0

0
0

文字

分享

0
0
0

福衛五號光學酬載MIT 為地球拍寫真集

劉珈均
・2015/05/25 ・4293字 ・閱讀時間約 8 分鐘
9.光學遙測酬載與福衛五號結合
福衛五號樣貌,上方「金光閃閃」的部分為光學遙測酬載,即台灣自力研發之處。科學酬載「先進電離層探測儀」安裝在遙測酬載旁邊,蒐集電漿不規則體的擾動變化;下方為衛星本體。圖/太空中心提供。

福衛五號預計明年第一季委由Space X的鷹隼9號火箭(Falcon 9)發射至太陽同步軌道,從離地720公里高空拍攝地球。福衛五為台灣首度自主研發光學儀器酬載,也發展出全球第一顆應用於太空遙測的線型CMOS影像感測器,從設計至完成歷時五年,規格與福衛二號相近,預備日後接棒福衛二的任務。

福衛五號耗資36.64億(其中約20億為火箭發射成本),設計與福衛二號相差不遠,主要差別在於彩色影像的解析度由八公尺提高為四公尺,黑白影像解析度維持兩公尺;福衛二每日再訪同一地點(每天早上10點5分與晚上九點半行經台灣上空),福衛五周期為每兩日再訪,每隔一天早上10點20分經過台灣上空;赤道附近是福衛二拍攝死角,福衛五拍攝範圍則能涵蓋全球。

福衛二號原定執行任務五年,自2004年發射上空,拍下許多影像應用於救難與災害評估、科學研究、追蹤地貌變化等。它也曾執行特殊任務,2006年馬爾他籍吉尼號貨輪行經蘇澳港南端,船艙破裂而漏油上百噸,國家太空中心緊急排程取像,順利於當日拍攝台灣東岸影像,取得實際證據,也創下台灣第一次海域污染求償成功案例;日本小行星探測器隼鳥號著陸澳洲時也曾委託福衛二作為備用方案,若隼鳥號訊號失靈就拍攝協尋。

福衛五號設計

福衛五號的光學遙測酬載像是給衛星用的超大型數位相機,主要由負責集光、成像在感測器的「遙測取像儀」、感測不同波段影像的「聚焦面組合件」與負責影像擷取、壓縮、儲存的「電子單元」組成。

酬載說明
福衛五號酬載示意圖。地表反射的太陽光進入望遠鏡頭,依序被主鏡和次鏡反射後穿過修正透鏡,聚焦成像於影像感測器上,再轉換成數位電子訊號。圖/太空中心提供
7.光學遙測酬載完成多層絕熱膜包覆
實際的福衛五號光學遙測酬載外觀,為了讓衛星在太空中正負200℃的極端溫差中運作五年,酬載外部的「金縷衣」是多層絕熱膜,酬載內有51顆溫度感測器與39片加熱片,調控在恆溫18~22℃。圖/太空中心提供

「遙測取像儀」是太空級望遠鏡頭,採用折反射式的卡賽格林式望遠鏡(Cassegrain telescope)。光學設計與校準是相當重要的一環,主鏡直徑45公分、光學系統焦長3.6公尺,是國內製造最大型的非球面鏡片。固定主鏡的方式讓團隊卡關半年,「我們要固定好鏡面,但是加諸在鏡面的力量,不管是黏膠或鎖螺絲都會導致鏡面變形!」太空中心系統工程組正工程師黃柏瑄說。團隊改了六次製程,研發特殊膠合技術才克服,使其能承受火箭發射時最大值為25G的加速度,變形量從2微米、1微米、0.1微米降到小於10奈米,並確認各種應力不會影響鏡面。

地球重力會將次鏡往下拉20至30微米(大約頭髮直徑的三分之一),但太空微重力會讓鏡面「反彈」回去,因此地球上最佳成像的點不會是太空中成像的最佳點。負責光學設計、儀器科技研究中心遙測光電儀器發展組組長黃鼎名說,地球上的天文台會在望遠鏡後方添加設備校正重力造成的相差,衛星若要如法炮製就得加裝感測器和制動器,「這樣太耗電了,衛星的電力主要用來儲存資料和傳資料。」團隊把儀器又正立又倒吊的量測,解讀干涉條紋,一次量測要耗去半天,反覆試了30次才找到太空中最佳成像點。

4.遙測取像儀的主次鏡進行干涉儀量測作業
遙測取像儀的主次鏡進行干涉儀量測作業。圖/太空中心提供

校準之後,主鏡與次鏡相距一公尺,距離與設計值誤差只有0.0007毫米,約一跟頭髮直徑的十分之一,而角度偏差為0.00096度,「相當於從台北看墾丁一間透天厝的視角!」黃柏瑄說。

「聚焦面組合件」的核心是CMOS影像感測器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互補式金屬氧化物半導體),可感測五個不同光波段的影像。傳統太空遙測常用的CCD(Charge-couple Device,電荷耦合元件)感測器技術完全掌握在外國手上,採購單價高,也有輸出許可限制,太空中心表示,採用CMOS是考量台灣半導體優勢的策略,CMOS具有成本低、省電、訊號傳輸快速的優點,缺點則是雜訊較高;「電子單元」負責擷取拍攝的數位影像,將影像壓縮、儲存、加密之後以X波段通訊系統傳至地面接收站。

10.全球第一顆應用於太空對地遙測的線型CMOS影像感測器-長12公分寬2.4公分
全球第一顆應用於遙測的線型CMOS影像感測器,長寬分別為12公分與2.4公分,含有5條12公分長的線型感測器列,搭配多光譜濾光片可同時感測5個不同波段的影像。圖/太空中心提供

太空計畫幕後

許多國家會限制出口衛星科技的關鍵零組件,福衛二就曾歷經波折,原本交由德商製造,但德國政府管制技術,不願意核發輸出許可,後改由法商研製。太空中心主任張桂祥說,加上台灣政治情勢特殊,更難以取得,自製則能掌握技術。

福衛五原定要向加拿大購買太空望遠鏡頭而未成,於是2006台灣計劃自製兩個衛星酬載,第一顆找外商合作當顧問,一起研製,第二顆再全部自己來,招標時卻沒人投標。直至2008,決定兩顆衛星酬載都自己作。太空中心負責結構、熱控與系統整合,儀科中心負責光學設計與鏡片拋光、鍍膜,中山科學研究院則負責電子單元。

黃柏瑄說,最困難的是「國內沒經驗,國外不會跟你說。」國外已經累積了好幾代程序書,但台灣研發人員得重頭開始摸出所有瑣碎細節,「細節細到像一片玻璃要經過幾道清潔、幾次塗抹、表面改質等等。」黃柏瑄說。他們曾遍訪國內研究光學的教授,「結果教授都說,你們就是這方面的專家了。」太空中心過去曾派駐人員到法國學習福衛二光學遙測酬載研發,「但敏感的東西他們不會讓你接觸,就只能盡量跟他們聊天、蒐集文件上的隻字片語,看他們用什麼材料以及如何組裝測試。」

他說,最麻煩的該屬制定規格,規格從2007到2010花了三年才定案,而後才提案、正式成立團隊研製福衛五。規格制定以影像解析度為出發點,進而討論飛行高度、口徑大小、焦距長度等等,團隊也必須事先知道發射火箭的款式,才知道要承受幾G的加速度。

黃鼎名說,不同的軌道和感測器而要求同樣解析度的話,就得改變焦距,「焦距一改變,設計及後續的分析、跑模擬得全部重來。」光學設計就將近20個版本,「這是帶有研發性質的衛星計劃,但衛星又要求高可靠度,實在有點矛盾。」不同於常態的太空任務會知道要使用什麼感測器與材料再據此設計,當年感測器也尚未簽約,「當時什麼都不確定!」

儀器要忍受發射時的震動與太空極端環境,因此必須事先經過光學、震動、電磁干擾、熱真空艙等一系列測試。成像品質量測必須在半夜12點進行,因為測試儀器對震動非常敏感,午夜較少人車干擾。黃柏瑄回憶,有次不知為何測試結果很差,成員騎車出外晃一圈,原來是交大附近正在施工、打地樁,「相距至少兩公里,我們都聽不到聲音,但儀器感覺得到!」

目前福衛五號正在進行熱真空測試,溫度在高低溫之間循環,測試所有元件的運作情形,研究人員必須24小時不停歇的輪班測試,為期約一個月。「這是工程師最爆肝的時候。」黃鼎名說。

過去台灣全無經驗,一開始團隊就以福衛二的酬載為研發目標,「雖然沒有超越,但證明了我們自己掌握的技術可以到這裡。」

6.遙測取像儀完成熱真空測試後工作人員進行開艙後檢查作業
遙測取像儀完成熱真空測試後,工作人員進行開艙後檢查作業。圖/太空中心提供

研發故事外傳:半導體製程突破

常說太空科研是火車頭產業,自主研發福衛五光學鏡頭的過程中,有兩項技術被導入半導體製程而帶來突破與改良:在半導體製程中對覆上液態光阻的晶圓曝光、以便後續蝕刻的機器「曝光機」,以及「自動化光學檢測系統(Automatic Optical Inspection, AOI)」。

半導體高階設備仰賴進口,一台高級的曝光機要價新台幣十億以上。儀科中心曝光機開發小組專案經理曾釋鋒說,因研發福衛五而開發了大口徑鏡頭的製作系統與機台,延伸用於曝光機鏡頭模組的設計開發;生產線上的晶片快速跑過,AOI則快狠準的把瑕疵品抓出來,儀科中心先進光學組組長黃吉宏說,AOI要有良好的光學鏡頭、好的光源、讓待測物精準移動的平台,以及分析軟體。他生動地描述:「想像一下衛星在高空高速運轉的同時還要拍地球,相同的道理,把尺度縮小就是AOI在掃描晶片!」導入太空級光學技術讓AOI的掃描精度與速度精進不少。

福衛二與福衛五小檔案

衛星福衛二號福衛五號
軌道離地面891公里,繞地一周約103分鐘。離地面720公里,繞地一周約99分鐘。
再訪周期同地點每日再訪一次,每天通過台灣正上空兩次。同地點每兩日訪一次。
形狀六角柱形,高2.4公尺,外徑約1.6公尺。八角柱形,高2.8公尺,外徑約1.6公尺。
重量760公斤555公斤
解析度黑白影像2公尺,彩色影像8公尺 。黑白影像2公尺,彩色影像4公尺 。
設計任務壽命五年五年

註:解析度4公尺的意思是,在遙測影像中,一個數位影像的畫素對應地表上4公尺x 4公尺大小的面積。

福爾摩沙衛星們

衛星衛星種類任務升空時間
福衛一號科學衛星蒐集海洋水色資料、測量電離層電漿電動效應、測試超高頻率通訊。1999升空,2004結束任務。
福衛二號遙測衛星拍攝地面影像、拍攝高空向上閃電。2004,預定任務壽命五年,但至今仍運轉中。
福衛三號氣象衛星6顆微衛星組成涵蓋全球的星系,接收美國24顆GPS衛星的訊號,搜集大氣及電離層資料。2006年發射,預定任務壽命兩年,至今剩5顆衛星運轉中。
福衛四號計劃終止
福衛五號遙測衛星拍攝地面影像、蒐集電離層電漿擾動資訊。預計2016第一季發射。
福衛六號計劃終止
福衛七號氣象衛星福衛三的後續計劃,有高低兩個傾角的軌道,各有6顆微衛星構成星系,搜集大氣資料。預計2016第三季、2018分批發射。

表格整理/劉珈均,資料來源/國家太空中心

 

訪問外的參考資料

  • 胡妙芬、阮光民編繪,《來自第8蟲洞的訪客》,2014,國家實驗研究院國家太空中心。

文章難易度
劉珈均
35 篇文章 ・ 0 位粉絲
PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

2

5
1

文字

分享

2
5
1

陸上生命的根源:菌根菌——《真菌微宇宙》

azothbooks_96
・2021/09/26 ・1538字 ・閱讀時間約 3 分鐘
  • 作者 / 梅林.謝德瑞克
  • 譯者 / 周沛郁

我們目前還不清楚菌根關係最初是怎麼形成的。有些人大膽提出,最初的相遇溼黏而沒有條理──藻類被沖上泥濘的湖岸和河岸,而真菌在這些藻類體內尋找食物和庇護。有些則主張,藻類來到陸地時,體內已經帶著真菌夥伴了。里茲大學(University of Leeds)教授凱蒂.菲爾德(Katie Field)解釋,不論如何,「它們很快就變得依賴彼此」。

常出現於兒童繪本的毒蠅傘,就是一種能與植物共生的菌根真菌。圖/WIKIPEDIA by R Henrik Nilsson

菲爾德是一位傑出的實驗者,投入多年的時間研究現存最古老的植物支系。菲爾德用生長箱模擬遠古的氣候,並用放射性示蹤劑,測量生長箱裡真菌和植物之間的交換作用。真菌與植物的共生方式提供了線索,讓我們了解植物和真菌遷移到陸地的最早階段是怎麼互動的。化石也讓我們一瞥這些早期的聯盟。最精細的樣本來自大約四億年前,含有明確的菌根菌痕跡──羽狀瓣和今日一模一樣。菲爾德讚歎道:「你可看到真菌居然就長在植物細胞裡。」

最早的植物幾乎只是一坨綠色組織,沒有根或其他特化的結構。而這些植物逐漸演化出粗糙的肉質器官來容納真菌同伴,真菌則搜尋土壤中的養分和水。最初的根演化出來時,菌根關係已經存在五千萬年了。菌根菌是陸地上後續所有生命的根源。菌根(mycorrhiza)這個詞真是取得好。根(rhiza)隨著真菌(mykes)存在於世。

數億年後的今天,植物演化出更細、生長更快、更能見機行事的根,這些根表現更像真菌。不過即使是這些根,探索土壤的表現也無法超越真菌。菌根的菌絲比最細的根細了五十倍,長度可以超越植物根部達一百倍,比植物根部更早出現在植物上,延伸到根系之外。有些研究者更進一步。我的一位大學教授向一班吃驚的學生吐露:「植物其實沒有根,只有真菌根,也就是菌根。」

毒蠅傘在樹的細根上形成的外生菌根。圖/WIKIPEDIA by Ellen Larsson

菌根菌太多產,菌絲體占土壤中活生物量的二分之一到三分之一。根本是天文數字。全球土壤表層十公分之中,菌根菌絲的總長度大約是我們銀河系寬度的一半(菌絲長 4.5 × 1017 公里,銀河系寬度 9.5 × 1017 公里)。如果把這些菌絲熨成一片,總表面積是地球上乾燥土地面積的二點五倍。然而,真菌不會停滯不動。菌根菌絲迅速死去、再度生長(一年十到六十次),一百萬年後,累積的長度會超過已知宇宙的直徑(菌絲長 4.8 × 1010 光年,已知宇宙直徑是 9.1 × 109 光年)。菌根菌已經存在了大約五億年之久,而且不限於土壤表層十公分的地方,所以這些數字顯然低估了。

植物和菌根菌在彼此的關係中產生一種極化現象──植物的莖處理光與空氣,真菌和植物的根則處理周圍的土壤。植物把光和二氧化碳打包成醣類和脂質。菌根菌則把固著在岩石裡的養分拆開,分解物質。這些是真菌在雙重棲位下的情況──真菌一部分的生命發生在植物體內,一部分在土壤中。菌根菌駐紮在碳進入陸生生命循環的入口,牽起大氣和土地的關係。時至今日,菌根菌就像擠進植物葉和莖裡的共生真菌,會幫助植物應付乾旱、炎熱和其他許多陸地生命一開始就有的逆境。我們稱為「植物」的,其實是演化成來栽培藻類的真菌,以及也演化來栽培真菌的藻類。

——本文摘自《真菌微宇宙:看生態煉金師如何驅動世界、推展生命,連結地球萬物》,2021 年 8 月,果力文化

所有討論 2
azothbooks_96
21 篇文章 ・ 524 位粉絲
漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策