中新網(wǎng)11月5日電 題：“過(guò)五關(guān)斬六將”的紫外月球敏感器
特約記者 黃琦
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(fā)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(shí)現這些新功能，保證飛行任務(wù)順利完成，就要對一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)。紫外月球敏感器以其“新、難”的技術(shù)特點(diǎn)成為嫦娥一號衛星重大攻關(guān)項目之一，航天科技集團公司中國空間技術(shù)研究院控制與推進(jìn)系統事業(yè)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(wù)。
控制衛星姿態(tài)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(yáng)敏感器和恒星敏感器等光學(xué)姿態(tài)敏感器作為空間飛行器的姿態(tài)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(wù)要求敏感器必須直接測量衛星對月姿態(tài)，特別是對俯仰方向和滾動(dòng)方向的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，及時(shí)糾正各種因素引起的衛星姿態(tài)偏差，確保探測儀器始終處于最佳工作狀態(tài)。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(méi)有搞過(guò)，國外也沒(méi)有成熟技術(shù)，擺在科研人員面前的完全是一個(gè)全新的課題。雖然在此之前做過(guò)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(shù)框架，但在進(jìn)行方案細化和詳細技術(shù)設計時(shí)，仍有不少需要解決的難題，用“過(guò)五關(guān)斬六將”來(lái)描述紫外月球敏感器的研制一點(diǎn)不為過(guò)。
第一關(guān)：選譜段 月球特性是關(guān)鍵
選擇光學(xué)敏感器工作譜段是開(kāi)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(xué)系統設計加工難度如何，是否具有可實(shí)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(kāi)展等等。
控制與推進(jìn)系統事業(yè)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(guān)于月球表面反射特性的寶貴資料。資料顯示，隨月面物質(zhì)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(zhù)月球敏感器拍攝到的月面圖像，可能會(huì )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(jīng)過(guò)反復研究月面不同物質(zhì)、不同地形的反射特性后發(fā)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(jìn)行觀(guān)測，月面明暗反差會(huì )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(xué)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(shí)擴展了光學(xué)材料的選擇范圍，比較容易獲得測試環(huán)境，便于后期測試工作的開(kāi)展。在紫外月球敏感器攻關(guān)的道路上，成功地邁出了第一步。
第二關(guān)：光學(xué)系統三難題 自主攻關(guān)顯神威
紫外月球敏感器光學(xué)系統研制必須解決三大問(wèn)題。其一是光學(xué)材料的選材問(wèn)題，材料不僅要滿(mǎn)足紫外波段像差校正的要求，而且要具有良好力學(xué)特性和理化穩定性，能夠適應嚴酷的空間環(huán)境。其二是像質(zhì)問(wèn)題，對于任何光學(xué)系統，視場(chǎng)角越大，像差越難以平衡，光學(xué)設計越困難。紫外月球敏感器150度的大視場(chǎng)，以及對影像的光學(xué)分辨率高要求，進(jìn)一步加大了光學(xué)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(xué)系統重量降到最低。這些因素，無(wú)疑使光學(xué)系統的研制工作難上加難。
光學(xué)系統研制之初，控制與推進(jìn)系統事業(yè)部研制人員，對光學(xué)材料在國內外進(jìn)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(jià)格十分昂貴，僅是購買(mǎi)原材料就是一個(gè)天文數字，況且當時(shí)國內還沒(méi)有加工藍寶石的能力，只能到國外加工。但“自主創(chuàng )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(chǎn)權。于是，事業(yè)部與協(xié)作單位中科院西安光機所共同承擔了光學(xué)系統研制任務(wù)，老中青三代專(zhuān)家投入到這項攻堅任務(wù)。功夫不負有心人，經(jīng)過(guò)三年的不懈努力，在兩輪設計改進(jìn)后，一舉攻克了材料關(guān)、重量關(guān)、像質(zhì)關(guān)，采用光學(xué)玻璃和光學(xué)晶體的配組代替藍寶石，設計水平達到國內先進(jìn)水平。
第三關(guān)：視頻電路研制 生產(chǎn)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(shí)序信號同時(shí)驅動(dòng)的CCD，14路時(shí)序信號之間必須實(shí)現嚴格的相位關(guān)系，CCD才能夠輸出所需的圖像，因此說(shuō)時(shí)序信號對CCD來(lái)說(shuō)十分重要。
在電路研制之初，科技人員完全按照CCD生產(chǎn)商提供的器件手冊設計了時(shí)序電路�？刹还茉趺凑{試，CCD的輸出始終不正常。時(shí)間不等人，控制與推進(jìn)系統事業(yè)部的賈錦忠、龔德鑄、劉洋、王艷寶等，憑借精熟的專(zhuān)業(yè)知識和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗，經(jīng)過(guò)6、7輪反復設計、更改，硬是靠自己努力摸出了正確的時(shí)序關(guān)系，解決了CCD的成像問(wèn)題。
在嫦娥一號衛星繞月飛行時(shí)，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(shí)間能在大范圍內調整�！俺酝讣夹g(shù)”是掃除“攔路虎”的最好方法。通過(guò)前一段時(shí)間的反復摸索，控制與推進(jìn)系統事業(yè)部的技術(shù)人員對這種CCD已經(jīng)摸熟吃透了。他們獨辟蹊徑，設計了一套全新的時(shí)序關(guān)系，使最短曝光時(shí)間縮短到只有幾毫秒，甚至更短。這樣，曝光時(shí)間調整范圍達到了120倍，充分滿(mǎn)足了嫦娥一號衛星的使用要求。
第四關(guān)：軟件研制 集智創(chuàng )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(xué)頭部拍攝到月球影像后，由軟件進(jìn)行圖像處理和圖像識別，檢測出月球圓盤(pán)邊緣，并應用姿態(tài)處理算法結算出衛星姿態(tài)。
在開(kāi)始紫外月球敏感器軟件算法研究的時(shí)候，研制人員走過(guò)了一段彎路。出于直觀(guān)認識，一直認為月球圓盤(pán)所成的像也是圓形，相關(guān)姿態(tài)確定算法也是以此確定的。但后來(lái)發(fā)現，在成像光路經(jīng)過(guò)分割、折轉以后，各子視場(chǎng)內月球圖像邊緣曲線(xiàn)雖然看起來(lái)象圓弧，但其實(shí)并不是圓弧，而是類(lèi)似雙曲線(xiàn)的二次曲線(xiàn)。在這個(gè)發(fā)現被確認之后，原來(lái)建立在圓弧概念上的姿態(tài)確定算法，也就被徹底顛覆了。此時(shí)，控制與推進(jìn)系統事業(yè)部的李鐵壽等老專(zhuān)家給予了及時(shí)、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(tài)確定問(wèn)題。
在軟件算法研究接近完成時(shí)，在測試中了又暴露出新問(wèn)題：軟件處理速度達不到任務(wù)要求。要提高軟件處理速度，就需要對算法進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)分析發(fā)現，月球圓盤(pán)邊緣檢測環(huán)節占用時(shí)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(mǎn)意。越是艱難時(shí)刻，越能激發(fā)出大家的斗志。受掃描式敏感器工作原理的啟發(fā)，郝云彩、王立、黃欣創(chuàng )造性地運用“中心射線(xiàn)法”進(jìn)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(shí)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(guò)了任務(wù)要求。
第五關(guān)：標定測試，確�？刂聘呔�
標定測試，是任何航天產(chǎn)品研制中必不可少的重要環(huán)節，是考量產(chǎn)品能否正常應用的關(guān)鍵步驟。由于紫外月球敏感器是個(gè)全新的項目，測試項目如何選擇，測試工作怎么開(kāi)展，測試系統如何配置，這一系列的問(wèn)題都沒(méi)有現成答案。
控制與推進(jìn)系統事業(yè)部的黃欣、蔡偉借鑒以往的產(chǎn)品研制、測試經(jīng)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(pán)對紫外敏感器進(jìn)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(xié)作共渡難關(guān)，在他們的不懈努力下紫外月球敏感器實(shí)現了三個(gè)第一：它是我國第一個(gè)以月球為觀(guān)測目標的光學(xué)姿態(tài)敏感器；第一個(gè)大視場(chǎng)成像式敏感器(以前成像式敏感器最大視場(chǎng)也就有十幾度，而它的視場(chǎng)達到了150度)；第一個(gè)工作在紫外譜段的光學(xué)敏感器。在未來(lái)的征途中，全體研制人員將以百倍的信心迎接挑戰，用實(shí)際行動(dòng)實(shí)現他們的光榮與夢(mèng)想。
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