解密火星星表物质的神秘侦探——火星多光谱相机

  2021515718分,天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,中国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。 

  中国航天器首次奔赴火星,就“毫发未损”地顺利出现在遥远的红色星球上,完成了人类航天史上的一次壮举,实现了我国首次地外行星着陆。着陆后,“祝融号”火星车成功传回了遥测信号。 

  几天前,“祝融号”发了一条朋友圈,震惊世界。今天我们就来详细聊一聊这条“朋友圈”背后的故事。

图1:火星岩石

图2:火星岩石和尘土

  (图1、图2为行进路上的火星岩石图像,由多光谱相机获取的多个谱段数据合成,图1中可见火星岩石的纹理特征和火星车车辙,图2呈现了岩石表面火星尘土的覆盖情况。)

  “祝融号”火星车装备了6种探测仪器,包括导航地形相机、多光谱相机等,其中有近一半的载荷为光电载荷,光电载荷作为火星车的眼睛,对火星车的运行、科学探测具有重要的作用。

  中国科学院西安光机所研制的解密火星星表物质的神秘侦探——火星多光谱相机,主要科学目标为获取火星表面的多光谱图像信息,通过火星形貌与地质构造特征及其变化、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成三项任务在内的火星表面物质类型分布研究,在其他科学仪器的协同作用下,揭开火星地表的神秘面纱。

 多光谱相机实物图 

  神秘侦探穿着一身金黄外衣,大小差不多是普通鞋盒的一半,安装在巡视器的桅杆上,距离火星表面1.8米左右。月球与深空探测技术研究室杨建峰团队经过技术攻关,使多光谱相机自诞生之日起,便炼就了火眼金睛的本领,即使在4亿公里外无人照料的茫茫火星上,也可以看清距离自己1.5米到无穷远范围内的外星环境,辨别火星星表同一位置在多个不同光谱通道下的环境信息,探测未知的火星环境。 

  相较于探月工程的全景相机,火星多光谱相机在实现对火星表面360°成像的基础上,还可获得火星表面可见光、近红外波段的多光谱图像,具备识别火星上常见的各类铁矿,盐类矿物,粘土矿物的功能。针对上述矿物的特征光谱,多光谱相机设置了8个窄带滤光片和1个对太阳成像的全色滤光片,可实现多个光谱通道的共焦面成像。同时还设置了6个调焦补偿镜,既可对不同成像距离下的目标进行自动调焦,也可通过地球指控中心送达的调节指令进行调焦,在1.5m到无穷远范围内都能拍摄出火星清晰的图像。 

  火星多光谱相机还配备有在轨定标板,由红、绿、蓝、黄矿物色卡,黑白灰标准板,抛光铝板以及投影日晷构成,通过对放置在火星车上的标准标定板进行拍照,获取在轨定标板图像数据,实现在轨星上定标,获取更加准确的科学观测数据,帮助多光谱相机准确判断火星表面的矿物成分。 

多光谱相机正样在轨定标板实物图 

  此外,为了避免火星上杂散光、空气中悬浮颗粒、昼夜亮度变化、背景环境等因素对相机的影响,研究团队专门设计了自动/遥控调节曝光、消减杂散光措施、抗灰尘干扰等功能,以便获取巡视区高分辨率多光谱图像。 

在“天问一号”对火星开展的后续探测中,多光谱相机将伴随着“祝融”的脚步,通过获取火星地表的多光谱图像,在提供火星表面详细的地质背景、物质组成以及表面纹理特征等信息,完成火星表面物质类型分布研究的同时,为“祝融”探测路线的规划及其它科学载荷的探测目标最优化选取(如LIBS)提供指导。通过对多光谱相机及其他科学载荷获取数据的综合分析,有利于人类更加深入的了解火星表面的地质演化历史,进一步揭开火星的神秘面纱。 

  天问一号实现了从地月系到行星际的跨越,在火星上首次留下中国人的印迹,这是我国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展。西安光机所将再接再厉,瞄准国家重大需求,继续小行星探测等航天重大工程,为加快建设航天强国,为探索宇宙奥秘作出新的更大贡献! (月球与深空探测技术室、所办  联合供稿)

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