從神舟到天宮，載人航天的歷次巡天任務(wù)都少不了為人類生活的地球拍照，幫助我們?cè)诤棋挠钪嬷袕母鱾€(gè)方位“感知”地球。在本次飛行任務(wù)中為“天宮二號(hào)”太空實(shí)驗(yàn)室定制了一臺(tái)高性能航天“數(shù)碼相機(jī)”。當(dāng)然，數(shù)碼相機(jī)是為了幫助我們理解這臺(tái)科學(xué)儀器的工作原理，它的學(xué)名叫做“寬波段成像光譜儀”。這臺(tái)相機(jī)有何特殊之處？我們細(xì)細(xì)來(lái)說(shuō)。

結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、功力深厚 

　　能登上我國(guó)第一個(gè)真正意義上的太空實(shí)驗(yàn)室，寬波段成像光譜儀的“內(nèi)力”相當(dāng)深厚。相機(jī)被安裝在太空實(shí)驗(yàn)室對(duì)地觀測(cè)面的“肚子”上，有了它，“天宮二號(hào)”可謂擁有了“火眼金睛”的本領(lǐng)，能夠?qū)崿F(xiàn)跟隨實(shí)驗(yàn)室的飛行角度變化從多個(gè)方位對(duì)地成像。

　　打開(kāi)相機(jī)的外部“黑匣子”，可以看到它的內(nèi)部有8臺(tái)分4層結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)的小相機(jī)。其中3臺(tái)是可見(jiàn)光近紅外波段相機(jī)，2臺(tái)是短波紅外波段相機(jī)，2臺(tái)熱紅外波段相機(jī)，還有最后一層是可見(jiàn)光波段偏振相機(jī)。這些相機(jī)通過(guò)視場(chǎng)拼接組合在一起，可以擴(kuò)大觀測(cè)視場(chǎng)幫助相機(jī)“看”得更寬，更能夠同時(shí)獲取同一目標(biāo)的圖像、光譜和偏振信息。 

　　再往里看，可以發(fā)現(xiàn)相機(jī)有三樣自主研制的核心“利器”。一個(gè)是采用自主研發(fā)的新型長(zhǎng)線列短波紅外探測(cè)器，精心集成了1600個(gè)“視覺(jué)”單元，保證相機(jī)看的時(shí)間長(zhǎng)，目標(biāo)看得更清晰，使相機(jī)擁有穿云透霧的“功力”。其二則是具有800個(gè)高靈敏度“視覺(jué)”單元的熱紅外探測(cè)器，它可以使相機(jī)具有夜視功能，晝夜不間斷工作，能夠探測(cè)到1/40度的溫度變化。其三則是配備一臺(tái)高性能、高可靠性的靈巧型機(jī)械制冷機(jī)，用來(lái)滿足熱紅外探測(cè)器需要的低溫要求，保障其穩(wěn)定工作在低至零下200度的環(huán)境。 

寬波段成像光譜儀實(shí)物照片（光機(jī)主體部分)

寬波段成像光譜儀三維模裝圖 

觀海探氣，樣樣精通

　　上天以后，相機(jī)就要馬不停蹄開(kāi)展太空工作。它的主要任務(wù)有兩個(gè)，一個(gè)是看海，一個(gè)是看大氣。 

　　任務(wù)一：看海洋，即觀測(cè)海洋水色和水溫。

　　可見(jiàn)光近紅外譜段的成像具有“圖譜合一”的特點(diǎn)，也就是相機(jī)既能獲得影像信息，也能同時(shí)獲得物體的光譜特征信息。這些“定量化”的圖譜信息可用在海洋葉綠素、懸濁物含量、海洋海岸水色等遙感應(yīng)用中。比如，海水中葉綠素含量增大時(shí)，水色一般由藍(lán)色向綠色轉(zhuǎn)變，成像儀提取到海水葉綠素、色素濃度等遙感信息，不僅可以幫助海洋專家準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到發(fā)生在任何海域的赤潮現(xiàn)象，還可以估計(jì)出這片海域的浮游生物量和初級(jí)生產(chǎn)力，從而指導(dǎo)漁民出海作業(yè)等等。 

地面可見(jiàn)近紅外成像圖 

　　短波紅外輻射由于可以透過(guò)薄云層，主要用于可見(jiàn)光近紅外探測(cè)通道的大氣校正。在太空中觀測(cè)地表目標(biāo)時(shí)，都得通過(guò)地球上厚厚的大氣層。為了準(zhǔn)確研究地表目標(biāo)信息，必須剔除接受到信號(hào)中大氣成分的影響。由于海水在短波紅外譜段基本為“零”信號(hào)，那么在這個(gè)譜段接受到的信號(hào)全部為大氣成分信號(hào)，通過(guò)一定的算法計(jì)算，就可以將可見(jiàn)光近紅外譜段各個(gè)探測(cè)通道的大氣成像信號(hào)扣除掉，提高對(duì)地表目標(biāo)提取信號(hào)的準(zhǔn)確度。 

地面短波紅外成像圖 

　　相機(jī)晝夜不間斷觀測(cè)主要靠熱紅外成像來(lái)實(shí)現(xiàn)，不論白天、夜晚都可以正常工作，堪稱勞動(dòng)模范！它可以探測(cè)水溫、海冰和洋流信息，且具備很高的水溫變化探測(cè)靈敏度，大約是1攝氏度的40分之一，比我國(guó)現(xiàn)有的海洋遙感器的探測(cè)靈敏度提高了好多倍。 

　　地面熱紅外探測(cè)成像圖

　　任務(wù)二：看大氣，優(yōu)化氣象預(yù)報(bào)。

　　相機(jī)可以獲取被探測(cè)對(duì)象的偏振信息。何謂偏振？我們知道，光是一種橫波，它有偏振方向，如果放一個(gè)偏振片在偏振光前面，和偏振方向平行，透過(guò)光最強(qiáng)。而如果和偏振方向垂直，透過(guò)光最小，幾乎為零。生活中，應(yīng)用到光偏振特性的場(chǎng)合很多，如攝影愛(ài)好者都熟悉的相機(jī)鏡頭偏振鏡用來(lái)消除反光，在電影院用偏振鏡看立體電影，汽車(chē)上使用偏振片降低在夜晚行車(chē)時(shí)迎面駛來(lái)車(chē)輛發(fā)射出的刺眼燈光等。 

　　由于光的偏振特性對(duì)大氣粒子特性（形狀、大小和組成）具有獨(dú)特敏感性，這個(gè)優(yōu)勢(shì)可以幫助研究人員對(duì)大氣氣溶膠和云粒子的尺寸大小、形狀、光學(xué)厚度等微觀特性和云的關(guān)鍵性能參數(shù)開(kāi)展定量化研究，對(duì)氣象預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)有很重要價(jià)值。百姓們都關(guān)心，它能看到霧霾嗎？回答是肯定的。它可以獲取到霧霾的位置信息以及嚴(yán)重程度。 

　　云的偏振成像對(duì)比（右為偏振圖像） 

瞄準(zhǔn)先進(jìn)，八年磨一劍

　　大家肯定會(huì)關(guān)心，精心打造的這臺(tái)相機(jī)在國(guó)內(nèi)國(guó)際上處于什么水平？ 

　　讓我們來(lái)舉個(gè)例子。 

　　如果要拍可見(jiàn)光圖像，要拍紅外圖像，要進(jìn)行光譜成像，要進(jìn)行偏振成像，我們至少需要4臺(tái)相機(jī)，長(zhǎng)槍短炮，沒(méi)哪吒的三頭六臂恐怕Hold不住。而在天宮二號(hào)，安裝1臺(tái)寬波段成像光譜儀就能實(shí)現(xiàn)在數(shù)秒內(nèi)迅速成像30幅。酷吧！ 

　　從學(xué)術(shù)水平上而言，據(jù)科學(xué)家們查閱文獻(xiàn)，國(guó)際上，在一臺(tái)儀器上開(kāi)啟可見(jiàn)近紅外高光譜成像與短波紅外、熱紅外多光譜成像，同時(shí)兼具偏振探測(cè)功能的智慧銳眼，這是第一次！ 

　　中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)了八年的智慧和心血，造就了這臺(tái)太空高性能光譜與偏振復(fù)合型數(shù)碼相機(jī)，他們從可行性分析到設(shè)計(jì)、制造，再到地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可靠性的每一個(gè)環(huán)節(jié)中，不斷地進(jìn)行優(yōu)化完善、自我加壓、自我超越。這家以盛產(chǎn)太空相機(jī)而聞名的研究所，先后為我國(guó)的風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星、神舟系列載人飛船任務(wù)、海洋和環(huán)境衛(wèi)星、探月工程研發(fā)了各種高性能太空“千里眼”。