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从“中国第一张火星近照”中猜到的:这张照片怎么拍的?

科技数码 刘博洋

刚才,航天部门官宣了「天问一号」火星探测器的近况:快飞到了,还有100来万公里就到了

它还传回了抵近火星时拍的第一张火星近照:

从“中国第一张火星近照”中猜到的:这张照片怎么拍的?

看起来不错!很清晰~

但是,新闻没说照片是用天问一号的哪个仪器拍的,我感到非常好奇,就试图从这张图入手,简单分析一下看看:

火星的直径为6779km,距离220万km时,视直径为10.6角分。

从“中国第一张火星近照”中猜到的:这张照片怎么拍的?

测量一下照片上的火星半径,跟照片边长对比,可以得到这张照片的边长为11.76角分。

@我们的太空 上传的这张照片边长为3000像素,假设图片尺寸是没有经过压缩或扩大的,那么每像元对应的是0.23角秒。

根据wikipedia,天问一号的轨道器带了一个分辨率51角秒的中分辨率相机和一个分辨率1.0角秒的高分辨率相机。这样的话,这张照片应该是轨道器的高分辨率相机所摄。

我们算出来的每像素0.23角秒和wiki给出的分辨率1角秒之间的差异并不是很大,一般像素总是要小于光学分辨率来保障采样密度,合理。

随后,我又找到了航天部门官方公开的天问一号高分辨率相机(HiRIC)的参数[1]:

从“中国第一张火星近照”中猜到的:这张照片怎么拍的?

这里发现一个问题:

按照这份材料中说的,在265km高度可以覆盖9km视场,则该相机视场将达到117角分(近2度),比刚才按照图片估计的11.7角分要大10倍。如果是这样的话,那发布的这张图就是经过严重裁切的、且原图上火星孤居一角?

从“中国第一张火星近照”中猜到的:这张照片怎么拍的?

原图?

火星离画面中心偏了1.5度?这也太偏了吧?这个听上去就不太靠谱……

那,难道是文档里把0.9km错写为9km了么?——如果文章作者真的粗心到这个程度……姑且说有这个可能。这样的话,每边像素数至少是360(按光学分辨率计算),考虑到前面我们已经给出了光学分辨率和像素分辨率的比值(1.0/0.24~4),那么相机分辨率应该在1500左右,按一般的习惯,可能是用了一个边长2k的小相机。当然如果是这样的话,听起来就比较浪费,花那么大劲,才带这么小一个相机去火星?

还有一种可能,这相机它不是方的。

或者说,虽然整体是方的,但是具体到每个颜色,只用一条。类似这样:

从“中国第一张火星近照”中猜到的:这张照片怎么拍的?

这样做的好处是,可以直接把滤光片覆盖到相机上,不需要用滤镜轮换来换去,省的在太空里容易坏。所以对于每一个颜色,长度和宽度都会差别很大,所以官方文档给出的width,应该理解为长边的大小。而想要产出一个正方形的图,就只能用短边去限制。

这样说的话,可能是想用短边为23角分左右的黑白条一角的一块正方形画幅去覆盖火星,覆盖的歪了一些,出框一点,于是截了一下,只用其中的11.7角分用于发布,也就是这样:

从“中国第一张火星近照”中猜到的:这张照片怎么拍的?

如果是这样的话,指向的偏差也就只有12角分,可能在飞行途中会有各种制约指向的因素,也合理。

我想应该算是破案了。

实际上之所以会这么想,也是受之前美国MRO火星探测器的HiRISE相机滤光片布置的启发。

HiRISE相机出的图,根据不同的颜色,长宽比可达6到30。比如这样:

从“中国第一张火星近照”中猜到的:这张照片怎么拍的?

其他的一些火星探测器,也类似。比如火星奥德赛的滤光片布置:

从“中国第一张火星近照”中猜到的:这张照片怎么拍的?

比如ExoMars的滤光片布置:

从“中国第一张火星近照”中猜到的:这张照片怎么拍的?

合理猜想,天问一号相机上的滤光片布置也会采用类似设计

当然,还有一种可能性,高分辨率科学相机还没开机,只是用导航用的工程相机随便拍了一张。

比如去年天问一号刚出发的时候,就拿它的光学导航敏感器拍过一张地月合影:

从“中国第一张火星近照”中猜到的:这张照片怎么拍的?

但是,一般导航的分辨率需求并不高,综合大量恒星位置之后,统计地给到1角秒精度即可,单个像元的大小可以不必做到1角秒那么细

另一方面,假设导航相机用1微米的小像元,即使要达到1角秒像素分辨率,也需要206mm焦距。如果要达到前文所述0.23角秒,那就得~800mm焦距,太长了,不可能给导航相机配置那么长的镜头的吧?[2]

所以我还是倾向于我前面一个猜测。

——猜的不对的地方,请专家拍砖。

[1] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0273117720307870

[2] 考虑到公开发布的图如果是变更尺寸后发布的,将原尺寸缩小的可能性较大,而扩大原尺寸的可能性比较小——一般没有那么搞的。也就是说这个相机的像素分辨率更大的可能性是小于等于0.23角秒,也就是说算下来的焦距数是大于等于800mm。

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