激光測(cè)距是以激光器作為光源進(jìn)行測(cè)距，由于其誤差僅為其它光學(xué)測(cè)距儀的五分之一到數(shù)百分之一，因而被廣泛用于地形測(cè)量，戰(zhàn)場(chǎng)測(cè)量，坦克，飛機(jī)，艦艇和火炮對(duì)目標(biāo)的測(cè)距，測(cè)量云層、飛機(jī)、導(dǎo)彈以及人造衛(wèi)星的高度等。近日，精密激光測(cè)距研究獲得重大突破，不僅測(cè)量范圍擴(kuò)大，并且還可以測(cè)量任何星際距離。
目前，精密激光測(cè)距的極限是地月距離。這些系統(tǒng)基于被動(dòng)激光測(cè)距，測(cè)量信號(hào)按距離的四次方反比（1/R^4）衰減。近日，加利福尼亞州的加州噴氣推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Yijiang Chen，Kevin M. Birnbaum和Hamid Hemmati設(shè)計(jì)了一套新系統(tǒng)，這套系統(tǒng)使用主動(dòng)激光測(cè)距，信號(hào)衰減只有距離的二次方反比（1/R^2） 。系統(tǒng)的測(cè)量范圍增大了幾千倍，而且新系統(tǒng)有可能達(dá)到亞毫米級(jí)的精度，整體性能提升三個(gè)數(shù)量級(jí)以上。相關(guān)論文已發(fā)表在最近一期《應(yīng)用物理快報(bào)》（102, 241107 (2013). DOI: 10.1063/1.4810906）。
根據(jù)Birnbaum的解說，“原則上，只要增加望遠(yuǎn)鏡的大小，這種方法可以擴(kuò)大到任何星際距離。根據(jù)我們計(jì)算，實(shí)現(xiàn)從地球到火星或木星測(cè)距，需要在地球上放置直徑1米的望遠(yuǎn)鏡，在飛船安置上直徑15厘米的望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)要求很容易達(dá)到。 ”
主動(dòng)激光測(cè)距地球和行星之間的空間 - 時(shí)間圖。該系統(tǒng)收發(fā)器兩端均采用有源激光器，所以比無源收發(fā)器的信號(hào)更強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離激光測(cè)距。
新的激光測(cè)距方案，每一端都有一個(gè)收發(fā)器發(fā)射并接收激光脈沖。激光脈沖上加載有時(shí)間標(biāo)簽，用來測(cè)量脈沖傳播花費(fèi)時(shí)間，進(jìn)而測(cè)量收發(fā)器之間的距離?？茖W(xué)家們解釋說，這些“主動(dòng)收發(fā)器”是遠(yuǎn)距離測(cè)量的關(guān)鍵。
“與現(xiàn)有光學(xué)技術(shù)相比，關(guān)鍵在于使用主動(dòng)收發(fā)器。目前光學(xué)測(cè)距基于測(cè)量目標(biāo)被動(dòng)地反射光線。所以有效測(cè)量范圍限于地—月距離。這一距離根本不能被稱為星際空間，因?yàn)樾行情g距離比月球遠(yuǎn)上幾千倍。如果嘗試使用相同的被動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量行星間距離，因?yàn)楣鈴?qiáng)隨1/R^4下降，得到的信號(hào)會(huì)減弱萬億倍。但我們使用的激光器兩端為有源收發(fā)器，所以每端都可以得到更強(qiáng)的信號(hào)。”Birnbaum 進(jìn)一步解釋說，需要的激光功率沒有超出現(xiàn)有激光器。“激光器本身并不需要非常強(qiáng)大， ”他說，“市售的激光具有足夠的脈沖能量。系統(tǒng)需要的出射光強(qiáng)可以很低，甚至人眼安全的光強(qiáng)都可以。只要有一個(gè)非常敏感的接收器并且從背景光中挑選出‘信號(hào)’。”
他們?cè)诘厍蛏祥_展了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和室外測(cè)試。雖然由于地球大氣中的大氣湍流的波動(dòng)將增加少量的誤差，科學(xué)家們認(rèn)為，這個(gè)誤差可以被控制在1毫米之內(nèi)。測(cè)量與實(shí)際距離的偏差不超過0.14毫米，遠(yuǎn)低于1毫米精度的目標(biāo)。
實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度激光測(cè)距的最大挑戰(zhàn)為收發(fā)器同步和克服雜散背景光。研究人員使用新的同步方案來克服這些難題，包括星際激光通信，以及使用低重復(fù)率短脈沖激光。未來他們想對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更大規(guī)模測(cè)試。“技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室與室外測(cè)試得到了驗(yàn)證，我們接下來想在飛機(jī)與地面測(cè)試收發(fā)器，然后我們會(huì)在地面和太空船之前測(cè)試。”伯恩鮑姆說。
科學(xué)家研制出新激光測(cè)距系統(tǒng) 可測(cè)量任何星際距離
激光測(cè)距的巨大進(jìn)步將帶來許多應(yīng)用。首先可能解決火星內(nèi)部組成迷題。其次以用在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域新的實(shí)驗(yàn)，包括：檢驗(yàn)等價(jià)原理，明顯的宇宙加速膨脹，可能存在額外維度。最后，新激光測(cè)距系統(tǒng)可以保證行星間實(shí)驗(yàn)的開展，并可以擴(kuò)展到其他太陽系天體。這一系列實(shí)驗(yàn)將揭示諸多：行星的演化，大氣、海洋和光環(huán)的組成成分。
該新激光測(cè)距系統(tǒng)的是測(cè)量領(lǐng)域的重大突破，將使得那些星球的未解之謎慢慢透明化，并且還可能為我們找到其他天體，進(jìn)而拓展我們的認(rèn)知。此外，該激光測(cè)距系統(tǒng)也將推動(dòng)著其他相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的大發(fā)展。
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