太空相机：与众不同的成像方式

文/张雪松

▲“嫦娥四号”拍摄的首张月背照片（未经色彩校正）

▲“嫦娥四号”月背软着陆后降落相机拍摄的图像（经过色彩校正）

1月3日，我国嫦娥四号探测器成功登陆月球背面，随后拍下了玉兔二号月球车的第一张照片，但细心的读者发现，照片上月球的颜色偏红，感觉不正常。1月14日，嫦娥四号探测器总设计师孙泽洲表示，这是因为当时没有进行色彩校正导致的。那么，航天器的相机和人们日常使用的数码相机、手机摄像头到底有什么区别，为什么需要专门校色？

空间相机大有不同

手机摄像头是一种专用数码相机，随着智能手机的普及，人们对摄影都习以为常。很多读者认为，既然同样是相机，空间使用的相机和人们日常用的相机不都是一样么？

光学相机的原理的确大同小异，但具体设计却大有不同，空间相机由于所处环境不同，设计重点和人们常见的数码相机有不小的差异。

人们日常使用的相机一般都会自动进行白平衡调节，假设拍摄的场景整体为中性灰，然后校正照片颜色，这种方法在地面上很少出现太明显的问题，但在太空中就不一样了。由于太空和地面不同的光照强度、目标反射特征和物质成分，自动白平衡并不好用。

“嫦娥四号”的第一张照片使用的是监视相机拍摄，而这种相机服务于“玉兔二号”的转移释放，照片首先用于判断释放机构和月球车是否正常，因此，第一张照片并没有进行色彩校正导致严重偏红。相反，人们常用的数码相机很难遇到这么严重的偏色问题。

为解决太空环境下的色彩校正问题，“嫦娥四号”在地面对相机进行了色彩校正，使调整校色后的照片更接近拍摄目标的真实色彩。不过，更有效的做法是携带色标板获取彩色校正系数，拍摄时根据色标板的颜色修正，从而得到目标的真实色彩。因此，空间相机色彩校正一直是相机设计的难点和重点，这是太空和地面环境不同的必然结果。

另外，在太空冷热、真空和辐射等多方面的苛刻环境下，除相机颜色问题之外的其他方面也要付出很多代价，例如温控系统。人们在地面使用手机拍照时，极寒情况下有时相机甚至整个手机都无法正常使用，而在太空温度变化剧烈的情况下，温控就成了必须考虑的重中之重。

▲卫星上安装的照相机有着独特的成像方式.

可见光空间相机一般要求1度以内的温控精度，红外波段的相机更是要工作在超低温环境下，要么用遮阳罩，要么安装主动冷却装置，也可以两者兼有之。

独特的成像方式

色彩校正只是空间相机和地面相机差异的常见例子，由于环境和用途不同，空间相机还存在很多其他的区别，甚至连成像方式都截然不同。

人们常用的数码相机一般采用面阵CCD或CMOS做感光元件，拍照时“咔嚓”一声照片就出来了，但安装在航天器上的相机可没这么轻松，它们携带的相机通常使用线阵CCD实现在轨成像。线阵遥感CCD成像时，拍摄目标在垂直于CCD线阵方向上，并且要处于相对运动，这和人们手机拍照时需要保持相对静止的要求恰恰相反。

那么，为啥要有相对运动呢？数码相机里的面阵CCD可以直接获取二维照片，而线阵CCD相机获取的是一行信息，通过逐行连续扫描才能生成一张照片，要是不动就只能扫出来一行，而不是一张照片了。

虽然，线阵CCD相机无法直接成像，但也有独特优势：一方面是价格低分辨率高，另一方面是精度高视野宽广。线阵CCD扫描方式在人们日常生活中也很常见，扫描仪通常就使用线阵CCD。遥感卫星相对于地面高速运动，推扫式相机随着卫星飞行，无需来回扫描即可在轨成像。

线阵CCD相机是高分辨率对地遥感的主要传感器，例如，法国的SPOT5卫星和Pleiades卫星等都使用了线阵推扫式相机。

当然，线阵CCD并非空间相机的全部，随着微电子技术的进步，原本价格昂贵的面阵CCD也便宜起来。另外，使用CMOS作为感光元件的相机也得到了越来越多的应用。以美国GOES为代表的气象卫星已经开始使用面阵CCD相机进行对地成像。

更轻的新概念空间相机

目前，包括各种卫星、探测器使用的空间相机和人们在地面使用的数码相机有不小的区别，未来新概念空间相机和人们使用的数码相机和手机摄像或“大炮筒”，其技术原理相差就更大了。

根据分辨率极限公式，传统光学相机的分辨率指标和镜头口径直接相关，火箭运载能力和整流罩体积就那么大，如果要将大型侦察卫星发射到太空，会受到很大限制。因此，科研人员们正在为空间相机研制新概念技术，目的是彻底改变现有空间相机的面貌。

目前，美国国防高级研究计划局正在资助军工企业研制薄膜型光学即时成像器（MOIRE）技术，它使用衍射而不是折射成像，这种技术使用可折叠轻薄的衍射薄膜，其厚度和家用保鲜膜相当。如果未来航天器应用先进的MOIRE 技术，携带20米口径相机的侦察卫星，其重量可以减至5 吨左右。

另外，美国美国国防高级研究计划局还在资助洛克希德·马丁公司研制分段平面成像探测式光电侦察系统（SPIDER）。这种相机从光学透镜的堆叠技术发展为革命性的微型光学透镜阵列，它和传统的折射或反射式望远镜不同，使用的是干涉测量法成像，也可以理解为光学领域的相控阵技术。SPIDER技术可以极大地降低空间相机的体积和重量，相比同等成像质量的传统光学相机，应用SPIDER 技术后相机体积仅为原来的几十分之一。