探測器「火星2020」，長著更多更犀利的眼睛

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作者：王錚

中國科學院國家空間科學中心

空間天氣學國家重點實驗室

火星——閃耀在天空的紅色的星星。西方古代（古羅馬）由其聯想到鮮血與戰爭，所以用戰神瑪爾斯（Mars）為它命名，因此它的英文名即為Mars。順便說一句，英語的三月「March」也是源自瑪爾斯。

紅色的火星

火星和金星都是距離我們地球較近、又與地球比較相像的行星，而由於金星的環境異常惡劣，火星成了我們在月球以外最感興趣的星球。人們曾發射過許多探測器去探測火星，並一直試圖把登陸火星作為登月之後的載人航天的下一步目標。1960年，前蘇聯向火星發射了火星1號探測器，它是人類探測火星的開端。1965年，美國成功發射水手4號火星探測器，它是歷史上第一個成功飛越火星的探測器，並回傳了第一張火星表面的照片。隨後美、蘇、歐、日等國相繼發射了數十個火星探測器。大量的探測器對火星方方面面做了許多探測，特別是憑藉它們的「眼睛」，我們獲得了大量火星的照片，能夠一覽火星的風貌。

下一代的火星探測器是什麼樣的？美國國家航空航天局（NASA）預計將於2020年7月發射火星探測器「火星2020」（「Mars 2020」），2021年2月抵達火星，它是NASA目前探測火星的最新任務；它的主要目標是探查火星上可能適合居住的區域，並對當地地質進行評估，確定供人類居住的可能性。

這個探測器近日正在組裝。根據NASA公布的消息，工作人員正在將飛行組件、電子器材加裝至協助探測器降落的「天空起重機」（sky crane）上，並要在接下來1年半的時間裡，為探測器搭載導航、機械、通訊、熱力等各種子系統。

「火星2020」探測器組裝

當1997年NASA的「火星探路者」號（Mars Pathfinder）降落火星時，僅僅帶有5架攝像機，但已經為我們極大拓展了直接觀看火星地表的眼界；隨著太空搭載相機技術的不斷發展，「火星2020」擁有著更多、更犀利的「眼睛」：它將搭載多達23個高清精密攝像頭。這些「眼睛」支持全景，可工作在極端天氣，直接應用於氣候研究以及輔助科學儀器進行分析。下圖是「火星2020」探測器的結構簡圖，「火星2020」儀器非常複雜，但今天我們只談它的「眼睛」，也就是攝像頭或者說成像探測器。圖中的「Mastcam-Z」即為探測器的「眼睛」，是具有變焦能力的立體成像系統。如圖中英文所示，「火星2020」探測器共23個攝像頭，其中9個用於工程學，7個用於科學，還有7個用於下降、著陸等。

「火星2020」探測器的結構簡圖

這種Mastcam-Z型變焦高清相機的性能無疑將是火星探測器搭載的太空攝像機中最好的。它可在各種場景中識別多種物質與成分，能夠採集三維圖像與彩色全景圖像，數據傳輸與儲存能力也更加強勁。

Mastcam-Z攝像頭原型

下圖是Mastcam-Z攝像頭的結構圖，它是「好奇號」火星車的Mastcam攝像頭的改進，而「Z」就代表「可變焦」（zoom）。它的尺寸、探測單元、電子介面、固件和操作協議都與前代相同，而透鏡組件獲得了提高，使它能夠實現3.6:1的變焦。每個變焦鏡頭有寬頻紅/綠/藍（RGB）成像和窄帶可見/近紅外（VNIR）彩色成像。感測器包括一個1600 x 1200像素的半導體CCD，能以5°到15°的視場成像。

Mastcam-Z攝像頭的「眼神」也足夠「犀利」。在火星表面工作時，也就是「火星2020」的機械臂工作的空間範圍，攝像頭能以立體全景識別1毫米的火星表面特徵；而遠到100米遠的遠景，攝像頭也能分辨出3~4厘米的特徵。攝像頭還配備了帶通濾波器（400至1000納米），用來區分風化和未風化的物質，能夠為火星表面氧化物、氫氧化物和含水礦物的研究提供巨大幫助。此外，攝像頭還包括一對太陽濾鏡，能夠直接對太陽拍照。

Mastcam-Z攝像頭的驅動程序和影像壓縮技術也比以前進行了提升，它能用更少的時間來進行圖片拼接，並可以更自然的減小圖片的模糊，使得場景呈現效果更加自然和真實，並更好的將信息量更大的數據傳送回給我們。

Mastcam-Z攝像頭結構圖

這些攝像頭的主要任務為：

觀測探測器所處位置整體的地貌、地質過程和地質記錄（如礦物學、紋理、結構和地層）等；

評估當前的大氣和天文的環境和事件，以及與之相關的地表與大氣相互作用的過程；

為探測器的導航、通訊、取樣、提取和貯藏以及其他探測活動提供支持。

有了更多、更犀利的「眼睛」的幫助，相信很快我們會看到一個更真實、更清晰、更具臨場感的火星景象了。

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