“嫦娥”的眼睛：紫外月球敏感器拍攝月球影像
繞月探測工程是我國繼載人航天工程之后又一重大項目，嫦娥一號衛星是這項大工程的第一步。與以往我國發射衛星不同的是，嫦娥一號衛星繞月飛行使得該衛星具有某些不同與以往衛星的新功能。要實現這些新功能，保證飛行任務順利完成，就要對一些關鍵技術進行重點攻關。紫外月球敏感器以其"新、難"的技術特點成為嫦娥一號衛星重大攻關項目之一，航天科技集團公司中國空間技術研究院控制與推進系統事業部從四室、七室、八室抽調了以黃欣為首的12名精兵強將，承擔起這項艱巨的任務。 控制衛星姿態對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、太陽敏感器和恒星敏感器等光學姿態敏感器作為空間飛行器的姿態測量部件。但由于月球本身的特殊性以及嫦娥一號衛星探測任務要求敏感器必須直接測量衛星對月姿態，特別是對俯仰方向和滾動方向的姿態進行實時控制，及時糾正各種因素引起的衛星姿態偏差，確保探測儀器始終處于最佳工作狀態。因此，研制紫外月球敏感器的想法孕育而生。 對于月球敏感器，不但國內沒有搞過，國外也沒有成熟技術，擺在科研人員面前的完全是一個全新的課題。雖然在此之前做過導航敏感器的預先研究工作，即以導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框架，但在進行方案細化和詳細技術設計時，仍有不少需要解決的難題，用"過五關斬六將"來描述紫外月球敏感器的研制一點不為過。 第一關：選譜段 月球特性是關鍵 選擇光學敏感器工作譜段是開展研制工作的第一步，需要考慮很多因素，包括被探測目標在所選的譜段內是否具有適當的輻射特性？光學系統設計加工難度如何，是否具有可實現性？能否獲得具有相應光譜響應特性的光電器件？后期的測試工作能否順利開展等等。 控制與推進系統事業部的蔡偉、黃欣、尉志軍等，積極與紫金山天文臺、國家天文臺通力合作，獲得了關于月球表面反射特性的寶貴資料。資料顯示，隨月面物質不同和地形起伏，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，可能會有強烈的反差，某些區域很亮而某些區域又很暗，這十分不利于敏感器的正常工作。 經過反復研究月面不同物質、不同地形的反射特性后發現，在短波譜段反射率差別有減小的趨勢。這表明如果從紫外譜段進行觀測，月面明暗反差會有所改善。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，而后根據國內目前光學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，保證了圖像處理結果的正確性，同時擴展了光學材料的選擇范圍，比較容光學獲得測試環境，便于后期測試工作的開展。在紫外月球敏感器攻關的道路上，成功地邁出了第一步。 第二關：光學系統三難題 自主攻關顯神威 紫外月球敏感器光學系統研制必須解決三大問題。其一是光學材料的選材問題，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特性和理化穩定性，能夠適應嚴酷的空間環境。其二是像質問題，對于任何光學系統，視場角越大，像差越難以平衡，光學設計越困難。紫外月球敏感器150度的大視場，以及對影像的光學分辨率高要求，進一步加大了光學設計的難度。其三是要在具有足夠強度、剛度的條件下，使光學系統重量降到最低。這些因素，無疑使光學系統的研制工作難上加難。 光學系統研制之初，控制與推進系統事業部研制人員，對光學材料在國內外進行了廣泛的調研，藍寶石是國外星敏感器上常用的一種材料，但大體積的藍寶石價格十分昂貴，僅是購買原材料就是一個天文數字，況且當時國內還沒有加工藍寶石的能力，只能到國外加工。但"自主創新"是航天科技工作者的主旋律，他們橫下一條心，就用國內的材料，自己設計、加工，一定要獲得自主的知識產權。于是，事業部與協作單位中科院西安光機所共同承擔了光學系統研制任務，老中青三代專家投入到這項攻堅任務。功夫不負有心人，經過三年的不懈努力，在兩輪設計改進后，一舉攻克了材料關、重量關、像質關，采用光學玻璃和光學晶體的配組代替藍寶石，設計水平達到國內先進水平。 第三關：視頻電路研制 生產商豎起大拇指 紫外月球敏感器的成像器件采用的是一種14路時序信號同時驅動的CCD，14路時序信號之間必須實現嚴格的相位關系，CCD才能夠輸出所需的圖像，因此說時序信號對CCD來說十分重要。 在電路研制之初，科技人員完全按照CCD生產商提供的器件手冊設計了時序電路。可不管怎么調試，CCD的輸出始終不正常。時間不等人，控制與推進系統事業部的賈錦忠、龔德鑄、劉洋、王艷寶等，憑借精熟的專業知識和豐富的實踐經驗，經過6、7輪反復設計、更改，硬是靠自己努力摸出了正確的時序關系，解決了CCD的成像問題。 在嫦娥一號衛星繞月飛行時，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，就需要使CCD的曝光時間能在大范圍內調整。"吃透技術"是掃除"攔路虎"的最好方法。通過前一段時間的反復摸索，控制與推進系統事業部的技術人員對這種CCD已經摸熟吃透了。他們獨辟蹊徑，設計了一套全新的時序關系，使最短曝光時間縮短到只有幾毫秒，甚至更短。這樣，曝光時間調整范圍達到了120倍，充分滿足了嫦娥一號衛星的使用要求。 第四關：軟件研制 集智創造新算法 軟件是紫外月球敏感器中的重要組成部分。在光學頭部拍攝到月球影像后，由軟件進行圖像處理和圖像識別，檢測出月球圓盤邊緣，并應用姿態處理算法結算出衛星姿態。 在開始紫外月球敏感器軟件算法研究的時候，研制人員走過了一段彎路。出于直觀認識，一直認為月球圓盤所成的像也是圓形，相關姿態確定算法也是以此確定的。但后來發現，在成像光路經過分割、折轉以后，各子視場內月球圖像邊緣曲線雖然看起來象圓弧，但其實并不是圓弧，而是類似雙曲線的二次曲線。在這個發現被確認之后，原來建立在圓弧概念上的姿態確定算法，也就被徹底顛覆了。此時，控制與推進系統事業部的李鐵壽等老專家給予了及時、有力的幫助，提出了"多矢量擬合求中心"的算法，從而解決了姿態確定問題。 在軟件算法研究接近完成時，在測試中了又暴露出新問題：軟件處理速度達不到任務要求。要提高軟件處理速度，就需要對算法進行改進。經分析發現，月球圓盤邊緣檢測環節占用時間較多。起初，嘗試了其它幾種常用邊緣檢測算法，結果都不能令人滿意。越是艱難時刻，越能激發出大家的斗志。受掃描式敏感器工作原理的啟發，郝云彩、王立、黃欣創造性地運用"中心射線法"進行月球圖像邊緣檢測，不但邊緣檢測效果很好，而且軟件數據處理時間由以前的4、5秒縮短為現在的1秒鐘，使軟件處理速度不僅達到而且超過了任務要求。 第五關：標定測試，確保控制高精度 標定測試，是任何航天產品研制中必不可少的重要環節，是考量產品能否正常應用的關鍵步驟。由于紫外月球敏感器是個全新的項目，測試項目如何選擇，測試工作怎么開展，測試系統如何配置，這一系列的問題都沒有現成答案。 控制與推進系統事業部的黃欣、蔡偉借鑒以往的產品研制、測試經驗，自行研制了2米高的大月模（由月球模擬器、轉臺等組成的測試系統），模擬月球圓盤對紫外敏感器進行精密測量，并逐步探索出了一整套行之有效測試方法。 "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，團結協作共渡難關，在他們的不懈努力下紫外月球敏感器實現了三個第一：它是我國第一個以月球為觀測目標的光學姿態敏感器；第一個大視場成像式敏感器（以前成像式敏感器最大視場也就有十幾度，而它的視場達到了150度）；第一個工作在紫外譜段的光學敏感器。在未來的征途中，全體研制人員將以百倍的信心迎接挑戰，用實際行動實現他們的光榮與夢想。
