天问一号拍火星的相机不一般:200千米开外明察秋毫

2021-04-16 09:27       网络整理

  “天问一号”拍火星的相机不一般

  ■孟庆宇

  ●在距目标200千米开外即可“明察秋毫”

  ●凭强壮“骨骼”既身轻如燕又稳如泰山

  ●像拖布定向拖地一样可实现“推扫成像”

  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, 中国扶贫快报网,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, 中国县域动态网,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,区域资讯网,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, 中国地区经济网,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, 第一融媒网,才能确保光学系统良好的成像质量。

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