KR101003544B1 - 레이저 펄스를 이용한 광학적 링크의 생성 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동체를 로케이팅하기 위해 레이저 펄스로 광 링크를 생성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 수신기의 방향으로 레이저 펄스의 방사를 개시한 이후 경과되는 시간 t의 증가 함수로서 연속적인 레이저 펄스(4)의 에너지를 변화시켜 상기 레이저 펄스의 개시는 이동체의 출발에 대해 지연된다.

레이저, 로케이팅, 미사일 유도, VCSEL, 레이저 다이오드, 방사기(emitter)

Description

레이저 펄스를 이용한 광학적 링크의 생성 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING AN OPTICAL LINK WITH LASER PULSES}

본 발명은 펄스 방사기(pulse emitter)와 펄스 수신기(receiver) 사이에 광 펄스(light pulses)에 의한 광학적 링크의 생성 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 UR-4 710 028(FR-2 583 523)에 기재되어 있는 바와 같은 로케이팅 장치(locating device)와 미사일 유도 장치 등에 적합한 방법 및 장치에 관한 것이다.

이런 종류의 종래의 장치에서, 미사일의 기판에 장착되거나 고정국(fixed station)에 배치될 수 있으며, 광학적 링크가 미사일의 기판상에 장착된 미러(mirror) 포함하여 광 펄스를 검출기로 되돌리도록 되어 있는 광 펄스 방사기는 통상적으로 부피가 크고 대량의 에너지를 소비하는 플래쉬 램프(flash lamp)이다.

이 때문에, 플래쉬 램프를 레이저 소스(laser source)로 교체하는 것이 고려되어 왔다. 그러나, 방사된 레이저 에너지는 발생가능한 전파 방해(jamming)를 견딜 수 있는 장거리의 광학적 링크(long range optical link)를 보장하기 위해 높은 에너지를 가져야만 한다. 따라서, 이는 고출력의 레이저 소스를 필요로 할 뿐 만 아니라, 장치의 조작자에게 시각상의 높은 위험 즉, 안구 등의 눈에 위험이 따르게 된다.

본 발명의 목적은 시각상의 위험이 낮고, 에너지 소모가 낮은 레이저 광학적 링크를 생성할 수 있게 함으로써 전술한 문제점을 극복하는데 있다.

이러한 목적을 위해, 본 발명에 따르면, 펄스 방사기와 펄스 수신기 사이에 레이저 펄스를 이용하여 광학적 링크를 생성하기 위한 방법은, 레이저 펄스의 방사 개시가 이동 물체(moving object)의 출발에 대해 지연되고, 연속적인 레이저 펄스의 에너지가 레이저 펄스의 방사 개시로부터 시간 경과 증가 함수로서 변화한다는 점에서 주목할 만 하다. 여기서, 광학적 링크는 로케이팅 장치(locating device)로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 이동 물체를 로케이팅하기 위한 로케이팅 장치에 의해 이용된다.

이러한 방식으로, 출발전에 어떤 에너지도 방출되지 않고, 레이저 펄스의 방사는 이동 물체의 로케이션(location)에 실제 필요한 시간까지 이동 물체의 출발에 대해 지연되기 때문에, 이동 물체의 출발 전에 그리고 출발하는 동안 모든 시각상의 위험을 회피할 수 있다. 다음에, 방사기는 방사기와 수신기 사이의 거리에 따라 점차적으로 증가하는 낮은 에너지를 방사하고, 이동 물체의 최대 범위에서 필요한 에너지는 범위의 말단, 즉 조작자가 없는 구역에서만 방사된다.

미국 특허 문서 US-4 013 244호는 목표물을 향해 미사일을 유도하는 광학적 빔에 대한 제어 장치를 기술하고 있고, 장치에서는 전술한 시각상의 위험과 다른 기술적 이유로 인해, 유도 빔(guidance beam)의 에너지는 소정의 방식(desired law)에 따라 서보-제어(servo-control)에 의한 미사일의 비행 동안 증가된다.

이와는 대조적으로, 본 발명에서 출력(power)의 증가는 시간의 함수로서 미리 결정됨으로 서보-제어를 필요로 하지 않는다. 또한, 본 발명으로 인하여, 이러한 출력의 증가가 비교적 늦추어질 수 있고, 링크로 하여금 실질적으로 전자기 간섭(electromagnetic interference)의 영향을 받지 않게 해준다.

레이저 소스는 레이저 다이오드일 수 있다. 그러나, 방사기에 의해 방사되는 에너지를 감소시켜서 시각상의 위험에 대한 보호를 완전하게 하기 위해, 근래에는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 레이저로 이루어지는 것이 유리하다. 실질적으로, 갈륨 비소 기판(gallium arsenide substrate)을 이용한 이러한 반도체 레이저는 약하게 발산되는 빔(slightly divergent beam)(± 7°)을 방사하고, 이는 이동 물체의 로케이팅에만 필요한 방사된 에너지를 콘(core)내에 제한할 수 있게 한다. 따라서, 시각상의 위험이 발생될 수 있는 방사기에 의해 방사된 부피는 매우 작다. 또한, 수신된 에너지와 공급된 에너지 사이의 VCSEL 레이저의 변환 효율(conversion efficiency)이 실질적으로 우수하기 때문에, 전기 에너지 소모가 낮아질 수 있다.

또한, 수신기에 의해 수신되는 레이저 펄스의 진폭을 일정하게 하기 위해, 방사기에 의해 방사된 에너지는 방사기-수신기 거리의 제곱에 비례하여 변화하는 것이 필요하다.

또한, 이동 물체가 일정한 속도로 이동하는 경우, 연속적인 레이저 펄스의 에너지는 펄스의 방사 개시 이후 경과되는 시간의 제곱에 비례하여 변화된다.

이러한 목적을 위해, 상기 연속적인 레이저 펄스를 생성하도록 그 연속적인 방전(discharge)이 상기 방사기로 공급되고, 그 연속적인 방전이 연속적인 충전 구형 펄스(successive charging rectangular pulses)에 의해 제어되는 캐패시터를 이용할 수 있고, 여기서 연속적인 충전 구형 펄스의 지속기간(duration)은 선형으로 증가하는 시간의 함수이다.

따라서, 캐패시터에 의해 레이저 다이오드 또는 VCSEL 레이저로 전달되는 에너지는 1/2 CV²(여기서, C는 패러드(Farad) 단위인 캐패시터의 캐패시턴스이고, V는 전압 단위인 캐패시터의 방전 전압임)과 동일하고, 즉 경과되는 시간의 제곱에 직접적으로 비례한다.

본 발명에 의하면, 다음과 같은 이점이 얻어진다.

- 방출되어 소비되는 에너지의 절감

실질적으로, 레이저 다이오드로 인하여, 직접적인 수신기로의 에너지 방사와 요구되는 콘 내의 그 제한은, 플래쉬 램프에 의해 4Π 스테라디안(steradian)을 거쳐 방사되거나, 미러 및 복합 렌즈(complex lens)에 의해 수신기를 향해 다소간 재방향되는 에너지와 비교하여, 이 에너지를 절약할 수 있게 해준다. 협대역 방사 스펙트럼 밴드(몇 nm)는, 수신기의 레벨에서 에너지의 대부분이 소실되는 플래쉬 램프에 의해 방사된 광대역 스펙트럼 밴드(> 1000nm)와 달리 수신기의 고감도 스펙트럼 밴드 내에 전체적으로 포함될 수 있다. 이상적인 수신 신호 레벨에 있어서, 간섭성 소스(coherent source)에 의해 방사된 에너지는 광대역 스팸트럼 램프에 의해 방사되는 에너지 보다 매우 낮아질 수 있다. 또한, 레이저 다이오드 또는 VCSEL 레이저는 더 우수한 방사 에너지/소비 에너지 비를 가지며, 높은 전압이나 높은 스트라이킹 전압(striking voltage)을 필요로 하지 않는다. 따라서, 소비되는 전기 에너지를 큰 폭으로 감소시킬 수 있다.

- 중량 및 부피의 감소

레이저 다이오드 또는 VCSEL 레이저는 플래쉬 램프 보다 부피가 작고, 보다 단순한 전력 공급 회로(고전압 및 고전압 변환기를 필요로 하지 않음)를 필요로 하며, 에너지 소비가 적기 때문에, 플래쉬 램프에 비교하여 더 작은 부피의 광 방사기를 제조할 수 있다.

- 수신기의 다즐링(dazzling) 감소

출발시 방사되는 에너지가 낮아짐에 따라, 수신기에 의해 이용되는 센서는 다즐링되지 않고, 이동 물체가 보다 멀리 이동할수록 수신기의 신호 레벨이 보다 정규화(regular)된다.

- 전자기 방사율(electromagnetic emissivity)의 감소

레이저 다이오드 또는 VCSEL 레이저에 이용된 전압과 에너지는 플래쉬 램프에 이용된 전압과 에너지 보다 매우 낮기 때문에, 레이저의 전자기 방사율은 플래쉬 램프의 전자기 방사율 보다 매우 낮다.

- 스팩트럼 선택도의 향상

협대역 방사 파장(narrow emission wavelength)을 갖는 소스는 수신기의 스팩트럼 밴드를 감소시켜 신호 대 잡음비(signal to background ratio)를 향상시킨다.

첨부된 도면은 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는지에 대한 올바른 이해를 줄 수 있다. 이러한 도면에서 동일한 참조 번호는 유사한 구성요소를 나타낸다.
도1은 미사일의 로케이팅을 도시하는 도면.

도2는 미사일 기판상에 장착되는 레이저 펄스 방사기의 블록도.

도3의 (A), (B), 및 (C)는 도2에 도시한 방사기의 기능을 나타내는 타이밍도.

도1에는 기준 축(reference axis)(X-X)(예를 들면, 관찰축(sighting axis))에 대해서 미사일(2)을 로케이팅할 수 있는 로케이팅 장치(1)가 도시되어 있고, 미사일(2)은 로케이팅 장치(1)로부터 일정한 속도로 멀어지고 있다. 후자는 미국특허문서인 US-4 710 028호(FR-2 583 523호)에 기재되어 있는 일례이다.

로케이팅 장치(1)에 의해 미사일을 로케이팅하기 위해서, 미사일(2)은 로케이팅 장치(1)를 향해 레이저 펄스(4)를 방사할 수 있는 레이저 다이오드 또는 VCSEL 레이저 타입의 레이저 소스(3)를 포함한다.

레이저 소스(3)를 제어할 목적으로 미사일(1)의 기판에 장착되는 장치(5)는, 제어 스위치(10)의 중개(intermediary)에 의해 레이저 소스(3)와 병렬로 접속되고 전압 소스(7)로부터 충전될 수 있는 캐패시터(6)를 포함한다. 이와 동일하게, 부하 레지스터(9)를 포함하는 레이저 소스(3)의 회로는 제어 스위치(10)의 중개에 의해 폐쇄된다.

장치(5)는 제어 장치(13)의 중개에 의해 제어 스위치(10)의 폐쇄를 제어할 수 있는 주기 신호(12)의 생성기(11)를 더 포함한다. 신호 생성기(11)는 가변 폭(도3의 (B) 참조)을 갖는 펄스(15) 생성기(14)를 제어하고, 제어 시스템(16)의 중개에 의해 제어가능한 스위치(8)를 자체적으로 제어한다. 생성기(14)는 신호(12)의 수신에 응답하여 펄스를 방사하고, 펄스(15)의 폭은 시간 t의 함수로 선형적으로 증가한다.

미사일(2)이 발사되기 이전에 레이저 소스(3)에 의해 레이저 펄스(4)가 방사되지 않는다. 따라서, 미사일과 당면한 환경에서도 시각상의 위험이 없다.

미사일(2)의 발사시에, 제어 명령어는 타이밍 장치(18)가 삽입되어 있는 제어 라인(17)을 통해 신호 생성기(11)로 송신된다. 따라서, 로케이팅 장치(1)에 의한 미사일(2)의 로케이팅에 레이저 펄스(4)가 실제로 필요한 시간까지 레이저 소스(3)의 방사를 지연할 수 있다.

장치(18)에 의해 생성된 타이밍 지연이 경과되면, 생성기(11)는 제1 신호(12.1)를 생성하고, 이 제1 신호는,

- 제어 장치(13)의 중개에 의해 스위치(10)를 단시간 동안 폐쇄하여, 부하 레지스터(load resistor)(9)의 중개에 의해 캐패시터(6) 내의 이용가능한 전하를 레이저 소스(3)를 통해 방전하고, 이어서 스위치(10)를 순간적으로 재차 개방하고,

- 기간 ℓ1 동안 스위치(8)를 폐쇄시킬 수 있는 시간 길이(temporal length) ℓ1의 제1 구형 펄스(15.1)를 생성하는 생성기(14)를 제어하여, 이 기간(도3의 (C)의 c1 참조)동안 캐패시터(6)는 소스(7)로부터 충전되고, 기간 ℓ1이 경과되면, 캐패시터(6)는 전압 레벨 V1 까지 충전되어 다음의 신호(12.2)가 출현할 때 까지 이를 유지한다.

생성기(11)가 다음의 신호(12.2)를 방사할 때, 이전과 마찬가지로, 스위치(10)가 단시간 동안 순간적으로 폐쇄되어, 캐패시터(6)의 전압 V1에서의 전하는 레이저 펄스(4)를 방사하는 소스(3)를 통해 방전되는 반면(도3의 (C)의 d1 참조), 생성기(14)는 ℓ2 = ℓ1 + δt(δt는 시상수(time period constant)이고, 구형 펄스의 폭은 시간에 따라 선형으로 변화됨)와 동일한 폭 ℓ2의 제2 구형 펄스(15.2)를 생성한다. 이 결과는 폭 ℓ1에 대하여, 폭ℓ2가 시간 t에 따라 선형으로 증가하는 것을 나타낸다. 결론적으로, 스위치(10)는 재차 개방되고, 캐패시터(6)는 시간 ℓ2(도3의 (C)의 구간 c2)에 거쳐 전압 V2 = kV1 까지 충전된다. 전압 V2는 제3 신호(12.3)가 출현할 때 까지 유지된다.

전술한 바와 같은 현상이 발생되고, 캐패시터(6)의 전압 V2에서의 전하가 레이저 펄스(4)를 방사하는 소스(3)(구간 d2)를 통해 방전되고, 그 후 캐패시터는 그 시간 폭 ℓ3가 ℓ2 + δt와 동일한 제3 구형 펄스(15.3) 동안 전압 V3 = kV2로 충전된다.

따라서, 연속적인 광 펄스(4)가 시간 t에 따라 선형으로 증가하는 전압 V1, V2, V3 등에서의 방전(d1,d2,...)으로부터 생겨나서, 그 에너지는 시간의 제곱에 비례하여 증가된다.

Claims (7)

1. 펄스 방사기(emitter)와 펄스 수신기(receiver) 사이에 레이저 펄스로 광학적 링크를 생성하기 위한 방법 - 상기 광학적 링크는 로케이팅 장치(locating device)로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 이동체를 로케이팅(locating)하기 위한 로케이팅 장치에 의해 이용됨 - 에 있어서,

   상기 레이저 펄스의 방사 개시는 상기 이동체의 출발에 대해 지연되고,

   연속적인 레이저 펄스의 에너지는 상기 레이저 펄스의 방사 개시 이후 경과되는 시간의 증가 함수로서 변화하는

   레이저 펄스를 이용한 광학적 링크의 생성 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 이동체는 일정한 속도(constant speed)로 이동하고,

   상기 연속적인 레이저 펄스의 에너지는 상기 펄스의 방사 개시 이후 경과되는 시간의 제곱에 비례하여 변화하는

   레이저 펄스를 이용한 광학적 링크의 생성 방법.
3. 펄스 방사기와 펄스 수신기 사이에 레이저 펄스로 광학적 링크를 생성하기 위한 장치 - 상기 광학적 링크는 로케이팅 장치로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 이동체를 로케이팅하기 위해 로케이팅 장치에 의해 이용됨 - 에 있어서,

   상기 레이저 펄스의 방사 개시를 상기 이동체의 출발에 대해 지연시키기 위한 지연 수단; 및

   연속적인 레이저 펄스의 에너지를 상기 레이저 펄스의 방사 개시 이후 경과되는 시간의 증가 함수로서 변화시키기 위한 에너지 변화 수단

   레이저 펄스를 이용한 광학적 링크의 생성 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 방사기는 적어도 하나의 레이저 다이오드를 포함하는

   레이저 펄스를 이용한 광학적 링크의 생성 장치.
5. 제3항에 있어서,

   상기 방사기는 적어도 하나의 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 레이저를 포함하는

   레이저 펄스를 이용한 광학적 링크의 생성 장치.
6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이동체는 일정한 속도로 이동하고,

   상기 에너지 변화 수단은 상기 연속적인 레이저 펄스의 에너지를 상기 펄스의 방사 개시 이후 경과되는 시간의 제곱에 비례하여 변화시키는

   레이저 펄스를 이용한 광학적 링크의 생성 장치.
7. 제6항에 있어서,

   캐패시터

   를 더 포함하고,

   상기 방사기가 연속적인 레이저 펄스를 생성하도록 상기 캐패시터의 연속적인 방전이 상기 방사기로 공급(supply)되고,

   상기 캐패시터의 연속적인 충전은 그 지속기간(duration)이 선형적으로 증가하는 시간 함수인 연속적인 구형 충전 펄스(successive rectangular charging pulses)에 의해 제어되는

   레이저 펄스를 이용한 광학적 링크의 생성 장치.

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