HiRISEまたは軌道から火星を撮影する方法

ロシア語圏の聴衆向けに火星の研究を普及させた次の成功に触発された（ 1回と2回 ） しかし、Habrでの検索では、カメラへの参照のみが提供され、詳細は示されませんでした。 注文に驚いたので、MRO（Mars Reconnaissance Orbiter-Martian reconnaissance satellite）でのデバイスの散らばった説明、デバイスの操作と相互作用を英語でグーグルで検索し、ロシア語版ウィキペディアでこれらすべてを簡潔にまとめました。 火星のトピックがまだ（そしておそらく常に）関連していることを考えると、私はすべての興味がある人に、火星の軌道にある高解像度カメラ-HiRISE（高解像度イメージング科学実験）のより完全な説明をすることにしました。




話から始めましょう。 これは、80年代後半にBall Aerospace社のAlan Delamere（Alan Delamere）の努力によって生まれました。 アランは、非常に高い解像度で遠くのオブジェクトをキャプチャできるカメラの設計を開始しました。 しかし実際には、アリゾナ大学が多機能自動惑星間ステーションMRO（Mars Reconnaissance Orbiter）の準備を開始した2000年に彼らのアイデアを翻訳することしかできませんでした。 2001年に大学の科学者と協力して、NASAはそのようなカメラをMROに設置することに原則的に同意することができ、2005年8月12日に正常に設置されました。



ミッションの目標、HiRISEの火星への旅、地球と月の有名な家族の肖像、機器を使った一時的な不幸などを描くことはほとんど意味がないと思います。これについては、 対応するWikipediaの記事で読むことができます。
しかし、HiRISEデバイスとその機器の機能はありません。
HiRISEの主要なコンポーネントは、全体として、宇宙望遠鏡のデバイスにほぼ対応しています：光学システムと制御電子機器:)



しかし、カメラは高解像度とコントラストで火星の表面の特徴の画像を取得する必要があったため（既知および未発見の両方）、広いキャプチャバンドだけでなく、非常に優れたS / N比も必要です。 そして、これに重量、予算、設計条件、および巨大な対地速度（3.4 km / s）の制限を追加する場合、示された射撃パラメーターを達成することは明らかに重要な作業です。

デバイスの光検出器は、3つのミラーシステムを備えた非点収差反射望遠鏡です。 HiRISEは、軽量のZerodurov光学系と炭素繊維複合材料を使用しています。 炭素繊維を使用すると、軽量でありながら剛性の高いフレームと、低膨張係数の低吸収性が得られます。 （正の膨張係数を持つ）金属化合物と組み合わせた負の熱膨張を伴う複合要素は、構造の変形を回避できます。



ラップアラウンド光学系と2つのミラーを備えたカセグレンスキーム（写真を参照）の使用は、宇宙船に沿って撮影するときに得られる狭いカバレッジバンドで回折限界での動作に最適化されました（いわゆるプッシュブルームシューティング、これについては後述します） ） 検出器の前にあるフィルターは、光束を3つのスペクトル範囲（赤（パンクロマティック）、青緑、近赤外）に分割します。

CCDは、隙間なく通路全体を覆うようにジグザグに配置されています。 青緑色と近赤外線の範囲には、合計表示幅が4048ピクセルの2つの検出器があります。赤の範囲には、合計表示幅が20264ピクセルの検出器が10個あります。

50 cmのメインミラーは、重量を減らして強度を高めるために2アーチ設計になっています。 カラーフィルターは検出器から30 mmに配置されているため、迷光や準コリメートビームの多重反射による問題を回避できます。 3次と2番目の折り畳みミラーの間にあるLyotストップダイアフラムにより、散乱光をほぼ完全に排除できます。

デバイスとCCDの動作について説明するために、まずプッシュほうき撮影の機能について簡単に説明します。 ブラシで宇宙船の動きの方向に撮影するのと同じ原理がありました：床に沿ってブラシを取り、ほこりを徐々に消し、HiRISEは画像全体をキャプチャせず、火星の表面を連続的にスキャンします。



ブラシと同様に、作業幅、つまり 1回のパスで収集できる「ゴミ」の量は検出器の数に依存しますが、長さは最終画像に結合されるピクセルの行数に依存します。 ここで、地球からカメラを制御する科学者は、表面のどの部分をキャプチャできるか、デバイスに保存して処理できるデータ量を選択する必要があります（そして、地球に転送することもできます）。 ところで、作業量を決定する際の重要な側面は、HiRISEの「温度モード」です。 その状態を監視するために、35個の温度センサーがデバイスに配置されています（外部センサー7、8、11、13、14、20、30および内部32-35は、画像がセクションで示されているため、画像に示されていません）。





そのため、キャプチャ領域の幅はセンサーの数に依存します。 HiRISEの焦点面には、アルミニウムカーボンフレーム、スペクトルフィルター、メモリモジュール、およびCCDからの信号処理で構成されるサブシステムがあります。



各CCDには、MRO移動と反対方向に位置する物理サイズ12μmの2048ピクセルと、デバイスの移動方向に位置する時間遅延（TDI）を伴う128個の積分要素が含まれます。 14個すべてのCCDは、48ピクセルの重なりを持つジグザグパターンで配置され、赤の範囲で約20,000ピクセル、青緑および近赤外線で約4,048の連続キャプチャ領域幅を提供します。 デバイスの電源により、少なくとも10個のCCDを同時に動作させることができます。



TDIを使用すると、露光時間が長くなり、非常に高い解像度と高いS / N比（赤の範囲で200：1、残りで100：1）を実現できます。 宇宙船が火星の表面を飛行するとき、TDIは画像が移動するのと同じ周波数で累積信号をCCDの次の行（ライン）にシフトすることにより、CCD検出器を通過する信号を結合します。 4フェーズTDIの使用例を次に示します。



ルーラーの変更頻度（13,000ルーラー/秒）は、デバイスが表面から250 km上にある場合、ルーラーごとに76マイクロ秒に相当します。 ピクセルの積分時間は、画像のある部分からの電荷がデバイスの経路に沿った次の要素と一貫して一貫するように、地面に対する速度に対応するように選択されます。 光検出器は8.32、64、128レベルのTDI（シューティングストリップに沿って配置された検出器要素）を使用できるため、画像の全体的な輝度はCCDの感度と一致します。 惑星の回転による画像のぼやけの可能性は、垂直軸（「ヨー」）に沿ったデバイスの位置によって補正されます。

メモリモジュールの電子部品とCCDによる信号処理により、「ノイズを発生させる」可能性のあるアクティブエレメントとパッシブエレメントの数が最小限に抑えられます。 CCD出力アンプと14ビットA / Dコンバーター（80 MSa / sを提供）の間の変換チェーンは、CCDよりもノイズが少なく、放射に対して耐性があり、電力を必要としないように構築されています。 監視、信号処理、圧縮、およびデータストレージ用の14のモジュールのそれぞれは、追加の放射線保護を備えた動作プログラミングXilinx Virtex 300Eでロジック要素のマトリックスを使用します。 マトリックスはスタティックRAM（SRAM）であり、動作中にマトリックスを再フラッシュできます。

赤チャネルの推定最大信号は、ビニングを使用しない場合、高度300 kmで7万6,000電子です。 次の図は、3つのすべての範囲における信号対雑音比（SNR）と装置の高さおよび表面アルベドのグラフを示しています。



しかし、さまざまな要因に依存する変調伝送機能（水平軸に沿って-空間分解能、最大信号周波数（ナイキスト）41.7 lp / mm）。



はい、ビニングはテキストで何度か言及されました。 つまり、これは、各ピクセルからではなく、1つの「スーパーピクセル」を形成するピクセルのグループから情報が取得されるカメラからデータを取得する方法です。



このスーパーピクセルには、4つのピクセルすべてからの光データが含まれているため、元のピクセルの4倍の明るさになります。 同時に、ピクセル自体は4倍小さくなります。 ビニングはHiRISE機器によって実行されるため、後でこのパラメーターを変更することはできません。 4 x 4ビニングの例を次に示します。



論理的な質問は次のとおりです。ビニングは空間解像度を下げるので、なぜそれを使用するのですか？ 答えは簡単です。画像が暗すぎると、粒子が粗くなり、細かい部分を見ることができなくなります。つまり、ビニングを使用して適切な露出を設定しても、何も失われません。 もう1つの重要な側面は、ローカルストレージの量が限られていることです。 そして、最終的には、すべての領域に大きな詳細が必要なわけではありません。 1ピクセルあたり1メートルの解像度が必要ない場合は、ビニングを使用して、機器に再び過負荷をかけないようにすることができます。

撮影の組織に関しては、一般的に、すべてが標準です。 削除されるターゲット領域の座標は、次の通信セッション中に宇宙船に注がれます。 デバイスは、指定されたエリアを飛行する時間にそれらを変換します。 適切なタイミングで、露出を初期化する事前送信コマンドが実行されます。 コマンドには、1ルーラーあたりの時間、ルーラーの数、ビニング、TDIレベルの数、14ビットデータを8ビットに変換するための変換テーブルのパラメーターが含まれます。 露出が始まる約5秒前に、アナログシステムに電力が供給され始めます。

所定の時間に、すべての検出器が同時にオンになり、同期されます。 最後の信号が最後の検出器を通過するとすぐに電源がオフになり、収集されたデータが各メモリモジュールから順次読み取られて、その後の地球への送信が行われます。 送信された各データカテゴリには独自のヘッダーがあるため、後でこのデータを正しく解釈できます。 オプションで、SSRに接続された統合ハードウェアデバイスにより、品質を損なうことなくデータを圧縮できます。 圧縮パラメータと地球までの距離に応じて、20 Mpx画像の送信には4〜48時間かかります。

そして、すでに地球上で、これらの写真を楽しむことができます




PSトピックに興味がある場合は、HiRISEソフトウェアインターフェイスに影響を与えるだけでなく、地球およびデバイス自体からのコマンドの形成/処理に進むことができます。

PPS用語の誤りやその他の間違いを見つけた場合は、PMにようこそ。 記事の他の側面に関する客観的な批判はそこで受け入れられます。