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문제 정의
- 본 논문에서는 맵핑(mapping)용 3차원 영상 레이저 레이더 실험실 시제의 성능시험 및 분석결과를 소개하고자 한다. 맵핑은 레이저 레이더 시스템의 응용분야 중에 가장 활발한 연구가 진행되고 있는 분야의 하나이다.
- 맵핑을 통해서 지상의 지형 지물 지도를 제작할 수 있으며, 일부 기능을 보완하여 헬기 등에 탑재할 경우 비행체 경로상의 철탑이나 송전선 등을 찾아내어 회피하는 장애물 탐지 분야에도 활용될 수 있다. 레이저 레이더 실험실 시제의 성능시험은 실험실 수준에서 시제의 기본 성능을 평가하고 최종 본 시제 제작을 위한 추가 개선요구 사항을 도출하는 데 그 목적이 있다. 더불어 실험실 시제의 성능시험 결과를 분석함으로서 시제품을 구성한 각 모듈들의 성능 및 시스템 성능 영향성을 파악할 수 있으며, 각각의 구성 모듈에 대한 요구 성능 할당 및 재분배를 구체적으로 검토할 수 있다.
- 본 논문에서는 맵핑용 레이저 레이더 개발 실험실 시제의 성능시험과 결과분석 내용을 소개하였다. 실험실 시제의 목적은 안정적인 실험실 조건에서 시스템의 기본 성능을 확보하는 것이다.
제안 방법
- 광섬유 레이저는 7개의 출력 채널을 가지도록 설계되었다. 7개 채널 출력단 광섬유는 광섬유 묶음으로 처리하여 한 개의 번들(bundle)로 제작되었다.
- FLAME 시제에서 송광부 7채널의 레이저 광선은 333 nsec의 간격을 가지고 발사되며, 7개의 시작신호(F.V)가 발사되는 동안의 시간인 약 2 usec(333 nsec × 6구간)까지는 검출기의 이득(gain)이 최소로 유지되도록 하여 강한 세기의 시작신호를 증폭없이 검출 가능하도록 하였다.
- 검출기는 광섬유 레이저 모듈의 광출력이 송수광 광학부를 통해서 나가고 들어오는 레이저 광신호를 시작신호(Start signal 또는 FV, First Video)와 표적신호(Target signal 또는 Echo)로 검출한다. 즉, 레이저 출력이 송광 광학모듈을 통해서 표적을 향해 발사될 때, 검출기는 각각 333 ns의 시간 간격을 가지는 7개의 시작 신호를 검출하게 된다.
- V)가 발사되는 동안의 시간인 약 2 usec(333 nsec × 6구간)까지는 검출기의 이득(gain)이 최소로 유지되도록 하여 강한 세기의 시작신호를 증폭없이 검출 가능하도록 하였다. 이후 1 usec 동안 이득을 최대로 상승시켜서 반사광(echo)가 들어오는 시간동안에는 적은 세기의 광신호를 충분히 증폭하여 검출할 수 있도록 하였다. 따라서 첫 번째 시작신호 이후 약 3 usec 시점부터 반사광 검출이 가능하다.
- 로직모듈은 레이저 모듈에 발사(fire)를 위한 트리거(trigger) 신호를 제공하고 검출기의 동작을 모니터한다. 또한 송광부 광선의 좌우 수평 방향 이동을 담당하는 두 개의 스캐너 쐐기(wedge) 운동을 모니터하고 제어한다. 스캐너 모듈, DGPS, IMU로 부터 얻어진 모든 데이터를 처리한다.
- 레이저 레이더 실험실 시제의 시스템 성능을 평가하기 위한 주요 항목으로 레이저 레이더 광원 특성, 거리 정확도, 소광율, 오경보율을 측정하고 그 결과를 분석하였다.
- 광섬유 레이저로부터 발생한 광신호가 송광 광학부를 통과한 후 표적을 향해 발사되는 시스템 최외각 출력단에서 관측되는 레이저 출력세기와 발산각 특성은 FLAME 시제의 운용거리와 표적 면적 관련 성능에 지대한 영향을 준다. FLAME 시제의 광원 특성을 파악하기 위해서 7개 채널로 이루어진 레이저 레이더 송광부 광원의 펄스당 에너지와 발산각 크기를 측정하였다. 레이저 펄스당 에너지는 Power-meter를 사용하여 출력세기를 측정한 후 펄스 반복률로 나누어서 계산하였다.
- FLAME 시제의 광원 특성을 파악하기 위해서 7개 채널로 이루어진 레이저 레이더 송광부 광원의 펄스당 에너지와 발산각 크기를 측정하였다. 레이저 펄스당 에너지는 Power-meter를 사용하여 출력세기를 측정한 후 펄스 반복률로 나누어서 계산하였다. 광원의 발산각 측정은 전체 에너지의 85%를 포함하는 광원의 직경을 Beam profiler로 측정하여 산출하였다.
- 레이저 펄스당 에너지는 Power-meter를 사용하여 출력세기를 측정한 후 펄스 반복률로 나누어서 계산하였다. 광원의 발산각 측정은 전체 에너지의 85%를 포함하는 광원의 직경을 Beam profiler로 측정하여 산출하였다. 표 1과 표 2는 각각 레이저 레이더 광원의 펄스 에너지와 발산각 측정결과를 보여 준다.
- 5 m 크기의 표적을 향해 조준한다. 3) 시제의 레이저를 발사하여 각 채널의 거리 측정값을 획득하고 이로부터 거리 정확도를 계산한다. 표 3은 FLAME 시제 7 채널 가운데 4개 채널의 거리 측정결과를 정리한 것이다.
- 물론, 최종 시제품이 개발되어 성능을 확인하고자 할 시점에는 실제 시험조건에서 시스템 운용 거리를 직접적으로 측정해야 한다. 본 소광율 시험에서는 500 m 거리에 85% 반사율의 표적을 두고 검출기 앞 단에 장착한 표적 반사광 신호 세기를 감쇄시키는 필터의 투과율을 변화시켜 가면서 표적까지의 거리를 측정하였다. 시험절차의 주요사항을 요약하면 다음과 같다.
- 5 m 크기의 표적을 향해 조준한다. 3) 시제의 검출기 구경(aperture) 앞단에 소광율 15 dB의 감쇄 필터를 위치시키고, 레이저 레이더 시제의 표적 거리를 측정한다. 표 4와 표 5는 각각 소광율 12 dB와 15 dB의 감쇄 필터를 적용했을 때 표적 거리 측정시험 결과를 정리한 것이다.
- 이는 레이저 레이더 시제가 거짓 정보를 발생시킴으로서 표적 신호를 감지하지 못하는 것보다도 더욱 위험한 상황을 초래할 수 있기 때문이기도 하다. FLAME 시제의 오경보율 시험은 80 kHz 펄스 반복율 조건에서 레이저를 허공으로 발사하면서 시스템에서 검출되는 표적신호 개수를 측정하였다. 시험절차의 주요사항을 요약하면 다음과 같다.
- 2) 시제의 레이저 펄스를 80 kHz 반복율로 10분간 발사하고(총 48×106개 레이저 펄스), 시제의 검출기가 감지하는 펄스신호 개수를 측정하여 오경보율을 계산한다.
대상 데이터
- 획득 데이터를 이용한 계산과 맵핑 정보 구축 작업은 지상의 영상처리부에서 off-line으로 이루어진다. FLAME 시제가 센서부로부터 획득하는 데이터는 거리(range), 레이저 세기(intensity), 엔코더, IMU(관성측정기, Inertial Measurement Unit), DGPS(차분위성항법장치, Diffrential Global Positioning System) 정보 등이다.
- 레이저 레이더 시스템은 레이저와 검출기를 핵심 모듈로 하여, 전자부, 광학부, 영상처리부, Ladar 제어부 등으로 구성된다. 이들 중 영상처리부와 Ladar 제어부를 제외한 관련 구성모듈은 센서부에 속한다.
- 7개 채널 출력단 광섬유는 광섬유 묶음으로 처리하여 한 개의 번들(bundle)로 제작되었다. 레이저는 어븀첨가 광섬유 레이저로서, 눈에 안전한 1560 nm의 중심파장을 가진다. 레이저의 반복률은 각 채널당 최소 80 kHz에서 최대 140 kHz까지 가변 가능하다.
- 레이저 시작 신호와 반사광 신호사이의 시간 차이는 표적까지의 거리 정보를 알려준다. 검출기는 아발란치 광검출기(APD, Avalanche Photo-Diode)를 기반으로 하는 단일소자(Single pixel) 검출기로서, 잡음등가출력(NEP, Noise Equivalent Power)와 최소검출신호(MDS, Minimum Detectable Signal)은 각각 15 nW 와 150 nW 이하이다. 검출기의 밴드폭은 약 500 MHz(@-3dB) 이상이다.
- 레이저 레이더 광원은 FLAME 시제의 성능을 결정하는 주요 시험 항목 중의 하나이다. 본 연구의 FLAME 시제에서 광원은 광섬유 레이저가 적용되었다. 광섬유 레이저로부터 발생한 광신호가 송광 광학부를 통과한 후 표적을 향해 발사되는 시스템 최외각 출력단에서 관측되는 레이저 출력세기와 발산각 특성은 FLAME 시제의 운용거리와 표적 면적 관련 성능에 지대한 영향을 준다.
성능/효과
- 레이저 레이더 실험실 시제의 성능시험은 실험실 수준에서 시제의 기본 성능을 평가하고 최종 본 시제 제작을 위한 추가 개선요구 사항을 도출하는 데 그 목적이 있다. 더불어 실험실 시제의 성능시험 결과를 분석함으로서 시제품을 구성한 각 모듈들의 성능 및 시스템 성능 영향성을 파악할 수 있으며, 각각의 구성 모듈에 대한 요구 성능 할당 및 재분배를 구체적으로 검토할 수 있다.
- FLAME 시제의 7개 채널 레이저 광원은 펄스 반복률 80 kHz 조건에서 약 4.3 uJ(최소 4.0 uJ, 최대 4.6 uJ), 140 kHz 조건에서 약 2.7 uJ(최소 2.5 uJ, 최대 3.0 uJ) 수준의 펄스 에너지를 가지는 것으로 확인되었다. 시스템에서 요구되는 송광부 각 채널 레이저 출력의 펄스 에너지는 각각 80 kHz 조건에서 3.
- FLAME 시제의 7개 채널 레이저 발산각은 펄스 반복률 80 kHz 조건에서 최소 95 urad, 최대 147 urad으로, 140 kHz 조건에서 최소 97 urad, 최대 142 urad으로 측정되었다. 시스템에서 요구되는 송광부 각 채널 레이저 광선의 발산각은 150 urad 이하이다.
- 51 m 이었다. 표 3에서 알 수 있듯이, 채널 1에서 관측된 FLAME 시제의 거리 정확도는 약 3 cm 수준인 것으로 확인되었다. 향후 표적 평면과 레이저 발사 평면과의 정렬을 개선하거나 각 채널의 레이저가 조사되는 표적거리 참값을 개별적으로 측정하여 모든 채널의 거리 정확도를 평가할 것이다.
- 표 5는 감쇄기의 소광율을 15 dB로 증가시킨 조건에서 표적 거리를 측정한 결과이다. 모든 채널에서 거리 측정값의 표준편차가 약 20 m 수준의 큰 값을 보이고 있다. 표적 반사광 신호의 세기가 작아서 불안정한 거리 측정이 이루어진 것이다.
- 표적 반사광 신호의 세기가 작아서 불안정한 거리 측정이 이루어진 것이다. 표에 나타내지는 않았지만, 소광율 14 dB 감쇄 필터를 적용했을 경우에는 12 dB 대비 다소 증가한 수치이기는 하였으나 여전히 15 cm 이하의 양호한 거리 측정 표준편차를 확인할 수 있었다. 이로부터 FLAME 시제의 소광율 성능은 약 14.
- FLAME 시제의 오경보율을 5회 반복 측정한 결과, 최대 0.1%을 초과하지 않음을 확인 할 수 있었다. 맵핑용 응용분야에서의 0.
- 실험실 시제의 목적은 안정적인 실험실 조건에서 시스템의 기본 성능을 확보하는 것이다. 레이저 레이더 실험실 시제의 레이저 광원 특성, 거리 정확도, 소광율, 오경보율에 대한 성능시험을 수행한 결과, 양호한 시제 성능을 확인할 수 있었다. 향후 실험실 시제의 성능시험 결과를 반영하여 시제품의 성능 신뢰성 확보와 비행체 탑재 조건에서 운용될 최종 시제 성능개선 연구를 추진할 예정이다.
후속연구
- 각 채널에서의 레이저 발산각이 요구 수치를 충족하고는 있지만 특정 채널의 경우 발산각 개선의 여지가 있는 것으로 판단된다. 향후 레이저 레이더 영상 획득 시험이 이루어지면 결과분석을 수행하여 필요시 성능개선을 추진할 것이다. 그림 4는 FLAME 시제에 적용된 레이저 광원의 공간 프로파일을 측정한 결과이다.
- 표 3에서 알 수 있듯이, 채널 1에서 관측된 FLAME 시제의 거리 정확도는 약 3 cm 수준인 것으로 확인되었다. 향후 표적 평면과 레이저 발사 평면과의 정렬을 개선하거나 각 채널의 레이저가 조사되는 표적거리 참값을 개별적으로 측정하여 모든 채널의 거리 정확도를 평가할 것이다. 다만, 표 3의 각 채널당 거리측정값의 표준편차 크기로 판단해 볼 때 FLAME 시제의 7 채널 거리 정확도는 최대 10 cm 이하 일 것으로 예측된다.
- 레이저 레이더 실험실 시제의 레이저 광원 특성, 거리 정확도, 소광율, 오경보율에 대한 성능시험을 수행한 결과, 양호한 시제 성능을 확인할 수 있었다. 향후 실험실 시제의 성능시험 결과를 반영하여 시제품의 성능 신뢰성 확보와 비행체 탑재 조건에서 운용될 최종 시제 성능개선 연구를 추진할 예정이다. 맵핑용 레이저 레이더 최종 시제는 헬기나 무인기 등에 탑재되어 운용되며, 이를 통해 관심지역에 대한 고해상도의 맵 정보를 확보하게 될 것이다.
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