KR100777423B1 - 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템은, 입사되는 태양광을 일정한 방향으로 지향하도록 반사시켜 상기 전자광학카메라의 입력단으로 입사시킴으로써, 위성체의 자세 변경없이 태양광을 소스로 하여 상기 전자광학카메라의 특성 측정할 수 있는 보정시스템에 관한 것이다.

본 발명은, ① 태양으로부터 입사되는 태양광을 일정한 방향으로 지향되도록 경로를 반사하여 투사하는 지향체와, ② 상기 지향체로부터 출사된 태양광을 상기 전자광학카메라로 입사되도록 포인트를 맞추어 반사시키는 포인팅반사체를 구비하고 있다.

따라서 본 발명은 정지궤도의 전자광학카메라를 위성체 자세제어 없이 태양광원을 이용하여 그 특성을 측정할 수 있어, 자세 변경 등에 따른 연료소모 및 수명단축의 문제를 남기지 않는 상태로, 측정의 결과를 보정 등을 위한 다양한 용도로 활용할 수 있는 효과를 제공한다.

정지궤도, 위성, 해양관측, 탑재체, 태양광원, 보정

Description

정지궤도 전자광학카메라 보정시스템{Measure supporting system for the Electro-optical camera(EOC) of geostationary satellite}

도 1 : 본 발명의 일실시예에 따른 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템을 이용하여 그 성능을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면.

도 2 : 도 1 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템에서의 입사과정을 설명하기 위한 상세도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

110 : 지향체

111 : 집광미러 111h : 핀홀

112 : 중심미러 112s : 지지대

120 : 포인팅반사체

121 : 포인팅미러 122 : 미러구동부

210 : 광학계 220 : 디텍터

50 : 지구

60 : 태양

본 발명은 정지궤도 위성에 탑재되는 전자광학카메라에 관한 것으로, 입사되는 태양광의 경로를 바꾸어 상기 전자광학카메라의 입력단으로 입사시킴으로써, 위성체의 자세 변경없이 태양광을 소스로 하여 상기 전자광학카메라의 특성 측정할 수 있는, 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템을 제시한 것이다.

저궤도 해양관측센서(해양관측카메라) 등으로 채택되고 있는 전자광학카메라는 많이 개발되어 이용되고 있으나, 정지궤도 위성에 탑재되는 해양관측센서(이하, '정지궤도 전자광학카메라'로 칭함)로서의 전자광학카메라는 거의 존재하지 않는 실정이다.

일례로 정지궤도 해양관측카메라로 이용되는 전자광학카메라는 저궤도 위성에 탑재되는 경우와 달리 지구전체(Global scale)를 관측하는 것이 불가능하며, 고정된 목표영역을 지속적으로 모니터링하기 위한 관측용으로 적합하다.

이러한 전자광학카메라는 우주환경에서 임무기간(Mission Life Time)동안 관측을 수행하는 중에 그 성능이 저하되므로 시스템 특성변화를 보정해주기 위해 그 성능을 측정하는 것이 필요하다.

이는 우주환경(mainly radiation)으로 인해 미러나 렌즈의 반사/투과 특성이나 디텍터(detector)의 검출특성이 저하되기 때문인데, 이러한 특성변화를 보상해주기 위해 운영 중에도 보정작업이 필요하다.

즉 전자광학카메라를 정지궤도상의 해양관측카메라로 이용하는 경우, 대부분의 임무수행기간 동안 지구상의 목표영역에 대한 관측을 수행하게 된다. 지구관측을 수행하는 동안 보정장치는 이용되지 않으며 전자광학카메라의 광학계는 지구를 바라보게 된다. 이 때 광학계의 FOV(Field Of View)는 지구상의 목표영역을 관측하기 위해 설계되기 때문에, 이와 같은 상황에서 태양을 직접 바라보는 것이 불가능하다.

이것은 일반적으로 정지궤도에서 지구를 관측하는 전자광학카메라가 지구를 향해 있으므로, 태양을 바라보기 위해서는 위성체의 위치를 변경해야 하는데, 이는 연료소모 증가를 수반함으로써, 결국 위성체의 수명이 줄어들 뿐만아니라, 자세 변경 후 원래의 자세를 유지한다는 것 자체가 매우 힘들기 때문이다.

저궤도 해양관측 카메라로 이용되는 경우의 전자광학카메라의 특성측정 방법을 참고하면, 이 경우의 특성측정 방법은 광원(Light source)의 타입에 따라 크게 두 종류로 나누어진다.

먼저 램프를 광원소스로 하고 디퓨저(Diffuser)를 이용하여 그 특성을 측정하는 경우는, 측정을 위해 위성체 자세제어 등의 특별한 조치가 필요 없으며 언제든지 원하는 시간대에 성능측정이 가능하다는 장점이 있으나, 광학계를 포함한 시스템 전체에 대한 보정이 어렵고, 우주환경과 에이징(Ageing) 효과로 인해 광원소스와 디퓨저(Diffuser)의 특성이 임무기간 동안 저하되어, 결과적으로 특성의 정확도가 저하되는 단점이 있어 많이 이용되지 않는다.

또다른 방법으로 태양광을 광원소스로 하고 디퓨저(Diffuser)로 구성된 성능 측정시스템은 저궤도 해양관측카메라에 많이 이용되는 시스템으로서, 이러한 성능측정결과를 통해 광학계를 포함한 시스템 전체에 대한 보정이 가능하다는 장점이 있는 반면, 성능측정을 위해서는 위성체 자세제어 혹은 전자광학카메라 자체의 스케닝 메카니즘을 이용해 태양을 바라봐야 한다는 단점이 있다. 아울러, 광원(태양광)이 일정한 특성을 유지한다고 해도 우주환경의 영향으로 인해 시간에 따라 디퓨저(Diffuser)의 특성이 저하되어 결국 보정의 정확도가 저하되는 문제점도 수반된다.

이러한 단점을 보완하기 위해 두개의 디퓨저(Diffuser)를 이용하는 방안이 모색되고 있다.

이 평면디텍터를 이용하여 고정된 목표영역을 한번에 관측하는 정지궤도 전자광학카메라의 경우, 성능측정결과에 따른 태양을 이용한 시스템의 보정 측면에서는 FOV(Field Of View)가 넓을수록 유리하나, 잡광(Stray light)의 영향과 위성체의 다른 서브시스템들과의 접속관계를 고려해야 하기 때문에 목표영역을 충분히 관측할 수 있을 정도의 FOV를 갖도록 설계되는 것이 요구된다.

또한 이 경우, 기존의 저궤도 해양관측카메라에서 이용되는 측정시스템(광원: 태양)을 적용하기 위해서는 위성체 자체가 전자광학카메라가 태양을 바라볼 수 있도록 자세제어를 수행해야 한다는 제한요소가 발생한다. 그러나, 정지궤도에서 위성체의 자세제어를 수행하는 것은 위성 수명에 직접적으로 관련되므로, 탑재체의 보정작업을 위해 별도의 자세제어를 수행하는 것은 전술한 바와 같이 현실적으로 불가능하다고 할 수 있다.

따라서 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 입사되는 태양광의 경로를 바꾸어 상기 전자광학카메라의 입력단으로 입사시킴으로써, 위성체의 자세 변경 없이 태양광을 소스로 하여 상기 전자광학카메라의 특성 측정함으로써, 효과적이고 정확한 보정 등을 수행하는데 도움을 주는, 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템에 대한 기술을 제공함에 있다.

아울러, 이러한 본 발명은 전술한 해양관측 카메라 뿐만 아니라 일반적인 센서시스템에서도 이용될 수 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템은, 위성에 탑재되는 전자광학카메라에 있어서,

① 태양으로부터 입사되는 태양광을 일정한 방향으로 지향되도록 경로를 반사하여 투사하는 지향체와 ,② 상기 지향체로부터 출사된 태양광을 상기 전자광학카메라로 입사되도록 포인트를 맞추어 반사시키는 포인팅반사체를 구비하여, 상기 전자광학카메라의 자세 변경 없이 그 특성의 측정이 가능하도록 하는 특징이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.

전자광학카메라는 우주 공간에서 임무를 수행하는 과정에서 그 특성이 저하되기 때문에, 운영중 보정작업이 필요함은 전술하였다. 위성탑재용 전자광학카메라 의 보정(Radiometric Calibration)은 전자광학카메라의 출력신호가 입사되는 광의 세기로 상응하는 크기가 되도록 변환해 주는 작업이라 할 수 있다. 이러한 보정은 지상에서 보정하는 방법과 우주공간에서 운영 중 보정하는 것으로 크게 구분할 수 있다.

먼저 위성탑재용 전자광학카메라의 지상 보정은 기준광원의 특성(방출하는 광의 세기)을 알고 있다는 가정 하에, 지상에서 기준광원(reference source)을 이용하여 입사되는 광의 세기에 따라 출력 디지탈 신호가 어떻게 변화하는지, 시스템 전달함수나 혹은 응답특성을 측정하고, 측정한 결과에 근거하여 그 성능저하 분 만큼을 지상에서 조정하여 보정하는 것을 의미한다.

또 다른 방법인 운영중 위성탑재용 전자광학카메라의 보정은 궤도상에서 이용가능한 기준광원(reference source)으로 태양광을 이용하는 것을 의미하며, 태양광 이외에도 램프를 탑재하여 기준광원으로 이용하는 방법도 있으나, 시스템 전체에 대한 응답특성에 대한 보정이 불가능하므로 특별한 상황이 아닌 한 이용되지 않는다.

태양은 시간에 따라 일정한 세기의 태양광을 방출하며, 전자광학카메라에 입사되는 태양광의 세기는 태양과의 거리 및 입사각에 의해 계산된다. 따라서 전자광학카메라가 주기적으로 일정한 세기의 광을 방출하는 광원소스로서 태양광을 이용하여 측정한다면, 운영중 발생하는 전자광학카메라의 특성의 변화를 검출할 수 있게 되며, 이를 근거로 그 성능저하분을 보상해 주도록 제어함으로써 보정이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템을 이용하여 그 성능을 측정하는 과정을 설명하기 위한 전체 구조도이고, 도 2는 도 1 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템에서의 입사과정을 설명하기 위한 상세도이다.

정지궤도상의 전자광학카메라는 일반운영(Normal operation)시 지구를 향해 있다. 보정 등을 위해 그 성능측정이 필요한 경우, 후술하겠지만 본 실시예의 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템을 전자광학카메라의 입력단에 위치시키면 자세 변경 없이 태양광을 입사시킬 수 있게 된다.

일반적으로 전자광학카메라의 보정은 주기적으로 실시하는 것이 바람직하며, 본 실시예의 보정시스템은 필요한 경우 언제든지 장치한 후 이를 제어함으로써 그 성능을 측정하는 것이 가능하다. 아울러 보정을 위한 측정을 위해서는 전자광학카메라에 입사되는 태양광의 세기가 계산되어야 하며, 태양이 지구를 벗어나 있는 시간대를 잘 선택하는 것도 요구된다.

도시한 바와 같이, 본 실시예의 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템은 지향체(110)와 포인팅반사체(120)를 구비하고 있다.

지향체(110)는 지구(50)를 바라보는 자세 상태에서 태양으로부터의 태양광을 반사시켜 포인팅반사체(120)로 인가하는 기능을 수행한다.

해양관측 카메라로 이용되는 전자광학카메라의 경우 지구에 반사되는 태양광을 대부분 관측하게 되는데, 지표면과 구름에서 반사되는 신호는 매우 큰데 반해 해양에서의 반사 신호는 매우 미약하다. 따라서 그 활용 용도에 따라 전자광학카메라의 요구되는 관측 파장대, 측정 범위(DYNAMIC RANGE) 및 민감도 (SENSITIVITY)가 결정된다.

도시한 바와 같이 본 지향체(110)는 중앙에 핀홀(111h)이 형성되어 있는 평판형 집광미러(111)와, 이 집광미러(111)의 중앙에 위치하고 있는 중심미러(112)를 포함하고 있다.

집광미러(111)는 평판형으로 본 실시예에 있어 광원소스인 태양광을 중심미러(112)의 외측경사단부로 반사시키게 된다. 편평한 판형의 집광미러(111) 중심부에는 중심미러(112)가 지지대(112s)에 받쳐지도록 형성되어 있으며, 중심미러(112)에서 반사된 광을 통과시키기 위한 핀홀(111h)이 중심부에 형성되어 있다.

이 중심미러(112)는 본 전자광학카메라가 가지고 있는 한정된 시야각으로 인해 태양을 직접 바라보는 것이 불가능할 경우, 즉 전자광학카메라의 정면에 위치하지 않을 경우, 전자광학카메라의 시야각을 벗어나 있는 태양광을 광학계로 입사시키게 되며, 본 실시예에서는 중앙이 원뿔모양으로 형성되는 원뿔형 미러이다.

중앙의 핀홀(111h)은 그 직경을 줄이거나 넓히도록 제어할 수 있으며, 이를 통하여 포인팅반사체(120)로 가해지는 광량을 조절하는 것이 가능하다.

포인팅반사체(120)는 지향체(110)로부터 인가된 태양광을 원하는 방향, 즉 광학계(210)로 포인팅(pointing)되도록 반사시키는 기능을 수행하며, 이를 위해 포인팅반사체(120)에는 실질적인 반사를 수행하는 포인팅미러(121)와, 이 포인팅미러(121)를 상하좌우 등 입체적 방향으로 경사지도록 구동하여 포인트를 맞추기 위한 각도로 조정하는 미러구동부(122)를 각각 포함하고 있다.

위성 탑재용 해양관측카메라 등으로 채택되는 본 전자광학카메라에 있어, 입 사되는 광은 렌즈 및 미러로 구성된 광학계(210)를 거쳐 디텍터(220)에 도달하게 되고, 디텍터(220)에 도달한 광은 디텍터(220)의 특성에 의해 전압이나 전류 등과 같은 전자신호로 검출되고, 보정을 위해 지상이나 탑재체의 중앙컴퓨터로 전송할 수 있도록 디지탈신호로 변환하여 출력한다. 아울러 이러한 전자광학카메라에 있어 광학계(210)는 매우 다양하며, 이 광학계(210)의 종류에 따라 광원이 반사, 투과되어 디텍터(220)에 이르는 경로가 결정된다.

전술한 바와 같이 전자광학카메라의 보정을 위해 그 성능과 특성을 측정해야 하며, 이 과정에서 지향체(110)와 포인팅반사체(120)는 전자광학카메라(20)의 전반부에 위치시켜 설치된다.

따라서 도시한 바와 같이, 원뿔형태의 중심미러(112)는 태양(60)이 지구(50)를 벗어나 특정 위치에 있을 때 핀홀(111h)로 투사를 하게 되며, 결국 태양광은 광학계(210)를 통과하게 된다. 이 때 태양(60)의 위치를 알고 있을 경우 전자광학카메라에 도달하는 광의 세기를 알 수 있으며, 디텍터(220)의 출력신호를 측정하여 응답특성의 변화를 추출할 수 있으므로 측정결과를 이용하여 보정이 가능하게 된다.

또한, 관측 가능한 태양(60)의 위치는 원뿔형 중심미러(112)의 각도에 의해 결정되며, 광학계(210)에 도달하는 광의 세기는 핀홀(111h)의 크기에 의해 결정된다. 즉 핀홀(111h)을 넓히면 광의 세기는 커지고, 줄이면 작아지게 된다.

본 설명에서는 전자광학카메라(20)의 특성 측정에 관련되는 구성부들을 도시한 바와 같이 광학계(210)와 디텍터(220)로 구분하고 있다. 여기서 광학계(210)는 전자광학카메라의 입력단을 통과하여 입사되는 광이 디텍터(220)에 도달하기까지 통과하는 일련의 광처리 수단들을 의미하며, 이의 예로는 포커싱(Focusing)방식에 따른 렌즈, 미러 및 폴딩미러(folding mirror) 등을 포함한다. 이 광학계(210)는 광학전자카메라의 입력단을 통해 입사된 광을 통과시키면서 처리함으로써, 정지궤도 전자광학카메라의 실질적인 특성을 나타내는 구성부이다.

포인팅반사체(120)에서 반사된 광은 전자광학카메라(20)의 광학계(210)로 입사된다. 이후 광학계(210)의 처리되어 출사된 광은 디텍터(220)로 인가되고, 디텍터(220)는 입사되는 광에 센싱되어 이에 대응되는 전기전자적 신호, 일례로 전압, 전류 등으로 변환하여 출력시키게 된다.

위성탑재용 전자광학카메라에 이용되는 디텍터(220)는 구조에 따라 1-D 디텍터(Line detector)와 2-D 디텍터 (평면디텍터)로 구분될 수 있다. 1-D 디텍터의 경우 1회 촬영시 지표면상의 하나의 라인영역이 관측되므로, 정지궤도 위성용 전자광학카메라의 경우 2-D 스캔(SCAN)을 통해서 관측영역을 촬영하게 된다. 2-D 디텍터의 경우 1회 촬영시 디텍터(220)의 크기에 비례하여 지표면상의 특정 영역 (2-D 평면)이 관측되므로, 원하는 관측영역이 작거나 디텍터(220)의 크기가 충분히 큰 경우 스캔 작업 없이 관측되는 특성이 있으나, 모두 이용이 가능하다.

결국 디텍터(220)에서 광학계(210)의 통과되어 출사된 광의 특성을 측정 후 변환하여 출력함으로써 보정이나 보상의 정도를 파악하기 위한 정보를 제공하게 된다.

따라서 전자광학카메라의 자세를 변경할 필요없이, 즉 전자광학카메라를 채 택하고 있는 위성체의 자세 변경없이 태양광을 소스로 하여 위성체에 다양한 용도로 적용될 수 있는 전자광학카메라의 특성 측정할 수 있는 등, 본원발명의 기술적 개념을 바탕으로 보다 다양하게 실시하는 것이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 정지궤도의 전자광학카메라를 위성체 자세제어 없이 태양광원을 이용하여 그 특성을 측정할 수 있어, 자세 변경 등에 따른 연료소모 및 수명단축의 문제를 남기지 않는 상태로, 측정의 결과를 보정 등을 위한 다양한 용도로 활용할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (4)

1. 위성에 탑재되는 전자광학카메라(20);

   상기 전자광학카메라(20)에 입사되는 태양광의 광경로 상에 설치되어 상기 태양광을 반사굴절시키며 중앙에 핀홀(111h)이 형성된 집광미러(111)와, 상기 핀홀(111h)에 인접하게 설치되며 상기 집광미러(111)에서 반사굴절된 태양광을 상기 핀홀(111h)로 통과시켜 상기 전자광학카메라(20)를 향해 지향시키는 중심미러(112)를 포함하는 지향체(110); 및

   상기 지향체(110)와 상기 전자광학카메라(20)간의 광경로에 설치되어 상기 핀홀(111h)을 통과한 태양광을 상기 전자광학카메라(20)로 반사시키는 포인팅미러(121)와, 상기 포인팅미러(121)에 설치되어 상기 포인팅미러(121)와 상기 전자광학카메라(20)의 포인팅을 보정하도록 상기 포인팅미러(121)의 각도를 조정하는 미러구동부(122)를 포함하는 포인팅반사체(120);를 포함하는 것을 특징으로 하는 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 지향체(110)는

   상기 지향체(110)의 중앙에 형성된 핀홀(111h)의 크기를 조종함으로서 상기 전자광학카메라로 입사시키는 광량의 조절이 가능한 것을 특징으로 하는, 정지궤도 전자광학카메라 보정시스템.

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