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Development and analysis of three-dimensional imaging laser radar system using Geiger-mode avalanche photo diode = Geiger-mode avalanche photodiode를 이용하는 3차원 영상 레이저 레이더 시스템 개발 및 분석
서명 / 저자 Development and analysis of three-dimensional imaging laser radar system using Geiger-mode avalanche photo diode = Geiger-mode avalanche photodiode를 이용하는 3차원 영상 레이저 레이더 시스템 개발 및 분석 / Min-Seok Oh.
저자명 Oh, Min-Seok ; 오민석
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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초록정보

Direct-detection laser radar system using Geiger-mode avalanche photodiode (GAPD) has been inves-tigated in order to acquire three-dimensional images of objects at a long distance (more than 100m). Due to extremely high sensitivity of the GAPD, the characteristics of a laser radar system using GAPD are not only advantageous in terms of ranging a distant object but also in detecting a target screened by a sparse obstacle located in front of it. Both laser radar systems using a single-pixel GAPD and 1x8-pixel GAPD focal plane array as detectors have been built up and analyzed. The theoretical model of the laser radar system using GAPD has been also established with Poisson statistics and demonstrated experimentally. Passively Q-switched microchip laser has been used as a laser source; a compact peripheral compo-nent interconnect system, which includes a time-to-digital converter (TDC), has been set up for fast signal processing. With both the GAPD having short dead-time (45ns) and the TDC functioning multi-stop acquisi-tion, the system operates in a multi-hit mode. The software for the three-dimensional visualization and an algorithm for the removal of noise have been developed. The comparisons between single- and multi-hit modes were carried with the theoretical analysis of target-detection probability and three-dimensional images taken in both modes. It was shown that the single-shot precision of the system is ~ 10cm (σ) and the precision is improved by increasing the number of laser pulses to be averaged so that the precision of ~1cm (σ) was acquired with more than 150 laser pulses scattered from the target. The accuracy of the system has been measured to be 12cm when the energy of the emitted laser pulse varied with a factor of 7; the technique for the reduction of range walk error was proposed and demonstrated experimentally. Three-dimensional images taken by the laser radar systems are shown. For better transverse spatial resolution in the case of using GAPD focal plane array, an autofocus technique has been proposed; its feasibility has been demonstrated experimentally.

자동 대상 인식 (automatic target recognition, ATR)은 무인 로봇, 무인 자동차, 무인 비행기등 매우 다양한 분야에서 요구되는 기술이다. 현재까지는 2차원 영상을 이용하여 영상처리 기법등을 통해 대상을 인식하거나 거리를 측정하였으나 3차원 공간을 2차원에 투영한 이상 한계가 존재한다. 그 다음 세대 기술로서 대두되는 것이 3차원 영상 획득을 통한 대상인식이다. 3차원 영상 획득 기술은 laser range finder, optical scanning, focal plane array (FPA) 기술의 조합으로 구현된다. 본 연구에서는 100m 이상의 거리에 있는 목표물의 3차원 영상 획득을 위하여 다양한 laser range finder 기술 중에서 레이저 펄스의 time-of-flight를 측정하는 방식을 선택한다. 또한 레이저 펄스 에너지 대비 가시 거리를 증가시키기 위하여 단일 광자 검출기 또는 가이거 모드 사태 광 다이오드라고 불리는 고감도의 Geiger-mode avalanche photodiode (GAPD) 를 광 검출기로 운용하였다. 고감도라는 장점이 있는 반면에, GAPD는 일반 광 다이오드나 linear-mode APD와 달리 광량에 대한 정보를 잃으며, dead time 과 dark count rate 라는 특성이 존재한다. 그러므로 GAPD를 광검출기로 활용하여 거리측정을 하는 경우, 그 신호 특성이 기존의 다른 방식들과 다르다. LIDAR equation과 Poisson statistics를 이용하여 시스템 모델링을 수행하였으며, 이를 통하여 신호 특성을 예측하고 목표물 검출 확률과 오보 확률을 계산 하였다. 실험실내 광학 테이블 위에서 실험을 수행하여 시스템 모델을 검증하였다. 또한 만들어진 이론 모델을 활용하여 range walk error를 줄일수 있는 기술을 제안하고 실험적으로 증명하였다. Single-pixel GAPD와 2-axis galvano mirror를 활용하여, 야외에서 주·야간 실험이 가능한 single-pixel laser radar 시스템을 개발하였다. 광원은 작고 견고하며 선폭이 작은 고체레이저인 Passively Q-switched microchip laser가 활용되었으며, 신호처리부는 빠른 신호처리 및 전송을 위하여 compact peripheral component interconnect (cPCI) 시스템을 구축하였다. 그리고 신호 처리부에는 레이저 펄스의 TOF를 측정하기 위한 time-to-digital converter (TDC) 와 2-axis galvano mirror를 구동하기 위한 arbitrary waveform generator (AWG)가 controller에 의해서 유기적으로 작동한다. Multi-stop acquisition 이 가능한 TDC와 비교적 dead time이 짧은 GAPD (45ns)의 조합으로 인하여 레이저 레이더 시스템이 single-hit mode 또는 multi-hit mode로 선택적으로 작동 가능하다. 이를 이용하여 single-hit mode와 multi-hit mode를 이론적 및 실험적으로 비교하였으며, 야외에서 100m 이상의 거리에서 있는 목표물들의 3차원 영상들을 획득하였다. 개발된 레이저 레이더 시스템의 정밀도 (precision)는 한 개의 레이저 펄스를 이용한 경우는 ~10cm(σ), 150개 이상의 레이저 펄스를 이용하는 경우는 ~1cm(σ) 임을 실험적으로 보였다. 정확도 (accuracy)의 경우는 레이저 펄스의 에너지가 7배정도 변할 때 ~12cm 정도 되는 것을 실험적으로 보였다. 실시간 3차원 영상 획득을 위하여 GAPD FPA는 필수적이므로, 그 구현 가능성을 확인하기 위하여 1x8-pixel GAPD와 결상광학계를 운용하여 1x8-pixel 레이저 레이더 시스템을 실험실내 광학 테이블 위에 구성하였다. 신호 특성을 확인하였으며 실험을 통해 구현 가능성을 확인하였다. 추가적으로 autofocus 기술을 제안하였고 기술의 가능성을 실험적으로 입증하였다. 3차원 영상 획득을 위한 레이저 레이더 시스템을 이론적으로 모델링하고 신호특성을 예측 가능하게하므로 시스템 최적화 설계를 도모하였으며, GAPD를 운용하는 레이저 레이더 시스템을 개발하고 분석함으로써 향후 레이저 레이더 시스템 개발의 방향을 제시할 것으로 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DPH 11007
형태사항 iii, 108 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 오민석
지도교수의 한글표기 : 공홍진
지도교수의 영문표기 : Hong-Jin Kong
수록잡지명 : "Multihit mode direct-detection laser radar system using a Geiger-mode avalanche photodiode". Review of Scientific Instruments, v. 81, 033109(2010)
수록잡지명 : "Reduction of range walk error in direct detection laser radar using a Geiger mode avalanchep hotodiode". Optics Communications, v. 283, pp. 304-308(2010)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 Reference : p. 95-102
주제 3차원 영상화
레이저 레이더
가이거 모드 APD
라이다
라다
Three-dimensional imaging
laser radar
Geiger-mode avalanche photodiode
LIDAR
LADAR
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