컬러변조 4차원 라이다 센서 원천기술 개발로 FMCW 라이다 성능의 진보

환경 노이즈·차량간 간섭 줄인 컬러변조 4차원 라이다 센서 원천기술 개발

광대역 컬러변조 레이저 기반의 분광 방식과 음향광학 방식을 조합해 구현한 원거리와 근거리 별 4D FMCW 라이다 이미지 (3차원 거리 정보 축에 추가로 멀어지는 속도의 빨간색과 가까워지는 속도의 파란색 정보가 표현됨)

□ 안개·눈·비 등 악천후 속에서도 막힘없이 달릴 수 있는 차세대 ‘자율주행의 눈’이 국내 연구진을 통해 탄생했다. 자동차 간 상호 간섭도 크게 낮춰 상용화를 앞당겼다는 평가다.

FMCW 라이다 이미지와 기존 TOF 라이다 이미지 간의 비교 시연 모습. 빨간색-원거리, 보라색-근거리로 3차원적으로 표현 (왼쪽_김창석 교수팀의 3D FMCW 방식의 라이다 기술을 통해 안개를 뚫고 육안보다 더 뚜렷하게 시야가 잘 확보된 이미지, 오른쪽_기존 TOF 방식 라이다에 의하여 안개 광산란 노이즈에 가려진 이미지)

□ 한국연구재단은 부산대 김창석 교수 연구팀이 현대자동차 기초소재연구센터 전자기에너지소재연구팀과의 산학연구를 통해 외부 노이즈가 심한 악천후 환경에서도 이미징을 구현하는 ‘컬러변조* 4차원 영상화 스캔’ 기술을 이용한 FMCW** 방식의 라이다*** 기술 구현에 성공했다고 밝혔다.

 

* 컬러변조: 기존 대부분의 레이저 빛이 단일 컬러파장으로만 고정돼 발광하는 원천적 단점을 해결해, 레이저 빛의 컬러파장을 자유자재로 초광 대역에 걸쳐 초고속 변조(Modulation) 발광하는 기술.

**라이다(LiDAR·Light Detection And Ranging): 레이저 빛을 방출해 주변의 사물과 부딪힌 후 되돌아오면, 이를 분석해 사물의 위치나 운동 방향, 속도 등을 확인해 3차원 이미징을 할 수 있다.

 

***FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave·주파수 변조 연속파) 방식: 레이저를 연속으로 변조해 발사하고, 돌아오는 파형을 측정하는 방식. ToF 방식의 한계를 극복하는 기술로 등장했다.

 

***ToF(Time of Flight·비행시간측정) 방식: 레이저를 발사해 주변에 빛이 반사돼 돌아오는 레이저 왕복 시간을 측정하는 방식. 태양광에 민감하고 라이다 센서 차량 간 간섭이 심하다.

 

□ 자율주행차 상용화를 위해서는 넘어야 할 기술적 난제들이 많다.

○ 특히 운전자가 운전대를 잡지 않아도 되는 레벨3 단계 이상을 실현하기 위해 가장 핵심이 되는 게 사람의 눈을 대신하는 라이다 기술이다.

○ 지금까지 가장 많이 사용되어 온 ToF 방식 라이다는 광산란·광간섭 현상에 취약해 기술적 한계에 봉착해 있다.

○ 이를 극복하기 위해 FMCW 방식의 차세대 라이다 개발이 국내외에서 진행되고 있지만 아직 초기 기술단계이다.

 

□ 김창석 교수 연구팀은 FMCW 방식의 라이다 개발을 위해 신개념 레이저 광원 아이디어를 세계 최초로 독자 발굴했다.

○ 고정된 단일 색만을 출력하는 기존 레이저 대신, 레이저 빛의 파장 컬러를 광대역으로 훑는 동시에 협대역으로는 컬러를 펄럭거리며 변조도 하는 방식이다.

○ 이렇게 개발한 FMCW 라이다는 상하좌우 2차원으로 레이저 빔을 분광적으로 스캔하는 동시에, 대상물의 원근 3차원 거리 정보와 1차원의 속도 정보까지 함께 측정해 총 4차원에 걸쳐 자율주행 정보를 실시간으로 운전자에게 디스플레이 하는 방식을 구현했다.

○ 이를 통해 진동·충격에 취약했던 공간 영상화 스캔 방식의 기술적 한계를 극복하고 기계적 움직임 노이즈까지도 제거하는 데 성공했다.

 

□ 김창석 교수는 이번 성과에 대해 “맑은 날씨와 단독 주행 등 제한적인 환경에서 도로 시연에 그치고 있는 기존 자율주행의 한계를 극복하는 기술”이라며, “국내 연구진만의 독자적 원천 연구로, 현대자동차 전자기에너지소재연구팀과 3년 이상 꾸준히 진행한 산학연구의 결과물이라는 데에도 큰 의미가 있다.”고 덧붙였다.

○ 연구에 참여한 현대자동차 연구진은 이번 차세대 FMCW 라이다의 원천 기술 확보를 위해 부산대 연구진과 새로운 광학 기술의 발굴과 적용 가능성, 차량 관점의 요구 사양 등 다양한 아이디어를 주고받으며 연구를 진행해 왔다.

 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터 (ERC, Engineering Research Center) 사업으로 수행된 이번 연구 성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 2월 6일자로 온라인 게재되었다.

1. 연구의 필요성 ○ 최근 자동차 업계뿐 아니라 정보통신(ICT) 업계까지 자율주행차의 개발에 뛰어들고 있으며, 본격적인 자율주행차의 상용화를 위해 해결해야 할 기술적 난제를 풀기 위한 경쟁이 심화되고 있다. ○ 자율주행차의 실현을 위해 가장 핵심이 되는 눈의 역할을 하는 라이다 기술이 주목받고 있지만, 기존 대부분의 ToF (Time of Flight·비행시간측정) 방식의 라이다는 광산란·광간섭 현상에 취약한 기술적 한계에 봉착해 있다. ○ 광산란·광간섭 노이즈를 극복하기 위하여 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave·주파수변조연속파) 방식의 차세대 라이다가 주목받고 있지만, 현재까지 진동·충격 환경에서도 3차원 영상화 스캔을 위해 기계적 움직임 노이즈까지 제거하는 FMCW 기술은 보고된 바 없다. 2. 연구내용 ○ 본 연구에서는 광대역으로 컬러를 한 방향으로 훑으면서 동시에 협대역으로는 컬러를 펄럭거리며 변조도 하는 신개념 레이저 광원의 아이디어를 세계 최초로 독자 발굴하였다. 이 성능을 기반으로 FMCW 라이다에서 상·하·좌·우 2차원으로 레이저 빔을 분광적으로 스캔하는 동시에, 대상물의 원·근 3차원 거리 정보와 1차원의 속도 정보까지 함께 측정해 총 4차원에 걸쳐 자율주행 정보를 실시간으로 운전자에게 디스플레이 하는 방식을 실험적으로 구현하였다. ○ 이를 통해 광산란·광간섭·진동·충격 등 외부 악의 환경에 영향을 거의 받지 않도록 FMCW 라이다의 적외선 영역 레이저 빛이 반사되는 원거리 위치의 자동차·사람 등 주변 사물의 거리 정보뿐 아니라 이동하는 사물의 표면에서 반사되는 레이저의 도플러 효과(거리 변화에 따른 파동 주파수 변화)에 의한 각각의 이동 속도까지 실시간으로 4차원(3차원 공간+1차원 시간) 영상화하는 전천후 ‘자율주행의 눈’ 구현에 최초로 성공하였다.   3. 연구성과/기대효과 ○ 노이즈 환경에서도 자율주행의 눈을 구현할 수 있도록, 신개념 컬러변조 레이저 광원을 기반으로 전천후 4차원 영상화 기술을 개발하였다. ○ 아직 맑은 날씨·단독 주행 등 특수한 환경에서만 제한적으로 도로 시연에 그치고 있는 기존 자율주행의 한계를 극복하는 차세대 라이다 원천 기술의 제안 및 상품화 과정을 통해 국내 산업 경쟁력의 강화가 가능하다. ○ 한국연구재단의 대표적 집단연구사업인 선도연구센터에서 이루어질 수 있는 다학제간 연구 및 산학협력 결과가 세계적인 과학학술지 네이처 자매지인 네이터 커뮤니케이션즈에 출간되는 대표적 성공 사례이다. ○ 동영상: 부산대 라이다 기술 연구 동영상 시연 보러 가기 https://youtu.be/UL4kkxiitLI?si=_k5OjWPi8S0FaICb

https://www.youtube.com/watch?v=UL4kkxiitLI

(좌) 자율주행 연구용 차 앞에서 왼쪽부터 제1저자 정다운 석사 (현대자동차 연구원) 및 교신저자 김창석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수. (우) 왼쪽부터 현대자동차 김현수 프로젝트리더, 교신저자 김창석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수, 현대자동차 이장현 책임연구원, 현대자동차 양상혁 책임연구원