자동차 산업은 기술 발전을 통하여 차량의 안전 기능을 지속적으로 개선해왔다. 이러한 발전의 정점에 선 기술 중 하나가 4D 이미징 레이더 기술이다. 이 미래적인 기술은 차량이 주변 환경을 감지하고 반응하는 방식을 혁신적으로 변화시킴으로써 자동차 신뢰성의 수준을 크게 향상시킬 수 있는 높은 잠재력을 가지고 있다.

사실 자동차 레이더는 도로 위를 주행하는 운전자에게만 국한된 문제가 아니다. 차량의 운전자는 물론 보행자와 그 가족, 그리고 그 지인들까지, 거의 모든 사람에게 영향을 미치는 굉장히 중요한 사안이다. 그렇기에 자동차의 안전을 담보해줄 수 있는 신기술 개발에 대한 산업적/사회적 요구가 증가하는 것은 매우 자연스러운 일이라고 할 수 있다. 

4D 이미징 레이더(혹은, 이미징 레이더)는 운전자에게 차량 주행 환경에 대한 고도화된 정보를 실시간으로 제공하기 때문에, 최근 들어 빠른 속도로 자율 주행 기술이 발전함에 따라 차량 안전도 확보의 측면에서 자동차 산업계에서 집중적인 조명을 받고 있는 최신 기술이다. 본 고의 목적은 4D 이미징 레이더 기술이 가진 자동차 안전 분야에서의 기여도와 잠재적 응용 분야에서의 가능성에 대하여 포괄적인 개요를 제공하는 것이다. 

레이더 기술은 19세기 독일 물리학자 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)가 전자기장 방사에 대하여 고전적인 실험을 실시한 이후 지속적으로 발전해 왔다. 20세기 들어 1930년대부터 여러가지 중대한 개발이 이루어졌으며 2차 대전을 거치면서 비약적인 도약을 하였다. 4D 이미징 레이더는 백여년이 넘는 시간 동안 발전해 온 레이더 기술에 그 뿌리를 두고 있다.

4D 이미징 레이더는 기존 레이더의 작동 방식과 같이 무선 주파수 신호를 방출한 다음 물체에 부딪힌 후 다시 반사되는 전자기파를 감지하는 방식으로 작동한다. 송신기는 77GHz 혹은 79GHz 레이더 파를 사용하여 변조된 신호를 보내고 수신기는 주변 영역에서 반사되는 각 신호를 개별적으로 구별한다. 신호가 되돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하여 반사파의 도플러 편이를 해석하는 4D 이미징 레이더 기술은 더욱 강화된 성능을 발휘할 수 있는 칩 시스템과 안테나들을 사용하여 주행 환경의 온전한 3차원 공간 정보에 속도 정보를 더하여 4차원 정보를 생성한다. 이미징 레이더는 전파를 사용하여 물체를 감지하고 위치를 파악하며 감지 거리내에 있는 물체의 거리(Range), 수평 각도(Azimuth), 수직 각도(Elevation), 속도(Velocity)에 대한 실시간 정보를 제공할 수 있는 것이다.

더 나아가 4D 이미징 레이더는 기존 레이다 대비 다수의 송수신 안테나와 향상된 디지털 신호 인식 체계를 통하여 사물의 정보를 포인트 클라우드 형태로 더욱 세밀하게 인식할 수 있다. 도로 상의 사물에 대한 구분 및 정적 객체를 활용한 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping) 알고리즘을 통해 주변 환경의 3D 정보를 가상 현실로 구축한 후, 주행 중인 차량의 위치까지 파악하는 다이나믹 매핑(Dynamic Mapping)이 가능하게 해주기 때문에 4D 이미징 레이더 시스템은 자동차의 미래 기술이라고 볼 수 있는 자율 주행을 진일보 시키기에 좀 더 적합한 기술이다.

1770년 프랑스 공병 대위였던 군사 기술자 죠셉 퀴뇨(Nicolas-Joseph Cugnot)가 대포를 운반하는 포차를 견인할 목적으로 개발한 증기기관 동력의 3륜 증기 자동차가 처음 도로를 달리기 시작한 이후 자동차 신뢰성은 제조자와 소비자 모두에게 항상 최우선 과제였다. 세계 2차 대전을 거치면서 중공업 분야의 산업 발전과 함께 도로를 주행하는 차량의 대수가 지구상 대부분 나라에서 늘어났고, 자동차 신뢰성에 대한 사회적인 요구도 지속적으로 증가해왔다. 이러한 필요에 따라 ADAS(Advanced Driver Assistance System)로 불리우는 자동차 운전자 보조 시스템이 1990년대 중후반부터 등장하기 시작했다.

ADAS의 대표적인 예는 Adaptive Cruise Control(ACC, 혹은 적응형 크루즈 컨트롤)이다. 1999년 Mercedes-Benz S Class에 최초의 레이더 기반 크루즈 컨트롤이 장착된 이후, 레이더에 기반한 이 혁신적인 기술은 자동차 운전자들이 차량의 제어를 전적으로 그들의 발에만 의존하던 자동차 기술의 석기 시대를 끝내고 새로운 ADAS 시대를 열었다. 레이더는 이 기술과 함께 도로 위에서 자동차 사고를 줄이는데 혁혁한 전공을 세웠다. 미국 도로교통안전국(NHTSA)의 보고서에 따르면 레이더 기술을 사용하는 전방 충돌 경고(FCW) 및 자동 긴급 제동(AEB) 시스템은 추돌 사고를 최대 50%까지 줄일 수 있다고 한다(출처 : 미국 도로교통안전국, “전방 충돌 경고 및 자동 긴급 제동 시스템 : 기술 연구 요약,” 2018).

레이더가 교통 안전에 가져온 놀라운 기여도에도 불구하고 기존의 레이더는 단일 Chip에 의존하기 때문에 정보 처리에 제한이 있다는 분명한 한계점을 가지고 있다. 기본적으로 기존의 레이더는 도로 위에서 움직이는 사물을 2D로 인식한다. 이렇게 되면 시스템은 동적 물체를 감지하는 데는 어느 정도 효과적이지만, 수직 각도를 측정할 수 없기 때문에 높이를 가지고 있는 구조물에 대한 변별력이 떨어진다. 뿐만 아니라, 속도 정보를 처리할 수 없다. 그래서, 이미 정지하고 있던 물체(Stationary or Stopped Target)는 인식하지 못한다. 이러한 한계점이 (반)자율 주행과 결합되면 해당 차량에 대한 주행 안정성은 저하될 수 밖에 없다.

2020년 대만의 고속도로에서 발생한 테슬라 차량의 추돌 사고가 그 대표적인 예이다. 당시 테슬라 차량은 수백 미터 앞에 전복되어 있던 트럭을 인식하지 못한 채 고속 주행으로 정면 추돌했다. 당시 테슬라 차량에 장착되어 있던 기존 레이더의 한계로 인해 트럭을 인식하지 못하거나 트럭과 하늘의 경계를 인식하지 못하여 통과할 수 있는 공간으로 인식했을 것이다.

4D 이미징 레이더는 이러한 기존 레이더의 한계점을 극복한 차세대 차량용 레이더 기술이다. 4D 이미징 레이더는 보다 많은 안테나와 칩을 사용하여 환경을 보다 정밀하게 관측하고 인식할 수 있다. 시스템이 물체의 위치, 속도, 방향을 정확하게 감지할 수 있다. 최근 양산되는 차량용 4D 이미징 레이더에는 12개의 송신기와 16개의 수신기를 갖춘 칩이 장착되어 192개의 가상 레이더 채널을 구현한다. 기존 레이더 대비 4배 더 많은 수치이다. 고성능 레이더 프로세서로 여러 안테나의 데이터를 처리함으로써 4D 이미징 레이더는 주변 환경을 훨씬 더 상세하고 더 멀리까지(기존 감지 거리 : 200m, 4D 이미징 레이더 감지 거리 : 300m)정확하게 파악할 수 있다.

기술이 아무리 발전했다고 한들 안정적이지 않다면 소용이 없고 사회에 기여할 수 없다면 의미가 없다. 4D 이미징 레이더의 명확한 기술은 안정성과 사회 기여도를 가지고 있다.

4D 이미징 레이더는 전통적인 레이더 기술에 그 뿌리를 두고 있다. 레이더는 2차 세계 대전 중 주로 항공기나 선박 탐지와 같은 군사적 용도로 사용되었고, 일촉 즉발의 전쟁 상황에서 철저하게 검증되었다. 2차 세계 대전의 종전 이후에는 많은 테스트와 응용, 그리고 실질적인 적용을 기반으로 민간 환경에서도 큰 영향력을 발휘하기 시작하였다. 일기 예보, 항공 교통 관제, 감시 등 다양한 목적의 레이더 기반 시스템이 그간의 대표적인 민간 산업 적용 사례이다.

최근 몇 년 동안 발전한 4D 이미징 레이더의 기술은 레이더의 진화에 있어 중요한 돌파구라고 할 수 있다. 고급 알고리즘과 신호 처리 기술을 사용하여 물체를 감지 및 분류하고, 물체의 위치, 속도 및 이동 방향에 대한 실시간 정보를 제공하며, 다양한 기상 조건에서 작동할 수 있기에 여러가지 상황에서 안정적이고 정확한 센싱이 가능하다. 차량 사고와 탑승자 안전을 생각한다면 이는 자동차 신뢰성에 있어 매우 중요한 요소이다.

다른 센서들과 비교해보자. 광학 기술에 기반을 둔 카메라와 라이다(Lidar)는 물리적인 특성상 시계 현황이나 기상 조건에 영향을 받을 수 밖에 없다. 카메라는 인식한 물체 뒤에 있는 사각 지대에 대한 정보를 파악하기 어렵다. 라이다는 기상 여건에 영향을 받는다. 빛이 가진 물성적 특징으로 인해 비나 눈이 많이 와서 앞이 잘 보이지 않는 상황에서는 라이다는 정상적으로 작동할 수 없다. 차량 사고가 한순간에 발생한다는 것을 생각한다면, 자동차 안전에 관하여 이는 반드시 짚고 넘어가야 할 사항이다.

예를 들어보겠다. 2015년 2월 인천 영종대교에서 105중 추돌 사고가 발생하였다. 짙은 안개로 가시거리는 10m에 불과했다. 첫 추돌 사고는 택시 2대가 부딪히면서 발생했고, 공항 리무진 버스가 택시를 들이 받으면서 연쇄 추돌 사고로 이어졌다. 사고를 당한 운전자들에 따르면 바로 앞차의 비상등조차 보이지 않을 정도로 앞이 보이지 않았다고 한다. 악천후에서 고속 주행 차량이 시계 조건에 영향을 받지 않고 주변 환경을 상대적으로 정확하게 관측할 수 있게 해주는 4D 이미징 레이더가 이 날 사고 차량들에 장착되어 있었다면 그 날의 사고는 피할 수 있었을 것이다. 여타 조건이나 소스로부터 영향을 덜 주고 덜 받으며 향상된 주변 환경 관측 능력과 정밀한 디지털 프로세싱을 통하여 주행 차량의 안전성을 높이고 도로에서의 사고 위험을 줄이는 4D 이미징 레이더는 현재까지 개발된 기술 중 가장 신뢰할 수 있는 자동차 안전 기술이다.

세계보건기구(WHO)에 따르면 도로 교통사고는 5~29세 젊은이들의 주요 사망 원인이다. 전 세계적으로 매년 130만 명이 사망하는 것으로 추정되는 놀라운 통계이다. 2,000만 명에서 5,000만 명 이상의 사람들이 부상을 입으며, 많은 사람들이 부상으로 인해 장애를 입는다. 이러한 사고는 인명 손실 뿐만 아니라 의료비, 재산 피해, 생산성 손실과 관련된 비용으로 사회에 막대한 영향을 미친다. 대부분의 국가에서 도로 교통 사고로 인해 국내 총생산의 3%에 달하는 비용이 발생한다.

4D 이미징 레이더 기술은 주변 환경을 보다 포괄적이고 정확하게 파악하여 운전자와 주행 시스템이 더 나은 의사 결정을 실시간으로 내릴 수 있도록 지원한다. 그리고 그 결과 운전자, 승객 및 기타 도로 사용자의 안전도가 더욱 높아질 수 있다. 뿐만 아니라 4D 이미징 레이더 기술은 사각 지대에 있는 차량, 보행자, 기타 장애물과 같은 잠재적 위험을 운전자에게 경고하여 사고를 미리 예방하는데 도움이 될 수 있다. 이 기술을 대다수의 양산 차량에 통합한다면 전반적인 자동차 안전성이 크게 높아지는 것은 물론 제조업체와 운전자 모두 좀 더 안심할 수 있는 진보된 자율주행 기술 시대를 열어갈 수 있다.

지금까지 살펴본 바와 같이 4D 이미징 레이더 기술은 자동차 안전 분야에서 비약적인 발전을 이룩할 수 있는 혁신적인 기술이다. 이 놀라운 기술은 첨단 전파 기술을 사용하여 어떤 기상 조건에서도 차량 주변을 4차원으로 볼 수 있게 함으로써 운전자와 차량 주행 시스템에 전례 없는 수준의 정밀한 인식을 제공한다. 4D 이미징 레이더의 이점은 장애물 감지, 사각 지대 감지 기능, 운전자 보조 시스템 개선과 보다 신뢰할 수 있는 자율 주행 기술의 발전에 이르기까지 다양하고 광범위하다. 이 기술은 수많은 생명을 구할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 자동차 사고의 수를 줄이고 모두에게 더 안전한 도로를 만들 수 있는 가능성을 가지고 있다.

4D 이미징 레이더는 자동차 산업과 자동차 안전 분야의 판도를 바꿀 수 있는 기술이다. 도로 안전에 대한 생각과 접근 방식을 혁신할 수 있는 힘을 가지고 있기 때문에 앞으로 어떤 일이 벌어질지 기대가 된다. 점점 더 많은 자동차 제조업체가 이 기술을 채택하고 새로운 애플리케이션을 모색하고자 하고 있기에 4D 이미징 레이더의 미래는 밝고 가능성으로 가득 차 있다.