창의 천문기기 개발 및 관측 교육 프로그램: 소형 분광기 개발

수업의 수강인원은 24명이었으며, 다섯 개의 조로 편성하여 진행하였다. 각 조는 4주차까지 조별로 연구주제를 구상하여 강사와의 면담을 통해 주제를 최종 선정하였다. 각 조는 학생 한 명씩 프로젝트 매니저(PM)의 역할을 수행하도록 하였다. 이러한 과정을 통해 다섯 개의 조가 제시한 연구 주제는 Table 3과 같다.

연구주제 선정 과정을 통해 강사는 학생들에게 '어떻게 연구주제를 선정하는가?'를 교육하였다. 과학임무에 적합한 기기 개발을 위해 제시되는 과학적 목표는 '왜 이 연구를 수행해야 하는가?'에 대해 학생들에게 비판적으로 끊임없이 질문을 던지게 하며 '알려진 사실'에 대한 관측이 아닌 '새로운 사실의 탐구를 위한 관측'이 될 수 있도록 학생들을 지도하였다. 이 과정에서 학생들은 다양한 참고문헌을 찾아가며 연구주제를 선정한다. 예를 들면 wishflAre조는 태양의 H-α선 전면 관측은 많이 수행되어 왔으나 H-β선은 거의 관측된 바가 없는데 학생들은 H-α과 H-β의 관측을 통해 관측 파장에 따른 태양의 홍염이나 필리그리 같은 구조물 차이를 분석하는 연구를 수행하고자 한다. 또한 Kodal 조는 달의 자기이상 지역의 분광특성을 조사하고자 하는데 지상에서의 영상분광 연구는 이전에 수행된 적이 없어 레이너 감마(reiner gamma, RG) 지역의 1 μm 흡수선 관측을 통해 그 특징을 확인해 보고자 한다.

실제 기기개발 프로젝트에서 과학적 목표와 시스템 요구사항은 시스템 요구사항 리뷰(system requirement review, SRR)를 통하여 검증되는데 우리는 시간상 사전 설계 리뷰(preliminary design review, PDR)을 통해 함께 검증하였다. SRR/PDR 검토자는 실제 연구현장에서 일하고 있는 박사급 연구자들을 섭외하여 과학적 목표에 대한 검증을 실시하였다. 리뷰의 과정은 실제 연구현장에서 수행하는 PDR과 동일한 형식을 취했으며 실행항목(action item, AI)을 발굴하여 학생들 스스로 대응까지 하게 함으로써 학생들이 연구현장의 검증 과정을 경험할 수 있도록 했다.

과학적 요구사항과 시스템 요구사항으로부터 분광기 각 파트의 사양과 규격을 결정하기 위해서는 연구목적에 맞게 망원경, 분광기의 광학 설계 파라메터를 계산하고, 이를 각종 설계 소프트웨어를 적용한 설계 결과를 반영하여야 한다. 학생들은 광학 기초이론 교육 후에 망원경에 입사하는 관측대상의 광량 계산, 관측 영역(field of view), 분광성능(resolving power), 센서에 맺히는 분광범위(spectral range)를 계산한 후 연구 목표 달성에 적합한 결과인지를 확인한 후에 최종적으로 광학 부품 선정을 하게 된다. 이 모든 과정은 문서로 작성한 후 과학임무 달성을 위한 요구사항을 PDR에 제시하여 검증을 받는다.

분광기의 광학 설계 및 기계부 설계는 설계전용 소프트웨어(Zemax, Inventor, Cartia 등)를 활용하도록 안내하였다. 설계 소프트웨어에 관한 직접 교육은 한 학기라는 시간 제약으로 실시하지 않고 관련 도서와 온라인 교육을 안내하여 습득하도록 하였다. 광학 디자인은 렌즈의 초점거리, 회절격자 그루브 수, 코팅 등을 변경할 수 있는 여지를 두어 학생들이 본인의 연구주제에 맞게 변경이 가능하도록 지도하였다. 기계부 설계는 3D 프린팅 특성상 수축과 팽창이 크기 때문에 500 μm 공차를 고려하도록 사전에 공지하였으며 학생들은 여러 번의 시행착오를 거쳐 경험적으로 맞추었다.

분광기 제작에서 슬릿은 가장 섬세한 광학 부품이며 최종 성능에 가장 큰 영향을 미친다. 실재 천문관측에서 사용하는 슬릿은 매우 고가이며 섬세한 조정과 조립이 요구되므로 학부생 실습용으로는 적합하지 않다. 본 수업에서는 학생들이 평면경에 얇은 칼날을 이용하여 슬릿을 제작하도록 하였다. 슬릿의 폭은 현실적으로 수 μm 수준으로는 제작할 수 없지만 학생들이 수작업으로 여러 차례 제작한 바로는 50 μm 이하로 제작이 가능하였다.

최종적으로 결정된 과학임무 요구사항에 따라 학생들은 레벨에 따른 시스템 요구사항, 업무 분업 구조(work breakdown structure, WBS), 위험요소 관리계획(risk management plan), 일정 및 업무분담 체계(role and responsibility, R&R)를 정리한다. Fig. 2는 wishflAre 조가 제시한 PDR 과정에서의 WBS다. 학생들은 이와 같은 문서 관리를 통해 협업 업무를 구체화하고 체계적인 기기개발을 훈련할 수 있다.

Fig. 2. Work break down (WBS) tree of the team wishflAre suggested in the preliminary design review (PDR). HQ, high quality; TBD, To be determined.

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PDR 회의는 시스템 레벨의 광학/광기계/기계부 설계 및 조립과 시험 수행 경험을 갖고 있는 세 명의 연구자를 심사자로 포함하여 평가보다는 현장에서 발생할 수 있는 작업 자문의 역할을 수행하도록 하였다. 이를 통해 학생들은 스크류 체결 방법, 본딩 방법, 렌즈 고정, 초점 조절 방법 등 현장 경험 노하우를 PDR 회의를 통해 획득할 수 있었다.

PDR 회의에서 중요했던 요소 중 하나는 R & R이다. 실재 현장의 연구개발 사업일수록 다양한 전공의 연구자들이 협업이 무엇보다 중요하다. 학생들의 연구개발 협업 체계 경험을 위해 1개조에 4–5명의 학생이 프로젝트 관리자(PM), 광학, 기계부, 소프트웨어, 관측 등의 업무분배와 각각의 역할을 조별 회의를 통해 스스로 결정하도록 하였다.

강사는 체계적 프로젝트 진행을 위해 PDR 이후 각 조별로 1주일에 1회 작업일지(연구노트)를 작성하여 제출하도록 하였다. 또한 개발 과정에서 문제점을 발견하고 해결하는 과정에서 얻게 되는 교훈 보고서(lesson learned report)를 제출하도록 하였다. 이는 연구 현장에서 작성하고 있는 연구노트 작성 훈련에 목적이 있다.

실제 관측장비 제작과정에서는 PDR 이후 엔지니어링 모델, 인증 모델을 개발하여 시스템 설계를 더 공고히 하는 과정을 갖는다. 학생들은 사전설계의 액션아이템(AI)을 반영하여 설계를 수정하고 3D프린팅을 해 가며 기계부 디자인을 개선하는 작업을 진행했다.

학생들은 수정한 설계도면을 바탕으로 상세 설계 리뷰(CDR) 회의를 진행하였다. CDR 회의 에서는 이미 기기 제작에 대한 방향성이 결정되었기 때문에 연구 주제 및 관측 설계의 전문가가 심사자로 참여하였다. 또한 다섯 개의 조 중 세 개의 조가 드리프트 스캐닝을 이용한 영상 분광 관측 주제를 갖고 있으므로 영상 분광 자료 처리 경험을 가지고 있는 연구자들을 심사자로 구성하였다. 심사자들은 학생들의 연구주제 적정성과 방향성을 평가하였으며 실제 관측 가능성과 관측 방법, 데이터 분석 방법 등에 대해 자문하였다. 기존의 기기제작뿐 아니라 데이터 전처리와 분석, 연구목표를 달성하기 위한 방법에 대한 노하우를 전달하였다.

CDR 회의에서 학생들에게 추가적으로 요구했던 사항은 상세 광학부 설계, 상세 기계부 설계뿐만 아니라 조립 및 정렬 계획, 데이터 전처리 계획, 그리고 관측 계획이다. 조립 및 정렬 계획은 기기에 대한 광학적 이해와 기계부에 대한 이해를 바탕으로 해야 하기 때문에, CDR 단계에서 가능하며 설계 시 조립 및 정렬을 염두하고 진행하여야 한다. 데이터 전처리 계획은 일정상 동시작업(concurrent process)을 유도하기 위해 학생들에게 제시하였다. 소프트웨어 및 데이터 전처리를 담당하는 학생은 광학/기계 설계 및 제작과 별개로 라즈베리 파이를 이용해 작업을 진행하였다.

달과 목성 같은 야간 관측 대상의 경우, 관측 가능 시간대의 제약이 있기 때문에 학생들의 학기말 일정을 고려하여 구체적인 일정별 관측 계획, 관측 필요 장비 리스트 등을 선제적으로 준비하였다.

학생들은 CDR 이후 AI를 반영한 후 제작에 들어가게 된다. Fig. 3은 학생들이 제작한 분광기의 예시를 보여주고 있다. 학생들은 CDR에서 준비한 조립 및 정렬방법을 염두하고 조립을 진행하며 소프트웨어를 담당하는 학생이 라즈베리 파이 카메라를 구동하며 정렬을 수행하였다.

Fig. 3. Internal structure of the spectrograph (a), handmade slit (b) and the spectrograph installed at the backside of the telescope (c).

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강사가 샘플로 제시한 분광기의 기계부 디자인은 3D프린팅에 적당한 구조를 갖고 있으며 정렬 등을 고려하였으나 정렬 편의성은 고려하지 않은 수준의 디자인이었다. 학생들은 PDR 이후부터 다양한 아이디어를 제시하여 샘플 기계부 디자인에서는 반영이 안된 초점조정이 가능한 시스템을 만들거나 회절격자의 고정위치를 변경하는 등 관측 편의성과 조립성을 높이기 위해 기계부 디자인 개선을 위한 재설계를 실시하였다. 학생들이 적극적으로 찾아낸 이러한 재설계의 필요성은 설계도면만을 검토하면서 수정해 나가는 것이 아닌 반복적으로 3D 프린트를 출력하면서 제작해보는 과정을 통해 실험실에서 경험적으로 이루어졌다.

일반적 우주사업의 운영준비회의(operational readiness review)나 발사준비회의(flight readiness review)를 수행하지만 본 과제의 목적인 소형 망원경을 위한 관측준비회의(observation readiness review, ORR)을 준비하였다. ORR은 외부 심사자 없이 강사와 학생들이 내부회의를 통한 피드백으로 준비 상황을 점검하였다. 학생들은 데이터의 평탄화, 암전류 처리, 데이터 전처리, 영상분광 자료 처리 방법을 포함하여 발표를 준비하였다. 발표자료에는 수업 초기에 교육했던 각 광학계별 투과율 및 양자효율을 고려한 광량계산 및 노출시간 계산 결과를 반영하여 관측 계획을 좀 더 세심하게 세우도록 하였다. 학생들은 ORR전 시험관측을 통해 알게 된 노출시간의 오차를 반영하여 실제 광학성능과 이론적 계산값의 차이를 보정한 값을 제시하였다. 또한, 학생들은 CDR에서 논의된 관측 필요 장비 리스트와 위험관리요소, 날씨까지 고려한 관측 일정 및 데이터 분석 일정을 구체적으로 제시하였다.

ORR을 마친 학생들은 본격적으로 관측을 수행한다. 태양이나 달의 경우 관측대상의 각 직경이 크고 태양 및 달의 전면과 배경 밤하늘 사이의 선명한 경계를 슬릿을 통해 확인이 가능하므로 망원경의 영상초점을 맞추는 것이 어렵지 않았다. 하지만 목성, 토성과 같은 점 광원은 슬릿조(slitjaw: 슬릿에 맺히는 관측대상의 위치를 확인할 수 있는 추가장비)나 컨텍스트 영상(context imager: 슬릿 앞에서 빔스플리터로 일부 광량을 따로 이미징하여 슬릿에 맺히는 관측대상의 위치를 확인할 수 있는 추가장비)이 없는 관측 시스템에서 슬릿에 관측 대상을 위치시키는 것은 매우 어렵기 때문에 옆면에서 슬릿에 맺힌 상을 확인할 수 있는 특수 배플을 제작해 활용하였다. 다수의 학생이 관측경험이 없고 망원경의 초점면에 대한 이해도가 부족했기 때문에 야간 현장에서 각 조마다 교육과 관측을 병행하여 진행했다(Fig. 4).

Fig. 4. Solar spectrum of the spectrograph. x-direction of the image is the direction of wavelength and y-direction is the that of slit. H alpha line is shown at the middle of the image as a vertical dark absorption. dark lines perpendicular to the spectrum represents the slit pattern, which is caused by imperfection of the slit.

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플레이아데스 성단 및 성운을 목표로 했던 조의 경우, 실제 관측 대상이 슬릿으로는 보이지 않았고 마운트를 이용해 드리프트 스캐닝을 하더라도 별이 슬릿으로 입사하는 시간이 수 초 밖에 되지 않아 관측 결과를 얻을 수 없었다. 게다가 대상이 보이지 않았기 때문에 달을 맞추어 초점을 조정한 후 망원경을 틀어 플레이아데스를 찍었기 때문에 관측에 어려움이 많았다.

보름달의 경우 달 전면의 스캔 시간은 약 2분 남짓이다. 목성은 40의 각크기를 고려했을 때 약 2.7초면 목성 전체가 슬릿면을 통과한다. 한 슬릿 포지션 당 1초 노출을 줄 경우 달은 슬릿에 수직한 방향으로 120 프레임, 목성은 3 프레임을 촬영 가능하다. 우리는 좀 더 느린 스캔을 위해서 마운트의 느린 추적모드에 두고 드리프트 스캔 방식을 적용하였다. 예를 들어 0.25배의 속도로 대상을 추적할 때 달의 경우 약 480 프레임, 목성의 경우 약 10 프레임 정도의 해상도로 전면 스캔영상을 획득할 수 있었다.

모든 데이터처리는 파이썬 기반으로 하였으며 강사는 학생들에게 라즈베리 파이에서 12비트의 바이너리 raw 파일을 조합하여 3D 데이터 구조로 변환해주는 클래스를 만들어 제공했다.

Fig. 5는 태양이나 달과 같은 면광원(extended source) 데이터의 개략적인 데이터 처리 과정을 보여준다. 관측된 데이터는 바닥 고르기(flat fielding), 암전류 보정(dark current), 슬릿 패턴 제거, 스캔방향 – 슬릿 방향 픽셀비율 보정이 필요하다. 암전류는 우리가 관측하는 비교적 짧은 노출시간에서 HQ 카메라의 CMOS 센서의 경우, 0에 가까워서 무시하였다. 바닥 고르기는 시야가 넓은 망원경과 분광기의 플랫을 찍는 것은 거의 불가능하므로 태양의 경우 넓은 면적의 평균스펙트럼을 제거함으로써 일부 제거할 수 있었다. 하지만 달의 경우 달표면 모든지점의 스펙트럼의 평균 밝기가 일정치 않아 제거가 어려웠으며 목성의 경우 일부 픽셀에만 빛이 입사되어 패턴을 제거가 불가능했다.

Fig. 5. Examples of data processing: (a) observed slit spectrum, (b) slit pattern extracted from the original image, (c) after subtraction of the slit pattern, (d) after correction of the bending of the spectrum, and (e) Half Sun at the center of the Hα line reconstructed from the drift-scanned imaging-spectral data.

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망원경의 회절격자가 슬릿 면이나 센서와 정확히 정렬되어 있지 않으면 Fig. 5(a)와 같이 분광방향이 센서의 수평축과 기울어져 기록된다. 이러한 기울기는 슬릿 패턴을 수평으로 맞추어 줌으로써 제거할 수 있다. 슬릿 패턴은 직접 제작한 슬릿의 한계로 일반 상용 분광기와 비교해 매우 강한 패턴이 남아 있다. Fig. 5(b)는 영상의 x축 방향으로의 평균값을 이용해 만든 슬릿 패턴이다. 이를 원 영상에서 나누어주면 (c)와 같이 각 슬릿 위치마다의 광량차를 제거해줄 수 있다. Fig. 5의 경우, 슬릿 패턴이 거의 완벽하게 제거되었으나 영상면의 상면만곡(curvature aberration)이나 왜곡(distortion aberration)때문에 일부 패턴이 남기도 한다. 슬릿 패턴을 제거하고 나면 Fig. 5(c)와 같이 세로방향 분광선이 또렷하게 보인다. 슬릿과 CMOS 센서가 완벽하게 정렬되어 있지 않는 데다 수차로 인해 사선이나 곡선으로 배치되어 있는데, 이를 적절한 다차함수로 피팅 후 수직으로 정렬하면 (d)와 같은 최종의 스펙트럼을 얻을 수 있다. 드리프트 스캐닝을 통해 얻은 모든 영상을 동일한 방식으로 수정 후 특정 파장에서 잘라 재조합하면 (e)와 같은 특정파장에서의 영상을 만들 수 있다.

Fig. 6은 학생들이 수업 중 얻은 다양한 관측 결과를 보여준다. 태양, 달, 목성을 타겟으로 한 팀들은 관측을 성공적으로 수행하였고 성공 판정 기준(success criteria)로 제시하였던 목표를 달성할 수 있었다.

Fig. 6. Observational Results: (a-c) Moon, (d-f) Jupiter, and (g-i) Sun.

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학생들은 학기의 마무리를 관측 보고회 발표와 패널평가로 마무리 하였다. 최종 발표는 본인들의 기기 개발 및 관측 결과를 발표함으로써 학생들에게 성취감을 주기 위해 기획되었다.

과학적 목적과 시스템 엔지니어링에 대한 전반적인 내용, 개발 과정과 결과를 상세히 정리하여 20분 발표 평가를 하였으며 이전의 리뷰와 마찬가지로 여러 명의 리뷰패널에게 코멘트를 받았고, 정량화된 평가 점수를 받도록 기획하였다.

학기 시작 전 전체 프로그램 계획으로는 최종 보고서까지 완성하고자 하였으나 한 학기만으로 소화하기 힘든 여건 상 생략하였다.

Table 4에 지금까지 제시된 각 리뷰단계별로 학생들에게 요구했던 문서화 목록이다. PDR에서 생성한 문서 목록은 CDR과 ORR에서 구체화 되고 수정되어 최종 발표에서 완성본을 만들었다.