위스크브룸·푸쉬브룸

왜 배우는가: 위성 광학 영상이 어떤 원리로 얻어지는지는 이후 기하학적 특성과 답안 구성의 출발점이다. 시험에서는 두 방식을 비교하는 문항과 선형 CCD 문항으로 반복해서 다뤄진다.

출제 이력: 제123회 3교시 4번, 제95회 4교시 4번, 제90회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

위스크브룸은 회전 거울로 한 화소씩 가로질러 주사하고, 푸쉬브룸은 선형 배열 검출기로 한 라인씩 취득하는 방식이다.

위스크브룸 스캐너와 푸쉬브룸 스캐너는 광학 센서로 위성 영상을 얻는 대표적인 주사 방식이다. 두 방식 모두 2차원 프레임 센서처럼 장면 전체를 한 번의 노출로 얻지 않고, 영상을 선 단위로 쌓아 가는 방식이다. 다만 선을 만드는 방법이 다르다. 위스크브룸은 움직이는 거울로 시야를 옮겨 한 화소씩 선을 만들고, 푸쉬브룸은 검출기 배열이 한 라인을 동시에 얻으면서 위성의 전진 운동으로 영상을 쌓는다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 교차궤도 주사: 위성 궤도 진행 방향에 수직인 방향으로 지표를 훑는 주사이며, 위스크브룸 스캐너가 이 방식에 해당한다.
• 진행궤도 주사: 위성의 궤도 진행 방향으로 영상이 누적되는 방식이며, 푸쉬브룸 스캐너가 이 방식에 해당한다.
• 기계식 주사: 회전 거울 같은 움직이는 부품으로 검출기의 시야를 이동시키는 방식이다.
• 선형 배열 검출기: 교차궤도 방향으로 검출기를 나란히 배열한 소자이다.
• 순간시야각(IFOV): 검출기 하나가 한 순간에 바라보는 지상 범위를 각도로 나타낸 값이다.
• 집광량: 검출기가 일정 시간 동안 모으는 빛의 양이며, 주사 방식에 따라 달라진다.

두 방식은 같은 주사 원리를 다르게 구현한 것이다. 따라서 답안에서는 주사를 일으키는 부품과 주사 방향을 기준으로 구분한다.

2. 개념 풀이

위스크브룸 스캐너는 교차궤도 방향으로 시야를 옮기는 기계식 주사기이다. 회전하는 거울이 지표에서 들어오는 빛을 단일 검출기로 보내, 한 번에 한 화소의 자료를 수집한다. 거울이 한쪽 방향으로 훑고 지나가는 동안 한 라인이 완성되고, 위성이 전진하면서 라인이 이어져 영상이 된다. 한 화소를 보는 시간이 짧으므로 검출기가 모으는 빛의 양은 제한된다. 스캔을 멈추고 좁은 구역을 집중해서 관측할 수 있어 카메라의 망원 렌즈와 비슷한 역할도 한다고 설명된다.

푸쉬브룸 스캐너는 교차궤도 방향으로 나란히 배열된 선형 배열 검출기로 지표 한 라인을 동시에 본다. 위성이 궤도를 따라 전진하면 검출기 줄이 다음 지역을 보게 되고, 라인이 계속 쌓여 2차원 영상이 된다. 검출기 하나가 같은 지상 지점을 보는 시간은 시야 크기와 위성 속도로 정해지며, 이 시간이 길수록 집광량이 커진다. 이것이 푸쉬브룸의 기본 원리이며, 주사를 일으키는 것은 기계식 부품이 아니라 위성의 전진 운동이다.

푸쉬브룸은 기계식 주사기가 아니라 선형 배열 검출기가 위성의 전진 운동으로 영상을 쌓는 방식이다.

두 방식의 차이는 검출기의 개수에서도 드러난다. 위스크브룸은 단일 검출기나 소수의 검출기를 쓰고, 푸쉬브룸은 교차궤도 폭 전체에 걸친 다수의 검출기를 쓴다. 이 때문에 개별 검출기의 민감도 차이가 영상의 줄무늬 잡음으로 나타날 수 있으며, 이것이 푸쉬브룸의 대표적인 단점이다. 프레임 센서와 비교하면 두 주사 방식은 한 번의 노출로 면을 얻지 않는다는 점에서 같고, 주사를 기계적으로 하느냐 위성 운동으로 하느냐에서 다르다.

영상의 기하학적 크기는 관측 고도와 순간시야각으로 정해진다. 검출기 한 개가 보는 지상 크기는 대략 고도에 순간시야각을 곱한 값이며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$G \approx H \times \beta$

여기서 G는 지상 해상 크기(m), H는 관측 고도(m), β는 순간시야각(rad)이다. 같은 고도에서 순간시야각이 작을수록 지상 크기가 작아져 해상도가 높아진다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 기계식 주사: 움직이는 부품으로 시야를 옮기는 주사 방식이며, 위스크브룸 스캐너가 이에 해당한다.
• 선형 배열 검출기: 교차궤도 방향으로 검출기를 한 줄로 배열한 소자로, 한 라인의 화소를 동시에 취득한다.
• 프레임 센서: 2차원 배열로 장면 전체를 한 번에 촬영하는 방식으로, 일반 카메라와 같은 원리이다.

3. 등장 배경과 필요성

위성 원격탐사 초기에는 넓은 지역을 한 장면으로 얻는 2차원 프레임 센서보다 좁은 시야를 훑는 주사 방식이 현실적이었다. 기계식 주사는 검출기를 적게 쓰고도 넓은 면적을 덮을 수 있어 위성 탑재체에 적합하였다. 그러나 주사 방식에서 가장 큰 제약은 집광량과 장비 수명이었다. 위스크브룸은 움직이는 거울 때문에 장비가 비싸고 빨리 마모되며, 화소 하나를 보는 시간이 짧아 받는 빛이 적다.