라이다는 다 같은 라이다가 아니다: 변조·구성·동작 방식으로 나누는 법

라이다라는 이름 아래 묶이는 장비들은 사실 서로 다른 물리 원리로 동작한다. 자율주행차의 라이다가 장애물까지 거리를 재는 방식과, 기상 관측소의 라이다가 대기 중 오존 농도를 재는 방식은 광원도 검출기도 신호처리도 다르다. 이 차이를 이해하려면 라이다를 하나의 기술이 아니라 세 개의 독립적인 선택지—변조, 구성, 동작 방식—의 조합으로 봐야 한다.

거리를 재는 방식

라이다(Light Detection and Ranging)는 레이저를 송신하고 대상에서 산란·반사된 신호를 수신해, 그 시간·위상·주파수·스펙트럼을 분석해 거리·속도·물성을 추정하는 광학 원격 감지 시스템이다. 처리 파이프라인은 입력(레이저/파장/출력) → 스캔·조향 → 전파·산란 → 수신·검출 → 복조·추정(거리/속도/성분) → 포인트클라우드·프로파일 출력 순으로 흐른다.

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이 파이프라인 어디에서 선택지가 갈리는지가 곧 라이다를 나누는 세 축이다: 신호를 어떻게 변조하는가, 어떻게 스캔하는가, 수신 신호에서 무엇을 뽑아내는가.

광원부터 신호처리까지, 하드웨어가 결정하는 것

광원·변조 단계에서는 펄스 TOF 또는 AM-CW(위상) 방식을 고른다. 파장(905/940/1550 nm)과 출력은 감도, 눈 안전, 대기 투과 특성 사이의 트레이드오프를 만든다. 스캐닝·조향은 회전 기계식, MEMS·OPA 어레이, 플래시(STUD) 구조 중에서 선택하며 이는 FoV·프레임레이트·내구성·부피에 직접 영향을 준다. 수신·검출부는 APD, SPAD 어레이, 코히런트 수신기로 구성되고 감도·동적 범위·시간 분해능·주간 성능을 좌우한다. 신호 처리·동기화 단계에서는 TDC·PLL·FFT, 다중 주파수 위상 해소, 다중반사 제거, 기하 보정이 이뤄지며 온도·진동에 따른 드리프트 보정이 필수다.

변조 방식: TOF와 위상편이

**TOF(Time Of Flight)**는 펄스가 왕복하는 시간을 직접 측정해 거리를 추정한다. 범용·장거리에 적합하고, 강한 태양광 환경과 멀티리턴 처리에 강하다는 장점이 있는 반면 고정밀 타이밍 회로가 필요하고 다중경로 영향을 받는다. 차량용 3D 인식, 지도제작, 중장거리 레인지파인딩에 쓰인다.

**PS(Phase Shift, AM-CW)**는 연속파 진폭변조 신호의 위상차로 거리를 추정한다. 짧은중거리에서 고정밀을 내며 mmcm급 정밀도가 강점이지만, 2π 모호성 때문에 다중 주파수 처리가 필요하고 강한 광 잡음에 취약하다. 실내 SLAM, 로보틱스, 산업 안전센싱에 적용된다.

구성 방식: 회전형·어레이형·STUD

회전형은 360° 또는 넓은 FoV 확장이 가능하며 다층 채널과 기계 스캐너를 결합한다. 넓은 커버리지와 성숙한 생태계가 강점이지만 가동부의 내구성·부피·진동 민감성이 단점이다. 야외 지도화와 초기 자율주행 플랫폼에 쓰였다.

어레이형은 MEMS 미러, OPA, 도파관 스티어링 기반의 전자식·소형 스캔 방식이다. 컴팩트하고 고속 스캔·집적화에 유리하지만 FoV와 출력에 제약이 있고 온도 보정 부담이 크다. 차량 매립형, 로봇·드론에 적합하다.

**STUD(Static Unitary Detector, 플래시형)**는 전장 조명과 이미지 센서(SPAD/CMOS)로 동시에 수광해 스캔 없이 작동한다. 진동 내성이 좋고 광학계가 간단하지만, 장거리에서는 광 에너지가 분산돼 한계가 있고 강한 광 환경에 민감하다. 근거리 3D 카메라와 실내 안전 용도에 쓰인다.

동작 방식: 무엇을 측정하는가에 따른 갈래

여기서부터가 라이다 종류를 가르는 진짜 분기점이다. 같은 하드웨어 구성이라도 수신 신호에서 무엇을 뽑아내느냐에 따라 완전히 다른 물리량을 측정하는 장비가 된다.

**Elastic Backscatter LiDAR(탄력적 후방산란)**는 동일 파장의 반사 강도를 기반으로 거리와 에어로졸 프로파일을 계산한다. 시스템이 단순하고 범용적이지만 성분을 분광적으로 분리할 수 없다.

Doppler LiDAR는 도플러 주파수 시프트로 상대 속도(풍속·입자)를 측정한다. 속도 벡터를 추정할 수 있지만 코히런트 수신기와 정밀 레이저가 필요하다.

Imaging LiDAR는 포인트 스캐닝 또는 플래시 방식으로 2D·3D 영상을 만든다. 포인트클라우드 생성과 객체 인식에 적합하지만 데이터량과 연산 부담이 크다.

Raman LiDAR는 비탄성(라만) 산란 스펙트럼으로 분자(예: 수증기)를 정량한다. 종별 분리와 농도 추정이 가능하지만 신호가 약해 고출력이나 긴 적분 시간이 필요하다.

**Resonance Fluorescence LiDAR(공명 형광)**는 특정 원자·분자의 공명선을 여기시켜 형광을 검출한다(예: 나트륨층). 종 선택성과 고감도가 강점이지만 협대역 가변 레이저와 정밀 튜닝이 요구된다.

**DIAL(Differential Absorption LiDAR, 차분 흡수)**은 On/Off 파장의 차등 흡수로 가스 농도를 추정한다(오존·메탄 등). 경로 적분 농도를 산출할 수 있지만 파장 안정성과 보정 절차가 필수다.

Laser Rangefinder는 단일 빔 거리 측정에 특화된 TOF 기반 장비다. 소형·저전력·정밀 거리 측정이 강점이지만 영상화가 불가능하고 협각이다.

동작 방식별 운영 특성 비교

분류	성능(핵심지표)	확장성	일관성(환경 민감)	안정성	운영 편의
탄성 후방산란	거리/강도, 중~장거리	채널 확장 용이	안개/에어로졸 영향 중	기계/열 안정 중	교정 단순
도플러	속도 분해능 우수	멀티채널 난이도 중	바람결·터뷸런스 민감	레이저 안정성 요구 높음	정합/정렬 난이도 상
이미징	고해상 포인트클라우드	어레이로 고확장	태양광/반사체 민감	스캔 구조에 의존	캘리브레이션 절차 필요
라만	종 특이 농도	확장성 낮음	대기광 영향 큼	고출력/냉각 필요	야간/장비 관리 부담
공명 형광	특정 원자 고감도	협대역 특화	파장 드리프트 민감	온도/진동 관리 중요	튜닝·모니터링 필요
DIAL	경로적분 농도 정량	멀티파장 동시 운용 난	스펙트럴 간섭 민감	레이저 락 필요	절차·보정 복잡
레인지파인더	단일 거리 정밀	확장 필요 적음	외란 적음	매우 높음	운용 매우 용이

어디에 쓰이는가

자율주행·ADAS는 중장거리 TOF에 어레이형이나 회전형을 조합하고, 도심 저속 구간에는 STUD를 병행 적용한다. 산업·로보틱스는 PS 기반 근거리 정밀 측정에 MEMS 어레이를 더해 고속 픽·플레이스와 AGV 안전을 구현한다. 지도제작·UAV는 TOF 회전형이나 경량 어레이를 쓰고 다중반사 처리로 수목 하부 지형을 복원한다. 기상·대기 관측에서는 도플러로 풍속 프로파일을, DIAL·라만으로 수증기·오존·메탄 농도를 모니터링한다. 항공우주·보안 분야에서는 레인지파인더로 탑재물 거리와 도킹을, 공명 형광으로 고층대기를 관측한다.

선택과 확장의 트레이드오프

거리 정밀도는 cm급까지 내려간다 — 타이밍 정밀도 Δt=100 ps라면 ΔR≈1.5 cm 수준이다. 속도 분해능은 코히런트 수신 조건에서 0.1 m/s 미만까지 가능하고, 가스 농도는 DIAL·라만 방식으로 ppmppb 수준까지 검출할 수 있다(적분 시간에 의존). 어레이·플래시 구조를 채택하면 프레임레이트가 25배 향상되고, 가동부가 없어져 MTBF가 오르며 유지보수 비용이 20~40% 절감되는 것으로 가정된다. 1550 nm를 채택하면 눈 안전 마진이 넓어지고 강한 주간 광 환경에서도 SNR이 개선된다.

실무에서는 거리·속도·성분 중 무엇이 핵심 지표인지와 운용 환경을 먼저 정의한 뒤 변조·구성·동작 방식을 매핑하는 순서가 맞다. FoV·정밀·내구·비용의 균형을 설계하고, 온도·광잡음·다중경로에 대한 보정·진단 루틴을 내장해야 한다. 확장 전략으로는 초기 회전형에서 어레이·플래시로 전환하는 로드맵, PS·TOF 하이브리드나 다중파장 동작으로 기능을 다각화하는 방향이 현실적이다.