KR102589999B1 - 광자기반 송수신 모듈 및 그의 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광자기반 송수신 모듈 및 그의 동작 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광자기반 송수신 모듈은, 제1 광신호를 발생시키는 광신호원, 기저대역 신호를 기초로 상기 제1 광신호를 변환하여 제2 광신호를 생성하고, 수신 안테나가 수신한 반사 레이다 신호를 기초로 상기 제2 광신호를 변환하여 제3 광신호를 생성하는 광소자 집적화 칩, 상기 제2 광신호를 제1 전기 신호로 변환하고, 상기 제1 전기 신호를 송신 안테나로 전송하는 송신부 광검출기, 및 상기 제3 광신호를 제2 전기 신호로 변환하고, 상기 제2 전기 신호를 표적 탐지 시스템으로 전송하는 수신부 광검출기를 포함한다.

Description

광자기반 송수신 모듈 및 그의 동작 방법{A PHOTONIC-BASED TRANSMIT-RECEIVE MODULE AND OPERATION METHOD THEREOF}
본 발명은 광자기반 송수신 모듈 및 그의 동작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감시 정찰 및 탐지 센서 응용 분야에 적용되는 FMCW(Frequency Modulated CW) 레이다 시스템을 위한 광자기반 송수신 모듈 및 그의 동작 방법에 관한 것이다.
마이크로파 전자 소자를 이용한 레이다는 군사적 또는 상업적 목적의 항공기, 차량, 함정 등의 탐지 및 감시 정찰 임무 수행 등의 다양한 분야에 적용되고 있다.
현재 군사적, 상업적 목적으로 적용되고 있는 마이크로파 전자 소자를 이용한 레이다는 초고주파 전송이 가능한 케이블의 필요, 증폭기에서의 전송 손실, 큰 부피 및 발열과 같은 해결해야 할 많은 문제점이 존재한다.
레이다 반사 면적(Radar Cross Section, RCS)이 작은 물체 및 소형 비행체 등과 같은 다양한 위협이 증가하고 있으나, 현재, 마이크로파 기반의 FMCW 레이다는 제한된 주파수 대역폭을 가지고 있어 해상도가 낮다. 고해상도의 영상을 얻기 위해서, 마이크로파 기반의 FMCW 레이다를 넓은 대역 폭으로 운용할 경우, 처리해야 할 데이터 양이 급격히 증가하여, 고비용의 복잡한 신호 처리부를 필요로 한다.
마이크로파 기반의 FMCW 레이다의 대역폭을 자유롭게 바꿀 수 있는 기술이 필요하나, 마이크로파 전자 소자의 기술적 한계가 존재하며, 시스템의 복잡도 및 비용이 증가하는 문제가 있다. 현재, 대역폭을 자유롭게 변경할 수 있는 마이크로파 소자는 아직 연구 단계에 머물러 있으며, 가용 가능한 주파수 범위도 S-대역 이내의 낮은 주파수에 한정되는 문제점이 있다.
따라서, 마이크로파 전송 시스템에서 발생하는 문제점들을 해결하고, 레이다용 마이크로파 전자 소자의 단점을 보완하기 위하여, 기존의 부품들을 광기술 소자들로 대체하려는 광자 기반의 마이크로파 기술(Microwave Photonics)이 제안되어 연구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는 FMCW 레이다 시스템을 위한 광자기반 송수신 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는 상술한 광자기반 송수신 모듈의 동작 방법을 제공하는 것이다.
상술한 제1 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 제1 광신호를 발생시키는 광신호원, 기저대역 신호를 기초로 상기 제1 광신호를 변환하여 제2 광신호를 생성하고, 수신 안테나가 수신한 반사 레이다 신호를 기초로 상기 제2 광신호를 변환하여 제3 광신호를 생성하는 광소자 집적화 칩, 상기 제2 광신호를 제1 전기 신호로 변환하고, 상기 제1 전기 신호를 송신 안테나로 전송하는 송신부 광검출기, 및 상기 제3 광신호를 제2 전기 신호로 변환하고, 상기 제2 전기 신호를 표적 탐지 시스템으로 전송하는 수신부 광검출기를 포함하는 광자기반 송수신 모듈을 제공한다.
여기서, 상기 광소자 집적화 칩은 상기 기저대역 신호를 기초로 상기 제1 광신호를 변환하여 상기 제2 광신호를 생성하는 송신부 광변조기, 상기 반사 레이다 신호와 상기 제2 광신호를 신호 정합하여 차 주파수를 갖는 상기 제3 광신호를 생성하는 수신부 광변조기, 및 상기 송신부 광변조기에서 생성된 상기 제2 광신호를 상기 송신부 광 검출기 및 수신부 광변조기로 분배하는 광분배기를 포함할 수 있다.
상기 송신부 광변조기는 이중 마흐 젠더 광변조기(Dual Parallel Mach-Zehnder Modulator, DPMZM)일 수 있고, 상기 수신부 광변조기는 위상 변조기일 수 있다.
상기 송신부 광변조기는 Ti(티타늄) 확산 도파로 기반의 리튬나이오베이트 광변조기일 수 있다.
상기 광소자 집적화 칩은 상기 수신부 광변조기와 상기 수신부 광검출기 사이에 위치하고, 상기 제3 광신호로부터 표적에서 반사된 레이다 신호에 대응하는 신호를 선택하는 광필터를 선택적으로 포함할 수 있다.
상기 광필터는 비대칭 마흐젠더 간섭 필터(Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer Filter)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광소자 집적화 칩은, 제1 광신호를 발생시키는 광신호원, 기저대역 신호를 기초로 상기 제1 광신호를 변환화여 제2 광신호를 생성하는 송신부 광변조기, 수신 안테나가 수신한 반사 레이다 신호를 기초로 상기 제2 광신호를 변환하여 제3 광신호를 생성하는 수신부 광변조기, 상기 송신부 광변조기에서 생성된 상기 제2 광신호를 상기 송신부 광검출기 및 상기 수신부 광변조기로 분배하는 광분배기, 상기 제2 광신호를 제1 전기 신호로 변환하고, 상기 제1 전기 신호를 송신 안테나로 전송하는 송신부 광검출기, 및 상기 제3 광신호를 제2 전기 신호로 변환하고, 상기 제2 전기 신호를 표적 탐지 시스템으로 전송하는 수신부 광검출기를 포함할 수 있다.
상술한 제2 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 광신호원에 의해 제1 광신호를 발생시키는 단계, 광소자 집적화 칩에 의해 기저대역 신호를 기초로 상기 제1 광신호를 변환하여 제2 광신호를 생성하는 단계, 송신부 광검출기에 의해 상기 제2 광신호를 제1 전기 신호로 변환하고, 상기 제1 전기 신호를 송신 안테나로 전송하는 단계, 상기 송신 안테나에 의해 상기 제1 전기 신호를 기초로 송출 레이다 신호를 방사하는 단계, 수신 안테나에 의해 상기 송출 레이다 신호가 반사되어 돌아오는 반사 레이다 신호를 수신하는 단계, 상기 광소자 집적화 칩에 의해 상기 반사 레이다 신호를 기초로 상기 제2 광신호를 변환하여 제3 광신호를 생성하는 단계, 및 수신부 광검출기에 의해 상기 제3 광신호를 제2 전기 신호로 변환하고, 상기 제2 전기 신호를 표적 탐지 시스템으로 전송하는 단계를 포함하는, 광자기반 송수신 모듈의 동작 방법을 제공한다.
상기 제1 광신호를 변환하여 제2 광신호를 생성하는 단계는, 송신부 광변조기에 의해, 상기 기저대역 신호를 기초로 하기 수학식 1로 표현되는 상기 제1 광신호를 변환하여 하기 수학식 2로 표현되는 상기 제2 광신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 1]
여기서, 는 광신호원의 진폭이고, 는 상기 광신호원의 레이저 주파수이고,
[수학식 2]
Figure 112021037503982-pat00004
여기서, 는 상기 기저대역 신호의 주파수이고, m은 상기 송신부 광변조기의 m차 변조 상수이다.
상기 제2 광신호를 변환하여 제3 광신호를 생성하는 단계는, 수신부 광변조기에 의해 상기 반사 레이다 신호와 상기 제2 광신호를 신호정합 하여 하기 수학식 3으로 표현되는 제3 광신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 3]
여기서, 는 상기 광신호원의 레이저 주파수이고, 는 상기 기저대역 신호의 주파수이고, m은 상기 송신부 광변조기의 m차 변조 상수이고, m'은 상기 수신부 광변조기의 m'차 변조 상수이고, k는 파수(wavenumber)이고, 는 표적에서 반사된 신호의 시간 지연량이다.
본 발명의 일 실시예는, 상술한 방법을 실행시키기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광자기반 송수신 모듈은 광소자 집적화 칩을 이용함으로써, 송신 주파수의 상향 변환 및 수신 주파수의 하향 변환이 가능하여, 기존의 FMCW 레이다 보다 넓은 대역폭을 갖는 광대역 신호를 구현할 수 있다. 따라서, FMCW 레이다 시스템의 탐지 거리 해상도가 대역폭에 의해 결정되므로, 낮은 레이다 반사 면적을 갖는 스텔스 표적 탐지 및 고해상도 이미징 탐지가 가능한 레이다 탐지 시스템의 구축이 가능하다.
또한, 레이다의 주파수 대역이 바뀔 경우, 송신부 및 수신부를 모두 교체하여야 하는 종래의 레이다 모듈과 달리, 광소자 집적화 칩을 이용함으로써, 기저대역 주파수의 입력을 변경하여 다양한 주파수에서 FMCW 레이다 시스템의 구현이 가능하다. 즉, 안테나를 변경하거나, 광대역 안테나를 이용함으로써 송수신 모듈의 변경 없이도 다양한 대역의 FMCW 레이다로 가변이 가능하다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이다 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광자기반 송수신 모듈을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 광소자 집적화 칩의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광자기반 송수신 모듈의 동작 방법을 도시하는 순서도이다.
도 5 및 도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광자기반 송수신 모듈을 이용하여 서로 다른 기저대역 신호에서 생성된 FMCW 신호(a)를 입력하였을 때, 생성되는 FMCW 레이다 신호(b)를 도시하는 그래프이다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하 도면 상의 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 참조 부호를 사용하고, 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이다 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이다 시스템은 광자기반 송수신 모듈(100), 기저대역 신호부(200), 안테나부(300) 및 표적 탐지부(400)를 포함한다.
광자기반 송수신 모듈(100)은 광신호원(110), 광소자 집적화 칩(120), 송신부 광검출기(130) 및 수신부 광검출기(140)를 포함한다.
광신호원(110)은 제1 광신호를 발생시키는 것으로, 발광 다이오드일 수 있다. 상기 발광 다이오드는 레이저 다이오드 일 수 있다.
광소자 집적화 칩(120)은 송신부 광변조기(121), 수신부 광변조기(123) 및 광분배기(125)를 포함한다. 도 1에는 도시 되지 않았으나, 광소자 집적화 칩(120)은 광필터를 더 포함할 수 있다. 상기 광소자 집적화 칩(120)은 도파로 정렬 기술을 이용하여 형성된 하이브리드 형태의 단일 칩일 수 있다.
송신부 광변조기(121)의 입력단은 광신호원(110) 및 기저대역 신호부(200)와 연결된다. 송신부 광변조기(121)는 기저대역 신호부(200)로부터 입력받은 기저대역 신호를 기초로, 광신호원(110)으로부터 입력받은 제1 광신호를 변환하여 제2 광신호를 생성한다.
송신부 광변조기(121)는 이중 마흐 젠더 광변조기(Dual Parallel Mach-Zehnder Modulator, DPMZM)일 수 있다.
수신부 광변조기(123)의 입력단은 광분배기(125) 및 수신 안테나(320)와 연결된다. 수신부 광변조기(123)는 수신 안테나(320)가 수신한 반사 레이다 신호와 광분배기(125)를 통하여 입력된 제2 광신호를 신호 정합하여 차-주파수를 갖는 제3 광신호를 생성한다.
수신부 광변조기(123)는 위상 변조기(Phase Modulator, PM)일 수 있다. 상기 송신부 광변조기(121)와 수신부 광변조기(123)는 Ti(티타늄) 확산 도파로 기반으로 제작한 리튬나이오베이트 광변조기일 수 있다. 상기 송신부 광변조기(121)와 수신부 광변조기(123)는 서로 평행하게 배치될 수 있다.
광분배기(125)는 제2 광신호를 송신부 광검출기(130)와 수신부 광변조기(123)로 분배한다.
광분배기(125)는 실리카 공정 기반으로 제작된 것일 수 있으며, 이 때, 상기 송신부 광변조기(121), 및 수신부 광변조기(123)와 도파로 정렬 기술을 이용하여 하이브리드 형태의 단일 칩을 구성할 수 있다.
송신부 광검출기(130)는 상기 광분배기(125)를 통하여 입력된 제2 광신호를 제1 전기 신호로 변환하여 송신 안테나(310)로 전송한다.
안테나부(300)는 상기 송신부 광검출기(130)로부터 제1 전기 신호를 입력 받아 송출 레이다 신호로 변환하여 방사하는 송신 안테나(310)와, 상기 송출 레이다 신호가 반사되어 돌아오는 반사 레이다 신호를 수신하는 수신 안테나(320)를 포함한다.
수신 안테나(320)는 상기 반사 레이다 신호를 수신하여, 전기적 신호로 변환하여 상기 수신부 광변조기(123)로 전송한다.
FMCW 레이다 탐지 시스템의 목적 및 주변 환경에 따라 상기 기저대역 신호부(200)의 기저대역 신호의 중간 주파수(Intermediate Frquency, IF)를 변경하거나, 상기 송신 안테나(310), 및 상기 수신 안테나(320)를 변경함으로써, FMCW 레이다의 대역을 가변 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광자기반 송수신 모듈을 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 광자기반 송수신 모듈(100)은, 광신호원(110), 광소자 집적화 칩(120), 송신부 광검출기(130) 및 수신부 광검출기(140)를 포함하는 광소자 패키징 모듈로 제공될 수 있다.
광자기반 송수신 모듈(100)은 내부 구성물을 보호하기 위한 하우징과, 기저대역 신호부, 표적 탐지부 및 전원 장치와 같은 외부 장치들과 연결하기 위한 커넥터부, 및 서브 PCB를 더 포함할 수 있다. 상기 커넥터부는 기저대역 신호 입출력을 위한 3개의 RF 커넥터, 2개의 광검출기용 커넥터, 및 광검출기의 제어 및 전원 입력을 위한 커넥터들을 포함할 수 있다.
상기 광소자 집적화 칩(120)은 송신부 광변조기(121), 수신부 광변조기(123) 및 광분배기(125)를 포함하며, 선택적으로 광필터(127)를 더 포함할 수 있다.
상기 광필터(127)는 상기 광소자 집적화 칩(120) 내에 실리카 공정을 이용하여 일체로 제작되거나, 상기 광소자 집적화 칩(120)의 외부에 추가적으로 장착되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광자기반 송수신 모듈은 광신호원(110), 송신부 광변조기(121), 광분배기(125), 수신부 광변조기(123), 송신부 광검출기(130) 및 수신부 광검출기(140)가 하나의 광소자 집적화 칩 내에 일체로 구비된 것일 수 있다.
이 때, 상기 광소자 집적화 칩은 실리카 공정 및 도파로 정렬 기술을 이용하여 형성된 하이브리드 형태의 단일 칩일 수 있다.
상기 광소자 집적화 칩은 일 실시예에서 광필터(127)를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 광소자 집적화 칩의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 광소자 집적화 칩(120)은 송신부 광변조기(121), 수신부 광변조기(123), 광분배기(125) 및 광필터(127)를 포함하는 하이브리드형 단일 칩일 수 있다.
송신부 광변조기(121)는 광신호원(110) 및 기저대역 신호부(200)와 연결되고, 기저대역 신호부(200)로부터 입력 받은 기저대역 신호를 기초로, 광신호원(110)으로부터 입력 받은 제1 광신호를 변환하여 제2 광신호를 생성한다.
상기 송신부 광변조기(121)는 이중 마흐 젠더 광변조기일 수 있으며, 전압 조절을 통하여 기저대역의 신호를 4체배 상향변환 하는 것일 수 있다.
상기 송신부 광변조기(121)의 일 출력단은 광분배기(125)와 연결되어, 제2 광신호를 광분배기(125)로 전달한다.
상기 광분배기(125)의 입력단은 송신부 광변조기(121)로 연결되고, 두 갈래로 분기하여, 제1 출력단은 수신부 광변조기(123)로 연결되고, 제2 출력단은 송신부 광검출기(130)로 연결된다. 따라서, 상기 광분배기(125)는 송신부 광변조기(121)로부터 입력된 제2 광신호를 수신부 광변조기(123)와 송신부 광검출기(130)로 각각 출력한다.
상기 수신부 광변조기(123)는 상기 광분배기(125)의 제1 출력단 및 수신 안테나(320)와 연결된다. 수신부 광변조기(123)는 수신 안테나(320)로부터 입력 받은 반사 레이다 신호와 광분배기(125)로부터 입력 받은 제2 광신호를 신호 정합 하여, 차-주파수를 갖는 제3 광신호를 생성한다.
상기 수신부 광변조기(123)의 출력단은 수신부 광검출기(140)와 연결되어, 상기 제3 광신호를 수신부 광검출기(140)로 전달한다. 광자기반 송수신 모듈(100)이 광필터(127)를 포함하는 경우, 수신부 광변조기(123)의 출력단은 광필터(127)의 입력단과 연결될 수 있다.
상기 수신부 광변조기(123)는 위상 변조기일 수 있으며, 상기 송신부 광변조기(121)와 평행하게 형성된 것일 수 있다.
상기 광필터(127)는 FMCW 레이다 탐지 시스템의 목적에 따라 선택적으로 포함되는 것일 수 있다. 따라서, 광소자 집적화 칩(120)은 상기 광필터(127)를 도면에 도시된 바와 같이 포함하여 일체로 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 광필터(127)는 외부에 추가적으로 장착되거나, 광자기반 송수신 모듈(100)에 포함되지 않을 수 있다.
상기 광필터(127)의 입력단은 상기 수신부 광변조기(123)의 출력단과 연결되며, 상기 광필터(127)의 출력단은 수신부 광검출기(140)에 연결된다. 상기 광필터(127)는 비대칭 마흐-젠더 간섭계 필터일 수 있다.
상기 송신부 광변조기(121) 및 수신부 광변조기(123)는 Ti(티타늄) 확산 도파로 기반으로 제작된 광변조기일 수 있으며, 상기 광분배기(125) 및 광필터(127)는 실리카 공정 기반으로 제작된 소자일 수 있다. 상기 광소자 집적화 칩(120)은 상기 송신부 광변조기(121), 수신부 광변조기(123), 광분배기(125) 및 광필터(127)가 도파로 정렬 기술을 이용하여 하이브리드 형태로 제조된 단일 칩일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광자기반 송수신 모듈의 동작 방법을 도시하는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광자기반 송수신 모듈의 동작 방법은, 광신호원에 의해 제1 광신호를 발생하는 단계(S10), 기저대역 신호를 기초로 제1 광신호를 제2 광신호로 변환하는 단계(S20), 송신부 광검출기에 의해 제2 광신호를 제1 광신호로 변환하는 단계(S30), 송신 안테나에 의해 송출 레이다 신호를 방사하는 단계(S40), 수신 안테나에 의해 반사 레이다 신호를 수신하는 단계(S50), 반사 레이다 신호를 기초로 제2 광신호를 제3 광신호로 변환하는 단계(S60), 및 수신부 광검출기에 의해 제3 광신호를 제2 전기신호로 변환하는 단계(S70)를 포함한다.
광신호원에 의해 제1 광신호를 발생하는 단계(S10)에서, 광자기반 송수신 모듈은 광신호원에 의해 제1 광신호를 발생시킨다.
상기 제1 광신호는 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
여기서, 는 광신호원의 진폭이고, 는 상기 광신호원의 레이저 주파수이다.
기저대역 신호를 기초로 제1 광신호를 제2 광신호로 변환하는 단계(S20)에서, 광자기반 송수신 모듈은 광소자 집적화 칩에 의해 기저대역 신호를 기초로 상기 제1 광신호를 변환하여 제2 광신호를 생성한다.
일 실시예에서, 광자기반 송수신 모듈의 송신부 광변조기가, 기저대역 신호를 4체배 하는 이중 마흐 젠더 광변조기일 경우, 제1 광신호는 기저대역 신호를 기초로 하기 수학식 2로 나타낼 수 있는 제2 광신호로 변환된다.
[수학식 2]
는 상기 기저대역 신호의 주파수이고, m은 상기 송신부 광변조기의 m차 변조 상수이다.
수학식 2에서, 2차 이상의 조화파를 무시하여, 상기 제2 광신호를 아래 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021037503982-pat00016
송신부 광검출기에 의해 제2 광신호를 제1 전기신호로 변환하는 단계(S30)에서, 광자기반 송수신 모듈은 상기 송신부 광검출기에 의해 상기 제2 광신호를 제1 전기 신호로 변환하여, 상기 제1 전기 신호를 송신 안테나로 전송한다.
송신 안테나에 의해 송출 레이다 신호를 방사하는 단계(S40)에서, 상기 송신 안테나는 상기 제1 전기 신호를 입력 받아, 이를 기초로 송출 레이다 신호를 생성하여 방사한다.
상기 제2 광신호를 수신 안테나에 의해 반사 레이다 신호를 수신하는 단계(S50)에서, 상기 수신 안테나는 상기 송출 레이다 신호가 반사되어 돌아오는 반사 레이다 신호를 수신한다. 수신 안테나는 상기 반사 레이다 신호를 전기 신호로 변환하여, 상기 광소자 집적화 칩에 전송한다.
반사 레이다 신호를 기초로 제2 광신호를 제3 광신호로 변환하는 단계(S60)에서, 광자기반 송수신 모듈은 광소자 집적화 칩에 의해 상기 반사 레이다 신호를 기초로 상기 제2 광신호를 변환하여 제3 광신호를 생성한다.
일 실시예에서, 상기 광소자 집적화 칩의 수신부 광변조기가 위상 변조기일 때, 상기 반사 레이다 신호와 상기 제2 광신호를 하기 수학식 4와 같이 신호 정합 할 수 있다.
[수학식 4]
여기서, 은 반사 레이다 신호의 주파수이고, m'은 수신부 광변조기의 m'차 변조 상수이다.
상기 신호 정합을 통하여, 수신부 광변조기는 아래 수학식 5와 같이 나타낼 수 있는 차-주파수를 갖는 제3 광신호를 생성한다.
[수학식 5]
여기서, 는 상기 광신호원의 레이저 주파수이고, 는 상기 기저대역 신호의 주파수이고, m은 상기 송신부 광변조기의 m차 변조 상수이고, m'은 상기 수신부 광변조기의 m'차 변조 상수이고, k는 파수(wavenumber)이고, 는 표적에서 반사된 신호의 시간 지연량이다.
수신부 광검출기에 의해 제3 광신호를 제2 전기신호로 변환하는 단계(S70)에서, 광자기반 송수신 모듈은 수신부 광검출기에 의해 제3 광신호를 제2 전기신호로 변환하여 표적 탐지부에 전달한다.
표적 탐지부는 상기 제2 전기신호를 기초로 표적의 위치를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 광자기반 송수신 모듈의 동작 방법은 컴퓨팅 장치에 의하여 수행되는 것일 수 있다. 상기 컴퓨팅 장치는 전형적인 컴퓨터 하드웨어 (예컨대, 컴퓨터 프로세서, 메모리, 스토리지, 입력 장치 및 출력 장치, 기타 기존의 컴퓨팅 장치의 구성요소들을 포함할 수 있는 장치; 라우터, 스위치 등과 같은 전자 통신 장치; 네트워크 부착 스토리지(NAS; network-attached storage) 및 스토리지 영역 네트워크 (SAN; storage area network)와 같은 전자 정보 스토리지 시스템)와 컴퓨터 소프트웨어(즉, 컴퓨팅 장치로 하여 금 특정의 방식으로 기능하게 하는 명령어들)의 조합을 이용하여 원하는 시스템 성능을 달성하는 것일 수 있다.
이와 같은 컴퓨팅 장치의 통신부는 연동되는 타 컴퓨팅 장치, 레이더 시스템 및 광자기반 송수신 모듈의 요청과 응답을 송수신할 수 있는 바, 일 예 시로서 그러한 요청과 응답은 동일한 TCP(transmission control protocol) 세션(session)에 의하여 이루어질 수 있지만, 이에 한정되지는 않는 바, 예컨대 UDP(user datagram protocol) 데이터그램(datagram)으로서 송수신 될 수도 있을 것이다. 덧붙여, 넓은 의미에서 상기 통신부는 명령어 또는 지시 등을 전달받기 위한 키보드, 마우스, 기타 외부 입력장치, 프린터 등 인쇄장치, 디스플레이 장치, 기타 외부 출력장치를 포함할 수 있다.
또한, 컴퓨팅 장치의 프로세서는 MPU(micro processing unit), CPU(central processing unit), GPU(graphics processing unit), NPU(neural processing unit) 또는 TPU(tensor processing unit), 캐시 메모 리(cache memory), 데이터 버스(data bus) 등의 하드웨어 구성을 포함할 수 있다. 또한, 운영체제, 특정 목적을 수행하는 애플리케이션의 소프트웨어 구성을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 광자기반 송수신 모듈의 동작 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성할 수 있고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
도 5 및 도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광자기반 송수신 모듈을 이용하여 서로 다른 중심주파수(IF)를 갖는 FMCW 신호(a)를 입력하였을 때, 생성되는 FMCW 레이다 신호(b)를 도시하는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 중심주파수가 9 GHz이고, 대역폭이 2.0 GHz인 FMCW 신호를 입력하였을 때, 중심주파수 36 GHz이고, 대역폭이 8.0 GHz로 4체배 된 Ka 대역의 광대역 FMCW 레이다 신호가 출력되는 것을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 중심주파수가 2.25 GHz이고, 대역폭이 500 MHz인 FMCW 신호를 입력하였을 때, 중심주파수가 10 GHz이고, 대역폭이 2 GHz인 X 대역의 FMCW 레이다 신호가 출력되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 중심주파수 입력 변화만으로도, 다양한 주파수 대역을 갖는 FMCW 레이다 신호를 구현할 수 있다. FMCW 레이다의 탐지거리 해상도는 대역 폭에 의하여 결정되므로, 고해상도를 갖는 레이다 시스템의 구축이 가능하여, 낮은 레이다 단면적을 갖는 표적들의 탐지가 가능하다. 뿐만 아니라, 하나의 모듈로 다양한 FMCW 레이다에 적용 가능하여, 시스템 개발 시간 및 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예들을 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속한다.
100 : 광자기반 송수신 모듈
110 : 광신호원 120 : 광소자 집적화 칩
121 : 송신부 광변조기 123 : 수신부 광변조기
125 : 광분배기 130 : 송신부 광검출기
140 : 수신부 광검출기 200 : 기저대역 신호부
300 : 안테나부 310 : 송신 안테나
320 : 수신 안테나 400 : 표적 탐지부

Claims (11)

  1. 제1 광신호를 발생시키는 광신호원;
    기저대역 신호를 기초로 상기 제1 광신호를 변환 하여 제2 광신호를 생성하고, 수신 안테나가 수신한 반사 레이다 신호를 기초로 상기 제2 광신호를 변환하여 제3 광신호를 생성하는 광소자 집적화 칩;
    상기 제2 광신호를 제1 전기 신호로 변환하고, 상기 제1 전기 신호를 송신 안테나로 전송하는 송신부 광검출기; 및
    상기 제3 광신호를 제2 전기 신호로 변환하고, 상기 제2 전기 신호를 표적 탐지 시스템으로 전송하는 수신부 광검출기를 포함하고,
    상기 광소자 집적화 칩은 송신부 광변조기, 수신부 광변조기 및 광분배기를 포함하며,
    상기 광분배기는 상기 송신부 광변조기 및 상기 수신부 광변조기와 도파로 정렬 기술을 이용하여 정렬되어 단일 칩을 구성하는, 광자기반 송수신 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신부 광변조기는 상기 기저대역 신호를 기초로 상기 제1 광신호를 변환하여 상기 제2 광신호를 생성하고,
    상기 수신부 광변조기는 상기 반사 레이다 신호와 상기 제2 광신호를 신호 정합하여 차 주파수를 갖는 상기 제3 광신호를 생성하고,
    상기 광분배기는 상기 송신부 광변조기에서 생성된 상기 제2 광신호를 상기 송신부 광검출기 및 수신부 광변조기로 분배하는 광자기반 송수신 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 송신부 광변조기는 이중 마흐 젠더 광변조기(Dual Parallel Mach-Zehnder Modulator, DPMZM)이고,
    상기 수신부 광변조기는 위상 변조기인, 광자기반 송수신 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 송신부 광변조기는 Ti(티타늄) 확산 도파로 기반의 리튬나이오베이트 광변조기인 광자기반 송수신 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 광소자 집적화 칩은 상기 수신부 광변조기와 상기 수신부 광검출기 사이에 위치하고, 상기 제3 광신호로부터 표적에서 반사된 레이다 신호에 대응하는 신호를 선택하는 광필터를 포함하는 광자기반 송수신 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광필터는 비대칭 마흐젠더 간섭 필터(Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer Filter)인 광자기반 송수신 모듈.
  7. 제1 광신호를 발생시키는 광신호원;
    기저대역 신호를 기초로 상기 제1 광신호를 변환화여 제2 광신호를 생성하는 송신부 광변조기;
    수신 안테나가 수신한 반사 레이다 신호를 기초로 상기 제2 광신호를 변환하여 제3 광신호를 생성하는 수신부 광변조기;
    상기 제2 광신호를 제1 전기 신호로 변환하고, 상기 제1 전기 신호를 송신 안테나로 전송하는 송신부 광검출기;
    상기 송신부 광변조기에서 생성된 상기 제2 광신호를 상기 송신부 광검출기 및 상기 수신부 광변조기로 분배하는 광분배기; 및
    상기 제3 광신호를 제2 전기 신호로 변환하고, 상기 제2 전기 신호를 표적 탐지 시스템으로 전송하는 수신부 광검출기를 포함하고,
    상기 광분배기는 상기 송신부 광변조기 및 상기 수신부 광변조기와 도파로 정렬 기술을 이용하여 정렬되어 단일 칩을 구성하는, 광소자 집적화 칩.
  8. 광신호원에 의해 제1 광신호를 발생시키는 단계;
    광소자 집적화 칩에 의해 기저대역 신호를 기초로 상기 제1 광신호를 변환하여 제2 광신호를 생성하는 단계;
    송신부 광검출기에 의해 상기 제2 광신호를 제1 전기 신호로 변환하고, 상기 제1 전기 신호를 송신 안테나로 전송하는 단계;
    상기 송신 안테나에 의해 상기 제1 전기 신호를 기초로 송출 레이다 신호를 방사하는 단계;
    수신 안테나에 의해 상기 송출 레이다 신호가 반사되어 돌아오는 반사 레이다 신호를 수신하는 단계;
    상기 광소자 집적화 칩에 의해 상기 반사 레이다 신호와 상기 제2 광신호를 신호 정합하여 제3 광신호를 생성하는 단계; 및
    수신부 광검출기에 의해 상기 제3 광신호를 제2 전기 신호로 변환하고, 상기 제2 전기 신호를 표적 탐지 시스템으로 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 광소자 집적화 칩은 송신부 광변조기, 수신부 광변조기 및 광분배기를 포함하고,
    상기 제1 광신호는 하기 수학식 1로 표현되고,
    상기 제2 광신호는 하기 수학식 2로 표현되고,
    상기 제3 광신호는 하기 수학식 3으로 표현되는, 광자기반 송수신 모듈의 동작 방법:
    [수학식 1]

    여기서, 는 광신호원의 진폭이고, 는 상기 광신호원의 레이저 주파수이고,
    [수학식 2]
    Figure 112023064460863-pat00027

    여기서, 는 상기 기저대역 신호의 주파수이고, m은 상기 송신부 광변조기의 m차 변조 상수이고,
    [수학식 3]

    여기서, 는 상기 광신호원의 레이저 주파수이고, 는 상기 기저대역 신호의 주파수이고, m은 상기 송신부 광변조기의 m차 변조 상수이고, m'은 상기 수신부 광변조기의 m'차 변조 상수이고, k는 파수(wavenumber)이고, 는 표적에서 반사된 신호의 시간 지연량이다.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 컴퓨터를 이용하여 제8항의 방법을 실행시키기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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