레이더와 라이다 : 자율 주행 기술

1. 레이더(RADAR)

레이더(RADAR)는 전파이용 탐지 및 거리 측정( RAdio Detection And Ranging)의 줄임말로, 조사한 전파가 대상에 부딪힌 뒤 되돌아오는 반사파를 측정하여 대상을 탐지하고 그 방향, 거리, 속도 등을 파악하는 정보 시스템을 말합니다. 이것을 위해 개발된 레이더 장비(RADAR device)를 줄여서 레이더라고 부르기도 합니다. 본래 대문자로 'RADAR'라 쓰는 것이 맞지만, 현재는 레이저의 예와 같이 그 자체로 일반명사처럼 쓰이고 있어 'radar' 등의 어휘 표기가 통용됩니다. 레이더라는 표현은 1941년 영국에서 사용하기 시작했는데, 이전에는 'RDF(Radio Direction Finder)' 등으로 불렸습니다. 오늘날 RDF는 레이더가 아니라 전파 발신 원을 찾는 장비의 명칭으로 쓰이고 있습니다.

 

레이더 안테나에서 출력 때 쏜 전파와 반사되어 다시 돌아오는 전파의 시차를 계산하여 해당 물체와의 거리를 계산하고, 반사되어 돌아온 전파의 세기와 크기, 모양을 판독하여 고정된 물체인지, 움직인다면 이동속도는 어떻게 되는지 등을 알 수 있습니다. 레이더라고 무조건 멀리 있는 물체에 대해 알 수 있는 건 아닙니다. 기본적으로 지구는 둥글기 때문에 일반적인 레이더라면 지평선 너머에 있는 물체나 중간에 큰 물체가 있어 가려져 있는 대상에 대해서는 알 수 없습니다. 이 때문에 일반적인 지상 레이더 사이트들은 산이나 섬 위에 위치해 있으며, 배의 경우에도 가능하면 돛대 위 높은 곳에 레이더를 장착합니다. 비행기 역시 높게 올라갈수록 더 멀리 있는 물체를 탐지할 수 있습니다. 물론 초지평선 레이더 등과 같이 이를 극복한 특수한 레이더들도 있습니다.

 

 *전파(radio waves)는 전자기파의 일종으로, 진동수 3kHz부터 3THz까지의 전자기파를 말합니다. 전파는 공기 중에서도 진공 속과 거의 같은 속도로 퍼지기 때문에, 먼 거리에서도 아주 짧은 시간에 통신이 가능합니다.

 *전자기파(Electromagnetic waves)란 전기 및 자기의 흐름에서 발생하는 일종의 전자기 에너지입니다. 즉 전기가 흐를 때 그 주위에 전기장과 자기장이 동시에 발생하는데 이들이 주기적으로 바뀌면서 생기는 파동을 전자기파라고 합니다.

 

 

2. 라이다(LiDAR)

라이다(LiDAR)는 빛 탐지 및 범위 측정(Light  Detection And Ranging)의 줄임말로 이름에서 보듯이 레이더(RADAR)에서 전파가 레이저로 바뀌었다고 보면 됩니다. 그래서 레이저 레이다라고도 부르기도 합니다. 초당 수백 만개에 달하는 레이저 펄스를 발사하여 되돌아오는 시간을 측정하여 스캔하는 기술로 흔히 보는 레이저 거리 측량기 같은 장비가 이에 해당합니다. 빛 파장의 특성을 이용해 화학가스처럼 레이더로는 탐지하지 못하는 것을 탐지하는 데 사용되기도 합니다. 이 때문에 기상관측 등 여러 분야에서 응용되고 있습니다.

 

 *레이저(laser)는 유도 방출 광선 증폭(Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation)의 머리글자입니다. 원자나 분자 내부에 축적된 에너지를 집약적으로 뽑아내는 광선입니다. 빛 본래의 성질에 더하여 그 강력한 에너지를 이용하여 공업, 의료, 핵융합, 계측, 광통신 등에 이르기까지 탄생 후 불과 35년 동안에 눈부시게 연구 개발되어 용도가 확대되어 왔습니다. 현재 레이저 산업의 시장 규모는 수조 원에 이릅니다. 가장 널리 사용되는 분야는 광디스크 장치, 바코드 리더와 레이저 포인터 등에 사용되며, 금속을 자르거나 표면에 그림, 글씨를 새기는 데 사용됩니다. 레이저는 다양한 과학 분야에서 사용되는데 펄스 레이저의 경우 짧은 펄스 폭을 이용하여 짧은 시간 동안에 일어나는 현상을 관찰하는 데 사용됩니다. 군사적으로는 공격 대상을 식별하거나 미사일 등의 무기를 유도하는 데 사용되며 의학 분야에서는 안과 수술, 미용 목적의 수술 등에도 사용됩니다. 물리학 분야에서는 레이저 냉각으로 원자를 극저온으로 냉각시키는 용도로 사용합니다. 원자시계, 라이다 측량에서도 활용되고 있습니다.

 

 

3. 자율 주행 기술로써 레이더와 라이다 비교

자율 주행 시스템에 있어서 레이더와 라이더는 완전히 별개의 기술로, 경쟁한다고 생각하기 쉬우나 실제로는 병행해서 상호 보완하여 사용되는 경우가 많습니다. 

 

라이다는 카메라나 레이더에 비해 정밀도가 압도적으로 높습니다. 오차 범위가 mm 단위에 머물 만큼 정밀한데 직진성이 강한 레이저를 기반으로 하는 장치이니만큼, 왜곡이 발생할 확률이 평면 화상에서 영상인식을 이용하는 카메라나 전파를 이용하는 레이더에 비해 낮기 때문입니다. 이 때문에 주변의 지형지물뿐만 아니라 사람 얼굴 윤곽도 확인이 가능할 정도의 정밀한 3D 지도를 생성하는 것이 가능합니다. 카메라, 레이더에 비해 높은 수평 방위각을 가지고 있습니다. 따라서 레이더로는 측정 불가능한 온도, 물질 분포 등을 감지할 수 있으며, 야간에도 초음파나 카메라보다 안정적으로 주변 환경을 스캐닝할 수 있습니다. 

 

반면, 라이다에 쓰이는 레이저는 전파에 비해 출력을 높이기 어렵습니다. 고출력 레이저는 위험성이 있기도 하며 고출력 레이저의 열을 냉각하기가 힘듭니다. 따라서 출력 문제로 탐지 범위에 제약이 큽니다. 또한 탐색 범위가 레이더에 비해 좁습니다. 레이더는 다중안테나를 통한 위상변화 기술 등을 통해 단일 레이더만으로 광범위를 커버할 수 있게 되었지만 라이다는 현재 센서의 한계 탓에 광범위 탐색을 위해서는 센서를 회전시키는 등의 편법을 동원해야 합니다. 자율 주행차용 라이다 센서가 회전하는 것이 바로 이것 때문입니다. 문제는 자동차와 같이 고속으로 이동하는 장비에 적용하면 그만큼 라이다도 고속으로 회전해야 하는데, 이것이 짧은 수명과 잦은 고장의 원인이 됩니다. 또한 감추기가 어렵습니다. 레이더같이 플라스틱 정도는 간단하게 투과하는 전파를 쓰는 센서는 범퍼 주변이나 그릴에 숨길 수 있으며 영상 센서의 메인인 카메라는 크기가 작아 숨기기에 좋지만 라이다는 탐색 범위의 문제와 출력 등이 겹쳐서 상당히 크게 돌출되게 되며 이는 자동차의 미관을 해칩니다. 환경의 영향도 많이 받습니다. 전파는 주변 환경에 덜 민감하지만 라이다는 빛을 이용한다는 특성상 습도나 눈, 비, 안개 등의 악천후에 취약한 편입니다. 또한 현재 라이다를 사용하는  데 있어 가장 큰 걸림돌은 비싼 가격입니다. 자율주행 시스템에서도 라이다가 시장 점유율을 높이지 못하고 있는 이유가 바로 이것입니다.