王海濤 黃巧林 蔣萬(wàn)松

(北京空間機(jī)電研究所,北京100076)

1 引言

降落相機(jī)是著陸器在降落過程中獲取降落圖像的主要傳感器,美國(guó)“勇氣號(hào)”、“機(jī)遇號(hào)”和“鳳凰號(hào)”等火星探測(cè)器都搭載了降落相機(jī),并在其中發(fā)揮了很大的作用。目前,國(guó)內(nèi)用于火星探測(cè)的降落相機(jī)仍然處于起步階段,相關(guān)工程實(shí)踐還很少。國(guó)外降落相機(jī)設(shè)計(jì)具有一定的前瞻性,可為我國(guó)降落相機(jī)的研制提供參考。

對(duì)于當(dāng)前已有的火星探測(cè)器來說,降落相機(jī)是DIMES(Descent Image Motion Estimation System)系統(tǒng)的主要傳感器之一[1],降落相機(jī)的主要功能是獲取DIMES為計(jì)算著陸器的水平速度和垂直速度所需要的降落圖像。而本文則對(duì)降落相機(jī)的功能進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),并根據(jù)設(shè)計(jì)的功能分析了降落相機(jī)的工作過程,然后設(shè)計(jì)了降落相機(jī)的部分參數(shù)。

2 降落相機(jī)功能設(shè)計(jì)及工作過程分析

2.1 降落相機(jī)功能

降落相機(jī)的主要功能是拍攝計(jì)算著陸器水平速度和垂直速度所需圖像,“勇氣號(hào)”搭載的降落相機(jī)在降落過程中一共拍了3張圖片,拍圖片時(shí)著陸器的高度分別是1 983m、1 706m和1 433m,通過這3張降落圖像之間的內(nèi)部牽制關(guān)系可以估算出降落過程中著陸器的水平速度和垂直速度[2]。隨著深空探測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展,著陸在火星表面進(jìn)行實(shí)地考察是必然趨勢(shì),為安全著陸在火星表面,著陸器必須具有障礙識(shí)別和自主選擇著陸點(diǎn)功能。而降落相機(jī)本身就是在著陸器降落動(dòng)態(tài)過程中對(duì)著陸點(diǎn)地形地貌成像探測(cè)的主要手段,所以有必要重新設(shè)計(jì)降落相機(jī)的功能。本文設(shè)計(jì)的降落相機(jī)具備以下功能:

1)通過對(duì)在降落過程中拍攝的圖像進(jìn)行處理計(jì)算來獲取著陸器水平速度,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在火星探測(cè)的實(shí)際工程中得到應(yīng)用。

2)獲取著陸器降落過程中各個(gè)高度時(shí)降落區(qū)域的火星地形地貌圖像,對(duì)火星表面的地形地貌圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和分析處理,得到地形地貌包括坡度坡向、石頭、隕石坑等的實(shí)時(shí)信息[3]。并根據(jù)圖像處理的結(jié)果,提供出備選的安全著陸區(qū)。

2.2 降落相機(jī)工作過程

重新設(shè)計(jì)降落相機(jī)功能之后,降落相機(jī)的工作距離和工作時(shí)間都會(huì)有所變化,本文設(shè)計(jì)的降落相機(jī)安裝在著陸器底部,在拋棄隔熱板之后(大約12km),降落相機(jī)就開始工作,結(jié)合火星探測(cè)器著陸過程,參考“鳳凰號(hào)”火星著陸器彈道數(shù)據(jù)[4],本文對(duì)降落相機(jī)工作過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

降落相機(jī)工作分為兩個(gè)階段:降落傘階段和反推火箭階段,在這兩個(gè)階段,降落相機(jī)的幀頻、獲取降落圖像數(shù)量、積分時(shí)間等參數(shù)都不同。

1)降落傘階段。從拋棄隔熱板到著陸器分離[5],高度范圍是11.3km～940m,持續(xù)時(shí)間為61s,隔熱板拋棄時(shí)著陸器的彈道傾角為-40.5°,此時(shí)著陸器速度為115m/s,水平速度87.45m/s,垂直速度74.69m/s。著陸器分離時(shí)著陸器的彈道傾角為-75.7°,此時(shí)著陸器速度為56m/s,水平速度為13.83m/s,垂直速度為54m/s。在降落傘階段,著陸器彈道傾角變換較大,本文設(shè)定降落相機(jī)每0.5s獲取一幅落圖像,由于降落相機(jī)的積分時(shí)間是ms級(jí),所以進(jìn)行障礙識(shí)別和安全著陸區(qū)選擇的時(shí)間大約有0.5s,對(duì)于降落相機(jī)進(jìn)行障礙識(shí)別和著陸區(qū)選擇等各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)已經(jīng)足夠。在大約2 000m高度時(shí),降落相機(jī)的速度測(cè)量系統(tǒng)開始利用獲取的降落圖像來計(jì)算著陸器的水平速度和垂直速度,測(cè)速系統(tǒng)工作高度范圍是2 000～51m,計(jì)算出著陸器任意時(shí)刻的速度信息,并送與著陸器導(dǎo)航系統(tǒng)。

2)反推火箭階段。從著陸器分離到常速度階段,高度范圍是940～51m,“鳳凰號(hào)”著陸器在常速度階段的速度為8m/s,可以認(rèn)為水平速度為8m/s,垂直速度為0。本文設(shè)計(jì)降落相機(jī)具有障礙識(shí)別和著陸區(qū)選擇的功能,實(shí)現(xiàn)這些功能降落相機(jī)需要一些計(jì)算時(shí)間,所以要對(duì)整個(gè)反推火箭階段的水平速度和垂直速度進(jìn)行限制。本文設(shè)定在常速度階段著陸器的水平速度控制在3m/s以內(nèi)。

從降落相機(jī)開始工作一直到100m高度整個(gè)過程,降落相機(jī)的障礙識(shí)別和著陸點(diǎn)選擇系統(tǒng)對(duì)每一幅降落圖像進(jìn)行障礙識(shí)別,在降落傘階段,障礙識(shí)別和著陸點(diǎn)選擇系統(tǒng)首先識(shí)別出體積較大的障礙物,同時(shí)選擇幾個(gè)相對(duì)比較安全的著陸區(qū),并將信息送與著陸器的著陸導(dǎo)航系統(tǒng)以避開這些障礙,在反推火箭階段,降落相機(jī)分辨率較高,障礙識(shí)別和著陸點(diǎn)選擇系統(tǒng)能夠識(shí)別出更小的障礙和更加安全的著陸區(qū),同樣將這些信息送與著陸導(dǎo)航系統(tǒng)。在200m高度時(shí),降落相機(jī)已經(jīng)能夠識(shí)別出最小的能夠?qū)χ懫靼踩憳?gòu)成威脅的障礙物,著陸導(dǎo)航系統(tǒng)接收到準(zhǔn)確的障礙信息和備選的安全著陸點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)安全著陸。其工作過程如圖1所示。

圖1 降落相機(jī)工作過程

2.3 本文設(shè)計(jì)降落相機(jī)功能對(duì)降落相機(jī)性能參數(shù)的影響

本文設(shè)計(jì)的降落相機(jī)功能較目前已使用的降落相機(jī)有較大變化,其工作距離、工作時(shí)間和性能參數(shù)等都會(huì)發(fā)生改變。

1)工作距離?！坝職馓?hào)”降落相機(jī)從約2km高度開始工作,功能擴(kuò)展后的降落相機(jī)工作距離約為12km～0.1km。

2)工作時(shí)間。“勇氣號(hào)”降落相機(jī)工作時(shí)間較短,僅僅是在大約2 000m高度時(shí)開始拍攝計(jì)算著陸器水平速度和垂直速度所需的3張降落圖像,功能變化后的降落相機(jī)工作時(shí)間從隔熱板拋棄之后開始,直到大約距離火星表面100m時(shí)工作結(jié)束。

3)功能?！坝職馓?hào)”降落相機(jī)功能就是拍攝獲取著陸器水平速度和垂直速度的降落圖像;本文設(shè)計(jì)降落相機(jī)的功能有測(cè)速、障礙識(shí)別、安全著陸點(diǎn)選擇等。

由于工作距離、工作時(shí)間和相機(jī)功能的變化,降落相機(jī)的諸多參數(shù)包括景深、焦距、視場(chǎng)角、幀頻、積分時(shí)間、F數(shù)等也都需要重新設(shè)計(jì)。

3 降落相機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

本文將根據(jù)降落相機(jī)應(yīng)用的火星環(huán)境和新的功能要求設(shè)計(jì)降落相機(jī)部分參數(shù)。

3.1 降落相機(jī)工作環(huán)境及特點(diǎn)

3.1.1 工作環(huán)境

火星大氣的主要成分是CO2,按體積計(jì)算占總量的95%;其次是N2,占2.7%;再次是Ar,占1.6%。大氣的次要成分有O2、CO、H2O 、Ne、Kr、Xe和O3,此外還有微量的原子氧、原子氫和H2O2,這些成分與地球的平流層非常近似。

火星面貌與月球高地非常相似,到處都是古老的、非常密集的撞擊坑地形,并分布有無(wú)數(shù)網(wǎng)格狀的河谷系統(tǒng)?；鹦潜砻嫫皆卣饕话惚憩F(xiàn)為荒涼的沙漠、連綿不斷的丘陵和洼地?；鹦潜砻娌紳M大量的礫石、隕石坑等。火星大氣中有大量的浮塵,其主要特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的侵入性、對(duì)器械的磨損和吸附性。火星浮塵的侵入性取決于浮塵顆粒的大小、硬度和形狀,浮塵顆粒對(duì)著陸器械會(huì)有很大的磨損,嚴(yán)重影響其氣密性;吸附在光學(xué)儀器上會(huì)影響其正常工作。而且,浮塵聚集在一起也會(huì)產(chǎn)生大量的靜電,這對(duì)著陸器的電子元器件有很大的損傷。

3.1.2 特點(diǎn)

降落相機(jī)是高性能、微小型化光學(xué)成像探測(cè)設(shè)備,一般安裝在著陸器底部,可以實(shí)現(xiàn)著陸器在降落過程中獲取星體表面地形地貌高分辨率圖像的科學(xué)目標(biāo)。深空探測(cè)對(duì)著陸器的質(zhì)量和有效載荷有很大的限制,考慮到著陸器的總體要求,降落相機(jī)具有以下特點(diǎn):

1)體積小,質(zhì)量輕?！傲_塞塔號(hào)(Rosetta)”體積為90mm×63mm×86mm,質(zhì)量為400g。本文設(shè)計(jì)的降落相機(jī)盡管在功能上較目前已用的降落相機(jī)多,但為減小著陸器的載荷,本文設(shè)計(jì)的降落相機(jī)在體積上要求越小越好。

2)視場(chǎng)角大。為保證降落相機(jī)在著陸器降落過程中抖動(dòng)、晃動(dòng)等不穩(wěn)定情況下能夠正常工作,本文設(shè)計(jì)降落相機(jī)的視場(chǎng)角為60°,而“鳳凰號(hào)”降落相機(jī)視場(chǎng)角是66°。

3)工作距離變化較大。從大約12km高度時(shí)開始工作,一直到大約100m高度,“勇氣號(hào)”降落相機(jī)工作距離大約是2～1.2km。

4)實(shí)時(shí)性特點(diǎn)。降落相機(jī)要實(shí)時(shí)獲取著陸區(qū)地形信息,實(shí)時(shí)識(shí)別著陸區(qū)障礙。實(shí)時(shí)選擇安全著陸點(diǎn)。

3.2 性能參數(shù)選擇

根據(jù)火星大氣成分,而且著陸器一般在白天著陸,所以本文選擇大氣窗口為0.4～1.1μ m。降落相機(jī)本身有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn),探測(cè)器選擇面陣CMOS探測(cè)器,因?yàn)镃MOS探測(cè)器在集成度、功耗和體積上都較CCD探測(cè)器高。在作用距離為2km時(shí),做到像元分辨率為0.8m;作用距離為200m時(shí),做到像元分辨率為8cm,因?yàn)樾∮谥睆?cm的石頭或者隕石坑不會(huì)對(duì)著陸器安全構(gòu)成著陸威脅[5]。根據(jù)火星大氣的成分和著陸要求,降落相機(jī)具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,積分時(shí)間和幀頻的選擇對(duì)于降落相機(jī)成像至關(guān)重要,本文將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。

表1 降落相機(jī)參數(shù)

3.2.1 幀頻的確定

降落相機(jī)在降落過程中成像,物距一直在變化,在降落傘階段和反推火箭階段的水平速度和垂直速度是計(jì)算幀頻的基礎(chǔ)。假設(shè)著陸器做勻減速運(yùn)動(dòng),根據(jù)降落相機(jī)的參數(shù)(表1),結(jié)合“鳳凰號(hào)”火星著陸器飛行數(shù)據(jù),在降落傘階段和反推火箭階段降落相機(jī)速度和覆蓋范圍及分辨率計(jì)算結(jié)果如表2所示:

表2 降落相機(jī)兩個(gè)工作階段相關(guān)數(shù)據(jù)

在反推火箭階段,降落相機(jī)距離火星表面相對(duì)較近,如果速度過快,降落相機(jī)沒有足夠的積分時(shí)間獲取足夠的能量,造成降落圖像像質(zhì)下降,要獲取足夠能量可能對(duì)圖像造成拖影,不利于著陸區(qū)障礙信息提取,所以在反推火箭階段要控制著陸器的水平速度和垂直速度在一定的范圍內(nèi):在100m高度,降落相機(jī)的水平速度必須控制在6m/s以內(nèi),垂直速度必須控制在11m/s以內(nèi)。

為實(shí)現(xiàn)降落相機(jī)的選擇安全著陸區(qū)和定位著陸器的準(zhǔn)確位置的功能,降落圖像應(yīng)有一定的連續(xù)性和相關(guān)性,本文用嵌入率衡量,嵌入率是指后一幅圖像和前一幅圖像重疊面積與覆蓋面積較大的圖像面積的比值。

根據(jù)表2數(shù)據(jù),本文假設(shè):

1)用于避障的最后一幅降落圖像拍攝高度為100m,此時(shí)地面分辨率為3.94cm;

2)100m高度時(shí),著陸器水平速度可以控制在6m/s內(nèi),為降落相機(jī)整體參數(shù)設(shè)計(jì)有一定的冗余度,假設(shè)垂直速度控制在20m/s內(nèi)。

根據(jù)積分時(shí)間內(nèi),運(yùn)動(dòng)造成像移小于0.3個(gè)像元?jiǎng)t不影響圖像品質(zhì)的經(jīng)驗(yàn),根據(jù)前一幀后一幀之間的關(guān)系,如圖2所示,經(jīng)計(jì)算得到幀頻的比較如表3所示。

圖2 前一幀圖像后一幀圖像之間關(guān)系

圖2中,第一、第三兩個(gè)“×”號(hào)之間的長(zhǎng)度代表前一幀圖像對(duì)應(yīng)的地面長(zhǎng)度,第二、第四兩個(gè)“×”號(hào)之間的長(zhǎng)度代表后一幀圖像對(duì)應(yīng)的地面長(zhǎng)度,第一、第二兩個(gè)“×”號(hào)之間的長(zhǎng)度代表水平允許移動(dòng)的距離。

表3 940m高度時(shí)嵌入率同幀頻的關(guān)系

表4 100m高度時(shí)嵌入率同幀頻的關(guān)系

在同等速度條件下,需優(yōu)先考慮近地面時(shí)對(duì)相機(jī)幀頻的約束[6],在高度較高時(shí)的幀頻比高度較低時(shí)幀頻要小的多,比較表3和4數(shù)據(jù),選擇嵌入率為1∶1.2,幀頻選擇為3.12(幀?s-1)。

3.2.2 積分時(shí)間的確定

在積分時(shí)間內(nèi)的水平和垂直運(yùn)動(dòng),會(huì)引起成像品質(zhì)的下降,反過來,這兩種運(yùn)動(dòng)也約束了相機(jī)積分時(shí)間的確定。因此,積分時(shí)間的確定主要由以下幾個(gè)因素共同確定:

1)水平運(yùn)動(dòng)引起的像移量:在積分時(shí)間內(nèi)的像移會(huì)引起圖像的模糊,依據(jù)經(jīng)驗(yàn),像移小于0.3個(gè)像元時(shí),對(duì)成像品質(zhì)影響不大,這種模糊可采用傳函下降來描述:

2)垂直運(yùn)動(dòng)引起的地面分辨率的變化量:在相機(jī)曝光期間由于著陸器的下降會(huì)引起地面分辨率的下降,這樣也會(huì)使圖像變得模糊,這里采用邊緣中心像元產(chǎn)生的模糊來評(píng)判圖像品質(zhì)的下降,位置如圖3和圖4所示。

圖3 高度變化同成像面積的關(guān)系

圖4 垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)成像的影響

這里同樣采用像移傳函來描述圖像模糊:

降落圖像都是在降落運(yùn)動(dòng)過程中獲得的,分別考慮水平速度和垂直速度對(duì)降落相機(jī)成像的影響,具體分析如下:

“鳳凰號(hào)”火星著陸器飛行數(shù)據(jù)在文獻(xiàn)[4]中有詳細(xì)介紹,根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可知,著陸器距離火星表面11.3km時(shí),著陸器拋棄隔熱板,垂直速度是74.69m/s,水平速度是87.45m/s;著陸器分離高度大約是940m,此時(shí)著陸器水平速度大約13.83m/s,垂直速度大約是54m/s,同樣假設(shè)著陸器的降落過程是勻減速運(yùn)動(dòng),則像移為0.3像元所對(duì)應(yīng)的最大積分時(shí)間如表5:

表5 水平速度對(duì)積分時(shí)間的限制

降落相機(jī)開始工作之后的降落過程中,根據(jù)表2中關(guān)于速度的估計(jì),在降落傘階段的最大垂直速度不超過80m/s,垂直降落產(chǎn)生的邊緣像移0.3像元所對(duì)應(yīng)的最大積分時(shí)間如表6:

表6 垂直速度對(duì)積分時(shí)間的限制

在940～51m反推火箭階段,反推火箭主要工作是減小著陸器的速度,并推動(dòng)著陸器向安全的著陸區(qū)運(yùn)動(dòng),根據(jù)表2中速度估計(jì),像移為0.3像元所對(duì)應(yīng)的積分時(shí)間如表7、表8:

表7 水平速度對(duì)積分時(shí)間的限制

表8 垂直速度對(duì)積分時(shí)間的限制

比較表5～8數(shù)據(jù),尤其是表中黑斜體部分?jǐn)?shù)據(jù),我們得知在降落傘階段允許的最大積分時(shí)間是3ms,在反推火箭階段,最大允許積分時(shí)間是2.1ms,經(jīng)過權(quán)衡比較,降落相機(jī)積分時(shí)間應(yīng)不大于2.1ms。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要設(shè)計(jì)了降落相機(jī)的功能和工作過程,在功能上,本文設(shè)計(jì)的降落相機(jī)較“勇氣號(hào)”、“鳳凰號(hào)”等降落相機(jī)增加了障礙識(shí)別和著陸點(diǎn)選擇功能;在工作過程上,本文設(shè)計(jì)的降落相機(jī)較“勇氣號(hào)”、“鳳凰號(hào)”降落相機(jī)在工作高度、工作時(shí)間都有較大區(qū)別。最后,根據(jù)降落相機(jī)功能要求和所應(yīng)用的火星環(huán)境要求,參考“鳳凰號(hào)”彈道飛行數(shù)據(jù),本文對(duì)降落相機(jī)的幀頻、積分時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明:降落相機(jī)的幀頻、積分時(shí)間都隨高度、水平速度和垂直速度的變化而變化。所以,本文的計(jì)算結(jié)果并不對(duì)所有火星探測(cè)器降落相機(jī)適用,不同的彈道有不同的飛行數(shù)據(jù),但是其計(jì)算方法卻有普適性。

但是,降落相機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,不僅要考慮到降落相機(jī)工作過程,還要充分分析降落相機(jī)的應(yīng)用環(huán)境、星體表面不同時(shí)間段的反射率變化、CMOS芯片的輸出信號(hào)大小與反射率和F數(shù)以及不同的積分時(shí)間之間的關(guān)系約束,要結(jié)合總體要求和相機(jī)總體載荷以及各參數(shù)之間的約束綜合選擇降落相機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)。

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