激光測距讓“嫦娥”遙而可及

　　趙漢斌

　　中國科學(xué)院云南天文臺1月22日晚在月球激光測距技術(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)鏡激光測距系統(tǒng)，多次成功探測到阿波羅15號月面反射器返回的激光脈沖信號，在國內(nèi)首次成功實(shí)現(xiàn)月球激光測距。

　　月球激光測距是通過精確測定激光脈沖從地面觀測站到月面反射器的往返時間，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、自動控制、空間軌道等多個學(xué)科領(lǐng)域，是目前地月距離測量精度最高的技術(shù)手段，其觀測資料對天文地球動力學(xué)、地月系動力學(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值。

　　中國科學(xué)院云南天文臺應(yīng)用天文研究團(tuán)組長期從事月球激光測距技術(shù)研究。據(jù)研究團(tuán)組副組長、副研究員李語強(qiáng)介紹，此次測距是在提高了指向精度和跟蹤精度，改善了探測效率和光學(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。

　　李語強(qiáng)說，從傳統(tǒng)技術(shù)看來，月球激光測距的主要難點(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；望遠(yuǎn)鏡跟蹤指向精度，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡指向精度為3秒時，指向月球時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號有效反射面積僅是3402平方厘米，這將直接影響到激光測月的成功。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)組針對以上問題，自主研發(fā)了共光路月球激光測距系統(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，在每次激光測月前作局部指向修正模型改正，以保證在觀測目標(biāo)軌道區(qū)域內(nèi)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)角秒量級的高指向精度。2017年，中科院云南天文臺1.2米望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)升級改造后，提高了光學(xué)系統(tǒng)效率，為月球激光測距打下良好的基礎(chǔ)。此外，研究團(tuán)組還在微弱信號探測、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。測距實(shí)驗(yàn)中，研究人員采取共光路工作方式，通過1.2米望遠(yuǎn)鏡激光測距系統(tǒng)進(jìn)行測距，激光波長為532納米，脈沖寬度為10納秒，頻率10赫茲，試驗(yàn)時，單脈沖能量為3.3焦耳。1月22日晚21時25分至22時31分，實(shí)測數(shù)據(jù)段顯示阿波羅15號反射器到測站的距離為385823.433千米至387119.600千米，測距精度優(yōu)于1米。

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