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。”

中国移动出手开启自研造芯 目标自主可控
近日,中国移动旗下全资子公司芯昇科技正式成立并开启独立运营,中国移动称,芯昇科技落地将进一步进军物联网芯片领域,定位为“物联网芯片自主可控的奋斗者”。
据悉,芯昇科技成立于2020年12月,是中国移动旗下全资子公司。根据天眼查APP显示,该公司经营范围包括智能产品生产研发、传感器、智能家居、门锁、车联网等产品的研发与销售等。
同时,值得一提的是,芯昇科技还入选了国资委“科技示范企业”名单,中国移动、联通以及电信三家运营商共有五家企业在该名单中。

【寓大美于天地俯仰之间】为喜迎党的百年华诞,天津海河传媒中心倾力推出了全新视角、全新方位的6集航拍纪录片《大美天津》,首次把赏析自古至今的天津“大美”,放到了天地和俯仰之间。

  天津,是一座既古老而又年轻的中国历史文化名城。她,北依燕山,东临渤海,南北运河在这里交汇,使她成为大运河北端唯一一座依河傍海的城市;也是中国北方最早和最大的开放城市。

  天津的“大美”,是山川壮丽的“大美”,是河海壮阔的“大美”,是南北交融的“大美”,是东西荟萃的“大美”……如此众多的“大美”,不仅源于大自然的恩赐,更源于千百年来、特别是改革开放以来,天津人不间断的守正与创新。

  《大美天津》就是这样一部在云宵天际,俯瞰式、全景式讲述天津“大”和“美”的航拍纪录片。也就是说,天津的“大”和“美”,体现和氤氲在《大美天津》的每一个闪亮夺目的景框里,每一处优美动听的天籁之声中。

  凡是赏析过《大美天津》观众,都会用自己的锐利视线,为《大美天津》确立最有价值是位置。

  首先,《大美天津》以其特有的光华气质、舒朗和旷达,极为感性地从广阔的天空中,把天津的美,拍得如此艳丽和极致;把天津的故事,讲得如此动人和动听,让天津的城市个性,得到了最大限度的张扬和释放。

  在新时代的纪录片中,《大美天津》首次选用了载人直升机、无人机和地面移动相结合的拍摄方法,全片有80%是俯视镜头,全部高清素材长达300小时。用俯视的深邃与渴望,打捞起昨日流逝的时光;用时空的往复与变换,解析天津风景的大美,聆听天津故事的震撼。

  正是这种居高临下的广阔视野,温柔亲切的深情俯瞰,把天津这座美丽的名城,得以放大到中国,放大到世界,放大到沧海桑田的岁月长河之中,让屏幕前的观众去体验,去感受,去读取,去链接。

  以“空中取景”为主干的唯美风格,是贯穿《大美天津》的又一特色。

  《大美天津》精心拍摄,倾心制作,周期长达一年,目的就是要把天津的四季“大美”——春的新绿,夏的炽热,秋的成熟,冬的收获——全景式地呈现在观众面前。通过四季拍摄,不但向观众透射出整个天津在不同季节的不同景色,同时也以非凡的技巧,展现出时间流动下天津特有的非凡“大美”。

  《大美天津》还巧妙地利用了航拍中的不同的高度和角度,带领观众进行了一次在天津上空从未有过的天际遨游。

  在不同高度和角度之下拍摄天津之美,就好像岁月为天津重新打开了一扇崭新的门扉,在每一个观众的记忆深处,都会闪烁出非凡的光辉,也为观众留住了许许多多想留而留不住的美好时光,让观众重新发现了一个个崭新、动人的天津景象。

  这种“大美”,会使观众在享受当下拥有的同时,激发出新的情感——努力寻找文化的创造力,构建出未来希望拥有的一切。因为竞争的真谛,就是要使自己的城市,同昨天相比有所不同。

  《大美天津》的画面主线,是翱翔于时光之窗的精卫鸟,是精卫精神贯穿下对天津的礼赞。

  在“大美”的天空,观众看到了天津的历史文化,看到了天津的地理山川,看到了天津的经济腾飞,看到了天津的绿色发展,看到了天津的地标建筑,看到了这座城市在生活流变中、乃至在奋进路上的灵魂悸动,也看到了天津人超越想象的事业追逐,以及那些令生命感动的光辉历程。

  《大美天津》打开了时代存储的记忆,把一座活力十足的天津,渲染得风涛云霓,多姿多彩,在飘渺的时代流行色中,把天津之美诠释得既亲近,又可爱。

  经过严苛的凝练和浓缩,从18000分钟到180分钟,用拍摄过程中百分之一的时速,使天津璀璨的历史,辉煌的今天,尽收眼底。

  《大美天津》成功运用了充满故事的时代化、拟人化、年轻化的画外音,用以引导观众的想象力和思考力。

  在一帧帧唯美画面的赏心悦目中,激发出人们的情感共鸣——用心灵去感受这座城市的鲜活与生命,领悟城市生命的真谛,点燃大家对生活中这座城市的感念和期盼,热爱与自豪,并使这一切,直抵观众的情感深处。

  《大美天津》就像一部充满了爱的交响曲,致敬在这片热土上劳作、欢歌、编织生活、创造梦想的每一个天津人,期望他们都能用奋斗的人生,在生命中留下属于自己的永恒。

  《大美天津》里的天津故事,没有停留在城市历史与生命的表层,而是通过热忱、睿智、期盼、虔诚、平淡却又真实的讲述,纵横交错地把全片的灵魂,融入了天津,融入了天津的“大美”;彰显出一种满怀智慧的哲理,一种温文儒雅的风范。

  观众欣赏了《大美天津》,会引发浮想联翩的心曲,更想置身其中,使自身的热情和力量,重新回到生命中来。观众的心是需要感动的,一颗感动的心,往往会赋予他们许多美好的事物。

  不一样的年代,承接不一样的年华。凡是看过《大美天津》的观众,脸上都会洋溢出掩盖不住的幸福和微笑。

  作为大型航拍纪录片,《大美天津》达到了思想性、科学性与艺术性的完美统一。

  全片用难以拒绝的艺术冲击力,精准构建出时间浪花冲击下的天津形象,辉映出雕刻着岁月的时代梦想,把一座全新的“大美”天津,慷慨、洒脱地付与了屏幕前的观众。

  美,是世界上永不褪色的渴望;美,也会传播一个崭新的时代。

  经过现代价值观的过滤,《大美天津》用新时代天津的全景之美,丰富了这座滨海“双城”的历史与生命,从另一个层面,代表了一个有态度、有力量的当代中国;帮助观众生动、具象、深化地理解了“江山就是人民,人民就是江山”。

  自尊自爱的灵魂令人仰视。

  《大美天津》作为献给中国共产党的百年华诞的非凡厚礼,应属当之无愧。https://t.cn/A6f63f6e


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