[테크월드=정환용 기자] 차량용 레이더는 차량의 전방과 측∙후방에 상대 차량과 장애물의 위치 정보를 운전자에게 제공하며, 자율주행자동차에 있어서 차량을 제어하고 운전자가 안전하게 주행할 수 있도록 돕는 역할을 수행한다. 차량용 레이더는 야간이나 악천후 상황, 100m 이상의 측정거리에서도 사용할 수 있다는 것이 장점이다.
1970년대 초부터 차량용 레이더의 상용화를 위한 개발이 시작됐고, 1980년대 초 일본에서는 레이저 레이더의 상용화가 진행됐다. 그러나 비, 눈, 안개 등 환경에서 탐지 성능이 저하되고 흙, 먼지 등의 오염에 취약해, 1980년대 후반부터 미국과 유럽, 일본을 중심으로 밀리미터파를 이용한 레이더 방식이 널리 보급되고 있다.
최근 전 세계적으로 국내외 자동차 제조업체들은 밀리미터파를 이용한 차량용 레이더를 고급 차량을 중심으로 장착하기 시작했다. 가격 대비 성능이 뛰어난 레이더의 개발이 상당히 진행된 상황이고, 현재 다수의 차량에 레이더를 탑재하고 있는 상황이다. 이를 위해 유럽, 미국, 일본 등 선진국에서는 차량용 레이더 시스템의 상용화를 위한 산학연간의 컨소시엄을 형성해 정부의 적극적인 지원 아래 전 차종 장착을 목표로 표준화와 연구개발 단계를 진행하고 있다. 그리고 미국과 유럽을 시작으로 법규화를 통해서 레이더와 같은 상대 차량과 장애물의 위치를 운전자에게 알려주거나, 차량의 제어를 하는 운전자 보조, 능동안전 장치에 의무화를 진행되고 있다.
국내에서는 200m 이상의 원거리 차량과 장애물의 위치를 탐지하는 레이더를 개발하는 데 집중하고 있다. 77GHz 주파수 방식을 사용해 전방 장거리 레이더 센서를 개발하고 있으나, 이는 고급차종에 한정돼 있다. 전 차종의 레이더 탑재를 위해서는 가격은 저렴하면서 전방과 후방의 100m 이내 거리를 탐지할 수 있고 해상도와 정확도 성능이 향상된 중거리 레이더의 개발이 필요하다.
차량용 레이더는 다음과 같은 다양한 응용에서 적용될 수 있다.
• 적응형 순항제어(Advanced Cruise Control, ACC) 시스템
• 전방충돌 경보(Forward Collision Warning, FCW) 시스템
• 후측면 경보(Rear Cross Traffic Alert, RCTA) 시스템
• 사각지대 탐지(Blind Spot Detection, BSD) 시스템
• 차선변경 보조(Lange Change Assistant, LCA) 시스템
본 글에서는 다양한 응용에서 적용할 수 있는 차량용 레이더 센서를 구성하는 핵심기술 요소를 소개하고, 차량용 레이더 센서 동향과 응용을 살펴보고자 한다.
차량용 레이더 동작 원리
차량용 레이더는 운전자의 차량에서 송신 전자파 신호를 송신해 상대 차량 혹은 장애물로부터 반사돼 돌아온 수신 전자파를 수신해, 두 신호간의 시간차와 도플러 주파수 변화량을 이용해 레이더와 상대 물체와의 거리와 상대속도를 추정하는 것이 기본적인 동작 원리다. 차량용 레이더는 크게 송신 변조 방식에 따라 펄스 도플러(Pulse Doppler) 레이더와 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, 이하 FMCW) 레이더로 구분된다. 펄스 레이더는 레이더의 송수신에 펄스 신호를 이용하는 방식으로, 대략 1ns 이내의 매우 짧은 신호의 전자파 폭을 송수신하는 방식이다. 사용되는 펄스폭이 짧을수록 우수한 거리 분해능을 얻을 수 있다. 주파수 변조 연속파 레이더는 송신신호가 시간에 대해 끊김 없이 연속적으로 출력되며 동시에 수신이 이뤄지는 방식이다.
펄스 도플러 레이더
현재 펄스 도플러 레이더는 근거리 레이더로 가장 많이 쓰이는 방식이다. 펄스 도플러 레이더는 기본적인 구성과 신호파형은 [그림 2]와 같다.
펄스 도플러 레이더는 반사돼 수신되는 전자파의 전파지연 시간 Δt와, 도플러 주파수 변화 fd를 통해 상대 차량과의 거리와 상대 속도를 추정할 수 있다. 레이더와 장애물간의 상대적인 거리 및 상대적인 속도는 다음과 같은 [수식 1]과 [수식 2]로 표현했다. 여기서 f₀는 중심주파수를 나타낸다.
펄스 도플러 레이더에서 거리 분해능을 향상시키기 위해, 광대역의 주파수 대역폭을 사용하는 UWB(Ultra Wide Band) 레이더를 사용한다. 광대역의 주파수 대역폭을 갖는 레이더 시스템은 하드웨어적으로 구현하기 어렵고 주로 고가의 국방 레이더에서 많이 사용된다. 상대적으로 저렴한 가격대의 차량용 레이더에서는 유럽의 경우 81~83GHz의 주파수 대역을 사용한다.
주파수 변조 연속파 레이더
FMCW 레이더는 시간에 따라 선형적으로 변하는 삼각파 혹은 톱니파 신호를 송신해 목표물로부터 반사되는 신호를 수신하게 된다. [그림 3]은 FMCW 레이더의 기능블럭도를 나타내고 있다. FMCW 레이더에서 수신 신호와 송신 신호를 서로 곱셈을 해 주는 디처핑 기술(Dechirping)은 레이더와 상대 물체 사이의 거리에 따라 주파수가 비례하는 사인파를 발생시키고 중심중파수보다 훨씬 낮은 대략 수백Hz에서 수십MHz대역의 중간 주파수 대역를 얻을 수 있다. 디처핑기술을 통해서 생성된 비트신호는 장애물로부터 반사된 수신신호와 송신신호를 곱(Mix)하는 방식을 사용해 추출한다. 곱해진 신호는 저대역 주파수 통과 필터를 지나게 되면 원하는 대역인 비트 신호(Beat Signal)을 얻을 수 있다. 비트주파수는 [수식 3]에서 알 수 있듯이 거리 정보를 포함하고 있다. 여기서 BW는 주파수 대역폭을 나타내며, Tsym는 FMCW 변조 주기 또는 신호 폭을 나타낸다.
FMCW 레이더 송신 신호는 VCO(Voltage Controlled Oscillator)을 이용해 선형적인 레이더 송신 신호를 중심 주파수에 맞는 신호로 발생시킨 후, 송신 안테나를 지난 신호는 목표물로 향해 송신하게 된다. 레이더와 목표물의 거리에 따라 시간적으로 지연된 반사 신호가 수신 안테나를 통해서 수신되며, 신호는 디처핑 기술을 통해 비트 주파수 성분의 사인파를 발생한다.
비트 주파수 신호는 대략 60~70dB의 이득의 다단증폭기와 수십MHz 대역의 저대역 주파수 통과 필터를 통과하고 아날로그-디지털 변환기를 통해서 샘플링해 디지털 수신 신호로 변환된다. 변환된 디지털 신호는 스펙트럼 분석 알고리즘을 통해 주파수 성분이 추출되고, 추출된 주파수를 통해서 반사된 신호와 레이더간의 상대거리를 알 수 있다. 그리고 각 수신 신호간의 위상 차이를 통해 목표물의 속도, 각도도 추출할 수 있다.
주파수 변조 연속파 레이더의 특성상 펄스 도플러 레이더와 달리 주파수 대역폭만큼 샘플링을 하지 않고 비트 신호 대역폭만큼만 샘플링하게 돼, 하드웨어적인 측면에서 비용이 절감된다. 따라서 차량용 레이더와 같은 가격대비 성능을 고려해서 레이더 시스템에서 많이 사용되는 레이더 변조방식이다.
차량용 레이더의 개발 현황
다양한 제품군을 통해 현재 차량용 레이더의 개발동향에 대해 알아보자. 현재 차량용 레이더는 24GHz와 77GHz의 주파수를 사용하고 있다. 원거리 영역을 탐지하는 77GHz 레이더는 벤츠 등의 고급차에 장착돼 적응형 순항제어 시스템용으로 활용돼 왔다. 인피니언(Infineon), 프리스케일(FreeScale)의 대표적인 레이더 칩셋을 탑재한 보쉬(Bosch)와 컨티넨탈(Continental)의 레이더가 세계적으로 77GHz 차량용 레이더 제품 시장의 절반 이상을 점유하고 있고, 그 뒤를 덴소(Denso)나 델파이(Delphi) 등이 따라가고 있다. 77GHz 레이더는 전방 200m까지의 상대 차량을 감지를 통해 주행 차량의 운전 상태를 제어하는 전방충돌 경고 시스템에 적용되고 있다.
24GHz 레이더는 77GHz와 비교할 때, 근거리 영역을 탐지하는 저가향 레이더 시스템을 구현할 수 있다. 때문에 다수의 레이더를 차량에 설치하는 시스템에 응용할 수 있다. 응용 예로는 사각지대탐지, 차선변경보조 시스템 등을 들 수 있다. 현재 헬라(Hella), 발리오(Valeo) 등과 같은 레이더 제조업체들이 24GHz 차량용 레이더 시장을 대부분 점령하고 있다. 24GHz 대역의 차량용 레이더는 대역폭이 200MHz 이하의 협대역 주파수영역으로 한정하고 있으며, 250MHz 이상의 대역폭을 요구하는 광대역 주파수 영역은 유럽의 경우 78GHz에서 81GHz대역으로 배정되고 있다.
국내의 경우 시스템IC 2010과제와 부품소재 과제를 통해서 만도, 전자부품연구원 등이 24GHz 차량용 레이더 RF-IC 시스템과 77GHz 레이더 센서를 개발한 바 있다. 산업원천과제를 통해 한국전자통신연구원도 77GHz 차량용 레이더 RF-IC를 개발한 바 있다. 대구경북과학기술원은 미래창조과학부의 기본고유사업을 통해 2007년부터 10년 이상 차량용 레이더 고해상도 신호처리 알고리즘 및 실시간 임베디드 구현 기술을 개발하고 있다.[그림4]
최근 고급차량에만 장착되는 원거리 레이더와 달리, 100m 이내의 상대 차량을 탐지하는 중거리 레이더가 부각되고 있다. 원거리 레이더에 비해 크기를 절반 이상 줄일 수 있고, 저가격의 시스템으로 구현할 수 있기 때문이다. 따라서 저가격의 중거리 레이더는 전 차종 레이더 장착을 위해서 보급형 시스템으로 유력한 상황이다. 대구경북과학기술원은 광역권선도사업 과제를 통해 80m 이상의 상대 차량을 탐지할 수 있는 24GHz 중거리 레이더 시스템 개발을 진행하고 있다.
중거리 레이더 신호처리 내용
다양한 중거리 레이더 신호처리 내용을 통해서 차량용 레이더의 핵심 내용인 신호처리 부분의 기술내용에 대해 알아보자. 차량용 레이더에서 많이 사용되는 FMCW 레이더와 국방용이나 특수 목적용 레이더에서 많이 사용되는 펄스 도플러 레이더는 다양한 신호처리 기술이 적용돼 있다. FMCW 레이더는 차량이나 장애물과 레이더간의 거리가 주파수에 비례하는 비트 신호를 수신하기 때문에 수신 신호의 주파수 추정하는 이슈는 중요하다.
주파수 추정 기술에는 크게 매개변수적(Parametric) 방법과 비매개변수적(Non-parametric) 방법으로 나뉜다. 잘 알려진 매개변수적 방법은 MUSIC(MUltiple SIgnal Classification), JAFE, 그리고 ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) 등이 있다. 비매개변수적 방법은 DFT(Discrete Fourier Transform), 칼만 필터, 그리고 블랙맨 터키(Blackman-Turkey) 등이 있다.
추정 성능 측면으로는 매개변수적 방법이 비매개변수적 방법보다 성능이 우수하나, 복잡도 측면에서는 상당한 복잡성과 높은 계산 양을 요구한다. 때문에 각 레이더 시스템 응용에 따라서 적절하게 적용해야 한다. [그림 5]의 레이더 신호처리측면에서 레이더 기술의 진화를 나타내고 있다.
레이더 센서 융합
자율주행자동차는 차량의 주행 환경을 실시간으로 인식하기 위해 레이다, 카메라, 라이다, 초음파 센서 등 다양한 센서를 동시에 장착될 것으로 판단된다. 현재는 센서마다 특징과 장단점이 다르기 때문에 구현하고자 하는 기능에 따라 여러 개의 센서를 사용하는 방법을 연구하고 있다. 또한, 개별 센서 간의 통융합을 통해서 개별 센서 별 장단점을 서로 보완하는 동시에 가격을 낮추고, 향후 통합센서 개발에 자동차 부품업체들이 적극적으로 움직일 전망이다.
차량 주변 환경을 정확하고 빠르게 수집하고 해석해 의사결정을 신속하고 정확하게 실행하기 위해서는, 자율주행자동차에서 차량용 센서의 역할이 핵심적인 자리를 차지하고 있다. 완성차, 부품업체뿐만 아니라 IT 기업들도 ADAS 개발에 주력하고 있으며, 미국과 유럽 신차 평가프로그램 등 교통인명사고를 감소시키려는 자동차 주요소비국의 안전규제가 강화되면서 센서 시스템이 중요한 핵심 사업으로 자리매김하고 있다.
ADAS의 가치사슬은 기술측면에서 인지-판단-제어 영역으로 세분화된다. 그중 인지 영역은 레이다 센서를 포함한 카메라, 라이다 등 센서를 사용해 장애물, 도로표식, 교통 신호등을 인식하는 기술에 해당된다. 판단영역은 인지 신호들을 효율적으로 분석하는 소프트웨어 알고리즘과 ECU∙DCU에 의해 행동 지시를 내리는 기술에 해당되고, 제어영역은 지시된 행동을 추종하기 위해 조향, 가감속 등을 제어하는 액추에이터 기술에 해당된다.
스트래티지 애널리시스(S0trategy Analysis)에 의하면, 센서(인지) 밸류 체인의 경우 신호처리를 포함한 소프트웨어와 칩을 포함하는 시장규모는 2016년 74억 달러에서 23%의 연평균 성장률을 보이며, 2021년에는 208억 달러에 이를 것으로 전망하고 있다. 다양한 부품업체들이 개별 센서의 기능과 성능을 고도화하면서 동시에 저가화, 소형화에 집중하고 있는 추세로, 개별 센서 간의 융복합를 통해서 상호 보완할 수 있는 방안을 꾸준히 개발하고 있다.
차량용 레이더 센서 가치사슬
차량용 레이더 센서의 가치사슬은 칩 메이커, 모듈 메이커, 시스템 메이커로 대별될 수 있으나, 실제로는 두 단계로 구분된다. 칩과 모듈, 모듈과 시스템의 통합된 형태를 갖게 되는 것이다. 레이더 칩은 안테나와 송수신기를 통한 센싱 기능을 수행하고, 레이더 모듈은 레이더 칩을 통해서 센싱을 신호를 소프트웨어처리를 통해서 레이더의 거리, 속도, 각도 등 레이더 파라미터를 추출하는 기능을 수행한다. 마지막으로 시스템은 칩과 모듈의 통해서 획득한 레이더 파라미터를 차량의 다양한 ADAS 응용 또는 자율주행의 액추에이션을 실행하기 위한 제어로직을 수행한다.
레이더 칩의 경우 밀리미터 대역의 고주파를 사용하기 때문에 개발 장비가 무척 고가다. 하지만 시장수요가 그리 크지 않아서 차량용 반도체(ECU)를 전문으로 하는 업체들만이 레이더 칩 개발에 적극적으로 투자를 진행하고 있다. 이런 상황에 따라 레이더 센싱과 프로세서 칩 시장은 소수 반도체 업체들이 독점하고 있다. 인피니언에 의하면, 2015년의 경우 독일 인피니언이 40% 이상의 시장점유율로 선두를 차지하면서 장거리∙단거리 레이더 칩 모두 시스템 메이커들에게 공급하고 있다. 점유율이 3 7 %인 ST마이크로(STMicroelectronics)는 2위를 차지하면서 카메라 프로세서 칩뿐만 아니라 단거리 레이더 칩 위주로 글로벌 공급을 하고 있다. 시장점유율 3위는 프리스케일을 인수한 NXP이며, 현재 장거리 레이더 칩 위주로 공급하고 있다.
레이더 시스템의 경우, 컨티넨탈과 오토리브(Autoliv)가 두각을 나타내고 있다. 양사는 M&A를 통해 장거리∙단거리 레이더 기술을 모두 확보하며 스마트 크루즈 컨트롤(Smart Cruise Control, SCC)과 사각지대 감지장치(Blind Spot Detection, BSD)의 시장 점유율에서 모두 상위권을 차지하고 있다. 스트래티지 애널리시스는 2015년 기준 장거리 레이더의 시장점유율은 컨티넨탈(26%), 보쉬(22%), 덴소(11%), 오토리브(9%), 델피(8%), 기타(24%) 등으로 이어진다. 단거리 레이더 점유율은 헬라(Hella, 28%), 발리오(24%), 오토리브(20%), 컨티넨탈(15%), 기타(13%) 등이 순위를 차지하고 있다.
차량용 레이더 기술 전망
차량용 레이더의 기술 흐름은 경량화, 소형화, 저가화, 광대역화 그리고 ADAS 기능별 단일 칩에서 다양한 ADAS 기능을 구현할 수 있는 통합칩으로 진화할 것이다. 차량용 레이더의 경량화,소형화, 저가화 측면에서 한 가지 예를 들면, 2000년 출시된 보쉬 장거리 레이더인 ‘LRR1’은 무게가 600g이었으나, 최근 LRR3, LRR4의 경우 300g 이하로 감소하고 부피도 기존 대비 30% 수준까지 작아지고 있다. 반면, 성능 측면에서 측정거리는 150m에서 250m까지 증가하고 방위각도 역시 8도에서 30도(LRR3)에서 40도(LRR4)까지 증가하고 있다.
주파수 대역폭 확대측면을 살펴보면, 차량용 레이더의 주파수 대역폭은 거리해상도와 직접적인 연관이 있다. 즉 주파수 대역폭이 넓으면 넓을수록 거리해상도는 비례해서 좋아진다. 앞서 언급한 바와 같이 사각지대감지용 레이더(BSD)의 경우, 주로 24GHz 대역폭을 사용하고 있으나, 최근에는 77-79GHz 대역폭을 적용하는 방향으로 기술이 진화되고 있다.
마지막으로 통합형 측면에서 살펴보면, 기존에는 ADAS 기능별로 단일 칩이 적용된 반면, 최근에는 다양한 ADAS 기능을 하나의 통합 칩을 통해서 구현하는 방식으로 기술이 진화되고 있다. 예를 들어 장거리 레이더 기능과 중∙단거리 레이더 기능을 동시에 수행할 수 있는 통합형 레이더도 개발되고 있고, 한 개의 레이더가 수행해야 하는 기능이 늘어나는 경우, 주파수 출력이 향상돼야 하기 때문에 레이더 신호간의 간섭 문제를 해결하는 연구도 함께 진행되고 있다. 이밖에도 레이더의 고유한 탐지 센싱 기능 이외에 주파수의 일부분을 할당해 차량 간 통신용으로 활용할 수 있는 탐지∙통신 다기능 레이더로 진화될 것으로 사료된다.
작성: 대구경북과학기술원 로봇시스템연구부 이종훈 박사
