Data processing and initial results from the CE-3 Extreme Ultraviolet Camera

The Extreme Ultraviolet Camera （EUVC） onboard the Chang＇e-3 （CE-3） lander is used to observe the structure and dynamics of Earth＇s plasmasphere from the Moon. By detecting the resonance line emission of helium ions （He＋） at 30.4 nm, the EUVC images the entire plasmasphere with a time resolution of 10 min and a spatial resolution of about 0.1 Earth radius （RE） in a single frame. We first present details about the data processing from EUVC and the data acquisition in the commissioning phase, and then report some initial results, which reflect the basic features of the plas- masphere well. The photon count and emission intensity of EUVC are consistent with previous observations and models, which indicate that the EUVC works normally and can provide high quality data for future studies.

月基极紫外相机光子计数成像探测器Ge膜的空间质子辐照稳定性

光子计数成像探测器是月基极紫外相机等空间成像载荷的核心成像器件。Ge膜作为探测器的电荷感应层,在空间质子辐照环境下的稳定性直接影响系统的成像质量。采用Monte-Carlo法仿真了500 nm Ge膜被10、50和100 keV高能质子辐照后,Ge膜内部的质子浓度分布与空位缺陷分布。仿真结果表明,50 keV质子在Ge膜内部产生的空位缺陷对膜层内部损伤最大。对100、230、350和500 nm厚度Ge膜分别进行50 keV质子辐照实验,经方阻仪测试显示,越厚的薄膜辐照后方阻变化越大,500 nm比100 nm Ge膜方阻增加量高约500 MΩ/。通过原子力显微镜(AFM)表征发现,500 nm Ge膜辐照后出现膜层凸起与分离,均方根表面粗糙度由1.63 nm增至约10 nm。研究结果表明,在满足方阻要求的前提下,通过对Ge膜厚度的合理设计,可以有效减小高能质子辐照带来的损伤。

月基极紫外相机跟踪转台设计与刚度分析

为了满足登月的任务要求,需要对极紫外相机的刚度进行优化设计与深入分析。二维跟踪转台是影响整机力学特性的关键部件,对影响其刚度特性的U形支架、轴系、蜗轮蜗杆传动机构进行了优化设计。为了准确评估二维转台的力学特性,考虑轴系与蜗轮副的间隙,采用间隙元理论代替耦合点约束建模分析,其基频为31.1 Hz。对力学模拟样机的力学特征扫描试验表明EUVC的特征频率为28.8 Hz,二者非常接近,因此采用间隙接触单元建模更能真实的模拟二维转台。通过整机正弦和随机力学振动试验表明,在保证跟踪转台机构正常运转和尺寸、重量约束的前提下,各环节的刚度设计合理,极紫外相机及二维跟踪转台基频特性及抗力学特性满足嫦娥探月工程的任务要求。

极紫外波段空间相机的辐射定标

考虑极紫外波段空间相机尚无合适的辐射定标方法和装置,本文提出了适用于该波段的小目标成像辐射定标方法并基于该方法在实验室建立了辐射定标装置。提出的标定方法首先使用标准传递探测器标定小目标的辐射亮度;然后,用待定标相机中心视场对该小目标成像,获得中心视场部分的辐射强度响应度;最后,通过调整转动结构使不同视场对该小目标成像,得到不同区域的辐射强度响应度。构建的辐射定标装置由光源系统、标准传递探测器、真空罐及四维运动转台等组成。光源系统包括空心阴极光源、极紫外掠入射单色仪、准直反射镜,能够出射工作波段的准直光束;标准传递探测器标定出光束照度并计算得到小目标的辐射强度;运动平台使相机能够以不同视场角对小目标成像,测得不同视场的辐射强度响应度。利用该装置对一台极紫外相机进行了辐射定标实验,并进行了误差源分析。实验结果表明该装置的定标精度优于15%,能够实现整机状态下的辐射定标。

月基极紫外相机光机结构设计

为了对地球等离子体层产生的30.4nm辐射进行全方位的长期监视和观测,研制了月基极紫外相机。相机主体采用多层膜单反射镜光学系统以及30.4nm球面光子探测器的结构形式,跟踪机构采用俯仰-方位模式,由步进电机驱动实现对地球的捕获。针对卫星发射、地月变轨、月表着陆过程中的振动冲击以及月表残酷的温度环境,月基极紫外相机的光机结构设计考虑了环境(力学、温度)适应性,有限元分析结果表明,光机结构在整机质量<15kg条件下,一阶谐振频率为49.3Hz;运动机构在-50～+80℃运转自如;在50℃均匀温降载荷作用下反射镜面形精度RMS值为13.44nm(<14nm),满足相机的技术指标要求。

月基极紫外相机图像采集与实时显示系统

为了对月基极紫外相机输出的科学数据进行采集,将其生成图像并实时显示,设计了月基极紫外相机图像采集与实时显示系统。该系统选用XILINX公司的Virtex II系列FPGA作为图像采集和处理以及控制中心,完成科学数据接收、图像数据生成和存储以及USB接口控制功能,利用RS-422接口实现与极紫外相机的通讯功能,利用LVDS接口接收相机发送的科学数据。输出的图像数据通过USB总线传输到上位机,由上位机形成图像并实时显示。该系统与极紫外相机进行了联合成像实验,实验结果证明,本系统在光子计数率为66kcps的情况下,能够正确地采集科学数据将其转换为图像数据并实现实时显示功能。

球面微通道板在极紫外波段的量子探测效率

由于球面微通道板(MCP)的量子探测效率与极紫外(EUV)相机的灵敏度有关,本文研究了球面MCP量子探测效率的特点和测量方法。根据微通道板在EUV波段光电子产额的理论模型,计算了球面MCP在该波段下随不同入射角变化的电子产额。使用激光等离子体光源测量球面MCP在EUV波段的量子探测效率,搭建了球面MCP在该波段的量子探测效率的测量装置,测量了球面MCP在不同位置的量子探测效率随波长和入射角的变化曲线。实验结果表明,入射角为15°时的量子探测效率约为入射角为0°时的5倍。

月基极紫外相机反射镜与探测器间支撑结构

为了保证月基极紫外相机在卫星发射、地月变轨及月表着陆过程中的大量级振动冲击、月表超大温差环境以及尽量轻的相机重量条件下,反射镜相对于探测器的位置精度要求,设计并研制了基于CFRP(carbon fiber reinforeed plastic)的反射镜与探测器间的支撑结构,分析并试验验证了支撑结构的稳定性。首先,根据极紫外相机的光学系统,确定了反射镜与探测器间的支撑结构形式;然后,考虑相机重量及反射镜相对探测器的位置精度及稳定性要求,采用CFRP作为支撑结构的结构材料;分析了重力和温度载荷作用下反射镜相对探测器间的角度变化量、反射镜面形;支撑结构的固有频率以及在整机上的正弦振动、随机振动应力响应。试验结果表明:反射镜相对探测器间的角度变化量<20″,验证试验后图像分辨率,满足相机技术指标要求。

嫦娥三号极紫外相机几何定位方法及其应用

针对嫦娥三号极紫外相机影像由于缺少控制点约束而无法沿用地球遥感影像几何定位方法的现状,研究了极紫外相机的工作原理、涉及的坐标系统及其转换关系,提出了一种基于星上遥测参数和严格坐标转换关系的几何定位方法,进行了影像数据几何定位及定位精度分析.研究结果表明,该方法能够解算影像拍摄时刻极紫外相机光轴在太阳磁层坐标系中的指向,以及着陆器在该坐标系中的位置,精确定位影像中地球质心的位置,校正相机光轴指向在原始影像中对应的位置,确保极紫外相机探测数据的科学应用价值,实现嫦娥三号空间环境探测的科学目标.

极紫外相机电控单元的设计与实现

为了实现对极紫外相机控制及管理功能,设计并实现了一种基于FPGA的电控单元。该系统以FPGA为核心,经过RS-422接口与信号处理子系统进行通讯,通过LVDS接口接收信号处理子系统发送的科学数据,与CPU之间通过数据总线进行通讯。为了提高电控单元的可靠性,在设计过程中采用了抗辐照设计和交叉备份的冗余设计。通过极紫外相机电控单元的测试和试验验证表明:极紫外相机电控单元的功能和性能满足指标要求,为极紫外相机在轨取得圆满成功的结果起到了重要作用。

月基二维转台轴承预紧力和系统刚度计算

为了研究在转台结构形式确定的情况下,轴承预紧力与系统刚度的关系,分析了轴承预紧力、轴承刚度和轴系刚度之间的关系,推导了轴承预紧力与轴系固有频率之间的计算公式,并通过有限元分析的方法获得了轴承预紧力与系统固有频率的关系曲线。通过对二维转台固有频率的测试,验证了该方法的正确性,同时为轴承最佳预紧力的确定提供了一个有效的方法。

基于碳纤维复合材料的月基极紫外相机照准架结构设计

为了减少月基极紫外相机的质量并保证相机的二维转动机构在卫星发射、地月变轨及月表着陆过程中受到大量级振动冲击以及月表超大温差环境下能正常工作,设计并研制了基于碳纤维复合材料(CFRP)的照准架结构。首先,设计了基于金属材料和CFRP的不同照准架结构,通过有限元法对不同材料的照准架进行分析对比,证明了CFRP照准架的优越性。温度和力学验证试验表明:基于CFRP的照准架质量小于其它材料的照准架,其刚度和热稳定性能满足极紫外相机环境适应性的要求。

极紫外相机电控单元检测系统的设计与实现

为了实现对月基极紫外相机电控单元功能和性能的检测,设计并实现了一种基于FPGA的检测系统。该检测系统以FPGA为核心单元,经过USB接口与上位机进行通讯,通过模拟电控单元各外部接口并对其采集后的遥测数据和图像数据进行分析,以此实现对电控单元各项功能和性能的检测。通过月基极紫外相机电控单元和检测系统的验证实验表明,检测系统的检测方法准确,测试结果正确有效。该检测系统具有实用、有效、便携的特点,在极紫外相机的研制过程中已经得到了充分的使用,对工程研制的顺利进行起到了重要的作用。

月基极紫外相机软件系统的设计与实现

为了保证月基极紫外相机圆满完成工程任务,实现对地球周围等离子体层的观测研究,设计并实现了极紫外相机软件系统。首先,介绍了软件系统的构成及工作原理;其次,对软件系统的关键模块及工作模式进行详细设计;最后,对极紫外相机在月球表面长期探测的结果进行详细分析。探测结果表明:软件系统实现了精准的对地跟踪,误差≤0.1°,高压控制到2 850V时获得了高质量的图像数据,各功能及工作模式执行正确,各项性能测试结果满足极紫外相机技术指标要求,为极紫外相机在月球取得圆满成功的结果起到了重要作用。

月基极紫外相机指向机构控制系统

为了保证月基极紫外相机能够准确地对地指向,实现对地球周围等离子体层产生的30.4 nm辐射进行全方位、长期的观测研究,设计并研制了指向机构控制系统。首先介绍了指向机构控制系统的构成及工作原理;其次对系统的关键模块进行详细设计;然后提出了一种基于霍尔传感器定位的控制算法;最后对系统的误差源进行详细分析。误差计算和月球表面工作的结果表明:基于霍尔传感器定位的控制算法正确、有效,指向机构控制系统对地指向的控制误差≤0.1°,满足极紫外相机技术指标要求。

嫦娥三号着陆器有效载荷

嫦娥三号着陆器配置了地形地貌相机、月基光学望远镜、极紫外相机、降落相机等四种科学探测有效载荷.介绍了有效载荷的科学探测任务、系统设计方案和系统组成,描述了各有效载荷的方案设计和主要技术指标等.

嫦娥三号有效载荷在轨测试初步结果

嫦娥三号探测器有3个科学探测任务,分别是着陆区和巡视区域的月表形貌与地质构造调查;矿物组成与化学成分的综合就位分析;地月空间环境探测与月基光学天文观测.嫦娥三号着陆器配置了地形地貌相机、月基光学望远镜、极紫外相机、降落相机等有效载荷.巡视器配置了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪等有效载荷.本文介绍了有效载荷的探测任务,系统组成,主要技术指标和在轨测试过程中获取的部分测试结果.