200から20,000ピクセル：宇宙からの火星の写真撮影の50年の進化（写真と数字付き）

ちょうど50年前の1963年6月19日、火星への飛行経路に打ち上げられた宇宙船史上最初の宇宙船である火星1は、約20万kmの距離で可能な限り惑星に近かった。 表面で写真を撮るのは歴史上最初のデバイスであるはずの火星-1でした...

しかし、彼はしませんでした：オリエンテーションシステムのシリンダーから窒素が漏れたため、尖ったアンテナを地球に向けることができず、デバイスとの通信セッションが停止しました。 そして、1965年にアメリカのマリナー4から200ピクセルの200行の解像度を持つ火星の最初のテレビ画像が受信されました。

（注意、たくさんの写真！）


おそらく、この投稿は火星を撮影することを目的とした写真デバイスの説明の中で最初のものであると思われました。 しかし、ロシア語圏の聴衆の間でプロジェクトが成功した直後にHiRISEについて書きたいと思いました。 ユニークなステレオカメラHRSCについて話すアイデアは 、狭い円で有名なhabraiser-marsの専門家Zelenyikotによって促されました。 しかし、これまでに火星を撮影したすべてのカメラを比較するというアイデアが生まれました。 そして、おそらく、これがソビエト装置の飛行の50周年（制御不能ではあるが）と一致したことは偶然ではなかった。

「Mariner-4」（米国、1965）、飛行経路からの研究

NASAのマリナー4宇宙船は、1965年7月14〜15日に火星の近くを飛行し、f = 305 mmの望遠カメラ（ビディコン）を装備していました。



カメラは7月15日のUTC 00:18:36 UTCにオンになり、火星の表面で狭い弧を撮影しました：40°Cから W.、170°インチ e。、その後、赤道付近、南緯35度付近 幅200インチ D.ターミネーターの交差点が50°Sの場合 幅255インチ d。（一般に、惑星の表面全体の約1％です）。 写真は赤または緑のフィルターを通して撮影され、それらのペアは表面の色に関するより多くの情報を得るために重なり合っていました。 画像解像度は200ピクセルの200行、ピクセルあたり6ビットでした。 合計21の完全な画像と部分的に22の画像（21行）が受信されました。 写真は、最低11.8千kmのさまざまな範囲で撮影されました。 画像は、2億1600万km以上の距離から8.33 bps（フレームあたり8.5時間以上）の速度で送信されました。

最初のフレーム：



2番目のフレーム：



最初と2番目のフレームのモザイク：



「Mariner-4」の火星のすべての画像のカタログ

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「Mars-1」は、火星の最初の「写真家」になれないという事実にもかかわらず、「Mariner-4」よりもはるかに強力なテレビ機器を備えていました。 搭載された32キログラムの写真テレビカメラは、最大1440ライン（代替モードでは720ライン、プレビューモードでは68ライン）の解像度で撮影できました。



カメラには35 mm光学と750 mm光学の両方が含まれ、70フレームのフィルムを使用しました。これは112フレームに十分なはずでした。 撮影モードは、正方形の画像または3：1の比率の長方形のいずれかを提供します。 その後、キャプチャおよび開発された画像はスキャンされ、地球に送信されます。 カメラには紫外線分光器も搭載されていました。キャプチャされた画像の直後に紫外線スペクトルが記録されました。 さらに、チャンバーには、光軸に平行な3〜4ミクロンの赤外線回折分光計が含まれていました。 ソビエトの宇宙探査プロジェクトの秘密を考えると、P.F。 Bratslavets（彼の「Yenisei」は1959年に月の裏側を最初に取り除いた）。

Mars-1カメラには独自の6 GHzトランスミッターが装備されており、50 Wを消費し、それぞれ25 kWの短いパルスを生成しました。 当時、バックアップシステムはまだ使用されていませんでした。高出力パルス伝送は、3億キロメートルの距離でスループットを向上させるための本当に素晴らしい発明でした。 画像は毎秒約90ピクセルの速度でピクセル単位で送信する必要があり、1440x1440の解像度で単一の画像を送信するには6時間以上かかります。

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「Mariner-6」および「Mariner-7」（米国、1969）、飛行経路からの研究

2つの同一のNASA宇宙船、マリナー6とマリナー7は、それぞれ1969年2月24日と3月27日に打ち上げられ、7月31日と8月5日に3.4千kmの距離で火星の近くを通過しました。 2台のテレビカメラ（Vidicon）が各デバイスにインストールされました：火星のディスク全体を遠距離からキャプチャするための広角（f = 52 mm）と、惑星に接近しながら撮影するための望遠（f = 508 mm）。 最大の近似では、望遠カメラの画像は約72x84 kmの惑星の表面の領域を覆い、最大300 mの大きさのクレーターを区別することを可能にしました。広角カメラは望遠の100倍の画像を与えました。

近距離で撮影する場合、カメラは42秒の露出間隔で交互に機能しました。 広角カメラには、回転シャッターの穴に取り付けられた赤、緑、青のフィルターが装備されていました。 望遠カメラには、火星の大気に存在する可能性のある「青い曇り」を除去するための黄色のフィルターしかありませんでした。

各カメラの光学システムは、それぞれ935ピクセルの704行で構成されるテレビ画像を作成しました。 各ピクセルには8ビットのエンコードがありました。 もちろん、その期間の技術的能力はリアルタイムの画像伝送を許可せず、磁気テープに記録され、2つの記録システムが使用されました：デジタル（13メガビットの容量を持つバイナリ形式）と120メガビットの有効容量を持つアナログ。 合計で、「Mariner-6」は75個の画像（望遠カメラからの26個を含む）、「Mariner-7」は126個の画像（望遠カメラからの33個を含む）を送信しました。 近距離からの写真に示されている総表面積は、約20％でした。

Mariner-6およびMariner-7の画像の例：







他の写真はこちらとこちらでご覧いただけます 。

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同じ1969年に、ソ連は週ごとに違いをつけて、M-69シリーズの宇宙船「Mars-1969A」と「Mars-1969B」を打ち上げました。科学機器は3台のテレビカメラ（35、50、250 mm）でした。カラーテレビ放送を実施し、サイズが1024x1024ピクセルで最大空間解像度が最大200メートルの写真を撮影します。 1つのカメラに保存される写真の数は160になります。



しかし、ロケットの事故の結果としての両方の船は地球を越えることができませんでした：439秒間のメインエンジンの故障の結果としてアルタイ山脈で「Mars-1969A」が爆発し、1枚の故障の結果として「Mars-1969B」、そして他の5つのブースターロケットは、開始後41秒で既に爆発し、3キロメートルの高さに達しました。

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「マリナー-9」（米国、1971〜1972）

「Mariner-9」は、当時のほとんどのデバイスと同様に、広角と望遠（f = 500 mm）の2つのカメラを搭載していました。 カメラはマリナーズ-6、7とほぼ同じ特性を備えていました：832ピクセルの700ライン。 画像は、物理的なサイズが9.6 x 12.5 mmの長方形の形でフィルムに記録されました。 望遠カメラの視野角は1.1x1.4でした。マリナー-9による火星表面の調査は、当初、惑星が軌道に入った直後に計画されましたが、1971年9月22日に始まった砂塵嵐により、科学プログラム全体が問題になりました（大気が落ち着き、表面の詳細が観測可能になる時期を予測することは不可能でした）。

火星の近くの軌道での349日間の運用で、宇宙船は合計7329枚の画像を送信し、1〜2 kmの解像度で惑星の表面の約85％をカバーしました（表面の2％は100〜300メートルの解像度で撮影されました）。 写真は、乾燥した川、火口、巨大な火山構造（太陽系で見つかった最大の火山であるオリンポス山など）、渓谷（マリナー渓谷-4000 kmを超える渓谷の巨大なシステムを含む）、風と水の浸食と移動の兆候を示していますレイヤー、気象前線、霧、その他多くの興味深い詳細。 また、火星、フォボス、およびデイモスの衛星が撮影されました（1971年の終わりに約40枚の画像が撮影され、その後さらに約70枚の画像が撮影されました）。 「Mariner-9」は約50年間火星の軌道に残り、その後、大気圏に入ります。

画像の例：


西マリナーバレーの迷宮


オリンポス山の中央カルデラ


北極の帽子

Mariner-9の写真はこちらとこちらでご覧いただけます 。

「火星-2」および「火星-3」（ソ連、1972）

これらの宇宙船は、1971年に3つの宇宙船の打ち上げを想定したM-71プロジェクトの一環としてソ連で作成されました。 Mariner-6、7の場合と同様に、構造的に、Mars-2とMars-3は類似しており、障害が発生した場合に相互に複製されました。 デバイスには、f = 52 mmおよびf = 350 mmの光テレビ設備が装備されていました。 火星-2のテレメトリの問題により、このデバイスからは惑星の数個の画像しか取得できませんでした。さらに、その瞬間に荒れ狂う砂嵐によってほとんどすべてのレリーフが隠されていました。



「火星-3」は撮影を続けましたが、送信機の1つが故障したため、画像は低品質（250行）でしか送信されませんでしたが、機器は各1000ピクセルの最大1000行の解像度をサポートしました。 後で判明したように、砂嵐と送信機の問題に加えて、テレビ設備の開発者は間違ったモデルの火星を使用したため、間違ったシャッター速度が選択されました。 画像は露出オーバーで、ほぼ完全に使用できません（画像では：火星の大気と赤道付近の山の境界）。



降下モジュール「Mars-3」の歴史はすでに Habréで取り上げられています 。 したがって、完全を期すために、モジュールが地球に送信した79行の非常に読みにくいイメージのみを残します。

「火星-4」および「火星-5」（ソ連、1973）

「Mars-4」および「Mars-5」は、「Mars-3」（改良された光学系、新しいFEU-103光電子増倍管）のいくつかの高度な光テレビ設備を使用しました。

長焦点カメラ「Zufar-2CA」（f = 350、視野角5.67°）：



広角カメラ「Vega-3MSA」（f = 52、視野角35.7°）：



各カメラには20メートルの25.4 mmフィルムがあり、480フレームに十分なはずです。 露光時間は1/50秒から1/150秒まで変化し、その後フィルムが現像およびスキャンされました。 スキャンモードは10種類ありましたが、実際には3つの主なモードが使用されました。すべての画像は235x220サイズのプレビュー、一部は940x880の通常の解像度、1880x1760ピクセルの最大解像度の特に興味深い詳細です。 パルス送信機は、512〜1024ピクセル/秒のモードで動作できます。

火星-4は、科学プログラムに従って、地球の周りの軌道に入り、地上での作業を目的とした自動火星ステーションとの通信を提供することになっていた。 接近双曲線の中心の2分前に、広角ベガがオンになりました（接近の5日前に望遠カメラの誤動作が検出されたため、この写真テレビ装置はオンになりませんでした）。 1から5,000,000のスケールで1900/2100 kmの範囲の飛行経路からの火星調査の1つの12フレームサイクルが実行されました。 写真は良質で得られました：



さらに、望遠光度計を使用して、火星の表面の2つの領域（オレンジと赤赤外線の範囲）のパノラマが撮影されました。





搭載システムの1つでの誤作動により、Mars-4ブレーキ推進システムはオンにならず、AMSは飛行経路に沿って惑星の近くを通過し、最短距離1844 kmに近づき、太陽中心軌道で飛行を続けました。

「火星-5」は前任者とは異なり、レッドプラネットの軌道に成功し、表面解像度が100 m〜1 kmの青、赤、緑、追加の特別なオレンジフィルターで撮影した60枚の画像を送信しました。



合成ショット（RGB）：



ソビエトミッションからの火星の写真はこちら 。

「Viking-1」および「Viking-2」（米国、1976〜1980年）

原則として、「バイキング」の成功は、降下ビークルの最初の成功体験によって説明されます。 ただし、各軌道局には2台のテレビカメラ（f = 475）があり、5年間で52,000以上の画像を撮影しました。 デバイスの光学システムは、ナイキスト42 lp / mmでMTF = 0.7のシュミットカセグレンシステムでした。



カメラの解像度は、1182ピクセルの1056行でした。 6つのカラーフィルターを備えたホイールがレンズとメカニカルシャッターの間に配置されました：青（0.35-0.53μm）、負の青（0.48-0.70）、紫（0.35-0.47）、緑（ 0.50-0.60）、赤（0.55-0.70）および純粋。 カメラの視野角は1.54°x 1.69°で、これは表面上で約40 x 44 kmで、スパンは1,500 kmです。 撮影時にブレンドモードが確保されたため、画質をほとんど損なうことなく画像を大規模なモザイクにさらに組み合わせることができました。



各画像の露光時間は0.003〜2.66秒でした。 カメラは8.96秒で単一の画像をキャプチャし、カメラを交互に切り替えながら、軌道装置は4.48秒ごとに画像を受信します。 画像は7ビットでデジタル化され、磁気テープに記録されました。





「バイキング」の画像のカタログはこちらとこちら 。

Mars Global Surveyor（アメリカ、1997-2006）

この軌道装置には、CCDベースのカメラ-火星軌道カメラ（MOC）が初めて搭載されました。



走査型カメラには広角（140°）と狭角（0.4°）の両方の光学系があり、全世界の表面調査（ピクセルあたり7.5 km）と個々のセクションの高解像度（最大1.4メートルあたりピクセル）。



狭角カメラの光学系は、焦点距離3.5 mのRitchey-Chretien望遠鏡と500〜900 nmの範囲で動作するフィルターのセットで表されました。 広角カメラの場合、焦点距離は11.4 mmでした。



広角カメラのCCDマトリックスは、3456要素、狭角要素-2048要素で構成され、制御電子ユニットには32ビット（10 MHz、1 MIPS）SA3300マイクロプロセッサ、4 ASIC、128 kB EPROM、192 kB SRAM、12 MB DRAMが含まれていました。

画像の例：



画像カタログ： こことここ（地図作成参照付き） 、

「マーズオデッセイ」（2001年以来、米国）

「Mars Odyssey」には、可視域および赤外域の火星表面のマルチスペクトルイメージング用に設計されたTHEMIS（熱放射イメージングシステム）が搭載されています。 THEMISは、火星の気候衛星からのMARCIカメラに基づいて作成され、赤外線および可視範囲でそれぞれ100および20 mの表面解像度を持ちます。



このカメラを使用して、100 mの空間解像度で完全に正確な火星の地図が得られました。その編集のために、科学者は8年間で人工衛星によって撮影された2万1千枚の写真を使用しました。

カメラの機能は、ミッションの主なミッション-惑星の地質構造を調査し、鉱物を検索することによって決定されます。 可視範囲では、カメラは次の周波数で動作します：0.425ミクロン、0.540ミクロン、0.654ミクロン、0.749ミクロン、0.860ミクロン、赤外線-6.78ミクロン、7.93ミクロン、8.56ミクロン、9.35ミクロン、10.21 μm、11.04μm、11.79μm、12.57μm、14.88μm


カメラの可視カラーフィルター

カメラが赤外線でどのように機能するか：午後、太陽は火星の表面を加熱し、一部の鉱物は受け取った熱を放射し始めます。 THEMISは、これらの放出の特性と位置を記録し、最終的な画像を形成します。 320x240エレメントのサイズのマイクロボロメーターのアレイは、検出器として機能します。 可視光線の場合、1024x1024シリコン検出器の検出器アレイが受信機で使用されます。 デバイスの光学系は、120 mm（f / 1.6）の開口部を持つ望遠鏡で表されます。 赤外線カメラの視野角は4.6°x 3.5°、可視範囲のカメラでは2.66°x 2.64°です。

画像の例：







地図参照画像カタログ

Mars Express（ヨーロッパ、2004年以降）

「Mars Express」は、火星の軌道にある最初の宇宙ステーションであり、高解像度で撮影するための立体カメラを搭載しています-高解像度ステレオカメラ（HRSC）：



HRSCは9チャンネルのCCDベースのカメラで、最大2メートルの詳細な写真を撮影できるだけでなく、デジタル地形モデルを構築できます。 カメラヘッドにあるHRSC光学系は、焦点距離175 mm（f / 5.6）のアポテッサーレンズです。 CCDは9個のThomson THX 7808Bエレメントで構成され、各エレメントには7μmの物理サイズの5184ピクセルが含まれ、250 kmの飛行高度でピクセルあたり10 mの表面解像度を提供します。 カメラのスペクトル範囲：675±90 nm、青-440±45 nm、緑-530±45 nm、赤-750±20 nm、近赤外線-970±45 nm。 カメラの詳細についてはこちらをご覧ください 。

Mars Expressには、個別の光学系と、超解像で撮影するための専用チャンネル：Super Resolution Channel（SRC）もありました。 SRC光学システムは、焦点距離が972 mm（f / 11）のMaksutov-Cassegrain望遠鏡であり、その軸はHRSC光軸に平行です。 SRCセンサーは、1024x1032ピクセルの連続スキャンと9μmのピクセルサイズのKodak KAI 1001 CCDです。これにより、高度250 kmでピクセルあたり2.3 mの表面が得られます。





HRSC画像カタログ

「火星偵察衛星」（火星偵察オービター）（2006年以降、米国）

MROは、火星を探索するために設計された最も高度で多機能な自動惑星間ステーションです。科学機器の一部として、高解像度イメージング科学実験（HiRISE）、コンテキストカメラ（CTX）、および火星カラーイメージャー（MARCI）の3つのカメラが搭載されています。

HiRISEは、直径0.5 mの反射望遠鏡を使用したカメラで、0.3メートル/ピクセルの空間解像度を提供します。今日、それは深宇宙で使用される最大の望遠鏡です。このデバイスの光検出器は、3つのミラーシステムを備えたカセグレン方式の非点収差望遠鏡反射器です。 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。青緑色および近赤外線範囲には、合計表示幅が4048ピクセルの2つの検出器があり、赤色範囲には合計表示幅が20264ピクセルの10の検出器が用意されています。各CCDには、物理​​サイズが12ミクロンの2048ピクセルが含まれています。 HiRISEの詳細な分析は、対応する記事に記載されています。

画像の例（拡張色範囲内）：


二重リングのクレーター


砂丘


プレーンMavrt

HiRISE画像カタログの北部の粘土堆積物：地図参照またはプロジェクトサイト自体。さらに、ロシア語のTumblrがあり、定期的に最新の写真で更新されます。

CTXは、0.5〜0.8ミクロンの範囲でモノクロ画像を撮影するパンクロマティックコンテキストカメラで、最大解像度は1ピクセルあたり6メートルです。



CTXは、火星のコンテキストマップを作成することを目的としており、将来的にはHiRISEカメラとCRISM分光器による観測に役立ち、このカメラは火星表面の広い領域のモザイクを作成し、個々の領域の長期的な表面変化を監視し、主要な領域のステレオ画像を作成するために使用されます将来のミッションのための潜在的な着陸場所。 CTX光学系は、焦点距離350 mm、CCDアレイ5064ピクセルのMaksutov-Cassegrainシステムのミラーレンズ望遠鏡で構成されています。このデバイスは、幅30 kmのプロットをキャプチャでき、全長160 kmの画像を保存するのに十分な内部メモリを備えています。

サンプル画像：


新しい衝突クレーターの出現


そして、それはよく:)彼の女の子のためのオリジナル祝かもしれ
（非ロマンチックのために：それは、多くのHydaspesの混乱のエンティティのうちの1つにすぎない）

商品画像CTX

マーシー- 、広角カメラ見える5と2の紫外線バンドで火星の表面を取り除きます。



画像の解像度は比較的小さく、ピクセルあたり1〜10 kmです。このカメラで作成されたマップは、火星の毎日の天気予報を表します。彼らの助けを借りて、火星の大気中の水蒸気とオゾンの存在を検出するだけでなく、季節的および年間の温度変動を分析することができます。 MARCIには、単一のCCDセンサーに直接接続された7つのカラーフィルターのセットを備えた180度の魚眼レンズがあります。


火星の北極のキャップ


斜めの遠近法（425 nm、500 nm、600 nmの3つの範囲の混合）

したがって、ほぼ50年間レッドプラネットのインスピレーションを与えてくれる写真機器のこの小さなレビューは終わりました。20世紀半ばの独創的なエンジニアリングソリューションを見て、驚くほど美しい現代のメガピクセルパノラマをじっと見ると、これが人間の手によるものであると信じることは困難です。そして、科学的な成果を「私たち」と「エイリアン」に分けながら、ロスコスモスからではなく、NASAからの火星からの最新ニュースを待ってみましょう。