“嫦娥”之眼

余国彬

从嫦娥奔月到“嫦娥工程”

说起嫦娥奔月的故事，大家耳熟能详。

相传，远古时候，天上有十日同时出现，晒得庄稼枯死，民不聊生，一位叫后羿的英雄同情受苦的百姓，拉开神弓，一气射下9个太阳，并严令最后一个太阳按时起落，为民造福。后羿因此受到百姓的尊敬和爱戴，还娶了美丽善良的嫦娥为妻。机缘巧合之下，后羿从西王母处求得不老仙药，交由嫦娥保管。

后羿有个徒弟，名叫逢蒙，他是一个奸诈小人，一心想要得到仙药，便趁后羿不在家时逼迫嫦娥，嫦娥情急之下把仙药吞了下去，结果身体不受控制地向天上的月亮飞去，一直飞到了广寒宫中。这就是嫦娥奔月的故事。

因为这个神话故事，从古时起，中国人就有了一个飞天梦。数千年来，每一个中秋之夜，人们眺望静谧的夜空，总会好奇：月亮上到底有什么？嫦娥居住的广寒宫又是什么模样？

为圆中国人的千年飞天梦，我国科学家从1994年开始论证探月工程的可行性，并将其取名为“嫦娥工程”。2004年，“嫦娥工程”正式立项。该工程分“绕、落、回”三步实施：2017年发射的“嫦娥”一号、2010年发射的“嫦娥”二号实施绕月探测，为之后的落月做准备；2013年发射的“嫦娥”三号、2018年發射的“嫦娥”四号进行落月探测，为取样返回做准备；预计2020年10月左右发射的“嫦娥”五号是落月取样返回探测。

谁拍摄了月球首幅“中国红”

2013年12月2日，“嫦娥”三号探测器在我国西昌卫星发射中心由“长征”三号乙运载火箭送入太空，并在当月14日于月球雨海西北部成功实现软着陆；15日，探测器完成着陆器与巡视器的分离，并陆续开展了“观天、看地、测月”的科学探测和其他预定任务。

作为我国首个在月球实现软着陆的无人登月探测器，“嫦娥”三号探测器由月球软着陆探测器（简称着陆器，又称“嫦娥”三号）和月面巡视探测器（简称巡视器，又称“玉兔”一号）组成。

2013年12月15日23时46分，在“嫦娥”三号和“玉兔”一号的首次互拍现场直播中，“玉兔”一号的图像出现在电视直播画面上。这也是鲜艳夺目的五星红旗第一次在月球上“留影”，直播场景令全体中国人为之振奋。照片的成功拍摄也标志着“嫦娥”三号任务圆满成功。

你知道这张美丽的照片是如何拍出来的吗？

这张天外神作当然不是嫦娥拍下来“微信”给后羿的，而是由着陆器拍摄的。具体来说，拍摄月球车清晰彩色图像的，就是“嫦娥”三号着陆器顶部“自拍杆”上搭载的地形地貌相机。

地形地貌相机是“嫦娥”三号探测器上的关键相机，也是提高“嫦娥“三号工程显示度的关键设备之一。它首先要完成“两器“（即着陆器、巡视器）互拍，作为“嫦娥”三号任务圆满成功的标志；其次，要获取着陆区的光学图像，用于月表地形地貌的调查与研究。

怎样才能“看得见”

为圆满实现探测任务，地形地貌相机必须同时具备“看得清”与“看得真”的能力。这可不是一件容易的事。为此，研制人员攻克了月面高温环境下相机系统被动温控、月面光照环境下彩色成像与还原等关键技术，使地形地貌相机具备轻质高刚度、高可靠性、高成像质量、强环境适应能力等特点。

月球表面的高温环境非常恶劣，它也是地形地貌相机面临的巨大考验之一。地形地貌相机在月昼达到120℃高温环境下面临的热源包括：月昼中午太阳光的直接照射、“自拍杆”的传导热和辐射热、月表红外光辐射和月表反射太阳光照射。如果不采取有效的温控措施，地形地貌相机根本无法在这样的高温环境下生存，更别说正常开展工作了。

以月表红外辐射为例，空间相机会长时间、近距离受到月表红外辐射的作用，其作用时间和强度都远远超过绕地飞行或绕月飞行的航天器所受到的红外辐射。如果不采取有效措施，高温将会使空间相机成像模糊。安装在着陆器顶部的相机指向机构云台，工作时会跟随云台做大幅度的偏航和俯仰等二维转动，加上月面特殊的环境条件，给相机的热控设计带来很大难题，不仅布置散热面非常困难，而且工作模式复杂。

因此，在月面高温环境下，轻小型温控技术是保证处于月面高温环境中的地形地貌相机得以生存和顺利开展拍摄任务的重要前提，也是“嫦娥”这双“眼睛”看得清的前提。

在建立散热数学模型的基础上，相关研制团队创新性地提出了地形地貌相机温控方案：一是“头开空调”，即通过头部散热面，将地形地貌相机接收到的热量向深冷空间背景辐射；二是“口吃冰棒”，即将光电成像探测器散发的热量通过“蜂窝散热路径”传导到壳体；三是“身穿棉袄”，即在地形地貌相机外表面包覆多层隔热，最大程度地减小月表红外辐射的影响；四是“脚穿棉鞋”，即在地形地貌相机与“自拍杆”之间进行隔热安装。由此，地形地貌相机会处于一个相对舒适的工作环境温度中。

校正还原，为了“看得真”

彩色校正与还原一直是空间相机设计中的关键和难点，校正效果将直接影响到成像质量和空间观测任务能否顺利完成。

传统彩色相机是通过标准色标板成像获取标定系数，还原图像真实色彩的；然而，月面的光照环境与地面光照光谱分布的不一致性、月面场景的未知性以及“嫦娥”三号无法携带标准色标的约束性，造成未经校正的月面成像存在色彩偏差，图像质量得不到保证，无法为后续的月面科学探测研究提供真实、准确的数据依据。

我国的科研人员从月面成像彩色偏差因素、相机自身光谱响应特性出发，提出针对月面特殊光照环境且无需月面色标的两步彩色校正方法：第一步，校正相机响应光谱和CIE（国际照明委员会）标准观察者的不一致性，提高对于不同色度值图像彩色定标的适应性和有效性；第二步，在地面模拟的月面光谱分布光照环境下，采用9阶中性色标白平衡，有效抑制月面光照对图像色彩的影响，提高白平衡校正系数对月面较大范围光照变化的泛化能力。由此最终解决了月面无色标的约束性、月面光照环境与地面光照的不一致性、月面特殊场景的适应性等问题，圆满完成了月面彩色图像的校正与还原任务。

2013年12月2日1时30分，“嫦娥”三号怀抱熟睡的“玉兔”一号乘坐“专机”—“长征”三号乙运载火箭，启程奔月，并于14日21时11分顺利抵达月面虹湾地区，开始了奇幻的探月之旅。

2013年12月15日4时35分，“玉兔”一号脱离“嫦娥”三号的怀抱，成功实现了在月球表面上的自主“行走”。中国“玉兔”的“足迹”首次刻在了月球上，开创了中国探月的新历史。

“站得高，才能看得远。”地形地貌相机高坐在“嫦娥”顶部的“自拍杆”上，是“嫦娥”的“眼睛”。跟着这双“眼睛”，我们终于可以走进广寒宫中去看看了。

互拍，任务成功的“评判师”

2013年12月15日23时46分，“嫦娥”三号和“玉兔”一号进行了首次互拍（这就是我们能够看到“嫦娥”和“玉兔”在月表倩影的秘密）。这是我国首次在地外天体上获取“玉兔”的清晰彩色图像，“玉兔”上鲜艳夺目的五星国旗瞬间被定格为永恒。这次互拍也标志着本次探月任务的成功。

为什么说“嫦娥”和“玉兔”的互拍是任务成功与否的“评判师”？

从表面上看，“嫦娥”和“玉兔”的互拍只是拍几张照片而已，但其背后隐含的信息量可不小。

直观上来说，“嫦娥”和“玉兔”的互拍是为了让地面人员能够通过画面对“嫦娥”和“玉兔”各自的身体状态和模样有更直观的认识与了解；同时，两者的互拍可以让“嫦娥”和“玉兔”通过相机相互看到自己，查看月尘是否落到相机上，验证相机是否能够正常工作。更重要的是，拍照过程中，“玉兔”在寻找拍照点位时，可以检验自身在月面“行走”的性能，即“玉兔”的“脚”与“玉兔”的“眼睛”能否正常配合。这些问题都可以通过“嫦娥”和“玉兔”的互拍得到全方位体现。

真的瞧到了“广寒宫”

2013年12月17日至18日，地面人员利用“嫦娥”三号的“自拍杆”进行了虹湾地区“嫦娥”三号周边360°拍摄：相机每隔18°拍摄一次，共拍摄20次，完成一次环拍；在每个方位上，又以上、中、下等几个不同的角度拍摄5次。这样一来，总共使用100张图像拼出了“嫦娥”三号周边360°范围的全景镶嵌影像图，较全面地展示了月面的地形地貌，达到了由近及远的效果。

2013年12月23日，地面人员利用地形地貌相机拍摄的30张照片拼接组成了“嫦娥”三号和“玉兔”一号的思乡画。

2013年12月25日，地面人员进行了地形地貌相机的拓展任务，利用地形地貌相机从月球的角度观看“嫦娥”和“玉兔”的家乡—地球。这是我国首次在地外天体（月球）上拍摄地球。

2019年1月3日，作为“嫦娥”三号的孪生姊妹，“嫦娥”四号实现了人类首次在月球背面软着陆的壮举。地形地貌相机又一次大显身手：通过该设备，人们看到了月球背面的“玉兔”二号和月球背面艾特肯盆地区域“嫦娥”四号周边360°全景镶嵌影像图。

上述影像图片表明，地形地貌相机在月面工作正常，获得的科学数据满足预期，图像纹理清晰，层次丰富，月表地物边缘明显，彩色效果与人眼的视觉感知比较一致，图像质量良好。这意味着，地形地貌相机为“嫦娥”三号和“嫦娥”四号在月面探测任务的顺利完成发挥了关键作用。

未来，随着深空探测科学相机技术的发展，人类认识未知太空世界将会拥有一双更明亮的“眼睛”。