在月球“飆車”不怕超速，全靠這套鐳射測量裝置 “全家桶”
從超市裡的掃描器，到大家經常用的鐳射印表機，都使用了鐳射技術。利用鐳射良好的方向性，可以精確移除眼球上的細胞。在空間科學上，利用鐳射的單向性，我們甚至能實現遠距離的星地通訊。由於進口的鐳射器價格太高，儘管中國空間鐳射測量技術處於空白狀態，但是我們仍然選擇自主研發，如今可以進行鐳射的回波採集，還能忍受太空惡劣的溫度環境。中國的探月方案是怎麼樣的？鐳射測距儀有什麼用？鐳射如何助力嫦娥落月？
出品：格致論道講壇
以下內容為中國科學院上海技術物理研究所研究員黃庚華演講實錄：
大家好，我叫
黃庚華
，來自中國科學院上海技術物理研究所。我們所長期從事紅外、鐳射、光譜類的航天載荷的研製工作，先後誕生了9名兩院院士。
我個人的研究方向主要是以鐳射作為載體，進行鐳射測距等相關技術的研究，為我國的嫦娥、高分等系列工程提供高水平的鐳射測距、鐳射測速和三維成像等專業的導航裝置。
很高興能夠和大家一起分享我和我的團隊的故事。
鐳射是什麼？
提起鐳射，大家可能會覺得它是一件可以毀天滅地的神器。但實際上，從超市裡的掃描器，到大家經常用的鐳射印表機，都有鐳射的身影。這些鐳射技術與我們在航天上用的鐳射技術，都是基於
鐳射受激和放大
的原理。
如上圖所示，大家可以把它簡化成一個在火爐上加熱的水壺，我們從外部不斷地給腔體施加能量，裡面的水蒸氣在沸騰，但是隻有特定波長和特定方向的光可以從這個水壺的噴嘴裡面噴出來，這就是鐳射產生的比較通俗的解釋。
經過受激和放大之後，它所產生的光就有非常明顯的單色性、方向性和極高的亮度。
利用鐳射的特點，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胞，實現分子級的操作。我們也可以在一瞬間把幾十束激光合在一起，產生比恆星內部還要高的溫度和壓力，達到億度，去瞬間點燃人造的核聚變反應。
在空間科學上，我們可以利用鐳射的單向性實現遠距離的星地通訊，甚至還可以達到幾十萬公里量級的星地及對月通訊。
從零開始的星載鐳射測高
我們鐳射測距技術在空間科學的應用當中屬於一個比較精細的分支。我們採用的原理是讓鐳射在十億分之一秒之內，把大量的功率集中在一點同時發射，產生一個高能的鐳射脈衝，這個脈衝打到物體的表面之後就會反射。
我們測量發射和接收脈衝之間的時間間隔，乘上光速就可以知道這個物體離我們的相對距離。
時間回到2003年，我剛剛進入中科院上海技物所，開始我的研究生學術生涯。在那個時候，美國在星載鐳射測高和對地觀測方面處於一個絕對的“霸主”地位。
我們可以看到，他們在太空梭上實現了對大氣層的氣溶膠垂直分佈的鐳射測量，然後用ICESAT衛星實現了對地球兩極冰川高度的測量，甚至還在火星上面以鐳射的方式獲得了整個火星的三維地形圖。
在那個時候，中國的空間鐳射測量技術基本上還是處於一個空白的狀態。
從“嫦娥一號”衛星研製立項開始，科學家們就提出，我們中國需要用鐳射的手段為月球生成一個精確的三維地形圖。這樣我們才能夠知道月球的大小、體積，為後續嫦娥二期的落月獲取理想的區域資料。
右圖展示了我國第一臺自主研製的鐳射高度計的頭部的照片。
當初我們選擇方案時也考慮過，是否要從國外進口一臺鐳射器。因為當時所有的材料，包括從鐳射器到探測器，再到整個技術，我們都沒有相應的星載研製經驗。結果是可以，但是價格很貴，300萬美元一臺，不砍價，這個價格已經遠超當時的預算價格，所以沒有辦法，我們只能自己做。
“嫦娥一號”在月球上飛行了一年多，獲取了900多萬個點的鐳射探測資料後，獲得了上圖所示的世界首張月球的南北兩極三維地形圖。
地形圖完整地顯示了月球的永久陰暗區和隕石坑的深度，以及它們分佈的位置。
“嫦娥一號”月面三維圖（2009）（左）和美國“克萊門汀”月面三維圖（1994）（右）
這張圖是一個比較有意思的對比圖。
左圖是“嫦娥一號”在2009年獲得的月面三維圖，右圖是美國1994年“克萊門汀號”所獲得的月球三維圖。
大家可以看到，影象的左邊，有明顯的兩處區域是不一樣的，這得益於
“嫦娥一號”的高精度和高解析度的資料質量
。中國科學家把這兩座山分別命名為
“玉兔”山和“桂樹”山
，可見我們中國科學家的想象力還是非常豐富的。
美國的月球勘測軌道飛行器（左）和中國的“嫦娥二號”衛星鐳射高度計（右）
到了2013年，我國已經有6臺正在星上執行的鐳射器，美國在這個時候依然處於世界霸主的地位。他們在2009年發射了
月球勘測器
，能夠以0。5米的解析度去拍攝阿波羅登月的遺蹟，也可以看到月球車駛過的足跡。美國在2013年發射了
塵埃探測器
，它可以在月面上實現600多兆的星地的鐳射通訊速率，這個速率我相信可能比不少人家裡的網速都要快。
就這樣，在美國技術領先的領域裡，我們的這顆種子慢慢的生根發芽，最後我們看到在“嫦娥三號”落月的時候，會發生非常驚豔的效果。
阿波羅11號（左）和地面訓練飛行器（右）
鐳射助力嫦娥落月
整個落月過程中，風險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劃中風險性最高的一個環節。
美國的阿波羅登月是靠阿姆斯特朗人工操作飛船進行人工著陸。阿姆斯特朗在地面訓練的時候，從故障飛行器裡面死裡逃生。即便到了去年，以色列和印度的航天器在飛躍了38萬公里之後，最後階段都在月面上撞得粉身碎骨。
中國的探月方案是這樣的。
首先要有一個飛行器緩慢把速度降低的過程，降低速度的飛行器會在月球引力的吸引下逐漸靠近月面；當我們飛到預定著陸器的表面時，我們會有一個非常快的90度翻身；翻身之後，整個著陸器會在緩衝發動機的作用下繼續往下落；最後，透過主動避障的技術達到我們預定的落點。
在整個著陸器開始進行月面下降時，就需要鐳射測距儀不間斷地提供飛行器與月面的相對高度，不能太早，也不能太晚。
過快的降低速度會使整個著陸器前移，就有可能偏離當時預設好的科學目標。
鐳射測距敏感器（35km-8m）（左）和落月高度曲線（右）
右圖中的曲線就是鐳射測距儀所獲得的一條實時的月面高度變化的曲線。到了最後的緩降階段，就是整個落月階段最高潮的地方。
鐳射三維成像敏感器（100m）
在這裡，我們有一臺高速的
鐳射三維成像雷達
，它的作用就是在100米懸停的時候，快速地掃描整個著陸區的三維地形。在這個地形裡面不能有隕石坑，不能有斜坡，連超過兩個拳頭大的石頭也不能有。否則，就有可能會造成整個著陸器的傾倒，或者月球車一出去就會被坑給卡住了。
著陸器安全著陸模擬動畫
這時，鐳射就會掃描出一個完整的月球著陸區域的三維圖，透過星載的計算機去實時選擇一個平坦的區域，讓整個著陸器安全著陸。
著陸器主動避障
這幅影像反映出著陸器的避障過程。我們可以看到影象有一個非常大的偏移，這就是
著陸器根據鐳射資料進行主動避障
的操作。
激光采集的三維地形圖（左）和“玉兔號”月球車的行車軌跡（右）
左圖是鐳射三維所採集到的地面三維影像。從右圖中可以看到，
“玉兔號”月球車
在駛出著陸器的時候，前面5米處就有一個深達數米的隕石坑。然後“玉兔”很輕鬆的出門，右轉，就避開了這個坑。“玉兔”的這個操作技術，我相信就是新手司機也可以應付。
到了“嫦娥四號”，它的著陸區域只有“嫦娥三號”的二十分之一，但著陸風險卻比“嫦娥三號”更大。毫不誇張地說，這是一個在刀尖上跳舞的舞者。
“嫦娥四號”的著陸過程
我們從上圖中的動作可以看到，整個著陸器一開始是平飛的狀態，直到看見對面盆底的山丘之後，才有一個迅速的姿態變化和著陸的過程。然後，在佈滿隕石坑的區域，整個著陸器正好落在5個隕石坑之間。
“嫦娥四號”的適宜著陸區
事後我們看這個地方的三維圖，它基本上是這個區域裡面唯一能夠落下的安全區域。
到了2019年，我國的航天發射次數已經連續超過了美國，達到史無前例的34次。
美國的ICESAT-2冰川測量衛星（左），它的測量範圍兼具淺海
2018年，美國人又發射了第二代的冰川測量衛星，它把鐳射對於地面的測量，從陸地推廣到了海洋的領域。
“墨子號”量子金鑰星地傳輸試驗
我們也發展出了一條有我們自己特色的技術路線。
除了傳統的鐳射三維和鐳射測距、測速的儀器之外，我們還實現了“墨子號”400公里量級的星地量子金鑰的傳輸和科學實驗。
“嫦娥五號”鐳射測距、測速、三維成像全家福
在嫦娥三期落月過程當中，我們為“嫦娥五號”提供了一個非常豪華的鐳射測量裝置“全家桶”。
上圖中離我們最近的是
鐳射測距敏感器
，它的右上方是
鐳射測速敏感器
，最後面是
鐳射三維成像敏感器
。鐳射測速敏感器使得“嫦娥五號”在落月的時候有精確的速度資料，我們在月球上面“飆車”的時候就不必擔心有超速的風險。
如何用鐳射測量地球？
探索完月球，我們的心始終還是朝向地球。我們知道，
在鐳射測高領域，對地球測量的鐳射測高儀是整個技術皇冠上的一顆明珠。
它的難度在於，鐳射光束要飛行500公里並穿透大氣層，要探測到地面返回的微弱訊號。
第一
這對鐳射的功率有非常強的要求，
鐳射的指向精度要遠超我們當時嫦娥系列的鐳射測距儀。美國人當時上天了3臺鐳射器，半年之內壞了2臺，所以這個技術也是非常難的。
第二就是大口徑的光學技術。
之前我們嫦娥系列的測量裝置大概就是拳頭大的一個鏡頭，現在需要做0。6米口徑的鏡頭。只有更大口徑的鏡子，我們才能夠探測到更微弱的訊號。
第三就是鐳射的指向技術。
我要知道鐳射的精確落點，就好比是站在東方明珠塔上，我要知道我的鐳射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完整的鐳射測高的控制格網。
最後就是經費的支援。
這一套系統單機的造價超過2個億，衛星工程超過30個億。這麼龐大的投入，在十幾年前是不可想象的。
安裝面修磨（左），鏡片裝配（中）和鏡面微小起伏（右）
這張圖顯示出我們當時對600毫米口徑的鐳射接收光學進行裝配的過程。
我們選用了最硬的材料（碳化矽），它的硬度僅次於金剛石。即便如此，在鏡子的背面出現千分之一毫米不平的時候，我們依舊可以看到右圖中鏡子面形的變化。
經過精密的修配，相機在拍攝500公里遠的鐳射落點區域時，我們又遇到了困難。
它是一個遠視眼，看不清近處的物體，所以我們在地球上面，找不到10公里以內能夠讓它清晰成像的靶標。
平行光管測試（左）和相機在鐳射落點區域拍攝的月面（右）
我們在地面建設了17米的平行光管。這根平行光管安裝在非常堅固的鋼鐵平臺上，下面用氣浮進行隔震，使得整個光學平臺可以過濾旁邊汽車和人走動的震動，避免影響我的相機。經過室內的測試之後，我們還拍攝了一個天體，即離我們最近的月球。右圖就是鐳射測高儀用落點區域的相機拍攝的月面的影象。
雜散光產生的光暈（左）和模擬光多角度照射（右）
之後我們還要做相應的測試。
左圖就是在遇到雜光的時候，相機會產生很多的光暈，光暈會影響對地物的判別。
所以我們除了設計模擬之外，還建了一個5米的光的暗室。
在這個暗室裡面，我們對各個方向的光進行了相應的激勵和測量。
鐳射能量分佈（左），模擬地物間隔（中）和回波波形分解（右）
接著，我們要進行鐳射的回波採集。左圖是鐳射在發射的時候，它在空間分佈的情況。
鐳射碰到不同物體會產生非常豐富的回波訊號
，透過對回波訊號的逐次提取，我們可以獲得樹頂、房頂，還有地面的高層差，這有利於我們繪製更精密的三維地形圖。
裝置轉運（左）和熱控實施（右）
最後一步就是要承受太空惡劣的溫度環境。
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，透過加熱片和內部的熱管去進行內部熱量的管理工作。在發射之前，我們需要把它放到3米的罐子裡面，把裡面的空氣抽成真空，注入液氮模擬宇宙的低溫環境，看我們的裝置和熱控是否能夠正常工作。
高七衛星
經歷了這些考驗之後，我們的裝置終於可以裝在我國首次發射的1：1萬立體測繪衛星上。
在衛星上有兩個載荷，第一個載荷是雙線陣相機，它能夠以亞米級的高解析度的影像去實現地面的相對高程的生成。
高七衛星工作場景
第二個載荷鐳射測高儀就是給這幅圖打上控制點，讓這幅圖穩穩的貼在地球的表面上。
高程精度標定場（左）和鐳射落點能量分佈圖（右）
整顆衛星已經在軌運行了一年多，在去年的8月份通過了使用者的現場驗收。使用者的驗收非常苛刻，他們在內蒙古草原的地面上鋪了3000多個靶標，每個靶標大概間隔5米。靶標可以響應從太空中打到地面上的鐳射光斑的能量，透過靶標的響應，我們可以繪製出鐳射在地面的準確落點的位置，並且對這個高度測量的資料進行實地的校核。
我在這裡和大家分享一些我們所獲得的比較有意思的資料。
大興國際機場落點區域影像（左）和機庫區域鐳射回波波形（右）
首先是我們比較熟悉的
北京大興區域的機場
。我們從鐳射的影象中可以看到，
鐳射光斑的紅點部分是落在機庫的屋簷上。
南極洲首軌高程剖面
其次，我們的衛星實現了對南極洲的首次測繪，獲得了從中山站到南極內陸的高原的高層剖面曲線。
北美某平原區域
在不同的地方，我們除了看到平原，還能看到山丘，獲得了相應測高的資料。
從上至下依次為表層散射、顆粒層散射和海底散射
最後，我們的鐳射測高領域還會進一步拓展，之前是陸地，現在是海洋。我們透過鐳射在海水的表面、海底，以及海水的浮游顆粒的反射，獲得海水的深度資訊和浮游生物的運動資訊。
上海海洋大學景觀湖的地形資料（左）海南石梅灣的地形資料
上圖是我們分別在上海和海南用無人機鐳射測探雷達所獲取的水面和水底的地形資料。從這方面來看，在未來我們有希望把鐳射探測的能力拓展到海洋。
玉兔一號
最後我想以這張圖片作為我本次分享的結尾。
這張圖片是“玉兔一號”在駛出著陸區之前轉身回眸，被著陸器拍攝的最後一張照片。
在拍完這張照片之後，它將獨自一個人踏上漫漫的月球征程。歷經百年，不忘初心，我們要繼續前進，繼續探索未知的宇宙。以上就是我的分享，謝謝大家！
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