從神舟到天宮，載人航天的歷次巡天任務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”。當然，數(shù)碼相機是為了幫助我們理解這臺科學儀器的工作原理，它的學名叫做“寬波段成像光譜儀”。這臺相機有何特殊之處?我們細細來說。

結構精簡、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“內力”相當深厚。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，能夠實現(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”，可以看到它的內部有8臺分4層結構精心設計的小相機。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。它的主要任務有兩個，一個是看海，一個是看大氣。

任務一：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用中。比如，海水中葉綠素含量增大時，水色一般由藍色向綠色轉變，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時，都得通過地球上厚厚的大氣層。為了準確研究地表目標信息，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，提高對地表目標提取信號的準確度。

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

任務二：看大氣，優(yōu)化氣象預報。

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、光學厚度等微觀特性和云的關鍵性能參數(shù)開展定量化研究，對氣象預報、氣候預測有很重要價值。百姓們都關心，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重程度。

云的偏振成像對比(右為偏振圖像)

瞄準先進，八年磨一劍

大家肯定會關心，精心打造的這臺相機在國內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)秒內迅速成像30幅?？岚?

從學術水平上而言，據(jù)科學家們查閱文獻，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!

中國科學院上海技術物理研究所的科學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合型數(shù)碼相機，他們從可行性分析到設計、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，先后為我國的風云系列氣象衛(wèi)星、神舟系列載人飛船任務、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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