최근 자동차 업계에서 가장 치열한 경쟁이 벌어지는 분야 중 하나는 액티브 크루즈 컨트롤(ACC, Active Cruise Control), 긴급 제동·차선 이탈 방지 같은 첨단 운전자 보조 시스템을 적용하는 영역이다. 더불어 정교해진 시스템이 주변 환경을 이용하는 데 필요한 정보를 제공하는 차량 내 레이더 시스템에 대한 수요 또한 증가하고 있다.
이런 시스템들은 과연 어떻게 필요한 정보를 제공하는 것일까? 차량용 레이더 시스템의 경우, 일반적으로 고주파 신호를 지속해서 전송하고 이에 대한 전파 지연 시간과 반사에서 측정되는 ‘도플러 주파수 천이’를 측정하는 방식으로 작동한다.
여기서 측정된 데이터를 바탕으로 다른 사물과 사용자의 차량까지의 거리와 속도를 측정할 수 있다. 이때 배열 안테나를 사용하는 첨단 레이더 시스템은 차량의 경로와 감지된 물체 사이의 방위각(수평면 각도), 차량과 다른 물체 사이의 고도각(수직면 각도)도 함께 측정할 수 있다.
차량용 레이더 시스템이 제공하는 데이터는 차량의 제어 시스템 측면에서 주변 환경을 이해하고, 주행 방식을 실시간으로 결정하는 데 사용되므로 시스템의 정확하고 안정적인 동작은 매우 중요하다. 데이터가 부정확할 경우 잘못되고 위험한 결정이 내려질 수 있기 때문이다.
예를 들어 레이더 시스템이 서로 100m 떨어진 두 차량 간의 각도를 1도 차이로 잘못 보고하는 경우를 가정해 보자. 두 차량이 마주치게 되는 경로는 1.5m 혹은 차량의 폭 이내로 수렴되기 때문에 실제 두 차량은 예상보다 훨씬 가까이 위치하게 된다. 또한 이정도의 거리 차이는 실제 두 차량의 정면 충돌 상황이나 차선 내에서의 사고 발생 등에 영향을 끼칠 수 있는 수준이다.
기능을 저해하는 외관 요소
레이더 센서는 보통 차량의 라디에이터 그릴 혹은 범퍼의 엠블렘 뒤에 숨겨져 있다. 이런 설계가 차량의 미적 측면에서는 장점이 될 수 있지만, 레이더 입장에서는 이것이 신호 경로의 감쇄 이유로 작용할 수 있다. 이런 ‘레이더 돔’ 또는 ‘레이돔’은 RF 시스템으로부터 전송된 신호를 변형시켜 센서의 감지 성능과 정확도에 영향을 주게 된다.
역제곱 법칙에 따르면 레이더 센서에서 수신되는 반사 신호의 전력은 전송된 전력의 1/r4이다. 만약 전력이 3W인 77GHz 레이더와 25dBi 안테나 게인(Gain)을 가지는 77GHz 주파수 신호를 사용하는 3W 전력의 레이더를 이용해 –90 dBm의 최소 감지 신호 레벨로 10m² 크기의 타깃을 감지하려는 경우, 최대 감지 가능 거리는 109.4m가 된다.
만약 이 시스템에 레이돔을 추가할 경우 추가로 3dB의 양방향 감쇠가 발생하며, 이로 인해 동일 조건에서 레이더의 최대 감지 거리는 16% 짧아진 92.1m가 된다. 이렇게 단축되는 거리는 실제 상황에서 여러 대의 차량의 길이만큼 커진다.
이 외에도 레이돔은 여러 문제를 야기할 수 있다. 대표적으로 기본 재료와 레이더 신호 간 RF 불일치 문제를 들 수 있다. 플라스틱 사출 방식은 종종 비정형 자재 속성으로 예기치 않은 신호 왜곡을 일으킬 수 있다. 또한 금속 표면 마감재도 RF의 산란을 발생시키는 요소다.
결과적으로 이런 간섭이 레이더 수신기의 감도 또한 떨어뜨리는 것이다. 이 문제를 해결하기 위해서는 결국 차량이 방출한 레이더 신호가 수신기에 직접 다시 반사되지 않도록 해야한다. 그러나 이 방법은 차량 설계자의 선택권을 제한하고 유해 반사 문제를 해결하지 못할 수 있다는 문제를 남긴다.
시스템 보정을 통한 체계적인 성능 달성
따라서 레이더 시스템 설계자의 과제는 시스템에 내재된 여러 불확실성에도 불구하고, 일정 수준의 성능을 실현해내야 한다는 것이다.
이를 위해서는 레이더 센서 제조업체가 해당 제품을 보정하는 방법이 있다. 하지만 RF 시스템 개발자는 차량 제조업체가 선택하는 레이돔의 종류, 도색 방식, 레이돔을 제작하는 소재의 다양성 등을 예측할 수 없다. 게다가 센서의 보정은 필요한 시스템 성능을 실현하는 데 있어 부분적인 역할밖에 할 수 없는 것이 현실이다.
이런 불확실성을 줄이고 확실성을 높이는 또 다른 방법은 레이더 시스템 개발자가 레이더 제품에 결합될 레이돔의 특성을 알 수 있도록 레이돔 제조업체가 각 레이돔 제품의 특성을 측정하고 검증하는 것이다. 이를 구현하려면 차량 생산 라인에서 각 레이돔의 성능을 측정하고, 이에 맞춰 성능을 조절하는 것이 필요하지만 이 방법은 비용이 너무 많이 든다는 단점이 있다.
레이돔 제조업체는 신뢰성이 높고 세밀한 생산 환경 기준의 측정을 수행할 필요가 있다. 지금까지 이런 측정은 일반적으로 기준 레이더 시스템(Reference Radar System)과 여러 레이더 반사체가 있는 정적 환경을 구성해 측정하는 방식으로 구현됐다. 이렇게 구성된 시스템에서는 기준 규격을 설정하기 위해 다양한 거리와 각도를 이용해 측정을 수행하고, 도출된 기준 규격을 사용해 각각의 레이돔을 동일한 방식으로 측정한다.
이때 만약 레이돔의 측정 결과값이 지정된 기준 측정값의 허용오차 범위 내에 있을 경우 레이돔은 테스트를 통과한 것으로 간주된다. 이 테스트를 보다 상세하게 설명해보자. 단일 반사체를 향해 턴테이블에 레이더와 레이돔을 장착한다. 그다음 턴테이블이 회전할 때 다양한 각도에서 측정을 수행한다. 따라서 더 자세한 기준 측정값을 생성할 수 있지만, 생산 환경에 적용하기엔 시간이 너무 오래 걸린다는 단점이 존재한다.
더욱 효과적인 레이돔 측정 시스템
로데슈바르즈(Rohde & Schwarz)는 자동차 시스템에서 레이더 시스템이 갖는 중요도가 증가함에 따라 ‘R&S QAR 퀄리티 오토모티브 랜덤 테스터(Quality Automotive Radome Tester)’를 개발했다. 이 시스템은 생산 환경에서 사용할 수 있는 현실적인 비용과 속도로 신뢰할 수 있는 측정 데이터를 제공한다.
또 [그림1]에서 보는 것처럼, 자동차 레이더에서 전송된 신호 포착을 위한 수백 개의 송수신 배열 안테나가 있다. 시스템은 이 다수의 안테나를 사용해 밀리미터 수준의 해상도로 범위와 방위각, 고도각을 측정하므로 레이돔이 테스트 신호에 미치는 영향을 시각화할 수 있다.
또한 테스트를 통해 얻은 이미지를 분석해 품질 파라미터를 추출하고, 간단한 합격/불합격 결과로 처리할 수 있다. 추가로 다수의 안테나를 사용한다는 것은 즉 전체 레이돔을 불과 몇 초 안에 자세하게 측정할 수 있다는 의미와도 같다.
이에 QAR 시스템의 기능을 확인하기 위해 표면에서 0.5mm 돌출된 로데슈바르즈 로고가 표시된 테스트 레이돔을 제작했다[그림2].
이어서 [그림3]은 측정 시스템에서 보는 고해상도 레이더 이미지다. 밝기가 더 밝은 부분은 반사성이 높고 균일성이 떨어지는 부분을 의미한다. 모서리의 나사와 같은 금속 물체는 흰색으로 표시되고, 로고의 외곽선은 반사성은 높지만 균일하지 않은 것으로 표시된다.
[그림3]의 왼쪽 화면은 테스트 레이돔의 비균일한 반사성을, 오른쪽은 단방향 감쇠를 의미한다.
또한 이 시스템으로 투과율을 측정할 수도 있다. 따라서 특정 주파수에 대한 소재의 주파수 매칭이나 감쇠를 확인하는 데 적합하다. 측정체(DTU: Device Under Test) 뒤에 있는 보정된 송신 유닛([그림1] 참조)이 선택한 주파수 대역을 스윕하고, 이 배열 안테나가 신호를 수신해 레이돔의 송신 주파수 응답을 정밀하게 평가할 수 있다. 이 결과는 레이돔이 원하는 작동 주파수에서 RF와 레이더 신호에 대해 얼마나 잘 매칭되는지를 보여준다.
자율주행 보조 시스템은 주변 감지를 위해 장착된 여러 레이더 시스템의 신뢰할 수 있는 고품질 데이터에 접속해야 한다. 하지만 RF 신호 경로에 다양한 속성의 레이돔이 존재할 경우 이 데이터의 품질과 신뢰성은 약화될 수 있다. 또한 차량 생산 라인에서 레이돔의 속성을 확인하고 조정하는 작업은 너무 복잡하고 높은 비용과 시간이 소요된다.
따라서 제조업체는 독립실행형 부품으로 레이돔의 RF 성능을 검증해볼 필요가 있다. R&S QAR 퀄리티 오토모티브 랜덤 테스터를 사용할 경우 이런 검증을 수행하기 위한 맞춤형 접근 방식을 제공하고, 공간 분해 RF 반사성과 전송 측정 측면 모두에서 훨씬 짧은 시간에 더 자세한 결과를 얻을 수 있을 것이다.
글 | 안드레아스 레일(Andreas Reil), 스테판 호이엘(Steffen Heuel)
자료제공 | 로데슈바르즈(www.rohde-schwarz.com)
그래도 삭제하시겠습니까?