라이다(LIDAR)는 무엇일까?_라이다의 기술동향

 

4차 산업혁명에 관심 없는 사람도 자율주행 자동차는 많이 들어봤을 것이다. 자율주행 자동차의 원리 중 하나가 빛을 detection 하는 데에 있다. 이번 글은 자동차가 핵심은 아니고, 빛을 detection 하는 라이다(LIDAR)에 대한 내용이 주제가 된다.

자율주행 자동차를 통해 LIDAR를 처음 들어본 사람들은, LIDAR 기술이 일반적으로 자동차에서 사용됐다고 체감할 수도 있다. 하지만 LIDAR기술은 나사에서 주로 사용하는 기술이며, 미세먼지 측정 등 에 활용되어왔다. 라이다가 무엇인지 이번 글을 통해서 살펴보자.

 

*LIDAR의 명칭

LIDAR는 Light Detection and Ranging의 약자로써 빛을 활용하여 물체를 탐지하는 장치이다. 또한, LIDAR는 Radar와 light을 혼합하여 만들어진 합성어로 Lidar를 Laer Radar라고도 부른다. (Radar는 Radio Detection and Ranging의 약자로, 전파를 사용하여 물체를 탐지하는 장치이다. Radar의 Radio대신 Light를 활용한 것이 Lidar이다.)

 

*LIDAR와 RADAR의 차이점

1) Radar : 약자에서도 알 수 있듯이, Radio waves이며 0.3~10cm 정도의 파장을 갖는다. 주로 큰 입자나 타깃(>0.1mm)을 detect 한다. (ex, 구름의 물방울, 빗방울 등)

2) Lidar : 펄스 레이저의 light를 활용하며 파장은 0.25~1㎛로 Radar보다 짧은 파장대를 갖는다. 따라서 더 작은 입자들을 detect 할 수 있다. (ex, 에어로졸, 분자 등)

 

*LIDAR의 원리

Lidar는 레이저 기반 원격 감지 기술로서 펄스 레이저(pulse laser)를 활용한다. 즉 빛의 pulse를 통해 빛이 타깃에 반사되어 갔다 오는 시간을 측정함으로써 타깃의 이미지를 디지털 3D 구조로 구축할 수 있는 3차원 측정방식이다.

펄스 레이저가 레이저 빔 형태로 특정 방향으로 전송되는 경우, 이 펄스는 빛을 반사하거나 산란시키는 목표물에 도달한 후에 광원을 향해서 돌아온다. 돌아온 광의 검출된 빛의 시간 지연으로 물체의 거리를 측정할 수 있다.(time of fligt method)

이 그림은 LIDAR를 시각적으로 확인하기 위해 네이버에서 가져온 그림이다.(출처) 라이다를 항공기에 탑재하고 비행하면서 측정하여 구조물을 파악할 수 있다. 펄스 레이저를 그림과 같이 지표면에 발사하면 반사되어 돌아오는 빛을 detect 하고 지연 시간을 측정하게 된다. 이들의 데이터를 수집하여 디지털 3D 이미지로 변환한다. 즉 반사되어 돌아오는 빛의 시간을 측정하면 구조물에 따라 시간이 다르므로 이를 활용하여 3차원 이미지를 구축할 수 있다. 

 

위 그림이 Lidar Image이다. 자동차라고 생각하였을 때, 펄스 레이저를 쏘아줌으로써 반사되어 돌아오는 빛을 detect 하였을 때 위 사진과 같은 이미지를 얻게 된다.

 

*측정 Scheme

다음 그림과 같이 굉장히 빨리 돌아가는 steering mirror를 가지고 광원을 스캔한다. 그러면, 돌아가면서 벽에서 반사되는 빛을 time of flight 방법으로 측정하게 되고, 위 그림과 같은 이미지를 얻는다. 이런 식의 이미지를 얻는 것은 나간 펄스에 대해서 돌아오는 펄스의 빛의 세기를 시간에 따라 측정하여 공간적 이미지를 얻는 것이다.

그러나, 이처럼 나간 펄스에 대해서 돌아온 펄스의 빛의 세기만으로 이미지를 얻게 된다면, 감도가 좋지 않다. 따라서, 빛을 측정하는 방법 중 하나로, Optical heterodyne detection이라는 것을 사용하게 된다.(coherent detection)

나간 빛에 대하여 반사되어 돌아오는 빛의 주파수, 파장 등의 차이를 정확하게 측정한다면, 움직이는 물체에 대한 속도를 Doppler Shifts 또는 반사된 빛의 위상 변화 등에 의해 detection 할 수 있다. 즉 더 좋은 감도로 이미지를 구축할 수 있다.

 

*라이다를 구성하는 요소 4가지

1) Laser trasmitter : 레이저 송신기가 있어야 함은 당연하다. 레이저의 파장, 펄스 에너지 등 레이저의 특성이 송신기의 특성이 될 것이다. steering mirror와 함께 측정 rainging을 설정할 수 있다.

2) Optical receiver : 송신기로부터 수신하기 위한 광학 수신기가 필요하다. 빛이 입사했을 때 측정 가능하도록 물리 효과를 일으키는 측정 장치이다. 수신기가 가지는 빛에 대한 민감도는 Lidar의 성능을 좌우하는 요인이다. Telecsope와 Delay-optics 등이 있다.

3) signal detection : 신호를 탐지하기 위한 요소이며, PMT 또는 APD Detector, Preamplifier가 있다. (APD : Avalanche photodiode - 전류를 기하급수적으로 증폭시켜 전자 1개에 대응하는 photon 1개라도 측정할 수 있다.) 좋은 감도로 측정하기 위해서 굉장히 높은 수준의 signal processing이 필요하다.

4) Data acquisition and control : 타깃에 의해 검출된 데이터를 얻고 컨트롤하기 위한 과정이다. data acquisition으로 아날로그 디지털 변환기(8~64 bits, sampling rate), Photon-counter가 사용되며, Control에는 scanner, synchronizer, computer 등이 있다.

 

그렇다면, 이 방법은 모든 3차원 측정에서 완벽하게 적용될 수 있을까? 다음의 예시와 비교해보자.

Cf.) 3차원 측정을 활용한 인체측정 : Lidar원리에 의해, 빛이 인체에 갔다 오는 시간을 대략적으로 구해보자. 광원과 인체의 거리가 1.5m일 때, 갔다 오는 거리(왕복거리)는 3m가 된다. 빛의 속력은 \(3*10^{8} m/s\)으로 계산하였을 때, 시간은 \(\frac {1}{10^{8}}s\)로 굉장히 짧은 펄스 레이저를 사용해야 한다. 즉 가까운 거리에서 Lidar 원리를 활용하여 3차원을 측정하는 것에는 전기적인 계측장치의 한계가 존재하게 된다. 이러한 경우는 다른 광학적 방법을 활용하게 된다.

LIDAR는 적당한 거리 (대략 200~300m)에 떨어져 있는 타깃을 측정하여 이미지를 3D로 구현할 수 있기 때문에 자율주행 자동차에 활용될 수 있는 방법이다.

 

* Lidar 기술의 적용

Lidar로 유명한 기업 중에 벨로 다인(Velodyne)이 있다. 벨로 다인은 글로벌 라이다 시장 점유율 1위 업체이다. 최근에는 현대모비스와 협업하여 자율주행 자동차 기술 확보에 있다. 

자동차에 적용되는 Lidar가 마치 일반적인 경우처럼 보일 수 있지만, 최근에 활용된 것이며 일반적인 경우는 아니다. 주로 나사(NASA)에서 많이 활용되는 기술이다. 빛의 특성에 대하여 여러 가지 scattering에 추가적으로 scattering 되는 빛이 어떤 particle을 맞았는지 알 수 있다. 이를 통해, 대기 중에 있는 미세먼지를 인공위성을 띄어서 스캔할 수 있다. 그 밖에도 Paricle의 특성 확인을 통해 아마존 숲의 등의 상황을 확인하는 용도로 쓰일 수 있다.

 

☞ 자동화의(Automation) 5단계☜

자동화에의 다섯 단계를 확인해보면, 자율주행 자동차와 같이 운전자 없이 주행 가능한 상황은 level 5단계에 속한다. 초등학생 때 과학 상상 그리기로 하늘을 날아다니는 자동차 같은 것을 그렸었던 거 같은데, 자율주행 자동차가 실현되려고 하니 새삼스럽다. 큰 의미 없이 과학이 정말 빠르게 발전하고 있구나 싶어서 첨부해봤다.