어두운 늦은 밤에 자율주행차가 한적한 지방도시를 달리고 있는데 1개이상의 장애물이 나타나게 된다면 자율주행차는 어떻게 그 상황을 해쳐 나갈까 궁금할 것이다.

자율주행차가 이런 난관을 헤쳐나가려면 먼저 장애물을 감지하고, 크기, 형태, 위치 정보를 충분히 모아서 통제규칙이 가장 안전한 길을 찾아야 한다. 이때 운전자가 없으니 차량은 사태를 해결할 지능형 시각인 감지기가 필요하고, 환경이나 날씨와 상관없이 얼마나 어둡든 간에 찰나의 순간에 모두 처리해야 한다. 

아주 어려운 과제이지만 두 가지를 결합한 해법이 있다. 레이저를 사용하는 탐색기, 즉, 라이다와 인터넷이 활발하게 움직이게 하는 통신기술의 축소판, 통합광학기의 조합이다. 라이다를 이해하려면, 관련기술인 레이다부터 보면 이해하기 쉽다. 항공에서는 레이다 안테나가 항공기에 전파나 초단파를 발사해서 전파가 돌아오는 시간을 측정해서 위치를 알아낸다. 하지만 그것은 제한적 방법이다. 전파의 파장이 크기 때문에 미세한 부분을 형상화하기 어렵다. 반대로 자율주행차의 라이다 체계는 광 탐지 및 측정을 의미하는데 좁은 대역의 보이지 않는 적외선 레이저를 사용한다. 길 건너편 보행자의 셔츠 단추만한 크기도 형상화 할 수 있다. 그럼 물체의 형태나 깊이는 어떻게 인식하게 될까  라이다는 아주 짧은 레이저 펄스(pulses)를 연속 발사하여 깊이 분해능을 정한다. 

시골길의 큰 고라니가 있다고 가정해 보자.
차가 지나가면서 라이다 펄스(pulses) 하나가 뿔의 아래 부분에서 산란된다. 다른 펄스(pulses) 하나는 뿔의 끝부분에서 산란되어 돌아온다. 두 번째 펄스(pulses)가 돌아오기까지 시간이 얼마나 더 걸렸는지 측정하여 뿔의 형태에 대한 자료를 얻는다. 짧은 펄스(pulses)를 많이 사용하여 라이다는 상세한 형태를 빠르게 그려낸다. 빛의 펄스(pulses)를 만드는 가장 확실한 방법은 레이저를 켰다 껐다 하는 것이다. 그렇게 하면 레이저는 불안정해져서 펄스(pulses)의 정밀한 시간에 영향을 주게 된다. 결국 깊이 분해능에 제한을 주게 되는 것이다. 그냥 켜 둔채로 두고 주기적으로 빛을 차단하는 신뢰성있고, 신속한 다른 방법을 사용하는 것이 더 좋을 것이다. 

바로 그것이 통합광학기를 사용하는 이유이다. 인터넷의 디지털 자료들은 정밀하게 맞춰진 빛의 펄스(pulses)에 실려 전달된다. 펄스(pulses)는 100picosecond 정도로 짧다. 이런 펄스(pulses)를 만드는 한 가지 방법은 마하젠더 변조기(Mach-Zehnder modulator)를 사용하는 것이다. 파동의 특정한 상태를 이용하는 기구이다.

연못에 던진 돌멩이가 파문이 일면 파문이 퍼져 나가고 겹치면서 패턴을 만든다. 어떤 곳에서는 마루가 합쳐지면서 아주 높이 쏟아 오른다. 다른 곳에서는 상쇄되어 없어진다. 마하젠더 변조기(Mach-Zehnder modulator)가 이와 같은 역할을 한다. 빛의 파동을 평행한 두 부분으로 분리했다가 다시 합치게 한다. 한쪽이 느려지고 살짝 지연되면 파동은 동기화가 깨진 채로 합쳐져서 상쇄하거나 빛을 가로 막게 된다. 한 쪽에서 이런 지연을 조작하면 변조기는 빛의 펄스(pulses)를 발하는 스위치와 같은 역할을 한다. 100피코 초( 100picosecond) 동안 나오는 빛의 펄스(pulses)는 몇 cm의 깊이 분해능을 보여준다. 

미래의 차는 성능이 더 좋아야 할 것이다. 매우 섬세한 빠른 광탐지기와 변조기가 결합되면 분해능은 1mm까지 정밀해진다. 길 건너에서 좋은 시력으로 보는 것보다 100배 이상 좋은 것이다.1세대 자동차 라이다는 지붕이나 후드에 설치한 복잡한 회전부품을 사용했다. 통합 광학기를 사용한 변조기와 탐지기는 0.1mm보다 작아졌으며, 차량의 전조등에 들어갈 만큼 작은 칩에 집어 넣을 수 있을 것이다. 또한 이 칩에는 개선된 변조기가 내장되어 움직이는 부품을 제거하여 빠른 속도를 탐지하게 될 것이다. 

변조기의 한 부분에서 빛의 속도를 아주 조금 지연시킴으로써 이 추가적인 기기는 스위치보다는 조광기로 작동하게 된다. 의도적으로 지연시킨 기기들을 여럿 묶어서 평행하게 쌓으면 멋진 것이 탄생된다. 조향 가능한 레이져 빔이다. 새로운 시각에서 보면 이 지능형 시각은 자연에서 볼 수 있는 어떤 것보다 더 철저하게 탐지하고 많은 장애물을 헤쳐 나갈 수 있다. 안전하게 신경 쓸 필요가 없게 될지도 모른다.

김윤정 기자 goinfomaker@gmail.com