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架起深空信息之虹:记西电图像传输与处理研究所科研团队

发布时间:2013-05-14 浏览:

      他们为中国“探月工程”获取国际最高分辨率的全月图作出了重大贡献;他们为“神舟七号”“天绘一号”完成探测、测绘任务再建奇功;他们的研究成果已成功应用于中国多颗遥感、资源和环境在轨卫星……
      西安电子科技大学图像传输与处理研究所,也就是西电师生们口中的“图像所”,十余年锲而不舍,一步步突破深空通信技术的瓶颈,登上我国卫星图像压缩与传输研究的高峰。十余年来,该所李云松教授和吴成柯教授带领的团队以“深空通信压缩与传输技术及应用”项目成为2012年度国家科学技术奖励大会通信领域表彰的唯一一支高校团队。

瞄准方向,艰苦攀登,高效压缩传输技术跨入国内领先行列


国家天文台“嫦娥二号”探月卫星应用系统运控中心现场研究人员集体合影留念,背后是清晰的月面图像

西安电子科技大学图像传输与处理研究所教授李云松(左一)与学科带头人吴成柯(左二)教授

      2012年10月24日,国家天文台“嫦娥二号”探月卫星应用系统运控中心气氛异常紧张。“嫦娥二号”国庆日成功升空以来,牵动着亿万国人的心。她担负着获取高分辨率的立体全月图,从而为计划在2013年发射的“嫦娥三号”实现月面着陆做充分准备的重要任务。运控中心的科学家们正在屏息期待着首幅图像的成功传回,这是“嫦娥二号”飞行任务圆满完成的重要标志。
      凌晨时分,一帧巨幅月面图像清晰完整地显示在大屏幕上,现场顿时一片欢腾,吴成柯教授和李云松教授也激动地和大家一起欢呼鼓掌。探月工程总设计师吴伟仁、副总指挥阴和俊、欧阳自远院士,国家天文台的领导一一上前来与他们握手,表示祝贺。两位教授感慨,他们这么久以来的心血没有白费,终于不负重托,不辱使命。
      时间回溯到上世纪的九十年代。1995年,西安电子科技大学图像传输与处理研究所在学科带头人吴成柯教授的带领下,以李云松等为骨干组成团队,开始了关于动态图像和静止图像的处理与传输的研究工作。西电图像所就此成为国内最早开展卫星遥感图像压缩算法和硬件系统研制的单位之一。
      三年后,航天五院西安分院领导到西安电子科技大学来调研,在图像所获得惊喜发现。虽然在吴成柯、李云松看来,他们的研究才刚刚开始,实际上团队在国内率先提出的基于小波变换的高效压缩方法已经达到了国内领先水平。
      他们了解到,为了实现实时传输高分辨率图像,国家急需将星载图像压缩系统的压缩比提高到4倍或更高。随即,图像所与航天五院共同研制星载图像压缩系统的实质性工作紧锣密鼓地展开,图像所也由此翻开了成立以来全新的一页。
 
争分夺秒,突破瓶颈,为中国探月工程交出第一份完美答卷

      深空通信是指地球与月球以及远星球之间的通信,其主要目标是实时获取星载相机拍摄的各类高分辨率图像数据。如何在传输距离远、信噪比低以及载荷资源有限的条件下实时、可靠地获取高分辨率图像数据,是深空探测和卫星遥感中亟需解决的问题。为解决这一问题,必须突破两大技术瓶颈:大压缩比图像压缩技术和高速数据传输技术。
      1999年,团队完成了基于小波变换的高效压缩方法的硬件架构,突破了二维遥感全色图像高效压缩技术。2001年到2002年,团队数名青年教师骨干和近十名博士生集中攻关,终于在满足图像质量要求的前提下将压缩比成功提高提高到8倍。
      2004年,我国第一个在深空探测通信系统中应用的高性能图像压缩系统在这里宣告诞生。在嫦娥一号项目支持下,团队在国内率先开展了高可靠多光谱图像压缩技术研究。多光谱数据相关性差导致的无损压缩比低这一国际难题也在最短时间内得到解决。
      2007年11月29日凌晨,远在38万公里外的“嫦娥一号”搭载的干涉成像光谱仪发出光谱图像信号,信号进行实时压缩后传回地球。现场的卫星系统副总设计师孙辉先研究员看到图像后宣布:解压缩图像质量很好!这是西电图像所为中国探月工程交出的一份完美答卷。探月工程首席科学家欧阳自远院士在现场夸奖说:西电做了一项了不起的工作。
 
再接再厉,攻坚克难,每一个成功细节背后都是巨大的付出

      如果说“嫦娥一号”是中国探月的第一次勇敢尝试,那么“嫦娥二号”则承担了更加艰巨的科学任务,那就是获得高分辨率的立体全月图像。嫦娥一号获取的全月图像分辨率仅为120米,而嫦娥二号则提高到优于10米,数据量增加了近200倍,而她的预期寿命时间只有6个月。要想在短短6个月内将如此巨大的全月图数据传回地面,必须提高图像压缩比和传输速率。
      此时,探月工程地面应用系统总设计师李春来研究员率队在全国各大高校、科研院所调研,考察“嫦娥二号”的候选参研单位:北京航空大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学……激烈的竞争在实力雄厚的国家重点大学、航天系统科研院所中展开。最终,李云松和吴成柯带领的西电图像所以出色的研究基础脱颖而出。
      国外刚发射的探月卫星图像压缩系统采用约150Mbps的工作速率,嫦娥二号必须在256Mbps的更高速率工作才能完成既定任务。
  

 “嫦娥一号”光谱图像压缩系统元器件       “嫦娥二号”立体图像压缩系统元器件

      科研攻关的艰辛过程自不必说,处处都有拦路虎。负责该硬件系统设计的雷杰副教授和刘凯教授从改进系统结构着手,在李云松和吴成柯的指导下,最终突破了8倍立体图像压缩技术和软件高速解压缩技术。嫦娥二号图像压缩系统硬件已完成正样,进行上星前最后的测试,一个始料未及的情况出现了。在上百次正常测试结果中,毫无预兆地出现了一次异常结果。雷杰和刘凯百思不得其解,就连空间中心的科研合作人员都认为应该是干扰造成的。
      听到年轻的团队成员这样的解释,素来严谨的吴老师发起了脾气,不同意这种解释,他大声质问:“到底是什么干扰?搞不清楚,不能把还搞不清楚的问题都说成是‘干扰’。‘干扰’就像是个 ‘鬼’。世界上哪里有‘鬼’?”
      李云松同意吴老师的坚持。一旦带着问题的系统随卫星上了天,风险会无限放大,后果难以估计。他迅速将相关设计人员组织在一起,共同分析可能存在的问题,终于解决了异常。
      嫦娥二号预定发射时间不容改动,倒计时表时刻不停地转动。整个团队顶着压力,每天工作到凌晨,然后向指挥中心汇报当日进展。经过近一个月的不懈努力,终于及时解决了问题。
      李云松回忆说:“当时那种心理压力是难以形容的。但大家心里都有一个信念,必须确保我们研制的系统不出丝毫差错。这就是航天标准,每一个环节成功背后都是巨大的付出。”
      这是我国首套实现对月面立体图像进行高效实时压缩的星载图像压缩系统,具有恢复图像质量高、集成度高、抗误码能力强的特点,同时实现了高压缩比压缩,而且压缩比在线可调,确保了嫦娥二号在较短时间内完成获得全月面立体图像的重大任务。
 
勇往直前,永不停步,他们为打造航天中国“芯”继续努力


西安电子科技大学图像传输与处理研究所荣获2012年国家科技进步二等奖

      嫦娥一号,嫦娥二号参研项目完美收官,图像所的师生们却倍加勤奋,未曾止步。李云松、吴成柯一方面一刻不停地推进嫦娥三号项目中承担的任务,一方面做出了将研发成果芯片化的大胆决定。
      “必须拥有完全自主知识产权的中国‘芯’,芯片项目是既定目标,就算没有资金支持,借款贷款也要尽快上马。”
      这支团队总能说到做到。2009年“雅芯一号”在期待中问世,在提高深空图像压缩系统的压缩效率、抗误码能力、处理速度和可靠性方面又向前迈进了一大步。
      如今,嫦娥三号图像压缩系统正样也已然完成,期待着今年的发射升空。完成了嫦娥三号的既定任务,李云松教授已把目光投向国家的火星探测计划。
      10多年的时光也许只是历史的瞬间,而图像所这些平凡的师生却走出了一条不平凡的路。他们一步步突破了限制深空通信发展的瓶颈,大幅提高了我国深空通信的传输能力,为我国深空探测、立体测绘、对地遥感和资源环境等空间领域的发展作出了重大贡献。正如一名记者所说:“他们是我们实现强国梦的征途上最受尊敬的人。”
      2012年底,吴成柯、李云松教授,雷杰、王柯俨副教授,图像所老、中、青三代人一起来到人民大会堂,接受了国家的表彰。在鲜花和掌声围绕中,他们更多地想到获奖名单之外的那支团队——那支带着使命感和荣誉感奋斗不息的团队,那支不问名利只问付出的团队。有多年来默默献身科研的教师,有在这里贡献青春和才华的一届又一届博硕士毕业生,还有为他们提供指导和帮助的学校领导和相关单位工作人员……