LiDAR 타겟 생성용 임의 파형 발생기(Arbitrary Waveform Generator, AWG) 활용

LiDAR 타겟 생성용 임의 파형 발생기(Arbitrary Waveform Generator, AWG)의 활용

 

LiDAR 시스템은 크게 광학 시스템, 전기 시스템, 처리 시스템의 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 송신기는 레이저가 기본을 이루며, 일부 시스템에서는 레이저가 기계적으로 움직이며 주변 환경을 스캔합니다. 이는 레이저가 좌우로 이동하면서 광 펄스를 방출하는 방식입니다. 일반적인 레이더와 마찬가지로, 수신기는 타겟에서 반사된 빛을 감지하여 이를 포토디텍터(광검출기)를 통해 전기 신호로 변환하고, 송수신 간 시간 지연(Time-of-Flight, ToF)을 측정하여 거리를 계산합니다. 주파수 이동(도플러 효과)을 통해 타겟의 속도도 측정할 수 있습니다.

 

레이저 빛은 레이더보다 훨씬 높은 주파수를 사용하므로, LiDAR의 해상도는 훨씬 더 우수합니다. 이로 인해 LiDAR는 장거리(약 200m)에서도 서로 가까이 위치한 타겟(약 10cm 간격)을 구분할 수 있어, 환경을 훨씬 더 현실적으로 표현할 수 있습니다. 반면, LiDAR 시스템은 일반적으로 비용이 더 높은 경향이 있습니다.

 

LiDAR - Overview

 

 

보통, 905nm 파장의 레이저는 수십 나노초(ns) 동안 펄스를 방출하며, 초당 10,000회에서 150,000회 (10~150kHz) 반복적으로 펄스를 송신합니다. 예를 들어, 20ns 펄스 폭, 10kHz 펄스 속도가 일반적입니다. 수신 측 포토디텍터는 수신된 펄스의 시간과 형태를 전기 신호로 변환합니다. 이때 펄스의 형태는 일반적으로 가우시안 형태로 나타나며, 이는 레이저 빔의 회절 특성과 타겟 특성을 반영합니다.

 

앞서 언급했듯이, **거리 해상도(range resolution)**는 서로 근접한 두 객체를 구분하는 능력을 의미하며, 이는 LiDAR가 레이더보다 우수한 주요 이유입니다. 최신 세대 레이더는 77GHz~81GHz 대역을 사용하며, 파장은 약 **4mm(혹은 4000μm)**입니다. 이를 통해 약 4cm의 거리 해상도를 달성할 수 있으며, 구형 **24GHz 레이더(파장 약 75cm)**보다 크게 향상된 성능을 보여줍니다.

 

반면, LiDAR의 경우 파장이 **905nm(약 1μm)**로, mmWave 레이더보다 4배 이상 짧아, 훨씬 더 높은 해상도를 제공합니다. 그러나, **지터(jitter)**가 LiDAR에서는 더 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 100ps 지터가 발생하면 약 1.5cm 깊이의 불확실성이 생기고, 300ps 지터는 약 5cm까지 불확실성을 증가시킵니다.

 

이러한 한계를 극복하기 위해 FMCW LiDAR, 광위상배열(OPA, Optical Phased Array) 등 혁신적인 기술이 등장하고 있습니다. 특히 OPA는 LiDAR의 기계적 회전 부품을 제거해 신뢰성과 비용 효율성을 동시에 개선할 수 있습니다.

 

LiDAR 시스템 설계자가 직면한 주요 과제는 이러한 고해상도 기술을 상용 차량(Mid-vehicle)에 적용 가능할 만큼 비용과 신뢰성 측면에서 최적화하는 것입니다. 이를 위해서는 고도화된 알고리즘 지원과 AI 소프트웨어 스택과 같은 기술의 혁신적 활용이 필수적입니다.

 

 

AI 알고리즘 테스트 및 학습

필드 테스트는 차량 구매, 외부 계약자, 허가, 시간 등을 포함하여 높은 비용이 소요됩니다. 특히 **유럽 신차 평가 프로그램(Euro NCAP)**과 같이 표준화된 시나리오를 검증할 때, 실내(Lab) 테스트 환경에서 비용 효율적으로 진행하는 것이 더욱 유리합니다.

 

2.5GS/s P2584M Proteus AWG는 LiDAR 시나리오 테스트에 이상적인 솔루션으로, 특히 다중 타겟 테스트, AI 알고리즘 학습, 규격/표준 준수 검증에 적합합니다. 예를 들어, 4채널 Proteus P2584M은 네 개의 독립된 고해상도 타겟 펄스를 에뮬레이션하여 AI 알고리즘을 테스트할 수 있습니다. 또한, AWG의 특성상 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 변조도 함께 에뮬레이션이 가능합니다.

 

대용량 메모리 옵션을 통해 더 긴 시나리오도 실행할 수 있으며, 스트리밍 기능을 활용하면 무한 길이의 시나리오 생성도 가능합니다.

 

LiDAR 테스트에서는 매우 안정적인 트리거링 시스템과 최소한의 지터가 필수적입니다.

 

LiDAR - Target Generation

 

만약 **AWG와 LiDAR 시스템의 클럭이 동기화되지 않은 상태(Asynchronous operation)**라면, 일반적인 AWG의 경우 440ps 수준의 지터가 발생할 수 있습니다. 반면, P2582M/P2584M의 저지터 옵션을 사용하면 지터가 200ps 수준으로 감소합니다.

 

**최적의 테스트 환경은 AWG와 LiDAR 시스템이 클럭 동기화(Synchronous operation)**된 상태이며, 이 경우 10ps 이하의 지터로 유지되어 탁월한 해상도를 제공합니다.

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