激光測(cè)距讓“嫦娥”遙而可及

趙漢斌

中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)1月22日晚在月球激光測(cè)距技術(shù)研究方面取得重大突破。研究團(tuán)隊(duì)利用1.2米望遠(yuǎn)鏡激光測(cè)距系統(tǒng)，多次成功探測(cè)到阿波羅15號(hào)月面反射器返回的激光脈沖信號(hào)，在國(guó)內(nèi)首次成功實(shí)現(xiàn)月球激光測(cè)距。

月球激光測(cè)距是通過(guò)精確測(cè)定激光脈沖從地面觀測(cè)站到月面反射器的往返時(shí)間，從而計(jì)算地月距離。這是一項(xiàng)綜合技術(shù)，它涵蓋激光、光電探測(cè)、自動(dòng)控制、空間軌道等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是目前地月距離測(cè)量精度最高的技術(shù)手段，其觀測(cè)資料對(duì)天文地球動(dòng)力學(xué)、地月系動(dòng)力學(xué)、月球物理學(xué)以及引力理論驗(yàn)證等諸多學(xué)科的研究有著重要的價(jià)值。

中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)應(yīng)用天文研究團(tuán)組長(zhǎng)期從事月球激光測(cè)距技術(shù)研究。據(jù)研究團(tuán)組副組長(zhǎng)、副研究員李語(yǔ)強(qiáng)介紹，此次測(cè)距是在提高了指向精度和跟蹤精度，改善了探測(cè)效率和光學(xué)傳輸效率，并進(jìn)行多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)后實(shí)現(xiàn)的。

李語(yǔ)強(qiáng)說(shuō)，從傳統(tǒng)技術(shù)看來(lái)，月球激光測(cè)距的主要難點(diǎn)在于共光路系統(tǒng)中激光發(fā)射和激光接收轉(zhuǎn)換，需要保證系統(tǒng)能正常發(fā)射激光，并接受回波信號(hào)；望遠(yuǎn)鏡跟蹤指向精度，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡指向精度為3秒時(shí)，指向月球時(shí)激光束的中心與月面反射器的間距最大可達(dá)6千米，而最大的月面反射器——阿波羅15號(hào)有效反射面積僅是3402平方厘米，這將直接影響到激光測(cè)月的成功。此外，激光光束質(zhì)量及光學(xué)系統(tǒng)效率，影響激光實(shí)際發(fā)射能量和質(zhì)量。

研究團(tuán)組針對(duì)以上問(wèn)題，自主研發(fā)了共光路月球激光測(cè)距系統(tǒng)用于收發(fā)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)鏡，很好地實(shí)現(xiàn)了光路收發(fā)轉(zhuǎn)換。研究團(tuán)組提出，可建立局部指向修正模型，以進(jìn)一步提高望遠(yuǎn)鏡的指向精度。他們利用沿月球軌道周圍一定數(shù)量的恒星，在每次激光測(cè)月前作局部指向修正模型改正，以保證在觀測(cè)目標(biāo)軌道區(qū)域內(nèi)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)角秒量級(jí)的高指向精度。2017年，中科院云南天文臺(tái)1.2米望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)升級(jí)改造后，提高了光學(xué)系統(tǒng)效率，為月球激光測(cè)距打下良好的基礎(chǔ)。此外，研究團(tuán)組還在微弱信號(hào)探測(cè)、數(shù)據(jù)處理等方面做了大量工作。

地月平均距離為384403.9千米。測(cè)距實(shí)驗(yàn)中，研究人員采取共光路工作方式，通過(guò)1.2米望遠(yuǎn)鏡激光測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)距，激光波長(zhǎng)為532納米，脈沖寬度為10納秒，頻率10赫茲，試驗(yàn)時(shí)，單脈沖能量為3.3焦耳。1月22日晚21時(shí)25分至22時(shí)31分，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)段顯示阿波羅15號(hào)反射器到測(cè)站的距離為385823.433千米至387119.600千米，測(cè)距精度優(yōu)于1米。

目前，國(guó)際上成功實(shí)現(xiàn)月球激光測(cè)距的國(guó)家僅有美國(guó)、法國(guó)和意大利。云南天文臺(tái)此次成功實(shí)現(xiàn)月球激光測(cè)距，填補(bǔ)了我國(guó)在月球激光測(cè)距領(lǐng)域的空白，將會(huì)為我國(guó)天琴計(jì)劃的實(shí)施提供測(cè)距技術(shù)支持。

[責(zé)任編輯：楊凡、于國(guó)奇]

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