涨姿势 | 带什么相机上天，才能拍出广寒宫的模样？

小时候的夏夜，总是由大大的芭蕉扇、温柔的风与神话故事组成。抬头看着皎皎之月，踏着满地的月光，听着嫦娥奔月的故事，我总会想：嫦娥啊嫦娥，你如此向往的广寒宫到底是什么模样？

（图片来源：维基百科）

其实，这不仅是我个人的小小好奇，也承载着中国人千年来的飞天梦想。

2013年12月15日23时46分，当胸带“五星红旗”的“玉兔一号”和月球的合影出现在电视直播画面上，五星红旗鲜艳夺目，传说中的广寒宫就这样首次出现在我们面前。

那么，你知道中国国旗与月球的合影是如何拍出来的吗？

自带相机的“嫦娥三号”

嫦娥三号探测器是我国首次在月面实现软着陆探测的月球探测器，由月球软着陆探测器（简称“着陆器”、即“嫦娥三号”）和月面巡视探测器（简称“巡视器”、称之“玉兔一号”）组成。

拍摄了刚才那张五星红旗与月球合照的就是着陆器上的地形地貌相机。

“站得高，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”。它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。

它的任务有两个：首先，要完成着陆器与巡视器的互拍，作为嫦娥三号任务圆满成功的标志；其次，要获取着陆区光学图像，用于月表地形地貌的调查与研究。

要想看得见，先过“高温关”

月面高温环境是地形地貌相机必须面临的考验。

要知道，月球上白天可以达到120℃。此时，地形地貌相机会受到高温的三重夹击：在上面受到月昼中午太阳光的直接照射；在中间受到“自拍杆”的传导热和辐射热；在下面近距离受到月表红外光辐射和月表反射太阳光照射。

地形地貌相机的热环境

如果不采取有效的温控措施，地形地貌相机在高温环境中将无法生存或正常工作。因此，研制团队在建立散热数学模型的基础上创新性提出了地形地貌相机温控方案：

• “头开空调”，地形地貌相机的热通过头部散热面向深冷空间背景辐射；

• “口吃冰棒”，光电成像探测器的热通过“蜂窝散热路径”传导到壳体；

• “身穿隔热袄”，地形地貌相机外表面包覆多层隔热；

• “脚踏隔热鞋”，地形地貌相机与“自拍杆”之间安装隔热。

地形地貌相机温控方案

如何看到月球上真正的色彩？

地形地貌相机彩色校正还原是空间相机设计中的关键和难点，其效果也直接影响到地形地貌相机的成像质量和空间观测任务的完成。

月面光照光谱分布与地球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，共同导致了未经校正的月面成像存在色彩偏差。图像质量难以保证，也就无法为后续月面科学探测研究等应用提供真实准确的数据依据。

（图片来源：维基百科）

研制团队从地形地貌相机月面成像彩色偏差因素入手，结合相机自身光谱响应特性校正和月面光照特点下白平衡校正，发明了针对月面特殊光照环境光谱分布的两步彩色校正方法——首先采用基于标准光源下归一化色品值的彩色定标，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；其次在模拟月面光谱分布光照环境下和模拟月面场景下，采用9阶中性色标白平衡，有效抑制月面光照对图像色彩影响，提高白平衡校正系数对月面特殊场景和光照环境的适应能力。

于是，通过两步彩色校正方法我们就解决了月面无色标的约束性、月面光照环境与地面光照不一致性、月面特殊场景的适应性等问题，月面彩色图像校正还原任务圆满完成√。

两步法彩色校正还原试验原理

经彩色校正前后的国旗图像对比（左为图校正前，右为图校正后）

经彩色校正前后的玉兔侧面图像对比（左为图校正前，右为图校正后）

经彩色校正前后的月面图像对比（左为图校正前，右为图校正后）

嫦娥三号“看”到了哪些画面？

中国“足迹”

2013年12月15日4时35分，“玉兔一号”欢快的醒来并跳离“嫦娥三号”怀抱，成功实现了在月球表面自主“行走”，中国玉兔的“足迹”第一次刻在了月球上，开创了中国探月新历史。

中国“足迹”刻在月球上

“玉兔一号”的倩影

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），当在飞控大厅大屏幕上显示出“玉兔一号”图像时，飞控大厅内响起热烈的掌声，标志着嫦娥三号任务圆满成功。

之前我们提到，“嫦娥”和“玉兔”的互拍（嫦娥手拿地形地貌相机拍玉兔，玉兔手拿全景相机拍嫦娥）是任务成功与否的“评判师”。

这是为什么呢？

其实，“嫦娥”和“玉兔”的互拍表面看是拍几张照片，背后却有着巨大的信息量。首先，它们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。其次，这可以让“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，验证相机是否正常工作。更重要的是，拍照过程本身就是一次全方位“体检”，“玉兔”在寻找拍照点位时，可以检验自身在月面的“行走”的性能，即“玉兔”的“脚”与“眼睛”能否正常配合“玉兔”在月面“行走”。

“玉兔”玲珑精致、国旗颜色纯正

“广寒宫”的地貌

2013年12月15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，方位每18°拍摄一次，共计20个方位构成一次环拍，每个方位上又以上中下不同角度拍摄5次，这样共用100张图像拼接组成“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地形地貌，实现了由近及远的效果。

虹湾地区“嫦娥三号”周边360°的全景镶嵌影像图（圆柱投影）

虹湾地区“嫦娥三号”周边360°的全景镶嵌影像图（方位投影）

嫦娥玉兔思乡图

有趣的是，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”、“玉兔一号”思乡图。图中， “嫦娥三号”看起来在翘首以盼，而“玉兔一号”似乎想奔向地球。

嫦娥与玉兔的家乡

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地球，这也是我国首次在地外天体（月球）上拍摄地球。

中国首次在地外天体（月球）拍摄地球

“玉兔二号”和月背的“广寒宫”

2019年1月3日，“嫦娥四号”作为“嫦娥三号”的孪生妹妹，实现了人类首次月球背面软着陆的壮举。地形地貌相机则拍下了月球背面的“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，圆满完成了地形地貌相机工程和科学探测使命。

月球背面的“玉兔二号”

月球背面“嫦娥四号”周边360°的全景镶嵌影像图（圆柱投影）

月球背面“嫦娥四号”周边360°的全景镶嵌影像图（方位投影）

写在最后

如今，嫦娥三号地形地貌相机在月球虹湾区域、嫦娥四号地形地貌相机在月球背面艾特肯盆地区域将永远陪伴着嫦娥。后续的地形地貌相机将再启征程，在月球极地获取“广寒宫”以及“玉兔”的图像，支持我国未来月球探测任务。

未来，中科院光电所将继续深耕深空探测科学相机技术，为人类认识未知太空世界带上更加明亮的"眼睛"，到广袤宇宙空间去探索，去求知，去一窥究竟。

注：本文图片除标注来源者之外，均由作者提供。

参考文献:

[1]YU G B,LIU E H,ZHAO R J, et al. Payload Topography Camera of Chang’e III [J].Research in Astronomy and Astrophysics. 2015 15(11):1881-1892

[2]A method and results of color calibration for the Chang’e-3 terrain camera and panoramic camera”（RAA,2014 Vol.14 NO.12:1557-1566）

作者单位：中国科学院光电技术研究所

转载自：科学大院（kexuedayuan）

经作者授权转载

文章仅代表作者观点，与本公众号无关，版权归原作者所有

    图文编辑：于汶佳    

责任编辑：王佳雯

审编：王波涛 

终审： 顾伟男   田巍   梁龙武

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