【虹科】“天问一号”着落的火星，你也想亲眼见证吗？——天体物理观测、短波红外技术与SIRIS相机

前段时间，“天问一号”成功着落火星的消息传遍国内外，标示着中国航天以及火星探测征程上的一次巨大飞跃，先欣赏下传回来的火星地表图像：

（图取自CNSA国家航天局）

据人民日报，此次火星探测风险高、难度大，探测任务面临行星际空间环境、火星稀薄大气、火面地形地貌等挑战，同时受远距离、长时延的影响，着陆阶段存在环境不确定、着陆程序复杂、地面无法干预等难点。天问一号任务突破了第二宇宙速度发射、行星际飞行及测控通信、地外行星软着陆等关键技术，实现了我国首次地外行星着陆。给所有科研人员点赞!

咳咳...可这跟案例学习有关系吗？

火星探测可不是民间高手能做的呀

是没有...

但是我看看总行吧？

行啊

给你看看火星表面吧

太小了？别担心，后面将一一呈现

讲到火星探测，就不得不提到天体观测。人们在地面用各类探测器与天文望远镜可以发现外太空天体的存在，以及学习他们的运动规律，结构等信息。实际上，火星探测也需要经历长时间的观测和研究后完善探测计划。可以说，天体观测是各星体探测重要的基础之一。

而提到天体观测，又不得不说到短波红外光，那么我们先来捋一捋！

一、什么是短波红外？

短波红外光，为不可见光的一种，一般波长为900至1700nm。SWIR成像拥有史无前例的优势：其不受周边环境光弱的影响，也不依赖热发射率，对可见光和其它红外成像方式来说是独特的存在。

通通显形

与中远红外不同的是，SWIR成像并不依靠物体自身的热发射率，所以这里的SWIR辐射并非指热能；此外，SWIR图像具有更高分辨率，细节呈现更为清晰。普通相机照相容易受到环境光线弱的影响，而SWIR成像不会。我们所看到的星光和气辉本身就是自然的SWIR辐射，它们为室外的夜间拍摄提供了天然优质的照明；另外，SWIR还对尘埃，雾气，烟雾和火等有高透射率，这些都是普通相机无法满足的。

在红外天文领域，受限于红外探测器价格昂贵探测灵敏度低等瓶颈，国内红外成像天文研究发展较慢。由此，我们也带来了虹科SIRIS——目前市场上最具高性能、基于InGaAs的短波红外相机之一。

二、虹科SIRIS短波红外相机

虹科SIRIS（短波红外成像系统）是市场上用途最广的SWIR相机，具有高速和超低读取噪声的性能，通常情况下，帧率达200fps全画幅。SIRIS提供两种读出模式，即全线性和线性/log模式，与非破坏性读出模式（NDRO）相结合，可实现比同产品领先的动态范围。三个可调整的增益级确保了灵活性，以适应各种照明条件。长达一小时的曝光时间是可行的，也可实现ROI选择超高帧率(＞10k fps)。SIRIS相机在几分钟内就可以使用，这要归功于一个封闭循环的无振动、无维护的太空级认证无制冷剂冷却器。通过全速Cameralink数据接口和C-mount光学接口，可实现标准连接。由于其高尖端的性能，SIRIS是高端科学应用的完美工具，如天体物理观测、超光谱和生物成像、光谱学和半导体故障检测。

主要特点：

双模式特征：全线性模式与线性/log模式
线性/log模式下可实现超高动态范围：＞120dB
内集成太空级认证斯特林制冷机(50K)，无振动工作
可实现超长1小时曝光时间(视需求)
NDRO模式下可实现超低读取噪音(＜10e-)
200fpbs全画幅，可实现＞10K ROI的fps
尺寸：42cm x 23cm x 23cm

看到这高端强大的性能，笔者直接...

三、正片：天体物理观测应用

以上摄于比利牛斯山南峰实验室，几次与巴黎高等师范学院(ENS)物理实验室合作的测量项目过程。参与领导项目的两位科学家，David Darson（ENS）博士与南峰实验室的François Colas博士，借助SIRIS相机的高性能表现，成功拍摄到了卓越的天文图像，得到了此前用类似设备但无法获取到的观测结果。所有图像都是用法国T1M天文台望远镜拍摄的。

超高动态范围

SIRIS相机的lin/log像素模式可实现120dB的动态范围拍摄。拍摄时，高亮度区域会触发符合对数曲线的像素变化，排除了与光通量和饱和度同步变化的像素。对于低亮度信号，像素会在用户选择的曝光时间内发生线性变化。由此，Lin/log模式可以识别明暗场景对比，使得整个画面清晰可见，没有过度曝光又或过暗。

这里的量级(Mag)是符合对数函数，对于一个物体亮度变化的非计量单位。一个量级对应的是衰减了2.512倍的亮度。利用lin/log拍摄模式，SIRIS相机可以捕获显示同个物体的两千二百万倍不同亮度的图像。

天狼星、天狼星B和一些邻星

(天狼星（Mag = -1.4）比天狼星B（Mag = 8.5）亮9000倍，比最暗的行星（Mag = 13.5）亮90万倍)

木星，木卫一、五和十四

(木星的图像是在log模式下捕获的，围绕它的卫星则是在线性下拍摄的，积分时间10s。木星是木卫十四亮度的两千二百万倍)

土星和其邻星

这两张图片由SIRIS相机单次拍摄获得，曝光时间10s，采用J带（近红外的红色光谱带之一）滤光片。拍摄用的是16bit模式，但显示的是8bit的图像，所以单次拍摄捕获的图像被分成两个不用灰度的图像。

高分辨率成像

下列展示的图片采用SIRIS线性模式成像。左边为火星，右边为土星和土星环，最下面为木星和木卫二（盖尼米德），以及木卫二在木星上的影子。

火星（左）与土星（右）

木星和木卫二

超低噪音摄像

SIRIS相机得益于其无损的读出模式，可极大减少图像噪音。不同模式下，拍摄到的飞马座的球状星团梅西耶图像对比如下（曝光时间1s，J带滤光片）。显然，NDRO（无损读出模式）可以减少图像噪音，探测到亮度低6倍的信号。

飞马座的球状星团梅西耶图像

线读出模式（左）与NDRO（右）

SIRIS高穿透摄像

底下两张图则展示了2018年7月的火星尘暴图像。与可见光相机不同，SIRIS短波红外相机可以透过覆盖火星表面的尘土，拍摄火星土地的细节。SIRIS相机可以完美适用于需要穿透雾状面和尘土的拍摄。

火星尘暴（2018年）

普通可见光相机拍摄(左)—SIRIS相机拍摄(右)

高光谱成像

SIRIS装配了滤光片转轮，可以拍摄多个波段的照片：

木星在不同波段与曝光时间下的图像

975 nm, 曝光时间60 ms 1000 nm, 曝光时间100 ms 1100 nm, 曝光时间100 ms

1170 nm, 1000ms曝光时间 1270 nm, 曝光时间60 ms 1570 nm, 曝光时间60 ms

四、小结

本文由火星探测引入到天体观测应用，介绍了虹科新推SIRIS短波红外相机，一款深冷科研级SWIR相机，其采用无振动和无制冷剂冷却，能够实现超高动态范围与超低噪音(<10e-)。另外展示了SIRIS在不同曝光时间与波长下，对不同星体的成像结果。如果你对SIRIS短波红外相机感兴趣，欢迎随时咨询，我们将聆听您的需求！