Das Foto des rötlichen Mondbodens ist schwarz-weiß? Weltraumkameras unterscheiden sich stark von Alltagskameras!

Am 25. Juni landete der Chang'e-6-Rückkehrer meines Landes präzise im ausgewiesenen Gebiet des Siziwang-Banners in der Inneren Mongolei. Die Chang'e-6-Mission des Monderkundungsprojekts war ein voller Erfolg, und es gelang weltweit erstmals, Proben von der Rückseite des Mondes zurückzuholen. Interessanterweise fotografierte Chang'e-6, nachdem es Proben auf der Rückseite des Mondes entnommen hatte, eine „Zhong“-förmige Markierung auf dem Mondboden. Auf diesem Foto erscheint der Mondboden rötlich, doch frühere Bilder, die von der Landekamera des Landers aufgenommen wurden, waren schwarzweiß.

Es handelt sich bei allen um Mondfotos. Warum sind die Farben auf den Fotos unterschiedlich? Es stellt sich heraus, dass dies daran liegt, dass die abgetasteten Fotos nicht farbkorrigiert wurden. Was ist also der Unterschied zwischen der Kamera eines Raumfahrzeugs und den Digitalkameras und Handykameras, die die Menschen in ihrem täglichen Leben verwenden, und warum benötigen sie eine spezielle Farbkalibrierung?

Spuren, die auf dem Mondboden zurückblieben, nachdem Chang'e 6 Proben entnommen hatte

Bilder, die von der Landekamera des Chang'e-6-Landers aufgenommen wurden

Weltraumkameras sind sehr unterschiedlich

Eine Handykamera ist eine spezielle Digitalkamera. Mit der Popularität von Smartphones haben sich die Menschen an das Fotografieren gewöhnt. Viele Leser denken, dass es sich bei beiden um Kameras handelt und dass die im Weltraum verwendeten Kameras und die Kameras, die Menschen im täglichen Leben verwenden, nicht dieselben sind.

Die Prinzipien optischer Kameras sind zwar ähnlich, die konkrete Bauweise ist jedoch recht unterschiedlich. Aufgrund der unterschiedlichen Umgebung, in der sie eingesetzt werden, liegt der Designschwerpunkt von Weltraumkameras ganz anders als bei herkömmlichen Digitalkameras.

Die Kameras, die wir täglich verwenden, passen den Weißabgleich im Allgemeinen automatisch an, wobei sie davon ausgehen, dass die fotografierte Szene insgesamt neutral grau ist, und korrigieren dann die Farbe des Fotos. Am Boden verursacht diese Methode selten offensichtliche Probleme, im Weltraum ist es jedoch anders. Der automatische Weißabgleich funktioniert aufgrund der unterschiedlichen Lichtintensitäten, Zielreflexionseigenschaften und Materialzusammensetzung im Weltraum und am Boden nicht gut.

Die auf dem Satelliten installierten Kameras verfügen über eine einzigartige Möglichkeit zur Bildgebung

Die Fotos der Probenentnahme durch Chang'e-6 wurden mit einer Überwachungskamera aufgenommen. Die Fotos wurden zunächst verwendet, um festzustellen, ob der Roboterarm zur Probenentnahme normal funktionierte. Daher wurde keine Farbkorrektur durchgeführt, was zu einem starken Rotstich führte. Im Gegenteil, es kommt selten vor, dass Menschen bei den üblicherweise verwendeten Digitalkameras auf derart schwerwiegende Farbstichprobleme stoßen.

Um das Problem der Farbkorrektur in der Weltraumumgebung zu lösen, führte Chang'e 6 eine Farbkorrektur an der Kamera am Boden durch, sodass die angepassten und kalibrierten Fotos näher an der tatsächlichen Farbe des fotografierten Ziels liegen. Ein effektiverer Ansatz besteht jedoch darin, eine Farbstandardplatte mit sich zu führen, um den Farbkorrekturkoeffizienten zu erhalten, und beim Schießen Korrekturen basierend auf der Farbe der Farbstandardplatte vorzunehmen, um die wahre Farbe des Ziels zu erhalten. Daher war die Farbkorrektur von Weltraumkameras schon immer eine Schwierigkeit und ein Schwerpunkt des Kameradesigns, was eine unvermeidliche Folge der Unterschiede zwischen Weltraum- und Bodenumgebungen ist.

Darüber hinaus müssen in der rauen Umgebung des Weltraums, die Hitze und Kälte, Vakuum und Strahlung ausgesetzt ist, neben den Farbproblemen der Kamera auch andere Aspekte, wie beispielsweise das Temperaturkontrollsystem, hohe Kosten verursachen. Wenn Menschen mit ihren Mobiltelefonen am Boden fotografieren, kann es bei extremer Kälte vorkommen, dass die Kamera oder sogar das gesamte Telefon nicht normal verwendet werden kann. In Räumen mit drastischen Temperaturschwankungen ist die Temperaturregelung jedoch eine der wichtigsten Prioritäten, die berücksichtigt werden muss.

Weltraumkameras mit sichtbarem Licht erfordern im Allgemeinen eine Temperaturregelungsgenauigkeit von weniger als 1 Grad und Infrarotkameras müssen in Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen funktionieren. Sie müssen entweder einen Sonnenschutz verwenden oder eine aktive Kühlvorrichtung installieren, oder beides.

Einzigartiges Bildgebungsverfahren

Die Farbkorrektur ist nur ein allgemeines Beispiel für die Unterschiede zwischen Weltraumkameras und Bodenkameras. Aufgrund unterschiedlicher Umgebungen und Einsatzzwecke gibt es viele weitere Unterschiede zwischen Weltraumkameras, und sogar die Bildgebungsverfahren sind völlig unterschiedlich.

Die üblicherweise von Menschen verwendeten Digitalkameras verwenden als lichtempfindliche Elemente normalerweise Area Array CCD oder CMOS. Beim Aufnehmen eines Bildes kommt das Foto mit einem „Klick“ heraus. Bei auf Raumfahrzeugen installierten Kameras ist dies jedoch nicht so einfach. Die mitgeführten Kameras verwenden normalerweise lineare CCD-Arrays, um Bilder im Orbit zu erhalten. Wenn zur Bildgebung das lineare CCD-Array zur Fernerkundung verwendet wird, steht das Ziel senkrecht zur Richtung des linearen CCD-Arrays und muss sich relativ dazu bewegen. Dies ist genau das Gegenteil der Anforderung, dass Menschen beim Aufnehmen von Fotos mit ihren Mobiltelefonen relativ still bleiben müssen.

Warum also gibt es eine Relativbewegung? Der Flächen-CCD einer Digitalkamera kann direkt zweidimensionale Fotos aufnehmen, während die Linear-CCD-Kamera eine Informationszeile aufnimmt und durch kontinuierliches Scannen Zeile für Zeile ein Foto erzeugt. Wenn es sich nicht bewegt, kann es nur eine Linie scannen, kein Foto.

Obwohl lineare CCD-Kameras keine Bilder direkt erzeugen können, bieten sie dennoch einzigartige Vorteile: Einerseits sind sie preisgünstig und bieten eine hohe Auflösung. Andererseits sind sie hochpräzise und verfügen über ein weites Sichtfeld. Auch das Scannen mit linearen CCD-Arrays ist im Alltag der Menschen weit verbreitet, und Scanner verwenden normalerweise lineare CCD-Arrays. Fernerkundungssatelliten bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit relativ zum Boden, und Push-Broom-Kameras fliegen mit den Satelliten mit, sodass diese im Orbit Bilder aufnehmen können, ohne hin und her zu scannen.

Linear Array-CCD-Kameras sind die wichtigsten Sensoren für die hochauflösende Fernerkundung der Erde. Beispielsweise verwenden sowohl der französische Satellit SPOT5 als auch der Satellit Pleiades lineare Push-Broom-Kameras.

Natürlich ist Linear Array CCD nicht die einzige Weltraumkamera. Mit der Weiterentwicklung der Mikroelektronik-Technologie sind auch die ursprünglich teuren Area-Array-CCDs billiger geworden. Darüber hinaus kommen zunehmend Kameras zum Einsatz, die CMOS als lichtempfindliche Elemente verwenden. Wettersatelliten des US-amerikanischen GOES verwenden mittlerweile Array-CCD-Kameras zur Bodenbildgebung.

Leichtere Weltraumkamera mit neuem Konzept

Derzeit gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den Weltraumkameras, die von verschiedenen Satelliten und Sonden verwendet werden, und den Digitalkameras, die Menschen auf der Erde verwenden. In Zukunft werden sich die technischen Prinzipien der neuartigen Weltraumkameras noch stärker von den von Menschen genutzten Digitalkameras und Handykameras bzw. „Kanonen“ unterscheiden.

Gemäß der Formel zur Auflösungsgrenze steht der Auflösungsindex herkömmlicher optischer Kameras in direktem Zusammenhang mit der Objektivöffnung. Die Tragfähigkeit und das Verkleidungsvolumen der Rakete sind begrenzt. Wenn ein großer Aufklärungssatellit ins All gebracht werden soll, sind dafür erhebliche Einschränkungen erforderlich. Daher entwickeln Forscher neue Konzepttechnologien für Weltraumkameras mit dem Ziel, das Erscheinungsbild bestehender Weltraumkameras völlig zu verändern.

Derzeit finanziert die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency militärisch-industrielle Unternehmen bei der Entwicklung einer filmbasierten optischen Sofortbildtechnologie (MOIRE), die Beugungs- statt Brechungsbildgebung verwendet. Bei dieser Technologie kommt eine faltbare, dünne und leichte Beugungsfolie zum Einsatz, die etwa die Dicke einer Haushalts-Plastikfolie hat. Wenn in zukünftigen Raumfahrzeugen die fortschrittliche MOIRE-Technologie zum Einsatz kommt, kann das Gewicht eines Aufklärungssatelliten mit einer Kamera mit 20-Meter-Apertur auf etwa 5 Tonnen reduziert werden.

Darüber hinaus finanziert die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency Lockheed Martin bei der Entwicklung des Segmented Planar Imaging Detection Electro-Optical Reconnaissance System (SPIDER). Diese Kamera hat sich von der Stapeltechnologie optischer Linsen zu einem revolutionären optischen Miniatur-Linsen-Array entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Linsen- oder Spiegelteleskopen wird zur Bilderzeugung die Interferometrie verwendet, die im optischen Bereich auch als Phased-Array-Technologie verstanden werden kann. Durch die SPIDER-Technologie können Größe und Gewicht von Weltraumkameras erheblich reduziert werden. Im Vergleich zu herkömmlichen optischen Kameras mit gleicher Bildqualität beträgt das Kameravolumen nach Anwendung der SPIDER-Technologie nur wenige Zehntel des Originals.