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문제 정의
- 본 논문에서는 3차원 영상 레이저레이다 시스템의 시스템 설계, 주요 성능 변수에 대한 성능 예측 및 실험 결과에 대해서 기술하였다.
- 본 논문에서는 펄스형 3차원 영상 레이저레이다 시스템의 설계와 성능 분석에 대해 기술하였다. 레이저 레이다 시스템은 능동형 영상 시스템으로 사용된 레이저, 광학계, 스캐너, 검출기 등의 성능 지표가 상호 밀접하게 연관되어 있으므로, 시스템 요구 성능으로부터 부시스템의 요구 성능을 도출하는 시스템 설계 과정이 매우 중요하다.
제안 방법
- 3은 검출기 모듈 내 고민감도의 선형 모드 InGaAs APD의 모습을 도시하고 있다. APD 검출기의 온도 변화에 따른 특성 변화를 최소화하기 위해 온도를 일정하게 유지하였다. 온도 제어는 모듈 내에 내장된 Thermistor와 TEC를 이용하여 제어된다.
- 검출기는 고감도의 APD를 사용하고 있다. APD는 그 작동 특성에 따라 가이거 모드 APD와 리니어 모드 APD로 나뉘는데, 본 논문에서는 표적 구분 성능을 위해 리니어 모드 APD를 채택하였다.
- LADAR 방정식을 이용하여 레이저레이다 시스템의 레이저 전달 특성을 모델링하고, 계산된 레이저 전달량으로부터 펄스검출 확률, 오류검출 확률 등의 주요 시스템 성능을 예측 분석하였다[3]. 예측된 시스템 성능은 실험 결과와의 비교를 통해 검증 및 확인하였다.
- 레이저레이다 시스템의 성능 항목 중 광량과 가장 밀접하게 연관되는 항목은 펄스검출 확률과 오류검출 확률이다. 각종 시스템 설계 변수에 따른 펄스검출확률과 오류검출확률을 얻음으로써 시스템 최적 설계를 진행하였다.
- 검출기는 단일 검출기를 사용하고 있으며, 영상 획득 속도를 높이기 위해 7개의 채널을 가지는 1차원 배열 형태의 광섬유 다발과 긴 타원형태의 스캔 패턴을 가지는 리즐리 스캐너를 이용하여 3차원 영상을 생성하는 레이저레이다 시스템을 구성하였다. 각 채널 별로 시간 지연을 가지고 있는 7개의 광섬유 다발에서 나온 레이저 빔은 표적에 반사되어 7개의 수신 광섬유 다발로 입사되며, 광학계에 의해 단일 검출기로 입사된다.
- 온도 제어는 모듈 내에 내장된 Thermistor와 TEC를 이용하여 제어된다. 검출기의 증폭률은 시스템의 신호 대 잡음비를 최적화하 위해, 가변 가능한 구조로 설계되었다.
- 본 레이저레이다 시스템은 7개 채널의 레이저 빔을 표적에 조사하므로, 최대 측정 거리에서 7개 채널을 동시에 측정 가능한 표적을 사용하여야 한다. 그러나, 거리가 멀어짐에 따라 표적의 크기가 커지므로, 최소 측정 거리에서 적절한 표적을 사용하여 펄스 검출 확률을 측정하고, 최소 측정 거리에서 최대 측정 거리만큼 멀어질 때 해당하는 감쇄량, 다시 말해 소광비 만큼 광감쇄 필터를 적용하여 펄스 검출 확률을 측정함으로써 최대 측정거리에서의 펄스 검출 확률을 유추하였다.
- 레이저레이다 시스템 설계를 위해 레이저의 전달 특성을 LADAR 방정식을 이용하여 모델링하였고, 이를 바탕으로 표준 확률 분포와 포아송 확률 분포를 이용하여 전체적인 시스템 성능을 예측하였다. 시스템 성능 예측 결과는 실험 결과와 비교 분석되었으며, 3차원 영상을 획득하여 정성적인 비교와 분석도 진행하였다.
- 본 논문에서는 표적 구분을 위해서 펄스형 레이저 레이다 시스템을 구성하였으며, 이를 위해 고출력의 펄스형 광섬유 레이저를 채택하였다. 일반적으로 광섬유 레이저는 고체 레이저나 기체 레이저에 비해, 단위 펄스당 에너지는 낮은 반면, 펄스 반복률은 높다.
- 펄스 검출 확률, 오류 검출 확률 및 표적 구분 성능을 측정함으로써, 주요 시스템 성능 변수에 대해서 설계값 및 성능 예측에 대한 정확도를 검증하였다. 시스템 성능 변수에 대한 정량적인 측정을 토대로 실제 3차원 영상을 획득하여, 정성적인 영상에 대한 질을 평가하였다.
- 값에 대하여 두 가지 성능 변수를 측정하여야 한다. 오류 검출 확률은 펄스 검출 확률 측정 시에 사용된 동일한 ith 를 사용하여, 표적이 없는 영역에 레이저를 조사하여, 펄스가 검출되는지 확인하는 방식으로 측정하였다.
- 펄스 검출 확률, 오류 검출 확률 및 표적 구분 성능을 측정함으로써, 주요 시스템 성능 변수에 대해서 설계값 및 성능 예측에 대한 정확도를 검증하였다. 시스템 성능 변수에 대한 정량적인 측정을 토대로 실제 3차원 영상을 획득하여, 정성적인 영상에 대한 질을 평가하였다.
- 항공기 이동 방향의 수직 방향으로 스캔하는 리즐리 스캐너 외에, 추가로 항공기 자체의 속도에 의해 스캔이 되는 푸쉬 블룸 형태의 레이저레이다 시스템을 구성하였다.
대상 데이터
- 본 3차원 영상은 해당 지역을 약 1분간 스캔하여 획득된 자료를 이용하여 구성하였다.
- 광섬유 레이저는 레이저의 발생, 전달과 증폭이 모두 광섬유 내에서 이루어지므로 진동 및 충격에 의한 레이저 빔의 특성 변화가 적은 것이 큰 장점이다. 사용된 광섬유 레이저는 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 구조를 가지고 있으며, Master Oscillator에서 ns 수준의 매우 짧은 레이저 펄스를 발생시키면, 파워 증폭기를 이용하여, 출력의 크기를 증폭하여 사용한다.
데이터처리
- 레이저레이다 시스템 설계를 위해 레이저의 전달 특성을 LADAR 방정식을 이용하여 모델링하였고, 이를 바탕으로 표준 확률 분포와 포아송 확률 분포를 이용하여 전체적인 시스템 성능을 예측하였다. 시스템 성능 예측 결과는 실험 결과와 비교 분석되었으며, 3차원 영상을 획득하여 정성적인 비교와 분석도 진행하였다.
- . 예측된 시스템 성능은 실험 결과와의 비교를 통해 검증 및 확인하였다.
- 시스템 주요 성능 변수에 대한 측정 전에 부시스템의 성능 변수, 예를 들어 레이저의 출력, 빔발산각, 검출기의 민감도 등은 부시스템 수준에서 측정을 완료하였으며, 요구 규격을 모두 만족함을 확인 하였다. 주요 구성품의 측정 결과와 시스템 성능 예측 결과를 바탕으로, 시스템 주요 성능 지표의 측정 결과를 비교 분석하였다.
이론/모형
- 검출기에 입사되는 레이저 펄스는 자체 개발된 고속 TIA를 통해 전압으로 변환되며, 고속 ADC를 이용하여 디지털 신호로 변환된다. 레이저 비행시간의 계산은 FPGA 기반의 고속 신호처리기를 이용하여 계산한다. 신호처리기를 통해 각 채널별로 입사된 펄스의 비행시간 및 펄스의 강도 신호를 얻는다.
- 펄스당 에너지 Ep를 가지는 레이저 펄스가 표적에 반사되어 검출기에 입사되는 광량 Er은 LADAR 방정식을 사용하여 다음과 같이 얻을 수 있다[3].
성능/효과
- 시스템 주요 성능 변수에 대한 측정 전에 부시스템의 성능 변수, 예를 들어 레이저의 출력, 빔발산각, 검출기의 민감도 등은 부시스템 수준에서 측정을 완료하였으며, 요구 규격을 모두 만족함을 확인 하였다. 주요 구성품의 측정 결과와 시스템 성능 예측 결과를 바탕으로, 시스템 주요 성능 지표의 측정 결과를 비교 분석하였다.
- 제안된 레이저레이다 시스템은 단일 검출기를 사용하였음에도 7채널의 광섬유 다발과 고속 리즐리 스캐너를 사용하여, 초당 2백만 개의 3차원 점을 생성할 수 있으며, 매우 높은 해상도를 가지는 3차원 영상을 생성할 수 있음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 개발된 레이저레이다 시스템은 펄스형 레이저를 사용하여 표적 구분 능력을 보유하고 있으며, 고해상도의 3차원 영상을 제공하므로, 향후 고해상도 3차원 지도 제작, 은폐 표적 탐지 응용, 3차원 변화 추적 등 감시 정찰 분야에서 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
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