激光高度計精確測距

解放軍電子工程學(xué)院教授胡以華研制的激光高度計，為嫦娥裝上了“千里眼”，將助力嫦娥三號實時精確測距，準確抵達月球。

　　大概在一周后，嫦娥將在月球軟著陸。除了減震，實現(xiàn)月球軟著陸的另一個關(guān)鍵，就是高度的控制。據(jù)了解，嫦娥三號在準備著陸前，會逐漸降低動力。因此，在落月過程中，要精確地測量嫦娥三號與月面的距離。當距月面只有幾米高度時，將發(fā)出關(guān)機指令，關(guān)閉探測器的發(fā)動機。而這個關(guān)機指令的發(fā)出，是實現(xiàn)落月的關(guān)鍵動作。

　　出生于懷寧的胡以華曾參與研制成功月球探測衛(wèi)星激光高度計，實現(xiàn)了我國空間遙感激光探測技術(shù)與系統(tǒng)研制重大突破。從嫦娥一號開始，激光高度計就成為嫦娥的“千里眼”，還曾配合4D相機為月球繪制全世界第一張高分辨率主體成像圖。胡以華介紹，軟著陸必須實時精確測距，激光高度計能幫助嫦娥順利登月。

　 嫦娥三號任務(wù)是我國探月工程“繞、落、回”三步走中的第二步，是承前啟后的關(guān)鍵一步。在“繞月”階段，中科院上海技術(shù)物理所、上海光學(xué)精密機械所為嫦娥衛(wèi)星研制了“激光眼”——激光高度計，為我國首幅全月面三維圖提供了高程，相當于地球上的海拔高度。即使在無可見光的月面環(huán)境下，激光計也能“拍攝”自如。

　　但比起距離月面一兩百公里外的繞月，零距離接觸的落月對激光測距精度和速度提出了極高要求。在我國探月初期，嫦娥衛(wèi)星對月發(fā)射一束激光，在月面形成的“激光足印”約有120米方圓范圍，而嫦娥三號激光測距的“足印”將小到米級，測量精度進一步提高，可實時監(jiān)測嫦娥三號著陸器距離月面的高度。

紅外激光三維成像獲取地形

　　除了這束“大激光”，“嫦娥”還有一道靈敏度極高的“小激光”。當“嫦娥”向月面釋放著陸器，著陸器將在接近月面時，通過激光三維成像，進一步“觀察地形”，獲取正下方圖像。如下方不適合降落，它就馬上換一塊地方，確保著陸點相對更為平坦。這種接近“現(xiàn)場直播”的實時成像需在數(shù)秒內(nèi)完成，為此中科院上海技物所研制的三維成像系統(tǒng)采用了多源激光并掃、實時成像方法，這種實測方式是在著陸月球時首次應(yīng)用。

　　兩只“激光眼”之外，“嫦娥”另有一只“紅外眼”——紅外成像光譜儀。這臺儀器置于俗稱“月球車”的月面巡視器上，當巡視器從著陸器中駛出，便開啟這一關(guān)鍵探測設(shè)備。這只“眼睛”不但能在可見光范圍獲得上百個光學(xué)波段的圖像，還能用來探索可見光之外的“光”，捕捉月球物質(zhì)資源放出的紅外線光譜。因為每種物質(zhì)都有其獨特的“紅外圖譜”，紅外成像光譜儀以極高的光譜分辨率“拍攝”月表物質(zhì)，并能通過計算機直接將物質(zhì)分門別類。

對于登月任務(wù)以及其后實施的返回任務(wù)，衛(wèi)星發(fā)射重量越輕越好，因此“嫦娥”嚴格控制體重。相關(guān)項目負責人上海技物所研究員王建宇透露，此次星載的紅外成像光譜儀只有5公斤多，是“嫦娥”3只眼中最輕的，而機載的同類光譜儀重量可達百公斤。今后，這種超輕型成像光譜儀器還能用于火星、小行星等更遙遠的深空探測任務(wù)。

作為我國著名的空間光電載荷專家，王建宇曾帶領(lǐng)一個年輕的科研團隊，研發(fā)出了激光高度計，搭載在嫦娥一號上，實現(xiàn)了中國人首次“為月球量身高”的夢想。2015年前后，我國將發(fā)射首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，上面將搭載星地量子通信設(shè)備，還是由他率隊研制。

　　著名空間光電載荷專家王建宇說，自己的夢想就是做出國家需要、卻看似不可能的光電設(shè)備，讓它們遨游太空，實現(xiàn)中國的航天夢。

　　月球“照相機”瘦身到5公斤

　　安裝在嫦娥三號月球車“腹部”的紅外成像光譜儀，就像一只敏銳的眼睛，將仔細察看月面的礦物組成—這可是王建宇的最新成果。它原先搭載在飛機上，“體重”超過100公斤，顯然不適合上天。為此，王建宇帶領(lǐng)團隊絞盡腦汁，將它“瘦身”到5公斤左右，可以穩(wěn)穩(wěn)當當?shù)匮b入一尺見方的盒子內(nèi)，并采用了一系列創(chuàng)新技術(shù)，使它“目光”敏銳?，F(xiàn)在，王建宇就期盼著月球車上的紅外成像光譜儀能帶回合格的圖像。

　　激光測距儀和激光三維成像儀則將承擔起幫月球車尋找“落腳點”的重任—當月球車離著陸點只有幾十公里時，它們將及時打開，以小于1米的精度，實時測量降落高度，其研制難度超過了嫦娥一號上的激光高度計。

　　2003年，時任中國探月工程首席科學(xué)家的歐陽自遠院士找到中科院上海技術(shù)物理所，提出研制激光高度計的要求?；叵肫甬敃r情形，王建宇說他感到了從未有過的壓力：大功率激光上天，國內(nèi)從來沒做過！

　　這除了要克服真空、失重、高壓等困難，激光高度計還要能在200公里外，抓住月面反射回來的微弱激光信號，這就好比要不偏不倚地捕捉一大幅畫面中的一個光點。同時，上天的設(shè)備就怕能量大，可高度計的激光器瞬時功率高達30兆瓦。在地面上，這個功率能把幾米開外的鐵板打得直冒火花。

　　這一強一弱之間，包含著無數(shù)難題。經(jīng)過三年多攻關(guān)，王建宇團隊終于交出了令人滿意的答卷。與此同時，一支年輕的團隊也逐步成長起來。此次隨嫦娥三號上天的兩個激光儀器就是由當年激光高度計團隊帶出來的年輕博士黃庚華領(lǐng)銜研制的。