前人从未涉足的领域:相机在太空中的应用

话题:
作者:
Anne Corning

随着美国国家航空航天局(NASA)“毅力号(Perseverance)”火星探测漫游车于2021年2月18日成功着陆这颗红色星球,并开始发送回质量出色的图像,科学和太空探索界最近几周有许多值得庆祝的事情。大量的技术、工程创新和科学人才投入到“火星2020(Mars 2020)”使命中,使毅力号漫游车成功到达了目的地。然而,在着陆过程中以及成功着陆之后,人们的注意力已经转移到了车载相机和成像系统上,它们正在让全世界能够从火星漫游车的视角观察火星表面,并帮助调查关键的科学问题。

Mars Rover_cameras

毅力号漫游车上安装的相机位置详情。(图片:NASA)

相机的覆盖范围

毅力号漫游车上共安装有23台相机,包括7台专门用于采集进入、下降和着陆(EDL)信息的相机、9台专为火星表面操作而设计的相机以及7台用于科学成像的相机。

进入、下降和着陆(EDL)
用于进入、下降和着陆(EDL)信息记录的相机共有5种类型,包括:3台降落伞上视相机(PUC)、下降阶段下视相机(DDC)、漫游车上视相机(RUC)、漫游车下降相机(RDC)和登陆器视觉系统(LVS)相机(LCAM)。

“PUC相机安装在降落伞支撑结构上,作为系统的一部分,其将采集降落伞部署活动视频,以表征降落伞的性能。DDC相机连接到下降阶段并指向下方,其将采集漫游车从空中起重机上下降时的视频,以表征车辆的动态特性。

RUC相机安装在漫游车上,并朝向上方,其将从漫游车的有利位置采集空中起重机的类似视频,还将采集下降阶段空翻活动的视频。RDC相机固定在漫游车上,并朝向下方,其将在漫游车着陆之前、期间和之后采集火星表面的图像,以记录羽流动力学信息。

LCAM相机安装在漫游车底盘底部,并朝向下方,将在EDL降落伞下降阶段采集图像,作为登陆器视觉系统(LVS)车载地图本地化的输入。此外,漫游车还配备了麦克风,从外部安装在漫游车底盘上,以采集EDL期间和之后的声学信号。”1

火星表面操作
漫游车现已安全着陆火星,一系列火星表面操作相机将使工程师们能够在火星地貌上远程导航漫游车。3台导航相机(Navcams)和6台避险相机(Hazcams)可以采集火星表面的彩色立体图像。

Mars Rover_Navcam

Navcam导航相机显示了在 喷气推进实验室 (JPL)的“火星场(Mars YarD)”测试区域中约15米远处采集的一堆岩石的图像。“这些图片阐明了一种可以使用相机数据从远处揭示目标轮廓的方法。这种测量结果为漫游车及其团队提供了规划精确行程和机械臂运动所需的知识。” 2 (图片:NASA)

此外,漫游车还配备了CacheCam相机,这是一种全新的相机,朝向下方安装,在准备将样本进行密封时,该相机可以直接采集到样本存储器(其中收集了土壤、岩石等材料)的图像。CacheCam相机使科学家们能够监视采样过程,并记录所采集的每个样本。

科学成像相机
“火星2020”使命的主要目的在于解决高优先级的科学目标,包括搜寻过去的微生物生命迹象以及考察人类未来居住的潜力。举例来说,使命任务包括“测试一种用于从火星大气层中产生氧气的方法、确定其他资源(地下水)、改进着陆技术以及表征天气、尘土和其他可能影响宇航员未来在火星上生活和工作的潜在环境条件。”3漫游车上共安装有7台相机专门用于协作这些科学考察工作。

  • Mastcam-Z是一对相机(用于精确复制人类立体视觉),具有强大的变焦功能,能够采集三维彩色图像和视频。
  • SuperCam相机可向目标(比如:岩层)发射激光,并使用远程显微成像仪(RMI)和光谱仪分析其化学成分。
  • PIXL仪器(X射线岩石化学专用行星仪器)使用X射线荧光和微环境相机(MCC)检查小至食盐颗粒的目标。
  • SHERLOC仪器(使用拉曼光谱和发光技术扫描可居住环境中的有机物和化学物质)将光谱仪与激光搭配使用,同时还使用先进环境成像仪(ACI),这是一种内置式环境相机。
  • WATSON相机(用于操作和工程学的广角地形传感器)安装在机器人手臂的末端。它可以对地形进行广泛的观察,还可以检查“火星岩石中的精细纹理和结构以及覆盖火星表面大部分区域的岩石碎屑和尘土。这些功能意味着WATSON相机不仅能够支持SHERLOC仪器,还可以帮助漫游车上的其他仪器识别关注目标。由于WATSON相机可以通过机械臂四处移动,因此它还可以提供其他仪器和漫游车零件的图像。”4
  • MEDA SkyCam相机是一种较大型大气科学仪器套件的一部分,其可以采集火星天空的图像。5
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使用车载WATSON相机和SHERLOC相机拍摄的毅力号漫游车在火星上的“自拍照”。将多达62个单独的图像拼接在一起,获得了漫游车和Ingenuity小型机器人直升机的自拍照,拍摄地点:Jezero Crater。我们可以在距离漫游车大约4米远的位置看到Ingenuity直升机。(图片:NASA)

创新传统

回到地球上,瑞淀是众多致力于推动相机技术、光学元件和成像系统功能的公司和研究机构之一。我们不断开发创新的新型硬件和软件解决方案,以确保能够更精确地采集光源、显示器设备、表面、玻璃和透明材料的图像用于测量和分析。举例来说:

  • 瑞淀荣获奖项的 NIR 近红外光辐射强度测量镜头,其可以测量用于各种识别、监控、3D映射和深度感测应用的近红外光LED和激光发射。
  • 瑞淀提供专利算法,可精确测量和校正像素级和亚像素级亮度和色度,以确保 OLED和microLED显示器的均匀性
  • 瑞淀荣获奖项的AR/VR 镜头,其采用独特的光学设计,可精确复制人类用户的眼睛在头戴式设备或智能眼镜中的视角。
  • 视觉检测软件包 (VIP™),其是TrueTest™软件系列的一部分,将亮度测量系统的亮度和色度测量功能与机器视觉系统的功能将结合,使制造商能够对发光图标和符号进行配准和检测。
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瑞淀的创新解决方案包括(从左至右):AR/VR镜头、ProMetric® Y系列成像亮度计和显微镜头配件(用于测量亚像素阵列)及NIR近红外光辐射强度测量镜头和ProMetric Y16辐射计。

如果NASA未来需要一款高分辨率、低噪声的 成像亮度计或色度计来执行太空任务,他们只需要询问瑞淀即可。

 

引用文献

  1. Maki, J., Gruel D., et al. “The Mars 2020 Engineering Cameras and Microphone on the Perseverance Rover: A Next-Generation Imaging System for Mars Exploration”, Space Science Reviews 216(137), November 24, 2020. DOI: https://doi.org/10.1007/s11214-020-00765-9
  2. “The Cameras on the Mars 2020 Perseverance Rover.” NASA, https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/rover/cameras/. (Retrieved 4/15/2021).
  3. Looking for Signs of Past Microbial Life”, Teledyne. (Retrieved April 15, 2021).
  4. “The Cameras on the Mars 2020 Perseverance Rover.” NASA, https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/rover/cameras/. (Retrieved 4/15/2021).
  5. NASA Shares Perseverance Rover’s Selfie With Its Ingenuity Helicopter on Mars”, Firstpost: Tech2, Thursday, April 15, 2020. 
     
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