解密火星星表物质的神秘侦探火星多光谱相机

中科院之声

“天问一号”上的神秘侦探

2021年5月15日7时18分,我国第一个前往火星的星际游子——我国第一颗火星探测卫星“天问一号”的着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,标志着我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

“天问一号”由在轨环绕器和着陆巡视器两大部分组成。在轨环绕器在近火点高度400公里,远火点高度180000公里处长期环绕火星转动,主要监测火星表面状态,采集信息数据,用于研究火星磁场、大气、重力场、水、浅层土壤、地质地貌;同时,起到信号中继作用。着陆巡视器利用其搭载的巡视器(即可以移动的火星车“祝融”)对火星星表进行科学探测,“祝融”携带了六台科学仪器:多光谱相机、次表层雷达、成分探测仪、磁场探测器、气象测量仪、地形相机。

“天问一号”探测器示意图

来自中国科学院西安光学精密机械研究所的神秘侦探——火星多光谱相机,相较于“探月工程”的全景相机,其在实现对火星表面360°成像的基础上,还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。主要开展包含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。

为了探测未知的火星环境,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,揭开火星的面纱。

神秘侦探如何揭开火星面纱?

火星多光谱相机如何揭开火星星表的神秘面纱呢?我们首先需要知道物质的三个“特性”。

物质相对于光而言有三个特性,即反射、透过、吸收,通常利用相应的反射谱、透射谱或吸收谱来表征物质的相应特性。当一束光入射到某种物质上时,存在“反射光+透过光+吸收光=入射光”的关系。不同的物质对于同一谱段入射的光,这三个特性是不同的,有的吸收强,有的反射强,还有的透射强。相同的物质在不同的入射光谱中,这三个特性也是不同的。玻璃之所以透明,是因为其透过性强;我们之所以在镜子中可以看到自己,是因为其反射性强;黑板之所以是黑色的,是因为其吸收性强。

物质的反射、透射、吸收示意图

因为物质具有不同的特性,当阳光照在它们上面的时候,反射到我们眼睛的光波谱段及其强弱会各不相同,世界便呈现出了五颜六色。如果把人的眼睛换成相关的光谱测量设备(如光谱辐射度计),便可以获得不同物质特有的反射谱了。

火星星表环境中的岩石、土壤等矿物质,如各类铁矿、盐类矿物、粘土矿物等,也具有这三个特性。通过对地球众多岩石、土壤等矿物质的反射光谱进行分析,总结出不同物质在不同光谱通道下的反射谱信息,建立相应的岩石、土壤等物质的反射谱数据信息库。将火星多光谱相机获取的各通道下的图像数据信息与已有的数据库进行分析比对,从而鉴别火星星表的成分类型,确定火星表面物质类型分布。

为了对抗复杂多变的火星环境,揭开神秘莫测的火星面纱,探究纷繁复杂的星表属性,火星多光谱相机是如何炼就火眼金睛的呢?

神秘侦探如何炼成火眼金睛?

通常的相机主要由光学系统、探测器(CCD/CMOS)、电子学系统、封装结构四大部分组成,和人的眼睛一样,它可以看见世间万物。不同之处在于,它的探测器和人眼的感光细胞,对光的感知能力不同,即光谱响应曲线不同。多光谱相机除具有与二者不同的响应曲线外,还具有其他特殊的功能。

相机结构示意图

为了锻造出一双火眼金睛,科研人员为我们的神秘侦探特意设计了多光谱成像功能、自动调焦功能、星上定标功能三大技术。

多光谱相机成像示意图

多光谱成像功能用来获得火星表面可见光、近红外波段的多光谱图像。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组成的滤光元件机构。进入相机的复色光在透过不同的滤光窗口时,会转变成相应光谱的光,实现460~1050nm 范围内的8个光谱通道、1个太阳全色谱段通道的多个光谱通道的共焦面成像。

调焦即改变系统焦点前后的位置,使系统各种模式下的焦点都在焦平面位置。多光谱相机上设置了6个调焦补偿镜组成的自动调焦机构,可以对不同成像距离下的目标进行自动调焦,也可以通过地球指控中心送达的调节指令进行调焦。调焦功能通过调焦机构进行成像距离调整,使得同一台相机既能对近距离定标板清晰成像,又能对远距离火星表面矿物进行高分辨率拍摄,实现1.5m到无穷远范围内清晰成像。

多光谱相机正样在轨定标板实物图

定标是指为了消除或减小仪器误差,获得精确的结果,而对有关参数进行精准定量测量的过程。多光谱相机配备有在轨定标板,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。多光谱相机通过对放置在“祝融”上的定标板进行拍照,获取在轨定标板相应图像数据,实现在轨星上定标,以帮助多光谱相机准确判断火星表面的矿物成分,获取更加准确的科学观测数据。

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,研究人员专门设计了自动/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(surfacetexture)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。

从2020年12月3日“嫦娥五号”上升器实现我国首次地外天体起飞,到2020年12月17日“嫦娥五号”返回器成功降落在四子王旗,完成中国探月工程“绕落回”三步走计划;从2021年2月10日“天问一号”探测器顺利进入环火轨道,开展科学探测,到2021年5月15日“天问一号”着陆巡视器实现我国首次地外行星着陆,标志着我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。数年光阴,筚路蓝缕,艰苦奋斗,承载着华夏英雄儿女星月兼程的不屈斗志;半载时光,往返月球,逐鹿“荧惑”,满载着我国深空探测的累累硕果!

我们有理由相信,在未来,就像人类登上月球一样,人类也会登上火星;就像人类建设地球一样,人类也会建设火星。正如卡尔·萨根所说:“如果火星会被地球化,那么完成这一壮举的也是人类,火星将成为他们永久居住的另一颗行星。火星人就是我们自己。”

这款游戏的画风太治愈了,强烈推荐给游戏社恐人士(是本人[单身狗])。

不追求游戏完成度的话,可以简单地跟着剧情走完全程。主人公就是截图中的女孩Gris,也是这个游戏的名称。场景的变化同时也和Gris的心灵成长路程相呼应,一共五个章节,分别是否认,愤怒,谈判,沮丧以及接受。

从黑白世界,到哭泣、破裂再重塑的雕像,以及触碰萤火虫去指引Gris在浓雾中疾跑……游戏里的各种元素都深深吸引着我不停地肝下去(夸张了哈哈,游戏总时长七个小时,期间搜了下玩Gris的up主的实况视频,大佬们的时长都在两个多小时)。

总之是款很轻松很治愈的游戏,而且bgm好听到让人有流泪的冲动(纯音乐)。p1最后一张就是全部剧情结束后Gris踏着光点连成的路线,进入一片白色虚空中。

(以下仅非常主观的感受与表达。)

这次的七重人格有一种解构感。

其实我听完之后没怎么认出这是七重人格。是一种很新鲜的视角,告诉我,原来这首歌还可以有这样的可能,还可以以这样的“眼”去看世界(对,我是说这首歌,或者说,借由这首歌的视角,看世界)。但是它又与这首歌原本的内涵与视角是丝丝缕缕相关的。
四专讲的东西很大,但我一开始感受到的很多首歌里都有一种人与神的对话感,或者称为渺小与庞大的对话。但渺小与庞大都是他,是他的一场飓风般的思考。以一整张专来看,也有这种感觉。所以,你时常可以切换视角,你会感觉可以同时以渺小与庞大的身份去看这些歌。
所以这次,这版的七重在我的感受来说,就是把“庞大”这一身份放大到了极致,以这样的角色发出的感慨,所以整个视角直接上升扩大了很多。我来回看了好几遍才发现,这版的拟埙背后没有六字箴言,而“念白”部分的对话感也没那么明显,而我一点违和感都没感受到。但这与这样的身份视角才是吻合的,是看着沧桑轮回,回望祈求与失落的一场神思。
“金乌”这一意象我不知道是怎么确定下来的,但还挺有意思的。想起我之前的“乌鸦”的印象,就还挺意外之喜[笑哈哈]神话色彩,还有他这次红色花朵(应该是吧)的服装,也和我之前对这首歌的感觉有部分意外相合,就很快乐(。)金乌与扶桑、若木,所以一开始像一只栖息的幼鸟了。这种神话感当时给我很大的感官享受(因为我就好这一口[二哈]),这里舞美与镜头也做得很好,没有出戏或割裂感。但这只幼鸟会让你感觉它停留在这棵树上很久了,或者这里是它的源头——就是一种“苍老”感。对,“幼鸟”,但是有一种苍老感。
这一点你可以去从不同角度去想象,比如开头的童声和后面的悲伤人格都设计了不同的滤镜与镜头外框,而后都被尖锐的啸叫打破,扯开——是回忆吗,然后撕扯着回到现实。(这似乎与原版的设计也是不同的。)
金丝眼镜,也是苍老感的来源:成熟,观察,思考——是这样的感觉。
所以矛盾感很重。(其实这个版本整个“矛盾感”都很重,后面会再讲到)(写到这里字数800+了,我真的在写作文吧[二哈])
于是我想到了这次的发型。一开始硬照出来,就让人感觉很“幼”,同样是鬓边的小辫子,但是与之前几次的那种美与野完全不同,很“幼儿”。然后我就想到了那个词叫做“垂髫”。所以我看着他以这样幼嫩的形象做着那样复杂、深邃与庞大的思考,这样的冲击力是真的很大。同时,“童颜”与“新生”也是一种很神话的属性。
当他念着“古 今 天 地”,从树上下来的时候,一句句念着,唱着,一步步向前走着,我仿佛看到时空从古老的远方随着他的脚步一层层变化到现代,甚至到最后产生了一种科幻感。就好像他(它)看着古今变换,世事沧桑——
“古 今 天 地
混沌初开 清浊黑白 在浩渺天地间 萌生尘埃
欣喜 愤怒 欢乐 悲哀
更迭兴衰 是非成败 千万年轮回着浮生百态
永恒的 消逝的 存在的 未知的
亘古未来 繁华不再 万物皆只因我一念花开
洪荒宇宙 千变万化 不外如是 不外如是
由我主宰 任我主宰 让一切都隐去只留下……”
念白像展示与解说,旁白,他看得越来越多,越来越多轮回着的生长与湮灭。他看过了这些,于是产生了自己的想法。但我……不知道这想法是什么。这里又回到了金乌的意象,你说飞出的三足鸟是什么意思呢,是放出的野兽吗,还是放出的自我?它飞出去了,它还在吗?后面低声寻找的“拼图”又是什么呢?
在其中一遍循环中,我忽然感觉脱掉斗篷,跳下树座的那一个,像树结出的果实。一颗已装载了成熟回忆与眼光的果实,去看人间一趟。
所以树是什么呢?(也许并没有什么,只是舞美的一个意象。)我在悲伤人格那段,甚至感觉悲哀自语的是这棵树,它遗失了一块拼图,找了好久好久都没找到。愤怒,遗憾,悲切,都有。呜咽着,像是想了好久好久,到一个悲伤的境地。
如果七重是一场思索、疑问与毁灭,那这是一场神的思索、疑问与毁灭,以及从中诞生的。
所以舞台上那个火红的“他”是什么呢,是不是金乌与树都是他呢?是不是还不止金乌与树,还有“亘古”与“未来”,很多很多,很多矛盾,都是他……(这样庞杂的身份其实依然没有超出设定的角色。)
拟埙因为少了六字箴言,空旷了很多,第二段那里我的想象力直接升入了太空,像一只金红的鸟展翅于一个无限且无声的空间,又像众神所居的高一维空间。
那个旋转的镜头很漂亮,也是有一种跳脱现实的科幻感了,整个最后的那部分都有这种感觉,像是时空漩涡。我不大能描述得出来那种感觉……我偏我执,我主导,但就和七重最后的矛盾冲击还挺相合的。
(那里在灯光的映射下,他的头发像棕红色的,真的很漂亮,又多添了一份神话感了。)
最后的roar没有了也挺有意思的。这个版本就是气质很冷静、成熟,有着与之前完全不同的思维高度。我倒是觉得跟重/庆那场《齐天》的气场挺像的。还记得齐天最后没唱的吟唱吗。我是觉得,如此安静,像是做好了选择与决定。


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