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Die Technik hinter den Bordkameras des Phoenix Mars Lander

2019

In den vergangenen zwei Wochen sendete der Phoenix Mars Lander der NASA eine Fülle unglaublicher Bilder von seinem Landeplatz in der Mars-Arktis. Ich habe den rohen Fotostream der Mission obsessiv aktualisiert - noch keine kleinen grünen Männer, nur wunderschöne Panoramen und detaillierte Nahaufnahmen des fremdesten aller fremden Länder. Als ein bisschen wie ein Kamera-Freak war ich ziemlich neugierig, welche Art von Hardware hinter der Action steckt, und natürlich hat Phoenix eine ziemlich süße Ausrüstung an Bord, um alles zu ermöglichen.

Die Hauptkamera von Phoenix ist der Surface Stereo Imager (oder SSI, das entzückende Stück mit dem Johnny 5-Look, das oben abgebildet ist). Es ist tatsächlich eine neue und verbesserte Version einer ähnlichen Kamera, die für die Mars Pathfinder-Mission verwendet wird. Es besteht aus einem Gehäuse, das etwas mehr als zwei Meter über der Oberfläche angebracht ist (simuliert die Größe eines Menschen) und zwei stereoskopische Linsen enthält (simuliert, wie Sie es erraten haben, menschliche Augen), die jeweils ein Bild von 1024 x 1024 (ein Megapixel) auf einem Schwarzweißbild aufnehmen können CCD-Sensor. Der SSI kann um 360 Grad um das Fahrzeug gedreht und vertikal für Bilder des Himmels und des Bodens geschwenkt werden.

Das stereoskopische Setup der Kamera ist nicht nur dazu gedacht, unscharfe Bilder auszuspucken, die mit einer 3D-Brille betrachtet werden können (obwohl diese großartig sind). Die stereoskopische Ansicht kann auch verwendet werden, um eine genaue dreidimensionale topografische Karte des Landeplatzes zu erstellen, die das Team erstellt wird dann verwendet, um Bereiche zum Graben auszuwählen und den Roboterarm sicher zu bewegen, ohne an Oberflächenprojektionen hängen zu bleiben.

Ein Blick auf das Datenblatt zeigt, dass der SSI selbst im Vergleich zu preisgünstigen Digicams für Endverbraucher möglicherweise schmerzhaft veraltet ist. Ein dürftiges Megapixel? Einfarbiger Sensor? Diese "Einschränkungen" sind jedoch beabsichtigt. In Bezug auf die Auflösung kann das Kamerafon in Ihrer Tasche wahrscheinlich mehr Megapixel aufnehmen als der Haupt-Imager von Phoenix . Aber Ihr Kamerafon muss seine Bilder nicht kilometerweit über eine knifflige, langsame Datenverbindung strahlen, oder? Das Phoenix- Team entschied sich für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Auflösung und Dateigröße. Wenn ein Bild mit höherer Auflösung oder ein Panorama benötigt wird, kann der SSI mehrere Aufnahmen sammeln, die dann auf der Erde zu Mosaiken zusammengesetzt werden.

Der monochrome CCD-Sensor hingegen ermöglicht letztendlich ein genaueres Farbbild, indem das Phoenix- Team die Kontrolle über jede Lichtwellenlänge einzeln erhält. In Ihrer Digitalkamera hier auf der Erde teilt ein Filter-Overlay den Bildsensor pixelweise in Rezeptoren für rotes, grünes und blaues Licht auf, die dann vom Bildprozessor zu einem RGB-Vollfarbenbild kombiniert werden. An Bord der Phoenix wird das gleiche Grundkonzept mit einem 12-Positionen-Filterrad realisiert, das Licht unterschiedlicher Wellenlängen für die Erfassung durch den gesamten Sensor isolieren kann. Nach dem Zusammensetzen der Einzelwellenlängenaufnahmen auf der Erde ist eine genauere Farbdarstellung möglich. Die Filter können auch zur Messung der Marsatmosphäre verwendet werden, indem die Dichte, der Wasserdampfgehalt und das Vorhandensein von Staub in der Luft abgeschätzt werden.

Die zweite Hauptkamera von Phoenix, die Robotic Arm Camera (RAC), verwendet einen noch neueren Ansatz zur Erfassung von Farbbildern auf einem monochromen CCD. Da der RAC am Roboterarm selbst montiert ist, muss er leicht genug sein, um die Bewegung des Arms nicht zu behindern. Um Gewicht zu sparen, wird die Farbfilterung von zwei Reihen roter, grüner und blauer LEDs übernommen. Für jedes Bild löst der RAC vier Einzelbilder aus - eines mit jeder einzeln leuchtenden Farb-LED und ein viertes mit nur natürlichem Licht, das dann von den drei LED-Bildern abgezogen wird, sodass nur reine Farbe übrig bleibt. Diese werden dann zu einem Vollfarbenbild kombiniert.

Der CCD-Sensor des RAC erfasst eine noch niedrigere Pixelauflösung von nur 512 x 256 oder etwa 1/10 eines Megapixels. Ein Nahfokussierungsmakromodus kann jedoch bis zu 13 Millimeter fokussieren, was zu einer tatsächlichen Auflösung von 23 Mikrometern pro Pixel führt, sodass der RAC als Mikroskop fungieren kann. Die Hauptaufgabe des RAC besteht darin, Bodenproben zu fotografieren, bevor und nachdem sie vom Roboterarm aufgenommen wurden. Es kann auch Bereiche erreichen, die der SSI nicht erreichen kann, z. B. die weißen Flecken auf der Oberfläche unter dem Lander, die Salzablagerungen oder Wassereis sein können.

Mit diesen beiden Kameras zusammen kann Phoenix alles erfassen, von atemberaubenden 360-Grad-Blicken auf den Mars bis hin zu extremen Nahaufnahmen von Bodenproben, und das alles mit einer recht unkomplizierten Technologie, die intelligent speziell für die jeweilige Aufgabe optimiert wurde. Wenn wir jetzt nur einen Phoenix Flickr-Account einrichten könnten ...

Besonderer Dank geht an Horst Uwe Keller vom RAC-Team und Keri Bean vom SSI-Team, die sich einen Moment Zeit genommen haben, um ein paar Fragen zu beantworten, sowie an die Mitarbeiter der University of Arizona und des Max-Planck-Instituts .

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