激光是什么？如何用激光測(cè)量地球？

激光是什么？

提起激光，大家可能會(huì)覺得它是一件可以毀天滅地的神器。但實(shí)際上，從超市里的掃描儀，到大家經(jīng)常用的激光打印機(jī)，都有激光的身影。這些激光技術(shù)與我們?cè)诤教焐嫌玫募す饧夹g(shù)，都是基于激光受激和放大的原理。

激光：受激輻射和放大

如上圖所示，大家可以把它簡(jiǎn)化成一個(gè)在火爐上加熱的水壺，我們從外部不斷地給腔體施加能量，里面的水蒸氣在沸騰，但是只有特定波長(zhǎng)和特定方向的光可以從這個(gè)水壺的噴嘴里面噴出來，這就是激光產(chǎn)生的比較通俗的解釋。經(jīng)過受激和放大之后，它所產(chǎn)生的光就有非常明顯的單色性、方向性和極高的亮度。

利用激光的特點(diǎn)，我們可以做很多事情。利用它良好的方向性，我們可以精確地移除眼球上的細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)分子級(jí)的操作。我們也可以在一瞬間把幾十束激光合在一起，產(chǎn)生比恒星內(nèi)部還要高的溫度和壓力，達(dá)到億度，去瞬間點(diǎn)燃人造的核聚變反應(yīng)。

在空間科學(xué)上，我們可以利用激光的單向性實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的星地通信，甚至還可以達(dá)到幾十萬公里量級(jí)的星地及對(duì)月通信。

從零開始的星載激光測(cè)高

我們激光測(cè)距技術(shù)在空間科學(xué)的應(yīng)用當(dāng)中屬于一個(gè)比較精細(xì)的分支。我們采用的原理是讓激光在十億分之一秒之內(nèi)，把大量的功率集中在一點(diǎn)同時(shí)發(fā)射，產(chǎn)生一個(gè)高能的激光脈沖，這個(gè)脈沖打到物體的表面之后就會(huì)反射。我們測(cè)量發(fā)射和接收脈沖之間的時(shí)間間隔，乘上光速就可以知道這個(gè)物體離我們的相對(duì)距離。

時(shí)間回到2003年，那個(gè)時(shí)候，美國(guó)在星載激光測(cè)高和對(duì)地觀測(cè)方面處于一個(gè)絕對(duì)的“霸主”地位。

我們可以看到，他們?cè)诤教祜w機(jī)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣層的氣溶膠垂直分布的激光測(cè)量，然后用ICESAT衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球兩極冰川高度的測(cè)量，甚至還在火星上面以激光的方式獲得了整個(gè)火星的三維地形圖。

在那個(gè)時(shí)候，中國(guó)的空間激光測(cè)量技術(shù)基本上還是處于一個(gè)空白的狀態(tài)。

從“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星研制立項(xiàng)開始，科學(xué)家們就提出，我們中國(guó)需要用激光的手段為月球生成一個(gè)精確的三維地形圖。這樣我們才能夠知道月球的大小、體積，為后續(xù)嫦娥二期的落月獲取理想的區(qū)域數(shù)據(jù)。

展示了我國(guó)第一臺(tái)自主研制的激光高度計(jì)的頭部的照片。當(dāng)初我們選擇方案時(shí)也考慮過，是否要從國(guó)外進(jìn)口一臺(tái)激光器。因?yàn)楫?dāng)時(shí)所有的材料，包括從激光器到探測(cè)器，再到整個(gè)技術(shù)，我們都沒有相應(yīng)的星載研制經(jīng)驗(yàn)。結(jié)果是可以，但是價(jià)格很貴，300萬美元一臺(tái)，不砍價(jià)，這個(gè)價(jià)格已經(jīng)遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)的預(yù)算價(jià)格，所以沒有辦法，我們只能自己做。

“嫦娥一號(hào)”在月球上飛行了一年多，獲取了900多萬個(gè)點(diǎn)的激光探測(cè)數(shù)據(jù)后，獲得了上圖所示的世界首張?jiān)虑虻哪媳眱蓸O三維地形圖。地形圖完整地顯示了月球的永久陰暗區(qū)和隕石坑的深度，以及它們分布的位置。

大家可以看到，有明顯的兩處區(qū)域是不一樣的，這得益于“嫦娥一號(hào)”的高精度和高分辨率的數(shù)據(jù)質(zhì)量。中國(guó)科學(xué)家把這兩座山分別命名為“玉兔”山和“桂樹”山，可見我們中國(guó)科學(xué)家的想象力還是非常豐富的。

到了2013年，我國(guó)已經(jīng)有6臺(tái)正在星上運(yùn)行的激光器，美國(guó)在這個(gè)時(shí)候依然處于世界霸主的地位。他們?cè)?009年發(fā)射了月球勘測(cè)器，能夠以0.5米的分辨率去拍攝阿波羅登月的遺跡，也可以看到月球車駛過的足跡。美國(guó)在2013年發(fā)射了塵埃探測(cè)器，它可以在月面上實(shí)現(xiàn)600多兆的星地的激光通信速率，這個(gè)速率我相信可能比不少人家里的網(wǎng)速都要快。

就這樣，在美國(guó)技術(shù)領(lǐng)先的領(lǐng)域里，我們的這顆種子慢慢的生根發(fā)芽，最后我們看到在“嫦娥三號(hào)”落月的時(shí)候，會(huì)發(fā)生非常驚艷的效果。

激光助力嫦娥落月

整個(gè)落月過程中，風(fēng)險(xiǎn)性最大的就是落月階段，而這也正是我們嫦娥二期的落月計(jì)劃中風(fēng)險(xiǎn)性最高的一個(gè)環(huán)節(jié)。美國(guó)的阿波羅登月是靠阿姆斯特朗人工操作飛船進(jìn)行人工著陸。阿姆斯特朗在地面訓(xùn)練的時(shí)候，從故障飛行器里面死里逃生。即便到了2019年，以色列和印度的航天器在飛躍了38萬公里之后，最后階段都在月面上撞得粉身碎骨。

中國(guó)的探月方案是這樣的。首先要有一個(gè)飛行器緩慢把速度降低的過程，降低速度的飛行器會(huì)在月球引力的吸引下逐漸靠近月面；當(dāng)我們飛到預(yù)定著陸器的表面時(shí)，我們會(huì)有一個(gè)非常快的90度翻身；翻身之后，整個(gè)著陸器會(huì)在緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)的作用下繼續(xù)往下落；最后，通過主動(dòng)避障的技術(shù)達(dá)到我們預(yù)定的落點(diǎn)。

中國(guó)的探月方案

在整個(gè)著陸器開始進(jìn)行月面下降時(shí)，就需要激光測(cè)距儀不間斷地提供飛行器與月面的相對(duì)高度，不能太早，也不能太晚。過快的降低速度會(huì)使整個(gè)著陸器前移，就有可能偏離當(dāng)時(shí)預(yù)設(shè)好的科學(xué)目標(biāo)。

激光測(cè)距儀所獲得的一條實(shí)時(shí)的月面高度變化的曲線。到了最后的緩降階段，就是整個(gè)落月階段最高潮的地方。

在這里，我們有一臺(tái)高速的激光三維成像雷達(dá)，它的作用就是在100米懸停的時(shí)候，快速地掃描整個(gè)著陸區(qū)的三維地形。在這個(gè)地形里面不能有隕石坑，不能有斜坡，連超過兩個(gè)拳頭大的石頭也不能有。否則，就有可能會(huì)造成整個(gè)著陸器的傾倒，或者月球車一出去就會(huì)被坑給卡住了。

這時(shí)，激光就會(huì)掃描出一個(gè)完整的月球著陸區(qū)域的三維圖，通過星載的計(jì)算機(jī)去實(shí)時(shí)選擇一個(gè)平坦的區(qū)域，讓整個(gè)著陸器安全著陸。

著陸器主動(dòng)避障

這幅影像反映出著陸器的避障過程。我們可以看到圖像有一個(gè)非常大的偏移，這就是著陸器根據(jù)激光數(shù)據(jù)進(jìn)行主動(dòng)避障的操作。

“玉兔號(hào)”月球車在駛出著陸器的時(shí)候，前面5米處就有一個(gè)深達(dá)數(shù)米的隕石坑。然后“玉兔”很輕松的出門，右轉(zhuǎn)，就避開了這個(gè)坑?！坝裢谩钡倪@個(gè)操作技術(shù)，我相信就是新手司機(jī)也可以應(yīng)付。

到了“嫦娥四號(hào)”，它的著陸區(qū)域只有“嫦娥三號(hào)”的二十分之一，但著陸風(fēng)險(xiǎn)卻比“嫦娥三號(hào)”更大。毫不夸張地說，這是一個(gè)在刀尖上跳舞的舞者。

“嫦娥四號(hào)”的著陸過程

我們可以看到，整個(gè)著陸器一開始是平飛的狀態(tài)，直到看見對(duì)面盆底的山丘之后，才有一個(gè)迅速的姿態(tài)變化和著陸的過程。然后，在布滿隕石坑的區(qū)域，整個(gè)著陸器正好落在5個(gè)隕石坑之間。

事后我們看這個(gè)地方的三維圖，它基本上是這個(gè)區(qū)域里面唯一能夠落下的安全區(qū)域。

到了2019年，我國(guó)的航天發(fā)射次數(shù)已經(jīng)連續(xù)超過了美國(guó)，達(dá)到史無前例的34次。

2018年，美國(guó)人又發(fā)射了第二代的冰川測(cè)量衛(wèi)星，它把激光對(duì)于地面的測(cè)量，從陸地推廣到了海洋的領(lǐng)域。

“墨子號(hào)”量子密鑰星地傳輸試驗(yàn)

我們也發(fā)展出了一條有我們自己特色的技術(shù)路線。除了傳統(tǒng)的激光三維和激光測(cè)距、測(cè)速的儀器之外，我們還實(shí)現(xiàn)了“墨子號(hào)”400公里量級(jí)的星地量子密鑰的傳輸和科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

在嫦娥三期落月過程當(dāng)中，我們?yōu)椤版隙鹞逄?hào)”提供了一個(gè)非常豪華的激光測(cè)量設(shè)備“全家桶”。上圖中離我們最近的是激光測(cè)距敏感器，它的右上方是激光測(cè)速敏感器，最后面是激光三維成像敏感器。激光測(cè)速敏感器使得“嫦娥五號(hào)”在落月的時(shí)候有精確的速度數(shù)據(jù)，我們?cè)谠虑蛏厦妗帮j車”的時(shí)候就不必?fù)?dān)心有超速的風(fēng)險(xiǎn)。

如何用激光測(cè)量地球？

探索完月球，我們的心始終還是朝向地球。我們知道，在激光測(cè)高領(lǐng)域，對(duì)地球測(cè)量的激光測(cè)高儀是整個(gè)技術(shù)皇冠上的一顆明珠。

它的難度在于，激光光束要飛行500公里并穿透大氣層，要探測(cè)到地面返回的微弱信號(hào)。第一這對(duì)激光的功率有非常強(qiáng)的要求，激光的指向精度要遠(yuǎn)超我們當(dāng)時(shí)嫦娥系列的激光測(cè)距儀。美國(guó)人當(dāng)時(shí)上天了3臺(tái)激光器，半年之內(nèi)壞了2臺(tái)，所以這個(gè)技術(shù)也是非常難的。

第二就是大口徑的光學(xué)技術(shù)。之前我們嫦娥系列的測(cè)量設(shè)備大概就是拳頭大的一個(gè)鏡頭，現(xiàn)在需要做0.6米口徑的鏡頭。只有更大口徑的鏡子，我們才能夠探測(cè)到更微弱的信號(hào)。

第三就是激光的指向技術(shù)。我要知道激光的精確落點(diǎn)，就好比是站在東方明珠塔上，我要知道我的激光落在下面條形碼上的第幾根，這樣我們才能夠給地球打上一個(gè)完整的激光測(cè)高的控制格網(wǎng)。

最后就是經(jīng)費(fèi)的支持。這一套系統(tǒng)單機(jī)的造價(jià)超過2個(gè)億，衛(wèi)星工程超過30個(gè)億。這么龐大的投入，在十幾年前是不可想象的。

我們當(dāng)時(shí)對(duì)600毫米口徑的激光接收光學(xué)進(jìn)行裝配的過程。我們選用了最硬的材料（碳化硅），它的硬度僅次于金剛石。即便如此，在鏡子的背面出現(xiàn)千分之一毫米不平的時(shí)候，我們依舊可以看到右圖中鏡子面形的變化。

經(jīng)過精密的修配，相機(jī)在拍攝500公里遠(yuǎn)的激光落點(diǎn)區(qū)域時(shí)，我們又遇到了困難。它是一個(gè)遠(yuǎn)視眼，看不清近處的物體，所以我們?cè)诘厍蛏厦?，找不?0公里以內(nèi)能夠讓它清晰成像的靶標(biāo)。

我們?cè)诘孛娼ㄔO(shè)了17米的平行光管。這根平行光管安裝在非常堅(jiān)固的鋼鐵平臺(tái)上，下面用氣浮進(jìn)行隔震，使得整個(gè)光學(xué)平臺(tái)可以過濾旁邊汽車和人走動(dòng)的震動(dòng)，避免影響我的相機(jī)。經(jīng)過室內(nèi)的測(cè)試之后，我們還拍攝了一個(gè)天體，即離我們最近的月球。右圖就是激光測(cè)高儀用落點(diǎn)區(qū)域的相機(jī)拍攝的月面的圖像。

之后我們還要做相應(yīng)的測(cè)試。就是在遇到雜光的時(shí)候，相機(jī)會(huì)產(chǎn)生很多的光暈，光暈會(huì)影響對(duì)地物的判別。所以我們除了設(shè)計(jì)仿真之外，還建了一個(gè)5米的光的暗室。在這個(gè)暗室里面，我們對(duì)各個(gè)方向的光進(jìn)行了相應(yīng)的激勵(lì)和測(cè)量。

接著，我們要進(jìn)行激光的回波采集。左圖是激光在發(fā)射的時(shí)候，它在空間分布的情況。激光碰到不同物體會(huì)產(chǎn)生非常豐富的回波信號(hào)，通過對(duì)回波信號(hào)的逐次提取，我們可以獲得樹頂、房頂，還有地面的高層差，這有利于我們繪制更精密的三維地形圖。

最后一步就是要承受太空惡劣的溫度環(huán)境。太空周圍的溫度是零下200多攝氏度，太陽照射的地方是零上100攝氏度，背陽面又是零下100攝氏度。我們需要在儀器外部包裹上厚厚的多層鋁膜，通過加熱片和內(nèi)部的熱管去進(jìn)行內(nèi)部熱量的管理工作。在發(fā)射之前，我們需要把它放到3米的罐子里面，把里面的空氣抽成真空，注入液氮模擬宇宙的低溫環(huán)境，看我們的設(shè)備和熱控是否能夠正常工作。

高七衛(wèi)星

經(jīng)歷了這些考驗(yàn)之后，我們的設(shè)備終于可以裝在我國(guó)首次發(fā)射的1：1萬立體測(cè)繪衛(wèi)星上。在衛(wèi)星上有兩個(gè)載荷，第一個(gè)載荷是雙線陣相機(jī)，它能夠以亞米級(jí)的高分辨率的影像去實(shí)現(xiàn)地面的相對(duì)高程的生成。

高七衛(wèi)星工作場(chǎng)景

第二個(gè)載荷激光測(cè)高儀就是給這幅圖打上控制點(diǎn)，讓這幅圖穩(wěn)穩(wěn)的貼在地球的表面上。

整顆衛(wèi)星已經(jīng)在軌運(yùn)行了一年多，在去年（2020年）的8月份通過了用戶的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收。用戶的驗(yàn)收非?？量蹋麄?cè)趦?nèi)蒙古草原的地面上鋪了3000多個(gè)靶標(biāo)，每個(gè)靶標(biāo)大概間隔5米。靶標(biāo)可以響應(yīng)從太空中打到地面上的激光光斑的能量，通過靶標(biāo)的響應(yīng)，我們可以繪制出激光在地面的準(zhǔn)確落點(diǎn)的位置，并且對(duì)這個(gè)高度測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)地的校核。

我在這里和大家分享一些我們所獲得的比較有意思的數(shù)據(jù)。

首先是我們比較熟悉的北京大興區(qū)域的機(jī)場(chǎng)。我們從激光的圖像中可以看到，激光光斑的紅點(diǎn)部分是落在機(jī)庫的屋檐上。

南極洲首軌高程剖面

其次，我們的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了對(duì)南極洲的首次測(cè)繪，獲得了從中山站到南極內(nèi)陸的高原的高層剖面曲線。

北美某平原區(qū)域

在不同的地方，我們除了看到平原，還能看到山丘，獲得了相應(yīng)測(cè)高的數(shù)據(jù)。

從上至下依次為表層散射、顆粒層散射和海底散射

最后，我們的激光測(cè)高領(lǐng)域還會(huì)進(jìn)一步拓展，之前是陸地，現(xiàn)在是海洋。我們通過激光在海水的表面、海底，以及海水的浮游顆粒的反射，獲得海水的深度信息和浮游生物的運(yùn)動(dòng)信息。

我們分別在上海和海南用無人機(jī)激光測(cè)探雷達(dá)所獲取的水面和水底的地形數(shù)據(jù)。從這方面來看，在未來我們有希望把激光探測(cè)的能力拓展到海洋。

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