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激光技术如何让嫦娥、玉兔实现“睁眼”落月?

导读:在本次嫦娥探月、玉兔巡视的过程中,激光技术发挥了至关重要的作用。中科院上海技术物理研究所王建宇院士团队负责研制的激光测距敏感器、激光三维成像敏感器,为本次“睁眼”落月的提供了重要支持,同为该团队研制的红外成像光谱仪则将进行后续的科学实验探测。


2019年1月3日上午10点26分,万众瞩目的的嫦娥四号稳稳地落在月球背面的冯·卡门撞击坑。11时40分,嫦娥四号着陆器通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图,这是人类探测器首次在月球背面拍摄的图片,揭开了古老月背的神秘面纱。15时7分,着陆器与巡视器开始分离,22时22分,玉兔二号巡视器驶抵月球表面。


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嫦娥四号着陆器拍摄的着陆点南侧月球背面图像
(图片来源:国家航天局)


在本次嫦娥探月、玉兔巡视的过程中,激光技术发挥了至关重要的作用。中科院上海技术物理研究所王建宇院士团队负责研制的激光测距敏感器、激光三维成像敏感器,为本次“睁眼”落月的提供了重要支持,同为该团队研制的红外成像光谱仪则将进行后续的科学实验探测。那么,这三种技术是如何发挥作用的呢?


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嫦娥四号探测器动力下降过程示意图
(图片来源:国家航天局)


激光测距技术:减速区与粗避障
当落月指令下达后,嫦娥四号着陆器在距离月面15千米高度时启动发动机开始减速并逐渐调整姿态,进入着陆准备阶段。此时王建宇院士团队研发的激光测距敏感器开始工作。当着陆器下降到距月面约8000米时,将在约2000米的距离内快速调整着陆姿态,开始垂直下降。激光测距敏感器也将随之切换测距方向,以使着陆器大致避开月球表面的障碍。
嫦娥四号携带的激光测距敏感器采用的是脉冲测距法,测距原理如下:激光测距敏感器每秒向月面发射两次激光脉冲,当发射的激光脉冲到达月球表面后,其反射回波脉冲信号又被敏感器接收。通过测量月面回波脉冲信号与激光发射脉冲信号的时间间隔,计算出嫦娥四号着陆器与月球表面的精确距离(光速和往返时间的乘积的一半),误差在0.2米内。测距仪同时记录激光往返的时间。


激光三维成像技术:悬停之后精确避障

在激光测距敏感器的指引下,嫦娥四号着陆器逐渐接近月球表面。当着陆器到达月面100米时,开始悬停,此时激光三维成像敏感器开始工作。激光三维成像敏感器在短短几秒内采集了月面的三维图像,精确识别出高于15厘米的石头或低于15厘米的坑,为着陆器锁定安全的落脚点。最后,在“着陆缓冲机构”的保护下,嫦娥四号稳稳地“飘落”在冯·卡门撞击坑上。从指令下达到平稳着陆,整个过程大约耗时10分钟。
激光三维成像技术是激光雷达技术的一个重要分支,是以激光测距技术的基础,结合图像处理、模式识别等技术,利用照射激光脉冲从探测场景中收集反射辐射线最终实现目标物体位置和外部细节的获取。我国在几个航天大国中较早地把激光三维成像技术用于月面着陆,目前应用非常成熟。


红外光谱技术:玉兔观察月球的眼睛
在嫦娥“睁眼”落月后,玉兔“玩耍”的时光即将到来。1月3日晚间,玉兔二号巡视器顺利抵达月球表面。玉兔身上携带了一个重量不到6千克的红外成像光谱仪,这双“眼睛”将随着玉兔的脚步观察月球,通过获取精细光谱信息来识别月壤及月面岩石的成分。


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着陆器地形地貌相机拍摄的玉兔二号在A点影像图
(图片来源:国家航天局)


红外光谱仪是利用物质对不同波长的红外辐射的吸收特性,进行分子结构和化学组成分析的仪器。红外光谱仪通常由光源,单色器,探测器和计算机处理信息系统组成。根据分光装置的不同,分为色散型和干涉型。对色散型双光路光学零位平衡红外分光光度计而言,当样品吸收了一定频率的红外辐射后,分子的振动能级发生跃迁,透过的光束中相应频率的光被减弱,造成参比光路与样品光路相应辐射的强度差,从而得到所测样品的红外光谱。


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点评:
本次嫦娥四号的登月,对整个世界的航天研究有着重要意义,不仅在国际上首次实现月球背面软着陆和巡视探测,还首次突破了地月拉格朗日L2点中继通信与探测、实现低频射电天文观测与研究等一批重大关键技术,实现了“七大创新”,开启了人类月球探测新篇章。
在本次任务中,我国科学家与荷兰、德国、瑞典、沙特开展了4项科学载荷方面的国际合作,而激光测距敏感器的激光光源、探测器、高压电源等核心元部件则均实现国产自研,并进一步提高了系统的集成化、轻量化程度。此外,自主研发的红外成像光谱仪不仅集成了最新的遥感技术,还成功实现轻小型化,综合性能优于欧美同类产品。
探月工程自2004年启动以来取得一个又一个突破,对我国月球及深空探测乃至航天事业的持续发展具有重大意义。实现人类首次在月球背面的软着陆,象征着中国在航天技术能力方面的提升,也标志着我国已经进入世界具有深空探测能力的国家行列。尽管在火星及其他星球的探测上我国技术积累尚有不足,但曙光已渐渐明朗。

来源:OFweek激光网