作者:俞凯 陈葆娟 来源:澎湃新闻 发布时间:2020/12/6 10:06:16
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定格月轨相拥精彩瞬间,上海研制的拍照神器实现“双保险”

 

经历了几天的孤独绕月之旅后,嫦娥五号的轨道器作为此次探月工程的“短驳车”,终于等来了它的“乘客”——携带着月壤样品的上升器,并与之实现世界首次月球轨道自动无人交会对接与样品转移。

与载人航天弱撞击型周边式对接机构不同,嫦娥五号这次采用的是抱爪式对接机构方案,即从“太空之吻”变成“月轨相拥”。由中国航天科技集团八院控制所研制的红外及可见光双谱段监视相机,完美记录下了这次“太空拥抱”的精彩瞬间。

记录过程实现“双保险”

很多人还记得,2020年7月27日,我国首个火星探测器天问一号在飞离地球约120万公里处时,曾“深情地”回望地球,并拍下了在茫茫宇宙中相互守望的地月合影照片,这张回眸照片一时间刷爆网络,而拍下这张刷屏照片的,就是八院研制的光学导航敏感器。

不同于探火任务中光学导航敏感器的副业发挥,此次嫦娥五号所搭载的双谱段监视相机是一款专业拍照神器,其主业就是记录轨道器与上升器的交会对接过程,以及轨道器与着陆器/上升器组合体分离、与支撑舱分离过程。

与以往任务中所搭载的监视相机不同的是,这款相机集红外和可见光成像于一体,红外和可见光传感器经各自的光学镜头获取图像数据,根据遥控指令要求,在六种拍摄模式中自由切换,实现红外和可见光分别或同时成像。

“这就相当于给普通相机加了一个夜视仪,即使交会对接过程发生在月背,接受不到太阳光照,也可以通过红外相机记录下全过程。”中国航天科技集团八院控制所光学导航专家郑循江介绍道,“在有光照的情况下,如果光照太强,可见光相机拍摄的照片也可能存在过曝的情况,影响观看效果。有了这款双谱段相机,就可确保全天时、全光照条件下记录交会对接过程,也可以让大众从红外镜头的视角看看太空。”

低成本打造高清画质

为了给关注“太空拥抱”的人类带来高清的视觉感受,本次搭载在嫦娥五号轨道器上的相机,其可见光谱段分辨率达到2048×2048,红外谱段选用非制冷长红外波段,分辨率为640×480。

要在此基础上实现红外和可见光同时成像,数据量巨大,研制初期,产品始终无法达到任务要求的帧频。后来,经过项目团队尤其是软件设计师近两个月的攻关,数轮头脑风暴,最终通过优化DSP软件架构和算法,提升软件运行效率,成功解决了该问题。

清晰度和帧频都满足要求了,数据传输又成了大问题。

“就像一条单行道上要承载比平时多两倍的车流,要么会发生事故、停滞不前造成‘死机’,要么就要经过漫长的等待、让车辆逐次通行。”产品主管设计师王峰说道,“要避免这种情况,就要在图像、视频压缩技术上下功夫。”团队经过多种尝试,最终选择了先插值再压缩的方式,对不同的工作模式采取不同的压缩算法,利用帧间相关性提高图像质量,最后将压缩后的数据下传至地面解压恢复。

海量的处理数据,除了给软件工程师带来了极大的难题,让元器件选用也颇费周章。宇航级器件可靠性高,但运行速度相对较低,无法满足数据处理的需求。为此,设计师经综合考量,选用了工业级高性能8核处理器来提升数据处理速度,但这并不意味着对产品的可靠性要求就会降低。

产品硬件工程师何峰介绍道,“除了传统的第三方机构筛选,我们还专门制定了《低等级元器件质保方案》,开展了抗总剂量辐照、热环境、力学环境、静电放电等专项试验。通过试验结果来证明,我们的可靠性设计是合理有效的。”

通过算法攻关及工业级器件的选用,不仅有效控制了研制成本,也给“寸土寸金”的轨道器留出了更多运输有效载荷的空间,团队探索了一条引民用技术为航天产品所用的技术途径,同时也为时下热门的商业航天和传统航天产品降本增效提供了思路。

 
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