Воодушевившись очередными удачами в деле популяризации изучений Марса для русскоговорящей аудитории (раз и два) захотелось почитать про технические детали о том, как же получаются совсем фантастические снимки (к примеру, раз и два). Но поиск по Хабру дал лишь отсылки ккамере , без каких-либо подробностей.

Порядком удивившись, я нагуглил разрозненные описания устройства, взаимодействия устройств и принципа действия в составе MRO (Mars Reconnaissance Orbiter — марсианский разведывательный спутник) на британском и краткую компиляцию всего этого в русской Википедии. Учитывая, что тема Марса так же, как и прежде (и, возможно, неизменно) актуальна, решил для всех интересующихся сделать более полное описаниекамерывысокого разрешения, находящейся на орбите Марса — HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment ).
Смотрите кроме этого: 10 лет первой камере для съемки Марса в высоком разрешении

Вероятнее, это событие прошло фактически незамеченным. Разве что специалисты да очень интересующиеся любители отыскали в памяти, что 2 июня 2003 года космический аппарат Космического агентства ЕС «Марс-экспресс» («Mars Eхpress») отправился к Красной планете, в первый раз неся на своем борту стереоскопическую камеру большого разрешения (High Resolution Stereo Camera, HRSC).

Сухие факты

Начнем с истории. Которая зародилась в конце 80-х годов упрочнениями Алана Деламера (Alan Delamere) из компании Ball Aerospace. Алан начал конструировать камеру, которая имела возможность бы снимать удаленные объекты с высоким разрешением.

Но на практике воплотить собственные идеи удалось лишь в 2000-х годах, в то время, когда Аризонский университет начал подготовку многофункциональной автоматической межпланетной станции MRO (Mars Reconnaissance Orbiter). Объединившись с учеными университета в 2001 году удалось добиться принципиального согласия НАСА на установку в MRO таковой августа и 12 камеры 2005 года она была удачно установлена:Думаю, тут нет особенного смысла расписывать цели миссии, путешествие HiRISE к Марсу, известный Луны и семейный портрет Земли, временные злоключения с аппаратурой и т.д., обо всем этом возможно прочесть в соответствующей статье в аккумуляторная.А вот чего в том месте нет, так это устройства HiRISE и изюминок работы его оборудования.Главные компоненты HiRISE в целом приблизительно соответствуют устройству любого космического телескопа: оптическая совокупность да управляющая электроника :)Но потому, что от камеры требовалось получение снимков изюминок марсианской поверхности (как уже известных, так и не найденных ранее) с контрастностью и высоким разрешением, она должна была иметь не только широкую полосу захвата, но и весьма хорошее соотношение сигнал/шум.

А вдруг добавить к этому ограничения по массе, бюджету, проектным срокам, и огромную путевую скорость полета (3,4 км/с), то достижение указанных параметров съемки — очевидно непростая задача.Фотоприемник устройства представляет собой астигматический телескоп-рефлектор с совокупностью из 3 зеркал. В HiRISE употребляется легкая Зеродуровская оптика и композитные материалы из углеродного волокна.

Применение углеволокна дает легкий, но твёрдый каркас и низкую абсорбцию с малым коэффициентом разбухания. Композитные элементы с отрицательным тепловым расширением в сочетании с железными соединениями (имеющими хороший коэффициент расширения) разрешают избежать деформации конструкции.Применение в объективе схемы Кассегрена (см. картину) с оборачивающей оптикой и двумя зеркалами было оптимизировано для работы на уровне дифракционного предела при узкой полосе охвата, которая получается при съемке на протяжении перемещения космического аппарата (так называемая push-broom съемка, о которой обращение отправится дальше).

Фильтры перед детекторами разделяют световой поток на 3 спектральных диапазона: красный (панхроматический), светло синий-зеленый и ближний инфракрасный.ПЗС расположены зигзагообразно, дабы закрыть всю область прохода, без каких-либо пропусков. светло синий-зеленый и ближный инфракрасный диапазоны имеют по 2 детектора с неспециализированной шириной полосы обзора в 4048 px, для красного диапазона предусмотрено 10 детекторов с неспециализированной шириной обзора 20264 px.

50-сантиметровое основное зеркало имеет двухарочную конструкцию для увеличения прочности и снижения массы. Цветовые фильтры находятся в 30 мм от детекторов, что разрешает избежать неприятностей из-за многократных отражений и рассеянного света квази-коллимированного луча.

Диафрагма Лио (Lyot stop), расположенная между третичным и вторым складным зеркалом, разрешает полностью исключить рассеянный свет.Дабы сказать об работе и устройстве матрицы ПЗС, сперва кратко поведаю об изюминках push-broom съемки. Аналогия съемки в направлении перемещения космического аппарата с щеткой оказалась из-за однообразного принципа: вы ведете щетку по полу, неспешно стирая пыль, а HiRISE снимает изображение не полностью, а последовательно сканируя поверхность Марса.Как и при с щеткой, ширина захвата, т.е. как много «пыли» нам удастся собрать за один проход, зависит от количества детекторов, а вот протяженность зависит от того, сколько последовательностей пикселей будут объединены в итоговое изображение.

Тут ученым, управляющим камерой с Почвы, приходится выбирать в это же время, какой участок поверхности они смогут заснять, и тем, какой количество данных они смогут хранить и обрабатывать в аппарате (а ведь их позже еще и на Землю передавать). Кстати, важный нюанс при определении количеств работы — это «температурный режим» HiRISE.

Для контроля за его состоянием на аппарате расположено 35 температурных датчиков (на картине не обозначены внешние датчики 7, 8, 11, 13, 14, 20, 30 и внутренние 32-35, потому, что картина дана в разрезе).А вот коды датчиков по классификатору Planetary Data System1 — MRO:OPT_BNCH_FLEXURE_TEMPERATURE2 — MRO:OPT_BNCH_MIRROR_TEMPERATURE 3 — MRO:OPT_BNCH_FOLD_FLAT_TEMPERATURE4 — MRO:OPT_BNCH_FPA_TEMPERATURE 5 — MRO:OPT_BNCH_FPE_TEMPERATURE 6 — MRO:OPT_BNCH_LIVING_RM_TEMPERATURE7 — MRO:OPT_BNCH_BOX_BEAM_TEMPERATURE 8 — MRO:OPT_BNCH_COVER_TEMPERATURE 9 — MRO:MS_TRUSS_LEG_0какое количество 10 — MRO:MS_TRUSS_LEG_0_B_TEMPERATURE 11 — MRO:MS_TRUSS_LEG_120_A_TEMPERATURE12 — MRO:MS_TRUSS_LEG_120_B_TEMPERATURE13 — MRO:MS_TRUSS_LEG_240_A_TEMPERATURE14 — MRO:MS_TRUSS_LEG_240_B_TEMPERATURE15 — MRO:SEC_MIRROR_MTR_RNG_TEMPERATURE16 — MRO:аккумуляторная17 — MRO:PRIMARY_MIRROR_TEMPERATURE 18 — MRO:PRIMARY_MIRROR_BAF_TEMPERATURE19 — MRO:BARREL_BAFFLE_TEMPERATURE 20 — MRO:SPIDER_LEG_30_TEMPERATURE 21 — MRO:SPIDER_LEG_150_TEMPERATURE 22 — MRO:SPIDER_LEG_270_TEMPERATURE 23 — MRO:SEC_MIRROR_TEMPERATURE24 — MRO:SEC_MIRROR_BAFFLE_TEMPERATURE25 — MRO:FIELD_STOP_TEMPERATURE26 — MRO:SUN_SHADE_TEMPERATURE 27 — MRO:FPA_POSITIVE_Y_TEMPERATURE 28 — MRO:FPA_NEGATIVE_Y_TEMPERATURE 29 — MRO:FPE_TEMPERATURE 30 — MRO:IEA_TEMPERATURE 31 — MRO:FOCUS_MOTOR_TEMPERATURE 32 — MRO:INST_CONT_BOARD_TEMPERATURE 33 — MRO:MECH_TLM_BOARD_TEMPERATURE 34 — MRO:CPMM_PWS_BOARD_TEMPERATURE 35 — MRO:IE_PWS_BOARD_TEMPERATURE Итак, ширина области захвата зависит от количества датчиков. В фокальной плоскости HiRISE расположена система, складывающаяся из алюминиево-углеродного каркаса, спектрального фильтра и обработки сигналов и модулей памяти с ПЗС.

Любой ПЗС содержит по 2048 пикселей с физическим размером 12 мкм, расположенных в направлении, противоположном перемещению MRO, и 128 элементов интеграции с временной задержкой (TDI), расположенных по направлению перемещению аппарата. Все 14 ПЗС расположены зигзагообразно с перекрытием в 48 px, что снабжает постоянную ширину области захвата около 20000 px в красном диапазоне и около 4048 в светло синий-зеленом и ближнем инфракрасном.

Питание аппарата разрешает в один момент трудиться как минимум 10 ПЗС.Применение TDI увеличивает время экспозиции и разрешает добиться как высоких разрешений, так и большого соотношения сигнал/шум (которое образовывает 200:1 для красного диапазона и 100:1 для остальных). В то время, когда космический аппарат пролетает над поверхностью Марса, TDI совмещает сигналы, проходящие через ПЗС детекторы, методом смещения накопленного сигнала на следующий последовательность (линейку) ПЗС с той же частотой, с какой движется изображение.

Вот пример применения четырехфазного TDI:Частота смены линеек (13000 линеек в секунду) соотносится с 76 микросекундами на одну линейку при нахождении аппарата в 250 км над поверхностью. Время интеграции пикселей подобрано так, дабы соответствовать скорости относительно земли так, дабы заряд с одного участка изображения последовательно согласовывался со следующим элементом по пути следования аппарата.

Фотоприемник может применять 8,32, 64 и 128 уровней TDI (элементов детекторов, расположенных на протяжении полосы съемки), дабы неспециализированная светимость изображения соответствовала чувствительности ПЗС. Вероятное смазывание изображения из-за вращения планеты компенсируется положением аппарата по вертикальной оси («рысканием»). обработки сигналов модуля и Электронные компоненты памяти с ПЗС минимизируют количество активных и пассивных элементов, талантливых «зашумливать» картину.

Цепочка преобразований между выходным усилителем ПЗС и 14-битным аналогово-цифровым конвертером (выдающим 80 Мвыб/с) выстроена так, дабы создавать меньше шума, чем ПЗС, оставаясь наряду с этим устойчивой к радиации и нетребовательной к мощности. Любой из 14 модулей для контроля, обработки сигнала, хранения и сжатия данных применяет матрицу логических элементов с эксплуатационным программированием Xilinx Virtex 300E с дополнительной защитой от радиации.

Матрица представлет собой статическое ОЗУ (SRAM), что разрешает перепрошивать его в ходе эксплуатации.Предполагаемый большой сигнал для красного канала — 76 тыс. электронов на высоте 300 км без применения биннинга. На следующей картине продемонстрирован график зависимости соотношения сигнал/шум (SNR) от высоты аппарата и альбедо поверхности во всех трех диапазонах:А вот функция передачи модуляции в зависимости от разных факторов (по горизонтальной оси — Пространственное разрешение, большая частота сигнала (Найквист) 41,7 lp/mm ).Да, по тексту пара раз упоминался биннинг.

Кратко — это метод получения данных с камеры при котором информация идет не от каждого пикселя, а от группы пикселей, образующих один «суперпиксель». Данный суперпиксель содержит световые эти от всех четырех пикселей, что делает его в 4 раза бросче уникальных пикселей. Одновременно с этим и самих пикселей делается в 4 раза меньше.

Потому, что биннинг производится аппаратурой HiRISE, то поменять данный параметр позднее уже запрещено. Вот пример 4 х 4 биннинга:Логичный вопрос: раз биннинг снижает пространственное разрешение, для чего по большому счету его применять? Ответ несложен: в то время, когда изображение через чур чёрное, то оно так зернистое, что небольших подробностей все равно заметить запрещено, соответственно мы ничего не утратим, в случае если выставим верную экспозицию посредством биннинга.

Еще один важный нюанс — ограниченный количество локального хранилища. Да и, в итоге, не все области нуждаются в огромной детализации. Если не требуется разрешение в 1 метр на пиксель, то в полной мере возможно применять биннинг и не перегружать лишний раз оборудование.Что касается организации съемки, то тут, в неспециализированном-то, все стандартно. Координаты целевой области, которую требуется снять, на протяжении очередного сеанса связи заливаются на космический аппарат.

Аппарат переводит их на протяжении, в которое он будет пролетать над заданной областью. В соответствующий момент выполняются заблаговременно переданные команды, каковые инициализируют экспозицию. Команды включают в себя следующие параметры: время на 1 линейку, количество линеек, биннинг, количество уровней TDI, таблицу преобразований для конвертации 14-битных данных в 8-битные.

Приблизительно за 5 секунд до начала экспозиции на аналоговые совокупности начинает поступать питание. В заданное время в один момент включаются и синхронизируются все детекторы. Когда последний сигнал проходит через последний детектор, питание отключается, а собранную информацию последовательно считываются с каждого модуля памяти для передачи на Землю.

Каждой передаваемой категории данных соответствует собственный заголовок, дабы позже эти сведенья возможно было корректно трактовать. Опционально эти смогут быть сжаты без утраты качества встроенным аппаратным устройством, подсоединенном к SSR.

Для передачи 20 Mpx изображения требуется от 4 до 48 часов в зависимости от расстояния и параметров сжатия до Почвы.А уже на Земле мы можем наслаждаться вот такими картинкамиНу и напоследок еще пара любопытных фактов о HiRISEФилософия HiRISE — «Народная камера».Команда ученых — это не несколько, собравшаяся в одном помещении, а люди, находящиеся в различных точках Почвы.публикация и Обработка изображений их в вебе автоматизирована (занимает от нескольких суток до нескольких недель).Инструменты анализа основаны на веб-разработках.PS В случае если тема вас заинтересовала, могу продолжить в сторону формирования/обработки команд с Почвы и на самом аппарате, и затронуть программный интерфейс HiRISE.PPS В случае если найдёте неточности в терминологии либо еще какие-то неточности — welcome в личку. В том же направлении принимается объективная критика по любым вторым нюансам статьи.

Случайная статья:

• Апгрейд игрового ноутбука — зачем нужна «игровая» память и быстрая система хранения
• Canon eos 550d: почти совершенство (обновлено)

10 лет на орбите: невероятные снимки Mars Reconnaissance Orbiter

Похожие статьи:

• От 200 до 20000 px: пять десятилетий эволюции фотосъемки марса из космоса (с картинками и цифрами)

  Ровно 50 лет назад, 19 июня 1963 года, «Марс-1» — первый в истории космический аппарат, выведенный на траекторию полета к Марсу — максимально сблизился с…

• Как мы искали марс-3

  Честное слово, это практически случайно оказалось, что такая новость пришла к Дню космонавтики и началу апреля. Сейчас я поведаю о том, как история,…

• Удивительный марс

  По своим краснопланетарным заинтересованностям я довольно часто нахожу необыкновенные снимки Марса либо иллюстрированные научные факты про него….