激光高度計設(shè)計原理

人測量身高，需要一把卷尺;月球表面地形測"身高"，需要什么工具?科研人員解釋，他們的工具是--紅外激光。只要測量光束從衛(wèi)星"跑到"月球表面的時間和角度，科學(xué)家就能計算出某一點的相對高度。一個個點連起來，月球地形圖便躍然紙上。

這個激光高度計外型小巧、質(zhì)量輕盈，在距月球表面200公里的軌道上，測量地形精度達(dá)到5米，堪稱"小身材、大能量"。上海技術(shù)物理研究所所長王建宇研究員說，屆時"嫦娥一號"衛(wèi)星還將拍攝月球平面圖，加上相關(guān)"身高指標(biāo)"后，所有數(shù)據(jù)通過地面應(yīng)用系統(tǒng)處理，就可獲得一張月球表面三維"立體照片"。

月球表面主要有兩種地形，一種是由凝固熔巖構(gòu)成的盆地，科學(xué)家稱之為"月海"，其中最大的一個面積達(dá)500萬平方公里;另一種是星羅棋布、重重疊疊的環(huán)形山。此次上海科學(xué)家歷時兩年研制出的激光高度計初樣，便肩負(fù)對這些地形的"測高"任務(wù)。

激光高度計將跟隨"嫦娥一號"衛(wèi)星升空。"嫦娥一號"是中國第一顆繞月探測衛(wèi)星，預(yù)計在2007年前發(fā)射。其探測目標(biāo)包括獲取月球表面三維立體影像、分析月球表面有用元素含量及物質(zhì)類型分布特點，探測月球土壤厚度，觀測地球到月球間的空間環(huán)境等。

激光高度計可被安裝于飛機(jī)、衛(wèi)星等測試平臺上。它主要由激光發(fā)射模塊、激光接收模塊和數(shù)據(jù)處理模塊三部分組成。激光發(fā)射模塊發(fā)射出的激光首先被打到地面、洋面上的冰塊等探測目標(biāo)上，然后被目標(biāo)反射回飛機(jī)或衛(wèi)星等測試平臺上。激光接收模塊接收到反射回來的光信號，并把它轉(zhuǎn)換成為電信號。數(shù)據(jù)處理模塊會精確地測量出從激光發(fā)射到激光高度計接收到激光的時間，而這段時間就是激光在大氣中的傳輸時間，在這段時間內(nèi)，激光行走的路程是高度計與探測目標(biāo)間距離的兩倍。

根據(jù)光在空氣中的傳播速度，可以計算出這個距離的大小。再根據(jù)激光高度計的空中高度，就可以最終得到探測目標(biāo)的海拔高度。由于激光束具有較小的發(fā)散角，因此激光束打在目標(biāo)上會形成較小的光斑直徑，這使得激光高度計有很好的水平分辨率。如果我們高密度地獲得探測點，就能夠得到較精密的探測區(qū)域的地形圖。

美國科學(xué)家們在第一代和第二代火星探測器上都采用了這種激光高度計來獲得火星表面的地形分布圖。下圖是高度計在火星赤道上空測量獲得的火星表面地形圖。科學(xué)家們采用不同的顏色來標(biāo)定不同的高度，火星表面的地貌就簡潔形象地展現(xiàn)在我們面前。這無疑為人類探索宇宙提供了強(qiáng)有力的武器，也為火星探測器選定最佳著陸地點提供了有價值的資料。

現(xiàn)在，我國的航天科學(xué)家們正致力于第一階段"探月一號"衛(wèi)星的設(shè)計與研制。在深入分析、研究國際月球探測的發(fā)展和已取得成果的基礎(chǔ)上，有關(guān)專家結(jié)合我國月球探測的發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)基礎(chǔ)，經(jīng)過充分的論證，確定了第一階段"探月一號"衛(wèi)星的科學(xué)和應(yīng)用目標(biāo)。這其中，激光高度計將實現(xiàn)獲取衛(wèi)星下方月表地形高度數(shù)據(jù)的任務(wù)，服務(wù)于月球表面三維影像獲取的科學(xué)和應(yīng)用目標(biāo)。通過星上激光高度計測量衛(wèi)星到星下點月球表面的距離，為光學(xué)成像探測系統(tǒng)的立體成圖提供修正參數(shù);并通過地面應(yīng)用系統(tǒng)將距離數(shù)據(jù)與衛(wèi)星軌道參數(shù)、地月坐標(biāo)關(guān)系進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理，獲取衛(wèi)星星下點月表地形高度數(shù)據(jù)。

"探月一號"衛(wèi)星的工作階段分為發(fā)射軌道階段、轉(zhuǎn)移軌道階段和環(huán)月軌道階段。激光高度計在進(jìn)入環(huán)月軌道階段之前不工作，在進(jìn)入環(huán)月階段之后，不論月球表面是白天或黑夜，也不論衛(wèi)星處于正飛或側(cè)飛狀態(tài)，激光高度計長期開機(jī)工作。因此，此次的激光高度計的設(shè)計不僅要注重參數(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)，也要努力提高其工作穩(wěn)定性和持久性。

我國已將月球探測二、三工程列入我國中長期規(guī)劃中，月球探測第二期工程--"月球軟著陸與月球車巡視勘測"，對著陸區(qū)域進(jìn)行精細(xì)勘測,為第三期月球探測工程--"月球車巡視勘測與取樣返回" 打下堅實基礎(chǔ)，為月球基地的選址提供科學(xué)依據(jù)，為載人登月和月球基地的建設(shè)積累經(jīng)驗和技術(shù)。另外我國已開始著手火星和小行星探測的論證，激光高度計及相關(guān)技術(shù)將在上述工程項目中發(fā)揮作用。