HiRISE या कक्षा से मंगल की तस्वीर कैसे लें

रूसी भाषी दर्शकों ( एक बार और दो बार ) के लिए मंगल ग्रह के अनुसंधान को लोकप्रिय बनाने में अगली सफलताओं से प्रेरित, मैं तकनीकी विवरणों के बारे में पढ़ना चाहता था कि कैसे बिल्कुल शानदार चित्र प्राप्त होते हैं (उदाहरण के लिए, एक बार और दो बार )। लेकिन हैबर में खोज ने कैमरे को केवल बिना किसी विवरण के संदर्भ दिया। आदेश से आश्चर्यचकित, मैंने अंग्रेजी में डिवाइस के बिखरे विवरण, ऑपरेशन के सिद्धांत और एमआरओ (मार्स रिकॉइनेंस ऑर्बिटर - मार्टियन टोही उपग्रह) के सिद्धांत और अंग्रेजी में रूसी विकिपीडिया पर इन सभी का संक्षिप्त संकलन प्रस्तुत किया है। यह देखते हुए कि मंगल का विषय अभी भी (और शायद हमेशा) प्रासंगिक है, मैंने सभी इच्छुक लोगों के लिए मंगल की कक्षा में स्थित उच्च-रिज़ॉल्यूशन कैमरे का अधिक संपूर्ण विवरण बनाने का फैसला किया - HiRISE (उच्च रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग साइंस एक्सपेरिमेंट)।




कहानी से शुरू करते हैं। जिसकी उत्पत्ति 80 के दशक के अंत में कंपनी बॉल एरोस्पेस से एलन डेलमेरे (एलन डेलमेरे) के प्रयासों से हुई थी। एलन ने एक ऐसा कैमरा डिजाइन करना शुरू किया, जो बहुत ही उच्च रिज़ॉल्यूशन वाली दूर की वस्तुओं को पकड़ सकता था। हालांकि, व्यवहार में यह केवल 2000 के दशक में उनके विचारों का अनुवाद करना संभव था, जब एरिज़ोना विश्वविद्यालय ने बहुक्रियाशील स्वचालित इंटरप्लेनेटरी स्टेशन एमआरओ (मार्स रिकॉनेनेस ऑर्बिटर) तैयार करना शुरू किया। 2001 में विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों के साथ मिलकर, नासा MRO में इस तरह के कैमरे को स्थापित करने के लिए सैद्धांतिक रूप से सहमत होने में सक्षम था, और 12 अगस्त 2005 को इसे सफलतापूर्वक स्थापित किया गया:



मुझे लगता है कि यह मिशन लक्ष्यों को पेंट करने के लिए बहुत कम समझ में आता है, हायराइज की मंगल ग्रह की यात्रा, पृथ्वी और चंद्रमा के प्रसिद्ध पारिवारिक चित्र , उपकरण के साथ अस्थायी गलतफहमी, आदि, आप इस सब के बारे में विकिपीडिया लेख में पढ़ सकते हैं।
लेकिन जो कुछ नहीं है वह हाइराइज डिवाइस और उसके उपकरणों की विशेषताएं हैं।
पूरी तरह से HiRISE के मुख्य घटक किसी भी अंतरिक्ष दूरबीन के उपकरण के अनुरूप हैं: ऑप्टिकल सिस्टम और नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स :)



लेकिन चूंकि उच्च रिज़ॉल्यूशन और कंट्रास्ट के साथ कैमरे को मार्टियन सतह (दोनों पहले से ज्ञात और पहले से ज्ञात नहीं) की सुविधाओं की छवियों को प्राप्त करने की आवश्यकता थी, इसलिए इसमें न केवल एक विस्तृत कैप्चर बैंड होना चाहिए, बल्कि शोर अनुपात के लिए एक बहुत अच्छा संकेत भी होना चाहिए। और अगर हम इसे वजन, बजट, डिज़ाइन की शर्तों, और एक विशाल जमीन की गति (3.4 किमी / एस) पर प्रतिबंध जोड़ते हैं, तो संकेतित शूटिंग मापदंडों को प्राप्त करना स्पष्ट रूप से एक गैर-तुच्छ कार्य है।

डिवाइस का फोटोडेटेक्टर 3 दर्पणों की प्रणाली के साथ एक दृष्टिवैषम्य परावर्तक दूरबीन है। HiRISE हल्के Zerodurov प्रकाशिकी और कार्बन फाइबर मिश्रित सामग्री का उपयोग करता है। कार्बन फाइबर का उपयोग कम सूजन गुणांक के साथ एक हल्का लेकिन कठोर फ्रेम और कम अवशोषण देता है। धातु के यौगिकों (विस्तार का एक सकारात्मक गुणांक होने) के साथ संयोजन में नकारात्मक थर्मल विस्तार के साथ संरचना के विरूपण से बच सकते हैं।



कैस्परग्रेन योजना (चित्र देखें) का उपयोग एक रैपराउंड ऑप्टिक्स के साथ और दो दर्पणों को संकीर्ण कवरेज बैंड के साथ विवर्तन सीमा पर संचालन के लिए अनुकूलित किया गया था, जो अंतरिक्ष यान के साथ शूटिंग करते समय प्राप्त किया जाता है (तथाकथित पुश-ब्रूस शूटिंग, जिसे बाद में चर्चा की जाएगी) )। डिटेक्टरों के सामने फिल्टर चमकदार प्रवाह को 3 वर्णक्रमीय श्रेणियों में विभाजित करते हैं: लाल (पंचक्रोमाटिक), नीला-हरा, और अवरक्त के पास।

किसी भी अंतराल के बिना पूरे मार्ग क्षेत्र को कवर करने के लिए ज़िग्स को एक ज़िगज़ैग पैटर्न में व्यवस्थित किया जाता है। ब्लू-ग्रीन और निकट-अवरक्त श्रेणियों में 2 डिटेक्टर होते हैं जिनकी कुल देखने की चौड़ाई 4048 px होती है, लाल सीमा के लिए 10 डिटेक्टर होते हैं जिनकी कुल देखने की चौड़ाई 20264 px होती है।

50 सेमी के मुख्य दर्पण में वजन कम करने और ताकत बढ़ाने के लिए दो-आर्क डिज़ाइन है। रंगीन फिल्टर डिटेक्टरों से 30 मिमी की दूरी पर स्थित होते हैं, जो आवारा प्रकाश और एक अर्ध-विखंडित बीम के कई प्रतिबिंबों के कारण समस्याओं से बचने में मदद करता है। तृतीयक और दूसरे तह दर्पण के बीच स्थित ल्योट स्टाप डायाफ्राम को रोक देता है, जो बिखरे हुए प्रकाश को बाहर करने की लगभग पूरी तरह से अनुमति देता है।

डिवाइस और सीसीडी के संचालन के बारे में बात करने के लिए, पहले मैं संक्षेप में पुश-ब्रूम शूटिंग की विशेषताओं के बारे में बात करूंगा। ब्रश के साथ अंतरिक्ष यान की गति की दिशा में शूटिंग की सादृश्य एक ही सिद्धांत के कारण था: आप ब्रश को फर्श पर ले जाते हैं, धीरे-धीरे धूल को मिटाते हैं, और HiRISE पूरी छवि को कैप्चर नहीं करता है, लेकिन मंगल की सतह को क्रमिक रूप से स्कैन करता है।



ब्रश के साथ के रूप में, काम की चौड़ाई, अर्थात्। हम एक पास में कितनी "धूल" जमा कर सकते हैं यह डिटेक्टरों की संख्या पर निर्भर करता है, लेकिन लंबाई इस बात पर निर्भर करती है कि पिक्सेल की कितनी पंक्तियों को अंतिम छवि में जोड़ा जाएगा। यहां, पृथ्वी से कैमरे को नियंत्रित करने वाले वैज्ञानिकों को चुनना होगा कि वे सतह के किस हिस्से को पकड़ सकते हैं और वे डिवाइस में कितना डेटा स्टोर कर सकते हैं और प्रोसेस कर सकते हैं (और फिर उन्हें पृथ्वी पर स्थानांतरित भी किया जा सकता है)। वैसे, काम की मात्रा निर्धारित करने में एक महत्वपूर्ण पहलू HiRISE का "तापमान मोड" है। इसकी स्थिति की निगरानी के लिए, 35 तापमान सेंसर डिवाइस पर स्थित हैं (बाहरी सेंसर 7, 8, 11, 13, 14, 20, 30 और आंतरिक 32-35 तस्वीर में इंगित नहीं किए गए हैं, क्योंकि तस्वीर अनुभाग में दी गई है)।





तो, कैप्चर क्षेत्र की चौड़ाई सेंसर की संख्या पर निर्भर करती है। HiRISE के फोकल प्लेन में, एक सबसिस्टम है जिसमें एल्युमिनियम-कार्बन फ्रेम, एक स्पेक्ट्रल फिल्टर और मेमोरी मॉड्यूल और एक सीसीडी से सिग्नल प्रोसेसिंग होती है।



प्रत्येक सीसीडी में 12 माइक्रोन के भौतिक आकार के साथ 2048 पिक्सेल होते हैं, जो एमआरओ आंदोलन के विपरीत दिशा में स्थित हैं, और डिवाइस के आंदोलन की दिशा में स्थित समय की देरी (TDI) के साथ 128 एकीकरण तत्व हैं। सभी 14 CCDs को 48 px के ओवरलैप के साथ एक ज़िगज़ैग पैटर्न में व्यवस्थित किया जाता है, जो कि लाल रेंज में लगभग 20,000 px के कैप्चर क्षेत्र की एक निरंतर चौड़ाई और नीले-हरे रंग में लगभग 4048 और इन्फ्रारेड के बारे में सुनिश्चित करता है। डिवाइस की बिजली आपूर्ति कम से कम 10 CCD को एक साथ काम करने की अनुमति देती है।



TDI का उपयोग करने से एक्सपोज़र का समय बढ़ जाता है और आपको बहुत उच्च रिज़ॉल्यूशन और शोर अनुपात के लिए एक उच्च सिग्नल प्राप्त करने की अनुमति मिलती है (जो कि लाल रेंज के लिए 200: 1 है और बाकी के लिए 100: 1 है)। जब अंतरिक्ष यान मंगल की सतह पर उड़ान भरता है, TDI सीसीडी डिटेक्टरों के माध्यम से गुजरने वाले संकेतों को संकरा सिग्नल को सीसीडी की अगली पंक्ति (लाइन) पर स्थानांतरित करके उसी आवृत्ति के साथ ले जाता है जैसे कि छवि चलती है। यहां चार-चरण TDI का उपयोग करने का एक उदाहरण दिया गया है:



शासक परिवर्तन आवृत्ति (13,000 शासक प्रति सेकंड) 76 शासक प्रति शासक से मेल खाती है जब डिवाइस सतह से 250 किमी ऊपर है। पिक्सल के एकीकरण समय को जमीन के सापेक्ष गति के अनुरूप बनाने के लिए इस तरह से चुना जाता है ताकि छवि के एक खंड से चार्ज डिवाइस के साथ अगले तत्व के अनुरूप हो। फोटोडेटेक्टर TDI (शूटिंग स्ट्रिप के साथ स्थित डिटेक्टर तत्व) के 8.32, 64 और 128 स्तरों का उपयोग कर सकता है ताकि छवि की समग्र चमक सीसीडी की संवेदनशीलता से मेल खाती हो। ग्रह के घूर्णन के कारण छवि के संभावित धुंधला को ऊर्ध्वाधर अक्ष ("यव") के साथ डिवाइस की स्थिति से मुआवजा दिया जाता है।

एक सीसीडी के साथ मेमोरी मॉड्यूल और सिग्नल प्रोसेसिंग के इलेक्ट्रॉनिक घटक सक्रिय और निष्क्रिय तत्वों की संख्या को कम करते हैं जो "शोर बना सकते हैं" चित्र। सीसीडी आउटपुट एम्पलीफायर और 14-बिट एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (80 एमएसए / एस देने) के बीच रूपांतरण श्रृंखला का निर्माण इस तरह से किया जाता है कि सीसीडी की तुलना में कम शोर पैदा होता है, जबकि विकिरण और बिजली के लिए प्रतिरोधी नहीं रहता है। मॉनिटरिंग, सिग्नल प्रोसेसिंग, कम्प्रेशन और डेटा स्टोरेज के लिए 14 मॉड्यूल में से प्रत्येक अतिरिक्त रेडिएशन प्रोटेक्शन के साथ ऑपरेशनल प्रोग्रामिंग Xilinx Virtex 300E के साथ लॉजिक तत्वों के मैट्रिक्स का उपयोग करता है। मैट्रिक्स एक स्थिर रैम (SRAM) है, जो आपको ऑपरेशन के दौरान इसे फिर से चालू करने की अनुमति देता है।

बिनिंग के उपयोग के बिना लाल चैनल के लिए अनुमानित अधिकतम संकेत 300 किमी की ऊंचाई पर 76 हजार इलेक्ट्रॉन है। निम्नलिखित चित्र सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) बनाम तंत्र ऊंचाई और सतह एल्बिडो का ग्राफ तीनों श्रेणियों में दिखाता है:



लेकिन विभिन्न कारकों (क्षैतिज अक्ष के साथ - स्थानिक संकल्प, अधिकतम संकेत आवृत्ति (Nyquist) 41.7 एलपी / मिमी) के आधार पर मॉड्यूलेशन ट्रांसमिशन फ़ंक्शन।



हां, पाठ में कई बार बिनिंग का उल्लेख किया गया था। संक्षेप में, यह एक कैमरे से डेटा प्राप्त करने की एक विधि है जिसमें प्रत्येक पिक्सेल से जानकारी नहीं आती है, लेकिन पिक्सेल के एक समूह से जो एक "सुपर पिक्सेल" बनता है।



इस सुपर पिक्सेल में सभी चार पिक्सेल से हल्का डेटा होता है, जो इसे मूल पिक्सेल से 4 गुना तेज बनाता है। इसी समय, पिक्सेल स्वयं 4 गुना छोटे हो जाते हैं। चूंकि बिनिंग HiRISE उपकरण द्वारा किया जाता है, इसलिए बाद में इस पैरामीटर को बदलना संभव नहीं है। यहाँ 4 x 4 बाइनिंग का एक उदाहरण दिया गया है:



तार्किक प्रश्न यह है: चूंकि बिनिंग स्थानिक संकल्प को कम करता है, इसलिए इसका उपयोग क्यों करें? इसका उत्तर सरल है: जब छवि बहुत गहरी होती है, तो यह इतनी दानेदार होती है कि किसी भी तरह से बारीक विवरण देखना असंभव है, जिसका अर्थ है कि यदि हमने बिनिंग का उपयोग करके सही एक्सपोज़र सेट किया है तो हमें कुछ भी नहीं खोना चाहिए। एक अन्य महत्वपूर्ण पहलू स्थानीय भंडारण की सीमित मात्रा है। और, अंत में, सभी क्षेत्रों को विशाल विस्तार की आवश्यकता नहीं है। यदि प्रति पिक्सेल 1 मीटर के रिज़ॉल्यूशन की आवश्यकता नहीं है, तो बिनिंग का उपयोग करना और फिर से उपकरणों को अधिभार नहीं देना काफी संभव है।

शूटिंग के संगठन के लिए, फिर, सामान्य तौर पर, सब कुछ मानक है। हटाए जाने वाले लक्ष्य क्षेत्र के निर्देशांक अगले संचार सत्र के दौरान अंतरिक्ष यान पर डाले जाते हैं। डिवाइस उन्हें उस समय के दौरान अनुवादित करता है जिसमें वह किसी दिए गए क्षेत्र पर उड़ान भरेगा। उपयुक्त समय पर, पूर्व-प्रेषित आदेश निष्पादित किए जाते हैं जो एक्सपोज़र को आरंभ करते हैं। आदेशों में निम्नलिखित पैरामीटर शामिल हैं: प्रति 1 शासक का समय, शासकों की संख्या, बायनिंग, TDI स्तरों की संख्या, 14-बिट डेटा को 8-बिट में परिवर्तित करने के लिए रूपांतरण तालिका। एक्सपोज़र शुरू होने से लगभग 5 सेकंड पहले, एनालॉग सिस्टम को शक्ति प्राप्त होना शुरू होती है।

किसी निश्चित समय पर, सभी डिटेक्टर एक साथ चालू और सिंक्रनाइज़ हो जाते हैं। जैसे ही अंतिम सिग्नल अंतिम डिटेक्टर से गुजरता है, बिजली बंद हो जाती है, और एकत्रित डेटा क्रमिक रूप से प्रत्येक मेमोरी मॉड्यूल से पृथ्वी पर बाद के प्रसारण के लिए पढ़ा जाता है। प्रत्येक प्रेषित डेटा श्रेणी का अपना हेडर होता है, ताकि बाद में इस डेटा की सही व्याख्या की जा सके। वैकल्पिक रूप से, SSR से जुड़े एक एकीकृत हार्डवेयर उपकरण द्वारा गुणवत्ता की हानि के बिना डेटा को संपीड़ित किया जा सकता है। संपीड़न मापदंडों और पृथ्वी की दूरी के आधार पर, 20 Mpx छवियों को संचारित करने में 4 से 48 घंटे लगते हैं।

और पहले से ही पृथ्वी पर, हम इन चित्रों का आनंद ले सकते हैं




PS यदि विषय आपको रुचिकर लगता है, तो मैं पृथ्वी से और डिवाइस पर ही कमांड के गठन / प्रसंस्करण की ओर जारी रह सकता हूं, साथ ही HiRISE सॉफ्टवेयर इंटरफेस को भी प्रभावित कर सकता हूं।

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