孤独的火星游客好奇号是个摄影爱好者

特别策划

2012年8月20日第33期

最伟大的探索者必定是孤独的，自好奇号火星车成功登陆火星后，一场孤独而又艰险的探险之旅开始了。好奇号是一个用于科研的机器人，但它也是一个摄影爱好者。从某种意义上说，摄影就是它的终极使命。这个摄影爱好者又有哪些装备呢？今天我们就来近距离接触这个超级拍客吧！

好奇号是个大个，“脑袋”长在肚子里

作为一个孤独的旅行者，好奇号究竟长什么样？它究竟有什么“秘密武器”能独闯让人恐怖的火星？

在设计上，好奇号好像一个“三头六臂”的怪物。实际上，它并没有头，倒是有6条腿和1条胳膊，好似一只独臂螳螂。从图片中我们看到一个用杆子支撑的类似脑袋的装置，其实它并不是脑袋，那只是它的眼睛。好奇号的大脑长在肚子里面，这样设计也是为了更安全，它能够消化和分析火星岩石样本。它的行走是利用金属轮子，体积类似于一辆SUV大小。

其实在好奇号诞生之前，它已经有了两个前辈，机遇号和勇气号。它们于2004年登陆火星。时隔8年后的一代好奇号，体格更加的强壮了，它比机遇号和勇气号重三倍、长两倍，其内部结构也更加复杂了。

延伸阅读好奇号靠什么提供能量

好奇号的早餐是钚，用于发电。它的动力系统是一个放射性同位素动力系统，可从钚元素放射性衰变产生的热量中生成电能。该动力系统可提供好奇号火星车在火星表面运行至少一个火星年（相当于687个地球日）

好奇号爱自拍，火眼金睛辨识能力惊人

在家靠父母，出门靠朋友，好奇号这次旅行可没有朋友，这是一次充满各种危险的远行。所以它首先要考虑的是，遇到问题怎么办？所以好奇号随时准备自拍，把自己遇到的各种困难的照片发回“家”，让“家人”给出解决方案。作为火星的特殊访客，心情没有那么轻松。

为了更好地实现自拍和外拍，在好奇号上方有7个摄像头（其中一个是地质勘探仪），在下面还有8个用于避险的摄像头，加上其他用于科学研究的镜头，好奇号整个的摄像头多达17个。真可谓360度无死角的全视角，可以为它提供全方位的自拍。这些摄像头，我们按功能划分，大致可以分为三类。

第一类就是安装在遥感桅杆上的桅杆相机。它由圣地亚哥的马林空间科学系统公司研制，两个并排的独立相机构成，就像一双眼睛，安装在好奇号头部的化学矿物分析仪下方的桅杆相机是好奇号的主要成像工具，负责拍摄火星地貌的高解析度彩色照片和视频，供科学家进行分析。

为了获得更多的数据，两个相机配备了不同的镜头，其中之一是34mm/F8，可以覆盖15度视角，另一枚镜头为100mm/F10，视角达到5.1度，可以在七个足球场那么远分辨出足球和篮球。

第二类是火星手持透镜成像仪。火星手持透镜成像仪功能相当于一个超级放大镜，允许地球上的科学家更细致地观察火星上的岩石和土壤。这台仪器可以拍摄小到只有12.5微米（不及一根人发的直径）的地貌特征彩色照片。安装在好奇号的5关节7英尺（约合2.1米）机械臂末端，本身就是一个工程学奇迹。形象地说，这台仪器就是科学家的一个高科技手持透镜，将对准他们希望对准的任何地方。

第三类就是火星降落成像仪。火星降落成像仪是一台小型摄影机，安装在好奇号的主车身上，负责拍摄好奇号降落火星地面过程的影像。这辆火星车借助一个悬浮的火箭动力太空起重机完成降落。在好奇号距离火星地表1英里（约合1.6公里）或2英里（约合3.2公里）时启动，此时的好奇号丢弃了隔热板。在好奇号触地前，这台仪器以每秒5帧的速度拍摄影像。拍摄的影像将帮助“火星科学实验室”任务组规划好奇号的火星之旅，同时为科学家提供登陆地——直径100英里（约合160公里）的盖尔陨石坑的地质信息。

参数不重要，真三防才是硬道理

看到这里，肯定有不少用户吐槽，为什么如此精密的火星车，号称耗资25亿美元，却配备参数这么寒酸的桅杆相机呢？分辨率才达到1600×1200，内存才8GB，10年前的消费DC也比这个强。对于好奇号的相机来说，不能这么比。

从我们掌握的数据来看，好奇号的桅杆相机虽然输出像素不高，但传感器却非常特殊，属于应用于科学试验以及医学和工业的专业级产品。出于安全考虑，所采用的CCD传感器是由柯达设计的，分辨率达到1600×1200，是至今为止，在火星车上配备的最高规格的相机，其内存容量达到8GB，所以可一次存储5500幅原始照片，压缩后传给地球。除了能够拍摄静态照片，桅杆相机还能够拍摄高分辨率的视频，让科学家免去了将单幅火星照片拼接成延时视频的麻烦。拍摄视频时，速度可达到每秒4.5帧，画质达到720P。

此前柯达也多次向其地行星的探测提供CCD传感器，例如1997年，索杰纳登陆车就是采用KAI-0371图像传感器作为“眼睛”，2006年登陆的金星快车号轨道飞行器上的金星监控相机也是基于KAI-1010传感器设计，而好奇号配备的是柯达的KAI-2020CM传感器。其尺寸为11.84×8.88mm，虽然比起我们常用的单反相机面积要小不少，但别忘了，它的输出像素只有200万，在制造过程中采用了集成度更高的制作工艺，单位像素面积非常大，所以容纳电荷的能力很强，动态范围能够得到保证，不仅能感受到更细微的光线变化，拍出层次感更丰富的火星表面，而且在低光照条件下，对于画面的噪点的控制相当出色。科学成像应用对CCD器件的稳定性要求很高，尤其是对大幅变化的环境温度适应能力（火星的表面温度是-15摄氏度到5摄氏度），还要尽可能地减少空间辐射对CCD传感器电荷转移速度和转移效率的影响。

此外，科学家对于像素为什么是200万，还给出了另外一个解释，那就是过高的分辨率很容易出现问题，甚至导致系统瘫痪。因为好奇号计算机的配置也比较低，处理器主频为200MHz，内存256MB。

为了在夜间拍摄获得更好的效果，科学家在镜头的旁边添加了四个LED辅助白色光源，以及两个365nm波长的LED紫光光源。与传统光源相比，大功率LED体积小，结构紧凑，易于进行二次光学设计，对积分球的体积要求也相对较低，同时在多组LED级联使用下，便于实现多级光通量调节、色温补偿。

好奇号从进入火星大气层的顶端到着陆，需要7分钟的时间，这7分钟被NASA（美国国家航空航天局的缩写：National Aeronautics and Space Administration）称为“恐怖7分钟”。这是因为火星车上的每一个零件都需要经受住高温、剧烈减速、精确定位以及平稳着陆等多项考验，相机也不例外。所以我们看到的相机比较笨重，外壳均采用特殊合金材质，部件之间衔接牢固，耐用性特别强，能最大限度地抗电磁干扰，这才是真正的三防。

天高路远，照片传回是慢动作

由于身处在外太空，好奇号要想把拍摄的照片传回地球，可不是一件容易的事情。目前利用的是无线电技术，通过调制将照片数据加载于无线电波之上，通过甚高频天线与火星轨道卫星转发到地球，利用空间传播到达地面接收端，电波引起的电磁场变化会在导体中产生电流，通过解调将数据从电流变化中提取出来，最后还原成照片。

根据美国宇航局透露的资料，好奇号与地球的直接数据带宽为8KB/s左右，如果直接传送回地球，恐怕一张照片要等上一天时间，所以利用围绕火星的“2001火星奥德赛”卫星进行中转，上传带宽能达到2MB/s，而“2001火星奥德赛”与地球的带宽为256KB/s。当卫星从漫游车上空飞过，每次能通信8分钟，最多能传输250MB的数据，而这250MB数据需要花20小时才能传输到地球上。

由于好奇号的仪器能耗较大并且经常同时运转，因此，它不能像前辈一样仅靠太阳能电池板供电。为了满足用电需求，火星车采用核能发电，即利用放射性钚衰变产生的热量发电，可以持续产生110千瓦时电力。不过即便如此，好奇号真正通讯的时间也非常有限，它每天都会自转到与地球相背的位置，离开地球视场。为了能在第一时间迅速确认好奇号已经登陆火星，所以早期我们看到的照片都是黑白且低分辨率的。

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可能有些读者会提出质疑，为什么从好奇号上首批发回的照片是黑白的，而且很不清楚呢？这是因为降落之后，桅杆并没有打开，照片是由安装在车身正面的风险躲避相机拍摄的，它的像素非常低，镜头为鱼眼设计，视角达到124度，在前后左右各有两个，功能是确认是否安全着陆，以及数据能否正常传回地球。只有在三天之后，当好奇号携带的高分辨率相机的桅杆被打开后，才能拍摄彩色照片。

在确认运行一切正常之后，同时启动的还有位于桅杆上的导航相机，数量共有四个，其中一半是替补，应对意外情况发生。它能够以45度角拍摄100万像素的黑白照片，对25米外小到一个高尔夫球那样的物体进行成像，通过拼接实现3D全景效果。除了可以环视外，它还可以上下观察，获取火星地貌的三维信息，帮助科学家和工程师为好奇号制定勘探路线和目标。

编后

随着任务的继续，好奇号上的相机将会全部工作，并且发回更多的照片。对于这个爱好摄影的拍客来说，这些照片的价值是非常珍贵的。不仅具有科研价值，对于摄影迷来说对这些照片同样充满好奇。对于大多数的人来说，最关心的就是好奇号通过与科学仪器的相互配合，能够帮助科学家寻找破解火星众多谜团的线索。究竟有没有生命存在呢？我们倒是很期待有新的发现。