0 引 言
“天问”二号中视场彩色相机的设计主要借鉴了“天问”一号中分辨率相机[5]，沿用其一体化形式和功能模块划分，使用其成熟的结构、光学、电子学、FPGA软件、可靠性、环境适应性等单元设计技术。为解决小天体探测任务距离远、时间长、运载能力和器上能源有限、飞行环境严酷、测控能力受限等困难[6]，同时适应小天体的目标特性[7]，对相机进行了针对性设计并提升了性能：选用了更高分辨率和更大像元尺寸的图像传感器，增强成像能力；选用了更高性能的主控FPGA，增加相机自主处理功能和图像处理能力；增加了图像输出数据带宽，提高帧频率；对光学系统进行了重新设计，满足探测任务对视场角、幅宽、像元分辨率等指标的需求；同时整机外形尺寸更小，重量更轻[8]。
1 相机的科学探测任务、功能
中视场彩色相机的主要科学探测任务是对小行星2016HO3和主带彗星311P进行全球成像，获得形状、大小、表面形貌、自转周期等特征；小行星采样时，在探测器下降过程中获取连续图像。
中视场彩色相机的功能为[8]：
（1）能够获取小行星（暗弱目标）彩色影像，具有静态拍照及动态摄像功能；
（2）具有自动/手动调节曝光的能力；
（3）具有消减杂散光的措施；
（4）太阳高度角大于10°时，具有成像能力；
（5）具有在轨定标能力；
（6）具有通过开窗实现成像区域选择的功能；
（7）具有通过像元融合实现成像分辨率调整功能。
此外，相机扩展了部分工程应用功能，能够进行自主目标提取和自主开窗：利用相机视场相对较大的特点，在对目标天体进行远距离探测时，可以快速识别目标，得到目标的相对位置信息，同时输出包含目标天体的开窗图像，为载荷管理单元快速引导其他科学载荷对准目标进行探测提供数据支撑。
2 相机设计
2.1 系统组成
中视场彩色相机主要由光学镜头、机体结构、基准镜、电路组件、热控组件组成。光学镜头实现相机的光学成像功能；机体结构实现相机的机械支撑和安装功能；基准镜用于测量相机在探测器上安装后的指向精度；电路组件实现相机的电子学功能，负责图像的获取和输出；热控单元实现相机镜头保温和加热功能，确保存储温度和最佳成像温度。
相机由探测器配置的载荷管理单元进行控制，通过全双工RS422串口接收控制指令和配置参数，反馈遥测数据和工程参数；通过高速四线制低电压差分信号（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）接口发送图像数据。相机外观如图1 所示。
2.2 详细设计
2.2.1 探测器选择
近年来互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）图像传感器技术飞速发展，部分高端器件的成像性能已可与传统电荷耦合元件（Charge-Coupled Device，CCD）图像传感器媲美，因而被广泛应用于各领域。它解决了传统CCD功耗大、外围电路复杂、不利于轻小型化、航天级器件极其昂贵等问题。因此，中视场彩色相机根据“天问”二号探测任务对本相机成像功能和性能的要求，选用了ASM公司的2 000万像素彩色CMOS图像传感器CMV20000-1E5C1PA。该传感器采用8T晶体管专利像素结构，片上集成了暗电平箝位、相关双采样等复杂的新型降噪电路，能够在弱光环境下获取高质量图像[9]。其主要性能参数如表1 所示。
2.2.2 光学系统设计
根据中视场彩色相机成像幅宽、像元分辨率、探测目标反照率等技术要求，结合所选用图像传感器的像元尺寸、量子效率等性能指标，确定了相机光学系统的焦距、相对孔径等性能参数，如表2 所示。
表 2 中视场彩色相机光学系统性能参数Table 2 Optical parameters of asteroid medium angle camera |
| 名称 | 性能参数 |
| 光谱范围 | 0.43~0.76 μm |
| 视场 | 27.31°×20.66°（对角线33.8°） |
| 入瞳直径/mm | 13.48 |
| 焦距/mm | 67.40 |
| 相对孔径 | F/5 |
| 传递函数 | ＞0.4（在78 lp/mm） |
| 畸变/% | ≤0.3 |
| 光谱透过率/% | ＞80 |
中视场彩色相机光学系统由10片透镜组成，其光路和光学系统布局图如图2 所示。
相机光学系统使用准像方远心透射式结构形式，有效提高了焦面照度的均匀性，能更高效地利用光能，从而适应探测目标的低反照率特性。光学系统均选用抗辐照玻璃，以满足深空辐照环境长寿命使用要求。同时，对光学系统进行了无热设计，镜筒采用钛合金材质，并使用加热片对镜头进行温度补偿，将镜头的轴向温度梯度和径向温度梯度控制在一定范围内，确保光学系统在−20～60 ℃温度区间内，成像质量基本保持稳定。此外，通过镀膜精准控制光学镜头的光谱范围，使输出图像色彩更接近人眼特性，经彩色校正后颜色更真实。
为降低杂散光对相机图像传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）和信噪比的影响，采取了多种措施对光学系统的杂散光进行抑制，包括在光学镜头的前方安装一定长度的外遮光罩，以阻拦视场外大部分杂光进入；光学系统的所有光学元件镀多层增透膜；在非工作面上涂黑色无烟墨，使杂光在传播途径中大大衰减；在镜筒内壁加工消光齿以及加消杂光光阑等。
相机在轨工作时，所面临的杂散光主要包括视场内的杂散光和视场外的杂散光。对这两种杂散光进行了仿真分析，结果如图3 所示。分析结果显示，视场内杂散光能量主要集中在中心直径为3 mm的圆内，成像光线照度约为杂散光光线照度的40万倍，对视场内成像质量无明显影响；太阳照射目标漫反射后直接到达像面能量的照度均值与目标漫反射后经遮光罩散射最终到达像面照度均值之比约为1 800，表明视场外杂散光也不会对成像质量产生显著影响。
2.2.3 相机结构设计
中视场彩色相机采用轻小型一体化结构形式，最大外形尺寸为184 mm（长）×178 mm（宽）×230 mm（高），其结构组成如图4 所示。
相机结构主要包含镜头组件、主箱体组件、焦面组件和电控组件。主箱体材料选用铝合金（2A12），具有力学性能优异、刚度和比刚度高、加工工艺成熟等优点。镜头组件选用钛合金材料（TC4），利用其高刚度、热膨胀系数小的特点，可以与光学元件良好匹配，适应恶劣的温度变化环境。在进行结构设计时，对重量和刚度间进行了平衡处理，在确保整机力学性能的条件下尽量减重，并针对相机电磁防护和空间辐射防护采取了针对性措施，例如选用合理的机壳厚度（2 mm），在结构安装面设置止口，对接触面进行导电氧化等，从而形成良好的电导通屏蔽结构。
镜头组件、焦面组件、主箱体组件三者之间隔热安装方式，便于对光学镜头进行独立热控，以降低热控能源需求，提高热控精度和速度。为解决CMOS图像传感器工作时的散热问题，焦面组件采取了专门的散热措施，通过铜导热垫片、印制电路板大面积热焊盘和导热通孔阵列以及铜导热桥，将器件产生的热传导至主箱体结构进行散热，保证相机在高温工况下的成像质量。
通过合理的结构设计，结合高精度加工工艺与精细化装调技术，确保了相机结构与光学系统间的配合精度，满足光学成像质量与精度要求。中视场彩色相机结构-光学系统配合误差如表3 所示。
表 3 中视场彩色相机结构-光学系统配合误差Table 3 Structure-optical system matching error of asteroid medium angle camera |
| 名称 | 误差 |
| 光轴与CMOS图像传感器间垂直度误差/mm | ≤0.01 |
| 光轴与基准镜之间误差/(´) | ≤1 |
| 图像传感器靶面与相机安装面之间 平行度（垂直度）误差/像素 | ≤2 |
2.2.4 相机电子学系统设计
中视场彩色相机电子学划分为三个单元，分别为焦平面单元、相机控制与图像处理单元以及二次电源单元，如图5 所示。相机电子学实物照片如图6 所示。
（1）焦平面单元。包含一块电路板，用于安装CMOS图像传感器，并对CMOS工作所需的偏置电压进行滤波处理。相机选用的高分辨率CMOS图像传感器，有效像元数为5 120×3 840，像元尺寸为6.4 μm×6.4 μm，动态范围为66 dB，采用“拜耳”（Bayer）滤镜获取色彩信息。为了充分利用CMOS图像传感器的动态范围，降低模数转换（Analog-to-Digital，A/D）量化噪声，每像素采用12 bit进行量化。CMOS成像传感器的图像数据使用多通道并行LVDS链路从芯片输出到相机控制与图像处理FPGA，全分辨率输出时最大帧频为4 fps。
（2）相机控制与图像处理单元。包含一块电路板，由相机控制与图像处理FPGA、图像同步动态随机存取内存（Synchronous Dynamic Random-Access Memory，SDRAM）、FPGA配置刷新电路、接口电路、电源电路等组成。主要功能为：产生焦平面单元CMOS图像传感器的时序控制信号，通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）对其进行参数配置和读取；接收CMOS原始LVDS数据，解析出图像并进行缓存；根据图像灰度进行自动曝光计算，从而控制曝光；按规定格式输出图像数据流和工程参数；对图像进行目标位置提取和自主开窗，以实现目标引导和图像快视输出；通过RS422接口与载荷管理单元进行通信，接收控制指令和参数，反馈工作状态；对镜头组件进行温度控制。
相机控制与图像处理FPGA选用国产耐辐照SRAM型FPGA（复旦微电子集团股份有限公司研制的微JFM4VSX55RT，具有55 296个逻辑单元，24 576个片，384 kbit分布式随机存取存储器和5 760 kbit块随机存取存储器），并配以专用刷新芯片进行周期刷新，降低单粒子翻转风险；图像缓存选用宇航级高速SDRAM，容量为2 Gbit，位宽为64 bit，满足图像接收缓存和输出帧频率的需求；接口电路由RS422通信接口和LVDS图像输出接口组成，选用国产耐辐照高可靠宇航级器件；电源电路包含主控数字电源和CMOS图像传感器电源，主控电源用于产生相机内部电路工作所需的各种电压，选用国产耐辐照点负载电源芯片，可提高电压转换效率，减少发热和功率损失，CMOS图像传感器电源用于产生图像传感器所需的各种偏置电压，选用国产耐辐照低压降（Low Dropout，LDO）芯片，降低供电纹波和噪声。
（3）二次电源单元。包含一块电路板，主要功能是将载荷管理单元提供的23～30 V一次电源降压处理，转换为5 V，给相机内部电路各点负载电源和LDO电源供电。同时，它会对一次母线进行过流保护、浪涌抑制和电磁兼容性滤波，并通过继电器实现开关机控制。为了提高转换效率、降低热损耗，使用宇航级隔离型DC/DC电源模块进行电压转换。此外，镜头加热供电也直接采用一次电源，以避免二次转换造成额外的能源浪费。
（4）CMOS图像传感器单粒子锁定防护措施。针对所选用的CMOS图像传感器对空间单粒子锁定效应较为敏感这一问题，相机电子学进行了针对性防护设计。主要措施是对图像传感器各供电电源进行电流监控，具体方法为[11]：选用带电流输出指示的线性LDO对CMV20000供电。当CMV20000发生单粒子锁定时，其工作电流会出现异常增大的情况，LDO电流指示端的电压也会随之发生变化；使用A/D转换器采集LDO电流指示信号，并送入主控FPGA，主控FPGA检测到CMV20000的任意一路或多路电流超限，且这种超限状态持续一定时间（10 ms）后，会立即控制电源使能端，对器件所有供电电压进行断电操作，以确保器件不会受到损坏；在间隔一定时间（1 s）后，主控FPGA会自动控制电源使能端，对器件重新加电，从而尽可能降低单粒子锁定造成的功能中断影响。
防护电路原理图如图7 所示，该防护措施已通过单粒子实验实际验证，验证其有效。
3 FPGA软件设计
3.1 FPGA功能设计
FPGA是中视场彩色相机的核心控制器，用于实现相机控制和图像相关功能。相机FPGA内部主要包括18个模块，分别为时钟产生模块、复位控制模块、时钟分频模块、串口通信模块、系统控制模块、CMOS驱动控制模块、CMOS数据接收模块、图像预处理模块、目标计算模块、灰度计算模块、自动曝光计算模块、图像缓存控制模块、图像输出模块、模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）采集控制模块、CMOS电源控制模块、镜头加热控制模块、CMOS时钟和数据检测模块和守时校时模块。中视场彩色相机FPGA内部模块连接关系如图8 所示。
中视场彩色相机FPGA的工作流程为：串口通信模块实现中视场彩色相机FPGA与载荷管理单元通过RS422串口通信功能，完成串口通信协议的底层实现、指令和数据注入的接收解析、应答和工程参数的组帧和发送。系统控制模块对指令进行处理，控制相机的工作模式和参数，产生曝光控制和图像输出控制信号。曝光控制信号触发CMOS驱动控制模块，使其产生CMOS图像传感器驱动时序控制信号，控制CMOS进行曝光并输出图像，同时控制CMOS曝光参数。CMOS图像传感器输出多路串行数据，由CMOS图像接收模块完成接收、串并转换、对齐等处理，从而得到并行的多路数据以及帧、行控制信号。图像数据分为两路：一路经图像缓存控制模块写入SDRAM缓存；另一路进入图像处理模块，完成预处理、目标计算、灰度计算、自动曝光计算，输出目标位置信息、图像灰度信息以及下一帧图像的曝光时间参数。系统控制模块产生图像输出控制信号，触发图像输出模块从SDRAM中读取缓存的图像，并按指定数据格式通过LVDS接口输出到载荷管理单元。根据设定的图像模式，在图像从SDRAM读出过程中完成图像的开窗、像素合并等处理。
针对“天问”二号任务两个探测目标（近地小行星2016HO3和主带彗星311P）照度差异巨大这一特点，FPGA采取了针对性措施，设计了短曝光拍照模式和长曝光拍照模式。短曝光拍照模式适用于光照较强、帧频率要求高的场景，长曝光拍照模式则适用于光照弱、帧频率要求低的场景。相机曝光拍照模式时序控制流程如图9 所示。
短曝光拍照模式下，相机的主工作周期为250 ms，当t=1 ms时，相机曝光触发；曝光时间可设置为100 µs~100 ms，CMOS芯片图像输出时间约为120 ms；当t=230 ms时，CMOS寄存器参数表完成更新；当t=231ms时，触发CMOS寄存器刷新（刷新用时<10 ms）；当t=248 ms时，触发相机输出图像。
长曝光拍照模式下，相机的主工作周期为1 000 ms，当t=1 ms时刻，相机曝光触发；曝光时间可设置为380~800 ms，CMOS芯片图像输出时间约为120 ms；当t=980 ms时，CMOS寄存器参数表更新；当t=981 ms时，触发CMOS寄存器刷新（刷新用时<10 ms）；当t=998 ms时，触发相机输出图像。
在上述控制流程中，对CMOS寄存器进行周期性刷新的原因是：所选用的CMOS图像传感器对空间单粒子翻转较为敏感。通过周期性刷新，可以将发生翻转的寄存器重新配置为正确的值，尽可能降低单粒子翻转对器件功能造成的影响。
3.2 主要算法设计
3.2.1 图像预处理
所有图像数据处理过程均针对图像灰度信息进行。在进行目标位置提取和平均灰度计算之前，需完成CMOS输出的Bayer格式RGB彩色图像到YUV彩色空间的变换，得到Y分量作为该最小单元的灰度信息。转换过程针对2×2像素的最小RGB单元（包含1个红色像素，2个绿色像素和1个蓝色像素）：
式中，R、G1、G2、B分别为2×2像素Bayer格式图像中红色、绿色1、绿色2和蓝色像素的值。
3.2.2 目标位置提取算法
目标位置提取算法用于计算深空背景下小行星目标的位置（中心行、列号）。根据背景阈值将目标像素和背景像素分离，基于连通区域标记算法[12]对目标像素进行聚合，进而计算最大目标的中心位置。根据CMOS图像按行输出，以及FPGA流水线处理的特点，算法实现过程分为以下步骤：（1）根据背景像素和阈值参数确定背景阈值；（2）根据背景阈值参数，按行提取目标线段；（3）根据相邻行目标线段位置关系实现目标线段的聚合；（4）根据聚合的目标像素数，得到最大目标；（5）计算最大目标的中心位置。
3.2.3 自动调光算法
自动调光算法实现对相机曝光时间的自动调整，以获取亮度合适的图像。该算法采用迭代逼近的方式实现：依据图像灰度信息和目标灰度参数，计算相机曝光时间调整量，经过若干帧的迭代，使图像灰度值收敛到目标灰度附近。算法采用变步长的调整策略：当灰度差较大时，采用较大调整量以提高收敛速度；当灰度差较小时，采用较小的调整量进行微调。根据设置的自动曝光模式，图像灰度采用全图平均灰度或目标平均灰度的计算值。
3.2.4 自主温控算法
自主温控算法依据温度传感器检测的镜头温度值，对相应加热器的通断进行控制。镜头温控的基本策略为基于上下限阈值的开关控制：当温度值低于设定的下限阈值时，开启加热器；当温度值高于设定的上限阈值时，关闭加热器，从而将镜头温度控制在上下限阈值之间。温控上下限阈值可根据环境温度自主设定，也可通过注入指令进行修改。
4 试验及验证
中视场彩色相机在研制过程中开展了各类环境验证试验，完成了功能性能指标测试、定标试验和多种地面验证试验。
4.1 性能指标测试结果
中视场彩色相机性能指标实测结果如表4 所示。
表 4 中视场彩色相机性能指标Table 4 Performance of asteroid medium angle camera |
| 名称 | 性能指标 |
| 成像方式 | 框幅式彩色成像 |
| 波段范围 | 0.43~0.76 μm |
| 视场角 | 27.32°×20.70° |
| 有效像元数量/个 | 5 120×3 840 |
| 像元分辨率/m | ≤0.285（轨道高度3 km） |
| 探测单元角分辨率/mrad | 0.093 |
| 幅宽 | 1.46 km×1.09 km（轨道高度3 km） |
| 量化位数/bit | 12 |
| 动态范围/dB | 63.90 |
| 图像信噪比/dB | 40.19 |
| 系统静态传函 | 0.44 |
| 视场畸变/% | 0.50 |
| 杂散光系数/% | 5.05 |
| 动态摄像帧频/Hz | 0.2、1.0 |
| 探测目标反照率适应能力 | 0.07～0.60 |
| 包络尺寸 | 184 mm×178 mm×230 mm |
| 质量/kg | 2.1 |
| 功耗/W | 最大20 |
4.2 定标试验及结果
为提高中视场彩色相机输出图像的信噪比，降低光响应非均匀性与图像畸变，将成像色差色品值校正至标准观察者角度（符合人眼特性），从而有效地提升相机的成像质量，对中视场彩色相机进行了辐射定标、颜色定标和几何定标。
4.2.1 辐射定标
辐射定标包括相对辐射定标和绝对辐射定标，其中相对辐射定标又包括暗场定标和辐射响应非均匀性定标。采用基于标准探测器的定标方法[13]，在实验室中利用高低温试验箱、积分球和标准辐射计，对中视场彩色相机进行了定标工作：采用11种曝光时间，获取了9种温度下的多幅暗场图像，以此进行暗场定标；采用18种曝光时间，获取了均匀光照环境下的多幅明场图像，进行辐射响应非均匀性定标；在7种均匀光照强度下，采集了不同曝光时间的多幅图像，进行绝对辐射定标。
经过相对辐射定标后，中视场彩色相机四个通道（R、G1、G2、B）的图像光响应非均匀性最大值为2.50%；经绝对辐射定标后，四个通道的绝对辐射定标误差最大值为5.06%。
4.2.2 颜色定标
经彩色校正后，图像中色标板的各色块颜色均得到了准确还原，极大地减小了相机输出色块颜色与色块真实颜色之间的不一致性。经计算，曝光时间20 ms时，颜色定标前色差值为13.49，颜色定标后色差值为2.73；曝光时间为40 ms时，颜色定标前色差值为13.50，颜色定标后色差值为2.06。
对颜色定标结果进行了实拍验证，在自然光环境下，相机输出的原始图像与经过彩色和白平衡校正后的图像校正效果对照如图10 所示。
4.2.3 几何定标
相机的几何定标主要包括相机焦距、主点位置等内方位元素，以及镜头畸变参数的定标，其目的是在相机应用过程中进行图像校正与畸变补偿。中视场彩色相机采用基于实验场的定标方法[13]，在室外专用检校场拍摄网格图像进行几何定标。在检校场中，相机使用两个以上不同的姿态对靶标进行成像。利用输出图像中标靶的标识点坐标与靶标在世界坐标系中的真实坐标点之间的约束关系，即可计算出中视场彩色相机的主点、焦距以及畸变系数。利用几何定标得到的各项定标系数对中视场彩色相机进行畸变校正，校正后X方向与Y方向的残差依次为0.120 43像素、0.128 11像素。
4.3 地面验证及结果
通过地面验证试验，对中视场彩色相机功能和成像性能进行了验证，同时评估了图像压缩质量等因素对成像的影响。以此确保相机能够为“天问”二号探测任务提供正确有效的探测数据。主要验证项目包括：对暗弱目标（反照率0.1~0.2，甚至更低）的成像能力；对图像信噪比、MTF等技术指标的评估；相机自动曝光、目标位置提取、开窗、像元融合等功能的实现情况。
暗弱目标成像能力验证结果显示，当积分球输出辐亮度分别设置为2.400 W/m2/Sr、1.920 W/m2/Sr时，通过手动改变相机曝光时间，均能够输出不同灰度值的图像。而被摄目标天体的理论最小辐亮度为2.565 W/m2/Sr，满足探测任务要求。
相机在灰度线性响应区间内的最大信噪比实测值为40.19 dB，满足>40.00 dB的要求；相机系统静态MTF实测值为0.44，满足>0.20的要求；自动曝光、目标位置提取、开窗、像元融合等算法均已在相机中成功实现，输出结果符合预期，功能运行正常。
5 在轨初步成像结果
2025年5月30日，即“天问”二号探测器发射后的第二天，中视场彩色相机首次开机。返回的遥测参数显示一切正常，相机运行状态良好。随后，相机对地球进行了拍摄，分别采用自动曝光和手动曝光方式，获取了多种曝光参数下的地球及地月合影图像。相机下传的图像清晰，色彩还原正常，如图11 ~图12 所示。其中，图11 为原始Bayer图像，采用自动曝光方式，曝光时间为1.0 ms，自主开窗，有效像元数量为640×640；图12 为彩色复原图像，采用手动曝光方式，曝光时间为2.5 ms，全图输出，有效像元数量为5 120×3 840。
6 结 语
中视场彩色相机是“天问”二号的重要光学载荷之一。主要用于对小行星进行全球成像，可实现小行星和主带彗星的自转参数、形状、大小等物理参数测定，以及探测小行星和主带彗星的形貌等科学目标。该相机采用轻小型一体式结构，通过合理的光学系统设计、结构设计、电子学设计以及FPGA软件设计等，满足了探测任务对相机提出的功能和性能指标要求。同时，开展了各项定标试验和全面的地面验证工作，确保了相机的可靠性和输出图像数据的真实性和正确性。目前，相机已完成了首次在轨拍摄，获取了地月合影彩色影像，输出图像清晰，色彩表现正常。