激光是什么？

提起激光，大家可能會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)與我們在航天上用的激光技術(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，里面的水蒸氣在沸騰，但是只有特定波長和特定方向的光可以從這個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)到幾十萬公里量級的星地及對月通信。

從零開始的星載激光測高

我們激光測距技術(shù)在空間科學(xué)的應(yīng)用當(dāng)中屬于一個比較精細(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)同時發(fā)射，產(chǎn)生一個高能的激光脈沖，這個脈沖打到物體的表面之后就會反射。我們測量發(fā)射和接收脈沖之間的時間間隔，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，那個時候，美國在星載激光測高和對地觀測方面處于一個絕對的“霸主”地位。

我們可以看到，他們在航天飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)了對大氣層的氣溶膠垂直分布的激光測量，然后用ICESAT衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了對地球兩極冰川高度的測量，甚至還在火星上面以激光的方式獲得了整個火星的三維地形圖。

在那個時候，中國的空間激光測量技術(shù)基本上還是處于一個空白的狀態(tài)。

從“嫦娥一號”衛(wèi)星研制立項開始，科學(xué)家們就提出，我們中國需要用激光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)。

展示了我國第一臺自主研制的激光高度計的頭部的照片。當(dāng)初我們選擇方案時也考慮過，是否要從國外進(jìn)口一臺激光器。因為當(dāng)時所有的材料，包括從激光器到探測器，再到整個技術(shù)，我們都沒有相應(yīng)的星載研制經(jīng)驗。結(jié)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(jīng)遠(yuǎn)超當(dāng)時的預(yù)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(diǎn)的激光探測數(shù)據(jù)后，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(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”的高精度和高分辨率的數(shù)據(jù)質(zhì)量。中國科學(xué)家把這兩座山分別命名為“玉兔”山和“桂樹”山，可見我們中國科學(xué)家的想象力還是非常豐富的。

到了2013年，我國已經(jīng)有6臺正在星上運(yùn)行的激光器，美國在這個時候依然處于世界霸主的地位。他們在2009年發(fā)射了月球勘測器，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。美國在2013年發(fā)射了塵埃探測器，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”落月的時候，會發(fā)生非常驚艷的效果。

激光助力嫦娥落月

整個落月過程中，風(fēng)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(fēng)險性最高的一個環(huán)節(jié)。美國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(dāng)我們飛到預(yù)定著陸器的表面時，我們會有一個非常快的90度翻身；翻身之后，整個著陸器會在緩沖發(fā)動機(jī)的作用下繼續(xù)往下落；最后，通過主動避障的技術(shù)達(dá)到我們預(yù)定的落點(diǎn)。

中國的探月方案

在整個著陸器開始進(jìn)行月面下降時，就需要激光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(dāng)時預(yù)設(shè)好的科學(xué)目標(biāo)。

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

在這里，我們有一臺高速的激光三維成像雷達(dá)，它的作用就是在100米懸停的時候，快速地掃描整個著陸區(qū)的三維地形。在這個地形里面不能有隕石坑，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。

這時，激光就會掃描出一個完整的月球著陸區(qū)域的三維圖，通過星載的計算機(jī)去實(shí)時選擇一個平坦的區(qū)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。我們可以看到圖像有一個非常大的偏移，這就是著陸器根據(jù)激光數(shù)據(jù)進(jìn)行主動避障的操作。

“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(dá)數(shù)米的隕石坑。然后“玉兔”很輕松的出門，右轉(zhuǎn)，就避開了這個坑。“玉兔”的這個操作技術(shù)，我相信就是新手司機(jī)也可以應(yīng)付。

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

“嫦娥四號”的著陸過程

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

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

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

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

“墨子號”量子密鑰星地傳輸試驗

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距、測速的儀器之外，我們還實(shí)現(xiàn)了“墨子號”400公里量級的星地量子密鑰的傳輸和科學(xué)實(shí)驗。

在嫦娥三期落月過程當(dāng)中，我們?yōu)椤版隙鹞逄枴碧峁┝艘粋€非常豪華的激光測量設(shè)備“全家桶”。上圖中離我們最近的是激光測距敏感器，它的右上方是激光測速敏感器，最后面是激光三維成像敏感器。激光測速敏感器使得“嫦娥五號”在落月的時候有精確的速度數(shù)據(jù)，我們在月球上面“飆車”的時候就不必?fù)?dān)心有超速的風(fēng)險。

如何用激光測量地球？

探索完月球，我們的心始終還是朝向地球。我們知道，在激光測高領(lǐng)域，對地球測量的激光測高儀是整個技術(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，要探測到地面返回的微弱信號。第一這對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)時嫦娥系列的激光測距儀。美國人當(dāng)時上天了3臺激光器，半年之內(nèi)壞了2臺，所以這個技術(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量設(shè)備大概就是拳頭大的一個鏡頭，現(xiàn)在需要做0.6米口徑的鏡頭。只有更大口徑的鏡子，我們才能夠探測到更微弱的信號。

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完整的激光測高的控制格網(wǎng)。

最后就是經(jīng)費(fèi)的支持。這一套系統(tǒng)單機(jī)的造價超過2個億，衛(wèi)星工程超過30個億。這么龐大的投入，在十幾年前是不可想象的。

我們當(dāng)時對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，我們又遇到了困難。它是一個遠(yuǎn)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(nèi)能夠讓它清晰成像的靶標(biāo)。

我們在地面建設(shè)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(jìn)行隔震，使得整個光學(xué)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(jī)。經(jīng)過室內(nèi)的測試之后，我們還拍攝了一個天體，即離我們最近的月球。右圖就是激光測高儀用落點(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)的測試。就是在遇到雜光的時候，相機(jī)會產(chǎn)生很多的光暈，光暈會影響對地物的判別。所以我們除了設(shè)計仿真之外，還建了一個5米的光的暗室。在這個暗室里面，我們對各個方向的光進(jìn)行了相應(yīng)的激勵和測量。

接著，我們要進(jìn)行激光的回波采集。左圖是激光在發(fā)射的時候，它在空間分布的情況。激光碰到不同物體會產(chǎn)生非常豐富的回波信號，通過對回波信號的逐次提取，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)歷了這些考驗之后，我們的設(shè)備終于可以裝在我國首次發(fā)射的1：1萬立體測繪衛(wèi)星上。在衛(wèi)星上有兩個載荷，第一個載荷是雙線陣相機(jī)，它能夠以亞米級的高分辨率的影像去實(shí)現(xiàn)地面的相對高程的生成。

高七衛(wèi)星工作場景

第二個載荷激光測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)場驗收。用戶的驗收非常苛刻，他們在內(nèi)蒙古草原的地面上鋪了3000多個靶標(biāo)，每個靶標(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，并且對這個高度測量的數(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。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)了對南極洲的首次測繪，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，我們的激光測高領(lǐng)域還會進(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)動信息。

我們分別在上海和海南用無人機(jī)激光測探雷達(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的能力拓展到海洋。

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