[논문]무인수송체 시스템용 TOF 방식 이차원 라이다 센서 개발

김민규; 박용운; 원문철

doi:10.9766/kimst.2016.19.4.415

문제 정의

본 논문에서는 LADAR 설계/제작시 성능에 미칠 수 있는 주요 요소와 그에 따라 발생하는 문제점을 강조하고 있으며, 해결책을 제시한다. 주요소자인 TDC에 대한 에러요소를 파악하고, 전원부 품질유지를 위한 그라운드 분리에 따른 중요성과 실험데이터로 그라운드 분리에 대한 중요성을 확인하였다.
TDC 소자는 비선형적인 특성을 가지고 있으며, 소자 자체 Jitter도 있다. 본 논문에서는 TDC의 Jitter를 고정밀도의 Delay Generator를 이용하여 측정하고, LADAR 거리측정성능에 어떠한 영향을 주는지 확인한다.
송수신된 레이저 빔은 대기의 특성에 의해 감쇄되고, 반사되어 돌아오는 Target의 특성(Reflectivity, Roughness)에 따라 신호의 세기가 다르다. 본 논문에서는 알루미늄 반사체와 위장무늬가 있는 국방색 천을 이용하여 거리별 정확도를 측정하였다. 국방색 천은 905 nm 중심파장에서 25 %, 알루미늄은 85 % 반사율을 가지며, 같은 거리에 Target이 있지만, 각기 다른 거리측정 성능을 보여주었다.
본 논문에서는 최근 무인시스템에서 많이 활용되는 LADAR 센서 설계시 성능에 영향을 미치는 요소에 대한 설계안을 제시하고, 그 요소들이 충분히 고려되지 않고 LADAR가 설계/제작 되었을 때 어떠한 문제점이 발생하는지 다룬다. 또한, 무인시스템에 활용가능한 2D LADAR 센서의 새로운 설계안 및 제작된 시제를 이용한 실험결과를 제시한다.

제안 방법

2D LADAR 성능측정실험은 Fig. 12와 같이 LOS(Line Of Sight)가 확보되는 잔디밭에서 수행하였으며, Target을 5 m 단위로 이동시키면서 거리측정을 하였다.
이후 시간지연을 계산할 TDC 파트를 추가한다. PLD 구동 드라이버는 첨두치 파워(Peak Power), 펄스폭, 펄스반복률(PRR)등을 고려하여 설계 진행하고, APD 드라이버는 신호대잡음비, 증폭 이득, 노이즈 필터 등을 고려하여 설계한다. 사실 여기까지는 교과서적인 설계이며, 이외에도 윈도우 내부 광학계간 난반사에 따른 간섭, 자체 발열 및 외부온도 변화에 따른 소자의 성능변화, 전자소자의 전달지연시간, Jitter, 태양광 유입에 따른 노이즈 차단등 현실적으로 풀어야 하는 문제점들이 산재해 있다.
TDC 성능측정을 위하여 Fig. 3과 같은 구성으로 분해능이 높고 low jitter 성능을 보유한 Delay Generator를 이용하여 레이저 빔의 이동시간을 모의하였으며, TDC는 독일 ACAM사의 TDC EVM(ATMD-GP2)을 이용하였다.
본 논문에서는 최근 무인시스템에서 많이 활용되는 LADAR 센서 설계시 성능에 영향을 미치는 요소에 대한 설계안을 제시하고, 그 요소들이 충분히 고려되지 않고 LADAR가 설계/제작 되었을 때 어떠한 문제점이 발생하는지 다룬다. 또한, 무인시스템에 활용가능한 2D LADAR 센서의 새로운 설계안 및 제작된 시제를 이용한 실험결과를 제시한다.
LADAR에서 사용되는 Pulsed LD는 보통 수십~수백Volt 전압으로 10 ns 이내의 Pulse width로 고속 구동된다. 본 연구에서는 18 kHz로 구동하였으며, LD가 구동될 때마다 발생하는 그라운드 신호의 변동(fluctuation)은 저전압으로 동작하는 APD Preamp, Post Amp, 비교기에 영향을 미치며, Fig. 6과 같이 APD구동회로 최종 출력은 수 ns의 Jitter로 나타나게 된다.
본 장에서는 모든 문제점들을 다룰 수는 없겠지만, 중요한 네 가지 요소가 LADAR성능에 미치는 영향을 실험을 통해서 확인하고, 해결방향을 제시한다.
이론적으로 나타날 수 있는 문제보다는 실제 개발시 발생할 수 있는 문제점에 대한 연구 및 개발결과를 제시하였으며, 개발된 시제 LADAR를 이용하여 센서가 고정된 환경 및 센서가 차량에 탑재된 경우에 대하여 각각 거리측정을 수행하고 성능을 검증하였다.
이후 측정하고자 하는 기준 반사체에 따른 반사율을 바탕으로 PLD, APD 구동 회로를 설계한다. 이후 시간지연을 계산할 TDC 파트를 추가한다. PLD 구동 드라이버는 첨두치 파워(Peak Power), 펄스폭, 펄스반복률(PRR)등을 고려하여 설계 진행하고, APD 드라이버는 신호대잡음비, 증폭 이득, 노이즈 필터 등을 고려하여 설계한다.
이후 측정하고자 하는 기준 반사체에 따른 반사율을 바탕으로 PLD, APD 구동 회로를 설계한다. 이후 시간지연을 계산할 TDC 파트를 추가한다.
실제로 LD/APD 구동전원 Ground 분리전과 후의 APD구동 회로 최종 출력신호를 Time to Digital Converting해보면, 전원의 분리가 LADAR의 거리측정 성능에 얼마만큼 영향을 주는지 알 수 있다. 전원분리는 다양한 방법으로 할 수 있으나, 본 실험에서는 Isolated DC/DC Converter와 bead를 이용하여 기본적인 전원분리를 하고, Pulsed LD Driver로 인한 EMI를 최소한으로 줄이기 위해, 알루미늄 케이스 쉴드와 차폐제(Fig. 7, Fig. 8)를 이용한 이중 쉴드를 수행한다.
본 논문에서는 LADAR 설계/제작시 성능에 미칠 수 있는 주요 요소와 그에 따라 발생하는 문제점을 강조하고 있으며, 해결책을 제시한다. 주요소자인 TDC에 대한 에러요소를 파악하고, 전원부 품질유지를 위한 그라운드 분리에 따른 중요성과 실험데이터로 그라운드 분리에 대한 중요성을 확인하였다. 또한 거리 측정하고자 하는 반사체의 반사율에 따른 거리정확도의 오차를 실험데이터로 제시하고 있으며, 전자부품 소자 자체의 에러요소를 언급하고 부품선정의 중요성을 강조하였다.
펄스간 지연시간을 100 ns(거리측정값 : 약 15 m), 펄스반복률(PRR; Pulse Rapetition Rate)은 18 kHz로 세팅하여 TDC의 출력 결과를 확인하였다. 총 16,000개의 샘플을 로깅하였고, Fig.
LADAR는 기본적으로 거리를 측정하는 센서이다 보니 가장 먼저 검토하게 되는 성능이 거리측정 정확도와 반사율 기준에 따른 최대측정거리, 스캐닝 주파수이다. 현재 판매되고 있는 LADAR 제품들도 위에서 언급한 성능을 제시하기 위하여 조건부 성능을 제시한다.

대상 데이터

개발된 LADAR를 이용하여 기본적인 거리별 측정시험이후 차량에 탑재하여 Fig. 15와 같은 실 도로에서 거리 측정 데이터를 획득하였다. 획득된 LADAR 데이터는 50 Hz 스캔주파수, 1도 분해능으로 실 도로환경에서 스캐닝한 거리데이터이며.
15와 같은 실 도로에서 거리 측정 데이터를 획득하였다. 획득된 LADAR 데이터는 50 Hz 스캔주파수, 1도 분해능으로 실 도로환경에서 스캐닝한 거리데이터이며. 전방에 진행하는 차량과 우측에 존재하는 가로수와 좌측에 있는 중앙분리대용 가로수를 정확하게 검출함을 확인할 수 있었다.

성능/효과

Fig. 14에서 보는바와 같이 실제거리와 2D LADAR에서 측정한 거리값에는 거리별 Offset을 적용하여 보정하더라도 TDC오차(0.5 cm), 전원부 품질에 의한 Jitter(5.24 cm), 전자부품 Jitter의 영향에 의하여 오차가 존재함을 확인할 수 있었다.
전방에 진행하는 차량과 우측에 존재하는 가로수와 좌측에 있는 중앙분리대용 가로수를 정확하게 검출함을 확인할 수 있었다. 가끔 검은색 차량을 정확하게 검출하지 못하는 문제도 발생함을 본 실험에서 확인할 수 있었다.
이는 APD가 돌아오는 레이저의 세기에 따라 다른 반응성을 보이기 때문에 발생하는데, 비교기로 문턱치 이상의 빔을 검출하기 때문에, 빔의 세기가 약할수록 느리게 반응하고, 세기가 강하면 빠르게 반응하기 때문에 이로 인한 오차가 또 하나의 거리 측정 오차로 발생한다. 거리가 멀어질수록 반사체에 의한 영향이 커지는 것을 실험을 통해 확인할 수 있다. 알루미늄 Target과 국방색 천 Target은 거리별로 Fig.
위 Fig. 9에서 보듯이 그라운드 분리 전/후 TDC결과 값에 많은 향상을 보였으며, 그라운드 분리 전에는 표준편차가 0.56 ns(8.4 cm), 분리후에는 0.35 ns(5.24 cm)로 확인되었다.
획득된 LADAR 데이터는 50 Hz 스캔주파수, 1도 분해능으로 실 도로환경에서 스캐닝한 거리데이터이며. 전방에 진행하는 차량과 우측에 존재하는 가로수와 좌측에 있는 중앙분리대용 가로수를 정확하게 검출함을 확인할 수 있었다. 가끔 검은색 차량을 정확하게 검출하지 못하는 문제도 발생함을 본 실험에서 확인할 수 있었다.
LADAR는 전자, 광학이 융합된 장치로 설계/제작시 고려요소가 다양하고, 상호연관이 존재하며, 외란(태양광 등) 또한 다양하다. 전자부품 선정부터 시작하여, 외란에 대한 대책을 실시할 수 있는 설계를 하여야만 신뢰도 높은 LADAR를 제작할 수 있음을 본 연구를 통하여 확인하였다.
펄스간 지연시간을 100 ns(거리측정값 : 약 15 m), 펄스반복률(PRR; Pulse Rapetition Rate)은 18 kHz로 세팅하여 TDC의 출력 결과를 확인하였다. 총 16,000개의 샘플을 로깅하였고, Fig. 4에서 보듯이 측정값의 범위는 99.571 ns ~ 99.792 ns로 나타났으며, Fig. 5와 같은 데이터 분포를 보였다. 최대값과 최소값의 차이가 0.

후속연구

무인시스템에 적용하기 위해서는 관심영역에 분해능을 높여 많은 정보를 획득하고, 비관심영역은 가능한 분해능을 낮춰 정보의 양을 줄이는 것이 무인시스템의 신뢰도와 실시간성을 위해서 가장 필요한 기능이라고 판단된다. 향후 무인수송체에 활용하기에 경제적이고, 효용성이 높은 무인수송체에 특화된 LADAR에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LADAR의 기본 작동원리는 무엇인가?	1. PLD 구동용 Trigger신호 발생 2. PLD 레이저 빔 발사 & TDC Start 입력 3. 스캐닝 미러를 이용한 레이저 빔 조향 4. 레이저 빔 람버시안(Lambertian) 반사 5. 스캐닝미러 레이저 빔 수신 및 반사 6. APD Collimation 렌즈로 집광 7. APD 레이저 빔 검출 & TDC Stop 입력 8. TDC(Time to Digital Converter)에서 레이저 빔 이동시간 측정 9. 이동시간 거리 환산 및 신호처리
	3D LADAR란 무엇인가?	LADAR는 일반적인 거리측정기 광학메커니즘에 종방향, 횡방향에 대한 거리측정을 위하여 여러 가지 아이디어가 반영된 스캐닝 메커니즘이 추가된다. 종방향, 횡방향 모두 측정이 가능한 LADAR를 3D LADAR라고 하며, 횡 또는 종방향 중 하나의 방향만 측정가능한 LADAR를 2D LADAR라고 한다. 많은 LADAR 제조회사들은 거리측정성능이 효과적인 스캐닝 메커니즘을 개발하기 위해 애쓰고 있다.
	레이저 기반의 거리측정센서 및 시스템을 용도에 따라 구분하여 부르는 예는 무엇이 있는가?	하지만, 아직도 일부에서는 측정하는 대상체에 따라 LIDAR, LADAR를 구분해서 사용하기도 한다. 예를 들어 Hard target을 검출하는 용도로 사용하는 센서는 LADAR라고 하고, Soft target인 환경상태 측정용으로 사용되는 센서는 LIDAR라고 구분하여 사용하기도 한다.

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