解密火星星表物质的神秘侦探——火星多光谱相机

晴朗夜空，仰望璀璨星河，一晃而过的光点似“天问一号”正飞舞九天遨游星际。透过繁星万点，那颗闪亮的荧惑，早在几分钟前便深情凝望着我们，传来阵阵秋波。

图片来自@人民日报 微博

“天问一号”上的神秘侦探

2021年5月15日7时18分，我国第一个前往火星的星际游子——我国第一颗火星探测卫星“天问一号”的着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，标志着我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

“天问一号”由在轨环绕器和着陆巡视器两大部分组成。在轨环绕器在近火点高度400公里，远火点高度180000公里处长期环绕火星转动，主要监测火星表面状态，采集信息数据，用于研究火星磁场、大气、重力场、水、浅层土壤、地质地貌；同时，起到信号中继作用。着陆巡视器利用其搭载的巡视器（即可以移动的火星车“祝融”）对火星星表进行科学探测，“祝融”携带了六台科学仪器：多光谱相机、次表层雷达、成分探测仪、磁场探测器、气象测量仪、地形相机。

“天问一号”探测器示意图

来自中国科学院西安光学精密机械研究所的神秘侦探——火星多光谱相机，相较于“探月工程”的全景相机，其在实现对火星表面360°成像的基础上，还具备识别火星上常见的各类铁矿、盐类矿物、粘土矿物的功能。主要开展包含火星形貌与地质构造特征及其变化、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成三项任务在内的火星表面物质类型分布研究，在其他科学仪器的协同作用下，揭开火星地表的神秘面纱。

多光谱相机实物图

神秘侦探穿着一身金黄外衣，大小差不多是普通鞋盒的一半，安装在巡视器的桅杆上，距离火星表面1.8米左右。

为了探测未知的火星环境，多光谱相机自诞生之日起，便炼就了火眼金睛的本领，即使在4亿公里外无人照料的茫茫火星上，也可以看清距离自己1.5米到无穷远范围内的外星环境，辨别火星星表同一位置在多个不同光谱通道下的环境信息，揭开火星的面纱。

神秘侦探如何揭开火星面纱？

火星多光谱相机如何揭开火星星表的神秘面纱呢？我们首先需要知道物质的三个“特性”。

物质相对于光而言有三个特性，即反射、透过、吸收，通常利用相应的反射谱、透射谱或吸收谱来表征物质的相应特性。当一束光入射到某种物质上时，存在“反射光+透过光+吸收光＝入射光”的关系。不同的物质对于同一谱段入射的光，这三个特性是不同的，有的吸收强，有的反射强，还有的透射强。相同的物质在不同的入射光谱中，这三个特性也是不同的。玻璃之所以透明，是因为其透过性强；我们之所以在镜子中可以看到自己，是因为其反射性强；黑板之所以是黑色的，是因为其吸收性强。

物质的反射、透射、吸收示意图

因为物质具有不同的特性，当阳光照在它们上面的时候，反射到我们眼睛的光波谱段及其强弱会各不相同，世界便呈现出了五颜六色。如果把人的眼睛换成相关的光谱测量设备（如光谱辐射度计），便可以获得不同物质特有的反射谱了。

火星星表环境中的岩石、土壤等矿物质，如各类铁矿、盐类矿物、粘土矿物等，也具有这三个特性。通过对地球众多岩石、土壤等矿物质的反射光谱进行分析，总结出不同物质在不同光谱通道下的反射谱信息，建立相应的岩石、土壤等物质的反射谱数据信息库。将火星多光谱相机获取的各通道下的图像数据信息与已有的数据库进行分析比对，从而鉴别火星星表的成分类型，确定火星表面物质类型分布。

为了对抗复杂多变的火星环境，揭开神秘莫测的火星面纱，探究纷繁复杂的星表属性，火星多光谱相机是如何炼就火眼金睛的呢？

神秘侦探如何炼成火眼金睛？

通常的相机主要由光学系统、探测器（CCD/CMOS）、电子学系统、封装结构四大部分组成，和人的眼睛一样，它可以看见世间万物。不同之处在于，它的探测器和人眼的感光细胞，对光的感知能力不同，即光谱响应曲线不同。多光谱相机除具有与二者不同的响应曲线外，还具有其他特殊的功能。

相机结构示意图

为了锻造出一双火眼金睛，科研人员为我们的神秘侦探特意设计了多光谱成像功能、自动调焦功能、星上定标功能三大技术。

多光谱相机成像示意图

多光谱成像功能用来获得火星表面可见光、近红外波段的多光谱图像。多光谱相机设置了8个窄带滤光片和1个对太阳成像的全色滤光片组成的滤光元件机构。进入相机的复色光在透过不同的滤光窗口时，会转变成相应光谱的光，实现460~1050nm 范围内的8个光谱通道、1个太阳全色谱段通道的多个光谱通道的共焦面成像。

调焦即改变系统焦点前后的位置，使系统各种模式下的焦点都在焦平面位置。多光谱相机上设置了6个调焦补偿镜组成的自动调焦机构，可以对不同成像距离下的目标进行自动调焦，也可以通过地球指控中心送达的调节指令进行调焦。调焦功能通过调焦机构进行成像距离调整，使得同一台相机既能对近距离定标板清晰成像，又能对远距离火星表面矿物进行高分辨率拍摄，实现1.5m到无穷远范围内清晰成像。

多光谱相机正样在轨定标板实物图

定标是指为了消除或减小仪器误差，获得精确的结果，而对有关参数进行精准定量测量的过程。多光谱相机配备有在轨定标板，在轨定标板由红、绿、蓝、黄矿物色卡，黑白灰标准板，抛光铝板以及投影日晷构成。多光谱相机通过对放置在“祝融”上的定标板进行拍照，获取在轨定标板相应图像数据，实现在轨星上定标，以帮助多光谱相机准确判断火星表面的矿物成分，获取更加准确的科学观测数据。

此外，为了避免火星上杂散光、空气中悬浮颗粒、昼夜亮度变化、背景环境等因素对相机的影响，研究人员专门设计了自动/遥控调节曝光、消减杂散光措施、抗灰尘干扰等功能，以便获取巡视区高分辨率多光谱图像。

在“天问一号”对火星开展的后续探测中，多光谱相机将伴随着“祝融”的脚步，通过获取火星地表的多光谱图像，在提供火星表面详细的地质背景、物质组成以及表面纹理（surfacetexture）特征等信息，完成火星表面物质类型分布研究的同时，为“祝融”探测路线的规划及其它科学载荷的探测目标最优化选取（如LIBS）提供指导。通过对多光谱相机及其他科学载荷获取数据的综合分析，有利于人类更加深入的了解火星表面的地质演化历史，进一步揭开火星的神秘面纱。

从2020年12月3日“嫦娥五号”上升器实现我国首次地外天体起飞，到2020年12月17日“嫦娥五号”返回器成功降落在四子王旗，完成中国探月工程“绕落回”三步走计划；从2021年2月10日“天问一号”探测器顺利进入环火轨道，开展科学探测，到2021年5月15日“天问一号”着陆巡视器实现我国首次地外行星着陆，标志着我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。数年光阴，筚路蓝缕，艰苦奋斗，承载着华夏英雄儿女星月兼程的不屈斗志；半载时光，往返月球，逐鹿“荧惑”，满载着我国深空探测的累累硕果！

我们有理由相信，在未来，就像人类登上月球一样，人类也会登上火星；就像人类建设地球一样，人类也会建设火星。正如卡尔·萨根所说：“如果火星会被地球化，那么完成这一壮举的也是人类，火星将成为他们永久居住的另一颗行星。火星人就是我们自己。”

来源：中国科学院西安光学精密机械研究所