라이다(LiDAR) 기술

중장거리에서 3차원 정보 획득
자율주행차·드론산업 핵심기술
군 지상감시·수색구조 등 활용
플랫폼 개발·응용 등 軍 동참을

 

자동차, 로봇, 드론 분야 등에서 물체 인식의 수요가 증가함에 따라 실시간으로 외부 정보를 측정하고 분석할 수 있는 광 송수신 센서 개발에 관심이 높아지고 있다. 라이다(LiDAR·Light Detection And Ranging) 센서는 중장거리에서 넓은 범위로 3차원 정보를 획득하는 기술로 기존 영상·레이더 센서와 비교해 데이터의 정밀도가 높고 소형화가 가능해 자율주행차, 지능형 로봇, 스마트공장, 증강현실, 스마트 사물인터넷(IoT), 드론 산업의 핵심센서로 주목받고 있다.
자동차 산업에서 자율주행의 관심이 높아지고 있는 가운데 차량 전방 대부분을 높은 해상도로 측정할 수 있는 스캐닝 라이다 센서는 대체 기술을 찾기 어렵다. 실제로 독일과 미국의 완성차 업체들은 자율주행을 목적으로 차량용 라이다 센서 개발에 박차를 가하고 있다.

하지만 라이다 센서는 기술의 진입장벽이 높고 광학, 전자공학, 컴퓨터공학 등 다양한 분야의 기술 융합을 요구하고 있어 기술 개발이 쉽지 않다. 특히 자율주행 등에 반드시 필요한 다채널 스캐닝 라이다 기술은 광 수신부의 정밀제어와 배열화로 인해 대부분 미국과 독일 등 선진국 중심으로 발전해 왔다.

국내 라이다 기술은 세계 최고 기술력과 비교해 많이 부족하지만, 라이다를 이용한 응용 기술력은 세계 최고 수준이다. 라이다 하드웨어(H/W) 개발에 대한 제도적 지원 및 연구개발을 위한 환경 조성이 필요한 시기라고 판단된다. 군도 라이다 기술을 이용한 플랫폼 개발 및 응용에 적극적으로 동참해 무기체계 성능을 획기적으로 향상할 시기다.



반사돼 돌아오는 빛의 시간으로 거리 측정

라이다(LiDAR)란 고출력의 펄스레이저를 이용해 물체에 반사돼 돌아오는 레이저 빔의 시간을 측정해 거리정보를 획득하는 기술이다. 자율주행 자동차, 지구환경 관측, 대기분석 및 무인기기 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 라이다는 일반적으로 먼 거리까지 퍼지지 않고 나아가는 직진성을 가진 레이저의 높은 밀도와 짧은 주기를 가지며 펄스 신호를 생성하는 특성을 활용하여 정밀한 대기 중의 물성 관측 및 거리 측정 등에 사용되고 있다.


3D 영상 카메라 핵심 기술로 활용

라이다는 1930년대 탐조등 빛의 산란 세기를 통한 상공에서의 공기 밀도 분석 등을 위한 목적으로 처음 개발이 이루어졌다. 1960년대 레이저의 발명과 함께 본격적인 개발이 이루어져 위성, 해양 및 대기 관측 연구 등에 사용됐으며, 1980년대 처음으로 레이저 고도계 시스템이 개발됐다. 1990년대는 거리 측정용 레이저 시스템의 상용화가 본격적으로 시작돼, 항공기와 위성 등에 탑재되면서 정밀한 대기분석 및 지구환경 관측 기술로 활용됐다.

2000년대 이후 우주선 및 로봇에 장착돼 사물까지의 거리 측정 등 카메라 기능을 보완하기 위한 수단으로 사용됐다. 지상에서는 간단한 라이다 기술을 활용해서 원거리 측정, 자동차 속도위반 단속 등에 활용됐다. 최근에는 3D 역설계(Reverse Engineering), 자율주행 및 무인자동차를 위한 레이저 스캐너 및 3D 영상 카메라의 핵심 기술로 활용되면서 중요성이 점차 증가하고 있다.


레이저 신호의 변조 방식에 따라 구분

라이다 기술은 굉장히 빠른 간격으로 변조(Modulation)된 강한 레이저 빛을 전방에 방사한 후 반사되어 돌아오는 빛을 감지할 때까지의 시간을 이용해 사물까지의 거리를 측정하는 기술이다. 시간 및 거리 측정 방식은 레이저 신호의 변조 방식에 따라 ‘Direct Pulsed’ 방식과 ‘Continuous Wave(CW)’ 방식으로 구분한다.

Direct Pulsed 방식은 높은 에너지의 10ns(나노세컨드) 이하 펄스폭을 갖는 단일 펄스 레이저 포인트 빔을 방사해 물체로부터 반사된 펄스 신호들이 탐지기(Detector)에 감지되는 시간을 측정한다. 거리정보를 획득하는 원리로 높은 거리와 먼 거리의 물체 측정이 가능해 주로 외부에서 사용하는 라이다에 적용되는 방식이다.

CW 방식은 10~100㎒ 정도로 변조된 신호의 레이저 빔을 연속적으로 방사하여 물체들로부터 반사돼 돌아오는 신호의 위상 변화량을 측정한다. 시간 및 거리정보를 획득하는 원리로 CW는 대상 지역의 평균적인 특성을 측정하는데 편리하고 세밀한 측정이 가능하다. 주로 가시광 영역이나 근적외선 영역의 파장 대역을 사용한다. 레이저를 장시간 지속적으로 발생시키며 주로 대상물이 가까이 있는 경우에 사용하는데, 전력 소비가 심해 장시간 사용이 곤란하다는 단점이 있다. 짧은 거리 물체를 측정하는데 용이한 방식으로 주로 실내에서 사용된다.

2D 레이저 스캐너시스템의 구성은 레이저 거리측정기와 같이 단일 레이저와 단일 수신소자로 구성될 수 있다. 회전 방식의 3D 레이저 스캐너는 다수의 레이저 및 수신 소자를 이용하여 특정 방향의 시야각에 대해 동시 측정이 가능하도록 한다. 회전 스캐닝을 통해 3D 영상수집이 가능한 기술로 고난도의 패키징 기술이 요구되지만, 이미 상용화된 소자들을 활용하여 구현할 수 있는 장점이 있다


장애물 회피·무기 유도 등에 사용 가능

군의 감시장비인 레이다(Radar)에서 사용하는 전파보다 파장이 약 10만 배 작은 광 펄스를 사용하는 라이다 시스템은 빔의 초점 직경이 작아 공간 해상도가 높다. 또 펄스 반복률이 높아 고해상도의 3차원 공간 데이터를 제공하기 때문에 로봇 공학을 위한 장애물 회피, 무기 유도와 같은 다양한 애플리케이션에 매우 효과적이다.

특히 방공, 항공 교통 관제, 지상 감시, 내비게이션, 수색 및 구조, 사격 관제 레이다 및 움직이는 표적 식별에 사용할 수 있으므로 정확한 지형 파악과 모든 적의 무기를 찾아 효과적으로 대응하는 데 사용할 수 있다.

그동안 군은 감시체계의 주축인 레이다에만 익숙해 있었다. 그러나 미래는 라이다기술이 적용된 무기체계 개발이 가능해 다양한 분야에서 획기적인 전투력 향상을 기대해 본다.

<김관호(육사35기) 육군협회 사이버센터장>