西安晚报> 2019年01月12日 > 版次: <02> 重点
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  着陆器(右)和巡视器互拍


  嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图(方位投影)




  玉兔二号巡视器全景相机拍摄的嫦娥四号着陆器

  2019年1月11日16时47分,北京航天飞行控制中心大屏幕上呈现出嫦娥四号着陆器和巡视器的互拍影像图。图像清晰显示了着陆器和巡视器周围的月背地形地貌,两器上的五星红旗分外醒目。这次让大家看到该图像的是嫦娥四号上的全景“西安眼”。

  绝招1 旋转

  此次,嫦娥四号巡视器上搭载的两台全景相机都出自中国科学院西安光学精密机械研究所(以下简称西安光机所),肩负着拍摄着陆器彩色照片的重任。“两台完全一致的相机安装在玉兔二号巡视器桅杆上,就好像人的双眼,通过类似人眼‘双目立体视觉’原理,实现对巡视区月面的立体成像。”据西安光机所月球与深空探测技术研究室主任、全景相机主任设计师杨建峰介绍,依靠桅杆的左右旋转和上下俯仰,全景相机可实现从巡视器脚下到月球边际无穷远的清晰成像,并且在近距离观测时可实现毫米量级的空间分辨率。再通过图像拼接及立体反演,得到月面巡视区的全景三维立体图像,以实现巡视区月表的三维光学成像、地形地貌研究、撞击坑调查与研究、月球地质构造解析和综合研究的科学目标。

  “安装在桅杆上的全景相机可以实现360度旋转,能够实现最大范围的成像。”杨建峰称,由于地面与月球的环境不同,在月球上对于相机的要求更为苛刻,相机在月球上工作,有可能正对着太阳造成逆光,也有可能是顺光、侧光等,不同光的条件下,相机里面的曝光量差别非常大。嫦娥一号、嫦娥二号的曝光只有几档,而嫦娥三号、嫦娥四号的曝光档数增加了不少,这就保证了无论在哪种光照条件下,相机都能拍到最清晰的画面。

  绝招2 耐热

  月球上的最高温度有一百多摄氏度,在如此高温的环境中,如何能够保证相机正常工作呢?

  杨建峰说,全景相机的创新之一就是能够经受高温的考验。“为了让全景相机不惧怕高温,研发人员也是费尽了心思,最终使用了一种特殊的膜贴在了相机的头上,相当于给相机戴了一个‘安全帽’,可以起到很好的散热作用。”据介绍,除了来自月球表面的高温,全景相机在桅杆上来回转动自身会有功耗,也会产生很大的热量,有了这个“安全帽”,也会安然无恙。

  绝招3 逼真

  杨建峰称,嫦娥一号、嫦娥二号以及中国深空探测前期的相机全是黑白的,“此次我们使用的是彩色相机,在同样分辨率的情况下,彩色成像是黑白成像数据量的四倍”。 杨建峰感慨道:“国旗的颜色很鲜艳,在月球上面对国旗拍照时,需尽可能呈现出的画面逼真。”

  在月球拍照远没有在地面上拍照那么简单。“我们都知道在地球上,人之所以能看到物体,是因为光的反射。”杨建峰说,在地面上由于大气的散射,自然环境下光照到大气中,通过散射会形成一些光照特性。而在月球上,按现在来说是没有大气的,太阳光打在上面不会散射效应,这种情况下,拍下来的照片会是什么样子是未知的。

  为了保证照片颜色不失真,西安光机所专门成立了色谱研究室,就是要让相机在没有大气的环境下也能够拍到色彩逼真的图片,保证照片里国旗颜色的本真。“我们不仅在地面、在真空状态下反复试验,还曾跑到沙漠中去做色谱实验,最终交出了满意的‘答卷’。”

  绝招4体轻

  自探月工程一期以来,西安光机所月球与深空探测技术研究室先后承担了嫦娥一号CCD立体相机和干涉成像光谱仪、嫦娥二号CCD立体相机、嫦娥三号全景相机和月基光学望远镜的研制工作。此次,玉兔二号巡视器上搭载的两台全景相机,每一台的重量仅为650克,与嫦娥一号、嫦娥二号上的相机相比,可谓是成功“瘦身”。

  “对于月球和深空探测来说,所使用的器件当然是保证性能的前提下,体量越轻便越好。”杨建峰说,嫦娥一号上搭载的CCD立体相机当时体形较大,重量大约在25公斤,嫦娥二号的时候,相机的重量减到了20公斤。“到嫦娥三号、嫦娥四号的时候,我们就要给相机做个‘大瘦身’,直接从公斤级降到了克数上。”杨建峰告诉记者,除了相机的材质要选择越来越轻的之外,最主要的是要将一些电子器件集成化程度提高,经过团队反复试验、论证,最终将嫦娥三号、嫦娥四号上全景相机的体重降到了650克。杨建峰说,以后随着使用较轻的钛镁合金做材料,嫦娥五号、六号上的相机体重还会进一步减轻。

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  “西安硬科技”助力多项深空探测任务

  作为我国探月工程的骨干力量,中国科学院西安光学精密机械研究所针对国家探月工程及深空探测的科学布局,成立了月球与深空探测技术研究室。自探月工程一期以来,该团队先后承担了嫦娥一号CCD立体相机和干涉成像光谱仪、嫦娥二号CCD立体相机、嫦娥三号全景相机和月基光学望远镜、嫦娥四号全景相机等有效载荷的研制,圆满完成各项工程任务和科学目标。

  嫦娥一号CCD立体相机为我国获取了首幅地面分辨率为120m的全月立体图,图像清晰、层次丰富,为当时国际上最完整的全月面图像;嫦娥一号干涉成像光谱仪获得了84%月表面积的清晰多光谱图像,科学家们用该原始数据,成功反演了月表主要矿物分布和铝、镁、钛等元素的含量。嫦娥二号CCD立体相机为我国获取了首幅分辨率优于7m的全月图及月面虹湾地区1.3m分辨率图像,为嫦娥三号落月探测勘察了“落脚点”;搭载于“玉兔号”巡视器上的嫦娥三号全景相机实现了我国首次月表实地高分辨率立体成像,获得了大量科学数据用于月表地形地貌研究,同时获得了着陆器清晰鲜艳的彩色照片,为标志嫦娥三号任务圆满成功的两器互拍提供了保证;月基光学望远镜实现了人类首次月基天文观测,从月面着陆到现在,望远镜一直工作正常,共发回数万张从月面获得的星图,是嫦娥三号获得有效数据最多的载荷,也是唯一还在工作的载荷。

  西安光机所作为我国深空探测领域经验丰富、技术精湛的“主力军”之一,目前还承研探月工程后续任务、首次火星探测工程任务。西安光机所将紧密围绕国家空间科学工程需求,积极参与国家月球探测后期工程、小行星探测、木星探测等深空探测领域工程任务规划,助力我国在深空探测领域不断迈出新步伐。

  延伸阅读

  “嫦娥”“玉兔”成功互拍

  新华社北京1月11日电 (记者陈芳、胡喆) 1月11日,嫦娥四号着陆器与玉兔二号巡视器正常工作,在“鹊桥”中继星支持下顺利完成互拍,地面接收图像清晰完好,中外科学载荷工作正常,探测数据有效下传,搭载科学实验项目顺利开展,达到工程既定目标,标志着嫦娥四号任务圆满成功。至此,我国探月工程取得“五战五捷”。

  科研人员根据导航相机拍摄的着陆周围地形信息,对巡视器进行了路径规划,通过“鹊桥”中继星发送了拍照遥控指令。巡视器全景相机对着陆器进行成像,着陆器地形地貌相机对巡视器成像。

  经过地面数据接收与处理,16时47分,北京航天飞行控制中心大屏幕上呈现出着陆器和巡视器的互拍影像图。图像清晰显示了着陆器和巡视器周围的月背地形地貌,两器上的五星红旗分外醒目。

  嫦娥四号探测器自1月3日顺利着陆月球背面预选区域以来,完成了中继星链路连接、有效载荷开机、两器分离、巡视器月午休眠及唤醒、两器互拍等任务。工程任务圆满成功后,嫦娥四号任务将转入科学探测阶段,着陆器和巡视器将继续开展就位探测和月面巡视探测。

  细数“嫦娥”飞天路

  2018年12月8日2时23分,嫦娥四号探测器从西昌卫星发射中心成功发射,开启了月球探测的新旅程,这是中国航天探月工程“绕”“落”“回”三部曲中第二步“落”的重要一环。

  截至目前,嫦娥一号卫星圆满完成一期“绕月”使命;二期包含嫦娥二号、三号、四号三次任务。嫦娥二号作为先导星,已成功为嫦娥三号验证了部分关键技术并对预选落月区域进行了重点探测;2013年,嫦娥三号成功落月并开展月面巡视勘察,嫦娥三号着陆器成为在月球表面工作时间最长的人造航天器。

  2014年嫦娥三号任务圆满完成后,国防科工局牵头组织开展了嫦娥四号任务实施方案调整的论证工作。

  嫦娥四号任务于2016年1月正式启动,包括中继星和探测器两次任务。“鹊桥”中继星于2018年5月21日在西昌卫星发射中心由长征四号丙遥二十七运载火箭成功发射,进入环地月拉格朗日L2点使命轨道。

  2019年1月3日10时26分,嫦娥四号探测器经历地月转移、近月制动、环月飞行,实现了人类首次月球背面软着陆,开展月球背面就位探测及巡视探测,并通过已在使命轨道运行的“鹊桥”中继星,实现月球背面与地球之间的中继通信。

  本版稿件除署名外由记者关颖采写

  本版图片均据新华社

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