다중모드 코히런트 검출 고스트 이미징 라이다와 진동 모드 복원

초록

본 논문은 버킷 검출기를 이용해 다중모드 반사광을 단일모드 로컬오실레이터와 혼합함으로써, 전통적인 시겜안 안테나 정리를 회피하고 복합 반사도와 미세 진동 모드를 동시에 복원하는 코히런트 검출 고스트 이미징 라이다(CD‑GI lidar) 시스템을 제안한다. 이론적 모델링과 실험을 통해 거리·위상·진동 정보를 고해상도로 획득함을 입증한다.

상세 분석

본 연구는 고전적인 고스트 이미징(ghost imaging)과 광학 코히런트 검출(coherent detection)을 융합한 CD‑GI 라이다의 새로운 구현 방식을 제시한다. 핵심 아이디어는 버킷(detector) 형태의 대면적 포토다이오드에 다중모드 반사광을 집광하고, 이를 단일모드 로컬오실레이터(LO)와 광학적으로 혼합하여 중간 주파수(IF) 신호를 생성하는 것이다. 전통적인 시겜안 안테나 정리(Siegman antenna theorem)는 검출 면적이 커질수록 수신 전력은 포화하고 결국 단일모드만을 선택한다는 제한을 둔다. 그러나 저자들은 필드 상관(field correlation) 연산을 이용해 다중모드 광장을 LO와 독립적으로 상관시킴으로써, 검출 면적이 커져도 각 모드의 위상·진폭 정보를 별도로 추출할 수 있음을 보였다.

광원은 좁은 라인폭 레이저를 전기광변조기(EOM)와 chirped RF 신호로 거리 해상도를 부여하고, 이후 아쿠스토광변조기(AOM)로 주파수 이동을 시킨다. 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)에서 사전 정의된 이진 패턴을 적용해 공간 변조를 수행하고, 객체에 투사한다. 반사된 복합 파는 전파 경로와 대기 난류에 의해 위상 왜곡을 받지만, 이를 수식 (5)‑(5.2)에서 제시된 복합 위상항 ϕ(i,1)+ϕ(i,2) 로 모델링한다.

버킷 검출기에서는 반사광과 LO가 전기광학 믹서에서 간섭하고, 균형 검출을 통해 전류 신호 i(t)를 얻는다. 이 신호는 공간 좌표 ρₒ와 ρ_d에 대한 적분 형태로 전개되며, 핵심 파라미터인 A₁(ρₒ,ρ_d)·cos