直播月背探索發(fā)現(xiàn)
——走近“嫦娥四號(hào)”CMOS相機(jī)

文/李莉 趙興成

▲“嫦娥四號(hào)”降落相機(jī)

隨“嫦娥四號(hào)”登月，一幅幅珍貴的圖片被傳送回地球，這是4臺(tái)神秘的小相機(jī)在大展身手，它們來自中國航天科技集團(tuán)有限公司五院508所。這4臺(tái)相機(jī)都是CMOS相機(jī)，包括3臺(tái)監(jiān)視相機(jī)和1臺(tái)降落相機(jī)，它們?nèi)缤粋€(gè)媒體團(tuán)，在“嫦娥四號(hào)”到達(dá)月面之前，便做好了全方位的分工和準(zhǔn)備，拍的拍，攝的攝，錄的錄，傳的傳，隨時(shí)待命為全球開啟一場(chǎng)“月背”探索現(xiàn)場(chǎng)的視覺盛宴。

牢記使命：“小相機(jī)”發(fā)揮大功能

降落相機(jī)——“直播”降落全程。嫦娥四號(hào)著陸器降落在月球背面的艾特肯盆地（簡(jiǎn)稱SPA盆地）。SPA盆地是月球上規(guī)模最大、最古老的撞擊盆地，對(duì)它的研究有可能揭露下月殼甚至上月幔的物質(zhì)狀況，因此它是研究月球深部物質(zhì)組成的重要窗口。降落相機(jī)安置于著陸器的底部艙內(nèi)，在著陸器降落過程中，降落相機(jī)以較高的幀頻進(jìn)行拍照，獲得大量真實(shí)的月球表面信息，直觀地反映月球表面地貌特征和區(qū)域地質(zhì)情況，提升人類對(duì)月球的認(rèn)識(shí)。并且，降落相機(jī)光學(xué)圖像可獲得與人的視覺習(xí)慣相近的月面景觀，其所傳送的圖片可生動(dòng)如實(shí)地描述著陸器降落的全過程，給人以身臨其境的視覺沖擊感。

監(jiān)視相機(jī)——“監(jiān)視”兩器分離?！版隙鹚奶?hào)”監(jiān)視相機(jī)共有3臺(tái)，主要任務(wù)是對(duì)巡視器與著陸器的釋放分離過程進(jìn)行全程監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)兩器解鎖、巡視器駛離連接支架、臍帶電纜脫離、行駛至轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、釋放分離等關(guān)鍵過程的監(jiān)測(cè)，提高探測(cè)器系統(tǒng)月表活動(dòng)的展示度。同時(shí)，他們也可以為釋放分離過程中每一個(gè)指令的執(zhí)行情況提供直觀的視覺信息，并對(duì)下一個(gè)指令的執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)提供評(píng)估依據(jù)。巡視器釋放完畢后，裝在著陸器側(cè)面的監(jiān)視相機(jī)可定時(shí)拍攝不同太陽高度角下的月面圖像，并對(duì)巡視器月面工作情況進(jìn)行監(jiān)視。

精益技術(shù)：只為見證歷史

這些只有巴掌大小的相機(jī)看起來與我們平常使用的數(shù)碼相機(jī)無二，輕的三四百克，重的不過700克，但集成了光、機(jī)、電、熱等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)和自動(dòng)曝光、實(shí)時(shí)圖像壓縮等智能化功能，在太空惡劣的輻射、溫度環(huán)境下，能承受發(fā)射時(shí)的強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)，具備動(dòng)態(tài)下清晰拍攝的能力，更具長壽命、高可靠性能，是真正輕小便攜的航天智造。

為了讓4臺(tái)相機(jī)發(fā)揮各自功能，在“嫦娥三號(hào)”CMOS相機(jī)研制基礎(chǔ)上，科研人員針對(duì)月球背面的著陸進(jìn)行了復(fù)核復(fù)算?？紤]太空中復(fù)雜的粒子環(huán)境，嚴(yán)格選用質(zhì)量高等級(jí)探測(cè)器；相機(jī)圖像壓縮算法經(jīng)歷了“嫦娥二號(hào)”“嫦娥三號(hào)”的成功在軌驗(yàn)證，在繼承的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化；相機(jī)的自動(dòng)曝光算法主要繼承“嫦娥二號(hào)”監(jiān)視相機(jī)，并在“嫦娥三號(hào)”降落相機(jī)自動(dòng)曝光算法的基礎(chǔ)上升級(jí)，對(duì)程序進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，使其適應(yīng)更加復(fù)雜的場(chǎng)景，調(diào)整更加迅速精準(zhǔn)。

▲“嫦娥四號(hào)”監(jiān)視相機(jī)

相機(jī)軟件在原來的基礎(chǔ)上也做了適應(yīng)性的修改。因?yàn)椤版隙鹚奶?hào)”著陸在月球背面，導(dǎo)致探測(cè)器直接與地面測(cè)站通信需要通過月球中繼衛(wèi)星“轉(zhuǎn)手”，探測(cè)器數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a速率大幅度降低。針對(duì)這一情況，降落相機(jī)FPGA軟件增加了一種高壓縮比圖像數(shù)據(jù)，完美解決了動(dòng)力下降過程中實(shí)時(shí)圖像觀察與科學(xué)數(shù)據(jù)采集這兩大任務(wù)需求，即探測(cè)器動(dòng)力下降過程中，相機(jī)地面軟件實(shí)時(shí)接收降落相機(jī)拍攝的高壓縮比圖像，探測(cè)器落月后再回放降落相機(jī)拍攝的科學(xué)數(shù)據(jù)。

出征“月背” ：助力“嫦娥”探索發(fā)現(xiàn)

此次“月背拍攝”任務(wù)的艱巨性在于月背著陸過程的成像具有開創(chuàng)性。最大的挑戰(zhàn)還是嫦娥四號(hào)探測(cè)器數(shù)據(jù)傳輸碼速率需要比“嫦娥三號(hào)”大幅度降低。3臺(tái)監(jiān)視相機(jī)產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)相機(jī)自身壓縮后，通過數(shù)據(jù)接口傳輸并存儲(chǔ)在數(shù)傳分系統(tǒng)的大容量存儲(chǔ)區(qū)中，接到數(shù)據(jù)回放指令后，回放指針間斷性選擇回放的數(shù)據(jù)位置，相機(jī)圖像數(shù)據(jù)經(jīng)天線傳輸?shù)街欣^星，在中繼星的“中轉(zhuǎn)”下再傳輸?shù)降孛鏈y(cè)站，最終傳輸?shù)竭b控指揮大廳的地面測(cè)試網(wǎng)，相機(jī)軟件采集接受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并解壓縮顯示存儲(chǔ)，我們便可看到3臺(tái)監(jiān)視相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝的精彩作品。

降落相機(jī)采集探測(cè)器的落月區(qū)域圖像，尤其是對(duì)月球背面成像，對(duì)探測(cè)器落月區(qū)域的科學(xué)研究具有重大意義。監(jiān)視相機(jī)對(duì)著陸器和巡視器兩器分離提供重要視覺支持，并完成對(duì)巡視器活動(dòng)區(qū)域的監(jiān)視，其圖像還可用于分析著陸區(qū)月表的地形地貌和區(qū)域地質(zhì)情況，從而輔助其他載荷進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。

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508所CMOS相機(jī)“精彩回放”

CMOS相機(jī)是采用CMOS探測(cè)器相機(jī)的簡(jiǎn)稱，它與CCD相機(jī)相比外圍電路更加簡(jiǎn)單，相機(jī)功耗更低，相機(jī)設(shè)計(jì)更加貼合輕小型這一理念。

近年來，508所CMOS系列產(chǎn)品首次完成了地球全景成像、對(duì)小行星成像、地月合影等任務(wù)，創(chuàng)造了多個(gè)國內(nèi)、國際首次。

2009年12月，“希望一號(hào)”CMOS相機(jī)在軌成功成像，這是國內(nèi)研制的第一個(gè)能夠拍攝地球全景圖像的CMOS相機(jī)。

2010年10月，“嫦娥二號(hào)”搭載4臺(tái)相機(jī)，對(duì)月面、衛(wèi)星太陽翼展開、490N發(fā)動(dòng)機(jī)工作以及定向天線展開等衛(wèi)星關(guān)鍵動(dòng)作進(jìn)行了成功拍攝，這是中國CMOS成像技術(shù)在深空探測(cè)領(lǐng)域的首次成功應(yīng)用。

2012年12月，超期服役的“嫦娥二號(hào)”監(jiān)視相機(jī)成功獲取了小行星“圖塔蒂斯”的圖片，這是我國首次實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)領(lǐng)域?qū)π⌒行蔷_捕獲、高分辨率成像。

2013年12月，“嫦娥三號(hào)”CMOS相機(jī)首次對(duì)落月成像，在各個(gè)高度連續(xù)獲取降落區(qū)域的月表光學(xué)圖像。

2015年8月至10月，北斗二代二期MEO、IGSO搭載CMOS監(jiān)視相機(jī)成功獲取了天線、太陽翼展開的圖像，CMOS相機(jī)使我國北斗衛(wèi)星首次帶上了“自拍神器”。2018年11月8日，首批型譜化監(jiān)視相機(jī)在軌開機(jī)，獲取并傳回了北斗三號(hào)GEO衛(wèi)星關(guān)鍵動(dòng)作的清晰圖像，可視化遙測(cè)任務(wù)取得圓滿成功。