라이더(LiDAR)란 무엇인가요?

LiDAR의 정의

LiDAR는 Light Detection and Ranging의 약자입니다. 송신기에서 레이저 광을 방출하고, 이 광이 주변 환경의 물체에 반사되는 방식으로 작동합니다. 시스템의 수신기는 반사된 광을 감지하며, 각 물체까지 빛이 왕복하는 데 걸리는 시간(비행 시간, time of flight으로 알려짐)을 측정하여 장면의 상세한 거리 맵을 생성합니다.

LiDAR는 자율 주행 차량의 거리 감지를 위한 핵심 방법으로 자주 언급되는 광학 기술입니다. 많은 제조업체들이 비용 효율적이고 소형화된 LiDAR 시스템을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 자율 주행을 추구하는 거의 모든 생산자들은 LiDAR를 핵심 지원 기술로 간주하며, 일부 LiDAR 시스템은 이미 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)에 사용 가능합니다.

LiDAR는 어떻게 작동하며 어떻게 솔루션을 제공합니까?

본질적으로 LiDAR는 목표물까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치입니다. 짧은 레이저 펄스를 전송하고 나가는 광 펄스와 반사(후방 산란)된 광 펄스 감지 사이의 시간 경과를 기록하여 거리를 측정합니다.

LiDAR 시스템은 스캔 미러, 다중 레이저 빔 또는 기타 수단을 사용하여 객체 공간을 "스캔"할 수 있습니다. 정확한 거리 측정 기능을 통해 LiDAR는 다양한 문제를 해결할 수 있습니다.

원격 감지에서 LiDAR 시스템은 대기 중 입자 또는 분자의 산란, 흡수 또는 재방출을 측정할 수 있습니다. 이러한 목적을 위해 시스템은 레이저 빔의 파장에 대한 특정 요구 사항을 가질 수 있습니다. 예를 들어, LiDAR 시스템은 메탄 및 에어로졸 부하와 같은 대기 중 특정 분자 종의 농도를 측정할 수 있습니다. LiDAR는 또한 대기 중 빗방울을 측정하여 폭풍의 거리와 강우율을 추정할 수 있습니다.

다른 LiDAR 시스템은 객체 공간에서 3차원 표면의 프로파일을 제공합니다. 이러한 시스템에서 탐색 레이저 빔은 특정 스펙트럼 특징에 묶여 있지 않습니다. 대신, 눈 안전을 보장하거나 대기 스펙트럼 특징을 피하기 위해 레이저 빔의 파장을 선택할 수 있습니다. 탐색 빔은 "하드 타겟"을 만나 LiDAR 수신기로 다시 반사됩니다.

또한 LiDAR를 사용하여 도플러 기술을 통해 또는 목표물까지의 거리를 빠르게 연속적으로 측정하여 목표물의 속도를 결정할 수 있습니다. 예를 들어, LiDAR 시스템은 대기 풍속과 자동차의 속도를 측정할 수 있습니다.

또한 LiDAR 시스템을 사용하여 자율 주행 차량이 마주칠 수 있는 것과 같은 동적 장면의 3차원 모델을 생성할 수 있습니다. 이는 일반적으로 스캐닝 기술을 사용하여 다양한 방식으로 수행할 수 있습니다.

LiDAR의 과제는 무엇입니까?

작동 중인 LiDAR 시스템은 특정 시스템 유형에 따라 달라질 수 있는 몇 가지 잘 알려진 과제에 직면합니다. 몇 가지 일반적인 예는 다음과 같습니다.

이러한 과제는 LiDAR 기술의 신뢰성, 안전성 및 경제성을 향상시키기 위한 활발한 연구 개발의 초점입니다.

LiDAR의 응용 분야는 깊고 다양합니다. 대기 과학자들은 LiDAR를 사용하여 다양한 유형의 대기 구성 요소를 감지합니다. 그들은 이를 사용하여 대기 중 에어로졸을 특성화하고, 상층 대기 바람을 조사하고, 구름을 프로파일링하고, 기상 데이터 수집을 돕는 등 다양한 응용 분야에 사용합니다.

천문학자들은 LiDAR를 사용하여 달과 같은 먼 물체와 매우 가까운 물체 모두의 거리를 측정합니다. 실제로 LiDAR는 달까지의 거리를 밀리미터 정밀도로 측정하는 데 중요한 장치입니다. 그들은 또한 LiDAR를 사용하여 천문학 응용 프로그램을 위한 가이드 스타를 생성합니다.

NOAA 과학자들은 LiDAR로 생성된 제품을 사용하여 자연 환경과 인공 환경을 모두 조사합니다. LiDAR 데이터는 침수 및 폭풍 해일 모델링, 수력학 모델링, 해안선 매핑, 비상 대응, 수로 측량 및 해안 취약성 분석과 같은 활동을 지원합니다.

또한 지형 LiDAR는 근적외선 레이저를 사용하여 지형과 건물을 매핑하고, 수심 측정 LiDAR는 물을 투과하는 녹색광을 사용하여 해저 및 강바닥을 매핑합니다. 농업 분야에서는 LiDAR를 사용하여 지형 및 작물 성장을 매핑하며, 이는 비료 요구량 및 관개 필요량에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 고고학자들은 울창한 숲 캐노피 아래에 있는 고대 교통 시스템을 매핑하기 위해 LiDAR를 사용합니다.

오늘날 과학자들은 LiDAR 센서 주변 세계의 3차원 모델을 만들기 위해 LiDAR를 자주 사용합니다. 자율 내비게이션은 LiDAR 시스템이 생성한 포인트 클라우드를 사용하는 한 가지 응용 분야입니다. 심지어 휴대폰만큼 작은 장치에서도 소형 LiDAR 시스템을 찾아볼 수 있습니다.

LiDAR는 실제 상황에서 어떻게 활용될까요?

LiDAR의 흥미로운 응용 분야 중 하나는 자율 내비게이션과 같은 상황 인식입니다. 모든 이동 차량의 상황 인식 시스템은 주변의 정지 및 이동 물체를 모두 인식해야 합니다. 예를 들어, 레이더는 항공기를 탐지하는 데 오랫동안 사용되어 왔습니다. 지상 차량 제조업체 또한 LiDAR가 물체까지의 거리를 확인할 수 있고 방향성 면에서 매우 정밀하기 때문에 매우 유용하다고 생각합니다. 이들은 탐색 빔을 정밀한 각도로 지시하고 빠르게 스캔하여 3차원 모델을 위한 포인트 클라우드를 생성할 수 있습니다. 차량 주변 상황이 매우 역동적이기 때문에 빠른 스캔 기능은 이 응용 분야의 핵심입니다.

그림 5. 자율 주행 차량의 자동차 센서는 카메라 데이터, 레이더 및 LiDAR를 사용하여 주변 물체를 감지합니다.

그림 6. 자율 주행차는 LiDAR 센서를 사용하여 주변 건물과 자동차를 감지합니다.

소프트웨어는 LiDAR 시스템 생성 및 작동의 모든 측면에서 핵심입니다. 이는 LiDAR 시스템을 설계하는 데 여러 유형의 소프트웨어가 필요하다는 것을 의미합니다.

시스템 엔지니어는 반사 빔의 신호 대 잡음비를 예측하기 위한 방사 측정 모델이 필요합니다. 광학 엔지니어는 광학 설계를 생성하기 위한 소프트웨어가 필요합니다. 전자 엔지니어는 전기 설계를 생성하기 위한 전자 모델이 필요합니다. 기계 엔지니어는 시스템 레이아웃을 완성하기 위한 CAD 패키지가 필요합니다. 엔지니어는 또한 구조 및 열 모델링 소프트웨어가 필요할 수 있습니다.

LiDAR 시스템의 작동에는 포인트 클라우드를 3차원 모델로 변환하는 제어 소프트웨어 및 재구성 소프트웨어가 필요합니다. 키사이트는 LiDAR 시스템 및 구성 요소 설계를 지원하기 위해 여러 광학 및 포토닉스 툴을 제공합니다.