太空相機(jī)：與眾不同的成像方式

文/張雪松

▲“嫦娥四號(hào)”拍攝的首張?jiān)卤痴掌ㄎ唇?jīng)色彩校正）

▲“嫦娥四號(hào)”月背軟著陸后降落相機(jī)拍攝的圖像（經(jīng)過(guò)色彩校正）

1月3日，我國(guó)嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功登陸月球背面，隨后拍下了玉兔二號(hào)月球車的第一張照片，但細(xì)心的讀者發(fā)現(xiàn)，照片上月球的顏色偏紅，感覺(jué)不正常。1月14日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器總設(shè)計(jì)師孫澤洲表示，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒(méi)有進(jìn)行色彩校正導(dǎo)致的。那么，航天器的相機(jī)和人們?nèi)粘Ｊ褂玫臄?shù)碼相機(jī)、手機(jī)攝像頭到底有什么區(qū)別，為什么需要專門校色？

空間相機(jī)大有不同

手機(jī)攝像頭是一種專用數(shù)碼相機(jī)，隨著智能手機(jī)的普及，人們對(duì)攝影都習(xí)以為常。很多讀者認(rèn)為，既然同樣是相機(jī)，空間使用的相機(jī)和人們?nèi)粘Ｓ玫南鄼C(jī)不都是一樣么？

光學(xué)相機(jī)的原理的確大同小異，但具體設(shè)計(jì)卻大有不同，空間相機(jī)由于所處環(huán)境不同，設(shè)計(jì)重點(diǎn)和人們常見的數(shù)碼相機(jī)有不小的差異。

人們?nèi)粘Ｊ褂玫南鄼C(jī)一般都會(huì)自動(dòng)進(jìn)行白平衡調(diào)節(jié)，假設(shè)拍攝的場(chǎng)景整體為中性灰，然后校正照片顏色，這種方法在地面上很少出現(xiàn)太明顯的問(wèn)題，但在太空中就不一樣了。由于太空和地面不同的光照強(qiáng)度、目標(biāo)反射特征和物質(zhì)成分，自動(dòng)白平衡并不好用。

“嫦娥四號(hào)”的第一張照片使用的是監(jiān)視相機(jī)拍攝，而這種相機(jī)服務(wù)于“玉兔二號(hào)”的轉(zhuǎn)移釋放，照片首先用于判斷釋放機(jī)構(gòu)和月球車是否正常，因此，第一張照片并沒(méi)有進(jìn)行色彩校正導(dǎo)致嚴(yán)重偏紅。相反，人們常用的數(shù)碼相機(jī)很難遇到這么嚴(yán)重的偏色問(wèn)題。

為解決太空環(huán)境下的色彩校正問(wèn)題，“嫦娥四號(hào)”在地面對(duì)相機(jī)進(jìn)行了色彩校正，使調(diào)整校色后的照片更接近拍攝目標(biāo)的真實(shí)色彩。不過(guò)，更有效的做法是攜帶色標(biāo)板獲取彩色校正系數(shù)，拍攝時(shí)根據(jù)色標(biāo)板的顏色修正，從而得到目標(biāo)的真實(shí)色彩。因此，空間相機(jī)色彩校正一直是相機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，這是太空和地面環(huán)境不同的必然結(jié)果。

另外，在太空冷熱、真空和輻射等多方面的苛刻環(huán)境下，除相機(jī)顏色問(wèn)題之外的其他方面也要付出很多代價(jià)，例如溫控系統(tǒng)。人們?cè)诘孛媸褂檬謾C(jī)拍照時(shí)，極寒情況下有時(shí)相機(jī)甚至整個(gè)手機(jī)都無(wú)法正常使用，而在太空溫度變化劇烈的情況下，溫控就成了必須考慮的重中之重。

▲衛(wèi)星上安裝的照相機(jī)有著獨(dú)特的成像方式.

可見光空間相機(jī)一般要求1度以內(nèi)的溫控精度，紅外波段的相機(jī)更是要工作在超低溫環(huán)境下，要么用遮陽(yáng)罩，要么安裝主動(dòng)冷卻裝置，也可以兩者兼有之。

獨(dú)特的成像方式

色彩校正只是空間相機(jī)和地面相機(jī)差異的常見例子，由于環(huán)境和用途不同，空間相機(jī)還存在很多其他的區(qū)別，甚至連成像方式都截然不同。

人們常用的數(shù)碼相機(jī)一般采用面陣CCD或CMOS做感光元件，拍照時(shí)“咔嚓”一聲照片就出來(lái)了，但安裝在航天器上的相機(jī)可沒(méi)這么輕松，它們攜帶的相機(jī)通常使用線陣CCD實(shí)現(xiàn)在軌成像。線陣遙感CCD成像時(shí)，拍攝目標(biāo)在垂直于CCD線陣方向上，并且要處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這和人們手機(jī)拍照時(shí)需要保持相對(duì)靜止的要求恰恰相反。

那么，為啥要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)呢？數(shù)碼相機(jī)里的面陣CCD可以直接獲取二維照片，而線陣CCD相機(jī)獲取的是一行信息，通過(guò)逐行連續(xù)掃描才能生成一張照片，要是不動(dòng)就只能掃出來(lái)一行，而不是一張照片了。

雖然，線陣CCD相機(jī)無(wú)法直接成像，但也有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：一方面是價(jià)格低分辨率高，另一方面是精度高視野寬廣。線陣CCD掃描方式在人們?nèi)粘Ｉ钪幸埠艹Ｒ姡瑨呙鑳x通常就使用線陣CCD。遙感衛(wèi)星相對(duì)于地面高速運(yùn)動(dòng)，推掃式相機(jī)隨著衛(wèi)星飛行，無(wú)需來(lái)回掃描即可在軌成像。

線陣CCD相機(jī)是高分辨率對(duì)地遙感的主要傳感器，例如，法國(guó)的SPOT5衛(wèi)星和Pleiades衛(wèi)星等都使用了線陣推掃式相機(jī)。

當(dāng)然，線陣CCD并非空間相機(jī)的全部，隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，原本價(jià)格昂貴的面陣CCD也便宜起來(lái)。另外，使用CMOS作為感光元件的相機(jī)也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。以美國(guó)GOES為代表的氣象衛(wèi)星已經(jīng)開始使用面陣CCD相機(jī)進(jìn)行對(duì)地成像。

更輕的新概念空間相機(jī)

目前，包括各種衛(wèi)星、探測(cè)器使用的空間相機(jī)和人們?cè)诘孛媸褂玫臄?shù)碼相機(jī)有不小的區(qū)別，未來(lái)新概念空間相機(jī)和人們使用的數(shù)碼相機(jī)和手機(jī)攝像或“大炮筒”，其技術(shù)原理相差就更大了。

根據(jù)分辨率極限公式，傳統(tǒng)光學(xué)相機(jī)的分辨率指標(biāo)和鏡頭口徑直接相關(guān)，火箭運(yùn)載能力和整流罩體積就那么大，如果要將大型偵察衛(wèi)星發(fā)射到太空，會(huì)受到很大限制。因此，科研人員們正在為空間相機(jī)研制新概念技術(shù)，目的是徹底改變現(xiàn)有空間相機(jī)的面貌。

目前，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局正在資助軍工企業(yè)研制薄膜型光學(xué)即時(shí)成像器（MOIRE）技術(shù)，它使用衍射而不是折射成像，這種技術(shù)使用可折疊輕薄的衍射薄膜，其厚度和家用保鮮膜相當(dāng)。如果未來(lái)航天器應(yīng)用先進(jìn)的MOIRE 技術(shù)，攜帶20米口徑相機(jī)的偵察衛(wèi)星，其重量可以減至5 噸左右。

另外，美國(guó)美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局還在資助洛克希德·馬丁公司研制分段平面成像探測(cè)式光電偵察系統(tǒng)（SPIDER）。這種相機(jī)從光學(xué)透鏡的堆疊技術(shù)發(fā)展為革命性的微型光學(xué)透鏡陣列，它和傳統(tǒng)的折射或反射式望遠(yuǎn)鏡不同，使用的是干涉測(cè)量法成像，也可以理解為光學(xué)領(lǐng)域的相控陣技術(shù)。SPIDER技術(shù)可以極大地降低空間相機(jī)的體積和重量，相比同等成像質(zhì)量的傳統(tǒng)光學(xué)相機(jī)，應(yīng)用SPIDER 技術(shù)后相機(jī)體積僅為原來(lái)的幾十分之一。