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MEMS 기반 흑체 시스템의 온도 균일도 및 추정 정확도의 수치 해석적 검토
Numerical Investigation of Temperature Uniformity and Estimation Accuracy for MEMS-based Black Body System 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.44 no.5, 2016년, pp.455 - 462  

채봉건 (Department of Aerospace Engineering, Chosun University) ,  김태규 (Department of Aerospace Engineering, Chosun University) ,  이종광 (Department of Mechanical Engineering, Hanbat National University) ,  강석주 (Hanwha Thales) ,  오현웅 (Department of Aerospace Engineering, Chosun University)

초록
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적외선 검출기와 같은 우주용 영상센서는 작동 유무 및 시간경과에 따라 센서의 응답특성이 변하기 때문에 영상품질이 저하된다. 이러한 영상센서의 비균일 응답특성을 보정하기 위하여 궤도상에서 보정용 흑체시스템을 이용하여 주기적인 보정을 실시 할 수 있도록 해야 한다. 본 논문에서는 저온에서 고온에 이르는 다양한 기준온도에서의 높은 온도균일도 확보 및 흑체의 대표표면온도 추정이 용이하고, 초경량, 저전력, 고정밀도의 흑체 시스템을 구현하기 위해 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기반의 흑체시스템을 제안하였으며, 열해석을 통해 성능을 입증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Output Characteristics of the spaceborn image sensor such as infrared(IR) sensor are varied according to time elapses and sensor repetition on/off operation. As a result, the quality of IR sensor image is decreased. Therefore, spaceborne image sensor require a periodic calibration using a black body...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 종래의 적외선 검출기 교정용 흑체시스템의 단점을 극복하기 위해 시스템 단순화 및 고기능 구현이 가능하고 초경량, 저 전력, 고정밀도 구현이 가능한 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 기반의 마이크로 히터와 가열 후 잔열 수송 및 심우주로 열을 방출하여 저온구간에서의 온도정보를 제공하기 위한 방열판을 제안하였으며, 상기 제안된 흑체시스템에 대한 열해석을 수행하여 해석결과 분석 및 열설계에 대한 타당성을 입증하였다.
  • 기존의 흑체시스템의 경우 저온에서 고온에 이르는 흑체기준온도 제공을 위해 흑체로부터 외부에 위치한 방열판으로의 열적 전도 경로를 확보해야하는 등 시스템의 복잡화가 수반된다. 본 논문에서는 종래의 흑체시스템의 단점에 기인하여 MEMS기반의 흑체시스템을 제안하였다. 이를 통해 시스템 단순화 및 초경량, 저전력, 고정밀도의 구현이 가능하며, 흑체표면 근접위치에 히터와 온도센서의 고집접화 배치가 가능하여 온도균일화 및 대표표면온도를 추정이 용이하다.

가설 설정

  • 종래의 흑체시스템의 경우 흑체표면을 가열하기 위한 히터에 결함이 발생했을 때 보조 히터를 사용하여 교정임무를 수행하나 높은 온도 균일도 확보 및 대표표면온도 추정에 어려움이 존재하게 된다. 상기와 같이 히터의 결함이 발생했을 때 MEMS기반 흑체표면의 온도구배를 확인하기 위해 Fig. 3(a)에서 마이크로 히터가 1번, 2번, 4번, 5번 순서대로 결함이 발생했다고 가정하여 열해석을 수행하였다. 해석결과 Table 5와 같이 결함 개수가 증가할수록 가열 목표온도인 40℃를 만족 하지 못하는 것을 알 수 있었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
우주 궤도상에서 사용되고 있는 영상센서 중 적외선 검출기의 특징은? 우주 궤도상에서 사용되고 있는 영상센서 중 적외선 검출기 등은 작동/비작동 및 시간경과에 따른 동일 광원에 대한 응답특성 및 정밀도의 비균일성이 존재하게 되며, 이로 인해 촬영된 적외선 영상 품질의 저하를 야기한다. 따라서 적외선 검출기의 정상적인 임무수행을 위해서는 검출기의 비균일 응답 특성을 고려하여 영상획득 임무 수행 전 검출기 교정임무 수행이 반드시 선행되어야 하며, 이를 위해 일반적으로 탑재교정용 흑체가 적용되고 있다.
적외선 검출기의 정상적인 임무수행을 위해 선행되어야 하는 것은? 우주 궤도상에서 사용되고 있는 영상센서 중 적외선 검출기 등은 작동/비작동 및 시간경과에 따른 동일 광원에 대한 응답특성 및 정밀도의 비균일성이 존재하게 되며, 이로 인해 촬영된 적외선 영상 품질의 저하를 야기한다. 따라서 적외선 검출기의 정상적인 임무수행을 위해서는 검출기의 비균일 응답 특성을 고려하여 영상획득 임무 수행 전 검출기 교정임무 수행이 반드시 선행되어야 하며, 이를 위해 일반적으로 탑재교정용 흑체가 적용되고 있다. 탑재교정용 흑체의 주된 목적은 흑체 표면에서의 온도균일화 및 온도센서로부터의 표면 온도 추정이 가능한 고정밀 대표표면온도 정보 제공에 있으며, 일반적으로 검출기 교정을 위해 고온 및 저온에서의 온도제공이 가능하도록 복수의 흑체를 탑재하고 있으나, 상기의 경우 센서로부터 적외선 검출기로의 지향성 확보를 위한 메커니즘 적용이 요구되는 등 시스템 복잡화가 수반된다.
탑재교정용 흑체의 대표적인 사례? 탑재교정용 흑체의 주된 목적은 흑체 표면에서의 온도균일화 및 온도센서로부터의 표면 온도 추정이 가능한 고정밀 대표표면온도 정보 제공에 있으며, 일반적으로 검출기 교정을 위해 고온 및 저온에서의 온도제공이 가능하도록 복수의 흑체를 탑재하고 있으나, 상기의 경우 센서로부터 적외선 검출기로의 지향성 확보를 위한 메커니즘 적용이 요구되는 등 시스템 복잡화가 수반된다. 대표적인 사례로 1999년 발사된 Terra위성 기상탑재체인 MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectrodiometer)[1]와 Sapritsky et al.이 제안한 중·저온 온도정보 제공 및 표면에서의 비균일 온도 특성 최소화를 위한 센서 및 히터설계를 통해 고 정밀 흑체를 비롯하여 적외선 검출기 교정용 흑체가 위성 시스템에 적용 되고 있다[2-4]. 이외에도 국내에서 개발된 탑재 교정용 흑체의 경우 하나의 흑체로 저온에서 고온에 이르는 교정온도 및 비균일 응답 특성에 대한 교정이 가능하나 검출기의 비균일 출력 특성 교정에만 한정되어 있어 제공 가능한 기준 온도정보가 매우 제한적이다.
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참고문헌 (13)

  1. Xiong, X., Chiang, K., Esposito, J., Guenther, B., and Barnes, B. "MODIS on-orbit calibration and characterization", Metrologia, 40, S89-S92, 2003. 

  2. Walton, C. C., Sullivan, J. T., Rao, C. R. N. and Weinreb, D. C. "Correction for Detector Nonlinearities and Calibration Inconsistencies of the Infrared Channels of the Advanced Very High Resolution Radiometer", Journal of Geophysical Resarch, Vol. 103, No. C2, pp. 3323-3337, February 15, 1998. 

  3. Bremer, J. C. "Alternative Blackbody Configurations for Infrared Calibration of Future GOES Imagers and Sounders", Proceedings of the SPIE, Vol. 4814, 2002.. 

  4. Ono. A. and Sakuma. F. "Preflight and In-Flight Calibration Plan for ASTER", Journal of Atmospheric and Ocean Technology, Vol.13, April, 1996. 

  5. H. U. Oh., S. M. Shin., J. S. Hong., M. K., Lee. "On-Board Black Body Thermal Design and On-Orbit Thermal Analysis for Non-Uniformity Correction of Space Imagers", Journal of Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 38, No. 10, October 2010, pp.1020-1025. 

  6. Thermal Desktop User's Guide, Ver. 5.0, Network Analysis Associates, Tempe, AZ, 2006. 

  7. SINDA/FLUINT User's Guide, Ver. 5.0, Network Analysis Associates, Tempe, AZ, 2006. 

  8. Baroncini. M., et al., "Characterization of an embedded microheater for gas sensors application", Conference on Hsinchu, April 2001, pp.164-167. 

  9. V.V. Vlassov, F. L. Sousa, A. P. C. Cuco, A. J. S. Nelo, "New Concept of Space Radiator with Variable Emittance", Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, Vol. 32, No. 4, 2010, pp400-408 

  10. J. S. Kang, Y. H. Jung, S. W. Yang, E. E. Kim, "Design Verification of Thermal Control Performance of Electronics for Small Electro-Optics", Conference of Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, 2009.4, pp734-737 

  11. M. H. Lee, D. W. Kim, K. L. Hwang and Y. K. Chang, "Space Simulation Test and Thermal Verification of HAUSAT-2 STM by Using Surface Heaters", Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 33, Nov. 2005, 11, pp.106-114.. 

  12. S. T. Lee, S. H. Lee, Y. J. Choi, J. H. Lew, "Development of Attitude Control Thruster for KOMPSAT", Journal of The Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 1, Feb., 1997, pp.67-73 

  13. H. U. Oh, S. M. Shin, "Numerical study on the thermal design of on-board blackbody", Journal of Aerospace Science and Technology, 18, Mar., 2011, pp25-34. 

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