Марс. От 200 пикселей до 20 Мегапикселей за 50 лет.

[ursa]

19 июня 1963 года, «Марс-1» — первый в истории космический аппарат, выведенный на траекторию полета к Марсу — максимально сблизился с планетой на расстоянии около 200 тыс. км. Именно «Марс-1» должен был стать первым в истории аппаратом, осуществившим фотосъемку ее поверхности…

Но не стал: из-за утечки азота из баллонов системы ориентации остронаправленная антенна не могла быть наведена на Землю и сеансы связи с аппаратом прекратились. А первое телеизображение Марса разрешением 200 строк по 200 пикселей мы получили с американского «Маринера-4» в 1965 году.

 

«Маринер-4» (США, 1965), изучение с пролетной траектории

Космический аппарат НАСА «Маринер-4» пролетал около Марса 14-15 июля 1965 года и был оснащен длиннофокусной камерой (видикон) с f=305 мм. 

 

 

Камера была включена в 00:18:36 UTC 15 июля, засняв узкую дугу на поверхности Марса: от 40° с. ш., 170° в. д., далее через экватор, вблизи 35° ю. ш., 200° в. д. с пересечением терминатора на 50° ю. ш., 255° в. д. (что в целом составляет около 1% от всей поверхности планеты). Снимки были сделаны через красный или зелёный фильтры, причем пары их перекрывались, чтобы получить больше информации о цвете поверхности. Разрешение изображения составило 200 строк по 200 пикселей, 6 битов на пиксель. Всего получен 21 полный снимок и частично 22 снимок (21 строка). Снимки были получены при разных дальностях, причем минимальная составляла 11,8 тыс. км. Передача снимков велась на скорости 8,33 бит/сек (на один кадр требовалось более 8,5 часов) с расстояния более 216 млн км.

Первый кадр:

 

Второй кадр:

 

Мозаика из первого и второго кадров:

 

Несмотря на то, что «Марс-1» так и не смог стать первым «фотографом» Марса, он имел куда более мощное телеоборудование, чем «Маринер-4». На его борту находилась 32-килограмовая фототелевизионная камера, которая могла снимать с разрешением до 1440 линий (720 линий в альтернативном режиме или 68 линий в режиме превью):

 

 

 

Камера содержала как 35 мм, так и 750 мм оптику, в ней использовалась 70 мм пленка, которой должно было хватить на 112 кадров. Режим съемки предусматривал либо квадратные изображения, либо прямоугольные в пропорции 3:1. Снятые и проявленные изображения затем должны были быть отсканированы и переданы на Землю. Камера также имела ультрафиолетовый спектрограф: УФ спектр записывался сразу за снятым изображением. Кроме того, в составе камеры был 3-4 микронный инфракрасный дифракционный спектрометр, расположенный параллельно ее оптической оси. Учитывая засекреченность советских проектов по освоению космоса, можно лишь предположить, что конструктором данной камеры выступал П.Ф. Брацлавец (его «Енисей» впервые снял обратную сторону Луны в 1959 году).

Камера «Марса-1» оснащалась собственным 6 ГГц передатчиком, который, потребляя 50 Вт, выдавал короткие импульсы по 25 кВт. В то время системы с резервированием еще не применялись, и импульсная передача высокой мощности была поистине гениальным изобретением для увеличения пропускной способности на расстоянии в 300 млн. километров. Изображения должны были передаваться попиксельно со скоростью примерно 90 пикселей в секунду, что потребовало бы более 6 часов для передачи одного изображения разрешением 1440х1440.

 

 

«Маринер-6» и «Маринер-7» (США, 1969), изучение с пролетной траектории

Два идентичных космических корабля НАСА «Маринер-6» и «Маринер-7» были запущены 24 февраля и 27 марта 1969 года соответственно и прошли около Марса на расстоянии 3,4 тыс. км 31 июля и 5 августа. На каждом аппарате были установлены две телевизионные камеры (видикон): широкоугольная (f=52 мм) для съемки полного диска Марса с больших расстояний и длиннофокусная (f=508 мм) для съемки во время сближения с планетой. При максимальном сближении изображение длиннофокусной камеры покрывало область поверхности планеты примерно 72х84 км и позволяло различить кратеры размером до 300 м. Широкоугольная камера давала изображение площадью в 100 раз больше, чем длиннофокусная.

При съемке с близкого расстояния камеры работали поочередно с интервалами между экспозицией в 42 с. Широкоугольная камера была оснащена красным, зеленым и синим фильтрами, вмонтированными в отверстия поворачивающейся заслонки. Длиннофокусная камера имела только желтый фильтр для исключения «синей дымки», которая могла присутствовать в атмосфере Марса.

Оптическая система каждой камеры создавала телевизионное изображение, состоящее из 704 линий по 935 пикселей в каждой. Каждый пиксель имел 8-битное кодирование. Разумеется, технические возможности того периода не позволяли передавать изображение в режиме реального времени и записывались на магнитную ленту, причем использовалось две системы записи: цифровая (в двоичном формате с емкостью 13 Мбит) и аналоговая с эффективной емкостью 120 Мбит. Всего «Маринер-6» передал 75 изображений (в том числе 26 — с длиннофокусной камеры), «Маринер-7» — 126 изображений (в том числе 33 — с длиннофокусной камеры). Общая площадь поверхности, которая представлена на снимках с ближнего расстояния, составила около 20%.

Примеры изображений с «Маринера-6» и «Маринера-7»:

 

В том же 1969 году с разницей в неделю СССР запустил космические корабли серии М-69: «Марс-1969A» и «Марс-1969B», в составе научного оборудования которых были 3 телевизионные камеры (35, 50 и 250 мм), которые могли вести цветные телепередачи, а также делать фотоснимки размером 1024х1024 пикселей и максимальным пространственным разрешением до 200 метров. Количество снимков, хранимых на одной камере, могло составлять 160.

 

Однако оба корабля в результате аварий ракет-носителей не смогли выйти за пределы Земли: «Марс-1969A» в результате отказа главного двигателя на 439 секунде взорвался и упал в горах Алтая, «Марс-1969B» в результате отказа сначала одной, а затем и 5 остальных разгонных ракет, взорвался уже на 41 секунде после старта, достигнув высоты в 3 километра.

 

 

«Маринер-9» (США, 1971-1972)

«Маринер-9», так же как и большинство аппаратов своего времени, был оснащен двумя камерами: широкоугольной и длиннофокусной (f=500 мм). Камеры обладали примерно теми же характеристиками, что и в «Маринерах-6, 7»: 700 линий по 832 пикселя. Изображение записывалось на пленку в виде прямоугольника физическим размером 9,6х12,5 мм. Углы поля зрения для длиннофокусной камеры составляли 1,1х1,4". Съемка поверхности Марса «Маринером-9» изначально планировалась сразу после выхода на орбиту планеты, однако из-за пылевой бури, начавшейся 22 сентября 1971 года, вся научная программа была под вопросом (невозможно было предсказать, когда атмосфера успокоится и детали поверхности станут доступны для наблюдения). 

За 349 дней работы на околомарсианской орбите космический аппарат передал в общей сложности 7329 снимков, покрыв около 85% поверхности планеты с разрешением от 1 до 2 км (2% поверхности сфотографированы с разрешением от 100 до 300 метров). На снимках видны русла высохших рек, кратеры, огромные вулканические образования (такие как вулкан Олимп — крупнейший из вулканов, обнаруженых в Солнечной системе), каньоны (включая долины Маринера — гигантскую систему каньонов длиной свыше 4000 километров), признаки ветровой и водной эрозии и смещения пластов, погодные фронты, туман и ещё много интересных подробностей. Также, были сфотографированы и спутники Марса, Фобос и Деймос (в конце 1971 года было получено около 40 снимков, затем еще около 70). «Маринер-9» останется на орбите Марса еще около 50 лет, после чего войдет в его атмосферу.

Примеры изображений:

Лабиринты в западной части долин Маринер

 

Центральная кальдера горы Олимп

 

Шапка на Северном полюсе

 

«Марс-2» и «Марс-3» (СССР, 1972)

Эти космические аппараты были созданы в СССР в рамках проекта М-71, предусматривавшего запуск в 1971 году трех аппаратов. Как и в случае «Маринеров-6, 7», конструктивно «Марс-2» и «Марс-3» были аналогичны и дублировали друг друга на случай возможного сбоя. Аппараты были оборудованы фототелевизионными установками с f=52 мм и f=350 мм. Из-за проблем с телеметрией у «Марса-2», с данного аппарата удалось получить лишь несколько изображений планеты, у которой, кроме того, почти весь рельеф скрывала бушевавшая в тот момент песчаная буря:

 

«Марс-3» продолжал вести съемку, но из-за выхода из строя одного из передатчиков, изображения были переданы только в низком качестве (250 линий), хотя аппаратура подерживала разрешение до 1000 линий по 1000 px. Как потом выяснилось, кроме песчаной бури и проблем с передатчиком, разработчики телевизионных установок использовали неправильную модель Марса, поэтому были выбраны неправильные выдержки. Снимки получались пересветленными, практически полностью непригодными (на снимках: граница атмосферы Марса и горы в районе экватора):

 

 
 

Для полноты картины - то самое нечитаемое изображение из 79 строк, которое модуль успел передать на Землю:

 

 

Марс-4» и «Марс-5» (СССР, 1973)

«Марс-4» и «Марс-5» использовали несколько усовершенствованные фототелевизионные установки с «Марса-3» (улучшенная оптика, новый фотоэлектронный умножитель ФЭУ-103):

длиннофокусная камера «Зуфар-2СА» (f=350 и угол обзора 5,67°):

широкоугольная камера «Вега-3МСА» (f=52 и угол обзора 35,7°):

 

Каждая камера имела по 20 метров 25,4 мм пленки, которой должно было хватить на 480 кадров. Время экспозиции варьировалось с 1/50 до 1/150 с, после чего пленка проявлялась и сканировалась. Предусматривалось 10 различных режимов сканирования, но на практике использовались 3 основные: все изображения в превью размером 235х220, некоторые в нормальном разрешении 940х880, а особо интересные детали — с максимальным разрешением 1880х1760 пикселей. Импульсный передатчик мог работать в режимах от 512 до 1024 пикселей в секунду.

«Марс-4» в соответствии с научной программой должен был выйти на орбиту вокруг планеты и обеспечивать связь с предназначенными для работы на поверхности автоматическими марсианскими станциями. За две минуты до перицентра подлетной гиперболы была включена широкоугольная «Вега» (из-за неисправности длиннофокусной камеры, обнаруженной за 5 дней до подлета, это фототелевизионное устройство не включалось). Проведен один 12-кадровый цикл съемки Марса с пролетной траектории на дальностях 1900/2100 км в масштабе 1:5000000. Снимки получались хорошего качества:

 
 

Кроме того, с помощью телефотометров была проведена съемка панорам двух областей поверхности Марса (в оранжевом и красно-инфракрасном диапазонах):

 

 

Вследствие нарушения в работе одной из бортовых систем тормозная двигательная установка «Марса-4» не включилась и АМС прошла около планеты по пролетной траектории, приблизившись на минимальное расстояние 1844 км, продолжив полет по гелиоцентрической орбите.

«Марс-5», в отличие от своего предшественника, успешно вышел на орбиту Красной планеты и передал 60 изображений, снятых через синий, красный, зелёный и дополнительный специальный оранжевый светофильтры с поверхностным разрешением от 100 м до 1 км.

 

 

ґ
 

Композитные снимки (RGB):

 

 

«Викинг-1» и «Викинг-2» (США, 1976-1980)

Успехи «Викингов», как правило, описываются первым успешным опытом работы спускаемого аппарата. Однако каждая орбитальная станция обладала двумя телевизионными камерами (f=475), которые за 5 лет миссии сняли более 52 тыс. изображений. Оптическая система аппаратов представляла собой систему Шмидта-Кассегрена с MTF=0,7 при Найквисте 42 lp/mm:

 

Разрешение камер составляло 1056 линий по 1182 пикселей. Между линзами и механическим затвором было расположено колесо с шестью цветовыми фильтрами: синий (0,35 — 0,53 мкм), минусовой синий (0,48 – 0,70), фиолетовый (0,35 — 0,47), зеленый (0,50 — 0,60), красный (0,55 — 0,70) и чистый. Углы обзора камер составляли 1,54° х 1,69°, что составляло около 40х44 км на поверхности при высоте пролета 1500 км. При съемке обеспечивался режим наложения, что позволило в дальнейшем совмещать изображения в масштабные мозаики практически без потери качества:

 

Время экспозиции каждого снимка варьировалось от 0,003 до 2,66 с. Камеры могли снимать одно изображение в 8,96 с, при чередовании камер орбитальный аппарат мог получать изображение каждые 4,48 с. Изображения оцифровывалось 7 битами и записывалось на магнитную ленту.

 

 


 

 

«Марс Глобал Сервейор» (Mars Global Surveyor) (США, 1997-2006)

Данный орбитальный аппарат впервые имел на своем борту камеру на основе ПЗС — Mars Orbiter Camera (MOC):

 

 

Камера сканирующего типа обладала как широкоугольной (140°), так и узкоугольной (0,4°) оптикой, что обеспечивало и глобальную съемку поверхности (7,5 км на пиксель), и высокое разрешение для отдельных участков (до 1,4 метров на пиксель). 

 

 

Оптическая система узкоугольной камеры была представлена телескопом системы Ричи-Кретьена с фокусным расстоянием 3,5 м и набором фильтров для работы в диапазоне 500-900 нм. У широкоугольной камеры фокусное расстояние составляло 11,4 мм:

 

ПЗС-матрица широкоугольной камеры состояла из 3456 элементов, узкоугольной — из 2048 элементов, блок управляющей электроники включал 32-битный (10 MHz, 1 MIPS) SA3300 микропроцессор, 4 ASIC, 128 кБ EPROM, 192 кБ SRAM, 12 МБ DRAM.

Примеры изображений:

   

 

«Марс Одиссей» (США, с 2001 года)

«Марс Одиссей» имеет на борту прибор THEMIS (Thermal Emission Imaging System), предназначенный для многоспектральной съемки поверхности Марса в видимой и инфракрасной части спектра. THEMIS был создан на базе камеры MARCI от Марсианского климатического спутника и имеет поверхностное разрешение 100 и 20 м в инфракрасном и видимом диапазоне соответственно:

 

С помощью этой камеры была получена полная точная карта Марса с пространственным разрешением 100 м. Для её составления ученые использовали 21 тысячу фотографий, сделанных искусственным спутником за восемь лет. 

Особенности камеры обусловлены основной задачей миссии — изучением геологического строения планеты и поиском минералов. В видимом диапазоне камера работает со следующими частотами: 0,425 мкм, 0,540 мкм, 0,654 мкм, 0,749 мкм, 0,860 мкм, в инфракрасном — 6,78 мкм, 7,93 мкм, 8,56 мкм, 9,35 мкм,10,21 мкм, 11,04 мкм, 11,79 мкм, 12,57 мкм, 14,88 мкм. 

Цветовые фильтры камеры, работающей в видимой части спектра
 

Как работает камера в инфракрасном диапазоне: днем Солнце нагревает поверхность Марса и некоторые минералы начинают излучать полученное тепло. THEMIS регистрирует характеристики и местоположение этих излучений, формируя итоговое изображение. В качестве детекторов выступает массив микроболометров размером 320х240 элементов. Для видимого излучения в приемнике использована матрица кремниевых детекторов 1024х1024. Оптика прибора представлена телескопом с апертурой 120 мм (f/1,6). Углы поля зрения составляют для инфракрасной камеры 4,6° х 3,5°, для камеры в видимом диапазоне — 2,66° х 2,64°.

Примеры изображений:

 

 

 

«Марс-экспресс» (Европа, с 2004 года)

«Марс-экспресс» — это первая космическая станция на орбите Марса, которая имела на своем борту стереоскопическую камеру для съемки с высоким разрешением — High Resolution Stereo Camera (HRSC):

 

HRSC — это девятиканальная камера на основе ПЗС матрицы, позволяющая получать снимки с детализацией до 2 метров, а также строить цифровые модели рельефа. Оптика HRSC, расположенная в головке камеры, представляет собой апо-тессаровский объектив с фокусным расстоянием 175 мм (f/5,6). ПЗС-матрица состоит из 9 элементов Thomson THX 7808B, каждый из которых содержит 5184 пикселя физическим размером 7 мкм, что обеспечивает поверхностное разрешение в 10 м на пиксель при высоте полета 250 км. Спектральные диапазоны камеры: 675±90 нм, голубой — 440±45 нм, зеленый — 530±45 нм, красный — 750±20 нм, ближний инфракрасный -970±45 нм. Подробно почитать о камере можно здесь.

Также «Марс-экспресс» обладал отдельной оптикой и выделенным каналом для съемки с супер-разрешением: Super Resolution Channel (SRC). Оптическая система SRC представляет собой телескоп системы Максутова-Кассегрена с фокусным расстоянием 972 мм (f/11), оси которого расположены параллельно оптическим осям HRSC. Сенсоры SRC — ПЗС Kodak KAI 1001 со сплошной разверткой размером 1024х1032 px и размером пикселя 9 мкм, что дает 2,3 м поверхности на пиксель при высоте 250 км.

 

 

«Марсианский разведывательный спутник» (Mars Reconnaissance Orbiter) (США, с 2006 года)

MRO — самая современная и многофункциональная автоматическая межпланетная станция, предназначенная для исследования Марса. На своем борту в составе научной аппаратуры имеет три камеры: High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE), Context Camera (CTX) и Mars Color Imager (MARCI).

HiRISE — камера, использующая телескоп-рефлектор с диаметром 0,5 м, что дает пространственное разрешение 0,3 метра на пиксель. На сегодняшний день — это самый большой телескоп, использующийся в глубоком космосе. Фотоприемник устройства представляет собой астигматический телескоп-рефлектор схемы Кассегрена с системой из 3 зеркал. ПЗС расположены зигзагообразно, чтобы закрыть всю область прохода, без каких-либо пропусков. Сине-зеленый и ближний инфракрасный диапазоны имеют по 2 детектора с общей шириной полосы обзора в 4048 px, для красного диапазона предусмотрено 10 детекторов с общей шириной обзора 20264 px. Каждый ПЗС содержит по 2048 пикселей с физическим размером 12 мкм. C подробным разбором HiRISE можно ознакомиться в соответствующей статье.

Примеры изображений (в расширенном цветовом диапазоне):

Кратер с двойным кольцом


Песчаные дюны


Залежи глины в северной части равнины Маврт
 

CTX — панхроматическая контекстная камера, которая снимает монохромные изображения в диапазоне 0,5 — 0,8 мкм с максимальным разрешением снимков до 6 метров на пиксель. 

 

CTX предназначалась для создания контекстной карты Марса, которая в будущем пригодилась бы для наблюдения камерой HiRISE и спектрометром CRISM, наряду с этим камера используется в создании мозаик больших участков поверхности Марса, в долгосрочных наблюдениях за изменениями поверхности отдельных областей, и для создания стереоснимков ключевых регионов и потенциальных мест посадок будущих миссий. Оптика CTX состоит из зеркально-линзового телескопа системы Максутова-Кассегрена с фокусным расстоянием 350 мм и ПЗС-линейки из 5064 пикселей. Прибор способен запечатлеть участок размером 30 км в ширину, и имеет достаточно внутренней памяти для сохранения изображения с суммарной длиной 160 км.

Примеры изображений:

 
Появление нового ударного кратера


А это вполне может быть оригинальным поздравлением для своей девушки
(для не-романтиков: это всего лишь одно из многочисленных образований в хаосе Гидасп)
 

MARCI — широкоугольная камера, снимающая поверхность Марса в пяти видимых и двух ультрафиолетовых диапазонах.

 

Разрешение её снимков относительно невелико: от 1 до 10 км на пиксель. Карты, созданные при помощи данной камеры, представляют ежедневный прогноз погоды для Марса. С их помощью можно анализировать сезонные и годовые колебания температур, а также обнаружить присутствие водяного пара и озона в атмосфере Марса. MARCI имеет 180-градусный объектив рыбий глаз с набором из семи цветных фильтров, напрямую связанных с одним ПЗС-сенсором.

Шапка Северного полюса Марса


Наклонная перспектива (смешивание трех диапазонов: 425 нм, 500 нм, 600 нм)

Глядя на гениальные инженерные решения середины прошлого века, вглядываясь в потрясающие по красоте современные мегапиксельные панорамы, сложно поверить в то, что это дело рук человеческих.