광선 레이더 - 원격 거리 측정을 위한 레이저 규칙

"빛 감지 및 거리 측정"을 의미하는 LIDAR 즉, 광선 레이더는 거리, 속도 및 그 외 다양한 물리량을 원격으로 측정하기 위한 레이저 기반 측정법입니다. 광선 레이더의 기본 원리는 사실 이해하기가 매우 쉽습니다. 레이저 광선의 펄스가 하나의 물체를 향해 이동하여 목표물에 도달한 후 되돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하는 것입니다. 빛이 이동하는 속도는 이미 잘 알려져 있으므로 시간 지연 값을 알면 대상물이 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 정확히 알 수 있습니다.

군사장비 분야에서는 일찌감치 1960년대 초부터 표적까지의 거리를 측정하기 위해 광선 레이더를 사용해 왔습니다. 처음에는 이 기술을 이외의 다른 용도로 활용할 기회가 그리 많지 않았습니다. 하지만 엔지니어와 과학자들은 수년에 걸친 연구 끝에 광선 레이더를 사용하면 실제로 훨씬 더 많은 일을 해낼 수 있다는 사실을 알게 되었습니다. 그 중 일부 용례를 소개하면 다음과 같습니다.

레이저 매핑 - 지구의 폭풍에서 화성의 산맥까지

광선 레이더는 고정된 물체와 움직이는 물체를 모두 매핑하기 위해 레이더와 유사한 방식으로 사용됩니다. 여기서 레이저 빔은 전체 관심 영역을 비출 때까지 해당 물체 또는 영역에 걸쳐 반복적으로 조사됩니다. 이러한 식으로 해당 물체의 전체 모양이 파악됩니다.

그러나 레이저 광의 특성 때문에 광선 레이더는 일반적으로 레이더보다 훨씬 더 높은 해상도와 정밀도를 제공합니다. 즉, 물체의 모양을 훨씬 더 정확하게 보여줍니다. 이 기술은 표적의 위치, 높이, 너비 및 깊이를 알려주기 때문에 흔히 스캐닝 광선 레이더를 일컬어 3D 스캐닝 광선 레이더 또는 그냥 3D 광선 레이더라고 합니다.

광선 레이더 스캐닝/매핑은 매우 다양한 용도로 활용됩니다. 이 기술은 궤도를 도는 위성에서 지상의 폭풍과 화성 등 행성의 표면을 매핑하는 데 사용됩니다. 또한 광선 레이더는 다른 자동차의 위치와 지형 특징에 관한 정확한 정보를 제공할 수 있기 때문에 자율주행 차량 및 고급 운전자 지원 시스템에서도 널리 활용할 수 있는 잠재력을 갖고 있습니다. Coherent는 당사의 광범위한 능동 및 수동 광학 파이버와 테이퍼 다이오드 레이저 증폭기를 통해 "눈에 안전한(eye-safe)" 자동차 광선 레이더용 레이저의 개발을 지원합니다.

Doppler 광선 레이더 - 다가올 미래를 파악

광선 레이더는 크기, 모양, 위치 뿐만 아니라 물체의 속도를 측정할 수도 있습니다. 이러한 측정은 Doppler 광선 레이더를 사용하여 수행됩니다. 측정 원리는 움직이는 물체에서 빛이 반사될 때 복귀 펄스의 주파수(색상)에 약간의 변화가 있다는 사실에 기초합니다. 따라서 주파수 편이를 측정하면 속도를 알 수 있습니다. 교통 경찰이 사용하는 레이더 건은 이와 똑같은 측정 원리를 이용합니다.

Doppler 광선 레이더의 일반적인 용례 중 하나는 공항 근처의 풍속을 측정하는 것입니다. 또한 Doppler 광선 레이더는 고성능 레이싱 요트에서 가장 유리한 순풍을 확인하는 데에도 사용됩니다.

Doppler 광선 레이더의 표적이 단일한 고체가 아니라 수증기 구름인 경우, 반사된 빛에는 단일 주파수 편이가 없습니다. 이것은 실제로 주파수 대역에 속하며 해당 주파수 대역의 너비와 모양은 수증기 구름에서 분자가 움직이는 속도 즉, 온도를 알려줍니다.

대기학자를 찾고 있는 라만 광선 레이더

레이저 펄스가 기체 분자에 부딪히면 훨씬 더 미묘한 효과가 나타납니다. 극소수의 분자(10억 분의 1 수준)는 이른바 라만 효과를 통해 반사광의 주파수를 변경합니다.

모든 분자는 그것이 일으키는 주파수 편이의 고유한 "특징"을 갖고 있습니다. 즉, 라만 광선 레이더를 사용하면 물, 메탄, 이산화탄소 등 특정 화학 물질을 식별할 수 있습니다. 이러한 특징 덕분에 대기 속의 "온실 가스"를 원격으로 검출할 목적으로 라만 광선 레이더 시스템을 사용할 수 있습니다. 이 측정법은 이처럼 다양한 화학 물질의 농도 값을 알려줄 수도 있습니다.

이 기술은 Karlsruhe Institute of Technology(약칭 KIT, 독일 가르미쉬-파르텐키르헨 소재)의 한 연구 그룹에서 활용하고 있습니다. 그들은 용도에 맞게 특별히 개조한 고성능 Coherent LEAP 엑시머 레이저를 사용하여 특수 라만 광선 레이더 시스템을 구축했습니다. 이 시스템은 독일에서 가장 높은 산인 추크슈피체 정상(해발 2964m) 부근에 자리한 한 연구 기지에 설치되었습니다. KIT의 연구 그룹은 이 시스템을 사용해 20km를 훨씬 넘는 고도의 대기 중 수증기를 측정하고 무려 80km의 고도에서 대기 온도를 측정하고 있습니다. 이 모든 측정 활동은 연구 기지 내에서 가능합니다.

광선 레이더는 기상학, 우주 탐사, 자동차, 연구 및 방위산업 등 다양한 분야에서 활용되는 강력하고 유연한 기술입니다. Coherent 레이저, 파이버, 광학 부품 등은 이들 중 다수를 구동하는 데 필요한 성능, 신뢰성 및 경제성을 함께 제공합니다.

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