A LIDAR system with a Geiger mode avalanche photodiode (GmAPD) is used extensively due to its high detection sensitivity. However, this system requires a certain amount of time to receive subsequent signals after detecting the previous one. This dead time, usually 10 ns to 10 μs, is determined by the material composition of the detector and the design of the quenching circuits. Therefore, when we measure objects in close proximity to other objects along the optical axis using the LIDAR system with GmAPD, it is difficult to separate them clear-ly owing to the dead time problem. On the other hand, a LIDAR system using a linear mode avalanche photo-diode (LmAPD) has low sensitivity so that it has short dynamic range. In this paper, we suggested a combined LIDAR system with GmAPD and LmAPD to remove the dead time problem and to get high sensitivity. Be-cause the LmAPD does not have dead time while still maintaining relatively low detection sensitivity, the pro-posed system can measure an object placed within the dead time with high detection sensitivity. Light is emit-ted from the pulsed laser of a light source and is delivered into a fast photodiode to generate a start signal. Most of laser pulses are directed onto the target and scattered from the surfaces of targets. The scattered light in the field-of-view of the system is divided by a polarizing beam splitter, after which it becomes incident to two different types of APDs, the GmAPD and the LmAPD. The GmAPD receives the signals from the target with high sensitivity, and the signals scattered in the dead time zone are then detected by the LmAPD. The obtained signals are analyzed at the same time. In this way, the signals scattered from objects placed within the dead time can be distinguished clearly.
원격탐사 (Remote sensing)란 센서와 측정하고자 하는 대상과의 물리적인 접촉 없이 대상의 정보를 얻어내는 과학 기술을 의미한다[1]. 이러한 원격탐사는 크게 능동형 (active type)과 수동형 (passive type)으로 나눌 수 있는데 능동형의 하나로써 라이다 (LIDAR)가 있다. 라이다는 “LIght Detection And Ranging”의 약자로써 빛 (light wave)을 광원으로 이용하는 시스템이다.
라이다는 거리를 측정하는 방식에 따라 간섭계 (interferometry), time-of-flight(TOF), 삼각측량(triangulation)으로 나뉜다[2]. 간섭계 방식은 수 마이크로 미터의 매우 정밀한 분해능을 갖지만 공간상의 한계로 인해 다른 방식에 비해 비교적 짧은 거리측정만 가능하다. 삼각측량 방식은 공간상의 제약으로 인해 수 미터 거리에서 수 밀리미터 분해능을 요하는 경우에만 사용할 수 있고 TOF을 사용하는 방식에서 continuous laser를 광원으로 사용하는 경우에는 20m 이내의 거리에서 수 mm의 분해능을 가진다. 반면에 레이저 펄스 TOF 측정 방식은 레이저 펄스의 peak-power가 충분히 크고 검출기의 민감도가 충분히 높다면 수십 km 거리에서 수십 cm의 분해능으로 거리측정이 가능하므로 적용 가능한 영역이 매우 넓으며 이러한 장점 때문에 지금까지도 활발한 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 레이저 펄스 TOF 측정 방식을 이용하는 라이다 시스템에서 사용되는 검출기는 전자사태 광검출기 (Avalanche photo-diode, APD)이다. APD는 동작방식에 따라 선형방식 APD (linear mode APD, LmAPD)와 가이거 방식 APD (Geiger mode APD, GmAPD)이 있다. GmAPD는 높은 민감도를 가지는 특성 때문에 많은 연구팀들에 의해 사용되어왔다[3-7]. GmAPD는 높은 민감도를 갖는 장점이 있는 반면에 하나의 신호를 검출하고 다음 신호를 검출하기 위해서는 반드시 전원을 껐다가 다시 켜줘야만 하는 단점이 있다. 이 때 일정 시간이 필요하고 그 시간 동안에는 어떠한 신호도 검출할 수 없다는 문제점이 있다[8]. 이러한 시간을 dead time이라고 하며 이는 GmAPD를 구성하고 있는 물질의 재료나 quenching circuit이 어떻게 설계되어 있는지에 따라 10ns(1.5m)~10μm(1.5km)의 값을 갖는다[9-10]. 따라서 GAPD를 사용하는 라이다 시스템은 dead time 때문에 광축방향으로 물체들이 서로 인접해 있을 때 뒤 쪽에 있는 물체의 인식이 어렵다는 문제가 있다. 반면에 LmAPD는 dead time 문제가 없고 잡음과 신호의 구분이 가능하다는 장점 때문에 또 다른 많은 연구팀들에 의해 사용되어왔다. 그러나 LmAPD는 GmAPD에 비해 민감도가 낮기 때문에 LmAPD를 사용하는 라이다 시스템은 물체에 의해 산란된 신호가 약한 경우 물체를 측정할 수 없는 단점이 있다[11].
GmAPD를 사용하는 라이다 시스템에서 발생하는 문제를 해결하기 위한 기존의 해결책은 gate operation으로 물체가 존재하는 위치를 미리 예측하여 그 부분의 신호만 받아들이는 방법이다[12-15]. 보고자 하는 위치의 신호가 검출기에 도달 할 때쯤 검출기의 전원을 키고 그 부분의 신호만 받아들인 후에 검출기는 다시 리셋된다. 원하는 위치의 신호가 도달하기 전까지 검출기의 전원이 꺼져있기 때문에 앞쪽에서 원하지 않는 신호가 검출되지 않고 그에 따라 dead time도 발생하지 않기 때문에 관측하고 싶은 물체의 신호를 검출할 수 있다. 그러나 gate operation을 하기 위해서는 검출기에 전원을 제어할 수 있는 기능이 있는 경우에만 적용 가능한 방법이다. 또한 측정하기 전에 관측하고 싶은 물체의 위치를 정확히 알아야만 측정이 가능하며 여러 물체를 인식하기 위해서는 여러 번 측정을 해야만 하는 단점이 있다. 반면에 LmAPD를 사용하는 라이다 시스템에의 단점인 낮은 민감도를 해결하기 위해 많은 연구팀들이 LmAPD의 민감도를 높이는 연구를 해오고 있지만 동작특성 상 GmAPD의 민감도만큼의 성능을 갖지 못하고 있다. 그에 따라 LmAPD를 사용하는 라이다 시스템은 GmAPD를 사용하는 시스템보다 dynamic range가 짧다는 단점이 있다.
이 논문에서는 각각의 검출기를 사용할 때 발생하는 문제들을 해결하기 위해 GnAPD와LmAPD를 라이다 시스템에 동시에 사용하는 방법을 제안한다. LmAPD는 GmAPD에 비해 민감도는 떨어지지만 dead time을 갖지 않는 다는 장점이 있다. 그러므로 라이다 시스템에서 GmAPD가 dead time 때문에 측정할 수 없는 구간에 있는 물체를 LmAPD로 측정해 신호를 획득하는 것이다. 따라서 GmAPD를 사용하는 라이다 시스템에서 LmAPD를 함께 사용함으로써 GmAPD의 dead time 구간에 있는 물체까지 모두 측정할 수 있다. 이 방법은 검출기에 전원을 제어할 수 있는 기능이 없는 경우에도 적용가능하며 더 나아가 두 검출기를 동시간에 사용하여 신호를 획득할 수 있으므로 한 번 또는 gate operation 방법보다 적은 횟수의 측정으로 측정범위 내의 모든 물체를 인식 할 수 있다. 또한 LmAPD의 낮은 민감도로 인해 약한 신호를 검출하지 못하는 경우에는 GmAPD로 신호를 얻어 물체를 인식할 수 있다.
본 연구에서는 GmAPD와 LmAPD를 동시에 사용하는 통합 라이다 시스템을 통해 dead time 내에 있는 물체를 높은 민감도로 측정 할 수 있는 3차원 영상 라이다 시스템을 설계 및 개발을 목표로 한다. 두 검출기를 동시에 사용하기 위해 새로운 광학설계를 하였으며 두 검출기의 동기화를 위해 이론적으로 접근을 하였고 실험을 통해 검증을 하였다. 또한 시스템의 성능을 평가하기 위해 LmAPD를 사용하는 라이다 시스템과 통합 라이다 시스템의 민감도를 비교하였고 GmAPD를 사용하는 라이다 시스템과 통합 라이다 시스템의 dead time 문제의 존재여부를 확인하는 실험을 수행하였다. 마지막으로 3차원 영상을 측정함으로써 통합 라이다 시스템과 기존의 하나의 검출기만을 사용하는 라이다 시스템을 비교 및 분석하였다.
