KR100770750B1 - 레이저 레이더의 간섭 제거 방법 및 장치 - Google Patents

레이저 레이더의 간섭 제거 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 레이더의 간섭 제거 방법 및 장치에 관한 것으로, 단극성 신호방식을 이용하는 종래의 원 빔 레이저 방식과 다르게 서로 다른 파장을 갖는 두 개의 레이저 다이오드를 이용한 듀얼 빔 구조를 가지며, 양극성 m- 시컨스를 두 개의 레이저 파장에 할당함으로써 광통신용 확상 부호인 2차원 OOC와 유사한 특성을 갖도록 하고 수신부에서 두 개의 단극성 신호를 차동구조에 의해 양극성 신호를 합성하도록 구성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 종래의 원 빔 단극성 신호방식의 레이저 레이더 시스템에 비해 제안하는 듀얼 빔 방식에 의해 3dB의 SNR 개선이 가능하며, 또한 제안 방식은 단극성 광 신호를 기반으로 제안된 최근의 우수한 연구결과들에 적용함으로써 3dB의 SNR 이득을 추가로 확보할 수 있는 이점이 있다.
레이져, 레이더, 광선, 이중 신호

Description

레이저 레이더의 간섭 제거 방법 및 장치{Interference cancelling scheme and equipment for laser radar}
도 1은 종래의 원 빔 방식 레이저 레이더를 위한 송광부의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 빔 송광부의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 레이더의 간섭 제거 방법 및 장치에 대한 전체 시스템 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 듀얼 빔 레이저 레이더의 송광부 회로 구조를 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 빔 수광부의 회로 구조를 나타낸 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 합신호 및 차신호의 생성을 위한 신호합성부의 회로 구조를 나타낸 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
130 : 레이저 다이오드 어레이 230 : 레이저 다이오드 매트릭스
330 : 송광부 340 : 수광부
350 : 신호합성 및 검출부 360 : 신호처리부
370 : 디스플레이부 410 : 의사 잡음 시컨스
510 : 옵티컬 대역 통과 필터 520 : 포토 다이오드
530 : 아날로그 가산기 540 : A/D 변환기
550 : 곱셈기 560 : 누산기
580 : 자연소자
본 발명의 레이저 레이더의 간섭 제거 방법 및 장치에 관한 것이다.
MMW 방식의 레이더는 기상여건 등의 환경 변화에 비교적 덜 민감한 우수한 특성을 갖지만 MMIC(monolithic microwave IC) 및 안테나 등 구성 부품의 생산 수율이 낮은 점과 통신용 주파수 대역에 간섭을 일으킬 수 있는 문제점이 있다. 반면에 레이저 레이더(또는 Lidar; laser radar)는 환경 변화에 민감한 단점이 있지만 소형, 경량의 경제적인 시스템 구현이 가능하고, 매우 좁은 빔 폭을 갖는 레이저 신호의 특성을 이용하여 작은 물체까지도 탐지 가능한 장점이 있으며, 적응 순항 제어(ACC; adaptive cruise control) 시스템을 위한 거리 센서, 전후방의 장애물을 탐지하기 위한 단거리 레이더 등의 용도로 활용되고 있다(참 조문서 : 박공만, “CAR RADAR 기술발전 및 산업 동향”, 전파 제 104호, 2002년 1~2월호).
한편, 소형 반도체 레이저의 성능 개선과 통신 기술의 급속한 발전과 함께 레이저 레이더의 성능 또한 상당한 개선을 이루고 있으며, 이를 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. Yoshiyuki Narita(成田 義之) 등은 제너 다이오드에서 발생하는 잡음을 카오스(chaos) 신호로 이용하는 레이저 레이더 시스템을 소개하였으며(참조 문서 : 成田 義之, 溱田 紀生, 山田 諄, “カオスレ-ザレ-ダを用いた衝突防止センサの 硏究”, 電氣學會論文誌 C, Vol. 123, No. 12, pp.2079-2084, 2003), Adam Rybaltowski 등은 레이저 레이더를 위한 효율적인 확산 부호를 제안하고 이를 “AA1” 시컨스로 부르고 있다(참조 문서 : Adam Rybaltowski and Allen Taflove, “Superior signal-to-noise ratio of a new AA1 sequence for random-modulation continous-wave lidar”, OPTICS LETTERS, Vol. 29, No. 15, pp.1709-1710, August 1, 2004). AA1 시컨스는 네거티브 신호가 없는 광 신호의 특성을 고려하여 설계된 3진(ternary) 시컨스의 일종으로서 비이진 시컨스 계열에서 나타나는 우수한 상관 특성을 갖고 있으며, 변형 m-시컨스에 비해서는 7배의 신호대 잡음비(이하 'SNR'이라 한다)의 향상이 가능한 것으로 보고하고 있다.
도 1 은 종래 원 빔 방식의 송광부 구성도이다.
레이저 송광부는 레이저 다이오드 또는 레이저 다이오드 어레이(130)와 레이저 다이오드를 구동하기 위한 레이저 다이오드 드라이버(140), 레이저 광의 접속을 위한 렌즈(120)로 구성되며, 레이저 다이오드가 발광되면 좁은 빔 폭을 갖는 레이저 신호(110)가 송출된다.
기존의 레이저 광원 모듈은 단지 하나의 레이저 다이오드를 이용하거나 또는 전자적으로 원 빔 스캔을 구현하기 위해 일차원 레이저 다이오드 어레이(linear array)(130) 구조를 채택하고 있으며, 동일 파장을 갖는 동일한 특성의 레이저 다이오드의 배열로 구성된다.
그러나 종래의 차량용 레이저 레이더의 성능 개선을 위한 기존의 연구는 대 부분 우수한 특성을 갖는 의사 잡음(pseudo noise) 시컨스의 설계 및 발굴, 신호의 처리 또는 정보 융합 등에 집중되어 있으며, 단극성 신호만을 갖는 광신호의 특성과 관련된 광학계의 성능 개선을 위한 노력은 부족한 실정이다.
본 발명의 목적은, 소출력 반도체 레이저 다이오드를 이용하는 레이더 시스템에서 종래의 원 빔 방식의 광학계 대신 듀얼 빔 또는 멀티 빔 방식의 광학계를 구성함으로써 송신 출력을 두 배 또는 그 이상으로 증가시켜 SNR을 개선하고 탐지거리(ranging distance)를 연장하는 데 있다. 이를 위해 듀얼 빔 또는 멀티 빔 방식을 이용하여 복수의 단극성 신호에 양극성 확산 부호를 할당함으로써 단극성 신호만 존재하는 광신호의 특성을 보완하고 양극성 신호와 동일한 효과를 얻도록 하기 위한 송광부 및 수광부의 구성 방법 및 장치, 그리고 이를 위한 신호방식을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 레이더의 간섭 제거 방법 및 장치는, 단극성 신호방식을 이용하는 종래의 원 빔 레이저 방식과 다르게 서로 다른 파장을 갖는 두 개의 레이저 다이오드를 이용한 듀얼 빔 구조를 가지며, 양극성 m-시컨스를 두 개의 레이저 파장에 할당함으로써 2차원 OOC와 유사한 특성을 갖도록 하고 수신부에서 두 개의 단극성 신호를 차동구조에 의해 양극성 신호를 합성하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 레이져 신호를 송출하는 송광부와; 상기 송광부로부터 송출 된 신호를 수신하는 수광부와; 상기 수광부로부터 수신된 신호를 합성하는 신호 합성부; 그리고 상기 신호 합성부에서 합성된 신호를 이용하여 신호의 간섭을 제거하는 신호 처리부를 포함하여 구성되고, 상기 송광부는 각각 다른 레이져 고유파장을 갖는 레이져 다이오드로 이루어진 메트릭스구조를 갖는 레이져 다이오드 메트릭스와; 상기 레이져 다이오드 메트릭스를 구동시키는 레이져 다이오드 드라이버; 그리고 상기 레이져 다이오드 메트릭스로부터 송출되는 레이져 신호를 집속하는 렌즈를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 레이져 다이오드 메트릭스에서 적어도 하나 이상의 레이져 다이오드는 항상 발광된다.
그리고, 상기 수광부는 수신신호를 각 파장 별로 분리하는 광학 필터와; 상기 광학 필터에 의해 분리된 광 신호를 단 극성 신호로 변환하는 포토 다이오드를 포함하여 구성된다.
또한 상기 신호 합성부는, 상기 수광부로부터 출력되는 두 개의 단 극성 신호의 합신호와 차신호를 생성하는 가산기와; 상기 합신호와 차신호의 형태를 변환하는 아날로그-디지털 변환기(A/D변환기)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
그리고 상기 신호 처리부는, 상기 두 개의 단 극성 신호를, (a) 상기 두 개의 단 극성 신호의 간섭 크기가 동일한 경우, (b) 상기 두 개의 단 극성 신호 중 하나에만 간섭을 일으키는 경우, (c) 상기 두 개의 단 극성 신호에 모두 간섭이 발생하고, 그 크기가 서로 다른 경우의 세 가지 경우로 나누어 신호의 간섭을 제거한다.
한편, 본 발명은 레이저 레이더의 간섭 제거 장치에 있어서, 서로 다른 파장을 갖는 복수의 수신 신호에 대해 차동구조를 이용하여 합신호와 차신호를 생성하는 수광부를 포함하여 구성되는 레이져 레이더의 간섭 제거장치를 포함한다.
그리고 본 발명은 레이저 레이더의 간섭 제거 방법 및 장치에 있어서, 수신 신호의 상보 특성을 이용하여 간섭을 제거하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이져 레이더의 간섭 제거 방법을 포함한다.
이때, 서로 다른 파장을 갖는 복수의 레이저 다이오드에 m-시컨스 또는 이와 유사한 양극성 확산 시컨스를 할당하는 방법에 의해 단극성 신호의 조합으로 양극성 신호를 구성한다.
본 발명에서는 광학계의 구조 및 신호방식의 변경을 통한 성능 개선을 목적으로 하며, 이를 위해 기존 원 빔 레이저 방식의 단점을 보완한 듀얼 빔(또는 멀티 빔) 방식의 레이저 레이더 시스템을 제안한다. 제안 방식에서는 단극성 신호를 이용하는 종래의 방식이 갖는 문제점을 해결하기 위해 상보 관계를 갖는 복수의 단극성 신호를 이용하여 합신호와 차신호를 합성한 후 이를 이용한 간섭제거 및 간섭제거 장치의 일 실시예를 제시한다.
이하, 본 발명에 따른 레이저 레이더를 위한 양극성 신호방식 및 장치에 대해 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 레이저 레이더의 간섭 제거 방법 및 장치의 송광부의 구성도이다.
레이저 다이오드 매트릭스(230), 레이저 다이오드를 구동하기 위한 레이더 다이오드 드라이버(240), 레이저 광의 집속을 위한 렌즈(220)로 구성되며, 레이저 다이오드가 발광되면 좁은 빔 폭을 갖는 레이저 신호(210)가 송출되는 것은 종래의 레이저 송광부와 동일하지만, 제안 방식에서는 종래의 이차원 구조와 다르게 2차원 매트릭스(2D-matrix) 구조를 갖는다. 도 2의 2차원 레이저 다이오드 매트릭스 구조에서 각 행은 종래의 1차원 어레이 구조와 동일하지만, 각각의 행들은 서로 다른 고유의 파장을 갖는 레이저 다이오드로 구성된다. 즉, 각 열은 서로 다른 파장을 갖는 복수의 레이더 다이오드 배열로 구성된다.
이러한 차이로 인해 레이저 다이오드 매트릭스(230)의 구동 방법이 다르며 두 개의 레이저 다이오드 중 하나는 항상 발광하도록 하고 있다.
제안 기법에서는 양극성 2진 m-시컨스를 [표 1]과 같이 두 개의 파장에 할당함으로써 2차원 OCC와 유사한 특성을 갖도록 하는 방법을 이용한다.
m-seq. wavelength
+1 λ₁
-1 λ₁
단, 두 파장 간에서는 간섭은 존재하지 않으며, 수광부에서 특정 파장의 레이저 신호만을 통과시키는 광학 필터에 의해 완벽한 분리가 가능한 것으로 가정한다.
도 3 은 본 발명에 따른 레이저 레이더의 간섭 제거 방법 및 장치의 전체 시스템의 구성도이다.
송광부(330)와 수광부(340), 수신신호로부터 합신호와 차신호를 합성하기 위한 신호합성부(350), 레이더 시스템에 필요한 여러 가지 기능을 구현하기 위한 신호처리부(360), 그리고 대상물체의 탐지결과를 표시하기 위한 디스플레이부(370)로 구성된다.
도 4 는 본 발명에 따른 듀얼 빔 레이저 레이더의 송광부의 회로 구조를 나타낸 구성도이며, 의사잡음 시컨스(410)를 이용하여 레이저 빔을 송신하는 경우 두 개의 레이저 다이오드(420,430) 중 하나는 반드시 발광하도록 구성되어 있다. 이러한 구조에서는 광통신 등에서 이용되는 단극성 확산부호 대신 유.무선 통신 분야에서 이용되는 양극성 확산부호를 사용할 수 있으며, ON-OFF 방식을 이용하는 종래의 원 빔 방식과 비교하여 두 배 만큼 많은 신호 에너지가 송출되어 신호의 SNR이 3dB 만큼 개선되는 효과를 얻게 된다.
도 5 는 본 발명에 따른 레이저 레이더의 수광부의 회로 구조를 나타낸 구성도이며, 수신신호로부터 광학 필터(510, 520)를 이용하여 각 파장별로 분리한 후 포토 다이오드(530, 540)를 이용해 두 개의 단극성 신호를 얻고 있다.
도 6 은 본 발명에 따른 레이저 레이더의 신호합성부의 회로 구조를 나타낸 구성도이며, 수광부에서 출력되는 두 개의 단극성 신호를 가산기(550, 560)를 이용한 차동구조를 이용하여 합신호와 차신호롤 합성하게 된다.
합성된 합신호와 차신호는 A/D 변환(570, 580) 후 신호처리부에 넘겨져 간섭 신호를 제거하게 된다.
이하에서는 본 발명에서 제안하는 간섭제거 방법을 자세히 설명한다.
제안 방식에서 각 파장에 할당된 두 시컨스는 다음과 같은 상보 신호로 구성되어 있다.
X λ1 = X, X λ2 = -X
본 발명에서는 상기 상보 시컨스의 합차 특성을 이용한 간섭 제거 기법을 제안한다. 이를 위해서는 도 6에서는 가산기를 이용한 차동구조를 이용하여 차신호(v)와 합신호(u)를 생성하도록 구성하고 있다.
이제 수신부에서 두 신호에 대한 합신호와 차신호를 각각 u, v라 하면 다음과 같이 쓸 수 있다.
u=( X λ1 + αI ) + (X λ2 + βI ) = ( X + αI ) + ( -X + βI ) = αI + βI
v=( X λ1 + αI ) - (X λ2 + βI ) = ( X + αI ) - ( -X + βI ) = 2X + αI - βI
[수학식 1]과 [수학식2]를 이용하면 간섭 신호의 유형에 따른 간섭 제거 특성을 다음과 같이 구분할 수 있다.
u=( X λ1 + αI ) + (X λ2 + βI ) = ( X + αI ) + ( -X + βI ) = αI + βI
v=( X λ1 + αI ) - (X λ2 + βI ) = ( X + αI ) - ( -X + βI ) = 2X + αI - βI
여기서 I 는 간섭신호이며, α, β는 간섭신호의 크기를 나타내는 임의의 상수를 나타낸다.
[수학식 3]과 [수학식 4]를 이용하면 간섭신호의 유형에 따른 간섭 제거 특성을 다음과 같이 구분할 수 있다.
Case 1. α = β인 경우 :
u + v = 2X
u - v = 0
Caxe 2. α = 0 인 경우 :
u + v = 2X + 2αI = 2X
u - v = 0
Case 3. β= 0 인 경우 :
u + v = 0
u - v = 2X -2βI = 2X
Case 4. other cases :
u + v = 2X + 2αI
u - v = 2X - 2βI
Case 1은 두 파자에 동일한 크기의 간섭을 일으키는 경우이며, 광대역 간섭 신호 등이 해당된다. Case 2와 3은 두 개의 파장 중 하나에만 간섭을 일으키는 경우이며, 기존 원 빔 방식 레이더 신호에 의한 간섭 등이 여기에 속한다. Case 4는 α + - β 또는 β= -α이거나 α ≠ β(단, α ≠ 0 and β ≠ 0 )의 경우이며 제안 기법만으로는 간섭제거가 곤란한 경우에 해당되며, 간섭의 영향은 확산 부호의 특성에 직접 의존한다.
Case 1-3에서는 잡음을 무시하면 완벽한 간섭제거 가능함을 알 수 있으며, Case 4에서는 완벽한 간섭제거는 불가능하지만 [수학식 8]과 [수학식 9] 중에서 간섭이 적게 나타나는 것을 선택함으로써 간섭의 영향을 최소화 할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 의한 레이저 레이더를 위한 양극성 신호방식 및 장치에 따르면,
종래의 원 빔 단극성 신호방식의 레이저 레이더 시스템에 비해 제안하는 듀얼 빔 방식에 의해 3dB의 SNR 개선이 가능하다.
또한 제안 방식은 단극성 광 신호를 기반으로 제안된 최근의 우수한 연구결과들에 적용함으로써 3dB의 SNR 이득을 추가로 확보할 수 있는 이점이 있다.

Claims (8)

  1. 레이져 신호를 송출하는 송광부와;
    상기 송광부로부터 송출된 신호를 수신하는 수광부와;
    상기 수광부로부터 수신된 신호를 합성하는 신호 합성부; 그리고
    상기 신호 합성부에서 합성된 신호를 이용하여 신호의 간섭을 제거하는 신호 처리부를 포함하여 구성되고:
    상기 송광부는,
    각각 다른 레이져 고유파장을 갖는 레이져 다이오드로 이루어진 메트릭스구조를 갖는 레이져 다이오드 메트릭스와;
    상기 레이져 다이오드 메트릭스를 구동시키는 레이져 다이오드 드라이버; 그리고
    상기 레이져 다이오드 메트릭스로부터 송출되는 레이져 신호를 집속하는 렌즈를 포함하여 구성되며:
    상기 수광부는,
    수신신호를 각 파장 별로 분리하는 광학 필터와;
    상기 광학 필터에 의해 분리된 광 신호를 단 극성 신호로 변환하는 포토 다이오드를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이져 레이더의 간섭 제거장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이져 다이오드 메트릭스에 있어서,
    상기 레이져 다이오드 메트릭스를 구성하는 레이져 다이오드 중 하나 이상의 레이져 다이오드는 상기 레이져 레이더의 간섭 제거 장치의 작동 중 항상 발광 됨을 특징으로 하는 레이져 레이더의 간섭 제거장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 합성부는,
    상기 수광부로부터 출력되는 두 개의 단 극성 신호의 합신호와 차신호를 생성하는 가산기와;
    상기 합신호와 차신호의 형태를 변환하는 아날로그-디지털 변환기(A/D변환기)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이져 레이더의 간섭 제거장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 두 개의 단 극성 신호를,
    (a) 상기 두 개의 단 극성 신호의 간섭 크기가 동일한 경우,
    (b) 상기 두 개의 단 극성 신호 중 하나에만 간섭을 일으키는 경우,
    (c) 상기 두 개의 단 극성 신호에 모두 간섭이 발생하고, 그 크기가 서로 다른 경우의 세 가지 경우로 나누어 신호의 간섭을 제거하는 것을 특징으로 하는 레이져 레이더의 간섭 제거장치.
  6. 레이저 레이더의 간섭 제거 장치에 있어서,
    서로 다른 파장을 갖는 복수의 수신 신호에 대해 차동구조를 이용하여 합신호와 차신호를 생성하는 수광부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이져 레이더의 간섭 제거장치.
  7. 레이저 레이더의 간섭 제거 방법 및 장치에 있어서,
    수신 신호의 상보 특성을 이용하여 간섭을 제거하는 것을 특징으로 하는 레이져 레이더의 간섭 제거 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    서로 다른 파장을 갖는 복수의 레이저 다이오드에 m-시컨스 또는 이와 유사한 양극성 확산 시컨스를 할당하는 방법에 의해 단극성 신호의 조합으로 양극성 신호를 구성하는 것을 특징으로 하는 레이져 레이더의 간섭 제거 방법.
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