Camera không gian: "Đôi mắt" của vệ tinh trong vũ trụ

 Các thành phần cơ bản của một máy ảnh không gian

▲Máy ảnh CCD 4 băng tần Haiyang-1

Một máy ảnh không gian thường bao gồm các bộ phận sau:

1. Thấu kính vật kính: Được cấu tạo từ các hệ thống và cấu trúc quang học. Các loại hệ thống quang học khác nhau tương ứng với các cấu trúc khác nhau, chẳng hạn như loại khúc xạ, phản xạ và khúc xạ ngược. Một hệ thống quang học thường bao gồm nhiều thành phần quang học, chẳng hạn như cửa sổ máy ảnh, thấu kính, gương, bộ lọc và lăng kính.

2. Hệ thống mạch phát hiện và thu nhận: Bộ tách sóng quang thực hiện chuyển đổi quang điện, khuếch đại tín hiệu, xử lý, hiển thị, lưu trữ và ghi chú, và thường bao gồm các bộ tách sóng quang, mạch điện và các thành phần kẹp cơ khí.

3. Cấu trúc cơ khí: bao gồm vỏ máy, các thành phần mặt phẳng tiêu cự, cơ cấu truyền động, khẩu độ, tấm chắn sáng, v.v.

4. Thiết bị điều khiển nhiệt: Thường bao gồm lớp phủ điều khiển nhiệt, màng cách nhiệt, vật liệu chuyển pha, ống dẫn nhiệt, cáp dẫn nhiệt, bộ tản nhiệt, bộ gia nhiệt, bộ điều khiển nhiệt độ, v.v. Bao gồm điều khiển nhiệt chủ động và điều khiển nhiệt thụ động.

5. Bộ xử lý thông tin và điều khiển: Điều khiển việc thu thập, lưu trữ, xử lý hoặc mã hóa dữ liệu hình ảnh; điều khiển các hệ thống servo khác nhau như vận chuyển phim, lấy nét, hiệu chuẩn, điều chỉnh phơi sáng và bù dịch chuyển hình ảnh; nhập dữ liệu vào thiết bị chú thích; giám sát trạng thái hoạt động của từng thành phần; và truyền thông tin lỗi đến trung tâm điều khiển mặt đất.

 Phân loại máy ảnh không gian

▲Máy quang phổ hồng ngoại FY-3

Có nhiều loại camera không gian, chẳng hạn như camera trinh sát, camera khảo sát (còn được gọi là camera lập bản đồ) và camera đa phổ sử dụng phim làm phương tiện lưu trữ thông tin; camera CCD, máy quét đa phổ và máy quang phổ hình ảnh sử dụng bộ dò quang điện làm bộ thu. Những cảm biến từ xa trong không gian này được gọi chung là camera không gian.

• Phân loại theo phân đoạn quang phổ

Máy ảnh có thể được phân loại thành máy ảnh tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, laser chủ động hoặc chủ động, cũng như máy ảnh toàn sắc và đa phổ và máy quang phổ hình ảnh. Loại máy quang phổ hình ảnh này có thể được phân loại tiếp thành loại siêu phổ và siêu quang phổ dựa trên độ phân giải quang phổ.

Hiện nay, các loại máy quang phổ hình ảnh phổ biến nhất là loại tán xạ và giao thoa, trong khi các lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm hiện nay bao gồm loại lọc và loại tính toán.

▲Máy quang phổ hình ảnh độ phân giải trung bình FY-3

• Theo mục tiêu hình ảnh 

Dựa trên mục tiêu chụp ảnh, camera không gian có thể được chia thành hai loại: camera chụp ảnh khu vực và camera chụp ảnh điểm. Ví dụ, camera quan sát đặc điểm địa hình (gọi chung là camera trinh sát, lập bản đồ và tài nguyên) và camera quan sát mặt trăng, các hành tinh và mặt trời là những camera chụp ảnh khu vực, trong khi camera sao hoặc cảm biến sao chụp ảnh các ngôi sao (nguồn sáng điểm) trên bầu trời ngoài mặt trời.

• Theo nguồn tín hiệu phát hiện  

Dựa trên nguồn tín hiệu được phát hiện, camera không gian được chia thành hai loại: chủ động và thụ động. Viễn thám chủ động sử dụng một nguồn bức xạ điện từ nhân tạo cụ thể để chiếu sáng mục tiêu, sau đó xác định mục tiêu bằng cách thu nhận các đặc điểm của sóng điện từ phản xạ từ mục tiêu. Mặt khác, viễn thám thụ động không cần bức xạ nhân tạo để chiếu sáng mục tiêu, mà sử dụng các nguồn tự nhiên (như ánh sáng mặt trời, bức xạ vũ trụ và bức xạ hồng ngoại phát ra từ các vật thể do hấp thụ năng lượng mặt trời) để đo sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ của mục tiêu, từ đó đạt được mục đích viễn thám.

• Bằng cách sử dụng 

Theo mục đích sử dụng, máy ảnh không gian có thể được chia thành hai loại. Loại thứ nhất là máy ảnh không gian quan sát Trái đất, còn được gọi là máy ảnh vật thể mặt đất, chẳng hạn như để nghiên cứu đặc điểm của các mục tiêu trên mặt đất, địa chất và địa hình, trinh sát quân sự, lập bản đồ và định vị, quan sát khí tượng và hải dương học, v.v. Loại thứ hai là máy ảnh tìm kiếm, thu thập, theo dõi và giám sát các mục tiêu trong không gian trên một nền tảng không gian, chẳng hạn như để quan sát thiên thể trong không gian và để đo lường và nhắm mục tiêu vào các vệ tinh đánh chặn (hoặc vũ khí động năng).

 Ứng dụng và thực tiễn của máy ảnh không gian

▲ Máy ảnh không gian đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực viễn thám.

Máy ảnh không gian đầu tiên của nước tôi được Học viện Công nghệ Vũ trụ Trung Quốc phát triển từ năm 1967. Nó được phóng vào không gian ngày 26 tháng 11 năm 1975 trên tàu vệ tinh có thể thu hồi đầu tiên của Trung Quốc, "Jianbing-1", và trở về Trái đất ba ngày sau đó. Điều này đã đưa đất nước tôi trở thành quốc gia thứ ba, sau Liên Xô và Hoa Kỳ, sở hữu máy ảnh quan sát Trái đất.

Thiết bị quang học không gian "Jianbing-1" là một camera ánh sáng nhìn thấy được sử dụng để khảo sát. Nó có tiêu cự 850mm, sử dụng phim dài 2000m để lưu trữ thông tin, chiều rộng phim là 225mm và kích thước khung hình là 198mm×1780mm. Độ phân giải pixel trên mặt đất của camera có thể đạt từ 10m đến 5m.

• Camera không gian vệ tinh quan sát khí tượng 

Vệ tinh khí tượng FY-1 của Trung Quốc mang theo một máy đo bức xạ quét đa kênh, cũng có khả năng phát hiện màu sắc đại dương, với độ phân giải 1,1 km. Hệ thống VISSR được trang bị trên vệ tinh khí tượng địa tĩnh này cũng có một gương 45° trên trục chính của hệ thống quang học, nhưng nó thực hiện quét theo hướng đông-tây bằng cách vệ tinh quay, trong khi quét theo hướng bắc-nam được thực hiện bằng chuyển động từng bước của gương quét bắc-nam.

Thiết bị chụp ảnh quét hồng ngoại và khả kiến ​​của vệ tinh khí tượng FY-2 của Trung Quốc thực hiện quét theo hướng bắc-nam bằng cơ chế quét từng bước của kính viễn vọng. Độ phân giải của kênh khả kiến ​​và cận hồng ngoại là 1,25 km, và độ phân giải của kênh hồng ngoại nhiệt và hơi nước là 5 km.

• Camera không gian quan sát tài nguyên

Năm 1999, vệ tinh tài nguyên Trái đất Trung Quốc-Brazil (CBERS) đã được phóng thành công, mang theo một camera CCD quét ngang 5 băng tần, một máy quét hồng ngoại 4 băng tần và một thiết bị chụp ảnh trường rộng 2 băng tần. Vệ tinh Ziyuan-101 đã hoạt động trên quỹ đạo hơn ba năm, với dải quét rộng 113 km, và sở hữu khả năng truyền dữ liệu Trái đất tốc độ cao theo thời gian thực, cung cấp dữ liệu hiệu quả bao phủ hơn 1 triệu km vuông mỗi năm.

Sau hơn 20 năm phát triển, vào ngày 26 tháng 12 năm 2021, gia đình ZY-1 đã chào đón thành viên thứ chín – ZY-1 06. Vệ tinh này được trang bị camera quang phổ nhìn thấy và cận hồng ngoại, cùng với một camera siêu phổ, và một camera hồng ngoại sóng dài mới đã được bổ sung, cho phép quan sát Trái đất trong mọi điều kiện thời tiết. Camera quang phổ nhìn thấy và cận hồng ngoại có độ phân giải toàn sắc 2,5 mét và độ phân giải đa phổ 10 mét, có khả năng xác định các bước sóng cận hồng ngoại nằm giữa ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại, và phân biệt hình dạng, kích thước và một số màu sắc của các mục tiêu được giám sát.

• Camera vệ tinh màu sắc đại dương 

Máy quét màu đại dương được trang bị trên vệ tinh HY-1 của Trung Quốc là một camera không gian quét gương 45° với 10 kênh, bao gồm hai kênh hồng ngoại nhiệt, và độ phân giải 1,1 km. Một camera không gian khác trên vệ tinh là camera CCD bốn băng tần, sử dụng thiết kế quét CCD tuyến tính, với độ phân giải 250 m.

Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ, độ phân giải không gian và thời gian của camera vũ trụ liên tục được cải thiện. Hiệu suất phát hiện quang học của chúng đang hướng tới độ phân giải không gian cao, độ phân giải quang phổ cao và độ phân giải thời gian cao. Các mục tiêu mà chúng có thể nhắm đến đang phát triển từ đơn lẻ sang nhiều mục tiêu, từ đơn giản sang phức tạp, và chúng ngày càng trở nên tích hợp, nhẹ, thông minh và đa chức năng. Vai trò của chúng trong trinh sát và phát hiện không gian ngày càng trở nên quan trọng, đóng vai trò là nền tảng cơ bản và đảm bảo cho các hoạt động không gian-hàng không tích hợp. Người ta tin rằng với sự xuất hiện liên tục của các công nghệ mới và việc cập nhật liên tục các phương pháp phát hiện, triển vọng ứng dụng của camera vũ trụ sẽ còn rộng mở hơn nữa, trở thành xu hướng chủ đạo và quan trọng trong phát triển công nghệ cao ở nhiều quốc gia.

(Tài liệu tham khảo: Viện Hàn lâm Công nghệ Vũ trụ Trung Quốc: Xu hướng phát triển các thiết bị quang học vũ trụ cho thế kỷ 21; Wang Jintang và Chen Shiping: Giới thiệu về thiết kế và thử nghiệm camera vũ trụ)