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发稿时间:2021-04-17 08:08:26

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  “天问一号”拍火星的相机不一般

  ■孟庆宇

  ●在距目标200千米开外即可“明察秋毫”

  ●凭强壮“骨骼”既身轻如燕又稳如泰山

  ●像拖布定向拖地一样可实现“推扫成像”

  前不久,国家航天局公布了“天问一号”传回的首幅火星图像。此图像是“天问一号”高分辨率相机在距离火星约220万千米处拍下的。图中,火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑以及最长峡谷——水手谷等标志性地貌清晰可见。

  图像一公布,就吸引了全世界的目光。这部高分辨率相机,也一度成为人们眼中的“明星”。

  高分辨率的秘密:长焦距离轴光学系统

  这部高分辨率相机,能在距离目标265千米处实现0.5米分辨率的光学成像。这就如同站在长春市中心观看沈阳市中心的一台轿车,甚至可以分辨出是三厢车还是两厢车,绝对称得上是“明察秋毫”。具备这一非凡功力,首先要得益于先进的光学系统。

  光学系统是相机的核心部分,它能将远处的景物成像在感光元件上,从而实现照相功能。像素分辨率是我们最关注的相机性能指标,表示照片上的1个像素对应远处被拍摄景物的尺寸。根据几何光学物像关系,分辨尺寸、照相距离(卫星飞行高度)、焦距、像元尺寸等4个参数,构成一个相似三角形的几何关系。从这个关系可以得出,相机分辨率越高,光学系统焦距就越长,相应的镜头口径就越大。

  小型光学系统,如常见的消费级单反镜头、手持望远镜等,基本上由光学玻璃制造的透镜组成,其特点是焦距短、分辨率低。由于大尺寸的优质光学玻璃难以制造,且光学玻璃自身力学、热学性能欠佳,容易产生色差,因此长焦距大口径的光学系统基本采用反射式光学结构。

  在反射式光学系统中,透镜功能由反射镜代替。其中,可使光线汇聚的凸透镜由凹面反射镜代替,可使光线发散的凹透镜由凸面反射镜代替。大型天文望远镜以及高分辨率航天相机中,均使用反射式光学系统。

  反射式光学系统按照光轴特性可分为两大类:同轴光学系统和离轴光学系统。

  同轴光学系统中,每个反射镜都是旋转对称的。这一特点,使得反射镜的加工难度与光学系统的装调集成难度都相对较小。受限于制造水平,大部分反射式光学系统基本上采用同轴结构形式。

  离轴光学系统中,大部分反射镜没有旋转对称轴,反射镜位置的空间布局更为复杂。这种非对称光学系统的反射镜加工难度与系统装调集成难度都很大。

  虽然离轴光学系统实现难度大,但其性能有很多过人之处。最重要的一点就是,在离轴光学系统的成像光路中,任何一个反射镜都不会对其他反射镜造成孔径遮拦,从而使光学系统有效口径降低。

  光能量的收集能力决定着光学系统的分辨率。比如,在同轴系统中,次反射镜会对主反射镜造成孔径遮拦;如果反射镜数量增多,造成的遮拦效应也越大。这种感觉就像在眼镜中心贴上一片黑色不透光的胶布,不仅影响了本应该被眼睛收集的光能量,同时也造成光学系统分辨率下降。具有相同光学口径的离轴光学系统,比同轴光学系统有更强的分辨能力。

  “天问一号”高分辨率相机的光学系统,采用了不具有孔径遮拦的长焦距离轴三反射镜光学系统,由3个具有光焦度的反射镜和一个不具有光焦度的平面反射镜组成。

  光学系统焦距拉长,镜头尺寸也随之增长。为了压缩体积尺寸,适应深空探测任务中相机重量资源极为有限的条件,高分辨率相机光学系统中的3个非球面反射镜,采用了高陡度大偏离量的高次非球面。项目团队克服光学系统设计、加工与检测等重重困难,最终将光学系统主反射镜与次反射镜之间的距离缩小至750毫米以内。这对于焦距为4640毫米、视场角为2°的离轴反射式光学系统,体积尺寸表现极为优秀。

  另外,为使光学系统在具有良好成像质量的同时,尽可能保证较为宽松的装配公差,项目团队在光学系统设计过程中,应用了低敏感度光学系统设计方法。

  超轻量化与超稳定性的诀窍:全碳化

  光机结构是相机的“骨骼”,为光学、电子学和热控等系统提供支撑,确保光学系统位置状态的稳定。由于空间相机的光学系统极为精密,光学反射镜需要按设计位置高精度安放,才能确保光学系统良好的成像质量。

  火星探测器发射时,对相机的冲击震动极大,光机结构需要在剧烈变化的力学环境中,使相机中每个光学元件保持位置稳定性,确保每个元件的位置变动在5微米内。这就需要相机的“骨骼”极为强壮,也就是专业上所说的“结构应具有高刚度”。

  但是,深空探测重量可分配资源极为有限。这部焦距近5米的相机,可设计质量仅为43千克,如何使光机结构设计得既“身轻如燕”又“稳如泰山”,是一项极具挑战性的任务。经过科学论证,项目组提出了“全碳化”相机的设计理念。

  在光学反射镜材料上,主反射镜与三反射镜均使用了具有低密度、高弹性模量、高热导率和低热膨胀系数的碳化硅材料。通过设计,反射镜在87%轻量化率的情况下,仍能保证良好的力学性能。

  相机结构的框架,由碳化硅铝基复合材料制成。通过优化设计,确定框架的材料分布,形成加强筋与薄板组合的轻量化结构,轻量化率达到90%以上,且具有很高的结构刚度。连接框架的支撑杆,由高模量碳纤维复合材料制成,每根近1米长的支撑杆,重量仅500克左右。

  这样高轻量化的光机结构,在火箭发射冲击振动等严苛力学环境下,可保证光学反射镜的间距最大变动量不超过5微米。对于750毫米左右的反射镜设计间距来讲,相对变化量不到十万分之一,真正算得上是“稳如泰山”。

  一机完成多种任务的关键:两种“视网膜”

  焦面成像探测器是相机的“视网膜”,光学系统将景物成像在探测器上,从而完成拍摄。

  为了获得更多的科学产出,高分辨率相机规划了多个科学目标:包括对火星表面重点区域精细观测、长期重访覆盖观测,对着陆区域高分辨率观测,对火星天气现象动态观测等。不同的科学目标,需要用到的“视网膜”也不相同。

  高分辨率相机充分利用独特的光学视场,在一个像面上巧妙地设置了两种类型的成像探测器:多光谱TDI-CCD探测器和全色面阵CMOS探测器。3片多光谱TDI-CCD探测器呈“品”字形布局在像面,2片全色面阵CMOS探测器则分布在像面两端。

  TDI-CCD探测器是一种线阵成像的探测器,成像时通过景物与探测器的相对运动而不断输出图像。这种成像方式叫作“推扫成像”,其工作原理就像拖布定向拖地一样,所拖过的区域是完成的成像区域,拖布的宽度就是成像的幅宽。这类似于我们拍大合影时的转机照相,照片的长度方向是TDI-CCD“推扫成像”方向,也是相机和卫星的飞行方向,照片宽度则是成像幅宽。

  高分辨率相机的TDI-CCD探测器配置有全色、彩色(红、绿、蓝)与近红外5个成像谱段,可以同时推扫出全色图像、RGB彩色图像、近红外图像。“天问一号”高分辨率相机在距火星表面约330~350千米高度拍摄的0.7米分辨率全色图像,即是应用TDI-CCD探测器推扫拍摄的。

  全色面阵CMOS探测器与我们日常使用的单反相机的探测器功能一样,既可实现画幅面阵成像,又可实现视频成像。“天问一号”高分辨率相机在距离火星约220万千米处拍摄的首幅火星图像,就是全色面阵CMOS探测器的杰作。

  (作者系中国科学院长春光机所副研究员、“天问一号”高分辨率相机副主任设计师)

  版式设计:梁 晨

【编辑:陈海峰】

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