解密火星星表物質的神秘偵探——火星多光譜相機_風聞

晴朗夜空，仰望璀璨星河，一晃而過的光點似“天問一號”正飛舞九天遨遊星際。透過繁星萬點，那顆閃亮的熒惑，早在幾分鐘前便深情凝望着我們，傳來陣陣秋波。

圖片來自@人民日報 微博

“天問一號”上的神秘偵探

2021年5月15日7時18分，我國第一個前往火星的星際遊子——我國第一顆火星探測衞星“天問一號”的着陸巡視器成功着陸於火星烏托邦平原南部預選着陸區，標誌着我國首次火星探測任務着陸火星取得圓滿成功。

“天問一號”由在軌環繞器和着陸巡視器兩大部分組成。在軌環繞器在近火點高度400公里，遠火點高度180000公里處長期環繞火星轉動，主要監測火星表面狀態，採集信息數據，用於研究火星磁場、大氣、重力場、水、淺層土壤、地質地貌；同時，起到信號中繼作用。着陸巡視器利用其搭載的巡視器（即可以移動的火星車“祝融”）對火星星表進行科學探測，“祝融”攜帶了六台科學儀器：多光譜相機、次表層雷達、成分探測儀、磁場探測器、氣象測量儀、地形相機。

“天問一號”探測器示意圖

來自中國科學院西安光學精密機械研究所的神秘偵探——火星多光譜相機，相較於“探月工程”的全景相機，其在實現對火星表面360°成像的基礎上，還具備識別火星上常見的各類鐵礦、鹽類礦物、粘土礦物的功能。主要開展包含火星形貌與地質構造特徵及其變化、火星表面土壤特徵與水冰分佈、火星表面物質組成三項任務在內的火星表面物質類型分佈研究，在其他科學儀器的協同作用下，揭開火星地表的神秘面紗。

多光譜相機實物圖

神秘偵探穿着一身金黃外衣，大小差不多是普通鞋盒的一半，安裝在巡視器的桅杆上，距離火星表面1.8米左右。

為了探測未知的火星環境，多光譜相機自誕生之日起，便煉就了火眼金睛的本領，即使在4億公里外無人照料的茫茫火星上，也可以看清距離自己1.5米到無窮遠範圍內的外星環境，辨別火星星表同一位置在多個不同光譜通道下的環境信息，揭開火星的面紗。

神秘偵探如何揭開火星面紗？

火星多光譜相機如何揭開火星星表的神秘面紗呢？我們首先需要知道物質的三個“特性”。

物質相對於光而言有三個特性，即反射、透過、吸收，通常利用相應的反射譜、透射譜或吸收譜來表徵物質的相應特性。當一束光入射到某種物質上時，存在“反射光+透過光+吸收光＝入射光”的關係。不同的物質對於同一譜段入射的光，這三個特性是不同的，有的吸收強，有的反射強，還有的透射強。相同的物質在不同的入射光譜中，這三個特性也是不同的。玻璃之所以透明，是因為其透過性強；我們之所以在鏡子中可以看到自己，是因為其反射性強；黑板之所以是黑色的，是因為其吸收性強。

物質的反射、透射、吸收示意圖

因為物質具有不同的特性，當陽光照在它們上面的時候，反射到我們眼睛的光波譜段及其強弱會各不相同，世界便呈現出了五顏六色。如果把人的眼睛換成相關的光譜測量設備（如光譜輻射度計），便可以獲得不同物質特有的反射譜了。

火星星表環境中的岩石、土壤等礦物質，如各類鐵礦、鹽類礦物、粘土礦物等，也具有這三個特性。通過對地球眾多岩石、土壤等礦物質的反射光譜進行分析，總結出不同物質在不同光譜通道下的反射譜信息，建立相應的岩石、土壤等物質的反射譜數據信息庫。將火星多光譜相機獲取的各通道下的圖像數據信息與已有的數據庫進行分析比對，從而鑑別火星星表的成分類型，確定火星表面物質類型分佈。

為了對抗複雜多變的火星環境，揭開神秘莫測的火星面紗，探究紛繁複雜的星表屬性，火星多光譜相機是如何煉就火眼金睛的呢？

神秘偵探如何煉成火眼金睛？

通常的相機主要由光學系統、探測器（CCD/CMOS）、電子學系統、封裝結構四大部分組成，和人的眼睛一樣，它可以看見世間萬物。不同之處在於，它的探測器和人眼的感光細胞，對光的感知能力不同，即光譜響應曲線不同。多光譜相機除具有與二者不同的響應曲線外，還具有其他特殊的功能。

相機結構示意圖

為了鍛造出一雙火眼金睛，科研人員為我們的神秘偵探特意設計了多光譜成像功能、自動調焦功能、星上定標功能三大技術。

多光譜相機成像示意圖

多光譜成像功能用來獲得火星表面可見光、近紅外波段的多光譜圖像。多光譜相機設置了8個窄帶濾光片和1個對太陽成像的全色濾光片組成的濾光元件機構。進入相機的複色光在透過不同的濾光窗口時，會轉變成相應光譜的光，實現460~1050nm 範圍內的8個光譜通道、1個太陽全色譜段通道的多個光譜通道的共焦面成像。

調焦即改變系統焦點前後的位置，使系統各種模式下的焦點都在焦平面位置。多光譜相機上設置了6個調焦補償鏡組成的自動調焦機構，可以對不同成像距離下的目標進行自動調焦，也可以通過地球指控中心送達的調節指令進行調焦。調焦功能通過調焦機構進行成像距離調整，使得同一台相機既能對近距離定標板清晰成像，又能對遠距離火星表面礦物進行高分辨率拍攝，實現1.5m到無窮遠範圍內清晰成像。

多光譜相機正樣在軌定標板實物圖

定標是指為了消除或減小儀器誤差，獲得精確的結果，而對有關參數進行精準定量測量的過程。多光譜相機配備有在軌定標板，在軌定標板由紅、綠、藍、黃礦物色卡，黑白灰標準板，拋光鋁板以及投影日晷構成。多光譜相機通過對放置在“祝融”上的定標板進行拍照，獲取在軌定標板相應圖像數據，實現在軌星上定標，以幫助多光譜相機準確判斷火星表面的礦物成分，獲取更加準確的科學觀測數據。

此外，為了避免火星上雜散光、空氣中懸浮顆粒、晝夜亮度變化、背景環境等因素對相機的影響，研究人員專門設計了自動/遙控調節曝光、消減雜散光措施、抗灰塵干擾等功能，以便獲取巡視區高分辨率多光譜圖像。

在“天問一號”對火星開展的後續探測中，多光譜相機將伴隨着“祝融”的腳步，通過獲取火星地表的多光譜圖像，在提供火星表面詳細的地質背景、物質組成以及表面紋理（surfacetexture）特徵等信息，完成火星表面物質類型分佈研究的同時，為“祝融”探測路線的規劃及其它科學載荷的探測目標最優化選取（如LIBS）提供指導。通過對多光譜相機及其他科學載荷獲取數據的綜合分析，有利於人類更加深入的瞭解火星表面的地質演化歷史，進一步揭開火星的神秘面紗。

從2020年12月3日“嫦娥五號”上升器實現我國首次地外天體起飛，到2020年12月17日“嫦娥五號”返回器成功降落在四子王旗，完成中國探月工程“繞落回”三步走計劃；從2021年2月10日“天問一號”探測器順利進入環火軌道，開展科學探測，到2021年5月15日“天問一號”着陸巡視器實現我國首次地外行星着陸，標誌着我國首次火星探測任務着陸火星取得圓滿成功。數年光陰，篳路藍縷，艱苦奮鬥，承載着華夏英雄兒女星月兼程的不屈鬥志；半載時光，往返月球，逐鹿“熒惑”，滿載着我國深空探測的累累碩果！

我們有理由相信，在未來，就像人類登上月球一樣，人類也會登上火星；就像人類建設地球一樣，人類也會建設火星。正如卡爾·薩根所説：“如果火星會被地球化，那麼完成這一壯舉的也是人類，火星將成為他們永久居住的另一顆行星。火星人就是我們自己。”

來源：中國科學院西安光學精密機械研究所