“嫦娥”之眼

余國彬

從嫦娥奔月到“嫦娥工程”

說起嫦娥奔月的故事，大家耳熟能詳。

相傳，遠(yuǎn)古時(shí)候，天上有十日同時(shí)出現(xiàn)，曬得莊稼枯死，民不聊生，一位叫后羿的英雄同情受苦的百姓，拉開神弓，一氣射下9個(gè)太陽，并嚴(yán)令最后一個(gè)太陽按時(shí)起落，為民造福。后羿因此受到百姓的尊敬和愛戴，還娶了美麗善良的嫦娥為妻。機(jī)緣巧合之下，后羿從西王母處求得不老仙藥，交由嫦娥保管。

后羿有個(gè)徒弟，名叫逢蒙，他是一個(gè)奸詐小人，一心想要得到仙藥，便趁后羿不在家時(shí)逼迫嫦娥，嫦娥情急之下把仙藥吞了下去，結(jié)果身體不受控制地向天上的月亮飛去，一直飛到了廣寒宮中。這就是嫦娥奔月的故事。

因?yàn)檫@個(gè)神話故事，從古時(shí)起，中國人就有了一個(gè)飛天夢。數(shù)千年來，每一個(gè)中秋之夜，人們眺望靜謐的夜空，總會好奇：月亮上到底有什么？嫦娥居住的廣寒宮又是什么模樣？

為圓中國人的千年飛天夢，我國科學(xué)家從1994年開始論證探月工程的可行性，并將其取名為“嫦娥工程”。2004年，“嫦娥工程”正式立項(xiàng)。該工程分“繞、落、回”三步實(shí)施：2017年發(fā)射的“嫦娥”一號、2010年發(fā)射的“嫦娥”二號實(shí)施繞月探測，為之后的落月做準(zhǔn)備；2013年發(fā)射的“嫦娥”三號、2018年發(fā)射的“嫦娥”四號進(jìn)行落月探測，為取樣返回做準(zhǔn)備；預(yù)計(jì)2020年10月左右發(fā)射的“嫦娥”五號是落月取樣返回探測。

誰拍攝了月球首幅“中國紅”

2013年12月2日，“嫦娥”三號探測器在我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由“長征”三號乙運(yùn)載火箭送入太空，并在當(dāng)月14日于月球雨海西北部成功實(shí)現(xiàn)軟著陸；15日，探測器完成著陸器與巡視器的分離，并陸續(xù)開展了“觀天、看地、測月”的科學(xué)探測和其他預(yù)定任務(wù)。

作為我國首個(gè)在月球?qū)崿F(xiàn)軟著陸的無人登月探測器，“嫦娥”三號探測器由月球軟著陸探測器（簡稱著陸器，又稱“嫦娥”三號）和月面巡視探測器（簡稱巡視器，又稱“玉兔”一號）組成。

2013年12月15日23時(shí)46分，在“嫦娥”三號和“玉兔”一號的首次互拍現(xiàn)場直播中，“玉兔”一號的圖像出現(xiàn)在電視直播畫面上。這也是鮮艷奪目的五星紅旗第一次在月球上“留影”，直播場景令全體中國人為之振奮。照片的成功拍攝也標(biāo)志著“嫦娥”三號任務(wù)圓滿成功。

你知道這張美麗的照片是如何拍出來的嗎？

這張?zhí)焱馍褡鳟?dāng)然不是嫦娥拍下來“微信”給后羿的，而是由著陸器拍攝的。具體來說，拍攝月球車清晰彩色圖像的，就是“嫦娥”三號著陸器頂部“自拍桿”上搭載的地形地貌相機(jī)。

地形地貌相機(jī)是“嫦娥”三號探測器上的關(guān)鍵相機(jī)，也是提高“嫦娥“三號工程顯示度的關(guān)鍵設(shè)備之一。它首先要完成“兩器“（即著陸器、巡視器）互拍，作為“嫦娥”三號任務(wù)圓滿成功的標(biāo)志；其次，要獲取著陸區(qū)的光學(xué)圖像，用于月表地形地貌的調(diào)查與研究。

怎樣才能“看得見”

為圓滿實(shí)現(xiàn)探測任務(wù)，地形地貌相機(jī)必須同時(shí)具備“看得清”與“看得真”的能力。這可不是一件容易的事。為此，研制人員攻克了月面高溫環(huán)境下相機(jī)系統(tǒng)被動溫控、月面光照環(huán)境下彩色成像與還原等關(guān)鍵技術(shù)，使地形地貌相機(jī)具備輕質(zhì)高剛度、高可靠性、高成像質(zhì)量、強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力等特點(diǎn)。

月球表面的高溫環(huán)境非常惡劣，它也是地形地貌相機(jī)面臨的巨大考驗(yàn)之一。地形地貌相機(jī)在月晝達(dá)到120℃高溫環(huán)境下面臨的熱源包括：月晝中午太陽光的直接照射、“自拍桿”的傳導(dǎo)熱和輻射熱、月表紅外光輻射和月表反射太陽光照射。如果不采取有效的溫控措施，地形地貌相機(jī)根本無法在這樣的高溫環(huán)境下生存，更別說正常開展工作了。

以月表紅外輻射為例，空間相機(jī)會長時(shí)間、近距離受到月表紅外輻射的作用，其作用時(shí)間和強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過繞地飛行或繞月飛行的航天器所受到的紅外輻射。如果不采取有效措施，高溫將會使空間相機(jī)成像模糊。安裝在著陸器頂部的相機(jī)指向機(jī)構(gòu)云臺，工作時(shí)會跟隨云臺做大幅度的偏航和俯仰等二維轉(zhuǎn)動，加上月面特殊的環(huán)境條件，給相機(jī)的熱控設(shè)計(jì)帶來很大難題，不僅布置散熱面非常困難，而且工作模式復(fù)雜。

因此，在月面高溫環(huán)境下，輕小型溫控技術(shù)是保證處于月面高溫環(huán)境中的地形地貌相機(jī)得以生存和順利開展拍攝任務(wù)的重要前提，也是“嫦娥”這雙“眼睛”看得清的前提。

在建立散熱數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，相關(guān)研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了地形地貌相機(jī)溫控方案：一是“頭開空調(diào)”，即通過頭部散熱面，將地形地貌相機(jī)接收到的熱量向深冷空間背景輻射；二是“口吃冰棒”，即將光電成像探測器散發(fā)的熱量通過“蜂窩散熱路徑”傳導(dǎo)到殼體；三是“身穿棉襖”，即在地形地貌相機(jī)外表面包覆多層隔熱，最大程度地減小月表紅外輻射的影響；四是“腳穿棉鞋”，即在地形地貌相機(jī)與“自拍桿”之間進(jìn)行隔熱安裝。由此，地形地貌相機(jī)會處于一個(gè)相對舒適的工作環(huán)境溫度中。

校正還原，為了“看得真”

彩色校正與還原一直是空間相機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵和難點(diǎn)，校正效果將直接影響到成像質(zhì)量和空間觀測任務(wù)能否順利完成。

傳統(tǒng)彩色相機(jī)是通過標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)板成像獲取標(biāo)定系數(shù)，還原圖像真實(shí)色彩的；然而，月面的光照環(huán)境與地面光照光譜分布的不一致性、月面場景的未知性以及“嫦娥”三號無法攜帶標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)的約束性，造成未經(jīng)校正的月面成像存在色彩偏差，圖像質(zhì)量得不到保證，無法為后續(xù)的月面科學(xué)探測研究提供真實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

我國的科研人員從月面成像彩色偏差因素、相機(jī)自身光譜響應(yīng)特性出發(fā)，提出針對月面特殊光照環(huán)境且無需月面色標(biāo)的兩步彩色校正方法：第一步，校正相機(jī)響應(yīng)光譜和CIE（國際照明委員會）標(biāo)準(zhǔn)觀察者的不一致性，提高對于不同色度值圖像彩色定標(biāo)的適應(yīng)性和有效性；第二步，在地面模擬的月面光譜分布光照環(huán)境下，采用9階中性色標(biāo)白平衡，有效抑制月面光照對圖像色彩的影響，提高白平衡校正系數(shù)對月面較大范圍光照變化的泛化能力。由此最終解決了月面無色標(biāo)的約束性、月面光照環(huán)境與地面光照的不一致性、月面特殊場景的適應(yīng)性等問題，圓滿完成了月面彩色圖像的校正與還原任務(wù)。

2013年12月2日1時(shí)30分，“嫦娥”三號懷抱熟睡的“玉兔”一號乘坐“專機(jī)”—“長征”三號乙運(yùn)載火箭，啟程奔月，并于14日21時(shí)11分順利抵達(dá)月面虹灣地區(qū)，開始了奇幻的探月之旅。

2013年12月15日4時(shí)35分，“玉兔”一號脫離“嫦娥”三號的懷抱，成功實(shí)現(xiàn)了在月球表面上的自主“行走”。中國“玉兔”的“足跡”首次刻在了月球上，開創(chuàng)了中國探月的新歷史。

“站得高，才能看得遠(yuǎn)?！钡匦蔚孛蚕鄼C(jī)高坐在“嫦娥”頂部的“自拍桿”上，是“嫦娥”的“眼睛”。跟著這雙“眼睛”，我們終于可以走進(jìn)廣寒宮中去看看了。

互拍，任務(wù)成功的“評判師”

2013年12月15日23時(shí)46分，“嫦娥”三號和“玉兔”一號進(jìn)行了首次互拍（這就是我們能夠看到“嫦娥”和“玉兔”在月表倩影的秘密）。這是我國首次在地外天體上獲取“玉兔”的清晰彩色圖像，“玉兔”上鮮艷奪目的五星國旗瞬間被定格為永恒。這次互拍也標(biāo)志著本次探月任務(wù)的成功。

為什么說“嫦娥”和“玉兔”的互拍是任務(wù)成功與否的“評判師”？

從表面上看，“嫦娥”和“玉兔”的互拍只是拍幾張照片而已，但其背后隱含的信息量可不小。

直觀上來說，“嫦娥”和“玉兔”的互拍是為了讓地面人員能夠通過畫面對“嫦娥”和“玉兔”各自的身體狀態(tài)和模樣有更直觀的認(rèn)識與了解；同時(shí)，兩者的互拍可以讓“嫦娥”和“玉兔”通過相機(jī)相互看到自己，查看月塵是否落到相機(jī)上，驗(yàn)證相機(jī)是否能夠正常工作。更重要的是，拍照過程中，“玉兔”在尋找拍照點(diǎn)位時(shí)，可以檢驗(yàn)自身在月面“行走”的性能，即“玉兔”的“腳”與“玉兔”的“眼睛”能否正常配合。這些問題都可以通過“嫦娥”和“玉兔”的互拍得到全方位體現(xiàn)。

真的瞧到了“廣寒宮”

2013年12月17日至18日，地面人員利用“嫦娥”三號的“自拍桿”進(jìn)行了虹灣地區(qū)“嫦娥”三號周邊360°拍攝：相機(jī)每隔18°拍攝一次，共拍攝20次，完成一次環(huán)拍；在每個(gè)方位上，又以上、中、下等幾個(gè)不同的角度拍攝5次。這樣一來，總共使用100張圖像拼出了“嫦娥”三號周邊360°范圍的全景鑲嵌影像圖，較全面地展示了月面的地形地貌，達(dá)到了由近及遠(yuǎn)的效果。

2013年12月23日，地面人員利用地形地貌相機(jī)拍攝的30張照片拼接組成了“嫦娥”三號和“玉兔”一號的思鄉(xiāng)畫。

2013年12月25日，地面人員進(jìn)行了地形地貌相機(jī)的拓展任務(wù)，利用地形地貌相機(jī)從月球的角度觀看“嫦娥”和“玉兔”的家鄉(xiāng)—地球。這是我國首次在地外天體（月球）上拍攝地球。

2019年1月3日，作為“嫦娥”三號的孿生姊妹，“嫦娥”四號實(shí)現(xiàn)了人類首次在月球背面軟著陸的壯舉。地形地貌相機(jī)又一次大顯身手：通過該設(shè)備，人們看到了月球背面的“玉兔”二號和月球背面艾特肯盆地區(qū)域“嫦娥”四號周邊360°全景鑲嵌影像圖。

上述影像圖片表明，地形地貌相機(jī)在月面工作正常，獲得的科學(xué)數(shù)據(jù)滿足預(yù)期，圖像紋理清晰，層次豐富，月表地物邊緣明顯，彩色效果與人眼的視覺感知比較一致，圖像質(zhì)量良好。這意味著，地形地貌相機(jī)為“嫦娥”三號和“嫦娥”四號在月面探測任務(wù)的順利完成發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

未來，隨著深空探測科學(xué)相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人類認(rèn)識未知太空世界將會擁有一雙更明亮的“眼睛”。