Recently, a light detection and ranging (LiDAR) has gained significant interest as a ranging technology. Especially, as a LiDAR has seen higher use in applications such as autonomous vehicles, space exploration, robotics, there has been growing interest in a LiDAR system with a low complexity and cost. A chirped LiDAR system which employs a combination of frequency modulation technique and optical coherent detection has been emerging as a suitable candidate for this purpose.
In this thesis, we propose and demonstrate a LiDAR system employing a chirped pulse generated by gain-switching of a laser diode. We verified by simulation that it’s possible to realize a coherent LiDAR system by using the pulse. To have a chirped broadened pulse, we employed chromatic dispersion. It has been identified that the resolution of the proposed system is determined by gain-switching conditions. Moreover, it has been shown that a high-speed ranging is possible, since the gain switching speed can be above MHz range.
We also analyze the performance of the system by simulation. It was found that the system performance is not only affected by received power, but the time delay which is determined by the target distance. Firstly, we found out that the distance resolution can be maintained regardless of distance of the target. Secondly, the power penalty induced by delay (relation between delay and SNR) is analyzed. We could conclude that a high sensitivity could be maintained until the delay time is less than the pulse width.
The coherent LiDAR system proposed in this thesis can be a promising candidate in application areas where a low cost and low complexity are required.
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.
