“天问一号”拍火星的相机不一般
■孟庆宇
●在距目标200千米开外即可“明察秋毫”
●凭强壮“骨骼”既身轻如燕又稳如泰山
●像拖布定向拖地一样可实现“推扫成像”
前不久，国家航天局公布了“天问一号”传回的首幅火星图像。此图像是“天问一号”高分辨率相机在距离火星约220万千米处拍下的。图中，火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑以及最长峡谷——水手谷等标志性地貌清晰可见。
图像一公布，就吸引了全世界的目光。这部高分辨率相机，也一度成为人们眼中的“明星”。
高分辨率的秘密：长焦距离轴光学系统
这部高分辨率相机，能在距离目标265千米处实现0.5米分辨率的光学成像。这就如同站在长春市中心观看沈阳市中心的一台轿车，甚至可以分辨出是三厢车还是两厢车，绝对称得上是“明察秋毫”。具备这一非凡功力，首先要得益于先进的光学系统。
光学系统是相机的核心部分，它能将远处的景物成像在感光元件上，从而实现照相功能。像素分辨率是我们最关注的相机性能指标，表示照片上的1个像素对应远处被拍摄景物的尺寸。根据几何光学物像关系，分辨尺寸、照相距离(卫星飞行高度)、焦距、像元尺寸等4个参数，构成一个相似三角形的几何关系。从这个关系可以得出，相机分辨率越高，光学系统焦距就越长，相应的镜头口径就越大。
小型光学系统，如常见的消费级单反镜头、手持望远镜等，基本上由光学玻璃制造的透镜组成，其特点是焦距短、分辨率低。由于大尺寸的优质光学玻璃难以制造，且光学玻璃自身力学、热学性能欠佳，容易产生色差，因此长焦距大口径的光学系统基本采用反射式光学结构。
在反射式光学系统中，透镜功能由反射镜代替。其中，可使光线汇聚的凸透镜由凹面反射镜代替，可使光线发散的凹透镜由凸面反射镜代替。大型天文望远镜以及高分辨率航天相机中，均使用反射式光学系统。
反射式光学系统按照光轴特性可分为两大类：同轴光学系统和离轴光学系统。
同轴光学系统中，每个反射镜都是旋转对称的。这一特点，使得反射镜的加工难度与光学系统的装调集成难度都相对较小。受限于制造水平，大部分反射式光学系统基本上采用同轴结构形式。
离轴光学系统中，大部分反射镜没有旋转对称轴，反射镜位置的空间布局更为复杂。这种非对称光学系统的反射镜加工难度与系统装调集成难度都很大。
虽然离轴光学系统实现难度大，但其性能有很多过人之处。最重要的一点就是，在离轴光学系统的成像光路中，任何一个反射镜都不会对其他反射镜造成孔径遮拦，从而使光学系统有效口径降低。
光能量的收集能力决定着光学系统的分辨率。比如，在同轴系统中，次反射镜会对主反射镜造成孔径遮拦；如果反射镜数量增多，造成的遮拦效应也越大。这种感觉就像在眼镜中心贴上一片黑色不透光的胶布，不仅影响了本应该被眼睛收集的光能量，同时也造成光学系统分辨率下降。具有相同光学口径的离轴光学系统，比同轴光学系统有更强的分辨能力。
“天问一号”高分辨率相机的光学系统，采用了不具有孔径遮拦的长焦距离轴三反射镜光学系统，由3个具有光焦度的反射镜和一个不具有光焦度的平面反射镜组成。
光学系统焦距拉长，镜头尺寸也随之增长。为了压缩体积尺寸，适应深空探测任务中相机重量资源极为有限的条件，高分辨率相机光学系统中的3个非球面反射镜，采用了高陡度大偏离量的高次非球面。项目团队克服光学系统设计、加工与检测等重重困难，最终将光学系统主反射镜与次反射镜之间的距离缩小至750毫米以内。这对于焦距为4640毫米、视场角为2°的离轴反射式光学系统，体积尺寸表现极为优秀。
另外，为使光学系统在具有良好成像质量的同时，尽可能保证较为宽松的装配公差，项目团队在光学系统设计过程中，应用了低敏感度光学系统设计方法。
超轻量化与超稳定性的诀窍：全碳化
光机结构是相机的“骨骼”，为光学、电子学和热控等系统提供支撑，确保光学系统位置状态的稳定。由于空间相机的光学系统极为精密，光学反射镜需要按设计位置高精度安放，才能确保光学系统良好的成像质量。
火星探测器发射时，对相机的冲击震动极大，光机结构需要在剧烈变化的力学环境中，使相机中每个光学元件保持位置稳定性，确保每个元件的位置变动在5微米内。这就需要相机的“骨骼”极为强壮，也就是专业上所说的“结构应具有高刚度”。
但是，深空探测重量可分配资源极为有限。这部焦距近5米的相机，可设计质量仅为43千克，如何使光机结构设计得既“身轻如燕”又“稳如泰山”，是一项极具挑战性的任务。经过科学论证，项目组提出了“全碳化”相机的设计理念。
在光学反射镜材料上，主反射镜与三反射镜均使用了具有低密度、高弹性模量、高热导率和低热膨胀系数的碳化硅材料。通过设计，反射镜在87%轻量化率的情况下，仍能保证良好的力学性能。
相机结构的框架，由碳化硅铝基复合材料制成。通过优化设计，确定框架的材料分布，形成加强筋与薄板组合的轻量化结构，轻量化率达到90%以上，且具有很高的结构刚度。连接框架的支撑杆，由高模量碳纤维复合材料制成，每根近1米长的支撑杆，重量仅500克左右。
这样高轻量化的光机结构，在火箭发射冲击振动等严苛力学环境下，可保证光学反射镜的间距最大变动量不超过5微米。对于750毫米左右的反射镜设计间距来讲，相对变化量不到十万分之一，真正算得上是“稳如泰山”。
一机完成多种任务的关键：两种“视网膜”
焦面成像探测器是相机的“视网膜”，光学系统将景物成像在探测器上，从而完成拍摄。
为了获得更多的科学产出，高分辨率相机规划了多个科学目标：包括对火星表面重点区域精细观测、长期重访覆盖观测，对着陆区域高分辨率观测，对火星天气现象动态观测等。不同的科学目标，需要用到的“视网膜”也不相同。
高分辨率相机充分利用独特的光学视场，在一个像面上巧妙地设置了两种类型的成像探测器：多光谱TDI-CCD探测器和全色面阵CMOS探测器。3片多光谱TDI-CCD探测器呈“品”字形布局在像面，2片全色面阵CMOS探测器则分布在像面两端。
TDI-CCD探测器是一种线阵成像的探测器，成像时通过景物与探测器的相对运动而不断输出图像。这种成像方式叫作“推扫成像”，其工作原理就像拖布定向拖地一样，所拖过的区域是完成的成像区域，拖布的宽度就是成像的幅宽。这类似于我们拍大合影时的转机照相，照片的长度方向是TDI-CCD“推扫成像”方向，也是相机和卫星的飞行方向，照片宽度则是成像幅宽。
高分辨率相机的TDI-CCD探测器配置有全色、彩色(红、绿、蓝)与近红外5个成像谱段，可以同时推扫出全色图像、RGB彩色图像、近红外图像。“天问一号”高分辨率相机在距火星表面约330～350千米高度拍摄的0.7米分辨率全色图像，即是应用TDI-CCD探测器推扫拍摄的。
全色面阵CMOS探测器与我们日常使用的单反相机的探测器功能一样，既可实现画幅面阵成像，又可实现视频成像。“天问一号”高分辨率相机在距离火星约220万千米处拍摄的首幅火星图像，就是全色面阵CMOS探测器的杰作。
(作者系中国科学院长春光机所副研究员、“天问一号”高分辨率相机副主任设计师)
版式设计：梁 晨