圖1 利用三線陣方式拍攝月面圖像的原理示意圖

圖2 北京密雲和雲南昆明數據接收地面站接收CE-1衛星下傳數據示意圖

圖3 中國首次月球探測工程第一幅月面圖像所覆蓋的月面區域圖示

中國首次月球探測工程第一幅月面平面圖像

　　首席科學家歐陽自遠院士對“中國首次月球探測工程第一幅月面圖像”的初步解讀

　　歐陽自遠（中國科學院國家天文臺）、李春來（中國科學院國家天文臺）、鄒永廖（中國科學院國家天文臺）、劉建忠（中國科學院國家天文臺）、劉建軍（中國科學院國家天文臺）、楊建峰（中國科學院西安精密光學機械研究所）

　　嫦娥一號衛星(CE-1)于2007年10月24日成功發射並於2007年11月7日準確進入環月工作軌道後，經過12天衛星的調姿、通信鏈路測試等工作後，于2007年11月20日，星上CCD立體相機開機並開始了對月面拍攝。

　　11月26日上午9時，嫦娥一號衛星正在進行第223圈的繞月飛行之時，黨中央、國務院、中央軍委在北京航天城隆重舉行嫦娥一號衛星第一幅月面圖片(以下簡稱第一幅圖)發佈儀式，國務院總理溫家寶出席了發佈儀式。

　　第一幅月圖的發佈，標誌著我國首次探月工程取得圓滿成功。

　　第一幅圖公佈後，得到全球公眾的廣泛關注，許多媒體也邀請一些專家對第一幅圖進行了部分的解釋。與此同時，許多公眾來電來函諮詢或質疑第一幅圖的一些相關問題。

　　為了使廣大公眾更好地了解第一幅圖的獲取和數據的接收、處理及其所承載的信息，繞月探測工程應用科學首席科學家歐陽自遠院士親自撰寫了本文。

　　一、第一幅圖的拍攝過程

　　1、一台三線陣相機實現了三台線陣相機的功能

　　常規的航空航天對地攝影只獲取正視(星下點)二維圖像，而要獲得立體圖像，通常需要用三台線陣相機。CE-1上的CCD立體相機採用了一個廣角物鏡和1024?1024面陣CCD的獨特設計，實現了上述功能。

　　在一定空間分辨率前提下，CCD相機所拍攝圖像的清晰度決定於相機全系統的傳遞函數(簡稱：MTF)和信噪比。為了提高所拍攝圖像清晰度，CE-1上的CCD立體相機全系統MTF從所要求的MTF大於0.2增加到0.48，信噪比從100增加到優於200，這是獲得清晰圖像的關鍵因素之一。

　　相機在工作期間的暴光時間是圖像清晰、層次豐富的另一個關鍵要素。為了適應不同太陽高度角和月面的地形地貌、不同區域月面反照率的差異，經過詳細調研、充分論證、倣真計算，制定了四個暴光時間，特別是制定了每一軌在不同緯度區域的曝光策略，從而使同一軌不同緯度時都有合適的曝光時間。

　　2、相機拍攝圖像的基本原理

　　為了確保相機所拍攝的圖像清晰，制定了當太陽與月面夾角大於15度時相機才開始拍攝的工作模式。

　　相機工作時，CCD立體相機採用線陣推掃的方式獲取月面同一目標的前視、正視和後視三條線陣的影像，即利用1024行中的第1行、第512行和第1023行分別對月面同一目標進行三次掃描拍攝：第1行數據為前視17?獲取的圖像，第512行數據為正視圖像，第1023行為後視17?獲取的圖像。形象地説就是，當相機與拍攝目標連線與垂直方向成17?時，CCD立體相機探測器的第1行獲取目標的前視圖像，經過大約42秒(衛星運行了約66km)後，CCD立體相機探測器的第512行獲取該目標的正視圖像，再經過大約42秒後，探測器的第1023行獲取該目標的後視圖像。這樣，月面同一目標就在84秒的時間內被CCD立體相機拍攝了三幅照片，即地面目標的前視、正視和後視圖像(圖1)。

　　二、第一幅圖數據的傳輸

　　與過去的航天測控任務不同的是，嫦娥一號衛星在遠距離發送數據的過程中，存在著信號在空間衰減大、信道余量較小、地面接收困難等難題。為確保探測數據的可靠接收，由我國專門研製了兩座目前我國口徑最大的分別安裝在北京密雲和雲南昆明的50米和40米數據接收天線，具備了距離40萬公里、碼速率3Mbps的數據接收能力。CE-1衛星的科學探測數據就是由這兩座接收天線負責接收的(圖2)。

　　CE-1衛星探測數據的接收必須是衛星處於測控系統喀什站和青島站的可跟蹤和可控的可見弧段內以及進入地面應用系統密雲50米數據接收站和昆明站40米天線數據接收站的可接收弧段內才能進行的，四站同時跟蹤衛星信號。在喀什站、青島站對衛星精確測控的輔助下，CCD立體相機拍攝獲得的圖像數據通過衛星上的有效載荷數據處理系統存儲、編碼，然後傳送至衛星發射機，通過星上定向天線以固定頻率向地球發送，北京密雲地面站和昆明地面站同時接收下傳數據，並通過專用的光纖通信網絡實時傳輸到坐落在中國科學院國家天文臺的地面應用系統總部後，進行數據的分析、處理與研究的。

　　三、第一幅圖的處理與製作流程

　　CCD立體相機所拍攝的月面圖像是以位流數據的形式傳下來的，這些數據只有經過分析處理、製作成圖後，一般公眾才能看得懂。

　　1、單軌月面圖像的製作處理流程

　　單軌月面圖像的製作流程主要包括如下步驟：

　　1)利用原始數據，進行信道處理、提取CCD立體相機源包數據；

　　2)通過排序、去重復，形成CCD立體相機單次過境的最優源包數據，對優化後的源包數據進行解包；

　　3)進行物理量轉換和格式重整處理，形成前視、正視和後視三條線陣的數據；

　　4)利用地面定標數據，消除CCD立體相機光、機、電等系統誤差的影響，進行輻射定標處理得到的二維圖像。

　　5)進行圖像增強處理，去除噪聲、對比度拉伸、亮度調整，最終形成二維平面圖像。

　　2、19軌數據鑲嵌處理流程

　　19軌數據鑲嵌處理流程主要包括如下步驟：

　　1)圖像的粗幾何校正：在上述單軌月面圖像的基礎上，利用軌道和姿態數據，進行粗幾何校正，得到19軌數據在月面上的大致位置。

　　2)圖像的幾何精糾正：從Clementine BaseMap分幅數據中找到相應位置的影像數據作為控制定位底圖，對19軌數據分別進行幾何精糾正；

　　3)圖像的鑲嵌和勻色：以飽和度、對比度、亮度較好的影像為標準，進行色調和對比度調整，將相鄰兩軌影像進行鑲嵌。

　　4)19軌數據圖像的鑲嵌：由於第一幅圖區域位於中高緯度區，相鄰軌道數據重疊率較高，對於多次重疊的地區，選用圖像質量相對較好的數據參與鑲嵌，最終形成了第一幅月面圖。（文/黃歡）