火星摄影师 ——祝融号火星车巡视探测拍摄纪实

张天翼 田鹤 南山（北京空间飞行器总体设计部）

1 引言

天问一号火星探测任务的工程目标已经圆满实现，祝融号火星车正在这颗红色星球的表面开展巡视探测，已经传回大量图片和其他科学探测数据。

利用火星车拍摄的图片，既可以开展火星表面地形地貌研究，也可以用于确定火星车探测的目标，规划火星车行驶的路线，还可以为工程留下重要的图片、视频资料。为了精心设计拍摄这些图片时的构图，以及选择相机的曝光参数，火星车的地面操作控制人员被培养成了火星摄影师。

火星车上共安装了9台相机，它们是：一对导航地形相机、一台多光谱相机、4台避障相机，以及两台相机集成的WiFi分离探头。

桅杆云台上的导航地形相机(位于两侧)和多光谱相机(位于中间)

2 导航地形相机

两台导航地形相机安装在祝融号火星车桅杆的顶端左右两侧，站得高则看得远，这一对相机对火星车而言十分重要，相机的视场大致是46º×46º。

拍摄了周围地形图像之后，利用两台相机的视差，可以恢复出火星车周边的立体地形图，既可以服务火星车行驶所需要的路径选择，也可以用于开展地形地貌方面的科学研究。

着陆之后，为了尽快确定火星车周围的地形信息，地面安排火星车的第一个任务，就是利用这一对相机拍摄着陆平台周围的情况。第一圈拍摄的是平台附近的一圈，看到图像之后设计师们很兴奋，开始规划未来一段时间火星车的行驶计划，同时还觉得不过瘾，决定第二天在桅杆云台抬起来一些的位置，拍摄包括地平线的着陆平台周围的环境。这两圈图像各幅图片之间均有重叠，经过地面处理，就可以形成着陆点周围壮观的火星地貌全景。

等到火星车在火星表面工作一段时间之后，设计师会想知道太阳翼电池片上沉积了多少火星尘土，在火星车顶部的两个集热窗上又积累了多少火星尘土，这与火星车的能量供应情况密切相关，十分重要。把桅杆云台的指向角度再放低些，就可以看到火星车的车体顶部，把图片与刚到火星表面的图像对比，设计师就可以了解个大致。导航地形相机是彩色成像的，公开的彩色照片一般都是由这两台相机拍摄的。

导航地形相机拍摄的火星车顶板状态

导航地形相机拍摄的火星表面（右上角是背罩和降落伞）

导航地形相机拍摄的着陆区全貌

3 多光谱相机

桅杆中央的相机是一台多光谱相机，针对可见光谱段中与矿物成分判断密切相关的8个谱段，设计了只能透过窄带光谱能量的8个滤光片，有点像是左轮手枪，一次可以选择一个谱段进行拍照，也可以根据对巡视区域矿物成分的初步判断，进行部分谱段的拍摄，还可以8个谱段均照。实际上,这个左轮手枪共有9个档位，也就是说,在8个单色档位之外，还有1个特殊的第9档位，这个档位是个全色档，所有颜色的光均会透过，不过光强已经大大减少了，这就是利用了天体拍摄爱好者熟悉的所谓巴德膜减光功能。之所以安排第9档位，目的是为了拍摄太阳，这不是为了去参加摄影比赛，而是为了在火星车遇到确定方向的敏感器出现问题，或者其他无法确定火星车航向的复杂局面时，利用太阳辨识方向，这与荒野求生时利用太阳确定方向的原理是一样的。

目前，多光谱相机已经开始工作，进行了岩石矿物成分分析，但是第9档位拍摄太阳的功能还没有使用。

上述导航地形相机和多光谱相机均兼顾了工程与科学两方面的需求，不过侧重程度不同。

4 避障相机

火星车的车体前方、后方各有一对避障相机，这4台相机的视场很大，大致是100º×100º，四角会有比较大的变形，主要功能是判断车体前后方附近是否有障碍，利用安装在不同位置的一对相机在拍摄时产生的视差进行地形恢复。当年设计玉兔月球车时只有前避障相机，考虑到火星地形复杂，火星车设计时特意增加了后避障相机，目的就是要尽全力确保火星车的行驶安全。避障相机是黑白成像的，照片的四角会有比较明显的变形。

后避障相机图片显示火星车已经行驶到火星表面

5 WiFi分离探头

火星车上还有两台相机，集成在一起叫做WiFi分离探头。它安装在车体底部，工作的时候，从车体掉落到火星表面，设备开始工作，两台相机进入静态和动态拍摄模式，可以获得若干张图片和动态视频。

设计这台设备的目的是增加工程展示度。因为火星车在火星表面工作，虽然可以自拍，但是照片的视角不好，只能获得火星车的顶视图，无法展示火星车在火星表面工作时的自然视角图片。相关人员提出能不能想个办法，拍一张火星车的火面工作照，为此，设计师绞尽脑汁提出了分离探头方案。

火面工作的第18天，探头与火星车车体分离，落到火星表面上，探头开始拍照。火星车立即做些配合动作，先是后退几米，到达拍摄最佳位置，获得几张火星车的标准照。随后火星车原地转向，再继续后退，到达火星车与着陆平台合影位置。

这个探头自带电池，只能工作几个小时，然后就完成了它的使命。两台相机中，一台是航天产品，视场是方形；另外一台相机的元器件等级偏低，视场是长方形的。两台相机均正常工作，获得了一批静态图片和一段视频，拍摄效果不错，设计师看到从火星传来的合影图片，发出了一阵惊呼声。

稍有遗憾的事情是，相机落到火星表面时，其面对的方向偏转了10º左右，导致拍摄的图片中，右侧的平台梯子没有进入视场，左侧的留白有点多。设计师分析原因，猜想相机右侧可能有个小石子，相机正好碰到它，因此镜头方向发生了偏转。利用火星车的导航地形相机对分离探头进行拍摄，想找到这块小石头，结果什么也没有发现，为什么发生这个10º的左转，可能要成为千古之谜了。可是，也有人认为现在的构图刚刚好，看来大家对最美构图的理解并不一致。

WiFi分离探头拍摄的火星车与着陆平台合影

6 着陆平台拍摄

导航地形一般的拍摄场景使用自动曝光方式就可以了，图像质量效果一般都不错，但是在拍摄着陆平台时，遇到了困难。照片中火星表面和着陆平台的成像效果都不错，只是梯子金属表面反光严重，有些过曝。由于上方“屋檐”的阴影影响，平台上的国旗的曝光有些不足。

大家讨论时提出各种建议，曝光参数选多少合适，在什么时间拍摄国旗亮度均匀，火星车行驶到什么位置拍摄合适，需要拍摄几张照片才能把着陆平台全部收入取景框……集思广益之后，最终任务交给了火星车的系统设计师。设计师分析火星星历，得出结论，在火星表面10点37分之后拍摄，就不会出现国旗表面存在明暗差异，全部处于平台结构板的阴影中。而在火面的7点之前拍摄，国旗则会完全处于阳光照射之下，可是这时候拍摄对火星车的要求太高了，阳光从东方地平线照来，火星表面温度很低，火星车机构的温度也很低，拍摄前需要对机构进行加热，最后决定放弃在早晨这个时间段拍摄。

为了提亮拍摄目标，曝光时间需要增加。火星车的导航地形相机不能调整光圈大小，只能调整曝光时间的长短。已经获得的照片的曝光时间是6.3ms，测量照片中目标的灰度值是50左右，为了使特定目标的曝光合适，需要把灰度值提高到100左右。

经过分析，设计人员决定选择3组曝光参数，第一组仍然是自动曝光，第二组左右导航相机的曝光时间都选择为10ms，最后一组的曝光时间都是15ms。每组照片是相互搭接的3张照片，通过地面处理就形成了着陆平台壮观的完整照片。

第二天，拍摄的照片传回。第一组照片的整体效果不错，国旗还是偏暗。接着第二组照片传来，国旗处的灰度值达到了80，着陆平台整体效果也不错。第三组照片中，国旗部分很鲜亮，灰度值达到了112，但是平台及天空背景过曝严重。大家仔细分析了照片，确认拍摄任务完成，经过地面几何校正和辐射校正，拼接后，利用不同时间拍摄的3张图片经过复杂的高动态范围图像（HDR）处理，形成了媒体公布的着陆平台的漂亮图片。

7 结语

就这样，火星摄影师的任务完成了。讲述这些火星表面图片拍摄的过程，就是想为祝融号火星车的研制工作，以及这些火星摄影师们，留下一个剪影。