直播月背探索發現
——走近“嫦娥四號”CMOS相機

文/李莉 趙興成

▲“嫦娥四號”降落相機

隨“嫦娥四號”登月，一幅幅珍貴的圖片被傳送回地球，這是4臺神秘的小相機在大展身手，它們來自中國航天科技集團有限公司五院508所。這4臺相機都是CMOS相機，包括3臺監視相機和1臺降落相機，它們如同一個媒體團，在“嫦娥四號”到達月面之前，便做好了全方位的分工和準備，拍的拍，攝的攝，錄的錄，傳的傳，隨時待命為全球開啟一場“月背”探索現場的視覺盛宴。

牢記使命：“小相機”發揮大功能

降落相機——“直播”降落全程。嫦娥四號著陸器降落在月球背面的艾特肯盆地（簡稱SPA盆地）。SPA盆地是月球上規模最大、最古老的撞擊盆地，對它的研究有可能揭露下月殼甚至上月幔的物質狀況，因此它是研究月球深部物質組成的重要窗口。降落相機安置于著陸器的底部艙內，在著陸器降落過程中，降落相機以較高的幀頻進行拍照，獲得大量真實的月球表面信息，直觀地反映月球表面地貌特征和區域地質情況，提升人類對月球的認識。并且，降落相機光學圖像可獲得與人的視覺習慣相近的月面景觀，其所傳送的圖片可生動如實地描述著陸器降落的全過程，給人以身臨其境的視覺沖擊感。

監視相機——“監視”兩器分離。“嫦娥四號”監視相機共有3臺，主要任務是對巡視器與著陸器的釋放分離過程進行全程監視，實現兩器解鎖、巡視器駛離連接支架、臍帶電纜脫離、行駛至轉移機構、釋放分離等關鍵過程的監測，提高探測器系統月表活動的展示度。同時，他們也可以為釋放分離過程中每一個指令的執行情況提供直觀的視覺信息，并對下一個指令的執行風險提供評估依據。巡視器釋放完畢后，裝在著陸器側面的監視相機可定時拍攝不同太陽高度角下的月面圖像，并對巡視器月面工作情況進行監視。

精益技術：只為見證歷史

這些只有巴掌大小的相機看起來與我們平常使用的數碼相機無二，輕的三四百克，重的不過700克，但集成了光、機、電、熱等多項先進技術和自動曝光、實時圖像壓縮等智能化功能，在太空惡劣的輻射、溫度環境下，能承受發射時的強烈沖擊和振動，具備動態下清晰拍攝的能力，更具長壽命、高可靠性能，是真正輕小便攜的航天智造。

為了讓4臺相機發揮各自功能，在“嫦娥三號”CMOS相機研制基礎上，科研人員針對月球背面的著陸進行了復核復算。考慮太空中復雜的粒子環境，嚴格選用質量高等級探測器；相機圖像壓縮算法經歷了“嫦娥二號”“嫦娥三號”的成功在軌驗證，在繼承的基礎上不斷優化；相機的自動曝光算法主要繼承“嫦娥二號”監視相機，并在“嫦娥三號”降落相機自動曝光算法的基礎上升級，對程序進行了優化調整，使其適應更加復雜的場景，調整更加迅速精準。

▲“嫦娥四號”監視相機

相機軟件在原來的基礎上也做了適應性的修改。因為“嫦娥四號”著陸在月球背面，導致探測器直接與地面測站通信需要通過月球中繼衛星“轉手”，探測器數據傳輸的碼速率大幅度降低。針對這一情況，降落相機FPGA軟件增加了一種高壓縮比圖像數據，完美解決了動力下降過程中實時圖像觀察與科學數據采集這兩大任務需求，即探測器動力下降過程中，相機地面軟件實時接收降落相機拍攝的高壓縮比圖像，探測器落月后再回放降落相機拍攝的科學數據。

出征“月背” ：助力“嫦娥”探索發現

此次“月背拍攝”任務的艱巨性在于月背著陸過程的成像具有開創性。最大的挑戰還是嫦娥四號探測器數據傳輸碼速率需要比“嫦娥三號”大幅度降低。3臺監視相機產生的圖像數據經相機自身壓縮后，通過數據接口傳輸并存儲在數傳分系統的大容量存儲區中，接到數據回放指令后，回放指針間斷性選擇回放的數據位置，相機圖像數據經天線傳輸到中繼星，在中繼星的“中轉”下再傳輸到地面測站，最終傳輸到遙控指揮大廳的地面測試網，相機軟件采集接受網絡數據并解壓縮顯示存儲，我們便可看到3臺監視相機實時拍攝的精彩作品。

降落相機采集探測器的落月區域圖像，尤其是對月球背面成像，對探測器落月區域的科學研究具有重大意義。監視相機對著陸器和巡視器兩器分離提供重要視覺支持，并完成對巡視器活動區域的監視，其圖像還可用于分析著陸區月表的地形地貌和區域地質情況，從而輔助其他載荷進行科學探測。

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508所CMOS相機“精彩回放”

CMOS相機是采用CMOS探測器相機的簡稱，它與CCD相機相比外圍電路更加簡單，相機功耗更低，相機設計更加貼合輕小型這一理念。

近年來，508所CMOS系列產品首次完成了地球全景成像、對小行星成像、地月合影等任務，創造了多個國內、國際首次。

2009年12月，“希望一號”CMOS相機在軌成功成像，這是國內研制的第一個能夠拍攝地球全景圖像的CMOS相機。

2010年10月，“嫦娥二號”搭載4臺相機，對月面、衛星太陽翼展開、490N發動機工作以及定向天線展開等衛星關鍵動作進行了成功拍攝，這是中國CMOS成像技術在深空探測領域的首次成功應用。

2012年12月，超期服役的“嫦娥二號”監視相機成功獲取了小行星“圖塔蒂斯”的圖片，這是我國首次實現深空探測領域對小行星精確捕獲、高分辨率成像。

2013年12月，“嫦娥三號”CMOS相機首次對落月成像，在各個高度連續獲取降落區域的月表光學圖像。

2015年8月至10月，北斗二代二期MEO、IGSO搭載CMOS監視相機成功獲取了天線、太陽翼展開的圖像，CMOS相機使我國北斗衛星首次帶上了“自拍神器”。2018年11月8日，首批型譜化監視相機在軌開機，獲取并傳回了北斗三號GEO衛星關鍵動作的清晰圖像，可視化遙測任務取得圓滿成功。