กล้องอวกาศ: "ดวงตา" ของดาวเทียมในอวกาศ

 ส่วนประกอบพื้นฐานของกล้องถ่ายภาพอวกาศ

▲กล้อง CCD 4 แบนด์ Haiyang-1

โดยทั่วไป กล้องถ่ายภาพอวกาศประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังต่อไปนี้:

1. เลนส์วัตถุ: ประกอบด้วยระบบและโครงสร้างทางแสง ระบบทางแสงประเภทต่างๆ จะสอดคล้องกับโครงสร้างที่แตกต่างกัน เช่น แบบหักเหแสง แบบกระจายแสง และแบบสะท้อนแสง โดยทั่วไปแล้ว ระบบทางแสงจะประกอบด้วยส่วนประกอบทางแสงหลายชิ้น เช่น หน้าต่างกล้อง เลนส์ กระจก ตัวกรอง และปริซึม

2. ระบบวงจรตรวจจับและรับสัญญาณ: อุปกรณ์ตรวจจับแสงทำหน้าที่แปลงสัญญาณแสงเป็นไฟฟ้า ขยายสัญญาณ ประมวลผล แสดงผล จัดเก็บ และบันทึกข้อมูล โดยทั่วไปประกอบด้วยอุปกรณ์ตรวจจับแสง วงจร และชิ้นส่วนยึดจับเชิงกล

3. โครงสร้างทางกล: รวมถึงตัวเรือน ส่วนประกอบระนาบโฟกัส ระบบส่งกำลังเชิงกล ช่องรับแสง แผ่นบังแสง เป็นต้น

4. อุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิ: โดยทั่วไปประกอบด้วยสารเคลือบควบคุมอุณหภูมิ ฟิล์มฉนวนกันความร้อน วัสดุเปลี่ยนสถานะ ท่อความร้อน สายเคเบิลนำความร้อน แผงระบายความร้อน ฮีตเตอร์ ตัวควบคุมอุณหภูมิ ฯลฯ ซึ่งรวมถึงการควบคุมอุณภูมิแบบแอคทีฟและการควบคุมอุณภูมิแบบพาสซีฟ

5. หน่วยควบคุมและประมวลผลข้อมูล: ควบคุมการรับ การจัดเก็บ การประมวลผล หรือการเข้ารหัสข้อมูลภาพ ควบคุมระบบเซอร์โวต่างๆ เช่น การเคลื่อนฟิล์ม การโฟกัส การปรับเทียบ การปรับค่าแสง และการชดเชยการเลื่อนภาพ ป้อนข้อมูลไปยังอุปกรณ์บันทึกข้อมูล ตรวจสอบสถานะการทำงานของแต่ละส่วนประกอบ และส่งข้อมูลข้อผิดพลาดไปยังศูนย์ควบคุมภาคพื้นดิน

 การจำแนกประเภทของกล้องอวกาศ

▲เครื่องสเปกโทรเมตรอินฟราเรด FY-3

กล้องอวกาศมีหลายประเภท เช่น กล้องลาดตระเวน กล้องสำรวจ (หรือที่เรียกว่ากล้องทำแผนที่) และกล้องมัลติสเปกตรัมที่ใช้ฟิล์มเป็นสื่อกลางในการส่งข้อมูล กล้อง CCD เครื่องสแกนมัลติสเปกตรัม และสเปกโทรเมตรภาพที่ใช้ตัวตรวจจับแสงเป็นตัวรับสัญญาณ เซ็นเซอร์ระยะไกลในอวกาศเหล่านี้โดยรวมเรียกว่ากล้องอวกาศ

• จำแนกตามช่วงสเปกตรัม

กล้องสามารถจำแนกได้เป็นกล้องอัลตราไวโอเลต กล้องแสงที่มองเห็นได้ กล้องอินฟราเรด กล้องเลเซอร์ หรือกล้องแอคทีฟ รวมถึงกล้องแพนโครมาติกและกล้องมัลติสเปกตรัม และสเปกโทรเมตรสำหรับการถ่ายภาพ ซึ่งอย่างหลังนี้สามารถจำแนกเพิ่มเติมได้เป็นประเภทไฮเปอร์สเปกตรัมและซูเปอร์สเปกตรัมตามความละเอียดของสเปกตรัม

ปัจจุบัน สเปกโทรเมตรสำหรับการถ่ายภาพที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือแบบกระจายแสงและแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริก ในขณะที่หัวข้อวิจัยที่กำลังได้รับความสนใจอย่างมากในปัจจุบัน ได้แก่ แบบใช้ตัวกรองและแบบคำนวณ

▲FY-3 เครื่องสเปกโทรเมตรภาพความละเอียดปานกลาง

• ตามเป้าหมายการถ่ายภาพ 

โดยพิจารณาจากเป้าหมายการถ่ายภาพ กล้องอวกาศสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ กล้องที่ถ่ายภาพพื้นที่ และกล้องที่ถ่ายภาพจุด ตัวอย่างเช่น กล้องถ่ายภาพลักษณะทางภูมิศาสตร์บนพื้นดิน (ซึ่งรวมเรียกว่ากล้องลาดตระเวน กล้องทำแผนที่ และกล้องสำรวจทรัพยากร) และกล้องที่สังเกตดวงจันทร์ ดาวเคราะห์ และดวงอาทิตย์ เป็นกล้องที่ถ่ายภาพพื้นที่ ในขณะที่กล้องดาวหรือเซ็นเซอร์ดาวจะถ่ายภาพดาว (แหล่งกำเนิดแสงแบบจุด) บนทรงกลมท้องฟ้าที่ไม่ใช่ดวงอาทิตย์

• ตามแหล่งที่มาของสัญญาณตรวจจับ  

กล้องอวกาศแบ่งออกเป็นสองประเภทตามแหล่งที่มาของสัญญาณที่ตรวจจับได้ คือ แบบแอคทีฟและแบบพาสซีฟ การสำรวจระยะไกลแบบแอคทีฟใช้แหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นเองเพื่อส่องสว่างเป้าหมาย จากนั้นจึงระบุเป้าหมายโดยการรับคุณลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สะท้อนจากเป้าหมาย ในทางกลับกัน การสำรวจระยะไกลแบบพาสซีฟไม่จำเป็นต้องใช้รังสีที่สร้างขึ้นเองเพื่อส่องสว่างเป้าหมาย แต่ใช้แหล่งกำเนิดตามธรรมชาติ (เช่น แสงแดด รังสีคอสมิก และรังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากวัตถุเนื่องจากการดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์) เพื่อวัดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สะท้อนหรือแผ่รังสีจากเป้าหมาย จึงบรรลุวัตถุประสงค์ของการสำรวจระยะไกลได้

• โดยการใช้ 

กล้องอวกาศสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทตามวัตถุประสงค์ ประเภทแรกคือกล้องอวกาศที่ใช้สังเกตการณ์โลก หรือที่เรียกว่ากล้องวัตถุภาคพื้นดิน เช่น การตรวจสอบลักษณะของเป้าหมายภาคพื้นดิน ธรณีวิทยาและลักษณะภูมิประเทศ การลาดตระเวนทางทหาร การทำแผนที่และการกำหนดตำแหน่ง การสังเกตการณ์ทางอุตุนิยมวิทยาและสมุทรศาสตร์ เป็นต้น ส่วนอีกประเภทหนึ่งคือกล้องที่ใช้ค้นหา บันทึก ติดตาม และตรวจสอบเป้าหมายในอวกาศบนแพลตฟอร์มอวกาศ เช่น การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ในอวกาศ และการวัดและการเล็งเป้าหมายบนดาวเทียมสกัดกั้น (หรืออาวุธจลน์)

 การประยุกต์ใช้งานและแนวทางการใช้งานกล้องอวกาศ

▲ กล้องอวกาศถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการสำรวจระยะไกล

กล้องถ่ายภาพอวกาศเครื่องแรกของประเทศจีนได้รับการพัฒนาโดยสถาบันเทคโนโลยีอวกาศแห่งประเทศจีนตั้งแต่ปี 1967 และถูกส่งขึ้นสู่อวกาศเมื่อวันที่ 26 พฤศจิกายน 1975 พร้อมกับดาวเทียมนำส่งกลับโลกดวงแรกของจีน "เจียนปิง-1" และกลับคืนสู่โลกในอีกสามวันต่อมา ทำให้ประเทศจีนเป็นประเทศที่สามต่อจากสหภาพโซเวียตและสหรัฐอเมริกาที่มีกล้องถ่ายภาพสำรวจโลก

กล้องถ่ายภาพในอวกาศ "เจียนปิง-1" เป็นกล้องแสงที่มองเห็นได้ซึ่งใช้สำหรับการสำรวจ มีทางยาวโฟกัส 850 มม. ใช้ฟิล์มยาว 2000 ม. ในการบันทึกข้อมูล มีความกว้างของฟิล์ม 225 มม. และขนาดเฟรม 198 มม. × 1780 มม. ความละเอียดพิกเซลภาคพื้นดินของกล้องสามารถทำได้ถึง 10 ม. ถึง 5 ม.

• กล้องถ่ายภาพอวกาศของดาวเทียมสังเกตการณ์ทางอุตุนิยมวิทยา 

ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา FY-1 ของจีนติดตั้งเครื่องวัดรังสีแบบสแกนหลายช่องสัญญาณ ซึ่งสามารถตรวจจับสีของมหาสมุทรได้ด้วย โดยมีความละเอียด 1.1 กิโลเมตร ส่วน VISSR ที่ติดตั้งบนดาวเทียมอุตุนิยมวิทยาวงโคจรค้างฟ้า ก็มีกระจกสะท้อนแสง 45° บนแกนหลักของระบบออปติคอลเช่นกัน แต่การสแกนในทิศตะวันออก-ตะวันตกนั้นทำได้โดยการหมุนของดาวเทียม ในขณะที่การสแกนในทิศเหนือ-ใต้ทำได้โดยการเคลื่อนที่แบบขั้นบันไดของกระจกสะท้อนแสงสำหรับการสแกนในทิศเหนือ-ใต้

กล้องถ่ายภาพแบบสแกนในย่านแสงที่มองเห็นได้และอินฟราเรดของดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา FY-2 ของจีน สามารถสแกนในแนวเหนือ-ใต้ได้โดยใช้กลไกการเคลื่อนที่ของกล้องโทรทรรศน์ ความละเอียดของช่องสัญญาณแสงที่มองเห็นได้และอินฟราเรดใกล้คือ 1.25 กิโลเมตร และความละเอียดของช่องสัญญาณอินฟราเรดความร้อนและไอน้ำคือ 5 กิโลเมตร

• กล้องถ่ายภาพอวกาศของดาวเทียมสำรวจทรัพยากร

ในปี 1999 ดาวเทียมสำรวจทรัพยากรโลกจีน-บราซิล (CBERS) ได้ถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศอย่างประสบความสำเร็จ โดยบรรทุกกล้อง CCD แบบ 5 แบนด์, เครื่องสแกนอินฟราเรด 4 แบนด์ และเครื่องถ่ายภาพมุมกว้าง 2 แบนด์ ดาวเทียม Ziyuan-101 ปฏิบัติการอยู่ในวงโคจรนานกว่าสามปี มีความกว้างในการสแกน 113 กิโลเมตร และมีความสามารถในการส่งข้อมูลโลกแบบเรียลไทม์ความเร็วสูง ให้ข้อมูลที่มีประสิทธิภาพครอบคลุมพื้นที่มากกว่า 1 ล้านตารางกิโลเมตรต่อปี

หลังจากพัฒนามากว่า 20 ปี ในวันที่ 26 ธันวาคม 2021 ดาวเทียมตระกูล ZY-1 ก็ได้ต้อนรับสมาชิกใหม่ลำดับที่เก้า คือ ZY-1 06 ดาวเทียมดวงนี้ติดตั้งกล้องถ่ายภาพในย่านแสงที่มองเห็นได้และใกล้อินฟราเรด รวมถึงกล้องไฮเปอร์สเปกตรัม และได้เพิ่มกล้องอินฟราเรดคลื่นยาวตัวใหม่เข้ามา ทำให้สามารถสังเกตการณ์โลกได้ในทุกสภาพอากาศ กล้องถ่ายภาพในย่านแสงที่มองเห็นได้และใกล้อินฟราเรดมีความละเอียดภาพขาวดำ 2.5 เมตร และความละเอียดภาพหลายสเปกตรัม 10 เมตร สามารถระบุความยาวคลื่นใกล้อินฟราเรดระหว่างแสงที่มองเห็นได้และแสงอินฟราเรด และแยกแยะรูปร่าง ขนาด และสีบางส่วนของเป้าหมายที่กำลังตรวจสอบได้

• กล้องถ่ายภาพดาวเทียมสีมหาสมุทร 

กล้องสแกนสีมหาสมุทรที่ติดตั้งบนดาวเทียม HY-1 ของจีน เป็นกล้องอวกาศแบบสแกนด้วยกระจก 45 องศา มี 10 ช่องสัญญาณ รวมถึงช่องสัญญาณอินฟราเรดความร้อน 2 ช่องสัญญาณ และมีความละเอียด 1.1 กิโลเมตร กล้องอวกาศอีกตัวบนดาวเทียมเป็นกล้อง CCD สี่แบนด์ ใช้การออกแบบ CCD แบบกวาดเชิงเส้น มีความละเอียด 250 เมตร

ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง ความละเอียดเชิงเวลาและเชิงพื้นที่ของกล้องอวกาศจึงได้รับการปรับปรุงอย่างสม่ำเสมอ ประสิทธิภาพการตรวจจับด้วยแสงมีแนวโน้มไปสู่ความละเอียดเชิงพื้นที่สูง ความละเอียดเชิงสเปกตรัมสูง และความละเอียดเชิงเวลาสูง เป้าหมายที่สามารถตรวจจับได้กำลังพัฒนาจากเป้าหมายเดียวไปเป็นหลายเป้าหมาย จากแบบง่ายไปเป็นแบบซับซ้อน และกล้องอวกาศก็มีความบูรณาการมากขึ้น มีน้ำหนักเบา ชาญฉลาด และใช้งานได้หลากหลายฟังก์ชัน บทบาทของกล้องอวกาศในการลาดตระเวนและตรวจจับในอวกาศมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ โดยทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มพื้นฐานและเป็นหลักประกันสำหรับการปฏิบัติการทางอากาศและน่านฟ้าแบบบูรณาการ เชื่อว่าด้วยการเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีใหม่ๆ และการปรับปรุงวิธีการตรวจจับอย่างต่อเนื่อง โอกาสในการใช้งานของกล้องอวกาศจะกว้างขวางยิ่งขึ้น และกลายเป็นกระแสหลักและทิศทางสำคัญสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูงในหลายประเทศ

(อ้างอิง: สถาบันเทคโนโลยีอวกาศแห่งประเทศจีน: แนวโน้มการพัฒนาอุปกรณ์รับส่งสัญญาณแสงในอวกาศสำหรับศตวรรษที่ 21; หวัง จินถัง และ เฉิน ชิปิง: บทนำเกี่ยวกับการออกแบบและการทดสอบกล้องอวกาศ)