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3.6万公里高空镜头如何“防抖”
2017年02月28日 10:01   来源:解放日报  

  广阔的海洋、多彩的陆地、巍峨的山脉、甚至细小的河流也清晰可见。昨天,我国第二代静止轨道气象卫星风云四号云图正式发布。这些精美的云图是如何“拍”出来的?

  在36000公里遥远太空中的风云四号卫星对地球“拍照”,悬浮在空中,没有“三脚架”,还要在运转中拍出地球的高清美照,这绝对不是件容易事。在使用“超静音”新平台和国际先进的新载荷同时,更离不开两项防抖神技:图像定位配准和微振动抑制。

  给卫星载荷对地扫描进行导航

  日常拍照中,手中镜头微小的抖动可能不易被察觉。但在36000公里以外的高空,卫星载荷“镜头”即使发生肉眼不能察觉的微小偏差,所观测到地面上的观测点也可能相差几十甚至上百公里。

  值得注意的是,悬浮在太空中的风云四号卫星在36000公里对地拍照,不是一次按下“快门”拍出来的,而是载荷扫描机构带着反射镜把一个拍照的小视场像一个小刷子一样移动,用15分钟把整个地球一点点“刷”完,最后形成图片。“刷”的过程中,由于受卫星姿态、轨道和热变形的影响,“刷子”的路径可能会变歪,如果没有一定的修正技术,拍出来的图片就会不准确。在风云四号卫星上,这项修正的技术就是图像定位与配准技术。

  传统方法是在地面进行图像处理,有一套复杂的图像重采样处理方法和流程,而风云四号卫星可以在星上直接完成校正。

  “卫星图像定位与配准技术就是给载荷对地扫描的过程进行导航,就好比我们日常开车用GPS导航,只不过一个是给车辆导航,另一个是给载荷‘视线’导航。”上海航天技术研究院风云四号图像定位与配准主任设计师吕旺说,“一旦扫描路径偏离预期,系统自动发现并校正,有效控制图像的位置偏差和抖动。”通过风云四号卫星的研制,我国成为世界上继美国之后第二个掌握静止气象卫星图像定位与配准技术的国家。

  风云四号卫星从预研就开始图像定位与配准技术攻关。这是一项涉及多个学科的综合技术,研发过程中将有效载荷、卫星平台和地面应用三个环节有机联系在一起。为了攻克这个难题,上海航天技术研究院先后调用了近10位博士持续研究。到2010年,这支队伍才彻底把图像定位与配准的问题整明白,确定了星上实时补偿的工程方案,把精度定在了1个像素。

  给“娇贵”载荷坐上“软沙发”

  风云四号卫星的四个高分辨率载荷中,有一个能给大气做“CT”的干涉式大气垂直探测仪。干涉式大气垂直探测仪“娇贵”到什么程度?“几乎是在卫星边上吹一口气形成的振动,就会诱发干涉仪动镜倾斜,导致分析光谱产生‘鬼线’或者无法预知的谱线。”上海航天技术研究院风云四号结构系统副主任设计师申军烽说,这样扫描出的大气垂直结构CT图可能就会“鬼影重重”,好比手抖时拍出来的照片,模糊不清。

  “在风云四号卫星预研阶段的一次载荷试验中,因为试验现场有人说话,致使图像质量大受影响。”申军烽回忆,要把这“娇贵”的仪器搬到天上去,而且卫星在轨运行过程中,每分钟几千转的飞轮、载荷探测机制用的“压缩机”、扫描镜等活动部件都会产生振动干扰,难度可想而知。

  2010年,随着风云四号卫星立项,微振动对敏感载荷性能影响逐渐成为了卫星重要风险项目之一。

  彼时,国内并不提微振动。上海航天技术研究院509所副所长周徐斌带队,查阅上千份文献,最后从唯一能获得的一张简图和一段语焉不详的话开始,理清了微振动问题的主要内容和技术难点。风云四号卫星给载荷坐上超级“软沙发”的微振动隔振系统设计方案,逐渐形成。

  “软沙发”想法很好,但要变成现实难度不小,它既要能扛得住火箭发射过程过载超重,又能满足在轨失重以及各种空间热、辐照等环境下的使用。为了把设计方案转化到工程应用,微振动团队解决一系列工程难题,攻克振源微振动控制技术,并发明了一个非线性变刚度阻尼缓冲装置,终于成功研制出适用于卫星的微振动隔振系统。

  为了不影响研制进度,在专门的微振动试验间的条件没有完全建成前,微振动研制团队每次做试验都选择在半夜,并且要清场,关闭空调,拔掉电话线。在静得让人发慌发困的绝对安静环境中几小时几个小时的不停试验,他们不敢说话,甚至不敢随意走动,生怕自己一不小心成为意外的微振动源头,影响测试数据。

  最终,上海航天人摸清了卫星10余个转动部件的振动特性与传递路径,实现了振源隔振装置和有效载荷隔振装置的工程化,星上微振动抑制到1mg以下,相当于手轻拍桌面形成振动的三百分之一,敏感频段更是控制到0.1mg水平,解决了精密遥感的图像抖动问题。

  多通道扫描成像辐射计

  第一幅彩色合成图像

  风云四号卫星首批影像图和数据主要包括:

  ■多通道扫描成像辐射计获取的图像

  ■干涉式大气垂直探测仪获取的大气红外辐射光谱

  ■闪电成像仪获取的闪电分布和强度信息

  ■空间环境监侧仪获取的空间效应及粒子探测信息

(解放日报记者 刘锟)          

注:请在转载文章内容时务必注明出处!   编辑:实习编辑 何嘉伦

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