嫦娥二號CCD立體相機創新記

“我們不比美國差，而且更好”

　　嫦娥二號CCD立體相機日前開機工作。

　　月球科學家利用由相機獲得的數字圖像研究月球地質學構造，繪制地質學綱要圖，進而研究月球的起源、演化、月面歷史等。另外，對月球的研究還可以對太陽系的起源與演化提供具有重要價值的信息。所有這些研究的基礎和研究的可信度是靠月球立體照片來證明的，即常言之：眼見為實。

　　嫦娥二號CCD立體相機與嫦娥一號CCD立體相機都是由中國科學院西安光學精密機械研究所研制的。

　　近日，《科學時報》記者采訪了嫦娥二號CCD立體相機研制項目課題組成員，揭示其神秘的創新點，展示研發科學家的艱辛與承受壓力的細節一二處。

　　嫦娥一號和嫦娥二號CCD立體相機主任設計師、中科院西安光機所原所長趙葆常說，嫦娥一號和嫦娥二號CCD立體相機的設計指標，是依據每次探月的具體任務而定的。

　　“虹灣”是月球上的一個地理名稱，它是一個很大的區域，相當于墨西哥灣，總體上是一塊大平原，但反射率很低。我國探月分“繞、落、回”三步走，嫦娥三號即將進入“落”的階段，因此要求嫦娥二號為嫦娥三號的著落器與月球車在虹灣地區尋找一塊非常平坦、幾乎沒有障礙物的區域，以保障嫦娥三號“落”得安全，不至于掉到月坑里出不來——這是嫦娥二號CCD立體相機的工程目標。嫦娥二號CCD立體相機指揮、中科院西安光機所所長趙衛作了形象的解釋。

　　嫦娥一號CCD立體相機的立體圖像中，只有直徑大于360米的月坑在圖像上才顯示出像芝麻粒大的一個像，中心為黑點、周圍是亮環。嫦娥二號CCD立體相機要求大大提高顯示月表細節的能力。同時還要求在兩種不同的軌道上均能工作。

　　按任務書，嫦娥二號在100公里的圓軌上，要有獲取地面分辨率優于10米的全月面立體圖像的能力；在15公里×100公里橢圓軌道的近月弧段上，又要具有獲取低反射率的虹灣地區地元分辨率優于1.5米的局域超高分辨率立體圖像的能力。

　　而這次要拍攝的照片實際達到的指標分別為7米與1米，也就是說在全月圖像中，凡是月坑直徑大于21米者均可顯示出來，在對虹灣地區的成像中，直徑大于3米的月坑都清晰可辨，比之于嫦娥一號，技術指標提高了17倍和120倍，水平基本與美國2009年發射的月球探測軌道衛星中窄視場相機相當。兩者均只針對“特定地區成像”，趙葆常介紹。

　　趙葆常補充道：“這不是說嫦娥一號CCD立體相機的水平就低，這是第一次奔月的任務目標的要求。嫦娥一號CCD立體相機共獲得508軌南北緯70°以內和589軌極區的圖像數據，第一次實現了月球表面的100％覆蓋；制作的‘全月球影像圖’在幾何配準精度、數據的完整性與一致性、圖像色調等方面均在國際上處于先進水平，也是世界上唯一的全月立體圖。”據了解，由于嫦娥一號時期是我國首次探月，受多方面條件的限制，制定的目標首先是保證成功。

　　“我們為什么只能比美國的差，而不能更好？”趙葆常激動地說。

　　美國的月球探測軌道衛星中還有一臺寬視場相機，它的地元分辨率很低，用于獲取全月立體圖像。而嫦娥二號CCD立體相機本領要高得多，即用一臺相機既完成虹灣地區1米分辨率的局域立體成像，同時又要完成7米分辨率的全月立體成像。對100公里圓軌上7米分辨率的全月成像，它將為月球科學家提供更加精細的三維立體圖像。這顯然對月球地質學構造的深化研究具有非常重要的意義。至今國際上尚未有地元分辨率優于10米的全月立體圖像。

　　嫦娥二號CCD立體相機副主任設計師、中科院西安光機所光譜室主任楊建峰介紹，他們大膽提出了采用96級的TDICCD技術，這相當于用96條線陣CCD對月面同一可分辨條帶成像，然后圖像信號累加，以提高圖像的強度。但這時必須要做到在軌運行中使96條線陣CCD中每一條都對月表同一條帶成像，不能有大有小，否則圖像累加后就會變模糊，為此，他們采用了速高比補償技術。因為衛星在軌實際運行時，高度與速度都在隨機變化，因此衛星越過可分辨條帶（1米或7米）的時間是不相同的，所謂的速高比補償技術就是當衛星飛得快時，就把相應的曝光時間縮短一些，也就是把相機的幀頻提高一點，從而使每條CCD采樣的信號都是同一條帶。

　　由于月面起伏大、衛星軌道低、沒有精確的月球高程圖、不能采用GPS定位技術等多種原因，月球探測采用TDICCD技術要比地球衛星困難得多。研究人員同時采用兩種速高比補償技術，即激光高度計的輔助行頻計算技術及地面軌道預報輔助行頻計算技術。前者由激光高度計直接提供衛星高度數據，在衛星上閉環實施，它適合于星下點較平坦區域的成像，如虹灣地區。后者可結合軌道參數與嫦娥一號所獲取的月面高程數據兩方面的因素確定行頻，適合于星下點月表起伏較大區域的成像，且可以人工干預。兩者互為補充。

　　為了確保圖像質量，研究人員充分利用TDICCD的圖像質量特性，結合嫦娥二號CCD立體相機的具體情況，以創新的思維進行總體方案設計，從而使整機具有非常高的靜態圖像質量，發射前靜態CCD立體相機整機全視場MTF大于0.4，比要求值提高了一倍，這樣即使速高比補償有殘差，仍能保證滿意的圖像質量要求。

　　嫦娥二號CCD立體相機副指揮、中科院西安光機所副所長汶德勝作了進一步說明：“我們是一個相機裝兩個CCD，即相當于兩個眼睛飛一圈一次推掃實現立體成像。而美國是一個相機裝一個CCD，即一個眼睛，衛星要調姿且飛兩圈完成拍攝，或兩個衛星裝兩個相機且配合好、同時拍攝一個區域才能獲得立體成像。”這一創新技術使我國可拍到分辨率7米的全月立體圖，而美國的月球相機就拿不到高分辨率的全月圖。

　　“副主任設計師高偉在接到相機研發任務后，有近3個月未回家，未見3歲的孩子。”中科院西安光機所質量計劃處處長王秀菊說。

　　高偉介紹，嫦娥二號CCD立體相機在2008年9月定任務，2009年8月交付，一年時間，并且是完全創新研制。而嫦娥一號CCD立體相機的研制用了3年時間。

　　項目組年輕人在已年過古稀的趙葆常老所長的帶領下，經常加班加點，他們的鋪蓋卷就放在實驗室桌子下，深夜經常是輪換打地鋪休息。而有的年輕人是幾個月沒有回家。因為項目最后的時間節點要求是按小時算的。