中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)是美国太空总署(NASA)的Terra卫星与Aqua卫星上搭载的重要仪器,每1~2天会从36个频谱带观测整个地球表面,让我们更进一步了解地球动态以及地表、海洋与较低大气层上发生的状况;以下让我们来进一步了解MODIS内部的奥秘!

MODIS主电子模块

MODIS内部的主电子模块(main electronics module,MEM)负责控制格式化引擎(format engine)、仪器本身,以及扫描镜的旋转;格式化引擎执行储存、重排序(re-ordering)以及实时平均化函数(averaging functions,每333μsec达990字节)。该装置是以12MHz的MIL-STD 1750A架构计算机控制,或称「格式化处理器」(format processor)。

在卫星飞行期间,该格式化引擎完全可重新编程;这是一个关键功能,因为如果有必要修改焦平面组件(focal plane assembly,FPA)时序,以校正震动误读(vibrational mis-registration)触发之效应,格式化引擎输入的时序也将改变。

仪器控制与遥测功能则是由第二台MIL-STD 1750A计算机所提供,以航空器的指令为基础并透过MIL STD-1553数据链接来接收那些指令;包括160种双阶(bi-level)以及16种序列式指令功能,为地面提供了完整的多样化仪器控制功能。不过大多数的仪器功能运作往往是透过由个别指令触发的已储存指令序列来执行。

013ednc20171019 MODIS的各部份功能(来源:NASA)

遥测与指挥(telemetry and command,T&C)处理器的功能,可以提供除了T&C处理器本身以及电源供应器以外的所有电路选择备援硬件的控制权;电源供应开/关以及T&C处理器的选择则是由外部的航空器双阶指令来执行,以免除这些关键功能的单点故障。

MODIS扫描镜能顺畅而精确地旋转,对于影像逼真度与影像的频率对频率套合(band-to-band registration)十分关键;扫描镜控制系统采用14位的增量式光学编码器(incremental optical encoder),针对系统时序锁相。

为了从某个马达转移至另一个马达时提供顺畅的扭矩,马达的特性都储存在内存中,在每一次转移时提供优化的电源传递特性。该扫描镜控制系统并支持仪器数据撷取运作与扫描镜旋转的同步化,精确度达0.05画素(pixel);此外还能校正两个相邻扫描镜之间出现的少许「楔角」(wedge)不平行微弧度(microradians)。

其他Terra卫星配备的仪器

Terra卫星上的仪器负责收集与地球相关的资料,包括其生物-地质化学(bio-geochemical)与能量系统;卫星上配备了五种观测地球大气层的感测装置,分别负责地表、冰、雪、海洋与能源预算的观测。以下让我们来仔细看看这五种遥测仪器是如何运作。

先进太空热辐射暨反射辐射计

014ednc20171019 ASTER被视为Terra卫星的「变焦镜头」(来源:参见参考数据2)

先进太空热辐射暨反射辐射计(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer,ASTER),是由日本政府的经济产业省(MITI)所提供,支持3个可见光与近红外线(VNIR)光谱频段,以及6个短波红外线(shortwave-infrared,SWIR)频段、有5个热红外线(TIR)区域频段,地面分辨率分别为15公尺、30公尺与90公尺。

015ednc20171019 ASTER特写(来源:Japan Space Systems)

VNIR侦测在可见光与近红外线区域的太阳反射光,并利用天底(nadir)与后向观测望远镜撷取立体视觉数据;SWIR侦测短波光谱区域内的太阳反射光,并撷取包括岩石、矿物与植被的详尽影像数据;TIR侦测热红外线波长频段地球表面的发射能量,利用热辐射特性撷取可区别不同矿物的影像。

多角度成像光谱仪

任何一个卫星上的仪器大多数都是直接朝向某个星球,而为了要对地球的气候以及其动态变化有全面性了解,知道在自然条件下有多少太阳光线朝不同方向散射是非常重要的;Terra卫星上的多角度成像光谱仪(Multi-angle Imaging SpectroRadiometer,MISR)就能满足这种需求。

016ednc20171019 MISR的剖视图,后方黄色圆柱体是9支MISR摄影机,会朝下俯瞰地球(来源:NASA/Caltech/JPL)

MISR的摄影机从9个不同角度观测地球,其中一个指向天底,其他则分别从26.1度、45.6度、60.0度与70.5度的前后视角观测地球表面;因此当仪器绕着地球转,地表的每个区域都能被9支摄影机镜头拍到,以蓝光、绿光、红外线与近红外线四种波长。

每一支摄影机都是独立单元,能在添加至MISR支持组件(Optical Bench)之前个别接受测试与校准;为了让读者们感受这种摄影机的尺寸,请参考下图中放在摄影机镜筒旁边的小型长方形盒子,这是焦平面组件的一部分,大约4吋长。图中的摄影机是MISR的「A」级摄影机之一,是望远镜最短的,被设计为几乎直接往下俯瞰地球。

017ednc20171019 MISR的9支摄影机之一,旁边是其支持电子装置(来源:NASA/Caltech/JPL)

MISR还能分辨不同形态的云系、气胶微粒(aerosol particles)与表面,监测每个月、每个季节以及长期性的趋势,包括气胶微粒数量与形态,云系数量、形态与高度,还有土地覆盖的分布情况,包括植被冠层群系(including vegetation canopy formations)。

对流层内污染量测仪

对流层内污染量测仪(Measure of Pollution in the Troposphere,MOPPIT)是一种能强化对较低大气层知识的设备,同时也能用以观测最接近地表之大气层(即对流层)与陆地、海洋生物圈的互动模式;该种仪器主要聚焦于大气层中的一氧化碳。

MOPITT利用气体相关光谱仪(gas correlation spectroscopy)的原理,以三个光谱频段量测从地球辐射与反射的光;当光线进入感测装置,会从两个路径穿过装置中的一氧化碳容器,两个路径吸收的能量不同,会导致与地球大气层中气体相关联的产出讯号有些微不同,所以被量测的气体单元是被当做一种红外线光学滤镜,用以量测来自大气层中相同气体的讯号。

018ednc20171019 MOPITT(来源:Atmospheric Physics, University of Toronto)

仪器单元中的气体量,是透过不同压力或是长度来调节;此外MOPITT还利用机械方法冷却检测器与过滤器,以强化整体性能。这种冷却方法仰赖British Aerospace提供的史特灵循环(stirling cycle)冷却器,采用机械性冷却法而非采用储存冷却剂或是辐射冷却方法,能在保证满足检测器与过滤器系统需要的冷却程度之余,也能让仪器寿命达到五年以上。

019ednc20171019 史特灵循环冷却器(来源:Thales Cryogenics)

MOPITT的空间分辨率在天底为22公里,能以640公里宽度的「条纹」视角来看地球;该设备能量测大气层垂直气柱深达5公里的一氧化碳浓度,并能协助追踪地球上的气体排放来源。MOPITT的量测原理是拦截来自地球的红外线辐射,然后隔离出所需的讯号;它是一种天底探测仪器(nadir sounding instrument),这种方法能提供避免云层干扰的最大机会,也意味着能在违反表面辐射的背景下「看到」地球表面以及所需的讯号。

MOPITT的视野范围是22×22公里,能利用一个4×1探测器数组来同步观测四个视野;其视野是在卫星沿着轨道移动时,持续以600公里宽度的条状范围扫描,能增加仪器的空间覆盖率,也能增加在云层覆盖中找到空隙的机会。

负责MOPITT的是一个跨国科学团队,成员来自加拿大、美国与英国;该仪器本身是由数家加拿大公司(COMDEV、BOMEM、Hughes-Leitz与SED)组成的联盟所打造,由加拿大太空局(Canadian Space Agency)赞助,并在多伦多大学(University of Toronto)进行测试。

云层与地球辐射能量系统

TERRA卫星上装载了两套云层与地球辐射能量系统(Clouds and Earth’s Radiant Energy System,CERES);该仪器负责量测地球的整体辐射平衡(radiation budget),并提供云层属性评估(cloud property estimates),以帮助科学家评估云从表面到大气层顶部,在辐射通量中扮演的角色。

020ednc20171019 CERES FM6 iRaman Inspection(来源:NASA Langley)

两套CERES中,一套是以交轨扫描(cross-track scan)模式运作,另一套则是采用双轴扫描(bi-axial scan)模式;交轨扫描会持续为地球辐射平衡实验(Earth Radiation Budget Experiment,ERBE)以及热带降雨量测任务(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)进行量测,双轴扫描则提供新的角流量(angular flux)数据,以提高利用以确认地球辐射平衡的角度模型准确度。

在2011年10月28日,美国国家极地轨道运作环境卫星系统筹备项目(National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project,NPP)启动了CERES第五飞行模式(flight model five,FM5),这是为了改善短期天气预测并增加科学家对长期气候变迁之了解、并对即将发生之气候变化进行预测而收集关键数据的首次任务。

021ednc20171019 CERES FM5 Simulator在被上传到仪器之前进行了飞行软件负载的充分测试,能让科学家在必要时对航空器以及仪器的仿真器软件做修改(来源:NASA Langley)

利用先进的科技以及工程领域的专门技术,我们有可能在未来减轻自然灾害冲击,甚至能避免天灾的发生;目前我们确实拥有能协助提供天灾预警、以及在基础建设恢复之前为灾民提供协助的各种技术。对于NASA还有哪些科技在最近发生的地震与飓风等天灾中,在预测以及帮助灾民方面带来帮助,欢迎参考笔者在EDN姊妹网站Planet Analog的专栏。

参考数据

1.Clean Water for Remote Locations/NASA Spinoff

2.PowerPoint presentation on ASTER given August 2, 2005 at JPL by Mike Abrams

(原文发表于Aspencore旗下EDN美国版,参考链接:How NASA technology helps in natural disasters;Judith Cheng编译)

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