인공위성의 센서

인공위성의 센서

매는 매우 밝은 낮에 높을 곳을 날아다니며 지상의 먹이를 찾아다닌다. 때문에 매의 눈은 인간보다 약 7배 정도 시력이 좋다고 한다. 아이랑 3A호도 매우 높은 해상도의 광학탑재체를 지니고 있다. 이 광합탑재체는 위성의 '눈'이라고 한다.

광학탑재체는 빛, 즉 사람이 볼 수 있는 적외선이나 가시광석 그리고 자외선과 같은 빛을 감지해서 상을 만들어주는 기기이다. 엑스선 영역까지도 광학 탑재체에 포함이 된다. 광합 탑재체는 광구조체, 렌즈나 반사경과 같은 광학부품과 광전자부품으로 구성되어 있고 기본적으로 사람의 눈과 비슷한 구조와 원리를 가지고 있다고 한다. 인공위성용 카메라도 마찬가지이지만 일반 카메라와 촬영 목적과 환경이 다르기 때문에 몇가지의 특징을 가지고 있다.

일반 카메라는 사람이 보는 것과 같은 최대한 유사한 영상 정보를 가지는 것을 목적으로 하고 있다. 수치로 보면 일반 카메라의 초첨 거리는 대략 18km에서 200mm정도이다. 반면에 인공위성의 고해상도 카메라는 초점거리가 보통 1m에서 수십 m에 달한다고 한다. 이렇게 초점거리가 차이가 나는 이유는 인공위성은 최소 수백 km~ 수만km 상공에서 지상을 촬영하고 있기 때문이다. 실제로는 인공위성용 카메라는 일반카메라 보다는 대형망원경에 가까운 모습을 하고 있다.

차이점은 또 있는데 일반 카메라는 밝은 대낮에도 물론 어두운 밤에도 어느 정도 촬영이 가능하도록 노출시간과 조리개, 감도 등 조절 가능한 폭이 매우 크지만 인공위성용 카메라는 촬영 목적과 대상이 명확하고 무게와 크기가 제한이 되기 때문에 일반 카메라 처럼 촬영 조건에 변화를 줄 수 있는 여유가 없다. 따라서 정확한 목적에 맞추어 최적의 성능을 낼 수 있도록 설계해야 하는 것이 보통이다.

고해상도 위성 카메라가 일반 카메라와 가장 다른 점은 우주의 극한 환경에서도 견딜 수 있도록 제작되어 진다는 점이다. 일단 우주에 올라간다면 수리가 불가능해지기 때문에 신뢰도가 가장 높은 전자부품을 사용해야하고, 우주 공간과 유사한 환경에서 많은 시험을 통하여 검증된 제품만을 사용하도록 한다.

고해상도 위성카메라에는 일반적으로 쓰는 렌즈 대신 반사경이 사용된다고 한다. 반사경을 쓰는 이유는 렌즈보다 더 가볍게 만들 수 있고 발사환경을 잘 견디도록 튼튼하게 만들어 낼 수 있기 때문이다. 반사경 여러개를 서로 맞춰 조립을 할 때 허용되는 오차는 수 마이크로미터에 불과하다고 한다. 이유는 위성카메라의 해상도가 높아지면 높아질수록 영상의 왜곡이나 오차가 크게 나타나기 때문이라고 한다. 예를 들어서 1mm의 오차가 거울에 있다고 했을 때 배율이 100배인 망원경에서는 이 오차가 눈에는 10cm의 오차로 보이지만 1,000인 망원경에는 1m의 오차로 보인다는 것이다.

따라서 고해상도위상카메라에 사용되는 지름 1m 정도의 거울은 거울면의 오차가 15m(머리카락 두깨의 1/6000) 수준이어야 선명한 영상을 얻을 수 있다. 지구 표면이 가장 완벽한 원형이라고 가정했을 때 서울에서 뉴욕까지 가는 길에 돌부리 하나 정도의 굴곡만 허용되는 정도라 하니 사실상으로 한치의 오차도 없어야 하는 셈이다.

부엉이는 우리나라에서 가장 큰 텃새이다. 몸집은 사람의 15분의 1도 되지 않겠지만 부엉이의 눈은 사람의 눈 크기와 비슷하다고 한다. 수리부엉이는 이렇게 큰 눈 때문에 깜깜한 곳에서도 물체를 쉽게 보게 하는 시신경이 발달해있어 밤에도 잘 관찰할 수 있다.

또한 아리랑 3A호에도 수리부엉이처럼 거대한 눈이 있는데 바로 적외선 센서(IR)이다. 적외선 센서(IR)은 빛의 파장에서 적외선 영역을 관측할 수 있는 장치로 물체에서 발생하고 있는 열을 감지해서 영상화할 수 있다고 한다. 따라서 빛이 없는 밤에도 열로 영상을 만들어내어 낮과 밤에도 구분없이 위성영상을 촬영할 수 있는 것이다.

부엉이에 비교하자면 밤에 활동하는 박취는 눈이 매우 작다. 그리고 박쥐는 시력이 좋지 못하는데 그런데 어떻게 어두운 밤에서도 복잡한 숲 안에서 먹이를 잡을 수 있는지 궁금하다.

그 비밀의 이유는 박쥐에 달린 코에 잇는데 박쥐 코에서 낸 초음파가 물체에 닿으면 반사되어서 돌아온 것을 듣고 머리속으로 지도를 그려내기 때문에 먹이가 어디에 있는지 또 장애물이 어디에 있는 지 파악할 수 있는 것이다.

이렇게 박쥐처럼 파장을 사용해서 위성영상을 촬영하는 인공위성이 있는데 바로 아리랑 5호이다. 아리랑 5호에 장착되어 있는 합성영상레이더(SAR)는 광학탑재체와 다르게 전자파를 사용한다. 위성이 쏜 전자파가 높은 곳에 닿게 되면 빨리 위성으로 되돌아가고 멀리 있는 곳은 전자파가 늦게 되돌아 오게 된다. 아리랑 5호가 반사되어 온 전자파를 받아서 분석을 하게되면 마치 박쥐처럼 복잡한 지형을 쉽게 파악하고 한눈에 파악할 수 있는 것이다.

아리랑 5호는 밤과 낮 구분없이 태풍이 부는 궃은 날씨에도 위성영상을 촬영할 수 있는데 왜냐하면 아리랑 5호에 장착되어 있는 합성영상레이더의 파장 공기와 구름에 담겨져 있는 수분을 통과해 지나기 때문이다. 물이나 금속성 물체를 매우 잘 반사하는 성질을 가지고 있다. 때문에 해양사고로 새어나온 원유의 해양오염 정도를 구분하거나 땅 속에 숨겨진 금속 지하자원을 탐색하는 활동을 하는데 유용하게 활용할 수 있다.