嫦娥二号CCD立体相机创新记

2010-11-05 09:26 来源: 科学时报
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“我们不比美国差,而且更好”

 

  嫦娥二号CCD立体相机日前开机工作。

  月球科学家利用由相机获得的数字图像研究月球地质学构造,绘制地质学纲要图,进而研究月球的起源、演化、月面历史等。另外,对月球的研究还可以对太阳系的起源与演化提供具有重要价值的信息。所有这些研究的基础和研究的可信度是靠月球立体照片来证明的,即常言之:眼见为实。

  嫦娥二号CCD立体相机与嫦娥一号CCD立体相机都是由中国科学院西安光学精密机械研究所研制的。

  近日,《科学时报》记者采访了嫦娥二号CCD立体相机研制项目课题组成员,揭示其神秘的创新点,展示研发科学家的艰辛与承受压力的细节一二处。

创新

  嫦娥一号和嫦娥二号CCD立体相机主任设计师、中科院西安光机所原所长赵葆常说,嫦娥一号和嫦娥二号CCD立体相机的设计指标,是依据每次探月的具体任务而定的。

  “虹湾”是月球上的一个地理名称,它是一个很大的区域,相当于墨西哥湾,总体上是一块大平原,但反射率很低。我国探月分“绕、落、回”三步走,嫦娥三号即将进入“落”的阶段,因此要求嫦娥二号为嫦娥三号的着落器与月球车在虹湾地区寻找一块非常平坦、几乎没有障碍物的区域,以保障嫦娥三号“落”得安全,不至于掉到月坑里出不来——这是嫦娥二号CCD立体相机的工程目标。嫦娥二号CCD立体相机指挥、中科院西安光机所所长赵卫作了形象的解释。

  嫦娥一号CCD立体相机的立体图像中,只有直径大于360米的月坑在图像上才显示出像芝麻粒大的一个像,中心为黑点、周围是亮环。嫦娥二号CCD立体相机要求大大提高显示月表细节的能力。同时还要求在两种不同的轨道上均能工作。

  按任务书,嫦娥二号在100公里的圆轨上,要有获取地面分辨率优于10米的全月面立体图像的能力;在15公里×100公里椭圆轨道的近月弧段上,又要具有获取低反射率的虹湾地区地元分辨率优于1.5米的局域超高分辨率立体图像的能力。

  而这次要拍摄的照片实际达到的指标分别为7米与1米,也就是说在全月图像中,凡是月坑直径大于21米者均可显示出来,在对虹湾地区的成像中,直径大于3米的月坑都清晰可辨,比之于嫦娥一号,技术指标提高了17倍和120倍,水平基本与美国2009年发射的月球探测轨道卫星中窄视场相机相当。两者均只针对“特定地区成像”,赵葆常介绍。

  赵葆常补充道:“这不是说嫦娥一号CCD立体相机的水平就低,这是第一次奔月的任务目标的要求。嫦娥一号CCD立体相机共获得508轨南北纬70°以内和589轨极区的图像数据,第一次实现了月球表面的100%覆盖;制作的‘全月球影像图’在几何配准精度、数据的完整性与一致性、图像色调等方面均在国际上处于先进水平,也是世界上唯一的全月立体图。”据了解,由于嫦娥一号时期是我国首次探月,受多方面条件的限制,制定的目标首先是保证成功。

  “我们为什么只能比美国的差,而不能更好?”赵葆常激动地说。

超越

  美国的月球探测轨道卫星中还有一台宽视场相机,它的地元分辨率很低,用于获取全月立体图像。而嫦娥二号CCD立体相机本领要高得多,即用一台相机既完成虹湾地区1米分辨率的局域立体成像,同时又要完成7米分辨率的全月立体成像。对100公里圆轨上7米分辨率的全月成像,它将为月球科学家提供更加精细的三维立体图像。这显然对月球地质学构造的深化研究具有非常重要的意义。至今国际上尚未有地元分辨率优于10米的全月立体图像。

  嫦娥二号CCD立体相机副主任设计师、中科院西安光机所光谱室主任杨建峰介绍,他们大胆提出了采用96级的TDICCD技术,这相当于用96条线阵CCD对月面同一可分辨条带成像,然后图像信号累加,以提高图像的强度。但这时必须要做到在轨运行中使96条线阵CCD中每一条都对月表同一条带成像,不能有大有小,否则图像累加后就会变模糊,为此,他们采用了速高比补偿技术。因为卫星在轨实际运行时,高度与速度都在随机变化,因此卫星越过可分辨条带(1米或7米)的时间是不相同的,所谓的速高比补偿技术就是当卫星飞得快时,就把相应的曝光时间缩短一些,也就是把相机的帧频提高一点,从而使每条CCD采样的信号都是同一条带。

  由于月面起伏大、卫星轨道低、没有精确的月球高程图、不能采用GPS定位技术等多种原因,月球探测采用TDICCD技术要比地球卫星困难得多。研究人员同时采用两种速高比补偿技术,即激光高度计的辅助行频计算技术及地面轨道预报辅助行频计算技术。前者由激光高度计直接提供卫星高度数据,在卫星上闭环实施,它适合于星下点较平坦区域的成像,如虹湾地区。后者可结合轨道参数与嫦娥一号所获取的月面高程数据两方面的因素确定行频,适合于星下点月表起伏较大区域的成像,且可以人工干预。两者互为补充。

  为了确保图像质量,研究人员充分利用TDICCD的图像质量特性,结合嫦娥二号CCD立体相机的具体情况,以创新的思维进行总体方案设计,从而使整机具有非常高的静态图像质量,发射前静态CCD立体相机整机全视场MTF大于0.4,比要求值提高了一倍,这样即使速高比补偿有残差,仍能保证满意的图像质量要求。

  嫦娥二号CCD立体相机副指挥、中科院西安光机所副所长汶德胜作了进一步说明:“我们是一个相机装两个CCD,即相当于两个眼睛飞一圈一次推扫实现立体成像。而美国是一个相机装一个CCD,即一个眼睛,卫星要调姿且飞两圈完成拍摄,或两个卫星装两个相机且配合好、同时拍摄一个区域才能获得立体成像。”这一创新技术使我国可拍到分辨率7米的全月立体图,而美国的月球相机就拿不到高分辨率的全月图。

研制之人不寻常

  “副主任设计师高伟在接到相机研发任务后,有近3个月未回家,未见3岁的孩子。”中科院西安光机所质量计划处处长王秀菊说。

  高伟介绍,嫦娥二号CCD立体相机在2008年9月定任务,2009年8月交付,一年时间,并且是完全创新研制。而嫦娥一号CCD立体相机的研制用了3年时间。

  项目组年轻人在已年过古稀的赵葆常老所长的带领下,经常加班加点,他们的铺盖卷就放在实验室桌子下,深夜经常是轮换打地铺休息。而有的年轻人是几个月没有回家。因为项目最后的时间节点要求是按小时算的。