이진화 주파수 변조 연속파 라이다

Abstract

Master가장 널리 사용되는 LiDAR 방법인 Direct ToF 방식은 하드웨어 구현의 한계가 뚜렷하다. 본 논문에서는 indirect ToF 방식 중 노이즈 및 측정 범위에 advantage가 있는 FMCW를 bainarize한 BFMCW design을 제시한다. FMCW의 경우 노이즈에 강하고 측정거리가 길며 측정시간이 빠르다. 그러나 FMCW 구현을 위해 light의 intensity 혹은 wavelength를 modulation 하는것은 복잡한 photonic device가 필요하며 수신된 신호를 mixing 하는데도 optical interferometer가 필요하다. 이러한 단점을 극복하기 위해 DAC와 ADC 를 이용하여 light의 intensity를 직접 디지털로 제어하고 수신하는 방법이 제시되었다. 그러나 이 방법은 laser를 발진하는 신호를 DAC에서 생성하기 때문에 chirp bandwidth의 수 배에 달하는 매우 빠른 DAC가 필요하고 해당 bandwidth 를 측정할 수 있는 ADC 또한 필요하다. 본 연구에서는 LFM 신호를 Binarize한 BFM신호를 통해 기존 FMCW 라이다의 복잡한 광학적 송수신기를 BFM기반 switching modulator와 switching mixer로 대체한 BFMCW 설계를 제시한다. 이를 검증하기 위해 두 가지 simulation을 수행하였다. 첫번째 simulation은 기존에 제시된 DAC-ADC 시스템의 receiver에 0MHz에서 30MHz 까지 sweep하는 100μs 길이의 LFM신호와 BFM신호를 입력하여 signal processing을 통해 동일한 301.98kHz의 beat frequency가 나오는 것을 확인하였다. 두 번째 simulation에서는 본 연구에서 제안한 구조인 switching mixer receiver에 대상에서 반사된 beat frequency를 입력하여 beat frequency가 나오는지 확인 하였다. beat frequency의 주파수를 통해 30cm의 표준편차로 거리를 추출할 수 있다는 것을 확인 하였다.Direct ToF, which is the most widely used LiDAR method, has certain limitations in hardware implementation. In this paper, I propose a BFMCW design which is the binarized FMCW method, which has an advantage in noise and measurement range among indirect ToF methods. In the case of FMCW, it is resistant to noise, has a long measurement distance, and has a fast measurement time between the indirect ToF method. However, modulating light intensity or wavelength for FMCW requires a complex photonic device, and mixing the received signal requires an optical interferometer. To overcome these disadvantages, a method of digitally controlling and receiving light intensity using a DAC and ADC has been proposed. However, since this method generates a laser oscillating signal from the DAC, DAC that has several times bigger sampling rate than the chirp bandwidth is needed, and high-speed ADC capable of measuring the chirp bandwidth is also required. This study proposes a BFMCW LiDAR design that replaces the complex optical transceiver of existing FMCW LiDAR with switching modulator and switching mixer through BFM signal which is binarized LFM signal. Two simulations were performed to verify the BFMCW LiDAR design. The first simulation confirmed that the same 301.98kHz beat frequency was generated through signal processing by inputting a 100μs LFM and BFM chirp signal sweeping from 0MHz to 30MHz in the receiver of the previously proposed DAC-ADC system. In the second simulation, the BFM chirp signal which is based on modeling of reflection from the target transmitter and receiver optics was input to the switching mixer based BFMCW receiver, which is the structure proposed in this study. It was confirmed that the distance can be extracted with a standard deviation of 30 cm through the beat frequency