FMCW LiDAR란?

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FMCW LiDAR란?

FMCW LiDAR(Frequency-Modulated Continuous Wave LiDAR)는 주파수를 연속적으로 변화시키는 레이저를 이용해 물체까지의 거리와 속도를 동시에 측정하는 LiDAR 기술입니다.

기존 LiDAR가 짧은 레이저 펄스를 발사하고 돌아오는 시간을 측정하는 ToF(Time of Flight) 방식을 주로 사용하는 반면, FMCW LiDAR는 연속적으로 발사되는 레이저의 주파수 변화를 분석해 정보를 얻습니다.

FMCW LiDAR의 작동 원리

FMCW LiDAR는 주파수가 선형적으로 조금씩 변하는 연속 레이저(Chirp Signal)를 발사합니다. 이 레이저가 물체에 반사되어 돌아오면, 센서는 발사한 신호와 반사된 신호를 광학적으로 간섭시켜 그 주파수 차이(Beat Frequency)를 계산합니다.

이 비트 주파수에는 거리 정보와 속도 정보가 함께 섞여 있는데, 이를 분리하기 위해 보통 주파수를 올리는 구간(상향 처프)과 내리는 구간(하향 처프)을 번갈아 사용합니다.

• 거리(Distance): 반사 신호가 물체까지 왕복하는 동안 발생한 시간 지연은 주파수 축 위에서 비트 주파수의 형태로 나타납니다. 상향·하향 처프에서 얻은 두 비트 주파수의 평균(합)을 이용해 순수한 지연 성분을 계산하고, 이를 거리로 환산합니다. 즉 시간을 직접 측정하는 ToF와 달리, 주파수 차이를 거리로 환산하는 방식입니다.
• 속도(Velocity): 물체가 움직이면 반사광의 주파수 자체가 도플러 효과(Doppler Effect)에 의해 이동합니다. 상향·하향 처프의 두 비트 주파수의 차이를 이용해 이 도플러 성분만 따로 추출하면, 물체가 센서를 향해 다가오는지 멀어지는지와 그 속도를 직접 계산할 수 있습니다.

즉, FMCW LiDAR는 단순히 "어디에 있는가"뿐 아니라 "얼마나 빠르게 움직이는가"까지 한 번의 측정으로 파악할 수 있습니다.

ToF LiDAR와의 차이

구분	ToF LiDAR	FMCW LiDAR
거리 측정	가능	가능
속도 측정	별도 계산 필요(연속 프레임 비교 등 간접 방식)	도플러 효과로 직접 측정 가능
레이저 방식	짧은 펄스, 높은 첨두 출력	연속파(Continuous Wave), 낮은 첨두 출력
검출 방식	비간섭성(직접) 검출	간섭성(코히런트) 검출
악천후 대응	상대적으로 유리	파장 특성상 오히려 불리할 수 있음
외부 광 간섭	영향을 받을 수 있음	비교적 강함
기술 성숙도	상용화가 널리 진행	발전 및 상용화 확대 중

FMCW LiDAR의 장점

• 거리와 속도를 동시에, 그것도 별도의 프레임 비교 없이 한 번에 측정할 수 있습니다.
• 도플러 효과를 활용해 움직이는 물체를 더 정확하게 추적할 수 있습니다.
• 간섭성 검출 방식 덕분에 태양광이나 다른 LiDAR에서 발생하는 외부 간섭에 비교적 강한 특성을 가질 수 있습니다.
• 같은 탐지 거리와 감도를 얻는 데 필요한 첨두 광출력이 ToF보다 훨씬 낮아, 대체로 인체 눈에 안전한 파장대( eye-safe wavelength, 예: 1550nm 대역)에서 레이저를 상시 켜둔 채로 동작할 수 있습니다.

FMCW의 한계

FMCW LiDAR는 장점이 많지만 해결해야 할 과제도 있습니다.

• 상향·하향 처프를 정밀하게 생성하고 두 신호를 광학적으로 간섭시켜야 하기 때문에 광학 설계와 신호 처리 기술이 복잡합니다.
• 간섭성 검출을 위해 코히런스 길이가 긴 레이저(DFB 레이저, 외부 공동 레이저 등)가 필요해 제조 비용이 아직 높은 편입니다.
• 고성능 레이저와 정밀한 광학 부품이 필요합니다.
• ToF LiDAR에 비해 상용 제품의 선택지가 아직 적습니다.
• FMCW가 주로 사용하는 파장은 물에 흡수되는 정도가 커서, 비·안개 등 악천후에서는 오히려 기존 ToF 방식보다 불리할 수 있습니다. 

활용분야

FMCW LiDAR는 다음과 같은 분야에서 주목받고 있습니다.

• 자율주행 자동차
• 자율주행 배송 로봇
• 산업용 로봇
• 드론
• 스마트 팩토리
• 고정밀 3D 매핑

정리

FMCW LiDAR는 주파수를 연속적으로 변화시키는 레이저를 사용해 거리와 속도를 동시에 측정하는 차세대 LiDAR 기술입니다. ToF처럼 시간을 직접 재는 대신, 상향·하향 처프의 비트 주파수를 분석해 거리와 도플러 속도를 분리해내는 것이 핵심 원리입니다.

기존 ToF LiDAR보다 구조와 신호 처리가 복잡하지만, 움직이는 물체를 더 정확하게 인식하고 외부 간섭에 강한 특성을 제공할 가능성이 있어 자율주행과 피지컬 AI 분야에서 중요한 기술로 평가받고 있습니다. 아직은 비용과 기술적 난이도가 높은 편이지만, 관련 기술이 발전하면서 다양한 로봇과 자율주행 시스템 등 적용 범위가 점차 확대되고 있습니다.