2022世界杯8强(www.9cx.net):呆萌如鹅的祝融号,是若何拍摄火星照片的?

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星辰大海,喜报频传。2021年是不折不扣的中国航天大年,“天问一号”火星探测义务与“神舟十二号”首次载人航行义务的乐成刷新了多其中国航天的“第一次,成为了近期的热门话题。

图片泉源:央视新闻

来自国家航天局的新闻:住手8月6日,“祝融号”火星车在火星外面事情82个火星日,累计行驶里程到达808米。现在,“祝融号”火星车正在穿越石块、撞击坑、沙丘漫衍麋集的庞大地形地带,后避障相机拍摄了一张车体刚刚越过石块的照片。围绕器在轨运行379天,器地单向通讯时延约21分23秒,各系统工况正常。

天问一号在着陆前后,多次为我们发来有价值的火星美照,天文兴趣者们应该都看偏激星先前的照片,可能还听说过诸如“火星上的太阳出现蓝色”之类的说法。事实上,“星际摄影”(遥感探测)从来不是一项容易的流动,若何还原真实,可不像年轻人自拍那样简朴。

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火星照片惹争议,且听专家来释疑

火星在夜空中展现的唯一无二的红色容颜给人们留下了最深刻的印象,这是由火星大气中的灰尘所致。

1976年的海盗1号探测器,拍下了人类首张火星外面照片,图中冷落的红色陆地引起了一些质疑声音,以为NASA修改了照片,以迎合人们对火星的固有印象,照片纷歧定是火星的原本面目。

海盗1号拍摄的首张火星地表彩色照片

确实,限于那时的科技水平,海盗号探测器的相机还不能拍摄彩色照片,原始的是非图片需要后期合成为彩色图片,这个做法异常需要技巧和主观导向性,称为科学中的艺术创作也不为过。事实没有人到达偏激星,以是也无从知道它的真正色彩。

1984年,勇气号和时机号拍摄的火星地表出现鲜艳的红褐色,天空则是橙黄色。质疑声又双����泛起了,以为这些特意“红化”的照片存在着颜色失真与白平衡误差。

对此,NASA给出的回答是,火星大气中的灰尘使光线向光谱末尾的红端发散,同时也给地表涂上一层红色,照片的处置没有问题。

著名天文摄影作品,哈勃太空望远镜拍摄的“创生之柱”(1995年,局部)

虽然不能让所有人都知足,但事实上这是一个普遍的做法:基本所有的天文摄影都是校正过颜色的。由于摄影的用途差异,因此校准的要求也差异。科学家通常不需要让照片――稀奇是原始照片――看起来像人类肉眼所见的样子,而是更希望它们能对科学剖析有用。

可见光波段在整个电磁波谱中仅占一小部门,它还可以细分为赤橙黄绿青蓝紫等等。

我们人眼所能识其余光线,只是整个电磁波谱中异常窄的一小段,统称为可见光波段。然而其他林林总总的非可见光波段,也极具科学应用价值。我们可以借此探知太阳的外面温度、月球上某块岩石的矿物因素,甚至是银河系外某个星系远离我们的速率。

日珥从太阳外面喷薄而出,极紫外波段所摄(图中地球用于尺寸对比示意)

为了让发回地球的图片能笼罩到尽可能宽的光谱局限,使名贵的数据实现应用最大化,有时也会接纳一些低成本的做法,例如用红外光替换红色滤镜、紫外光替换蓝色滤镜等等。

而现在中国正抬头迈入了太阳系行星际探测时代,继美国之后实现了火星地面科考。中国不仅是现在唯一同时在两颗地外星球(月球和火星)举行巡视义务的国家,更在人类历史上首次实现了在行星探测项目中一次性完成“绕、落、巡”义务的壮举。2021年6月,中国国家航天局宣布了天问一号围绕器与祝融号巡视车拍摄的一系列火星“大片”。

由星散式相机拍摄的祝融号与着陆平台合影,靠山天空略呈太妃糖色

这次的探测义务由天问一号围绕器和祝融号火星车“双器合璧”,那我们就划分从它们俩的视角,看看从太空俯瞰与地面平视时,火星的真实容貌吧!

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双摄搭配成老例,分工协作更给力

现在手机配备多摄像头征象,究其缘故原由,增添摄像头数目确实是提高照片画质的一大捷径。可以说每个镜头都有自己特定而单一的适用局限,单个镜头难以同时在色彩还原、细节把控、视角宽幅等多个维度同时实现提升。看似简朴粗暴的数目堆砌,却能实现分工协作,从而获得知足的成像效果。

这个征象背后也展现了一个问题――分辨率和视场角,是摄影永恒的矛盾,而考究高精尖的天文成像,更是将这个矛盾凸显到了极致。

为了完成义务需要,大部门的火星围绕探测器均搭载了两种类型的相机,常见的方案是多光谱成像+全色成像。以天问一号围绕器为例,它搭载了一台多光谱CCD相机和一台全色面阵CMOS相机。

天问一号围绕器搭载的两台相机参数对比

多光谱CCD相机也就是高分辨率相机,设置了全色(灰)、彩色(红绿蓝)与近红外五个成像谱段,可以同时推扫出全色图像、RGB 彩色图像、近红外图像。

天问一号在距火星外面约330~350千米高度拍摄的0.7米分辨率全色图像,即是应用多光谱相机推扫拍摄的。它的特点是分辨率高(稀奇是在全色波段下的是非照片),细节足够。

多光谱相机所拍的火星地表(0.7米分辨率),成像区域内的环形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可见

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而全色面阵CMOS相机则是中分辨率相机,它既可实现画幅面阵成像,又可实现视频成像。天问一号在距离火星约220万千米处拍摄的首幅火星图像,就是全色面阵CMOS相机的杰作。它的特点是画幅宽阔,而且体积小巧,功耗低。

可以看出二者的成像原理存在显著差异,针对差异需求的义务目的,例如对火星外面重点区域细腻观察、对着陆区域高分辨率观察、耐久笼罩观察、对火星天气征象动态观察等,在成像相机的应用选择上也不尽相同。

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赤红天地似铁锈,地表成像更考究

至于火星地表巡视车,也盛行接纳多摄分工模式,一部火星车上往往集成了多个相机。勇气号、时机号、好奇号、祝融号火星车均接纳了在桅杆顶端设置导航与地形全景相机的设计方案。

祝融号(上图)与好奇号(下图)各自的全景相机所拍的火星地表

为了尽可能模拟人类在火星上所见的真实效果,火星车地形全景相机的许多设计均向人眼靠拢,包罗光谱成像局限、焦距局限,甚至连距离地面的高度都向人类身高看齐。

外表呆萌的祝融号,那一对眼睛是导航与地形相机,功效与人眼类似而多光谱相机看起来像是鼻子

除此之外,祝融号还搭载了功效壮大的多光谱相机。它的9个成像谱段主要用于探测几种牢靠的目的,例如铁氧化物、含铁硅酸盐等与火星水环境和地质演化慎密相关的矿物。

多光谱相机的形状,以及种种目的矿物的谱段响应

而火星上的环境又与太空存在极大的差异,摄影成像有着另一番考究。火星地表的颜色不仅来自自身的铁氧化物,也来自笼罩四野的大气层所映衬的靠山致。我们所见的焦糖色的天空和土锈色的岩石,主要是由火星特殊的大气散射效应所决议的。

反射、入射、折射、散射的区别。右下角即为散射示意图

火星大气极为稀薄,气体因素微不足道,而灰尘颗粒较多,这些灰尘尺寸到达了微米量级,灰尘在大气层的光线散射中占有主导职位,这种效应称为米氏散射,散射的光子波长靠近自身颗粒巨细,对应于电磁波谱中的红光,火星天空的红色正是泉源于此。

好奇号拍摄的火星日落

至于有趣的火星日落,你会发现日落时太阳中央主体是白色的,由于光线在穿偏激星大气层时不会改变颜色;太阳周围蒙上一层蓝色的光圈,由于蓝光的散射角度不大;再往外看,天空则微微泛红,由于红光的散射角度较大。

小Tips:散射是一种较为庞大的光线效应,在分层显著的行星大气垂直结构上,差其余散射因素在各自的波长局限内,散射纪律也不尽相同。若是你有时机前往其余行星看日落,会发现天王星的天空从蓝色逐渐变为蓝绿色。而在土卫六上,日落的天空则会从黄色变为橙色,直至变为棕色。

另外需要指出的是,颜色只是人的主观感受,不是物体的客观属性。物体的差异颜色对应着差其余电磁波频率,而任何两个频率相加是无法合成另一个频率的。以是说红光和绿光夹杂,获得包罗两种频率的“黄光”只是人眼的感受,和单一频率的黄光本质差异,只是人眼无法区分。

【左:原始图片中的火星】

【中:模拟人眼视觉的火星,显著偏红】

【右:经由白平衡处置,假设由地球上的白色阳光照射后的火星】

综上所述,火星地表成像远非地球外面那么简朴。在火星上事情的祝融号火星巡视车,只需忠实地纪录光影,而地面上的科学家们若何去还原这些数据,既知足科研需要又知足民众科普需求,就得多花一番心思了。

只有当你亲自踏上火星的土地,才气一探真知。凡所过往,皆为序章。虽然前期希望顺遂,但我国的行星际探索大业才刚刚拉开大幕,另有许许多多的未知领域守候我们征服:诸如火星磁场之谜、火星液态水之谜等多个有趣的征象。它们就像火星的颜色问题一样。

参考资料:

[1] 火星探测多光谱相机定标手艺研究 王红 中国科学院西安光学周详机械研究所

[2] 中国首次火星探测义务科学目的与有用载荷设置 李春来,等 深空探测学报

[3] 火星环境中沙尘粒子的光散射特征研究 秦建华 西安理工大学

[4] 火星形貌摄影丈量手艺研究 耿迅 解放军信息工程大学

[5] 非球形火星沙尘粒子的光谱散射特征研究 杨玉峰 光子学报

本文配图均来自网络公然资料

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审核专家:鲁��筱懿,行星物理学博士。

蝌蚪五线谱原创作品,转载注明泉源

责编/小西途说

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