력의 연속파 레이저를 사용하는 것이 가능하다.
광 조향기(130)는 연속파 광원(110)에서 발생한 연속파 광을 1차원 또는 2차원 스캐닝하도록 구성된 광 위상 어레이(OPA; optical phase array) 소자를 포함할 수 있다. 이러한 광 조향기(130)는 광 증폭기(125)에서 증폭된 연속파 레이저 광을 전방의 국부적인 영역을 향해 1차원(1D) 또는 2차원(2D) 스캐닝 방식으로 송신할 수 있다. 이를 위해 광 조향기(130)는 좁은 영역에 집속된 레이저 광을 전방의 1차원 또는 2차원 영역들에 일정한 시간 간격으로 순차적으로 또는 비순차적으로 조향(steering)할 수 있다. 예를 들어, 광 조향기(130)는 전방의 1차원 영역들에 대해 좌측으로부터 우측으로 또는 우측으로부터 좌측으로 레이저 광을 방출하도록 구성되거나, 또는 전방의 2차원 영역들에 대해 좌측으로부터 우측으로 또는 우측으로부터 좌측으로, 그리고 아래쪽으로부터 위쪽으로 또는 위쪽으로부터 아래쪽으로 레이저 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 2a 내지 도 2c는 레이저 광을 스캐닝하기 위한 광 조향기(130)의 구성과 동작을 예시적으로 보인다. 도 2a를 참조하면, 광 조향기(130)는 다수의 행과 다수의 열을 따라 2차원 배열된 다수의 송신 소자(134)를 구비하는 송신 소자 어레이(133)를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 광 조향기(130)는 송신 소자 어레이(133)의 각각의 송신 소자(134)를 구동시키기 위한 구동 회로를 더 포함할 수 있다. 각각의 송신 소자(134)는, 예를 들어, 입사광의 위상을 지연시켜 반사하는 반사형 안테나 공진기 또는 입사광의 위상을 지연시켜 투과하는 투과형 안테나 공진기일 수 있다. 반사된 또는 투과된 레이저 광의 위상은 구동 회로의 제어에 따라 각각의 송신 소자(134)에 인가되는 전압에 의해 결정될 수 있다.
이러한 구조에서 다수의 송신 소자(134)들로부터 각각 방출되는 레이저 광들 사이의 위상 차이에 따라 송신 소자 어레이(133)로부터 방출되는 레이저 광의 방향을 제어할 수 있다. 구체적으로, 동일한 행(row)을 따라 배열된 다수의 송신 소자(134)로부터 각각 방출되는 레이저 광들 사이의 위상 차이(ΔΦ1)에 따라 레이저 광의 진행 방향을 좌우 수평방향으로 제어할 수 있으며, 동일한 열(column)을 따라 배열된 다수의 송신 소자(134)에서 각각 방출되는 레이저 광들 사이의 위상의 차이(ΔΦ2)에 따라 상하 수직방향으로 레이저 광의 진행 방향을 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 동일한 행 내에서 우측 끝에 배치된 송신 소자(134)로부터 좌측 끝에 배치된 송신 소자(134)의 방향으로 레이저 광의 위상이 점차적으로 지연되면, 레이저 광은 좌측 방향으로 진행하게 된다. 방위각 방향으로 레이저 광이 진행하는 각도는 동일한 행 내에서 인접한 2개의 송신 소자(134)들로부터 방출되는 레이저 광 사이의 위상차(ΔΦ1)에 의해 결정될 수 있다. 만약 ΔΦ1이 커지면 레이저 광은 좌측으로 더욱 기울어지고 ΔΦ1이 작아지면 레이저 광은 정면에 더 가까이 진행하게 된다.
또한, 동일한 열 내에서 가장 위에 배치된 송신 소자(134)로부터 가장 아래에 배치된 송신 소자(134)의 방향으로 레이저 광의 위상이 점차적으로 지연되면, 레이저 광은 아래쪽 방향으로 진행하게 된다. 여기서, 고도각 방향으로 레이저 광이 진행하는 각도는 동일한 열 내에서 인접한 2개의 송신 소자(134)들로부터 방출되는 레이저 광 사이의 위상차(ΔΦ2)에 의해 결정될 수 있다. 만약 ΔΦ2가 커지면 레이저 광은 아래쪽으로 더욱 기울어지고 ΔΦ2가 작아지면 레이저 광은 정면에 더 가까이 진행하게 된다.
도 2b를 참조하면, ΔΦ1=0 이고 ΔΦ2=0 인 경우에 송신 소자 어레이(133)로부터 방출되는 레이저 광은 완전히 정면을 향하게 된다. 또한, 도 2c를 참조하면, 동일한 행 내에서 좌측 끝에 배치된 송신 소자(134)로부터 우측 끝에 배치된 송신 소자(134)의 방향으로 레이저 광의 위상이 점차적으로 지연되면, 레이저 광은 우측 방향으로 진행하게 된다. 그리고, 동일한 열 내에서 가장 아래에 배치된 송신 소자(134)로부터 가장 위에 배치된 송신 소자(134)의 방향으로 레이저 광의 위상이 점차적으로 지연되면, 레이저 광은 위쪽 방향으로 진행하게 된다.
따라서, 송신 소자 어레이(133)의 다수의 송신 소자(134)에서 방출되는 레이저 광의 위상을 각각 개별적으로 제어하면 레이저 광을 원하는 방향으로 조향할 수 있다. 송신 소자 어레이(133)는 구동 회로의 제어에 따라 다수의 송신 소자(134)에 각각 독립적으로 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 각각의 송신 소자(134)로부터 방출되는 레이저 광의 위상은 각각의 송신 소자(134)에 인가되는 전압에 의해 결정되며, 송신 소자 어레이(133)로부터 방출되는 레이저 광의 방향은 다수의 송신 소자(134)에 인가되는 전압들의 조합에 의하여 결정될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c에서는 송신 소자 어레이(133)가 다수의 행과 다수의 열을 따라 2차원 배열된 다수의 송신 소자(134)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 송신 소자 어레이(133)는 하나의 행과 다수의 열을 따라 또는 다수의 행과 하나의 열을 따라 1차원 배열된 다수의 송신 소자(134)를 포함할 수도 있다. 이 경우, 송신 모듈(120)은 전방을 향해 1차원(1D) 스캐닝 방식으로 레이저 광를 송신할 수 있다.
지금까지 광 조향기(130)가 광 위상 어레이 방식을 이용하여 레이저 광을 스캐닝하는 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 광 조향기(130)는 광 위상 어레이 방식 대신에 다른 스캐닝 방식으로 레이저 광을 스캐닝할 수도 있다. 예를 들어, 광 조향기(130)는 연속파 광원(110)을 회전시키는 액추에이터를 포함할 수도 있다. 이 경우, 연속파 광원(110)을 직접 회전시켜 레이저 광의 방향을 조절할 수 있다. 다른 예에서, 광 조향기(130)는 레이저 광을 반사하는 거울 및 거울을 회전시키는 액추에이터를 포함할 수도 있으며, 또는 미세한 거울의 경사를 전기적으로 제어하여 레이저 광의 반사 방향을 조절하는 MEMS(micro electro mechanical system) 소자를 포함할 수도 있다.
광 조향기(130)로부터 송신된 광은 외부의 물체에 의해 반사되어 라이다 장치(100)로 되돌아 온다. 따라서, 외부의 물체에 의해 반사된 광을 수광하여 형성된 전기적인 수신 신호를 분석하면 외부의 물체에 대한 정보를 추출할 수 있다. 외부의 물체로부터 반사된 광을 수광하여 전기적인 수신 신호를 형성할 때, 연속파 광원(110)으로부터 방출된 주파수 변조된 연속파 광을 분리하여 일부를 주파수 분석용 국부 발진기(local oscillator; LO) 광으로서 사용할 수 있다. 이를 위하여, 라이다 장치(100)는 연속파 광원(110)으로부터 방출된 주파수 변조된 연속파 광을 분리하여 대부분을 광 조향기(130)에 제공하고 나머지 일부를 수신기(140)에 제공하는 광 분배기(beam splitter)(115)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 분배기(115)는 입사광의 90% 이상을 광 조향기(130)에 제공하고 나머지 일부를 국부 발진기 광으로서 수신기(140)에 제공하도록 구성될 수 있다. 특히, 광 분배기(115)는 연속파 광원(110)과 광 증폭기(125) 사이의 광 경로에 배치되어 연속파 광원(110)으로부터 입사하는 입사광의 대부분을 광 증폭기(125)에 제공할 수 있다.
수신기(140)는 외부의 물체로부터 반사된 광과 광 분배기(115)로부터 제공된 국부 발진기 광을 간섭하여 얻은 간섭 광에 대한 전기적인 수신 신호를 형성하도록 구성된다. 예를 들어, 수신기(140)는 외부의 물체로부터 반사된 광을 수광하는 수광 소자(141), 수광 소자(141)에 의해 수광된 광과 광 분배기(115)로부터 제공된 국부 발진기 광을 결합하여 간섭시키는 광 결합기(beam combinder)(142), 및 간섭된 광의 세기를 전기적인 신호로 변환하는 광검출기(143)를 포함할 수 있다. 수광 소자(141)는, 예를 들어, 렌즈 또는 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 또한 도시되지는 않았지만, 수신기(140)는 잡음 성분을 제거하고 간섭 광 성분을 얻기 위한 대역 통과 필터 또는 저역 통과 필터를 더 포함할 수도 있다. 수신기(140)는 광검출기(143)를 통해 간섭 광을 전기적인 신호로 변환하여 전기적인 수신 신호를 형성할 수 있다. 이러한 간섭 광은 비교적 좁은 주파수 대역 내에 존재하므로, 펄스 방식의 라이다 장치에서 사용하는 수신기에 비하여 비교적 협대역의 수신기(140)를 사용하는 것이 가능하다.
신호 처리기(150)는 수신기(140)로부터 받은 수신 신호를 기초로 외부의 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출할 수 있다. 또한, 신호 처리기(150)는 주파수 변조기(120)를 제어하여 주파수 변조 방식을 조절하고, 광 조향기(130)를 제어하여 스캐닝 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 도 1에는 단지 편의상 별도의 블록으로 표시되어 있지만, 신호 처리기(150), 주파수 변조기(120) 및 수신기(140)는 하나의 반도체칩 내에 일체로 구현될 수 있다. 그 대신에, 신호 처리기(150), 주파수 변조기(120), 및 수신기(140)가 하나의 인쇄회로기판 상에 구성될 수도 있다. 또는, 주파수 변조기(120)와 수신기(140)가 하나의 반도체칩으로 구현되고, 이와 별도로 신호 처리기(150)는 컴퓨터에서 실행시킬 수 있는 소프트웨어로 구현되며 기록 매체에 저장될 수도 있다. 또 다른 예에 따르면, 신호 처리기(150)는 프로그램 가능 로직 제어기(PLC; programmable logic controller), FPGA(field-programmable gate array) 등으로 구현될 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 주파수 변조된 연속파 광을 증폭하여 외부에 단속적으로 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3은 도 1에 도시된 라이다 장치(100)의 일 실시예에 따른 동작을 개략적으로 보이는 타이밍 다이어그램(timing diagram)이다. 도 3을 참조하면, 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 제 1 시간(T1) 동안에만 주파수 변조된 연속파 광을 외부에 방출하고 제 2 시간(T2) 동안에는 주파수 변조된 연속파 광을 외부에 방출하지 않도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 제 1 시간(T1) 동안에는 신호 처리기(150)가 광 증폭기(125)와 광 조향기(130)를 활성화하고 제 2 시간(T2) 동안에는 광 증폭기(125)와 광 조향기(130)의 동작을 중지시킬 수 있다. 그러면 제 2 시간(T2)에는 광 증폭기(125)와 광 조향기(130)의 광 출력이 중단되어 라이다 장치(100)의 외부로 광이 방출되지 않는다. 광 조향기(130)의 동작이 중단되더라도, 수신 신호를 형성하기 위한 국부 발진기 광을 수신기(140)에 끊임 없이 제공하기 위하여 연속파 광원(110)과 주파수 변조기(120)는 동작을 중단하지 않고 주파수 변조된 연속파 광을 계속 발생시킨다.
신호 처리기(150)는 광 조향기(130)를 제어하여 연속파 광을 방출하는 제 1 시간(T1)과 방출하지 않는 제 2 시간(T2)을 주기적으로 반복할 수 있다. 이러한 방식으로, 라이다 장치(100)는 다수의 송신광(Tx1, Tx2, Tx3, ...)을 순차적으로 방출할 수 있다. 각각의 송신광(Tx1, Tx2, Tx3, ...)은 제 1 시간(T1) 동안에만 지속되고 제 2 시간(T2) 동안에는 중단된다는 점에서 펄스 광과 유사한 점이 있다. 그러나 각각의 송신광(Tx1, Tx2, Tx3, ...)은 시간에 따라 주파수가 변화하는 주파수 변조된 연속파 광이라는 점에서 일반적인 펄스 광과는 차이가 있다. 통상적인 펄스 광은 분산을 고려하지 않을 때 시간에 따라 주파수가 일정하게 유지된다.
송신광(Tx1, Tx2, Tx3, ...)이 지속되는 제 1 시간(T1)과 중단되는 제 2 시간(T2)은 필요에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치(100)로부터 방출된 광이 외부의 물체에서 반사되어 라이다 장치(100)로 되돌아오는 시간, 및 광 조향기(130)의 수평 방향 시야각, 수직 방향 시야각, 수평 방향 스캐닝 해상도, 수직 방향 스캐닝 해상도, 프레임률(frame rate) 등을 고려하여 제 1 시간(T1)과 제 2 시간(T2)을 결정할 수 있다. 통상적으로, 제 1 시간(T1)은 약 1ns 내지 약 1,000ns의 범위 내에서 선택될 수 있다. 또한, 외부의 물체에서 반사되어 라이다 장치(100)로 되돌아오는 다수의 수신광(Rx1, Rx2, Rx3, ...)을 수신하는 시간을 고려할 때, 제 2 시간(T2)은 제 1 시간(T1)보다 길게 선택될 수 있다.
수신기(140)는 외부의 물체로부터 반사되어 되돌아오는 다수의 수신광(Rx1, Rx2, Rx3, ...)을 각각 수신하여 전기적인 수신 신호를 발생시킨다. 앞서 설명한 바와 같이, 전기적인 수신 신호는 연속파 광원(110)으로부터 제공된 주파수 분석용 국부 발진기 광과 각각의 수신광(Rx1, Rx2, Rx3, ...)과의 간섭 광으로부터 얻을 수 있다. 예를 들어, 시간 t0에서 방출된 제 1 송신광(Tx1)이 외부의 물체로부터 반사된 후 시간 t1에서 수신기(140)가 제 1 수신광(Rx1)을 수신하는 경우, 시간 t1에서 연속파 광원(110)으로부터 방출된 연속파 광의 주파수 성분을 갖는 국부 발진기 광과 제 1 수신광(Rx1)을 간섭시켜 전기적인 수신 신호를 얻을 수 있다. 또한, 시간 t2에서 제 2 송신광(Tx2)을 방출하고 시간 t3에서 제 2 수신광(Rx1)을 수신하는 경우, 시간 t3에서 연속파 광원(110)으로부터 방출된 연속파 광의 주파수 성분을 갖는 국부 발진기 광과 제 2 수신광(Rx2)을 간섭시켜 전기적인 수신 신호를 얻을 수 있다. 마찬가지로, 시간 t4에서 제 3 송신광(Tx3)을 방출하고 시간 t5에서 제 3 수신광(Rx3)을 수신하는 경우, 시간 t5에서 연속파 광원(110)으로부터 방출된 연속파 광의 주파수 성분을 갖는 국부 발진기 광과 제 3 수신광(Rx3)을 간섭시켜 전기적인 수신 신호를 얻을 수 있다.
제 1 내지 제 3 수신광(Rx1, Rx2, Rx3)은 물체의 상대 속도에 따라 변형된 주파수 성분을 갖게 된다. 예를 들어, 물체와의 상대 속도가 0인 경우, 제 1 수신광(Rx1)은 시간 t0에서 연속파 광원(110)으로부터 방출된 연속파 광과 동일한 주파수 성분을 가질 수 있다. 또한, 물체가 다가오는 경우에, 제 1 수신광(Rx1)은 시간 t0에서 연속파 광원(110)으로부터 방출된 연속파 광의 주파수 성분보다 높은 주파수 성분을 가질 수 있다. 반대로 물체가 멀어지는 경우에, 제 1 수신광(Rx1)은 시간 t0에서 연속파 광원(110)으로부터 방출된 연속파 광의 주파수 성분보다 낮은 주파수 성분을 가질 수 있다.
신호 처리기(150)는 수신기(140)로부터 제공되는 이러한 전기적인 수신 신호를 기초로 외부의 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리기(150)는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 방식으로 수신 신호의 주파수를 분석하여 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성될 수 있다. 특히, 신호 처리기(150)는 선형(linear) FMCW 방식으로 수신 신호의 주파수를 분석할 수 있다. 이를 위해, 신호 처리기(150)는 연속파 광원(110)으로부터 방출되는 연속파 광의 주파수가 제 3 시간(T3)의 주기로 선형적으로 증가하는 방식으로 주파수 변조를 수행하도록 주파수 변조기(120)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 연속파 광원(110)으로부터 방출되는 연속파 광의 주파수는 제 3 시간(T3) 동안 최소 주파수로부터 최대 주파수까지 선형적으로 증가한 다음, 다시 그 후의 제 3 시간(T3) 동안 최소 주파수로부터 최대 주파수까지 선형적으로 증가할 수 있다.
도 4는 선형(linear) FMCW 방식에서 송신광의 주파수 성분과 수신광의 주파수 성분을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 4에서 세로축은 주파수를 나타내며 가로축은 시간을 나타낸다. 송신광과 수신광 사이에는 가로 방향으로 Δt만큼의 시간 지연이 있으며 세로 방향으로 fb만큼의 주파수 차이가 존재한다. 선형 FMCW 방식에 따르면, 주파수 도메인에서 M회 샘플링하고 시간 도메인에서 N회 샘플링하여 얻은 M×N 행렬에 대해 2차원 고속 푸리에 변환(FFT; fast Fourier transform)을 수행함으로써 거리 정보와 속도 정보를 추출할 수 있다. 여기서, M과 N은 1보다 큰 자연수이다. 예를 들어, 주파수 도메인에 대해 고속 푸리에 변환을 수행하여 거리 정보를 얻고, 시간 도메인에 대해 고속 푸리에 변환을 수행하여 속도 정보를 얻을 수 있다.
또한, 신호 처리기(150)는 송신광이 방출된 시간과 수신광이 수신된 시간 사이의 시간차를 이용하여 ToF 방식으로 물체에 관한 거리 정보를 추출할 수도 있다. 거리 정보를 얻기 위한 매우 다양한 ToF 방식이 이미 존재한다. 일반적으로는, 시간차를 정확하게 직접적으로 측정하기 어려우므로 수신 신호의 파형을 분석하여 얻은 송신광과 수신광의 위상차 등을 이용하여 물체에 관한 거리 정보를 추출할 수 있다. 이때, 수신 신호와 송신 신호 사이의 상호 상관(cross-correlation)을 통해 수신 신호 중에서 송신 신호와 관련이 있는 신호 성분만을 얻고, 송신 신호와 관련이 있는 신호 성분의 파형을 분석하여 거리 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 신호 처리기(150)는 FMCW 방식으로도 거리 정보를 구할 수 있고 ToF 방식으로도 거리 정보를 구할 수 있다. 신호 처리기(150)는 거리 측정의 정밀도를 보다 향상시키기 위하여 FMCW 방식으로 구한 거리 정보와 ToF 방식으로 구한 거리 정보를 모두 이용하여 물체에 관한 거리 정보를 조절할 수 있다. 예를 들어, FMCW 방식으로 구한 거리와 ToF 방식으로 구한 거리를 단순 평균할 수 있다. 또는, FMCW 방식의 거리에 따른 오차 변화와 ToF 방식의 거리에 따른 오차 변화를 고려하여 FMCW 방식으로 구한 거리에 제 1 가중치를 곱하고 ToF 방식으로 구한 거리에 제 2 가중치를 곱하여 가중 평균을 구할 수도 있다. 또는, 거리 범위에 따라 FMCW 방식으로 구한 거리만을 선택하거나 ToF 방식으로 구한 거리만을 선택할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 저출력의 연속파 광원(110)을 이용하여 연속파 광을 발생시킨다. 또한, 주파수 변조기(120)에 의해 주파수 변조된 연속파 광을 고출력의 광 증폭기(131)로 증폭하여 마치 펄스와 같이 단속적으로 방출한다. 따라서, 고가의 고출력 연속파 광원을 사용할 필요가 없다. 또한, 고출력의 광 증폭기(131)가 짧은 순간에만 일시적으로 동작하기 때문에 본 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 소비전력이 낮다. 또한, 주파수 변조된 광을 이용하기 때문에 비교적 협대역의 수신기(140)를 이용하여 반사광을 수신할 수 있어서, 잡음을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에서는 광 조향기(130)는 제 3 시간(T3) 동안 주파수 변조된 연속파 광을 단 1회만 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 처음의 제 3 시간(T3) 동안 광 조향기(130)가 하나의 제 1 송신광(Tx1)을 방출하고 수신기(140)가 하나의 제 1 수신광(Rx1)을 수신하며, 후속하는 제 3 시간(T3) 동안 스캐닝 소자(130)가 하나의 제 2 송신광(Tx1)을 방출하고 수신기(140)가 하나의 제 2 수신광(Rx2)을 수신할 수 있다. 이 경우, 제 3 시간(T3)은 제 1 시간(T1)과 제 2 시간(T2)의 합과 동일할 수 있다.
그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5는 도 1에 도시된 라이다 장치(100)의 다른 실시예에 따른 동작을 개략적으로 보이는 타이밍 다이어그램이다. 도 5를 참조하면, 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 제 3 시간(T3) 동안 주파수 변조된 연속파 광을 2회 방출하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 처음의 제 3 시간(T3) 동안 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 제 1 송신광(Tx1)과 제 2 송신광(Tx2)을 방출할 수 있다. 그러면, 수신기(140)는 처음의 제 3 시간(T3) 동안 제 1 수신광(Rx1)과 제 2 수신광(Rx2)을 수신할 수 있다. 그리고, 후속하는 제 3 시간(T3) 동안 스캐닝 소자(130)는 제 3 송신광(Tx3)과 제 4 송신광(Tx4)을 방출하고 수신기(140)는 제 3 수신광(Rx3)과 제 4 수신광(Rx4)을 수신할 수 있다. 이 경우, 제 3 시간(T3)은 제 1 시간(T1)과 제 2 시간(T2)의 합보다 클 수 있다. 이러한 방식으로, 광 조향기(130)는 제 3 시간(T3) 동안 주파수 변조된 연속파 광을 2회 이상 다수 회 방출할 수 있다.
한편, 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 전방의 한 영역을 향해 하나의 송신광을 방출한 후에 전방의 다른 영역을 향해 송신광을 방출하도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 광 조향기(130)는 전방의 한 영역에 송신광을 하나씩 방출하는 방식으로 전방의 다수의 국부적인 영역들을 차례로 스캐닝할 수 있다. 예를 들어, 광 조향기(130)는 전방의 제 1 영역에 제 1 송신광(Tx1)을 방출한 후, 제 1 영역과 다른 제 2 영역에 제 2 송신광(Tx2)을 방출할 수 있다.
그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 신호대잡음비(SNR)를 개선하기 위하여, 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 전방의 하나의 영역을 향해 송신광을 다수 회 방출한 후에, 이어서 다른 영역을 향해 송신광을 다수 회 방출하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 광 조향기(130)는 전방의 제 1 영역을 향해 제 1 내지 제 3 송신광(Tx1, Tx2, Tx3)을 순차적으로 방출한 후, 제 1 영역과 다른 제 2 영역을 향해 제 4 내지 제 6 송신광(Tx4, Tx5, Tx6)을 순차적으로 방출할 수 있다.
이 경우, 신호 처리기(150)는 수신기(140)로부터 차례로 수신된 제 1 내지 제 3 수신광(Rx1, Rx2, Rx3)에 대한 전기적인 수신 신호를 누적하고, 누적된 수신 신호를 기초로 제 1 영역에 있는 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출할 수 있다. 이어서, 프로레서(150)는 수신기(140)로부터 차례로 수신된 제 4 내지 제 6 수신광(Rx4, Rx5, Rx6)에 대한 전기적인 수신 신호를 누적하고, 누적된 수신 신호를 기초로 제 1 영역에 있는 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출할 수 있다.
그러면, 수신 신호의 신호대잡음비(SNR)가 개선되기 때문에, 하나의 영역으로부터 얻은 하나의 수신광만으로 거리 정보 및 속도 정보를 추출하는 경우에 비하여 정확도를 향상시킬 수 있다. 하나의 영역에 대해 송신광을 연달아 방출하는 횟수는 주변의 상황에 따라 다르게 선택될 수 있다. 예를 들어, 신호대잡음비가 양호한 경우에는 신호 처리기(150)는 하나의 영역에 대해 한번만 송신광을 방출하도록 결정할 수도 있다. 또한, 신호 처리기(150)는 신호대잡음비가 낮은 경우에 하나의 영역에 대해 최대 1,000회까지 송신광을 연달아 방출하도록 결정할 수도 있다. 하나의 동일 영역에 대해 다수의 수신 신호를 누적하여 거리 정보 및 속도 정보를 추출하는 이러한 방식은 도 3에 도시된 실시예에도 적용될 수 있다.
또한, 신호 처리기(150)는 삼각(triangle) FMCW 방식으로 수신 신호의 주파수를 분석하여 전방의 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출할 수도 있다. 예를 들어, 도 6은 도 1에 도시된 라이다 장치(100)의 또 다른 실시예에 따른 동작을 개략적으로 보이는 타이밍 다이어그램이다. 도 6을 참조하면, 신호 처리기(150)는 연속파 광원(110)으로부터 방출되는 연속파 광의 주파수가 제 3 시간(T3) 동안 선형적으로 증가하고 후속하는 제 4 시간(T4) 동안 선형적으로 감소하는 방식으로 주파수 변조를 수행하도록 주파수 변조기(120)를 제어할 수 있다. 이 경우에, 연속파 광원(110)으로부터 방출되는 연속파 광의 주파수는 제 3 시간(T3) 동안 최소 주파수로부터 최대 주파수까지 선형적으로 증가한 다음, 후속하는 제 4 시간(T4) 동안 최대 주파수로부터 최소 주파수까지 선형적으로 감소할 수 있다. 신호 처리기(150)는 주파수 변조된 연속파 광의 주파수가 선형적으로 증가하는 제 3 시간(T3)과 주파수 변조된 연속파 광의 주파수가 선형적으로 감소하는 제 4 시간(T4)이 주기적으로 반복되도록 주파수 변조기(120)를 제어할 수 있다.
도 6에 도시된 실시예에서 광 조향기(130)는 제 3 시간(T3) 동안 주파수 변조된 연속파 광을 단 1회만 방출하고 제 4 시간(T4) 동안 주파수 변조된 연속파 광을 단 1회만 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 처음의 제 3 시간(T3) 동안 광 조향기(130)가 하나의 제 1 송신광(Tx1)을 방출하고 수신기(140)가 하나의 제 1 수신광(Rx1)을 수신하며, 제 4 시간(T4) 동안 스캐닝 소자(130)가 하나의 제 2 송신광(Tx1)을 방출하고 수신기(140)가 하나의 제 2 수신광(Rx2)을 수신할 수 있다. 그리고, 후속하는 제 3 시간(T3)에서 광 조향기(130)가 하나의 제 3 송신광(Tx3)을 방출하고 수신기(140)가 하나의 제 3 수신광(Rx3)을 수신하며, 제 4 시간(T4) 동안 스캐닝 소자(130)가 하나의 제 4 송신광(Tx4)을 방출하고 수신기(140)가 하나의 제 4 수신광(Rx4)을 수신할 수 있다. 이 경우, 제 3 및 제 4 시간(T3, T4)은 각각 제 1 시간(T1)과 제 2 시간(T2)의 합과 동일할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 3 송신광(Tx1, Tx3)과 제 1 및 제 3 수신광(Rx1, Rx3)에서는 주파수가 선형적으로 증가하며, 제 2 및 제 4 송신광(Tx2, Tx4)과 제 2 및 제 4 수신광(Rx2, Rx4)에서는 주파수가 선형적으로 감소하게 된다.
도 7은 삼각 FMCW 방식에서 송신광의 주파수 성분과 수신광의 주파수 성분을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 7에서 세로축은 주파수를 나타내며 가로축은 시간을 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 송신광과 수신광의 그래프는 주파수가 시간에 따라 선형적으로 증가하였다가 다시 선형적으로 감소하는 삼각형 형태를 보인다. 송신광의 주파수 피크와 수신광의 주파수 피크 사이에는 Δt만큼의 시간 지연이 있다. 송신광의 피크 위치는 주파수 분석용 국부 발진기 광으로부터 알 수 있다. 수신광은 주파수 상승 구간의 일부 정보와 주파수 하강 구간의 일부 정보만을 갖고 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 3 수신광(Rx1, Rx3)은 주파수 상승 구간의 일부 정보만을 제공하며, 제 2 및 제 4 수신광(Rx2, Rx4)은 주파수 하강 구간의 일부 정보만을 제공한다. 신호 처리기(150)는 제 1 및 제 3 수신광(Rx1, Rx3)의 주파수 상승 기울기와 제 2 및 제 4 수신광(Rx2, Rx4)의 주파수 하강 기울기를 연장하여 얻은 교차점을 수신광의 주파수 피크로 결정할 수 있다.
전방에 있는 물체의 상대 속도가 0이 아닌 경우, 도플러 효과로 인하여 수신기(140)를 통해 수신되는 수신광에 주파수 편이가 일어난다. 이로 인해, 송신광의 주파수 피크와 수신광의 주파수 피크 사이에는 Fd만큼의 주파수 차이가 있다. 예를 들어, 전방의 물체가 다가오는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 수신광의 주파수가 송신광의 주파수보다 높아지게 된다. 반대로, 전방 물체가 멀어지는 경우, 수신광의 주파수가 송신광의 주파수보다 낮아지게 된다.
이 경우, 전방 물체의 거리 R과 상대 속도 V는 다음의 수학식 1 및 수학식 2에 의해 얻을 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
위의 수학식 1 및 수학식 2에서, B는 국부 발진기 광의 최소 주파수와 최대 주파수 사이의 주파수 차를 나타내며, Tm은 국부 발진기 광의 최소 주파수와 최대 주파수 사이의 시간차(즉, 제 3 시간(T3) 또는 제 4 시간(T4)의 시간폭)를 나타내고, Fbu는 주파수 상승 구간에서 송신광과 수신광 사이의 주파수 차이고, Fbd는 주파수 하강 구간에서 송신광과 수신광 사이의 주파수 차이고, λ는 초기(즉, t = 0)에서 최소 주파수에 해당하는 국부 발진기 광의 파장이며, c는 빛의 속도를 나타낸다. 신호 처리기(150)는, 제 3 시간(T3) 동안 방출된 송신광 및 그 송신광이 반사되어 형성된 수신광으로부터 얻은 수신 신호와 제 4 시간(T4) 동안 방출된 송신광 및 그의 반사광에 의해 형성된 수신광으로부터 얻은 수신 신호를 기초로, 위의 수학식 1 및 수학식 2를 적용하여 삼각 FMCW 방식으로 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 실시예에서도, 신호 처리기(150)는 FMCW 방식으로도 거리 정보를 구할 수 있고 ToF 방식으로도 거리 정보를 구할 수 있다. 신호 처리기(150)는 FMCW 방식으로 구한 거리 정보와 ToF 방식으로 구한 거리 정보를 모두 이용하여 물체에 관한 거리 정보의 정확성을 향상시킬 수 있다.
도 6에 도시된 실시예의 경우, 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 제 3 시간(T3) 및 제 4 시간(T4) 동안 전방의 하나의 영역을 향해 송신광을 방출한 후, 다음의 후속 제 3 시간(T3) 및 제 4 시간(T4) 동안 전방의 다른 영역을 향해 송신광을 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광 조향기(130)는 전방의 제 1 영역을 향해 제 1 송신광(Tx1)과 제 2 송신광(Tx2)을 방출한 후, 제 1 영역과 다른 제 2 영역을 향해 제 3 송신광(Tx3)과 제 4 송신광(Tx4)을 방출할 수 있다.
그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 신호대잡음비(SNR)를 개선하기 위하여, 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 전방의 하나의 영역을 향해 송신광을 4회 이상 다수 회 방출한 후에, 이어서 다른 영역을 향해 송신광을 4회 이상 다수 회 방출할 수도 있다. 예를 들어, 광 조향기(130)는 전방의 제 1 영역을 향해 제 1 내지 제 4 송신광(Tx1, Tx2, Tx3, Tx4)을 순차적으로 방출할 수 있다. 그리고, 신호 처리기(150)는 주파수 상승 구간에서 수신기(140)로부터 수신된 제 1 및 제 3 수신광(Rx1, Rx3)에 대한 전기적인 수신 신호를 누적하고, 주파수 하강 구간에서 수신기(140)로부터 수신된 제 2 및 제 4 수신광(Rx2, Rx4)에 대한 전기적인 수신 신호를 누적할 수 있다. 신호 처리기(150)는 주파수 상승 구간에서 누적된 수신 신호와 주파수 하강 구간에서 누적된 수신 신호를 기초로 제 1 영역에 있는 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출할 수 있다. 하나의 영역에 대해 송신광을 연달아 방출하는 횟수는 수신 신호의 신호대잡음비(SNR)를 기초로 신호 처리기(150)가 가변적으로 결정할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 실시예에서는 광 조향기(130)는 제 3 및 제 4 시간(T3, T4) 동안 주파수 변조된 연속파 광을 각각 단 1회씩만 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광 조향기(130)는 처음의 제 3 시간(T3) 동안 하나의 제 1 송신광(Tx1)을 방출하고, 제 4 시간(T4) 동안 하나의 제 2 송신광(Tx2)을 방출한다. 그리고, 광 조향기(130)는 후속하는 제 3 시간(T3) 동안 하나의 제 3 송신광(Tx3)을 방출하고, 제 4 시간(T4) 동안 하나의 제 4 송신광(Tx4)을 방출한다. 이 경우, 제 3 및 제 4 시간(T3, T4)은 각각 제 1 시간(T1)과 제 2 시간(T2)의 합과 동일할 수 있다.
그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 8은 도 1에 도시된 라이다 장치(100)의 다른 실시예에 따른 동작을 개략적으로 보이는 타이밍 다이어그램이다. 도 8을 참조하면, 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 제 3 및 제 4 시간(T3, T4) 동안 주파수 변조된 연속파 광을 각각 2회 방출하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 처음의 제 3 시간(T3) 동안 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 제 1 송신광(Tx1)과 제 2 송신광(Tx2)을 방출하고, 제 4 시간(T4) 동안 제 3 송신광(Tx3)과 제 4 송신광(Tx4)을 방출할 수 있다. 그러면, 수신기(140)는 처음의 제 3 시간(T3) 동안 제 1 수신광(Rx1)과 제 2 수신광(Rx2)을 수신하고, 제 4 시간(T4) 동안 제 3 수신광(Rx3)과 제 4 수신광(Rx4)을 수신할 수 있다. 그리고, 후속하는 제 3 시간(T3) 동안 스캐닝 소자(130)는 제 5 송신광(Tx5)과 제 6 송신광(Tx6)을 방출하고 수신기(140)는 제 5 수신광(Rx5)과 제 6 수신광(Rx6)을 수신할 수 있다. 이 경우, 제 3 및 제 4 시간(T3, T4)은 각각 제 1 시간(T1)과 제 2 시간(T2)의 합보다 클 수 있다. 이러한 방식으로, 광 조향기는 제 3 및 제 4 시간(T3, T4) 동안 주파수 변조된 연속파 광을 각각 2회 이상 다수 회 방출할 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 라이다 장치(200)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다. 도 9를 참조하면, 다른 실시예에 따른 라이다 장치(200)는 연속파 광을 발생시키는 연속파 광원(110), 연속파 광원(110)으로부터 방출된 연속파 광을 외부에 방출하는 광 조향기(130), 외부의 물체로부터 반사된 광을 수광하여 수신 신호를 형성하는 수신기(140), 및 수신기(140)에서 형성된 수신 신호를 기초로 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성되는 신호 처리기(150)를 포함할 수 있다. 또한, 라이다 장치(200)는 연속파 광원(110)으로부터 방출된 연속파 광을 분리하여 대부분을 광 조향기(130)에 제공하고 나머지 일부를 주파수 분석용 국부 발진기 광으로서 수신기(140)에 제공하는 광 분배기(115)를 더 포함할 수 있다. 또한, 라이다 장치(200)는 광 분배기(115)와 광 조향기(130) 사이의 광 경로에 배치되어 연속파 광을 증폭시키는 광 증폭기(125) 및 광 증폭기(126)를 구동시키는 광 증폭기 제어기(126)를 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 라이다 장치(100)와 비교할 때, 도 9의 라이다 장치(200)는 주파수 변조기(120)를 포함하지 않는다는 점에서 차이가 있다. 이 경우에, 연속파 광원(110)으로부터 광 조향기(130)에 제공되는 연속파 광은 주파수 변조되지 않고 일정한 주파수를 유지한다. 따라서, 도 9에 도시된 라이다 장치(200)의 동작은, 도 1의 라이다 장치(100)에서 주파수 변조기(120)가 주파수 변조 동작을 수행하지 않는 것과 동일하다. 도 1의 라이다 장치(100)에서도 신호 처리기(150)의 제어에 따라 주파수 변조기(120)는 주파수 변조 동작을 수행하지 않고 연속파 광원(110)의 동작 주파수를 일정하게 유지시킬 수도 있다. 그러나, 필요에 따라서는, 제조 단계에서부터 주파수 변조기(120)를 포함하지 않는 라이다 장치(200)를 제작할 수도 있다. 예를 들어, 도 9의 라이다 장치(200)는 도 1의 라이다 장치(100)보다 저렴하게 제공될 수 있다.
도 10은 도 9에 도시된 라이다 장치(200)의 일 실시예에 따른 동작을 개략적으로 보이는 타이밍 다이어그램이다. 도 10을 참조하면, 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 제 1 시간(T1) 동안에만 연속파 광을 외부에 방출하고 제 2 시간(T2) 동안에는 연속파 광을 외부에 방출하지 않도록 구성될 수 있다. 또한, 신호 처리기(150)는 광 조향기(130)를 제어하여 연속파 광을 방출하는 제 1 시간(T1)과 방출하지 않는 제 2 시간(T2)을 주기적으로 반복할 수 있다. 이러한 방식으로, 라이다 장치(200)는 다수의 송신광(Tx1, Tx2, Tx3, ...)을 순차적으로 방출할 수 있다. 각각의 송신광(Tx1, Tx2, Tx3, ...)은 제 1 시간(T1) 동안에만 지속되고 제 2 시간(T2) 동안에는 중단된다는 점에서 펄스 광과 유사한 점이 있다. 그러나 각각의 송신광(Tx1, Tx2, Tx3, ...)은 단 하나의 주파수 성분만을 갖는 연속파 광이라는 점에서 일반적인 펄스 광과는 차이가 있다. 예를 들어, 사각 파형 또는 삼각 파형 등을 갖는 통상적인 펄스 광은 기본 주파수(fundamental frequency) 성분과 다수의 고조파 주파수 성분을 가질 수 있다.
수신기(140)는 외부의 물체로부터 반사되어 되돌아오는 다수의 수신광(Rx1, Rx2, Rx3, ...)을 각각 수신하여 전기적인 수신 신호를 발생시킨다. 앞서 설명한 바와 같이, 수신 신호는 주파수 분석용 국부 발진기 광과 각각의 수신광(Rx1, Rx2, Rx3, ...)과의 간섭 광으로부터 얻을 수 있다. 제 1 내지 제 3 수신광(Rx1, Rx2, Rx3)은 물체의 상대 속도에 따라 도플러 효과에 의해 변형된 주파수 성분을 갖게 된다. 신호 처리기(150)는 ToF 방식으로 수신 신호의 파형을 분석하여 물체에 관한 거리 정보를 추출하고, 도플러 방식으로 수신 신호의 주파수를 분석하여 물체에 관한 속도 정보를 추출하도록 구성될 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 예에서도, 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 전방의 한 영역을 향해 하나의 송신광을 방출한 후에 전방의 다른 영역을 향해 송신광을 방출하도록 구성될 수 있다. 그 대신에, 광 조향기(130)는 신호 처리기(150)의 제어에 따라 전방의 하나의 영역을 향해 송신광을 다수 회 방출한 후에, 이어서 다른 영역을 향해 송신광을 다수 회 방출하도록 구성될 수도 있다. 신호 처리기(150)는 동일한 한 영역으로부터 반사된 다수의 수신광으로부터 얻은 다수의 전기적인 수신 신호를 누적하고, 누적된 수신 신호를 기초로 그 영역에 있는 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출할 수 있다.
상술한 라이다 장치(100, 200)는 차량에 장착되어 전방의 차량들과의 거리 및 상대 속도 정보를 추출하도록 구성될 수 있다. 그러나, 라이다 장치(100, 200)는 반드시 차량에만 적용될 수 있는 것은 아니다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 라이다 장치(100, 200)는 차량 외에도 선박, 항공기 등에 장착되거나 또는 드론 등에 장착되어, 선박, 항공기, 드론 등의 전방의 장애물을 탐색하고 회피하는데 이용될 수도 있다.
상술한 단속적인 연속파 광을 이용한 라이다 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200.....라이다 장치 110.....연속파 광원
115.....광 분할기 120.....주파수 변조기
130.....빔 스캐닝 소자 131.....광 증폭기
132.....광 위상 어레이 소자 133.....송신 소자 어레
134.....송신 소자 140.....수신기
150.....프로세서

Claims (22)

  1. 연속파 광을 발생시키는 연속파 광원;
    상기 연속파 광을 외부에 방출하는 광 조향기;
    물체로부터 반사된 광을 수광하여 수신 신호를 형성하는 수신기; 및
    상기 수신기에서 형성된 수신 신호를 기초로 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성되는 신호 처리기;를 포함하며,
    상기 광 조향기는 제 1 시간 동안 상기 연속파 광을 외부에 방출하고 제 2 시간 동안 상기 연속파 광을 외부에 방출하지 않도록 구성되는 라이다 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 조향기는 상기 연속파 광을 방출하는 제 1 시간과 방출하지 않는 제 2 시간이 주기적으로 반복되도록 구성되는 라이다 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 시간은 상기 제 1 시간보다 긴 라이다 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시간은 1ns 내지 1,000ns의 범위 내에 있는 라이다 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속파 광원에서 발생한 연속파 광의 일부를 상기 광 조향기에 제공하고 나머지 일부를 상기 수신기에 제공하도록 구성된 광 분배기를 더 포함하는 라이다 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 수신기는 물체로부터 반사된 광과 상기 광 분배기로부터 제공된 연속파 광을 간섭하여 전기적인 수신 신호를 형성하도록 구성되는 라이다 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속파 광원에서 발생한 연속파 광을 증폭하여 증폭된 연속파 광을 상기 광 조향기에 제공하는 광 증폭기를 더 포함하는 라이다 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 증폭기는 상기 제 2 시간 동안 광 출력을 중단하도록 구성되는 라이다 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 조향기는 전방의 제 1 영역을 향해 상기 연속파 광을 다수 회 방출한 후에, 제 1 영역과 다른 제 2 영역을 향해 상기 연속파 광을 다수 회 방출하도록 구성되는 라이다 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 신호 처리기는, 상기 제 1 영역으로부터 수신한 다수의 수신 신호를 누적하여 누적된 수신 신호를 기초로 상기 제 1 영역에 있는 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하고, 상기 제 2 영역으로부터 수신한 다수의 수신 신호를 누적하여 누적된 수신 신호를 기초로 상기 제 2 영역에 있는 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성되는 라이다 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속파 광원이 주파수 변조된 광을 발생시키도록 상기 연속파 광원을 구동시키는 주파수 변조기를 더 포함하며,
    상기 광 조향기는 상기 주파수 변조된 연속파 광을 증폭하여 제 1 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 외부에 방출하고 제 2 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 외부에 방출하지 않도록 구성되는 라이다 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 방식으로 상기 수신 신호의 주파수를 분석하여 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성되는 라이다 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 주파수 변조기는 상기 주파수 변조된 연속파 광의 주파수를 제 3 시간의 주기로 선형적으로 증가시키도록 구성되는 라이다 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 3 시간은 상기 제 1 시간과 제 2 시간의 합과 동일하며, 상기 광 조향기는 제 3 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 1회 방출하도록 구성되는 라이다 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 3 시간은 상기 제 1 시간과 제 2 시간의 합보다 크며, 상기 광 조향기는 제 3 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 다수 회 방출하도록 구성되는 라이다 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 주파수 변조기는 상기 주파수 변조된 연속파 광의 주파수를 제 3 시간 동안 선형적으로 증가시키고 제 4 시간 동안 선형적으로 감소시키며, 상기 주파수 변조된 연속파 광의 주파수를 증가시키는 제 3 시간과 상기 주파수 변조된 연속파 광의 주파수를 감소시키는 제 4 시간이 주기적으로 반복되도록 구성되는 라이다 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 3 시간 및 제 4 시간은 상기 제 1 시간과 제 2 시간의 합과 동일하며, 상기 광 조향기는 제 3 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 1회 방출하고 제 4 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 1회 방출하도록 구성되는 라이다 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 3 시간 및 제 4 시간은 상기 제 1 시간과 제 2 시간의 합보다 크며, 상기 광 조향기는 제 3 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 다수 회 방출하고 제 4 시간 동안 상기 주파수 변조된 연속파 광을 다수 회 방출하도록 구성되는 라이다 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 제 3 시간 동안 방출된 상기 주파수 변조된 연속파 광의 반사광으로부터 얻은 수신 신호와 제 4 시간 동안 방출된 상기 주파수 변조된 연속파 광의 반사광으로부터 얻은 수신 신호를 기초로 FMCW 방식으로 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성되는 라이다 장치.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 ToF(Time of Flight) 방식으로 상기 수신 신호의 파형을 분석하여 물체에 관한 거리 정보를 추출하도록 구성되는 라이다 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 ToF 방식으로 추출한 거리 정보와 FMCW 방식으로 추출한 거리 정보를 기초로 물체에 관한 거리 정보를 조절하도록 구성되는 라이다 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 TOF 방식으로 상기 수신 신호의 파형을 분석하여 물체에 관한 거리 정보를 추출하고 도플러 방식으로 상기 수신 신호의 주파수를 분석하여 물체에 관한 속도 정보를 추출하도록 구성되는 라이다 장치.
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