KR101529512B1

KR101529512B1 - 레이저 송신 및 수신 장치

Info

Publication number: KR101529512B1
Application number: KR1020140044273A
Authority: KR
Inventors: 이경묵; 김기홍
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2015-06-18

Abstract

본 발명은 레이저 송신 및 수신 장치에 관한 것으로서, 특히 항공기에서 타겟을 탐지 및 추적하고 거리 정보를 획득하는 레이저 송신 및 수신 장치이다. 본 발명의 실시 형태는 편파 성분의 레이저 편광을 발진하는 레이저 송신기; 상기 레이저 송신기에서 발진하는 레이저 편광을 입사면에 입력받아 출사면을 통해 투과시키며, 타겟에 반사되어 상기 입사면으로 입사되는 반사광 중에서 상기 레이저 송신기에서 발진한 편파 성분의 반사 편광을 투과시키고 다른 편파 성분인 반사 비편광을 반사시키는 편광 분리기; 상기 편광 분리기에서 반사되는 반사 비편광을 수신하는 레이저 수신기; 상기 편광 분리기에서 투과되는 레이저 편광을 확대하여 방사하며, 상기 타겟에 반사되어 수신되는 반사광을 집광하여 상기 편광 분리기로 제공하는 렌즈 어셈블리;를 포함한다.

Description

레이저 송신 및 수신 장치{Transfering and receiving apparatus for laser}

본 발명은 레이저 송신 및 수신 장치에 관한 것으로서, 특히 항공기에서 타겟을 탐지 및 추적하고 거리 정보를 획득하는 레이저 송신 및 수신 장치이다.

항공기용 타겟용 광학 장치는 항공기에 탑재되며, 주간 야간 상황에서 목표물을 탐지 및 추적하고, 레이저로 목표물까지의 거리 정보를 획득하며, 레이저 유도 폭탄을 연동하는 첨단 항공전자 장치이다.

상술하면, 타겟용 광학 장치는 항공기에서 지상표적을 탐지하여 정밀 조준을 하고 레이저를 발사하여 레이저유도폭탄이 정확하게 표적에 명중할 수 있도록 하는 정밀유도무장의 핵심 조준 장치이다. 항공기의 항공전투체계는 일반적으로 임무 통제 체계, 센서/통신 체계, 생존체계, 그리고 무장체계로 구성이 되며 현존 항공전투 체계는 공대공, 공대지 및 공대해 임무를 수행할 수 있도록 기능을 제공한다. 조종사는 상황실, 관제센터, 정찰기, 통제기, 위성 등의 외부 정보원 및 항공기에 탑재된 센서/통신 체계로부터 전술 상황을 판단하고 목표물을 탐지.포착.추적하면서 위협 또는 표적에 대한 임무를 수행하여야 한다. 항공기가 이러한 임무를 수행하는데 필수적으로 탑재되어야할 장치가 타겟용 광학 장치이다.

타겟용 광학 장치의 핵심 기능인 레이저를 송신하고 표적에서 산란된 광을 수집하는 기능을 위해서는 투과성능이 우수한 광학계의 구성인 레이저 송신 및 수신 장치가 필요하다. 특히 항공장치에 사용되는 구성품의 경우 소형과 경량화는 매우 중요한 항목이다. 이를 구현하기 위해 하나의 광학계를 공통으로 사용하는 공통 광학계가 제시된다. 최근에 개발된 타겟용 광학 장치는 소형/경량화의 추세로 공통 광학계를 채택하고 있다. 공통 광학계의 장점으로는 멀티 센서를 각각 배치한 타겟팅 장치에 비해 소형화 경량화가 가능하고, 광학 성능이 우수하다. 또한 센서와 광학계의 분리로 효율적인 배치가 가능하다.

그런데, 하나의 광축에 레이저 송신기와 레이저 수신기를 배치하는 공통 광학계의 경우, 표적에서 산란되어 반사되는 광을 수집하는 투과 성능이 중요한 문제로서 이슈화되고 있다.

한국공개특허 10-2012-0096941

본 발명의 기술적 과제는 타겟용 광학 장치에서 레이저광을 최적화하여 레이저 수신 효율을 극대화하는 레이저 송신 및 수신 장치를 제공하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 타겟용 광학 장치의 레이저 송신기 및 레이저 수신기의 배치 설계를 최적화하는데 있다.

본 발명의 실시 형태는 편파 성분의 레이저 편광을 발진하는 레이저 송신기; 상기 레이저 송신기에서 발진하는 레이저 편광을 입사면에 입력받아 출사면을 통해 투과시키며, 타겟에 반사되어 상기 입사면으로 입사되는 반사광 중에서 상기 레이저 송신기에서 발진한 편파 성분의 반사 편광을 투과시키고 다른 편파 성분인 반사 비편광을 반사시키는 편광 분리기; 상기 편광 분리기에서 반사되는 반사 비편광을 수신하는 레이저 수신기; 상기 편광 분리기에서 투과되는 레이저 편광을 확대하여 방사하며, 상기 타겟에 반사되어 수신되는 반사광을 집광하여 상기 편광 분리기로 제공하는 렌즈 어셈블리;를 포함한다.

상기 레이저 송신기와 편광 분리기 사이에 위치하여, 상기 레이저 송신기에서 발진되는 레이저 편광의 세기를 조절하여 상기 편광 분리기에 제공하는 레이저 편광 세기 조절부;를 포함한다.

상기 레이저 편광 세기 조절부는, 상기 레이저 송신기로부터 입사되는 편광에 대하여 편광 방향을 변화시켜 레이저 편광의 세기를 결정하는 파장판으로 구현된다.

동일한 광축상에 상기 레이저 송신기, 레이저 편광 세기 조절부, 편광 분리기, 렌즈 어셈블리를 차례로 위치시키며, 상기 광축에 직각된 방향의 수직축상에 상기 레이저 수신기를 위치시킨다.

본 발명의 실시 형태에 따르면 레이저의 동일한 출력 에너지로 최대 에너지를 수신할 수 있다. 또한 본 발명의 실시 형태에 따르면 파장판 및 편광 분리기를 적용함으로써, 레이저 송신기 및 레이저 수신기의 배치 설계를 최적화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 송신 및 수신 장치의 구성 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 편광의 횡파 성분의 크기를 조절하는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 레이저 송신 모드에서의 레이저 송신 및 수신 장치의 구성 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 레이저 수신 모드에서의 레이저 송신 및 수신 장치의 구성 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 명세서에서의 "광(optic)"이란 용어는 일반적으로 전자기 복사에 넓게 관련되며, 그리고/또는 전자기 복사(즉, IR 에너지 및 레이저 에너지)가 가시적이지 않더라도, 이와 같은 전자기 복사에 민감한 장치에 관련된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 송신 및 수신 장치의 구성 블록도이다.

타겟용 광학 장치는 항공기에서 지상표적을 탐지하여 정밀 조준을 하고 레이저를 발사하여 레이저 유도 폭탄이 정확하게 표적에 명중할 수 있도록 하는 정밀유도무장의 핵심 조준 장비이다. 타겟용 광학 장치에서 레이저 송신기 및 수신기의 설계의 중점사항은 타겟팅 광학 장치에서 요구되는 레이저 발산각과 레이저 수신기 수신각도를 동시에 만족하여야 하며, 원거리 송신 및 수신을 위해 파면오차를 최소화한 것이다. 그리고 타겟용 광학 장치의 송수신 광학계는 세 가지의 파장영역에 최적화되도록 설계가 되어야 한다.

이러한 타겟용 광학 장치의 성능을 만족시키기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 타겟용 광학 장치의 레이저 송신 및 수신 장치는 레이저 송신기(100), 레이저 편광 세기 조절부(200), 편광 분리기(300), 렌즈 어셈블리(400), 레이저 수신기(500)을 포함한다.

레이저 송신기(100)는 편파 성분의 레이저 편광을 발진한다. 편광(polarization)이라 함은 횡파(transverse wave)나 종파(longitudinal wave)와 같이 전자기파가 진행할 때 파를 구성하는 전기장이나 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상을 가리킨다. 일반적인 의미의 전자기파는 모든 방향으로 진동하는 빛이 혼합된 상태를 말하지만 특정한 광물질이나 광학 필터를 사용해 편광된 상태의 빛을 얻을 수 있다. 편광의 종류로는 직선 편광(linear polarization), 원 편광(circular polarization), 타원 편광(eliptical polarization)이 있는데, 본 발명의 레이저 송신기(100)는 직선 편광을 발생함을 특징으로 한다. 이하 설명에서는, 직선 편광 중에서 횡파(transverse wave) 형태의 레이저광을 출광하는 것을 예를 들어 설명할 것이나, 종파(longitudinal wave) 형태의 레이저광을 출광하는 경우도 적용할 수 있을 것이다. 참고로, 횡파라 함은 파동이 진행하여 나아가는 방향과 매질의 진동 방향이 수직을 이룰 때의 파동을 말하며, 종파라 함은 파동이 진행하여 나아가는 방향과 매질의 진동 방향이 같을 때의 파동을 말한다.

횡파 형태의 레이저 편광을 발진하는 레이저 송신기(100)는 다양한 형태로 구현할 수 있다. 예를 들어, 레이저 송신기(100)는 다이오드-펌프 고체 ND:YAG 레이저로 이루어질 수 있는데, 레이저 송신기(100)를 다이오드 펌프로 구현하는 경우에는, 신뢰성이 있고, 전력을 덜 필요로 하고, 보다 긴 수명을 가지므로 동일한 광출력 전력을 갖는 플래쉬 램프 펌프 레이저보다 바람직하다. 레이저 송신기(100)는 700nm ∼ 1,600nm의 레이저 파장을 발생시킬 수 있는데, 예컨대, 1,000nm 대역의 전술 파장 이외에 1,500nm 대역의 훈련 파장을 발생시킬 수 있다.

레이저 편광 세기 조절부(200)는, 레이저 송신기(100)와 편광 분리기(300) 사이에 위치하여, 레이저 송신기(100)에서 발진되는 횡파 형태의 레이저 편광의 세기를 조절하여 편광 분리기(300)에 제공한다. 레이저 송신기(100)의 경우 완성품으로서 레이저 송신기(100) 내에서 자체적으로 레이저 세기를 조절하는 것은 제품 셋팅에 영향을 미치기 때문에 힘든 경우가 많다. 따라서 레이저 세기를 조절하는 별도의 레이저 편광 세기 조절부(200)를 두어서 레이저 송신기(100)에서 발진되는 레이저 편광의 세기를 조절하여 편광 분리기(300)에 제공하는 것이다.

레이저 편광 세기 조절부(200)는 다양한 방식으로 구현될 수 있는데, 파장판을 사용하여 구현할 수 있다. 파장판(retarder plate)은 통과하는 빛의 편광 상태를 바꾸어주는 광학 소자이다. 위상 지연자(retarder)라고도 한다. 전자기파가 파장판을 통과하면 편광방향(전기장 벡터방향)이 광축에 평행하거나 수직한 두 성분(정상광선과 이상광선)의 합이 되고, 파장판의 복굴절과 두께에 따라 두 성분의 벡터합이 변하게 되므로 통과한 후의 편광 방향이 달라지게 된다. 이러한 파장판은 빛의 편광 방향을 90° 변화시키는 것을 사분파장판(Quarter-waver plate) 이라 하고, 180° 변화시키는 것을 반파장판(half-wave plate)이라 한다. 따라서 본 발명의 실시예에서의 레이저 편광 세기 조절부(200)는 레이저 송신기(100)로부터 입사되는 편광에 대하여 편광 방향을 변화시켜 레이저 편광의 세기를 결정하도록 한다.

예를 들어, 파장판을 10° 회전시키는 경우 레이저 송신기(100)로부터 입사되는 편광 방향이 20°바뀔 수 있다. 즉, 도 2(a)에 도시한 바와 같이 'A' 크기의 횡파 성분만을 가지는 레이저 편광에서 파장판을 이용하여 레이저 편광의 방향을 20°변화시킨 경우, 변화된 횡파 성분의 크기는 도 2(b)에 도시한 바와 같이 A×cos20°로서 그 크기가 작아지게 된다. 결국, 레이저 송신기(100)에서 출력되는 레이저 편광의 횡파 성분의 크기가 원래의 횡파 성분 크기보다 작아지게 되는 것이다.

편광 분리기(300)(Polarization Beam Spliter)는 레이저 송신기(100)에서 발진하는 레이저 편광을 입사면에 입력받아 출사면을 통해 투과시키며, 타겟에 반사되어 출사면으로 들어오는 반사광 중에서 레이저 송신기(100)에서 발진한 편파 성분의 편광을 투과시키고 다른 편파 성분인 반사 비편광을 레이저 수신기로 반사시킨다. 편광 분리기(300)는 서로 마주보는 입사면과 출사면을 가지고 있어 입사면을 통해 입사되는 광의 편파 성분을 분리하여 어느 하나의 편광만을 투과시키고 나머지 편광은 반사시킨다.

따라서 레이저 송신기(100)에서 횡파 성분의 레이저 편광을 발진하는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 편광 분리기(300)는 입사면을 통해 입사되는 레이저 편광에서 횡파 성분의 레이저 편광을 분리하여 횡파 성분을 투과시켜 렌즈 어셈블리(400)로 제공하고, 나머지 다른 편파 성분을 반사시켜 덤핑(dumping) 처리한다. 만약, 레이저 편광 세기 조절부(200)를 거친 레이저 편광이 도 2(b)에 도시한 바와 같이 20°의 편광 방향을 가지는 경우, 횡파 성분만이 편광 분리기(300)를 투과할 수 있기 때문에 렌즈 어셈블리(400)로 제공되는 레이저 편광의 크기는 A×cos20°를 가지게 된다. 참고로, 여기서 덤핑(dumping) 처리라 함은 다른 반사되는 광이 다른 구성품에 영향을 미치지 않도록 흑체 등에 수렴하여 쓰레기 포집하는 것을 말한다.

또한 타겟에 반사되어 수신되는 반사광의 경우, 렌즈 어셈블리(400)를 거쳐 편광 분리기(300)의 출사면을 통해 수신되는데, 이때, 입사되는 반사광 중에서 레이저 송신기(100)에서 발진한 편파 성분인 횡파의 반사 편광을 투과시키고 다른 편파 성분인 반사 비편광을 반사시켜 레이저 수신기로 제공한다. 레이저 송신기(100)에서 발진된 횡파 성분의 레이저 편광이 타겟에 부딪쳐 반사되어 오는 광(반사광)의 경우에, 횡파 성분의 편광뿐만 아니라 산란에 의하여 종파를 포함한 다양한 편광 성분의 반사광이 렌즈 어셈블리(400)로 들어올 수 있다. 이와 같이 되돌아오는 반사광 성분 중에서 편파 성분인 횡파의 반사 편광을 투과시키고 다른 편파 성분인 반사 비편광을 반사시키는 것이다.

렌즈 어셈블리(400)는 편광 분리기(300)에서 투과되는 레이저 편광을 확대하여 방사하며, 또한 타겟에 반사되어 수신되는 반사광을 집광하여 편광 분리기(300)로 제공한다. 이를 위하여 렌즈 어셈블리(400)는 볼록렌즈 및 오목렌즈의 조합으로 이루어져 구면 수차를 조절한다. 렌즈 어셈블리(400)는 광 에너지를 광학적으로 릴레이시키는 기능을 수행하며, 렌즈 세트를 병진시킴으로써 온도 및 고도 전체에 걸쳐 레이저 에너지 포커스를 유지하도록 한다. 모터 구동된 리드 나사를 사용하여 선형 베어링을 따라 그리고 전위차계로 위치 피드백을 모니터함으로써 렌즈 세트를 병진시킬 수 있다.

레이저 수신기(500)는 도 4에 도시한 바와 같이 타겟에 맞아 되돌아 오는 반사광 중에서 편광 분리기(300)를 투과하지 못하고 편광 분리기(300)에서 반사되는 반사광 성분인 반사 비편광을 수신한다. 레이저 수신기(500)는 수신되는 반사 비편광을 복조하여 소정의 알고리즘에 적용하여 타겟 거리 측정 등을 할 수 있다. 예컨대, 레이저 수신기(500)의 실제 구현예는 1,000nm 대역의 전술 파장 및 1,500nm 대역의 훈련 파장 모두에 응답하는 저잡음 InGaAs 수신기로 구성될 수 있다.

한편, 동일한 광축상에 레이저 송신기(100), 레이저 편광 세기 조절부(200), 편광 분리기(300), 렌즈 어셈블리(400)를 차례로 위치시킨다. 따라서 레이저 송신기(100)로부터 발진되는 레이저 편광은 레이저 편광 세기 조절부(200), 편광 분리기(300), 렌즈 어셈블리(400)를 차례로 거쳐서 타겟을 향해 방사될 수 있다. 다만 레이저 수신기(500)의 경우에는 방사되는 레이저 편광에 의한 영향을 최소화하도록 방사되는 레이저 편광의 광축에서 멀리 벗어나도록 위치시킨다. 이를 위하여 레이저 편광이 방사되는 광축에서 직각된 방향의 수직축 상에 레이저 수신기(500)를 위치시킨다. 광축에서 직각된 방향의 수직축 상에 레이저 수신기(500)를 위치함으로써, 레이저 편광의 광축에 위치하는 편광 분리기(300)에서 반사되는 광을 수신할 수 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

100:레이저 송신기 200:레이저 편광 세기 조절부
300:편광 분리기 400:렌즈 어셈블리
500:레이저 수신기

Claims

편파 성분의 레이저 편광을 발진하는 레이저 송신기;
상기 레이저 송신기에서 발진하는 레이저 편광을 입사면에 입력받아 출사면을 통해 투과시키며, 타겟에 반사되어 상기 입사면으로 입사되는 반사광 중에서 상기 레이저 송신기에서 발진한 편파 성분의 반사 편광을 투과시키고 다른 편파 성분인 반사 비편광을 반사시키는 편광 분리기;
상기 편광 분리기에서 반사되는 반사 비편광을 수신하는 레이저 수신기;
상기 편광 분리기에서 투과되는 레이저 편광을 확대하여 방사하며, 상기 타겟에 반사되어 수신되는 반사광을 집광하여 상기 편광 분리기로 제공하는 렌즈 어셈블리를 포함하며,
상기 렌즈 어셈블리에 구비되는 렌즈 세트는, 레이저 에너지 포커스를 유지하도록, 모터의 구동에 따른 리드 나사의 회전에 의해 선형 베어링을 따라 병진하도록 이루어지고,
상기 렌즈 어셈블리는 전위차계로 상기 렌즈 세트의 위치 피드백을 모니터하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 송신 및 수신 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 송신기와 편광 분리기 사이에 위치하여, 상기 레이저 송신기에서 발진되는 레이저 편광의 세기를 조절하여 상기 편광 분리기에 제공하는 레이저 편광 세기 조절부;를 포함하는 레이저 송신 및 수신 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 레이저 편광 세기 조절부는,
상기 레이저 송신기로부터 입사되는 편광에 대하여 편광 방향을 변화시켜 레이저 편광의 세기를 결정하는 파장판으로 구현되는 레이저 송신 및 수신 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,
동일한 광축상에 상기 레이저 송신기, 레이저 편광 세기 조절부, 편광 분리기, 렌즈 어셈블리를 차례로 위치시키며, 상기 광축에 직각된 방향의 수직축상에 상기 레이저 수신기를 위치시키는 레이저 송신 및 수신 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 송신기는 다이오드-펌프 고체 ND:YAG 레이저로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 송신 및 수신 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 수신기는 저잡음 InGaAs 수신기로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 송신 및 수신 장치.