LiDAR 레이저 센서 분류 및 스캐닝 방법

라이더레이저 센서 레이저 광을 능동적으로 방출하여 침입한 표적의 거리, 방향, 속도, 윤곽 등의 정보를 고정밀도, 고해상도로 얻을 수 있습니다. 도시보안, 산업보안 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이 기사에서는 국내외 주류 보안 라이다 제조업체와 해당 제품 기술 사양을 간략하게 소개합니다. 다양한 보안 애플리케이션의 요구 사항을 결합하여 다양한 기술 시스템에서 LiDAR의 원리, 특성 및 현재 상황을 거리 측정 방식, 스캐닝 방법 및 광원 선택의 세 가지 측면에서 논의합니다. 마지막으로 보안 라이다의 적용 동향과 개발 전망을 요약하고 전망한다. 소비자 보안 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기 위해 보안 라이더는 저비용, 고성능, 직렬화, 소형화, 솔리드 스테이트, 칩화 및 다중 소스 통합 방향으로 더욱 발전할 것입니다.

시스템 내부에 움직이는 구성 요소가 있는지 여부에 따라 라이더는 기계식 라이더와 고체 라이더로 나눌 수 있습니다. 그 중 고체형 라이더의 구현 방식으로는 미세전자기계시스템(Micro-ElectroMechanical System, MEMS), 플래시(Flash) 기술, OPA 기술 등이 있다.

스캐닝 모드의 빔 제어 특성에 따라 라이더는 스캐닝 라이더와 비스캐닝 라이더로 나눌 수 있습니다. 그 중 비스캔 라이다(Non-scanning LiDAR)는 플래시 영역 어레이 라이다(Flash Area Array LiDAR)와 같이 장면을 빛으로 덮어 목표 이미징을 달성한다. 적절한 스캐닝 방법을 사용하면 보안 라이더가 더 넓은 시야와 해상도를 확보하는 동시에 전체 구조를 더욱 안정적으로 만들 수 있습니다. 따라서 스캐닝 기술의 선택은 LiDAR의 수명주기에 큰 영향을 미치며, 이는 결국 이 시스템의 보안 LiDAR가 대량 생산될 수 있는지 여부를 결정합니다. 그 중 긴 감지 범위와 넓은 시야는 보안 라이다의 핵심 지표이며, 향후 보안 라이다의 적용 전망도 결정짓는다.

1. 기계식 LiDAR 레이저 센서
기계식 라이더는 레이저 스캐닝을 달성하기 위해 기계적 회전을 사용하는 것을 말합니다. 모터는 단일 지점 또는 다중 지점 거리 측정 모듈을 구동하여 전체 360도 또는 기타 광각 영역 스캐닝을 달성하기 위해 회전합니다. 기계식 LiDAR의 작동 원리는 그림 1에 나와 있습니다. 원리가 간단하고 운전이 쉽고 스캔 시야가 넓다는 장점이 있습니다. 최초로 널리 사용되었으며 시장의 주류 보안 LiDAR 제품에 대한 스캐닝 솔루션이 되었습니다. 렌즈, 기계 구조 및 회로 기판과 같은 요소를 고려할 때 일반적으로 모듈 범위의 많은 지점은 크기와 무게 측면에서 최적화될 수 없습니다. 따라서 모터가 모듈을 장시간 회전시키면 베어링이 쉽게 마모됩니다. 이로 인해 기존의 기계식 스캐닝은 수명과 신뢰성 측면에서 비판을 받고 있으며 마모로 인한 비용도 증가합니다. 그것은 또한 매우 현실적인 문제이다. 따라서 초기 보안 시장에서는 대부분 차원 축소 및 저비용 솔루션, 즉 다른 센서와 함께 로우빔 라인 레이저 레이더를 사용하는 솔루션을 채택했습니다. 컴팩트한 외관과 넓은 스캔 시야를 갖추고 있으며 건물 보호 및 지역 경계 보호와 같은 시나리오에 적합합니다.

그림 1. 기존 기계식 LiDAR의 작동 원리

현재 LiDAR 설계가 직면한 가장 큰 과제는 합리적인 비용으로 대량 생산을 달성하면서 성능과 견고성을 달성하는 것입니다. 그러나 기계식 라이더는 핵심 전자 부품이 중복돼 크기와 비용 절감이 어려워 보안 분야에서 널리 보급되지 못하고 있다. 이를 위해 LiDAR의 핵심 부품을 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit) 칩에 통합하여 LiDAR 신호 처리 회로의 크기를 줄이고 전력 소비와 비용을 줄입니다. 다라인 라이다의 양산을 실현하기 위함이다. 중요한 추세.

2.MEMS LiDAR 레이저 센서
MEMS 레이저 레이더는 기존의 기계식 회전 장치를 실리콘 기반 칩에 통합된 MEMS 마이크로미러로 대체합니다. 마이크로미러는 레이저를 반사하여 더 넓은 스캔 각도와 더 큰 스캔 범위를 형성합니다. 작동 원리는 그림 2에 나와 있습니다. MEMS 마이크로 미러는 기존 기계식 LiDAR의 혁신자이며 LiDAR의 소형화 및 비용 절감을 주도할 것입니다. 검류계 스캐닝 방법은 거리 측정 구조의 직접적인 회전을 피하고 LiDAR의 고체 스캐닝을 가능하게 하며 LiDAR를 소형으로 만듭니다.

그림 2 MEMS 회로도(a) MEMS LiDAR의 작동 원리(b) MEMS 스캐닝 미러

업계에서는 MEMS 마이크로 미러의 장점을 활용하여 MEMS LiDAR를 구현 가능한 가장 빠른 기술로 간주합니다. 현재 Leishen Intelligent LS20/LS21 시리즈 MEMS 고체 라이더는 지능형 보안 및 재난 모니터링과 같은 분야에서 사용되고 있습니다. 그러나 MEMS 마이크로 미러의 단점은 스캔 각도가 작고 넓은 시야 스캐닝을 달성하려면 추가 각도가 필요하다는 것입니다. 또한 투사할 수 있는 레이저 광량이 제한되어 있어 '장거리 감지'가 어렵습니다. 일반적으로 MEMS LiDAR 기술 솔루션은 충분히 성숙되지 않았으며 추가 개선이 필요합니다. MEMS 마이크로 미러의 개발로 MEMS LiDAR의 응용 전망이 더 넓어질 것으로 믿어집니다.

3.플래시 LiDAR 레이저 센서
플래시 라이더는 비스캔 레이더입니다. Area Array Light를 Target에 조사하고 Area Array Detector를 이용하여 Target에 의한 입사광의 산란을 감지하여 깊이 정보가 포함된 영상을 출력합니다. 작동 원리는 그림 3에 나와 있습니다. 플래시 라이더는 가격이 저렴하고 안정성이 좋지만 감지 범위가 상대적으로 짧기 때문에 적용 시나리오가 제한됩니다. 보안 분야에서는 플래시 레이저 레이더가 널리 사용되었습니다. 대상 감지, 분할 및 추적을 위해 3D 플래시 라이더를 사용한 결과, 플래시 라이더가 경계 감시 및 현장 보안 분야에 적합하다는 결과가 나타났습니다. 그러나 환경 모니터링, 물체 관찰, 위험 방지 등의 분야에서는 스캔 특성으로 인해 물체나 사람의 실시간 감지가 제한되어 데이터 왜곡이 발생합니다. 3D 플래시 LiDAR로 구축된 센서 시스템을 사용하면 매우 가변적으로 움직이는 물체를 중장거리에서 실시간으로 높은 정확도로 추적할 수 있습니다. 실험 과정과 결과는 그림 4에 나와 있습니다. 또한 소형 부품의 개발로 영역 배열 감지기의 비용이 절감되고 플래시 라이더는 소형화가 용이하며 보안 분야에서의 적용이 더 많아질 것입니다.

그림 3. Flash LiDAR의 작동 원리

그림 4. Flash LiDAR의 작업 시나리오 및 실험 결과. (a) PC의 실시간 추적과 팬틸트 헤드의 Flash LiDAR를 사용한 실험 설정, (b) 시나리오의 포인트 클라우드, (c) 중앙에 표시된 사람이 있는 시나리오의 강도 보기, (d) 사람이 있는 시나리오의 범위 보기 표시된 중심

4.OPA LiDAR 레이저 센서
새로운 유형의 빔 포인팅 제어 기술인 OPA 스캐닝 기술은 최근 몇 년간 연구 핫스팟이 되었습니다. 관성 장치가 없고 정확도가 안정적이며 방향을 제어할 수 있다는 장점이 있습니다. 작동 원리는 그림 5에 나와 있습니다. 여러 전송 장치가 전송 어레이를 형성합니다. 송신 어레이의 각 송신부의 위상차를 조정하여 레이저 빔의 출사 각도를 변경함으로써 설정된 방향으로 상호 강화된 간섭을 달성하여 고강도 포인팅 빔을 준비합니다. S3, "세계 최초의 고체 라이더 센서." S3는 OPA 스캐닝 방식을 사용하며 손바닥 크기에 불과합니다. 제품과 그 원리는 그림 6에 나와 있습니다. S3 시리즈 제품은 침입 모니터링 및 액세스 제어와 같은 분야에서 사용되었습니다.

그림 5 OPA의 작동 원리

그림 6 Quanergy S3 LiDAR의 작동 원리

고집적도가 높은 광학 위상 배열 기술은 보안 LiDAR의 전고체 및 소형화 개발 요구를 충족할 수 있습니다. 그러나 현재 OPA 보안 라이더의 대량 생산을 제한하는 두 가지 주요 요인이 있습니다. 첫째, 실제 스캐닝 중에 사이드 로브가 쉽게 형성되어 빔의 범위와 각도 해상도에 영향을 미칩니다. 둘째, 처리 난이도가 높다. 따라서 OPA 보안 라이다 기술은 아직 미성숙해 현 단계에서는 제품화도 어렵다.

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