天問一號(hào)拍火星的相機(jī)不一般：200千米開外明察秋毫
來源：解放軍報(bào) 發(fā)布時(shí)間：2021-04-16 09:38:02
“天問一號(hào)”拍火星的相機(jī)不一般
■孟慶宇
●在距目標(biāo)200千米開外即可“明察秋毫”
●憑強(qiáng)壯“骨骼”既身輕如燕又穩(wěn)如泰山
●像拖布定向拖地一樣可實(shí)現(xiàn)“推掃成像”
前不久，國(guó)家航天局公布了“天問一號(hào)”傳回的首幅火星圖像。此圖像是“天問一號(hào)”高分辨率相機(jī)在距離火星約220萬千米處拍下的。圖中，火星阿茜達(dá)利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑以及最長(zhǎng)峽谷——水手谷等標(biāo)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(jī)，也一度成為人們眼中的“明星”。
高分辨率的秘密：長(zhǎng)焦距離軸光學(xué)系統(tǒng)
這部高分辨率相機(jī)，能在距離目標(biāo)265千米處實(shí)現(xiàn)0.5米分辨率的光學(xué)成像。這就如同站在長(zhǎng)春市中心觀看沈陽市中心的一臺(tái)轎車，甚至可以分辨出是三廂車還是兩廂車，絕對(duì)稱得上是“明察秋毫”。具備這一非凡功力，首先要得益于先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)。
光學(xué)系統(tǒng)是相機(jī)的核心部分，它能將遠(yuǎn)處的景物成像在感光元件上，從而實(shí)現(xiàn)照相功能。像素分辨率是我們最關(guān)注的相機(jī)性能指標(biāo)，表示照片上的1個(gè)像素對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)處被拍攝景物的尺寸。根據(jù)幾何光學(xué)物像關(guān)系，分辨尺寸、照相距離(衛(wèi)星飛行高度)、焦距、像元尺寸等4個(gè)參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)相似三角形的幾何關(guān)系。從這個(gè)關(guān)系可以得出，相機(jī)分辨率越高，光學(xué)系統(tǒng)焦距就越長(zhǎng)，相應(yīng)的鏡頭口徑就越大。
小型光學(xué)系統(tǒng)，如常見的消費(fèi)級(jí)單反鏡頭、手持望遠(yuǎn)鏡等，基本上由光學(xué)玻璃制造的透鏡組成，其特點(diǎn)是焦距短、分辨率低。由于大尺寸的優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃難以制造，且光學(xué)玻璃自身力學(xué)、熱學(xué)性能欠佳，容易產(chǎn)生色差，因此長(zhǎng)焦距大口徑的光學(xué)系統(tǒng)基本采用反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)。
在反射式光學(xué)系統(tǒng)中，透鏡功能由反射鏡代替。其中，可使光線匯聚的凸透鏡由凹面反射鏡代替，可使光線發(fā)散的凹透鏡由凸面反射鏡代替。大型天文望遠(yuǎn)鏡以及高分辨率航天相機(jī)中，均使用反射式光學(xué)系統(tǒng)。
反射式光學(xué)系統(tǒng)按照光軸特性可分為兩大類：同軸光學(xué)系統(tǒng)和離軸光學(xué)系統(tǒng)。
同軸光學(xué)系統(tǒng)中，每個(gè)反射鏡都是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。這一特點(diǎn)，使得反射鏡的加工難度與光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)集成難度都相對(duì)較小。受限于制造水平，大部分反射式光學(xué)系統(tǒng)基本上采用同軸結(jié)構(gòu)形式。
離軸光學(xué)系統(tǒng)中，大部分反射鏡沒有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸，反射鏡位置的空間布局更為復(fù)雜。這種非對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)的反射鏡加工難度與系統(tǒng)裝調(diào)集成難度都很大。
雖然離軸光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度大，但其性能有很多過人之處。最重要的一點(diǎn)就是，在離軸光學(xué)系統(tǒng)的成像光路中，任何一個(gè)反射鏡都不會(huì)對(duì)其他反射鏡造成孔徑遮攔，從而使光學(xué)系統(tǒng)有效口徑降低。
光能量的收集能力決定著光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。比如，在同軸系統(tǒng)中，次反射鏡會(huì)對(duì)主反射鏡造成孔徑遮攔；如果反射鏡數(shù)量增多，造成的遮攔效應(yīng)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(yīng)該被眼睛收集的光能量，同時(shí)也造成光學(xué)系統(tǒng)分辨率下降。具有相同光學(xué)口徑的離軸光學(xué)系統(tǒng)，比同軸光學(xué)系統(tǒng)有更強(qiáng)的分辨能力。
“天問一號(hào)”高分辨率相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)，采用了不具有孔徑遮攔的長(zhǎng)焦距離軸三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，由3個(gè)具有光焦度的反射鏡和一個(gè)不具有光焦度的平面反射鏡組成。
光學(xué)系統(tǒng)焦距拉長(zhǎng)，鏡頭尺寸也隨之增長(zhǎng)。為了壓縮體積尺寸，適應(yīng)深空探測(cè)任務(wù)中相機(jī)重量資源極為有限的條件，高分辨率相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)中的3個(gè)非球面反射鏡，采用了高陡度大偏離量的高次非球面。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)克服光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工與檢測(cè)等重重困難，最終將光學(xué)系統(tǒng)主反射鏡與次反射鏡之間的距離縮小至750毫米以內(nèi)。這對(duì)于焦距為4640毫米、視場(chǎng)角為2°的離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)，體積尺寸表現(xiàn)極為優(yōu)秀。
另外，為使光學(xué)系統(tǒng)在具有良好成像質(zhì)量的同時(shí)，盡可能保證較為寬松的裝配公差，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用了低敏感度光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
超輕量化與超穩(wěn)定性的訣竅：全碳化
光機(jī)結(jié)構(gòu)是相機(jī)的“骨骼”，為光學(xué)、電子學(xué)和熱控等系統(tǒng)提供支撐，確保光學(xué)系統(tǒng)位置狀態(tài)的穩(wěn)定。由于空間相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)極為精密，光學(xué)反射鏡需要按設(shè)計(jì)位置高精度安放，才能確保光學(xué)系統(tǒng)良好的成像質(zhì)量。
火星探測(cè)器發(fā)射時(shí)，對(duì)相機(jī)的沖擊震動(dòng)極大，光機(jī)結(jié)構(gòu)需要在劇烈變化的力學(xué)環(huán)境中，使相機(jī)中每個(gè)光學(xué)元件保持位置穩(wěn)定性，確保每個(gè)元件的位置變動(dòng)在5微米內(nèi)。這就需要相機(jī)的“骨骼”極為強(qiáng)壯，也就是專業(yè)上所說的“結(jié)構(gòu)應(yīng)具有高剛度”。
但是，深空探測(cè)重量可分配資源極為有限。這部焦距近5米的相機(jī)，可設(shè)計(jì)質(zhì)量?jī)H為43千克，如何使光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得既“身輕如燕”又“穩(wěn)如泰山”，是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。經(jīng)過科學(xué)論證，項(xiàng)目組提出了“全碳化”相機(jī)的設(shè)計(jì)理念。
在光學(xué)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(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)的碳化硅材料。通過設(shè)計(jì)，反射鏡在87%輕量化率的情況下，仍能保證良好的力學(xué)性能。
相機(jī)結(jié)構(gòu)的框架，由碳化硅鋁基復(fù)合材料制成。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定框架的材料分布，形成加強(qiáng)筋與薄板組合的輕量化結(jié)構(gòu)，輕量化率達(dá)到90%以上，且具有很高的結(jié)構(gòu)剛度。連接框架的支撐桿，由高模量碳纖維復(fù)合材料制成，每根近1米長(zhǎng)的支撐桿，重量?jī)H500克左右。
這樣高輕量化的光機(jī)結(jié)構(gòu)，在火箭發(fā)射沖擊振動(dòng)等嚴(yán)苛力學(xué)環(huán)境下，可保證光學(xué)反射鏡的間距最大變動(dòng)量不超過5微米。對(duì)于750毫米左右的反射鏡設(shè)計(jì)間距來講，相對(duì)變化量不到十萬分之一，真正算得上是“穩(wěn)如泰山”。
一機(jī)完成多種任務(wù)的關(guān)鍵：兩種“視網(wǎng)膜”
焦面成像探測(cè)器是相機(jī)的“視網(wǎng)膜”，光學(xué)系統(tǒng)將景物成像在探測(cè)器上，從而完成拍攝。
為了獲得更多的科學(xué)產(chǎn)出，高分辨率相機(jī)規(guī)劃了多個(gè)科學(xué)目標(biāo)：包括對(duì)火星表面重點(diǎn)區(qū)域精細(xì)觀測(cè)、長(zhǎng)期重訪覆蓋觀測(cè)，對(duì)著陸區(qū)域高分辨率觀測(cè)，對(duì)火星天氣現(xiàn)象動(dòng)態(tài)觀測(cè)等。不同的科學(xué)目標(biāo)，需要用到的“視網(wǎng)膜”也不相同。
高分辨率相機(jī)充分利用獨(dú)特的光學(xué)視場(chǎng)，在一個(gè)像面上巧妙地設(shè)置了兩種類型的成像探測(cè)器：多光譜TDI-CCD探測(cè)器和全色面陣CMOS探測(cè)器。3片多光譜TDI-CCD探測(cè)器呈“品”字形布局在像面，2片全色面陣CMOS探測(cè)器則分布在像面兩端。
TDI-CCD探測(cè)器是一種線陣成像的探測(cè)器，成像時(shí)通過景物與探測(cè)器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(qū)域是完成的成像區(qū)域，拖布的寬度就是成像的幅寬。這類似于我們拍大合影時(shí)的轉(zhuǎn)機(jī)照相，照片的長(zhǎng)度方向是TDI-CCD“推掃成像”方向，也是相機(jī)和衛(wèi)星的飛行方向，照片寬度則是成像幅寬。
高分辨率相機(jī)的TDI-CCD探測(cè)器配置有全色、彩色(紅、綠、藍(lán))與近紅外5個(gè)成像譜段，可以同時(shí)推掃出全色圖像、RGB彩色圖像、近紅外圖像。“天問一號(hào)”高分辨率相機(jī)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(yīng)用TDI-CCD探測(cè)器推掃拍攝的。
全色面陣CMOS探測(cè)器與我們?nèi)粘Ｊ褂玫膯畏聪鄼C(jī)的探測(cè)器功能一樣，既可實(shí)現(xiàn)畫幅面陣成像，又可實(shí)現(xiàn)視頻成像。“天問一號(hào)”高分辨率相機(jī)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(cè)器的杰作。
(作者系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所副研究員、“天問一號(hào)”高分辨率相機(jī)副主任設(shè)計(jì)師)
版式設(shè)計(jì)：梁 晨
【編輯:張楷欣】
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