天問二號(hào)拍攝的地球

封面新聞?dòng)浾?張崢

7月1日，出差一個(gè)多月的天問二號(hào)，公開發(fā)布了由它拍攝的兩張地球、月球的照片。雖然此前人類已經(jīng)拍到了火星、月球、地球甚至黑洞的照片，但是，這次首次出差并擔(dān)任攝影師的天問二號(hào)，拍照技術(shù)一流：不僅熟練運(yùn)用了搭載的“相機(jī)”，同時(shí)還發(fā)布了彩色的地球，讓人眼前一亮。

你一定很好奇，被人類“放”到太空中的探測(cè)器，如何在59萬千米外給地球和月球拍照？航天器如何保持穩(wěn)定？如何在太空中拍出彩色照片？

對(duì)此，封面新聞?dòng)浾呱钊胝?qǐng)教了天體物理學(xué)博士、人造天體攝影師、“中國空間站記錄者”劉博洋。

給黑洞拍照最難

“很多深空探測(cè)器都會(huì)在地球、月球附近合適位置拍一下地球、月球，作為各科學(xué)載荷的基本測(cè)試之用。”劉博洋告訴記者。

小天體探測(cè)是深空探測(cè)的重要組成部分，也是近年來行星探測(cè)的熱點(diǎn)。天問二號(hào)5月29日發(fā)射，科學(xué)目標(biāo)是執(zhí)行小行星2016 HO3的伴飛探測(cè)及采樣返回、主帶彗星311P伴飛探測(cè)等任務(wù)。在發(fā)射后第二天，5月30日就相繼給地球、月球拍照，可謂是在飛向小行星前的“小試牛刀”。

“給黑洞拍照最難。給地球、月球、火星拍照本身難度沒有差異，主要是你要去到什么機(jī)位拍，飛過去的難度有差異，那當(dāng)然拍火星比地球難，拍月球比拍地球難。”劉博洋說。

天問二號(hào)拍攝的月球

如何在59萬千米外給地球和月球拍照？

國際天文聯(lián)合會(huì)小天體中心的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，截至2022年12月總共發(fā)現(xiàn)125萬多顆小天體，已編號(hào)的超過61萬顆，其中近地小行星超過3萬顆，彗星4 000余顆。

為了完成科學(xué)目標(biāo)，進(jìn)行小行星探測(cè)科學(xué)研究，天問二號(hào)攜帶了中視場(chǎng)彩色相機(jī)、多光譜相機(jī)、熱輻射光譜儀、可見紅外成像光譜儀、探測(cè)雷達(dá)、帶電粒子與中性粒子分析儀等科學(xué)探測(cè)載荷。其中能用于可見光彩色成像的主要是中視場(chǎng)彩色相機(jī)和窄視場(chǎng)導(dǎo)航敏感器。

“本次拍攝時(shí)，天問二號(hào)距離地、月分別為59萬千米左右，適合使用窄視場(chǎng)導(dǎo)航敏感器。在拍攝時(shí)，天問二號(hào)攜帶的星敏感器通過拍攝星空背景并與星圖數(shù)據(jù)庫比較，快速確認(rèn)航天器的姿態(tài)，這樣航天器可以在動(dòng)量輪驅(qū)使下，讓窄視場(chǎng)導(dǎo)航敏感器先后指向當(dāng)時(shí)地球、月球所在方向；隨后窄視場(chǎng)導(dǎo)航敏感器拍攝確認(rèn)地球或者月球是否在畫面中央，并把指向誤差信息反饋給衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行指向修正。確認(rèn)目標(biāo)位于視場(chǎng)中心后，進(jìn)行拍攝。”劉博洋解釋。

如何給地球拍彩照？

如何給地球拍彩色照片？這需要切換紅綠藍(lán)三色濾光片，同時(shí)還需要后期的處理。

窄視場(chǎng)導(dǎo)航敏感器是一個(gè)5120x3840像素的相機(jī)，物鏡口徑大于16cm，焦距略大于800mm。距離目標(biāo)3km時(shí)，可以分辨大小為2.4cm的目標(biāo)。

“這次拍攝地球和月球時(shí)具體的模式不同，地球是彩色圖像，用到了紅綠藍(lán)三色濾光片，”劉博洋說，由于窄視場(chǎng)導(dǎo)航敏感器本身的相機(jī)只能記錄灰度影像，需要先后切換三個(gè)濾光片才能完成拍攝。而拍攝月球時(shí)，則沒有使用特定顏色，如紅綠藍(lán)濾光片，而是使用全色濾光片，讓整個(gè)可見光波段，以及少量近紅外波段的光線都能透過，因此得到一張灰度影像。

天問二號(hào)如何與地面人員配合拍照？

那么，地面控制人員如何操作窄視場(chǎng)導(dǎo)航敏感器？一張清晰的成像圖背后，有沒有翻車作品？拍一張圖需要多長時(shí)間？

“據(jù)推測(cè)，地面控制中心需提前制定好拍攝時(shí)間、指向角度等基礎(chǔ)計(jì)劃，上傳給天問二號(hào)。但具體拍攝時(shí)，目標(biāo)的搜尋和準(zhǔn)確指向、對(duì)焦過程，可以由星上計(jì)算機(jī)自行完成。但是本次拍攝的具體過程，公開資料并未披露。”劉博洋解釋。

“我推測(cè)拍攝地球的時(shí)機(jī)這樣選取，要讓地球的大小剛好為畫幅的一半左右，如果在畫面中撐太滿，指向難度增大，指不準(zhǔn)容易出畫；如果在畫面中太小，浪費(fèi)相機(jī)分辨率。59萬公里下，地球大小2700像素，占長邊52%，短邊70%，屬于比較合適的比例。”

“拍攝月球使用全色濾光片，預(yù)期拍攝可以進(jìn)行得很快；拍攝地球用到紅綠藍(lán)三色濾光片，兩兩之間需要切換濾光片，每次切換可能需要1s到數(shù)秒。在此期間衛(wèi)星會(huì)飛過一段距離，導(dǎo)致后期對(duì)齊時(shí)，紅綠藍(lán)三色畫面不完全一致，因此我們可以在發(fā)布的地球影像的最亮點(diǎn)處看到輕微的從紅到藍(lán)的色散特征。”

劉博洋解釋，在數(shù)據(jù)回傳后，首先需要進(jìn)行圖像分幅，隨后需要進(jìn)行暗電流校正、相對(duì)輻射校正，也就是天文攝影中常說的暗場(chǎng)、平場(chǎng)處理。對(duì)于彩色圖像，如這次的地球，還需要把紅綠藍(lán)三色圖像做對(duì)齊和彩色合成。