Implementation of the Variable Output Laser Diode Driver Synchronized with a Pulse Repetition Frequency Code

펄스 반복 주파수 코드에 동기된 출력 가변형 레이저 다이오드 드라이버 구현

Abstract

In this paper, we propose a simulator to evaluate the performance of the semi-active laser guidance or the quadrant photodetector and to simulate the laser power reflected from a target. The laser pulse repetition frequency was generated and synchronized with the laser pulse repetition(PRF) code. To evaluate the performances of the proposed methods, we implemented a prototype system and performed experiments. As a result, the generated high voltage was variable in the range of DC 3V to 340V and has the rate of change of 2000 V/s. PRF code can be generated within 50ms ∼ 100ms and the error is implemented within 0.3ns. The laser output is synchronized with the PRF code and has a dynamic range of 23.6dB.

1. 서 론

레이저광은 방향성이 매우 좋기 때문에 레이저 거리측정기로 민수 및 군사용으로 많이 사용되고 있다. 특히 군사용으로 많이 사용하는 분야로는 1.06um 레이저로 유도되는 정밀 유도탄을 예로 들 수 있다[1]. 레이저 유도탄 운용 방식으로는 표적을 지시한 레이저 광을 따라서 비행하도록 유도시키는 방식인 레이저 빔라이더(laser beam rider)와 지상군의 표적 지시기에 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.

국내외 군사용 레이저 표적 지시기의 레이저 펄스 반복율은 8 ∼ 20Hz로 구동되고 있다. 펄스 발생방법에는 크게 2가지로 분류되며 펄스 반복률이 주기적으로 변동되는 방식(pulse interval modulation, PIM)과 일정한 펄스 반복율만 발생하는 방식(pulse repetition frequency, PRF)으로 구분된다[3]. 군사용으로 사용되는 표적지시기 및 반능동형 레이저 유도탄 체계에는 두 가지 방식을 모두 지원한다.

그림 1은 PRF 방식으로 펄스 반복시간(t)이 일정한 주기를 나타내며 그림 2는 PIM 방식으로 집단(A,B,C)별 다른 펄스 반복시간(t0 ≠ t1 ≠ t2)으로 일정 주기를 갖는다.

그림 1레이저 펄스 반복 주파수 Fig. 1 Laser pulse repetition frequency

그림 2레이저 펄스 간격 변조 Fig. 2 Laser pulse interval modulation

군사용으로 사용되는 장거리 표적 지시기는 Nd:YAG 레이저로 10ns ∼ 20 ns의 레이저 펄스폭(FWHM)을 갖으며 펄스 반복율은 8 ∼ 20Hz(펄스 반복시간 t = 50 ∼ 125ms)에서 구동된다. NATO STANAG 3733 기준으로 PRF 및 PIM 코드 시간 오차는 0.1ms 이내로 규정되어 사용된다[4].

표적 지시기에서 조사된 에너지는 Lambertian 표적물이라 가정하면 표적으로부터 거리(R)와 에너지는 E ∝ 1/R2 함수 관계를 갖으며 PRF 주기로 SAL 또는 광 검출기에서 에너지를 검출한다[4]. 그림 3은 반능동형 레이저 유도방식에서 목표물과 거리에 따른 검출 에너지 특성을 보여준다. 레이저 표적 지시기에서 조사된 레이저는 유도탄이 목표물에 가까워질수록 검출기에서 획득되는 에너지는 증가하게 된다. 본 논문에서는 SAL 탐색기 또는 4분할 광 검출기의 성능 평가가 가능한 모사 장치로써 PRF 코드와 동기화된 레이저 출력 가변 구동 드라이버를 구현하여 평가하였다.

그림 3표적거리와 에너지 변화 Fig. 3 Target range and energy variation

 

2. 본 론

2.1 PRF 발생 로직 설계

FPGA(field programmable gate array)는 프로세서 코어 (processing system, PS) 및 로직(programmable logic, PL)을 내장한 Xilinx 사의 ZYNQ SoC를 적용하였으며 PRF 코드 발생부는 PL 로직에 구현하였다. 그림 4와 같이 프로세서인 PS, AXI 버스 인터페이스, AXI 사용자 로직부와 연동하여 제어하였다.

그림 4PRF 발생 로직을 포함한 ZYNQ 구성도 Fig. 4 ZYNQ configuration with PRF generation logic

NATO 규격인 오차 0.1ms 이내의 PRF 코드를 발생하기 위하여 100MHz를 기준 클럭으로 10ns 단위의 펄스 카운터를 설계하였다. 그림 5와 같이 프로세서부인 PS 로직으로 신호처리 및 제어하여 AXI 사용자 로직에 저장한다. 32비트 데이터 PRF 발생주기와 16비트 펄스폭 데이터를 전송하여 기준 클럭을 이용한 카운터와 비교하여 레이저 펄스를 제어 가능한 구조로 설계하였다.

그림 5PRF 발생 로직 인터페이스 Fig. 5 PRF generation logic interface

카운터 내부에서 사용되는 신호 및 발생 타이밍은 그림 6과 같다. 레이저 펄스폭 10 ∼ 100ns의 펄스를 만들기 위해 100MHz의 기준 클럭의 상승 에지에서 CLK CNT 값이 “1”이 될때 PRF Shot을 상승시켜 레이저 다이오드 구동을 시작한다. CLK CNT 값과 PRF Width 값(m)이 일치하면 기준 클럭 상승에 지에서 PRF Shot을 하강시켜 레이저 다이오드 구동을 멈춘다. PRF Code 주기는 PRF폭이 결정된 이후 CLK CNT가 PRF Code값(n)가 일치할 때 마다 상승시켜 PRF 주기를 완성한다.

그림 6PRF 발생 타이밍 Fig. 6 PRF generation timing

50ms의 PRF 코드를 설정하기 위해서 n = 5,000,000 값을 AXI 사용자 로직인 레지스터에 전송한다. 발생 펄스폭은 레이저 구동 드라이버의 조건에 따라 변경이 가능한 구조로 설계되었으며 100ns 기준으로 m = 11을 기본으로 설정하였다.

2.2 가변 출력 레이저 다이오드 드라이버 설계

가변 출력 레이저 다이오드 드라이버의 설계 기준은 펄스 반복율이 최대 20Hz (펄스 반복시간: 50ms)일때 가변 최대전압은 50V, 충전 전압 상승시간은 25ms, 하강시간은 25ms 이내로 제한하였다.

레이저 다이오드 드라이버 구동은 전압 조절 방식을 적용하였으며 전압은 최소 DC 3V 에서 최대 DC 340V 까지 가변이 가능하다. 최소 전압에서 최대 전압까지 충전시간은 400ms 이내로 설계하였다. 전압 발생은 PWM(pulse width modulation) 제어 방식과 전압 되먹임(feedback)을 이용하여 구현 하였다.

PRF 코드가 결정되고 구동이 시작되면 첫 번째 레이저 조사 후 다음 PRF 발생 시간이내에 해당 전압을 캐패시터에 빠르게 충전하고 일정한 상태를 유지해야 안정적인 레이저 출력을 조사할 수 있다. 또한 설정한 DC 전압에 포함된 리플 전압은 레이저 출력 에너지 변화량으로 존재하기 때문에 설정 전압에서 리플을 최소화해야 한다.

고압 발생부는 PWM 및 FET 게이트 드라이버(gate driver), 고압 발생부, 발생 제어부로 구분된다. PWM 및 FET 드라이버는 그림 7 에서 SG3525의 R143, R144, C77 값을 조정하여 56kHz로 발진하며 발생제어 로직에 의해 on/off 상태를 반복하게 된다.

그림 7PWM 및 FET 게이트 드라이버 회로 Fig. 7 Circuit of PWM and FET gate driver

고압 발생부는 전력 효율 및 고전압 발생에 유리한 full-bridge 방식으로 구동되어 DC 24V 입력조건에서 최소 출력 3V에서 최대 출력 340V 까지 발생 가능하다[5]. 발생된 전압은 레이저 구동 전압원으로 캐패시터에 저장된다. 사용자 설정전압과 비교하기 위하여 100:1 비율로 낮추어 최대 DC 3.4V의 되먹임 전압을 비교기에 입력하며 고주파 잡음 및 리플 전압을 최소화하기 위해 RC 필터를 적용하였다.

그림 8Full-Bridge 방식의 고압 발생부 회로 Fig. 8 Circuit of high-voltage generation with full-bridge

비교 기준 전압을 설정하기 위해서 ZYNQ 프로세서와 DAC(digital-analog converter)를 이용하여 구현하였다. 기준전압과 출력전압을 비교하여 PWM을 제어할 때 잡음에 의한 오작동을 감소하기 위해 RC시정수를 적용하였다. RC 시정수의 값에 따라 고전압에 포함된 리플값에 영향을 받게 된다. 그림 9는 전압 상승 또는 멈춤 제어용 비교기 출력 제어 신호(on/off control), RC 시정수에 의한 전압 상승 지연시간 시간(Td_on)과 비교기의 히스테리시스 구간에 의한 멈춤 지연시간(Td_off)을 보여준다. 그림 9의 좌측은 2.9V의 문턱전압을 갖는 슈미트 트리거 게이트에 R = 150kΩ, C = 1nF의 RC 필터 적용할 때 Td_on은 약 400ms의 지연시간을 갖는다. DC 300V에서 리플 전압은 약 500mV를 보여주며 레이저 출력에 미세한 영향을 줄 수 있는 범위이다. 그림 9의 우측그림은 R = 470Ω, C = 1nF 적용시 Td_on은 약 500ns 이하로 실시간으로 전압제어가 가능함을 보여준다. 이때 리플 전압은 100mV 이하로 측정되어 레이저 출력에 영향을 최소화 하였다.

그림 9RC 필터값과 리플전압(좌:150kΩ, 우:470Ω) Fig. 9 Ripple voltage and RC Filter value

레이저 다이오드 드라이버의 MOSFET과 PFN(pulse forming network) 회로를 이용하여 10∼20ns 펄스폭을 발생시키며 캐패시터에 충전 전압 값을 가변하여 에너지를 출력한다. 그림 10은 최대 DC 500V 및 16A의 레이저 다이오드 구동이 가능한 IXYS사의 DE275-501N16A와 IXDN-409를 이용하여 구현한 회로이며 소형화가 가능한 크기로 제작하였다.

그림 10레이저 다이오드 드라이버 회로 및 보드 형상 Fig. 10 Circuit and PCB of laser diode driver

15ns 펄스폭을 갖는 레이저를 구현하기 위하여 중심파장 1060nm, 파워 10W출력을 갖는 FRANKFURT Laser Company사의 FLPI-1060 레이저 다이오드를 사용하였다. 그림 10의 R3와 C3 시정수를 조정하여 13ns ∼ 16.7ns 펄스폭을 갖는 구동 드라이버를 구현하였다. R3은 1.36Ω 으로 고정하고 C3값에 따른 출력 특성은 표1 과 같다.

표 1정전용량에 따른 레이저 펄스폭(R3=1.36 Ω) Table 1 Laser pulse width and capacitance

레이저 첨두치 출력은 펄스폭 15.1 ns 일때 동작전압 3V에서 12mW로 측정되었으며 최대 동작 전압 340V 에서 28W로 측정되었다.

2.3 평가

시스템은 고전압 발생부(high voltage generator), 레이저 다이오드 드라이버 및 펄스 형상 발생부, PRF 발생 및 에너지를 설정하는 FPGA부, 디지털 데이터를 기준 값으로 변환하는 DAC, 발생전압과 기준 값을 비교하는 비교기(comparator)로 구성되었으며 그림 11과 같다.

그림 11제어 연결 구성도 Fig. 11 Connection between each boards

신호처리 보드는 ZYNQ 평가보드인 Xilinx사의 ZedBoard를 사용하였으며 보드 형상은 그림 12와 같다. FPGA에서 발생 전압 값을 DAC에 전송한 후 제어 신호를 이용하여 고전압 발생보드를 구동하면 비교기에서는 설정된 DAC의 기준 값 보다 큰 값이 검 출될 때 전압 발생을 멈추는 방식으로 제어한다. 기준 값 보다 작을 경우 다시 고전압을 발생시켜 원하는 전압으로 안정화한다. 이때 FPGA는 PFN을 포함하고 있는 레이저 다이오드 드라이버를 이용하여 PRF 주기와 동기화하여 레이저를 발생시킨다. 그림 12는 제작보드 형상 및 연결도를 보여준다.

그림 12제작 보드 형상 Fig. 12 System block diagram

레이저 PRF 주기 발생 오차는 Thorlabs사의 EDT01CFC광 검출기와 Agilent사의 53132A 주파수 측정기를 이용하였으며 측정 표준편차 0.3 ns 이내로 측정되었다.

표 2PRF 주기와 레이저 출력 오차 Table 2 PRF repetition and laser output error

그림 13은 PRF 주기에 따른 전압 가변특성을 보여주며 PRF 최대 주기인 50ms와 동기화되어 10V 단위로 측정 하였다. 25ms 동안 상승 가능한 전압은 50V 로 측정되어 2000 V/s의 반응특성을 확인하였다.

그림 13PRF 주기에 따른 전압 가변 특성 Fig. 13 voltage variation corresponding to PRF

그림 14는 PRF와 동기화된 레이저 출력 가변특성과 100ms 주기와 동기된 레이저 출력이 선형적으로 변하고 있음을 보여준다. 오실로스코프의 대역폭의 한계로 PRF 주기와 15ns의 레이저 펄스폭을 동시 측정이 불가하여 각각 측정하여 평가하였다.

그림 14레이저 펄스 열 및 펄스폭 Fig. 14 Laser pulse train and pulse width

 

3. 결 론

본 논문에서는 반능동형 레이저 유도방식에서 사용되는 SAL 탐색기 또는 4분할 광 검출기의 성능을 평가가능한 모사기를 구현하였다. 또한 레이저 펄스 반복 주파수 발생 및 표적에서 반사된 레이저 출력 모사에 적합한 PRF와 동기된 펄스 출력 가변형 레이저 다이오드 드라이버를 구현하여 평가하였다.

레이저 다이오드 구동 전압은 3 ∼ 340V 까지 발생되며 발생주기는 PRF 코드와 동기되어 2000 V/s 의 변화율로 제어하였다. PRF 코드는 8 ∼ 20Hz(50 ∼ 125ms) 이내로 구현되었으며 발생 최대 오차는 0.3 ns 이내로 측정되었다.

레이저 출력은 PRF 주기와 동기 되며 최소 12mW, 최대 28W로 23.6dB의 동적범위를 갖는다. 이러한 출력을 갖는 모사장비는 반능동형 레이저 유도방식을 사용하는 탐색기내 광 검출기 및 시스템 평가에 적합할 것으로 판단된다. 향후 레이저 출력 감쇠기 (neutral density 필터)를 적용하여 모사에너지의 동적범위를 확장하면 장거리 표적에 해당하는 낮은 에너지 모사도 가능할 것이다.