從神舟到天宮，載人航天的歷次巡天任務(wù)都少不了為人類生活的地球拍照，幫助我們在浩瀚的宇宙中從各個方位“感知”地球。在本次飛行任務(wù)中為“天宮二號”太空實驗室定制了一臺高性能航天“數(shù)碼相機”。當(dāng)然，數(shù)碼相機是為了幫助我們理解這臺科學(xué)儀器的工作原理，它的學(xué)名叫做“寬波段成像光譜儀”。這臺相機有何特殊之處?我們細(xì)細(xì)來說。

結(jié)構(gòu)精簡、功力深厚

能登上我國第一個真正意義上的太空實驗室，寬波段成像光譜儀的“內(nèi)力”相當(dāng)深厚。相機被安裝在太空實驗室對地觀測面的“肚子”上，有了它，“天宮二號”可謂擁有了“火眼金睛”的本領(lǐng)，能夠?qū)崿F(xiàn)跟隨實驗室的飛行角度變化從多個方位對地成像。

打開相機的外部“黑匣子”，可以看到它的內(nèi)部有8臺分4層結(jié)構(gòu)精心設(shè)計的小相機。其中3臺是可見光近紅外波段相機，2臺是短波紅外波段相機，2臺熱紅外波段相機，還有最后一層是可見光波段偏振相機。這些相機通過視場拼接組合在一起，可以擴大觀測視場幫助相機“看”得更寬，更能夠同時獲取同一目標(biāo)的圖像、光譜和偏振信息。

再往里看，可以發(fā)現(xiàn)相機有三樣自主研制的核心“利器”。一個是采用自主研發(fā)的新型長線列短波紅外探測器，精心集成了1600個“視覺”單元，保證相機看的時間長，目標(biāo)看得更清晰，使相機擁有穿云透霧的“功力”。其二則是具有800個高靈敏度“視覺”單元的熱紅外探測器，它可以使相機具有夜視功能，晝夜不間斷工作，能夠探測到1/40度的溫度變化。其三則是配備一臺高性能、高可靠性的靈巧型機械制冷機，用來滿足熱紅外探測器需要的低溫要求，保障其穩(wěn)定工作在低至零下200度的環(huán)境。

寬波段成像光譜儀實物照片(光機主體部分)

寬波段成像光譜儀三維模裝圖

觀海探氣，樣樣精通

上天以后，相機就要馬不停蹄開展太空工作。它的主要任務(wù)有兩個，一個是看海，一個是看大氣。

任務(wù)一：看海洋，即觀測海洋水色和水溫。

可見光近紅外譜段的成像具有“圖譜合一”的特點，也就是相機既能獲得影像信息，也能同時獲得物體的光譜特征信息。這些“定量化”的圖譜信息可用在海洋葉綠素、懸濁物含量、海洋海岸水色等遙感應(yīng)用中。比如，海水中葉綠素含量增大時，水色一般由藍(lán)色向綠色轉(zhuǎn)變，成像儀提取到海水葉綠素、色素濃度等遙感信息，不僅可以幫助海洋專家準(zhǔn)確監(jiān)測到發(fā)生在任何海域的赤潮現(xiàn)象，還可以估計出這片海域的浮游生物量和初級生產(chǎn)力，從而指導(dǎo)漁民出海作業(yè)等等。

地面可見近紅外成像圖

短波紅外輻射由于可以透過薄云層，主要用于可見光近紅外探測通道的大氣校正。在太空中觀測地表目標(biāo)時，都得通過地球上厚厚的大氣層。為了準(zhǔn)確研究地表目標(biāo)信息，必須剔除接受到信號中大氣成分的影響。由于海水在短波紅外譜段基本為“零”信號，那么在這個譜段接受到的信號全部為大氣成分信號，通過一定的算法計算，就可以將可見光近紅外譜段各個探測通道的大氣成像信號扣除掉，提高對地表目標(biāo)提取信號的準(zhǔn)確度。

地面短波紅外成像圖

相機晝夜不間斷觀測主要靠熱紅外成像來實現(xiàn)，不論白天、夜晚都可以正常工作，堪稱勞動模范!它可以探測水溫、海冰和洋流信息，且具備很高的水溫變化探測靈敏度，大約是1攝氏度的40分之一，比我國現(xiàn)有的海洋遙感器的探測靈敏度提高了好多倍。

地面熱紅外探測成像圖

任務(wù)二：看大氣，優(yōu)化氣象預(yù)報。

相機可以獲取被探測對象的偏振信息。何謂偏振?我們知道，光是一種橫波，它有偏振方向，如果放一個偏振片在偏振光前面，和偏振方向平行，透過光最強。而如果和偏振方向垂直，透過光最小，幾乎為零。生活中，應(yīng)用到光偏振特性的場合很多，如攝影愛好者都熟悉的相機鏡頭偏振鏡用來消除反光，在電影院用偏振鏡看立體電影，汽車上使用偏振片降低在夜晚行車時迎面駛來車輛發(fā)射出的刺眼燈光等。

由于光的偏振特性對大氣粒子特性(形狀、大小和組成)具有獨特敏感性，這個優(yōu)勢可以幫助研究人員對大氣氣溶膠和云粒子的尺寸大小、形狀、光學(xué)厚度等微觀特性和云的關(guān)鍵性能參數(shù)開展定量化研究，對氣象預(yù)報、氣候預(yù)測有很重要價值。百姓們都關(guān)心，它能看到霧霾嗎?回答是肯定的。它可以獲取到霧霾的位置信息以及嚴(yán)重程度。

云的偏振成像對比(右為偏振圖像)

瞄準(zhǔn)先進，八年磨一劍

大家肯定會關(guān)心，精心打造的這臺相機在國內(nèi)國際上處于什么水平?

讓我們來舉個例子。

如果要拍可見光圖像，要拍紅外圖像，要進行光譜成像，要進行偏振成像，我們至少需要4臺相機，長槍短炮，沒哪吒的三頭六臂恐怕Hold不住。而在天宮二號，安裝1臺寬波段成像光譜儀就能實現(xiàn)在數(shù)秒內(nèi)迅速成像30幅?？岚?

從學(xué)術(shù)水平上而言，據(jù)科學(xué)家們查閱文獻，國際上，在一臺儀器上開啟可見近紅外高光譜成像與短波紅外、熱紅外多光譜成像，同時兼具偏振探測功能的智慧銳眼，這是第一次!

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的科學(xué)家團隊貢獻了八年的智慧和心血，造就了這臺太空高性能光譜與偏振復(fù)合型數(shù)碼相機，他們從可行性分析到設(shè)計、制造，再到地面實驗驗證可靠性的每一個環(huán)節(jié)中，不斷地進行優(yōu)化完善、自我加壓、自我超越。這家以盛產(chǎn)太空相機而聞名的研究所，先后為我國的風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星、神舟系列載人飛船任務(wù)、海洋和環(huán)境衛(wèi)星、探月工程研發(fā)了各種高性能太空“千里眼”。

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