太空相機：與眾不同的成像方式

文/張雪松

▲“嫦娥四號”拍攝的首張月背照片（未經色彩校正）

▲“嫦娥四號”月背軟著陸后降落相機拍攝的圖像（經過色彩校正）

1月3日，我國嫦娥四號探測器成功登陸月球背面，隨后拍下了玉兔二號月球車的第一張照片，但細心的讀者發現，照片上月球的顏色偏紅，感覺不正常。1月14日，嫦娥四號探測器總設計師孫澤洲表示，這是因為當時沒有進行色彩校正導致的。那么，航天器的相機和人們日常使用的數碼相機、手機攝像頭到底有什么區別，為什么需要專門校色？

空間相機大有不同

手機攝像頭是一種專用數碼相機，隨著智能手機的普及，人們對攝影都習以為常。很多讀者認為，既然同樣是相機，空間使用的相機和人們日常用的相機不都是一樣么？

光學相機的原理的確大同小異，但具體設計卻大有不同，空間相機由于所處環境不同，設計重點和人們常見的數碼相機有不小的差異。

人們日常使用的相機一般都會自動進行白平衡調節，假設拍攝的場景整體為中性灰，然后校正照片顏色，這種方法在地面上很少出現太明顯的問題，但在太空中就不一樣了。由于太空和地面不同的光照強度、目標反射特征和物質成分，自動白平衡并不好用。

“嫦娥四號”的第一張照片使用的是監視相機拍攝，而這種相機服務于“玉兔二號”的轉移釋放，照片首先用于判斷釋放機構和月球車是否正常，因此，第一張照片并沒有進行色彩校正導致嚴重偏紅。相反，人們常用的數碼相機很難遇到這么嚴重的偏色問題。

為解決太空環境下的色彩校正問題，“嫦娥四號”在地面對相機進行了色彩校正，使調整校色后的照片更接近拍攝目標的真實色彩。不過，更有效的做法是攜帶色標板獲取彩色校正系數，拍攝時根據色標板的顏色修正，從而得到目標的真實色彩。因此，空間相機色彩校正一直是相機設計的難點和重點，這是太空和地面環境不同的必然結果。

另外，在太空冷熱、真空和輻射等多方面的苛刻環境下，除相機顏色問題之外的其他方面也要付出很多代價，例如溫控系統。人們在地面使用手機拍照時，極寒情況下有時相機甚至整個手機都無法正常使用，而在太空溫度變化劇烈的情況下，溫控就成了必須考慮的重中之重。

▲衛星上安裝的照相機有著獨特的成像方式.

可見光空間相機一般要求1度以內的溫控精度，紅外波段的相機更是要工作在超低溫環境下，要么用遮陽罩，要么安裝主動冷卻裝置，也可以兩者兼有之。

獨特的成像方式

色彩校正只是空間相機和地面相機差異的常見例子，由于環境和用途不同，空間相機還存在很多其他的區別，甚至連成像方式都截然不同。

人們常用的數碼相機一般采用面陣CCD或CMOS做感光元件，拍照時“咔嚓”一聲照片就出來了，但安裝在航天器上的相機可沒這么輕松，它們攜帶的相機通常使用線陣CCD實現在軌成像。線陣遙感CCD成像時，拍攝目標在垂直于CCD線陣方向上，并且要處于相對運動，這和人們手機拍照時需要保持相對靜止的要求恰恰相反。

那么，為啥要有相對運動呢？數碼相機里的面陣CCD可以直接獲取二維照片，而線陣CCD相機獲取的是一行信息，通過逐行連續掃描才能生成一張照片，要是不動就只能掃出來一行，而不是一張照片了。

雖然，線陣CCD相機無法直接成像，但也有獨特優勢：一方面是價格低分辨率高，另一方面是精度高視野寬廣。線陣CCD掃描方式在人們日常生活中也很常見，掃描儀通常就使用線陣CCD。遙感衛星相對于地面高速運動，推掃式相機隨著衛星飛行，無需來回掃描即可在軌成像。

線陣CCD相機是高分辨率對地遙感的主要傳感器，例如，法國的SPOT5衛星和Pleiades衛星等都使用了線陣推掃式相機。

當然，線陣CCD并非空間相機的全部，隨著微電子技術的進步，原本價格昂貴的面陣CCD也便宜起來。另外，使用CMOS作為感光元件的相機也得到了越來越多的應用。以美國GOES為代表的氣象衛星已經開始使用面陣CCD相機進行對地成像。

更輕的新概念空間相機

目前，包括各種衛星、探測器使用的空間相機和人們在地面使用的數碼相機有不小的區別，未來新概念空間相機和人們使用的數碼相機和手機攝像或“大炮筒”，其技術原理相差就更大了。

根據分辨率極限公式，傳統光學相機的分辨率指標和鏡頭口徑直接相關，火箭運載能力和整流罩體積就那么大，如果要將大型偵察衛星發射到太空，會受到很大限制。因此，科研人員們正在為空間相機研制新概念技術，目的是徹底改變現有空間相機的面貌。

目前，美國國防高級研究計劃局正在資助軍工企業研制薄膜型光學即時成像器（MOIRE）技術，它使用衍射而不是折射成像，這種技術使用可折疊輕薄的衍射薄膜，其厚度和家用保鮮膜相當。如果未來航天器應用先進的MOIRE 技術，攜帶20米口徑相機的偵察衛星，其重量可以減至5 噸左右。

另外，美國美國國防高級研究計劃局還在資助洛克希德·馬丁公司研制分段平面成像探測式光電偵察系統（SPIDER）。這種相機從光學透鏡的堆疊技術發展為革命性的微型光學透鏡陣列，它和傳統的折射或反射式望遠鏡不同，使用的是干涉測量法成像，也可以理解為光學領域的相控陣技術。SPIDER技術可以極大地降低空間相機的體積和重量，相比同等成像質量的傳統光學相機，應用SPIDER 技術后相機體積僅為原來的幾十分之一。