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문제 정의
- 본 논문에서는 60 Hz의 재생률로 전방 150 m 거리에 있는 846×480개 장소를 순차적으로 측정하는 스캐닝 라이다를 제안한다.
제안 방법
- 두 개의 CRC 체크섬이 일치하지 않으면 오류가 있으므로 폐기를 하고, 일치할 경우 다음 과정으로 진행한다. 13비트 스트림에 있는 열 식별 번호를 이용하여 해당 펄스가 방출된 시간과 행 번호를 알아내고, 펄스의 최대값이 수신된 시간을 더하여 비행시간과 물체까지 거리를 계산한다. 행과 열 식별번호와 함께 물체까지 거리를 기록하고, 펄스의 최대값은 수신 신호 세기로 기록한다.
- 수신부에 장착된 렌즈를 통해 수신된 반사파를 SPAD(Single-Photon Avalanche Diode)를 이용하여 아날로그 전기 신호로 변환한다. 256채널의 300 Msps로 동작하는 비동기식 파이프라인 구조(Asynchronous Pipeline)의TDC를 이용하여 펄스를 검출하고 펄스 폭과 도착 시간을 측정한다. TDC의 START에는 1 GHz로 동작하는 PLL에서 생성되는 펄스를 입력하고, STOP 신호에는 SPAD의 아날로그 전기 신호를 입력한다.
- TDC의 START에는 1 GHz로 동작하는 PLL에서 생성되는 펄스를 입력하고, STOP 신호에는 SPAD의 아날로그 전기 신호를 입력한다. TDC에서 출력된 시간 정보를 이용하여 펄스가 수신된 시간을 계산한다. DS-OCDMA로 방출한 레이저 펄스는 첫 신호가 항상 ‘1’로 되어있으므로, ‘1’로 판단할 수 있는 전압이 수신되면 RZ-OOK 복조를 이용하여 320GHz 속도로 디지털 데이터를 10933개의 칩 데이터로 변환한다.
- 식(5)에서 mn∈1229일 때 Cn는 칩 데이터로 만든 시퀀스 코드이고, Cm는 방출할 레이저를 부호화할 때 사용한 시퀀스 코드이다. 검출된 데이터는 동기식 프라임 시퀀스 코드 방식으로 복호화하는 대역 역확산(Despreading Spectrum)과정을 거쳐서 13비트 스트림으로 변환한다.[19-21]
- 길이가 4.7 m, 높이가 1.42 m, 폭이 1.82 m인 3D 자동차 모델을 세 가지 라이다의 전방 30 m, 50 m, 70 m, 120 m 떨어진 곳에 두고 시뮬레이션으로 포인트 클라우드와 그에 따른 3D 거리 영상을 생성하여 비교하였다.
- 레이저 펄스를 방출할 때 열 식별 번호를 행 번호와 방출 시간과 함께 기록하면, 수신한 반사파에 포함된 열의 식별 번호를 이용하여 행 번호와 방출 시간을 알 수 있다. 레이저 펄스의 방출 시간과 수신 시간 차이를 이용하여 비행시간을 계산하고, 이를 통해 물체까지 떨어진 거리를 계산한다. 송신부는 레이저 펄스를 방출하면서 방출 시간을 기록하고, 수신부는 반사파의 정보를 이용하여 비행시간과 거리를 계산하여 송신부와 수신부가 상호 독립적으로 동작한다.
- 복호화된 13비트 스트림에 있는 10비트 열 식별 번호를 3비트 CRC 알고리즘을 이용하여 CRC 체크섬을 생성하고, 이를 13비트 스트림에 포함된 CRC 체크섬과 비교한다. 두 개의 CRC 체크섬이 일치하지 않으면 오류가 있으므로 폐기를 하고, 일치할 경우 다음 과정으로 진행한다.
- 본 논문에서 제안하는 스캐닝 라이다는 Fig. 1과 같이 각각의 방향마다 픽셀 위치를 DS-OCDMA 기술로 부호화한 레이저 펄스를 방출한다. 각각의 측정 방향마다 방출하는 부호화된 펄스는 Fig.
- 본 논문에서 측정 방향을 대기 시간없이 하나씩 순차적으로 거리 측정하는 3D 스캐닝 라이다를 제안하고, 시뮬레이션을 이용하여 기존 라이다와 성능을 비교하였다. 기존의 3D 스캐닝 라이다와 플래시 라이다는 레이저 펄스를 방출하고 일정시간 대기하여 반사파를 수신해야 한다.
- 제안한 라이다가 DS-OCDMA를 이용하여 레이저 펄스를 방출하고, 반사파를 수신 한 후 처리하는 과정을 시뮬레이션으로 구현하였다. 비교 대상으로 선택한 3D 스캐닝 라이다와 플래시 라이다도 레이저를 방출하고, 반사파를 수신하여 처리하는 과정을 Fig. 7과 같이 동작하는 시뮬레이션으로 구현하였다.[23] 시뮬레이션으로 라이다의 성능을 비교하기 위한 파라메타는 Table 3과 같다.
- 플래시 라이다는 레이저를 비전 카메라의 플래시램프와 비슷한 방법으로 사용한다. 비전 카메라는 촬영을 원하는 방향으로 플래시램프를 터트리면서, 영상을 촬영한다. 플래시 라이다는 빔 확대기(Beam Expander)를 이용하여 레이저를 플래시램프처럼 넓게 분산시켜 거리 측정할 방향으로 방출한 후, 일정시간 대기하면서 수신된 반사파들을 분석하여 거리를 측정한다.
- 장치 고유의 식별 번호와 함께 각각의 측정 방향에 해당하는 픽셀의 848개의 열을 구분하는 10비트 열 식별 번호와 3비트 체크섬을 조합한 13비트 스트림을 생성한다. 비트 스트림을 다른 레이저 펄스와 직교가 되도록 DS-OCDMA 기술인 1차원 단 극성 비동기식 프라임 시퀀스 코드(1D Unipolar Asynchronous Prime Sequence Code)로 대역 확산(Spread Spectrum)을 한 후 제로-복귀 온-오프변조(Return-to-Zero On-Off Keying, RZ-OOK) 방법으로 디지털 변조한다. 단극성의 DS-OCDMA 기술은 부호화할 비트가 ‘1’일 경우에만 해당하는 이진 코드워드를 전송한다.
- 3과 같이 상호 독립적으로 동작하는 송신부와 수신부로 구성된다. 송신부는 픽셀 위치에 대한 비트 스트림(Bit Stream)을 DS-OCDMA기술로 부호화한 후 광변조기(Optical Modulator)를 이용하여 레이저 펄스를 생성한 후 방출하고, 스캐닝 방식의 MEMS(Microelectromechanical Systems) 거울을 이용하여 측정할 방향으로 반사한다. 수신부는 수신된 반사파를 TDC(Time-toDigital Converter)를 이용하여 디지털화한 후 DS-OCDMA기술로 복조하고, 측정 방향에 따른 방출 시간을 이용하여 레이저 펄스의 비행시간과 물체까지 거리를 계산한다.
- 송신부는 픽셀 위치에 대한 비트 스트림(Bit Stream)을 DS-OCDMA기술로 부호화한 후 광변조기(Optical Modulator)를 이용하여 레이저 펄스를 생성한 후 방출하고, 스캐닝 방식의 MEMS(Microelectromechanical Systems) 거울을 이용하여 측정할 방향으로 반사한다. 수신부는 수신된 반사파를 TDC(Time-toDigital Converter)를 이용하여 디지털화한 후 DS-OCDMA기술로 복조하고, 측정 방향에 따른 방출 시간을 이용하여 레이저 펄스의 비행시간과 물체까지 거리를 계산한다.
- 수신부는 복조할 데이터의 오류 검출하기 위하여 3비트CRC(Cyclic Redundancy Check)를 체크섬으로 사용한다. 수신한 반사파를 복조한 후 3비트 CRC 알고리즘을 이용하여 수신 데이터에 오류가 있는 지 확인한다. 수신 데이터에 오류가 있을 경우 폐기하고, 없을 경우에만 장치 식별 번호와 행 및 열 식별 번호를 이용한 처리 과정으로 진행한다.
- 기존의 라이다의 경우 레이저 펄스를 방출한 후 반사파를 수신하기 위하여 반드시 최대 측정 거리를 왕복 비행하는 시간보다 길게 대기해야 한다. 제안하는 라이다는 레이저 펄스를 방출한 후에 반사파를 수신할 때까지 대기할 필요가 없으므로, 송신부는 측정 가능한 모든 방향에 대하여 최대 측정 거리와 상관없이 순차적으로 레이저를 방출한다.
- 기존의 3D 스캐닝 라이다는 하나의 거울로 레이저 송신과 수신을 처리하는 동축(Coaxial)으로 설계되어, 레이저를 방출한 후 최대 측정 거리에 따라 반사파를 수신하기 위하여 거울을 고정하고 있어야 한다. 제안하는 라이다는 레이저 펄스를 원하는 방향으로 반사하기 위하여 모터가 장착된 거울이 아니라 2축 자유도를 가진 MEMS 거울을 이용한다. 송신부와 수신부가 분리되어 상호 독립으로 동작하여 레이저 펄스를 송신할 때만 MEMS 거울을 사용하고, 수신할 때는 사용하지 않는다.
- 제안하는 라이다는 장치 식별 번호와 측정 방향에 해당하는 열 식별 번호를 조합한 데이터에 DS-OCDMA 방식을 적용하여 생성한 매크로펄스 형태의 레이저 펄스를 각각의 측정 방향으로 방출한다. 장치 식별 번호를 이용하면 수신한 반사파 중에서 자신이 방출한 레이저 펄스에 대한 반사파만 걸러서 처리한다.
- 수신한 반사파의 픽셀 위치를 이용하면 레이저를 방출한 후 반사파를 수신할 때까지 대기하지 않고 다음 방향을 측정할 수 있어서, 한 방향에 대한거리 측정에 필요한 최소 시간이 측정 거리와 무관하다. 제안하는 스캐닝 라이다는 최대 측정 거리가 설계에 영향을 미치지 않아서, 3D 거리 영상의 1초당 재생률과 측정 방향의 개수만 반비례 관계에 있게 된다.
- 결과를 비교할 대상으로 3D 스캐닝 라이다 중에서 가장 많이 사용되는 벨로다인의 HDL-64E,플래시 라이다 중에서 가장 많이 사용되는 ASC의 페러그린을 선택하였다. 제안한 라이다가 DS-OCDMA를 이용하여 레이저 펄스를 방출하고, 반사파를 수신 한 후 처리하는 과정을 시뮬레이션으로 구현하였다. 비교 대상으로 선택한 3D 스캐닝 라이다와 플래시 라이다도 레이저를 방출하고, 반사파를 수신하여 처리하는 과정을 Fig.
- 제안한 라이다의 동작 성능을 비교하고 검증하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 결과를 비교할 대상으로 3D 스캐닝 라이다 중에서 가장 많이 사용되는 벨로다인의 HDL-64E,플래시 라이다 중에서 가장 많이 사용되는 ASC의 페러그린을 선택하였다.
- 스캐닝 라이다는 거리 측정하는 방향으로 레이저 빔을 방출한 후, 물체에 반사된 파형을 분석하여 거리를 측정한다. 측정을 원하는 모든 방향으로 레이저 빔을 하나씩 방출한 후, 일정시간 대기(Idle Listening Time)하면서 수신한 반사파를 검출하여 분석하는 과정을 차례대로 동일하게 수행한다. 각각의 측정 방향마다 평행 빔(Collimated Beam)을 방출하므로 먼 거리까지 거리 측정이 가능하지만, 측정을 원하는 모든 방향에 대하여 레이저 방출과 검출을 차례대로 수행하여 측정 가능한 전체 영역에 있는 측정 방향의 개수에 비례하여 측정 시간이 증가한다.
- 비전 카메라는 촬영을 원하는 방향으로 플래시램프를 터트리면서, 영상을 촬영한다. 플래시 라이다는 빔 확대기(Beam Expander)를 이용하여 레이저를 플래시램프처럼 넓게 분산시켜 거리 측정할 방향으로 방출한 후, 일정시간 대기하면서 수신된 반사파들을 분석하여 거리를 측정한다. 측정하는 모든 영역으로 동시에 레이저를 방출하여, 한 방향씩 측정하는 스캐닝 라이다보다 측정 가능한 영역을 모두 측정하는 데 필요한 시간이 짧다.
- 방출한 장치와 픽셀 위치를 구분할 수 있는 식별 번호가 레이저 펄스에 포함되어 있어서, 수신한 반사파를 복조하면 레이저 펄스를 방출한 장치와 픽셀 위치를 인식할 수 있다. 픽셀 위치를 이용하여 레이저 펄스가 방출된 방향과 시간을 알게 되어 레이저를 반사한 물체까지 거리를 계산한다. 수신한 반사파의 픽셀 위치를 이용하면 레이저를 방출한 후 반사파를 수신할 때까지 대기하지 않고 다음 방향을 측정할 수 있어서, 한 방향에 대한거리 측정에 필요한 최소 시간이 측정 거리와 무관하다.
대상 데이터
- 제안한 라이다의 동작 성능을 비교하고 검증하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 결과를 비교할 대상으로 3D 스캐닝 라이다 중에서 가장 많이 사용되는 벨로다인의 HDL-64E,플래시 라이다 중에서 가장 많이 사용되는 ASC의 페러그린을 선택하였다. 제안한 라이다가 DS-OCDMA를 이용하여 레이저 펄스를 방출하고, 반사파를 수신 한 후 처리하는 과정을 시뮬레이션으로 구현하였다.
- 방출한 레이저 펄스는 DS-OCDMA 기술로 부호화되어 다른 레이저 펄스와 직교(Orthogonal)하므로, 동시에 여러 개의 반사파를 수신해도 모두 구분되어 원래의 정보로 복조가 가능하다. 제안하는 스캐닝 라이다는 Fig. 3과 같이 상호 독립적으로 동작하는 송신부와 수신부로 구성된다. 송신부는 픽셀 위치에 대한 비트 스트림(Bit Stream)을 DS-OCDMA기술로 부호화한 후 광변조기(Optical Modulator)를 이용하여 레이저 펄스를 생성한 후 방출하고, 스캐닝 방식의 MEMS(Microelectromechanical Systems) 거울을 이용하여 측정할 방향으로 반사한다.
- 대역 확산된 데이터는 RZ-OOK로 디지털 변조가 된 후,광변조기를 이용하여 320 GHz의 속도로 레이저 펄스를 생성하여 방출한다. 하나의 측정 방향으로 방출하는 레이저 펄스는 13비트 스트림을 소수 29를 사용하는 1차원 단극성 비동기식 프라임 시퀀스 코드로 대역 확산하여 10933개의 마이크로펄스로 구성되어 있다. 각각의 마이크로펄스는 파장이 905 nm이고, 가우시안 형태의 에너지 분포 형태를 지니며,펄스 지름이 1 mm, 듀티비(Duty Ratio)가 50%이고, 펄스폭이 3.
성능/효과
- 포인트 클라우드에서 포인트가 많을수록 정밀하게 측정했음을 나타낸다. 제안하는 라이다는 HDL-64E보다 10배 이상 많은 측정 포인트를 생성하였고, 페러그린보다 20배 이상 많은 측정 포인트를 생성하였다.
후속연구
- MEMS 거울을 사용하여 레이저 펄스를 반사한 후 전송하여 라이다의 전방에 있는 거리 영상만 생성한다는 한계가 있다. 자율 주행을 위해서는 주변의 모든 영영에 대한 거리 영상이 필요하므로 라이다를 중심으로 주변 360°에 대하여 거리 측정할 수 있도록 개선되어야 할 것이다.
- 본 논문에서는 60 Hz의 재생률로 전방 150 m 거리에 있는 846×480개 장소를 순차적으로 측정하는 스캐닝 라이다를 제안한다. 제안하는 라이다는 DS-OCDMA(Direct-Sequence Optical Code Division Multiple Access) 기술로 부호화한 레이저 펄스를 각각의 측정 방향마다 방출하며, 반사파를 검출하기 위하여 대기할 필요가 없다. 각 방향마다 방출하는 레이저 펄스는 픽셀(Pixel) 위치와 오류 검출을 위한 체크섬(Checksum)으로 구성된다.
- 거리 영상의 해상도와 재생률이 높을수록 주변 환경을 실제에 가깝게 인지할 수 있다. 제안하는 라이다는 이들에게 전방의 환경을 인지하기 좋은 거리 영상을 제공할 수 있음을 시뮬레이션으로 확인하였고, 다양한 환경에서 실험을 통하여 동작 검증이 필요하다. MEMS 거울을 사용하여 레이저 펄스를 반사한 후 전송하여 라이다의 전방에 있는 거리 영상만 생성한다는 한계가 있다.
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