Ultra Compact Spaceborne Computational Single Photon 3D Imaging Based on Temporal Coding and Co-aperture Active-Passive Fusion

달리는 기차 안에서 지구의 완벽한 3D 사진을 찍으려 한다고 상상해 보세요. 하지만 당신에게 허락된 것은 반딧불이를 겨우 볼 수 있을 정도로 희미한 손전등뿐이며, 태양이 당신을 눈부시게 비추고 있는 상황에서도 이 작업을 수행해야 합니다. 이것이 우주에서 지구를 지도화하려는 과학자들이 매일 마주하는 도전입니다. 수십 년 동안 우리는 박쥐의 초음파와 비슷하지만 레이저 빔을 사용하는 "LiDAR(라이더, Light Detection and Ranging)"에 의존해 왔습니다. 이는 빛의 펄스를 쏘고, 메아리가 되돌아오기를 기다린 뒤, 거리를 계산하는 방식입니다. 그러나 기존의 우주용 레이저는 작고 민첩한 위성에 싣기 어려운 무겁고 부피가 큰 여행 가방과 같으며, 태양이 빛날 때 선명하게 보는 데 어려움을 겪는 경우가 많습니다. 세상의 전체적인 모습을 얻기 위해서는 산과 계곡의 높이뿐만 아니라 그것이 어떻게 생겼는지(질감)도 알아내야 하며, 이 모든 것을 아주 작고 민첩한 위성에 실을 수 있을 만큼 장비를 가볍게 유지해야 합니다.

이 새로운 연구의 핵심적인 돌파구는 방대한 양의 데이터를 길을 잃지 않고 작은 패키지에 압축해 넣는 영리한 방법입니다. 과학자들은 두 가지를 결합했습니다. 레이저와 카메라가 정확히 같은 창을 통해 바라보므로 서로 위치에 대해 이견이 생기지 않는 "공동 구경(co-aperture)" 설계와 "시간적 코딩(temporal coding)" 기술입니다. 시간적 코딩은 마치 비밀스러운 악수와 같습니다. 레이저를 일정하고 예측 가능한 리듬으로 번쩍이는 대신, 매번 약간씩 변하는 독특하고 불규칙한 패턴으로 번쩍이는 것입니다. 이는 마치 드럼 연주자가 복잡하고 반복되지 않는 리듬을 연주하는 것과 같습니다. 배경 소음이 아무리 많더라도, 당신의 뇌는 그 특정하고 이상한 패턴을 따르는 유일한 리듬이기 때문에 그 비트를 식별해 낼 수 있습니다. 이를 통해 시스템은 태양의 눈부심을 무시하고 개별 광자(빛의 아주 작은 덩어리)를 세어 낮 동안에도 3D 지도를 구축할 수 있습니다.

논문의 핵심 아이디어: 작고 매우 똑똑한 우주 카메라

이 논문에서 중국과학원 및 기타 연구 기관의 연구진은 UCSMSPL이라 불리는 새로운 초소형 우주 탑재 시스템을 설명합니다. 연구진은 이 장치를 궤도로 성공적으로 발사하여 실제로 작동함을 입증했습니다. 주요 목표는 일반적으로 위성이 훌륭한 3D 사진을 찍는 것을 방해하는 세 가지 큰 문제, 즉 장비가 너무 무겁고 크다는 점, 태양광이 레이저 신호를 압도한다는 점, 그리고 레이저의 높이 데이터와 카메라의 사진 데이터를 완벽하게 일치시키기 어렵다는 점을 해결하는 것이었습니다.

연구팀은 대형 여행 가방 정도의 크기(약 0.18세제곱미터)에 들어가는 크기에 무게는 117kg에 불고한 시스템을 제작했습니다. 이 작은 크기에도 불구하고, 이 시스템은 단순히 하나의 레이저 빔을 쏘는 것이 아니라, 마치 빛의 산탄총을 쏘듯 지면에 넓게 퍼지는 36개의 빔을 동시에 발사합니다. 이를 통해 매우 넓은 범위를 빠르게 스캔할 수 있습니다.

태양과 소음을 이겨내는 방법

이 기술의 가장 놀라운 비결은 "거리 모호성(range ambiguity)" 문제를 처리하는 방식에 있습니다. 보통 더 많은 데이터를 얻기 위해 레이저를 매우 빠르게 발사하면, 첫 번째 펄스의 메아리가 두 번째 펄스와 동시에 돌아와 컴퓨터를 혼란스럽게 할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 "시간적 코딩"이라는 방법을 사용했습니다. 초당 20,000번의 펄스를 일정한 간격으로 쏘는 대신, 특정한 비균일 패턴으로 발사했습니다. 펄스 사이의 시간 간격은 49.1마이크로초에서 시작하여 서서히 50.9마이크로초까지 증가합니다.

당신이 시끄럽고 북적이는 방에서 친구가 속삭이는 비밀을 들으려고 한다고 상상해 보세요. 만약 친구가 일반적이고 일정한 리듬으로 말한다면, 당신은 그 소리를 놓칠 수도 있습니다. 하지만 친구가 자신만이 아는 독특하고 약간씩 변하는 리듬으로 말한다면, 당신은 그 특정 패턴에 귀를 기울여 주변의 소음을 무시할 수 있습니다. 위성도 똑같이 작동합니다. 위성은 센서에 부딪히는 모든 단일 광자를 기록합니다. 대부분의 광자는 태양으로부터 오는 무작위 노이즈이지만, 컴퓨터는 레이저의 특정 "리듬"을 찾습니다. 만약 광자 그룹이 49.1에서 50.9마이크로초 사이의 패턴과 일치하는 것을 발견하면, 컴퓨터는 "아하! 이것들이 진짜 메아리구나!"라고 판단합니다. 이를 통해 위성이 400km 고도에서 질주하는 중에도 0.15미터의 정밀도로 지면까지의 거리를 계산할 수 있습니다.

하나의 눈으로 보는 마법

또 다른 주요 성과는 레이저와 카메라를 결합하는 방식입니다. 보통 위성은 한쪽에 레이저가 있고 다른 쪽에 카메라가 있습니다. 이들이 서로 다른 위치에 있기 때문에 세상을 약간 다른 각도에서 보게 되어 "시차(parallax)" 효과(마치 왼눈과 오른눈이 사물을 다르게 보는 것과 같은 현상)를 만듭니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 보통 나중에 사진을 정렬하기 위해 무거운 수학적 계산을 수행해야 하는데, 이는 시간이 오래 걸리고 오류를 유발할 수 있습니다.

이 새로운 시스템은 "공동 구경" 설계를 사용합니다. 특수 거울(이색 분할 프리즘)을 사용하여 레이저 빛과 가시광선이 정확히 동일한 망원경을 통과하도록 합니다. 레이저(1064nm)는 36개의 작은 검출기로 향하고, 가시광선(400~950nm)은 1,440픽셀을 가진 카메라로 향합니다. 이들은 동일한 구멍을 통해 보기 때문에 레이저의 높이 데이터와 카메라의 사진은 처음부터 완벽하게 정렬됩니다. 논문은 1:40의 공간적 대응 관계를 보여주는데, 이는 36개의 레이저 빔이 카메라의 픽셀 위에 완벽하게 매핑됨을 의미합니다. 결과는 어떠할까요? 궤도에서 생성된 3D 지도는 색상과 질감이 높이 데이터와 완벽하게 일치하며, 정렬 오류를 수정하기 위한 복잡한 후처리 과정 없이도 산과 계곡을 명확히 보여줍니다.

연구 결과

2025년 7월에 탑재체를 발사한 후, 연구팀은 산악 지형 위에서 테스트를 진행했습니다. 결과는 인상적이었습니다. 연구팀은 지점 간 60미터의 해상도를 가진 3D 지형도를 만들어냈으며, 깊은 계곡과 날카로운 능선을 보여주었습니다. 이 시스템은 밝은 낮에도 신호 대 잡음비(SNR) 10.6dB를 달축성하며 태양의 노이즈를 성공적으로 걸러냈습니다. 최종 3D 영상은 레이저 데이터와 가시광선 질감이 완벽하게 융합되었음을 보여주었으며, 지형이 급격히 변하는 구간에서도 "고스팅(잔상)" 현상이나 흐릿한 경계가 나타나지 않았습니다.

이 논문은 이 시스템이 작고 가벼우면서도 강력하여 마이크로 위성에 실을 수 있는 고성능 다중 빔 3D 이미징 시스템을 구축하는 것이 가능하다는 것을 증명한다고 결론짓습니다. 광학 통합(모든 것을 한곳에 배치)과 계산적 디코딩(리듬 기술 사용)을 결합함으로써, 연구진은 거대하고 비싼 하드웨어 없이도 낮이나 밤이나 상관없이 지구 표면을 3D로 지속적으로 모니터링할 수 있는 차세대 위성의 길을 열었습니다. 이것은 단순한 실험실 실험이 아니라, 우주에서 작동하는 실제 시스템으로서, 조만간 소형 위성 군집을 통해 전 세계의 3D 지도를 실시간으로 업데이트할 수 있음을 시사합니다.