嫦娥四號用到的激光技術有哪些

2019年1月3日上午10點26分,萬眾矚目的的嫦娥四號穩穩地落在月球背麵的馮·卡門撞擊坑。11時40分,嫦娥四號著陸器通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖,這是人類探測器首次在月球背麵拍攝的圖片,揭開了古老月背的神秘麵紗。15時7分,著陸器與巡視器開始分離,22時22分,玉兔二號巡視器駛抵月球表麵。



嫦娥四號著陸器拍攝的著陸點南側月球背麵圖像

(圖片來源:國家航天局)



在本次嫦娥探月、玉兔巡視的過程中,激光技術發揮了至關重要的作用。中科院上海技術物理研究所王建宇院士團隊負責研製的激光測距敏感器、激光三維成像敏感器,為本次“睜眼”落月的提供了重要支持,同為該團隊研製的紅外成像光譜儀則將進行後續的科學實驗探測。那麽,這三種技術是如何發揮作用的呢?



嫦娥四號探測器動力下降過程示意圖

(圖片來源:國家航天局)



激光測距技術:減速區與粗避障

當落月指令下達後,嫦娥四號著陸器在距離月麵15千米高度時啟動發動機開始減速並逐漸調整姿態,進入著陸準備階段。此時王建宇院士團隊研發的激光測距敏感器開始工作。當著陸器下降到距月麵約8000米時,將在約2000米的距離內快速調整著陸姿態,開始垂直下降。激光測距敏感器也將隨之切換測距方向,以使著陸器大致避開月球表麵的障礙。

嫦娥四號攜帶的激光測距敏感器采用的是脈衝測距法,測距原理如下:激光測距敏感器每秒向月麵發射兩次激光脈衝,當發射的激光脈衝到達月球表麵後,其反射回波脈衝信號又被敏感器接收。通過測量月麵回波脈衝信號與激光發射脈衝信號的時間間隔,計算出嫦娥四號著陸器與月球表麵的精確距離(光速和往返時間的乘積的一半),誤差在0.2米內。測距儀同時記錄激光往返的時間。



激光三維成像技術:懸停之後精確避障

在激光測距敏感器的指引下,嫦娥四號著陸器逐漸接近月球表麵。當著陸器到達月麵100米時,開始懸停,此時激光三維成像敏感器開始工作。激光三維成像敏感器在短短幾秒內采集了月麵的三維圖像,精確識別出高於15厘米的石頭或低於15厘米的坑,為著陸器鎖定安全的落腳點。最後,在“著陸緩衝機構”的保護下,嫦娥四號穩穩地“飄落”在馮·卡門撞擊坑上。從指令下達到平穩著陸,整個過程大約耗時10分鍾。

激光三維成像技術是激光雷達技術的一個重要分支,是以激光測距技術的基礎,結合圖像處理、模式識別等技術,利用照射激光脈衝從探測場景中收集反射輻射線最終實現目標物體位置和外部細節的獲取。我國在幾個航天大國中較早地把激光三維成像技術用於月麵著陸,目前應用非常成熟。



紅外光譜技術:玉兔觀察月球的眼睛

在嫦娥“睜眼”落月後,玉兔“玩耍”的時光即將到來。1月3日晚間,玉兔二號巡視器順利抵達月球表麵。玉兔身上攜帶了一個重量不到6千克的紅外成像光譜儀,這雙“眼睛”將隨著玉兔的腳步觀察月球,通過獲取精細光譜信息來識別月壤及月麵岩石的成分。



 

著陸器地形地貌相機拍攝的玉兔二號在A點影像圖

(圖片來源:國家航天局)



紅外光譜儀是利用物質對不同波長的紅外輻射的吸收特性,進行分子結構和化學組成分析的儀器。紅外光譜儀通常由光源,單色器,探測器和計算機處理信息係統組成。根據分光裝置的不同,分為色散型和幹涉型。對色散型雙光路光學零位平衡紅外分光光度計而言,當樣品吸收了一定頻率的紅外輻射後,分子的振動能級發生躍遷,透過的光束中相應頻率的光被減弱,造成參比光路與樣品光路相應輻射的強度差,從而得到所測樣品的紅外光譜。



 

點評:

本次嫦娥四號的登月,對整個世界的航天研究有著重要意義,不僅在國際上首次實現月球背麵軟著陸和巡視探測,還首次突破了地月拉格朗日L2點中繼通信與探測、實現低頻射電天文觀測與研究等一批重大關鍵技術,實現了“七大創新”,開啟了人類月球探測新篇章。

在本次任務中,我國科學家與荷蘭、德國、瑞典、沙特開展了4項科學載荷方麵的國際合作,而激光測距敏感器的激光光源、探測器、高壓電源等核心元部件則均實現國產自研,並進一步提高了係統的集成化、輕量化程度。此外,自主研發的紅外成像光譜儀不僅集成了最新的遙感技術,還成功實現輕小型化,綜合性能優於歐美同類產品。

探月工程自2004年啟動以來取得一個又一個突破,對我國月球及深空探測乃至航天事業的持續發展具有重大意義。實現人類首次在月球背麵的軟著陸,象征著中國在航天技術能力方麵的提升,也標誌著我國已經進入世界具有深空探測能力的國家行列。盡管在火星及其他星球的探測上我國技術積累尚有不足,但曙光已漸漸明朗。



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