“嫦娥”的眼睛：紫外月球敏感器拍攝月球影像
繞月探測(cè)工程是我國(guó)繼載人航天工程之后又一重大項(xiàng)目，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星是這項(xiàng)大工程的第一步。與以往我國(guó)發(fā)射衛(wèi)星不同的是，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星繞月飛行使得該衛(wèi)星具有某些不同與以往衛(wèi)星的新功能。要實(shí)現(xiàn)這些新功能，保證飛行任務(wù)順利完成，就要對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)。紫外月球敏感器以其"新、難"的技術(shù)特點(diǎn)成為嫦娥一號(hào)衛(wèi)星重大攻關(guān)項(xiàng)目之一，航天科技集團(tuán)公司中國(guó)空間技術(shù)研究院控制與推進(jìn)系統(tǒng)事業(yè)部從四室、七室、八室抽調(diào)了以黃欣為首的12名精兵強(qiáng)將，承擔(dān)起這項(xiàng)艱巨的任務(wù)。 控制衛(wèi)星姿態(tài)對(duì)于保證星上儀器正常工作十分重要，以往曾用紅外地球敏感器、太陽(yáng)敏感器和恒星敏感器等光學(xué)姿態(tài)敏感器作為空間飛行器的姿態(tài)測(cè)量部件。但由于月球本身的特殊性以及嫦娥一號(hào)衛(wèi)星探測(cè)任務(wù)要求敏感器必須直接測(cè)量衛(wèi)星對(duì)月姿態(tài)，特別是對(duì)俯仰方向和滾動(dòng)方向的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，及時(shí)糾正各種因素引起的衛(wèi)星姿態(tài)偏差，確保探測(cè)儀器始終處于最佳工作狀態(tài)。因此，研制紫外月球敏感器的想法孕育而生。 對(duì)于月球敏感器，不但國(guó)內(nèi)沒(méi)有搞過(guò)，國(guó)外也沒(méi)有成熟技術(shù)，擺在科研人員面前的完全是一個(gè)全新的課題。雖然在此之前做過(guò)導(dǎo)航敏感器的預(yù)先研究工作，即以導(dǎo)航敏感器的研究成果為參考，確定了月球敏感器研制的技術(shù)框架，但在進(jìn)行方案細(xì)化和詳細(xì)技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，仍有不少需要解決的難題，用"過(guò)五關(guān)斬六將"來(lái)描述紫外月球敏感器的研制一點(diǎn)不為過(guò)。 第一關(guān)：選譜段 月球特性是關(guān)鍵 選擇光學(xué)敏感器工作譜段是開(kāi)展研制工作的第一步，需要考慮很多因素，包括被探測(cè)目標(biāo)在所選的譜段內(nèi)是否具有適當(dāng)?shù)妮椛涮匦裕抗鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)加工難度如何，是否具有可實(shí)現(xiàn)性？能否獲得具有相應(yīng)光譜響應(yīng)特性的光電器件？后期的測(cè)試工作能否順利開(kāi)展等等。 控制與推進(jìn)系統(tǒng)事業(yè)部的蔡偉、黃欣、尉志軍等，積極與紫金山天文臺(tái)、國(guó)家天文臺(tái)通力合作，獲得了關(guān)于月球表面反射特性的寶貴資料。資料顯示，隨月面物質(zhì)不同和地形起伏，局部反射率可能有幾十倍的差異。這意味著月球敏感器拍攝到的月面圖像，可能會(huì)有強(qiáng)烈的反差，某些區(qū)域很亮而某些區(qū)域又很暗，這十分不利于敏感器的正常工作。 經(jīng)過(guò)反復(fù)研究月面不同物質(zhì)、不同地形的反射特性后發(fā)現(xiàn)，在短波譜段反射率差別有減小的趨勢(shì)。這表明如果從紫外譜段進(jìn)行觀測(cè)，月面明暗反差會(huì)有所改善。這樣，月球敏感器的工作譜段就確定在紫外波段，月球敏感器也就成了紫外月球敏感器，而后根據(jù)國(guó)內(nèi)目前光學(xué)材料的特性選取了中近紫外光的工作譜段，這不僅減小了所拍攝的月球影像亮度反差，保證了圖像處理結(jié)果的正確性，同時(shí)擴(kuò)展了光學(xué)材料的選擇范圍，比較容光學(xué)獲得測(cè)試環(huán)境，便于后期測(cè)試工作的開(kāi)展。在紫外月球敏感器攻關(guān)的道路上，成功地邁出了第一步。 第二關(guān)：光學(xué)系統(tǒng)三難題 自主攻關(guān)顯神威 紫外月球敏感器光學(xué)系統(tǒng)研制必須解決三大問(wèn)題。其一是光學(xué)材料的選材問(wèn)題，材料不僅要滿足紫外波段像差校正的要求，而且要具有良好力學(xué)特性和理化穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)嚴(yán)酷的空間環(huán)境。其二是像質(zhì)問(wèn)題，對(duì)于任何光學(xué)系統(tǒng)，視場(chǎng)角越大，像差越難以平衡，光學(xué)設(shè)計(jì)越困難。紫外月球敏感器150度的大視場(chǎng)，以及對(duì)影像的光學(xué)分辨率高要求，進(jìn)一步加大了光學(xué)設(shè)計(jì)的難度。其三是要在具有足夠強(qiáng)度、剛度的條件下，使光學(xué)系統(tǒng)重量降到最低。這些因素，無(wú)疑使光學(xué)系統(tǒng)的研制工作難上加難。 光學(xué)系統(tǒng)研制之初，控制與推進(jìn)系統(tǒng)事業(yè)部研制人員，對(duì)光學(xué)材料在國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，藍(lán)寶石是國(guó)外星敏感器上常用的一種材料，但大體積的藍(lán)寶石價(jià)格十分昂貴，僅是購(gòu)買(mǎi)原材料就是一個(gè)天文數(shù)字，況且當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)還沒(méi)有加工藍(lán)寶石的能力，只能到國(guó)外加工。但"自主創(chuàng)新"是航天科技工作者的主旋律，他們橫下一條心，就用國(guó)內(nèi)的材料，自己設(shè)計(jì)、加工，一定要獲得自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。于是，事業(yè)部與協(xié)作單位中科院西安光機(jī)所共同承擔(dān)了光學(xué)系統(tǒng)研制任務(wù)，老中青三代專(zhuān)家投入到這項(xiàng)攻堅(jiān)任務(wù)。功夫不負(fù)有心人，經(jīng)過(guò)三年的不懈努力，在兩輪設(shè)計(jì)改進(jìn)后，一舉攻克了材料關(guān)、重量關(guān)、像質(zhì)關(guān)，采用光學(xué)玻璃和光學(xué)晶體的配組代替藍(lán)寶石，設(shè)計(jì)水平達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。 第三關(guān)：視頻電路研制 生產(chǎn)商豎起大拇指 紫外月球敏感器的成像器件采用的是一種14路時(shí)序信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)的CCD，14路時(shí)序信號(hào)之間必須實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的相位關(guān)系，CCD才能夠輸出所需的圖像，因此說(shuō)時(shí)序信號(hào)對(duì)CCD來(lái)說(shuō)十分重要。 在電路研制之初，科技人員完全按照CCD生產(chǎn)商提供的器件手冊(cè)設(shè)計(jì)了時(shí)序電路?？刹还茉趺凑{(diào)試，CCD的輸出始終不正常。時(shí)間不等人，控制與推進(jìn)系統(tǒng)事業(yè)部的賈錦忠、龔德鑄、劉洋、王艷寶等，憑借精熟的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)6、7輪反復(fù)設(shè)計(jì)、更改，硬是靠自己努力摸出了正確的時(shí)序關(guān)系，解決了CCD的成像問(wèn)題。 在嫦娥一號(hào)衛(wèi)星繞月飛行時(shí)，由于月相的不同，月面最大亮度可能有幾十倍的變化。為了與此相適應(yīng)，就需要使CCD的曝光時(shí)間能在大范圍內(nèi)調(diào)整。"吃透技術(shù)"是掃除"攔路虎"的最好方法。通過(guò)前一段時(shí)間的反復(fù)摸索，控制與推進(jìn)系統(tǒng)事業(yè)部的技術(shù)人員對(duì)這種CCD已經(jīng)摸熟吃透了。他們獨(dú)辟蹊徑，設(shè)計(jì)了一套全新的時(shí)序關(guān)系，使最短曝光時(shí)間縮短到只有幾毫秒，甚至更短。這樣，曝光時(shí)間調(diào)整范圍達(dá)到了120倍，充分滿足了嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的使用要求。 第四關(guān)：軟件研制 集智創(chuàng)造新算法 軟件是紫外月球敏感器中的重要組成部分。在光學(xué)頭部拍攝到月球影像后，由軟件進(jìn)行圖像處理和圖像識(shí)別，檢測(cè)出月球圓盤(pán)邊緣，并應(yīng)用姿態(tài)處理算法結(jié)算出衛(wèi)星姿態(tài)。 在開(kāi)始紫外月球敏感器軟件算法研究的時(shí)候，研制人員走過(guò)了一段彎路。出于直觀認(rèn)識(shí)，一直認(rèn)為月球圓盤(pán)所成的像也是圓形，相關(guān)姿態(tài)確定算法也是以此確定的。但后來(lái)發(fā)現(xiàn)，在成像光路經(jīng)過(guò)分割、折轉(zhuǎn)以后，各子視場(chǎng)內(nèi)月球圖像邊緣曲線雖然看起來(lái)象圓弧，但其實(shí)并不是圓弧，而是類(lèi)似雙曲線的二次曲線。在這個(gè)發(fā)現(xiàn)被確認(rèn)之后，原來(lái)建立在圓弧概念上的姿態(tài)確定算法，也就被徹底顛覆了。此時(shí)，控制與推進(jìn)系統(tǒng)事業(yè)部的李鐵壽等老專(zhuān)家給予了及時(shí)、有力的幫助，提出了"多矢量擬合求中心"的算法，從而解決了姿態(tài)確定問(wèn)題。 在軟件算法研究接近完成時(shí)，在測(cè)試中了又暴露出新問(wèn)題：軟件處理速度達(dá)不到任務(wù)要求。要提高軟件處理速度，就需要對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，月球圓盤(pán)邊緣檢測(cè)環(huán)節(jié)占用時(shí)間較多。起初，嘗試了其它幾種常用邊緣檢測(cè)算法，結(jié)果都不能令人滿意。越是艱難時(shí)刻，越能激發(fā)出大家的斗志。受掃描式敏感器工作原理的啟發(fā)，郝云彩、王立、黃欣創(chuàng)造性地運(yùn)用"中心射線法"進(jìn)行月球圖像邊緣檢測(cè)，不但邊緣檢測(cè)效果很好，而且軟件數(shù)據(jù)處理時(shí)間由以前的4、5秒縮短為現(xiàn)在的1秒鐘，使軟件處理速度不僅達(dá)到而且超過(guò)了任務(wù)要求。 第五關(guān)：標(biāo)定測(cè)試，確?？刂聘呔?/span> 標(biāo)定測(cè)試，是任何航天產(chǎn)品研制中必不可少的重要環(huán)節(jié)，是考量產(chǎn)品能否正常應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。由于紫外月球敏感器是個(gè)全新的項(xiàng)目，測(cè)試項(xiàng)目如何選擇，測(cè)試工作怎么開(kāi)展，測(cè)試系統(tǒng)如何配置，這一系列的問(wèn)題都沒(méi)有現(xiàn)成答案。 控制與推進(jìn)系統(tǒng)事業(yè)部的黃欣、蔡偉借鑒以往的產(chǎn)品研制、測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，自行研制了2米高的大月模（由月球模擬器、轉(zhuǎn)臺(tái)等組成的測(cè)試系統(tǒng)），模擬月球圓盤(pán)對(duì)紫外敏感器進(jìn)行精密測(cè)量，并逐步探索出了一整套行之有效測(cè)試方法。 "艱難困苦，玉汝以成"。紫外月球敏感器的研制雖一波三折，但全體研制人員始終波瀾不驚，團(tuán)結(jié)協(xié)作共渡難關(guān)，在他們的不懈努力下紫外月球敏感器實(shí)現(xiàn)了三個(gè)第一：它是我國(guó)第一個(gè)以月球?yàn)橛^測(cè)目標(biāo)的光學(xué)姿態(tài)敏感器；第一個(gè)大視場(chǎng)成像式敏感器（以前成像式敏感器最大視場(chǎng)也就有十幾度，而它的視場(chǎng)達(dá)到了150度）；第一個(gè)工作在紫外譜段的光學(xué)敏感器。在未來(lái)的征途中，全體研制人員將以百倍的信心迎接挑戰(zhàn)，用實(shí)際行動(dòng)實(shí)現(xiàn)他們的光榮與夢(mèng)想。
