趙葆常 唐茜,2 薛彬

（1中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119）

（2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引言

21世紀(jì)初，國(guó)際探月活動(dòng)十分頻繁。2007年9月14日日本發(fā)射SELENE繞月探測(cè)衛(wèi)星[1]，上面的立體相機(jī)設(shè)計(jì)空間分辨率為10m，但因信號(hào)強(qiáng)度問題，在極區(qū)圖像靠激光高度計(jì)數(shù)據(jù)鑲嵌而成。2008年10月22日，印度發(fā)射了“月船一號(hào)”繞月探測(cè)衛(wèi)星，其立體相機(jī)的空間分辨率從赤道的5m降到極區(qū)的160m[2]。2009年6月19日，美國(guó)發(fā)射了月球探測(cè)軌道器（LRO），其上搭載了一臺(tái)普查相機(jī)，空間分辨率為 100m，用于全月成像；同時(shí)還有一臺(tái)窄視場(chǎng)的詳查平面相機(jī)（視場(chǎng)角約 2.85°，月面成像寬度為5km），用于局域高分辨成像，分辨率達(dá)0.5～1.5m[3]。2007年10月24日，中國(guó)成功發(fā)射了第一顆繞月探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”(CE-1)[4]，揭開了中國(guó)深空探測(cè)以及對(duì)月科學(xué)探測(cè)的序幕。之后不到3年時(shí)間，中國(guó)又發(fā)射了第二顆繞月探測(cè)衛(wèi)星“嫦娥二號(hào)”(CE-2)[5]。日本、印度和中國(guó)都是立體相機(jī)，具有一定的可比性，而美國(guó)為平面相機(jī)（非立體，只有一個(gè)視角）。CE-2 CCD立體相機(jī)在對(duì)月高分辨率成像中首次采用了高靈敏度的時(shí)間延遲積分圖像傳感器，并成功實(shí)現(xiàn)速高比的自動(dòng)補(bǔ)償[6]，可同時(shí)滿足在100km圓軌及 15km×100km橢圓軌道上的立體成像要求，顯示中國(guó)在對(duì)月高分辨率立體成像方面已進(jìn)入到國(guó)際先進(jìn)水平。

本文首先簡(jiǎn)單介紹了CE-1衛(wèi)星CCD立體相機(jī)的技術(shù)方案及實(shí)施效果，之后進(jìn)一步對(duì)CE-2衛(wèi)星的CCD立體相機(jī)的技術(shù)方案、優(yōu)化設(shè)計(jì)、速高比自動(dòng)補(bǔ)償以及實(shí)施效果做了較為詳細(xì)的介紹。

圖1 廣角物鏡加面陣CCD的立體成像方案原理Fig.1 Three-dimensional imaging principle of w ide angle lens and plane-array CCD

2 CE-2衛(wèi)星CCD立體相機(jī)的技術(shù)方案

由于我國(guó)探月工程的第二階段計(jì)劃完成月球軟著陸探測(cè)與月面巡視勘察，需要了解降落條件較好的虹灣地區(qū)的局域高分辨率的地形地貌。而CE-1相機(jī)的分辨率僅為120m，只能探測(cè)到直徑大于360m的月坑，難以滿足第二階段探月需要。CE-2 CCD立體相機(jī)以獲取分辨率優(yōu)于10m的月球表面三維立體影像為科學(xué)目標(biāo)，對(duì)CDD立體相機(jī)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜合創(chuàng)新。

2.1 CE-1 CCD立體相機(jī)技術(shù)

CE-1采用了一個(gè)廣角、消畸變、遠(yuǎn)心物鏡，并在焦平面上配置一塊1 024像元×1 024像元的面陣CCD，CCD之前加了一塊刻有3條細(xì)縫的面罩（如圖1所示），基本消除了面陣幀轉(zhuǎn)移圖像傳感器在轉(zhuǎn)移過程中的附加曝光。

該方案較傳統(tǒng)方案的顯著優(yōu)點(diǎn)是：整臺(tái)立體相機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、體積小，大大簡(jiǎn)化了焦平面的結(jié)構(gòu)；3條線陣自動(dòng)配準(zhǔn)，配準(zhǔn)精度高，航天環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。但該方案也有一定局限性：只適用于短焦距、較小的像方線視場(chǎng)的情況。

從成像的層面來看，此前對(duì)月面圖像最全的美國(guó)克萊門汀相機(jī)分辨率為100m，但仍有很多漏拍的區(qū)域；CE-1相機(jī)分辨率為120m，卻獲得了當(dāng)時(shí)最清晰、最完整的全月面立體圖像。圖2為CE-1與美國(guó)克萊門汀對(duì)同一目標(biāo)所拍攝圖像的對(duì)比，結(jié)果顯示CE-1獲取的圖像更清晰而且完整。

圖2 “嫦娥一號(hào)”CCD立體相機(jī)與克林門汀獲取的同一月面圖像比較Fig.2 Photographs for the same lunar area taken byCE-1and LROC

2.2 CE-2與CE-1 CCD立體相機(jī)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

CE-2與CE-1 CCD立體相機(jī)的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。衛(wèi)星在100km圓軌上的軌間距為32km，相機(jī)成像幅寬為43km，鄰軌之間圖像兩邊仍有5.5km重疊區(qū)以便于拼制全月圖?？梢钥吹紺E-2立體相機(jī)的地元分辨率較CE-1得到了顯著提高。在技術(shù)方面CE-2面臨的最大挑戰(zhàn)是信號(hào)強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)范圍問題。

表1 CE-2與CE-1CCD立體相機(jī)技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The CCD stereo camera’ s technical specifications of CE-1 and CE-2

2.3 信號(hào)強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)范圍分析

日本與印度學(xué)者的工作實(shí)際上已經(jīng)證明：對(duì)全月面實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10m分辨率的立體成像，線陣CCD的探測(cè)靈敏度偏低。與美國(guó) LROC方案相比，CE-2可在較大視場(chǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)同軌立體，并且對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)控制沒有特殊要求。

相對(duì)于全月7m 分辨率信號(hào)強(qiáng)度最低的極區(qū)而言，虹灣地區(qū)1m 分辨率成像的信號(hào)強(qiáng)度更低，因?yàn)樗钠毓鈺r(shí)間要短7倍多，而且月面物質(zhì)反射系數(shù)很低，約為0.05～0.1，屬于低反射率的月海區(qū)。CE-296級(jí)TDICCD立體相機(jī)的在軌數(shù)據(jù)充分說明了這一點(diǎn)，在全月面7m成像時(shí)對(duì)極區(qū)極大部分地區(qū)只用到64級(jí)×1倍電子學(xué)增益，而虹灣地區(qū)成像時(shí)用到96級(jí)×2倍的電子學(xué)增益，這時(shí)兩者輸出的DN大致相當(dāng)，約為30～50DN，這表明相對(duì)于100km極區(qū)的成像，虹灣的成像靈敏度應(yīng)提高3倍（96×2/64=3）。

另一個(gè)是相機(jī)的成像動(dòng)態(tài)范圍評(píng)估，即在100km圓軌7m分辨率條件下，對(duì)最亮的目標(biāo)不能產(chǎn)生飽和，而同時(shí)對(duì)最暗的目標(biāo)（虹灣）又仍有一定的信號(hào)水平（即DN值），以保證一定的信噪比。表2是一個(gè)分析，當(dāng)太陽高度角為90°時(shí)，月面可達(dá)到其最高反射系數(shù)0.25，此時(shí)用所選擇的TDICCD的16級(jí)一倍電子學(xué)增益，信號(hào)水平為250DN，接近飽和；而對(duì)虹灣地區(qū)，該位置太陽高度角最大為40°，反射系數(shù)為0.08，選用96級(jí)二倍電子學(xué)增益，信號(hào)水平可達(dá)40DN，能夠滿足最低信號(hào)強(qiáng)度要求。因此大概需要有71倍的相機(jī)成像動(dòng)態(tài)范圍。

表2 最亮和最暗圖像信號(hào)相對(duì)歸一化值（評(píng)估值）Tab.2 Relative normalized values of the maximum and m inimum image signal

2.4 光學(xué)方案及設(shè)計(jì)結(jié)果

在對(duì)月高分辨探測(cè)中，國(guó)際上首次采用了TDICCD作為圖像傳感器，實(shí)際情況受限，選擇如下參數(shù)的TDICCD：像元數(shù)6 144元，像元尺寸10.1μm×10.1μm，積分級(jí)數(shù)為16、32、48、64、96級(jí)共5檔。如果有4、8、12、16、24級(jí)的TDICCD，則速高比補(bǔ)償精度要求可以大幅度降低。

充足的能量利于優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑與譜段范圍。

（1）譜段范圍的優(yōu)選

圖 3為 TDICCD的對(duì)比度傳遞函數(shù)(Contrast-Transfer-Function，CTF)與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。

由圖可知，CTF的峰值在 λ=450nm 附近, 在λ=450～520nm 的 光 譜 范 圍 內(nèi) ，CTF約 為 0.9，MTF=π/4×CTF，約為 0.7。所有波長(zhǎng)的光信號(hào)對(duì)于黑白照相機(jī)均轉(zhuǎn)化為電子學(xué)輸出（DN），無光譜信息，且月表物質(zhì)的反射光譜也無波長(zhǎng)選擇性反射，因而選取450～520nm作為相機(jī)的工作譜段。它為獲得整機(jī)高M(jìn)TF奠定了基礎(chǔ)。

圖3 以波長(zhǎng)為函數(shù)的TDICCD的CTF曲線Fig.3 CTF curves of TDICCD vs the wavelength

（2）相對(duì)孔徑的優(yōu)選

選取原則：通量與衍射MTF。本方案主要追求盡可能高的 MTF，原估計(jì)在 F/10（相對(duì)孔徑）左右（可以達(dá)到衍射和像差間的最佳平衡），實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)果為F/9。

光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)及其達(dá)到的性能指標(biāo)：根據(jù)成像幅寬43km，單條TDICCD像元數(shù)6 144，則其地元分辨率為43km/6 144像元=7m（在100km圓軌時(shí)），折算到虹灣地區(qū)15km成像高度，地元分辨率為1.05m，成像幅寬為6.45m，均滿足任務(wù)書要求。由式（1）計(jì)算焦距：

式中 H為成像高度；GSD為地元分辨率（7m）；b為探測(cè)器像元尺寸（10.1m）。算得f′=144.3mm，根據(jù)100km成像高度及43km成像幅寬，可得到橫軌方向視場(chǎng)角為23.26°；又根據(jù)要求前視為8°，后視為–17.2°，沿軌方向最大視場(chǎng)角為17.2°，總視場(chǎng)角為2up=42°。

綜合以上分析，最終確定光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)為：f′=144.3mm，F(xiàn)/9，2up=42°，6組7片，Lak2與TF3兩種玻璃。系統(tǒng)MTF的設(shè)計(jì)值如圖4所示，設(shè)計(jì)傳函接近0.7，其中前視8°均值約為0.68，后視–17.2°約為0.66。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)MTFFig.4 MTF of optical system

TDICCD立體相機(jī)推掃示意如圖5所示。

圖5 CE-2衛(wèi)星有效載荷CCD立體相機(jī)推掃示意Fig.5 Schematic diagram of CE-2 CCD stereo camera

表3 給出了該TDICCD立體相機(jī)在兩種軌道上的成像參數(shù)。實(shí)際結(jié)果均滿足或優(yōu)于任務(wù)書要求。

表3 CCD立體相機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)Tab.3 Designed technical parameters of the CCD stereo camera

決定相機(jī)靜態(tài)MTF的兩個(gè)最主要因素為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)MTF及探測(cè)器MTF，由此估計(jì)靜態(tài)MTF可達(dá)到0.47，考慮加工、裝配、電子學(xué)等因素，估計(jì)相機(jī)實(shí)際靜態(tài)MTF可以達(dá)到0.4左右，發(fā)射前的檢測(cè)結(jié)果前視8°為0.42，后視17.20°為0.4，與評(píng)估一致。

相機(jī)為非像方遠(yuǎn)心，作為比較，同時(shí)也設(shè)計(jì)了相同參數(shù)下的像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)。其 MTF與非像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)基本相同，但在光學(xué)系統(tǒng)最后需增加兩塊透鏡，且這兩塊透鏡的口徑達(dá) Φ120mm（像面尺寸η′= f′·tan up=111mm，而在非遠(yuǎn)心系統(tǒng)中最大一塊透鏡的尺寸為Φ69mm），大大增加了光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量與尺寸，為此采取了電子學(xué)平場(chǎng)的方案，并控制出射視場(chǎng)角up′＜20°，即為現(xiàn)在的結(jié)果，相機(jī)本機(jī)質(zhì)量＜10kg。

電子學(xué)平場(chǎng)的實(shí)施方案中，將單條TDICCD的6 144個(gè)像元分為12個(gè)通道（抽頭）輸出。每個(gè)抽頭管 512個(gè)像元，把每個(gè)抽頭的前置放大倍率設(shè)計(jì)為不同值。若中間兩片歸化為 1，則最邊緣的值約為1.3～1.4倍。具體做法是，先觀察12個(gè)通道的輸出曲線，然后計(jì)算每個(gè)通道的電子學(xué)放大倍率。在技術(shù)流程中，該階段被稱為“通道初調(diào)整”，然后在定標(biāo)中進(jìn)行精密平場(chǎng)。通道初調(diào)時(shí)，不考慮像元間不均勻性，而在定標(biāo)平場(chǎng)時(shí)，需對(duì)像元間輸出的非均勻性進(jìn)行修正。

3 速高比補(bǔ)償

TDICCD作為圖像傳感器，其在成像時(shí)必須滿足苛刻的條件——TDICCD器件電荷包的轉(zhuǎn)移速率要與目標(biāo)像在焦平面上的運(yùn)動(dòng)速度相匹配，即速高比補(bǔ)償。當(dāng)成像條件不滿足上述要求時(shí)，沿軌方向上MTF就會(huì)下降，從而降低圖像的品質(zhì)。TDICCD技術(shù)在我國(guó)地球衛(wèi)星中已經(jīng)得到成功應(yīng)用[8]，美國(guó)在對(duì)火星的高分辨率成像中也采用了相同的技術(shù)[9]。但是在對(duì)月球的高分辨率成像中采用 TDICCD，國(guó)內(nèi)外都尚屬首次。相對(duì)于地球衛(wèi)星，月球衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)速高比補(bǔ)償技術(shù)難度更大，主要原因?yàn)椋?）月球衛(wèi)星軌道高度低；2）月球衛(wèi)星無GPS技術(shù)的支持；3）月面的地形起伏大；4）月球沒有精密的高程數(shù)據(jù)DEM。

3.1 速高比補(bǔ)償實(shí)施方案

CE-2采用了兩套實(shí)施方案，即

（1）地面計(jì)算

首先，計(jì)算預(yù)報(bào)的軌道參數(shù)：包括軌道高度H′、衛(wèi)星速度Vsat及與之相對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星星下點(diǎn)的經(jīng)度與緯度。再根據(jù)經(jīng)度與緯度，由月球的高程圖DEN得到相對(duì)應(yīng)的月球表面起伏h[10]，H= H′–h。然后計(jì)算行頻TC(對(duì)應(yīng)經(jīng)度與緯度)。將上述參數(shù)打包，提前上行注入。當(dāng)衛(wèi)星飛抵某一經(jīng)緯度時(shí)，相機(jī)按相應(yīng)的行頻工作，根據(jù)實(shí)際的軌道測(cè)量通過外推得到預(yù)報(bào)的軌道參數(shù)，預(yù)報(bào)時(shí)間可以是24h、48h等。

（2）在軌計(jì)算

利用激光高度計(jì)得到衛(wèi)星距月球表面的距離H，同時(shí)利用上行注入的預(yù)報(bào)的星下點(diǎn)速度V（與經(jīng)緯度相對(duì)應(yīng)），計(jì)算速高比（行頻），在星上閉環(huán)實(shí)時(shí)完成速高比補(bǔ)償。圖8即為速高比計(jì)算誤差舉例，其中（a）為所要進(jìn)行處理區(qū)域的圖片，（b）為對(duì)該圖片進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)圖。

速高比的兩個(gè)參數(shù)衛(wèi)星高度與速度中，實(shí)際速度的影響很小，衛(wèi)星高度是造成速高比的變化主要因素。

兩種速高比補(bǔ)償方案各有利弊，互為補(bǔ)充。對(duì)目標(biāo)主要是平原的虹灣地區(qū)，成像幅寬?。s6km），可采用在軌計(jì)算行頻為主。充分利用激光高度計(jì)測(cè)量精度高的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)減輕地面工作人員負(fù)擔(dān)。而對(duì)于月面起伏大的地區(qū)則采用地面計(jì)算行頻的方案。在地面計(jì)算行頻時(shí)，采用了條帶平差技術(shù)，這是因?yàn)槌上裼幸欢ǖ姆鶎?，特別是在100 km圓軌時(shí)，月面成像寬度達(dá)43 km，在43 km寬度上月面會(huì)有起伏，若采用星下點(diǎn)數(shù)據(jù)，引入誤差較大，因此方案采用了各個(gè)條帶（100km圓軌對(duì)應(yīng)月表各條帶尺寸為43 km×7 km）的均方值。經(jīng)過運(yùn)算處理后，對(duì)99%以上的區(qū)域，誤差范圍不超過±500m[6]。

3.2 在軌速高比配準(zhǔn)試驗(yàn)

為了在軌實(shí)際驗(yàn)證速高比方案的正確性，于2010年10月25日，進(jìn)行了速高比配準(zhǔn)的在軌試驗(yàn)，圖6（a）為速高比人為失配25%獲得的圖像，此處的速高比失配是人為的通過從地面向衛(wèi)星上傳一個(gè)失配的幀頻指令，相機(jī)按照該指令執(zhí)行獲得圖片。圖6（b）為地形地貌與圖6（a）相似且經(jīng)過本文速高比補(bǔ)償方案補(bǔ)償?shù)膱D像。試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證當(dāng)沒有速高比補(bǔ)償時(shí)對(duì)圖像品質(zhì)的影響。

圖6 在軌圖像的完全配準(zhǔn)與非完全配準(zhǔn)效果對(duì)比圖Fig.6 Contrast between well-match and unmatch on-orbit images

4 在軌圖像評(píng)價(jià)

圖7（a）是CE-2相機(jī)拍攝的圖像[11]，圖7（b）與美國(guó)月球探測(cè)軌道器相機(jī)LROC（窄視場(chǎng)，詳查）拍攝的月表同一地點(diǎn)圖像圖7（a）的比較。

LROC相機(jī)與“嫦娥二號(hào)”相機(jī)的空間分辨率大致相同約1.5m（實(shí)際中國(guó)1.3m，美國(guó)1.5m）。從視覺感官效果來看，圖7（a）好看，因?yàn)樗臄z時(shí)的太陽高度角很低，約為5°，太陽光從左向右照射，照亮了右坑壁的上部，但坑底、右壁下部及左坑壁被遮擋，形成明顯的黑白對(duì)比。而圖7（b）拍攝時(shí)太陽高度角約為30°多，而該坑又比較淺，所以沒有明顯的光線遮擋，視覺效果不如左圖，但對(duì)科學(xué)家來說，右圖更有價(jià)值，因?yàn)樗言驴拥乃屑?xì)節(jié)，如坑底坑壁四周的石塊都明顯地顯示出來了，而左圖因?yàn)楣饩€遮擋的原因丟失了很多有價(jià)值的信息。

圖7 LROC與CE-2拍攝的圖像對(duì)比Fig.7 Contrast between the images taken by LOCR and CE-2

CE-2衛(wèi)星兩次調(diào)軌到15km×100km橢圓軌道，因?yàn)樵撥壍赖纳鏁r(shí)間僅為2天，所以每次只能獲取16軌正式圖像，共獲32軌道正式圖像及3軌試驗(yàn)圖像，圖像的地元分辨率為1.3m，代表性照片如圖8所示；在100km圓軌上共獲取572張地元分辨率為7m的圖像（含試驗(yàn)性圖像），成像寬度為43km，全月面100%覆蓋，是目前國(guó)際上分辨率最高的全月面立體圖像，其中代表性月球圖像如圖9所示。

由于CE-2要在虹灣為“嫦娥三號(hào)”的著落船尋求最佳著落點(diǎn)，圖10 被視為是CE-2任務(wù)成功的重要標(biāo)志之一。

圖8 近月弧段上拍攝的拉普拉斯–A的立體圖像（GSD約為1.3m）Fig.8 3D image taken by Laplace-A on near lunar arc(GSD is about 1.3m )

圖9 極區(qū)典型環(huán)形坑（GSD約為7m）Fig.9 Typical Crater at the polar region（GSD is about 7m）

圖10 “嫦娥二號(hào)”拍攝的虹灣局部影像(GSD約為1.3m)Fig.10 Partial image of Sinus Iridium taken by CE-2 (GSD is about 1.3m)

5 結(jié)束語

CE-2 CCD立體相機(jī)到目前為止已經(jīng)完成了其工程目標(biāo)與科學(xué)目標(biāo)。它首次將TDICCD技術(shù)應(yīng)用到對(duì)月球的高分辨率成像中，由于采用了速高比自動(dòng)補(bǔ)償手段，從而使在軌圖像清晰、層次豐富。7m分辨率的全月面圖像是迄今為止分辨率最高的全月面圖像。CE-2衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為半年，但是由于追加了科學(xué)任務(wù)它目前仍處在正常狀態(tài)下繼續(xù)工作。

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