Implementation of Digital Signal Processing Board Suitable for a Semi-active Laser Tracking to Detect a Laser Pulse Repetition Frequency and Optimization of a Target Coordinates

반능동형 레이저 유도 추적에 적합한 레이저 펄스 반복 주파수 검출을 위한 디지털 신호처리 보드 구현 및 표적 좌표 최적화

Abstract

In this paper, we propose a signal processing board suitable for a semi-active laser tracking to detect an optical signal generated from the laser target designator by applying an analog trigger signal, the quadrant photodetector and a high speed ADC(analog-digital converter) sampling technique. We improved the stability by applying the averaging method to minimize the measurement error of a gaussian pulse. To evaluate the performances of the proposed methods, we implemented a prototype board and performed experiments. As a result, we implemented a frequency counter with an error 14.9ns in 50ms. PRF error code has a stability of less than 1.5% compared to the NATO standard. Applying the three point averaging method to ADC sampling, the stability of 28% in X-axis and 22% in Y-axis than one point sampling was improved.

1. 서 론

레이저광은 방향성이 매우 좋기 때문에 레이저 거리측정기로 민수 및 군사용으로 많이 사용되고 있다. 특히 군사용으로 많이 사용하는 분야로는 1.06μm 레이저로 유도되는 정밀 유도탄과 정밀 타격을 위한 레이저 조사기이다[1]. 레이저 유도탄 운용 방식으로는 표적을 지시한 레이저 광을 따라서 비행하도록 유도시키는 방식인 레이저 빔 라이더(laser beam rider)와 지상군의 표적지시기에 의해 반사되는 반점을 이용하여 유도되는 반능동형 레이저 유도 방식(semi-active laser guidance, SAL)으로 구분된다 [2]. 반능동형 레이저 유도방식에서는 레이저 펄스 반복 주파수 (laser pulse repetition frequency, PRF)를 발생하여 해당 펄스만을 추적하는 방식이다[3].

레이저 광이 목표물에 조사되면 전자광학센서를 포함한 발사체는 레이저 조사기에 발생된 주파수를 추적하게 된다. 레이저 표적 지시기는 중심파장 1.06μm의 적외선 Nd:YAG 레이저를 사용하여 특수 장비 없이는 관찰이 불가하다. 또한 Nd:YAG 매질의 광전 변환 효율이 좋으며 고출력 레이저 구현이 보편화되어 많이 사용하고 있다.

대부분의 장거리 표적 지시기는 Nd:YAG 레이저를 사용하여 20ns의 레이저 펄스 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 갖는 구조로 설계되어 있으며 펄스 반복율은 10∼20Hz를 사용하고 있다. 최근 수신감도를 높이기 위해서 레이저 조사기의 펄스폭을 줄여 첨두치 파워를 높이는 방법으로 15ns의 펄스폭을 갖는 표적지시기가 개발 되고 있다[4].

그림 1은 반능동형 레이저 유도탄 운용방식을 보여준다. 반능동형 레이저 유도탄 체계는 4분할 광 검출기를 이용한다. 레이저 표적 지시기에서 조사된 레이저는 표적을 맞고 SAL 체계 광검출기에 입사되어 신호의 위치를 추적한다.

그림 1반능동형 레이저 유도방식 Fig. 1 Semi-active laser guidance

짧은 광펄스를 측정하는 방법으로 첨두치 검출(peak detection)회로 기술을 적용하여 사용하고 있다[5]. 첨두치 검출방법은 증폭기와 다이오드를 이용하여 정류한 후 커패시터에 저장하는 방식이다. 그러나 낮은 신호 검출 시 잡음 성분에 대한 검출 오류가 발생가능하며 검출 시점에 따라 커패시터의 충/방전 시퀀스 제어가 요구되는 단점을 갖고 있다[6].

본 논문에서는 레이저 표적 지시기에서 발생된 신호를 검출하기 위해서 아날로그 트리거 방식과 4분할 광 검출기 및 고속 아날로그-디지털 변환기(analog-digital converter, ADC) 샘플링 기술을 적용하여 반능동형 레이저 추적에 적합한 신호처리보드를 구현하였으며 가우시안 펄스의 측정 오차를 최소화 할 수 있는 평균화 방법을 이용하여 안정도를 개선하였다. 또한 PRF 코드 수신 정밀도를 향상하기 위하여 카운터 로직을 설계 및 평가하였다.

 

2. 본 론

시스템 구성은 광 신호 증폭부, 비교기 및 트리거 신호 발생부, 데이터 취득부, 데이터 처리부로 구성된다. 광 신호 증폭부는 4분할 광 검출기 및 증폭기를 이용하여 일정 배율로 증폭하게 된다. 비교기 및 트리거 발생부는 전치증폭기에 발생된 미소신호를 설정 기준값 보다 클 경우 디지털 로직이 인식 가능한 레벨로 변환 발생한다. 데이터 취득부는 고속 시리얼 통신 구조이며 100MSPS(mega sample per second) 샘플율을 갖는 아날로그 디지털 변환기( analog digital converter, ADC )를 포함한다. FPGA( field programmable gate array )를 포함한 신호처리부 는 프로세서 시스템(processing system, PS) 및 프로그래머블 로직(programmable logic, PL)을 내장한 Xilinx 사의 ZYNQ SoC를 적용하였으며 PRF 코드 분석은 PL 로직에 구현하였다. 그림 2와 같이 PS, AXI(advanced extensible interface) 버스 인터페이스, AXI 사용자 로직부와 연동하여 제어하였다.

그림 2시스템 블록다이어 그램 Fig. 2 System Block Diagram

레이저 표적지시기에서 발생되는 15∼20ns 의 펄스폭을 측정하는 방법으로 100MSPS 샘플율을 갖는 ADC와 아날로그 트리거 신호를 이용하여 좀더 안정적인 데이터 추출이 가능한 구조를 설계 하였다.

확률 밀도 함수와 가우시안 함수의 관계에서 표준편차(σ)와 펄스폭(FWHM)의 관계는 식 1과 같다[7].

레이저 표적 지시기에서 사용되는 레이저가 펄스폭 15ns의 가우시안 함수를 갖는다면 표준편차 99.7%인 ±3σ 경우 약 38ns의 가우시안 파형을 갖는다. 100MSPS의 ADC를 사용할 경우 10ns 단위로 데이터를 샘플링이 가능하다. 샘플링 시작 시점에 따른 검출 펄스 파형은 그림 3과 같다.

그림 3가우시안 펄스의 샘플링 포인트 Fig. 3 Sampling point of gaussian pulse

그림 3에서 ■(-center) 곡선은 반치폭이 15ns 일 때 100MSPS의 샘플링 주기인 10ns 단위로 표시된 가우시안 분포를 보여준다. 1-포인트 샘플링으로 발생할 수 있는 오차는 중심점과 최대 오차 발생지점의 차이를 계산하여 얻을 수 있다. 정상적인 가우시안 중심값은 0.0626이며 최대 오차 발생 지점 +/- 5ns에서 값은 0.0460이다. 두 점간 최대 26.5%의 오차를 나타낼 수 있다. 중심점에서 검출된 가우시안 분포 최대점 및 전후 데이터의 평균은 (0.0183 + 0.0626 + 0.0183) / 3 = 0.0331이며 5ns 이동한 가우시안 분포의 샘플링 평균은 (0.0039 + 0.046 + 0.046)/3 = 0.0460이다. 비율로는 3.22%의 오차로 1-포인트 샘플링으로 검출되는 오차보다 약 22% 이상의 안정도를 갖을 수 있다.

2.1 광 신호 증폭 및 트리거 신호 발생

빠른 응답을 요구하는 Si PIN형 포토다이오드의 정전용량은 2pF 이내이다[8]. 상대적으로 4분할 광 검출기는 검출면적이 넓기 때문에 20pF 이내의 정전용량을 갖고 있다[9]. 높은 정전용량 때문에 광전변환 소자의 주파수 대역폭이 제한되며 입력 광신호의 펄스폭이 2∼3배 늘어진다. 15ns 펄스폭을 갖는 광 신호를 검출하기 위해서 주파수 대역폭은 20MHz로 제한하여 설계하였다.

그림 4는 광 신호 증폭기와 비교기를 이용한 신호 검출 부이다. 트랜스임피던스 증폭기(trans-impedance amplifier, TIA)의 이득은 65dB(V/A)로 설계하였고 후치 증폭기(post amplifier, PA)의 이득은 약 23dB로 설계하였다. 비교기(comparator, CP)는 광전 변환 레벨과 기준전압(reference voltage)의 차이를 이용하여 신호 입력여부를 판단한다. 기준전압은 디지털-아날로그 변환 소자를 이용하여 0∼3V 범위에서 4096 단계로 발생이 가능하다. 기준전압을 가변함으로 오경보율(false alarm rate, FAR)을 변경 가능하다. FAR 값은 펄스 반복 주기와 검출확률에 의해 결정되며 대부분 1%이하 조건으로 사용된다[10].

그림 4광 신호 검출 및 트리거 신호 발생부 Fig. 4 Optical signal detection and trigger signal generator block diagram

2.2 PRF 코드 검출 및 신호 처리

NATO 규격인 오차 0.1ms 이내의 PRF 코드를 분석하기 위하여 100MHz를 기준 클럭으로 10ns 단위의 펄스 카운터를 설계하였다. 그림 5와 같이 처리절차는 트리거 신호가 입력될 때 마다 저장된 PRF 코드(code) 값을 AXI User 로직에 저장하고 동시에 PS 로직에 인터럽트가 발생되면 운용 프로그램에서 AXI User 로직에 저장된 데이터를 가져가는 방식이다.

그림 5ZYNQ를 이용한 PRF 카운터 로직 인터페이스 Fig. 5 PRF counter logic interface with ZYNQ

카운터 내부에서 사용되는 신호 및 발생 타이밍은 그림 6과 같다. 수신 성능 및 정밀도를 고려하여 100MHz의 기준 클럭을 사용하였으며 상승 에지에서 CLK 값은 계속 증가한다. 트리거 신호가 입력되면 클럭 기준 상승에지 지점에서 현재 CLK값(m)을 저장한다. 다음 트리거 신호가 입력될때까지 CLK는 증가하고 트리거 발생시점에 CLK값(n)을 저장하면서 현재값(n)과 이전값(m)의 차이값(n-m)을 저장한다.

그림 6PRF 카운터 타이밍 Fig. 6 PRF counter timing

32비트 값으로 설정된 CLK값이 오버플로(overflow)일때는 Total_Cnt + Current_CLK - Previous_CLK 으로 계산하였다. 여기서 Total_Cnt는 32비트 범위인 0x100000000 이다.

트리거가 입력되면 PS 로직에 인터럽트가 입력되어 인터럽트 서비스 루틴 함수로 처리가 된다. 응용 프로그램에서는 이 서비스 루틴 함수에서 AXI User 로직에 저장된 데이터를 읽어오는 기능을 수행한다.

4분할 광 검출기의 4개의 셀에서 검출되는 광세기를 이용하여 좌표 값을 얻을 수 있다[11]. X 좌표는 ((A+D)-(B+C))/sum 이며 Y 좌표는 ((A+B)-(D+C))/ sum 으로 표현된다.

아날로그 디지털 변환기(ADC)로는 4채널 동시 고속 샘플링과 12비트 분해능을 갖는 Analog Devices 사의 AD9633-125을 사용하였다. FPGA와 시리얼 저전압 차동 신호(low-voltage differential signaling, LVDS) 인터페이스를 이용하여 100MSPS 구동이 가능한 로직을 구현하였다.

PRF 코드입력 시 사용되는 트리거 신호 입력 이후 부터 데이터를 저장하여 최대값을 찾고 데이터의 평균을 구하였다. 연속 데이터를 저장하기 위하여 FPGA내 메모리 링 (Ring)버퍼를 구현하였다. 트리거 신호가 입력되면 일정시간 동안 최대값 및 이전/이후 데이터를 저장하면서 PS 로직에 인터럽트를 발생한다. 운용 프로그램의 인터럽트 서비스 루틴 함수에서 해당 메모리 공간의 데이터를 읽어 평균을 취한 뒤 RS-232 통신으로 데이터를 전송하는 구조로 설계 되었다.

2.3 평가

PRF 코드 수신 오차 및 ADC 샘플링 방법에 따른 특성을 고찰하기 위해 그림 7과 같이 평가시스템을 구성하였다. 15ns 펄스폭을 갖는 레이저를 구현하기 위하여 중심파장 1060nm, 파워 10W출력을 갖는 FRANKFURT Laser Company사의 FLPI-1060 레이저 다이오드를 사용하였다. 4분할 광검출기는 1064nm에 최적화된 First Sensor사의 QP154-Q 제품을 사용하였다.

그림 7평가 시스템 구성도 Fig. 7 System diagram for evaluation

그림 8은 15ns 펄스폭을 갖는 광신호가 TIA 및 PA를 지나 정전용량에 의해 31ns로 늘어진 펄스폭을 보여준다. 식(1)에 의해 샘플 가능 범위는 약 78ns까지 측정이 가능하다.

그림 8측정 레이저 펄스폭 Fig. 8 laser pulse width

PRF 코드 분해능을 검토하기 위해 0.3ns의 PRF 오차를 갖는 레이저 다이오드 드라이버를 이용하여 50ms로 조사하였다. 검출확률 100%, 500개의 샘플 데이터를 측정하였으며 평균값 49.999970 ms, 표준편차 14.9ns로 측정되었다. 표준편차 발생은 100MHz의 안정도에 따른 변동과 PRF counter의 트리거 시점에 따라 1∼2개 카운트값(n-m)의 오류로 추정된다.

안정적인 좌표값을 표현하기 위해 1-포인트 샘플과 3-포인트를 이용한 평균화를 적용하여 비교 측정하였다. 그림 9는 FWHM이 31ns을 갖는 펄스로 FPGA 개발 툴인 Xilinx사의 chipscope를 이용하여 측정하였으며 최대값(Max), 전(Before)/후(After) 데이터를 찾는 과정을 보여준다.

그림 93-point 샘플링 및 데이터 Fig. 9 3-point sampling and data

표 1은 4분할 광검출기의 전체 면적에 레이저를 조사하여 측정된 샘플링 포인트 수에 따른 X,Y 좌표값 에러를 보여준다. 표본 데이터는 500개 이며 X,Y 좌표 최대값은 +/-1 이다. 3-포인트 샘플링 및 평균을 적용시 X 좌표는 약 28%, Y좌표는 약 22% 향상됨을 알 수 있다. 15ns의 가우시안 광펄스 시뮬레이션 결과인 22%보다 동등 이상임을 확인하였다.

표 1샘플링 포인트에 따른 에러값 Table 1 Error corresponding to sampling points

그림 10은 1-포인트 샘플링하여 취득된 좌표값 분포도를 보여준다. X축 평균값 –0.02에서 비대칭을 보여준다. 그림 11은 3-포인트 샘플링후 평균하여 취득된 좌표값 분포도이다. X축 평균값 –0.04에서 대칭적이며 상대적으로 안정적임을 알 수 있다.

그림 101-포인트 샘플링일 때 분포도 Fig. 10 Distribution for 1-point sampling

그림 113-포인트 샘플링 및 평균화 분포도 Fig. 11 Distribution for 3-point sampling and averaging

 

3. 결 론

본 논문에서는 레이저 표적 지시기에서 발생된 신호를 검출하기 위해서 아날로그 트리거 방식과 4분할 광 검출기 및 고속 ADC 샘플링 기술을 적용하여 반능동형 레이저 유도 추적에 적합한 신호처리보드를 구현하였다. 가우시안 펄스의 측정 오차를 최소화 할 수 있는 평균화 방법을 이용하여 안정도를 개선하였다. 또한 PRF 코드 수신 정밀도를 향상하기 위하여 카운터 로직을 설계하여 평가하였다.

PRF 코드의 수신 정밀도 향상을 위해 100MHz를 기준클럭으로 하는 주파수 카운터를 구현하여 50ms에서 오차 14.9ns로 측정하였으며 PRF 코드 오차 규격 0.1ms 대비 약 1.5% 이내의 안정도를 확인 하였다.

짧은 광 펄스 신호를 검출하기 위해 트리거 신호와 연동된 ADC 샘플링 및 3-포인트 평균화를 적용하였으며 1-포인트 샘플링보다 X축 28%, Y축 22%의 안정도를 향상하였다 15ns 펄스폭을 갖는 가우시안 광 펄스의 샘플링 포인트에 따른 오차 시뮬레이션 값 22%보다 동등 이상임을 확인하였다.

레이저 입력펄스는 15ns 이지만 광 검출기 커패시턴스의 영향으로 31ns로 늘어나 22% 이상의 개선효과를 기대하였으나 보드 내 잡음등의 원인으로 제한된 것으로 판단되며 추가적인 보드 안정화가 필요할 것으로 판단된다.

향후 고속 샘플링을 갖는 ADC를 적용할 경우 평균 샘플 수가 증가하여 좀더 안정적인 데이터 추출이 가능할 것으로 판단되며 광검출 증폭기의 잡음 최소화 기법을 적용할 경우 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR) 및 동적범위가 크게 향상될 것을 판단된다.