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                            时间:2021-04-16 10:56:03 :权健功臣:进球配合早就练过所有人付出才能晋级 | 浏览量:60431

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                              “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,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)

                              版式设计:梁 晨

                            【编辑:张楷欣】
                              新冠肺炎疫情肆虐之际,原本就已受到互联网科技冲击的银行线下网点,愈加“门前冷落鞍马稀“。记者认识的一名银行柜员小陈,也将转岗到营销岗位。

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                              国务院联防联控机制3月9日举行新闻发布会。民政部基层政权建设和社区治理司司长陈越良表示,坚决制止形式主义、官僚主义给基层增加负担问题。他介绍,此前下发的通知明确要求坚决制止多头重复向基层派任务、要表格,除党中央、国务院已有明确要求的之外,原则上不得向社区摊派工作任务。除社区疫情防控需要出具的居民居住证明和居家医学观察期满证明外,不得以疫情防控为由要求城乡社区组织出具其他证明。(彭婧如)

                              3月3日,甘肃省人社厅解读《2020年支持未就业高校毕业生到企业就业项目实施方案》(以下简称《实施方案》)。

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