月背“摄影师”航天“智造” ——揭秘嫦娥四号上北京空间机电研究所研制的CMOS相机

沉寂了几十亿年的月球背面,终于迎来了第一位地球访客。1月3日,嫦娥四号跋涉近1个月后,成功踏足月球背面,世界首张月背影像图通过“鹊桥”中继星传回地球,古老月背的神秘面纱揭开,这一片人类未知的星球表面吸引了全世界的目光。

11日,嫦娥四号落月视频公布,以第一视角呈现人类探测器首次月背着陆全过程,再次使之成为焦点。这些珍贵的影像图均由北京空间机电研究所自主研发的1台降落相机和3台监视相机合作拍摄完成。

小相机 大能耐

中国探月工程的落月壮举,让月球背面景象第一次走进公众视线。

嫦娥四号探测器CMOS相机主任设计师林宏宇介绍,这4台相机拍摄了从准备降落到降落成功,一直到嫦娥四号巡视器(玉兔二号月球车)和着陆器分离,乃至“玉兔二号”在月背上迈出的具有历史意义的第一步。

对嫦娥四号来说,顺利到达预定着陆点安家,是初入月背的头等大事。降落相机位于着陆器底部,实时“直播”降落全过程,辅助地面技术人员帮嫦娥四号找到在月背的家园。

降落相机

这台降落相机跟微单相机差不多大小,它的主要任务是在嫦娥四号降落过程中拍摄不同时段不同高度降落区域的图像,地面指挥人员通过“直播”实时掌握落月情况,为成功着陆排查隐患。当嫦娥四号成功着陆后,探测器各部件开始各司其职。安装在着陆器顶端的监视相机A和B和侧面的监视相机C随即接到指令,开始拍摄着陆器和巡视器分离过程。

监视相机

当巡视器(玉兔二号月球车)缓缓从着陆器上行驶下来时,监视相机A和B通过图像连拍,准确抓拍住了月球车的前轮和后轮的动态图,监视相机C则以完美的角度将“玉兔二号”前行每一小步的画面连同车辙印一同记录在了相机里。

与此同时,这些珍贵的月背图片通过中继星中转传回地球,随即这4台小相机完成使命,关机“休眠”了。

小图片 大智慧

据了解,嫦娥四号着陆月背全过程的拍摄全部由降落相机完成,降落相机的核心成像器件是CMOS传感器,相比于商用的数码相机具有更高的可靠性和环境适应性,更适用于月面使用。

北京空间机电研究所CMOS相机设计师赵兴成解释了其中的奥秘,原来,嫦娥四号远赴月球背面,不是为简单地写下一句“到此一游”,而要在科学探索上“大展拳脚”,所以嫦娥四号探测器上搭载的科学仪器很多,着陆器上寸土寸金,使用体积小、功耗低的CMOS传感器相机更具优势。

“另外还有一个原因也是不得以而为之的。”赵兴成坦言,对地面人员来说,在月球背面降落近乎是“盲降”,地球方向无法直接“看到”落月过程,所有的图片传输都需要由“鹊桥”中继星中转完成,期间会产生一定的延时,这对于瞬息万变的降落过程显然太久。

为此,技术人员增加了图片的高压缩比,如此一来,降落相机拍到的降落画面就可以保证对嫦娥四号探测器动力下降过程的实时直观观察和科学数据的采集。

不仅如此,该所CMOS相机团队对着陆器上3台监视相机的自动曝光算法进行了优化调整,使它们能够适应月背更加复杂的场景,应对更加迅速精准。

小团队 大能量

此次“月背拍摄”任务艰巨又极负挑战,要办好人类首次月球背面软着陆这件大事,除了“天时”与“人和”,还要看“地利”——必须落在相对平坦的区域,否则,嫦娥落月就有可能闹出“翻跟头”的笑话,拍摄动力下降过程的降落相机是关键。让该相机设计团队压力倍增。

嫦娥四号在月球背面着陆的纬度确定在40~50度的范围,对于相机而言,虽然这个着陆范围“采光”好,既能确保探测器获得足够的热源,又能避免月昼带来的高温影响,但着陆器和巡视器分离时的动态画面,对于监视相机来讲也是一个不小的挑战。综合多种因素,为了让这4台小相机正常发挥各自功能,在嫦娥三号降落和监视相机的基础上,该相机团队的核心成员林宏宇和赵兴成,针对月球背面的着陆工况进行反复的复核复算,增加了一种图像模式,确保万无一失。

这几个只有巴掌大小的相机轻的三四百克左右,重的不过七百克,但集成了光、机、电、热等多项先进技术和自动曝光、实时图像压缩等智能化功能,在太空极其恶劣的辐射、温度环境下,要承受发射时的强烈冲击和振动,要具备动态下清晰拍摄的能力,还要长寿命、高可靠性、轻小便捷,林宏宇和赵兴成自豪地称之为“航天智造”。

1月3日,赵兴成和林宏宇一起见证了嫦娥四号探测器落月和两器分离的全过程。

赵兴成清楚地记得落月当天,当嫦娥四号探测器开始进入下降阶段时,他不断刷新面前那台接收回传图片的电脑,5秒钟后,经过中继星中转的第一张图片终于出现在了电脑屏幕上。赵兴成说,降落相机可以说是一个探路者,那一刻确实很紧张,但我绝对相信它们。

现在,第一梯队的“摄影师”——降落相机和监视相机已经完成使命,而玉兔二号,将会有新的“摄影师”陪着她,在月球背面继续“遨游”。

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