HiRISE или как фотографируют Марс с орбиты
Воодушевившись очередными успехами в деле популяризации исследований Марса для русскоговорящей аудитории (раз и два) захотелось почитать про технические подробности о том, как же получаются совершенно фантастические снимки (например, раз и два). Но поиск по рунету дал только отсылки к камере, без каких-либо подробностей. Порядком удивившись, я нагуглил разрозненные описания устройства, принципа действия и взаимодействия устройств в составе MRO (Mars Reconnaissance Orbiter - марсианский разведывательный спутник) на английском и краткую компиляцию всего этого в русской Википедии. Учитывая, что тема Марса по-прежнему (и, наверное, всегда) актуальна, решил для всех интересующихся сделать более полное описание камеры высокого разрешения, находящейся на орбите Марса - HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment ).
[Сухие факты]
Параметр
Значение
Разрешение
25-50 см/пиксель
Спектральный диапазон
сине-зеленый (400-600 нм)
красный (550-850 нм)
ближний инфракрасный (800-1000 нм)
Ширина полосы обзора
6 км (красный)
1,2 км (сине-зеленый и ближний инфракрасный)
Апертура телескопа
50 см, f/24
Углы обзора
1.43° x 0.1°
Угловое разрешение
1 х 1 микрорадиан
Фокусное расстояние
9,6 м
Масса
ОБЩАЯ - 40 кг, в том числе:
оптика телескопа - 10 кг;
элементы конструкции - 13,6 кг;
электронная система в фокальной плоскости - 2,3 кг;
управляющая электроника - 3,6 кг;
кабели/проводка - 1,2 кг;
прочее - 9,3 кг
Размеры
телескоп - 113 см х 59 см (диаметр)
управляющая электроника - 16 х 15 х 7 см
Потребляемая мощность
съемка изображений < 125 Вт
обработка < 40 Вт
максимальная средняя потребляемая мощность - 50 Вт
Набор детекторов
2 в сине-зеленом диапазоне, 4048 px, соотношение сигнал/шум = 100:1
10 в красном диапазоне, 20264 px, соотношение сигнал/шум = 200:1
2 в ближнем инфракрасном диапазоне, 4048 px, соотношение сигнал/шум = 100:1
Экспозиция
до 128 линеек интеграции с временной задержкой
Сжатие данных
14-битные аналогово-цифровые конвертеры;
сжатие с 14 до 8 бит в реальном времени;
1-16-пиксельный биннинг;
двухкратная компрессия без потерь качества на SSD (точнее, SSR - Solid State Recorder)
Память камеры
28 Гбит (один полноразмерный несжатый снимок занимает 16,4 Гбит)
Скорость передачи данных
20 Мбит/с
Начнем с истории. Которая зародилась в конце 80-х годов усилиями Алана Деламера (Alan Delamere) из компании Ball Aerospace. Алан начал конструировать камеру, которая могла бы снимать удаленные объекты с очень высоким разрешением. Однако на практике воплотить свои идеи удалось только в 2000-х годах, 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 такой камеры и 12 августа 2005 года она была успешно установлена:
Думаю, здесь нет особого смысла расписывать цели миссии, путешествие HiRISE к Марсу, знаменитый семейный портрет Земли и Луны, временные злоключения с аппаратурой и т.д., обо всем этом можно прочитать в соответствующей статье в Википедии.
А вот чего там нет, так это устройства HiRISE и особенностей работы его оборудования.
Основные компоненты HiRISE в целом примерно соответствуют устройству любого космического телескопа: оптическая система да управляющая электроника :)
Но поскольку от камеры требовалось получение снимков особенностей марсианской поверхности (как уже известных, так и не обнаруженных ранее) с высоким разрешением и контрастностью, она должна была иметь не только широкую полосу захвата, но и очень хорошее соотношение сигнал/шум. А если добавить к этому ограничения по массе, бюджету, проектным срокам, и огромную путевую скорость полета (3,4 км/с), то достижение указанных параметров съемки - явно нетривиальная задача.
Фотоприемник устройства представляет собой астигматический телескоп-рефлектор с системой из 3 зеркал. В HiRISE используется легкая Зеродуровская оптика и композитные материалы из углеродного волокна. Использование углеволокна дает легкий, но жесткий каркас и низкую абсорбцию с малым коэффициентом разбухания. Композитные элементы с отрицательным тепловым расширением в сочетании с металлическими соединениями (имеющими положительный коэффициент расширения) позволяют избежать деформации конструкции.
Использование в объективе схемы Кассегрена (см. картинку) с оборачивающей оптикой и двумя зеркалами было оптимизировано для работы на уровне дифракционного предела при узкой полосе охвата, которая получается при съемке вдоль движения космического аппарата (так называемая push-broom съемка, о которой речь пойдет дальше). Фильтры перед детекторами разделяют световой поток на 3 спектральных диапазона: красный (панхроматический), сине-зеленый и ближний инфракрасный.
ПЗС расположены зигзагообразно, чтобы закрыть всю область прохода, без каких-либо пропусков. Сине-зеленый и ближный инфракрасный диапазоны имеют по 2 детектора с общей шириной полосы обзора в 4048 px, для красного диапазона предусмотрено 10 детекторов с общей шириной обзора 20264 px.
50-сантиметровое главное зеркало имеет двухарочную конструкцию для снижения массы и увеличения прочности. Цветовые фильтры расположены в 30 мм от детекторов, что позволяет избежать проблем из-за рассеянного света и многократных отражений квази-коллимированного луча. Диафрагма Лио (Lyot stop), расположенная между третичным и вторым складным зеркалом, позволяет практически полностью исключить рассеянный свет.
Чтобы говорить об устройстве и работе матрицы ПЗС, сначала коротко расскажу об особенностях push-broom съемки. Аналогия съемки в направлении движения космического аппарата с щеткой получилась из-за одинакового принципа: вы ведете щетку по полу, постепенно стирая пыль, а HiRISE снимает изображение не целиком, а последовательно сканируя поверхность Марса.
Как и в случае с щеткой, ширина захвата, т.е. как много "пыли" нам удастся собрать за один проход, зависит от количества детекторов, а вот длина зависит от того, сколько рядов пикселей будут объединены в итоговое изображение. Здесь ученым, управляющим камерой с Земли, приходится выбирать между тем, какой участок поверхности они могут заснять, и тем, какой объем данных они смогут хранить и обрабатывать в аппарате (а ведь их потом еще и на Землю передавать). Кстати, немаловажный аспект при определении объемов работы - это "температурный режим" HiRISE. Для контроля за его состоянием на аппарате расположено 35 температурных датчиков (на картинке не обозначены внешние датчики 7, 8, 11, 13, 14, 20, 30 и внутренние 32-35, поскольку картинка дана в разрезе).
[А вот коды датчиков по классификатору Planetary Data System]
1 - MRO:OPT_BNCH_FLEXURE_TEMPERATURE
2 - MRO:OPT_BNCH_MIRROR_TEMPERATURE
3 - MRO:OPT_BNCH_FOLD_FLAT_TEMPERATURE
4 - MRO:OPT_BNCH_FPA_TEMPERATURE
5 - MRO:OPT_BNCH_FPE_TEMPERATURE
6 - MRO:OPT_BNCH_LIVING_RM_TEMPERATURE
7 - MRO:OPT_BNCH_BOX_BEAM_TEMPERATURE
8 - MRO:OPT_BNCH_COVER_TEMPERATURE
9 - MRO:MS_TRUSS_LEG_0_A_TEMPERATURE
10 - MRO:MS_TRUSS_LEG_0_B_TEMPERATURE
11 - MRO:MS_TRUSS_LEG_120_A_TEMPERATURE
12 - MRO:MS_TRUSS_LEG_120_B_TEMPERATURE
13 - MRO:MS_TRUSS_LEG_240_A_TEMPERATURE
14 - MRO:MS_TRUSS_LEG_240_B_TEMPERATURE
15 - MRO:SEC_MIRROR_MTR_RNG_TEMPERATURE
16 - MRO:PRIMARY_MIRROR_MNT_TEMPERATURE
17 - MRO:PRIMARY_MIRROR_TEMPERATURE
18 - MRO:PRIMARY_MIRROR_BAF_TEMPERATURE
19 - 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_TEMPERATURE
24 - MRO:SEC_MIRROR_BAFFLE_TEMPERATURE
25 - MRO:FIELD_STOP_TEMPERATURE
26 - 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 подсистема, состоящая из алюминиево-углеродного каркаса, спектрального фильтра и модулей памяти и обработки сигналов с ПЗС.
Каждый ПЗС содержит по 2048 пикселей с физическим размером 12 мкм, расположенных в направлении, противоположном движению MRO, и 128 элементов интеграции с временной задержкой (TDI), расположенных по направлению движению аппарата. Все 14 ПЗС расположены зигзагообразно с перекрытием в 48 px, что обеспечивает непрерывную ширину области захвата около 20000 px в красном диапазоне и около 4048 в сине-зеленом и ближнем инфракрасном. Питание аппарата позволяет одновременно работать как минимум 10 ПЗС.
Использование TDI увеличивает время экспозиции и позволяет добиться как очень высоких разрешений, так и высокого соотношения сигнал/шум (которое составляет 200:1 для красного диапазона и 100:1 для остальных). Когда космический аппарат пролетает над поверхностью Марса, TDI совмещает сигналы, проходящие через ПЗС детекторы, путем смещения накопленного сигнала на следующий ряд (линейку) ПЗС с той же частотой, с какой движется изображение. Вот пример использования 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 таким образом, чтобы соответствовать скорости относительно земли так, чтобы заряд с одного участка изображения последовательно согласовывался со следующим элементом по пути следования аппарата. Фотоприемник может использовать 8,32, 64 и 128 уровней TDI (элементов детекторов, расположенных вдоль полосы съемки), чтобы общая светимость изображения соответствовала чувствительности ПЗС. Возможное смазывание изображения из-за вращения планеты компенсируется положением аппарата по вертикальной оси ("рысканием").
Электронные компоненты модуля памяти и обработки сигналов с ПЗС минимизируют количество активных и пассивных элементов, способных "зашумливать" картинку. Цепочка преобразований между выходным усилителем ПЗС и 14-битным аналогово-цифровым конвертером (выдающим 80 Мвыб/с) построена таким образом, чтобы создавать меньше шума, чем ПЗС, оставаясь при этом устойчивой к радиации и нетребовательной к мощности. Каждый из 14 модулей для контроля, обработки сигнала, сжатия и хранения данных использует матрицу логических элементов с эксплуатационным программированием Xilinx Virtex 300E с дополнительной защитой от радиации. Матрица представлет собой статическое ОЗУ (SRAM), что позволяет перепрошивать его в процессе эксплуатации.
Предполагаемый максимальный сигнал для красного канала - 76 тыс. электронов на высоте 300 км без использования биннинга. На следующей картинке показан график зависимости соотношения сигнал/шум (SNR) от высоты аппарата и альбедо поверхности во всех трех диапазонах:
А вот функция передачи модуляции в зависимости от различных факторов (по горизонтальной оси - Пространственное разрешение, максимальная частота сигнала (Найквист) 41,7 lp/mm ).
Да, по тексту несколько раз упоминался биннинг. Вкратце - это способ получения данных с камеры при котором информация идет не от каждого пикселя, а от группы пикселей, образующих один "суперпиксель".
Этот суперпиксель содержит световые данные от всех четырех пикселей, что делает его в 4 раза ярче оригинальных пикселей. В то же время и самих пикселей становится в 4 раза меньше. Поскольку биннинг производится аппаратурой HiRISE, то изменить этот параметр позже уже нельзя. Вот пример 4 х 4 биннинга:
Логичный вопрос: раз биннинг снижает пространственное разрешение, зачем вообще его использовать? Ответ прост: когда изображение слишком темное, то оно настолько зернистое, что мелких деталей все равно увидеть нельзя, а значит мы ничего не потеряем, если выставим правильную экспозицию с помощью биннинга. Еще один немаловажный аспект - ограниченный объем локального хранилища. Да и, в конце концов, не все области нуждаются в огромной детализации. Если не требуется разрешение в 1 метр на пиксель, то вполне можно использовать биннинг и не перегружать лишний раз оборудование.
Что касается организации съемки, то тут, в общем-то, все стандартно. Координаты целевой области, которую требуется снять, во время очередного сеанса связи заливаются на космический аппарат. Аппарат переводит их во время, в которое он будет пролетать над заданной областью. В соответствующий момент выполняются заранее переданные команды, которые 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. Примерно за 5 секунд до начала экспозиции на аналоговые системы начинает поступать питание.
В заданное время одновременно включаются и синхронизируются все детекторы. Как только последний сигнал проходит через последний детектор, питание отключается, а собранные данные последовательно считываются с каждого модуля памяти для последующей передачи на Землю. Каждой передаваемой категории данных соответствует свой заголовок, чтобы потом эти данные можно было корректно интерпретировать. Опционально данные могут быть сжаты без потери качества встроенным аппаратным устройством, подсоединенном к SSR. Для передачи 20 Mpx изображения требуется от 4 до 48 часов в зависимости от параметров сжатия и расстояния до Земли.
А уже на Земле мы можем наслаждаться вот такими картинками
Ну и напоследок еще несколько интересных фактов о HiRISE:
- философия HiRISE - "Народная камера".
- команда ученых - это не группа, собравшаяся в одном помещении, а люди, находящиеся в разных точках Земли.
- обработка изображений и публикация их в вебе автоматизирована (занимает от нескольких дней до нескольких недель).
- инструменты анализа основаны на веб-технологиях.