中新網(wǎng)11月5日電 題：“過五關斬六將”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(wèi)星是這項大工程的第一步。與以往我國發(fā)射衛(wèi)星不同的是，嫦娥一號衛(wèi)星繞月飛行使得該衛(wèi)星具有某些不同與以往衛(wèi)星的新功能。要實現(xiàn)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(wèi)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(tǒng)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。

　　控制衛(wèi)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、太陽敏感器和恒星敏感器等光學姿態(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(wèi)星探測任務要求敏感器必須直接測量衛(wèi)星對月姿態(tài)，特別是對俯仰方向和滾動方向的姿態(tài)進行實時控制，及時糾正各種因素引起的衛(wèi)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?shù)妮椛涮匦�？光學系統(tǒng)設計加工難度如何，是否具有可實現(xiàn)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(tǒng)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(qū)域很亮而某些區(qū)域又很暗，這十分不利于敏感器的正常工作。

　　經(jīng)過反復研究月面不同物質、不同地形的反射特性后發(fā)現(xiàn)，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(jù)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，比較容易獲得測試環(huán)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(tǒng)三難題 自主攻關顯神威

　　紫外月球敏感器光學系統(tǒng)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(wěn)定性，能夠適應嚴酷的空間環(huán)境。其二是像質問題，對于任何光學系統(tǒng)，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(tǒng)重量降到最低。這些因素，無疑使光學系統(tǒng)的研制工作難上加難。

　　光學系統(tǒng)研制之初，控制與推進系統(tǒng)事業(yè)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(shù)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(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系統(tǒng)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(jīng)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(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路時序信號同時驅動的CCD，14路時序信號之間必須實現(xiàn)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(chǎn)商提供的器件手冊設計了時序電路�？刹还茉趺凑{試，CCD的輸出始終不正常。時間不等人，控制與推進系統(tǒng)事業(yè)部的賈錦忠、龔德鑄、劉洋、王艷寶等，憑借精熟的專業(yè)知識和豐富的實踐經(jīng)驗，經(jīng)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(wèi)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�！俺酝讣夹g”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(tǒng)事業(yè)部的技術人員對這種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(wèi)星的使用要求。

　　第四關：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(tài)處理算法結算出衛(wèi)星姿態(tài)。

　　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(tài)確定算法也是以此確定的。但后來發(fā)現(xiàn)，在成像光路經(jīng)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(fā)現(xiàn)被確認之后，原來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，控制與推進系統(tǒng)事業(yè)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(tài)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(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，月球圓盤邊緣檢測環(huán)節(jié)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(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(shù)據(jù)處理時間由以前的4、5秒縮短為現(xiàn)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(chǎn)品研制中必不可少的重要環(huán)節(jié)，是考量產(chǎn)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(tǒng)如何配置，這一系列的問題都沒有現(xiàn)成答案。

　　控制與推進系統(tǒng)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(tǒng))，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(xié)作共渡難關，在他們的不懈努力下紫外月球敏感器實現(xiàn)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(tài)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(zhàn)，用實際行動實現(xiàn)他們的光榮與夢想。