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“嫦娥”的眼睛:紫外月球敏感器拍摄月球影像

 

CCTV.com  2007年11月09日 08:59  来源:CCTV.com  
专题:中国脚步:从地球到月球

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    绕月探测工程是我国继载人航天工程之后又一重大项目,嫦娥一号卫星是这项大工程的第一步。与以往我国发射卫星不同的是,嫦娥一号卫星绕月飞行使得该卫星具有某些不同与以往卫星的新功能。要实现这些新功能,保证飞行任务顺利完成,就要对一些关键技术进行重点攻关。紫外月球敏感器以其"新、难"的技术特点成为嫦娥一号卫星重大攻关项目之一,航天科技集团公司中国空间技术研究院控制与推进系统事业部从四室、七室、八室抽调了以黄欣为首的12名精兵强将,承担起这项艰巨的任务。

    控制卫星姿态对于保证星上仪器正常工作十分重要,以往曾用红外地球敏感器、太阳敏感器和恒星敏感器等光学姿态敏感器作为空间飞行器的姿态测量部件。但由于月球本身的特殊性以及嫦娥一号卫星探测任务要求敏感器必须直接测量卫星对月姿态,特别是对俯仰方向和滚动方向的姿态进行实时控制,及时纠正各种因素引起的卫星姿态偏差,确保探测仪器始终处于最佳工作状态。因此,研制紫外月球敏感器的想法孕育而生。

    对于月球敏感器,不但国内没有搞过,国外也没有成熟技术,摆在科研人员面前的完全是一个全新的课题。虽然在此之前做过导航敏感器的预先研究工作,即以导航敏感器的研究成果为参考,确定了月球敏感器研制的技术框架,但在进行方案细化和详细技术设计时,仍有不少需要解决的难题,用"过五关斩六将"来描述紫外月球敏感器的研制一点不为过。

    第一关:选谱段 月球特性是关键

    选择光学敏感器工作谱段是开展研制工作的第一步,需要考虑很多因素,包括被探测目标在所选的谱段内是否具有适当的辐射特性?光学系统设计加工难度如何,是否具有可实现性?能否获得具有相应光谱响应特性的光电器件?后期的测试工作能否顺利开展等等。

    控制与推进系统事业部的蔡伟、黄欣、尉志军等,积极与紫金山天文台、国家天文台通力合作,获得了关于月球表面反射特性的宝贵资料。资料显示,随月面物质不同和地形起伏,局部反射率可能有几十倍的差异。这意味着月球敏感器拍摄到的月面图像,可能会有强烈的反差,某些区域很亮而某些区域又很暗,这十分不利于敏感器的正常工作。

    经过反复研究月面不同物质、不同地形的反射特性后发现,在短波谱段反射率差别有减小的趋势。这表明如果从紫外谱段进行观测,月面明暗反差会有所改善。这样,月球敏感器的工作谱段就确定在紫外波段,月球敏感器也就成了紫外月球敏感器,而后根据国内目前光学材料的特性选取了中近紫外光的工作谱段,这不仅减小了所拍摄的月球影像亮度反差,保证了图像处理结果的正确性,同时扩展了光学材料的选择范围,比较容易获得测试环境,便于后期测试工作的开展。在紫外月球敏感器攻关的道路上,成功地迈出了第一步。

    第二关:光学系统三难题 自主攻关显神威

    紫外月球敏感器光学系统研制必须解决三大问题。其一是光学材料的选材问题,材料不仅要满足紫外波段像差校正的要求,而且要具有良好力学特性和理化稳定性,能够适应严酷的空间环境。其二是像质问题,对于任何光学系统,视场角越大,像差越难以平衡,光学设计越困难。紫外月球敏感器150度的大视场,以及对影像的光学分辨率高要求,进一步加大了光学设计的难度。其三是要在具有足够强度、刚度的条件下,使光学系统重量降到最低。这些因素,无疑使光学系统的研制工作难上加难。

    光学系统研制之初,控制与推进系统事业部研制人员,对光学材料在国内外进行了广泛的调研,蓝宝石是国外星敏感器上常用的一种材料,但大体积的蓝宝石价格十分昂贵,仅是购买原材料就是一个天文数字,况且当时国内还没有加工蓝宝石的能力,只能到国外加工。但"自主创新"是航天科技工作者的主旋律,他们横下一条心,就用国内的材料,自己设计、加工,一定要获得自主的知识产权。于是,事业部与协作单位中科院西安光机所共同承担了光学系统研制任务,老中青三代专家投入到这项攻坚任务。功夫不负有心人,经过三年的不懈努力,在两轮设计改进后,一举攻克了材料关、重量关、像质关,采用光学玻璃和光学晶体的配组代替蓝宝石,设计水平达到国内先进水平。

    第三关:视频电路研制 生产商竖起大拇指

    紫外月球敏感器的成像器件采用的是一种14路时序信号同时驱动的CCD,14路时序信号之间必须实现严格的相位关系,CCD才能够输出所需的图像,因此说时序信号对CCD来说十分重要。

    在电路研制之初,科技人员完全按照CCD生产商提供的器件手册设计了时序电路。可不管怎么调试,CCD的输出始终不正常。时间不等人,控制与推进系统事业部的贾锦忠、龚德铸、刘洋、王艳宝等,凭借精熟的专业知识和丰富的实践经验,经过6、7轮反复设计、更改,硬是靠自己努力摸出了正确的时序关系,解决了CCD的成像问题。

    在嫦娥一号卫星绕月飞行时,由于月相的不同,月面最大亮度可能有几十倍的变化。为了与此相适应,就需要使CCD的曝光时间能在大范围内调整。"吃透技术"是扫除"拦路虎"的最好方法。通过前一段时间的反复摸索,控制与推进系统事业部的技术人员对这种CCD已经摸熟吃透了。他们独辟蹊径,设计了一套全新的时序关系,使最短曝光时间缩短到只有几毫秒,甚至更短。这样,曝光时间调整范围达到了120倍,充分满足了嫦娥一号卫星的使用要求。

    第四关:软件研制 集智创造新算法

    软件是紫外月球敏感器中的重要组成部分。在光学头部拍摄到月球影像后,由软件进行图像处理和图像识别,检测出月球圆盘边缘,并应用姿态处理算法结算出卫星姿态。

    在开始紫外月球敏感器软件算法研究的时候,研制人员走过了一段弯路。出于直观认识,一直认为月球圆盘所成的像也是圆形,相关姿态确定算法也是以此确定的。但后来发现,在成像光路经过分割、折转以后,各子视场内月球图像边缘曲线虽然看起来象圆弧,但其实并不是圆弧,而是类似双曲线的二次曲线。在这个发现被确认之后,原来建立在圆弧概念上的姿态确定算法,也就被彻底颠覆了。此时,控制与推进系统事业部的李铁寿等老专家给予了及时、有力的帮助,提出了"多矢量拟合求中心"的算法,从而解决了姿态确定问题。

    在软件算法研究接近完成时,在测试中了又暴露出新问题:软件处理速度达不到任务要求。要提高软件处理速度,就需要对算法进行改进。经分析发现,月球圆盘边缘检测环节占用时间较多。起初,尝试了其它几种常用边缘检测算法,结果都不能令人满意。越是艰难时刻,越能激发出大家的斗志。受扫描式敏感器工作原理的启发,郝云彩、王立、黄欣创造性地运用"中心射线法"进行月球图像边缘检测,不但边缘检测效果很好,而且软件数据处理时间由以前的4、5秒缩短为现在的1秒钟,使软件处理速度不仅达到而且超过了任务要求。

    第五关:标定测试,确保控制高精度

    标定测试,是任何航天产品研制中必不可少的重要环节,是考量产品能否正常应用的关键步骤。由于紫外月球敏感器是个全新的项目,测试项目如何选择,测试工作怎么开展,测试系统如何配置,这一系列的问题都没有现成答案。

    控制与推进系统事业部的黄欣、蔡伟借鉴以往的产品研制、测试经验,自行研制了2米高的大月模(由月球模拟器、转台等组成的测试系统),模拟月球圆盘对紫外敏感器进行精密测量,并逐步探索出了一整套行之有效测试方法。

    "艰难困苦,玉汝以成"。紫外月球敏感器的研制虽一波三折,但全体研制人员始终波澜不惊,团结协作共渡难关,在他们的不懈努力下紫外月球敏感器实现了三个第一:它是我国第一个以月球为观测目标的光学姿态敏感器;第一个大视场成像式敏感器(以前成像式敏感器最大视场也就有十几度,而它的视场达到了150度);第一个工作在紫外谱段的光学敏感器。在未来的征途中,全体研制人员将以百倍的信心迎接挑战,用实际行动实现他们的光荣与梦想。

    飞鸿

责编:何伟

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