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尺寸|天问一号拍火星相机厉害了！200千米开外明察秋毫

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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)
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