1. 자율주행 자동차의 눈인 LiDAR란 무엇인가
LiDAR(Light Detection and Ranging)란 레이저를 발사하여 산란되거나 반사되는 레이저가 돌아오는 시간과 강도, 주파수의 변화와 편광 상태의 변화 등으로부터 측정 대상물의 거리와 농도, 속도, 형상 등 물리적 성질을 측정하는 기법 및 그 장치를 말합니다. LiDAR는 자구 과학 및 우주 탐사를 목적으로 지속적으로 발전해 왔는데, 최근 자동차의 안전주행 및 자율주행에 대한 수요가 늘어남에 따라 자동차 차량 거리 제어 및 전방 주시에 LiDAR 기술이 적용되고 있는 추세입니다.
이 문서에서는 LiDAR는 어떠한 특징을 가지고 있으며, LiDAR를 구현하기 위한 기술의 종류에 대해 기술되어 있습니다.
2. LiDAR의 특징과 동작원리
LiDAR는 일반적으로 먼 거리까지 퍼지지 않고 나아가는 직진성을 가지고 있습니다. 또한 펄스 신호를 생성하여 정밀한 관측 및 거리를 측정할 수 있고, 3차원 영상 모델링 기술을 이용하여 위성에서의 기상 관측과 무인 로봇 센서 및 자율주행 차량에 이용될 수 있습니다.
LiDAR의 구성요소에는 아래의 그림에서 찾아볼 수 있습니다.
LiDAR의 구성요소는 먼저 광학계를 통해 균일한 패턴의 레이저 빔을 발광하도록 모듈이 필요합니다. 이러한 모듈에는 광원인 LD(Laser Diode), 일루미네이션 보드 등 광학계 등의 장치가 사용될 수 있습니다. 다음 과정으로는 레이저 빔 모듈에서 반사되어 돌아오는 다수의 레이저 점군을 인식하는 Detector 부분이 있습니다. 반사되어 돌아오는 빛을 집광하기 위해 사용되는 광학계, PD(Photodiode) Array에 전송된 신호를 처리하는 신호처리부, 발광 모듈과의 동기 및 수광 센서 모듈 제어를 위한 제어부 등으로 구성됩니다. 레이저 모듈과 신호처리부에서 시야각을 확보하고 정밀한 해상도 확보를 위해 광학렌즈나 거울, 프리즘이 이용됩니다. 레이저 발광 분포를 균일화하고 빔 정형 비율과 수광 시 빔의 집광력을 높이는 역할을 수행합니다.
3. LiDAR 기술은 어떻게 분류 가능한가
LiDAR 기술은 변조방식에 따라 TOF방식과 PS 방식으로 구분됩니다. TOF(Time Of Flight) 방식이란 레이저 펄스 신호가 측정 범위 내 물체에서 반사되며 수신기에 도착하는 시간으로 거리를 측정하는 방식입니다. PS(Phase Shift) 방식은 특정 주파수 레이저를 이용하여 연속적으로 변조되는 레이저 빔을 방출하고 물체로부터 반사되어 오는 레이저 신호의 위상 변화량을 측정하여 거리를 알아내는 방법입니다.
LiDAR는 여러가지 방식으로 동작할 수 있습니다. Elastic-backscatter LiDAR 방식은 레이저 파장의 변화가 없이 입자들의 운동량에 따라 back scattering 되는 빛의 spectral broadening 특성을 이용하여 대기 중의 에어로졸 및 구름의 특성 측정 등에 활용되는 기술입니다. 또한 Raman LiDAR 기술은 분자 에너지 상태에 따라 분산되는 레이저 빛의 주파수 변화와 Raman band 내의 세기 분포 분석을 통하여 대기 중의 수증기 및 온도 분포 등의 측정에 활용되는 기술입니다. 각기 다른 레이저 파장을 가지는 레이저 빔들에 대해 측정하는 Differential-absorption LiDAR 기술도 존재합니다. 대상 물질의 흡수 차이를 이용하여 대기 오염 물질 등의 농도 분포를 측정합니다. Resonance Fluorescence LiDAR 기술은 원자와 이온 또는 분자의 에너지 천이와 동일한 에너지를 가지는 레이저 빛에 대하여 동일 파장의 빛 또는 긴 파장의 빛을 방출하는 특성을 이용합니다. 중간 권역 대기 중의 원자 및 이온 농도를 측정하는 기술로 사용됩니다. Doppler LiDAR 기술도 사용될 수 있는데, 이는 Doppler 효과에 의한 레이저 빔의 미세한 주파수 변화를 측정하여 바람 등의 속도를 측정하는 기술입니다.
이러한 LiDAR 기술은 자율주행 자동차나 우주, 위성 시스템, 항공기의 다양한 관측 시스템에도 활용되고 있으며 LiDAR 기술 빌달 및 성숙도 향상에 따라 시장으로의 보급은 점점 더 커질 것이라 기대하고 있습니다.