“嫦娥”專家:萬萬沒想到照片這麼清晰

深入解讀“嫦娥一號”

張巧玲

2007年11月27日09:45  來源:科學時報

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  “當嫦娥一號衛星傳回第一張原生(原始)月球表面照片時,現場的人驚呆了,我們所有的人都非常驚訝和激動:萬萬沒有想到照片會這麼清晰!”

  約了兩個多星期的採訪,《科學時報》記者終於接到了嫦娥一號衛星有效載荷光學成像探測系統主任設計師、中國科學院西安光機所研究員趙葆常接受採訪的電話。在採訪中記者得知,所有媒體的採訪他都推到了這一天。這位已經68歲的老人激動地說:“到這個時候我才真正鬆了口氣,總算能給全國人民一個交代了。”

  這張珍貴的照片是由單鏡頭CCD(Charge-Coupled Device,電荷耦合器件)立體相機實時獲取的,而這套設備正是由以趙葆常為主任設計師的有效載荷項目組研制的。

  圖片清晰度遠遠超過人們的預想

  11月26日,溫家寶總理為我國首次月球探測工程的第一幅月面圖像揭幕,標志我國首次探月工程圓滿成功,全場響起熱烈掌聲。

  趙葆常介紹,CCD立體相機開機,獲取第一幅月面圖像時,嫦娥一號月球探測工程總指揮欒恩杰、工程總設計師孫家棟、首席科學家歐陽自遠等專家和領導都在現場。當看到實時傳輸回的第一張照片時,欒恩杰說:“沒有想到會這麼清楚。”孫家棟說:“我們都看呆了。”而歐陽自遠說:“不欽佩也得欽佩,東西擺在那裡。”這一席話更讓為嫦娥一號衛星有效載荷光學成像探測系統辛苦幾年的趙葆常備感欣慰。第一張照片傳輸回來的那一刻,所有的人都驚呆了,全場響起了熱烈的掌聲,好多人流下了激動的眼淚。

  趙葆常介紹,嫦娥一號所使用的CCD立體相機事先設定了4檔曝光時間,其中最短的是3.2毫秒,最長的是84毫秒。當衛星運行到月球赤道的地方時,光照最強,這時候就採用3.2毫秒的曝光時間,離赤道稍遠處可以使用7毫秒的曝光時間,南北緯75度以上的時候可用20毫秒的曝光,84毫秒用於獲取極區圖像,確保了相機能獲取整個月面的清晰圖像。

  “曝光時間是事先設定好的,可根據情況由地面給衛星發送控制指令,隨時改變曝光時間,以獲取最佳圖像。”

  由於月球自轉需要1個月時間,所以衛星搭載的CCD立體相機繞月球一個月才能把整個月面照完,也就是獲取整個月球的月表影像需要1個月時間。利用CCD相機獲取的月表地形地貌圖像最終可以制作成優於1︰250萬的平面和立體月球地圖。

  盡管嫦娥一號拍攝的照片非常清晰,但趙葆常指出:“因為我們是第一次探月,科學家希望盡可能把整個月球表面的地形地貌照下來,這才是我們最主要的目標。”

  “把我們的圖片和近期國際相當分辨率相機獲取的月球圖片放在一起,一眼就能看出我們的圖片比他們的清晰很多。”趙葆常說。

  創新鑄就輝煌

  據報道,中國首次月球探測工程第一幅月面圖像是由嫦娥一號衛星上的CCD立體相機採用線陣推掃的方式獲取圖像,軌道高度約200km,每一軌的月面幅寬60km,像元分辨率120m。

  中國第一幅月面圖像共由19軌圖像制作而成,位於月表東經83度到東經57度,南緯70度到南緯54度,圖幅寬約280km、長約460km。圖中右側60公裡寬的條帶,是CCD相機開機獲得的第一軌圖像。

  嫦娥一號所使用的CCD立體相機具體是如何工作的?有何創新點?

  趙葆常介紹,CCD立體相機採用了廣角物鏡和一片1024×1024的面陣探測器,從而達到結構簡單、重量輕、體積小、航天環境適應能力強,這是方案的獨到之處,這無疑是一種創新。立體相機可同時獲得普通航空攝像的正視照片和由前視、后視合成的立體照片。

  “這是我們專門為嫦娥一號設計的。”趙葆常說。

  CCD是一種光電轉換半導體器件,其上的感光單元將接收到的光能轉換為電荷量,而且電荷量大小與入射光的強度成正比。這樣,就可通過CCD獲取目標圖像。CCD現在被廣泛應用於數碼相機和數碼攝像機中,同時在天文望遠鏡、掃描儀和條形碼讀取器中也有應用。

  “由於月球和衛星存在相對運動,所以利用面陣CCD探測器中的3條像元,以自推掃方式,就可獲取月球表面同一目標前視、正視和后視3幅圖像數據。”趙葆常介紹說。

  “我們採用單鏡頭相機和大面陣CCD探測器實現三維影像獲取在國內外都屬首例。”趙葆常介紹,為了提高圖像質量,除所用三行像元外,其余面陣CCD探測器上的像元都將其遮擋,這種採用1台相機取代3台相機的方式,大大簡化了載荷結構、減輕了載荷的重量。“整個CCD相機加上我們研制的干涉成像光譜儀,總重量隻有23公斤。”趙葆常說。

  此外,這台CCD相機的廣角鏡頭採用了遠心系統,能有效克服常規設計中中心亮、邊上暗的缺陷,使整個像面照度均勻。能夠獲得如此清晰的圖像,是精心設計、精心研制的結果,全系統實測調制傳遞函數高達0.48,信噪比優於200。

  支持國產

  採訪中記者了解到,嫦娥一號CCD立體相機使用的光學玻璃全部是國產光學玻璃,“一方面為了支持國貨,另一方面更是為了節約成本。”趙葆常坦言,國外的光學玻璃的確比國產的性能好,但是價格也不菲。

  “事實上,國產的光學玻璃完全可以滿足光學設計的要求,唯一的不足就是國產材料篩選、復檢的工作量比較大。”趙葆常介紹,他為此親自選材,對所有購買的光學玻璃進行嚴格檢測,依據檢測數據,對光學系統設計進行復核計算,再依據復核結果嚴格篩選正式選用的材料,同時零件加工完成后立刻進行鍍膜以防止透鏡表面腐蝕。

  “使用國產光學玻璃,使我們僅此一項就將節約上百萬元的成本。”趙葆常說。

  我們的產品“零缺陷”

  在我國探月一期工程中,以趙葆常為主任設計師的西安光機所有效載荷項目組除了承擔CCD立體相機的研制任務外,還承擔了干涉成像光譜儀的研制任務。CCD立體相機獲取月球表面三維影像,為劃分月球表面基本地貌和構造單元,初步編制月球地質與構造綱要圖,為后續探月優選軟著陸提供參考依據。干涉成像光譜儀用於分析月球表面有用元素和物質類型含量與分布情況,為月球的開發利用提供有關資源分布的數據,並為月球地質歷史研究提供寶貴資料。

  “西安光機所第一次承擔航天遙感設備研制工作,而且一步跨入月球探測。”趙葆常介紹,2003年7月底,他接到重任時,連高溫假都沒休就投入了工作。而從那時開始,他幾乎沒有休息過,包括節假日。

  “2003年高溫假期期間,我在作光學成像探測系統光學方案與初步光學設計,當年國慶假期期間,我在做方案,2004年春節我在作詳細設計報告。”

  西安光機所建所40多年,是我國光機研究的專業所,具有良好的技術儲備和科研工作條件。在這些基礎之上,參研人員拼搏、奉獻,研究所上下全力以赴,僅用短短兩年半時間,他們就走完了原理樣機研制與測試、初樣研制與測試及正樣研制3個階段的研制過程,於2006年2月15日正式交付正樣。2006年2月15日接受嫦娥一號有效載荷總體的驗收、檢測,3月15日接受嫦娥工程衛星總體的驗收、檢測,最后儀器設備各項性能指標完全達到了合同要求,實現了零缺陷交付。

  在交付衛星總體后的大量測試中,設備一直完好、正常。“后來裝機的時候,我們的人也一直和其他工程人員一起做試驗,發射前我們還將儀器清理過一次。”趙葆常說。

  正是在趙葆常的帶領下,有效載荷光學成像探測系統研制團隊團結協作,採取嚴慎細實的工作態度,發揚“特別能吃苦、特別能戰斗、特別能攻關、特別能奉獻”的載人航天精神,才圓滿完成了任務。

(責編:趙竹青)
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