火星探測可見光遙感相機的發展現狀與趨勢

王 維，董吉洪，孟慶宇

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

火星是太陽系中離地球最近的一顆行星，其軌道、體積、密度等重要參數都與地球非常相像［1］。很多人都相信火星上曾經存在過生命，而人類也寄希望于將來能夠將火星建造成為第二個地球。另一方面，通過對火星氣候特征和地質特征的研究，也有助于了解地球氣候的形成與地質結構的變化。因此，火星探測成為各國深空探測的主要目標。自1960年起，世界各國已先后實施了40多次火星探測。然而，在2000以前，受技術能力所限，大部分任務均以失敗告終，但少數成功的探測任務確使人類對火星的認識取得了重要的突破。1971年5月，美國發射了“水手9”號火星探測器，成為第一顆人造火星衛星，其上攜帶的光學遙感相機對火星表面進行了拍照，共計向地球傳回了7 000余張照片。1997年，美國的“火星探路者”號成功登陸火星，并首次實現了火星表面行走，獲得了大量的圖像數據和化學分析數據［2］。其他成功的項目還有“水手 4”號、“海盜1”號、“海盜2”號、“火星全球勘探者”號等。

21 世紀以來，隨著技術手段的逐步提高，火星探測任務的成功率有了顯著提高，火星探測的公眾影響力也逐步擴大。這期間，美國共發射了“勇氣”號、“機遇”號、“鳳凰”號、“好奇”號等多個火星登陸器，以及“奧德賽”號、“火星勘測軌道飛行器”號等多個軌道探測器。歐空局也在2003年發射了“火星快車”號軌道探測器。這些探測器詳細測定了火星大氣層的成分和分布，為人類繪制了火星表面磁場、地形、地貌特征和巖石礦物的詳細分布圖，發現了火星可能含有地下水的重要證據，使得人類對火星的認識達到了前所未有的高度。

可見光遙感觀測在火星探測任務中是最基礎也是最重要的手段。目前已發射的絕大部分軌道探測器上都搭載了可見光遙感載荷，因可見光遙感觀測可以獲得火星表面最直觀的圖像數據，這對于了解火星的地形地貌特征具有重要意義。此外，可見光遙感觀測還可為火星登陸器尋找并確認最佳著陸地點，為火星巡視器規劃巡視路徑。

鑒于可見光遙感相機在火星探測領域的重要價值，本文綜述了近20年來國際上具有代表性的火星探測遙感相機的發展情況，重點介紹了其科學應用目標與主要技術指標，總結了火星可見光遙感的發展趨勢。結合對不同目標觀測分辨率需求的分析，為我國今后開展火星可見光遙感觀測提供了指標選擇和設計的依據。

2 火星探測遙感相機

2.1 火星觀測相機(MOC)

MOC相機搭載在1996年美國發射的“火星全球勘探者”號火星探測器上，由一臺窄視場相機和兩臺紅、藍譜段寬視角相機組成，如圖1所示［3］。兩臺寬視角相機采用大視場角(±70°)的透射式光學系統，完成對火星表面的全覆蓋成像，其中的窄視場相機采用了R-C反射式光學系統，分辨率達到1.4 m，刈幅寬度約3 km。其科學目標主要針對火星的氣候和地理科學研究，包括火星兩極沉積物、極地冰蓋、溝渠地貌的特性、形成與演化過程，火星大氣與地表的相互影響，以及火星的火山和峽谷等(相機的主要技術指標見表1)。

圖1 MOC相機Fig.1 Mars Observer Camera(MOC)

2.2 高分辨率立體相機(HRSC)

2003年歐空局發射的火星快車號(Mars Express)上攜帶了一臺HRSC相機，由立體彩色掃描儀(Stereo Colour Scanner，SCS)和超分辨率通道(Super Resolution Channel，SRC)組成，如圖 2所示［4］。

圖2 HRSC相機Fig.2 High Resolution Stereo Camera(HRSC)

HRSC相機的主要科學目標包括火山、大氣、水等地質作用對火星地質演化的影響，尋找火星上的潛在資源，以及觀測火星衛星一號和火星衛星二號等［5］。主要任務是對火星進行不同分辨率的全球遙感覆蓋，立體彩色掃描儀以100 m/pixel分辨率覆蓋全部火星表面，以10 m/pixel分辨率覆蓋50%火星表面。超分辨率通道采用折反射式光學系統，最高分辨率可達2.3 m/pixel，在軌期間至少能夠覆蓋1%的火星表面，并觀測火星衛星［4］(相機主要技術指標見表1)。

2.3 高分辨率科學成像試驗相機(HiRISE)

2005年NASA發射了“火星勘測軌道飛行器”號，上面搭載了一臺高分辨率科學成像實驗相機HiRISE，如圖3所示［6］。該相機的主要任務目標是尋找火星上是否存在水源的證據，同時收集火星的大氣與地理特征。并為后續的計劃任務評估合適的著陸地點，確保可以持續進行更多的科學研究，以降低著陸風險［6］。HiRISE相機采用同軸三反消像散光學系統，最高分辨率可達0.25 m/pixel，是目前國際上分辨率最高的火星遙感相機。HiRISE相機同時還具備立體成像功能［7］。

圖3 HiRISE相機Fig.3 HiRISE Camera

除HiRISE外，MRO上還搭載了一臺背景成像儀(CTX)，用于為HiRISE拍攝背景圖像。CTX采用了折反射式光學系統，地面刈幅寬度可達30 km(300 km軌道高度)。HiRISE相機和CTX相機的主要技術指標列在表1中［8］。

表1 國外火星探測高分相機技術參數比較Tab.1 Parameters comparison of high resolution camera for mars exploration

3 火星遙感相機的發展趨勢

3.1 開展亞米級分辨率精細觀測

圖4給出了不同分辨率觀測圖像對火星表面的覆蓋情況［5］。從圖中可以看出，近20年來，隨著大口徑主鏡支撐［9-10］、遙感器熱控［11］、星上圖像處理［12-15］等光學遙感器關鍵技術水平的逐步提高，人類已經有能力以較高的分辨率(10 m以下)觀測火星。火星可見光成像遙感的熱點也由早期的中等分辨率(百米量級)全球遙感逐漸發展到對局部區域的高分辨率精細觀測。

目前，火星快車號已經完成了對100%火星表面的100 m分辨率觀測和50%火星表面的10 m分辨率觀測。根據這些數據，已經能夠繪制較為詳細的火星地圖。對于10 m以下的高分辨率觀測，目前國際上各個項目總的覆蓋率也不超過1%。因此，開展小范圍精細觀測，尤其是1 m以下的高分辨率觀測，是未來火星遙感觀測的主要發展趨勢。通過亞米級分辨率成像可以得到火星表面巖石及地貌特征的精確數據，是判斷火星地質演化過程的重要依據。然而，受體量和數據率等技術條件的限制，目前僅有美國的HiRISE相機達到了1 m以下的分辨率水平。因此，亞米級分辨率精細觀測也是未來尋求火星探測重大科學發現的突破口。

圖4 不同分辨率觀測對火星表面的覆蓋比例Fig.4 Martian surface coverage percentage of different spatial resolutions

3.2 注重可見光觀測與近紅外譜段觀測結合

工作譜段是遙感相機的重要參數之一。工作譜段選擇的合適，可以得到信噪比更高、更能反映物體實際情況的圖像。上述幾個相機工作譜段的紅端都至少達到了900～1 000 nm，覆蓋了近紅外譜段。從目前已掌握資料分析，鐵輝石是在火星被探測到的分布最廣泛的礦物質，其次還有層狀硅酸鹽、硫酸鹽、橄欖石等礦物質。從這些典型礦物的光譜特性(圖5)來看［16］，礦物成分主要的高反射率區間基本集中在500～800 nm譜段，而在近紅外譜段的反射率差異較為明顯。因此，將近紅外譜段成像與可見光成像相結合，對于區分不同的地表成分、判讀不同地層有著重要意義。

圖5 三價鐵鹽、硫酸鹽、頁硅酸鹽、火成巖的反射譜特征Fig.5 Reflection spectral of ferric secondary minerals，sulfate minerals，phyllosilicate minerals， and primary igneous minerals

3.3 開展火星表面高分辨率三維立體成像

地形地貌特征是火星高分辨率遙感觀測的主要目標。而大部分地質學特征，如火山、沖溝、隕石坑等等，在空間中均呈三維分布。對于這些目標，僅通過二維圖像，難以得到垂直方向特征的精確數據。因此，近些年國外的火星遙感相機都具備了三維立體成像功能。HRSC的立體成像功能是通過多線陣CCD探測器實現的［5］，而HiRISE焦面的全色通道則是單線陣的，必須通過平臺姿態的調整實現三維立體成像［7］。

4 不同科學應用目標對遙感觀測分辨率的需求探討

分辨率是光學遙感器最為重要的技術指標，本節從科學和應用的角度出發，探討不同觀測目標對遙感探測分辨率的需求。

4.1 火星表面巖石的精細觀測

巖石是火星地質構造的基本單元，對巖石的觀測是研究火星地質構造及其演化的重要手段。通過對巖石成分、體積和形狀的探測，可以了解巖石的成因，推測相應發生的地質作用。例如，風蝕作用形成的巖石一般棱角突出，河流沉積作用形成的巖石往往磨圓度較好。因此，通過可見光遙感，不僅需要能夠發現和識別這些巖石，還需要對其形狀進行判別。

根據以往分析和判讀的經驗，一般來說，如果要識別一個物體，至少應將其成像在3×3的9個像元上;如果要準確地給出物體的形狀，那么物體在單個方向上至少要占據5～10個像元。以往的火星探測數據表明，火星表面散布的巖石大小一般在1～5 m量級。因此，對火星表面巖石的精細觀測需要遙感相機達到0.1～0.2 m的分辨率。目前國際上分辨率最高的是美國的HiRISE相機，其在近火點的分辨率可達到0.25 m，能夠精確判定2 m左右大小的巖石形狀，已經非常接近科學觀測的最高要求。因此，可以相信，隨著運載能力和數據傳輸能力的提高，在未來實現0.1 m超高分辨率對火觀測是完全有可能的。

4.2 隕石坑

隕石坑是火星表面分布最廣泛、也是最重要的地貌特征之一。目前主要的研究熱點集中在直徑1 km以下的小型隕石坑［17］。然而，小型隕石坑比較容易被沙礫所掩蓋，或在風蝕作用中被磨平;另外，小型隕石坑往往難以區分是初級隕石坑還是次級隕石坑。因此，必須通過分辨率較高的遙感觀測，才能對小型隕石坑做出準確的判斷。根據SRC相機的圖片來看，2 m左右的分辨率已經可以完成發現、識別小型隕石坑，并能區分初級隕石坑和次級隕石坑［4］。然而事實上，根據“機遇”號的觀測，火星表面上的撞擊坑最小甚至可以達到0.1 m［7］。通過軌道器上的可見光遙感載荷，幾乎不可能發現如此之小的目標。因此，對于撞擊坑的研究，難以給出明確的分辨率要求。但可以肯定的是，分辨率越高，發現和辨別的能力也會更強，統計就會越精確。

4.3 風成地貌

風的地質作用在火星非兩極區域廣泛存在，是在現階段火星表面最為活躍的地質作用。風蝕作用主要發生在距離火星表面0.3 m高度以下，因此，其形成的某些地貌特征在高度方向不夠明顯，在分辨率較低的觀測中就容易被忽視。圖6是MOC窄視場相機拍攝的火山口附近圖像。圖像中，火山口周圍區域地表較為平整，很容易推斷出這是由于巖漿大面積流淌造成的。但是，根據“機遇”號巡視器的近距離觀測，這一區域的表面存在著大量的風蝕作用痕跡，而這些痕跡在MOC相機拍攝的圖像中由于分辨率原因并沒有清晰的體現，因而得出了錯誤的結論［7］。事實上，風蝕作用形成的地貌，其特征尺度大小不一。根據HiRISE相機的圖片來看，火星表面存在著尺度在1 m左右的風蝕谷和雅丹地貌［17］。為了能夠發現和識別這些尺度較小的地貌特征，遙感相機的分辨率至少應該在0.3～0.5 m。而沙丘、沙堆等風積地貌的尺度相對較大，往往在10 m量級，對其坡度、高度等參數的測量需要遙感相機的分辨率在2 m左右即可。

圖6 MOC窄視場相機拍攝的火山口附近的圖像Fig.6 Image of the nearby region of a volcano crater，taken by MOC narrow-angle camera

4.4 火星著陸器的著陸點選擇與巡視路徑規劃

火星著陸器的移動能力往往十分有限，所以著陸點的選擇就顯得尤為重要。除了要考慮科學探測的因素外，安全因素也是不可忽視的?；鹦潜砻鎻V泛分布著直徑1～5 m的巖石，如果著陸器直接降落在巖石上會造成嚴重的損壞，即使沒有直接落到巖石上，如果著陸器落到一個充滿障礙的地區，也將極大限制火星巡視車的巡視范圍和巡視效率。因此，通過可見光遙感相機對目標降落區域進行高分辨率成像，規劃并確認最佳著陸點，是避免這一問題的有效手段。圖7為HiRISE拍攝的不同地形區域圖像(像元分辨率約0.3 m)，(a)圖中可以清楚地發現眾多1～5 m大小的巨礫，很顯然這個地區不能作為著陸點，不但著陸風險高而且寸步難行;而(b)圖則好得多，是著陸點的較好選擇［6］。鑒于以上分析，光學遙感器必須能夠在低軌發現1m量級以上的粗礫級的巖石，其地面像元分辨率應在0.3～0.5 m，以便為火星著陸器著陸點的選擇和巡視器巡視路徑的規劃提供可靠的指導依據。

圖7 HiRISE拍攝不同地形區域Fig.7 Different morphologic regions taken by HiRISE camera

綜合以上4個小節的內容不難看出，當前火星研究中的大部分熱點問題都需要光學遙感器的像元分辨率達1 m以下。因此，在未來，開展對火星表面的亞米級分辨率精細觀測，是科學研究的迫切需求，也是火星光學遙感器的主要發展方向。

5 結束語

可見光遙感觀測可以獲得火星表面地形地貌特征的直觀圖像數據，并可以為火星著陸器尋找和確認最佳著陸點，是火星探測的重要手段之一。本文簡要介紹了美國的MOC、HiRISE，以及歐空局的HRSC等幾個火星遙感相機的發展概況，并探討了火星表面巖石、隕石坑、風成地貌、著陸點精細觀測等科學應用目標對成像分辨率的需求。通過對國外情況的調研和對科學應用需求的分析，指出開展1 m以下分辨率精細觀測是今后火星遙感探測的主要發展趨勢，同時遙感器也應具備近紅外成像和三維立體成像功能，為我國今后開展火星可見光遙感觀測提供了指標選擇和設計的依據。

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