KR102527463B1 - 의사 난수 2진 시퀀스를 이용한 라이다 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 의사 난수 2진 시퀀스를 이용한 라이다(100)에 관한 것으로, 협대역 주파수 선폭을 가지는 연속발진 광을 생성하는 광원(110)과, 의사 난수 2진 시퀀스 코드를 생성하는 시퀀스 코드 생성부(120)와, 시퀀스 코드로 연속발진 광을 부호화하여 전송 광 펄스를 생성하는 변조부(130)와, 전송 광 펄스를 대상물에 전송하고, 전송 광 펄스가 대상물의 표면에서 산란하여 되돌아오는 산란 광 펄스를 수신하는 송수신 광학부(140)와, 연속발진 광과 산란 광 펄스를 간섭시켜서 간섭 광신호를 얻는 간섭부(150)와, 간섭 광신호를 전기신호로 변환하는 신호 검출부(160)와, 신호 검출부가 검출한 전기신호와 시퀀스 코드를 간섭시켜서 산란 광 펄스(Rx)가 수신된 시간과 관련된 피크를 검출하는 상관기(173)를 포함한다.

Description

의사 난수 2진 시퀀스를 이용한 라이다{LiDAR USING PSEUDO-RANDOM BINARY SEQUENCE}
본 발명은 의사 난수 2진 시퀀스를 이용한 라이다에 관한 것이다.
라이다는 대상물(target)과의 거리를 측정하고, 이를 바탕으로 대상물에 대한 3차원 영상을 얻는 등의 목적으로 사용되며, 광원에서 발생한 레이저광 등을 이용하여 대상물에 신호를 전송하고, 전송된 신호가 대상물에서 산란하여 귀환하는 귀환신호를 수신하여, 전송신호와 귀환신호 사이의 지연을 계산함으로써 거리를 판정한다.
이와 같은 라이다로 펄스 라이다, FMCW 라이다(Frequency Modulation Continuous Wave LiDAR : FMCW LiDAR) 등이 공지되어 있다.
펄스 라이다는 원거리 측정의 곤란성, 고출력 레이저의 이용에 따른 눈 안전성, 인접 라이다와의 상호 간섭의 문제 등이 있고, 이들 문제의 개선을 위해 제안된 방식인 FMCW 라이다는 도플러 주파수 보상이 어렵고, 레이저광의 위상 잡음에 민감하다는 등의 문제가 있다.
이들 문제에 대한 대안으로 예를 들어 특허문헌 1에 개시된 기술이 공지되어 있다.
특허문헌 1에서는 대상물에서 산란하여 수신된 귀환신호가 전송신호에 대응하는가를 정확히 판정하기 위해 의사 난수 2진 시퀀스(Pseudo-Random Binary Sequence : PRBS) 코드(이하에서는 간단하게 「시퀀스 코드」라 한다)에 따라서 부호화된 신호를 전송신호로서 대상물에 전송하고, 그에 의해 복수의 귀환신호가 검출된 때에 이들 복수의 귀환신호를 전송신호의 시퀀스 코드와 상관(correlation)시킴으로써 수신된 복수의 귀환신호 중 어느 신호가 전송신호에 대응하는 귀환신호인가를 판정하도록 하고 있다.
그러나 특허문헌 1의 라이다에서는 귀환신호를 검출하는 방식으로 직접 검출(direct detection : DD) 방식을 이용하고 있으며, 이에 따라 귀환신호 검출을 위한 광검출기로 APD(Avalanche Photo Diode)와 같은 고민감도 검출기나 광증폭기가 필요하나, APD는 태양광이나 인근의 다른 라이다로부터 발생한 광신호를 구별하지 못한다는 문제가 있다,
또, 특허문헌 1과 같이 시퀀스 코드와 귀환신호의 상관을 통해서 태양광 또는 타 라이다로부터의 신호를 구분할 수 있다고 하더라도, 이 경우에는 신호대 잡음 비(Signal to Noise Ratio : SNR)가 낮다는 문제도 있다.
국제공개 WO2018/129408 공개 팸플릿(2018. 7. 12. 공개)
본 발명은 종래기술의 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 귀환신호를 검출하는 검출방식으로 결맞음 검출(Coherent Detection) 방식을 사용함으로써 저 민감도의 광 검출기 사용이 가능하고, 태양광이나 타 라이다로부터의 신호에 전혀 반응하지 않는 동시에 높은 신호대 잡음 특성을 갖는 라이다를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 라이다는 의사 난수 2진 시퀀스를 이용한 라이다로, 협대역 주파수 선폭을 가지는 연속발진 광을 생성하는 광원과, 의사 난수 2진 시퀀스 코드를 생성하는 시퀀스 코드 생성부와, 상기 시퀀스 코드로 상기 연속발진 광을 부호화하여 전송 광 펄스를 생성하는 변조부와, 상기 전송 광 펄스를 대상물에 전송하고, 상기 전송 광 펄스가 상기 대상물의 표면에서 산란하여 되돌아오는 산란 광 펄스를 수신하는 송수신 광학부와, 상기 연속발진 광과 상기 산란 광 펄스를 간섭시켜서 간섭 광신호를 얻는 간섭부와, 상기 간섭 광신호를 전기신호로 변환하는 신호 검출부와, 상기 신호 검출부가 검출한 전기신호와 상기 시퀀스 코드를 간섭시켜서 산란 광 펄스가 수신된 시간과 관련된 피크를 검출하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 신호 검출부는 PIN PD로 구성된다.
본 발명에 의하면 대상물에서 산란하여 귀환하는 귀환신호의 검출을 위해 저 민감도의 광 검출기를 사용하면서도 높은 검출 민감도를 구현할 수 있는 동시에, 주위에 태양광이나 인공조명 또는 다른 라이다 등과 같은 잡음 원(noise source)이나 재밍 신호(jamming signal) 등이 있는 경우에도 대상물에 관한 정보를 안정적으로 얻을 수 있다.
또, 검출된 수신신호에 잡음이 많은 경우에도 높은 신호대 잡음 비를 얻을 수 있는 동시에 원거리 표적에 대해서도 높은 신호대 잡음 비를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태의 의사 난수 2진 시퀀스를 이용한 라이다의 개략적인 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태의 간섭부와 신호 검출부의 구성 예를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시형태의 신호 처리부의 구성 예를 나타내는 도면,
도 4는 전송신호의 시퀀스 코드와 수신신호의 시퀀스 코드 사이의 상관분석의 결과를 나타내는 도면,
도 5는 수신신호에 잡음이 포함되어 있는 경우의 원거리 표적의 상관분석 결과를 나타내는 도면,
도 6은 변형 예의 의사 난수 2진 시퀀스를 이용한 라이다의 특징적인 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태의 의사 난수 2진 시퀀스를 이용한 라이다(이하에서는 간단하게 「PRBS 라이다」로 기재하는 경우도 있다)에 대해서 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
설명에 앞서, 본 발명에서 제안하는 PRBS 라이다(100)의 특징점에 대해서 먼저 간단하게 설명한다.
첫째, 예를 들어 특허문헌 1의 PRBS 라이다와 같은 종래의 PRBS 라이다에서는 대상물에서 산란하여 되돌아오는 산란 광 펄스를 검출하는 방식으로 직접검출(또는 직접검파) 방식을 사용하나, 본 발명의 PRBS 라이다(100)는 대상물에서 산란하여 되돌아오는 산란 광 펄스를 검출하는 방식으로 결맞음 검출(Coherent Detection) 방식을 사용한다.
둘째, 본 발명의 PRBS 라이다(100)는 위상잡음(phase noise)에 민감한 주파수 변환 신호처리(Fast Fourier Transformation : FFT) 대신에 위상잡음에 덜 민감하며 시간지연에만 반응하는 상관함수(correlation function), 즉, 대상물에 전송한 전송 광 펄스의 시퀀스 코드와 전송 광 펄스가 대상물의 표면에서 산란하여 되돌아온 신호인 산란 광 펄스를 상관시킨 상관함수를 이용하여 표적신호 처리를 한다.
셋째, 본 발명의 PRBS 라이다(100)는 간섭부(150)에 1채널 레이저 간섭계 대신 90° 광 하이브리드 간섭계(Optical Hybrid Interferometer)를 사용한다.
이들 특징에 대해서는 대응하는 각 부분의 설명에서 더 상세하게 설명한다.
이어서, 본 발명의 바람직한 실시형태의 라이다(100)의 전체적인 구성에 대해서 도 1을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태의 PRBS 라이다의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1에 나타내는 것과 같이, 본 발명의 바람직한 실시형태의 PRBS 라이다(100)는 광원(110)과 시퀀스 코드 생성부(120)와 변조부(130)와 송수신 광학부(140)와 간섭부(150)와 신호 검출부(160) 및 신호 처리부(170)를 포함한다. 또, 필요에 따라서는 광원(110)에서 발생한 광을 증폭하는 광 증폭기(190)를 더 포함해도 좋다.
광원(110)은 예를 들어 거리나 상대속도 등의 측정 대상이 되는 대상물(T)의 표면에 주사하기 위한 연속발진 광을 생성한다.
앞에서도 설명한 것과 같이, 특허문헌 1의 PRBS 라이다는 대상물에서 산란하여 되돌아오는 산란 광 펄스를 검출하는 방식으로 직접검출 방식을 사용하고, 광원에서 생성한 연속발진 광을 부호화하는 변조방식으로는 강도변조방식을 사용하며, 더 상세하게는 광 강도의 강, 약에 각각 1과 0을 할당하는 변조방식인 온-오프 키잉(On Off Keying : OOK) 방식의 변조기를 사용하고 있다. 따라서 광원으로는 주파수 선 폭이 넓은 광대역 선폭 레이저 모듈(Broadband Linewidth Laser Module)을 사용한다.
이에 반해 본 실시형태의 PRBS 라이다(100)에서는, 앞에서 설명한 본 발명의 첫째 특징과 같이 결맞음 검출방식을 사용하며, 광원에서 생성된 연속발진 광을 부호화하는 변조방식으로는 위상변조방식과 강도변조방식 등을 사용할 수 있다. 따라서 본 실시형태의 PRBS 라이다(100)에서는 광원(110)으로 주파수 선 폭이 좁은 협대역 선폭 레이저 모듈(Narrow Linewidth Laser Module)을 사용한다. 이와 같은 레이저 모듈로는 예를 들어 외부 공진형 반도체 레이저(External Cavity Diode Laser : ECDL)나 분포 귀환형 반도체 레이저(Distributed Feedback Laser Diode : DFB-LD) 또는 분포 반사형 레이저(Distributed Bragg Reflector Laser : DBR 레이저)등을 이용할 수 있다.
시퀀스 코드 생성부(120)는 광원(110)에서 생성한 연속발진 광을 부호화하기 위한 시퀀스 코드를 생성하여 변조부(130) 및 후술하는 신호 처리부(170)의 상관기(173)에 제공한다. 시퀀스 코드 생성부(120)가 생성하는 시퀀스 코드는 의사 난수 2진 시퀀스 코드(PRBS 코드)이며, PRBS 코드는 예를 들어 PRBS-5 코드에 대응하는 25-1 비트를 가지거나, 또는 PRBS-5보다 큰 PRBS-6 코드, PRBS-7 코드, … 등으로 해도 좋다.
변조부(130)는 시퀀스 코드 생성부(120)가 생성한 시퀀스 코드를 이용하여 광원(110)에서 발생한 연속발진 광을 부호화하여 전송 광 펄스(Tx)를 생성한다. 앞에서도 설명한 것과 같이, 본 실시형태의 PRBS 라이다(100)에서 광원에서 생성된 연속발진 광을 부호화하는 변조방식으로는 예를 들어 위상변조방식이나 강도변조방식 등을 사용할 수 있다. 또, 변조부(130)는 전기광학 변조기(EOM: Electro-Optic Modulator)나 반도체 광증폭기(SOA: Semiconductor Optical Amplifier) 등을 이용하여 구성할 수 있으며, 그 방법에 제한을 받지는 않는다
송수신 광학부(140)는 변조부(130)가 출력하는 전송 광 펄스(Tx)를 전송하여 대상물(T)의 표면에 주사하고, 전송 광 펄스(Tx)가 대상물(T)의 표면에서 산란하여 되돌아오는 광 펄스(이하에서는 이 광 펄스를 「산란 광 펄스(Rx)」라 한다)를 수신하여 간섭부(150)에 출력한다.
간섭부(150)는 광원(110)으로부터 수신한 연속발진 광(국부발진 광, Local Oscillator : LO)과 전송 광 펄스(Tx)가 대상물(T)의 표면에서 산란하여 되돌아온 광 펄스인 산란 광 펄스(Rx)를 간섭시켜서 간섭 광신호를 얻는다. 또, 간섭부(150)에서 얻은 간섭 광신호는 신호 검출부(160)에서 전기신호로 변환하며, 간섭부(150) 및 신호 검출부(160)의 상세에 대해서는 후술한다.
신호 처리부(170)는 신호 검출부(160)의 출력과 시퀀스 코드 생성부(120)에서 생성한 시퀀스 코드를 이용하여 본 실시형태의 PRBS 라이다(100)와 대상물(T) 사이의 거리 등을 산출하며, 상세에 대해서는 후술한다.
이어서, 간섭부(150) 및 신호 검출부(160)에 대해서 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태의 간섭부 및 신호 검출부의 구성 예를 나타내는 도면이다.
간섭부(150)는 연속발진 광(국부발진 광)(LO)과 산란 광 펄스(Rx)를 각각 입력으로 하는 2채널 Mach Zehnder 간섭계로 구성하며, 2개의 채널 중 어느 한 채널의 간섭계는 다른 채널의 간섭계에 대해서 90°의 위상 차를 가지도록 구성하여 Inphase/ Quadrature 신호를 생성하는 90° 광 하이브리드 구조로 하고 있다.
시퀀스 코드 생성부(120)에서 생성된 PRBS 코드는 변조부(130)에 의해 진폭 변조가 이루어지며, 간섭부(150)의 출력은 진폭 변조된 PRBS 코드 이외에, 산란 광 펄스(Rx)와 연속발진 광(LO)의 위상 차에도 영향을 받는다. 그래서 본 실시형태의 PRBS 라이다(100)에서는 간섭부(150)를 90° 광 하이브리드 구조로 하여 산란 광 펄스(Rx)와 연속발진 광(LO)의 위상 차에 의한 영향을 제거할 수 있도록 하고 있다.
만일 본 발명과 같이 90° 광 하이브리드를 사용하지 않고 단일 채널의 간섭계로 한 때에는 산란 광 펄스(Rx)와 연속발진 광(LO)의 위상 차에 따라서 간섭부(150)의 출력은 0이 될 수도 있어서 라이다에 의한 거리 등의 측정 정밀도가 현저하게 낮아지게 된다.
그러나 본 실시형태의 간섭부(150)와 같이 간섭계로 90° 광 하이브리드를 사용한 경우 산란 광 펄스(Rx)와 연속발진 광(LO)의 위상 차에 무관하게 일정한 크기의 PRBS 코드 정보를 얻을 수 있다. 또, 이중 편광 구조를 채택할 경우에는 표적의 편광 특성에 무관하게 일정한 크기의 PRBS 코드 정보를 얻을 수 있다.
신호 검출부(160)는 2개의 Mach Zehnder 간섭계로 구성된 간섭부(150)가 출력하는 간섭 광신호를 전류 값으로 변환하는 광 다이오드(161)와 광 다이오드(161)의 출력전류를 전압으로 변환하는 TIA(Trans-Impedance Amplifier, 163) 및 TIA(163)의 출력전압을 증폭하는 증폭기(165)로 구성되며, 측정 대상 표적(대상물(T))과의 거리가 가까운 경우 등, 필요에 따라서는 증폭기(165)는 생략할 수도 있다.
특허문헌 1의 라이다에서는 산란 광 펄스를 검출하는 광검출기로 APD와 같은 고 민감도의 검출기를 사용하였으나, 본 실시형태의 PRBS 라이다(100)에서는 대상물(T)로부터 수신된 산란 광 펄스(Rx)가 간섭부(150)에 의해 증폭되므로, 신호 검출부(160)를 구성하는 광 다이오드(161)로 PIN PD(PIN PhotoDiode)와 같은 저 민감도 광 검출기를 사용한다.
다음에, 신호 처리부(170)에 대해서 도 3을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 3은 본 발명의 바람직한 실시형태의 신호 처리부의 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 3에 나타내는 것과 같이, 본 실시형태의 신호 처리부(170)는 실효치 산출부(171)와 상관기(173)와 거리 산출부(175)를 포함하여 구성된다.
실효치 산출부(Root Means Square : RMS)(171)는 간섭부(150)의 간섭신호로부터 얻은 신호 검출부(160)의 실수 축(동상 축, Inphase) 출력과 허수 축(직각위상 축, Quadrature) 출력의 실효치를 산출한다.
90° 광 하이브리드 구조를 갖는 간섭부(150)의 간섭신호로부터 얻은 신호 검출부(160)의 실수 축(동상 축, Inphase) 출력과 허수 축(직각위상 축, Quadrature) 출력은 각각 수학식 1 및 2로 표시된다.
Figure 112021072419437-pat00001
Figure 112021072419437-pat00002
이와 같이 간섭부(150)의 출력은 (-) 값도 포함하며, 실효치 산출부(171)를 이용하여 수학식 3과 같이 (-) 값을 제거한 PRBS 코드 수열을 얻을 수 있다.
Figure 112021072419437-pat00003
여기서, Cprbs는 PRBS 코드 수열을, I(t)는 실수 축 출력을, Q(t)는 허수 축 출력을, △φ(t)는 산란 광 펄스(Rx)와 연속발진 광(LO)의 위상 차를 각각 나타낸다.
실효치 산출부(171)에 의한 실효치 산출과정을 수학식 3과 관련시켜서 설명하면, 실효치 산출부(171)는 신호 검출부(160)가 출력하는 실수 축(Inphase) 출력과 허수 축(Quadrature) 출력인 수학식 3의 I(t)와 Q(t)에 대해서, 이들 각각의 제곱(I2(t) 및 Q2(t))을 구하는 기능과, I2(t)와 Q2(t)를 합산(I2(t)+ Q2(t))하는 기능 및 I2(t)+ Q2(t)의 제곱근을 구하는 기능으로 구분할 수 있다.
여기서 I(t)와 Q(t)의 제곱(I2(t)와 Q2(t))을 구해서 합산(I2(t)+ Q2(t))하는 이유는 실수 축(Inphase) 출력과 허수 축(Quadrature) 출력으로부터 광의 위상 차에 의한 영향을 배제하여 PRBS 코드만을 추출하기 위해서이다. 이때, PRBS 코드는 0과 1로만 이루어지므로 제곱근을 구하기 전과 후의 값(수학식 3에 의한 계산의 결과)은 사실상 동일하므로 실효치 산출부(171)에서 I2(t)+ Q2(t)의 제곱근을 구하는 기능은 생략해도 좋다.
상관기(173)는 실효치 산출부(171)에서 산출한 산란 광 펄스(Rx)의 PRBS 코드 수열과 시퀀스 코드 생성부(120)가 생성한 시퀀스 코드를 상관시켜서 산란 광 펄스(Rx)가 수신된 시간과 관련된 피크를 검출한다.
거리 산출부(175)는 상관기(173)에 의해 검출된 피크로부터 전송 광 펄스(Tx)가 전송된 시간과 산란 광 펄스(Rx)가 수신된 시간 사이의 시간 차를 얻어서, 이 시간 차로부터 PRBS 라이다(100)와 대상물(T) 사이의 거리를 산출한다. 예를 들어 거리는 상기 시간 차에 광의 속도를 곱해서 2로 나누면 거리를 얻을 수 있다.
다음에, 이상의 구성을 구비하는 본 발명의 PRBS 라이다(100)의 효과에 대해서 검토한다.
먼저, 본 발명의 PRBS 라이다(100)에 의하면 예를 들어 PRBS 라이다(100)와 대상물(T) 사이 또는 그 주위에 태양광이나 인공조명 또는 다른 라이다 등과 같은 잡음이 있거나, 또는 재밍 신호가 있는 경우에도 PRBS 라이다(100)와 대상물(T) 사이의 거리 등의 정보를 안정적으로 얻을 수 있다.
본 발명자들은 상기 구성을 포함하는 본 발명의 PRBS 라이다(100)를 이용하여 대상물(T)로부터 수신되는 산란 광 펄스(Rx)에 잡음이나 재밍 신호가 포함되어 있지 않은 경우와 포함되어 있는 경우 각각에 대해 전송신호(전송 광 펄스(Tx))의 시퀀스 코드와 수신신호(산란 광 펄스(Rx))의 시퀀스 코드 사이의 상관분석을 하였다.
도 4는 이 상관분석의 결과를 나타내는 도면으로, (a)는 대상물(T)로부터 수신한 산란 광 펄스(Rx)에 잡음이나 재밍 신호가 포함되어 있지 않은 경우의 상관분석 결과를, (b)는 대상물(T)로부터 수신한 산란 광 펄스(Rx)에 잡음이나 재밍 신호가 포함되어 있는 경우의 상관분석 결과를 각각 나타낸다.
도 4 (a), (b)로부터 알 수 있는 것과 같이, 대상물(T)로부터 수신한 산란 광 펄스(Rx)에 잡음이나 재밍 신호가 포함되어 있지 않은 경우와 포함되어 있는 경우 모두에서 상관분석의 결과는 사실상 동일하였으며, 잡음이나 재밍 신호는 실질적인 영향이 사실상 없는 것으로 확인되었다. 이로부터 본 발명의 PRBS 라이다(100)에 의하면 PRBS 라이다(100)와 대상물(T) 사이 또는 그 주위에 태양광이나 인공조명과 같은 잡음이 있거나, 또는 재밍 신호가 있는 경우에도 PRBS 라이다(100)와 대상물(T) 사이의 거리 등의 정보를 안정적으로 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
또, 본 발명의 PRBS 라이다(100)는 전송신호(전송 광 펄스(Tx))의 시퀀스 코드와 수신신호(산란 광 펄스(Rx))의 시퀀스 코드가 일치하는 동시에, 전송신호와 수신신호가 결맞지 않으면(coherent 하지 않으면) 상관 분석에 의한 피크 검출이 안 되므로 이중의 상호 간섭 방지가 가능하다.
또, 본 발명의 PRBS 라이다(100)에서는 상호상관을 통해서 연산을 하므로 신호 검출부(160)에서 검출된 수신신호에 잡음이 많은 경우에도 높은 신호대 잡음 비를 얻을 수 있는 동시에, 위상잡음에 민감한 주파수 측정방식이 아닌 단순 지연시간을 상호상관함수로 계산하므로 원거리 표적에 대해서도 높은 신호대 잡음 비를 얻을 수 있다.
이 효과의 확인을 위해, 본 발명자들은 본 발명의 PRBS 라이다(100)를 이용하여 5,000m 정도의 원거리 표적(대상물(T))에 대해, 수신신호에 잡음이 포함되어 있는 경우를 상정하여 상관분석을 시도하였으며, 도 5는 그 결과를 나타내는 도면이다.
도 5에 나타내는 것과 같이, 수신신호에 잡음이 포함되어 있는 경우에도 5,000m 정도의 원거리 표적에서도 정확하게 피크가 검출되는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 상기 실시형태에 의해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 기재된 형태로 한정되는 것은 아니며, 청구범위에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 변형 또는 변경 실시할 수 있다.
상기 실시형태에서는 간섭부(150)는 연속발진 광과 산란 광 펄스(Rx)를 각각 입력으로 하는 2채널 Mach Zehnder 간섭계로 구성하며, Mach Zehnder 간섭계의 2개의 채널 중 어느 한 채널의 간섭계는 다른 채널의 간섭계에 대해서 90°의 위상 차를 가지는 90° 광 하이브리드 구조로 하였다.
일반적으로 대상물(T)(표적)의 표면에서 산란(반사) 된 산란 광 펄스(Rx)는 그 대상물(T)의 표면의 상태에 따라서 편광 특성이 달라지며, 간섭계는 동일한 편광 성분의 광끼리만 서로 반응하므로, 연속발진 광(LO)과 산란 광 펄스(Rx)의 편광 방향이 서로 다르면 간섭효율이 저하한다는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하여, 대상물(T)의 편광 특성에 따른 간섭효율을 향상시키기 위해서는 이중 편광 구조의 간섭부를 채용할 수 있으며, 이하에서는 이중 편광 구조의 간섭부를 채용한 변형 예의 PRBS 라이다(200)에 대해서 도 6을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 6은 변형 예의 의사 난수 2진 시퀀스를 이용한 라이다의 특징적인 구성을 나타내는 도면이다.
변형 예의 PRBS 라이다(200)는 산란 광 펄스(Rx)를 수평 편광 성분과 수직 편광 성분으로 분리하여 수평 편광 측정용 90° 광 하이브리드와 수직 편광 측정용 90° 광 하이브리드로 이루어지는 2개의 90° 광 하이브리드로 간섭부(250)를 구성한 점에서 실시형태의 PRBS 라이다(100)와는 큰 차이가 있고, 이 차이에 따라서 신호 검출부(260)와 실효치 산출부(271)의 구성도 실시형태의 PRBS 라이다(100)의 신호 검출부(160)와 실효치 산출부(171)와는 일부 차이가 있으며, 그 외의 구성은 PRBS 라이다(100)와 동일하다. 따라서 이하에서는 실시형태의 PRBS 라이다(100)와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 6에 나타내는 것과 같이, 변형 예의 PRBS 라이다(200)의 간섭부(250)는 편광 빔 스플리터(Polarization Beam Splitter, 251)와 빔 스플리터(Beam Splitter, 253)와 수평 편광 측정용 90° 광 하이브리드(255a) 및 수직 편광 측정용 90° 광 하이브리드(255b)를 포함한다.
편광 빔 스플리터(251)는 편광 성분을 분리하는 광학 소자이며, 대상물(T)의 표면에서 산란하여 되돌아온 산란 광 펄스(Rx)를 수평 편광(P-편광) 성분과 수직 편광(S-편광) 성분으로 분리하여 각각 수평 편광 측정용 90° 광 하이브리드(255a) 및 수직 편광 측정용 90° 광 하이브리드(255b)에 제공한다.
빔 스플리터(253)는 광을 2개로 분리하는 광학 소자이며, 광원(110)으로부터 입력하는 연속발진 광(LO)을 2개로 분리하여 수평 편광 측정용 90° 광 하이브리드(255a) 및 수직 편광 측정용 90° 광 하이브리드(255b)에 각각 제공한다.
여기서, 광원(110)으로부터 입력하는 연속발진 광(LO)에 대해서도 P-편광성분과 S-편광성분으로 분리할 수 있으나, 일반적으로 편광 빔 스플리터는 빔 스플리터에 비해 고가이고, 연속발진 광(LO)은 광 전달매체인 광섬유의 꼬임 상태에 따른 편광성분이 한번 정해지면 변하지 않으므로, 산란 광 펄스(Rx)에 대해서만 P-편광성분과 S-편광성분으로 분리해도 그 효과에서는 특별한 차이가 없다. 따라서 본 변형 예에서는 산란 광 펄스(Rx)에 대해서만 편광 빔 스플리터(251)를 이용하여 P-편광성분과 S-편광성분으로 분리하도록 하고 있다. 그러나 연속발진 광(LO)에 대해서도 편광 빔 스플리터를 이용하여 P-편광성분과 S-편광성분으로 분리해도 좋다.
수평 편광 측정용 90° 광 하이브리드(255a)와 수직 편광 측정용 90° 광 하이브리드(255b)는 각각 2채널 Mach Zehnder 간섭계로 구성되며, 2개의 채널 중 어느 한 채널의 간섭계는 다른 채널의 간섭계에 대해서 90°의 위상 차를 가지는 90° 광 하이브리드 구조의 간섭계이다.
신호 검출부(260)는 간섭부(250)의 수평 편광 측정용 90° 광 하이브리드(255a)와 수직 편광 측정용 90° 광 하이브리드(255b)가 출력하는 간섭 광신호를 각각 전류 값으로 변환하는 광 다이오드(261)와 광 다이오드(261)의 출력전류를 전압으로 변환하는 TIA(Trans-Impedance Amplifier, 263) 및 TIA(263)의 출력전압을 증폭하는 증폭기(265)로 구성된다. 실시형태의 PRBS 라이다(100)에서와 마찬가지로 PRBS 라이다(200)와 측정 대상물(T) 사이의 거리가 가까운 경우 등, 필요에 따라서 증폭기(265)는 생략할 수도 있다.
실효치 산출부(271)는 실시형태의 PRBS 라이다(100)의 실효치 산출부(171)와 사실상 동일한 기능을 한다.
구체적으로는, 실효치 산출부(271)는 실시형태의 실효치 산출부(171)와 마찬가지로 수학식 3의 I(t)와 Q(t)의 제곱(I2(t)와 Q2(t))을 구하는 기능(도 6의 271a), I2(t)와 Q2(t)를 합산(I2(t)+ Q2(t))하는 기능(도 6의 271b) 및 최종적으로 I2(t)+ Q2(t)의 제곱근을 구하는 기능(도 6의 271d)을 갖는다. 또, 실효치 산출부(271)에 의해 구해지는 RMS(Root Mean Square)는 제곱수의 평균에 대한 제곱근이므로, 변형 예의 실효치 산출부(271)에서는 2개의 편광 측정용 90° 광 하이브리드(255a, 255b)의 평균을 구하는 기능(도 6의 271c)이 추가로 필요하다.
그러나 앞에서 설명한 실시형태의 PRBS 라이다(100)의 실효치 산출부(171)와 마찬가지 이유에서 I2(t)+ Q2(t)의 제곱근을 구하는 기능(도 6의 271d)은 생략해도 좋다. 또, 신호 처리에서 상수(본 변형 예에서는 2; ×1/2는 2개의 90° 광 하이브리드(255a, 255b) 간섭계의 평균)로 나누어주는 것은 사실상 의미가 없으므로 변형 예의 실효치 산출부(271)에서는 2개의 편광 측정용 90° 광 하이브리드(255a, 255b)의 평균을 구하는 기능(도 6의 271c)도 생략해도 좋다.
이상의 구성을 가지는 본 변형 예와 같이 이중 편광 구조를 채택하는 경우, 대상물(T, 표적)의 편광 특성에 무관하게 일정한 크기의 PRBS 코드 정보를 얻을 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는 거리 산출부(175)는 PRBS 라이다(100)와 대상물(T) 사이의 거리만을 산출하는 것으로 설명하였다.
그러나 본 발명의 라이다는 거리 측정용으로만 한정되는 것은 아니며, 거리 산출부(175)의 구성 및 기능의 변경에 의해 본 발명의 라이다는 예를 들어 대상물(T) 표면의 반사율을 측정하거나, 또는, 대상물(T)의 상대적인 이동속도를 측정하는 등의, 다양한 변수의 측정이 가능하도록 라이다를 구성할 수 있다.
또, 상기 실시형태와 상기 변형 예는 각각 단독으로 실시해도 좋고, 서로 조합시켜서 실시해도 좋다.
100, 200 라이다
110 광원
120 시퀀스 코드 생성부
130 변조부
140 송수신 광학부
150, 250 간섭부
160, 260 신호 검출부
170 신호 처리부
171, 271 실효치 산출부
173 상관기
175 거리 산출부

Claims (7)

  1. 의사 난수 2진 시퀀스를 이용한 라이다로,
    협대역 주파수 선폭을 가지는 연속발진 광을 생성하는 광원과,
    의사 난수 2진 시퀀스 코드를 생성하는 시퀀스 코드 생성부와,
    상기 시퀀스 코드로 상기 연속발진 광을 부호화하여 전송 광 펄스를 생성하는 변조부와,
    상기 전송 광 펄스를 대상물에 전송하고, 상기 전송 광 펄스가 상기 대상물의 표면에서 산란하여 되돌아오는 산란 광 펄스를 수신하는 송수신 광학부와,
    상기 연속발진 광과 상기 산란 광 펄스를 간섭시켜서 간섭 광신호를 얻는 간섭부와,
    상기 간섭 광신호를 전기신호로 변환하는 신호 검출부와,
    상기 신호 검출부가 검출한 전기신호와 상기 시퀀스 코드를 간섭시켜서 산란 광 펄스가 수신된 시간과 관련된 피크를 검출하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 신호 검출부는 PIN PD로 구성되는 라이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 간섭부는 상기 산란 광 펄스와 상기 연속발진 광을 각각 입력으로 하는 2채널 Mach Zehnder 간섭계로 구성하며, 2개의 채널 중 어느 한 채널의 간섭계는 다른 채널의 간섭계에 대해서 90°의 위상 차를 가지는 90° 광 하이브리드 구조인 라이다.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 신호 검출부가 검출한 전기신호의 실수 축 출력과 허수 축 출력의 실효치를 산출하는 실효치 산출부와,
    상기 실효치 산출부에서 산출된 전기신호의 실효치와 상기 시퀀스 코드를 간섭시켜서 산란 광 펄스가 수신된 시간과 관련된 피크를 검출하는 상관기를 포함하는 라이다.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 간섭부는,
    상기 산란 광 펄스로부터 수평 편광성분과 수직 편광성분을 분리하는 편광 빔 스플리터와,
    상기 연속발진 광을 2개의 광으로 분리하는 광 스플리터와,
    상기 수평 편광성분과 상기 2개의 광 중 어느 하나의 광을 입력으로 하는 2채널 Mach Zehnder 간섭계로 구성되는 수평 편광 측정용 90° 광 하이브리드와,
    상기 수직 편광성분과 상기 2개의 광 중 나머지 하나의 광을 입력으로 하는 2채널 Mach Zehnder 간섭계로 구성되는 수직 편광 측정용 90° 광 하이브리드를 포함하는 라이다.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 신호 검출부가 검출한 전기신호의 실수 축 출력과 허수 축 출력의 실효치를 산출하는 실효치 산출부와,
    상기 실효치 산출부에서 산출된 전기신호의 실효치와 상기 시퀀스 코드를 간섭시켜서 산란 광 펄스가 수신된 시간과 관련된 피크를 검출하는 상관기를 포함하는 라이다.
  6. 삭제
  7. 청구항 3 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 상관기에 의해 검출된 피크를 이용하여 상기 라이다와 상기 대상물 사이의 거리를 산출하는 거리 산출부를 더 포함하는 라이다.
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