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组图:1997年火星探路者的眼睛

http://www.sina.com.cn 2004年01月15日 15:57 新浪科技

图1 发射以前IMP的组装


图2 火星真正的颜色

   新浪特约科技顾问 秦笃烈

  97年火星登陆器探路者(PathFinder)首次从4亿公里以外的火星发回拍摄的移 动机器人考察车Sojourner探测岩石、探路者自身、火星地面景色、岩石、日出照片以及全景照片让全世界感到震惊。这次精神号登陆器拍摄的照片的分辨率比PathFinder高出3倍。这些照片拉近了地球居民和火星的视觉距离。不仅使得地球人开了眼界,而且对于火星大气、地貌和地质考察和研究具有重大科学价值。探路者和精神号所以能够拍摄这些照片是靠它们的眼睛—由每秒钟进行几亿次计算的数码照相机、配套装置和其他仪器构成的复杂的图像处理系统。

  一、1997年探路者登陆器的成像系统概述

  探路者火星登陆器成像系统(IMP)是立体彩色成像系统。由Arizona大学月球和行星实验室Peter Smith及其小组主持设计的。这个小组的成员来自德国Max Planck航空研究院的Martin Marietta航空航天研究组、德国Braunschweig大学以及丹麦Neils Bohr研究院。研制费用花费600万美元。由于发射和落地产生极其强烈的震动,精细的接线和插头不能松动和断裂,要经受火星露天工作的狂风,所以抗震要求非常高,在1995年的50倍重力的震动测试中,3个马达以及1个齿轮箱损坏。火星是灰尘严重的肮脏星球,为此研制了硅胶防尘装置。具有防霜冻、雾气和防腐蚀功能。IMP包括三个物理部件:

  (1)照相机头(两台相距15厘米的KSC-96FC-1065)

  包括立体光学装置、滤镜轮、CCD、机械装置和步进马达。滤镜轮的作用为提供多光谱功能。包括12个地质学滤镜(用于确定矿物的颜色,大气[蓝色滤镜],水蒸气,立体观察和大全景),波段范围从443纳米到1003纳米。滤镜放置在转轮中,转轮包含波段范围19-41纳米的8个阳光滤镜和1个宏滤镜;

  (2)带有电缆的可以伸展的杆;

  (3)插入登陆器内部集成的电子模块插槽的电子卡(CCD数据卡、电源/马达驱动卡以及接口卡)。

  图1展示发射以前的IMP组装。水平转动和升降动作靠不仅马达和齿轮系统网成。根据登陆器坐标水平方向提供+/-180。视野,垂直方向提供+83至-72。移 动范围。可以在登陆器表面以上升高0.86米(火星表面以上1.5米)。

  产生聚焦平面的CCD放置在两条光学通道的焦距上,和一个小的印刷线路板连接,由短的柔性电缆连接到前置放大器电路板。CCD是像素分辨率为23微米见方的前部光照帧传输阵列。图像分为两个正方形帧面,每一个构成立体视野(FOV)的一半,具有256X256激活单元。以256X512储存在升降杆下方。IMP的聚焦平面和电子结构几乎和采用512X512 CCD的Huygens下降探头成像分光辐射度计完全一样。立体成像器包括2个光学三件套件(有效焦距为23毫米,光圈为f/10-f/18,FOV为14.4度),间距150毫米(作立体观察)双折镜面,每一个光学通道上的12距滤镜以及一个将图像逐一置于CCD聚焦平面上的棱镜。每一个通道入口融入的硅窗口防止灰尘进入。像素瞬间视野为1毫弧度(=1/1000弧度)。此外,单像管全景用于升降杆移 动前后产生的垂直显示的成对立体图像,基线大约80厘米。火星地面图像的实质部分是由最多包含8个波段多光谱图像构成。

  IMP图像使我们对火星的景象大饱眼福(图2-6)。同时也具有科学考察价值。例如可以用于大气调查。气体中的悬浮微粒的不透明性通过2个窄波段滤镜定期对太阳成像测定。通过利用多个滤镜观察日出和日落以及晚上观察火卫一可以获得大气中灰尘颗粒的特征。通过相邻的连续光谱中的水蒸气吸收波段滤镜的太阳成像可以测量水蒸气含量。通过对周围地形若干个高度拍摄风暴的图像可以测量风速和风向。IMP图像也可以用于火星磁场特性研究。在登陆器附加的底板上放置了一组磁场强度不同的磁铁。从拍摄的风刮起的灰尘的图像可以测定磁颗粒的积累。这些积累的多光谱图像可以用于鉴别可能的磁性矿物构成。IMP也可以拍摄动画,图7展示漫游机器车旅居者(Sojourner)探测岩石过程的动画片断。

  IMP包含的另外一项仪器是X线α质谱仪(APXS),它是在俄罗斯94年和95年两次失败的火星探测携带的仪器,它由德国Max Planck研究院研制。其中的X像分光计由Chicago大学提供。这个仪器的重要作用是获得火星上广泛存在的灰尘的光谱,首次测定和分析了露出地面的岩层的岩石原始构成。能够识别和测定化学元素以及数量。也测定了火星地表材料中除了氢以外所有的化学元素。关于探路者火星考察获得的地质、大气、化学和磁特性的研究成果已经在Science杂志发表。图8为APXS传感器头。


图3 Sojouner在沙丘上行进


图 4探路者拍摄的火星日落大全景


图5 火星云彩的彩色照片


图6 日落过程的云彩


图7 Sojouner电影节段


图8 X线α质谱仪传感器头


  
 
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