“嫦娥一号”专家：万万没想到照片这么清晰
2007-11-27 06:37
来源：科学时报(http://www.sciencenet.cn/)
“当嫦娥一号卫星传回第一张原生（原始）月球表面照片时，现场的人惊呆了，我们所有的人都非常惊讶和激动：万万没有想到照片会这么清晰！”
约了两个多星期的采访，《科学时报》记者终于接到了嫦娥一号卫星有效载荷光学成像探测系统主任设计师、中国科学院西安光机所研究员赵葆常接受采访的电话。在采访中记者得知，所有媒体的采访他都推到了这一天。这位已经68岁的老人激动地说：“到这个时候我才真正松了口气，总算能给全国人民一个交代了。”
这张珍贵的照片是由单镜头CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）立体相机实时获取的，而这套设备正是由以赵葆常为主任设计师的有效载荷项目组研制的。
图片清晰度远远超过人们的预想
11月26日，温家宝总理为我国首次月球探测工程的第一幅月面图像揭幕，标志我国首次探月工程圆满成功，全场响起热烈掌声。
赵葆常介绍，CCD立体相机开机，获取第一幅月面图像时，嫦娥一号月球探测工程总指挥栾恩杰、工程总设计师孙家栋、首席科学家欧阳自远等专家和领导都在现场。当看到实时传输回的第一张照片时，栾恩杰说：“没有想到会这么清楚。”孙家栋说：“我们都看呆了。”而欧阳自远说：“不钦佩也得钦佩，东西摆在那里。”这一席话更让为嫦娥一号卫星有效载荷光学成像探测系统辛苦几年的赵葆常备感欣慰。第一张照片传输回来的那一刻，所有的人都惊呆了，全场响起了热烈的掌声，好多人流下了激动的眼泪。
赵葆常介绍，嫦娥一号所使用的CCD立体相机事先设定了4档曝光时间，其中最短的是3.2毫秒，最长的是84毫秒。当卫星运行到月球赤道的地方时，光照最强，这时候就采用3.2毫秒的曝光时间，离赤道稍远处可以使用7毫秒的曝光时间，南北纬75度以上的时候可用20毫秒的曝光，84毫秒用于获取极区图像，确保了相机能获取整个月面的清晰图像。
“曝光时间是事先设定好的，可根据情况由地面给卫星发送控制指令，随时改变曝光时间，以获取最佳图像。”
由于月球自转需要1个月时间，所以卫星搭载的CCD立体相机绕月球一个月才能把整个月面照完，也就是获取整个月球的月表影像需要1个月时间。利用CCD相机获取的月表地形地貌图像最终可以制作成优于1∶250万的平面和立体月球地图。
尽管嫦娥一号拍摄的照片非常清晰，但赵葆常指出：“因为我们是第一次探月，科学家希望尽可能把整个月球表面的地形地貌照下来，这才是我们最主要的目标。”
“把我们的图片和近期国际相当分辨率相机获取的月球图片放在一起，一眼就能看出我们的图片比他们的清晰很多。”赵葆常说。
创新铸就辉煌
据报道，中国首次月球探测工程第一幅月面图像是由嫦娥一号卫星上的CCD立体相机采用线阵推扫的方式获取图像，轨道高度约200km，每一轨的月面幅宽60km，像元分辨率120m。
中国第一幅月面图像共由19轨图像制作而成，位于月表东经83度到东经57度，南纬70度到南纬54度，图幅宽约280km、长约460km。图中右侧60公里宽的条带，是CCD相机开机获得的第一轨图像。
嫦娥一号所使用的CCD立体相机具体是如何工作的？有何创新点？
赵葆常介绍，CCD立体相机采用了广角物镜和一片1024×1024的面阵探测器，从而达到结构简单、重量轻、体积小、航天环境适应能力强，这是方案的独到之处，这无疑是一种创新。立体相机可同时获得普通航空摄像的正视照片和由前视、后视合成的立体照片。
“这是我们专门为嫦娥一号设计的。”赵葆常说。
CCD是一种光电转换半导体器件，其上的感光单元将接收到的光能转换为电荷量，而且电荷量大小与入射光的强度成正比。这样，就可通过CCD获取目标图像。CCD现在被广泛应用于数码相机和数码摄像机中，同时在天文望远镜、扫描仪和条形码读取器中也有应用。
“由于月球和卫星存在相对运动，所以利用面阵CCD探测器中的3条像元，以自推扫方式，就可获取月球表面同一目标前视、正视和后视3幅图像数据。”赵葆常介绍说。
“我们采用单镜头相机和大面阵CCD探测器实现三维影像获取在国内外都属首例。”赵葆常介绍，为了提高图像质量，除所用三行像元外，其余面阵CCD探测器上的像元都将其遮挡，这种采用1台相机取代3台相机的方式，大大简化了载荷结构、减轻了载荷的重量。“整个CCD相机加上我们研制的干涉成像光谱仪，总重量只有23公斤。”赵葆常说。
此外，这台CCD相机的广角镜头采用了远心系统，能有效克服常规设计中中心亮、边上暗的缺陷，使整个像面照度均匀。能够获得如此清晰的图像，是精心设计、精心研制的结果，全系统实测调制传递函数高达0.48，信噪比优于200。
支持国产
采访中记者了解到，嫦娥一号CCD立体相机使用的光学玻璃全部是国产光学玻璃，“一方面为了支持国货，另一方面更是为了节约成本。”赵葆常坦言，国外的光学玻璃的确比国产的性能好，但是价格也不菲。
“事实上，国产的光学玻璃完全可以满足光学设计的要求，唯一的不足就是国产材料筛选、复检的工作量比较大。”赵葆常介绍，他为此亲自选材，对所有购买的光学玻璃进行严格检测，依据检测数据，对光学系统设计进行复核计算，再依据复核结果严格筛选正式选用的材料，同时零件加工完成后立刻进行镀膜以防止透镜表面腐蚀。
“使用国产光学玻璃，使我们仅此一项就将节约上百万元的成本。”赵葆常说。
我们的产品“零缺陷”
在我国探月一期工程中，以赵葆常为主任设计师的西安光机所有效载荷项目组除了承担CCD立体相机的研制任务外，还承担了干涉成像光谱仪的研制任务。CCD立体相机获取月球表面三维影像，为划分月球表面基本地貌和构造单元，初步编制月球地质与构造纲要图，为后续探月优选软着陆提供参考依据。干涉成像光谱仪用于分析月球表面有用元素和物质类型含量与分布情况，为月球的开发利用提供有关资源分布的数据，并为月球地质历史研究提供宝贵资料。
“西安光机所第一次承担航天遥感设备研制工作，而且一步跨入月球探测。”赵葆常介绍，2003年7月底，他接到重任时，连高温假都没休就投入了工作。而从那时开始，他几乎没有休息过，包括节假日。
“2003年高温假期期间，我在作光学成像探测系统光学方案与初步光学设计，当年国庆假期期间，我在做方案，2004年春节我在作详细设计报告。”
西安光机所建所40多年，是我国光机研究的专业所，具有良好的技术储备和科研工作条件。在这些基础之上，参研人员拼搏、奉献，研究所上下全力以赴，仅用短短两年半时间，他们就走完了原理样机研制与测试、初样研制与测试及正样研制3个阶段的研制过程，于2006年2月15日正式交付正样。2006年2月15日接受嫦娥一号有效载荷总体的验收、检测，3月15日接受嫦娥工程卫星总体的验收、检测，最后仪器设备各项性能指标完全达到了合同要求，实现了零缺陷交付。
在交付卫星总体后的大量测试中，设备一直完好、正常。“后来装机的时候，我们的人也一直和其他工程人员一起做试验，发射前我们还将仪器清理过一次。”赵葆常说。
正是在赵葆常的带领下，有效载荷光学成像探测系统研制团队团结协作，采取严慎细实的工作态度，发扬“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的载人航天精神，才圆满完成了任务。
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