“嫦娥”之眼

余國彬

從嫦娥奔月到“嫦娥工程”

說起嫦娥奔月的故事，大家耳熟能詳。

相傳，遠古時候，天上有十日同時出現，曬得莊稼枯死，民不聊生，一位叫后羿的英雄同情受苦的百姓，拉開神弓，一氣射下9個太陽，并嚴令最后一個太陽按時起落，為民造福。后羿因此受到百姓的尊敬和愛戴，還娶了美麗善良的嫦娥為妻。機緣巧合之下，后羿從西王母處求得不老仙藥，交由嫦娥保管。

后羿有個徒弟，名叫逢蒙，他是一個奸詐小人，一心想要得到仙藥，便趁后羿不在家時逼迫嫦娥，嫦娥情急之下把仙藥吞了下去，結果身體不受控制地向天上的月亮飛去，一直飛到了廣寒宮中。這就是嫦娥奔月的故事。

因為這個神話故事，從古時起，中國人就有了一個飛天夢。數千年來，每一個中秋之夜，人們眺望靜謐的夜空，總會好奇：月亮上到底有什么？嫦娥居住的廣寒宮又是什么模樣？

為圓中國人的千年飛天夢，我國科學家從1994年開始論證探月工程的可行性，并將其取名為“嫦娥工程”。2004年，“嫦娥工程”正式立項。該工程分“繞、落、回”三步實施：2017年發射的“嫦娥”一號、2010年發射的“嫦娥”二號實施繞月探測，為之后的落月做準備；2013年發射的“嫦娥”三號、2018年發射的“嫦娥”四號進行落月探測，為取樣返回做準備；預計2020年10月左右發射的“嫦娥”五號是落月取樣返回探測。

誰拍攝了月球首幅“中國紅”

2013年12月2日，“嫦娥”三號探測器在我國西昌衛星發射中心由“長征”三號乙運載火箭送入太空，并在當月14日于月球雨海西北部成功實現軟著陸；15日，探測器完成著陸器與巡視器的分離，并陸續開展了“觀天、看地、測月”的科學探測和其他預定任務。

作為我國首個在月球實現軟著陸的無人登月探測器，“嫦娥”三號探測器由月球軟著陸探測器（簡稱著陸器，又稱“嫦娥”三號）和月面巡視探測器（簡稱巡視器，又稱“玉兔”一號）組成。

2013年12月15日23時46分，在“嫦娥”三號和“玉兔”一號的首次互拍現場直播中，“玉兔”一號的圖像出現在電視直播畫面上。這也是鮮艷奪目的五星紅旗第一次在月球上“留影”，直播場景令全體中國人為之振奮。照片的成功拍攝也標志著“嫦娥”三號任務圓滿成功。

你知道這張美麗的照片是如何拍出來的嗎？

這張天外神作當然不是嫦娥拍下來“微信”給后羿的，而是由著陸器拍攝的。具體來說，拍攝月球車清晰彩色圖像的，就是“嫦娥”三號著陸器頂部“自拍桿”上搭載的地形地貌相機。

地形地貌相機是“嫦娥”三號探測器上的關鍵相機，也是提高“嫦娥“三號工程顯示度的關鍵設備之一。它首先要完成“兩器“（即著陸器、巡視器）互拍，作為“嫦娥”三號任務圓滿成功的標志；其次，要獲取著陸區的光學圖像，用于月表地形地貌的調查與研究。

怎樣才能“看得見”

為圓滿實現探測任務，地形地貌相機必須同時具備“看得清”與“看得真”的能力。這可不是一件容易的事。為此，研制人員攻克了月面高溫環境下相機系統被動溫控、月面光照環境下彩色成像與還原等關鍵技術，使地形地貌相機具備輕質高剛度、高可靠性、高成像質量、強環境適應能力等特點。

月球表面的高溫環境非常惡劣，它也是地形地貌相機面臨的巨大考驗之一。地形地貌相機在月晝達到120℃高溫環境下面臨的熱源包括：月晝中午太陽光的直接照射、“自拍桿”的傳導熱和輻射熱、月表紅外光輻射和月表反射太陽光照射。如果不采取有效的溫控措施，地形地貌相機根本無法在這樣的高溫環境下生存，更別說正常開展工作了。

以月表紅外輻射為例，空間相機會長時間、近距離受到月表紅外輻射的作用，其作用時間和強度都遠遠超過繞地飛行或繞月飛行的航天器所受到的紅外輻射。如果不采取有效措施，高溫將會使空間相機成像模糊。安裝在著陸器頂部的相機指向機構云臺，工作時會跟隨云臺做大幅度的偏航和俯仰等二維轉動，加上月面特殊的環境條件，給相機的熱控設計帶來很大難題，不僅布置散熱面非常困難，而且工作模式復雜。

因此，在月面高溫環境下，輕小型溫控技術是保證處于月面高溫環境中的地形地貌相機得以生存和順利開展拍攝任務的重要前提，也是“嫦娥”這雙“眼睛”看得清的前提。

在建立散熱數學模型的基礎上，相關研制團隊創新性地提出了地形地貌相機溫控方案：一是“頭開空調”，即通過頭部散熱面，將地形地貌相機接收到的熱量向深冷空間背景輻射；二是“口吃冰棒”，即將光電成像探測器散發的熱量通過“蜂窩散熱路徑”傳導到殼體；三是“身穿棉襖”，即在地形地貌相機外表面包覆多層隔熱，最大程度地減小月表紅外輻射的影響；四是“腳穿棉鞋”，即在地形地貌相機與“自拍桿”之間進行隔熱安裝。由此，地形地貌相機會處于一個相對舒適的工作環境溫度中。

校正還原，為了“看得真”

彩色校正與還原一直是空間相機設計中的關鍵和難點，校正效果將直接影響到成像質量和空間觀測任務能否順利完成。

傳統彩色相機是通過標準色標板成像獲取標定系數，還原圖像真實色彩的；然而，月面的光照環境與地面光照光譜分布的不一致性、月面場景的未知性以及“嫦娥”三號無法攜帶標準色標的約束性，造成未經校正的月面成像存在色彩偏差，圖像質量得不到保證，無法為后續的月面科學探測研究提供真實、準確的數據依據。

我國的科研人員從月面成像彩色偏差因素、相機自身光譜響應特性出發，提出針對月面特殊光照環境且無需月面色標的兩步彩色校正方法：第一步，校正相機響應光譜和CIE（國際照明委員會）標準觀察者的不一致性，提高對于不同色度值圖像彩色定標的適應性和有效性；第二步，在地面模擬的月面光譜分布光照環境下，采用9階中性色標白平衡，有效抑制月面光照對圖像色彩的影響，提高白平衡校正系數對月面較大范圍光照變化的泛化能力。由此最終解決了月面無色標的約束性、月面光照環境與地面光照的不一致性、月面特殊場景的適應性等問題，圓滿完成了月面彩色圖像的校正與還原任務。

2013年12月2日1時30分，“嫦娥”三號懷抱熟睡的“玉兔”一號乘坐“專機”—“長征”三號乙運載火箭，啟程奔月，并于14日21時11分順利抵達月面虹灣地區，開始了奇幻的探月之旅。

2013年12月15日4時35分，“玉兔”一號脫離“嫦娥”三號的懷抱，成功實現了在月球表面上的自主“行走”。中國“玉兔”的“足跡”首次刻在了月球上，開創了中國探月的新歷史。

“站得高，才能看得遠。”地形地貌相機高坐在“嫦娥”頂部的“自拍桿”上，是“嫦娥”的“眼睛”。跟著這雙“眼睛”，我們終于可以走進廣寒宮中去看看了。

互拍，任務成功的“評判師”

2013年12月15日23時46分，“嫦娥”三號和“玉兔”一號進行了首次互拍（這就是我們能夠看到“嫦娥”和“玉兔”在月表倩影的秘密）。這是我國首次在地外天體上獲取“玉兔”的清晰彩色圖像，“玉兔”上鮮艷奪目的五星國旗瞬間被定格為永恒。這次互拍也標志著本次探月任務的成功。

為什么說“嫦娥”和“玉兔”的互拍是任務成功與否的“評判師”？

從表面上看，“嫦娥”和“玉兔”的互拍只是拍幾張照片而已，但其背后隱含的信息量可不小。

直觀上來說，“嫦娥”和“玉兔”的互拍是為了讓地面人員能夠通過畫面對“嫦娥”和“玉兔”各自的身體狀態和模樣有更直觀的認識與了解；同時，兩者的互拍可以讓“嫦娥”和“玉兔”通過相機相互看到自己，查看月塵是否落到相機上，驗證相機是否能夠正常工作。更重要的是，拍照過程中，“玉兔”在尋找拍照點位時，可以檢驗自身在月面“行走”的性能，即“玉兔”的“腳”與“玉兔”的“眼睛”能否正常配合。這些問題都可以通過“嫦娥”和“玉兔”的互拍得到全方位體現。

真的瞧到了“廣寒宮”

2013年12月17日至18日，地面人員利用“嫦娥”三號的“自拍桿”進行了虹灣地區“嫦娥”三號周邊360°拍攝：相機每隔18°拍攝一次，共拍攝20次，完成一次環拍；在每個方位上，又以上、中、下等幾個不同的角度拍攝5次。這樣一來，總共使用100張圖像拼出了“嫦娥”三號周邊360°范圍的全景鑲嵌影像圖，較全面地展示了月面的地形地貌，達到了由近及遠的效果。

2013年12月23日，地面人員利用地形地貌相機拍攝的30張照片拼接組成了“嫦娥”三號和“玉兔”一號的思鄉畫。

2013年12月25日，地面人員進行了地形地貌相機的拓展任務，利用地形地貌相機從月球的角度觀看“嫦娥”和“玉兔”的家鄉—地球。這是我國首次在地外天體（月球）上拍攝地球。

2019年1月3日，作為“嫦娥”三號的孿生姊妹，“嫦娥”四號實現了人類首次在月球背面軟著陸的壯舉。地形地貌相機又一次大顯身手：通過該設備，人們看到了月球背面的“玉兔”二號和月球背面艾特肯盆地區域“嫦娥”四號周邊360°全景鑲嵌影像圖。

上述影像圖片表明，地形地貌相機在月面工作正常，獲得的科學數據滿足預期，圖像紋理清晰，層次豐富，月表地物邊緣明顯，彩色效果與人眼的視覺感知比較一致，圖像質量良好。這意味著，地形地貌相機為“嫦娥”三號和“嫦娥”四號在月面探測任務的順利完成發揮了關鍵作用。

未來，隨著深空探測科學相機技術的發展，人類認識未知太空世界將會擁有一雙更明亮的“眼睛”。