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두 개의 가이거 모드 전자사태 광 다이오드를 사용하는 3차원 레이저 레이다 시스템에서의 오경보 확률 감소를 위한 시간적 필터링 = Temporal filtering for reduction of false alarm in three-dimensional imaging laser radar system using two Geiger mode avalanche photodiodes
서명 / 저자 두 개의 가이거 모드 전자사태 광 다이오드를 사용하는 3차원 레이저 레이다 시스템에서의 오경보 확률 감소를 위한 시간적 필터링 = Temporal filtering for reduction of false alarm in three-dimensional imaging laser radar system using two Geiger mode avalanche photodiodes / 김태훈.
저자명 김태훈 ; Kim, Tae-Hoon
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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초록정보

The laser radar system is used for remote measurement of the three-dimensional imaging of an inter-ested target. A GmAPD or a GmAPD focal plane array is used as a detector in long-range laser radar system due to its high sensitivity. On the other hand, the detector generates identical electric signals corresponding to laser-return pulse and noise. Therefore, Time-correlated single-photon counting (TCSPC), which is a repeti-tively pulsed statistical sampling technique, is used to distinguish signals and noise. Nevertheless, if there is lots of noise, it cannot distinguish signals and noise. So, it needs additional ways to reduce noise. In general a narrow optical band pass filter and a gate mode operation are used to reduce the noise. The lots of background noise is limited because the narrow optical band pass filter must be wide enough to accommodate wavelength shifts caused by variations in both temperature and incidence angle. Even though using the gate mode operation, it needs to set the gate time more than the signal returning time. Therefore, there is noise within gate time. Additional image processing steps are essential for noise elimination. In this paper, temporal filtering for reduction of false alarm in three-dimensional imaging laser radar system using two Geiger mode avalanche photodiodes is proposed. It is implemented by using two GmAPDs with beam splitter and employing AND process to their ends. Then, timing circuitry receives the electrical signals only if each GmAPDs generates the electrical signals simultaneously. Though this method decreases the energy of a laser-return pulse scattered from the target, it is highly effective in reducing the false-alarm probability because of the randomly distributed noise on the time domain. Then it needs not any image pro-cessing steps. The experiments are performed to prove the advantage of this method proposed with varying the noise. Varying the energy of a laser pulse and the average power of noise, the target detection and false alarm probabilities were acquired in each case. Compared to the case of single GmAPD, there are losses in the detection probability in the case of dual GmAPD with intensity-dividing. However, the losses are localized only in the region of S_PE_tot <10 . The false alarm probabilities of dual GmAPD are maintained below 0.008 while the false alarm probabilities of single GmAPD are increased to 0.66. At S_PE_tot >10 , the method can be effective because the false alarm probability of dual GmAPDs only is decreased drastically while maintaining almost the same target detection probabilities obtained by both a single GmAPD and dual GmAPDs. Additionally, three dimensional images taken by the laser radar system using two GmAPDs. It needs to set the optimal time bin width (TBW) to get high SNR. Because TBW is important factors of SNR in the LADAR system. The experimental results show that the optimal TBW is the half of the pulse width (=0.5 ns) in the LADAR system The LADAR system using a single pixel GmAPD and 1x8 GmAPD array as detectors have been built up. The improvement of range precision in the LADAR system is described. When the time bin width is 0.5 ns, the single-shot precision error of the LADAR system was improved from 281 mm to 67 mm. And Three-dimensional images taken by the LADAR systems are shown. The comparisons between the system using single and two GmAPDs were also carried with three-dimensional images. And there is a multi-frame coincidence algorithm in 3D imaging process. The algorithm is a close par-alleled to the temporal filtering. The algorithm can improve the reduction of noise and the time of data process in imaging processing steps.

레이저 레이다 시스템은 물체의 3차원 정보를 얻는데 많이 사용한다. 전자사태 광 다이오드는 단 광자를 검출 할 정도로 감도가 좋으므로 멀리 떨어진 물체의 정보를 얻는데 사용을 한다. 그러나 신호와 노이즈를 구분하지 못한다는 단점이 있다. 그러므로 여러 개의 레이저 펄스를 물체에 조사하고 검출된 신호를 통계적 방법을 통해 물체와 노이즈를 구분하는 시간 상관 단광자 검출 방법 (TCSPC) 방법을 사용한다. 그럼에도 불구하고 노이즈가 많이 발생하면 물체와 노이즈를 구분할수 없으므로 광학적 색 필터 및 게이트 모드 동작을 통해 노이즈를 줄인다. 그럼에도 불구하고 노이즈가 발생을 하므로 영상처리 과정을 거쳐 노이즈를 제거 해야 한다. 본 연구에서는 두 개의 GmAPD를 사용해 시간적 필터릴 방법으로 노이즈에 의해 발생하는 오경보를 낮추는 새로운 형태의 3차원 영상 레이저 레이다 시스템을 제안 하였다. 이 방법은 수신되는 빛을 두 개의 GmAPD로 검출하고, 각 검출기로부터 나오는 신호의 시간 상관 관계를 통해 신호와 노이즈를 구분하는 방법이다. 검출기에서 신호는 동일한 시간에 측정되며, 노이즈는 시간축 상에서 임의로 측정되기 때문에 검출기 후미에 논리곱을 하면. 오경보 확률이 줄어드는 효과를 볼 수 있다. 비록 S_PE_tot <10 인 범위에서 레이저 펄스의 세기가 반으로 줄어든다는 단점이 있지만, 단일 검출기인 경우 0.66 의 오경보 확률을 가지지만 두 개의 검출기를 사용할 경우 0.008 이하의 값을 유지하는 것을 확인 할 수 있었다. 만약 S_PE_tot >10 인 범위에서 사용한다면, 물체검출확률의 손실이 없이 오경보 확률이 작게 측정되므로 이 방법이 효과 적이라는 것을 확인 할 수 있었다. 시간적 필터링에 있어 시간 간격 사이즈 (time bin width)는 시스템의 신호대 잡음비를 결정짓는 중요한 요인이다. 실험적으로 펄스폭의 1/2 이 되었을 경우 (=0.5 ns) 물체 검출확률과 오경보 확률의 비가 가장 큰 것으로 측정되었다. 실내o외 다양한 실험을 수행하기 위해 두 개의 GmAPDs를 사용하는 3차원 레이저 레이다 시스템을 제작 하였다. 시스템은 크게 2가지로, single pixel GmAPD검출기 두 개를 사용하는 시스템과 1x8 GmAPD array 두 개를 사용하는 시스템 이다. 빠른 시간 내 에3차원 영상 정보를 얻는 것은 중요하며 이를 위해1x8 GmAPD를 2 개 사용하는 시스템도 제작 하였다. 이 시스템들의 장점으로는 랜덤하게 발생하는 노이즈 감소 와 더불어 레이저 펄스 폭에 의한 jitter를 감소 시킴으로써, 거리 정밀도가 향상이 된다. 실험을 통해 거리 정밀도 및 precision error를 측정 하였으며, 두 개의 검출기를 사용 했을 경우 single-shot precision error는 67 mm로 단일 검출기를 사용한 경우인 281 mm보다 적은 값을 가지는 것을 확인 하였다. 최종적으로 제작된 3차원 영상 레이저 레이다 시스템들을 사용하여 다양한 3차원 영상을 획득하였다. 다양한 3차원 영상을 통해 실제 야외 실험에서도 이 시스템의 장점인 노이즈 제거가 효과적이라는 것을 확인 하였다. 또한 오경보 확률 감소로 인해 데이터 용량이 작아져 영상처리 프로그램 동작에 있어 메모리를 감소가 되므로 프로그램 구동 측면에 있어서도 이점을 가진다는 것을 확인 하였다. 3차원 영상처리 부분에 있어서도 본 논문에서 제시 한 방법을 사용 하였다. 이 방법은 다중 프레임을 이용하여 노이즈를 제거하는 방식이다. 다중프레임을 이용한 노이즈 제거 방식을 실시 한 경우 노이즈가 제거뿐만 아니라, 복셀 기반대비 29 % 정도의 처리속도의 감소를 가진다는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 향후 GmAPD를 운용하는 3차원 영상 레이저 레이다 시스템에서 노이즈 제거 과정이 없어지므로 깨끗한 3차원 영상을 기존 방식에 비해 빠르게 획득 할 수 있을 것이다. .

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DPH 13013
형태사항 ii, 117 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Tae-Hoon Kim
지도교수의 한글표기 : 공홍진
지도교수의 영문표기 : Hong-Jin Kong
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 참고문헌 : p. 103-108
주제 레이저 레이다
전자사태 광 다이오드
시간적 필터링
Laser radar
Geiger mode avalanche photodiode
Temporal filtering
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