레이저의 이득 스위칭을 이용한 처프 펄스 생성 기반의 라이다 시스템에 관한 연구

Abstract

최근, 거리 측정 기술로서 라이다 (LiDAR : light detection and ranging)가 많은 관심을 받고 있다. 특히, 자율주행차, 우주 탐사, 로봇 등의 분야에 라이다가 사용되면서 시스템의 복잡도와 비용을 최소화할 수 있는 라이다 시스템을 필요로 하게 되었다. 그에 따라 주파수 변조 기술 (frequency modulation technique)과 코히런트 수신 (coherent detection)을 기반으로 하는 chirp 라이다 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 논문에서는 레이저 다이오드 (LD : laser diode)의 이득 스위칭 (gain switching)을 통해 생성된 펄스를 이용한 라이다 시스템을 제안하고 구현하였다. 먼저, LD 의 이득 스위칭을 통해 coherent 라이다 시스템에 필요한 처프 펄스 (chirped pulse)를 생성할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 입증하였다. 색분산 (chromatic dispersion)을 통해 펄스의 폭을 증가시키며 펄스의 특성을 분석하였다. 그 결과 제안된 시스템의 분해능 (resolution)이 이득 스위칭의 구동 조건에 의해 결정됨을 확인하였다. 또한, 수 MHz 가 넘는 이득 스위칭 속도를 통해 높은 속도로 거리 측정이 가능함을 보였다. 생성된 펄스를 이용한 거리 측정 및 코히런트 검파 (coherent detection)를 시뮬레이션으로 구현하고 시스템의 성능을 분석하였다. 첫 번째로 시간 지연에 상관없이 거리 분해능이 일정하게 유지됨을 보였다. 두 번째로 시간 지연에 의해 수신 감도 패널티 (receiver sensitivity penalty)가 발생함을 보였고 펄스 폭에 상당하는 시간 지연에 대해서도 높은 수신 감도가 유지됨을 보였다. 상기 결과를 토대로 본 연구에서 제안하는 라이다 시스템은 낮은 비용 및 복잡도를 요구하는 응용 분야에서 유망한 후보가 될 수 있음을 보였다.