如何才能讓飛船衛(wèi)星等探測器“看”得更清楚？

目前天問一號距離地球約1.84億公里，距離火星約90萬公里，問天的星際征途還在繼續(xù)……

在此之前，天問一號在距離火星約220萬公里處，傳回了我國第一張火星照片，照片中阿茜達利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑、水手谷等標志性地貌清晰可見。

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

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

Part.1

成為“火眼金睛”，讓細微事物無處遁形

我們知道，太陽光通常是白光，當白光通過三棱鏡折射后，就會形成一系列不同顏色（波長）的彩色光譜，白光是可見光，人類可以肉眼識別，那些可見光之外的光譜就只有儀器才可以探測了。

光的色散：白光其實由一系列不同顏色的光所組成的

事實上，不只是光，不同的物質(zhì)都有它獨特的“光譜標識”。我們前面提到的光譜分辨率，簡單的理解就是對“顏色”的分辨能力。具體來說，就是對影像中地物波譜細節(jié)信息的分辨能力，是衛(wèi)星傳感器接收地物箱射波譜時所能辨別的最小波長間隔。

當間隔較小時，光譜分辨率相應就會越髙。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)星探測器能夠識別更多的東西，像火眼金睛一樣讓細微的事物無處遁形，這對于影像地物的分類識別等具有重要意義。

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

如果空間分辨率和光譜分辨率同時提高，信號將只能更小的空間和更窄的波長上積累，信號減弱，信噪比降低，導致成像質(zhì)量差。所以，當光譜分辨率和空間分辨率有一個推向極致時，另一個指標勢必要降低，以保證接收到的信號足夠強。

這次天問一號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？

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

通俗來講，空間分辨率就是探測器能看得見地面上最小物體的能力。從專業(yè)角度上來說，空間分辨率是對遙感影像空間細節(jié)信息的辨別能力，指的是傳感器能夠分辨的最小目標地物的大小，是實際衛(wèi)星觀測影像中的一個像素所對應的地面范圍。

例如，我國研制的高分二號衛(wèi)星分辨率達到了0.8m全色/3.2m多光譜，使我國空間對地觀測能力進入亞米級時代，這意味著能夠觀測到地面上小汽車；高景1號衛(wèi)星則分辨率達到了0.5m的分辨率，高分11號衛(wèi)星的空間分辨率得到了進一步的提升，分辨率達到了0.1m[1]，影像中的一個像素所對應的實際地面大小0.1m*0.1m，獲得了較高的空間分辨率。

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

一般來說，離觀測對象越近，看得越清楚，也就是說和探測器的軌道高度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器上的相機的口徑大小D有關(guān)；各國發(fā)展的科學水平也影響著空間分辨率的大小，不同探測器上的像元大小a不同，我們也可以通過公式來表示[2]：

R=H*a/（D*F）

其中F=f/D （F為f數(shù)，f為相機口徑的焦距）

這次天問一號探測器的軌道器搭載的六大載荷里有兩個都是光學成像設備，分別是中分辨率相機與高分辨率相機，其中高分辨率相機在近火星點300公里軌道高度成像分辨率可達0.6米，根據(jù)相關(guān)媒體報道，高分辨相機的口徑僅400mm。

那是不是空間分辨率越高越好呢，其實不然，俗話說得好，“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，也就是看得了細節(jié)，卻不知道全貌，就如同我們在地圖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，這就需要探測器在更高的軌道，看清更大的范圍。這時候探測器的空間分辨率就不需要太高，此時我們只要大概了解一個范圍就可以了，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)我們掌握的知識就自然明白所找的位置在哪里了。

高分二號屬于低軌衛(wèi)星（軌道高度約為600km），因此它一次成像觀測的視野會較小，只能通過兩臺相機拼幅成像，成像幅寬45km，在側(cè)擺23°情況下5天周期內(nèi)可實現(xiàn)對地球表面任一區(qū)域的重復觀測。

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

Part.3

邊轉(zhuǎn)還要邊拍，需要反應更敏捷

除了要看得清楚，盡可能擴大視野外，工程師還要保證探測器有足夠的時間去觀察。

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

時間分辨率顧名思義就是對同一地點的重復觀測能力。通常也把時間分辨率稱為重訪周期，重訪周期越短，時間分辨率越髙，探測器看的也就越清晰。

由于大多數(shù)目標是移動的非靜止目標，如果沒有足夠的時間分辨率，等探測器飛回再偵查時，目標早已不知去向，因此髙時間分辨率對于地物的動態(tài)變化檢測等具有重要作用。

對于地球而言，地球自轉(zhuǎn)的周期是23小時56分4.09秒，接近24小時，根據(jù)高中所學牛頓的萬有引力知識，我們可以出計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，你還會計算嗎？

也就是說，只要探測器在地球同步靜止軌道，此時探測器的角速度就和地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，那樣探測器就會一直在同一地點的上空不間斷觀測。

高分四號就是這樣的工作原理，它是我國成功研制的首顆地球靜止軌道高分辨率光學遙感衛(wèi)星。與高分二號不同，高分四號為高軌衛(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16萬平方公里，通過拍攝60張照片可實現(xiàn)對西太平洋一千萬平方公里的覆蓋，拍攝時間約為4～12分鐘?；究蓪崿F(xiàn)對地實時探測，具有極其重要的戰(zhàn)略意義。

然而，由于高分四號衛(wèi)星空間分辨率僅為50m，對地觀測形成的圖片比較模糊，因此不能用于直接識別小目標。

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

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

“三高”的高分探測器存在嗎？

高光譜分辨率、高空間分辨率、高時間分辨率的“三高”探測器存在嗎？

同時具備其中兩項的方法還是有的，提高地球靜止軌道相機口徑能在保證時間分辨率的同時使探測器具有高空間分辨率。

拿高分四號來說，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。因此可以將高分四號的相機口徑擴大5倍，約為3.5m左右，利用可見和紅外波段實時探測目標。

當然低軌衛(wèi)星還可以與高軌衛(wèi)星協(xié)同工作來進行觀測，低軌衛(wèi)星高分辨率可以清楚地看清地方目標，利用低軌衛(wèi)星的高分辨，發(fā)現(xiàn)并識別具體更有價值的小型目標，然后利用高軌地球靜止軌道衛(wèi)星相機的高時間分辨率對其進行實時探測。

除了對火星等地外星系進行探測，對地觀測也是未來發(fā)展的重點，高分辨率對地觀測衛(wèi)星快速發(fā)展，對地觀測系統(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，實現(xiàn)了全天時、全天候、全方位的對地精細化觀測。

未來將通過對地觀測衛(wèi)星星座與通信衛(wèi)星、導航衛(wèi)星和飛機等空間節(jié)點動態(tài)組網(wǎng)，建立天基空間信息網(wǎng)絡，實現(xiàn)智能化空天信息的實時服務，形成一種模擬腦感知、認知過程的智能化對地觀測系統(tǒng)。此系統(tǒng)可結(jié)合地球空間信息科學、計算機科學、大數(shù)據(jù)科學與云計算及腦科學與認知科學等領域知識，在天基空間信息網(wǎng)絡環(huán)境下形成集測量、定標、目標感知與認知、服務用戶為一體的智能對地觀測“腦”系統(tǒng)[3]。

作為太空之眼，探測器攜帶的高分辨率相機拓寬了人們認識和感知宇宙的能力，我們相信，這雙持續(xù)“升級”的慧眼，還將在更多領域貢獻價值和力量！

原文標題：擦亮“深空之眼”｜認識探測器的光譜、時間和空間分辨率

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責任編輯:haq