최근 논문들¹⁻⁵이 주파수 변조 연속파(FMCW) 라이다 시스템 이점이라며 마케팅 주장을 펼쳤습니다. 예상대로 헤드라인 너머 더 많은 이야기가 있습니다. 이 글은 그런 주장들을 검토하고 ToF(Time of Flight) vs FMCW 라이다 각각에 대한 기술적 비교를 제공합니다.
모든 ToF와 FMCW 시스템이 동일하지 않음을 이해하므로 AEye에서 채택한 ToF에 초점 맞춥니다. 이 글이 성공적 실무자가 극복해야 할 어려운 시스템 트레이드오프 개요 제시해 건전한 논의, 경쟁, 궁극적으로 ToF·FMCW 양쪽 개선 자극하길 희망합니다.
거짓입니다.
최근 뉴스 기사들과 달리 FMCW 라이다는 아주 오래전부터 존재했습니다. 레이저 발명⁹ 7년 후인 1960년대 MIT 링컨연구소⁸ 작업에서 비롯됐습니다. 수년간 FMCW 대해 배운 교훈들(미분류·공개 도메인)은 안타깝게 오래 잊혔습니다. 최근 바뀐 건 긴 코히어런스 길이 레이저 가용성 증가. 이론적으로 매우 높은 신호 이득 제공해 관심 재점화됐지만 자율주행차용 생존 가능하게 만들려면 여전히 여러 한계 해결 필요.
입증 안 됐습니다.
ToF 라이다 시스템은 매우 빠른 레이저 샷 속도(AEye 시스템 초당 수백만 샷), 민첩한 스캐닝, 증가된 반환 현저성, 고밀도 관심영역(ROI) 적용 가능 → 타 시스템 대비 반환 정보 2~4배 우위. 반면 저복잡도 FMCW 시스템 다수 초당 10만~100만 샷(~50배 느림)만 가능. 즉 나노초 체류시간·고반복률 vs 수십 마이크로초 체류시간·저반복률(레이저/수신기 쌍당) 비교. 상용 자동차급 ToF 라이다 제품들 초당 수백만 반환, 넓은 FOV, 초고해상도 1000포인트/도² 이상 달성. AEye는 이 성능 맞출 FMCW 시스템 모름(시판 FMCW 시스템들 구체적 성능 스펙 부족 경향).
긴 거리 물체 탐지·획득(분류)·추적 모두 레이저 샷 속도 큰 영향. 높은 레이저 샷 밀도(공간/시간)가 더 많은 정보 제공해 빠른 탐지·더 나은 노이즈 필터링 가능. AEye 시스템 저반사율 소형 물체·보행자 200m+, 차량 300m+, 3급 트럭 1km 거리 다중 포인트 탐지 시연. ToF 기술 거리 측정 능력 입증. 사실상 모든 레이저 거리측정기 ToF 사용, FMCW 안 씀(예: Voxcel 거리측정기¹⁰ 제품들, 10km+ 탐지거리). 최근 기사들 FMCW 우월 거리 주장하지만 AEye는 매칭 FOV·전체 거리 스와스·포인트 밀도 유지하며 첨단 ToF 시스템 거리 맞출 FMCW 시스템 못 봄.
오해 소지 있습니다.
ToF 시스템(AEye 라이다 포함) 타겟 속도 결정 위해 다중 레이저 샷 필요. FMCW 단일 샷 주장 대비 오버헤드처럼 보일 수 있음. 하지만 더 중요한 건 모든 속도 측정이 동등하지 않음 이해. 정면 충돌 두 차량 방사속도 긴급(긴 탐지거리 바람직 이유 중 하나), 하지만 측면 속도도 90% 이상 위험한 에지케이스 구성. 신호위반 차량, 급회전 차량, 보행자 도로 진입 모두 회피 의사결정 위해 측면 속도 필요. FMCW는 측면 속도 동시 단일 샷 측정 못 하며 ToF 대비 측면 속도 발견 이점 전무.
30~40m/s(~67~89mph) 이동 차량 레이저 샷으로 탐지. 50μs 후 두 번째 샷이면 타겟 이동 ~1.75mm. 통계적 유의미 속도 확립 위해 타겟 최소 2cm 이동 필요, 약 500μs 소요(충분한 SNR로 범위 샘플 보간 필요). 두 번째 측정으로 통계적 유의미 거리·속도 프레임레이트 대비 무시할 시간 내 확립. 민첩한 스캐너로 500μs 속도 추정 전용·'포로' 아님. 대신 중간 다른 영역/타겟 많은 샷 발사 후 원래 타겟 돌아와 고신뢰도 속도 측정 가능. 반면 FMCW 시스템 전체 체류시간 포로.
체류시간 가중: FMCW 종종 최소 2회 레이저 주파수 스위프(업·다운) 필요해 모호하지 않은 탐지 형성, 다운 스위프가 범위+도플러 시프트 혼합서 발생 모호성 극복 정보 제공. 체류시간 2배 증가. 10μs 타겟 이동 통상 0.5mm만으로 진동 vs 실제 직선 운동 분리 어렵게 만듦.
실은 정반대!
허위 반사 ToF·FMCW 둘 다 발생. '헤일로', '쉘', 제1표면 반사, 오프축 공간 사이드로브, 다중경로, 클러터 등. 좋은 라이다 핵심: 공간영역(좋은 광학계)·시간/파형영역 양쪽 사이드로브 억제. ToF·FMCW 공간적 행동 비슷하지만 FMCW 진정 고통받는 건 고대비 타겟 존재 시 시간/파형 영역.
클러터(Clutter): FMCW 윈도우 기반 사이드로브 제거로 자기간섭(클러터) 대처, 사이드로브 없는 ToF보다 훨씬 덜 견고. 맥락: 10μs FMCW 펄스 빛 반경 1.5km 범위 확산. 이 범위 내 물체들 FFT(시간) 사이드로브에 걸림. 1μs 짧은 FMCW 펄스도 150m 밖 고강도 클러터로 오염 가능. 직사각형 윈도우 FFT 1차 사이드로브 잘 알려진 -13dB, 일관된 좋은 포인트클라우드 필요 수준 훨씬 위. (한 샷 내 어떤 물체도 다른 범위 포인트와 강도 차이 13dB 초과 안 함 - 실제 도로 조건서 unlikely).
더 깊은 사이드로브 테이퍼 적용 가능하지만 펄스 확산 희생. 게다가 수신기 프론트엔드 비선형성(소위 스퓨리어스프리 다이나믹 레인지)이 압축·ADC 스퓨어(3차 절점), 위상노이즈⁶, 대기 위상 변조 등 이유로 전체 시스템 사이드로브 레벨 한계 설정, 윈도우 테이퍼로 완화 불가. 항공우주·방위 시스템 극복 가능하지만 저가 자동차급 시스템서 FMCW 발생 장거리 소형물체-근거리 레트로반사체 분류 위한 시간순간 >100dB 다이나믹레인지 가능 시스템 모름.
반면 전형적 가우시안 ToF 시스템 2ns 펄스폭서 펄스폭 몇 cm 넘어 시간기반 사이드로브 전무. 소형·대형 오프셋 반환 간 다이나믹레인지 아무리 커도 소형 타겟 반환 포착 시 광검출기 입사광에 영향 없음.
제1표면 반사(First Surface): 잠재적 더 강한 간섭원: 라이다 시스템 적용 풍실드 등 제1표면 반사. 송신빔 준연속이라 반사도 연속·강력, 원거리 물체 상대적 유사 저주파 성분 → 변환데이터 바람직하지 않은 FFT 사이드로브 생성. 가용 다이나믹레인지 현저 감소도 결과. 게다가 풍실드 기계적 스트레스 다층 유리로 복합 비균질 편광 → 포토디텍터 신호반환 전기장 무작위화 → 광학 혼합 디코히어런스 복잡화.
마지막으로 시간영역처리 vs 주파수영역처리 본질 차이로 다중에코 처리(고다이나믹레인지에도) ToF 시스템서 직관적, FMCW 시스템서 상당한 디스앰비규에이션 필요. 다중에코 처리는 연기·증기·안개 등 은폐물 대응 특히 중요.
입증 안 됐음.
FMCW 주장 이점: 포토닉스·통신 기술 성숙도 활용해 고성능 확장(비용절감도). 사실 FMCW 저가 포토디텍터(PIN) 사용 가능, ToF 흔히 APD 등 고가 검출기 사용. 하지만 세부사항 훨씬 뉘앙스 있음.
라이다 부품 공급망 상대적 초기지만 파이버레이저, PIN 어레이 수신기, ADC, FPGA/ASIC 수년간 다양한 산업 사용. 공급기반 관점서 매우 저위험. 반면 FMCW 시스템 핵심부품: 매우 낮은 위상노이즈 레이저, 많은 엄격 요구사항, 대량 제조비용 낮추는 타 고볼륨 사용자 없음.
ToF 라이다 광학부품 상용시스템 널리 일상 사용 부품 파생. 신개발: MEMS, 이전 자동차 압력·에어백 센서, 개틀링건, 미사일 시커, 군용 레이저 공진기 Q-스위치 등 거의 모든 분야 사용. FMCW 시스템 부품들 실험실 환경서 수년간 가용했지만 주파수 가변 긴 코히어런스 길이 다이오드 레이저 등 아이템 고볼륨 생산 시스템 배포 전무.
게다 ToF 라이다 이미 하드웨어 스택 전반 자동차 인증 부품 다수 공급업체 보유. 역사적 파괴적 기술(FMCW 레이저 소스 등) 독점 사내 제조 시 이미 품질기준 통과한 견고한 공급망 누리는 제품 상쇄 위해 10배 기술 이득 필요.
확장성=성숙도 직결. 기술 성숙도 기술법: NASA 1970년대⁷ 개발 '기술준비도수준(TRL)'. 기술 영감(TRL 1)~다수 성공 임무 배치(TRL 9) 경로 따라 번호 부여. ToF 라이다 구성요소·시스템 TRL 8, FMCW 구성요소·시스템 TRL 4로 판단. 수년 걸릴 큰 기술준비도 격차. FMCW 시스템 주요 확장성 결함: 레이저 칩 펄스 스트레칭 탓 저샷률, 반환 처리 필요 고속 ADC·FPGA. 시스템 레벨 더 높은 샷률 필요시 광학경로·전자장치 병렬 채널 배치 가능. 단일 스캐닝 MEMS 쓸 수 있지만 복제 항목이 라이다 시스템 대부분 비용 차지, 채널 2배면 전체 비용 거의 2배.
레이저 비용: FMCW 시스템 코히어런스 길이는 레이저 설계·제작 결정, 최장 타겟 거리 2배 이상 필요. 통상 저위상노이즈 레이저 기존 다이오드 레이저보다 훨씬 비쌈. 반면 펄스 형태 양호 유지 외 ToF 시스템 레이저 요구사항은 통신시장 이미 요구사항 외 거의 없음.
수신기 비용: FMCW 검출기 저가 PIN 가능 상대적 저렴하지만 프론트엔드 광학·백엔드 전자장치 요구로 총 수신기 비용 비쌈. 동축 FMCW·동축 ToF 시스템서 검출기 크기 필요 기반 검출기 비용 큰 차이 없음. 총 수신기 비용 ToF 유리. 하지만 FMCW 진정 비용 빛나는 건 단거리 시스템. 코히어런스 높은 에너지효율로 다이오드 레이저 고용 가능, 칩스케일 라이다 달성 가능.
광학계 비용: 전형적 ToF 시스템 비코히어런트 검출(단순 진폭 피크 검출)서 광학요소 λ/4(소위 1/4파장) 이내면 됨. 비교 FMCW 코히어런트 검출서 전체 광학표면 집합적 λ/20 같은 훨씬 엄격한 공차 필요. 이 부품들 매우 고가.
전자장치 비용: AEye ToF 시스템 전자장치: 고속 ADC·FPGA로 피크검출·거리계산. 전자장치 대역폭 거리해상도 비례, 일반 라이다 시스템 요구사항서 부품들 특이사항 없음. FMCW ADC 변환율 ToF 2~4배, 초고속 FFT 수행 가능 FPGA 뒤따라야. ASIC 써도 FMCW 복잡도·비용 ToF 처리 복잡도·비용 수배.
입증 안 됐음.
FMCW 낮은 TRL, OPA 훨씬 낮은 TRL(대략 TRL 3, 원리 실험적 증명, FMCW 필요 규모 활용 불가). 원조 DARPA MOABB 프로그램: 매우 낮은 공간사이드로브 송신빔스티어링 성능 위해 서브미크론(λ/2) 웨이브가이드 필요¹¹. 결과: 그런 작은 웨이브가이드 전력처리능력 한계, 접근법 근본적 한계로 확인. 수신측: 입력렌즈 빛을 포토닉 기판 커플링해 매우 작은 웨이브가이드 모으는 아이디어도 광학성능 과제(에탕듀 제한).
대부분 OPA 시스템 열적 레이저 파장 시프트로 1차원 빔스티어링, 위상배열로 타 차원 스티어링. 위상배열 빔스티어링 레이저빔 주파수 시프트에 매우 빠르게 열화(공간사이드로브 생성) 잘 알려짐. 레이저 일정강도·일정파장 의존 빔스티어링 메커니즘과 레이저 주파수 스위핑 의존 레인징 메커니즘 결합, 전통적 FMCW 접근엔 안 맞음. FMCW와 이렇게 초기단계 빔스티어링 기술 결합 아이디어 엄청 위험. 10년 더 걸릴 수 있음.
AEye는 비용·거리·성능·포인트클라우드 품질 중요할 때 고성능 민첩스캐닝 ToF 시스템이 자율주행차 라이다 니즈 더 효과적 서비스한다고 믿습니다. 하지만 낮은 샷률 적합하고 FMCW 시스템 더 경제적 응용서 FMCW 틈새 역할 할 논리적 이유도 보기 어렵지 않습니다.
이 글은 루이스 두산(Luis Dussan), AEye 창업자 겸 CTO(더블린, CA) 작성. 자세한 정보는 여기 .
감지기
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