架起深空信息之虹
——记西安电子科技大学“深空通信压缩与传输技术及应用”科研团队

　　■ 本报记者 史俊斌 本报通讯员 张莹莹

　　他们为中国“探月工程”获取国际最高分辨率的全月图做出重大贡献；

　　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……

　　十余年锲而不舍，他们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。

　　西安电子科技大学图像传输与处理研究所，随着2012年国家科技进步二等奖花落西电，再次成为全校师生关注的焦点。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”项目成为该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。

　　艰苦攀登，高效压缩传输技术跨入国内领先行列

　　时间回溯到上世纪90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电调研时惊喜地发现，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。

　　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须解决的问题。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，团队研究小波变换在卫星图像压缩系统中应用的算法及硬件实现，终于在满足图像质量要求的前提下将压缩比成功提高到4倍，进而又提高到8倍。这一关键技术的突破对后续型号项目的成功意义重大。

　　2004年，图像所受中科院空间科学与应用中心委托，正式开始“嫦娥一号”实时干涉多光谱图像压缩系统的研制工作。

　　值得一提的是，“嫦娥一号”卫星多光谱图像压缩系统中采用的空间维独立的光谱图像压缩方法是团队的一大创新点。以往国内外所采用的光谱图像压缩方法多采用预测方法，存在误码扩散的问题，而这一问题在深空通信中更为严重。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。

　　为了尽快地突破两倍多光谱无损压缩技术，包括算法和硬件系统的构架，图像所开始与时间赛跑，加班熬夜成为家常便饭。终于，多光谱数据相关性差导致的无损压缩比低这一国际难题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了地球。

　　攻坚克难，“航天标准”背后的巨大付出

　　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。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。

　　凌晨时分，一帧巨幅月面图像清晰完整地显示在大屏幕上，在“嫦娥二号”6个月的设计寿命内，数据量庞大的分辨率优于十米的立体全月图像悉数传回。现场顿时一片欢腾，吴成柯教授和李云松教授的心血没有白费，终于不负重托，不辱使命。

　　随着相机分辨率的提高，卫星获取的数据量成几何级数增长：“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。

　　国际上，立体图像独立压缩一直无法实现大压缩比。特别是在星上资源非常有限的条件下，对立体相机拍摄的图像数据进行高效压缩更不容易。团队成员首先对图像压缩算法进行了深入研究，他们采用了新的基于小波变换的联合优化高效图像压缩技术，对两路高分辨CCD立体相机产生的高速图像数据进行实时压缩编码。

　　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，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特别是算法的优越性脱颖而出，正式加入到国家探月工程“嫦娥二号”项目的阵容中。

　　科研攻关的艰辛过程自不必说，处处都有拦路虎。就在“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。负责硬件系统设计的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，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’？”

　　设计人员经过近一个月的不懈努力，终于及时解决了问题。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。

　　永不停步，为打造航天中国“芯”继续努力

　　图像所的师生们未曾止步。如今李云松、吴成柯一方面推进“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。李云松教授又把目光投向了国家的火星探测计划。

　　十多年的时光也许只是历史的瞬间，而西安电子科技大学图像所这些平凡的师生却走出了一条不平凡的路。他们辛勤耕耘，挑战难题，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做出了重大贡献。

　　来源：《科技日报》2013年4月15日第7版