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 激光高度計(jì)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(jì)，為嫦娥裝上了“千里眼”，將助力嫦娥三號(hào)實(shí)時(shí)精確測距，準(zhǔn)確抵達(dá)月球。

　　大概在一周后，嫦娥將在月球軟著陸。除了減震，實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的另一個(gè)關(guān)鍵，就是高度的控制。據(jù)了解，嫦娥三號(hào)在準(zhǔn)備著陸前，會(huì)逐漸降低動(dòng)力。因此，在落月過程中，要精確地測量嫦娥三號(hào)與月面的距離。當(dāng)距月面只有幾米高度時(shí)，將發(fā)出關(guān)機(jī)指令，關(guān)閉探測器的發(fā)動(dòng)機(jī)。而這個(gè)關(guān)機(jī)指令的發(fā)出，是實(shí)現(xiàn)落月的關(guān)鍵動(dòng)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(jì)，實(shí)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(hào)開始，激光高度計(jì)就成為嫦娥的“千里眼”，還曾配合4D相機(jī)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(shí)時(shí)精確測距，激光高度計(jì)能幫助嫦娥順利登月。

　 嫦娥三號(hào)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(jī)械所為嫦娥衛(wèi)星研制了“激光眼”——激光高度計(jì)，為我國首幅全月面三維圖提供了高程，相當(dāng)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(jì)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(duì)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(duì)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(hào)激光測距的“足印”將小到米級(jí)，測量精度進(jìn)一步提高，可實(shí)時(shí)監(jiān)測嫦娥三號(hào)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(dāng)“嫦娥”向月面釋放著陸器，著陸器將在接近月面時(shí)，通過激光三維成像，進(jìn)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(diǎn)相對(duì)更為平坦。這種接近“現(xiàn)場直播”的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)成像方法，這種實(shí)測方式是在著陸月球時(shí)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(tái)儀器置于俗稱“月球車”的月面巡視器上，當(dāng)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(gè)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?yàn)槊糠N物質(zhì)都有其獨(dú)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(jì)算機(jī)直接將物質(zhì)分門別類。

對(duì)于登月任務(wù)以及其后實(shí)施的返回任務(wù)，衛(wèi)星發(fā)射重量越輕越好，因此“嫦娥”嚴(yán)格控制體重。相關(guān)項(xiàng)目負(fù)責(zé)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(jī)載的同類光譜儀重量可達(dá)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(yuǎn)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(gè)年輕的科研團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出了激光高度計(jì)，搭載在嫦娥一號(hào)上，實(shí)現(xiàn)了中國人首次“為月球量身高”的夢(mèng)想。2015年前后，我國將發(fā)射首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，上面將搭載星地量子通信設(shè)備，還是由他率隊(duì)研制。

　　著名空間光電載荷專家王建宇說，自己的夢(mèng)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(shí)現(xiàn)中國的航天夢(mèng)。

　　月球“照相機(jī)”瘦身到5公斤

　　安裝在嫦娥三號(hào)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(xì)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(jī)上，“體重”超過100公斤，顯然不適合上天。為此，王建宇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)絞盡腦汁，將它“瘦身”到5公斤左右，可以穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?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(dān)起幫月球車尋找“落腳點(diǎn)”的重任—當(dāng)月球車離著陸點(diǎn)只有幾十公里時(shí)，它們將及時(shí)打開，以小于1米的精度，實(shí)時(shí)測量降落高度，其研制難度超過了嫦娥一號(hào)上的激光高度計(jì)。

　　2003年，時(shí)任中國探月工程首席科學(xué)家的歐陽自遠(yuǎn)院士找到中科院上海技術(shù)物理所，提出研制激光高度計(jì)的要求?；叵肫甬?dāng)時(shí)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(jì)還要能在200公里外，抓住月面反射回來的微弱激光信號(hào)，這就好比要不偏不倚地捕捉一大幅畫面中的一個(gè)光點(diǎn)。同時(shí)，上天的設(shè)備就怕能量大，可高度計(jì)的激光器瞬時(shí)功率高達(dá)30兆瓦。在地面上，這個(gè)功率能把幾米開外的鐵板打得直冒火花。

　　這一強(qiáng)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(tuán)隊(duì)終于交出了令人滿意的答卷。與此同時(shí)，一支年輕的團(tuán)隊(duì)也逐步成長起來。此次隨嫦娥三號(hào)上天的兩個(gè)激光儀器就是由當(dāng)年激光高度計(jì)團(tuán)隊(duì)帶出來的年輕博士黃庚華領(lǐng)銜研制的。