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[新月文摘]

小相机大本领 解读嫦娥二号CCD相机

作者:世界名人网特约记者综合报道          录入于 November 08, 2010 at 03:53:51:
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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。

10月26日晚上,嫦娥二号卫星将开始降轨,从100公里×100公里的圆轨道进入100公里×15公里的椭圆轨道,并开始为月球拍特写,为嫦娥三号的着陆点提供高精度成像。

中国科学院西安光学精密机械研究所(西安光机所)所长、嫦娥二号CCD相机的主任设计师赵葆常,就CCD相机的技术攻关难题、相机本身的设计以及整个研制团队的努力过程进行了全程揭秘。

不到一年研制出嫦娥二号CCD相机

问:西安光机所是什么时候接到CCD相机的研制任务的?

赵葆常(以下简称"赵"):要说到此次任务,首先要提到嫦娥一号,因为嫦娥一号里面也有一台CCD相机,也是我们西安光机所造的。

嫦娥一号上的CCD相机分辨率达到120米,而美国的只有108米。嫦娥一号CCD相机拍摄的全月图,也比美国拍摄的清楚很多。

当时有人说中国的照片是假的,是抄美国的。不是,就是中国人照出来的。这就是有了力量,你说话的口气也硬了。你如果做不出来,再说什么也没用。现在可能很多人都知道,原来月球上那么多坑坑洼洼的地方。月球就是那样,千疮百孔。

2008年8月8日,国防科工局通知我们,嫦娥二号CCD相机还是由西安光机所造。我们2009年8月5日交的相机。

问:网上有一种说法,那就是咱们的相机分辨率不如美国的。

赵:我们的是120米,他们的是108米,这两个分辨率是差不多的。

这两个图像在北京天文台的展示大厅有,一面墙上贴的是美国的克莱门汀的照片。这我还得说,里面有很多天窗,就是没有照到的地方,我们的照片全。

对我们的农林地球卫星来说,探测森林面积,它不需要太高的地面分辨率,几十米、一百米就够了。你不可能一平方米一平方米看树木长得怎么样,没必要。

月球也是这样。你是为粗略地看,120米就够了。大坑你也能看到,大山你也看得到,但是更细的东西你就看不到了。

问:当时是不是有人提出来要跟日本的比一下?

赵:对,当时说跟日本的比一下。日本的指标提出的分辨率是10米,但是日本的设计师说在南北纬70度之间能拿到立体图像,两极做不到。

我这个相机分辨率是10米,也就是说南北纬70度之间分辨率为10米,我可以保证拿到立体图像,两极我做不到。

印度也做了一个立体的相机。印度的地面分辨率是变的,到赤道时5米,到其余的地方时160米,因为赤道光强。两极太阳光是平照过去的,光弱。

直径超3米坑地图都可显示

问:与嫦娥一号相比,在轨道方面,嫦娥二号要飞得更低,近月点最近处将要达到15公里,那么嫦娥二号CCD相机与嫦娥一号CCD相机比,更独特的创新之处在哪呢?

赵:根据当时的条件,CCD相机的地面分辨率为120米。上级给嫦娥二号下达的任务,是在100公里的轨道上时,能获得整个月球的照片,且分辨率优于10米。等相机做成后,实际的分辨率能达到7米,分辨率越小肯定越好。

而在100公里×15公里的椭圆轨道上,也就是在"虹湾"区照相时,上级下达的任务是地面分辨率优于1.5米,现在媒体普遍报道的也是这个数据。实际上,现在嫦娥二号CCD相机在100公里×15公里的椭圆轨道上时,地面分辨率能做到1米。也就是说超指标完成。

问:那是我们在"虹湾"区能拍到的最高分辨率吗?对我们的工作有哪些方面的帮助?

赵:嫦娥二号这个事情做成之后,可以给地质学家提供更精细的立体图像,这样可以让他们对月球地质构造的研究更细,这是第一个目的。

第二个目的是我们马上要发射嫦娥三号了,嫦娥三号有一个着陆车,要降到月球上去。现在国防科工局已经选了着陆点,选在"虹湾"区。

"虹湾"是月球上的一个地理名称,相当于我们说的墨西哥湾。那里没有水,没有海。北面和西面都是被山包围的,东南面是比较开阔的那么一块地方。那块地方基本上是比较平的,但是那个区域很大。

嫦娥三号需要嫦娥二号选一个着陆的地方,那个地方是相当平坦的。就是不要掉到坑里面去,掉到坑里面就出不来了嘛。所以就有那么一个任务,嫦娥二号在"虹湾"区是要在1米拿到照片。

问:嫦娥二号拍出来的照片分辨率那么小,你能直观地告诉我们是什么样的吗?

赵:嫦娥一号地面分辨率是120米,在我们的地图上能看到的小芝麻点直径大概都是360米。

嫦娥二号"虹湾"区成像是个什么概念呢?直径大于3米的一个坑,在地图上可以显示出来。

地图上没有显示出来的,就是直径比3米还小的坑,只要直径比3米大,地图上都可以显示出来。

"虹湾"区的图像完全是为了给嫦娥三号铺路,所以,7米的分辨率是为地质学家提供更加详细的月球图。"虹湾"

区的图像、7米的全月图像就是我们的目标。

我国进入军事侦察相机行列

问:分辨率是1米多,还不是太精确,最精确的大致是多少?

赵:从军事侦察来讲,高分辨率要求达到1米以下。但是要看轨道高度。比如说中低轨五六百公里的轨道高度,要求军事应用的话,做到1米的分辨率。轨道低点,可以做到1米、0.5米,包括0.3米。

美国人的最高分辨率是0.1米,那个很难做,但是他们做到了。但一般来讲1米、0.5米基本上就够用了,就军事侦察相机来讲,我们国家也跨入这个行列了。

问:那知识产权都是我们自己的吗?换句话说,相机都是我们自主研发的吗?

赵:当然,全是西安光机所造的。相机上用的光学玻璃也都是国产的。国产玻璃跟国外玻璃比起来价钱差20倍。嫦娥一号、嫦娥二号用国产玻璃,花费不到20万,但是从国外买则需要100多万。与国产玻璃相比,不得不承认国外玻璃有优点,其化学稳定性比较好,不容易腐蚀。

玻璃腐蚀的时候,表面有发毛的,就像起雾那么一种东西,能降低拍照的清晰度。但是玻璃是因为表面被空气冲击了,才会腐蚀。如果将它包裹住,空气接触不到,也就不会腐蚀了。再说在太空中没有空气,就更没关系了。所以国产玻璃的缺点是可以避免的。但CCD不是国产的,CCD是从加拿大的达索公司买的。现在的CCD基本上都是国外的。我们正在和其他单位合作,希望能把它国产化。

问:所里多少人参加了这个研发工作?

赵:加到一块,科技组的有30多人,再加上检测加工的技术工人,有100多人。要是此次拍照顺利进行,我们将可以获得7米的全月图像,到现在为止国际上没有。

嫦娥一号时期获取的120米的全月图像,到目前为止,全世界范围内我们的还是最全的,别的国家包括美国都没有将整个月球的图片全拿下来。

嫦娥一号是绕了500多圈,最终得到了全月图像。

咱们获取7米的全月图像在技术上要比嫦娥一号时期获取120米的全月图像难很多。

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。

嫦娥二号CCD立体相机工程的成功体现了建所以来历经几代中科院西安光学精密机械研究所人凝练而成的“西光精神”的闪烁。“西光精神”就是蚂蚁啃骨头的团队精神,就是团队的奉献精神,拼搏精神和创新精神,就是在国家需要的关键之时,有使命感,能站得出来,能做到成功,能作出贡献。

(综合法晚、科学)

嫦娥二号历程

10月1日卫星发射

10月2日第一次紫外导航/拍图、第一次中途修正

10月3日第二次中途修正

10月4日X频段试验

10月5日第三次中途修正

10月6日第一次近月制动

10月7日平面机动

10月8日第二次近月制动(未实施)

10月9日第三次近月制动(未实施)

10月11日卫星环月(侧飞模式)

10月14日降落相机成像试验、有效载荷设备开机

10月24日CCD相机成像试验

10月26日4×10N推力器轨控方式降轨进入100公里×15公里轨道

10月27日第一次试成像(激光)、第二次试成像(地速)、第三次试成像(行频)、进入“虹湾”区成像(16圈)

10月29日控制卫星进入近月点为15公里的椭圆轨道



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