Satellite Camera Focus Mechanism Design and Verification

위성용 전자광학카메라의 초점제어시스템 설계 및 검증

Abstract

The focus control mechanism of the multi-purpose camera can be required for the better quality image acquisition. A good image acquisition through the hardware system including the optics and image sensor, has to be processed before the post correction for improvement of image quality. In the case of the high-resolution satellite camera, the focus control is not a necessity, unlike a normal camera due to a fixed optical system, but may be required due to various reasons. Although there is a basic focus control method using a motor for satellite electronic optical camera, a focus control method using thermal control can be a good alternative because of its various advantages in design, installation, operation, contamination, high reliability and etc. In this paper, we describe the design method and implementation results for the focus control mechanism using the temperature sensor and heater installed in the telescope structure. In the proposed focus control method, the measured temperature information is converted into temperature data by the Kalman filter and the converted temperature data are used in PI controller for the thermal focus control.

다양한 목적으로 개발되는 영상획득용 카메라는 고품질의 영상정보 획득을 위해 초점제어 기능이 탑재될 수 있다. 영상의 품질향상을 위한 후처리 보정에 앞서, 광학계와 영상센서를 비롯한 하드웨어를 통해 우수한 1차 영상 획득이 선행되어야 한다. 고해상도의 영상 촬영 임무를 수행하는 위성탑재용 고해상도 카메라의 경우, 고정된 광학계로 인해 일반 카메라와 달리 초점제어가 필수요건은 아니지만, 여러 외부요인으로 인해 해당 기능이 필요할 수 있다. 위성용 전자광학카메라의 초점제어방식에는 모터를 사용하는 기본적인 방식이 있으나, 이에 비해 다양한 장점(설계, 설치, 운용, 오염, 고신뢰성 등)을 갖는 열 제어에 의한 초점제어 방법이 대안으로 제시될 수 있다. 본 논문에서는 카메라경통에 설치된 온도센서와 히터를 이용한 초점제어방법을 설계하고 구현한 결과를 설명한다. 제안하는 초점제어방법에서, 측정된 온도 정보는 칼만필터를 통해 제어에 필요한 온도 데이터로 변환되고, 이 값을 이용하여 구현된 PI 제어기를 통해 열에 의한 초점제어가 수행된다.

1. 서론

지구 관측을 통한 고해상도 위성사진의 수요가 증가하면서, 고품질의 영상 획득이 가능한 위성탑재카메라의 개발이 활발히 진행되고 있다. 미국은 WorldView-3를 이용하여 GSD(Ground Sampled Distance) 0.31 m 영상을, 중국은 Gaofen-2호가 0.8 m의 영상을, 프랑스의 Pleiades는 0.5 m의 영상을, 그리고, 우리나라는 아리랑 위성들이 1 m 이하의 고해상도 지구 관측임무를 수행 중이다(Toth et al., 2016).

획득된 지구관측 영상의 품질은 GSD, 신호대잡음비(SNR, Sginal to Noise Ration), MTF(Modulation Transfer Function) 등 카메라의 주요성능지표에 따라 크게 좌우된다. GSD는 위성 영상의 한 픽셀(pixel)당 표현하는 지상의 거리, MTF는 GSD에 해당하는 픽셀이 얼마만큼 선명한지를 보여주는 광학계의 성능을 확인할 수 있는 스펙으로, 카메라를 통해 획득한 영상에서 더 많은 유용한 정보를 얻기 위해 높은 해상도(GSD와 MTF로 결정)와 높은 SNR이 요구된다(HWANG et al., 2015). MTF는 해석적 방법으로 광구조체 설계 시에 계산할 수 있고, 위성카메라의 지상조립 및 시험단계에서 적분구의 광원을 이용하여 MTF를 측정할 수 있으며, 발사 후에도 궤도상에서 측정하여 위성의 설계부터 임무수행까지의 전반적인 영상품질을 평가할 수 있다(Jo et al., 2015).

영상획득을 위한 일반적인 카메라에는 피사체와의 거리가 변하기 때문에 MTF 값이 높은 고품질의 영상 획득을 위해 줌 기능과 함께 초점 조정 기능이 필요하다. 휴대용 기기에 장착된 카메라는 팬(Pan) 초점을 적용하여 피사체의 근거리에서 원거리까지 초점을 맞추는 방식이 이용되고 구현 방식은 크게 스텝핑(stepping) 모터를 사용하여 PWM(Pulse Width Modulation)으로 제어하는 방식과 VCM(Vocie Coil Motor)을 제어하는 방식으로 나뉠 수 있다. 일반 카메라의 경우, 렌즈를 수동 혹은 자동으로 위치 조정하여 초점을 맞추는 방식을 사용한다(Sohn et al., 2015). 정해진 궤도를 운행하는 위성탑재 카메라는 목표지점과의 거리가 거의 일정하므로 고정 광학계에서 별도의 초점 조정기능에 대한 필요성이 적을 수 있다. 하지만 지상조립, 시험을 통해 정렬 완료된 위성탑재카메라는 위성의 발사 시 진동, 궤도운동, 자세의 미소변화 및 미세진동을 비롯한 외부 환경에 의한 광구조부 정렬의 틀어짐이 발생가능하며, 이는 영상 MTF 성능저하와 같은 영상품질 문제를 발생시킬 수 있다. 그러므로 궤도운영상 광학 미세 정렬과정인 리포커싱(Refocusing)이 필요하며, 이 과정을 통해 허용범위 안의 정렬 보상이 가능하다.

위성카메라의 초점제어 방식 역시 일반 카메라와 유사하게 모터를 이용하는 기구보정식과 광학보정식, 그리고 전자보정식 등의 다양한 방법이 사용될 수 있다(Park et l., 2008). 초점방식의 선택에 있어, 초고해상도 영상정보 획득을 위해 정밀 초점면 정렬작업이 필요한 특성을 고려해야 하고, 무엇보다 궤도상에서 임무 수행을 위해 발사, 운영을 고려한 위성의 고신뢰성 요구를 반영하여 설계해야 한다.

본 논문에서는 모터를 이용한 기구보정식에 비해 다양한 장점(설계, 설치, 운용, 오염, 고신뢰성 등)을 갖는 열 제어를 이용한 위성의 초점제어 방식을 제안한다. 이를 위해 먼저 위성탑재용 전자광학탑재체의 구성 및 동작원리를 간단히 설명하고, 열 제어 방식을 이용한 위성카메라의 초점제어시스템을 설계, 검증한 내용을 기술한다.

2. 초점제어시스템

초점 조정 방식에는 영상센서가 장착된 초점면을 조정하는 방식과 미러를 포함한 광학계를 조정하는 방식이 사용될 수 있다. 광학계가 상대적으로 작은 소형위성 위성에서는 초점면을 미세 조정하여 초점을 맞추는 방법이 유리하다. 발사단계의 진동환경과 우주환경을 고려하여 궤도에서 영상 안정화를 위해 위성의 자세 안정성 및 진동 절연 플랫폼이 필요하나, 부피와 무게 제한을 갖는 소형 위성은 이를 지원할 수 없는 한계가 있다. 이 경우, 미세 초점면 제어방식은 허용범위 안의 미소진동에 의한 영상품질 저하에 능동적으로 대처할 수 있다(HWANG et al., 2015).

반면, 중형 및 실용위성의 경우, 정밀한 정렬작업을 마친 초점면의 움직임은 MTF 값 하락을 비롯한 영상품질 저하 등에 직접적 원인이 될 수 있어, 광학계 미러의 미세조정을 통한 초점제어 방식이 사용된다. 광학계 조정을 통한 초점제어 방식에는 Linear Actuator 방식과 linear step 모터 방식, 그리고, 열을 이용한 방식이 있다. 예를 들어, Linear Actuator 방식에는 HiRISE 카메라가, linear step motor를 이용한 방식은 Meteosat 카메라, 그리고, 열을 이용한 방식은 Pleiades와 SEOSAT가 대표적이다.

Actulator 및 모터를 이용한 방식은 모터부(motor oving parts), 기어부(gear mechanism) 및 관련 제어시스템이 추가되어 무게, 부피의 제한이 있는 위성카메라의 설계 및 제작에 부담이 되며, 발사과정에서 모터 및 기어와 같은 기구물에 손상 가능성이 있고, 궤도상의 운영에서 동작 및 위치확인 등의 불확실성이 발생할 수 있다. 이러한 단점은 온도 선세 및 히터만을 추가한 초점제어방식으로 극복할 수 있다. 또한, 상대적 저전력 구동이 가능하고, 노화에 의한 오동작 효과도 없으며, 광학계 오염의 가능성이 있는 윤활성 물질이 필요 없는 등 많은 장점이 있다. 본 논문에서는 이러한 장점을 갖는 열에 의한 초점제어시스템의 기본 동작원리를 설명하고, 설계, 제작된 시스템을 시험, 분석하였다(Selimoglu et al., 2016).

3. 탑재카메라 구성

고해상도의 영상획득 위해 개발되는 위성용 전자광학탑재카메라는 광기계와 광전자부로 구성된 전자광학시스템(OS, Electro-Optic System)과 획득한 영상의 처리 및 지상 전송을 위한 탑재체자료처리장치(PDTS, Payload Data Transmission System)로 구분된다. 전자광학시스템은 여러 개의 미러와 경통(HSTS, High Stability Telescope Structure)으로 구성된 OM(Optical Module)과 카메라전자부(CEU, Camera Electronic Unit)로 나뉘며, 카메라전자부는 영상획득에 필수적인 영상 센서와 이를 제어하기 위한 초점면전자부(FPE, Focal Plane Electronics), 카메라제어부(CC, Camera Controller), 카메라전원공급장치(CEUP, Camera Electronic Unit Powersupply)로 구성된다(Fig. 1). 카메라제어부는 전체적인 카메라의 제어를 담당하며 카메라가 보다 고품질의 영상획득을 하도록 카메라의 초점제어기능을 추가로 수행한다. 초점보정 작업은 카메라 경통에 설치되어있는 여러 온도 센서와 히터를 사용하여 초점제어를 수행하는 방식이다. 경통에 설치된 온도센서를 이용하여 경통의 현재 온도 상태를 점검하고, 히터로 발생시킨 열에 의해 경통에 설치된 미러를 정밀하게 움직이는 원리이다. 온도센서에 의해 측정된 온도 값은 카메라제어기 내의 전자보드내에서 디지털로 변환되어 칼만필터(Kalman filter)를 통해 제어에 필요한 온도 데이터로 변환되고, 이 값을 이용하여 구현된 PI 제어기(ProportionalIntegral Derivative Controller)를 통하여 해당 메커니즘을 동작시킨다.

Fig. 1. Satellite EOS Payload Block.

칼만필터는 온도 센서에서 수집되는 온도 데이터에 다양하게 포함되는 잡음을 효과적으로 제거하고, 선형적 추적을 위해서 사용하였다. 가장 대표적 필터이고, 구현 및 시험이 비교적 간단하며, 성능과 신뢰성이 높기에 고신뢰성이 필수로 요구되는 위성탑재체 시스템에 적용하였다. 카메라전원공급장치는 초점제어장치를 포함하여 전체 카메라 운영에 필요한 전원을 공급하는 역할을 수행한다.

영상센서는CCD(ChargeCoupledDevice)와CIS(CMOS Image Sensor) 등이 사용될 수 있으며 각각의 장단점이 있다. 적은 빛을 빠른 속도로 획득하기에는 CCD가 영상획득에 유리하나, 센서제어부의 구현이 복잡하다. 각각의 주요 장단점은 Table 1과 같이 간단히 정리한다(Bigas et al., 2006).

Table 1. Main advantages of CCD and CMOS image Sensors

장착된 렌즈의 자동 혹은 수동으로 위치 조정을 통해 초점 및 줌기능을 수행하는 일반적인 카메라와는 달리, 고해상도의 영상획득을 위해 위성에 탑재된 카메라는 정해진 고도와 GSD를 바탕으로 고정된 광학설가 이루어진다. 광학계 정렬 작업을 통해 초점 정렬 작업이 수행되며, autocollimator를 비롯한 광학정렬장비와 영상 확인, Foucault Knife-edge 시험, intensity chopping 시험 등의 다양한 방법을 사용하여 정렬 작업이 수행된다. 정렬된 광학계를 이용한 영상획득 작업에서 실제 고도에서 보다 나은 품질의 영상획득을 위해 정밀 미세 초점제어방식이 요구된다. 초점제어 방식에는 기계적 모터를 사용하여 초점을 제어하는 방식을 포함한 다양한 방법이 사용될 수 있으나, 궤도 운영에 있어 모터 제어를 포함한 기계식 제어 방식의 경우, 우주환경 운영에 대한 특성상 높은 신뢰도의 동작 유지를 위해 사용이 지양될 수 있어, 고신뢰성을 갖는 열을 이용한 초점제어방식이 사용될 수 있다. 다음은 초점제어 설계 및 검증에 대해서 서술하였다.

4. 초점제어시스템 설계 및 검증

1) 열 제어에 의한 초점제어 방식 개념

열을 이용한 초점제어방식은 기본적으로 광구조부의 열 팽창(thermal expansion) 현상을 이용하여 M2 미러를 미세 조정하는 방식이다. 기본 원리는 Fig. 2와 같이, 카메라의 핵심을 이루는 M1, M2 미러가 장착된 경통에서 앞쪽의 M2 미러가 장착 된 경통 부분에 Heater를 이용하여 두 개의 링(Upper Ring, Lower Ring)을 구성하고, 각각의 링에 전원을 인가하여 그 온도차에 의한 열 팽창 현상으로 M2 미러가 전후로 수um 움직이도록 설계하는 원리이다. 구현된 기능의 확인 시험은 시험 미러가 장착된 상태에서 외부의 열 변형에 의한 영향을 줄이기 위해 돌판(stone plane) 위에서 수행되며(Fig. 2), 경통 이외의 다른 열 잡음 및 열 변형이 해당 기능시험에 영향을 미치지 않도록 조치한 후 수행한다.

Fig. 2. EOS Focusing Mechanical Block.

2) 초점제어부 하드웨어 설계 및 검증

경통에 설치된 초점제어를 위한 링히터의 제어는 카메라전자부에 의해 수행된다. 카메라제어부 내의 초점제어부 하드웨어는 카메라 전원공급장치에 제어신호를 송출하고, 전원공급장치는 이를 바탕으로 경통에 장착된 링히터에 정해진 전원을 공급하여 초점제어 기능이 수행된다.

초점제어를 위해 링에 히터와 함께 설치된 온도 센서를 이용하여, 링의 현재 온도를 측정하고 이를 카메라제어부 내의 제어보드에서 ADC(Analog Digital Converter)를 이용하여 해당 값을 획득 후, 이를 바탕으로 카메라제어보드에서 초점제어를 위한 신호를 생성한다. 온도의 측정주기는 1㎐로 조정하여 다른 카메라의 상태수집 동작과 호환이 되도록 설정할 수 있다.

카메라제어부에서 전원공급장치에 보내는 명령 신호는 PWM과 SPI(Serial Peripheral Interface) 신호 등으로 형태로 출력될 수 있다(Fig. 3).

Fig. 3. Focus Mechanism System Control Concep

전체 초점제어시스템에서 온도 정보를 수집하고, 카메라전자부에서 해당 동작을 수행할 수 있도록 디지털정보로 변환하는 역할을 수행하는 초점제어보드는 아래 그림(Fig. 4)과 같이 구성된다. 초점제어를 위해 수집되는 다양한 온도 센서의 측정값은 초점제어보드에서 MUX(다중화기, MUltipleXer) 처리를 위해 1차 증폭이 수행된다. 여러 개의 측정된 온도 값은 MUX에서 순차적으로 선택되고, 이 값은 2차 증폭을 거치 ADC에서 디지털정보로 변환된다. 2차 증폭기에서는 ADC의 입력 조건에 맞추어 적절한 증폭이 수행되며, 디지털 변환 된 값은 초점제어기능 수행을 위해 프로세서에 보내진다.

Fig. 4. Focus Control Board Function Diagram.

초점제어보드는 회로설계 후, 시뮬레이션을 통해 검증된다. 해당 영역의 온도 측정용 센서를 통한 온도 정보는 전단 증폭기(1차 증폭)를 통해 MUX에 사용될 수 있는 신호로 증폭된다. 센서의 온도 값은 저항 성분이다. 온도 변화에 의한 센서 값(저항)의 변화에 따라 전단 증폭기의 출력 값(MUX의 입력 값)이 바뀌게 된다.

측정된 온도 데이터는 MUX 처리와 후단 증폭기를 통해 2차 증폭된 이후, ADC를 통해 디지털 정보로 변환되어, 신호처리를 위해 프로세서(or FPGA)로 전달된다. MUX를 거친 1차 증폭신호의 2차 증폭에 관한 회로설계 후, 시뮬레이션(Fig. 5)을 통해 확인하였다. 1차 증폭을 거친 센서신호는 2차 증폭기에서 ADC입력에 사용될 수 있도록 증폭이 되며, 증폭을 위해 reference voltage source와 common reference current source에서 안정적이 전원을 공급받고, 온도측정 값의 변화에 의한 2차 증폭기의 입력 값(온도 변화량)에 변화에 맞춰 안정적인 증폭 값이 출력되는 것을 확인하였다.

Fig. 5. 2nd Amplifier Stage Block Simulation

1차, 2차 증폭기의 회로설계와 시뮬레이션 과정을 통해 미리 정해진 측정온도에 의한 입력 값(저항 값)이 정해진 온도 센서의 동작범위(허용 전압) 내에서 안정적으로 증폭되는 것을 확인하였다. 최종 증폭 값은 ADC를 통해 디지털신호로 변환되고, 후처리 과정을 거친다.

3) 초점제어부 알고리즘 설계 및 검증

초점제어부의 하드웨어를 통해 획득, 디지털변환 된 초점제어관련 온도센서신호는 초점제어부내에서 연산, 처리된다. 측정된 온도 값은 증폭, 디지털로 변환되고, 센서의 스펙과 일부 보정과정을 거쳐 정해진 온도 값으로 환산된다. 온도에 따른 센서 저항값 변화량과 ADC의 분해능(resolution)에 따라 DN(Digital Number)당 환산 온도의 값이 변하며 요구되는 시스의 온도 변화 정확도에 따라 온도 센서 및 ADC를 선택하여 설계하면 된다. 이렇게 처리된 센서 신호는 카메라제어부 내의 FPGA내에서 정해진 알고리즘에 의해 동작한다. 먼저, 측정된 경통의 초점제어링의 여러 포인트별 온도 데이터는 칼만필터를 통해 계산에 사용될 값이 선택되고, 평균값을 구해 이를 바탕으로 PI 제어기를 이용하여 초점 면 제어부의 신호가 제어된다(Fig. 6).

Fig. 6. Focus Control Algorithm.

아래의 기본식으로 동작하는 칼만필터의 원리를 이용하여, 바로 이전 시간에 추정한 값과 예측값, 측정된 센서 값과 적당한 가중인자(weight factor) 값을 적용하여 계산에 사용할 최종 값을 획득할 수 있다.

\(x_k=F_kx_{k-1}+B_ku_k+w_k\)       (1)

Fig. 2의 초점제어 확인시험의 기본 셋업에서 수집되는 많은 온도센서는 식 (1)을 통해 칼만필터링(Kalman filtering) 처리된다. 수집된 온도데이터의 칼만필터링을 통해 처리되는 예는 아래 그림 Fig. 7과 같다.

Fig. 7. Kalman filter Data Processing.

칼만필터링 통해 획득한 센서값은 실제 초점제어부의 동작을 위해 PID 제어기에서 처리된다(Fig. 8). 현재 상태에서 오차값의 크기에 비례하게 제어하는 비례항(P, Kp), 정상 상태의 오차를 줄이려는 적분항(I, Ki), 그리고 급격한 변화를 줄이려는 미분항(D, Kd)으로 구성된 PID 제어기에서 비례항과 적분항으로 PI 제어기를 구성하여 초점제어부의 히터 제어를 수행하였으며(식 (2)), 실험 통하여 이득값(Kp, Ki)을 결정하여 사용하였다.

\(V(t)=K_pe(t)+K_i\int^t_0e(\tau)d\tau+K_d\frac{de}{dt}\)       (2)

Fig. 8. PID 제어기 Block.

5. 세부 검증 및 고찰

1) 열에 의한 탑재카메라 영향분석

지구저궤도 인공위성은 대류의 영향이 거의 없이 열전도와 열복사에 의한 영향을 주로 받는다. 우주환경에서 EOS 경통에 미치는 열에 의한 온도 변화를 점검하기 위해 지상에서 수행한 적분구를 이용한 EOS 복사 보정시험 관련 셋업(Fig. 9)으로 온도에 의한 영향을 점검하였다. 적분구의 경우, 태양광 모사를 위하여 강한 빛을 만들며 이로 인해 높은 온도의 열을 방출하게 된다. 적분구를 최대 출력으로 설정하고, 해당 온도에 의한 경통의 온도 변를 살펴본 결과는 Table 2와 같다. 시간의 흐름에 따라 적분구와 가까운 경통의 온도가 매우 상승하였으며, 관심부분인 초점제어를 위한 두 개의 링사의 온도 또한 매우 증가함을 확인할 수 있었다.

Fig. 9. Satellite EOS Test of the Thermal Environment.

Table 2. Temperature for Test setup (Fig. 9)

외부 열복사에 의한 온도 증가를 방지하고, 링히터의 동작 효율화를 위해 전자광학탑재체를 포함한 위성체를 다층박막단열재(MLI, Multi-Layer Insulation)로 감싸서 우주공간의 외부환경으로부터 보호한다. MLI는 궤도에서 탑재카메라를 보호하고, 초점제어를 위한 히터 외에 카메라 경통 및 기타 구조물, 전자부 등에 히터 및 온도센서를 설치, 운용하여 우주환경에서 임무 수행에 최적의 상태로 유지한다. 또한, 경통의 방향은 기본적으로 지구를 향하도록 운영하여 탑재카메라의 온도 상승 및 태양의 직사광선으로 인한 영상센서를 비롯한 부품의 손상 등을 방지한다.

2) 열에 의한 초점제어 시험 및 분석

열제어에 의한 초점제어시스템의 주요 요구 규격은 Table 3과 같다.

Table 3. 열제어 방식 주요 요구 규격

요구 규격에 맞춰서 제작 구현된, 초점제어시스템은 지상시험 및 실제 괘도환경에서 시험되었다. 동일한 알고리즘으로 구현된 초점면 제어시스템에서 온도 제어를 위해 카메라 전원공급장치에 보내는 제어신호의 종류(전압레벨제어 방식 사용, PWM제어 방식 사용) 및 측정된 온도 정보의 칼만필터링 순서에 따라 그 동작에 미세한 차이가 있음을 확인할 수 있다.

경통의 온도를 측정함에 있어, 경통 여러 곳에 센서를 설치하여 이를 평균한 값을 제어기에 사용하게 되는데, 획득된 온도 값의 평균을 필터링하여 사용하는 방법(#1, Fig. 10)과 획득된 온도를 필터링한 후에 평균을 구하여 사용하는 방법(#2, Fig. 11)으로 구분할 수 있다. 아래 실험 데이터는 PID 제어기의 동일한 파라메터값에서 각각 방법#1, 방법#2의 방식으로 실험한 값이며, 필터링의 순서와 제어방식(레벨제어, PWM제어)에 따른 차이를 확인한 값이다.

Fig. 10. Focus Control Test Method#1.

Fig. 11. Focus Control Test Method#2.

방법#1은 두 개의 링(Fig. 2)간의 온도차를 -2.2℃로 설정하여 실험한 내용이다. 초기 값(-1.25℃)에서 시작하여 목표한 값으로 수렴해 가는 것을 확인할 수 있다.

방법#2는 두 개의 링(Fig. 2.)간의 온도차를 -0.5℃로 설정하여 실험한 내용이다. 초기 값(-1.8℃)에서 시작여 목표한 값으로 수렴해 가는 것을 확인할 수 있다.

방법#1, #2의 결과와 같이 동일한 PI 파라메터(Kp, Ki, Kd) 값에서 방법에 따라 목표 값에 도달하는 시간(기울기)과목표 값에 수렴해가는 모양의 미세한 차이를 확인할 수 있다. 사용되는 전자광학카메라의 특성과 운영조건에 맞게 각각의 방법을 선택하여 구현할 수 있다.

잡음에 민감한 탑재카메라의 특성을 고려하여, 획득한 실험 데이터 값을 FFT하여 포함된 신호의 특성을 확인하였으나, 방법#1과 방법#2의 실험 결과에서 잡음을 비롯하여 특이사항 없이 동작함을 확인하였다.

6. 결론

고해상도의 영상정보 획득용 위성탑재 전자광학카메라에서 획득 영상의 품질 향상을 위해 사용되는 기구식 모터제어 방식의 초점제어는 신뢰성, 사용 전력, 기구물에 의한 부피, 무게, 발사시 잠금장치(Launch lock device) 및 오염 등의 문제가 발생할 수도 있어 상대적으로 구현이 간단한 열에 의한 초점제어 방식이 사용될 수 있다.

본 논문에서는 구현이 비교적 간단하고, 신뢰성이 높은 열 제어를 통한 탑재카메라의 초점제어방식에 대해 소개하였으며, 실제 구현을 통해 기계적 방식의 단점을 보완하는 것을 확인하였다. 광학계에서 미러를 장착한 경통에 일정 간격의 히터링을 설치하고, 열에 의한 열 팽창 현상에 의해 미러를 움직이는 원리의 열 제어방식은, 제어시스템의 동작을 위한 온도 센서, 히터링의 기구물과 이를 전자신호로 변환하고 제어알고리즘을 구현하는 제어전자부로 구성된다. 온도 센서를 통해 경통의 온도 값은 초점제어부에서 디지털신호로 변환되고 칼만 필터를 거쳐, 제어에 필요한 신호를 선택한다. 변환된 온도 값은 PI 제어기를 통해 경통에 설치된 히터를 제어하는 방식으로 제어시스템이 동작한다. 설계 및 시뮬레이션을 통해 제어전자부를 검증하였고, 제작된 시스템의 세부 검증과 동작 확인 시험을 통해 초점제어시스템의 주요 요구규격(Table 3)을 만족하는 것을 확인하였다(Fig. 10 and Fig. 11). 향후, 해당 방식에 의한 획득 영상의 성능 비교 등의 연구가 요구된다.