接續前文:來看NASA太空科技如何預防天災  

中解析度成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)是美國太空總署(NASA)的Terra衛星與Aqua衛星上搭載的重要儀器,每1~2天會從36個頻譜帶觀測整個地球表面,讓我們更進一步了解地球動態以及地表、海洋與較低大氣層上發生的狀況;以下讓我們來進一步了解MODIS內部的奧秘!

MODIS主電子模組

MODIS內部的主電子模組(main electronics module,MEM)負責控制格式化引擎(format engine)、儀器本身,以及掃描鏡的旋轉;格式化引擎執行儲存、重排序(re-ordering)以及即時平均化函數(averaging functions,每333μsec達990字節)。該裝置是以12MHz的MIL-STD 1750A架構電腦控制,或稱「格式化處理器」(format processor)。

在衛星飛行期間,該格式化引擎完全可重新編程;這是一個關鍵功能,因為如果有必要修改焦平面組件(focal plane assembly,FPA)時序,以校正震動誤讀(vibrational mis-registration)觸發之效應,格式化引擎輸入的時序也將改變。

儀器控制與遙測功能則是由第二台MIL-STD 1750A電腦所提供,以航空器的指令為基礎並透過MIL STD-1553資料鏈接來接收那些指令;包括160種雙階(bi-level)以及16種序列式指令功能,為地面提供了完整的多樣化儀器控制功能。不過大多數的儀器功能運作往往是透過由個別指令觸發的已儲存指令序列來執行。

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MODIS的各部份功能
(來源:NASA)

遙測與指揮(telemetry and command,T&C)處理器的功能,可以提供除了T&C處理器本身以及電源供應器以外的所有電路選擇備援硬體的控制權;電源供應開/關以及T&C處理器的選擇則是由外部的航空器雙階指令來執行,以免除這些關鍵功能的單點故障。

MODIS掃描鏡能順暢而精確地旋轉,對於影像逼真度與影像的頻率對頻率套合(band-to-band registration)十分關鍵;掃描鏡控制系統採用14位元的增量式光學編碼器(incremental optical encoder),針對系統時序鎖相。

為了從某個馬達轉移至另一個馬達時提供順暢的扭矩,馬達的特性都儲存在記憶體中,在每一次轉移時提供最佳化的電源傳遞特性。該掃描鏡控制系統並支援儀器資料擷取運作與掃描鏡旋轉的同步化,精確度達0.05畫素(pixel);此外還能校正兩個相鄰掃描鏡之間出現的少許「楔角」(wedge)不平行微弧度(microradians)。

其他Terra衛星配備的儀器

Terra衛星上的儀器負責收集與地球相關的資料,包括其生物-地質化學(bio-geochemical)與能量系統;衛星上配備了五種觀測地球大氣層的感測裝置,分別負責地表、冰、雪、海洋與能源預算的觀測。以下讓我們來仔細看看這五種遙測儀器是如何運作。

先進太空熱輻射暨反射輻射計

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ASTER被視為Terra衛星的「變焦鏡頭」
(來源:參見參考資料2)

先進太空熱輻射暨反射輻射計(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer,ASTER),是由日本政府的經濟產業省(MITI)所提供,支援3個可見光與近紅外線(VNIR)光譜頻段,以及6個短波紅外線(shortwave-infrared,SWIR)頻段、有5個熱紅外線(TIR)區域頻段,地面解析度分別為15公尺、30公尺與90公尺。

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ASTER特寫
(來源:Japan Space Systems)

VNIR偵測在可見光與近紅外線區域的太陽反射光,並利用天底(nadir)與後向觀測望遠鏡擷取立體視覺資料;SWIR偵測短波光譜區域內的太陽反射光,並擷取包括岩石、礦物與植被的詳盡影像資料;TIR偵測熱紅外線波長頻段地球表面的發射能量,利用熱輻射特性擷取可區別不同礦物的影像。

多角度成像光譜儀

任何一個衛星上的儀器大多數都是直接朝向某個星球,而為了要對地球的氣候以及其動態變化有全面性了解,知道在自然條件下有多少太陽光線朝不同方向散射是非常重要的;Terra衛星上的多角度成像光譜儀(Multi-angle Imaging SpectroRadiometer,MISR)就能滿足這種需求。

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MISR的剖視圖,後方黃色圓柱體是9支MISR攝影機,會朝下俯瞰地球
(來源:NASA/Caltech/JPL)

MISR的攝影機從9個不同角度觀測地球,其中一個指向天底,其他則分別從26.1度、45.6度、60.0度與70.5度的前後視角觀測地球表面;因此當儀器繞著地球轉,地表的每個區域都能被9支攝影機鏡頭拍到,以藍光、綠光、紅外線與近紅外線四種波長。

每一支攝影機都是獨立單元,能在添加至MISR支援組件(Optical Bench)之前個別接受測試與校準;為了讓讀者們感受這種攝影機的尺寸,請參考下圖中放在攝影機鏡筒旁邊的小型長方形盒子,這是焦平面組件的一部分,大約4吋長。圖中的攝影機是MISR的「A」級攝影機之一,是望遠鏡最短的,被設計為幾乎直接往下俯瞰地球。

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MISR的9支攝影機之一,旁邊是其支援電子裝置
(來源:NASA/Caltech/JPL)

MISR還能分辨不同形態的雲系、氣膠微粒(aerosol particles)與表面,監測每個月、每個季節以及長期性的趨勢,包括氣膠微粒數量與形態,雲系數量、形態與高度,還有土地覆蓋的分布情況,包括植被冠層群系(including vegetation canopy formations)。

對流層內污染量測儀

對流層內污染量測儀(Measure of Pollution in the Troposphere,MOPPIT)是一種能強化對較低大氣層知識的設備,同時也能用以觀測最接近地表之大氣層(即對流層)與陸地、海洋生物圈的互動模式;該種儀器主要聚焦於大氣層中的一氧化碳。

MOPITT利用氣體相關光譜儀(gas correlation spectroscopy)的原理,以三個光譜頻段量測從地球輻射與反射的光;當光線進入感測裝置,會從兩個路徑穿過裝置中的一氧化碳容器,兩個路徑吸收的能量不同,會導致與地球大氣層中氣體相關聯的產出訊號有些微不同,所以被量測的氣體單元是被當做一種紅外線光學濾鏡,用以量測來自大氣層中相同氣體的訊號。

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MOPITT
(來源:Atmospheric Physics, University of Toronto)

儀器單元中的氣體量,是透過不同壓力或是長度來調節;此外MOPITT還利用機械方法冷卻檢測器與過濾器,以強化整體性能。這種冷卻方法仰賴British Aerospace提供的史特靈循環(stirling cycle)冷卻器,採用機械性冷卻法而非採用儲存冷卻劑或是輻射冷卻方法,能在保證滿足檢測器與過濾器系統需要的冷卻程度之餘,也能讓儀器壽命達到五年以上。

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史特靈循環冷卻器
(來源:Thales Cryogenics)

MOPITT的空間解析度在天底為22公里,能以640公里寬度的「條紋」視角來看地球;該設備能量測大氣層垂直氣柱深達5公里的一氧化碳濃度,並能協助追蹤地球上的氣體排放來源。MOPITT的量測原理是攔截來自地球的紅外線輻射,然後隔離出所需的訊號;它是一種天底探測儀器(nadir sounding instrument),這種方法能提供避免雲層干擾的最大機會,也意味著能在違反表面輻射的背景下「看到」地球表面以及所需的訊號。

MOPITT的視野範圍是22×22公里,能利用一個4×1探測器陣列來同步觀測四個視野;其視野是在衛星沿著軌道移動時,持續以600公里寬度的條狀範圍掃描,能增加儀器的空間覆蓋率,也能增加在雲層覆蓋中找到空隙的機會。

負責MOPITT的是一個跨國科學團隊,成員來自加拿大、美國與英國;該儀器本身是由數家加拿大公司(COMDEV、BOMEM、Hughes-Leitz與SED)組成的聯盟所打造,由加拿大太空局(Canadian Space Agency)贊助,並在多倫多大學(University of Toronto)進行測試。

雲層與地球輻射能量系統

TERRA衛星上裝載了兩套雲層與地球輻射能量系統(Clouds and Earth’s Radiant Energy System,CERES);該儀器負責量測地球的整體輻射平衡(radiation budget),並提供雲層屬性評估(cloud property estimates),以幫助科學家評估雲從表面到大氣層頂部,在輻射通量中扮演的角色。

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CERES FM6 iRaman Inspection
(來源:NASA Langley)

兩套CERES中,一套是以交軌掃描(cross-track scan)模式運作,另一套則是採用雙軸掃描(bi-axial scan)模式;交軌掃描會持續為地球輻射平衡實驗(Earth Radiation Budget Experiment,ERBE)以及熱帶降雨量測任務(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)進行量測,雙軸掃描則提供新的角流量(angular flux)資料,以提高利用以確認地球輻射平衡的角度模型準確度。

在2011年10月28日,美國國家極地軌道運作環境衛星系統籌備專案(National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project,NPP)啟動了CERES第五飛行模式(flight model five,FM5),這是為了改善短期天氣預測並增加科學家對長期氣候變遷之了解、並對即將發生之氣候變化進行預測而收集關鍵資料的首次任務。

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CERES FM5 Simulator在被上傳到儀器之前進行了飛行軟體負載的充分測試,能讓科學家在必要時對航空器以及儀器的模擬器軟體做修改
(來源:NASA Langley)

利用先進的科技以及工程領域的專門技術,我們有可能在未來減輕自然災害衝擊,甚至能避免天災的發生;目前我們確實擁有能協助提供天災預警、以及在基礎建設恢復之前為災民提供協助的各種技術。對於NASA還有哪些科技在最近發生的地震與颶風等天災中,在預測以及幫助災民方面帶來助益,歡迎參考筆者在EDN姊妹網站Planet Analog的專欄

參考資料

  1. Clean Water for Remote Locations/NASA Spinoff
  2. PowerPoint presentation on ASTER given August 2, 2005 at JPL by Mike Abrams

編譯:Judith Cheng

(參考原文:How NASA technology helps in natural disasters,by Steve Taranovich)