이원영 기자
라이다(LiDAR)는 주변 상황을 인식하는 데 도움이 되는 스캔 시스템으로 자율주행 기술을 비롯해 자율 로봇, 주변을 스캔하는 3D 앱 등 다양한 분야에서 사용된다. 이런 라이다 작동 원리는 어떻게 될까.
라이다는 광 탐지 및 거리 측정(Light Detection And Ranging) 약자로 적외선 레이저 광을 사용해 먼 거리에 있는 물체까지의 거리를 측정하는 방법. 이 기술은 새로운 게 아니며 오랫동안 식생 연구, 도시 지형, 숨겨진 유적, 건축물, 증강 현실 이미징 등 다양한 분야에서 사용되어 왔다.
라이다가 갖춘 특별한 장점은 기존 레이더 기술보다 훨씬 더 높은 해상도 이미지를 생성할 수 있다는 점이다. 라이다와 레이더는 기본적으로 비슷한 방식으로 작동하지만 레이더가 파장 1cm~1m 마이크로파를 사용하는 반면 라이다는 파장 380nm~750nm 사이 레이저 광을 사용한다는 차이가 있다.
라이다는 주로 전자기 스펙트럼 적외선 영역을 사용하며 905nm 근적외선 또는 1550nm 단파 적외선 중 한 파장으로 작동하도록 설계되어 있다. 어떤 파장을 사용할지는 레이저 광원 출력 강도, 검출기 감도, 동일한 스펙트럼 내 자연광이나 인공 광원으로부터의 간섭에 따라 결정된다. 그 중에서도 태양광 간섭이 강한 것으로 알려져 있다.
905nm 파장은 망막에 흡수되기 쉬워 장기간 조사되면 손상을 일으킬 수 있다는 우려가 있어 안전성에 엄격한 기준이 설정되어 있다. 이런 파장은 태양광이나 차량 헤드라이트 등과 간섭할 가능성이 높지만 짧은 파장일수록 보통 광 검출기 감도가 높고 광원을 더 강력하고 저렴하게 사용할 수 있기 때문에 905nm 대역이 선호되는 경향이 있다. 예를 들어 아우스터(Ouster)라는 기업은 습한 환경에서의 가시성을 향상시키는 특허를 취득했으며 태양광 간섭이 강함에도 불구하고 850nm를 채택한 라이다를 개발했다.
반면에 1550nm 파장은 몇 가지 문제를 완화한다. 태양 방사로부터의 간섭이 적고 이 파장은 각막까지만 투과되기 때문에 눈을 손상시킬 가능성이 낮다고 여겨진다. 이는 더 긴 시간 동안 더 큰 전력을 사용할 수 있고 더 먼 거리를 탐지할 수 있다는 걸 의미한다. 1550nm 파장이 지닌 단점은 수증기에 의한 흡수가 높아 습한 환경에서 사용하기 어렵다는 것.
라이다 성능은 광원 뿐 아니라 검출기 정확도에도 좌우된다. 가장 일반적으로 사용되는 검출기는 애벌런치 포토다이오드(APD)다. APD는 실리콘, 게르마늄, 인듐-갈륨-비소와 같은 재료로 만들어지며 재료마다 파장에 대한 반응이 다르다. 예를 들어 실리콘 APD는 근적외선에 잘 반응하고 저렴하게 제조할 수 있으며 인듐-갈륨-비소 APD는 단파 적외선에 잘 반응하지만 고가다.
라이다를 사용한 물체 거리 탐지는 거리 측정(레인징)이라고 불리며 널리 사용되는 2가지 접근 방식이 있다. 첫 번째는 직접 비행 시간법(dToF)으로 불리는 방법으로 박쥐의 에코로케이션과 비슷하게 신호를 발사한 뒤 반사된 신호가 돌아오는 시간을 측정하는 방법. 측정 가능한 최대 거리는 송신 전력과 검출기 감도에 따라 결정되지만 상용 dToF 시스템 최대 측정 범위는 대략 100~200미터다. 보통 대부분 라이다 시스템은 이 dToF를 채택하고 있다.
2번째는 주파수 변조 연속파(FMCW)다. 이는 송신하는 신호 주파수를 변조하는 방법으로 신호를 송신하고 반사된 신호를 검출하는 부분까지는 dToF와 동일하지만 시간 대신 신호 주파수 차이를 검출해 거리를 측정한다.
FMCW를 채택한 라이다 시스템은 변조를 위한 주파수 가변 레이저 광원과 송수신 신호로부터 정보를 추출하기 위한 추가 전자 회로가 필요하기 때문에 구현이 복잡하다는 단점이 있다. 하지만 발신하는 신호 주파수를 자유롭게 변경할 수 있어 다른 라이다 시스템으로부터의 간섭이 적다는 장점과 dToF에 비해 레이저의 최대 출력이 낮아 905nm에서는 인간 눈을 보호할 수 있다는 장점이 있다.
실제로 자율주행차에 탑재되는 라이다 시스템 중 하나는 메카니컬 라이더 시스템이라고 불리는 것이다. 이는 적외선 레이저를 모터에 장착하고 센서를 회전시켜 수평 방향으로 360도 시야를 확보하고 사각지대를 없애 주변 상황을 스캔하는 방식. 구글 산하 자율주행 택시 기업인 웨이모(Waymo)가 이를 채택했지만 모터를 만드는 데 정밀 부품이 필요하고 반복적인 회전으로 인한 마모와 손상 영향을 받아 고가라는 단점이 있다.
또 다른 시스템으로 MEMS 미러 라이더가 있습니다. 이는 작은 거울에 레이저 광을 반사시켜 주변 상황을 스캔하는 방식으로 메카니컬 라이더 시스템보다 저비용으로 구현할 수 있다는 특징이 있다.
라이다는 고수준 자율주행에 효과적인 기술임이 입증됐으며 웨이모와 크루즈 자율주행 택시에서 사용되고 있다. 하지만 양사가 채택한 메카니컬 라이더 시스템에는 수천 달러에 달하는 비용이 들기 때문에 비용을 낮추려는 시도가 140개 이상의 스타트업에 의해 이뤄지고 있다고 한다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.
정용환 기자
이석원 기자
