|
11月28日凌晨，嫦娥一号卫星所携带的有效载荷之一——激光高度计已经顺利启动。《科学时报》记者从参与该项目的核心科学家处获悉，该仪器目前运转一切正常。
“星载激光高度计”，科学家们将之亲切地称为“太空激光眼”。随着此次嫦娥一号绕月探测卫星的发射成功，中国版的“激光眼”也首次抵达太空。
作为嫦娥一号卫星所携带的八大科学探测有效载荷之一，中国版的太空激光眼肩负着哪些重要使命？世界其他国家在这方面的进展如何？带着这些问题，《科学时报》记者采访了嫦娥一号卫星有效载荷激光高度计分系统副主任设计师、中国科学院上海技术物理研究所研究员舒嵘。
“有压力的任务”
见过舒嵘的人，都会为这位副主任设计师如此年轻而感到诧异。不过，这一点，倒与嫦娥一号激光高度计的年龄十分相似。
“我们刚接到激光高度计的任务时，离安装到嫦娥一号卫星上只有两年半时间了。”舒嵘告诉《科学时报》记者：“当时我们觉得压力很大。”
据舒嵘介绍，激光高度计技术从本质上来说是从激光测距中演化而来的，其原理是通过测量以光速往返于卫星到照射表面激光脉冲的穿行时间，来获得卫星到照射表面的距离。因为具有很高的精确度和分辨率，以及很小的激光脚印，激光高度计被广泛应用于深空探测、地球遥感等领域。
然而，对中国来说，这项已在地面上相当成熟的技术并没有进入太空的先例，承担嫦娥一号卫星激光高度计研制工作的科学家们自然也无法获得可资借鉴的经验。此外，因为难以解决太空寿命的问题，星载激光高度计的研制即便在国外失败率也很高，这同样给中国的科研工作者敲响了警钟。
据介绍，嫦娥一号卫星的工作阶段分为发射轨道阶段、转移轨道阶段和环月轨道阶段。激光高度计在进入环月轨道阶段之前不工作，在进入环月阶段之后，不论月球表面是白天或黑夜，也不论卫星处于正飞或侧飞状态，激光高度计都要长期开机工作。因此，星载激光高度计的设计不仅要注重参数指标的实现，也要努力提高其工作稳定性和持久性。
“我们的关键工作主要包括3个方面：其一是要研发出长寿命的激光器，其二是要设计出低灵敏度的回波接收电路，还有就是要解决收发同轴、温控等系统问题。”当问及此次激光高度计研制面临的主要挑战时，舒嵘言简意赅地作了回答。
与此次嫦娥一号卫星所携带的其他有效载荷相比，激光高度计的不同之处在于，由卫星发向照射表面的激光脉冲和返回到卫星的激光脉冲要在同一路径上，否则就无法准确测量出卫星与照射表面之间距离的长短。为此，设计人员曾多次对该仪器200公里测距的能力和同轴性进行了测试，以保证其能顺利完成科学使命。
“绝对的高度”
做成后的激光高度计身高仅17厘米、体重15.7公斤，看上去就像一个高倍望远镜。不过，它真实的面目又是什么样的？
据舒嵘介绍，激光高度计主要由激光发射模块、激光接收模块和信号处理模块3个部分组成。激光发射模块发射出的激光首先被打到月球探测目标上，然后被目标反射回卫星这一测试平台。激光接收模块接收到反射回来的光信号，并把它转换成为电信号。信号处理模块就会精确地测量出从激光发射到激光高度计接收到激光的时间，而这段时间就是激光在真空中的传输时间。在这段时间内，激光行走的路程是高度计与探测目标间距离的两倍。
谈及此次激光高度计的太空使命，舒嵘毫不讳言的是，此次激光高度计主要是要“测量卫星到星下点月球表面的距离，为光学成像探测系统的立体成图提供修正参数。同时，通过地面应用系统将距离数据与卫星轨道参数、地月坐标关系进行综合数据处理，以获取卫星星下点月表地形高度数据。”
那么，它所扮演的角色和此次嫦娥一号所携带的立体相机又有什么不同？舒嵘的解释是，立体相机获得的只是月球表面物体的相对高度，例如一个月球环形坑的坑顶与底部的高差，而激光高度计则是直接测量出该地形的绝对高度。在绘制月球地形图时，它们所获得的数据是相辅相成的关系。另外，由于不需要光照，激光高度计可以提供月球两极的高程数据，这是目前国际上月球探测领域的空白，仅有日本和中国可以做到。
“比日本的更轻”
据记者了解，星载激光高度计在国外已经有了很长的应用历史。上世纪六七十年代，美国科学家们在阿波罗探月工程中就采用了激光高度计。此后，美国宇航局在星载激光高度计的研制和应用上独占鳌头。在上世纪90年代的克莱门汀月球探测器和火星探测器上，美国都采用了这种激光高度计来获得星体表面的地形分布图。
与之相比，中国在星载激光高度计的研制方面确实是一个“后来者”。不过，与其他同属后来者的国家相比，中国的技术又毫不逊色。“与日本刚刚发射的月亮女神号上的激光高度计相比，我们的激光高度计在精确度、分辨率上都不比它差。可是，我们轨道高度比它的要高，日本的是100公里，而我们的是200公里。另外，我们的仪器重量要比日本的轻几公斤。”舒嵘说。
对太空中的设备来说，要想减轻几公斤的重量而又不改变本身的性能，是一件相当困难的事情。在这一点上，中国版的太空激光眼又是如何做到的？据舒嵘介绍，他们主要是在仪器的结构设计和材料选择上下了很大功夫。
嫦娥一号之后，中国的星载激光高度计还会发挥哪些作用？“它的一个近期目标是，提高激光重复的频率和布点的密度，让月球表面的数据更加精确，使三维图像更加清晰。未来它还会在火星探测中发挥重要作用，例如帮助了解火星的三维结构、分析大气成分等。除此之外，在月球或火星着陆过程中，激光高度计还可以起到地形快速判别和避障的作用。”舒嵘说。
|
