KR102146051B1 - 광위상배열 기반의 ladar 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

광위상배열 기반의 ladar 시스템 및 이의 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102146051B1
KR102146051B1 KR1020200039426A KR20200039426A KR102146051B1 KR 102146051 B1 KR102146051 B1 KR 102146051B1 KR 1020200039426 A KR1020200039426 A KR 1020200039426A KR 20200039426 A KR20200039426 A KR 20200039426A KR 102146051 B1 KR102146051 B1 KR 102146051B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phase
laser pulse
optical
alignment algorithm
beam alignment
Prior art date
Application number
KR1020200039426A
Other languages
English (en)
Inventor
김태훈
주성현
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020200039426A priority Critical patent/KR102146051B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102146051B1 publication Critical patent/KR102146051B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/484—Transmitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

실시 예들은 광위상배열 기반의 LADAR 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 실시 예에 따른 광위상배열 기반의 LADAR 시스템은 광위상배열 안테나를 통과하는 레이저 펄스의 위상을 보상하여 각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 동일하게 유지하기 위해 언덕 오름 기반의 위상 제어 알고리즘의 목적 함수를 변화시키며 정렬되는 빔 패턴을 관찰할 수 있다.

Description

광위상배열 기반의 LADAR 시스템 및 이의 제어 방법{Optical phased array based on LADAR system and controlling method}
실시 예들은 광위상배열 기반의 LADAR 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
LADAR(Laser Detection And Ranging, 이하 LADAR라 한다)는 송신기에서 전송한 레이저 펄스가 사물에 반사된 후 수신기까지 돌아오는 비행시간(Time-of-Flight; ToF)을 측정하여 사물까지의 거리를 탐지하는 기술이다. 4차 산업혁명의 도래와 더불어 자율 주행 기술의 상용화로 인하여 LADAR 기술은 최근 더 많은 관심을 받고 있다. 기존의 기계식 라이다(Light Detection And Ranging; LiDAR), MEMS 기반 라이다는 구동부가 존재하여 상대적으로 크고 고장이 나기 쉬운 단점이 있어, 광위상배열(Optical Phased Array; OPA) 안테나를 이용한 반도체 기반 고정형(solid-state) LADAR 개발을 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히, 소형화된 LADAR는 드론, 무인로봇, 무인항공기 등 소형 무기체계에 탑재될 수 있기 때문에 국방 분야에서도 활발히 연구가 진행되고 있다.
초기에는 실리콘(silicon) 기반의 광위상배열 구조가 제안되었으나, 높은 전력을 광도파로(waveguide)로 인가했을 때 발생하는 비선형성(nonlinearity) 때문에 높은 출력을 얻기에 한계가 있다. 그로 인해 상대적으로 먼 거리에 있는 물체를 감지하기에는 무리가 있어 LADAR와 같은 분야에 적용하기에는 어려움이 있을 것으로 예상된다. 이러한 한계를 극복하기 위해 실리콘에 비해 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 실리콘나이트라이드(silicon nitride) 기반의 광위상배열 구조가 제안되었고, 수년간의 연구에 걸쳐 LADAR 및 근거리 통신 등 실제 시스템으로의 적용 가능성을 확인한 바 있다.
광위상배열 안테나는 기계적인 구동부 없이 레이저 빔을 상하좌우로 조향할 수 있는 장점이 있다. 안테나 격자 구조의 간격을 조절하거나, 안테나를 통과하는 파장을 변화시킴으로써 빔 조향이 가능하다. 또한, 열광학(thermo-optic) 위상변조기 혹은 전기광학(electro-optic) 위상변조기를 이용하여 안테나의 각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 조절함으로써 빔 조향이 가능하다. 1차원 혹은 2차원 빔 조향에 대한 연구가 많이 진행되어 왔으며, 광위상배열 안테나의 제작 및 실험을 통해 레이저 빔의 형성과 주사 각 조절의 가능성이 보고된 바 있다.
광위상배열 안테나에서 출력되는 빔이 원거리에서 한 점으로 모이기 위해서는 안테나의 인접 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상이 동일하게 유지되어야 한다. 나노 공정의 한계, 이종 도파로의 결합 등의 영향으로 인하여 레이저 펄스가 각 채널을 통과할 때 틀어지게 되는 경우가 많은데, 이러한 위상을 바로 잡아줄 수 있는 위상 제어 알고리즘이 필수적이다. 가능한 모든 검색 공간(searching space)을 찾으며 전역 최적(global optimal) 솔루션을 찾는 완전 탐색(exhaustive search) 방법을 이용하여 틀어진 위상이 보상된 정렬된 빔을 얻을 수도 있겠지만, 해당 솔루션을 찾는 데 까지 상당한 시간이 소요되기 십상이다. LADAR를 운용하는 관점에서 온도, 전류 등의 미세한 변화로 인하여 정렬된 빔이 틀어지게 되는 경우, 운용 간에 (혹은 운용 중에) 빔 정렬 알고리즘을 통하여 틀어진 빔을 다시 보정해주는 작업이 필요할 수도 있는데, 복잡도가 높은 알고리즘을 이용하는 것은 LADAR 운용 관점에서의 병목점(bottleneck)이 될 수도 있다. 또한, 가용하는 레이저 펄스의 파장에 따라 레이저 펄스의 진행 경로차가 달라지기 때문에 가용하려는 모든 파장에 대하여 위상 제어가 필요할 수도 있다.
[선행기술문헌번호]
[특허문헌 1] KR 2019-0014503호
[특허문헌 2] KR 2019-0086279호
[특허문헌 3] US 2002-0135767호
실시 예들은 광위상배열 기반의 LADAR 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 광위상배열 안테나를 통과하는 레이저 펄스의 위상을 보상하여 각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 동일하게 유지하기 위해 언덕 오름 기반의 위상 제어 알고리즘의 목적 함수를 변화시키며 정렬되는 빔 패턴을 관찰할 수 있는 광위상배열 기반의 LADAR 시스템 및 이의 제어 방법을 제공한다.
또한, 언덕 오름 기반 빔 정렬 알고리즘을 이용하여, 전체 검색 공간을 찾지 않고 일부의 검색 공간을 이용하더라도 틀어진 위상을 보상하여 정렬된 빔을 얻을 수 있는 광위상배열 기반의 LADAR 시스템 및 이의 제어 방법을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한, 일 실시 예에 따른 광위상배열 기반의 LADAR 시스템은 레이저 펄스가 통과하는 광도파로; 상기 레이저 펄스를 N(N>1 인 자연수)개의 채널로 나누어주는 광분배기; 각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 조절하는 광위상변조기; 상기 레이저 펄스를 방사시키는 광안테나; 및 상기 광안테나로부터 대상체에 조사되어 반사된 광을 기초로 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하고, 상기 보상된 위상에 상응하는 위상보상 제어신호를 상기 광위상변조기에 출력하는 프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는, 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 이용하여 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하는 것을 특징으로 한다.
상기 프로세서는, 상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 목적 함수를 메인 빔의 세기, 상기 메인 빔의 세기 대 상기 메인 빔의 좌측 잡음 비, 상기 메인 빔의 세기 대 상기 메인 빔의 우측 잡음 비, 상기 메인 빔의 세기 대 상기 좌측 잡음 비와 우측 잡음비의 평균 잡음 비 중 하나로 설정하고, 상기 목적 함수가 최대값이 될 때의 위상을 기초로 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하는 것을 특징으로 한다.
상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 인접 집합은 3의 N승 개의 원소로 구성된 것을 특징으로 한다
상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 인접 집합은 3의 N승 개 중 임의로 설정된 K (K < 3의 N승 인 자연수)개의 원소로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 프로세서는, 상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 하나의 초기 인가 제어 값을 기초로 직렬로 n(n>1인 자연수)차 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 프로세서는, 상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 서로 다른 n(n>1인 자연수)개의 초기 인가 제어 값들을 기초로 병렬 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 프로세서는 상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 복수 회 수행하는 경우, 상기 K를 서로 다르게 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 광위상배열기반의 LADAR 시스템의 제어 방법은 광도파로를 통과한 레이저 펄스를 N(N>1 인 자연수)개의 채널로 나누어주는 단계; 각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 조절하는 단계; 상기 레이저 펄스를 방사시키는 단계; 대상체에 조사되어 반사된 광을 기초로 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하는 단계; 상기 보상된 위상에 상응하는 위상보상 제어신호를 출력하는 단계를 포함하고,
상기 보상 단계는, 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 이용하여 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하는 것을 특징으로 한다.
상기 보상 단계는, 상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 목적 함수를 메인 빔의 세기, 상기 메인 빔의 세기 대 상기 메인 빔의 좌측 잡음 비, 상기 메인 빔의 세기 대 상기 메인 빔의 우측 잡음 비, 상기 메인 빔의 세기 대 상기 좌측 잡음 비와 우측 잡음비의 평균 잡음 비 중 하나로 설정하고,
상기 목적 함수가 최대값이 될 때의 위상을 기초로 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하는 것을 특징으로 한다.
상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 인접 집합은 3의 N승 개의 원소로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 인접 집합은 3의 N승 개 중 임의로 설정된 K (K < 3의 N승 인 자연수)개의 원소로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 보상 단계는, 상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 하나의 초기 인가 제어 값을 기초로 직렬로 n(n>1인 자연수)차 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 보상 단계는, 상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 서로 다른 n(n>1인 자연수)개의 초기 인가 제어 값들을 기초로 병렬 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 광위상배열기반의 LADAR 시스템의 제어 방법은 상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 복수 회 수행하는 경우, 상기 K를 서로 다르게 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 또 다른 실시 예에 따른 광위상배열기반의 LADAR 시스템의 제어 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체를 포함한다.
실시 예에 따른 광위상배열 기반의 LADAR 시스템 및 이의 제어 방법은 광위상배열 안테나를 통과하는 레이저 펄스의 위상을 보상하여, 각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상이 동일해짐으로써 안테나에서 출력되는 빔이 원거리에서 한 점으로 모일 수 있다.
또한, 알고리즘의 목적 함수를 변화시키며 정렬되는 빔의 형태를 바꿀 수 있으며, 축소된 인접 집합을 이용하여 언덕 오름 알고리즘을 구현하는 경우, 알고리즘의 복잡도를 줄여 보다 빠른 시간 안에 정렬된 빔을 얻을 수 있다.
또한, 축소된 인접 집합을 이용한 언덕 오름 기반 빔 정렬 알고리즘을 직렬 또는 병렬로 연결하여 동작시키는 경우, 알고리즘의 신뢰도를 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 라이다 시스템의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 2는 도 1의 라이다 시스템에 채용되는 광학 위상 어레이가 입사광을 변조하는 것을 설명하는 개념도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 1×N 광위상배열 안테나의 구조를 설명하기 위한 예시 도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 라이다 시스템의 빔 정렬 알고리즘을 모사하는 Pseudo code이다.
도 5는 빔 정렬 알고리즘의 목적 함수(objective functions)의 예시 도이다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 라이다 시스템의 빔 정렬 알고리즘을 모사하는 Pseudo code이다.
도 7은 또 다른 실시 예에 따른 라이다 시스템의 빔 정렬 알고리즘의 개념 도이다.
도 8은 또 다른 실시 예에 따른 라이다 시스템의 빔 정렬 알고리즘의 개념 도이다.
도 9 내지 11은 실시 예에 따른 라이다 시스템의 빔 정렬 알고리즘의 빔 정렬 결과를 설명하기 위한 비교도들이다.
도 12는 또 다른 실시 예에 따른 라이다 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름 도이다.
본 실시 예들에서 사용되는 용어는 본 실시 예들에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 임의로 선정된 용어도 있으며, 이 경우 해당 실시 예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 실시 예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시 예들의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
실시 예들에 대한 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 실시 예들에 기재된 “...부”의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 실시 예들에서 사용되는 “구성된다”또는“포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
하기 실시 예들에 대한 설명은 권리범위를 제한하는 것으로 해석되지 말아야 하며, 해당 기술분야의 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 것은 실시 예들의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 이하 첨부된 도면들을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 시스템의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이고, 도 2는 도 1의 라이다 시스템에 채용되는 광학 위상 어레이가 입사광을 변조하는 것을 설명하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 라이다 시스템(1000)은 광원(1100), 광원(1100)으로부터의 광(Li)의 위상을 변조하여, 피사체(OBJ)를 향하는 방향으로 변조된 광(Lm)을 출사하는 빔 스티어링 소자(1200), 피사체(OBJ)로부터 반사되는 광(Lr)을 수신하는 광검출기(1500) 및 광검출기(1500)에 수신되는 광을 분석하고 빔 스티어링 소자(1200)에 인가되는 구동신호에 대한 보정값을 산출하는 프로세서(1700)를 포함한다.
광원(1100)은 피사체(OBJ)의 위치, 형상의 분석에 사용할 광을 조사한다. 광원(1100)은 소장 파장의 광을 생성, 조사하며, 예를 들어, 피사체(OBJ)의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광, 예를 들어, 적외선 대역 파장의 광을 생성 조사하는 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 광원(1100)은 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 광원(1100)은 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
빔 스티어링 소자(1200)는 입사광의 위상을 변조하는 복수의 채널을 포함하는 광학 위상 어레이(optical phased array)(1210)와 상기 복수의 채널 각각에 변조 신호를 인가하는 신호 입력부(1230)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 광학 위상 어레이(1210)는 복수의 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_M-1, CH_M)을 포함한다. 복수의 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_M-1, CH_M)은 각각 독립적으로 입사광(Li)의 위상을 변조하도록 제어되며, 복수의 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_M-1, CH_M)에 의한 위상 프로파일이 소정 변조광 조건을 만족하도록, 신호 입력부(1230)로부터 복수의 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_M-1, CH_M) 각각에 신호가 인가될 수 있다. 소정 변조광 조건은 입사광(Li)을 피사체(OBJ)를 향하여 조준하는 소정 각도가 될 수 있다. 또한, 이러한 각도는 피사체(OBJ) 전체를 스캔하도록 시간에 따라 변경된다. 즉, 광학 위상 어레이(1210)에는 복수의 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_M-1, CH_M) 각각에의 인가 신호가 시간에 따라 제어되며, 이에 따라 입사광인 소정 각도 범위를 스캔할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1200)는 프로세서(1700)에 의해 제어되며, 원하는 빔 프로파일을 형성하도록 입력 신호가 실시간으로 조절될 수 있다. 이에 따라 피사체(OBJ)를 스캔하는 정확도가 높아질 수 있다.
광검출기(1500)는 피사체(OBJ)로부터의 반사광(Lr)을 센싱하는 복수의 광 검출요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 신호 증폭을 위한 증폭기(AMP, amplifier), 거리 정보 분석을 위한 TDC(time to digital converter) 등의 회로 요소들이 더 구비될 수 있다. 광검출기(1500)에 수신된 반사광(Lr) 정보는 피사체의 분석에 사용될 뿐 아니라, 빔 스티어링 소자(1200)에서 형성하는 빔 프로파일을 최적화하는데 사용될 수 있다. 실시 예에서, 광검출기(1500)는 SWIR(Short Wave Infra-Red) 카메라일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
프로세서(1700)는 라이다 시스템(1000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
프로세서(1700)는 광검출기(1500)에 의해 검출된 광을 분석하여 빔 스티어링 소자(1200)에 인가되는 구동 신호에 대한 보정값을 산출하는 빔 프로파일 최적화부(1710)를 포함할 수 있다. 또한, 프로세서(1700)는 광검출기(1500)에 수신된 광 신호를 분석하여 피사체(OBJ)의 존재 여부, 움직임, 위치, 형상, 물성 등의 분석을 수행하는 분석부(1730)를 포함할 수 있다. 프로세서(1700)는 이외에도, 광원(1100), 빔 스티어링 소자(1200), 광검출기(1500)의 동작을 제어하기 위한 제어 모듈들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1700)는 광원(1100)에 대해 전원 공급 제어, 온/오프 제어, 펄스파(PW)나 연속파(CW) 발생 제어 등을 수행할 수 있다. 또한, 프로세서(1700)는 광검출기(1500)의 광검출요소들 각각에 대한 제어 신호를 인가할 수 있고, 빔 스티어링 소자(1200)의 신호 입력부(1230)에 피사체(OBJ) 스캔을 위한 구동 신호를 인가할 수 있다.
프로세서(1700)는 피사체(OBJ)를 스캐닝하고자 하는 각도를 결정하고 이 방향으로 빛이 스티어링(steering) 되도록 빔 스티어링 소자(1200)의 신호 입력부(1230)에 구동 신호를 전송함으로써 광학 위상 어레이(1210)에 구비된 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_M-1, CH_M)들 각각의 위상을 제어한다.
한편, 이 과정에 의해 형성되는 빔의 프로파일, 즉, 각도 별 세기 분포는 의도한 각도에서의 피크(peak)를 나타내는 메인 로브(main lobe)외에, 다른 각도에서의 피크(peak)를 나타내는 사이드 로브(side lobe)를 포함하게 된다. 사이드 로브(side lobe)는 노이즈로 작용하며, 신호대 잡음비(SNR; Signal to Noise ratio)를 낮춰 시스템 전체의 효율 저하를 가져올 수 있다.
실시예에 따른 라이다 시스템(1000)은 피사체(OBJ)를 스캔함에 있어 최적화된 빔 프로파일을 제공할 수 있도록, 빔 프로파일 최적화부를 구비하고 있다. 빔 프로파일 최적화는 원하는 빔 프로파일이 형성되도록 각 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_M-1, CH_M)이 구현하는 위상을 조절함으로써 구현될 수 있고, 이를 위해 각 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_M-1, CH_M)에 인가되는 구동 신호를 조절할 수 있다. 구동 신호의 조절을 위해, 광검출기(1500)에서 수신되는 정보를 활용하여, 빔 스티어링 소자(1200)에 의해 형성된 빔 프로파일을 측정, 분석할 수 있다. 예를 들어, 측정된 빔 프로파일의 SNR을 측정하고 이를 높일 수 있는 보정값을 산출하여 빔 스티어링 소자(1200) 피드백하는 방식이 사용될 수 있다. 이 과정에서 최적화 알고리즘이 사용될 수 있다. 최적화를 위한 변수로, 복수 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_M-1, CH_M) 각각에 대한 구동 신호 보정값이 변수가 되거나, 또는 효율적인 처리를 위해, 복수 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_M-1, CH_M)을 적절한 개수로 그룹핑하여 각 그룹에 대한 보정값을 변수로 할 수 있다. 이의 세부적인 사항은 라이다 시스템 구동방법의 설명에서 보다 상세히 설명할 것이다.
빔 프로파일 최적화부(1710)가 실행하는 최적화 작업의 시점은 빔 스티어링 소자(1200)가 피사체(OBJ)에 대한 스캔을 시작하는 초기 시점에 수행될 수 있다. 또한, 이에 추가하여, 빔 스티어링 소자(1200)가 피사체(OBJ)를 스캔하는 동안에도 수행될 수 있다. 초기 시점에, 의도한 빔 프로파일이 잘 형성되도록 구동 신호에 대한 보정값을 산출하고 이를 빔 스티어링 소자에 피드백하더라도, 시간 경과에 따라 빔 프로파일의 오차는 커질 수 있기 때문이다. 이는 빔 스티어링 소자(1200)의 각 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_M-1, CH_M)을 구성하는 소자의 시간 경과에 따른 성능 변화, 시간 경과에 따른 외부 환경의 변화 등에 기인하는 것으로 추정될 수 있다. 이러한 현상은 실험적으로도 확인되고 있다. 이를 고려하여, 빔 스티어링 소자(1200)가 피사체를 스캔하는 동안, 최적화 작업은 필요에 따라 한 번 이상 추가적으로 더 수행될 수 있다. 초기 시점의 최적화 작업이 필수적인 것은 아니며, 빔 스티어링 소자가 피사체를 스캔하는 동안의 임의의 시점을 선택하여, 최적화 작업이 수행될 수도 있다.
최적화 시점은 초기 시점 외에, 피사체에 대한 소정 기준 위치에서의 빔 세기가 변화되었을 때, 수행될 수도 있다. 예를 들어, 피사체(OBJ)를 스캔하는 동안 피사체(OBJ)의 동일한 위치에 광이 조사될 수 있고 이 때, 같은 위치에, 이전의 빔 프로파일에 나타난 빔 세기에 비해 의미있는 변화가 나타난 것으로 판단될 때, 추가적인 최적화 작업이 수행될 수 있다. 또는, 피사체(OBJ)의 동일한 위치에 조사된 광의 검출 위치가 변경될 때, 즉, 광검출기(1500)에 구비되는 광 검출 요소들 중 다른 위치의 광 검출 요소에서 검출될 때, 추가적인 최적화 작업이 필요한 것으로 판단될 수도 있다. 최적화 시점에 대한 상술한 설명은 예시적인 것이며, 다른 방법으로 최적화 시점을 정하는 것도 가능하다. 예를 들어, 피사체를 스캔하는 총 시간을 적절한 복수회로 등분한 시점이 최적화 시점이 될 수도 있다.
분석부(1730)는 수신된 광 신호를 분석하여 피사체(OBJ)의 존재 여부, 위치, 형상, 물성 등의 분석을 수행할 수 있다. 분석부(1730)는 예를 들어, 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산과 이로부터 피사체(OBJ)의 3차원 형상 판별을 수행하거나, 라만 분석법을 이용한 물성 분석을 수행할 수 있다.
분석부(1730)에서는 다양한 연산 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 직접 시간 측정 방법은 피사체(OBJ)에 펄스광을 투사하고 피사체에 반사되어 광이 돌아오는 시간을 타이머로 측정하여 거리를 구한다. 상관법(correlation)은 펄스광을 피사체(OBJ)에 투사하고 피사체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 밝기로부터 거리를 측정한다. 위상지연 측정 방법은 사인파와 같은 연속파(continuous wave) 광을 피사체(OBJ)에 투사하고 피사체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 위상차를 감지하여 거리로 환산하는 방법이다. 분석부(1730)는 또한, 피사체(OBJ)에 의한 파장 변이를 검출하는 라만 분석법에 의해 피사체(OBJ)의 종류, 성분, 농도, 물성 분석을 수행할 수도 있다. 분석부(1730)는 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치, 물성에 대한 정보를 다른 유닛으로 전송할 수 있다. 예를 들어, 피사체(OBJ)의 3차원 형상이나 동작, 위치에 대한 정보가 필요한 자율 구동 기기에 상기한 정보가 전송될 수 있다. 또는, 피사체(OBJ)의 물성 정보, 예를 들어, 생체 정보를 활용하는 의료 기기에 상기한 정보가 전송될 수 있다. 또는, 결과가 전송되는 다른 유닛은 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 스마트폰, 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
라이다 시스템(1000)는 프로세서(1700)에서 수행하는 동작을 위한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장되는 메모리를 포함할 수 있다.
라이다 시스템(1000)은 전방 물체에 대한 3차원 정보를 실시간으로 획득하는 센서로 활용될 수 있어 자율 구동 기기, 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등에 적용될 수 있다.
라이다 시스템(1000)은 빔 스티어링 소자(1200)에 의해 형성되는 빔 프로파일을 분석하고 보정 신호를 산출하여 빔 스티어링 소자(1200)에 피드백함으로써 정확도가 향상된 빔 프로파일로 피사체(OBJ)를 스캔할 수 있으므로, 피사체(OBJ)에 대한 분석의 정확도가 향상될 수 있다. 라이다 시스템(1000)에 구비되는 광학 위상 어레이(1210)는 비기계식의 스티어링 방식을 사용한다. 광학 위상 어레이(1210)는 전기적 신호에 따라 광학적 성질이 변하는 활성층과, 활성층에 인접 배치된 서브 파장의 나노구조물을 구비하는 복수의 메타 소자들을 포함하여 이루어질 수 있다.
실시 예에 따른 라이다 시스템은 레이저 펄스가 통과하는 광도파로, 레이저 펄스를 N(N>1 인 자연수)개의 채널로 나누어주는 광분배기, 각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 조절하는 광위상변조기, 레이저 펄스를 방사시키는 광안테나, 광안테나로부터 대상체에 조사되어 반사된 광을 기초로 레이저 펄스의 위상을 보상하고, 보상된 위상에 상응하는 위상보상 제어신호를 광위상변조기에 출력하는 프로세서를 포함한다. 여기서, 프로세서는 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 이용하여 레이저 펄스의 위상을 보상한다. 실시 예에 따른 라이다 시스템을 도 3 내지 6을 참조하여 설명한다.
도 3은 일 실시 예에 따른 1×N 광위상배열 안테나의 구조를 설명하기 위한 예시 도이다.
도 3을 참조하면, 레이저 펄스가 통과하는 광도파로(Waveguide), 레이저 펄스를 N개의 채널로 나누어주는 광분배기(splitter, 300), 각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상(phase)을 조절해주는 광위상변조기(phase modulator, 310), 레이저 펄스를 방사(radiation)시키는 회절격자 구조의 광안테나(grating coupler, 320)가 도시되어 있다. 레이저는 광도파로로 주사되며, 광분배기, 광위상변조기를 거쳐 광안테나를 통하여 방사된다. 여기서, 광안테나는 회절격자구조인 것으로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3에 도시된 구조를 갖는 광위상배열 안테나는 레이저 펄스의 파장을 변화시킴으로써 방사되는 레이저 빔을 세로(Fig 1의 y-방향) 방향으로 조향(steering) 할수 있고, 인접 채널 사이의 위상차를 변화시킴으로써 방사되는 레이저 빔을 가로(도 3에 도시된 x-방향) 방향으로 조향할 수 있다.
실시 예에 따른 라이다 시스템은 위상변조기(310)를 이용하여 각 채널의 위상 조절이 가능하다. n번째
Figure 112020033788410-pat00001
채널을 통과하는 빔은 다음 수학식 1과 같이 모델링된다.
Figure 112020033788410-pat00002
여기서,
Figure 112020033788410-pat00003
는 n번째 채널을 통과하는 가우시안 빔을 나타내며,
Figure 112020033788410-pat00004
은 n번째 채널의 임의의 위상(random phase)을 나타내며,
Figure 112020033788410-pat00005
사이의 임의의 값을 갖는다.
Figure 112020033788410-pat00006
는 위상변조기를 통해 인가 가능한 양자화된(quantized) 위상의 집합을 나타내며, 다음 수학식 2와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112020033788410-pat00007
여기서, L은 인가 가능한 위상의 개수이다.
Figure 112020033788410-pat00008
는 n번째 채널에 추가적으로 인가되는 위상을 나타낸다. 결과적으로, n번째 채널의 보상된 위상은
Figure 112020033788410-pat00009
로 나타낼 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 라이다 시스템의 빔 정렬 알고리즘을 모사하는 Pseudo code이다. 도 4를 참조하면, 힐-클라이밍 기반의 빔 정렬 알고리즘의 동작을 모사하는 Pseudo code가 도시되어 있다.
실시 예에서는 국부 최적(local optimal)을 찾는 대표적인 알고리즘인 언덕 오름(hill climbing) 알고리즘을 이용한다. 국부 최적이라는 것은 전체 검색 공간이 아닌 주어진 검색 공간에서 찾아지는 최적의 솔루션을 의미한다. 모든 검색 공간을 찾는 것이 아니기 때문에 솔루션을 찾는 데까지 소요되는 시간을 줄일 수 있는 장점이 있으나, 솔루션의 정확도가 떨어질 수 있는 단점이 내재한다. 특히, 언덕 오름 알고리즘은 주어진 문제를 해결하기 위해 임의의 솔루션으로부터 시작해 해당 솔루션의 인접 공간을 검색하며 더 개선된 결과를 찾는다. 더 개선된 결과를 만들어내는 솔루션이 있다면, 해당 솔루션의 인접 공간을 재검색한다. 개선된 과가 나오지 않을 때까지 동일한 절차를 반복한다.
실시 예에 따른 언덕 오름 알고리즘은 완전 탐색(exhaustive search or brute force)을 이용할 경우에 전역 최적(global optimal)의 솔루션을 얻을 수 있으며, 여기서 전역 최적의 솔루션이란 각 채널의 위상을 완벽히 보상하여 보상된 위상의 값이 0이 되게 하는 솔루션을 의미한다.
실시 예에 따른 언덕 오름 알고리즘은 모든 검색 공간을 검색하는 것이 아니기 때문에 국부 최적(local optimal)의 솔루션을 반환하게 된다. 여기서, 국부 최적의 솔루션이란 각 채널의 틀어진 위상을 보상하여 모든 채널의 보상된 위상이 동일해질 수 있게 하지만, 보상된 위상의 값이 0이 아닌 솔루션을 의미한다. 라이다 시스템의 위상제어 또는 정렬은 원거리에서 정렬된 빔을 형성할 수 있는 솔루션을 찾는 것이며, 정렬된 빔을 보장하기 위해서 모든 채널의 보상된 위상이 동일하기만 하면 되고, 해당 솔루션이 전역 최적일 필요는 없다. 따라서, 언덕 오름 알고리즘이 전역 최적 솔루션을 반환하지 못하는 단점은 크게 고려하지 않을 수 있다. 특히, 언덕 오름 알고리즘을 이용하여 연산량을 줄이는 장점을 가지면서, 정렬된 빔을 얻을 수 있게 된다.
다시 도 4를 참조하여, 실시 예에 따른 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 설명한다.
i는 검색 공간의 인덱스를 나타낸다. i번째 검색 공간을 구성하고,
Figure 112020062012412-pat00010
개의 인가 위상 벡터에 대해 원거리 장 패턴을 관찰한다. 보상된 위상을 이용하여 얻어지는 원거리 장(Far-Field) 패턴은 다음 수학식 3과 같이 정의할 수 있다. 여기서, 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 인접 집합은 3의 N승 개의 원소로 구성할 수 있다.
Figure 112020033788410-pat00011
여기서, F( )는 푸리에 변환(Fourier transform)이다. 주어진 목적 함수의 값을 증가시키는 후보가 있으면, 목적 함수의 최댓값과 그때의 인가 위상 벡터를 갱신한다.
Figure 112020033788410-pat00012
는 검색 공간에서 얻을 수 있는 목적 함수의 최댓값을 나타낸다.
Figure 112020033788410-pat00013
와 비교하여 더 나은 값이 검색되었을 경우 새로운 검색 공간
Figure 112020033788410-pat00014
을 구성하여 동일한 절차를 반복한다. 도 5는 빔 정렬 알고리즘의 목적 함수(objective functions)의 예시 도이다. 도 5를 참조하면, 실시 예에 따른 언덕 오름 알고리즘에서 사용 가능한 목적함수의 종류가 도시되어 있다.
Figure 112020033788410-pat00015
는 메인 빔의 세기(intensity)를 나타낸다. 빔이 정렬되기 전에는 원거리 장에서 어떤 부분이 메인 빔에 해당하는지 알 수 있는 방법이 없기 때문에, 정렬 여부와 관계없이 원거리 장에서 가장 큰 세기를 갖는 부분이 메인 빔이라고 간주한다.
Figure 112020033788410-pat00016
는 다음 수학식 4와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112020033788410-pat00017
메인 빔 주변의 잡음(또는 리플)은 메인 빔의 질(quality)를 저하시키는 요인이 된다. 메인 빔 기준으로 좌측의 평균 잡음 세기를
Figure 112020033788410-pat00018
로 정의하였으며, 메인 빔 기준 우측의 평균 잡음의 세기를
Figure 112020033788410-pat00019
로 정의 하였다.
Figure 112020033788410-pat00020
은 메인 빔 주변의 평균 잡음의 세기를 나타내며, 다음과 수학식 5와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112020033788410-pat00021
도 6은 다른 실시 예에 따른 라이다 시스템의 빔 정렬 알고리즘을 모사하는 Pseudo code이다. 도 6은 축소된 인접 집합을 이용한 힐-클라이밍 기반의 빔 정렬 알고리즘의 Pseudo 코드를 도시한다. 도 4에 도시된 힐-클라이밍 기반의 빔 정렬 알고리즘과 비교하였을 경우, 도 6의 4번 줄(line)에 표시된 것처럼 i번째 검색 공간
Figure 112020062012412-pat00022
대신 K개의 원소로 이루어진
Figure 112020062012412-pat00023
를 이용하여 빔 정렬을 수행하는 동작이 포함되어 있다. 실시 예에 따른 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 인접 집합이 3의 N승 개인 경우, 이중 임의로 설정된 K (K < 3의 N승 인 자연수)개의 원소로 구성할 수 있다.
도 7은 또 다른 실시 예에 따른 라이다 시스템의 빔 정렬 알고리즘의 개념 도이다. 도 8은 또 다른 실시 예에 따른 라이다 시스템의 빔 정렬 알고리즘의 개념 도이다.
도 7을 참조하면, 축소된 인접 집합을 이용한 힐-클라이밍 기반의 빔 정렬 알고리즘(기본형)을 직렬로 연결한 직렬혈 알고리즘이다. 실시 예에서, 초기인가제어값(
Figure 112020033788410-pat00024
)을 인가하고, 그 결과 값을 다음 차수(2차)의 위상 값으로 입력한다. 즉, 이전 차수에서의 결과가 다음 차수의 입력으로 들어가는 형태로 되어 있다. 여기서, 각 차수마다 축소 인접 집합의 검색 범위를 결정하는 K값을 조절할 수 있다.
도 8을 참조하면, 축소된 인접 집합을 이용한 힐-클라이밍 기반의 빔 정렬 알고리즘(기본형)을 병렬로 연결한 병렬형 알고리즘을 보여주고 있다. 실시 예에서, 제1 내지 n의 초기인가제어값을 입력한 결과값을 임시 결과값으로 하여, 각각의 임시 결과값들을 비교하여 최종 결과값을 도출할 수 있다. 여기서, 각 차수마다 축소 인접 집합의 검색 범위를 결정하는 K값을 조절할 수 있다.
도 9 내지 11은 실시 예에 따른 라이다 시스템의 빔 정렬 알고리즘의 빔 정렬 결과를 설명하기 위한 비교도들이다.
도 9를 참조하면, 빔 정렬 전의 원거리장 빔을 SWIR(Short Wave Infra-Red)카메라로 측정한 결과를 보여주고 있는 도면이며, 각 채널의 임의 위상(random phase)때문에 정렬되지 않은 빔이 관측되지만, 도 10을 참조하면, 빔 정렬 후의 원거리장 빔을 SWIR 카메라로 측정한 결과를 보여주고 있는 도면이다. 실시 예에 따른 빔 정렬 알고리즘을 적용하여 빔이 정렬된 것을 보여주고 있다. 도 11은 빔 정렬 전/후의 빔 세기를 보여주고 있는 도면이다.
실시 예에서, 국부 최적 솔루션을 찾는 언덕 오름 기반 빔 정렬 알고리즘을 이용하며, 언덕 오름 기반 빔 정렬 알고리즘의 목적 함수를 다양하게 구성하고, 언덕 오름 기반 빔 정렬 알고리즘의 인접 집합 (neighbor set)을 구성한다. 또한,
Figure 112020033788410-pat00025
개의 원소로 이루어진 인접 집합 대신
Figure 112020033788410-pat00026
개 중 K개의 원소로 이루어진 축소된 인접 집합(Reduced neighbor set)을 구성한다. 이러한 구성들을 통해, 광위상배열 안테나를 통과하는 레이저 펄스의 위상을 보상하여, 각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상이 동일해질 수 있으며, 안테나에서 출력되는 빔이 원거리에서 한 점으로 모일 수 있다. 또한, 목적 함수를 변화시키며 정렬되는 빔의 형태를 바꿀 수 있다. 또한, 축소된 인접 집합을 이용하여 언덕 오름 알고리즘을 구현했기 때문에, 알고리즘의 복잡도를 줄여 보다 빠른 시간 안에 정렬된 빔을 얻을 수 있으며, 축소된 인접 집합을 이용한 언덕 오름 기반 빔 정렬 알고리즘을 직렬/병렬로 연결하여 동작시킬 경우 알고리즘의 신뢰도를 개선할 수 있다.
도 12는 또 다른 실시 예에 따른 라이다 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름 도이다. 실시 예에서, 주어진 목적 함수를 최대화할 수 있도록 각 채널에 인가하는 최적의 위상 벡터
Figure 112020033788410-pat00027
을 찾아야 한다.
도 12를 참조하면, 언덕 오름 기반의 위상 제어 알고리즘의 흐름도이다. 세히 말하면, i는 검색 공간의 인덱스를 나타내며, j는 주어진 검색 공간을 구성하는 인가 위상 벡터의 인덱스를 나타낸다. i번째 검색 공간을 구성하고,
Figure 112020033788410-pat00028
개의 인가 위상 벡터에 대해 원거리 장 패턴을 관찰한다. 주어진 목적 함수의 값을 증가시키는 후보가 있으면, 목적 함수의 최댓값과 그때의 인가 위상 벡터를 갱신한다.
Figure 112020033788410-pat00029
는 i번째 검색 공간에서 얻을 수 있는 목적 함수의 최댓값을 나타낸다.
Figure 112020033788410-pat00030
과 비교하여 더 나은 값이 검색되었을 경우 새로운 검색 공간
Figure 112020033788410-pat00031
을 구성하여 동일한 절차를 반복한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명의 일 실시 예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비 분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비 분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 레이저 펄스가 통과하는 광도파로;
    상기 레이저 펄스를 N(N>1 인 자연수)개의 채널로 나누어주는 광분배기;
    각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 조절하는 광위상변조기;
    상기 레이저 펄스를 방사시키는 광안테나; 및
    상기 광안테나로부터 대상체에 조사되어 반사된 광을 기초로 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하고, 상기 보상된 위상에 상응하는 위상보상 제어신호를 상기 광위상변조기에 출력하는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 이용하여 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하고,
    상기 프로세서는,
    상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 목적 함수를 메인 빔의 세기, 상기 메인 빔의 세기 대 상기 메인 빔의 좌측 잡음 비, 상기 메인 빔의 세기 대 상기 메인 빔의 우측 잡음 비, 상기 메인 빔의 세기 대 상기 좌측 잡음 비와 우측 잡음비의 평균 잡음 비로 설정하고,
    상기 목적 함수가 최대값이 될 때의 위상을 기초로 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하는 것을 특징으로 하는 광위상배열 기반의 LADAR 시스템.
  2. 삭제
  3. 레이저 펄스가 통과하는 광도파로;
    상기 레이저 펄스를 N(N>1 인 자연수)개의 채널로 나누어주는 광분배기;
    각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 조절하는 광위상변조기;
    상기 레이저 펄스를 방사시키는 광안테나; 및
    상기 광안테나로부터 대상체에 조사되어 반사된 광을 기초로 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하고, 상기 보상된 위상에 상응하는 위상보상 제어신호를 상기 광위상변조기에 출력하는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 이용하여 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하고,
    상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 인접 집합은 3의 N승 개의 원소로 구성된 것을 특징으로 하는 광위상배열 기반의 LADAR 시스템.
  4. 레이저 펄스가 통과하는 광도파로;
    상기 레이저 펄스를 N(N>1 인 자연수)개의 채널로 나누어주는 광분배기;
    각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 조절하는 광위상변조기;
    상기 레이저 펄스를 방사시키는 광안테나; 및
    상기 광안테나로부터 대상체에 조사되어 반사된 광을 기초로 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하고, 상기 보상된 위상에 상응하는 위상보상 제어신호를 상기 광위상변조기에 출력하는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 이용하여 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하고,
    상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 인접 집합은 3의 N승 개 중 임의로 설정된 K (K < 3의 N승 인 자연수)개의 원소로 구성된 것을 특징으로 하는 광위상배열 기반의 LADAR 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 하나의 초기 인가 제어 값을 기초로 직렬로 n(n>1인 자연수)회 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 광위상배열기반의 LADAR 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 서로 다른 n(n>1인 자연수)개의 초기 인가 제어 값들을 기초로 병렬 수행하는 것을 특징으로 하는 광위상배열기반의 LADAR 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 복수 회 수행하는 경우, 상기 K를 서로 다르게 설정하는 것을 특징으로 하는 광위상배열기반의 LADAR 시스템.
  8. 광도파로를 통과한 레이저 펄스를 N(N>1 인 자연수)개의 채널로 나누어주는 단계;
    각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 조절하는 단계;
    상기 레이저 펄스를 방사시키는 단계;
    대상체에 조사되어 반사된 광을 기초로 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하는 단계;
    상기 보상된 위상에 상응하는 위상보상 제어신호를 출력하는 단계를 포함하고,
    상기 보상 단계는,
    언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 이용하여 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하고,
    상기 보상 단계는,
    상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 목적 함수를 메인 빔의 세기, 상기 메인 빔의 세기 대 상기 메인 빔의 좌측 잡음 비, 상기 메인 빔의 세기 대 상기 메인 빔의 우측 잡음 비, 상기 메인 빔의 세기 대 상기 좌측 잡음 비와 우측 잡음비의 평균 잡음 비로 설정하고,
    상기 목적 함수가 최대값이 될 때의 위상을 기초로 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하는 것을 특징으로 하는 광위상배열 기반의 LADAR 시스템의 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 광도파로를 통과한 레이저 펄스를 N(N>1 인 자연수)개의 채널로 나누어주는 단계;
    각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 조절하는 단계;
    상기 레이저 펄스를 방사시키는 단계;
    대상체에 조사되어 반사된 광을 기초로 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하는 단계;
    상기 보상된 위상에 상응하는 위상보상 제어신호를 출력하는 단계를 포함하고,
    상기 보상 단계는,
    언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 이용하여 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하고,
    상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 인접 집합은 3의 N승 개의 원소로 구성된 것을 특징으로 하는 광위상배열 기반의 LADAR 시스템의 제어 방법.
  11. 광도파로를 통과한 레이저 펄스를 N(N>1 인 자연수)개의 채널로 나누어주는 단계;
    각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 조절하는 단계;
    상기 레이저 펄스를 방사시키는 단계;
    대상체에 조사되어 반사된 광을 기초로 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하는 단계;
    상기 보상된 위상에 상응하는 위상보상 제어신호를 출력하는 단계를 포함하고,
    상기 보상 단계는,
    언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 이용하여 상기 레이저 펄스의 위상을 보상하고,
    상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘의 인접 집합은 3의 N승 개 중 임의로 설정된 K (K < 3의 N승 인 자연수)개의 원소로 구성된 것을 특징으로 하는 광위상배열 기반의 LADAR 시스템의 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 보상 단계는,
    상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 하나의 초기 인가 제어 값을 기초로 직렬로 n(n>1인 자연수)회 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 광위상배열기반의 LADAR 시스템의 제어 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 보상 단계는,
    상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 서로 다른 n(n>1인 자연수)개의 초기 인가 제어 값들을 기초로 병렬 수행하는 것을 특징으로 하는 광위상배열기반의 LADAR 시스템의 제어 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 언덕 오름 기반의 빔 정렬 알고리즘을 복수 회 수행하는 경우, 상기 K를 서로 다르게 설정하는 것을 특징으로 하는 광위상배열기반의 LADAR 시스템의 제어 방법.
  15. 제 8 항, 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 제어 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체.


KR1020200039426A 2020-03-31 2020-03-31 광위상배열 기반의 ladar 시스템 및 이의 제어 방법 KR102146051B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200039426A KR102146051B1 (ko) 2020-03-31 2020-03-31 광위상배열 기반의 ladar 시스템 및 이의 제어 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200039426A KR102146051B1 (ko) 2020-03-31 2020-03-31 광위상배열 기반의 ladar 시스템 및 이의 제어 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102146051B1 true KR102146051B1 (ko) 2020-08-19

Family

ID=72291675

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200039426A KR102146051B1 (ko) 2020-03-31 2020-03-31 광위상배열 기반의 ladar 시스템 및 이의 제어 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102146051B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220085478A (ko) * 2020-12-15 2022-06-22 부산대학교 산학협력단 폴리머 광ic 기반 레이저 집적형 이차원 빔스캐너 및 그의 제조 방법

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100948257B1 (ko) * 2007-09-20 2010-03-18 한국전자통신연구원 위상배열 안테나의 위상 보정 장치 및 그 방법
KR20120104369A (ko) * 2010-02-22 2012-09-20 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 광 송신기
JP2018173537A (ja) * 2017-03-31 2018-11-08 沖電気工業株式会社 光導波路素子及びレーザレーダ
KR101924890B1 (ko) * 2017-09-28 2018-12-04 광주과학기술원 광 위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다
KR20190003111A (ko) * 2017-06-30 2019-01-09 삼성전자주식회사 빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 전자 장치
WO2019013278A1 (ja) * 2017-07-14 2019-01-17 日本電信電話株式会社 バイアス制御回路及びバイアス制御方法
KR20190011122A (ko) * 2017-07-24 2019-02-01 삼성전자주식회사 라이다 시스템 및 이의 구동 방법
KR20190014503A (ko) * 2016-06-06 2019-02-12 레이던 컴퍼니 고전력 레이저를 위한 이중-축 적응형 광(ao) 시스템
KR20190086279A (ko) * 2018-01-12 2019-07-22 삼성전자주식회사 라이다 시스템 및 이의 구동 방법
KR20190093961A (ko) * 2018-02-02 2019-08-12 삼성전자주식회사 빔 스티어링 장치를 포함한 시스템
KR20190136906A (ko) * 2018-05-30 2019-12-10 삼성전자주식회사 레이저 광 전파 방향 제어 장치 및 방법

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100948257B1 (ko) * 2007-09-20 2010-03-18 한국전자통신연구원 위상배열 안테나의 위상 보정 장치 및 그 방법
KR20120104369A (ko) * 2010-02-22 2012-09-20 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 광 송신기
KR20190014503A (ko) * 2016-06-06 2019-02-12 레이던 컴퍼니 고전력 레이저를 위한 이중-축 적응형 광(ao) 시스템
JP2018173537A (ja) * 2017-03-31 2018-11-08 沖電気工業株式会社 光導波路素子及びレーザレーダ
KR20190003111A (ko) * 2017-06-30 2019-01-09 삼성전자주식회사 빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 전자 장치
WO2019013278A1 (ja) * 2017-07-14 2019-01-17 日本電信電話株式会社 バイアス制御回路及びバイアス制御方法
KR20190011122A (ko) * 2017-07-24 2019-02-01 삼성전자주식회사 라이다 시스템 및 이의 구동 방법
KR101924890B1 (ko) * 2017-09-28 2018-12-04 광주과학기술원 광 위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다
KR20190086279A (ko) * 2018-01-12 2019-07-22 삼성전자주식회사 라이다 시스템 및 이의 구동 방법
KR20190093961A (ko) * 2018-02-02 2019-08-12 삼성전자주식회사 빔 스티어링 장치를 포함한 시스템
KR20190136906A (ko) * 2018-05-30 2019-12-10 삼성전자주식회사 레이저 광 전파 방향 제어 장치 및 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220085478A (ko) * 2020-12-15 2022-06-22 부산대학교 산학협력단 폴리머 광ic 기반 레이저 집적형 이차원 빔스캐너 및 그의 제조 방법
KR102614185B1 (ko) 2020-12-15 2023-12-15 부산대학교 산학협력단 폴리머 광ic 기반 레이저 집적형 이차원 빔스캐너 및 그의 제조 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2020203638B2 (en) Spatial profiling system and method
KR102441589B1 (ko) 라이다 시스템 및 이의 구동 방법
US11249370B2 (en) Optical phased arrays and methods for calibrating and focusing of optical phased arrays
KR102501469B1 (ko) 빔 스티어링 장치를 포함한 시스템
CN108375762B (zh) 激光雷达及其工作方法
US11749775B2 (en) Light source-integrated light sensing system and electronic device including the same
US20210208258A1 (en) LiDAR DEVICE AND METHOD OF OPERATING THE SAME
KR20140079090A (ko) 레이저 방출기 모듈 및 그것이 적용된 레이저 감지 시스템
US20140313560A1 (en) Optical phased array
US10367332B2 (en) Edge emitting laser light source and 3D image obtaining apparatus including the same
KR102146051B1 (ko) 광위상배열 기반의 ladar 시스템 및 이의 제어 방법
CN112924953A (zh) 一种光探测***和方法、激光雷达***
KR102146052B1 (ko) 채널별 순차 제어를 이용한 광위상배열 기반의 ladar 시스템 및 이의 제어 방법
US11815603B2 (en) LiDAR device and operating method of the same
US11962119B2 (en) Light sensing system and electronic apparatus including the same
US20240168131A1 (en) Optical device and lidar device each including heater combined temperature sensor
US11588551B2 (en) Fiber-bundled frequency-shifted transmitter for direct detection LIDAR
US20230176197A1 (en) Diffractive light distribution for photosensor array-based lidar receiving system
US20220197105A1 (en) Light modulating device and electronic apparatus using the same

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant