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분광기란 물체로부터 나오는 빛 파장의 세기를 측정하여 그 정보를 그래프 형태로 나타내는 장치로, 광학, 화학, 해양공학 등 산업분야 전반에서 광범위하게 사용되는 측정기구입니다.

그런데 현재 사용 중인 필터배열 기반 분광기의 경우 해상도를 높이기 위해서는 필터를 보다 더 정교하게 제작하거나 필터의 개수를 증가시켜야 하는데, 이 경우 제작비용 상승은 물론 분광기 크기가 대형화되는 단점이 있었습니다.

이 같은 단점을 극복하기 위해 간단한 수학적 알고리즘을 담은 소프트웨어 기반분광기를 개발되기도 했지만, 여전히 필터제작 공정의 단순화와 분광기의 소형화라는 숙제를 안고 있는 상황입니다.

배열필터 기반의 분광기 시스템

광주과학기술원(GIST)  이흥노 교수가 주도하고 올리버 박사와 이웅비 박사과정생이 참여한 연구팀이 나노해상도 소형분광기에 적용 가능한 랜덤배열 필터를 개발하는데 방법을 찾았습니다.

이번 연구는 불규칙한 저가의 분광기 제작방법을 수학으로 개선할 경우, 기존 필터제작 방법으로 섬세하게 만든 분광기보다 훨씬 더 정교한 분광결과를 만들어 낼 수 있는 가능성을 열고 있습니다.

연구팀은 측정대역 내 모든 파장의 빛을 랜덤한 투과율로 감지하는 배열필터 방식을 개발하고 이를 소형분광기에 적용한 결과, 반도체팹 공정 방식으로 생산되고 특정 파장의 빛만 감지하도록 제작된 고가의 기존 배열필터보다 해상도가 최대 7배 높게 나타나는 것을 발견했습니다.

또 이를 이용해 인접한 두 파장의 최소 거리가 2.106nm인 수은 등의 스펙트럼을 정확히 측정하는 데도 성공했습니다.

연구팀은 필터의 투과율을 파장별 또 필터별로 랜덤하게 분포하도록 랜덤배열 필터를 만들어냈는데, 그 특성은 다음과 같습니다.

첫째, 하나의 필터는 각 파장의 빛을 랜덤한 투과율로 투과하며 파장별 투과율이 서로 상이하게 다르도록 한다.

둘째, 서로 다른 두 개의 필터의 투과율 간에 상관관계가 매우 적도록 한다. 랜덤배열 필터는 위의 두가지 특성을 동시에 만족시키지만 정규배열 필터는 첫 번째 특성을 만족하지 못한다.   

연구팀은 비교적 간단한 박막기술을 이용하여 동일한 두께로 층층이 쌓여있는 막의 두께를 임의로 변화시키는 방식으로 전체 파장 대역의 빛을 감지하면서도 투과율을 랜덤하게 조절했습니다.

각각의 랜덤필터는 그 첫째 특성 상 측정대역 내 모든 파장의 빛을 고루 감지하면서도 파장별로 투과율이 서로 상이한 독립적 스펙트럼 정보를 얻게 됩니다.

또 랜덤필터의 둘째 특성 상 랜덤필터는 각각 서로 상관관계가 적은 투과율 필터를 이용하므로, 각각의 필터가 채취한 분광정보는 서로 판이하게 다르며 독립적이 됩니다.

이렇게 수집된 여러 개의 분광정보를 모으면 여러 개의 독립된 정보를 가진 연립방정식을 세울 수 있게 되고, 그것을 풀어 각각의 파장별로 매우 세분화 된 분광정보를 추출할 수 있게 됩니다.

이는 곧바로 무작위로 불규칙적으로 만든 배열필터로, 높은 해상도의 분광정보를 추출함을 의미합니다.

이번 연구결과는 휴대용 분광기 생산의 패러다임을 바꿀 혁신적인 결과로, 비상식적으로 쉽고 간단하게 설계할 수 있는 랜덤필터를 통해 더 높은 해상도를 얻을 수 있다는 사실을 증명한 것으로 평가받고 있습니다.

따라서 이번 연구는 분광기 산업뿐만 아니라 신호처리 방식으로 일차 결과를 개선하는 방법이 널리 쓰이는 광학 이미징 산업이나 비디오 산업에도 상당한 파급 효과를 줄 전망입니다.

이번 연구결과는 광학분야 권위지 Optics Express지 2월 12일자에 게재되었습니다.
(논문명 : Filters with random transmittance for improving resolution in filter array based spectrometers)

<연 구 개 요>

1. 배경
분광기란 광학 기기로써, 광원 혹은 광원을 투과시킨 물체로부터 얻은 빛을 파장에 대한 스펙트럼 형태로 나타내는 기구이다.
스펙트럼 정보는 관찰하려는 물체의 특징 또는 구성을 나타낸다. 분광기는 단백질 또는 광원 분석, 기름 유출 여부 확인, 행성의 광물 분포 확인, 마약 검출, 음식 성분 조사 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다.
이러한 응용 분야에서 인접한 두 파장에 대한 스펙트럼을 구분할 수 있는 정도를 분광기의 해상도(resolution) 라고 하는데, 이는 분광기의 성능을 판단할 수 있는 중요한 지표이다. 따라서 분광기 산업에서는 분광기의 해상도를 향상시키기 위해 지속적인 노력을 기울이고 있다.

여러 종류의 분광기 중에서 특히 광학필터배열 기반의 분광기는 소형화, 휴대성, 그리고 저가로 생산이 가능하다는 이점이 있다.
특정 파장 영역에서 광학필터를 통과하고 나온 빛의 세기를 광학필터의 투과율(Transmittance) 이라고 하는데, 각각의 필터는 파장에 대한 함수로 표현될 수 있다.
필터 기반의 분광기에서 각 필터의 투과율의 설계와 필터의 개수가 분광기의 해상도를 결정하는 요인이 된다. 해상도를 증가시키기 위해 필터의 개수를 증가시키는 방법은 자명한 방법이지만 가격이 상승함에 따라서 저가의 휴대용 분광기에 적합하지 않다.

2. 연구결과
광주과학기술원의 이흥노 교수팀은 가공하지 않은 스펙트럼 정보를 이용해서 원래 스펙트럼 정보를 복구하는 알고리즘 개발을 오랫동안 연구해 왔다.
이 연구팀은 2012년 초에 필터배열의 분광기로부터 얻은 스펙트럼 정보를 간단한 소프트웨어를 통해 디지털신호 처리하여서 분광기의 해상도 한계를 최대 1.5배 뛰어넘는 기술을 개발하였다. 이는 2012년 1월에 광학분야의 권위지인 'Optics Express' 에 게재되었다.

배열필터 기반의 분광기 시스템

(a) 이상적인 투과율 (b) 랜덤 투과율


이흥노 교수팀은 지난 연구에서 더 나아가 "해상도를 향상시키기 위한 필터의 투과율은 어떠한 모습을 가져야할까?"라는 의문을 품었고, 일반적으로 사용되는 이상적인 필터를 조사한 결과 관측하려는 파장의 일부분의 스펙트럼 정보만 얻는다는 것을 관찰했다.
이상적으로 정교하게 설계된 필터는 인접한 투과율을 갖는 필터들 사이에 왜곡을 줄이기 위해 일반적으로 사용되어 왔다.
하지만 이 교수팀은 정반대의 독창적인 관점으로 이러한 왜곡을 줄이려고 노력하는 대신 적극 활용하여 관측하려는 파장대역 밖에 대한 유용한 추가 정보를 얻어낼 수 있음을 생각하였다.
그리고, 정보 취득 관점에서 볼 때, 국지적 정보가 아닌 광역적 정보 취득이 분광기에 더 결정적임을 알아냈다.
그러므로 각 파장에 대해 랜덤하게 빛을 통과시키는 필터 배열 (그림2-(b))을 설계함으로써 광역적 정보를 취득하는 새로운 방법을 고안하였다.
그 결과, 기존의 반도체 팹 공정 방식을 이용하여 생산한 필터기반의 분광기에 비해 최대 7배의 해상도 향상을 얻을 있었다. 이 결과는 2013년 2월 광학분야의 권위지인 'Optics Express' 에 게재되었다.
랜덤 필터는 다음의 두 가지 성질을 가지고 있는 필터를 의미한다.
첫째, 하나의 필터에서 서로 다른 파장에 대한 투과율 사이에 상관관계가 없어야 한다.
둘째, 각각의 필터들 간의 투과율 사이에 서로 상관관계가 없어야 한다.
이러한 전례가 없는 특징을 가지고 있는 필터들은 박막(thin film)을 통해서 생산이 가능하고, 실험을 한 결과 더 세밀한 빛의 스펙트럼 정보를 제공한다고 이번 연구에서 밝히고 있다.

3. 기대효과
연구팀은 이렇게 전례가 없는 필터들을 개발함으로써 분광기의 해상도를 향상시킴과 동시에 필터설계자로 하여금 필터 설계 조건을 더 완화시킬 수 있다고 말한다. 그리고 이번 발명이 광 신호 취득 분야에선 첫 번째로 분광기 산업 및 광 이미징 산업에도 큰 영향을 줄 것이라고 한다. 또한 다른 분야에서도 쉽게 적용이 가능하여 세계 최초의 싱글픽셀 카메라에 사용되는 텍사스 인스트러먼드(Texas Instrument)사의 디지털 마이크로미터처럼 높은 데이터 취득 비용을 요구하는 다양한 이미징 또는 비디오 시스템 등에 적용될 가능성이 있다.


 용 어 설 명

반도체팹 공정 방식
반도체를 생산하는 방식으로 웨이퍼의 표면에 막을 형성 시키고 선택적으로 깎아서 설계된 투과율을 갖는 필터를 만드는 방식. 진공에서 이뤄지는 등 공정이 비교적 복잡하다.

분광기 (Spectrometer)
물체로부터 방출되는 갖가지 파장의 세기를 측정할 때 사용하는 도구로서, 물체의 파장 정보를 그래프 혹은 스펙트럼 형태로 나타낸다.

분광기의 해상도 (Resolution)
인접한 두 파장에 대한 스펙트럼을 구분할 수 있는 정도

투과율 (Transmittance)
특정 파장 영역에서 광학필터를 통과하고 나온 빛의 세기

랜덤 투과율 (Random Transmittance)
광학필터를 통과하고 나온 빛의 세기가 파장에 대해서 서로 상관관계가 없는 투과율

박막기술
수십 나노미터 두께로 특정 기판 상에 유전체층 등의 물질을 층층이 올려붙이는 기술

옵틱스 익스프레스 (Optics Express)
미국광학협회(Optical Society of America)에서 발행하는 광학기술 분야 학술지. 인용횟수 기준으로 분야 순위 5위 기록. 2010년 Journal Citation Report(JCR)을 기준으로 Impact Factor는 3.753
http://admin-apps.webofknowledge.com/JCR/JCR?RQ=RECORD&rank=1&journal=OPT+EXPRESS

 

<이흥노 교수>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 광주과학기술원 정보통신학과 부교수

2. 학력
  ○ 1993 : B.S. in University of California, Los Angeles
                  (Electrical Engineering)
  ○ 1995 :  M.S. in University of California, Los Angeles
                  (Electrical Engineering)
  ○ 1999 :   Ph.D. in University of California, Los Angeles
                  (Electrical Engineering)
 
3. 경력사항
○ 1999 ~ 2002 : HRL Laboratories, L.L.C., Research Staff
○ 2002 ~ 2008 : University of Pittsburgh, Assistant Professor
○ 2009 ~ 현재 : 광주과학기술원 정보통신공학부, 부교수

4. 주요연구업적
1. J. Oliver, WoongBi Lee, and Heung-No Lee*, "Filters with random transmittance for improving resolution in filter array based spectrometers," Accepted for Optics Express.
2. Wooyeol Choi+, Taewoon Kim+, Daeyoung Park+, Heung-No Lee and Hyuk Lim*, Coordinating Transmit Power and Carrier Phase for Wireless Networks with Multi-Packet Reception Capability, EURASIP Wireless Communications and Networking, Accepted.
3. Jin-Taek Seong+ and Heung-No Lee*, "4-ary Network Coding for Two Nodes in Cooperative Wireless Networks: Exact Outage Probability and Coverage Expansion," EURASIP Wireless Communications and Networking, Accepted.
4. Zafar Iqbal+, Saeid Nooshabadi, and Heung-No Lee*, "Analysis and Design of Coding and Interleaving in a MIMO-OFDM Communication System," to appear in IEEE Transactions on Consumer Electronics, August 2012 Issue.
5. Sang-Seon Byun++, Ilangko Balasingham, Athanasios V. Vasilakos, and Heung-No Lee*, "Computation of an Equilibrium in Spectrum Markets for Cognitive Radio Networks," to appear IEEE Transactions on Computers.
6. Younghak Shin+, Seungchan Lee+, Junho Lee+ and Heung-No Lee*, "Sparse representation-based classification (SRC) scheme for motor imagery-based brain-computer interface systems," Journal of Neural Engineering, Aug. 2012.
7. J. Oliver++, WoongBi Lee+, SangJun Park+, and Heung-No Lee*, "Improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," In Press for Optics Express (Impact Factor: 3.753)
8. H. Kim+, D. Har, Z.-H. Mao, M. Sun, and Heung-No Lee*, "Efficient Joint Source-Channel Decoding of Multi-State Markov Sequences," Accepted with minor revision for IET Communications.
9. Cheng-Chung Chang+*, T.-Y. Kuo, Y.-C. Lo, Heung-No Lee, D. Askey, Zhi-Hong Mao, "User-satisfaction based bandwidth allocation for transmission of multiple sources of human perceptual data," In Press for Journal of the Franklin Institute.
10. Junil Ahn+, Heung-No Lee, Kiseon Kim*, "A Near-ML Decoding with Improved Complexity over Wider Ranges of SNR and System Dimension in MIMO Systems," In Press for  IEEE Trans. on Wireless Communications.
11. Heung-No Lee*, Seyoung Chung, Christian Fragouli, and Zhi-Hong Mao, "Editorial: Special Issue on Network Coding for Wireless Networks," EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2011.
12. R. Vinjamuri+, M. Sun, C.-C. Chang+, Heung-No Lee, R. J. Sclabassi, and Z.-H. Mao*. Dimensionality reduction in control and coordination of the human hand. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 57(2), pp. 284-295, Feb. 2010.
13. Cheng-Chun Chang+, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee*, "Majority Rule Based Iterative Decoding Algorithm for LDGM Codes," vol. 90, Issue 1, pp. 373-377, Signal Processing, Jan. 2010.
14. R. Vinjamuri, M.Sun, C.C. Chang, Heung-No Lee, R. Sclabassi, and Z.-H. Mao, "Temporal Postural Synergies of the Hand in Rapid Grasping Tasks, "IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, vol. 14, no. 4, pp.986-994, Jul. 2010.
15. R. Vinjamuri, M. Sun, C.-C. Chang, Heung-No Lee, R. J. Sclabassi, and Z.-H. Mao. "Dimensionality reduction in control and coordination of the human hand," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 57(2), pp.284-295, Feb. 2010.
16. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "A fast BER evaluation method for LDGM codes," Journal of the Frankilin Institute, vol. 347, issue. 7, pp. 1368-1373, 2010.
17. J. Zhang and Heung-No Lee, "Energy-Efficient Utility Maximization for Wireless Networks with/without Multipath Routing, "International Journal of Electronics and Communications, May. 2009. Volume 64, Issue 2, February 2010, Pages 99-111.
18. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "MB iterative decoding algorithm on systematic LDGM codes: Performance evaluation," Signal Processing, vol. 90, issue. 1, pp. 373-377, 2010
19. Mir H. Mahmood, C.C. Chang, Z.H. Mao and Heung-No Lee, "Throughput Behavior of Link Adaptive 802.11 DCF with MUD Capable Access Node," AEU International Journal of Electronics and Communications, July 2008. doi:10.1016/j.aeue.2009.10.007.
20. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "Majority Rule Based Iterative Decoding Algorithm for LDGM Codes," vol. 90, Issue 1, pp. 373-377, Signal Processing, Jan. 2010.
21. Heung-No Lee, J. Zhang, C.W. Choi, "General random coding bounds: AWGN channels to MIMO fading channels," Annals of Telecommunications, vol. 65, issue. 1, pp. 87-99, 2010
22. Z.-H. Mao, Heung-No Lee, R. Sclabassi, and M. Sun, "Information Capacity of the Thumb and Index Finger in Communication," IEEE Trans. Biomedical Engineering, Vol. 56, No. 5, pp. 1535-1546, May. 2009.
23. R. Vinjamuri, D.J. Crammond, D. Kondziolka, Heung-No Lee, and Zhi-Hong Mao, "Extraction of Sources of Tremor in Hand Movements of Patients with Movement Disorders," vol. 13, no.1, pp. 49-56, IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, Jan. 2009.
24. Heung-No Lee, J. Zhang, and C.W. Choi, "Random coding bounds for MIMO channels," Annals of Telecommunication, Dec. 23rd, 2008.
25. J. Zhang and Heung-No Lee, "Performance analyses on LDPC coded system over quasi-static (MIMO) fading system," IEEE Trans. on Communications, vol. 56, issue 12, pp. 2080-2093, Dec. 2008.
26. X. Song and Heung-No Lee, "Multimode Precoding for MIMO Systems Performance Bounds and Limited Feedback Codebook Design," IEEE Trans. on Signal Processing, vol. 56, no. 10, pp. 5296-5301, Oct. 2008.
27. J. Zhang and Heung-No Lee, "Throughput Enhancement with a Modified 802.11 MAC Protocol with Multi-User Detection Support," International Journal of Electronics and Communications, vol. 62, issue 5, pp. 365-373, May, 2008.
28. Cheng-Chun Chang and Heung-No Lee, "A Fast Simulation Method for LDGM Codes," Journal of the Franklin Institute, May 2008.
29. C.C. Chang and Heung-No Lee, "On the Estimation of Target Spectrum for Filter-Array Based Spectrometers," Optics Express, vol. 16, no. 2, pp. 1056-61, Jan. 2008.
30. J. Wu and Heung-No Lee, "Performance analysis for LDPC coded modulation in MIMO multi-access Systems," IEEE Trans. on Communications, vol. 55, no. 7, pp.1417-1426, July, 2007.
31. J. Zhang and Heung-No Lee, "Performance analysis of LDPC-Coded Space-Time Modulation over MIMO Fading Channels," IEEE Communications Letters, vol. 11, Issue 3, pp. 234 ? 236,   March 2007.
32. J. Zhang and Heung-No Lee, "A Performance bound on random-coded MIMO systems," IEEE Communications Letters, vol.10, no.3, pp.168-170, March, 2006.
33. J. Zhang and Heung-No Lee, "Union bounds on LDPC coded modulation systems over fast fading MIMO channels," vol. 9, no.9, pp. 796-798, IEEE Communications Letters, Sept.  2005.
34. Heung-No Lee and X. Hu, "Robust Iterative tree-pruning detection and LDPCC decoding," IEEE Journal of Selected Areas on Communications, vol. 23, no.5, pp. 1013-1025, May 2005.
35. Heung-No Lee and G. J. Pottie, "Fast adaptive equalization/diversity combining for time varying dispersive channels", IEEE Transactions on Communications, vol. 46, no. 9, pp 1146-1162, Sept. 1998.

<J. Oliver 박사후 연구원>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 광주과학기술원 정보통신학과 박사후 연구원 
 
2. 학력
  ○ 2002:  B.E. in Mepco Schlenk Engineering College
                 (Electronics & Communications)
  ○ 2005 :  M.S. in Mepco Schlenk Engineering College
                 (Communication Systems)
  ○ 2011 : Ph.D. in India Institute of Technology Madras (IITM)
                 (Signal Processing for Wireless Communications)
 
3. 경력사항
 ○ 2002 - 2003 : Lecturer at Karunya Institute of Technology, Coimbatore
 ○ 2006 - 2007 : Teaching Assistant at IITM for graduate course in Digital Signal Processing
 ○ 2009       :  Teaching Assistant at IITM for undergraduate course in Basic                        Electrical Engineering
 ○ 2011 ~ 현재 : 광주과학기술원 박사 후 연구원

4. 주요연구내용
1. J. Oliver and Heung-No Lee, "Filters with random transmittance for improving resolution of filter-array-based spectrometers," Accepted for Optics Express.
2. J. Oliver, WoongBi Lee, SangJun Park, and Heung-No Lee, "Improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," Optics Express, vol. 20, no. 3, pp. 2613-2625, Jan. 2012.
3. J. Oliver, R. Aravind and K.M.M. Prabhu, "Optimal Pilot Sequences with Low PAPR for OFDM Channel Estimation in the Presence of CFO," IET Signal Processing, vol.6, no.1, pp. 45-53, Jan 2012.
4. J. Oliver, R. Aravind and K.M.M. Prabhu, "Krylov Subspace-based Low-rank Channel Estimation in OFDM Systems," Signal Processing, vol. 90, no. 6, pp. 1861-1872, June 2010.
5. J. Oliver, R. Aravind and K.M.M. Prabhu, "Sparse Channel Estimation in OFDM Systems by Threshold-based Pruning," Electronics letters, vol. 44, no. 13, pp. 830-832, June 2008.

<이웅비 박사과정>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 광주과학기술원 정보통신학과 박사과정
 
2. 학력
  ○ 2009:  B.S. in Konkuk University
                 (Electrical Engineering)
  ○ 2011 :  M.S. in GIST
                 (Information & Communications)
 
3. 주요연구내용
1. J. Oliver, WoongBi Lee , SangJun Park , and Heung-No Lee*, "Improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," Optics Express, vol. 20, no. 3, pp. 2613-2625, Jan. 2012.
2. J. Oliver, WoongBi Lee , SangJun Park , and Heung-No Lee*, "A new signal processing technique for improving resolution of spectrometers,"  2013년 동계종합학술발표회, 한국통신학회 (KICS)
3. Woong-Bi Lee, Jae-Gun Choi, and Heung-No Lee, " 무선 다중 접속 망에서의 네트워크 부호를 이용한 보안 메커니즘", 한국통신학회 2011 하계종합학술발표회
4. Woong-Bi Lee and Heung-No Lee, "A simple Security Mechanism using Network Codes for Wireless Multip Access Network", 대한전자공학회 2010 하계종합학술대회
5. Woong-Bi Lee and Heung-No Lee, "A Study on the Dual-mode Antenna Selection for Spatial Multiplexing Systems with Linear Receivers", 한국통신학회 2010 춘계종합학술발표회

 

posted by 글쓴이 과학이야기

한국항공우주연구원이 2013년 2월 18일 자 연합뉴스 "민주통합당 박홍근 의원은 18일 최근 북한 핵실험 당시 한반도 정밀관측 위성인 아리랑 3호가 국가정보원이 잘못된 좌표를 알려준 탓에 엉뚱한 곳을 찍은 것으로 드러났다고 밝혔다."는 기사에 대해 사실과 다르다고 해명했습니다.

해당기사에는 "국정원이 통보해준 장소가 실제 핵실험 장소와 10.08km 떨어진 곳이어서 아리랑 3호의 촬영범위(반경 8.5km)를 벗어났다"고 나옵니다.

그러나 한국항공우주연구원에 따르면 북핵 실험 당시 아리랑 3호는 핵실험장 전 지역에 대한 촬영이 가능하도록 중심 좌표가 설정되어 있던 상태였습니다.

촬영범위는 68km(길이)×15km(폭)으로, 기상청이 통보한 진앙지 역시 촬영 지역 내에 포함되어 성공적으로 촬영됐습니다.

핵실험 직후 아리랑위성 3호 촬영 영상 범위


그러나 촬영 당일 북한 핵실험 지역의 구름으로 촬영영상으로 지상관측은 불가능한 상황이었다고 한국항공우주연구원 측은 해명했습니다.

‘13.2.12. 13:15 함북 길주군 주변 기상영상(천리안 위성)


광학렌즈를 장착한 아리랑 3호는 야간 또는 구름 등의 기상 상태에서는 영상 확보가 불가능합니다.

한국항공우주연구원은 이를 보완하기 위해 레이더 촬영 위성인 아리랑 5호를 제작했지만, 현재 발사체를 맡은 러시아 측의 사정으로 발사가 지연되고 있는 상황입니다.

<관련글>
대한민국 인공위성, 아리랑 위성 시리즈   
http://daedeokvalley.tistory.com/51
아리랑 3호 소개                                 http://daedeokvalley.tistory.com/491
아리랑 3호 촬영 영상                          http://daedeokvalley.tistory.com/516
아리랑 3호 발사 순간                          http://daedeokvalley.tistory.com/495 

posted by 글쓴이 과학이야기

2013년 2월 16일 약 45m 크기의 근지구소행성이 지구로부터 27,700km 거리를 스쳐지나갈 예정입니다.

소행성 2012 DA14는 오는 2월 16일, 정지궤도 안쪽을 남극에서 북극 방향으로 통과해 지나간다. 따라서 운영 중인 인공위성이나 우주잔해물과의 충돌가능성은 극히 낮은 것으로 확인되었다. 회색 선은 정지궤도, 하늘색 선은 2012 DA14의 움직임 나타낸다.


한국천문연구원은 오는 2월 16일 토요일 04시 24분에 45m 크기의 근지구소행성 '2012 DA14'가 지구 표면에서 27,700km 까지 접근한다고 12일 밝혔습니다.

'2012 DA14'가 우리나라에 가장 근접하는 때는 이날 04시 34분경이며, 서울 기준 약 30,300km 거리입니다.

참고로 이번에 발사 성공한 나로과학위성의 고도는 약 1,500km, 정지궤도 위성인 천리안 위성의 고도는 약 35, 786km입니다.

통과 속도는 초속 7.8km로, 총알의 약 10배 빠르기입니다.

 '2012 DA14'는 농구장의 약 2배 크기로, 현재 운용 중인 인공위성에 피해를 입힐 가능성은 대단히 낮다고 합니다.

이 소행성은 대부분의 위성이 분포하는 저궤도와 정지궤도 사이의 위성이 비교적 많지 않은 공간을 지나가고, 정지궤도 위성이 움직이는 동서방향의 직각인 지구의 남북 방향으로 통과합니다.

또 이 소행성이 이번 접근 중 지구에 충돌할 가능성은 없습니다.

질량도 작기 때문에 지구의 자전 변화나 지진, 해일 등 자연재해를 일으킬 가능성도 전혀 없는 것으로 확인되고 있습니다.

현재 40m급 근지구소행성은 약 50만개로 추산되며, 이러한 천체가 지구에 충돌할 확률은 평균 1200년에 한 번 꼴입니다.

'2012 DA14' 크기의 천체가 이처럼 근거리를 두고 지구를 통과하는 사건은 인류가 소행성을 체계적으로 관측하기 시작한 1998년 이후에 처음이며, 이 같은 현상은 40년에 한 번 꼴로 일어나고 있는 것으로 알려지고 있습니다

■ '2012 DA14'는 이번 지구 접근 때 우리나라를 포함한 아시아와 호주, 동유럽 등에서 관측조건이 좋습니다.

이에 따라 한국천문연구원은 이날 다양한 관측시설을 투입해 그 궤도와 자전특성을 조사할 계획입니다.

한국천문연구원은 오는 22일까지 오스트리아 비엔나에서 열리는 UN 평화적 우주 이용을 위한 위원회(UN Committee on the Peaceful Uses of Outer Space, UNCOPUOS) 제50차 과학기술소위원회에서 이번 관측자료와 아포피스의 관측 사항을 보고할 예정입니다.

<관련글>
소행성 아포피스 지구 접근
http://daedeokvalley.tistory.com/584

 한국천문연구원은 2010년부터 기초기술연구회의 지원을 통해 국가문제해결형 연구사업(NAP, National Agenda Project)인 '우주물체 전자광학 감시체계 기술개발'을 수행 중으로, 지구 추락 인공위성 외에도 근 지구 공간을 통과하는 소행성들을 감시하고 있습니다.

한국천문연구원은 2011년 독일의 뢴트겐위성 추락 이후, 교육과학기술부, 국방부, 한국항공우주연구원, 공군 등과 공동으로 러시아 포보스-그룬트 탐사선(2012년)과 코스모스1484 위성(2013년)의 추락을 전후해 위성추락상황실을 운영, 대국민 알림서비스를 수행한 바 있습니다.

<관련글>
러시아 화성탐사선 포보스 지구 추락
http://daedeokvalley.tistory.com/321
러시아 인공위성 코스모스 추락 http://daedeokvalley.tistory.com/589

 

<'2012 DA14'는 어떤 천체인가?>

□ 2012년 2월 23일, 스페인 라 사그라(La Sagra)의 마요르카천문대(Observatorio Astronomico de Mallorca, OAM)에서 처음 발견됐지만, 곧 어두워져 소행성의 위치를 잃어버렸다.

○ 이후, 2013년 1월 9일 카네기연구소 산하 칠레 라스캄파나스천문대(Las Campanas Observatory)에서 이 소행성을 다시 찾아내 국제천문연맹(International Astronomical Union, IAU) 소행성센터(MPC, Minor Planet Center)에 보고했으며, 곧이어 '2012 DA14'라는 임시이름이 붙었다.

○ 2012 DA14는 현재 지구 공전주기와 비슷한 368일 주기로 태양을 공전하며, 궤도의 대부분이 지구궤도 바깥에 있는 아폴로족(Apollos) 소행성이다. 그러나 2월 16일 이후에는 중력 영향으로 인해  궤도의 대부분이 지구궤도 안쪽으로 들어간 아텐족(Atens)으로 변하며, 공전주기도 317일로 짧아질 것으로 예상된다.

○ 2012 DA14의 크기는 약 45m, 자전주기는 6시간 내외인 것으로 알려졌으며 표면은 규산염 광물로 덮여있을 거라고 추측된다.

○ 소행성 2012 DA14는 2013년 2월 8일 기준으로 타원궤도 장축에 해당하는 궤도장반경이 1.0018에서 0.9103 천문단위(지구-태양 평균거리, 1억 5천만km)로, 이심률은 0.1082에서 0.0895로, 지구궤도와 소행성 궤도가 이루는 사이각인 궤도경사각은 10.3도에서 11.6도로 바뀌었다.

○ 이번 접근은 2012 DA14가 향후 30년 내에 지구에 가장 접근하는 사건이 될 것으로 예상되며,  크기가 작기 때문에 망원경으로 보더라도 모양을 확인하기 불가능하다.

○  소행성 2012 DA14는 지상에서 보았을 때 16일 3시 35분경 약 7등급의 맑기로 남서쪽 사자자리 아래 방향 지평선 위로 보이기 시작한 후 하늘이 밝아지기 전인 6시 경에는 북두칠성 부근 (북서쪽 고도 약 50도)에서 사라진다. (서울 기준, 그림2 참조).

   ※ 우리가 아주 어두운 밤하늘에서 맨눈으로 볼 수 있는 가장 어두운 별은 6등급이다. 7등급 별은 쌍안경으로 쉽게 찾을 수 있지만, 이 소행성은 1분 동안 보름달 지름의 1.5배, 1시간 동안 보름달 크기의 100배의 (천체의 움직임에 비해) 매우 빠른 각속도로 밤하늘을 휩쓸고 지나가기 때문에 망원경으로 보기 위해서는 경험이 필요하다. 이 소행성은 새벽 4시경 남서쪽 낮은 하늘의 사자자리 아래쪽에서 보이기 시작하여 새벽 6시경 큰곰자리의 복두칠성의 국자부근을 통과한다. 소행성은 지구에 가깝게 통과하기 때문에 움직임이 매우 빨라 각도상 약 90도를 약 2시간 만에 움직이게 된다.

소행성 2012 DA14의 2월 16일 밤하늘에서의 위치.

 

2012년 2월 23일, 스페인의 마요르카천문대에서 처음 발견한 소행성2012 DA14의 연속사진. 당시 이 소행성은 지구로부터 약 4백3십만km 떨어져 있었다. (라사그라 전천탐사(La Sagra Sky Survey) 팀 제공)


<근지구소행성이란?>

□ 근지구소행성(Near Earth Asteroids, NEAs)이란 궤도상에서 태양과 가장 가까운 지점까지의 거리, 즉 근일점거리가 1.3 천문단위(AU, Astronomical Unit)보다 가까운 소행성을 말한다. (1천문단위는 지구-태양 평균거리. 약 1억 5천만km에 해당한다.)
 
○ 근지구소행성은 태양 주위를 공전하면서 지구궤도와 만나거나 지구 가까이 접근하며, 때로 충돌위협이 되기도 한다.
○ 이들은 화성과 목성 사이의 소행성대에서 안정된 궤도를 돌다가 목성, 토성과 같은 행성들의 중력에 의해 궤도를 이탈, 근 지구공간으로 유입된다.

□ 2013년 1월 현재 국제천문연맹 산하 소행성센터에 등록된 근지구소행성은 9440여 개에 달한다. 이 가운데 지름이 1km보다 큰 것은 860여 개이며, 최근 연구 결과에 따르면 km급 NEA는 모두 981±19개로 추산된다.

□ 근지구소행성은 궤도의 특성에 따라 아텐(Atens)과 아폴로(Apollo), 아모르(Amors), 아티라(Atiras)와 같이 네 가지 종류로 나뉜다.(그림 3 참조)

○ 이 중 아텐과 아폴로는 지구와 궤도가 만나는데, 이 가운데 아텐은 궤도의 대부분이 지구궤도 안쪽에 포함돼 있으며, 아폴로는 궤도 대부분이 지구궤도 바깥쪽에 있다.
○ 아모르는 그 궤도가 지구궤도와 만나지는 않지만, 지구 근방까지 접근하는 소행성을, 아티라는 궤도 전체가 지구궤도 안쪽에 있는 소행성이다.

근지구소행성들의 궤도에 따른 분류. 파란색은 지구의 공정궤도이고 붉은색은 소행성의 공전궤도이다.

   


□ 관련 영상 링크


NASA ScienceCast: Record-Setting Asteroid Flyby

https://www.youtube.com/watch?v=GwidzVHvbGI

Close Approach of Asteroid 2012 DA14 - Fear vs. Fact | Video
 https://www.youtube.com/watch?v=oZcssXk2XQI

JPL NEWS: Asteroid 2012 DA14 Flight Path
https://www.youtube.com/watch?v=ISSArm_yvtQ

JPL NEO Program Office:?Asteroid 2012 DA14 ? Earth Flyby Reality Check
http://www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/asteroidflyby.html


 

posted by 글쓴이 과학이야기

※본 영상은 한국항공우주연구원이 배포한 것이며, 사용 시 반드시 출처를 밝혀야 합니다.

한국항공우주연구원은 지난 1월 30일 16시에 발사한 나로호의 발사 후 모습이 담긴 탑재 카메라의 영상을 공개했습니다.

이 영상은 우리가 만든 나로호 상단부 전자탑재체에 각각 페어링 방향과 발사체 1단 방향으로 설치된 2대의 카메라가 촬영한 것입니다.

posted by 글쓴이 과학이야기

나로호가 2013년 1월 30일 16시 발사돼 탑재 인공위성을 궤도에 진입시키는 모든 절차에 성공하면서 우리나라는 세계 11번째 스페이스클럽 국가가 되었습니다.

나로호는 개발 계획이 수립된 2002년 이후 10차례의 발사 연기와 2차례의 실패를 딛고 이번 3차 발사에 성공하며 사업을 마무리 지었습니다.

이번 나로호 3차 발사의 과정을 정리합니다.


■ 두 번의 발사 연기

△ 첫번째 연기

최초 나로호 3차 발사는 2012년 10월 26일로 예정되었습니다.

그러나 발사 당일 07시 30분부터 시작된 연료 주입 준비 작업 중 10시 10분 경 1단부로 연료 공급을 하는 장치가 헬륨가스 공급 압력(220bar)를 견디지 못하고 파손돼 가스가 세면서 절차가 중단되었습니다.

해당 부품은 러시아가 제작한 것으로, 러시아에서 다시 들여와야 함에 따라 나로호는 기립상태에서 다시 눕혀져 조립동으로 이동했습니다.

<관련글>
3차 발사 중단 이유                           http://daedeokvalley.tistory.com/566
3차 발사 중단 공식 발표문 및 1문 1답  http://daedeokvalley.tistory.com/567
3차 발사 중단 원인 분석 결과             http://daedeokvalley.tistory.com/573

 
△ 두번째 연기

나로호 재발사는 2012년 11월 29일로 확정됐습니다.

하지만 발사 당일 최종 15분을 남겨두고 카운트다운이 중단됐습니다.

문제는 우리나라가 담당한 2단부 로켓의 추력방향제어기(TVC)에서 일부 전류의 이상 신호가 발생했기 때문입니다.

이에 따라 나로호는 다시 눕혀져 조립동으로 이동해야 했습니다.

다행이 관련 부품은 우리나라가 다량 확보하고 있어 수리 및 점검은 원활하게 진행되었습니다.

<관련글>
발사 중단 원인과 향후 일정          http://daedeokvalley.tistory.com/576


■ 세번째 도전

△ 나로호 이송

수리와 점검을 모두 마친 나로호는 해를 넘겨 2013년 1월 30일 재발사키로 합니다.

나로호는 2013년 1월 28일 07시 15분 조립동을 떠나 발사대로 옮겨집니다.

이송 완료 시각은 08시 25분입니다.

발사대에 장착된 나로호는 상단부의 온도제어를 위하여 MTU를 이용한 공기 공급을 받습니다.

MTU(Mobile Thermostating Unit)는 이동형 온도제어 장치로, 발사체 1단 및 상단의 온도와 습도 요구 조건에 맞는 공기를 공급하는 시스템입니다.

이어 10시부터는 나로호와 발사대 케이블마스트의 연결 작업이 진행됩니다.



△ 나로호 기립

케이블 마스트 연결을 마친 나로호는 이날 14시 41분 이렉터를 이용해 기립을 시작, 15시 5분 완료하고 발사 대기 상태에 돌입합니다.

 

△ 발사 리허설

한국항공우주연구원은 기립된 나로호의 발사 리허설을 실시, 1월 29일 16시 9분 완료했습니다.

3시간에 걸쳐 리허설 결과를 분석한 결과는 이날 19시 '한·러 비행시험위원회(FTC)'에 보고되었고, 이어 20시에 열린 '나로호 3차 발사 관리위원회'는 특이사항이 없어 익일 나로호 발사가 기술적으로 가능함을 확인했습니다.

 

■ 발사 당일

△ 발사 준비상황

발사 당일인 2013년 1월 30일 11시, '나로호 3차 발사 관리위원회'는 기술적 준비상황, 기상상황, 우주환경상황 등을 종합적으로 검토해 이날 16시 나로호 발사를 최종 결정했습니다.

발사 약 2시간 전인 13시 58분 연료와 산화제 주입을 시작되었습니다.

이어 발사 15분 전인 15시 45분 자동 발사 카운트다운이 실행되었습니다.

그리고 16시 정각 발사에 성공했습니다.

 

<나로호 발사에 대한 교육과학기술부 공식 브리핑 전문>
-2013년 1월 30일 17시 발표-

우리 과학기술인들은 오늘 나로호를 우주로 쏘아 올렸습니다.
오늘 오후 4시 00분에 나로호가 성공적으로 발사되어 발사 540초 후에 나로과학위성을 분리하였고, 각종 자료 분석 결과 나로호가 나로과학위성을 목표궤도에 진입시켜 발사에 성공했다는 것을 공식적으로 말씀드립니다.
궤도에 진입한 나로과학위성과의 최초 교신은 내일 새벽 대전(한국과학기술원 인공위성연구센터)에서 이루어질 예정이며, 위성과의 교신도 반드시 성공할 것으로 기대하고 있습니다.
교신이 확인되는 즉시 국민 여러분께 알려 드리겠습니다.
오늘의 나로호 발사 성공으로 우주강국을 향해 한 단계 더 도약하게 되었습니다.
정부는 오늘의 감격을 힘찬 동력으로 삼아, 한국형 우주발사체를 독자 개발하여 2020년경에는 우리 기술로 우주에 갈 수 있도록 우주개발에 더욱 매진할 계획입니다.
오늘의 발사 성공은 우리 국민 모두의 성공입니다.
두 차례의 발사 실패와 두 번의 발사 연기에도 불구하고  국민 여러분께서 따뜻한 격려와 변함없는 성원을 보내주셨기에 좌절하지 않고 더욱 노력해 3차 발사에 성공할 수 있었습니다.
한 나라의 과학기술이 발전하기 위해서는 국민의 성원과 지지가 얼마나 중요한 지 나로호가 보여주었습니다.
아울러 오랜 시간 동안 수많은 역경을 이겨내고 오로지 발사 성공을 위해 땀과 열정을 아끼지 않고 모든 것을 바친 한국항공우주연구원 여러분께도 아낌없는 감사의 박수를 보냅니다.
또한 나로호 개발과 발사에 참여한 과학기술인과 산업체 기술진 여러분, 그리고 러시아 과학자들께도 감사의 말씀을 드립니다.
학생, 청소년 여러분 대한민국은 세계로, 우주로 뻗어나가고 있음
마음껏 꿈을 펼치시기 바랍니다.


■ 나로과학위성 궤도 정상 진입

 

△ 최초 지상 교신

나로호 발사 후 9분 만인 16시 9분 나로호에서 정상 분리된 나로과학위성은 19시 26분부터 약 10분간 노르웨이 지상군에 비콘(beacon) 신호를 보내며 성공적으로 첫 교신을 했습니다.

비콘신호는 위성에서 주기적으로 지상으로 보내는 고유의 전파신호로, 이를 수신한 것은 곧 나로과학위성이 나로호와 분리 시 계산된 궤도에 정상 진입하였음이 실제로 확인된 것을 의미합니다.

나로과학위성은 위성이 매 궤도마다 북극 지역을 지나기 때문에 노르웨이 지상국과의 협정을 통하여 초기 신호를 주고 받게 됩니다.

△ 국내 지상국과 첫 교신

2013년 1월 31일 03시 28분 KAIST 인공위성센터는 나로과학위성과 최초 교신에 성공합니다.

KAIST 인공위성연구센터는 위성이 궤도에 진입한 후  처음으로 우리나라 상공을 지나는 31일 오전 3시 28분부터 14분간 최초 교신을 시도하여 위성의 현재 상태를 확인하기 위한 초기 명령을 위성으로 전송하고, 위성으로부터 자료를 전송 받아 나로과학위성의 상태가 모두 정상적인 것을 확인하였습니다.

 

 <나로과학위성>

○ 개요
나로과학위성은 앞으로 앞으로 약 한 달간의 초기 운영을 거쳐 1년 간 지구 타원궤도(300×1500km)를 하루에 14바퀴씩 돌며, 탑재된 이온층 관측센서와 우주 방사선량 측정센서로 우주환경을 관측한다. 
또한 탑재된 레이저 반사경으로 나로과학위성의 위성궤도를 정밀 관측할 수 있도록 해주고, 펨토초 레이저, 자세제어용 반작용 휠, 적외선영상센서, 태양전지판과 전개용 힌지 등 우주기초·핵심기술개발사업 등을 개발된 국산기술의 우주환경 검증을 수행하게 된다.

 ○ 사업기간 / 사업비 : '11.2~'13.2 / 20억원

 ○ 주관연구기관 : KAIST 인공위성연구센터

 ○ 주요추진경과
   - 사업착수('11.2), 시스템 요구사항 검토('11.3), 상세설계('11.5), 종합 기능 시험('11.11), 위성체 총조립('12.1), 선적 전 최종점검('12.7), 나로우주센터 이송('12.8), 발사장 시험 및 발사체 접속('12.9~)

 ○ 무게 / 수명 : 100kg / 1년

 ○ 궤도 : 타원궤도(300km × 1,500km) / 경사각 : 80도

 ○ 임무
   - 위성의 궤도진입 확인을 통한 나로호 발사 성공 여부 확인
   - 타원궤도의 장점을 활용할 수 있는 우주환경 관측임무
   - 우주기초?핵심기술개발의 국산화 우주 기술의 검증

 

posted by 글쓴이 과학이야기
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