王 維，董吉洪，孟慶宇

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)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(shù)都與地球非常相像［1］。很多人都相信火星上曾經(jīng)存在過生命，而人類也寄希望于將來能夠?qū)⒒鹦墙ㄔ斐蔀榈诙€(gè)地球。另一方面，通過對(duì)火星氣候特征和地質(zhì)特征的研究，也有助于了解地球氣候的形成與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化。因此，火星探測(cè)成為各國(guó)深空探測(cè)的主要目標(biāo)。自1960年起，世界各國(guó)已先后實(shí)施了40多次火星探測(cè)。然而，在2000以前，受技術(shù)能力所限，大部分任務(wù)均以失敗告終，但少數(shù)成功的探測(cè)任務(wù)確使人類對(duì)火星的認(rèn)識(shí)取得了重要的突破。1971年5月，美國(guó)發(fā)射了“水手9”號(hào)火星探測(cè)器，成為第一顆人造火星衛(wèi)星，其上攜帶的光學(xué)遙感相機(jī)對(duì)火星表面進(jìn)行了拍照，共計(jì)向地球傳回了7 000余張照片。1997年，美國(guó)的“火星探路者”號(hào)成功登陸火星，并首次實(shí)現(xiàn)了火星表面行走，獲得了大量的圖像數(shù)據(jù)和化學(xué)分析數(shù)據(jù)［2］。其他成功的項(xiàng)目還有“水手 4”號(hào)、“海盜1”號(hào)、“海盜2”號(hào)、“火星全球勘探者”號(hào)等。

21 世紀(jì)以來，隨著技術(shù)手段的逐步提高，火星探測(cè)任務(wù)的成功率有了顯著提高，火星探測(cè)的公眾影響力也逐步擴(kuò)大。這期間，美國(guó)共發(fā)射了“勇氣”號(hào)、“機(jī)遇”號(hào)、“鳳凰”號(hào)、“好奇”號(hào)等多個(gè)火星登陸器，以及“奧德賽”號(hào)、“火星勘測(cè)軌道飛行器”號(hào)等多個(gè)軌道探測(cè)器。歐空局也在2003年發(fā)射了“火星快車”號(hào)軌道探測(cè)器。這些探測(cè)器詳細(xì)測(cè)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(chǎng)、地形、地貌特征和巖石礦物的詳細(xì)分布圖，發(fā)現(xiàn)了火星可能含有地下水的重要證據(jù)，使得人類對(duì)火星的認(rèn)識(shí)達(dá)到了前所未有的高度。

可見光遙感觀測(cè)在火星探測(cè)任務(wù)中是最基礎(chǔ)也是最重要的手段。目前已發(fā)射的絕大部分軌道探測(cè)器上都搭載了可見光遙感載荷，因可見光遙感觀測(cè)可以獲得火星表面最直觀的圖像數(shù)據(jù)，這對(duì)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(cè)還可為火星登陸器尋找并確認(rèn)最佳著陸地點(diǎn)，為火星巡視器規(guī)劃巡視路徑。

鑒于可見光遙感相機(jī)在火星探測(cè)領(lǐng)域的重要價(jià)值，本文綜述了近20年來國(guó)際上具有代表性的火星探測(cè)遙感相機(jī)的發(fā)展情況，重點(diǎn)介紹了其科學(xué)應(yīng)用目標(biāo)與主要技術(shù)指標(biāo)，總結(jié)了火星可見光遙感的發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合對(duì)不同目標(biāo)觀測(cè)分辨率需求的分析，為我國(guó)今后開展火星可見光遙感觀測(cè)提供了指標(biāo)選擇和設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2 火星探測(cè)遙感相機(jī)

2.1 火星觀測(cè)相機(jī)(MOC)

MOC相機(jī)搭載在1996年美國(guó)發(fā)射的“火星全球勘探者”號(hào)火星探測(cè)器上，由一臺(tái)窄視場(chǎng)相機(jī)和兩臺(tái)紅、藍(lán)譜段寬視角相機(jī)組成，如圖1所示［3］。兩臺(tái)寬視角相機(jī)采用大視場(chǎng)角(±70°)的透射式光學(xué)系統(tǒng)，完成對(duì)火星表面的全覆蓋成像，其中的窄視場(chǎng)相機(jī)采用了R-C反射式光學(xué)系統(tǒng)，分辨率達(dá)到1.4 m，刈幅寬度約3 km。其科學(xué)目標(biāo)主要針對(duì)火星的氣候和地理科學(xué)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(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)見表1)。

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

2.2 高分辨率立體相機(jī)(HRSC)

2003年歐空局發(fā)射的火星快車號(hào)(Mars Express)上攜帶了一臺(tái)HRSC相機(jī)，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(jī)Fig.2 High Resolution Stereo Camera(HRSC)

HRSC相機(jī)的主要科學(xué)目標(biāo)包括火山、大氣、水等地質(zhì)作用對(duì)火星地質(zhì)演化的影響，尋找火星上的潛在資源，以及觀測(cè)火星衛(wèi)星一號(hào)和火星衛(wèi)星二號(hào)等［5］。主要任務(wù)是對(duì)火星進(jìn)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(xué)系統(tǒng)，最高分辨率可達(dá)2.3 m/pixel，在軌期間至少能夠覆蓋1%的火星表面，并觀測(cè)火星衛(wèi)星［4］(相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)見表1)。

2.3 高分辨率科學(xué)成像試驗(yàn)相機(jī)(HiRISE)

2005年NASA發(fā)射了“火星勘測(cè)軌道飛行器”號(hào)，上面搭載了一臺(tái)高分辨率科學(xué)成像實(shí)驗(yàn)相機(jī)HiRISE，如圖3所示［6］。該相機(jī)的主要任務(wù)目標(biāo)是尋找火星上是否存在水源的證據(jù)，同時(shí)收集火星的大氣與地理特征。并為后續(xù)的計(jì)劃任務(wù)評(píng)估合適的著陸地點(diǎn)，確保可以持續(xù)進(jìn)行更多的科學(xué)研究，以降低著陸風(fēng)險(xiǎn)［6］。HiRISE相機(jī)采用同軸三反消像散光學(xué)系統(tǒng)，最高分辨率可達(dá)0.25 m/pixel，是目前國(guó)際上分辨率最高的火星遙感相機(jī)。HiRISE相機(jī)同時(shí)還具備立體成像功能［7］。

圖3 HiRISE相機(jī)Fig.3 HiRISE Camera

除HiRISE外，MRO上還搭載了一臺(tái)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(xué)系統(tǒng)，地面刈幅寬度可達(dá)30 km(300 km軌道高度)。HiRISE相機(jī)和CTX相機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)列在表1中［8］。

表1 國(guó)外火星探測(cè)高分相機(jī)技術(shù)參數(shù)比較Tab.1 Parameters comparison of high resolution camera for mars exploration

3 火星遙感相機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 開展亞米級(jí)分辨率精細(xì)觀測(cè)

圖4給出了不同分辨率觀測(cè)圖像對(duì)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(xué)遙感器關(guān)鍵技術(shù)水平的逐步提高，人類已經(jīng)有能力以較高的分辨率(10 m以下)觀測(cè)火星?；鹦强梢姽獬上襁b感的熱點(diǎn)也由早期的中等分辨率(百米量級(jí))全球遙感逐漸發(fā)展到對(duì)局部區(qū)域的高分辨率精細(xì)觀測(cè)。

目前，火星快車號(hào)已經(jīng)完成了對(duì)100%火星表面的100 m分辨率觀測(cè)和50%火星表面的10 m分辨率觀測(cè)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，已經(jīng)能夠繪制較為詳細(xì)的火星地圖。對(duì)于10 m以下的高分辨率觀測(cè)，目前國(guó)際上各個(gè)項(xiàng)目總的覆蓋率也不超過1%。因此，開展小范圍精細(xì)觀測(cè)，尤其是1 m以下的高分辨率觀測(cè)，是未來火星遙感觀測(cè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。通過亞米級(jí)分辨率成像可以得到火星表面巖石及地貌特征的精確數(shù)據(jù)，是判斷火星地質(zhì)演化過程的重要依據(jù)。然而，受體量和數(shù)據(jù)率等技術(shù)條件的限制，目前僅有美國(guó)的HiRISE相機(jī)達(dá)到了1 m以下的分辨率水平。因此，亞米級(jí)分辨率精細(xì)觀測(cè)也是未來尋求火星探測(cè)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的突破口。

圖4 不同分辨率觀測(cè)對(duì)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(cè)與近紅外譜段觀測(cè)結(jié)合

工作譜段是遙感相機(jī)的重要參數(shù)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(shí)際情況的圖像。上述幾個(gè)相機(jī)工作譜段的紅端都至少達(dá)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(cè)到的分布最廣泛的礦物質(zhì)，其次還有層狀硅酸鹽、硫酸鹽、橄欖石等礦物質(zhì)。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(qū)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(jié)合，對(duì)于區(qū)分不同的地表成分、判讀不同地層有著重要意義。

圖5 三價(jià)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(cè)的主要目標(biāo)。而大部分地質(zhì)學(xué)特征，如火山、沖溝、隕石坑等等，在空間中均呈三維分布。對(duì)于這些目標(biāo)，僅通過二維圖像，難以得到垂直方向特征的精確數(shù)據(jù)。因此，近些年國(guó)外的火星遙感相機(jī)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(cè)器實(shí)現(xiàn)的［5］，而HiRISE焦面的全色通道則是單線陣的，必須通過平臺(tái)姿態(tài)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)三維立體成像［7］。

4 不同科學(xué)應(yīng)用目標(biāo)對(duì)遙感觀測(cè)分辨率的需求探討

分辨率是光學(xué)遙感器最為重要的技術(shù)指標(biāo)，本節(jié)從科學(xué)和應(yīng)用的角度出發(fā)，探討不同觀測(cè)目標(biāo)對(duì)遙感探測(cè)分辨率的需求。

4.1 火星表面巖石的精細(xì)觀測(cè)

巖石是火星地質(zhì)構(gòu)造的基本單元，對(duì)巖石的觀測(cè)是研究火星地質(zhì)構(gòu)造及其演化的重要手段。通過對(duì)巖石成分、體積和形狀的探測(cè)，可以了解巖石的成因，推測(cè)相應(yīng)發(fā)生的地質(zhì)作用。例如，風(fēng)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(fā)現(xiàn)和識(shí)別這些巖石，還需要對(duì)其形狀進(jìn)行判別。

根據(jù)以往分析和判讀的經(jīng)驗(yàn)，一般來說，如果要識(shí)別一個(gè)物體，至少應(yīng)將其成像在3×3的9個(gè)像元上;如果要準(zhǔn)確地給出物體的形狀，那么物體在單個(gè)方向上至少要占據(jù)5～10個(gè)像元。以往的火星探測(cè)數(shù)據(jù)表明，火星表面散布的巖石大小一般在1～5 m量級(jí)。因此，對(duì)火星表面巖石的精細(xì)觀測(cè)需要遙感相機(jī)達(dá)到0.1～0.2 m的分辨率。目前國(guó)際上分辨率最高的是美國(guó)的HiRISE相機(jī)，其在近火點(diǎn)的分辨率可達(dá)到0.25 m，能夠精確判定2 m左右大小的巖石形狀，已經(jīng)非常接近科學(xué)觀測(cè)的最高要求。因此，可以相信，隨著運(yùn)載能力和數(shù)據(jù)傳輸能力的提高，在未來實(shí)現(xiàn)0.1 m超高分辨率對(duì)火觀測(cè)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(diǎn)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(fēng)蝕作用中被磨平;另外，小型隕石坑往往難以區(qū)分是初級(jí)隕石坑還是次級(jí)隕石坑。因此，必須通過分辨率較高的遙感觀測(cè)，才能對(duì)小型隕石坑做出準(zhǔn)確的判斷。根據(jù)SRC相機(jī)的圖片來看，2 m左右的分辨率已經(jīng)可以完成發(fā)現(xiàn)、識(shí)別小型隕石坑，并能區(qū)分初級(jí)隕石坑和次級(jí)隕石坑［4］。然而事實(shí)上，根據(jù)“機(jī)遇”號(hào)的觀測(cè)，火星表面上的撞擊坑最小甚至可以達(dá)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(fā)現(xiàn)如此之小的目標(biāo)。因此，對(duì)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(fā)現(xiàn)和辨別的能力也會(huì)更強(qiáng)，統(tǒng)計(jì)就會(huì)越精確。

4.3 風(fēng)成地貌

風(fēng)的地質(zhì)作用在火星非兩極區(qū)域廣泛存在，是在現(xiàn)階段火星表面最為活躍的地質(zhì)作用。風(fēng)蝕作用主要發(fā)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(cè)中就容易被忽視。圖6是MOC窄視場(chǎng)相機(jī)拍攝的火山口附近圖像。圖像中，火山口周圍區(qū)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(jù)“機(jī)遇”號(hào)巡視器的近距離觀測(cè)，這一區(qū)域的表面存在著大量的風(fēng)蝕作用痕跡，而這些痕跡在MOC相機(jī)拍攝的圖像中由于分辨率原因并沒有清晰的體現(xiàn)，因而得出了錯(cuò)誤的結(jié)論［7］。事實(shí)上，風(fēng)蝕作用形成的地貌，其特征尺度大小不一。根據(jù)HiRISE相機(jī)的圖片來看，火星表面存在著尺度在1 m左右的風(fēng)蝕谷和雅丹地貌［17］。為了能夠發(fā)現(xiàn)和識(shí)別這些尺度較小的地貌特征，遙感相機(jī)的分辨率至少應(yīng)該在0.3～0.5 m。而沙丘、沙堆等風(fēng)積地貌的尺度相對(duì)較大，往往在10 m量級(jí)，對(duì)其坡度、高度等參數(shù)的測(cè)量需要遙感相機(jī)的分辨率在2 m左右即可。

圖6 MOC窄視場(chǎng)相機(jī)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(diǎn)選擇與巡視路徑規(guī)劃

火星著陸器的移動(dòng)能力往往十分有限，所以著陸點(diǎn)的選擇就顯得尤為重要。除了要考慮科學(xué)探測(cè)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(huì)造成嚴(yán)重的損壞，即使沒有直接落到巖石上，如果著陸器落到一個(gè)充滿障礙的地區(qū)，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(jī)對(duì)目標(biāo)降落區(qū)域進(jìn)行高分辨率成像，規(guī)劃并確認(rèn)最佳著陸點(diǎn)，是避免這一問題的有效手段。圖7為HiRISE拍攝的不同地形區(qū)域圖像(像元分辨率約0.3 m)，(a)圖中可以清楚地發(fā)現(xiàn)眾多1～5 m大小的巨礫，很顯然這個(gè)地區(qū)不能作為著陸點(diǎn)，不但著陸風(fēng)險(xiǎn)高而且寸步難行;而(b)圖則好得多，是著陸點(diǎn)的較好選擇［6］。鑒于以上分析，光學(xué)遙感器必須能夠在低軌發(fā)現(xiàn)1m量級(jí)以上的粗礫級(jí)的巖石，其地面像元分辨率應(yīng)在0.3～0.5 m，以便為火星著陸器著陸點(diǎn)的選擇和巡視器巡視路徑的規(guī)劃提供可靠的指導(dǎo)依據(jù)。

圖7 HiRISE拍攝不同地形區(qū)域Fig.7 Different morphologic regions taken by HiRISE camera

綜合以上4個(gè)小節(jié)的內(nèi)容不難看出，當(dāng)前火星研究中的大部分熱點(diǎn)問題都需要光學(xué)遙感器的像元分辨率達(dá)1 m以下。因此，在未來，開展對(duì)火星表面的亞米級(jí)分辨率精細(xì)觀測(cè)，是科學(xué)研究的迫切需求，也是火星光學(xué)遙感器的主要發(fā)展方向。

5 結(jié)束語

可見光遙感觀測(cè)可以獲得火星表面地形地貌特征的直觀圖像數(shù)據(jù)，并可以為火星著陸器尋找和確認(rèn)最佳著陸點(diǎn)，是火星探測(cè)的重要手段之一。本文簡(jiǎn)要介紹了美國(guó)的MOC、HiRISE，以及歐空局的HRSC等幾個(gè)火星遙感相機(jī)的發(fā)展概況，并探討了火星表面巖石、隕石坑、風(fēng)成地貌、著陸點(diǎn)精細(xì)觀測(cè)等科學(xué)應(yīng)用目標(biāo)對(duì)成像分辨率的需求。通過對(duì)國(guó)外情況的調(diào)研和對(duì)科學(xué)應(yīng)用需求的分析，指出開展1 m以下分辨率精細(xì)觀測(cè)是今后火星遙感探測(cè)的主要發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)遙感器也應(yīng)具備近紅外成像和三維立體成像功能，為我國(guó)今后開展火星可見光遙感觀測(cè)提供了指標(biāo)選擇和設(shè)計(jì)的依據(jù)。

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