如何才能讓飛船衛(wèi)星等探測(cè)器“看”得更清楚？

目前天問(wèn)一號(hào)距離地球約1.84億公里，距離火星約90萬(wàn)公里，問(wèn)天的星際征途還在繼續(xù)……

在此之前，天問(wèn)一號(hào)在距離火星約220萬(wàn)公里處，傳回了我國(guó)第一張火星照片，照片中阿茜達(dá)利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑、水手谷等標(biāo)志性地貌清晰可見。

但對(duì)于專業(yè)人士而言，透過(guò)照片能看到的信息仍然太少。如何才能讓飛船衛(wèi)星等探測(cè)器“看”得更清楚呢？

探測(cè)器要看得清所考察的星球上的目標(biāo)，必須要搞清楚衛(wèi)星飛船等探測(cè)器上相機(jī)的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)——光譜分辨率、空間分辨率、時(shí)間分辨率。

Part.1

成為“火眼金睛”，讓細(xì)微事物無(wú)處遁形

我們知道，太陽(yáng)光通常是白光，當(dāng)白光通過(guò)三棱鏡折射后，就會(huì)形成一系列不同顏色（波長(zhǎng)）的彩色光譜，白光是可見光，人類可以肉眼識(shí)別，那些可見光之外的光譜就只有儀器才可以探測(cè)了。

光的色散：白光其實(shí)由一系列不同顏色的光所組成的

事實(shí)上，不只是光，不同的物質(zhì)都有它獨(dú)特的“光譜標(biāo)識(shí)”。我們前面提到的光譜分辨率，簡(jiǎn)單的理解就是對(duì)“顏色”的分辨能力。具體來(lái)說(shuō)，就是對(duì)影像中地物波譜細(xì)節(jié)信息的分辨能力，是衛(wèi)星傳感器接收地物箱射波譜時(shí)所能辨別的最小波長(zhǎng)間隔。

當(dāng)間隔較小時(shí)，光譜分辨率相應(yīng)就會(huì)越髙。在同樣的波譜范圍下，通常影像波段數(shù)越多，光譜分辨率越高，如高光譜影像往往比多光譜影像具有更髙的光譜分辨率，高光譜分辨率意味著衛(wèi)星探測(cè)器能夠識(shí)別更多的東西，像火眼金睛一樣讓細(xì)微的事物無(wú)處遁形，這對(duì)于影像地物的分類識(shí)別等具有重要意義。

光譜分辨率高也有其缺點(diǎn)，那就是空間分辨率低。光譜分辨率與空間分辨率相互制約，遙感器成像的一個(gè)探測(cè)單元接收到的能量是電磁波在空間和波長(zhǎng)上的雙重積累。

如果空間分辨率和光譜分辨率同時(shí)提高，信號(hào)將只能更小的空間和更窄的波長(zhǎng)上積累，信號(hào)減弱，信噪比降低，導(dǎo)致成像質(zhì)量差。所以，當(dāng)光譜分辨率和空間分辨率有一個(gè)推向極致時(shí)，另一個(gè)指標(biāo)勢(shì)必要降低，以保證接收到的信號(hào)足夠強(qiáng)。

這次天問(wèn)一號(hào)拍攝的圖像僅僅是黑白照片，為可見光波段范圍的混合圖像，由于是單波段，所以在圖上顯示為灰度圖片。這種單波段遙感圖像一般空間分辨率高，但無(wú)法顯示地物色彩，也就是圖像的光譜信息少。

Part.2

放大再放大，讓眼神更銳利

那什么是空間分辨率？

當(dāng)我們夸贊一張圖片高清時(shí)，其實(shí)是想說(shuō)這張圖片能夠讓我們看清更多的細(xì)節(jié)。作為太空之眼的探測(cè)器想要看得更清楚，也需要捕捉細(xì)節(jié)，讓眼神更銳利，這就需要提高空間分辨率。

通俗來(lái)講，空間分辨率就是探測(cè)器能看得見地面上最小物體的能力。從專業(yè)角度上來(lái)說(shuō)，空間分辨率是對(duì)遙感影像空間細(xì)節(jié)信息的辨別能力，指的是傳感器能夠分辨的最小目標(biāo)地物的大小，是實(shí)際衛(wèi)星觀測(cè)影像中的一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的地面范圍。

例如，我國(guó)研制的高分二號(hào)衛(wèi)星分辨率達(dá)到了0.8m全色/3.2m多光譜，使我國(guó)空間對(duì)地觀測(cè)能力進(jìn)入亞米級(jí)時(shí)代，這意味著能夠觀測(cè)到地面上小汽車；高景1號(hào)衛(wèi)星則分辨率達(dá)到了0.5m的分辨率，高分11號(hào)衛(wèi)星的空間分辨率得到了進(jìn)一步的提升，分辨率達(dá)到了0.1m[1]，影像中的一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的實(shí)際地面大小0.1m*0.1m，獲得了較高的空間分辨率。

高空間分辨率圖像對(duì)于影響目標(biāo)地物的識(shí)別和目視解譯等具有重要的作用?？臻g分辨率的大小和哪些因素有關(guān)呢？

一般來(lái)說(shuō)，離觀測(cè)對(duì)象越近，看得越清楚，也就是說(shuō)和探測(cè)器的軌道高度H有密切關(guān)系。

另外“眼睛”越大看得越清晰，空間分辨率的大小還與探測(cè)器上的相機(jī)的口徑大小D有關(guān)；各國(guó)發(fā)展的科學(xué)水平也影響著空間分辨率的大小，不同探測(cè)器上的像元大小a不同，我們也可以通過(guò)公式來(lái)表示[2]：

R=H*a/（D*F）

其中F=f/D （F為f數(shù)，f為相機(jī)口徑的焦距）

這次天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器的軌道器搭載的六大載荷里有兩個(gè)都是光學(xué)成像設(shè)備，分別是中分辨率相機(jī)與高分辨率相機(jī)，其中高分辨率相機(jī)在近火星點(diǎn)300公里軌道高度成像分辨率可達(dá)0.6米，根據(jù)相關(guān)媒體報(bào)道，高分辨相機(jī)的口徑僅400mm。

那是不是空間分辨率越高越好呢，其實(shí)不然，俗話說(shuō)得好，“鼠”目寸光和管中窺豹，由此可見，空間分辨率并不是越高越好。

分辨率越高，看得到的范圍就越小，也就是看得了細(xì)節(jié)，卻不知道全貌，就如同我們?cè)诘貓D上用放大鏡查找位置。知道了具體位置（**街道**村），我們?nèi)圆磺宄撊绾我徊讲蕉ㄎ徽业剿?/p>

因此我們既要看得清楚，又要看的范圍更大，以便洞察全局，這就需要探測(cè)器在更高的軌道，看清更大的范圍。這時(shí)候探測(cè)器的空間分辨率就不需要太高，此時(shí)我們只要大概了解一個(gè)范圍就可以了，如同我們縮小地圖范圍，了解我們查找的位置在**縣**市**省，然后根據(jù)我們掌握的知識(shí)就自然明白所找的位置在哪里了。

高分二號(hào)屬于低軌衛(wèi)星（軌道高度約為600km），因此它一次成像觀測(cè)的視野會(huì)較小，只能通過(guò)兩臺(tái)相機(jī)拼幅成像，成像幅寬45km，在側(cè)擺23°情況下5天周期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面任一區(qū)域的重復(fù)觀測(cè)。

從上述分析可以看到，高分二號(hào)衛(wèi)星雖然實(shí)現(xiàn)了較高的空間分辨率，但仍存在觀測(cè)的范圍不足等問(wèn)題。因此如果需要獲得準(zhǔn)確的位置信息，這就需要高低軌道探測(cè)器共同聯(lián)合發(fā)揮作用，低軌道探測(cè)器獲得高分辨率的圖像，而高軌道的探測(cè)器獲得范圍更大的圖像。

Part.3

邊轉(zhuǎn)還要邊拍，需要反應(yīng)更敏捷

除了要看得清楚，盡可能擴(kuò)大視野外，工程師還要保證探測(cè)器有足夠的時(shí)間去觀察。

被探測(cè)的星球都是不停自轉(zhuǎn)的，探測(cè)器在較低軌道時(shí)，星球的自轉(zhuǎn)速度小于探測(cè)器的飛行速度，探測(cè)器很快就會(huì)飛離所觀測(cè)的位置，因此我們并不能保證探測(cè)器所看到的位置是時(shí)刻不間斷偵查，因此學(xué)者提出了時(shí)間分辨率的觀念。

時(shí)間分辨率顧名思義就是對(duì)同一地點(diǎn)的重復(fù)觀測(cè)能力。通常也把時(shí)間分辨率稱為重訪周期，重訪周期越短，時(shí)間分辨率越髙，探測(cè)器看的也就越清晰。

由于大多數(shù)目標(biāo)是移動(dòng)的非靜止目標(biāo)，如果沒(méi)有足夠的時(shí)間分辨率，等探測(cè)器飛回再偵查時(shí)，目標(biāo)早已不知去向，因此髙時(shí)間分辨率對(duì)于地物的動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)等具有重要作用。

對(duì)于地球而言，地球自轉(zhuǎn)的周期是23小時(shí)56分4.09秒，接近24小時(shí)，根據(jù)高中所學(xué)牛頓的萬(wàn)有引力知識(shí)，我們可以出計(jì)算地球同步靜止軌道高度約為36000公里，這也是高考經(jīng)?？嫉降念}目，你還會(huì)計(jì)算嗎？

也就是說(shuō)，只要探測(cè)器在地球同步靜止軌道，此時(shí)探測(cè)器的角速度就和地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，那樣探測(cè)器就會(huì)一直在同一地點(diǎn)的上空不間斷觀測(cè)。

高分四號(hào)就是這樣的工作原理，它是我國(guó)成功研制的首顆地球靜止軌道高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星。與高分二號(hào)不同，高分四號(hào)為高軌衛(wèi)星，處于距地球36000km的地球靜止同步軌道，所拍攝的每張照片可覆蓋16萬(wàn)平方公里，通過(guò)拍攝60張照片可實(shí)現(xiàn)對(duì)西太平洋一千萬(wàn)平方公里的覆蓋，拍攝時(shí)間約為4～12分鐘?；究蓪?shí)現(xiàn)對(duì)地實(shí)時(shí)探測(cè)，具有極其重要的戰(zhàn)略意義。

然而，由于高分四號(hào)衛(wèi)星空間分辨率僅為50m，對(duì)地觀測(cè)形成的圖片比較模糊，因此不能用于直接識(shí)別小目標(biāo)。

這個(gè)難題可以通過(guò)高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星的組合來(lái)解決，我們可以利用具有高時(shí)間分辨率的高軌衛(wèi)星進(jìn)行普查，再利用高空間分辨率的低軌衛(wèi)星進(jìn)行詳查，但這種方法依然存在時(shí)效性不足的難題。

同樣，如果想要固定在火星某一位置長(zhǎng)時(shí)間拍攝，探測(cè)器也要達(dá)到一定的高度?；鹦亲赞D(zhuǎn)一周的周期為24小時(shí)37分22.6秒,和地球自轉(zhuǎn)一周時(shí)間比較近似，但是它的半徑只有地球的一半，因此探測(cè)器需要在約17000km的高度才能和火星保持相對(duì)的靜止。

“三高”的高分探測(cè)器存在嗎？

高光譜分辨率、高空間分辨率、高時(shí)間分辨率的“三高”探測(cè)器存在嗎？

同時(shí)具備其中兩項(xiàng)的方法還是有的，提高地球靜止軌道相機(jī)口徑能在保證時(shí)間分辨率的同時(shí)使探測(cè)器具有高空間分辨率。

拿高分四號(hào)來(lái)說(shuō)，它的空間分辨率大約為50m，將它的空間分辨率調(diào)整到10m，衛(wèi)星可發(fā)現(xiàn)100m以上大型目標(biāo)。因此可以將高分四號(hào)的相機(jī)口徑擴(kuò)大5倍，約為3.5m左右，利用可見和紅外波段實(shí)時(shí)探測(cè)目標(biāo)。

當(dāng)然低軌衛(wèi)星還可以與高軌衛(wèi)星協(xié)同工作來(lái)進(jìn)行觀測(cè)，低軌衛(wèi)星高分辨率可以清楚地看清地方目標(biāo)，利用低軌衛(wèi)星的高分辨，發(fā)現(xiàn)并識(shí)別具體更有價(jià)值的小型目標(biāo)，然后利用高軌地球靜止軌道衛(wèi)星相機(jī)的高時(shí)間分辨率對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)。

除了對(duì)火星等地外星系進(jìn)行探測(cè)，對(duì)地觀測(cè)也是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)，高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星快速發(fā)展，對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)由最初的單星模式發(fā)展為現(xiàn)在的輕小型衛(wèi)星組建星座，實(shí)現(xiàn)了全天時(shí)、全天候、全方位的對(duì)地精細(xì)化觀測(cè)。

未來(lái)將通過(guò)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星星座與通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星和飛機(jī)等空間節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，建立天基空間信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能化空天信息的實(shí)時(shí)服務(wù)，形成一種模擬腦感知、認(rèn)知過(guò)程的智能化對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)可結(jié)合地球空間信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、大數(shù)據(jù)科學(xué)與云計(jì)算及腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)等領(lǐng)域知識(shí)，在天基空間信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下形成集測(cè)量、定標(biāo)、目標(biāo)感知與認(rèn)知、服務(wù)用戶為一體的智能對(duì)地觀測(cè)“腦”系統(tǒng)[3]。

作為太空之眼，探測(cè)器攜帶的高分辨率相機(jī)拓寬了人們認(rèn)識(shí)和感知宇宙的能力，我們相信，這雙持續(xù)“升級(jí)”的慧眼，還將在更多領(lǐng)域貢獻(xiàn)價(jià)值和力量！

原文標(biāo)題：擦亮“深空之眼”｜認(rèn)識(shí)探測(cè)器的光譜、時(shí)間和空間分辨率

文章出處：【微信公眾號(hào)：中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯:haq