“嫦娥二號”衛(wèi)星CCD立體相機的關(guān)鍵技術(shù)

趙葆常 唐茜,2 薛彬

（1中國科學院西安光學精密機械研究所，西安 710119）

（2中國科學院大學，北京 100049）

1 引言

21世紀初，國際探月活動十分頻繁。2007年9月14日日本發(fā)射SELENE繞月探測衛(wèi)星[1]，上面的立體相機設(shè)計空間分辨率為10m，但因信號強度問題，在極區(qū)圖像靠激光高度計數(shù)據(jù)鑲嵌而成。2008年10月22日，印度發(fā)射了“月船一號”繞月探測衛(wèi)星，其立體相機的空間分辨率從赤道的5m降到極區(qū)的160m[2]。2009年6月19日，美國發(fā)射了月球探測軌道器（LRO），其上搭載了一臺普查相機，空間分辨率為 100m，用于全月成像；同時還有一臺窄視場的詳查平面相機（視場角約 2.85°，月面成像寬度為5km），用于局域高分辨成像，分辨率達0.5～1.5m[3]。2007年10月24日，中國成功發(fā)射了第一顆繞月探月衛(wèi)星“嫦娥一號”(CE-1)[4]，揭開了中國深空探測以及對月科學探測的序幕。之后不到3年時間，中國又發(fā)射了第二顆繞月探測衛(wèi)星“嫦娥二號”(CE-2)[5]。日本、印度和中國都是立體相機，具有一定的可比性，而美國為平面相機（非立體，只有一個視角）。CE-2 CCD立體相機在對月高分辨率成像中首次采用了高靈敏度的時間延遲積分圖像傳感器，并成功實現(xiàn)速高比的自動補償[6]，可同時滿足在100km圓軌及 15km×100km橢圓軌道上的立體成像要求，顯示中國在對月高分辨率立體成像方面已進入到國際先進水平。

本文首先簡單介紹了CE-1衛(wèi)星CCD立體相機的技術(shù)方案及實施效果，之后進一步對CE-2衛(wèi)星的CCD立體相機的技術(shù)方案、優(yōu)化設(shè)計、速高比自動補償以及實施效果做了較為詳細的介紹。

圖1 廣角物鏡加面陣CCD的立體成像方案原理Fig.1 Three-dimensional imaging principle of w ide angle lens and plane-array CCD

2 CE-2衛(wèi)星CCD立體相機的技術(shù)方案

由于我國探月工程的第二階段計劃完成月球軟著陸探測與月面巡視勘察，需要了解降落條件較好的虹灣地區(qū)的局域高分辨率的地形地貌。而CE-1相機的分辨率僅為120m，只能探測到直徑大于360m的月坑，難以滿足第二階段探月需要。CE-2 CCD立體相機以獲取分辨率優(yōu)于10m的月球表面三維立體影像為科學目標，對CDD立體相機的多項關(guān)鍵技術(shù)進行了綜合創(chuàng)新。

2.1 CE-1 CCD立體相機技術(shù)

CE-1采用了一個廣角、消畸變、遠心物鏡，并在焦平面上配置一塊1 024像元×1 024像元的面陣CCD，CCD之前加了一塊刻有3條細縫的面罩（如圖1所示），基本消除了面陣幀轉(zhuǎn)移圖像傳感器在轉(zhuǎn)移過程中的附加曝光。

該方案較傳統(tǒng)方案的顯著優(yōu)點是：整臺立體相機結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、體積小，大大簡化了焦平面的結(jié)構(gòu)；3條線陣自動配準，配準精度高，航天環(huán)境適應(yīng)性強。但該方案也有一定局限性：只適用于短焦距、較小的像方線視場的情況。

從成像的層面來看，此前對月面圖像最全的美國克萊門汀相機分辨率為100m，但仍有很多漏拍的區(qū)域；CE-1相機分辨率為120m，卻獲得了當時最清晰、最完整的全月面立體圖像。圖2為CE-1與美國克萊門汀對同一目標所拍攝圖像的對比，結(jié)果顯示CE-1獲取的圖像更清晰而且完整。

圖2 “嫦娥一號”CCD立體相機與克林門汀獲取的同一月面圖像比較Fig.2 Photographs for the same lunar area taken byCE-1and LROC

2.2 CE-2與CE-1 CCD立體相機技術(shù)指標對比

CE-2與CE-1 CCD立體相機的技術(shù)指標對比如表1所示。衛(wèi)星在100km圓軌上的軌間距為32km，相機成像幅寬為43km，鄰軌之間圖像兩邊仍有5.5km重疊區(qū)以便于拼制全月圖?？梢钥吹紺E-2立體相機的地元分辨率較CE-1得到了顯著提高。在技術(shù)方面CE-2面臨的最大挑戰(zhàn)是信號強度與動態(tài)范圍問題。

表1 CE-2與CE-1CCD立體相機技術(shù)指標Tab.1 The CCD stereo camera’ s technical specifications of CE-1 and CE-2

2.3 信號強度與動態(tài)范圍分析

日本與印度學者的工作實際上已經(jīng)證明：對全月面實現(xiàn)優(yōu)于10m分辨率的立體成像，線陣CCD的探測靈敏度偏低。與美國 LROC方案相比，CE-2可在較大視場范圍內(nèi)實現(xiàn)同軌立體，并且對衛(wèi)星的姿態(tài)控制沒有特殊要求。

相對于全月7m 分辨率信號強度最低的極區(qū)而言，虹灣地區(qū)1m 分辨率成像的信號強度更低，因為它的曝光時間要短7倍多，而且月面物質(zhì)反射系數(shù)很低，約為0.05～0.1，屬于低反射率的月海區(qū)。CE-296級TDICCD立體相機的在軌數(shù)據(jù)充分說明了這一點，在全月面7m成像時對極區(qū)極大部分地區(qū)只用到64級×1倍電子學增益，而虹灣地區(qū)成像時用到96級×2倍的電子學增益，這時兩者輸出的DN大致相當，約為30～50DN，這表明相對于100km極區(qū)的成像，虹灣的成像靈敏度應(yīng)提高3倍（96×2/64=3）。

另一個是相機的成像動態(tài)范圍評估，即在100km圓軌7m分辨率條件下，對最亮的目標不能產(chǎn)生飽和，而同時對最暗的目標（虹灣）又仍有一定的信號水平（即DN值），以保證一定的信噪比。表2是一個分析，當太陽高度角為90°時，月面可達到其最高反射系數(shù)0.25，此時用所選擇的TDICCD的16級一倍電子學增益，信號水平為250DN，接近飽和；而對虹灣地區(qū)，該位置太陽高度角最大為40°，反射系數(shù)為0.08，選用96級二倍電子學增益，信號水平可達40DN，能夠滿足最低信號強度要求。因此大概需要有71倍的相機成像動態(tài)范圍。

表2 最亮和最暗圖像信號相對歸一化值（評估值）Tab.2 Relative normalized values of the maximum and m inimum image signal

2.4 光學方案及設(shè)計結(jié)果

在對月高分辨探測中，國際上首次采用了TDICCD作為圖像傳感器，實際情況受限，選擇如下參數(shù)的TDICCD：像元數(shù)6 144元，像元尺寸10.1μm×10.1μm，積分級數(shù)為16、32、48、64、96級共5檔。如果有4、8、12、16、24級的TDICCD，則速高比補償精度要求可以大幅度降低。

充足的能量利于優(yōu)化光學系統(tǒng)的相對孔徑與譜段范圍。

（1）譜段范圍的優(yōu)選

圖 3為 TDICCD的對比度傳遞函數(shù)(Contrast-Transfer-Function，CTF)與波長的關(guān)系曲線。

由圖可知，CTF的峰值在 λ=450nm 附近, 在λ=450～520nm 的 光 譜 范 圍 內(nèi) ，CTF約 為 0.9，MTF=π/4×CTF，約為 0.7。所有波長的光信號對于黑白照相機均轉(zhuǎn)化為電子學輸出（DN），無光譜信息，且月表物質(zhì)的反射光譜也無波長選擇性反射，因而選取450～520nm作為相機的工作譜段。它為獲得整機高MTF奠定了基礎(chǔ)。

圖3 以波長為函數(shù)的TDICCD的CTF曲線Fig.3 CTF curves of TDICCD vs the wavelength

（2）相對孔徑的優(yōu)選

選取原則：通量與衍射MTF。本方案主要追求盡可能高的 MTF，原估計在 F/10（相對孔徑）左右（可以達到衍射和像差間的最佳平衡），實際設(shè)計結(jié)果為F/9。

光學系統(tǒng)參數(shù)及其達到的性能指標：根據(jù)成像幅寬43km，單條TDICCD像元數(shù)6 144，則其地元分辨率為43km/6 144像元=7m（在100km圓軌時），折算到虹灣地區(qū)15km成像高度，地元分辨率為1.05m，成像幅寬為6.45m，均滿足任務(wù)書要求。由式（1）計算焦距：

式中 H為成像高度；GSD為地元分辨率（7m）；b為探測器像元尺寸（10.1m）。算得f′=144.3mm，根據(jù)100km成像高度及43km成像幅寬，可得到橫軌方向視場角為23.26°；又根據(jù)要求前視為8°，后視為–17.2°，沿軌方向最大視場角為17.2°，總視場角為2up=42°。

綜合以上分析，最終確定光學系統(tǒng)參數(shù)為：f′=144.3mm，F(xiàn)/9，2up=42°，6組7片，Lak2與TF3兩種玻璃。系統(tǒng)MTF的設(shè)計值如圖4所示，設(shè)計傳函接近0.7，其中前視8°均值約為0.68，后視–17.2°約為0.66。

圖4 光學系統(tǒng)的設(shè)計MTFFig.4 MTF of optical system

TDICCD立體相機推掃示意如圖5所示。

圖5 CE-2衛(wèi)星有效載荷CCD立體相機推掃示意Fig.5 Schematic diagram of CE-2 CCD stereo camera

表3 給出了該TDICCD立體相機在兩種軌道上的成像參數(shù)。實際結(jié)果均滿足或優(yōu)于任務(wù)書要求。

表3 CCD立體相機設(shè)計技術(shù)參數(shù)Tab.3 Designed technical parameters of the CCD stereo camera

決定相機靜態(tài)MTF的兩個最主要因素為光學系統(tǒng)設(shè)計MTF及探測器MTF，由此估計靜態(tài)MTF可達到0.47，考慮加工、裝配、電子學等因素，估計相機實際靜態(tài)MTF可以達到0.4左右，發(fā)射前的檢測結(jié)果前視8°為0.42，后視17.20°為0.4，與評估一致。

相機為非像方遠心，作為比較，同時也設(shè)計了相同參數(shù)下的像方遠心系統(tǒng)。其 MTF與非像方遠心系統(tǒng)基本相同，但在光學系統(tǒng)最后需增加兩塊透鏡，且這兩塊透鏡的口徑達 Φ120mm（像面尺寸η′= f′·tan up=111mm，而在非遠心系統(tǒng)中最大一塊透鏡的尺寸為Φ69mm），大大增加了光學系統(tǒng)的質(zhì)量與尺寸，為此采取了電子學平場的方案，并控制出射視場角up′＜20°，即為現(xiàn)在的結(jié)果，相機本機質(zhì)量＜10kg。

電子學平場的實施方案中，將單條TDICCD的6 144個像元分為12個通道（抽頭）輸出。每個抽頭管 512個像元，把每個抽頭的前置放大倍率設(shè)計為不同值。若中間兩片歸化為 1，則最邊緣的值約為1.3～1.4倍。具體做法是，先觀察12個通道的輸出曲線，然后計算每個通道的電子學放大倍率。在技術(shù)流程中，該階段被稱為“通道初調(diào)整”，然后在定標中進行精密平場。通道初調(diào)時，不考慮像元間不均勻性，而在定標平場時，需對像元間輸出的非均勻性進行修正。

3 速高比補償

TDICCD作為圖像傳感器，其在成像時必須滿足苛刻的條件——TDICCD器件電荷包的轉(zhuǎn)移速率要與目標像在焦平面上的運動速度相匹配，即速高比補償。當成像條件不滿足上述要求時，沿軌方向上MTF就會下降，從而降低圖像的品質(zhì)。TDICCD技術(shù)在我國地球衛(wèi)星中已經(jīng)得到成功應(yīng)用[8]，美國在對火星的高分辨率成像中也采用了相同的技術(shù)[9]。但是在對月球的高分辨率成像中采用 TDICCD，國內(nèi)外都尚屬首次。相對于地球衛(wèi)星，月球衛(wèi)星實現(xiàn)速高比補償技術(shù)難度更大，主要原因為：1）月球衛(wèi)星軌道高度低；2）月球衛(wèi)星無GPS技術(shù)的支持；3）月面的地形起伏大；4）月球沒有精密的高程數(shù)據(jù)DEM。

3.1 速高比補償實施方案

CE-2采用了兩套實施方案，即

（1）地面計算

首先，計算預(yù)報的軌道參數(shù)：包括軌道高度H′、衛(wèi)星速度Vsat及與之相對應(yīng)的衛(wèi)星星下點的經(jīng)度與緯度。再根據(jù)經(jīng)度與緯度，由月球的高程圖DEN得到相對應(yīng)的月球表面起伏h[10]，H= H′–h。然后計算行頻TC(對應(yīng)經(jīng)度與緯度)。將上述參數(shù)打包，提前上行注入。當衛(wèi)星飛抵某一經(jīng)緯度時，相機按相應(yīng)的行頻工作，根據(jù)實際的軌道測量通過外推得到預(yù)報的軌道參數(shù)，預(yù)報時間可以是24h、48h等。

（2）在軌計算

利用激光高度計得到衛(wèi)星距月球表面的距離H，同時利用上行注入的預(yù)報的星下點速度V（與經(jīng)緯度相對應(yīng)），計算速高比（行頻），在星上閉環(huán)實時完成速高比補償。圖8即為速高比計算誤差舉例，其中（a）為所要進行處理區(qū)域的圖片，（b）為對該圖片進行處理的數(shù)據(jù)圖。

速高比的兩個參數(shù)衛(wèi)星高度與速度中，實際速度的影響很小，衛(wèi)星高度是造成速高比的變化主要因素。

兩種速高比補償方案各有利弊，互為補充。對目標主要是平原的虹灣地區(qū)，成像幅寬?。s6km），可采用在軌計算行頻為主。充分利用激光高度計測量精度高的優(yōu)勢，同時減輕地面工作人員負擔。而對于月面起伏大的地區(qū)則采用地面計算行頻的方案。在地面計算行頻時，采用了條帶平差技術(shù)，這是因為成像有一定的幅寬，特別是在100 km圓軌時，月面成像寬度達43 km，在43 km寬度上月面會有起伏，若采用星下點數(shù)據(jù)，引入誤差較大，因此方案采用了各個條帶（100km圓軌對應(yīng)月表各條帶尺寸為43 km×7 km）的均方值。經(jīng)過運算處理后，對99%以上的區(qū)域，誤差范圍不超過±500m[6]。

3.2 在軌速高比配準試驗

為了在軌實際驗證速高比方案的正確性，于2010年10月25日，進行了速高比配準的在軌試驗，圖6（a）為速高比人為失配25%獲得的圖像，此處的速高比失配是人為的通過從地面向衛(wèi)星上傳一個失配的幀頻指令，相機按照該指令執(zhí)行獲得圖片。圖6（b）為地形地貌與圖6（a）相似且經(jīng)過本文速高比補償方案補償?shù)膱D像。試驗的目的是為了驗證當沒有速高比補償時對圖像品質(zhì)的影響。

圖6 在軌圖像的完全配準與非完全配準效果對比圖Fig.6 Contrast between well-match and unmatch on-orbit images

4 在軌圖像評價

圖7（a）是CE-2相機拍攝的圖像[11]，圖7（b）與美國月球探測軌道器相機LROC（窄視場，詳查）拍攝的月表同一地點圖像圖7（a）的比較。

LROC相機與“嫦娥二號”相機的空間分辨率大致相同約1.5m（實際中國1.3m，美國1.5m）。從視覺感官效果來看，圖7（a）好看，因為它拍攝時的太陽高度角很低，約為5°，太陽光從左向右照射，照亮了右坑壁的上部，但坑底、右壁下部及左坑壁被遮擋，形成明顯的黑白對比。而圖7（b）拍攝時太陽高度角約為30°多，而該坑又比較淺，所以沒有明顯的光線遮擋，視覺效果不如左圖，但對科學家來說，右圖更有價值，因為它把月坑的所有細節(jié)，如坑底坑壁四周的石塊都明顯地顯示出來了，而左圖因為光線遮擋的原因丟失了很多有價值的信息。

圖7 LROC與CE-2拍攝的圖像對比Fig.7 Contrast between the images taken by LOCR and CE-2

CE-2衛(wèi)星兩次調(diào)軌到15km×100km橢圓軌道，因為該軌道的生存時間僅為2天，所以每次只能獲取16軌正式圖像，共獲32軌道正式圖像及3軌試驗圖像，圖像的地元分辨率為1.3m，代表性照片如圖8所示；在100km圓軌上共獲取572張地元分辨率為7m的圖像（含試驗性圖像），成像寬度為43km，全月面100%覆蓋，是目前國際上分辨率最高的全月面立體圖像，其中代表性月球圖像如圖9所示。

由于CE-2要在虹灣為“嫦娥三號”的著落船尋求最佳著落點，圖10 被視為是CE-2任務(wù)成功的重要標志之一。

圖8 近月弧段上拍攝的拉普拉斯–A的立體圖像（GSD約為1.3m）Fig.8 3D image taken by Laplace-A on near lunar arc(GSD is about 1.3m )

圖9 極區(qū)典型環(huán)形坑（GSD約為7m）Fig.9 Typical Crater at the polar region（GSD is about 7m）

圖10 “嫦娥二號”拍攝的虹灣局部影像(GSD約為1.3m)Fig.10 Partial image of Sinus Iridium taken by CE-2 (GSD is about 1.3m)

5 結(jié)束語

CE-2 CCD立體相機到目前為止已經(jīng)完成了其工程目標與科學目標。它首次將TDICCD技術(shù)應(yīng)用到對月球的高分辨率成像中，由于采用了速高比自動補償手段，從而使在軌圖像清晰、層次豐富。7m分辨率的全月面圖像是迄今為止分辨率最高的全月面圖像。CE-2衛(wèi)星的設(shè)計壽命為半年，但是由于追加了科學任務(wù)它目前仍處在正常狀態(tài)下繼續(xù)工作。

References)

[1]Tsuneo Matsunaga, Makiko Ohtake, Yasuhiro Hirahara, et al. Development of a Visible and Near Infrared Spectrometer for Selenological and Engineering Explorer（SELENE）[C]// Proceedings of SPIE 4151, Hyperspectral Remote Sensing of the Land and Atmosphere. Bellingham,WA:SPIE, 2001: 32-39.

[2]Kumar A S K, Chowohury A R. Terrain Mapping Camera for Chandrayaan-1[J]. Earth Syst. Sci., 2005, 114(6): 717-720.

[3]Robinson M, Brylow S, Tschimmel M, et al. Lunar Reconnaissance Orbiter Camera (LROC) Instrument Overview[J]. Space Sci Rev., 2010, 150(1): 81-124.

[4]趙葆常, 楊建峰, 汶德勝, 等. 嫦娥一號衛(wèi)星CCD立體相機的設(shè)計與在軌運行 [J]. 航天器工程, 2009, 18(1): 30-36.ZHAO Baochang, YANG Jianfeng, WEN Desheng, et al. Design and On-orbit Measurement of Chang’E-1 Satellite CCD Stereo Camera[J]. Spacecraft Engineering, 2009, 18(1): 30-36. (in Chinese)

[5]趙葆常, 楊建峰, 汶德勝, 等. 嫦娥二號衛(wèi)星CCD立體相機設(shè)計與驗證 [J]. 航天器工程, 2011, 20(1): 14-21.ZHAO Baochang, YANG Jianfeng, WEN Desheng, et al. Chang’E-2 Lunar Orbiter CCD Stereo Camera Design and Validation[J]. Spacecraft Engineering, 2011, 20(1): 14-21. (in Chinese)

[6]XUE Bin, ZHAO Baochang, YANG Jianfeng,et al. Auto-compensation of Velocity-height Ratio for Chang’E-2 Lunar Satellite CCD Stereo Camera[J]. Science China Technological Sciences, 2011,54(9): 2243-2246.

[7]ZHAO Baochang, YANG Jianfeng,WEN Desheng, et al. Overall Scheme and On-orbit Images of Chang’E-2 Lunar Satellite CCD Stereo Camera[J]. Science China Technological Sciences, 2001, 54(9): 2237-2242.

[8]Xu X L, Zhao L, Fu Zh p.Application of TDICCD Image Sensor in Reconnaissance Camera (in Chinese)[J]. Transd Tech,2001, 11: 46-49.

[9]Mc Ewen A. MRO’s High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE)[J]. Geophys. Res., 2007, 112: 1-25.

[10]Cai Z C, Zheng C M, Tang Z S, et al. Lunar Digital Elevation Model and Elevation Distribution Model Based on Chang’E-1 LAM Data[J]. Science China Technological Sciences, 2010, 53: 2558-2568.

[11]李春來. 嫦娥二號高分辨率月球影像圖采集[M]. 北京：中國地圖出版社, 2012 LI Chunlai. Anthology of CE-2’s High Resolution Lunar Images[M]. Beijing: China Map Press, 2012. (in Chinese)