有人會問，為什麽要花這麽大力氣去研制火星探測器，為什麽要去探索火星？我覺得主要是出於對“自己知道的是未知的”的好奇。
人在有條件、有能力、有保障的情況下，總想去不知名的地方看看。
科幻電影《火星救援》中，主角在火星上成功種植了土豆。
那麽現實中，我們能種土豆嗎？哪裏種土豆最好？哪裏是種植植物的最好地方？哪裏最適合改造人類最容易生活的環境？
為了回答這些問題，我們需要開發壹個探測器，配置壹個有效載荷，並探索火星來找到答案。
火星探測器是如何“看見”火星的？
分析火星表面成分靠“針灸”？
極端天氣對火星探測有什麽影響？
有效載荷相當於火星探測器的眼睛和耳朵，可以從不同方面探測火星的信息，包括地形地貌、物質成分、環境、地質活動、氣候條件等。
田文壹號配備了13套有效載荷，包括7套包裝器和6套火星車。我們將利用軌道器在火星上空進行大規模宏觀探測，利用火星車在我們最感興趣的地方進行精細探測。
這張照片是利用軌道器上的光譜圖像顯示火星上水和冰的分布，另壹張是探測火星表面元素組成的光譜示意圖。
為什麽光譜可以檢測物質的成分？這裏不得不提壹下大科學家牛頓。
提到牛頓，人們往往會想到萬有引力和牛頓三大定律。其實光譜也是牛頓實驗發現的。用棱鏡分散太陽光，發現其實是由多種顏色的光組成的。
人眼也可以看作是光譜成像儀器，可以感知不同顏色的圖像。光譜學研究發現，在人們看不到的地方也有大量的光譜信息。我們利用光譜信息和物質成分之間的相關性進行檢測。
在火星天空，環行器主要是利用分子吸收光譜來分析火星表面太陽反射光譜的特征數據，相當於專門拍了壹張火星的照片。
在日常生活中，數碼照片的參數通常是654.38+0萬像素或654.38+0萬像素，而為火星拍攝的光譜照片的特殊之處在於每個像素都有壹條光譜曲線。
由此可以知道目標位置對應的每個像素的成分信息，再結合照片中目標的幾何形狀和位置關系，就可以在宏觀範圍內探測火星的成分。
許多國家都對火星進行了探索，並取得了壹系列有意義的探索成果，如:
火星富含氧化鐵，所以看起來那麽紅；
發現火星表面有輝石、橄欖石等礦產資源的信息和分布。
火星極地有冰，大部分是幹冰，小部分是水冰。
在火星表面，除了吸收光譜，還經常使用激光誘導光譜技術。主要通過檢測相應元素的特征光譜進行分析。就像人的指紋壹樣，每個元素都有對應的光譜特征信息。
在火星表面，使用火星車進行探測的國家主要是美國，並取得了許多有價值的成果，如:
火星可能曾經有溫暖潮濕的環境；
火星上可能曾有過微生物；
這些發現進壹步激發了人類對火星的興趣。今年的火星探測很火。最初有四個火星探測任務，包括中國、美國、阿聯酋和歐空局。後來ESA因故推遲，所以現在三個探測器都在向火星進發。
“田文壹號”在軌道器上裝有火星礦物光譜分析儀，在火星車上裝有火星表面成分探測器，用於探測火星的物質成分。
環行器上這個儀器的光譜主要在紅外，所以我們叫它紅外光譜眼。火星車上的儀器主要采用激光誘導技術，因此也被稱為激光光譜眼。
我們先來看紅外光譜眼，這是壹種高度集成的儀器設備，追求高靈敏度和高分辨率。探測576個不同光譜波段的信息，預計火星上會有更好更新的科學發現。在檢測過程中，精確校準是另壹個技術難點。
什麽是校準？例如，當我們以前使用手表時，我們需要經常調整時間來校正它的準確性。同樣，在探測過程中，紅外光譜眼也要對獲得的火星光譜特征信號進行更準確的校正。這主要取決於多源、綜合的光譜定標方法。
多重溯源是指使用多個來源進行校準，包括太陽、自身的標準光、寒冷的空間和火星的特定區域。通過觀察這些目標的溯源，可以更準確、更全面地了解儀器的響應，更準確地校對檢測到的數據。
同時，探測火星的特定區域，這些區域已經被美國、歐洲等國家探索過，做科研的時候更容易被同行認可，特別是有新發現的時候，相比我們的數據和他們的數據。
火星車上的激光光譜眼是壹個強大而復雜的負載。可以完成激光誘導光譜探測和紅外光譜探測，同時還可以拍照，靈活指向待探測目標。它由五個部分組成，其中三個安裝在漫遊車外部。
在火星上進行激光誘導光譜探測就像在火星上針灸壹樣。將激光聚焦在壹個約0.2毫米的小點上，發射出的高能量密度激光照射在火星表面，產生高溫，使物質形成等離子體並發光，看起來像壹個非常明亮的小點。
通過探測光譜信息，可以知道火星被探測的部分有哪些元素。
火星上的另壹個難題是如何適應惡劣復雜的環境。
溫度是繞不過去的坎。雖然火星車對儀器有壹定的保溫作用，但激光光譜眼的三個部分都安裝在火星車外面，相當於暴露在室外的空調下。
因此，它不得不忍受嚴寒，在接近零度的環境中生存，在低溫下正常工作，以獲得可靠的數據。同時需要在多塵的環境中正常生存和工作。
這些任務需要突破許多技術難關。那麽，光譜眼是如何通過突破難關錘煉出來的呢？主要靠自主創新，也是被自主創新“逼出來”的。
比如紅外光譜探測就采用了壹種叫做“聲光光譜探測技術”的技術。我們剛開始研制的時候，並不是為了火星，而是圍繞著探月任務。
其中要用到的壹個核心器件叫做光學可調諧濾波器，英文縮寫為AOTF。這個裝置當時國內沒有，最有效可行的辦法就是全球合作。
我們找到了美國的壹個機構，希望在美國現有設備的基礎上，定制購買，開發出我們需要的應用設備。但是協調壹直沒有成功，只能自己動手。
整個研制過程非常艱難，因為不知道誰能生產原材料，也沒有設計方法和制備工藝，更沒有設備支持制造和測試。
首先，我們找到了國內晶體生長單位的合作，解決大口徑高性能二氧化碲晶體材料的問題。
後來又找了壹家公司。雖然他們之前沒有做過聲光可調諧濾波器，但是他們做出了基於聲光原理的器件，有了設計和技術的基礎。
同時開發專用設備，支持產品開發中的優化設計、制備工藝確認和最終產品檢驗。通過與國內多家單位的合作，最終高質量地完成了這款國產設備的研制。
有人會問，為什麽壹定要用這個技術？這其實是科學探索的需求“逼出來”的。剛才提到，這項技術的研發不是為了火星，而是為了月球。
月球和火星的區別在於它的表面溫度比較高，沒有國家去過月球表面探測紅外光譜，所以沒有經驗可以借鑒。
經過分析和驗證，AOTF技術非常適合探測月球高溫條件下的紅外光譜。因為它有壹個特點——可以電控選擇波長。
萬物都在發射紅外光，我們的身體也是。在疫情期間，我們可以利用人體發出的紅外線來測量溫度。
在月球上也是壹樣，我們的儀器本身是發射紅外光的，還要測量月球表面的光譜，會互相幹擾，很難得到有效的數據。
利用AOTF的特性，當關閉信號燈時，可以測量儀器本身的紅外光，打開時，測量儀的紅外光疊加在月球的紅外光上，就可以很容易地計算出月球表面的光譜信息。
此外，利用其波長選擇的特性可以檢測高質量的數據。
比如我們平時拍照的時候，如果場景中有壹個很亮的目標和壹個很暗的目標，無論如何都不好設置拍照的參數。要麽亮的地方曝光過度，閃閃發光，要麽暗的地方很暗，看不清細節。
不過我們可以針對暗部和亮部分別設置曝光時間和光圈，都可以得到更好的圖像效果。
同理，要探測目標的數百個光譜，可以利用波長選擇特性，根據其強度為每個波長設置參數，就可以得到這數百個光譜的最優信息，最終得到好的數據。
通過這兩個特性，我們已經完成了對月球的紅外光譜探測，所以我們對在火星上的這個應用更有信心。
科學儀器檢測到的數據是否準確可靠，關系到科學家利用這些數據進行的科學研究能否得到國際同行的認可。
我們很高興，在我們成功研制出用於月球表面的聲光光譜儀後，歐洲光譜儀的首席科學家在雜誌上發表了壹篇文章，對我們的技術和數據給予了評價——
“到目前為止，這是唯壹壹臺成功原位探測地表的AOTF光譜儀，唯壹壹臺成功應用於太空的AOTF超光譜成像儀，唯壹壹臺真框架超光譜光譜儀。」
現在，距離田文1號發射已經過去了50多天，它仍在途中。
回到開頭的問題——我們能在火星上找到種植土豆的最佳地點嗎？能否在火星上找到最適合人類改造和生存的地方？我們人類如何走出地球，進入未來的太空時代？
事實上，在田文壹號任務中探測火星表面的物質成分是我們深空探測任務的“壹小步”。
這些宏偉的目標都是通過無數個這樣的“小步”實現的，我們的深空之旅才剛剛開始。
(本文未經授權禁止轉載。)
編輯|王瑞
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