녹색 방출 LiDAR를 사용하여 수중 토폴로지를 캡처하는 이유와 방법

3D 자동차 감지, 토폴로지 매핑, 우주 탐사 분야에서 LiDAR의 사용이 널리 논의되고 있습니다. 이제 지구에 남은 마지막 개척 분야는 바로 수중 토폴로지 구조를 탐색하기 위한 도구의 개발입니다. 엔지니어는 이러한 도구를 사용하여 호주의 산호초를 조사하고 호수 또는 연못의 수심을 확인하며 물속의 물리적 장애물을 감지하고 수질을 확인할 수 있습니다.

엔지니어는 이러한 조사 프로세스를 수심 측량이라고 부릅니다. 이 과정에서 장비를 운반하기 위해 종종 드론이 사용됩니다. 그러나 일반적인 LiDAR 시스템에 사용되는 표준 적외선(IR)은 수면에서 반사됩니다. 그 결과 이 드론에서 나오는 IR 조명은 수면 아래에 있는 것을 ‘확인’할 수 없습니다.

그렇다고 엔지니어가 물속을 관찰하고 수면 아래의 구조를 확인할 방법이 없다는 것은 아닙니다. 음향 도플러 전류 프로파일러(ADCP)는 퇴적물과 수중의 다른 물질에서 반사된 음파를 전송하여 유선 흐름을 측정합니다. 에코매퍼 자율 수중 차량은 수심 측량 데이터를 30cm 윤곽선까지 수집합니다.

이러한 제한된 기술의 경우, 그 기술의 목적에는 부합하지만 드론 기반 LiDAR 감지 기계가 적절한 방출기 파장을 사용할 경우 물속으로 더 깊이 투과하여 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있습니다.

LiDAR 작동 원리 및 물 투과 방법

LiDAR 시스템은 광학 디지털 펄스 트레인 신호의 광시간차(ToF)를 측정합니다. 전자 장치는 신호가 출발하는 순간을 포착한 다음 신호가 물체에서 튕겨 나와 돌아올 때까지 기다립니다. LiDAR 시스템은 광검출기와 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)를 사용하여 신호 에지를 찾습니다.

일반적인 장거리 LiDAR 설계는 1,064nm 파장인 IR 조명을 최대 250m의 거리에서 방출하고 반사 시간을 기록하여 거리와 물체 윤곽선을 결정합니다. 이런 작업은 육상 기반 지형 매핑에 적합합니다.

실제로 일반적인 수심 측량 수행 시 저속 비행기(또는 드론)는 날개 아래 포드에 두 개의 LiDAR 시스템을 가지고 있습니다. 하나는 전형적인 지형 측정을 위한 적외선(IR) 방출기이고 다른 하나는 ‘왜?’라는 의문이 생기는 녹색 방출기입니다.

빛은 파장이 짧을수록 수면 투과력이 우수하며 물은 1,064nm에서 IR 조명을 빠르게 흡수합니다. 녹색 LiDAR의 경우 500Hz의 주파수를 가지며 파장이 532nm로 수심 데이터를 측정하는데 탁월합니다. 물이 깨끗할 때 녹색 LED 광원을 사용하면 투과 깊이가 30m에 이릅니다(그림 1).

그림 1: 이 수심 측량 설계는 굴절을 수용하도록 각도를 10° 기울인 녹색 LED를 장착한 LiDAR 회로를 사용하여 수면에서 30m 깊이까지 투과합니다. (이미지 출처: Bonnie Baker)

그림 1에 표시된 수심 측량 광 감지 회로는 50MHz의 정밀하고 왜곡이 낮은 저잡음 CMOS 증폭기인 Analog Devices의 AD8652ARZ를 사용합니다. AD8652ARZ의 대역폭은 이 회로의 요구 사항을 충분히 충족하며 저잡음 사양은 5nV/√Hz입니다.

Analog Devices Photodiode Circuit Design Wizard 도구는 LiDAR의 트랜스 임피던스 증폭기(TIA) 회로 설계에 도움이 됩니다(그림 2).

그림 2: Analog Devices의 Photodiode Circuit Design Wizard는 TIA에 적합한 회로를 제공하고 광검출기와 외부 피드백 저항기 및 커패시터를 선택하는 데 도움을 줍니다. (이미지 출처: Analog Devices Photodiode Circuit Design Wizard)

이 도구는 위의 회로를 쉽게 생성할 수 있는 유연한 인터페이스를 제공합니다. 선택된 사양은 2MHz의 대역폭을 목표로 하며 회로에서 생성되는 펄스에 대해 충분히 만져볼 수 있는 공간을 제공합니다.

결론

IR 방출기가 있는 LiDAR 시스템은 토폴로지 측정에 적합하지만 IR은 물을 투과할 수 없습니다. 녹색 방출 LiDAR 솔루션에서 녹색 방출기의 파장은 잔잔하고 맑은 물에서 30m까지 쉽게 투과할 수 있습니다.

위에서 살펴본 바와 같이 Analog Devices의 AD8655 증폭기와 Photodiode Circuit Design Wizard를 사용하여 설계자는 물 투과형 LiDAR 수심 측량 시스템 생성에 착수할 수 있습니다.

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