LiDAR(Light Detection and Ranging)란?

LiDAR(Light Detection and Ranging)란?

LiDAR(라이다)는 빛이나 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 기술입니다. 라이다는 "Light Detection and Ranging"의 약자로, 물체까지의 거리를 계산하기 위해 레이저나 다른 광원을 이용하여 신호를 방출하고, 이 신호가 반사되어 돌아오는 시간을 측정합니다. 더 자세히 말하면 레이저 광을 펄스 상태로 특정 방향으로 전송하고, 이 광선이 반사되어 돌아오는 빛의 시간 지연을 측정함으로써 거리나 위치, 형상을 3차원으로 측정하는 방식입니다.

 

LiDAR의 작동원리

앞서 설명드린 것과 같이 LiDAR는 레이저 광(光)을 이용하여 물체의 거리를 측정하는 기술로 기본적인 작동 원리는 다음과 같습니다.

 

1. 레이저 광 발사: LiDAR 장치에서는 레이저 광을 발사합니다. 이 광은 보통 초록색 또는 인적색입니다.

2. 레이저 광 이동: 레이저 광은 발사된 이후에 일정한 속도로 이동합니다. 이때, 광의 진행 방향은 수직 또는 수평 방향일 수 있습니다.

3. 레이저 광 반사: 레이저 광은 물체와 부딪치면 반사됩니다. 물체의 표면에 닿은 광은 방향이 바뀌어 다시 LiDAR에 되돌아갑니다.

4. 광의 수신: LiDAR는 반사된 광을 수신합니다. 광이 수신되면 광의 진행 시간을 측정합니다.

5. 거리 측정: 광의 진행 시간을 측정하여, 광이 발사된 지점과 반사된 지점 사이의 거리를 계산합니다. 이를 통해 물체의 거리를 정확하게 측정할 수 있습니다.

6. 데이터 분석: 측정된 거리 정보를 기반으로 3D 지형 데이터를 생성합니다. 이 데이터를 이용하여 물체의 위치, 형상, 크기 등을 파악할 수 있습니다.

 

LiDAR는 보통 초당 수천 회에서 수십만 회 이상의 레이저 광을 발사하여 거리를 측정합니다. 이러한 고밀도 측정을 통해 정밀하고 세밀한 3D 지형 데이터를 생성할 수 있습니다. 이러한 데이터는 지형 모델링, 지도 작성, 자율 주행 자동차 등 다양한 분야에서 활용됩니다.

 

LiDAR의 종류

LiDAR의 종류는 다양한데 이를 대표적으로 구분하는 방법으로는 파장에 따른 차이와 설치 방식에 따른 차이로 나누어 볼 수 있습니다.

파장에 따른 LiDAR의 종류

- 905 nm

905 nm 파장의 LiDAR는 실리콘 포토 다이오드를 사용하여 제품의 단가를 낮출 수 있습니다. 하지만 이는 레이저의 강도를 일정 이상 높일 수 없는 제약이 있어, 레이더보다는 감지 거리가 짧습니다. 또한 이러한 강도 제약 때문에 레이저가 발산되면 시신경 손상을 유발할 위험이 있어, 안전 문제도 고려해야 합니다.

- 1550 nm

1550 nm 파장의 LiDAR는 InGaAs 포토 다이오드를 사용하여 빛의 강도를 높일 수 있어, 더욱 정확하고 높은 성능을 발휘할 수 있습니다. 그러나 InGaAs 광다이오드가 비싸고, 대기 중의 수증기에 잘 흡수되기 때문에 날씨나 기후 상태에 따라 감지 거리가 감소할 수 있습니다.

 

설치방식에 따른 LiDAR의 종류

- 기계식 LiDAR

기계식 LiDAR는 레이저와 센서 모듈이 회전하면서 주변을 스캔하는 방식으로 동작합니다. 이를 통해 360도의 환경을 파악할 수 있습니다. 하지만 레이저와 센서 모듈이 회전하는 구조이기 때문에 내구도가 다소 약하며, 크기가 크기 때문에 노이즈를 줄이기 힘듭니다.

- 고정식 LiDAR

고정식 LiDAR는 레이저와 센서 모듈이 고정되어 있으며, 다양한 각도로 여러 개를 설치하는 방식으로 동작합니다. 가격이 저렴하고 내구도가 강한 장점이 있으나, 여러 부분에 설치해야 하기 때문에 360도의 환경을 파악하기 어려울 수 있습니다.

 

레이더(RADAR)와의 차이

LiDAR와 레이더는 모두 원격 거리 측정 기술로서, 거리를 측정하기 위해 전자파 또는 광파를 사용합니다. 하지만 두 기술은 몇 가지 차이점이 있습니다.

작동 원리

레이더는 전자파를 이용하여 거리를 측정합니다. 반면 LiDAR는 레이저 빛을 이용하여 거리를 측정합니다.

방출 에너지

레이더는 주로 마이크로파를 사용하며, LiDAR는 레이저 빛을 사용합니다. 레이저 빛은 직선으로 진행하고 진행 방향이 일정합니다. 반면 마이크로파는 빛보다 짧은 파장이기 때문에 지형의 곡률을 따라 진행합니다.

거리 측정 정확도

레이더와 LiDAR 모두 매우 높은 거리 측정 정확도를 가지고 있지만, 일반적으로 LiDAR는 거리 측정 오차가 더 적습니다. 이는 레이저의 파장이 더 짧기 때문에 더 높은 정확도를 제공하기 때문입니다.

해상도

LiDAR는 고밀도의 3D 지형 데이터를 생성하기 위해 매우 높은 해상도를 가지고 있습니다. 반면 레이더는 주로 거리와 속도 등의 정보를 수집하기 때문에 해상도가 더 낮습니다.

환경에 대한 영향

레이더는 대기와 기타 장애물에 대해 덜 민감합니다. 반면 LiDAR는 대기, 물, 투명한 물체에 대해 영향을 받을 수 있습니다.

가격

일반적으로 LiDAR는 레이더보다 더 비싼 경향이 있습니다. 그러나 최근에는 LiDAR의 가격이 낮아지고 있으며, 이러한 기술 발전으로 인해 LiDAR의 사용이 점점 더 보편화될 것으로 예상됩니다.

 

LiDAR의 장점과 단점

장점

- 고정밀 3D 데이터 생성

LiDAR는 레이저를 이용하여 물체의 거리와 위치를 정밀하게 측정할 수 있기 때문에, 고정밀 3D 지형 데이터를 생성할 수 있습니다.

- 장거리 측정 가능

LiDAR는 레이저를 이용하여 물체의 거리를 측정하기 때문에, 다른 거리 측정 기술보다 더 멀리 있는 물체도 측정할 수 있습니다.

- 자율 주행 자동차에 적합

자율 주행 자동차에서는 정확한 거리 측정이 매우 중요합니다. 이러한 상황에서 LiDAR는 카메라나 레이더보다 정확한 거리 측정을 제공할 수 있습니다.

- 어두운 환경에서도 사용 가능

LiDAR는 레이저 광을 이용하여 거리를 측정하기 때문에, 어두운 환경에서도 사용이 가능합니다.

 

단점

- 비용이 비싸다

LiDAR 기술은 상대적으로 비싸기 때문에, 대량 생산이 어렵습니다.

- 복잡한 설치가 필요하다

LiDAR는 레이저 광을 사용하기 때문에, 설치 과정에서 많은 안전 조치가 필요합니다. 또한, 레이저 광이 정확하게 반사되어야 하므로 설치 위치와 방향에 대한 고려가 필요합니다.

- 날씨에 따른 영향

LiDAR는 레이저 광을 이용하여 거리를 측정하기 때문에, 비나 안개 등 날씨가 좋지 않은 환경에서는 정확한 거리 측정이 어렵습니다.

- 물체의 반사율에 영향을 받는다

레이저 광은 물체에 반사되어야 거리 측정이 가능하므로, 물체의 표면 반사율에 따라 정확도가 달라질 수 있습니다.

 

LiDAR의 향후 전망

LiDAR는 자율주행, 드론, 로봇 등의 모빌리티 산업에서 필수적인 센싱 방식으로 인식되고 있으나, 가격, 크기, 전력 소모 등의 문제점이 존재해 아직까지는 보급이 확대되지 못하는 상황입니다. LiDAR 시장 규모는 2020년에 약 10억 달러였으며, 2027년까지 연평균 20% 이상 성장할 것으로 예상됩니다. LiDAR 기술은 기술의 완성도와 정확도는 높지만, 비용, 크기, 전력 소모 이슈가 있다는 점을 인식하고 이를 개선해야 합니다. 이러한 이슈를 해결하고 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 LiDAR 기업이 성공할 수 있을 것으로 예상됩니다.

 

특히 LiDAR 기술은 최근 몇 년간 자율주행 자동차 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 그리고 이 분야에서의 LiDAR는 계속해서 발전하고 있습니다. 자율주행 기술이 발전함에 따라 LiDAR 기술도 그에 맞춰 발전하고 있으며, 더욱 정확하고 안전한 자율주행을 가능하게 할 것으로 예상됩니다.

 

LiDAR는 자동차 분야뿐만 아니라 다양한 분야에서도 활용 가능한 기술로 건설 현장에서는 건물, 도로 등의 구조물을 정확하게 파악하여 건설 과정을 감시하고 안전을 유지할 수 있습니다. 또한, 환경 모니터링 분야에서는 대기 오염, 수질 오염, 산불 등의 문제를 빠르게 감지하여 대처할 수 있는 등 다양한 분야에서 LiDAR 기술이 활용될 것으로 예상되며, 미래에는 더욱 발전된 LiDAR 기술이 등장할 것으로 예상됩니다. LiDAR는 더 정확하고 빠르며 안전한 측량 및 감지 기술이 개발되어, 인류의 삶을 더욱 편리하고 안전하게 만들어 줄 것입니다.