KR102134178B1 - 피아 식별 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

희망의 범위의 거리에서 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 웨이브 빔을 생성하는 방법 및 시스템, 그리고 이것들을 이용한 질문 시스템 및 응답 시스템이 제공되어 있다. 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 웨이브 빔을 생성하는 방법은 상이한 발산을 갖는 복수의 적어도 일부 비간섭하는 구성 웨이브 빔을 발생시키는 단계 및 구성 웨이브 빔이 결합 웨이브 빔을 형성하도록 적어도 일부 겹치고 중첩하도록 이러한 복수의 구성 웨이브 빔을 거의 평행한 전파축을 따라 전파하도록 지향시키는 단계를 포함한다. 구성 웨이브 빔의 발산 및 강도는 결합 웨이브 빔이 상기 전파축을 따른 희망의 범위의 거리에서 희망의 거의 일정한 측방향 넓이를 갖도록 선택된다.

Description

피아 식별 시스템 및 방법{FRIEND OR FOE IDENTIFICATION SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 웨이브 빔을 형상화하는 기술에 관한 것이고 특히 형상화된 질문 웨이브 빔을 사용하여 피아 식별(identification of friend-or-foe, IFF)을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
보통 조준 장치에 장착된(예를 들어, 소형 화기에 장착된) 레이저 방출기를 포함하고, 잠재적인 표적에 광검출기를 트리거하는 피아 식별(IFF)을 위한 통신 시스템이 당업계에 알려져 있다. 예를 들어, 유럽 특허 번호 254,197에 개시된 공지된 IFF 시스템에서, 레이저 신호 및 무선 신호가 잠재적인 표적으로 동시에 전송된다. 표적에 장착된 응답기 유닛의 검출기에 의해 이러한 2개의 신호를 수신되면, 응답기는 그 신원을 확인하는 무선 신호 응답을 발생한다.
그러나, 일반적으로, (예를 들어, 광 웨이브 빔, 무선 주파수 웨이브 빔, 또는 음향 웨이브 빔과 같은) 웨이브 빔은 전파할 때 발산한다. 즉, 웨이브 빔의 측방향 넓이(extent)는 (예를 들어, 회절로 인해) 웨이브 빔의 소스로부터의 거리에 따라 증가한다. 보통 전자기 및/또는 음향 빔과 같은 웨이브 빔(예를 들어, 레이저 빔)은 가우시안 웨이브 빔으로서 파라 액시얼 근사화(para-axial approximation)에서 용이하게 모델화될 수 있다. 이것은 웨이브 빔의 기본 전파 모드에 대해 양호한 모델로서 기능한다(TM 00). 아래에서는 필요하다면 가우시안, 에르밋 가우시안, 라게르 가우시안 함수 및 또는 그 조합을 사용한 고차 모드를 포함하도록 확장될 수 있는 이러한 기본 모드를 고려한다.
가우시안 빔은 파면이 편평하고 전파 방향에 수직인 (예를 들어, 초점 영역 근방의) 빔 "웨이스트" 근방에서 거의 아무런 빔 발산이 없이 거의 일정한 폭을 유지한다. 그러나, 이러한 웨이스트로부터의 거리가 증가함에 따라, 가우시안 빔은 (기하학 레이 광학부에 의해 나타나는 것과 유사한) 일정한 발산에 점근적으로 접근한다.
따라서, 가우시안 빔 형태를 갖는 규격 웨이브 빔은 일정한 빔 폭이 빔의 전파축을 따른 확장된 범위를 따라 필요한 경우에 보통 사용되지 않는다. 일정한 빔 폭의 확장된 범위는 제1 종류의 베셀 함수에 의해 기술된 진폭 분포를 갖는 베셀 빔에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 이러한 빔이 발산하지 않음에도 불구하고, 이상적인 베셀 빔이 (무제한의 조사 소스를 필요로 하기 때문에) 실제 발생하기 어렵다. 이를 위해, 전파축을 따라 거의 일정한 빔 폭을 필요로 하는 응용에서, 의사 베셀 빔이 보통 액시콘(axicon) 렌즈를 갖는 가우시안 빔을 포커싱함으로써 실제 형성되어 사용된다. 그럼에도 불구하고, 의사 베셀 빔 근사화는 일정 폭 빔이 관심의 영역으로부터 멀리 광을 점진적으로 회절시켜 (유한 광원의 사용으로 인해 보충되지 않는) 강도 손실을 유발하기 때문에 제한된 거리/범위에만 실시된다.
개관
빔의 소스로부터의 희망의 범위의 거리에서 발산이 감소되거나 발산하지 않는 웨이브 빔의 생성은 다양한 응용, 예를 들어, 웨이브 빔에 의해 조사되는 영역이 관심의 구역을 규정하는 기능을 하는 응용에 유리할 수 있다. 예를 들어, 이러한 응용은 레이저 기반 쌍방 시뮬레이션 및 훈련 시스템, 및 다중통합 레이저 교전 시스템(MILES)은 물론 피아 식별(IFF)을 포함한다.
관심의 구역을 지정/규정하도록 공동 발산 레이저 빔을 사용하는, MILES 및 IFF와 같은 종래의 응용은 짧은 범위와 긴 범위 모두에서 탄약의 적중을 시뮬레이팅하고 및/또는 아군을 식별하는데 충분히 효과적이거나 정확하지 않을 수 있다. 그 이유는 짧은 범위에서 작은 단면적을 조사하고 보다 큰 범위에서 보다 큰 단면적을 조사하는 레이저 빔의 발산이다. 이러한 상황은 조사 면적이 레이저 빔의 소스 다이아프램/개구(예를 들어, 레이저의 출력 포트의 광학 개구) 보다 훨씬 더 클 필요가 있을 때 악화되는데, 그 이유는 보다 넓은 조사 단면적을 달성하기 위해 보다 큰 발산이 필요하기 때문이다. 예를 들어, 보병의 무기를 위힌 MILES 조사 레이저 장치에서, 그 레이저 방출 개구의 반경은 수 밀리미터(예를 들어, 5mm) 정도일 수 있지만, 타격을 시뮬레이팅하기 위해 수 미터 확대된 관심의 영역의 면적을 조사/규정할 필요가 있다(예를 들어, 300m의 거리에서 500mm의 점 직경을 조사할 필요가 있다). 이를 위해, 가우시안 또는 근접 가우시안 빔에 의한 종래의 기술을 사용하면, 관심의 영역이 이러한 점의 측방향 넓이/직경이 빔의 소스로부터의 거리에 따라 상당히 변하기 때문에 적절하게 커버되지 않는다(예를 들어, 이러한 예에서 점 직경은 거리 150m에서 단지 대략 250mm이고, 이것은 희망의 500mm 값 보다 상당히 작다).
전파함에 따라 고정된 측방향 넓이를 잠재적으로 제공하는 의사 베셀 빔을 사용하는 것은 실현될 수 없고 오직 제한된 거리에서 실제로 달성될 수 있다. 이것은 큰 범위에서 실제로 일정한 측방향 넓이를 갖는 의사 베셀 빔의 발생이 빔의 소스(예를 들어, 레이저)의 매우 많은 출력을 필요로 하는 것은 물론 큰 측방향 치수(물리적 크기)를 갖는 빔 소스를 필요로 하기 때문이다. 또한, 빔의 소스의 보다 큰 측방향 치수가 빔의 보다 넓은 일정한 측방향 넓이가 필요한 경우 및/또는 빔이 보다 긴 거리에 대해 일정한 측방향 넓이를 갖는 경우에 필요하다.
본 발명은 이러한 공지된 기술의 문제점을 극복하면서, 빔의 소스로부터의 희망의 범위의 거리에서 거의 일정한 측방향 넓이(단면 폭)을 갖는 (광선, 무선 주파수 빔, 음향 빔과 같은) 웨이브 빔을 발생시키는 기술을 제공한다. 또한, 본 발명에 따라, 빔의 소스의 출력 개구/다이아프램의 측방향 넓이/반경 보다 실질상 큰 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 웨이브 빔을 발생시킬 수 있는 시스템 및 방법이 제공되어 있다. 이로 인해 희망의 범위에서 실질상 보다 넓고 일정한 측방향 넓이를 갖는 웨이브 빔을 생성하는 작은 빔 발생기를 사용할 수 있다.
이러한 새로운 기술에 따라, 상이한 발산을 갖는 복수의 웨이브 빔(여기에서, 예를 들어, 광선, 무선 주파수 빔, 또는 음향 빔과 같은 구성 웨이브 빔으로 부르기도 한다)이 적어도 일부 비간섭하는 방식으로 중첩되어 있다. 이러한 적어도 부분적인 비간섭성은 빔의 소스로부터 희망의 범위의 거리에서 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 결합 빔(여기에서 질문 웨이브 빔으로도 부른다)을 생성한다. 이러한 실시예에서, 이러한 구성 웨이브 빔은 완전한 비간섭성을 갖는다. 이것은 간섭 길이 보다 큰 광경로 길이의 차이를 갖고 및/또는 파장, 및/또는 편향 및/또는, 발생 시간(아래에서 명확해질 것이다)에서 차이를 갖는 빔을 생성함으로써 달성된다. 다른 실시예에서, 이러한 구성 웨이브 빔은 (아래에서 명확해지는 바와 같이) 일부 비간섭성을 갖는다.
본 발명의 범위에서 용어 웨이브 빔의 "일정한 측방향 넓이" 및/또는 "일정한 반경/직경"은 웨이브 빔의 전파축을 따른 희망의 범위에서 단면 폭을 가리키고, 이에 대해 결합 질문 웨이브 빔의 진폭 또는 (진폭의 제곱에 비례하는) 강도가 특정 임계 진폭 또는 강도 보다 크거나 동일하다. 즉, 용어 빔의 측방향 넓이/반경/직경은 빔의 강도(예를 들어, 또는 검출기의 통합 시간과 같은 사전결정된 기간 동안의 강도의 적분)가 특정 검출 임계 값과 거의 동일한 빔의 단면 외곽의 치수와 관련되어 있고, 이러한 외곽 안에서 강도/적분 강도는 검출 임계값 보다 높고, 그 외측에서 검출 임계값 보다 낮다. 실제, "일정한" 측방향 넓이는 강도 검출 임계값을 갖는 장치에 따라 산정될 수 있어서, 입사 웨이브 빔과의 검출기의 각도 오정렬로 인해 이러한 검출 임계값에 허용오차를 도입한다. 이러한 검출 허용오차는 개의 임계값(즉, 공칭 검출 임계값 보다 각각 높고 낮은 상한 및 하한 강도 임계값)을 효과적으로 유도한다. 즉, 다음에서, 웨이브 빔은 희망의 측방향 넓의 경계에서, 빔의 강도가 상한과 하한 강도 임계값 사이에 있을 때 특정 동작 범위에서 희망의 일정한 측방향 넓이를 갖는 것으로 여겨진다. 이와 관련하여, 일부 경우에 상한 및 하한 강도 임계값은 공칭 검출 임계값으로부터 각각 약 10% 만큼 보다 높고 보다 낮을 수 있고, 일부 경우에, 공칭 검출 임계값으로부터 ±30%에 이르는 경우에도 빔은 여전히 일정한 측방향 넓이를 갖는 것으로 여겨진다.
이와 관련하여, 여기에 사용된 용어 강도는 적절한 경우에, 빔을 감지/검출하도록 설계된 검출기의 통합 시간과 연관된 시간 동안 강도의 적분과 관련된 것으로 이해되어야 한다는 것을 유념해야 한다. 따라서, 질문 웨이브 빔을 형성하는데 있어서, 구성 웨이브 빔은 거의 동시에 중첩될 수 있는데, "동시에"는 빔이 감지될 지정 검출기의 통합 시간 정도 또는 보다 짧은 기간 안에 공존하도록 빔이 동일한 시각 및/또는 경미하게 상이한 시각에 투사된다는 뜻으로 이해될 수 있다. 이와 관련하여, 구성 웨이브 빔이 동시에 투사되는 경우에, 이들 사이에 간섭을 줄이기 위해 서로 적어도 일부 비간섭성을 가져야 한다. 상이한 시각에 투사된 간섭 구성 웨이브 빔은 일반적으로 간섭하지 않고, 검출기의 통합 시간 보다 짧은 기간 내에 투사되는 경우에 검출기에 의해 동시 비간섭 빔으로서 함께 감지된다. 이러한 점에서, 이러한 빔은 다음에서 적어도 일부 비간섭하는 빔으로서 여겨진다.
또한, 용어, "조사하다", "조사하는" 및/또는 "조사"는 예를 들어, 음향, 광학 및/또는 무선 주파수 웨이브 빔일 수 있는 임의의 타입의 웨이브 빔에 의한 "조사" 및/또는 질문을 가리키는 것으로 넓은 의미에서 사용되어 있다는 것을 유념해야 한다. 따라서, 이러한 용어는 단지 광학 빔에만 관련된 것으로 이해되어서는 안된다.
2개 이상의 웨이브 빔의 "비간섭 중첩"에서, 간섭은 전혀 일어나지 않는다는 것이 이해된다. (본원에서 "일부 비간섭하는 중첩"으로도 불리는) "일부 간섭하는 중첩"에서, 간섭은 일어나지만, 최대와 최소(웨이브 빔이 광선일 예에서 가시성) 사이의 강도의 범위에 의해 보통 측정되는 간섭 패턴의 품질/강도는 감소된다(예를 들어, 간섭 패턴의 어떤 부분도 완전히 어둡지 않다). 일부 실시예에서, 이러한 빔 사이의 부분 간섭은 희망의 범위에서 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 결합 웨이브 빔을 발생시키기에 충분하다. 일부/완전한 비간섭은 다양한 정도로 상이한(예를 들어, 빔의 간섭 길이 보다 크다) 광경로 길이를 갖는 웨이브 빔, 및/또는 상이한 파장, 및/또는 상이한 편향(예를 들어, 선형 편향되고 원형 편향된 웨이브 빔의 결합이 일부 비간섭성을 제공할 수 있다)의 웨이브 빔, 및/또는 (상술된 바와 같이 지정된 거출 모듈에 의해 동시로 인식될 수 있는) 상이한 발생 시각을 갖는 빔의 중첩에 의해 얻을 수 있다. 이러한 특성의 작은 차이가 2개의 웨이브 빔을 완전하게 비간섭하기에 불충분할 수 있지만, 본원의 응용에 필요한 부분 비간섭성을 보장하는데는 충분하다. 구체적으로, (아래에 더 설명되는 바와 같이) 최소 주변 강도가 예를 들어, 웨이브 빔의 측방향 넓이를 규정하는데 사용된 강도 임계값의 2배 보다 크기만 하면, 웨이브 빔 사이의 일부 간섭 중첩이 개시된 발명의 일부 응용에 적절하다.
본 발명의 장점은 가우시안, 또는 근접 가우시안 빔과 같은 용이하게 입수가능한 웨이브 빔의 형태의 구현에 있다. 또한, 역시 제한된 범위의 일정한 빔 폭을 제공할 수 있는 의사 베셀 빔과 달리, 본 발명은 웨이브 빔의 소스의 개구 보다 상당히 클 수 있고 확장된 거리에서 일정한 측방향 넓이를 갖는 웨이브 빔을 제공한다. 옵션으로, 결합 빔의 측방향 넓이 및/또는 빔의 측방향 넓이가 거의 일정한 상태로 남는 범위는 하나 이상의 구성 웨이브 빔의 발산 및/또는 강도를 조정함으로써, 및/또는 복수의 구성 웨이브 빔의 일부만을 방출하고 결합함으로써 조정가능하다.
이를 위해, 본 발명에 따라, 또한 준 가시선에서의 질문 기능을 제공하는 물론 향상된 정확도 및 신뢰도를 갖는 새로운 IFF 시스템 및 방법이 제공된다. 이것은 특정 범위에서 본질적으로 일정한 측방향 넓이를 갖는 질문 웨이브 빔(에를 들어, 광, 무선 주파수 및/또는 음향)을 발생할 수 있는 질문 시스템을 사용함으로써 본 발명에 따라 달성된다. 이러한 질문 빔은 특정 범위에서 거의 일정한 측방향 단면에 의해 규정된 명확한 질문 구역을 제공한다. 이러한 질문 구역은 사이드 로브가 억제되거나 없는 비교적 가파른 조사 경계를 가질 수 있고, 그 경계 안에서 질문 빔의 강도(예를 들어, 일체 강도(integral intensity))가 특정 검출 임계값 보다 높고 그 경계 밖에서 이러한 임계값 보다 낮다.
일부 경우에, IFF 시스템은 질문 빔을 검출하고 그 강도를 알아내고 질문 시스템에 되전송하도록 구성된 응답기 시스템(예를 들어, 트랜스듀서)를 포함하고 있다. 이로 인해, 질문 시스템이 응답기의 질문 신호의 품질을 산정할 수 있어서, 질문 빔 내의 응답기의 위치에 대한 추가 정보를 제공하고, 질문 빔의 재정력에 대한 반복된 질문이 필요한 경우에 조작자에게 경고한다. 이러한 방식으로, 본 발명의 IFF는 응답기가 규정된 질문 구역내에 있는지 여부를 판정하는 것에 대한 신뢰도를 제공한다.
일부 경우에, 본 발며엥 다른 피아 식별(IFF) 시스템은 200미터와 4,000 미터 사이의 동작 범위에서 거의 일정한 측방향 넓이를 유지하는 질문 웨이브 빔을 사용할 수 있다. 이러한 질문 웨이브 빔은 예를 들어, 각각 희망의 측방향 넓이에 대한 양호한 근사값으로 질문 구역/범위를 커버하는 결합 웨이브 빔을 작동시키도록 선택된 발산 및 강도를 갖는 3개의 구성 웨이브 빔의 결합에 의해 구성될 수 있다.
상기에 더하여, 본 발명의 특정 구성은 IFF의 정확도 및 신뢰도를 향상시키는 다수의 혁신적인 특징을 제공한다. 구체적으로, 본 발명은 상이한 질문 구역을 커버하기 위한 다수의 질문 웨이브 빔을 사용함으로써 응답기의 위치에 대한 스캐닝을 제공한다. 예를 들어, 질문 프로세스를 개선하기 위해 질문은 응답기의 위치에 대한 정보를 제공하도록 2개 이상의 질문 웨이브 빔을 순차적으로 사용함으로써 구현될 수 있다.
질문을 위해 광학 웨이브 빔을 사용하는 다수의 종래의 IFF 시스템은 부확하고 및/또는 신뢰할 수 없는 식별을 제공하고 오인 및/또는 거짓 경보의 확률을 높이기 쉽다. 이것은 (수신 모듈에 의해 감지된 질문 웨이브 빔의 강도에 영향을 미치는) 질문 웨이브 빔에 대한 수신/검출 모듈의 다양한 방위는 물론 질문 웨이브 빔의 발산을 포함하는 다양한 인자 때문이다. 상기 결함의 결과로서, 공지된 IFF 시스템의 신뢰도가 비교적 부족하다.
이를 위해, 본 발명은 이러한 문제를 경감시키기 위한 다양한 기술을 제공한다. 보다 구체적으로, 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 질문 빔을 사용하는 것을 제외하면, 상술된 바와 같이, 본 발명은 역시, 다양한 방향으로부터 질문 웨이브 빔을 수집하기 위한 응답기 시스템에 의해 일부 실시예에서 사용되는 향상된 수집 광학부를 제공한다.
또한, 일부 실시예에 따라, (특히, 보통 배터리에 의해 작동되는 응답기에서) 성능을 향상시키고 에너지 소비량을 감소시키기 위해 IFF 시스템에 의해 구현되는 새로운 질문 프로토콜 또는 방법이 제공된다. 또한, 질문 프로토콜에 의해 응답기에 의해 수신된 질문 웨이브 빔의 강도/진폭을 측정하기 위한 저전력 및 저가 모듈을 사용할 수 있다. 이러한 강도/진폭 정보에 의해, 질문 시스템은 향상된 정확도로 질문 빔에 대한 응답기의 위치를 알아낼 수 있고, 질문 응답의 품질을 나타낼 수 있다. 또한, 이러한 질문 프로토콜에 의해, (예를 들어, 무작위 지연 전송은 물론 주파수 호핑 기술을 사용함으로써) 응답기에 의해 전송된 응답 신호의 간섭 및 혼잡을 피할 수 있다. 질문 웨이브 빔은 또한, 응답기의 코드/식별과 함께 질문기에 되전송되는, 질문기의 코드(예를 들어, 식별 코드)를 전송하도록 모듈화될 수 있다. 이러한 프로토콜에 의해 질문기는 응답기를 인증할 수 있고 수신된 응답이 발생된 구체적인 질문(그리고 다른 질문기의 질문)과 관련되어 있는지를 확인할 수 있다. 또한, 질문기로부터 수신된 코드는 적법한 것인지(그리고 코드가 최신이 아닌 적의 손에 떨어지거나 분실된 시스템이 아닌지)를 응답기에 확인시킨다.
또한, 당업 IFF 시스템의 상태는 질문기와 잠재 표적 사이의 직접 시선에 기초하고 있다. 이것은 질문기가 활성화되었을 때 표적이 간략히 식별되었지만 직접 시선으로부터 숨겨져 있을 때 이러한 시스템의 응용을 제한한다. 이것은 질문에 대해 광학 웨이브 빔을 사용하고 수신확인 응답에 대해 무선 주파수(RF)를 사용하는 본 발명의 일부 변형에서 해결된다. (2-3 미터의 범위에 있을 수 있는) 좁고 명확한 측방향 넓이/점 및 (예를 들어, 1 내지 6 mrad의 범위에서) 작은 발산을 갖는 광학 질문 빔을 생성하는 본 발명의 기술에 의해, (예를 들어, 도시 환경에서) 의심의 표적/응답기의 준 가시선에서 시스템을 동작시킬 수 있다. 이것은 이러한 좁고 낮은 발산의 질문 웨이브 빔의 충분한 에너지 또는 출력이, 응답기가 질문 시스템과 응답기 시스템 상의 직접 가시선을 방해하는 벽 또는 초목과 같은 장애물 뒤에 위치될지라도, 산란 및/또는 반사를 통해 응답기에 도달할 수 있기 때문이다. 또한, 방향성을 갖지 않는 RF 응답 역시 이러한 준 가시선 조건에서 작동될 수 있다.
따라서, 본 발명의 특징에 따라, 희망의 범위의 거리에서 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 웨이브 빔을 생성하는 방법이 제공된다. 이러한 방법은 상이한 발산을 갖는 복수의 적어도 일부 비간섭하는 구성 웨이브 빔을 발생시키는 단계 및 상기 구성 웨이브가 결합 웨이브 빔을 형성하도록 적어도 일부 겹치고 중첩되도록 실질상 평행한 전파축을 따라 전파하기 위해 상기 복수의 구성 웨이브 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 상기 구성 웨이브 빔의 상기 발산 및 강도는 상기 결합 웨이브 빔이 상기 전파축을 따른 희망의 범위의 거리에서 희망의 거의 일정한 측방향 넓이를 갖도록 선택된다.
일부 실시예에서, 상기 구성 웨이브 빔은 상기 희망의 거의 일정한 측방향 넓이 보다 상당히 작은 치수의 하나 이상의 출력 개구로부터 방출된다. 하나 보다 많은 출력 개구가 존재하는 경우에, 상기 출력 개구는 상기 구성 웨이브 빔의 임의의 2개의 전파축 사이의 거리가 상기 희망의 결합 웨이브 빔의 상기 일정한 측방향 넓이 보다 상당히 작도록 배치되어 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 상기 복수의 구성 웨이브 빔은 특정 강도 검출기의 응답 시간을 초과하지 않는 기간에서 거의 동시에, 공존하여 또는 순차적으로 발생된다. 상기 빔은 순차 웨이브 빔(CW) 또는 펄스 빔일 수 있고, 전자기 방사선 또는 음파의 웨이브 빔일 수 있다.
또한 상기 결합 웨이브 빔의 단면 형상은 다양한 형상을 취할 수 있고 예를 들어, 원형 및/또는 타원형 및/또는 실질상 직방형일 수 있다. 일부 실시예에 따라, 상기 방법은 상기 구성 웨이브 빔중 적어도 하나의 발산 또는 강도중 적어도 하나를 제어가능하게 변화시킴으로써 상기 희망의 결합 웨이브 빔의 측방향 넓이를 조정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따라, 적어도 하나의 주요 웨이브 빔을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 빔 소스 및, 상기 적어도 하나의 빔 소스에 결합된 적어도 하나의 입력 포트 및 하나 이상의 출력 포트를 포함하는 웨이브 지향 및 포커싱 모듈을 포함하는 웨이브 빔 발생기가 제공된다. 상기 웨이브 지향 포커싱 모듈은 상기 적어도 하나의 입력 포트와 상기 하나 이상의 출력 포트 사이에 상이한 포커싱 파워의 복수의 경로를 규정하도록 배치되고, 상이한 발산을 갖는 복수의 적어도 일부 비간섭하는 구성 웨이브 빔을 상기 적어도 하나의 주요 웨이브 빔으로부터 생성하고 결합 웨이브 빔을 형성하도록 상기 구성 웨이브 빔이 적어도 일부 겹치고 중첩되도록 상기 하나 이상의 출력 포트로부터 출력되고 하나 이상의 실질상 평행한 전파축을 따라 전파하기 위해 상기 복수의 구성 웨이브 빔을 지향시키도록 구성되고 동작가능하다. 상기 적어도 하나의 빔 소스 및 웨이브 지향 및 포커싱 모듈은 상기 결합 웨이브 빔이 상기 빔 전파축을 따라 선택된 범위의 거리에서 희망의 거의 일정한 측방향 넓이를 갖도록 상기 구성 빔의 각 발산 및 강도에 영향을 미치도록 구성되고 동작가능하다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 하나 이상의 출력 포트는 상기 희망의 거의 일정한 측방향 넓이 보다 상당힌 작은 치수의 개구와 연관되어 있고, 상기 전파축 사이의 거리가 상기 결합 웨이브 빔의 상기 희망의 거의 일정한 측방향 넓이 보다 상당히 작도록 배치되어 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 상기 웨이브 빔 발생기는 각각 이전 방위와 후속 방위와 적어도 45도 각도를 갖는 희망의 방위를 따라 각 선형 편향을 갖는 4개에 이르는 웨이브 빔을 각각 포함하는 하나 이상의 구성 웨이브 빔 그룹을 생성하도록 구성되어 있다. 2개 이상의 이러한 그룹이 생성되는 경우에, 상이한 그룹은 구성 웨이브 빔의 파장, 편향, 및 경로 길이의 파라미터중 적어도 하나에서 서로 상이할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 상기 적어도 하나의 빔 소스 및 상기 하나 이상의 광학 모듈의 특성은 상기 구성 웨이브 빔의 적어도 하나의 강도 및 발산중 적어도 하나를 제어가능하게 변화시키기 위해 제어가능하다. 이로 인해 상기 결합 웨이브 빔의 측방향 넓이를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따라, 상술되고 아래에 보다 상세하게 더 설명되는 바와 같이 구성되는 웨이브 빔 발생기를 포함하는 질문 시스템이 제공된다. 일부 실시예에서, 상기 질문 시스템은 또한 질문 웨이브 빔의 전파의 일반적인 방향을 따라 선택된 범위의 거리에서 희망의 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 희망의 질문 웨이브 빔을 발생시키도록 웨이브 빔 발생기를 선택적으로 동작시키도록 구성된 웨이브 빔 발생 제어기를 포함한다. 이것은 각 구성 웨이브 빔의 중첩이 선택 범위에서 희망의 측방향 넓이를 갖는 희망의 질문 웨이브 빔을 형성하도록 선택된 웨이브 빔의 선택된 결합의 각 구성 웨이브 빔을 거의 동시에 생성하기 위해 상기 웨이브 빔 발생기 모듈을 동작시킴으로써 달성된다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 이러한 질문 시스템은 질문 웨이브 빔 스캐닝 모듈을 포함하는 표적 검출 모듈을 포함한다. 이러한 웨이브 빔 스캐닝 모듈은 하나 이상의 질문 빔에 의해 질문된 응답기 시스템의 위치를 알아낼 수 있도록 상이한 범위 및 상이한 측방향 넓이중 적어도 하나와 연관된 2개 이상의 질문 웨이브 빔을 순차 발생시키기 위해 상기 웨이브 빔 발생 제어기를 순차 동작시키도록 구성되어 있다. 일부 경우에, 상기 표적 검출 모듈은 상기 응답기로부터 상기 응답기에 의해 수신된 질문 웨이브 빔의 강도를 나타내는 수신확인 신호 인코딩 강도 데이터를 수신하고 상기 강도 데이터를 처리하여 상기 질문 웨이브 빔과 관련된 상기 응답기의 위치를 추정하도록 동작되고 구성가능하다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 상기 질문 시스템은 상기 질문 웨이브 빔의 수집 비행시간 및 이에 응답하여 질문 응답기로부터 얻어진 수신확인 신호를 사용하여 상기 질문 응답기의 거리를 알아내도록 구성된 표적 검출 모듈을 포함한다. 상기 수집 비행시간은 상기 질문 웨이브 빔의 전송과 상기 수신확인 신호의 수신 사이의 지연 시간을 측정하고 상기 질문 시스템의 지연 시간, 상기 응답기 시스템의 내부 지연 시간, 및 상기 수신확인 신호가 상기 응답기에 의해 지연되는 무작위 지연 시간중 적어도 하나와 연관된 지연 시간을 감산함으로써 알아낼 수 있다.
일부 실시예에 따라, 상기 질문 시스템은 질문 웨이브 빔 내의 데이터를 암호화하도록 상기 웨이브 빔 발생기를 동작시키도록 구성된 질문 제어 모듈을 포함하고 있다. 예를 들어, 이러한 코딩은 질문 웨이브 빔의 모듈화/펄스 시퀀스의 형태를 가질 수 있다. 일부 경우에, 암호화된 데이터는 질문되는 응답기 시스템의 사전결정된 대기 지속시간 보다 큰 지속시간 동안 뻗은 질문 웨이브 빔 내의 일련의 초기 세그먼트를 포함하는 초기 시퀀스를 포함할 수 있다. 상기 응답기 시스템은 대기 지속시간을 초과하지 않는 지속시간의 대기 모드로부터 회복된 후에 초기 세그먼트중 적어도 하나를 식별할 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 암호화된 데이터는, i. 초기 시퀀스의 끝을 표시하는 초기 끝(end-of-initialization) 데이터 필드; ii. 상기 질문 시스템의 신원 및 타입중 적어도 하나를 나타내는 인증 데이터 필드; 및 iii. 상기 질문에 대한 수신확인 응답의 통신을 위한 상기 표적 응답기 시스템에 의해 사용되는 통신 파라미터를 나타내는 적어도 하나의 통신 데이터 필드의 데이터 필드중 하나 이상을 나타내는 데이터를 포함하는 동기 데이터를 포함하고 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 상기 질문 시스템은 응답기 시스템을 더 포함한다. 이러한 응답기 시스템은 상기 질문 웨이브 빔을 검출하도록 구성되고 동작가능한 질문 빔 수신 모듈, 및 상기 질문 웨이브 빔의 검출에 응답하여 수신확인 통신을 전송하도록 구성되고 동작가능한 전송 모듈을 포함하고 있다. 일부 실시예에서, 상기 질문 빔 수신 모듈은 광검출기 및 상기 광검출기에 결합되고 상기 광검출기의 적어도 2개의 광 감지면(예를 들어, 양측 표면)에 의해 상기 질문 웨이브 빔을 검출할 수 있는 하나 이상의 도파 모듈을 포함한다.
일부 실시예에 따라, 상기 응답기의 상기 질문 빔 수신 모듈은 적어도 180°의 수평 수집 각도 내로부터 상기 응답기 시스템쪽으로 전파하는 질문 웨이브 빔을 검출하도록 배치된 적어도 3개의 검출 모듈을 포함한다. 예를 들어, 검출 모듈은 특정 입체각 내로부터 전파하는 질문 웨이브 빔을 수집하고 상기 수집된 질문 웨이브 빔을 검출면으로 지향시키도록 구성된 수집 개구를 갖는 수집 소자에 결합된 검출면을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 상기 적어도 3개의 검출 모듈의 수집 소자는 적어도 일부 겹치는 수집 입체각으로 구성되어 있고, 상기 질문 빔 수신 모듈에 의한 상기 질문 빔의 수집의 전체 입체각이 적어도 반구의 입체각을 커버하도록 배치되어 있다.
본 발명의 다른 특징에 따라, 질문 시스템 및 응답기 시스템을 포함하는 질문 및 응답 시스템이 제공되어 있다. 상기 질문 시스템은 상이한 발산 및 거의 평행한 전파축을 갖는 복수의 웨이브 빔을 생성하도록 구성되어 있고 동작가능하고, 2개 이상의 결합된 웨이브 빔을 발생시킬 수 있어서, 각 결합은 복수의 웨이브 빔의 2개 이상의 적어도 일부 비간섭하고 적어도 일부 겹치는 구성 웨이브 빔의 동시 생성을 포함하여 각 구성 웨이브 빔의 중첩은 특정 범위의 거리에서 희망의 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 질문 웨이브 빔을 형성하는 복수의 웨이브 빔을 생성하도록 구성되고 동작가능한 웨이브 빔 발생기 모듈; 및 상기 질문 웨이브 빔을 검출하는 응답기 시스템으로부터 수신확인 통신을 수신하기 위한 수신기를 포함하는 표적 검출 모듈을 포함한다. 상기 응답기 시스템은 상기 질문 웨이브 빔을 검출하도록 구성되고 동작가능한 질문 빔 수신 모듈, 및 상기 질문 웨이브 빔의 검출에 응답하여 수신확인 통신을 전송하도록 구성되고 동작가능한 전송 모듈을 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 응답기 시스템에 질문하는 방법이 제공되어 있다. 상기 방법은 질문 시스템과 응답 시스템 사이에 시선을 따라 장애물 뒤에 위치된 응답 시스템 쪽으로 질문 웨이브 빔이 지향되도록 질문 시스템에 의해 질문 웨이브 빔을 발생시키는 단계; 및 상기 응답 시스템 근방의 표면으로부터 산란되는 상기 질문 웨이브 빔을 검출하고, 상기 검출에 응답하여 상기 장애물을 우회할 수 있는 수신확인 신호를 발생시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서 상기 질문 웨이브 빔은 적어도, 거의 일정한 측방향 넓이가 희망의 질문 범위에서 3 미터를 초과하지 않거나 비교적 작은 빔 발산이 6 mrad를 초과하지 않는 특징을 갖고 있다.
따라서, 본 발명은 향상된 정확도 및 신뢰도로 효과적인 IFF 질문 및 응답을 허용하는 새로운 빈 발생 기술 및 새로운 IFF 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명의 다른 특징 및 실시예가 상세한 설명에 보다 상세하게 설명되어 있다. 본 발명은 다음의 설명된 실시예의 상세한 설명에 제한되지 않고 본 발명은 첨부된 청구범위로부터 벗어남 없이 다른 특정 형태로 구현될 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 따라서, 본 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니고 예시로 제시되어 있어, 청구범위의 등가물의 의미 및 범위 내의 모든 변화는 본 발명에 포함되어 있다.
여기에 개시된 주제를 보다 잘 이해하기 위해 그리고 실제 실행되는 방법을 예시하기 위해, 아래의 도면을 참조하여 예로서 설명할 것이다.
도 1은 희망의 동작 범위에서 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 웨이브빔을 생성하기 위해 본 발명에 따른 기술의 개략도이다.
도 2a 내지 도 2c는 상이한 발산을 갖는 빔의 조합을 사용하여 희망의 동작 범위에서 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 웨이브빔의 생성을 설명하는 개략도이다.
도 3a 내지 도 3c는 가우시안 웨이브 빔인 3개의 구성 웨이브 빔(B10-B12)의 강도 분포의 양적 시뮬레이션을 도시한 도면(P10, P11, P12)이다.
도 3d 및 도 3e는 도 3a 내지 도 3c에 도시된 구성 웨이브 빔의 비간섭성 중첩에 의해 형성된 다수의 결합된 웨이브 빔의 양적 시뮤렐이션을 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 2개의 실시예에 따른 웨이브 빔 발생기(110)의 개략도이다.
도 5a 내지 도 5i는 상이한 발산, 옵션으로 상이한 강도를 갖는 다수의 구성 전파빔의 적어도 부분적으로 비간섭성을 갖는 중첩을 제공하기 위해 각각 구성되고 동작가능한, 본 발명의 다수의 실시예에 따른 웨이브 빔 발생기의 블록도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 IFF 시스템의 2개의 실시예를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 관심의 영역에서 응답기를 검출하고 가능하게는 위치파악하기 위한 질문기 웨이브 빔 스캐닝 모듈에 의해 실행되는 다수의 질문을 개략적으로 각각 도시한 도면이다.
도 7d 및 도 7e는 본 발명에 따라 구성된 IFF 시스템에 의해 실행되는 준 가시선의 2개의 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예에 따른 질문 및 응답 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 9a 및 도 9b는 다수의 공동 질문되는 응답기로부터의 전송의 무충돌 확률을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예에 따른 응답기 시스템의 일부 회로 부품의 개략도이다.
도 11a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 응답기 시스템에 의해 사용된 질문 웨이브 빔 검출 모듈의 예이다.
도 11b 내지 도 11d는 단일 검출기 소자의 양면에 결합된 질문 웨이브 빔 검출 모듈의 쌍의 3개의 구성을 예시한 도면이다.
도 12a 내지 도 12d는 반구 입체각으로부터 도달하는 질문 웨이브 빔의 검출을 위한 본 발명의 실시예에 따라 구성된 단일 검출기의 양면에 결합된 한 쌍의 질문 웨이브 빔 검출 모듈 및 6개의 검출 모듈의 2개의 배치를 위한 구현을 개략적으로 설명한 도면이다.
도 13은 검출 모듈의 수의 함수로서 검출의 효율을 나타내는 그래프이다.
도 14a 및 도 14b는 반사성 복합 포물선 집중기를 포함하는 검출 모듈의 평면도 및 측면도의 개략도이다.
희망의 범위 R 동안 거의 일정한 측방향 넓이 W를 갖는 웨이브 빔(IWB)을 발생시키는 기술을 개략적으로 도시하고 있다. 웨이브 빔(IWB)은 각각 상이한 강도 및/또는 발산을 갖는 다수의 2개 이상의 웨이브 빔(예를 들어, 광학 웨이브 빔)을 결합함으로써 생성된다. 웨이브 빔(IWB)을 발생시키는 시스템(100)은 일반적으로 웨이브 빔 발생기(110) 및 가능하다면 전파 발생 제어기(120)를 포함하고 있다. 전파 발생 제어기(120)는 희망의 동작 범위(R) 동안 거의 일정한 측방향 넓이(W)를 갖는 중첩된 웨이브 빔(IWB)을 형성하도록 결합된 구성 웨이브 빔, 예를 들어, 이러한 예에서, 3개의 구성 웨이브 빔(B10, B11, B12)의 특성을 선택하도록 동작하는 기능을 갖고 있다.
본 발명의 범위에서, 용어 "측방향 넓이" 및 전자 빔의 "범위"는 웨이브 빔의 진폭 또는 (진폭 제곱에 비례하는) 강도가 단위 면적당 특정 임계 강도 또는 전력 보다 크거나 동일한 희망의 폭 및 길이를 나타낸다. 용어 측방향 넓이는 타원혀 또는 기본적으로 직방형 또는 심지어 불규칙 형상의 단면을 갖는 비대칭 웨이브 빔은 물론, 폭 또는 직경을 갖는 원형 대칭 웨이브 빔을 서술하는, 웨이브 빔의 측방향 치수의 보다 일반적인 서술로서 사용되었다.
이를 위해, 상이한 발산을 갖는 (서로 적어도 부분 비간섭성을 갖는) 복수의 웨이브 빔(본 예에서 적어도 2개의 웨이브 빔(B10 내지 B12))이 중첩되어 동작 범위(R)에서 희망의 측방향 넓이(W)를 갖는 결합된 웨이브 빔(IWB)을 생성한다. 구성 웨이브 빔(B10-B12)이 서로 비간섭적인 예에서, 임의의 위치에서의 결합된 웨이브 빔(IWB)의 강도는 구성 웨이브 빔의 강도의 산술적 합이지만, 부분 간섭성의 예에서, 임의의 위치에서의 결합된 웨이브 빔(IWB)의 강도는 구성 웨이브 빔의 강도의 합의 일부이다. 그럼에도 불구하고, 부분 비간섭성 빔은 (강도가 보다 중대한) 결합된 빔(IWB)의 에지 근방의, 결합된 웨이브 빔(IWB)의 중심에 가까운 전체 강도를 감소시키고, 부분 간섭성은 구성 빔의 상이한 발산 덕분에 감소한다(즉 결합된 강도는 비간섭성 경우의 강도에 가까워진다).
본 예에서, 웨이브 빔 발생기(110)는 전파 지향 및 포커싱 모듈(110.2)(예를 들어, 광학 장치)에 의해 상이한 발산 및 가능하다면 상이한 강도를 갖는, 3개의 구성 웨이브 빔(B10, B11, B12)으로 조종되는 소스 웨이브 빔(110.1)을 포함하고 있다. 웨이브 빔(B10, B11, B12)은 웨이브 빔의 동일한 강도(단위 면적당 전력)를 나타내는 각각의 윤곽(예를 들어, 특정 사전결정된 강도 임계값과 연관된 윤곽)에 의해 도면에 묘사되어 있다. 도 1의 파선에 의해 도시된 결합된 웨이브 빔(IWB)의 동일한 강도 윤곽은 특정 동작 범위(R)에서, 결합 웨이브 빔의 측방향 넓이(W)에 대한 설계 값을 대략 충족시키는 조명 익스텐트에 영향을 준다.
웨이브 빔(B10, B11, B12)의 각각의 발산은 렌즈, 미러 또는 회절 격자와 같은 상이한 포커싱 파워를 갖는 전파 소자에 의해 규정되고 및/또는 제어될 수 있다. 웨이브 빔(B10, B11, B12)의 강도는 적절한 빔 스플리터에 의해 제어될 수 있다. 본 발명에 다른 웨이브 빔 발생기(110)의 다양한 실시예가 도 5a 내지 도 5i를 참조하여 아래에 보다 상세하게 기술되어 있다. 옵션으로, 본 발명의 일부 실시예에서, 전파 발생 제어기(120)는 웨이브 빔 발생기(110)에 접속되어 있고, 전자 빔 발생기(110)를 동작시키도록 구성되고 동작가능하여서 구성 웨이브 빔(예를 들어, B10 - B12)의 발산 사이의 희망/적절한 차이를 생성한다. 전파 발생 제어기(120)는 웨이브 빔 발생기(110)에 의해 발생될 수 있는 다양한 웨이브 빔 및 그 조합의 특성을 나타내는 정보(예를 들어, 메모리에 저장된 룩업 테이블, LUT의 형태)에 의해 촉진될 수 있다. 전파 발생 제어기(120)는 결합 빔에 의해 커버되는 희망의 영역(예를 들어, 거의 일정한 폭(W) 및 범위(R))를 나타내는 명령어를 수신하고, 적절한 웨이브 빔(IWB)를 발생시키기 위한 가장 적절한 웨이브 빔 구성요소를 선택하고, 이러한 웨이브 빔 구성요소를 동시에 발생시키기 위한 웨이브 빔 발생기(110)를 동작시키도록 구성될 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따라 희망의 범위(R)에서 일정한 측방향 넓이(W)를 갖는 웨이브 빔을 발생시키기 위한 기술의 기초가 되는 개념을 설명한다. 이상화된 설계 목표: 비교적은 작은 소스 개구(AP)로부터 나오거나 방출되고 확장된 후 희망의 작동 범위(R)에 희망의 측방향 넓이(W)를 얻는 웨이브 빔(IWB)의 발생, 소스 개구(AP)로부터 특정 거리에 위치된 시점/평면(IP)로부터 종점/평면(EP)로의 이러한 범위(R)에서 특정 설계 단면 측방향 넓이(W)의 유지가 도 2a에 그래프로 도시되어 있다.
표준(가우시안) 웨이브 빔의 전형적인 발산 프로필이 도 2b에 그래프로 도시되어 있다. 이러한 도면에서, 전파 소자(2)에 의해 초점에 맞추어진 가우시안 소스 빔(B11), 또는 가우시안 빔은 개구(AP)에서 허리를 이루어 특정 발산을 갖는 웨이브 빔(B11)을 얻을 수 있다. 이를 위해, (희망의 측방향 넓이(W) 보다 작은) 작은 출구/전파 방출 개구에서 시작하면, 거의 일정한 측방향 넓이(W)를 갖는 도 2a에 도시된 이상적인 웨이브 빔 형상은 발생될 수 없거나 심지어 표준(가우시안) 웨이브 빔에 의해 가까워질 수도 없다. 빔의 발산을 변경하기 위해 전파 소자(2)를 조정하면 동작 범위(R)의 작은 부분에서만 희망의 측방향 넓이를 발생시킬 수 있고 보다 가깝고 및/또는 보다 먼 다른 영역은 보다 좁거나 보다 넓은 빔에 의해 조사될 것이다.
희망의 일정한 측방향 넓이 웨이브 빔을 달성하기 위해, 본 발명의 특징에 따른 도 2c에서, 웨이브 빔 발생기(10)는 상이한 발산을 갖는 복수의 웨이브 빔(적어도 2개의 웨이브 빔)(예를 들어, 상이한 위치/개구(AP10, AP11)에 각각 초점 맞추어지는) 웨이브 빔(B10) 및 웨이브 빔(B11)을 발생시키고 이러한 복수의 웨이브 빔은 일부 또는 완전히 비간섭적인 방식으로 중첩된다. 이것은 이상적인 일정한 측방향 넓이를 희망의 동작 범위(R)에 근사화하는 결합 웨이브 빔(IWB)을 생성한다. 이러한 결합 웨이브 빔은 대부분의 희망의 동작 범위에서 특정 설계 측방향 넓이(W)를 근사화한다. 희망의 동작 범위(R)에서 희망의 일정한 측방향 넓이(W)를 갖는 결합 빔(IWB)을 형성하기 위해, 구성 빔(B1, B11)의 발산 사이의 적절한 차이 및, 옵션으로 이들의 강도와 이들의 관련 간섭성 사이의 차이가 선택된다. 실제로, 본 발명의 일부 실시예에서, 결합 빔(IWB)의 측방향 넓이(W) 및/또는 그 측방향 넓이가 일정하고 희망의 값(W)에 일치하는 범위(R)은 적어도 하나의 구성 빔(예를 들어, B10 및/또는 B11)의 발산 및/또는 옵션으로 강도를 제어/변경함으로써 조정가능하다.
상술된 웨이브 빔은 (광 빔과 같은) 전자기 방사선 빔, 무선 주파수(RF 또는 마이크로파), 음파 발사 빔일 수 있다.
이제, 희망의 범우에서 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 웨이브 빔을 발생시키기 위한 본 발명의 기술의 예를 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 설명할 것이다. 보다 구체적으로, 도 3a 내지 도 3c는 실질상 가우시안 강도/단면 및 상이한 발산을 갖는 소스로부터 나온 가우스 웨이브 빔인 3개의 구성 웨이브 빔(B10-B12)의 강도 분포의 양적 시뮬레이션의 도면(P10, P11, P12)이다. 도 3d는 그래프(P10, P11, P12)에 도시된, 구성 웨이브 빔(B10-B12)의 비간섭성 중첩에 의해 형성된 결합 웨이브 빔(IWB)의 양적 시뮬레이션을 도시하는 도면(PCOMB)을 도시하고 있다. 웨이브 빔(B10-B12) 및 최종 IWB는 빔의 소스, 웨이브 빔 발생기(110)에 대한 거리 및 측방향 오프셋의 함수로서 웨이브 빔(B10-B12) 및 최종 IWB의 강도에 의해 이러한 도면에 나타나 있다. 도면은 빔의 전파축(OX) 위에 빔의 절반을 도시하고 도시하고 흑백 코드화되어 있다. 본 예에서, 도 3a에 도시된 웨이브 빔(B10)은 95 mrad의 발산각과 260W의 전체 전력으로 형성된 가우스 빔이다. 도 3b에 도시된 웨이브 빔(B11)은 31 mrad의 발산각과 220W의 전체 전력을 가진 가우스 빔이다. 도 3c에 도시된 웨이브 빔(B12)은 11 mrad의 발산각 및 220W의 전체 전력을 가진 가우스 빔이다. 각 빔의 폭을 규정하는 강도 임계값은 0.1 W/m2로 설정되어 있고, TRSH로 표시된 경계선으로 각 그래프에 마크되어 있다. 95 mrad 빔(B10)은 대략 200 내지 600m의 범위에서 12m의 희망의 빔 측방향 넓이를 달성하고(도 3a); 31 mrad 빔(B11)은 대략 800 내지 1,400m의 경우에서 12m의 희망의 빔 측방향 넓이를 달성하지만(도 3b), 11 mrad 빔(B12)은 대략 1,900m 내지 4,000m의 범위에서 이러한 타겟 측방향 넓이(W)를 달성한다. 95 mrad, 31 mrad 및 11 mrad 빔의 비간섭성 중첩에 의해 얻어진 결합 웨이브 빔(IWB)은 대략, 전체 범위(예를 들어, 도 3d에 도시된 바와 같이, 200 내지 4,000m)에서 희망의 빔 측방향 넓이(W)를 유지한다.
따라서, 도 3d의 도면은 상이한 발산의 발산 빔의 비간섭성 중첩의 사용이 규정된 동작 범위(R)에서 대략 고정된 측방향 넓이(W)를 갖는 결합 질문 웨이브 빔을 발생시키도록 본 발명에 따라 사용될 수 있다는 것을 증명한다. 다수의 빔(즉, B10-B12)의 중첩은 예측되지 않는 결과를 산출하여서, 고정된 측방향 넓이(W)는 빔의 소스의 개구(빔이 발산하는 소스의 (마지막) 웨이브 요소의 개구) 보다 실질상 넓을 수 있다. 구체적으로, 이러한 예에서, 약 12 미터의 희망의 측방향 넓이(W)는 수 밀리미터의 반경의 출력 포트/개구를 갖는 빔 소스를 사용하여 달성된다. 결합 웨이브 빔의 사용을 구성 빔의 후속 사용 보다 탁월하게 하는 다른 예기치 못한 결과는, 구성 빔의 후속 투사에 의해 달성가능한 것과 비교하여 결합 빔에 의해 얻어질 수 있는, (측방향 넓이(W)를 갖는) 확장되고 틈이 없는 범위 R의 적용범위이다. 사실, 이러한 예에서, 95 mrad 빔이 보다 짧은 범위(200-600m)에서 희망의 측방향 넓이를 규정하고 31 mrad 빔이 중간 범위(800-1,400m)에서 희망의 측방향 넓이를 규정한다면, 11 mrad 빔은 보다 큰 범위(19,00-4,000m)에서의 폭을 규정하고, 2개의 갭, 즉, 유효 측방향 넓이가 희망의 측방향 넓이(W) 보다 훨씬 더 작은, 660과 800m 사이 그리고 1,400과 1,900m 사이의 2개의 갭이 남게 될 것이다. 3개의 빔의 비간섭성 중첩은 이러한 갭이 제거되는 결합 빔을 산출하고, 희망의 측방향 넓이(W)는 대략 전체 동작 범위(R)에서 유지된다.
도 3a 내지 도 3d의 예에 설명된 개념은 다수의 방식으로 확장될 수 있다. 동작 범위(R)의 넓이는 확장/감소될 수 있고, 희망의 측방향 폭(W)으로부터 결합 빔(IWB)의 실제 측방향 넓이의 최대 편차는 예를 들어, 추가 구성 빔을 도입함으로써 감소될 수 있다. 2, 3 및 4개의 구성 빔을 갖는 결합 빔은 이러한 향상을 확인하기 위해 본 발명자에 의해 성공적으로 시뮬레이팅되었다.
본 발명의 일부 실시예에서, 도 1에 도시된 웨이브 발생 제어기(120)는 결합 빔의 측방향 넓이(W) 및/또는 측방향 넓이가 실질상 고정된 범위(R)를 조정하기 위해 구성되고 동작가능할 수 있다. 웨이브 발생 제어기(120)는 희망의 범위(R) 및 측방향 넓이(W)를 제공하기 위해, 웨이브 빔 발생기(110)에 의해 발생된/방출된 구성 빔의 수 및/또는 적어도 하나의 구섬 빔의 특성(즉, 강도 및/또는 발산)을 제어하기 위해 구성되고 동작가능할 수 있다.
예를 들어, 도 3e는 도 3a 내지 도 3c에 도시된 구성 웨이브 빔(B10 내지 B12)의 3개의 상이한 조합을 사용하여 웨이브 빔 발생기(110)에 의해 형성된 3개의 웨이브 빔(IWB1, IWB2, IWB3)의 3개의 강도 도면을 도시하고 있다. 도 3a 내지 도 3d와 마찬가지로, 이러한 도면은 흑백 코드화되어 웨이브 빔 발생기(110)에 대해 거리 및 측방향 오프셋의 함수로서 빔의 강도를 나타내고 상기 빔의 전파축 OX 위에 위치된 빔의 절반만을 제공한다. 각 빔의 폭을 규정하는 강도 임계값은 0.1 W/m2으로 설정되어 있고, TRSH로 표시된 라인으로 각 도면에 마크되어 있다. 웨이브 빔(IWB1)은 2개의 구성 웨이브 빔(B10, B110의 중첩이다. IWB1은 각 웨이브 빔이 상술된 바와 같이 독립적으로 사용될 때 예측되는 갭 없이 범위 200 내지 1,600m에서 반경 12m의 설계 측방향 넓이(W)를 달성한다. 또한, 결합 빔(IWB1)을 형성하기 위해 2개의 중첩된 웨이브 빔(B10, B11)을 사용하면, 구성 웨이브 빔(B10, B11)의 각각을 별개로 사용할 때 측방향 넓이가 달성되는 범위와 비교하여 측방향 넓이(W)가 달성되는 IWB1 빔의 최대 범위를 확장할 수 dT다 이러한 경우에, 1,600m의 최대 범위가 단일 빔을 갖는 1,400m의 최대 범위(도 3b 참조)와 비교하여 얻어진다. 마찬가지로, IWB2는 구성 웨이브 빔(B11, B12)의 중첩에 의해 형성되고, 구성 웨이브(B11, B12)이 순차로(즉, 동시가 아님) 사용되는 경우에 일어나는 바와 같이, 범위 1,400-1,900m에서 임의의 갭 없이 1,400m 내지 4,000m의 범위에서 제2 희망의 측방향 넓이를 제공한다. 도면(IWB3)은 빔(B10 내지 B12)의 중첩에 의해 형성되어 있고 본질상 도 3d에 도시된 도면과 유사하다.
상술된 바와 같이, 결합 웨이브 빔의 측방향 넓이는 결합 웨이브 빔의 진폭 또는 강도가 TRSH에 의해 도 3e에서 마크된 특정 공칭 진폭 또는 강도 임계값(또한 여기 아래에서 검출 임계값으로 부른다) 이상인 빔의 단면 폭으로서 여겨진다. 그럼에도 불구하고, 큰 수의 구성 빔을 비간섭성 결합한다고 해도, 동작 범위(R) 동안 정밀하게 일정한 측방향 넓이(W)를 갖는 결합 빔을 발생시키는 것은 비현실적일 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이를 위해, 용어 일정한 측방향 넓이(W)는 2개의 추가 최소 및 최대 강도/진폭 임계값(즉, 검출 임계 허용오차; 예를 들어, 도 3e의 TR1 및 TR2)과 관련하여 고려되어야 하고, 전체 범위(R)를 따라, 빔의 전파 축(OX)로부터 희망의 공칭 측방향 넓이(W)의 거리에서, 빔의 강도/진폭이 각각 특정 사전결정된 검출 임계 허용오차(TR1, TR2) 위아래에 있는 경우에 희망 범위에서 빔이 일정한 측방향 넓이(W)를 갖도록 해석되어야 한다. 실제, 허용오차(TR1, TR2)는 검출 임계값의 허용오차는 물론 구성 웨이브 빔 파라미터(발산 및 강도)의 허용오차에 의존하고, 공칭 검출 임계값(TRSH)의 ±10과 30% 사이의 허용오차는 실제 달성가능하다.
본 발명에 따라 구성된 웨이브 빔 발생기(방출기)(110)의 일부 예를 도 4a 및도 4b를 참조하여 이제 설명할 것이다. 웨이브 빔 발생기(110)는 상술된 B10 내지 B12와 같은 2개 이상의 구성 웨이브 빔을 방출할 수 있고, 규정된 범위(R)에서 희망의 측방향 넓이(W)를 갖는 적어도 일부 비간섭적으로 결합된 빔을 생성하도록 사용되거나 사전 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 웨이브 빔 발생기(방출기)(110)는 결합 빔(IWB)의 최종 일정 측방향 넓이(W) 및 범위(R)를 제어하기 위해 웨이브 빔 발생기(방출기)(110)를 동작시킬 수 있는 웨이브 발생 제어기(120)에 접속가능할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 웨이브 빔 발생기(110)의 실시예의 2개의 패밀리를 도시하고 있다. 도 4a에 도시된 제1 패밀리의 실시예에서, 웨이브 빔 발생기(110)는 상이한 발산을 갖는 다수의(2개 이상의) 동축(즉, 공통 축을 따라 전파한다) 구성 웨이브 빔(B10, B11)을 방출하도록 구성되어 있다. 도 4b에 도시된 제2 패밀리의 실시예에서, 웨이브 빔 발생기(110)는 복수의 구성 웨이브 빔(B10, B11)을 방출하도록 구성되어 있는데, 구성 웨이브 빔(B10, B11)의 적어도 일부는 상이한 전파축을 따라 전파하지만(즉, 동축 빔이 아니다), 상이한 평행 전파축(예를 들어, OX1 및 OX2)을 따라 진행하도록 측방향으로 분포되어 있다. 이러한 실시예는 상이한 전파 축 사이의 가장 먼 간격이 희망의 결합된 웨이브 빔(질문 웨이브 빔)(IWB)의 측방향 넓이(W) 보다 상당히 작도록 구성되는 것이 바람직하다. 오직 2개의 구성 웨이브 빔이 이러한 도면에 도시되어 있지만 2개 보다 많은 구성 웨이브 빔이 사용될 수 있고 최종 일정-폭(W)이 출력 웨이브 빔 구성부의 수가 증가함에 따라 보다 잘 근사화될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
웨이브 빔 발생기(110)는 하나 이상의 주요 웨이브 빔 및 하나의 빔 소스를 방출하는 하나 이상의 웨이브 빔 소스/입력 포트(110.1), 및 이러한 입력 포트에 결합되어 있고 하나 이상의 출력 포트를 갖는 웨이브 안내 모듈(110.2)을 포함하고 있다. 이러한 웨이브-지향 및 포커싱 모듈은 입력 포트에 들어가는 적어도 하나의 입력된 주요 웨이브 빔, 출력 포트를 나오고 거의 평행한 전파축을 따라 전파하는 상이한 발산을 갖는 복수의 적어도 일부 비간섭성 구성 웨이브 빔을 생성하도록 입력 포트와 하나 이상의 출력 포트 사이에 상이한 포커싱 파워의 복수의 경로를 규정하도록 배치된 하나 이상의 웨이브-영향 소자(예를 들어, 모듈레이터/편향기/집중기와 같은 광학, 또는 RF, 또는 음향 소자)의 구성을 포함한다.
예를 들어, 빔이 광학성을 갖는 경우에, 웨이브-지향 및 포커싱 모듈(110.2)은 상이한 초점(f1 및 f2, 각각)으로 이러한 주요 빔의 구성 웨이브 빔(B10, B11)의 초점을 맞추어 상이한 발산을 산출하는 광학 장치일 수 있다. 이해를 위해, 다음의 설명에서, 웨이브 안내 모듈(110.2)은 또한 광학 장치 및 광 빔과 같은 웨이브 빔로 부를 수 있다. 그러나, 이러한 특정 용어는 단지 편의를 위한 것이고 일반적으로 임의의 적절한 타입의 웨이브(예를 들어, RF와 같은 일반적인 EM 빔, 및/또는 음향 빔)과 관련된 것으로 생각해야 한다. 또한, 특정 광학 소자 및 이들의 기능과 관련된 용어가 다음에 기술되어 있지만, 이러한 용어는 일반적으로 유사한 기능을 갖는 음향 또는 일반적인 전자기파 영역(예를 들어, RF)에서 등가의 소자를 염두에 두고 적용가능하다는 것을 이해해야 한다.
또한, 웨이브-지향 및 포커싱 모듈(110.2)은 (예를 들어, 단일 빔 소스/포트(110.1)로부터의) 단일/주요 웨이브 빔을 (예를 들어, 상이한 거리에 포커싱된) 상이한 발산을 갖는 다수의 구성 웨이브 빔(B10, B11)으로 분할할 수 있다. 대안으로, 복수의 광원/포트(110.1)는 일부가 희망의 발산을 갖도록 조정/포커싱될 수 있는(따라서 구성 웨이브 빔(B10, B11)을 생성할 수 있는) 복수의 주요 웨이브 빔을 제공할 수 있다. 본 발명의 일부 변형에서, 웨이브 빔은 (레이저, 안테나, 웨이브/광 가이드 음향 트랜스듀서등과 같은) 복수의 웨이브 빔 소스/포트에 의해 생성/방출된다. 대안으로 또는 추가로, 적어도 하나의 소스/포트가 상이한 발산을 갖는 적어도 2개의 구성 웨이브 빔을 발생시키는데 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 다수의 소스/포트로부터의 웨이브 빔은 (예르 들어, 도 4a에 예시된 바와 같이) 희망의 동작 범위(R) 동안 거의 일정한 측방향 넓이(W)를 갖는 결합 웨이브 빔(IWB)를 형성하도록 복수의 구성 웨이브 빔(예를 들어, B10, B11)이 공통 일반 전파축을 따라 전파하도록 (예를 들어, 빔 스플리터/컴바이너의 적절한 구성을 사용하여) 공간적으로 동축 결합될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 하나/단일 소스/포트 또는 다수의 소스/포트로부터의 주요 웨이브 빔은 구성 웨이브 빔(예를 들어, B10, B11)이 상이한 행 축을 따라 전파하도록 (예를 들어, 빔 스플리터/컴바이너의 적절한 구성을 사용하여) 공간적으로 분할될 수 있다. 이것은 웨이브 빔의 단일 소스/포트를 상이한 구성부로 분할하거나, 별개의 독립 소스/포트를 사용하거나, 상기 기술의 결합에 의해 달성될 수 있다. 웨이브-지향 및 포커싱 모듈(110.2)은 가장 먼 구성 웨이브 빔(예를 들어, B10, B11)의 2개의 전파축 사이의 거리, 또는 임의의 2개의 구성 웨이브 빔의 전파축 사이의 평균 거리가 (수 미터 또는 심지어 수십 미터에서 확장할 수 있는) 최종 결합 웨이브 빔(IWB)의 측방향 넓이(W)와 비교할 때 (예를 들어, 수 밀리미터 또는 심지어 1밀리미터 아래의 간격 정도로) 상당히 작도록 유지되어 구성 빔의 측방향 분포의 효과가 무시가능하도록 소스 빔을 측방향으로 분포시키기 위해 구성되어 있다.
웨이브 빔 발생기(110)는 실제 웨이브 빔 발생 소스를 포함하거나 포함하지 않을 수 있고 빔 소스(110.1)는 웨이브 빔의 실제 소스에 (광학적으로/음향적으로 또는 다른 방식으로) 접속된 포트 또는 웨이브 빔의 실제 발생기/방출기일 수 있다는 것을 이해해야 한다. 소스/포트(110.1)는 순차 웨이브(CW) 빔 및/또는 펄싱 빔인 주요 빔을 방출하도록 구성될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 웨이브-지향 및 포커싱 모듈(110.2)은 CW 빔 신호를 펄스로 전환하도록 동작가능한 제어가능한 모듈레이터 또는 셔터(예를 들어, 기계 또는 전기 광학부)를 포함할 수 있다.
이러한 구성 웨이브 빔은 상이한 강도 및/또는 상이한 파장 및/또는 편향을 가질 수 있고, 펄싱/CW 빔일 수 있다. 이것은 적절한 빔 소스/포트(110.1) 및/또는, 빔 스플리터/컴바이너(예를 들어, 다이코우틱 미러), 감쇠/필터링 소자 및/또는 모듈레이터 및/또는 스위치 및/또는 개구 및/또는 셔터의 하나 이상의 모듈의 적절한 배치를 포함하는 웨이브-지향 및 포커싱 모듈(110.2)의 적절한 구성을 사용하여 달성될 수 있다. 이러한 모듈은 사전 규정된 동작으로 구성될 수 있거나 제어가능할 수 있다. 보다 구체적으로, 일부 실시예에서, 구성 웨이브 빔의 강도 및 가능하게는 이들의 파장 및/또는 편향 및/또는 펄스 반복율/시퀀스에 대한 제어는 웨이브-지향 및 포커싱 모듈(110.2)의 이러한 전기 광학부 또는 전기-기계 모듈/소자를 사용하여 달성된다.
예를 들어, 구성 웨이브 빔의 강도의 제어는 연관된 웨이브 빔 소스(110.1)의 동작 특성(예를 들어, 파워)을 제어함으로써(예를 들어, 공급 전압을 변경함으로써) 및/또는 웨이브-지향 및 포커싱 모듈(110.2)의 제어가능한 모듈/소자(예를 들어, 광학/전기 광학 소자)의 적절한 동작을 사용함으로써 달성될 수 있다. 단일 소스 빔이 사용되고 상이한 구성 웨이브 빔으로 분할되는 경우에, 광학 전기 배치 및/또는 광학 스위치 배치가 구성 웨이브 빔의 강도를 독립적으로 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 웨이브-지향 및 포커싱 모듈(110.2)은 전계, 전압 또는 전류의 인가에 의해 투과 정도/레벨이 젱될 수 있는 하나 이상의 전기 광학 빔 스플리터를 포함하고 있다(예를 들어, 비선형 크리스탈을 포함하고 있다). 이로 인해 구성 빔의 상대 강도를 제어할 수 있다.
상술된 바와 같이, 일부 경우에, 구성 빔이 발산을 조정하기 위해 상이한 초점으로 포커싱된다. 이를 위해, 웨이브 안내 모듈(110.2)은 이것은 빔의 타입에 따라 광학, RF, 음향 또는 다른 타입의 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 웨이브 빔에 대해, 광출력을 갖는 렌즈 및/또는 미러(일반적으로 빔 편향기)가 사용될 수 있다. 이러한 포커싱 소자/모듈은 고출력 집중을 피하기 위해(예를 들어, 높은 웨이브 빔 강도에 의한 "실제" 포커스에서의 대기 매체 분자의 브레이크다운을 피하기 위해) 양의 포커싱/광출력(즉, 실제 초점과 연관된) 또는 유효 음의 광출력(가상 초점)을 가질 수 있다. 포커싱 소자/모듈은 고정되거나 가변 광출력을 가질 수 있고 옵션으로 조정가능하여 구성 빔의 발산을 제어할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 웨이브 빔 발생기(110)는 또한 하나 이상의 구성 웨이브 빔의 파장을 변경하도록 구성되어 있다. 이를 위해, 일부 변형에서, 웨이브 안내 모듈(110.2)은 하나 이상의 구성 웨이브 빔의 광로에 하나 이상의 대역통과 필터를 포함하고 있다. 다른 변형에서, 상이한 파장의 빔을 방출하는 상이한 소스/포트(110.1)가 사용되고 및/또는 제어가능한 파장의 하나 이상의 소스가 사용되어 웨이브 빔을 방출한다. 예를 들어, 사용될 수 있는 광학 방사를 위한 적절한 파장 제어가능한 웨이브 빔 소스(110.1)는 빅셀(vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL))이다.
따라서, 일부 실시예에서, 하나 이상의 구성 웨이브 빔(예를 들어, B10, B11)의 강도 및/또는 발산은 제어되고 변할 수 있다. 이로 인해 결합 빔(IWB)의 측방향 넓이 및/또는 이러한 측방향 넓이가 일정한 범위(R)을 조정할 수 있다. 일부 실시예에서, 출력 결합 빔(IWB)에서 얻어지는 희망의 측방향 넓이(W) 및 범위(R)에 따라 구성 웨이브 빔의 강도 및/또는 발산을 제어하도록 웨이브 빔 소스(110.1) 및/또는 웨이브-지향 및 포커싱 모듈(110.2)에 웨이브 발생 제어기(120)가 접속될 수 있다. 이러한 목표를 달성하기 위해, 웨이브 발생 제어기(120)는 컴퓨터화된 제어기 또는 전자 제어기로서 구성될 수 있다. 웨이브 발생 제어기(120)는 각각 측방향 넓이(W) 및 범위(R)의 사전 규정된 값(예를 들어, 룩업 테이블의 메모리에 저장되어 있다)과 연관된 사전구성된 동작 세트로부터 웨이브 빔 발생기(110)에 대한 동작의 적절한 상태를 선택하도록 구성될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 웨이브 빔 발생기(110)는 빔 소스(110.1) 및 웨이브-지향 및 포커싱 모듈(110.2)의 특성/구성에 기초하여 희망의 측방향 넓이(W) 및 범위(R)를 근사화하기 위한 적절한 조합의 동작 파라미터를 알아내기 위해 임의의 적절한 웨이브/레이 추적 알고리즘 및 회절/간섭 분석 알고리즘을 사용할 수 있다. 빔 사이의 상대 간섭을 제어하기 위해, 웨이브 발생 제어기(120)는 빔의 파장, 광경로 길이 및/또는 타이밍 및/또는 편향중 적어도 하나를 제어하도록 구성될 수 있다. 이것은 또한 메모리에 저장된 사전결정된 데이터를 사용함으로써 또는 실시간 처리를 통해 달성될 수 있다.
이제, 결합 빔이 희망의 범위(R)에서 희망의 일정한 측방향 넓이(W)를 근사화시키도록 구성 빔의 수, 이들의 발산 및 강도가 선택되기 위해 상이한 발산 및 옵션으로 상이한 강도를 갖는 다수의 구성 웨이브 빔의 비간섭성 중첩, 또는 일부 경우에 적어도 일부 비간섭하는 중첩을 제공하는 웨이브 빔 발생기(110)의 다수의 상이한 실시예의 블록도를 도시하는 도 5a 내지 도 5i에 대해 설명한다. 일부 경우에, 일정한 측방향 넓이(W) 및 동작 범위(R)은 사전규정되어 있지만 다른 경우에 이들은 웨이브 빔 발생기(110)의 동작 특성을 변경함으로써 제어될 수 있다. 도 5a 내지 도 5f는 구성 웨이브 빔이 동축으로 (동일한 전파축을 따라) 진행하는 예를 도시하고 있고, 도 5g 내지 도 5i는 구성 웨이브 빔이 측방향으로 분포되는 (서로 평행한 전파축을 따라 진행하는) 예를 도시하고 있다.
일부 예(도 5a-도 5c)에서, 오직 2개의 구성 웨이브 빔(예를 들어, B10, B11)이 발생되고 비간섭 결합되어, 일부 적용에 적절한 임계값(예를 들어, 검출 임계값) 안에 충분히 가까우면서 동작 범위(R)에서 희망의 측방향 넓이를 대략 근사화하는 결합 빔(IWB)을 발생한다. 그러나, 일부 예(도 5d-도 5i)에서, 희망의 일정한 측방향 넓이(W)는 2개 보다 많은 웨이브 빔 구성 요소의 결합을 사용하여 보다 가깝게 근사화된다.
3개 이상의 구성 웨이브 빔이 결합되는 경우에, 추가 경우가 결합 웨이브 빔 구성 요소가 서로 적어도 부분 비간섭성을 확실히 갖도록 취해진다. 이와 관련하여, 2-구성 요소의 경우에, 2개의 구성 웨이브 빔의 비간섭성 결합은 빔의 직교 편팡 의존할 수 있다. 그러나, 보다 큰 수의 구성 웨이브 빔을 갖는 경우에, 중첩된 웨이블 빔 사이의 상대 비간섭성을 확보하도록 추가 대책이 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 대책은 간섭 길이를 벗어난 상이한 구성 웨이브 빔의 광로 사이의 차이를 생성하는 단계, 또는 잠재적인 간섭 패턴을 평균화하기 위해 구성 웨이브 빔의 일부에 진동(위상 노이즈)를 도입하는 단계, 또는 가능하다면, 상이한 구성 웨이브 빔에 대해 상이한 파장을 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 옵션으로, 구성 웨이브 빔 사이의 간섭성은 구성 웨이브 빔의 일부의 비교적 넓은 라인/스펙트럼 폭을 사용함으로써 감소될 수 있다. 또한 추가로, 여전히 빔이 검출될 검출 모듈에 빔이 동시에 나타나도록 유지하면서 빔의 시간 간격에 의해 달서오딜 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, (예를 들어, 동일한 파장 편향 및 상대 위상의) 2개 이상의 간섭성 구성 빔이 상이한 시간 슬롯에서 펄싱되는 경우에, 빔을 검출하는 검출기의 질문 시간에 보다 짧거나 동일한 시간 프레임에 빔의 펄스가 검출기에 의해 감지되기만 한다면 검출기에 동시에 나타나면서도 서로 간섭하지 않는다. 이러한 경우에, 빔이 엄밀히 말하면 간섭성을 갖고 있지만, 검출 모듈에 의해 비간섭성 동시 빔으로서 인식되고, 이런 의미에서 본원에 의해 비간섭성/일부 비간섭성 동시 빔으로서 간주된다. 즉, 적어도 일부 비간섭성 및 동시 구성 웨이브 빔의 중첩에 의한 결합 웨이브 빔(IWB)의 형성에 관한 용어 또는 구는 지정된 검출 모듈에 의한 결합 웨이브 빔(IWB)의 인식을 염두에 두고 이해되어야 한다.
따라서, 구성 웨이브 빔의 비간섭성 중첩은 검출 배치부의 시간 응답이 펄스에 일치한다는 가정하에, 모든 구성 웨이브 빔이 동시에 펄싱되는 펄싱 광에 의해 달성될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 일부 실시예에서, 구성 웨이브 빔의 비간섭성 중첩은 또한 임계값 지정된 검출기의 응답 시간(질문 시간)에 있는 상이한 시간 슬롯에서 펄싱 구성 웨이브 빔을 순차로 방출함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 검출기의 응답/질문 시간 보다 짧은 펄스 사이의 시간 지연을 갖고 방출되는 2개의 펄싱 구성 웨이브 빔은 검출기에 의해 인식되고 함께 통합될 것이다. 결합 강도가 특정 강도 임계값 위에 있는 영역에 결합 웨이브 빔(IWB)의 측방향 넓이가 기초함에 따라, 빔/펄스가 감지되고 함께 통합되는 한, 동시에 나타나고 검출기에 간섭성을 보이지 않고(일반적으로, 통합 시간 동안, 검출기는 도달하는 모든 웨이브의 강도를 측정하고/통합한다) 통합 시간 동안 강도의 합을 나타내는 신호를 출력한다. 따라서, 일부 실시예에서, 구성 웨이브 빔은 간헐적으로 방출되고(예를 들어, 임의의 2개의 간섭성 빔의 펄스가 시간상 격리되도록), 검출기에 의해 측정된 강도는 동시에 방출된 비간섭성 구성 웨이브 빔의 강도의 간섭성 합과 동일하다. 이와 관련하여, 본 발명의 일부 실시예에서, 동시 중첩을 위한 필요조건은 상이한 구성 웨이브 빔의 펄싱 조사가 강도 임계값 검출기의 응답 시간 내에 모든 구성 웨이브 빔을 통해 순환될 것을 요청하도록 완화될 수 있다. 이러한 방식을 사용하여, 구성 웨이브 빔의 웨이브 특성은 이러한 웨이브 빔의 비간섭성 및 동시 인식이 검출기의 통합 시간에 상대적인 시간 이격에 의해 얻어지면서 조정될 수 없다.
본 발명의 일부 실시예에서, 구성 웨이브 빔 사이의 부분 비간섭성이 충분할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 적어도 부분적인 간섭성이 예를 들어, 직교하지 않는 상이한 편향을 갖고 및/또는 간섭성 길이 보다 큰 정도의 빔의 경로 길이차를 사용하고 및/또는 다소 상이한 파장을 사용하는 웨이브 빔에 의해 및/또는 일부 경우에 일부 시간상 중첩될 수 있는 구성 웨이블 빔(이들의 펄스는 상술된 바와 같다)의 시간차 발생에 의해 달성될 수 있다.
예를 들어, 각각 상이한 편향 상태에 의해 구성된 4개의 구성 웨이브 빔을 생각해보자. 4개의 웨이브 빔중에, 2개는 직교 선형 편파이고 2개는 직교 원형 편파이다. 이들 쌍, 2개의 선형 및 2개의 원형의 쌍 각각은 서로 완전히 비간섭한다. 따라서, 2개의 선형 편향되거나 2개의 원형 편향된 빔의 중첩은 완전히 비간섭한다. 이것은 본 발명의 일부 실시예에서 나타난, 선형 및 원형 편파의 중첩에 대한 부분 간섭성이 특정 적용에 대해, 설계 범위에서 고정된 측방향 넓이를 갖는 결합 웨이브 빔이 형성되기에 충분하다는 것을 보여준다. 상이한, 비직교 편파 상태를 갖는 2개의 구성 웨이브 빔을 생각해보자. 2개의 하나는 선형으로 다른 하나는 원형으로 편향된 빔 사이의 간섭은 광축 근방에서 그리고 이러한 광축으로부터의 임의의 거리에서 별개로 생각할 수 있다. 전파 축의 근방에서, 2개의 웨이브 빔 사이의 상대 위상의 측방향 편차는 작고, 비교적 큰 주변부가 비간섭성 패턴으로 형성되어 있다. 그럼에도 불구하고, 비간섭성 패턴의 가시성은 제한되어 있어서, 패턴은 완전히 어두은 영역을 갖고 있지 않다. 구체적으로, 선형 및 원형 편파의 간섭에서의 잔류 강도는 2개의 빔의 비간섭성 중첩의 1/√2를 항상 초과한다(이러한 최소 간섭 강도 레벨은 선형 편향 빔의 강도의 1/√2인 원형 편향 빔 강도에 대해 발생한다). 즉, 부분 간섭성 간섭으로 인한 결합 빔의 잔류 강도는 빔이 절대적으로 비간섭성을 갖는다면 강도의 70%를 항상 초과한다. 이제, 일부 적용에서, 웨이브 빔의 넓이를 규정하는 임계 강도는 완전히 웨이브 빔의 피크 강도의 50% 아래에서 선택되고(보통 1/e=37% 및 1/e2=14% 사이의 레벨), 축 근방에서의 결합 웨이브 빔의 강도의 피크의 70%으로의 강하는 실제로 이러한 적용에서 그 검출된 폭에 아무런 효과를 갖지 않을 것이다.
또한, 2개의 빔의 발산 차이로 인해, 축에서 벗어나, 2개의 파면 사이의 위상차는 축으로부터의 거리에 초선형으로 증가하여서, 간섭 패턴은 밀도가 증가하는 무늬(fringe)를 형성한다. 이러한 축으로부터 충분히 멀리서 무늬 간격은 검출기의 크기보다 작고, 간섭으로 인한 전체 강도의 임의의 감소가 작은 측방향 영역으로 제한되어서, 간섭의 효과가 감소된다. 따라서, 보통 결합 빔의 임계 강도가 결합 빔의 최대 강도 마크 절반 아래로 선택됨에 따라, 빔의 중심에서의 강도의 잠재적인 "일시적인 하락(dip)"은 빔의 검출된 폭과 절충되지 않는다. 빔의 외측 부분에서의 임의의 간섭은 덜 중요하다.
구성 웨이브 빔이 2개의 선형 편향 직교 빔 및 2개의 원형 편향 직교 빔을 포함하는 상기 예와 마찬가지로, 4개의 선형 편파 구성 웨이브 빔에 의해 산출되는 결합 빔은 이전의 구성 웨이브 빔에 대해 각 구성 웨이브 빔의 편파가 45도 만큼 회전되기만 하면 유사한 부분 비간섭성 중첩을 제공한다는 것에 주목해야 한다. 예를 들어, 2차원(x,y) 데카르트 좌표계에서, 제1 구성 웨이브 빔은 수평축(x)을 따라 선형 편향되고, 제2 구성 웨이브 빔은 y=x 선을 따라 선형으로 편향되고, 제3 구성 웨이브 빔은 수직축(y)을 따라 선형으로 편향되고, 제4 구성 웨이브 빔은 y=-x 선을 따라 선형으로 편향된다. 제1 및 제3 구성 웨이브 빔은 서로 직교한다. 마찬가지로, 제2 및 제4 구성 웨이브 빔은 서로 직교한다. 제1 구성 웨이브 빔이 제1 및 제4 구성 웨이브 빔과 부분 간섭하지만, 제2 구성 웨이브 빔은 제1 및 제3 구성 웨이브 빔과 부분 간섭하고, 이들의 구성 웨이브 빔의 간섭에 의해 본 발명의 목적에 맞는 충분한 강도를 얻을 수 있다. 상술된 원형 및 선형 구성부 사이의 간섭의 경우와 마찬가지로, 서로에 대한 45도 선형 편향 상태는 반드시 빔의 축 근방에서 적어도 70% 조도의 간섭 가시성을 제공한다. 또한 축외 거리에서 2개의 빔의 상이한 발산은 보다 작아 결국 검출기 보다 작게 되고 본 발명의 요구되는 강도 분포를 제공하는 무늬를 도입한다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 4개의 빔중 하나 보다 많은 그룹이 결합 웨이브 빔을 산출하기 위해 사용된다. 일부 실시예에서, 4개의 각 그룹에서, 웨이브 빔의 편파는 상술된 바와 같이, 기껏해야 부분 비간섭성을 보장하기 위해 제어도니다. 상이한 그룹의 웨이브 빔이 서로 간섭하지 않도록 보장하기 위해, 상이한 그룹의 웨이브 빔의 하나 이상의 파라미터가 간섭 길이 보다 큰 광로 길이, 파장 및 시간 발생중 적어도 하나에서 차이를 산출하도록 제어도니다.
하술되는 바와 같이, 광학 장치(110.2)의 예의 각각은 각각 상이한 발산 및 옵션으로 각각 상이한 강도를 갖는 다수의 출력, 중첩된 웨이브 빔을 발생시키도록 설계되어 있다. 다음의 예의 각각에서, 상이한 구성 웨이브 빔이 소스 빔과 광학 장치(110.2) 내의 상이한 수의 광학 소자 사이의 상호작용에 의해 발생된다. 광학 장치(9) 내의 적절한 광학 소자를 선택함으로써, 각 구성 웨이브 빔에 대한 전체 초점력은 제어될 수 있다. 또한, 광학 장치(9) 내의 광학 소자를 선택함으로써 각 출력 구성 웨이브 빔의 강도를 제어할 수 있다.
도 5a는 입력 빔(B1)을 수신하여 동일한 축을 따라 전파하고 상이한 발산을 갖는 2개의 구성 웨이브 빔(B10, B11)을 생산/출력하도록 구성된 웨이브 빔 발생기(110)의 광학 장치(110.2)의 예를 도시하고 있다. 이러한 예에서, 광학 장치(110.2)는 하나 이상의 빔 스플리터(여기에서 2개의 빔 스플리터가 부분 반사기(R1, R3)로서 사용되고 구현되어 있다) 및 광출력/초점력을 갖는 적어도 하나의 광학 소자(도면에서 렌즈(L2)로 표시되어 있다)를 포함하고 있다. 빔 스플리터(R1, R3) 및 광학 소자(L2)는 빔이 2개의 출력 구성 웨이브 빔(B10, B11)으로 분할되고, 이러한 빔은 부분 반사기(R1, R3)에 의해 상이한 횟수 반사되어서, (소자(L2)의 광출력으로 인해) 광학 장치(110.2)로부터 출력된 이러한 빔의 상이한 발산을 산출하는 광학 소자(L2)와 상이한 횟수 상호작용하도록 입력 빔(B1)의 광로를 따라 배열되어 있다.
보다 구체적으로, 도면에 도시된 바와 같이, 광학 장치(110.2)는 빔(B1)의 광로르 따라 입력 빔(주요 빔)(B1)의 소스/포트(도면에 도시되지 않음)에 보다 가깝게 위치된 제1/인접 부분 반사기(R1), 빔(B1)의 소스로부터 보다 멀리 위치된 제2/말단 부분 반사기(R3), 및 인접 및 말단 부분 반사기 사이에 위치되어 있고 광출력을 갖는 중간 광학 소자(L2)를 포함하고 있다. 이러한 부분 반사기는 상호작용하는 웨이브 빔의 일부를 반사하고 이러한 웨이브 빔의 다른 부분을 투과시키도록 구성되어 있다.
일부 경우에, 출력 빔의 적어도 부분의 비간섭성은 입력 빔(B1)의 간섭성 길이 정도 또는 보다 크도록 부분 반사기(R1, R3) 사이의 거리를 구성함으로써 달성된다. 출력 구성 웨이브 빔(B10, B11)이 부분 반사기에 의해 상이한 횟수 반사됨에 따라, 광학 장치(110.2) 내의 광로의 길이 사이의 차이는 적어도 부분 반사기(R1, R3) 사이의 거리 정도이어서(본 예에서는 이러한 거리의 두 배), 이러한 거리를 간섭성 길이 정도로 설정하면 출력 구성 웨이브 빔(B10, B11)은 서로 적어도 일부 비간섭(인코히어런트)하게 된다. 대안으로 또는 추가로, 적어도 출력 구성 웨이브 빔(B10, B11)의 부분 비간섭성은 반사기 사이에 편광 회전기를 배치함으로써 달성될 수 있다(이러한 반사기와 상이한 구성 웨이브 빔(B10, B11)이 (소자(L2)와 같이) 상이한 횟수 상호작용한다). 따라서, 회전기의 편향 회전을 적절히 선택하면, 적어도 일부 비간섭성 중첩을 촉진할 수 있는 상이한 편파(가능하게는 직교 편파)를 갖는 구성 웨이브 빔(B10, B11)을 출력할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 예에서, 동작중에, 소스 빔(B1)은 인접 부분 반사기(R1)를 비춘다. 소스 빔(B1)의 일부(B2)(제1 빔)는 투과되고, 중간 광학 소자(L2)를 횡단하고 제2 부분 반사기(R3)에 입사된다. 제1 빔(B2)의 일부는 제2 부분 반사기(R3)를 관통하여 투과되고 제1 구성 웨이브 빔(B10)으로서 출력된다. 제1 빔(B2)의 다른 부분(빔(B3))은 제2 부분 반사기에 의해 반사되고 다시 중간 광학 소자를 횡단한다. 빔(B3)은 제1 부분 반사기(R1)에 입사되고 그 일부(빔(B4))은 되반사되고 3번째 중간 광학 소자(L2)를 횡단한 후에 제2 부분 반사기(R3)에 입사된다. 그다음, 빔(B4)의 일부는 제2 부분 반사기(R4)를 관통하여 투과되고 제2 구성 웨이브 빔(B11)으로서 출력된다.
따라서, 광학 장치(110.2)로부터 출력되는 구성 웨이브 빔(B10, B11)은 동일한 소스 빔(B1)(따라서 처음에는 동일한 발산을 갖는다)로부터 나오지만, 각 빔은 상이한 횟수 광학 소자(L2)를 횡단하고, 광학 소자(L2)의 광출력 및 상호작용된 횟수에 상응하는 상이한 발산에 의해 출력된다.
보다 구체적으로, 이러한 예에서, 인접 및 말단 광학 소자(렌즈)(L1, L3) 역시 각각 존재한다. 이에 따라, 제1 구성 웨이브 빔(B10)은 광학 소자(L1-L3)의 각각에 의해 한 번만 영향을 받는다. 이에 대해, 제2 구성 웨이브 빔(B11)은 광학 소자(L1, L3)에 의해 한 번 영향을 받고, 광학 소자(L2)에 의해서는 3번 영향을 받는다. 옵션으로, 도면에 도시된 바와 같이, 부분 반사기(R1, R3)는 소자(L1, L3)의 표면에 각각 적용되는 부분 반사 코팅에 의해 형성될 수 있다.
특정 강도 및 발산의 입력 빔(B1)을 고려하면, 출력 구성 웨이브 빔(B10, B11)의 강도 및 발산은 부분 반사기(R1, R3)의 백분위 반사 및 광학 소자(L1-L3)의 광출력의 적절한 선택/조정에 의해 사전에 또는 실시간으로 튜닝될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 부분 반사기(R1, R3)의 백분위 반사는 빔의 반사 부분과 투과 부분 사이의 관계를 제어하여서 2개의 출력 구성 웨이브 빔(B10, B11)의 상대 강도를 결정한다. 광학 소자(L1-L3)의 광출력에 의해 구성 웨이브 빔(B10, B11)의 발산을 제어할 수 있다. 이러한 파라미터는 일부 경우에 렌즈 및/또는 반사기의 구성에 의해 우선 선택될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 일부 경우에 렌즈 및/또는 반사기의 일부는 구성 웨이브 빔(B10-B11)에 의해 형성된 결합 빔의 특성에 영향을 주기 위해 (예를 들어, 웨이브 발생 제어기(120)에 의해) 이러한 파라미터의 적어도 일부를 실시간으로 실시간 제어 및 조정할 수 있도록 제어가능하다(예를 들어, 제어가능한 전기 광학 소자 및/또는 광학 기계 모듈을 포함하고 있다).
또한, 반사기/빔 스플리터(R1, R3)의 백분위 반사/투과로 인해, 희망의 출력 구성 웨이브 빔(B10, B11)에 더해, (빔 부분(B6)과 같은) 역반사된 성분을 포함하고, 가능하게는 위에서 설명되지 않았고 부분 반사기(R1, R3) 사이에 전후로 반사된 빔의 파생물인 투과되고 역반사된 성분 역시 포함하는 일부 추가 광 성분 역시 광학 장치(210.1)로부터 방출된다는 것에 주목해야 한다. 일반적으로, 일부 경우에, 역사된 빔 부분은 예를 들어, 원치 않는 미광과 같은 바라지 않은 효과를 일으키지 않도록 보장하기 위해 설계에서 흡수기 또는 반사기를 제공함으로써 처리된다. 반사기(R1, R3)의 백분위 반사로 인해, 투과 성분의 강도는 대수적으로 쇠퇴하여서, 일부 경우에 결합 웨이브 빔(IWB)에 대한 (B10 및 B11의 효과를 제외한) 투과 빔의 효과는 장치 동작의 파라미터/구성을 결정할 때 무시되거나 고려될 수 있다.
도 5a에 예시된 광학 장치(110.2)는 3개의 모듈/소자(R1, L2, R3)만을 사용하여(반사기(R1, R3)에 광학적으로 결합된 렌즈(L1, L3)를 포함하는 것도 가능하다) 구성될 수 있다. 이러한 실시예는 본 발명에 따른 기술의 단순하고 저가의 구현예를 제공하는 것이 명백하다.
이제, 본 발명의 일부 실시예에 따른 광학 장치(110.2)의 다른 예를 개략적으로 도시한 도 5b 및 도 5c에 대해 함께 설명한다. 이러한 실시예에서, 빔 스플리터(BS2)는 특별히 입력 빔(B1)을 장치(110.2)에서 공간적으로 구별되는 중간 광로(OP1, OP2)를 따라 전파하는 2개의 중간 웨이브 빔으로 분할한 다음 이러한 중간 웨이브 빔을 구성 웨이브 빔(B10, B11)으로서 동축으로 출력되도록 중첩하는데 사용된다. 광출력을 갖는 광학 소자(예를 들어, 렌즈/반사기)(L2)는 중간 빔의 광로중 적어도 하나(예를 들어, OP2)에 배치되어서, 상이한 횟수 상호작용하고 상이한 발산을 갖는 출력 구성 웨이브 빔(B10, B11)을 산출한다. 또한, 도 5a의 장치의 구성과 마찬가지로, 편파 회전기는 중간 광로(OP1, OP2)중 적어도 하나에 배치될 수 있거나, 중간 광로(OP1, OP2)의 광학 길이의 차이는 입력 빔의 간섭 길이 정도 또는 그 보다 클 수 있어서, 출력 빔(B10, B11)의 적어도 부분 간섭성을 산출할 수 있다.
따라서, 보다 구체적으로, 도 5b의 예에서, 빔 스플리터(BS2)는 (예를 들어, 여기에서 각각, 광학 소자(L1, L3)에 의해 나타난) 장치(110.2)의 입력과 출력 광학 포트 사이에 위치되고 입력 포트로부터의 입력 빔(B1)을 2개의 중간 광로(OP1, OP2)로 분할 하도록 (예를 들어, 이러한 장치의 일반적인 광전파 축에 45°로) 배치된 강도 빔 스플리터이다. 광학 소자(L2)는 중간 광로(OP2)를 따라 위치되어 이러한 광로를 따라 전파하는 광과 상호작용하여서 출력 구성 웨이브 빔중 적어도 하나의 발산에 영향을 준다. 중간 광로(OP2)는 2개의 미러(M1, M2)(즉, 거의 완전한 반사성을 갖는다)에 의해 규정/한정되고 광학 소자(L2)는 그 사이에 위치되어 있다.
옵션으로, 편파 회전기는 중간 광로(OP2)를 따라 위치되어 광로를 따라 전파하는 광의 편파에 영향을 준다. 또한, 옵션으로, 2개의 추가, 인접 및 말단 광학 소자(L1, L3)는 입력 빔(B1)이 장치가 들어가고 출력 빔(B10, B11)이 나오는 입력 및 출력 포트에 위치되고/입력 및 출력 포트를 규정할 수 있다.
동작에서, 소스 빔(B1)은 (경로 OP1를 따른) 축에서 빔 스플리터를 횡단하는 부분(B2)으로 분할되고, 출력 포트엣 출력되어 구성 웨이브 빔(B10)을 형성한다. 부분(B3)은 빔 스플리터(BS2)에 의해 반사되어 광로(OP2)를 따라 전파되고, 이러한 광로(OP2)에서 부분(B3)은 광학 소자(L2)와 상호작용하고 미러(M1, M2)에 의해 다시 빔 스플리터(Bs2)로 반사되고 적어도 그 일부가 중간 경로(OP1)를 따라 전파하고 출력 포트에서 출력 구성 웨이브 빔(B11)을 형성하도록 지향된다.
따라서, 이러한 예에서, 출력 구성 웨이브 빔(B10, B11)은 광학 소자(L2)와 상이한 횟수(B10에 대해서는 하나도 없고 B11에 대해서는 2번) 상호작용하여 상이한 발산을 나타낸다. 옵션의 광학 소자(L1, L3)는 빔(B10, B11)에 대해 유사한 효과를 갖고 있다. 옵션의 편파 회전기를 경로(OP2)에 위치시키고 및/또는 OP1과 OP2의 길이 사이에 충분한 차이를 설정함으로써 출력 구성 웨이브 빔(B10, B11)의 비간섭성이 도입될 수 있다. 또한, 여기에서 빔(B10, B11)의 상대 강도가 빔 스플리터(BS2)의 백분위 반사 및 광학 소자(L2)의 광출력에 의한 발산의 차이에 의해 조정될 수 있다. 예를 들어, 2개의 출력 웨이브 빔(B10, B11)의 동일한 강도를 달성하기 위해, 빔 스플리터(BS1)의 투과율은 1%가 될 수 있다. 이러한 방식으로, 구성 웨이브 빔(B10, B11)의 각각은 소스 빔(B1)의 1%의 강도를 갖고 있다(약 98%는 유용한 광출력의 주요 손실을 구성한다). 빔 스플리터(BS2)의 50% 투과율에 대해, 구성 웨이브 빔(B10)은 소스 빔(B1)의 50%의 강도를 갖고 있고, 구성 웨이브 빔(B11)은 소스 빔의 12.5%의 강도를 갖고 있다(그리고 전체 손실은 약 37.5%로 감소된다).
또한, 여기에서, 원치않는 효과를 확실히 발생하지 않도록 도 5a를 참조하여 상술된 유사한 기술을 사용하여 처리/흡수될 수 있는 빔 성분/미광의 원치않는 역반사가 존재할 수도 있다는 것에 주목해야 한다. 또한, 이러한 도면에서 출력 빔 및 중간 빔이 단지 도면의 이해를 위해서 평행한 축을 따라 전파하는 것으로 도시되어 있고 다양한 구성에서 빔(특히 출력 빔)이 공통 축을 따라 및/또는 평행한 별개의 축을 따라 동축으로 전파할 수 있다는 것에 주목해야 한다.
특히 도 5c에서, 광학 장치는 소스 빔(B1)의 상이하게 편향된 부분/성분을 상이하게 처리한다. 이를 위해, 이러한 실시예에서 사용된 빔 스플리터(BS2)는 편향 빔 스플리터(PBS)이다. 이러한 배치의 장점은 사용되지 않는 반사가 감소된다는 것이다. 또한, 광학 장치(110.2)는 제3 광학 소자(L2) 근방에 위치된 제1 사분의 일 파장판(QW1) 및 제2 미러(M2) 근방에 위치된 제2 사분의 일 파장판(QW2)을 포함하고 있다.
도 5c의 구성에서, 소스 빔(B1)은 PBS(BS2)에 입사되는 s-편파 및 p-편파의 2개의 편파 성분을 포함한다. PBS(BS2)는 p-편향된 부분을 투과하고 s-편향된 부분을 반사한다. 따라서, 축을 중심으로 PBS를 횡단하는 p-편향된 부분은 제1 구성 웨이브 빔(B10)으로서 출력된다. s-편향된 부분은 경로(OP2)쪽으로 재지향된 PBS(BS2)에 의해 반사되고, 이러한 경로(OP2)에서, (미러(M1)에 의해 반사되기 전후로) 광학 소자(L2)와 2번 상호작용하고 사분의 일 파장판(QW1)과 2번 상호작용한다. 이러한 사분의 일 파장판(QW1)은 먼저 그 s-편파를 원형 편파로 전환/회전하고 두번째로 이러한 원형 편파를 p-편파로 전환/회전한다. 그래서, p-편향된 광은 (미러(M2)에 의해 반사되기 전후로) PBS(BS2)를 관통하여 횡단하고 다시 제2 사분의 일 파장판(QW2)와 2번 상호작용한다. 이것은 동일한 방식으로 빔 편파를 p로부터 s로 전환하여, s-편광이 PBS(BS2)에 입사될 때, 완전히 중간 광로(OP2)로 반사되고, 제2 구성 웨이브 빔(B11)으로서 출력된다. 강도 빔 스플리터가 사용되는 도 5b의 배치와 대조적으로, 편파 빔 스플리터는 높은 전력 효율을 제공하도록 사용되어 있다. 그래서, 여기에서 (입력 빔(B1)의) 거의 모든 입사 전력이 출력부에서 사용가능하고 (예를 들어, 다양한 광학 인터페이스로부터의 원치않는 방향, 프레넬 반사 및/또는 산란으로 인해) 미미한/무시가능한 강도만이 손실된다.
도 5c의 배치에 의해 소스 빔(B1)의 각 편파 성분의 상대 부분을 적절히 조정함으로써 출력 구성 웨이브 빔(B10, B11)의 상대 강도를 선택/제어할 수 있다. 예를 들어, 입사 빔이 45°로 편향되는 경우(p 및 s 편향 성분에서 동일한 강도를 갖는 경우), 구성 웨이브 빔은 역시 소스 빔의 대략 50%의 강도를 가져 동일한 강도를 갖게 될 것이다(이러한 배치의 낮은 전력 손실을 입증한다). 도 5c의 배치의 추가 장점은 출력 웨이브 빔 구성이 직교 편향 상태에 있어 (구성 웨이브 빔(B10, B11) 사이의 충분한 경로 길이차를 확보할 필요 없이) 2개의 출력 빔이 비간섭 중첩되도록 보장한다는 것이다.
도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 광학 장치(110.2)를 자명한 방식으로 예시하고 있다. 여기에서, 광학 장치(110.2)는 2개의 PBS(BS2, BS3)를 포함하고 2개의 중첩된 축중심 구성 웨이브 빔(B10, B13)을 발생시키도록 입력 빔(B1)의 2개의 편파 성분을 상이하게 처리하도록 구성되어 있다. 이러한 도면에 도시된 구성의 장점은 사분의 일 파장판을 사용할 필요가 없이 여전히 도 5c의 구성에 의해 달성가능한 것과 유사한 고출력 전력 효율을 제공한다는 것이다.
보다 구체적으로, 여기에서, 입력 빔(B1)의 p 편향 부분은 축 중심으로 양측의 PBS(BS2, BS3)를 횡단하고, 구성 웨이브 빔(B10)으로서 출력된다. s 편향 부분은 제1 PBS(BS2)에 의해 반사되고, 광학 소자(L2)를 통해 미러(M1)에 의해 반사되고, 미러(M2)에 의해 제2 PBS(BS3)로 재지향되고, 이러한 제2 PBS(BS3)에 의해 출력부로 반사되어 제2 구성 웨이브 빔(B11)을 형성한다.
또한, 이러한 실시예에서, 도 5c의 것과 마찬가지로, 높은 전력 효율을 제공하고(본질적으로 모든 입력 전력이 출력부에서 사용가능하다) 2개의 출력 구성 웨이브 빔을 직교 편향 상태로 발생시켜 비간섭성 중첩을 보장한다.
이제 도 5e를 보면, 동일한 일반적인 전파축에 중첩되는 3개의 출력 구성 웨이브 빔(B10, B11, B12)로 소스 빔(1)을 분할하도록 구성된 광학 장치(110.2)의 예가 개략적으로 도시되어 있다. 도 5e의 배치는 2개의 빔 스플리터, PBS(BS2), 및 강도 빔 스플리터(BS3), 그 사이에 배치된 사분의 일 파장판(QW1), 및 PBS(BS2)의 타측에 배치된 추가 사분의 일 파장판(QW2)을 포함하고 있다. 옵션으로, 전력 효율 필요조건이 완화된 경우에, 이러한 배치 역시 2개의 강도 빔 스플리터에 의해 구현될 수 있지만, 출력부로의 강도 전송율이 상당히 비효율적일 것이다. 이러한 광학 소자, 반사 소자 및 빔 스플리터는 상술된 바와 같은 특성을 갖고 있다.
동작에서, p 및 s 편향 부분을 포함하는 소스 빔(B1)은 입력 포트를 통해(예를 들어, 광학 소자(L1)를 통해) 들어가 PBS(BS2)에 입사된다. p 편향 부분은 그 축을 중심으로 출력 포트(예를 들어, 광학 소자(L3))쪽으로 PBS(BS2)를 횡단하고 제1 구성 웨이브 빔(B10)으로서 출력된다. s 편향 부분은 강도 빔 스플리터(BS3)쪽으로 PBS(BS2)에 의해 반사되어서 (그 편파가 원형 편파로 전환되는) 사분의 일 파장판(QW1)을 횡단하고, 강도 빔 스플리터(BS3)에 의해 분할된다. 분할된 빔의 하나의 부분은 빔 스플리터(BS2)를 관통 투과되어 광학 소자(L2)를 통과하고 미러(M1)에 의해 다시 재지향되어 광학 소자(L2)를 관통하여 빔 스플리터(BS3) 쪽으로 지향된다. 광학 소자(L2)를 통해 재지향된 빔 부분으로부터, 방향(D1)으로 멀리 반사된다. 이러한 빔의 다른 부분은 빔 스플리터(BS3)를 관통하여 투과되고, (그 편파가 p 편파로 전환되는) 사분의 일 파장판(QW1)을 횡단하고, PBS(BS2)를 횡단하고 미러(M2)에 의해 역반사되어 사분의 일 파장판(QW2)을 두번 횡단하여 s 편파로 복귀한 다음 PBS(BS2)에 의해 반사되어 제2 출력 웨이브 빔 구성부(B11)를 형성한다. 마찬가지로, 강도 빔 스플리터(BS3)에 입사된 s 편파의 제2 부분은 광학 소자(L4)쪽으로 지향되고, 빔의 일부가 방향(D1)으로 지향되는(예를 들어, 미광 출력을 방지하기 위해 그 경로를 따라 배치된 흡수판에 의해 손실, 소멸된다) 빔 스플리터(BS3)로 다시 미러(M3)에 의해 재지향되고, 나머지 강도는 PBS(BS2)쪽으로 다시 지향되고, 사분의 일 파장판(QW1)을 통해 투과시 p 편파로 전환되고, 이전의 출력 구성부와 마찬가지로, 결국 출력 포트를 통해 반사되어 제3 희망의 구성 웨이브 빔(B12)을 형성한다. 방향(D1)으로 시스템으로부터 멀리 지향된 광의 부분을 제외하고, 나머지 광은 강도 손실이 미미한 상태로 희망의 구성 웨이브 빔의 결합체로 출력된다.
여기에서 3개의 구성 웨이브 빔의 발산은 다음과 같이 결정된다: 제1 구성 웨이브 빔의 발산은 (옵션으로 입력 및 출력 포트에 위치되고/입력 및 출력 포트를 규정할 수 있고 모든 빔 구성 웨이브 빔(B10-B12)에 유사한 영향을 가질 수 있는 옵션 광학 소자(L1, L3)를 제외하면) 임의의 광학 소자에 의해 영향 받지 않는다. 제2 구성 웨이브 빔(B11)은 광학 소자(L2)에 의해 두 번 영향 받고; 제3 구성 웨이브 빔(B12)은 광학 소자(L4)에 의해 두 번 영향 받는다. 이러한 3개의 출력 구성 웨이브 빔의 강도는 강도 빔 스플리터(BS3)의 백분위 반사도 및, 입사 빔의 각 편파의 부분의 조합에 의해 결정된다.
예를 들어, 입사광이 20% p 편파를 갖고 있고, 강도 빔 스플리터(BS3)는 입사광의 50%를 투과하고 입사광의 50%를 반사하는 경우에, 모든 3개의 출력 구성 웨이브 빔은 소스 빔(B1)의 강도의 20%인 강도를 가질 것이다(40%는 방향(D1)으로 손실된다). 도 5e의 배치는 3개의 축중심 구성 웨이브 빔의 발생을 위해 구성되어 있고, 광학 소자(L2, L4) 및 빔 스플리터의 파라미터 (그리고 가능하게는 광학 소자(L1, L3)의 파라미터)를 선택함으로써 구성 웨이브 빔(B10-B12)의 빔 발산 및 상대 강도를 제어할 수 있다.
이제 도 5f에서, 광학 장치(110.2)가 4개의 축중심 구성 웨이브 빔(B10-B13)으로 소스 빔(B1)을 분할하도록 구성된 본 발명의 예가 도시되어 있다. 여기에서, 광학 장치(110.2)는 2개의 편향 빔 스플리터 및 하나의 강도 빔 스플리터를 포함하는 3개의 빔 스플리터의 배치를 포함하고 있다. 그러나, (원치않는 방향으로 감소된 효율 및 보다 높은/ 보다 상당한 강도 손실을 제공하는) 3개의 강도 빔 스플리터에 의해 유사한 배치가 구현될 수 있다는 것에 주목해야 한다.
광학 장치(110.2)의 광학 소자/모듈의 배치 및 이것을 관통하여 전파하는 빔이 도 5f에 자명하게 도시되어 있고 이제 아래에 보다 구체적으로 설명할 것이다. 파선 박스에 포함된 광학 소자의 배치 및 동작은 도 5e의 것과 유사하다. 그러나, 여기에서, 추가 광학 배치가 PBS(BS2)와 출력 포트 사이의 광로를 따라 설정되어 있다(예를 들어, 광학 소자(L3, L1, L3)가 이러한 도면에 구체적으로 도시되어 있지 않다). 방향(D1)으로 지향되는 (그리고 도 5e의 구성에서 손실/소멸되는) s 편광 성분을 모으고 이들 성분의 웨이브 특성을 조종하고 이들을 출력부로 지향시키도록 구성되어 있다. 추가 배치는 도면에 도시된 바와 같이, 다른 PBS(BS1), 미러M4, M5), 렌즈(L5) 및 편광 회전기(예를 들어, 사분의 일 파장판)(QW3-QW6)를 포함하고 있다.
동작에서, s 편파 성분을 갖고 있는 소스 빔(B1)은 PBS(BS1)에 입사되도록 지향된다. 이러한 s 편파 성분은 도 5e에서와 같이 조정되어 유사한 빔 구성 웨이브 빔(B11, B12)을 형성한다. 본 경우에, 출력되기 전에, 빔 구성 웨이브 빔(B11, B12)은 편광 회전기(예를 들어, 2개의 사분의 일 파장판(QW3, QW4) 도는 대안으로 반파장판) 및 PBS(BS1)를 횡단한다. 편광 회전기(QW3, QW4)는 S로부터 P로 빔(B11 및 B12)의 편파를 전환하여서, 영향을 받지 않고 출력부쪽으로 PBS(BS1)를 횡단한다.
여기에서, 강도 빔 스플리터(BS3)에 의해 방향(D1)으로 지향되는, 광학 소자(L2, L4)로부터 복귀하는 빔의 원형 편파 부분은 도 5e에서와 같이 소멸/손실되지 않고, 이러한 편파 부분의 발산을 변경하는 렌즈(L5)와 상호작용하고, 미러(M4)에 의해 재지향되어 (p 편파로 전환되는) 사분의 일 파장판(QW5)을 관통하여 투과되고, PBS(BS1)를 관통하여 투과된 후에 사분의 일 파장판(QW6)을 관통하여 2번 통과하고(이로 인해 s 편파로 전환된다), 미러(M5)에 의해 반사되어 PBS(BS1)로 복귀하고, 이러한 PBS(BS1)에 의해 출력부쪽으로 반사되어, 출력 구성 웨이브 빔(B13, B14)을 형성한다. 따라서, 이러한 예에서 역시, (일부 미미한 강도 손실을 제외하면) 소스 광 빔의 거의 모든 전력은 희망의 4개의 구성 웨이브 빔(B11-B14)의 조합으로 출력된다.
4개의 구성 웨이브 빔의 각각의 발산은 (입출력 포트에서의 옵션의 광학 소자(L1, L3)를 고려하지 않고) 다음과 같이 배치에서 광학 소자에 의해 결정된다: 구성 웨이브 빔(B11)은 광학 소자(L2)에 의해 두 번 영향을 받고; 구성 웨이브 빔(B12)은 광학 소자(L4)에 의해 두 번 영향을 받고; 구성 웨이브 빔(B13)은 광학 소자(L2)에 의해 두 번 영향을 받고 광학 소자(L5)에 의해 한 번 영향을 받고; 구성 웨이브 빔(B14)은 광학 소자(L4)에 의해 두 번 영향을 받고 광학 소자(L5)에 의해 한 번 영향을 받는다. 광학 소자(L2, L4, L5)의 파라미터를 적절하게 선택함으로써, B12 및 B13 내지 B14의 발산에 대한 B11의 발산 사이의 비율이 동일하다는 제한하에 구성 웨이브 빔의 발산을 제어할 수 있다.
4개의 출력 구성 웨이브 빔의 강도는 강도 빔 스플리터(BS3)의 백분위 반사도에 의해 결정된다. 예를 들어, 빔 스플리터(BS3)가 광을 50% 투과 50% 반사로 분할한다면, 모든 4개의 출력 구성 웨이브 빔은 (입사 출력 손실이 거의 없는) 입력 강도의 25%인 강도를 가지게 될 것이다. 40% 투과 60% 반사의 빔 스플리터(BS3)를 선택하면 소자(B11-B14)에 대해 (입사 출력의 손실 없이) 35%, 16%, 24% 및 24%의 강도를 각각 발생한다. 도 5f의 배치에 의해 (약간의 제약으로) 희망의 빔 발산을 설계하고 이들의 상대 강도를 (약간의 제약으로) 제어할 수 있는 것은 물론 4개의 온 액시스/동축 구성 웨이브 빔을 발생시킬 수 있다. 상이한 웨이브 빔 구성의 비간섭성 중첩에 있어서, 구성 웨이브 빔(B11, B13)은 웨이브 빔(B12, B14)과 같이 서로 직교 편향되어서, 이러한 빔은 상호 비간섭성을 갖는다. 빔(B11, B12)은 빔 스플리터(BS3)를 횡단하는데 있어 상이한 경로 길이를 따른다. 마찬가지로, 빔(B13, B14)은 빔 스플리터(BS3)를 횡단하는데 있어 상이한 경로 길이를 따른다. 이러한 광학 길이의 차이는 입력 광 빔(B1)의 간섭성 길이 보다 크게 될 수 있어서, 4개의 웨이브 빔 구성부가 서로 비간섭성을 갖고 발생될 수 있다.
이제 도 5g에서, 다수의 빔 스플리터를 포함하고 소스 빔(B1)을 복수의 측방향 분포된 구성 웨이브 빔으로 분할하도록 구성된 본 발명의 광학 장치(110.2)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이러한 구성 웨이브 빔의 측방향 분포는 (수 밀터 이상 정도일 수 있는) 최종 빔의 측방향 넓이와 비교하여 (수 밀리미터 정도로) 상당히 작을 수 있어서, 축을 벗어난 분포의 효과는 무시가능하다.
소스 빔(B1)은 일련의 빔 스플리터(예를 들어, n-1 개의 빔 스플리터, BS1, BS2가 도면에 도시되어 있다)를 사용하여 사전결정된 수의 n개의 출력 구성 웨이브 빔(예를 들어, B11 - B1n)으로 순차 분할된다. 각 빔 스플리터으로의 입사 빔의 부분은 각 출력 구성 웨이브 빔을 형성하도록 출력된다. 각 구성 웨이브 빔(B11 - B1n)은 그 발산을 희망의 값으로 조정하도록 구성된 각 광학 소자(L21 - L2n)를 통해 출력된다. 이러한 광학 소자는 광출력이 서로 상이하여서, 각 구성 웨이브 빔에 상이한 발산이 할당된다. 옵션으로, 공통 광학 소자(L1)가 포함되어 있다(예를 들어, 소스 빔이 제1 빔 스플리터(BS1)와 상호작용하기 전에 소스 빔(B1)에 영향을 주도록 입력 포트/경로에 위치되어 있다). 여기에서, 빔 스플리터는 측방향으로 (예를 들어, 일반적인 입출력 방향과 수직인 방향으로) 배열되어 있고, 마지막 출력 웨이브 빔(B11)은 그 상응하는 광학 소자(L4)쪽으로 미러(M1)에 의해 반사된다. 출력 웨이비 빔(B11 - B1n)의 상대 강도는 각 빔 스플리터의 투과 백분율에 의해 결정된다.
예를 들어, 동일한 강도(각각 입력 빔의 강도의 약 1/3)를 갖는 3개의 구성 웨이브 빔을 산출하기 위해, 광학 장치(110.2)는 제1 빔 스플리터(BS1)가 입사 강도의 삼분의 일(33.3%)을 투과하고 제2 빔 스플리터(BS2)가 입사 강도의 절반(50%)을 투과시키도록 설정될 수 있다. 이러한 방식으로, 3개의 구성 웨이브 빔의 각각은 소스 빔(1)의 강도의 삼분의 일을 갖는다. 다른 예에서, 동일한 강도(각각 소스 빔의 강도의 25%)를 갖는 4개의 구성 웨이브 빔을 산출하기 위해, 제1 빔 스플리터(BS1)는 입사 강도의 사분의 일을 투과시켜야 하고, 제2 빔 스플리터(BS2)는 입사 강도의 2/3을 투과시키고, 제3 빔 스플리터(도면에 도시되어 있지 않음)은 입사 강도의 50%를 투과시켜야 한다.
출력 빔의 상대 간섭성에 대해, 빔의 경로 길이는 상이하고 빔 사이의 충분한 비간섭성을 확보하도록 설계될 수 있다. 대안으로 또는 추가로 각 출력 빔의 편파는 각 빔에 필요한 대로 사분의 일 또는 절반 파장판을 추가함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 4-구성 웨이브 빔은 상술된 바와 같이 2개의 직교 선형 편향 빔 및 2개의 직교 원형 편향 빔을 포함할 수 있다. 대안으로 4-구성 웨이브 빔은 상술된 바와 같이 각각 이전 것에 대해 45도 시프트되어 있는 4개의 선형 편향 빔을 포함할 수 있다.
이제, 웨이브 빔 발생기(110)의 웨이브 빔 소스(110.1)이 각 웨이브 빔(소스 빔)(B1, B2,...,Bn)을 방출하는 복수의 측방향으로 분포된 웨이브 빔 방출기/포트(Y1 - Yn)를 포함하는, 측방향으로 분포된 구성 웨이브 빔의 다른 실시예를 도시하는 도 5h에 대해 설명한다. 이러한 웨이브 빔 소스는 예를 들어, 물리적으로 작고 밀접하여 측방향으로 분포된 배열로 장착될 수 있는 반도체 레이저일 수 있다. 옵션으로, 각 웨이브 빔 방출기는 광학 장치(110.2)의 각 광학 소자/모듈(L21 내지 L2n)과 연관되어 있어, 소스 빔(B1, B2,...,Bn)은 상응하는 광학 소자와 상호작용하고, 희망의 발산을 갖는 구성 웨이브 빔(B11, B12,...,B1n)을 산출한다. 웨이브 빔 소스 사이의 측방향 간격은 결합된 웨이브 빔의 넓이 보다 상당히 작다. 예를 들어, 반도체 레이저 사이의 간격은 결합 빔의 직경이 수 미터 정도일 때 무시할만한 에러를 유도하는 1밀리미터 아래의 범위일 수 있다. 이러한 배치에 의해, 각 웨이브 빔 소스에 의해 방출된 출력을 적절하게 선택함으로써 상대 강도를 독립적으로 선택할 수 있다. 구성 웨이브 빔의 발산은 각 소스 전방에 배치되도록 광학 장치 내의 적절한 광학 소자를 선택함으로써 제어된다. 이러한 광학 소자는 상술된 바와 같이, 굴절성, 회절성 및/또는 반사성을 가질 수 있다. 여기에서, 웨이브 빔 구성부는 소스가 서로 비간섭성을 갖도록(예를 들어, 상술된 바와 같이, 광경로 길이 및/또는 파장, 및/또는 편파, 및/또는 시간 발생, 또는 이들의 조합에서 상이하다) 보장함으로써 서로 비간섭성을 가질 수 있다.
도 5i에 의해 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 단일 광원이 복수의 사전결정된 수 n개의 출력 구성 웨이브 빔으로 분할된다. 광학 장치(110.2)는 광섬유(FB1-FBn), 및 섬유 스플리터(FSP2...FSPn)을 포함하고 있다. 소스 빔(B1)은 광섬유(FB1)에서 안내되고, 순차적으로 (섬유 스플리터(FSP2...FSPn))에 의해 분할된다. 분할된 광은 광섬유를 통해 진행하고, 섬유 단부에 도달할 때까지 분할한다. 이러한 섬유 단부는 측방향으로 분포되어 있고, 광섬유로부터 방출된 광과 상호작용하여 출력 구성 웨이브 빔(B11,...B1n)을 형성하는 상응하는 광학 소자(L21,...L2n)와 연관되어 있다. 이러한 배치에 의해 섬유 스플리터(FSP2 - FSPn)의 투과 백분위를 적절히 선택함으로써 구성 웨이브 빔의 상대 강도를, 그리고 광학 소자(L21,...L2n)의 적절한 광출력을 선택함으로써 발산을 독립적으로 선택할 수 있다. 이러한 구성 웨이브 빔은 각 2개의 구성 웨이브 빔 사이의 경로 길이차가 소스의 간섭성 길이 보다 크도록 보장함으로써, 또는 대안으로 상술된 각 구성부에서 상이한 편향 상태를 생성함으로써 서로 비간섭성을 가질 수 있다.
시스템의 출력 포트 보다 넓은 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 웨이브 빔을 발생하는 웨이브 빔 발생기(110)의 기능은 특히, 연소 장치 및/또는 감시 장치(예를 들어, 망원경, 쌍안경 또는 카메라)와 연관된 IFF의 질문 시스템에 사용될 때 유리하다. 예를 들어, 웨이브 빔 발생기(110)는 연소 장치의 피해 영역(피해의 측방향 넓이)에 상응하는 사전 규정된/조정가능한 웨이브 빔을 발생하는데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 포수는 발사 전에 피해 영역을 "질문"할 수 있어서, 질문 웨이브 빔에 응답하여, 아군의 응답기로부터 수신된 식별 인식/RF 신호의 수신에 기초하여, 피해 영역의 아군의 존재 또는 부재를 알아낼 수 있다. 옵션으로, 일부 실시예에서, 질문 빔의 측방향 넓이는 조정가능하고, 상이한 종류의 탄약의 상이한 피해 영역에 일치하도록 제어되고 튜닝될 수 있다. 이것은 예를 들어, 조정될 수 있는 광출력을 갖는 광학 모듈(예를 들어, 상기 광학 소자 세트)을 갖는 웨이브 빔 발생기(110)를 구성함으로써 달성될 수 있다. 또한, 웨이브 빔 소스(110.1) 및/또는 웨이브 스플리터(110.2)의 적절한 구성을 사용함으로써, 질문 빔 스폿/단면이 상이한 작동 필요에 맞도록 원형, 타원형 또는 대략 직방향 단면을 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 작동 필요는 상이한 탁약의 피해 영역에 따라 다를 수 있고 및/또는 특정 치수를 따라 보다 정밀한 질문 분리를 위한 필요를 충족시킬 수 있다. 후자의 경우의 예는 아군을 식별하기 위해 (높이 보다 큰 수평 넓이를 갖는) 개별적인 빌딩 층을 독립적으로 그리고 별개로 질문하기 위해 타원형 또는 직방형 빔을 사용하는 것과 관련되어 있다.
상기 도 5a-5i의 다양한 실시예에서, 포커싱 소자가 광학 소자(예를 들어, 특히 렌즈)로서 되어 있지만, 이러한 소자/모듈은 광학 빔을 처리하기 위한 광학 모듈 또는 음향 및/또는 일반적인 EM 빔을 처리하는 다른 모듈로서 구현될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 또한, 광학의 경우에, 동일한 기능(예를 들어, 포커싱 파워)을 갖는 유사한 모듈이 예를 들어, 하나 이상의 굴절/회절 렌즈 및/또는 그레이디드 인덱스 렌즈, (미러 또는 디플렉터와 같은) 반사면, (그레이팅 또는 홀로그램과 같은) 회절 모듈, 또는 필요한 포커싱/광출력을 갖는 광학 소자를 생성하기에 적절한 이러한 기술의 임의의 조합을 사용하는 다양한 기술로 사용되고 구현될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 도 5a-도 5i에 제공된 일부 또는 모두의 모듈/소자는 웨이브 발생 제어기(120)에 의해 조정가능하고 및/또는 제어가능한 광출력 및/또는 투과/반사 백분위를 갖는, 전기광학 및/또는 광기계 모듈로서 구성될 수 있다.
또한, 도 5a-도 5i의 상기 예의 일부에서, 단일 입력 빔(B1)이 도시되어 있다. 일반적으로, 일부 실시예는 적어도 일부 비간섭성의 출력 구성 웨이브 빔의 수를 각각 상이한 발산과 승산하도록 웨이브 스플리터(110.2)에 공급되는 2개 이상의 입력 빔 소스(예를 들어, 상이한 초기 발산을 갖고 있고 가능하게는 각각 비간섭성을 갖고 있고, 예를 들어, 상이한 파장 및/또는 상이한 편파를 갖고 있다)를 사용한다. 이러한 2개 이상의 입력 빔은 공통 축을 따라 전파하는 동축 빔일 수 있고 및/또는 거의 평행한 축으로 측방향으로 배열될 수 있다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따른 IFF 시스템(1)의 2개의 실시예의 개략 블록도를 도시하는 도 6a 및 도 6b를 함께 설명한다. IFF 시스템(1)은 질문 시스템(100) 및 응답기 시스템(200)을 포함하고 있다. 질문 시스템(100)은 질문 웨이브 빔(IWB)을 질문 빔 전파 축(OX)에 의해 규정된 방향으로 발생시키도록 그리고, 전파 축(OX)을 따라 선택 범위(R)에서 특정 거의 일정한 측방향 넓이(W)를 갖도록 구성되어 있다(즉, 질문 웨이브 빔의 점 크기는 범위(R) 내에 대략 고정되어 있다). 응답기 시스템(200)은 (질문 웨이브 빔(IWB)이 강도가 사전결정된 검출 임계값 보다 높은, 빔의 질문 영역(RG)의 경계 안에 위치된 경우에) 질문 웨이브 빔(IWB)을 검출하고 그 응답으로 수신확인 신호(ACK)를 발생하도록 구성되어 있다. 수신확인 신호(ACK)는 다시 질문 시스템(100)에 전송된다. 질문 시스템(100)은 이러한 수신확인 응답 신호(ACK)를 검출하여 응답기 시스템(200)이 조사된 질문 영역(RG)의 안에 및/또는 근방에 위치되어 있다는 표시를 얻도록 구성되어 있다. 이를 위해, 적절한/인증된 응답기가 탑재된 사람, 기기, 차량 또는 포스트가 질문에 응답하여 "아군"으로서 식별되고 이러한 응답기가 탑재되지 않은 것들은 "적"으로서 의심되는 상태로 남는다.
질문자 모듈(100)은 일반적으로 웨이브 빔 발생기 모듈(110), 타겟 검출 모듈(130), 및 이러한 웨이브 빔 발생기(110) 및 타겟 검출 모듈(130)에 접속가능한 제어 유닛(140)을 포함하고 있다. 응답기(200)는 질문 빔 수신 모듈(210)(예를 들어, 질문 빔(IWB)를 검출하도록 구성된 검출기 및 가능하게는, 검출된 신호를 증폭시키도록 구성된 증폭 장치(A2)), 전송 모듈(220)(예를 들어, 수신확인 신호를 전송할 수 있는 RF 안테나 및 구동을 위한 구동기(D2)), 및 질문 빔 수신 모듈(210) 및 전송 모듈(220)에 접속가능한 제어기(230)를 포함하고 있다.
웨이브 빔 발생기 모듈(110)은 특정 작동 범위(R)에서 특정 실질상 고정된/일정한 측방향 넓이(W)를 갖는 적어도 하나의 질문 웨이브 빔(IWB)을 생성하도록, 상술된 바와 같이 구성되고 작동가능하다. 질문 웨이브 빔(IWB)은 상이한 발산 및 거의 평행한 전파 축을 갖는 복수의 적어도 일부 비간섭성을 갖고 적어도 일부 중첩하는 구성 웨이브 빔을 발생시킴으로써 생성된다. 이와 관련하여, 질문 웨이브 빔(IWB)을 형성하는데 사용된 복수의 구성 웨이브 빔은 동시에 전파하도록 동시에 생성되고 및/또는 응답기 시스템(200)의 질문 빔 검출 모듈(210)의 적분 시간(예를 들어, 시간분해능) 보다 짧은 정도의 기간에 생성된다는 점에서 동시에 발생된다(즉, 이러한 빔은 단일 빔으로서 동시에 전파되는 것처럼 검출 모듈(210)에 의해 감지된다).
제어 유닛(140)은 하나 이상의 처리 유닛 및 연관된 메모리에 저장된 적절한 하드코드 명령어 및/또는 소프트웨어 명령어를 포함하는 컴퓨터 모듈일 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 유닛(140)은 웨이브 빔(IWB)의 전파의 일반적인 방향(OX)을 따라 선택 범위(R)에서 뻗은 특정 거의 일정한 측방향 넓이(W)에 의해 규정된 희망의 질문 영역(RG)을 커버하기 위한 희망의 질문 웨이브 빔(IWB)을 발생시키기 위한 웨이브 빔 발생기 모듈(110)을 제어가능하게 그리고 선택식 작동시키도록 구성되고 작동가능한 웨이브 발생 제어 모듈(120)을 포함하고 있다.
제어 유닛(140)은 또한 타겟 검출 모듈(130)에 접속되어 있다/연관되어 있다. 타겟 검출 모듈(130)은 보통 수신확인 신호 수신기(138)(예를 들어, 적절한 안테나 및/또는 센서/트랜스듀서) 및 가능하게는, 응답기 시스템(200)에 의해 전송된 ACK 신호를 수신/검출하고 가능하게는 이러한 수신된 ACK 신호를 증폭시키기 위한 증폭기(138.A)를 포함하고 있다. 제어 유닛(140)은 수신확인 신호 수신기(138)에 의해 수신된 신호가 아군 응답기(200)로부터 나온 것인지를 확인하고, 그러하다면, "아군-식별" 제어 신호/트리거를 발생시키기 위해 신호를 처리하도록 구성되어 있다. 옵션으로, "아군-식별" 제어 신호는 (디스플레이 또는 스피커와 같은) 적절한 출력 장치에 전송되어 아군이 질문 웨이브 빔에 의해 조사되었다는 것을 운영자에게 경고하고 및/또는 무기/감시 시스템과 연관된 다른 장치에 전송되어 (예를 들어, 장치가 특정 액션의 실행을 차단/활성화하도록(예를 들어, 무기의 발사를 차단하거나, 감시 카메라를 활성화시켜 아군이 식별되는 특정 영역을 포착한다) 지시한다).
일반적으로, 질문 웨이브 빔(IWB)은 적외선 또는 무선 주파수와 같은 전자기파 및/또는 초음파와 같은 음파를 포함하지만 이에 제한되지 않는) 임의의 적절한 타입의 구성 웨이브 빔의 저어도 일부 비간섭성의 결합에 의해 본 발명의 기술에 따라 발생될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 따라서, 시스템(100)의 웨이브 빔 발생기 모듈(110)은 광모듈, 음향 트랜스듀서, 및/또는 전자기(EM) 전송 모듈 및 안테나중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 질문 빔 수신 모듈(210)은 질문 웨이브 빔(IWB)을 감지할 수 있는 적절한 각 광학 센서, EM/RF 수신기/안테나 및/또는 음향 센서(예를 들어, 음향 트랜스듀서 및 가능하게는, 적절한 음파 수집기)를 포함할 수 있다. 또한, 시스템(1)의 다양한 구현예에서 수신확인 신호(ACK)는 광학, EM/RF 및/또는 음파 및/또는 다양한 파장 대역을 갖는 다양한 웨이브 타입을 포함하거나 이러한 타입으로 구성될 수 있다는 것을 유념해야 한다. 따라서 그리고 각각, 시스템(200)의 전송 모듈(220)은 임의의 광학/광 소스/모듈 및/또는 EM/RF 전송 모듈 및/또는 음향 트랜스듀서를 포함할 수 있다(예를 들어, 상기중 임의의 것의 어레이/위상 어레이에 의해 형성될 수 있다). 차례로, 시스템(100)의 타겟 검출 모듈(130)은 광/EM 및/또는 음향 검출 모듈(예를 들어, 광 센서/안테나/마이크로폰)을 포함할 수 있다. 상기 옵션 가능성을 고려하여, 본 발명의 기술을 아는 당업자는 상기 제안된 타입의 가능한 질문 웨이브 빔 및 수신확인 신호중 하나를 사용하여 본 발명의 원리 구현 방법을 용이하게 이해할 수 있다.
상기에도 불구하고, 본 발명의 IFF 시스템의 바람직한 실시예는 광학 질문 웨이브 빔 및 RF 수신확인 신호를 포함한다. 구체적으로, 본 발명의 일부 실시예에 다라, 질문 웨이브 빔(IWB)은 질문 축(OX)을 따라 관심의 영역(RG)을 커버하도록 지향된 실질상 지향성의 빔으로서 형성되어 있다. 또한, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 응답기 시스템(200)은 검출 장치에 대해 동등하게 또는 질문 축(OX)에 대해 응답기 시스템(200)의 상대 방위에 관계없이, 질문 시스템(100)의 타겟 검출 모듈(130)(예를 들어, 센서/안테나(138))에 의해 검출될 수 있는 본질상 전방향(또는 질문될 수 있는 하프-스페이스) 수신확인 신호(ACK)를 발생시키도록 구성될 수 있는 것이 바람직하다. 당업자는 적절한 신호 방출기/안테나/트랜스듀서를 사용하여 이러한 거의 전방향(예를 들어, 적어도 하프-스페이스) 발생 방법을 용이하게 이해할 것이다.
제어 유닛(140)은 또한 비휘발성 메모리(MEM), 및/또는 사용자 인터페이스(UI), 및/또는 입출력(IO) 소자를 포함하거나 연관될 수 있다. 옵션으로, 메모리(MEM)는 (예를 들어, 컴퓨터 판독가능 형태로 암호화된) 질문기의 함수 로직, 및/또는 아군 응답기와의 통신의 인증 및/또는 식별을 위한 사전 할당된 코드/암호 키를 저장하고 있다. 옵션으로, 메모리(MEM) 또는 그 부품은 현장에서 코드 또는 키 갱신/인증을 촉진하기 위해 시스템(1)에 접속가능한 제거가능한 메모리 장치로서 구현될 수 있다. 사용자 인터페이스(UI) 및또는 입출력 소자는 적절한 ACK RF 신호가 질문에 응답하여 수신되었음을 운영자에게 알리는 (스피터 및/또는 디스플레이와 같은) 장치를 포함할 수 있고, 옵션으로, 질문기를 프로그램화하고 그 인증 코드, 모듈레이션 코드 및 암호 키를 갱신하기 위한 접속 인터페이스는 물론, 사용자 조작 버튼 및 광 표시기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 웨이브 빔 발생기(110)는 무기 또는 카메라에 물리적으로 부착될 수 있고, 타겟 검출 모듈(130) 및 제어 유닛(140) 또는 그 일부 부품은 웨이브 빔 발생기(110)로부터 멀리 떨어져 유무선 전송을 통해 통신하는 것이 가능하다.
응답기(200)의 제어기는 일반적으로 응답기(200)의 질문 빔 수신 모듈(210) 및 전송 모듈(220)에 접속되거나 통신한다. 제어기(230)는 하나 이상의 처리 유닛 및 이와 연관된 비휘발성 메모리(MEM2)에 저장된 적절한 하드코딩된 명령어 및/또는 소프트웨어 명령어를 포함하는 컴퓨터 모듈일 수 있다. 메모리(MEM2)는 기능 로직 및 프로그램, 타이밍 시퀀스 또는 식별 코드를 나타내는 다른 모듈레이션 코딩 및/또는 암호 키를 저장할 수 있다. 메모리(MEM2)는 옵션으로 필드에서 코드 및/또는 키 갱신을 돕는 제거가능한 메모리 장치로서 적어도 일부 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 응답기(200)는 또한, 응답기를 프로그램화하기 위해 인터페이스에 접속하고 그 기능 로직 및 코드를 갱신하는 것은 물론, 사용자 인터페이스(UI2)(예를 들어, 사용자 작동 버튼, 디스플레이 및 표시와 같은 입출력 소자(IO2))를 포함할 수 있다.
응답기(200)의 질문 빔 검출 모듈(210)이 질문 웨이브 빔(IWB)에 의해 조사될 때, 질문 빔 검출 모듈(210)에 의해 발생된 검출 신호는 빔(IWB)가 아군 질문기 모듈(100)로부터 나왔는지를 확인하기 위해 제어기(230)에 의해 처리된다. 이에 따라, 제어기(230)는 RF ACK 신호가 발생되고 (예를 들어, 전방향으로) 전송되어야 하는지를 결정하고 그에 따라 전송 모듈(220)을 작동시킨다. 제어기(230)는 질문기가 아군인지를 알아내기 위해 질문기 빔 모듈레이션을 통해 수신된 질문기의 식별 코드를 비교하기 위해, 메모리(MEM2)에 저장된 질문기 식별 코드를 사용할 수 있다. 아군 질문기(100)에 의해 질문을 식별할 때에, 제어기(230)는 ACK RF 신호를 전송하도록 전송 모듈(210)을 작동시키고, 메모리(MEM2)에 저장된 모듈레이션 코드 및/또는 암호 키에 상응하는 희망의 시퀀스에 따라, 이러한 ACK 신호를 모듈화하도록 구동기(D2)를 사용하는 것이 가능하다.
질문기 모듈(100)과 연관된 발사/감시 기기가 관심의 영역을 겨눌 때, 일정한 측방향 넓이를 갖는 방향성 웨이브 빔이 발생기(100)에 의해 발생되고 관심의 영역(RG)을 조사한다. 질문 시스템(100)은 상이한 캐리어에 탑재되기 위해, 상이한 적용을 위해 구성될 수 있다. 질문 웨이브 빔의 질문/작동 범위 및 측방향 넓이는 상이한 실시예에서 상이할 수 있다. 예를 들어, 질문기 모듈(100)은 휴대형 장치(에를 들어, 쌍안경)로부터의 범위를 갖고 단거리 질문(예를 들어, 1,000m에 이른다)을 갖는 캐리어에 탑재가능할 수 있고, 및/또는 4,000-5,000m의 보다 큰 질문 범위를 제공하는 지상 차량 또는 훨씬 더 큰 질문 범위를 갖는 다양한 공중 플랫폼에 탑재되도록 구성될 수 있다. 질문기의 형태, 그 크기, 환경 보호 및 주변 기기가 상이한 구현예에서 상이할 수 있지만, 거의 일정한 측방향 넓이를 갖는 질문 웨이브 빔을 발생시키는 기술은 유사하다. 또한, 동일한 응답기(200)가 상이한 시나리오 및 범위에서 IFF 작동을 가능하게 하는 모든 상이한 질문기와 함께 사용될 수 있다. 반대로, 동일한 질문 시스템(100)이 다양한 응답기 구현예로부터의 수신확인 신호에 응답할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 응답기(200)는 차량 또는 위치에 고정됨으로써 차량, 트레일, 위치 또는 에어리어를 우호적인으로 표시하도록 구성될 수 있다. 응답기(200)는 일부 경우에 소형 장치 및/또는 휴대형/착용가능 장치로서 설계되고 배터리에 의해 작동될 수 있다. 응답기 ACK 신호가 코딩될 수 있기 때문에, 특정 응답기의 위치를 추적하는 것은 (예를 들어, 위치 파악된 아군 및/또는 활동에서 대체된 실종 또는 부상 인력에 대한) 인력의 위치파악에 도움이 될 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템의 오용을 피하고 그 신뢰도를 향상시키기 이해, 질문 신호 및/또는 수신확인 신호는 사전할당된 코드로 코딩되고 옵션으로 (예를 들어, 메모리(MEM)에 저장된 상기 사전결정된 암호 키를 사용하여) 암호화된다. 코딩 및/또는 암호화는 특정 모듈레이션 패턴(예를 들어, 타임 모듈레이션 패턴 및/또는 펄스 시퀀스)를 적용함으로써 실행될 수 있다. 메모리(MEM)는 사전할당된 코드/키를 저장할 수 있다. 이러한 사전할당된 코드는 예를 들어, 아군의 하나 이상의 응답기의 사전할당된 식별 코드, 및/또는 질문 식별 코드 및/또는 암호 키와 같은 사전할당된 모듈레이션 코드를 포함할 수 있다. 제어기(140)(예를 들어, 웨이브 발생 제어기(120))는 이러한 사전할당된 모듈레이션 코드에 상응하는 희망의 모듈레이션 시퀀스에 따라, 질문 웨이브 빔(IWB)을 모듈화하도록 웨이브 빔 발생기 모듈(110)의 구동기(D)를 작동시키는데 사용될 수 있다. 이로 인해 아군 응답기가 질문기(100)를 식별하고 및/또는 그 통신을 인증할 수 있다. 즉, 질문기의 제어기(230)는 질문 웨이브 빔(IWB)에 암호화된 정보를 복호하고 가능하게는 그것을 메모리(MEM2)에 저장된 사전할당된 코드/암호 키를 사용하여 해독할 수 있도록 구성될 수 있다. 질문기의 사전할당된 식별 코드를 포함하는 디코딩된 정보는 질문기(100)를 인증하고 아군 질문기인지를 확인하는데 사용될 수 있다. 이것은 수신된 질문기의 식별 코드를 메모리(MEM2)에 저장된 사전할당된 코드(예를 들어, 사전할당된 질문기의 식별 코드)와 비교함으로써, 또는 질문기의 식별 코등 고유한 다른 특징을 식별함으로써 달성될 수 있다. 긍정적인 매치가 발견되면, 응답기(202)는 수신확인 응답 RF ACK를 방출한다. 일부 경우에, 질문기(100)에 의한 질문에 응답하여, 응답기(200)(예를 들어, 제어기(230))는 수신확인 신호 ACK의 응답기 및/또는 질문기의 식별 코드를 암호화하기 위해 전송 모듈(220)을 작동시키도록 구성되어 있다. 암호화된 응답기의 식별 코드에 의해 질문기(100)는 응답기(200)를 인증할 수 있고, ACK에서 암호화된 질문기의 식별 코드는 수신확인 신호가 동일한 질문기에 의한 질문에 응답된 것임을 보장한다. 응답기(200)의 인증은 ACK에서 전송된 식별 코드를 질문기의 메모리(MEM)에 저장된 코드의 리스트와 비교함으로써, 또는 전송된 식별 코드에 고유한 다른 특징을 식별함으로써 실행될 수 있다. 수신된 ACK 신호가 확실히 질문기 자체의 질문에 응답한 것이고 다른 질문기에 의한 질문으로 인한 것이 아리나는 것을 인증함으로써 IFF 시스템(10)의 신뢰도를 상당힌 향상시킬 수 있고 허위 경보의 비율을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 제어기(140)는 메모리에 저장된 로직 및 타이밍/모듈레이션 시퀀스를 사용하고 이에 따라 다양한 타이밍 시퀀스/모듈레이션으로 반복 질문을 실행하도록 웨이브 빔 발생기(210)를 작동시키고 및/또는 응답기의 ACK 신호가 전송될 수 있는 상이한 가능한 주파수를 스캔하도록 수신 센서(238)에 의해 수신된 신호를 작동/분석하도록 구성될 수 있다. 이로 인해 검출의 가능성을 향상시키고 허위 검출율을 감소시킬 수 있다.
응답기 모듈은 적어도 검출기(수신 유닛)(210)의 전력이 감소되는 절전기능(예를 들어, 대기 모드)을 포함할 수 있다. 이러한 절전 모드에서, 응답기 모듈은 주기적으로 자체 동력화하여 검출기(210)를 작동시켜 활성 신호(예를 들어, 아래에서 초기 시퀀스로도 부른다)의 존재를 검출한다. 따라서, 응답기 모듈은 사전결정된 주기의 특정 기간 동안 (검출 모드에서) 활성화된다(예를 들어, 100 밀리초 당 5 밀리초 동안 활성화된다). 이러한 작동 모드는 질문기 빔 데이터 전송이 순차 펄스로 또는 순차 웨이브 빔으로서 전송 시퀀스의 형태로 활성화 신호에 의해 선행될 것을 필요로 한다. 이러한 활성화 신호의 목적은 응답기를 활성화시키는 것이고, 활성화 신호의 전송 시퀀스는 응답기가 비활성화된 기간 보다 킨 시간 간격 동안 확장되어 질문 빔의 데이터 시퀀스가 응답기 모듈의 검출기에 의해 손실되지 않도록 보장한다. 일단 활성화 시퀀스가 응답기 모듈의 검출기에 의해 수신되면, 응답기 모듈의 검출기는 질문기 모듈에 의해 발생된 희망의 웨이브 빔(및 그 안에 포함된 임의의 데이터)을 수신하도록 준비되고 이러한 전송된 희망의 웨이브 빔을 수신하도록 충분히 길게 활성 상태로 남아 있다.
예를 들어, 응답기 모듈이 100 밀리초의 주기 마다 5 밀리초의 기간 동안 활성화되는 경우에, 질문기 모듈에 의해 발생되는 활성화 신호는 그 검출을 보장하기 위해(즉, 응답기의 전력 하강 사이클 타이밍에 관계없도록) 95 밀리초를 약간 넘어 걸쳐 있어야 한다. 옵션으로, 활성화 신호는 질문 웨이브 빔에서 인코딩된 초기 시퀀스가다. 대안으로, 질문기 모듈은 활성화 신호를 방출하도록 구성된 전용 전송기(예를 들어, RF 방출기)를 포함하고 있다. 후자의 경우에, 응답기(200)는 활성화 신호를 검출하도록 구성된 수신기(도면에 구체적으로 도시되어 있지 않음)를 포함할 수 있고 응답기의 다른 모듈은 이러한 활성화 신호가 수신될 때까지 전력 하강 모드로 남을 수 있다.
이제 도 6b에서, 본 발명의 실시예에 따른 IFF 시스템(1)의 보다 구체적인 예가 도시되어 있다. 여기에서, 질문 시스템(100)은 2개 이상 결합된 웨이브 빔을 발생시키도록 구성되고 작동가능하여서 각 결합이 2개 이상의 적어도 일부 비간섭성을 갖고 적어도 일부 중첩된 구성 웨이브 빔을 거의 동시 생성하는 것을 포함하는 웨이브 빔 발생기 모듈(110)을 포함하고 있다.
여기에서, 제어기(도 6a의 140)는 표적 검출 모듈(130)과 연관되고 아래에 보다 상세하게 기술되는, 웨이브 발생 제어기(120) 및 추가 모듈(132, 134, 136)을 포함하는 다수의 제어기 모듈로서 기술되어 있다. 웨이브 발생 제어기(120)는 웨이브 빔(IWB)의 일반적인 전파 방향(OX)을 따라 선택 범위(R) 동안 확장되는 특정 거의 일정한 측방향 넓이(W)에 의해 규정된 희망의 질문 영역(RG)을 덮는 희망의 질문 웨이브 빔(IWB)을 발생시키기 위해 웨이브 빔 발생기 모듈(110)을 제어가능하게 그리고 선택적으로 작동시키도록 구성되고 작동가능하다. 웨이브 발생 제어기(120)는 적어도 질문 영역(RG) 내의 특정 최소 강도 및 이러한 영역(RG) 외측의 보다 낮은 강도를 갖는 희망의 질문 웨이브 빔(IWB)을 생성하는 중첩을 갖는 구성 웨이브 빔의 결합(예를 들어, WB1, WB2)을 선택한다. 따라서, 응답기 시스템(200)이 질문 영역(RG) 안에 위치될 때, 질문 웨이브 빔을 검출할 수 있고 ACK 신호로 응답할 수 있다.
다음에서, 일반성의 상실 없이, 그리고 다음의 도면의 설명을 단순히 하기 위해, 시스템(100, 200) 각각에 의한 (적외선 광과 같은) 광학 질문 웨이브 빔(IWB)의 발생 및 수신이 일부 경우에 고려된다. 이를 위해, 질문 웨이브 빔 발생기 모듈(110)은 예를 들어, 웨이브 빔 소스(110.1)로서 기능하는 레이저 및 광학 장치(110.2)를 형성하도록 배치된 광학 소자를 포함할 수 있고, 질문 빔 수신 모듈(210)은 고아학 검출 모듈(예를 들어, 광 검출기/센서 및 적절한 광학부)을 포함하고 있다. 또한, 이해를 위해, 다음의 설명에서, 수신확인 신호(ACK)는 질문 시스템(100)의 (RF 수신기(138)를 포함하는) 표적 검출 모듈(130) 및 (예를 들어, RF 전송기를 포함하는) 응답기(200)의 전송 모듈(220)에 의해 각각 발생되고 수신되는 EM 신호(예를 들어, 무선(RF) 신호)로 생각한다.
본 예에서, 질문 빔 수신 모듈(210)은 상이한 각도로 응답기 시스템(200)에 입사되는 질문 빔(IWB)을 검출하도록 배치될 수 있는 하나 이상의 검출 모듈(212.1 내지 212.k)을 포함할 수 있다. 보통, 검출 모듈(212.1 내지 212.k)은 적어도 2π 스테라디안(반구)의 입체각 안의 임의의 곳으로부터 입사된 질문 웨이 빔을 검출할 수 있도록 배치되어 있어, 응답기 시스템(200)이 주요 방위에 대해 적어도 ±90°의 각도를 보통 이루는, 입체각 θ 안의 공간의 임의의 곳으로부터 나온 질문 웨이브 빔(IWB)에 응답할 수 있다. 기하학적으로 단일 검출 모듈도 가능하지만, 실제로, 충분한 감도로 반구형의 검출 입체각을 커버하기 위해, 3개 이상의 검출 모듈(212.1 내지 212.k)이 가능하다. 구체적으로, 질문 웨이브 빔(IWB)이 반구의 일부에 입사될 때 일부를 모으기 위한 수집 개구(CA)를 포함하거나 연관되어 있다. 질문 빔 수신 모듈(210) 및 검출 모듈(212.1 내지 212.k)의 구성 및 동작은 도 11a-도 12d를 참조하여 아래에 보다 상세하게 기술되어 있다.
적어도 3개의 검출 모듈(212.1 내지 212.k)의 수집 개구(CA)는 보통 적어도 일부 중첩하는 수집 입체각으로 구성되어 있다. 이러한 중첩에 의해 실제에서 사각지대가 전혀 발생하지 않도록 보장된다. 상술된 바와 같이, 일부 실시예에서, 적어도 3개의 검출 모듈(212.1 내지 212.k)의 수집 개구(CA)는 적어도 반구의 입체각(2π 스테라디안) 내의 임의의 장소로부터 입사된 질문 웨이브 빔(IWB)의 부분을 수집하도록 배치되고 구성되어 있다.
이를 위해, 일부 실시예에서, 적어도 3개의 검출 모듈의 수집 개구(CA)가 정볼록 다면체(PS)의 적어도 3개의 면에 (예를 들어, 공통 평면에/평행하게) 각각 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 6b에 도시된 바와 같이, 검출 모듈(212.1 내지 212.k)와 각각 연관된 수집 개구(CA-1 내지 CA-k)는 다면체(PS)의 적어도 하나의 정점(V)을 둘러싸는 플라톤의 입체(PS)의 3개의 면에 배치되고/평행하고 각 수집 개구의 수집의 각도 폭은 각 면의 모든 포인트를 완전히 덮는다. 이러한 배치는 (예를 들어, 반구의) 희망의 전체 입체각에서 비간섭 각도 범위를 제공한다. 일부 경우에, 검출 모듈(212.1 내지 212.k)은 원뿔의 기부가 상기 면의 정점을 둘러싸는 원이고 수집 개구(CA-1 내지 CA-k)가 이러한 원뿔에 의해 경계지어진 원이고, 이러한 원 각각이 플라톤의 입체의 면에 평행하도록 원뿔에 의해 수집 각도가 경계지어지도록 구성되어 있다. 일부 실시예에서, 이러한 수집 원뿔의 꼭지각은 질문 웨이브 빔 수렴이 희망되는 전체 입체각으로부터 사각지대를 감소시키고 및/또는 제거하도록 플라톤의 입체의 정점을 둘러싸는 원으로 형성된 각도 보다 크게 되어 있다. 수집 개구(CA-1 내지 CA-k)는 다양한 플라톤의 입체의 면에 평행하게 배치될 수 있고 도 6b의 특정 플라톤의 입체가 모듈(210)의 일부를 형성하지 않고 단지, 본 발명의 실시예에 따른 수집 개구(CA-k)의 하나의 가능한 배치를 예시하도록 도시되어 있다는 것을 이해해야 한다.
상술된 바와 같이, 일부 실시예에 따라, 질문 웨이브 빔 수신 모듈(210) 및/또는 전체 응답기 시스템(200)이 사람에 의해 착용되는 착용가능한 장치로서 구성될 수 있다. 질문 웨이브 빔 수신 모듈(210) 및/또는 전체 응답기는 헤드기어에 부착되거나 배낭 또는 장비 조끼와 같은 신체 착용 기기/군복에 장착될 수 있다. 일부 경우에, 각각 질문 웨이브 빔을 검출하기 위한 반구의 범위를 갖는 2개의 응답기 시스템(200)(예를 들어, 2개 이상의 질문 빔 수신 모듈(210)을 갖는 분배 시스템으로서 구성된 단일 응답기 시스템)이 각 사람에 의해 장착/착용되어 (예를 들어, 헤드기어의 전후방에, 및/또는 군복의 좌우측에서) 사용되어 서로의 범위의 구역을 보완할 수 있다. 예를 들어, 전문가의 상박에는 보통 장비가 없기 때문에, 일부 실시예에서, 질문 빔 수신 모듈(210) 및/또는 전체 응답기 시스템(200)은 좌우측으로부터 질문 웨이브 빔을 검출하기 위해 장착되고 방위지정되도록 구성될 수 있다. 이러한 응답기의 수신 모듈(210)의 위치는 개인/착용자에게 편리하고 방해되지 않는다. 일부 실시예에서, 응답기(200)는 상박의 상부(예를 들어, 어께 또는 어깨끈)에 적어도 질문 빔 수신 모듈(210)을 장착하기 위한 장착 부재(예를 들어, 고정물; 도면에는 구체적으로 도시되어 있지 않다)를 포함하고 있다. 예를 들어, 응답기(200)는 조정가능한 길이의 벨크로 띠 또는 적절한 소매/어깨 고정물을 사용하여 팔에 고정될 수 있다. 이러한 반구의 각도 범위를 갖는 2개의 상박에 장착된 응답기는 4π 스테라디안(구의 입체각)의 완전한 범위를 제공할 수 있다.
상술된 바와 같이, 인증 질문 웨이브 빔(IWB)의 검출에 응답하여, 응답기 시스템은 수신확인 신호(ACK)를 전송한다. 이어서, 질문기(100)의 수신확인 신호 수신기(138)(예를 들어, RF 수신기)는 수신확인 신호(ACK)를 수신하고 표적 검출 모듈(130)은 이것을 처리하여 인증 응답기가 질문 빔의 질문된 영역(RG)(범위 R 및 측방향 넓이 W) 안에 있는지를 식별한다.
이러한 예에서, 표적 검출 모듈(130)은 또한, 옵션으로, 수신기(138)에 접속가능한 통신 제어기(136)를 포함한다. 통신 제어기(136)는 하나 이상의 통신 채널(예를 들어, RF 채널)을 감시하고 응답기 시스템(200)으로부터 수신확인 신호(ACK)를 수신하기 위한 특정 통신 채널을 (예를 들어, 채널의 간섭 레벨에 기초하여) 선택하도록 구성되어 있다. 통신 제어기(136)는 질문 웨이브 빔에서 선택 채널의 식별 코드를 암호화하여 이러한 코드를 응답기 시스템(200)에 전송하도록 구성될 수 있다. 이로 인해 특정 통신 채널에서의 통신이 최적화된다.
이를 위해, 다음에서 더 설명되는 바와 같이, 질문 웨이브 빔(IWB)은 펄싱 빔일 수 있고 정보/데이터에 의해 코드화되어 응답기(200)에 전달될 수 있다. 일부 경우에, 질문 웨이브 빔(IWB)의 일련의 펄스에서의 펄스의 부재 또는 존재가 응답기(200)에 전송될 데이터를 암호화한다. 마찬가지로, 응답기 시스템(200)의 수신확인 신호는 데이터를 암호화하도록 설계되어 있다. 함께, 질문 웨이브 빔의 코드화 및 수신확인 신호의 코드화는 질문기와 응답기 사이의 양방향 통신에 영향을 준다. 이러한 통신으로 인해 질문기 시스템(100)으로부터 응답기 시스템(200)으로 (식별 코드와 같은 다른 데이터는 물론) 우선 수신확인 채널을 전송할 수 있다. 다른 형태의 데이터 암호화가 다른 적절한 통신 방법(예를 들어, 펄스 위치 및/또는 진폭 변조 및/또는 시퀀스 주파수 변조를 사용함으로써), 또는 옵션으로 그리고 대안으로 추가 RF 채널을 질문기로부터 수신기로 데이터를 전송하기 위해 추가함으로써 질문 웨이브 빔(IWB) 및/또는 수신확인 신호(ACK)의 데이터를 암호화하기 위해 대안으로 사용될 수 있다는 것은 분명하다.
본 발명의 일부 실시예에서, 표적 검출 모듈(130)은 웨이브 빔 제어기(120)를 동작시키고 및/또는 웨이브 빔 발생 모듈(110)을 직접 동작시켜 질문 웨이브 빔(IWB)을 발생시키고 가능하다면 사전결정된 질문 프로토콜에 따라 질문 데이터를 암호화하도록 구성된 질문 제어 모듈(134)을 포함하고 있다. 따라서, 응답기 시스템(200)의 제어기는 수신된 질문 웨이브 빔(IWB)을 처리하고, 그 안의 질문 데이터를 해독하고, 전송 모듈(220)을 작동시켜, 수신확인 데이터로 암호화될 수 있는 적절한 수신확인 신호(ACK)를 전송하도록 구성되어 있다.
이를 위해, 표적 검출 모듈(130) 및 제어기(230)의 동작은 상호보완적이고 사전결정된 질문 프로토콜에 따라 질문기와 응답기 사이에 양방향 통신을 제공한다. 일부 경우에, 양방향 통신에 의해, 질문을 인증하기 위해 질문기 시스템(100)의 코드를 식별하는 것, 응답기 시스템(200)을 인증하기 위해 응답기의 코드를 식별하는 것; 인지가 동일한 질문기 시스템(100)에 의한 질문에 응답하도록 보장하기 위해 수신확인 응답에서 질문기의 코드를 식별하는 것; 향상된 정확도 및 신뢰도로 응답기 시스템(200)의 위치를 분석하는 것; 응답기 시스템(200)이 사전결정된 시간 간격/지속시간 동안 유휴/절전 모드가 되도록 하여 절전하고 주어진 배터리 용량에 대해 그 동작을 연장하는 것; 및 다른 시스템으로부터의 RF 간섭을 줄이는 것은 물론 다수의 상호 질문되는 응답기의 수신확인 신호(ACK) 사이의 간섭의 가능성을 줄이는 것중 하나 이상을 용이하게 한다. 표적 검출 모듈(130)의 모듈(134, 136)의 질문 프로토콜 및 동작 및 제어기(230)의 동작은 도 8 내지 도 10을 참조하여 아래에 보다 상세하게 설명되어 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 표적 검출 모듈(130)은 또한 상이한 질문 영역을 커버하고, 예를 들어, 상이한 방향 및/또는 상이한 범위(R) 및/또는 상이한 측방향 넓이(W)를 갖는 2개 이상의 사이한 질문 웨이브 빔(IWB)(예를 들어, IWB1 내지 IWB3)의 순차 발생을 위한 웨이브 발생 제어기(120)를 순차 작동시키도록 구성되고 동작가능한 질문 웨이브 빔 스캐닝 모듈(132)을 포함하고 있다. 이로 인해, 하나 이상의 상이한 질문 웨이브 빔에 질문되는("조사되는") 응답기 시스템(200)의 위치의 향상된 추정/결정이 가능하다. 응답기(200)는 수신확인 응답 신호(ACK)에서, 응답기(200)에 의해 감지되는, 각 질문 빔의 강도를 나타내는 강도 데이터를 암호화하도록 구성되고 작동될 수 있고, 이러한 ACK 신호를 수신하는 표적 검출 모듈은 ACK에 암호화된 강도 데이터를 해독하고 각 질문 웨이브 빔이 얼마나 강하게 응답기(200)에 의해 수신되었는지를 알 수 있다.
이를 위해, 질문 웨이브 빔 스캐닝 모듈(132)은 상이한 각 질문 빔(예를 들어, IWB1 내지 IWB3)의 범위 및 측방향 넓이에 기초하여 강도 데이터를 처리하고 향상된 정확도로 응답기 시스템(200)의 위치를 추정하도록 구성되어 있다. 또한, 옵션으로, 강도 데이터는 (예를 들어, 강도의 양적 값/단위로서, 또는 응답의 품질을 나타내는 양적 등급으로서) 질문 시스템 오퍼레이터에 표시될 수 있어서, 오퍼레이터가 질문의 품질을 추정하고 응답하고 이러한 질문이 (예를 들어, 동일하거나 상이한 질문 웨이브 빔으로) 반복되어야 하는지를 산정할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 질문 웨이브 빔 스캐닝 모듈(132)은 다음의 동작을 실행하도록 구성되고 동작가능하다.
i. 희망의 측방향 넓이 및 범위를 갖고 옵션으로 희망의 방향으로 조준된 2개 이상의 가능한 질문 웨이브 빔(IWB)중 하나를 발생시키도록 웨이브 발생 제어기(120)를 작동시키는 동작.
ii. 인증된 수신확인 응답 신호가 발생된 특정 질문 웨이브 빔(IWB)에 의한 질문에 응답하여 응답기 시스템(200)으로부터 취득되었는지를 알아내는 동작. 이러한 스캐닝 모듈(132)은 질문 제어 모듈(134) 및/또는 이로부터 검출된 수신확인 신호를 나타내는 데이터 및 가능하다면 이러한 수신확인 신호에 암호화된 데이터를 나타내는 데이터(예를 들어, 질문 웨이브 빔이 응답기 시스템(200)에 의해 수신되는 강도/크기를 나타내는 강도 데이터)를 수신하고, 가능하다면 이러한 강도 데이터를 저장하기 위한 수신기(138)에 접속될 수 있다.
iii. 2개 이상의 질문 웨이브 빔에 대해 (i) 및 (ii)를 반복하는 동작; 및
iv. 범위(Rn) 및 측방향 넓이(Wn) 및 옵션으로 2개 이상의 질문 웨이브 빔(IWB)의 방향(OXn)중 적어도 하나에 따라 2개 이상의 질문 웨이브 빔의 각각에 대해 (ii)에서 취득된 강도 데이터를 처리하여 질문기 시스템(200)이 위치될 수 있는 가능한 구역/위치를 향상된 정확도 및 신뢰도로 알아내는 단계.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 응답기(200(1), 200(2))의 존재를 관심의 영역에서 검출하고 가능하다면 이들의 위치를 대략적으로 파악하도록 질문 웨이브 빔 스캐닝 모듈(132)에 의해 실행되는 다수의 질문의 도면이다. 스캐닝은 각각 상이한 구성 웨이브 빔으로 형성되어 있고 상이한 범위 및/또는 측방향 넓이를 갖는 다수의 질문 웨이브 빔에 의한 순차 질문을 사용하여 실행된다. 이러한 예에서, (정사각형으로 표시된) 원거리 표적(T)의 질문이 실행되고, 응답기(200(2))를 가진 의도치 않은 행인이 보다 가까운 범위에 (삼각형으로 표시되어) 위치되어 있다. 질문 시스템(100)의 오퍼레이터는 그의 주의가 원거리 표적에 초점 맞추어져 있기 때문에 행인을 알아챌 수 없다. 도 7a 내지 도 7c는 도 3e에서 설명된 것과 유사한) 질문 웨이브 빔(IWB3, IWB1 및 IWB2)에 의해 실행되는 3개의 질문을 각각 도시하고 있다. 웨이브 빔(IWB3)에 의한 질문은 표적(T)이 응답기를 휴대하거나 (그리고 아군이거나) 응답기를 휴대하지 않는지 (따라서 적군으로 추정되는지)에 관계없이 행인의 응답기(200(2))로부터의 수신확인 신호를 도입한다. 그러나, 이러한 문제는 수신확인 응답기(200(2))의 위치를 보다 양호하게 분석하기 위해 추가 상이한 질문 웨이브 빔으로 반복 질문을 질문 웨이브 빔 스캐닝 모듈(132)이 실행할 수 있기 때문에 해결된다. 구체적으로, 이러한 예에서, 2개의 추가 질문이 상이한 범위 및/또는 측방향 넓이를 갖는 웨이브 빔(IWB1, IWB2)에 의해 실행된다. 이러한 예에서, 웨이브 빔(IWB3)이 약 200 내지 4,000m의 질문 범위를 커버하지만, 질문 웨이브 빔(IWB1, IWB2)는 각각, 약 200 내지 1,600m 및 1,400 내지 4,000m의 2개의 상이한 거리 범위와 일치한다. 따라서, 도면에 도시된 바와 같이, 행인(200(2))으로부터의 응답은 웨이브 빔(IWB2)과의 질문에 의해 수신되지 않지만 웨이브 빔(IWB1)과 사용될 때 수신된다. 이러한 방식으로, (예를 들어, 각각 상이한 특정 범위 동안 일정한 측방향 넓이를 갖는) 상이한 질문 웨이브 빔에 의한 순차 발생 및 질문에 의해 표적(T)과 응답기(200(2))를 휴대한 행인 사이의 식별이 가능하다. 이로 인해 응답기(200)의 위치와 관련된 정보(예를 들어, 거리/측방향 위치)를 취득하기 위한 정교한 질문 스캐닝 처리/기술을 얻을 수 있다.
상이한 범위에서의 질문은 보다 많은 범위 및 측방향 넓이 세그먼트를 발생시키도록 추가 웨이브 빔 구성부를 추가함으로써, 또는 각 웨이브 빔 구성부를 별개로 사용함으로써 확장될 수 있다는 것을 유념해야 한다. 상기 3-빔 예에서, 웨이브 빔 발생기(110)에 의해 생성될 수 있는 구성 빔(B10-B12)의 다수의 가능한 조합을 사용함으로써 6개의 질문 범위 세그먼트, 즉, 별개의 구성 빔(B10-B12)의 각각, 및 이들의 3개의 조합(IWB1-IWB3)을 발생시킬 수 있다. 질문 제어 모듈(134), 및/또는 질문 웨이브 빔 스캐닝 모듈(132)은 질문되는 지정된 구역에서의 응답기의 존재 또는 부재를 알아내기 위해 논리 처리를 적용하도록 구성되고 동작가능하다.
IFF 시스템(1)의 추가 장점은 준 가시선 시나리오에서 질문하는 기능히다. 도 7d 및 도 7e는 이러한 상황의 2개의 예를 개략적으로 도시하고 있다. 도 7d는 불투명한 물체, 예를 들어, 벽(WL) 뒤에 위치되어 질문 웨이브 빔(IWB)의 직접 시선에 있지 않은 IFF 응답기(200)를 도시하고 있다. 그럼에도 불구하고, 근방에, 질문 빔을 후방 반사하거나 후방 산란시킬 수 있는 (BSC) 제2 벽(WL2)과 같은 물체가 있다면, 응답기는 질문을 검출하도록 충분히 강한 신호를 수신할 수 있다. 유사한 상황이 초목(도 7e) 또는 그물과 같은 다른 부분 차단 부재 뒤에 위치된 응답기에 일어날 수 있다. 초목(VG)이 직접 조명을 차단할 만큼 충분히 밀집되어 있을 때도, (예를 들어, 작은 잎 또는 가지에 의해) 전방으로 산란된 질문 웨이브 빔(IWB)의 부분(FSC)은 충분한 강도를 갖고 있어서 응답기(200)에 의해 검출가능하다. 보통 이러한 산란 효과는 일정한 측방향 넓이 질문 웨이브 빔(IWB)에 의해 달성되는 국재성을 손상하지 않는다. 이것은 (예를 들어, 불투명하거나 반불투명한 물체로부터) 반사되거나 산란된 입사 웨이브 빔의 부분이 일반적으로 비교적 짧은 거리에서 감쇠되기 때문이다. 이에 따라, 산란/바사 부분은 질문 지점의 측방향 넓이에 대략 일치하는 치수의 영역에 한정된 응답기에 의해서만 검출가능하다. 예를 들어, 산란된 질문 광으로부터의 충분한 강도는 일반적으로 산란부로부터 수 미터 보다 큰 거리에서 취득되지 않아서, 일반적으로 약 10 내지 30m의 측방향 직경을 갖는 전형적인 질문 웨이브 빔의 측방향 넓이를 초과하지 않을 것이다.
ACK 신호의 강도 데이터를 암호화하고 및/또는 웨이브 빔 스캐닝을 실행하여 응답기를 조사/위치파악하는 본 발명의 시스템의 기능의 장점은 공칭 검출 임계값과 비교하여 응답기의 실제 검출 임계값의 가능한 편차와 관련하여 고려할 때 보다 더 잘 이해될 수 있다. 다시 도 3e에서, 응답기(200)가 질문 웨이브 빔을 검출할 수 있어야 하고 이에 따라 응답할 수 있어야 하는 빔(IWB1-IWB3)의 질문 영역을 규정하는/둘러싸는 실선 윤곽으로서 응답기(200)의 공팅 검출 임계값(TRSH)의 예가 도시되어 있다. 그러나, 이러한 공칭 검출 임계값으로부터의 편차는 검출 공정을 통제하는 일부 요인은 물론 정확한 측방향 넓이(W)로부터의 질문 빔 폭의 편차를 포함하는, 다수의 실제 요인으로 인해 일어날 수 있다. 이러한 검출 임계 허용오차(TR1, TR2)(공칭 임계값으로부터 약 ±30%의 편차)가 파선으로 도면에 도시되어 있다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 응답기 시스템(200)의 검출기/검출 모듈은 비교적 넓은 각도의 원뿔로부터 광/질문 웨이브 빔을 수집하도록 설계되어 있다. 보통, 풀 각(즉, 꼭지각) 값은 60, 90, 및/또는 108도의 범위를 가질 수 있다. 이러한 상황에서, 질문 웨이브 빔은 법선을 큰 각도로 벗어나 수집 개구/검출 모듈에 입사되어서 비범선 각도의 코사인에 의해 검출 모듈의 유효 수집 면적을 감소시킬 수 있다. 60, 90 또는 108도의 범위의 꼭지각에 대해, 검출 임계값은 1/cos(60°/2)=l/0.87=1.15, 1/cos(90°/2)=1/0.71=1.41 또는 1/cos(108°/2)=1/0.59=1.7의 인수에 의해 각각 증가된다. 즉, 검출 임계값에 도달하기 위해 보다 큰 강도가 필요하다. 따라서, 108°의 수집의 풀 각(꼭지각)을 갖는 검출기에 대해, 검출 감도는 법선 입사와 비교하여 법선에 대해 54°에서 빔 입사에 대해 약 30% 만큼 감소되고, 다른 허용오차에 대해 약간의 허용량이 발생한다. 또한, 검출기의 감도의 일부 차가 편차가 제작 공차, 시간 열화 및/또는 환경 요인, 프레넬 반사로 인한 손실, (예를 들어, 먼지로 인한) 검출기의 수집 개구/윈도우의 전송율 편차, 대기를 통한 질문 웨이브 빔의 감쇠, 및 증폭기의 전자 이득의 편차(예를 들어, 미미한 배터리 전력으로 인한 성능 열화)와 같은 다양한 요인으로 인해 발생할 수 있다.
검출 감도/임계값의 이러한 편차로 인해 질문 영역의 에지에 가까이에 일어나는 질문의 정교함에 대해 불확실성이 나타날 수 있다. 질문 빔이 (예를 들어, 사전결정된 최소 임계값(TR1)에 가까운) 비교적 낮은 강도로 검출되었다는 것을 (예를 들어, 강도 데이터에서) 나타내는 시스템의 기능은 질문의 품질에 대해 중요한 피드백을 제공한다. 이러한 표시는 변하는 질문 파라미터로 질문을 반복하도록 및/또는 이러한 파라미터를 시스템의 오퍼레이터에게 나타내도록 표적 검출 모듈(130)에 의해 사용될 수 있다. 또한, 수신되는 수신확인 신호가 전혀 없는 경우에(조명 강도가 규정된 검출가능한 값 바로 아래에 있는 경우에), 상이한 특성(예를 들어, 질문 웨이브 빔 스캐닝)의 질문 웨이브 빔을 갖는 다수의 질문을 사용하면 검출의 기회를 증가시킬 수 있고 IFF 시스템을 정교하게 구현할 수 있다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 다른 시스템(100, 200)에 의해 사용되는 질문 방법을 개략적으로 도시한 도 8에 대해 설명한다. 구체적으로, 방법(300)은 질문 시스템(100)에 의해 실행된 질문 프로세스를 설명하고 방법(400)은 응답기 시스템(200)에 의해 실행되는 보완적인 응답 프로세스를 설명하고 있다. 질문 및 응답 방법(300, 400)의 동작/단계의 일부는 옵션이고 본 발명의 다양한 실시예에서 불필요할 수 있고 및/또는 상이한 순서로 실행될 수 있다. 또한, 간결성을 위해, 질문기 및 응답기 시스템의 각각의 인증 코드를 전송하는 프로세스는 이러한 방법의 설명에서 생략되어 있다.
옵션의 동작(310)에서, 질문 시스템(100)은 시스템(100)의 근처에서 다른 통신 장치로부터의 감소된 간섭과 연관된 비간섭 수신확인(ACK) 채널/통신-파라미터를 알아내도록 동작한다. 이러한 동작은 예를 들어, 수신확인 신호 수신기(138)가 다수의 채널/주파수-대역에서 ACK 신호를 검출하도록 튜닝가능할 때 그리고 특히 ACK 신호가 RF 수신확인 신호일 때 사용될 수 있다. 310에서, 예를 들어, 안테나 및 RF 수신 회로를 포함하는 수신기(138)는 튜닝될 수 있는 특정 채널에서 신호를 수신하고 통신 제어기(136)는 수신기(138)에 의해 수신된 신호를 감시하고(예를 들어, 해당 채널) 분석하고(예를 들어, 시스템(100)이 배치된 RF 환경을 감시한다) 해당 채널이 통신 신호를 수신하기에 적절하거나 강한 간섭을 받고 있는지 여부를 알아낸다/식별한다. 간섭이 검출된다면, 통신 제어기는 보다 낮은 간섭을 가진 상이한 채널(예를 들어, 빈 채널)을 자동으로 선택할 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 통신 제어기(136)는 튜닝가능한 하나 이상의 채널을 스캔하고 특정 기간 동안 이러한 채널의 각각에서 수신된 임의의 신호를 감시하도록 수신기(138)를 작동시킨다. 그다음, 통신 제어기(136)는 각 채널에서 수신된 신호를 분석하고 다른 채널과 비교하여 낮은/감소된 간섭을 갖는 ACK 신호를 수신하는데 사용되도록 선호되는, 빈 채널 및/또는 가장 빈 채널을 결정한다. 선택된 빈/비교적 빈을 나타내는 데이터(예를 들어, 채널 번호/RF 대역)가 동작(332.2)과 관련하여 아래에 더 설명되는 바와 같이 질문 웨이브 빔에 의해 응답기(200)에 전송된다. 이러한 규정에 의해 시스템은 간섭이 없는/낮은 것으로 감시된 채널(RF 채널)에서 작동하는 것을 보장하여 시스템(100, 200)의 동작의 정교함을 향상시킨다.
옵션의 동작(320)에서, 질문 웨이브 빔의 특성은 질문 웨이브 빔(IWB)이 희망의 측방향 빔 넓이/폭 및 희망의 범위를 커버하도록 결정된다. 일부 실시예에서, 시스템(100)은 (예를 들어, 영역의 범위, 폭 및 가능하다면 특정 질문 웨이브 빔의 방향을 규정함으로써) 희망의 질문 영역이 하나 이상의 질문 웨이브 빔에 의해 커버/질문되도록 조작자가 규정할 수 있는 사용자 인터페이스와 연관되어 있다. 대안으로 또는 추가로, 시스템(100)에 의해 커버/질문되는 영역/범위/폭에 기초하여, 질문 웨이브 빔 스캐닝 모듈(132)(질문 웨이브 빔 스캐닝이 실행되는 경우), 및/또는 질문 제어 모듈(134)이 연속 단계에서 발생되는 질문 웨이브 빔의 희망의 특성을 결정하기 위해 작동된다.
동작(330)에서, 특정 표적 영역을 질문하기 위해 그리고 응답기가 질문된 영역에 위치되어 있는지를 검출/알아내기 위해 질문 세션이 실행된다. 동작(300)은 (상호보완 방식으로 작동하도록) 질문 시스템(100) 및 응답기(200) 모두에 의해 구현되는 특정 질문 프로토콜/방법에 기초하여, 질문 시스템(100)에 의해 실행된다. 이를 위해, 상호보완 동작/방법(400)이 질문 시스템(100)에 의해 실행된 동작(300)에 응답하여 응답기(200)에 의해 실행된다.
아래에서, 동작(330)은 응답기(200)가 위치되거나 위치될 수 없는 표적 영역을 질문하기 위해 시간 순차적으로 보통 실행되는 2개의 단계(332, 334)로 분할된다. 단계(332)에서, 표적 영역이 질문되고, 단계(334)에서, 수신확인 신호가 질문된 표적 영역에 위치되어 있는 경우에 응답기(200)로부터 수신된다. 이에 따라, 동작(400)은 또한 응답기(200)가 각각 시스템(100)으로부터의 질문 웨이브 빔을 검출하고 처리하고, 이러한 질문 빔이 검출된 경우에, 적절한 ACK 신호로 응답하도록 시도하는 2개의 상호보완적인 단계(432, 434)로 분할된다. 동작(330, 400)의 일부 하위 단계/동작은 옵션이고 본 발명의 일부 실시예에서만 질문 프로토콜에 따라 실행된다.
일부 실시예에 따라, 응답기(200)에서 작동되는 배터리의 수명/작동 시간을 연장하기 위해, 질문-빔 수신 모듈(210) 및/또는 그 검출 모듈/회로는 전자장치의 대부분이 정지되는 절전 모드로 대부분 작동될 수 있다. 일부 실시예에서, 응답기는 각 사이클의 끝에서, 예를 들어 5ms 동안 자동으로 활성 상태로 턴온되고 질문 웨이브-빔/펄스가 검출되는지를 체크하는 약 100ms의 대기 사이클로 작동한다. 이것은 다음에서 설명되는 초기 시퀀스(332.1) 및 초기치 검출 프로시져(432.1)를 사용함으로써 본 발명의 일부 실시예에 따라 가능하다.
이를 위해, 옵션의 작동(332.1)에서, 질문기 시스템(100)은 (예를 들어, 실제 질문 데이터/신호를 전송하기 전에) 질문 웨이브빔(IWB)의 초기 시퀀스(예를 들어, 일련의 "웨이크 업" 펄스)를 암호화하고 전송함으로써, 질문 세션을 초기화한다. 구체적으로, 질문 제어 모듈(134)은 질문되는 응답기 시스템(200)의 사전결정된 대기 지속시간 보다 긴(예를 들어, 95ms 보다 긴) 지속시간 동안 뻗는 초기 시퀀스를 질문 웨이브 빔(IWB)에서 암호화한다. 이러한 웨이크 업 시퀀스가 대기 지속시간 보다 길다면, 응답기 시스템(200)은 비동기인 이러한 지속시간에 관계없이 대기 모드로부터 활성 모드로 회복시 초기 시퀀스를 항상 식별할 수 있다.
보통, 초기 시퀀스에서, 일련의 초기화 세그먼트는 질문 빔(IWB)에서 순차 암호화된다. 초기 시퀀스의 지속시간은 보통 초기화 세그먼트의 적어도 하나의 지속시간 만큼 사전결정된 대기 시간 보다 길어서, 응답기 시스템은 대기 모드로부터 회복시 초기화 세그먼트중 적어도 하나를 식별할 수 있다.
예를 들어, 초기 시퀀스는 질문 빔의 펄스의 세트를 포함할 수 있다. 이러한 펄스의 세트는 사전결정된 박복율을 가질 수 있고, 초기화 세그먼트는 이러한 세트에서, 이러한 반복율을 갖는 사전결정된 수의 반복된 펄스에 의해 형성된 하위 시퀀스로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 초기화 세그먼트는 질문 빔의 사전결정된 수의 2개 이상의 펄스 및 이들 사이의 사전결정된 시간 간격을 포함할 수 있다.
동작(430)에서, 응답기 시스템(200)은 초기 시퀀스를 초과하지 않는 지속시간의 대기 모드로부터 깨어나 작동 활성 모드로 들어간다. 이에 따라, 응답기 시스템(200)이 동작(432)에서 활성 모드로 들어갈 때 질문되는 경우에, 포착된 질문 웨이브 빔의 코딩을 검출하고 처리하고 동작(432.1)에서 초기 시퀀스를 식별한다. 구체적으로 동작(432.1)에서, 제어기(230)는 암호화된 초기 시퀀스의 일부인 적어도 하나의 초기화 세그먼트를 식별하기 위해, 수신된 질문 웨이브 빔 신호를 처리하도록 작동한다. 질문의 개시에서, 질문기(100)는 예를 들어, 95ms 보다 짧은 대기 시간 후에 활성 모드로 턴온하는 임의의 타이밍에서 응답기의 수신기/검출 모듈이 개시 스트림을 검출하는 것을 보장하기 위해 95ms 보다 약간 많은 지속시간 동안 연속 세트의 펄스를 방출할 수 있다.
질문 웨이브 빔에서 암호화된 초기 스트림/시퀀스에 이어 보통 동기 세트/시퀀스가 존재한다. 이러한 동기 세트는 예를 들어, 초기 스트림의 끝을 나타내는 사전설정된 값(예를 들어, 보통 아무런 펄스도 없는 "0" 및 펄스가 존재하는 "1"의 2개의 바이트의 시퀀스)을 갖는 초기화 데이터 필드의 끝을 포함할 수 있다. 동기 세트에 이어, 예를 들어, 질문기(100)의 코딩된 인증 시리얼 넘버 및 다른 데이터를 포함하는 다양한 코딩된 정보를 전송하는 동기 데이터가 질문 웨이브 빔으로 암호화된다. 따라서, 동작(332.2)에서, 질문 제어 모듈(134)은 사전결정된 질문 프로토콜에 기초하여 동기 데이터 세트를 질문 웨이브 빔(IWB)로 암호화하여, 질문되는("조명되는") 타겟 질문기 시스템(200)과 질문 시스템(100)이 동기화될 수 있다. 상호보완 동작(432.2)에서, 응답기 시스템(200)의 제어기(230)는 질문 웨이브 빔(IWB)을 식별하고 사전결정된 질문 프로토콜에 기초하여 암호화된 질문 데이터를 알아내기 위한 질문 빔 수신 모듈(210)에 의해 수신된 질문 웨이브 빔 신호를 처리하도록 동작한다. 보통, 동기 데이터 세트는 초기 시퀀스에 이어지는 질문 빔(IWB)의 특정 동기 기간에 암호화된다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 암호화된 동기 데이터는 다음중 하나 이상을 나타내는 데이터 필드를 포함한다.
i. 초기 시퀀스의 끝을 표시하는 초기 끝(end-of-initialization) 데이터 필드
ii. 질문 시스템의 신원(예를 들어, 시리얼 넘버) 및 타입중 적어도 하나를 나타내는 인증 데이터 필드; 및
iii. 질문에 대한 수신확인 응답의 통신을 위한 상기 표적 응답기 시스템에 의해 사용되는 통신 파라미터를 나타내는 적어도 하나의 통신 데이터 필드(예를 들어, 수신확인 통신 채널 및/또는 그 넘버).
따라서, 동작(432.2)에서, 제어기(230)는 초기 끝 데이터 필드를 검출하고 인증 데이터 필드에 기초하여 질문 시스템(100)을 인증하기 위해 동기 데이터를 더 분석/처리하고, ACK 응답이 전송되어야 하는 채널을 결정한다.
도 3e와 관련하여 상술된 바와 같이, 응답기(200)의 검출 임계값(TRSH)의 허용오차는 다양한 원인(예를 들어, 질문 빔(IWB)의 일반적인 전파 방향(OX)과 정렬될 수 없는 검출 모듈의 방위) 때문에 비교적 넓을 수 있고, 이에 대응하여, 검출 허용오차가 정확하고 범위(R)를 따라 거의 고정되어 있을지라도 질문 빔의 측방향 넓이(W)의 값이 불확실할 수 있다. 이러한 불확실성 및 다른 불확실성을 보상하기 위해, 응답기(200)에 의해 검출된 질문 빔의 강도는 질문 모듈(100)에 다시 전송된다. 이로 인해 질문의 품질을 용이하게 평가할 수 있다. 즉, 검출 임계값 위로 응답기에 의해 수신된 질문 신호가 강할수록, 응답기가 질문 웨이브 빔 안에 위치되고 그 주변 근방에 있지 않을 가능성이 보다 확실해진다. 따라서, 응답기(200)에 의해 수시도니 질문 웨이브 빔의 강도를 측정하고 이러한 강도를 질문 시스템(100)에 전송하는 기능은 응답기(200)가 질문 빔 안에 위치되는 여부를 판정하는 질문 시스템(100)의 기능을 크게 향상시키고 질문 웨이브 빔 스캐닝 모듈(132)에 질문의 품질에 대한 정보를 제공한다. 이러한 정보에 기초하여, 스캐닝 모듈(132)은 (예를 들어, 사이한 범위 및/또는 측방향 넓이로) 질문을 반복할 지를 판단할 수 있다.
이를 위해, 동작(332.3 내지 432.3)은 응답기(200)가 수신된 질문 웨이브 빔의 강도를 효과적으로 알아낼 수 있도록 실행될 수 있다. 동작(332.3)에서, 시스템(100)의 질문 제어 모듈(134)은 질문 웨이브 빔(IWB)에 강도 측정 시퀀스를 암호화한다. 이러한 시퀀스는 사전결정된 질문 프로토콜에 기초할 수 있고, 예를 들어, 질문 웨이브 빔(IWB)에 암호화된 초기 시퀀스 및/또는 동기 시퀀스/기간을 따를 수 있다.
이러한 강도 측정 시퀀스는 예를 들어, 일련의 강도 측정 세그먼트(예를 들어, 질문 웨이브 빔(IWB)의 일련의 펄스)를 포함할 수 있다. 응답기(200)는 다양한 증폭 이득을 사용하면서 이러한 일련의 강도 측정 세그먼트/펄스를 검출하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 도 10을 참조하여 아래에 더 설명되는 바와 같이, 432.4에서, 제어기(230)는 상이한 증폭 이득으로 상이한 강도 측정 세그먼트/펄스를 증폭시키기 위해 질문 빔 수신 모듈(210) 및/또는 하나 이상의 검출 모듈(212.1 내지 212.k) 및/또는 이들의 연관된 회로를 작동시킬 수 있다. 도 8을 참조하여 더 상세히 아래에 설명되는 바와 같이, 이로 인해 질문 웨이브 빔(IWB)의 강도를 추정하기 위해 강도 측정 시퀀스의 검출을 사용할 수 있다.
동작(434)에서, 응답기(200)는 질문 웨이브 빔(IWB)의 검출에 응답하여 수신확인 신호를 전송하도록 작동된다. 옵션으로, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 동작(434.1)에서, 제어기(230)는 수신확인 응답 신호(ACK)를 전송하기 위해 랜덤 딜레이를 선택하도록 구성되어 있다. 아래에 더 설명되는 바와 같이, 이러한 랜덤 딜레이에 의해 다수의 함께 질문되는 응답기 시스템의 모든 수신확인 응답 신호(ACK)가 동일한 질문에 동시에 응답할 확률을 상당히 감소시켜, 임의의 수신확인 응답이 질문기(100)에 도달되는 것을 서로 방해하는 것을 완전히 차단한다. 수신확인 신호가 공동 질문되는 응답기로부터의 간섭 없이 질문 시스템에 재전송되는 것을 보장하기 위해 모든 다른 응답기가 전송 활성화 상태에 있지 않을 때 공동 질문된 응답기의 하나가 수신확인 신호를 전송하기에 충분하다. 응답기(200)의 무작위 지연된 수신확인 신호(ACK) 전송 신호를 수용하기 위해, 질문 시스템(100)의 표적 검출 모듈(130)은 가능한 가장 큰 응답기 수신확인 전송 지연 시간으로 벌어진 시간 동안 수신기(138)에 의해 수신된 ACK 신호를 처리하도록 구성되고 동작가능하다. 구체적으로, 무작위 수신확인 전송 지연은 다수의 가능한 전송 타임 슬롯의 뱅크로부터 지연 값을 무작위로 선택함으로써 구현될 수 있다. 도 9a 및 도 9b는 모두 동일한 질문 웨이브 빔(IWB)에 응답하는 공동 질문된 응답기의 수로부터 전송 충돌이 전혀 일어나지 않는 확률을 도시하고 있다. 도 9a는 동일한 질문 웨이브 빔(IWB)에 응답하는 1 내지 60개의 공동 질문된 응답기 시스템에 의한 무충돌 전송의 확률을 도시하고, 도 9b는 동일하지만, 1 내지 9개의 응답기 시스템에 대한 확대된 확률을 도시하고 있다. 이러한 도면의 하위 그래프(G2, G4)는 무작위 시간 지연이 8개의 상이한 타임 슬롯의 뱅크로부터 선택되었을 때의 전송 무충돌 확률을 도시하고 이싸. 상위 그래프(G1, G3)는 무작위 시간 지연이 16개의 타임 슬롯의 뱅크로부터 선택된 경우를 도시하고 있다. 도 9a의 그래프(G2)에 의해 도시된 바와 같이, 전송 시간/지연이 8개의 타임 슬롯으로부터 선택될 때, 성공적인 전송의 확률(또는 무충돌 전송의 확률)이 질문되고 동시에 응답하는 20개에 이르는 공동 질문된 응답기에 대해 85% 높다. 그래프(G1)는 16개의 타임 슬롯의 뱅크에 대해, 무충돌의 확률은 일부 55개에 이르는 공동 질문된 응답기에 대해 85% 보다 높게 유지된다는 것을 보여준다. 도 9b의 확대도에서 보다 명확하게 볼 수 있는 바와 같이, 2개의 응답기의 경우에 성공적인 전송의 확률이 먼저 떨어지는 것이 흥미롭다. 응답기의 수가 증가할 수록, 무충돌의 확률은 증가한다. 이러한 기인한 현상은 다음과 같이 설명된다. 8개의 타임 슬롯에 대해, 2개의 응답기가 동일한 타임 슬롯을 선택할 확률은 8번 중 한 번, 또는 1/8+12.5%이다. 실제 2개의 응답기에 대한 그래프는 100-12.5%+87.5%의 무충돌 확률을 보여준다. 3개의 응답기에 대해, 3개 모두가 동일한 타임 슬롯을 선택할 확률은 훨씬 더 낮다. 즉, 적어도 하나의 타임 슬롯이 상이할 확률이 보다 커서 적어도 하나의 응답기가 ACK 신호를 성공적으로 전송할 확률은 증가된다. 마찬가지로, 16개의 타임 슬롯에 대해, 2개의 응답기가 동일한 타임 슬롯을 선택할 확률은 16번 중 한 번, 또는 1/16=6.25%이고 그래프에서의 값은 100-6.25%-93.75%이다. 추가 응답기에 대해 무충돌 확률은 증가된다. 결국, 단일 질문에서 약 85%의 무충돌의 확률에서, 시스템은 1-0.153=99.7%의 성공적인 전송의 전체 확률을 얻기 위해 3번 작동된다. 이러한 확률은 실제 시스템의 성공적인 동작을 위한 응답가능한 확률이다.
일부 실시예에서 IFF 시스템(10)은 질문 웨이브 빔(IWB)의 수집 비행시간 및 수신확인 신호(ACK)를 알아냄으로써 응답기로의 거리를 알아내도록 구성되고 동작가능하여 질문 공정의 신뢰도를 더 향상시킬 수 있다. 이와 같이 수집 비행시간을 측정함으로써 질문기는 편도 질문 신호 및 복귀하는 수신확인 신호에 대한 순 비행시간을 추정할 수 있고, 이러한 순 비행시간으로부터 질문기는 질문된 응답기로의 거리에 대한 근사값을 얻을 수 있다. 예를 들어, 순 비행시간이 1㎲ 내로 정확하다면, 측정된 거리는 150m(왕복을 고려하여 1㎲에 광에 의해 이동된 거리의 절반) 내로 정확할 것이다. 이러한 거리 분해능은 질문의 신뢰도를 크게 증가시켜, 상술된 바와 같이 실제 먼 질문된 표적과 질문 웨이브 빔 내의 근방 행인을 혼돈할 확률을 완전히 경감시킬 수 있다. 이를 위해, 질문 시스템(100)은 질문 웨이브 빔(IWB)의 전송과 수신확인 신호(ACK)의 수신 사이의 시간 지연을 측정하도록 구성될 수 있다. 질문 시스템(100)의 질문 웨이브 빔(IWB)의 전송의 내부 지연은 질문 시스템(100)에서 신중히 제어/측정되어 질문 및 인진 신호의 수집 비행시간을 정확히 알아낼 수 있다. 또한, 질문 웨이브 빔(IWB)의 검출로부터 수신확인 신호(ACK)의 전송까지의, 응답기 시스템(200)의 내부 지연 역시 응답기에 의해 신중히 제어/측정되고 질문 시스템에 제공/전송되어서(예를 들어, 수신확인 신호(ACK)에 의해 전송/암호화되어서) 질문 시스템(100)이 수집 비행 시간을 알아낼 수 있다. 응답기(200)가 수신확인 신호(ACK)를 전송하기 위해 무작위 시간 지연을 사용하는 경우에, ACK 신호의 전송을 위해 실제 배치된 시간 지연의 값 역시 수신확인(ACK)에서 암호화되어 질문 시스템(100)은 질문/수신확인 신호 왕복의 순 비행시간을 알아낼 수 있다. 이에 따라, 질문 시스템은 질문 웨이브 빔의 전송과 수신확인 신호의 수신 사이의 지연 시간을 측정함으로써 그리고 그로부터 질문 시스템 및/또는 응답기 시스템과 연관된 임의의 내부 지연을 추출함으로써 그리고 옵션으로 응답기가 수신확인 신호를 지연시킬 수도 있는 무작위 시간 지연을 추출함으로써 질문 및 수신확인 신호의 수집 비행시간을 알아내도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 내부 지연은 (예를 들어, 메모리에 저장된) 사전결정된 값과 연관될 수 있고, 및/또는 질문 및/또는 응답기 시스템에 의해 측정될 수 있다.
동작(434.2)에서, 제어기(230)는 하나 이상의 낮은 간섭 통신 채널을 통해 ACK 신호를 전송하도록 전송 모듈(220)을 작동시킨다. 이러한 동작은 동작(432.2)에서 취득된 동기 데이터 세트가 ACK를 전송하기 위한 하나 이상의 낮은 간섭 통신 채널을 나타내는 데이터를 포함하는 경우에 실행된다.
또한, 옵션으로 동작(434.3)에서, 질문 웨이브 빔의 강도가 432.3에서 검출/추정된 경우에, 제어기(230)는 수신확인 신호의 전송의 일부로서 질문 강도를 나타내는 강도 데이터를 암호화하고 통신하기 위해 전송 모듈(220)을 작동시킨다. 이어서 질문 시스템(100)의 표적 검출 모듈(130)은 응답기(200)로부터 강도 데이터를 수신하고 질문 웨이브 빔(IWB) 내의 응답기의 상대 위치, 및 질문의 품질을 추정하도록 구성되고 작동가능하다.
응답기(200)에서 수시된 질문 웨이브 빔(IWB)의 강도를 측정하기 위한 직접적인 방법은 질문 웨이브 빔(IWB)의 강도를 디지털 비트로 코딩하기 위한 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 사용할 수도 있다. 그러나, 이러한 방법은 구체적으로 질문 웨이브 빔(IWB)이 짧은 펄스로 질문 시스템(100)에 의해 생성되는 경우에 비교적 높은 주파수 ADC를 사용할 필요가 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 질문 시스템(100)은 100ns 이하 정도의 펄스폭을 갖는 질문 웨이브 빔(IWB)의 펄스를 발생시키는 레이저 기반 웨이브 빔 발생기(110)를 사용한다. 이러한 펄스를 응답기(200)에서 검출하는 것은 약 10MHz의 아날로그 검출 대역폭을 필요로 한다. 또한, 수용가능한 왜곡을 갖는 약 10MHz의 주파수에서 펄스의 강도를 검출하기 위해 종래의 방법을 사용하는 것은 40-50 메가-샘플-퍼-세컨드(MSPS)의 샘플링이 가능한 ADC를 필요로 한다. 그러나, 이러한 높은 샘플링율을 갖는 ADC는 높은 전력 소비량을 수반하고 보다 많은 비용이 필요하여, 전체 비용은 물론 응답기(200)의 배터리 작동 수명 역시 손상시킨다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 시계역 강도 측정 기술이 응답기(200)에서 질문 강도를 감시하기 위한 고속 ADC를 대신한다. 이러한 기술에서, 동작(332.3)에서 시스템(100)에 의해 전송된 질문 웨이브 빔의 펄스열(여기에서 강도 측정 시퀀스로서 부른다)은 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 상이한 이득 설정값에 의해 순차적으로 검출된 다음 응답기(200)에 의해 분석되어 상기 동작(432.3, 432.4)에 설명된 바와 같이 질문 조사의 경미한 검출에 필요한 이득을 결정한다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따른 응답기 시스템(200)의 질문 빔 수신 모듈(210) 및 제어기(230)에 관련된 회로 부품을 개략적으로 설명하는 도 10에 대해 설명한다. 여기에서, 다수의 검출 모듈(212.1 내지 212.k)(또한, 여기에서 검출 채널.채널로 부른다)이 구체적으로 설명되어 있다. 실제로, 채널의 수는 응답기(200)가 질문 웨이브 빔(IWB)을 검출해야 하는 희망의 전체 수집 각도/입체각에 의존하고 이에 따라 필요한 검출기/검출기-모듈의 수에 의존할 수 있다. 선택된 채널/검출기의 수는 상술된 바와 같이 비용과 질문 웨이브 빔의 측방향 넓이에서의 검출 임계값의 불확실성 사이의 적절한 값(tradeoff)이다. 본 발명의 일부 실시예에 따라, 4,5 또는 6 사이의 임의의 수의 검출기 채널이 사용된다. 보다 적거나 보다 많은 수의 채널을 갖는 다른 구성이 가능하지만, 3개 보다 적은 채널로 구현하면 각도 광 수집 원뿔의 치수에 있어서 문제가 될 수 있다.
도 10은 질문 웨이브 빔(IWB)(예를 들어, 광)을 검출하고 이것을 전자 전류 신호로 전환하는 광검출기(30)를 포함하는 검출 채널의 실시예를 도시하고 있다. 이러한 신호는 먼저 상당한 크기의 전압 신호로 전환되는 트랜스임피던스 증폭기(31)에서 증폭되고, 필터(32)에서 여과되고, 증폭기(33)에 의해 증폭된 다음 전압 제어 증폭기(VCA)(34)에 의해 증폭된다.
여기에서, 제어기(230)는 적어도 일부 적절히 프로그램된 마이크로컨트롤러(37)에 의해 구현된다. VCA(34)의 이득은 아래에 더 설명되는 바와 같이 마이크로컨트롤러(37)에 의해 제어되고 VCA(34)의 출력은 비교기(35)에 공급된다. 비교기(35)의 출력은 그 입력 전압 레벨이 기준 임계값을 초과하는 경우에 논리 트루(양 전압)이고, 기준 임계값을 초과하지 못한 경우에 논리 폴스(제로 볼트)이다. 또한, 비교기(35)는 그 출력을 시간상 확장하도록 동작가능하여서 그 입력부에서의 짧은 펄스(예를 들어, 100 나노초(ns)의 펄스 폭을 갖는다)는 비교기(35)의 출력부에서 수십 마이크로초의 출력 펄스폭을 제공하도록 시간상 확장된다. 이러한 확장된 펄스폭은 비교적 낮은 클록 주파수를 갖는 저전력 (그리고 보통 저비용) 마이크로컨트롤러에 의해 직접 검출하기에 충분히 늦어서 전자 회로의 복잡도를 피하고 보다 낮은 전력 소비량을 제공하는 저주파수 부품을 사용할 수 있다.
VCA(34)의 이득은 광학 질문 웨이브 빔 펄스를 검출하는데 필요한 것 보다 훨씬 더 낮은 대역폭(예를 들어, 1KHz)을 갖는 질문 피크-검출기(38)에 의해 채널상의 집적 전압 레벨을 샘플링하는 마이크로컨트롤러(37)에 의해 조정가능하다. 이러한 방식으로 집적 피크 검출기는 채널 상의 자승 평균 평방근(RMS) 노이즈 레벨을 감시한다. 이러한 VCA는 3개의 목적을 갖고 있다. 정상 동작 조건에서, VCA(34) 이득은 최대 이득을 가능한 비교기(35)의 검출 임계 레벨 충분히 아래에, 예를 들어, 비교기(35)의 임계값의 절반 아래에 머무는 노이즈 레벨에 있도록 하기 위해 (예를 들어, 마이크로컨트롤러(37)에 의해) 조정된다. 이러한 방식으로, 채널의 이득은 항상, 채널 상의 노이즈가 비교기의 임계 레벨에 영향을 주기 시작하기 전에 가능한 최고 레벨에 유지될 수 있다. 이러한 메커니즘에 의해 다양한 동작 환경에서 질문 웨이브 빔(IWB)을 최적 검출할 수 있다. 예를 들어, 검출기(30)가 태양 직사광에 의해 조사될 때, 채널의 노이즈 레벨은 증가된다. 반대로, 그늘에서, 채널의 노이즈 레벨은 감소된다. VCA의 이득에 대한 제어는 배경 노이즈가 비교기의 임계 레벨을 초과하지 않도록 하면서 허용된 정도로 각 채널이 증폭되는 것을 보장한다.
대안으로 또는 추가로, 일부 실시예에서, 2개의 광검출기(30a, 30b)(도 10의 삽도에 도시되어 있다)는 단일 전자 검출 채널에 병렬로 접속될 수 있다. 이러한 옵션은 비용 및 장치의 전력 소비량을 감소시킬 수도 있지만, 전체 검출기 용량이 증가함에 따라 결합 채널에 보다 큰 노이즈 레벨을 유발할 수 있다.
추가 옵션 특징은 최악의 경우의 노이즈 레벨 보다 항상 크도록 보장된 비교적 높은 고정된 임계 레벨로 조정되는 추가 비교기(36)이다. 이러한 제2 비교기는 질문 웨이브 빔(IWB)로부터의 강한 신호의 존재를 나타내어, 상술된 바와 같은 질문 웨이브 빔의 강도(크기)를 알아내는데 부분적인 해결책을 제공한다.
일부 실시예에 따라, 검출된 질문 웨이브 빔(IWB)의 강도의 측정은 VCA(34)에 의해 검출 신호의 증폭 이득을 제어하는 제어기(130)(예를 들어, 본 도면에서 37)의 기능을 사용함으로써 달성된다. 상술된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예에 따라 질문 시스템(100)은 질문 웨이브 빔(IWB)의 일련의 강도 측정 세그먼트(예를 들어, 펄스)를 포함하는 강도 측정 시퀀스를 전송하도록 동작한다. 예를 들어, 상술된 동기 세트에 이어, 질문기(100)는 질문 웨이브 빔 강도 측정을 위한 일련의 펄스를 방출한다. 동작(432.3)에서, 마이크로컨트롤러(37)는 (예를 들어, VCA(34)의 이득을 순차적으로 그리고 점진적으로 감소시킴으로써) 질문 웨이브 빔/신호(IWB)를 수신하는 검출 채널의 이득을 변화시킨다. 그다음, 동작(432.4)에서, 강도 측정 세그먼트(펄스)의 풀 세트로부터 비교기(35)에 의해 검출된 펄스의 수를 기록함으로써, 마이크로컨트롤러(37)는 질문 웨이브 빔(IWB)의 강도를 알아낸다.
예를 들어, 일부의 경우에 질문 시스템(100)은 32개의 펄스/세그먼의 강도 측정 시퀀스를 방출하도록 구성되어 있다. 질문기(100)의 펄스 반복율은 예를 들어, 10KHz 정도일 수 있어서, 32개의 펄스는 시스템의 희망의 전체 질문 지속시간에 대해 보통 사소할 수 있는 3.2ms 지속시간에 걸쳐 있다. 응답기(200)는 가변 이득에 의해 강도 측정 시퀀스를 수신/검출한다. 예를 들어, 응답기(200)는 처음에 최대 이득(노이즈가 존재하더라도 VCA의 절대 최대 이득인 이득 설정값)에 의해 수(예를 들어, 4개) 펄스를 검출하고 비교기(35)는 임계값을 초과하는 신호를 마이크로컨트롤러에 전송하고, 여기에서, 노이즈 또는 펄스로 신호의 형태가 결정된다. 첫 4개의 펄스 후에, 제어기(37)는 VCA(34)의 이득을 보다 낮은 레벨로 감소시키고 다음 4개의 펄스는 이러한 이득에 의해 검출되고, 비교기(35)는 임계값을 초과하는 신호를 마이크로컨트롤러(37)에 전송한다. 이러한 프로세스는 6번 더 반복될 수 있어서, 강도 측정 시퀀스의 끝에서, 마이크로컨트롤러(37)는 8개의 이득 레벨을 갖고 있고, 각각 4개의 측정값을 가져 이득 레벨중 어느 것에서 신호가 검출되는질르 결정할 수 있다. 이러한 예에서, (예를 들어, 각각 4개 펄스의) 8개의 강도 측정 세그먼트가 강도 측정 시퀀스에 포함되어 있다면, 질문 웨이브 빔(IWB)의 강도는 질문 웨이브 빔의 예상 강도 범위의 1/8 분해능으로 결정/분해될 수 있다.
향상된 분해능으로 질문 웨이브 빔/신호의 강도/진폭을 측정하는 대안의 프로시져는 이진 조사 알고리즘의 원리를 사용하여 수신 강도 측정 시퀀스 동안 이득을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 4개의 펄스 각각의 8개의 강도 측정 세그먼트로 동일하게 분할된 32개의 펄스로 구성된 강도 측정 시퀀스를 다시 생각해보자. VCA(34)의 이득은 먼저, 질문 웨이브 빔(IWB)이 검출될 것으로 예상되는 강도/진폭의 범위의 중간으로 제어기(37)에 의해 설정된다. 그다음, 신호가 비교기(35)의 임계값을 초과하는 경우에, 그다음 이득 레벨은 강도 범위의 75%(신호가 위치되는 범위의 상위 절반의 절반)로 조정되고, 대안으로, 임계값을 초과하지 못한 경우에 이득은 강도 범위의 25%(신호가 위치되는 범위의 하위 절반의 절반)으로 설정된다. 이러한 프로시져는 이러한 각 강도-측정 세그먼트에 대해 반복되어, 현 스테이지가 이루어지는 범위의 부분의 절반에서 그다음 스테이지의 이득을 설정한다. 이러한 방식으로 단순하고, 저가의, 저전력 하드웨어에 의해 고속, 고전력 소비량, 보다 높은 비용의 ADC를 사용할 필요를 경감시키면서 질문 웨이브 빔의 강도/진폭의 완전한 8 비트 측정이 가능하다.
질문 빔 수신 모듈(210)의 주요 설계 내용은 절반 공간을 커버하는데 필요한 검출-모듈/검출 표면의 최적의 수 및 전체 검출 면적에 관한 것이다. 이것은 많은 경우에 질문 웨이브 빔을 검출하는데 사용되는 검출기(예를 들어, 근적외선(NIR) InGaAs 광다이오드)의 비교적 높은 가격과 관련되어 있다. 이를 위해, 본 발명에 따라, 사전결정된 입체각 내의 모든 곳으로부터 질문 웨이브 빔을 검출하는데 필요한 검출기의 수 및/또는 전체 검출 면적을 감소시킬 수 있는 다양한 기술이 제공되어 있다. 이와 관련하여, 우선, 구체적으로 사각(斜角) 입사 빔의 검출에 대해, 향상된 검출 결과 및 보다 낮은 검출 임계값이 주어진 전체 검출 면적/표면을 상당수의 검출기로 나눔으로써 얻어질 수 있다. 이것은 또한 여기에 언급되어 통합된 본 출원의 양수인에게 양도된 공동 계류중인 IL 특허 출원 번호 225251의 도면 12와 관련하여 그래프로 수학적으로 도시되어 있다. 역시 거이에 도시된 바와 같이, 각 검출 모듈의 감도를 강화하기 위해 집중기(C)(광 수집/확대 광학부)를 사용하는 것에 대한 유익이 증가하고 있다. 따라서, 본 발명에 따라, 특히 조명각을 고려할 때 응답기 시스템(200)을 3개 및 바림직하게는 보다 많은 검출 모듈을 갖도록 설정하는 것이 유리할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라, INGaAs 광다이오드와 같은 특정 검출기 타입에 대해, 일부 경우에, 질문 웨이브 빔을 검출하는 검출기의 전후측 모두를 사용함으로써 (예를 들어, 절반까지) 검출기의 필요한 수를 줄일 수 있다. 즉, 이러한 기술을 사용하면, 주어진 세트의 검출기에 대한 사용가능한 검출면의 전체 면적이 증가도리 수 있다(예를 들어, 2배가 될 수 있다). 여기에서 이러한 검출 모듈은 빔 집중기를 사용하지 않고 또는 예를 들어, 아래의 도 10b와 관련하여 보다 상세하게 설명되는 바와 같은 집중기를 갖도록 설정될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따른 시스템(200)의 질문 빔 수신 모듈(210)에 포함된 검출 모듈을 개략적으로 도시한 도 11a에 대해 설명한다. 상술된 바와 같이, 이것은 보통 적어도 3개의 검출 모듈(212.1 내지 212.k)을 포함하고 있다. 도 11a는 본 발명의 실시예에 따른 검출 모듈(212.1)을 개략적으로 도시하고 있다. 검출 모듈(212.1)은 (예를 들어, 검출 소자(DET)의 표면인) 검출면(DS)을 포함하고 있다. 이러한 검출면(DS)은 특정 입체각으로 전파하는 질문 웨이브 빔(IWB)을 수집하고 이렇게 수집된 질문 웨이브 빔(IWB)을 검출면(DS)로 결합/지향시키도록 지향된 수집 개구(CA)(예를 들어, 광학 및/또는 음향 윈도우이다)에 결합되어 있다.
보통, 검출 모듈(212.1)은 검출기(DET) 및 이러한 검출기의 검출면(DS)에 결합된 출력 포트 및 수집 개구(CA)를 규정하는 보다 큰 입력 포트를 갖는 수집기/집중기 모듈(C)을 포함하고 있다. 검출기(DET)는 예를 들어, 광검출기(예를 들어, 집문 빔이 적외선과 같은 광학성을 갖는 경우), 음향 트랜스듀서(예를 들어, 질문 웨이브 빔(IWB)이 음향성을 갖는 경우) 및/또는 안테나 모듈 및/또는 안테나 어레이(예를 들어, 질문 웨이브 빔(IWB)이 전자파인 경우)일 수 있다. 집중기 모듈(C)은 광학/음향 집중기(예를 들어, 광학 및/또는 음향 빔을 수집하기 위한 복합 포물선 집중기) 및/또는 반사 소자 또는 RF 방사선을 수집하기 위한 집중기등을 사용하는 임의의 적절한 웨이브 빔 집중 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
도 11a 내지 도 12d를 참조하여 여기에 더 설명되는 구체적인 실시예에서, 질문 웨이브 빔은 광학성을 갖고 따라서, 검출기(DET)는 하나 이상의 파장 대역의 광선에 민간한 광검출기이다. 구체적으로, 질문 웨이브 빔(IWB)은 적외선 파장 방식을 가질 수 있고 검출기는 파장에 민간한 광검출기이고 InGaAs 반도체 기술을 사용하여 형성되어 있다. 대안으로, 검출기는 800-1,000nm의 적외선 대역에서 사용되는 실리콘(Si)으로 제조될 수 있다. 따라서, 집중기(C)는 최적으로, 검출기 소자(DET)의 표면에 결합된, 광의 집중을 위한 열역학 한계에 가까이 실행되는 것으로 보일 수 있는, 논-이미징 복합 포물선 집중기(CPC)이다.
검출기와 관련하여, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 단일 검출기(DET)는 (2개 이상의) 검출 모듈/채널과 연관되어 있다는 것을 기억해야 한다. 이로 인해 응답기 시스템(200)의 전력 소비량 및 중량이 감소될 수 있다. 구체적으로, 도 11b는 단일 공동 검출기(DET)와 연관되거나 포함하는 2개의 검출 모듈(212.1, 212.2)을 도시하고 있다. 이러한 검출 모듈(212.1, 212.2)은 검출기 소자(DET)의 양면(DS1, DS2에 결합되어 있고 각각 수집 개구(CA1, CA2)를 규정하는 2개의 각 집중기(C1, C2)를 포함하고 있다. 이러한 구성은 단일 전자 증폭 채널을 사용하면서 단일 검출기 소자에 의해 가능한 입체각 범위의 2배를 제공한다.
도 11b의 특정 구성에서, 2개의 수집 개구(CA1, CA2)는 수집 개구(CA1, CA2)에 의한 입사 질문 웨이브 빔의 수집을 위한 입체각의 배치를 최적화하기 위해 이들의 각 검출면(DS1, DS2)의 축에 대해 적절히 경사져 있다. 즉, 집중기(C1, C2)는 광 수집의 주축(CX1, CX2)가 각각 경사각 α로, 검출면(DS1, DS2)에 대해 직교하는 축(DX)에 대해 경사지도록 구성되어 있다. 실제, 일부의 경우에, 수집 광학부를 그 연관된 검출면에 대해 경사지도록 하면 광 수집 성능이 감소될 수 있다. 그럼에도 불구하고, (예를 들어, α<20°의) 제한된 경사각에 대해, 광 수집 성능은 합당하고 도 11b의 구성에 의해 시스템(200)에 필요한 검출기(DET)의 수가 감소될 수 있다. 실제로, α=0에 대해, 이러한 구성은 수광에 대해 경미하게 최적이지만, 이러한 구성은 본 발명의 일부 실시예에서 필요할 수 있는 입사 질문 방향의 반구형의 유효 범위에 대해 적절하지 않을 수 있다. α의 보다 큰 값에 대해, 도 11c에 대해 다음에서 설명되는 바와 같이, 전체 내부 반사(TIR) 소자(TIRE)가 타당한 성능을 가진 이러한 경사를 허용하는데 사용될 수 있다.
도 11b에 도시된 검출 모듈 쌍은 그 양측으로부터 검출기의 감광 부품을 조사하도록 다양한 방향에서 수광하기 때문에 광검출기(DET)의 성능에 중대한 향상을 제공한다. 예를 들어, 약 1.1 mm의 직경의 원형 InGaAs 검출기 소자(DET)가 사용되면, 5mm 아래의 길이의 CPC는 대략 70°의 꼭지각의 원뿔로부터 광을 수집할 수 있어서 초소형 어셈블리를 형성할 수 있다. 수집 성능을 향상시키기 위해, 반사 방지막이 사용될 수 있다. 예를 들어, CPC가 중공형 반사기의 형태를 갖는 경우에, 반사 방지막이 CPC와 검출기 사이의 경계면(예를 들어, 공기-InGaAs 경계면)에 사용될 수 있다. 대안으로, CPC가 우리 또는 플라스틱과 같은 고체 재료로 형성되어 있는 경우에, 반사 방지막이 CPC와 검출기 사이의 경계면(예를 들어, 유리-InGaAs 경계면)은 물론 CPC의 전면 모두(예를 들어, 공기-유리 경계면)에 사용될 수 있다.
도 11c는 공동 검출기(DET)의 양면에 결합된 한 쌍의 검출 모듈(212.1, 212.2)의, 본 발명에 따른 다른 구성을 도시하는 개략도이다. 이러한 구성은 집중기(C)의 출력부로부터 검출면(DS)에 전자기/광학 웨이브 빔 또는 음향 웨이브 빔과 같은 웨이브를 반사하는 구조로서 구성된 도파 모듈(TIRE)을 사용함으로써 검출기(DET)의 검출면(DS1, DS2)에 검출기 모듈(212.1, 212.2)이 광학 결합되어 있다는 점을 제외하면 도 11b에 도시된 것과 유사하다. 이와 관련하여, 용어 도파 모듈은 여기에서 일반적으로 전자기파 또는 음파와 같은 웨이브를 안내하는 구조를 가리키는 것으로 사용되었다는 것을 유념해야 한다. 다음에 설명되는 특정 예에서, 도파 모듈은 내면으로부터 웨이브 빔의 전체 내부 반사(TIR)를 통해 검출기에 수집 웨이브 빔을 결합시키도록 배열된 반사 내면을 가진 채널로서 구성되어 있다. 따라서, 도파 모듈은 아래에서 TIR 소자 및/또는 반사 소자로 상호교환하여 부른다.
이러한 특정 예에서, 도파 모듈/TIR-소자(TIRE)는 기하학 구조가 수집된 웨이브 빔을 검출기에 결합하도록 선택된 반사성 내면을 갖는 회전 타원체를 구비한 반사 소자로서 구성되어 있다. 이를 위해, CPC(C), 반사 소자(TIRE) 및 검출기(DET)의 검출면(DS)은 검출 모듈(212.1)중 하나와 연관되어 있고, 주축(CX1) 둘레로 꼭지각(2θ) 안에서 도착된 광을 수집하도록 집합적으로 구성되어 있어서, 광을 집중시키고 TIRE를 갖는 광검출기 표면(DS)으로 재지향시킨다. 또한, 반사 소자(TIRE)와 같은 채널의 반사성 내면은 반사 소자(TIRE)를 통해 웨이브 빔의 전파의 일반 방향을 따라 취해진(즉, X-Y 평면에서 취해진) 단면이 표준 CPC(C)로부터 검출기의 표면(DS)로 방출되는 광을 효과적으로 접을 수 있도록 선택된 타원 형상을 갖고 있도록 구성되어 있다.
이러한 예에서, 제2 검출기 표면(DS2)에 결합된 제2 검출 모듈(212.2)은 제1 모듈(212.1)과 유사하게 구성되어 있고, CPC(C2)를 검출기(DET)의 반대측의 표면에 결합하는 제2 타원형 폴딩 소자(YIRE2)를 구비한 제2 CPC(C2)를 포함하고 있다. 그러나, 2개의 채널이 상이하게 구성될 수 있고 예를 검출 모듈(212.2)은 도 11b에 도시된 방식으로 구성될 수 있음을 이해해야 한다.
도 11c에 도시된 검출 모듈의 구성은 구체적으로 수집 개구(CA)와 검출면(DS) 사이에 큰 경사각(α)이 필요한 경우(즉, 집중기(C)의 수집의 주축(CX1)과 검출면(DS)에 직교축(DX) 사이에 큰 경사각(α)이 존재하는 경우)에 향상된 수집 및 집중 효율과 연관될 수 있다. 예를 들어, 도 11c의 것과 유사하게 구성된 검출 모듈의 쌍은 큰 경사각이 필요한 경우에 도 12c 및 도 12d에 도시된 6-검출 모듈 배치에서 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 2개의 검출 모듈의 개구가 동일한 방향으로부터, 즉, α=90°에서 광을 수집하도록 구성되어 있는 도 11c의 구성의 특별한 경우를 도시하는 도 11d에 도시되어 있다. 이러한 구성은 반구로부터 광을 수집하기 위한 다수의 검출 소자 배치의 설계를 단순화한다. 특히, 1.1 mm의 직경의 InGaAs 회로 검출기를 위해 설계된 이러한 구성은 대략 5.7mm 뻗는 CPC 및 TIRE 결합 어셈블리가 대략 70°의 꼭지각의 원뿔로부터 광을 수집할 수 있다는 것을 보여주고, 다시 소형 어셈블리를 제공한다. 예를 들어, 홀수의 소자가 가능하지만, 2개의 검출 방향을 구현하는 도 11b의 구성에는 짝수의 검출기만이 사용가능하다.
도 13은 집중기(C)가 약 θ=35°의 입사각에 이르는 수집 꼭지각으로 구성되었고 TIRE이 경사각 α~90°로 집중기(C)를 검출면(DS)에 광결합시키도록 구성된(즉 도 11d) 도 11c의 질문 빔 검출 모듈(212.1)의 작동의 광선 추적 시뮬레이션이다. 검출 면적(DS, DS2)의 직경은 1.1mm이다. 이러한 어셈블리의 전체 높이는 대략 5.7mm이다. 이러한 그래프는 집중기(C)가 대략 2θ=70°의 꼭지각으로 구성된 수집 개구(CA)의 광의 입사각의 함수로서 상대 수집/집중 효율을 도시하고 있다. 반사 소자(TIRE)는 수집 개구(CA)에서 수집된 방사/웨이브 빔을 검출면(DS)로 지향시킨다. 직교좌표 축 X, Y 및 Z는 X 및 Y가 도면의 평면에 있고, X는 개구(CA)의 수집의 주축(CX1)에 평행하고, Z는 이러한 도면의 평면으로부터 외측으로 수직으로 돌출하도록 도시되어 있다. 상이한 수집 효율은 (수집 축(CX1)으로부터 측정된) 입사각 θ의 유사한 값이지만 상이한 방향에서 개구(CA)에 입사된 웨이브 빔에 대해 보통 얻어진다. 여기에서, 용어 수집 효율은 검출면에 도달하는 웨이브 빔의 출력과 수집 개구에 입사되는 웨이브 빔의 출력 사이의 비율을 나타낸다. 구체적으로, 그래프(CG1, CG2)는 각각 평면 X-Y와 X-Z에 도달하는 입사각 θ의 함수로서 웨이브 빔의 수집 효율을 나타낸다(즉, 그래프(CG1)는 도면의 평면에 있는 다양한 입사각 θ에 대한 수집 효율을 나타내고; 그래프(CG2)는 도면의 평면에 수직인 평면에 있는 입사각에 대한 수집 효율을 나타낸다). 그래프(CG3)는 X 축과 동일 선상에 있고 Y축 및 Z축으로부터 45°의 방위를 갖는 중간 평면에 있는 입사각에 대해 취해진 수집 효율을 나타낸다.
입사 웨이브 빔과 수집 개구의 광축 사이의 각도 차이가 작을수록, 광학부(집중기(C)와 반사 소자(TIRE)의 수집 효율은 보다 높다. 또한, X-Y 평면에서의 광선에 대한 수집 효율은 X-Z 평면에서의 광선에 대한 것보다 낮다. 이것은 큰 경사각 α이 큰 결합 손실을 유도한다는 생각에 따른 것이고, X-Y 평면에서의 광선은 대략 90° 만큼 경사져 있는데, 여기에서 X-Z 평면에서의 광선은 본질적으로 아무런 경사 없이 안내되기만 하면 된다. 그럼에도 불구하고, 결과는 약 θ~30°에 이르는 입사각에 대해, 단일 검출 모듈이 검출기에 결합되는 구성과 비교하여 약 1.9의 인수 만큼 광 수집의 성능에서 전체 향상을 제공하는 대략 35°의 입사각에 이르는 구성의 타당한 성능을 보여주고 있다(도시된 그래프는 하나의 수집기에 대한 것이고; 이러한 수집은 광검출기의 반대측을 조사하는 제2 수집기에 의해 2배가 되고, 30°에 이르는 각도에서 평균 수집 효율은 대략 0.95이다). 마찬가지로, 35°에 대한 수집 효율은 여전히 대략 1.6(검출기에 결합된 단일 검출 모듈을 사용할 때의 0.85의 평균 수집 효율의 2배)이다.
따라서, 도 11c의 배치에 의해 검출기(DET)의 오직 하나의 면으로 광을 수집하는 도 11a의 구성에 사용된 유사한 크기의 광소자/집중기(C) 및 검출기의 수집 출력과 비교하여 거의 2배의 광을 수집하여 검출기(DET)에 재지향시킬 수 있다. 반대로, 필요한 주어진 감도를 위해, 대략 절반의 면적을 가진 검출기를 사용할 수 있어서, 검출기와 이로 인한 전체 시스템의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 광소자의 광축이 이들의 검출면(DS)에 대해 경사져 있을 때, 도 11c의 구성은 TIRE 반사 모듈이 사용되지 않는 도 11b의 수집 출력과 비교하여 큰 입사각에서 훨씬 더 높은 수집 출력을 제공할 수 있다. 도 11b 및 도 11c에 도시된 구성은 주어진 감도를 위한 검출기 활성 면적을 상당히 절감하기 위해 단독을 또는 조합되어 사용될 수 있다. 또한, 보다 적은 면적의 광검출기(DET)를 사용하면 검출기(DET)의 용량을 줄일 수 있어서, 광검출기로부터의 신호를 시스템의 증폭기에 결합하는데 있어서 추가 중요한 장점을 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 수집각의 반구의 범위는 도 11b 또는 도 11c에 도시된 쌍과 유사한 2개의 쌍의 검출 모듈을 사용함으로써 얻어질 수 있다. 각 쌍은 단일 검출기와 연관되어 있어서, 2개의 검출 모듈 어셈블리는 구형 범위의 절반을 가능하게 한다. 이러한 검출 모듈의 쌍은 일반 수집 축(GX)에 대해 서로 직교하는 방위를 가질 수 있어서, 제1 쌍은 도 11b 또는 도 11c에 도시된 바와 같이 도며의 평면에 있고, 제2 쌍(도시되지 않음)은 축(GX)에 대해 제1 쌍과 수직으로 높여 있다. 구형 범위의 절반을 얻기 위해, 각 쌍의 집중기(C1, C2)는 각각 이들의 공동 검출기(DET)에 대해 경사각 α=45°로 경사져 있다.
대안으로, 4개 보다 많은 검출 모듈이 전체, 반구형 입체각을 덮기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 6개의 검출 모듈이 검출 개구축 사이의 대략 58°각도 벌어져 (각각 3개의 검출기에 결합된) 3개의 쌍으로 배열되어 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같은, 단일 검출 모듈의 반대측에 결합된 검출 모듈의 쌍은 6개의 검출 모듈에 대해 2개의 상이한 배치로 사용될 수 있다. 즉, 3개의 쌍이 도 12c 및 도 12d에 도시된 바와 같이 배치될 수 있다.
구체적으로, 도 12a 및 도 12b는 도 12c 및 도 12d에 도시된 6-검출 모듈 배치에 사용되도록 구체적으로 구성된 경사각을 갖는, 도 11c에 도시된 것과 유사한 검출 모듈쌍을 개략적으로 도시하고 있다. 도 12a는 경사각 α~58°을 갖는 검출 모듈 쌍을 도시하고 있고, 도 12b는 α~32°의 경사각을 갖는 검출 모듈쌍을 도시하고 있다.
도 12c 및 도 12d는 수집 개구(CA1 내지 CA6)가 12면체(12면 정다면체)의 6개의 면과 평행하도록 3개의 쌍으로 배치된 6개의 검출 모듈(212.1 - 212.6)의 2개의 구성의 개략도이다. 정다면체(PS)는 검출 모듈의 배치에 대한 안내로서만 도면에 도시되어 있고 시스템에 속하지 않는다. 검출 모듈(212.1 - 212.6)의 배치 및 구성에 의해 반구 입체각 내의 임의의 검출로부터 도달하는 질문 웨이브 빔으로부터 광을 수집하기 위해 3개의 검출기(DET1-DET3)를 사용할 수 있다. 구체적으로, 도 12c 및 도 12d의 구성에서, 2개의 쌍의 검출 모듈(212.1 - 212.4)은 12면체의 둘레에 4개의 수집 개구를 형성하고, 제3 쌍(212.5 - 212.6)은 중심면(212.5) 및 12면체의 제5 둘레면에 수집 개구를 제공한다.
도 12c의 예에 도시된 바와 같이, 검출 모듈의 쌍을 공동 검출기의 반대면에 결합하면서 반구 범위를 제공하기 위해, 비교적 큰 경사각이 수집 광학부/개구 축과 검출기 표면의 법서 사이에 필요하다. 구체적으로, 도 1a의 구성은 α~58°정도의 경사각이 필요하다. 이러한 경사각은 경사각이 α~90°인 도 11c의 구성과 비교하여 향상된 성능을 제공한다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 서로 인접하지 않은(예를 들어, 12면체의 인접면과 평행하게 위치되지 않은) 2개의 수집 광학부/개구가 단일 검출기에 결합된 6개의 검출 모듈(212.1 - 212.6)의 대안의 배치를 사용한다. 구체적으로, 도 12d에 도시된 바와 같이, 12면체에서, 검출 모듈의 2개의 쌍은 각 쌍의 수집 개구가 12면체의 비인접면에 대향하도록 배치될 수 있다. 따라서, 이러한 쌍들의 각각의 수집 개구 사이의 각도 간격은 대략 58×2=116°이다. 즉, 각 수집 개구는 약 α~32°의 작은 경사각에 의해 경사져 있어야 한다. 도 11c 및/또는 도 12b의 구성에 사용된 이러한 작은 경사각은 도 12a의 구성과 비교하여 향상된 성능을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 검출 모듈의 배치에서, 제3 쌍의 검출 모듈의 수집 개구는 12면체의 인접면과 평행하게 남아 있다(즉, 이들 사이에 대략 58°의 각도 간격이 있다). 따라서, 도 11b의 배치가 제3 쌍의 검출 모듈에 사용된 경우에, 수집 성능은 검출기로의 경계면에서 필요한 비교적 큰 경사각으로 인해 경감될 수 있다. 이것은 예를 들어, (예를 들어, 도 11a의 구성을 갖는) 개별 (쌍을 이루지 않은) 검출 모듈을 사용함으로써 및/또는 도 11c를 참조하여 다음에서 설명된 바와 같이 제3 쌍을 구성함으로써 및/또는 구체적으로 이러한 쌍에 대해 보다 큰 검출기를 사용함으로써 해결될 수 있다.
따라서, 도 12c에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 응답기(200)는 CPC(C 및 C2) 및 타원형 반사기(TIRE, TIRE2)가 각 CPC 축(CX1, CX2) 사이의 58°의 각도를 제공하도록 구성되어 있는 이러한 검출 모듈의 3개의 세트/쌍을 포함할 수 있다. 이것은 검출축 사에 58°각도 벌어진 6 검출 모듈 배치를 제공한다. 대안으로 또는 추가로, 도 12d에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 응답기(200)는 2개의 쌍의 CPC(C 및 C2) 및 타원형 반사기(TIRE, TIRE2)가 각 CPC 축(CX1, CX2) 사이에 116°의 각도를 제공하도록 구성되어 있고, 제3 쌍이 각 CPC 축(CX1, CX2) 사이에 58°의 각도를 제공하는 이러한 검출 모듈의 3개의 세트/쌍을 포함할 수 있다. 이것은 검출 축 사이에 58° 각도 벌어진 6 검출 모듈 배치를 제공하지만, 적어도 이들 광축 사이에 116°를 갖는 2 쌍의 검출기는 상당히 향상된 광 수집 효율을 제공한다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 검출 모듈의 수집 개구(CA)는 하프어스페이스(half-a-space)와 같은 특정 희망의 전체 수집 입체각을 완전히 커버하도록 배치되어 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 원형 검출면의 경우에는 집중기(C) 및 이들의 연관된 수집 개구(CA)에 의해 규정된 수집의 원형 원뿔형 입체각(즉, 광 수집 포락선)과 연관되어 검출기가 사용된다. 이를 위해, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 수집 개구(즉, 이들의 연관된 수집의 원뿔형 입체각)가 희망의 수집의 전체 입체각을 덮도록 최적으로 대칭되어 배치되어 있다. 구체적으로, 하프어스페이스 전체 수집각은 5 정다면체의 포맷에 기초하여 대칭 섹션으로 분할되어 각 수집 개구는 각 섹션으로부터 광을 검출하도록 구성되고 배치된다.
예를 들어, 제1 다면체, 4면체에 있어서, 절반구에 대해 4면체가 전체 범위의 각도를 나타내는 제한 구에 설치된 경우에, 3개의 상면에 의해 덮힌 각도만을 고려할 필요가 있다. 이것들은 각 면을 제한하는 원을 고려함으로써 계산된다. 이러한 제한 원을 수집 원뿔 포락선의 기초로서 고려하여, 각각 θ~54° 절반 꼭지각에 대한 수집 원뿔을 갖는 3개의 검출기가 얻어진다. 마찬가지로, 5개의 검출기에 대해, 각 면이 θ~45° 절반 꼭지각을 갖는 원뿔의 베이스를 형성하는 원에 대응되는 6면체(또는 정육면체)에 대한 각도의 분할에 기초한다. 마찬가지로, 6개의 검출기에 대한 수집 포락선은 θ~37° 절반 꼭지각을 갖는 원뿐을 형성하는, 12면체에 기초할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라 집중기(C)(예를 들어, 도 11a, 도 11b, 도 11c, 도 11d 및 도 14a-도 14b에 도시되어 있다)는 복합 포물선 집중기(CPC)로서 구성되어 있다. 이러한 집중기 구성은 검출기 모듈에 대한 각도 수용 포락선 및 집중/크기 인자 M 모두를 최적화하는 수집 개구(CA)를 제공한다. 실제로, CPC의 집중력은 수용각 θ이 증가될 필요에 따라 열화한다(예를 들어, n=1.5를 갖는 지료의 CPC의 제한 집중 인자는 M(θ = 60°) ≒ 3 및 M(θ = 30°) ≒ 9 정도이다). 그럼에도 불구하고, 이러한 집중기의 사용은 보다 낮은 집중 인자에도 유리하다.
광검출기(예를 들어, InGaAs 소자)에 고체 CPC를 결합하는 직접적인 방법은 CPC를 직접 검출기의 표면에 설치하는 것이다. 그러나, 이것은 적절한 반사 방지막 및 세멘팅 프로시져가 CPC-검출기 경계면에 필요하므로 거출기의 제조 공정에 직접 접근하는 것이 필요하다.
본 발명에 따라 제공되고 도 14a 및 도 14b에 도시된 다른 기술은 검출기의 특정 제조 공정을 필요로 할 수 있는 검출기-CPC 경계면에서의 처리를 적용하지 않고 및/또는 검출기의 제조에 개입하지 않고 CPC를 검출기에 효과적으로 설치할 수 있도록 한다. 이를 위해, CPC의 형상에서 중공형 반사기로서 형성된 집중기는 검출기 어셈블리에 직접 설치된다. (약 1.5 이상의 굴절률 n을 갖는 유리 및/또는 플라스틱과 같은) 광 전파 경로에서 고체 재료에 의해 형성된 고체 CPC와 달리, 중공형 반사성 CPC는 광 전파 경로에서 공기 매체를 사용한다. 따라서, 이러한 방식에서, 표준 공기-검출기 경계 반사 방지막은 여전히 적절하여, 특별 제조 공정의 복잡성을 완화한다.
도 14a는 2mm 직경 검출기 엔클로저 베이스(44)에 직접 설치된 바와 같은 중공형 반사성 CPC(40)를 포함하는 검출 모듈(예를 들어, 212.1)의 단면도를 도시하고 있다. 엔클로저 베이스(44)는 검출기 칩(43) 자체, 베이스 재료 및 플랜지 및 하방으로 뻗은 납 소선의 일부를 수반한다. 도 14b는 CPC 반사기(40)를 상면을 도시하고 있다. 검출기 칩(43)은 반사기(40)와 직접 접촉하고 있다.
일부 실시예에 따라, 검출 모듈은 CPC 반사기(40), 반사기 소자/활성면(43), 그 엔클로저(예를 들어, 패키징) 및, CPC 반사기(40)를 검출기에 결합/접속하도록 구성된 마운트(예를 들어, 마운팅 링)(41)를 포함하고 있다. 구체적으로, 마운트(41)는 엔클로저 베이스(44)에 끼워맞추어지고 CPC(40)와 매치한다. 검출기 및 CPC를 갖는 검출 모듈에 대한 장치의 전체 높이는 약 5mm이다(예를 들어, 검출기의 직경의 약 2.5 배이고 검출기의 규격 패키지(예를 들어, 규격 TO39 패키지) 보다 크다). 검출 모듈의 직경은 검출기는 (오리지널 캡을 가진) 검출기의 오리지널 패키지의 것과 유사하다. 일부 실시예에서, 보호성 윈도우(도 14a 및 도 14b에 도시되지 않음)는 또한 어셈블리(예를 들어, CPC의 상부)에 장착되어 주위 환경으로부터 밀봉한다. CPC는 예를 들어, 고품질 중공형 반사기를 위한 비용 효율적인 전기주조법에 의해 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 반사성 CPC의 반사면은 검출기의 전면에 부착된 전기 결합선을 위한 여유를 위해 구성된 릴리프(42)를 포함한다.
상기 도면중 하나에 제공된 본 발명의 기술은 넓은 범위로부터 선택된 주파수를 갖는 임의의 종류의 웨이브 빔(광, RF, 음향)일 수 있는 결합된 웨이브 빔을 발생시키도록 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그럼에도 블구하고, 본 발명의 일부 구체적인 실시예에서, 적외선 방식으로 특히 약 1.5㎛ 내지 1.7㎛의 특정 범위의 파장을 사용하여 질문 웨이브 빔을 발생시키는 것이 바람직하다. 이러한 제한된 파장 범위는 IFF 시스템의 다수의 바람직한 특성을 충족시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 탱크에 장착되도록 설계된 질문 시스템에서, 바람직한 특성은 광선 소스로부터 0.3 내지 4 km의 동작 범위 R에서, 본질상 아무런 사이드 로브 없이, 비교적 작은 측방향 넓이(W)를 갖는 질문 웨이브 빔을 생성하기 위해 비교적 작은 소스 크기(예를 들어, 1 미터 아래)를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 약 1m의 개구를 갖는 소스에 의해 발생된 이러한 빔의 발산이 요구되는 빔 크기 보다 훨씬 더 크고 비교적 큰 사이드 로브가 형성되기 때문에 RF와 같은 긴 파장 전자기 빔을 사용하여 이러한 파라미터를 얻는 것은 일반적으로 비현실적이다. 한편, 일광에 동작할 때, 응답기(200) 내의 광검출기(210)는 태양에 의해 직접 조사될 수 있고 강한 햇빛에 의해 발생된 산탄 잡음에 의해 영향을 받을 수 있어서 질문 웨이브 빔을 오식별할 수 있다. 따라서, 햇빛이 덜 강한 파장이 일광에서 보다 나은 신호-잡음 성능을 위해 바람직한데, 이것은 보다 짧은 파장(블루 및 UV) 및 근적외선(NIR) 및 적외선(IR), 또는 동일한 mm 웨이브 또는 RF와 같은 보다 긴 파장이다. 그러나, 가시광선 및 UV와 같은 보다 짧은 파장은 대기에 의해 급속히 산란되고 보통 (비, 안개 또는 연기와 같은) 보다 낮은 가시성 상황에서 시스템의 희망의 동작 범위(예를 들어, 4km)에서 높은 손실을 유발한다. 이러한 제약으로 보다 긴 파장(NIR, IR)을 선호하게 된다. 결국, 눈 안전을 고려하는 경우에, 1.5㎛ 내지 1.7㎛ 범위의 눈-안전 파장이 선택될 수 있다. 이러한 범위는 단파 적외선(SWIR) 범위에 있고, 이것은 상기 상황, 즉, 대기중 전송 윈도우, 및 햇빛에 의한 감소된 강도를 충족시킨다. 일부 경우에, IR 범위 내의 보다 긴 파장 역시 사용될 수도 있지만, 이러한 파장에서 적절한 검출기, 광소자, 및 소스의 비용, 크기 및 제한된 유용성으로 인해 질문 빔의 소스가 탱크에 장착되는 특정 예를 구현하는데 있어 덜 선호된다.
본 발명은 상기 설명된 실시예의 구체적인 사항에 제한되지 않고 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위로부터 벗어남 없이 다른 구체적인 형태로 구현될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 제한을 위한 것이 아니고 예시를 위한 것이고, 본 발명의 범위는 상기 설명 보다는 첨부된 청구범위에 의해 규정되고, 청구범위의 등가물의 의미 및 범위 안에 있는 모든 변화는 본 발명의 범위에 포함되어 있다.

Claims (59)

  1. 원하는 범위의 거리에서 실질적으로 일정한 측방향 넓이(extent)를 갖는 웨이브 빔을 생성하는 방법으로서, 상이한 발산을 가지는 복수의 적어도 일부 비간섭하는 구성 웨이브 빔을 발생시키는 단계 및 상기 구성 웨이브 빔이 결합 웨이브 빔을 형성하도록 적어도 일부 겹치고 중첩되도록 실질적으로 평행한 전파축을 따라 전파하기 위해 상기 복수의 구성 웨이브 빔을 지향시키는 단계를 포함하고,
    상기 구성 웨이브 빔의 강도 및 상기 구성 웨이브 빔의 상기 발산은 상기 결합 웨이브 빔이 상기 전파축을 따른 원하는 범위의 거리에서 원하는 실질적으로 일정한 측방향 넓이를 갖도록 선택되는 것을 특징으로 하는 웨이브 빔 생성 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 구성 웨이브 빔은 상기 원하는 실질적으로 일정한 측방향 넓이보다 작은 치수의 하나 이상의 출력 개구로부터 방출되고, 상기 하나 이상의 출력 개구는 상기 구성 웨이브 빔의 임의의 2개의 전파축 사이의 거리가 상기 결합 웨이브 빔의 상기 일정한 측방향 넓이보다 작도록 배치된 것을 특징으로 하는 웨이브 빔 생성 방법.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 구성 웨이브 빔은 특정 강도 검출기의 응답 시간을 초과하지 않는 기간에서 실질적으로 동시에, 공존하여 또는 순차적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 웨이브 빔 생성 방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 적어도 일부 비간섭하는 구성 웨이브 빔을 발생시키는 단계는, 상기 복수의 적어도 일부 비간섭하는 구성 웨이브 빔 중의 각각의 구성 웨이브 빔이,
    i) 다른 구성 웨이브 빔과는 다른 파장을 가지는 것,
    ii) 다른 구성 웨이브 빔과는 다른 편향을 가지는 것,
    iii) 간섭 길이 정도와 같거나 상기 간섭 길이보다 긴, 다른 구성 웨이브 빔과 다른 경로 길이를 가지는 것, 및
    iv) 특정 검출기의 응답 시간보다 짧은 기간 안에서 다른 구성 웨이브 빔과 다른 시각에 생성되는 것
    중 적어도 하나에 의해 다른 구성 웨이브 빔과 상이하도록 수행되어, 상기 복수의 구성 웨이브 빔의 적어도 일부 비간섭성을 얻는 것을 특징으로 하는 웨이브 빔 생성 방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 적어도 일부 비간섭하는 구성 웨이브 빔을 발생시키는 단계는,
    i) 적어도 하나의 구성 웨이브 빔의 발산을 제어가능하게 변화시키는 것; 및
    ii) 적어도 하나의 구성 웨이브 빔의 강도를 제어가능하게 변화시키는 것
    중의 적어도 하나에 의해 상기 결합 웨이브 빔의 측방향 넓이를 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이브 빔 생성 방법.
  6. 웨이브 빔 발생기로서, 적어도 하나의 주요 웨이브 빔(primary wave beam)을 수신하고, 상이한 발산을 가지는 복수의 적어도 일부 비간섭하는 구성 웨이브 빔을 발생시키고, 하나 이상의 실질적으로 평행한 전파축을 따라 전파하도록 상기 복수의 구성 웨이브 빔을 지향시켜 상기 구성 웨이브 빔이 적어도 일부 겹치고 중첩하여 결합 웨이브 빔을 형성하도록 구성된 웨이브 지향 및 포커싱 모듈을 포함하고,
    상기 구성 웨이브 빔의 강도 및 상기 구성 웨이브 빔의 발산은 상기 결합 웨이브 빔이 상기 전파축을 따른 원하는 범위의 거리에서 원하는 실질적으로 일정한 측방향 넓이를 갖도록 설정되는 것을 특징으로 하는 웨이브 빔 발생기.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 주요 웨이브 빔을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 빔 소스를 포함하고, 상기 웨이브 지향 및 포커싱 모듈은 적어도 하나의 빔 소스에 결합된 적어도 하나의 입력, 하나 이상의 출력, 및 상기 적어도 하나의 입력과 상기 하나 이상의 출력 사이에 상이한 초점력의 복수의 경로를 규정하도록 배치되고 상기 적어도 하나의 주요 웨이브 빔으로부터 상이한 발산을 갖는 복수의 적어도 일부 비간섭하는 구성 웨이브 빔을 생성하고 그것들을 상기 하나 이상의 출력으로부터 출력하도록 지향시키고 상기 하나 이상의 실질적으로 평행한 축을 따라 전파하고 적어도 일부 겹쳐 결합 웨이브 빔을 형성하도록 구성되고 동작가능한 하나 이상의 웨이브 영향 소자의 배열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이브 빔 발생기.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 하나 이상의 출력은 상기 원하는 실질적으로 일정한 측방향 넓이보다 작은 치수의 개구와 연관되어 있고, 상기 전파축 사이의 거리가 상기 결합 웨이브 빔의 상기 원하는 실질적으로 일정한 측방향 넓이보다 작도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 웨이브 빔 발생기.
  9. 제6 항에 있어서, 상기 웨이브 빔 발생기는 선형 편향을 갖는 4개의 웨이브 빔을 각각 포함하는 하나 이상의 구성 웨이브 빔 그룹을 생성하도록 구성되어 있고, 상기 4개의 웨이브 빔의 상기 선형 편향은 적어도 45도의 각도로 서로 상이하고, 상기 하나 이상의 구성 웨이브 빔 그룹은 구성 웨이브 빔의 파장, 편향, 및 경로 길이의 파라미터 중 적어도 하나에서 서로 상이한 것을 특징으로 하는 웨이브 빔 발생기.
  10. 제7 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 빔 소스 및 상기 하나 이상의 웨이브 영향 소자의 특성은 적어도 하나의 구성 웨이브 빔의 강도 및 발산 중 적어도 하나를 제어가능하게 변화시킬 수 있고, 이것에 의해 상기 결합 웨이브 빔의 측방향 넓이를 제어할 수 있도록 제어가능한 것을 특징으로 하는 웨이브 빔 발생기.
  11. 제6 항에 따라 구성된 웨이브 빔 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 질문 시스템.
  12. 제11 항에 있어서, 각각의 구성 웨이브 빔을 중첩시킴으로써 질문 웨이브 빔의 전파의 일반 방향을 따른 질문 웨이브 빔의 동작 범위의 거리에서 원하는 실질적으로 일정한 측방향 넓이를 갖는 질문 웨이브 빔을 발생시키도록 선택된 구성 웨이브 빔 결합의 각 구성 웨이브 빔을 동시에 생성하는 것에 의해, 상기 질문 웨이브 빔을 발생시키도록 상기 웨이브 빔 발생기를 선택적으로 작동시키도록 구성된 웨이브 빔 발생 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질문 시스템.
  13. 제12 항에 있어서, 표적 검출 모듈을 포함하고, 상기 표적 검출 모듈은 상이한 동작 범위 및 상이한 측방향 넓이 중 적어도 하나와 연관된 2개 이상의 질문 웨이브 빔을 순차 발생시키기 위해 상기 웨이브 빔 발생 제어기를 순차 동작시키도록 구성된 질문 웨이브 빔 스캐닝 모듈을 구비하고, 상기 표적 검출 모듈은 하나 이상의 질문 웨이브 빔에 의해 질문된 응답기 시스템의 위치를 판정할 수 있는 것을 특징으로 하는 질문 시스템.
  14. 제12 항에 있어서, 상기 질문 웨이브 빔에 응답하는 응답기 시스템에 질문하기 위한 미리 정해진 질문 프로트콜에 따라 작동하는 질문 제어 모듈을 포함하고, 상기 질문 제어 모듈은 상기 미리 정해진 질문 프로토콜에 따라 상기 질문 웨이브 빔에 하기의
    a) 상기 응답기 시스템이 미리 정해진 대기 지속시간 동안 대기 모드에 주기적으로 진입함으로써 절전 모드로 작동하는 것으로서, 상기 미리 결정된 질문 프로토콜은 상기 질문 웨이브 빔에 일련의 초기 세그먼트를 포함하는 초기 시퀀스를 주기적으로 인코딩함으로써 질문 세션을 초기화하는 것을 포함하고, 상기 초기 시퀀스의 지속 시간은 상기 응답기 시스템의 대기 지속시간보다 적어도 하나의 초기 세그먼트의 지속 시간만큼 더 길고, 이것에 의해 상기 대기 지속시간의 종료에 의해 상기 대기 모드로부터 회복할 때 상기 응답기 시스템이 상기 초기 시퀀스의 일부인 상기 적어도 하나의 초기 세그먼트를 식별할 수 있도록 해주는 것;
    b) 사전결정된 질문 프로토콜에 기초하여 암호화된 동기 데이터 세트로서,
    i. 초기 시퀀스의 끝을 표시하는 초기 끝(end-of-initialization) 데이터 필드,
    ii. 상기 질문 시스템의 신원 및 타입 중 적어도 하나를 나타내는 인증 데이터 필드, 및
    iii. 상기 질문에 대한 수신확인 응답의 통신을 위한 상기 응답기 시스템에 의해 사용되는 통신 파라미터를 나타내는 적어도 하나의 통신 데이터 필드,
    중 하나 이상을 나타내는 데이터를 포함하는 상기 동기 데이터 세트; 및
    c) 다양한 증폭 이득을 사용하여 상기 응답기 시스템으로 하여금 상기 질문 웨이브 빔의 강도를 효율적으로 추정할 수 있도록 하는 강도 측정 시퀀스;
    중 적어도 하나를 인코딩하도록 상기 웨이브 빔 발생기를 동작시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 질문 시스템.
  15. 제14 항에 있어서, 상이한 범위 및 상이한 측방향 넓이 중 적어도 하나와 연관된 2개 이상의 질문 웨이브 빔을 순차 발생시켜, 상기 응답기 시스템의 위치를 향상된 정확도로 추정할 수 있게 상기 웨이브 빔 발생 제어기를 순차 동작시키도록 구성된 질문 웨이브 빔 스캐닝 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 질문 시스템.
  16. 제14 항에 있어서, 상기 응답기 시스템은 상기 응답기 시스템에 의해 검출된 질문 웨이브 빔에 응답하여 수신확인 응답 신호를 통신하기 위한 지연 시간을 무작위 선택하여 상기 수신확인 응답 신호가 동일한 질문 웨이브 빔에 응답할 수 있는 다른 응답기 시스템의 수신확인 응답 신호와 간섭할 확률을 감소시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 질문 시스템.
  17. 제11 항에 있어서, 질문 웨이브 빔을 검출하도록 구성되고 동작가능한 질문 빔 수신 모듈, 및 상기 질문 웨이브 빔의 검출에 응답하여 수신확인 통신을 전송하도록 구성되고 동작가능한 전송 모듈을 구비하는 응답기 시스템을 더 포함하고; 상기 질문 빔 수신 모듈은:
    a) 광검출기 및 상기 광검출기에 결합되고 상기 광검출기의 적어도 2개의 광 감지면에 의해 상기 질문 웨이브 빔을 검출할 수 있는 하나 이상의 도파 모듈; 및
    b) 적어도 180°의 수평 수집 각도 내로부터 상기 응답기 시스템쪽으로 전파하는 상기 질문 웨이브 빔을 검출하도록 배치된 적어도 3개의 검출 모듈;
    중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 질문 시스템.
  18. 제17 항에 있어서, 상기 적어도 3개의 검출 모듈의 수집 소자는 적어도 일부 겹치는 수집 입체각으로 구성되어 상기 질문 빔 수신 모듈에 의한 상기 질문 빔의 수집의 전체 입체각이 적어도 반구의 입체각을 커버하도록 하는 것을 특징으로 하는 질문 시스템.
  19. 제17 항에 있어서, 상기 검출 모듈은,
    검출면과 연관된 검출기; 및
    상기 검출기의 상기 검출면에 결합된 출력 포트 및 수집 개구를 규정하는 입력 포트를 갖는 집중기 모듈을 포함하는 수집 소자;를 포함하고,
    상기 집중기 모듈은 특정 입체각으로 그리고 상기 수집 개구에 도달하는 질문 웨이브 빔을 수집하고 상기 수집된 질문 웨이브 빔의 출력을 집중시켜 상기 수집된 질문 웨이브 빔을 상기 출력 포트로 지향시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 질문 시스템.
  20. 제19 항에 있어서, 상기 검출기는 하나 이상의 파장 대역에서 광 방사선에 민감한 광검출기이고 상기 집중기 모듈은 상기 검출기의 표면에 결합된 논-이미징 복합 포물선 집중기(CPC)인 것을 특징으로 하는 질문 시스템.
  21. 응답기 시스템으로서:
    질문 웨이브 빔에 의해 질문을 검출하도록 구성되고 동작가능한 질문 빔 수신 모듈, 및 상기 질문 웨이브 빔의 검출에 응답하여 수신확인 신호를 방출하도록 구성 및 동작가능한 전송 모듈을 포함하고,
    상기 질문 빔 수신 모듈은 적어도 180°의 수평 수집 각도 내로부터 상기 응답기 시스템을 향해 전파하는 질문 웨이브 빔을 검출하도록 배치된 적어도 3개의 검출 모듈을 포함하고,
    상기 적어도 3개의 검출 모듈 중 하나 이상의 검출 모듈은: 상기 질문 웨이브 빔에 민감한 검출기의 검출면; 및 상기 검출기의 상기 검출면에 결합된 출력 포트 및 특정 입체 각도내로부터 상기 검출면에 도달하는 상기 질문 웨이브 빔을 수집하고 상기 수집된 질문 웨이브 빔의 파워를 집중시키면서 상기 수집된 질문 웨이브 빔을 집중기 모듈의 상기 출력 포트로 지향시키는 입력 포트를 가지는 상기 집중기 모듈을 구비하는 수집 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 응답기 시스템.
  22. 제21 항에 있어서, 적어도 2개의 상기 검출 모듈의 2개의 검출면이 공동 검출기의 2개의 반대 면에 각각 위치된 2개의 감지 구역이고; 상기 검출 모듈과 연관된 집중기 모듈의 출력 포트가 전체 내부 반사 모듈을 통해 상기 2개의 감지 구역 중 하나에 결합되고, 상기 전체 내부 반사 모듈은 상기 집중기 모듈에 의해 수집되고 집중된 질문 웨이브 빔을 가이드하고, 상기 감지 구역으로 전파하도록 상기 질문 웨이브 빔을 지향시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 응답기 시스템.
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