星載相機(jī)與圖像傳感器

衛(wèi)星相機(jī)市場復(fù)合年增率CAGR達(dá)到了9.2%，這一市場包括了軍事和民用兩種，歐洲空間局European Space Agent（以下簡稱ESA）是歐洲多國組成的國際空間探測組織，這一期我們就以ESA為例講一講在民用星載相機(jī)市場有哪些相機(jī)和圖像傳感器應(yīng)用。

ESA成立于1964年，現(xiàn)在有22個(gè)成員國，負(fù)責(zé)和平目的來探索和利用空間資源，總部設(shè)在巴黎。

ESA有七個(gè)觀測站和一個(gè)****場，有趣的是這個(gè)唯一的****中心不在歐洲，而是位于南美法屬圭亞那（Kourou），歐洲國家普遍緯度很高不太適合衛(wèi)星****（位置越靠近赤道衛(wèi)星****的初速度越大，可以降低****的成本），前段時(shí)間英國的初創(chuàng)公司‘維珍軌道’嘗試在英國本土，在起飛的波音737客機(jī)上****衛(wèi)星，結(jié)果失敗了，隨后維珍軌道即宣布破產(chǎn)。

ESA成立至今，總共開發(fā)了80多顆衛(wèi)星，****了220多次，下面我們就介紹一些具體的項(xiàng)目及其圖像傳感器。

Gaia -- Mapping Stars （宇宙星圖繪制項(xiàng)目）

Gaia是一個(gè)星載拍照系統(tǒng)，目的是繪制一個(gè)非常精確的星空三維地圖，其中包含整個(gè)銀河系及更遠(yuǎn)的一億多顆恒星，繪制它們的運(yùn)動(dòng)、光度、溫度和成分。這個(gè)龐大的恒星普查將提供解決與我們銀河系的起源、結(jié)構(gòu)和演化歷史相關(guān)的大量重要問題所需的數(shù)據(jù)。

ESA為Gaia項(xiàng)目開發(fā)了一個(gè)1966x4500分辨率的CCD圖像傳感器 ，把106個(gè)這種圖像傳感器拼接到一起，形成一個(gè)0.38平米、10億像素的大傳感器，這是當(dāng)時(shí)（2013年）世界上最大的太空相機(jī)傳感器焦平面。

Euclid -- Dark Energy Mapping （暗能量建圖）

ESA 的 Euclid 任務(wù)旨在探索黑暗宇宙的組成和演化。太空望遠(yuǎn)鏡將通過觀察超過 1/3 的天空，覆蓋 100 億光年以外的數(shù)十億個(gè)星系，繪制出一幅跨越時(shí)空的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)圖。歐幾里德將探索宇宙是如何膨脹的，以及結(jié)構(gòu)是如何在宇宙歷史中形成的，更多地揭示引力的作用以及暗能量和暗物質(zhì)的性質(zhì)。

英國的倫敦大學(xué)學(xué)院空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室牽頭為這個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)大型光學(xué)數(shù)碼相機(jī)，CCD傳感器分辨率為4096x4132，整個(gè)相機(jī)有36個(gè)圖像傳感器拼在一起，總像素?cái)?shù)超過600M，在可見光和近紅外波長下工作。

這個(gè)項(xiàng)目是歐洲各國合作的結(jié)果，相機(jī)的結(jié)構(gòu)由法國宇宙基本律研究所生產(chǎn),快門由瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)生產(chǎn)，校準(zhǔn)單元由意大利天體與空間研究所生產(chǎn)…

Cheops -- Characterising exoplanets(表征系外行星)

項(xiàng)目任務(wù)是研究已知擁有系外行星的太空任務(wù)，以便在行星經(jīng)過其宿主恒星前時(shí)對其大小進(jìn)行高精度觀測。它專注于超級地球到海王星大小范圍內(nèi)的行星，其數(shù)據(jù)可以推導(dǎo)出行星的體積密度。

這是Cheops相機(jī)拍攝的第一張照片，傳感器分辨率只有1024x1024。

每個(gè)像素代表天空中約 0.0003 度（1 角秒）的微小角度。圖像中其他較暗的恒星位于目標(biāo)的背景中。右下角的插圖顯示了一個(gè)寬度約為 100 像素的區(qū)域，以目標(biāo)恒星為中心。圖像中恒星的奇特形狀是由于 CHEOPS 光學(xué)器件故意散焦造成的。CHEOPS 通過將以恒星為中心的區(qū)域內(nèi)所有像素接收到的光相加來測量恒星的亮度，如圖中的圓圈所示。散焦將光散布到許多像素上，這使得 CHEOPS 能夠達(dá)到最佳的光度精度。

ATLID -- Atmospheric Lidar 大氣激光雷達(dá)

這個(gè)項(xiàng)目是歐洲空間局和日本空間局合作的EarthCare 項(xiàng)目的一部分，歐洲負(fù)責(zé)大氣激光雷達(dá)，日本負(fù)責(zé)云分析雷達(dá)CPR。

EarthCARE 將繪制天然和人造氣溶膠的垂直分布圖，記錄水和冰的分布及其云的傳輸，并為氣候模型提供必要的輸入，以更精確地預(yù)測全球變暖。

云層和較小的氣溶膠將入射的太陽光反射回太空，但它們也會(huì)捕獲外射的紅外光。這導(dǎo)致了行星冷卻或加熱的凈效應(yīng)。此外，氣溶膠影響云的生命周期，因此間接地影響了它們的輻射效應(yīng)——測量它們將有助于更好地了解地球的能量收支。

ATLID 是 EarthCARE 衛(wèi)星的四種儀器之一，可提供氣溶膠和薄云的垂直剖面。它在 355 nm 的紫外線范圍內(nèi)工作，提供大氣回波，從地面到 20 公里高度的垂直分辨率約為 100 米，從 20 公里到 40 公里的高度為 500 米。

其圖像傳感器分辨率只有6 x 8 像素。

除了上述4個(gè)項(xiàng)目，還有監(jiān)測空氣質(zhì)量和氣候的Tropomi項(xiàng)目，

監(jiān)測地表溫度的：LSTM項(xiàng)目，

檢測二氧化碳排放量的CO2M項(xiàng)目，等等。

歐洲空間局為這些星載相機(jī)項(xiàng)目分別設(shè)計(jì)了不同的傳感器，總的來說，星載相機(jī)有幾個(gè)與我們‘地上’普通相機(jī)不同的特點(diǎn)：

• 大像素，較高分辨率

• 單色輸出

• 圖像分辨率因項(xiàng)目而定，變化較大

• 幀率差異大，從MHz到10Hz都有

• 模擬信號(hào)輸出

  
  

  除了這些不同點(diǎn)，在對圖像質(zhì)量的要求上與普通相機(jī)也有很多共同點(diǎn)，本文就不一 一贅述了。

來源：大話成像