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天問一号拍攝火星全部影像
天問一号拍攝火星全部影像
更新时间:2025-04-04 10:00:43

天問一号拍攝火星全部影像?“天問一号”拍火星的相機不一般,現在小編就來說說關于天問一号拍攝火星全部影像?下面内容希望能幫助到你,我們來一起看看吧!

天問一号拍攝火星全部影像(天問一号拍火星的相機不一般)1

天問一号拍攝火星全部影像

“天問一号”拍火星的相機不一般

■孟慶宇

●在距目标200千米開外即可“明察秋毫”

●憑強壯“骨骼”既身輕如燕又穩如泰山

●像拖布定向拖地一樣可實現“推掃成像”

前不久,國家航天局公布了“天問一号”傳回的首幅火星圖像。此圖像是“天問一号”高分辨率相機在距離火星約220萬千米處拍下的。圖中,火星阿茜達利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑以及最長峽谷——水手谷等标志性地貌清晰可見。

圖像一公布,就吸引了全世界的目光。這部高分辨率相機,也一度成為人們眼中的“明星”。

高分辨率的秘密:長焦距離軸光學系統

這部高分辨率相機,能在距離目标265千米處實現0.5米分辨率的光學成像。這就如同站在長春市中心觀看沈陽市中心的一台轎車,甚至可以分辨出是三廂車還是兩廂車,絕對稱得上是“明察秋毫”。具備這一非凡功力,首先要得益于先進的光學系統。

光學系統是相機的核心部分,它能将遠處的景物成像在感光元件上,從而實現照相功能。像素分辨率是我們最關注的相機性能指标,表示照片上的1個像素對應遠處被拍攝景物的尺寸。根據幾何光學物像關系,分辨尺寸、照相距離(衛星飛行高度)、焦距、像元尺寸等4個參數,構成一個相似三角形的幾何關系。從這個關系可以得出,相機分辨率越高,光學系統焦距就越長,相應的鏡頭口徑就越大。

小型光學系統,如常見的消費級單反鏡頭、手持望遠鏡等,基本上由光學玻璃制造的透鏡組成,其特點是焦距短、分辨率低。由于大尺寸的優質光學玻璃難以制造,且光學玻璃自身力學、熱學性能欠佳,容易産生色差,因此長焦距大口徑的光學系統基本采用反射式光學結構。

在反射式光學系統中,透鏡功能由反射鏡代替。其中,可使光線彙聚的凸透鏡由凹面反射鏡代替,可使光線發散的凹透鏡由凸面反射鏡代替。大型天文望遠鏡以及高分辨率航天相機中,均使用反射式光學系統。

反射式光學系統按照光軸特性可分為兩大類:同軸光學系統和離軸光學系統。

同軸光學系統中,每個反射鏡都是旋轉對稱的。這一特點,使得反射鏡的加工難度與光學系統的裝調集成難度都相對較小。受限于制造水平,大部分反射式光學系統基本上采用同軸結構形式。

離軸光學系統中,大部分反射鏡沒有旋轉對稱軸,反射鏡位置的空間布局更為複雜。這種非對稱光學系統的反射鏡加工難度與系統裝調集成難度都很大。

雖然離軸光學系統實現難度大,但其性能有很多過人之處。最重要的一點就是,在離軸光學系統的成像光路中,任何一個反射鏡都不會對其他反射鏡造成孔徑遮攔,從而使光學系統有效口徑降低。

光能量的收集能力決定着光學系統的分辨率。比如,在同軸系統中,次反射鏡會對主反射鏡造成孔徑遮攔;如果反射鏡數量增多,造成的遮攔效應也越大。這種感覺就像在眼鏡中心貼上一片黑色不透光的膠布,不僅影響了本應該被眼睛收集的光能量,同時也造成光學系統分辨率下降。具有相同光學口徑的離軸光學系統,比同軸光學系統有更強的分辨能力。

“天問一号”高分辨率相機的光學系統,采用了不具有孔徑遮攔的長焦距離軸三反射鏡光學系統,由3個具有光焦度的反射鏡和一個不具有光焦度的平面反射鏡組成。

光學系統焦距拉長,鏡頭尺寸也随之增長。為了壓縮體積尺寸,适應深空探測任務中相機重量資源極為有限的條件,高分辨率相機光學系統中的3個非球面反射鏡,采用了高陡度大偏離量的高次非球面。項目團隊克服光學系統設計、加工與檢測等重重困難,最終将光學系統主反射鏡與次反射鏡之間的距離縮小至750毫米以内。這對于焦距為4640毫米、視場角為2°的離軸反射式光學系統,體積尺寸表現極為優秀。

另外,為使光學系統在具有良好成像質量的同時,盡可能保證較為寬松的裝配公差,項目團隊在光學系統設計過程中,應用了低敏感度光學系統設計方法。

超輕量化與超穩定性的訣竅:全碳化

光機結構是相機的“骨骼”,為光學、電子學和熱控等系統提供支撐,确保光學系統位置狀态的穩定。由于空間相機的光學系統極為精密,光學反射鏡需要按設計位置高精度安放,才能确保光學系統良好的成像質量。

火星探測器發射時,對相機的沖擊震動極大,光機結構需要在劇烈變化的力學環境中,使相機中每個光學元件保持位置穩定性,确保每個元件的位置變動在5微米内。這就需要相機的“骨骼”極為強壯,也就是專業上所說的“結構應具有高剛度”。

但是,深空探測重量可分配資源極為有限。這部焦距近5米的相機,可設計質量僅為43千克,如何使光機結構設計得既“身輕如燕”又“穩如泰山”,是一項極具挑戰性的任務。經過科學論證,項目組提出了“全碳化”相機的設計理念。

在光學反射鏡材料上,主反射鏡與三反射鏡均使用了具有低密度、高彈性模量、高熱導率和低熱膨脹系數的碳化矽材料。通過設計,反射鏡在87%輕量化率的情況下,仍能保證良好的力學性能。

相機結構的框架,由碳化矽鋁基複合材料制成。通過優化設計,确定框架的材料分布,形成加強筋與薄闆組合的輕量化結構,輕量化率達到90%以上,且具有很高的結構剛度。連接框架的支撐杆,由高模量碳纖維複合材料制成,每根近1米長的支撐杆,重量僅500克左右。

這樣高輕量化的光機結構,在火箭發射沖擊振動等嚴苛力學環境下,可保證光學反射鏡的間距最大變動量不超過5微米。對于750毫米左右的反射鏡設計間距來講,相對變化量不到十萬分之一,真正算得上是“穩如泰山”。

一機完成多種任務的關鍵:兩種“視網膜”

焦面成像探測器是相機的“視網膜”,光學系統将景物成像在探測器上,從而完成拍攝。

為了獲得更多的科學産出,高分辨率相機規劃了多個科學目标:包括對火星表面重點區域精細觀測、長期重訪覆蓋觀測,對着陸區域高分辨率觀測,對火星天氣現象動态觀測等。不同的科學目标,需要用到的“視網膜”也不相同。

高分辨率相機充分利用獨特的光學視場,在一個像面上巧妙地設置了兩種類型的成像探測器:多光譜TDI-CCD探測器和全色面陣CMOS探測器。3片多光譜TDI-CCD探測器呈“品”字形布局在像面,2片全色面陣CMOS探測器則分布在像面兩端。

TDI-CCD探測器是一種線陣成像的探測器,成像時通過景物與探測器的相對運動而不斷輸出圖像。這種成像方式叫作“推掃成像”,其工作原理就像拖布定向拖地一樣,所拖過的區域是完成的成像區域,拖布的寬度就是成像的幅寬。這類似于我們拍大合影時的轉機照相,照片的長度方向是TDI-CCD“推掃成像”方向,也是相機和衛星的飛行方向,照片寬度則是成像幅寬。

高分辨率相機的TDI-CCD探測器配置有全色、彩色(紅、綠、藍)與近紅外5個成像譜段,可以同時推掃出全色圖像、RGB彩色圖像、近紅外圖像。“天問一号”高分辨率相機在距火星表面約330~350千米高度拍攝的0.7米分辨率全色圖像,即是應用TDI-CCD探測器推掃拍攝的。

全色面陣CMOS探測器與我們日常使用的單反相機的探測器功能一樣,既可實現畫幅面陣成像,又可實現視頻成像。“天問一号”高分辨率相機在距離火星約220萬千米處拍攝的首幅火星圖像,就是全色面陣CMOS探測器的傑作。

(作者系中國科學院長春光機所副研究員、“天問一号”高分辨率相機副主任設計師)

來源: 解放軍報

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