激光测距和成像技术助力嫦娥三号精确着陆月球

2013-12-23 admin1 130

  激光高度计精确测距

  解放军电子工程学院教授胡以华研制的激光高度计,为嫦娥装上了“千里眼”,将助力嫦娥三号实时精确测距,准确抵达月球。

  大概在一周后,嫦娥将在月球软着陆。除了减震,实现月球软着陆的另一个关键,就是高度的控制。据了解,嫦娥三号在准备着陆前,会逐渐降低动力。因此,在落月过程中,要精确地测量嫦娥三号与月面的距离。当距月面只有几米高度时,将发出关机指令,关闭探测器的发动机。而这个关机指令的发出,是实现落月的关键动作。

  出生于怀宁的胡以华曾参与研制成功月球探测卫星激光高度计,实现了我国空间遥感激光探测技术与系统研制重大突破。从嫦娥一号开始,激光高度计就成为嫦娥的“千里眼”,还曾配合4D相机为月球绘制全世界第一张高分辨率主体成像图。胡以华介绍,软着陆必须实时精确测距,激光高度计能帮助嫦娥顺利登月。

  嫦娥三号任务是我国探月工程“绕、落、回”三步走中的第二步,是承前启后的关键一步。在“绕月”阶段,中科院上海技术物理所、上海光学精密机械所为嫦娥卫星研制了“激光眼”——激光高度计,为我国首幅全月面三维图提供了高程,相当于地球上的海拔高度。即使在无可见光的月面环境下,激光计也能“拍摄”自如。

  但比起距离月面一两百公里外的绕月,零距离接触的落月对激光测距精度和速度提出了极高要求。在我国探月初期,嫦娥卫星对月发射一束激光,在月面形成的“激光足印”约有120米方圆范围,而嫦娥三号激光测距的“足印”将小到米级,测量精度进一步提高,可实时监测嫦娥三号着陆器距离月面的高度。

  红外激光三维成像获取地形

  除了这束“大激光”,“嫦娥”还有一道灵敏度极高的“小激光”。当“嫦娥”向月面释放着陆器,着陆器将在接近月面时,通过激光三维成像,进一步 “观察地形”,获取正下方图像。如下方不适合降落,它就马上换一块地方,确保着陆点相对更为平坦。这种接近“现场直播”的实时成像需在数秒内完成,为此中科院上海技物所研制的三维成像系统采用了多源激光并扫、实时成像方法,这种实测方式是在着陆月球时首次应用。

  两只“激光眼”之外,“嫦娥”另有一只“红外眼”——红外成像光谱仪。这台仪器置于俗称“月球车”的月面巡视器上,当巡视器从着陆器中驶出,便开启这一关键探测设备。这只“眼睛”不但能在可见光范围获得上百个光学波段的图像,还能用来探索可见光之外的“光”,捕捉月球物质资源放出的红外线光谱。因为每种物质都有其独特的“红外图谱”,红外成像光谱仪以极高的光谱分辨率“拍摄”月表物质,并能通过计算机直接将物质分门别类。

  对于登月任务以及其后实施的返回任务,卫星发射重量越轻越好,因此“嫦娥”严格控制体重。相关项目负责人上海技物所研究员王建宇透露,此次星载的红外成像光谱仪只有5公斤多,是“嫦娥”3只眼中最轻的,而机载的同类光谱仪重量可达百公斤。今后,这种超轻型成像光谱仪器还能用于火星、小行星等更遥远的深空探测任务。

  作为我国著名的空间光电载荷专家,王建宇曾带领一个年轻的科研团队,研发出了激光高度计,搭载在嫦娥一号上,实现了中国人首次“为月球量身高”的梦想。2015年前后,我国将发射首颗量子科学实验卫星,上面将搭载星地量子通信设备,还是由他率队研制。

  著名空间光电载荷专家王建宇说,自己的梦想就是做出国家需要、却看似不可能的光电设备,让它们遨游太空,实现中国的航天梦。

  月球“照相机”瘦身到5公斤

  安装在嫦娥三号月球车“腹部”的红外成像光谱仪,就像一只敏锐的眼睛,将仔细察看月面的矿物组成—这可是王建宇的最新成果。它原先搭载在飞机上,“体重”超过100公斤,显然不适合上天。为此,王建宇带领团队绞尽脑汁,将它“瘦身”到5公斤左右,可以稳稳当当地装入一尺见方的盒子内,并采用了一系列创新技术,使它“目光”敏锐。现在,王建宇就期盼着月球车上的红外成像光谱仪能带回合格的图像。

  激光测距仪和激光三维成像仪则将承担起帮月球车寻找“落脚点”的重任—当月球车离着陆点只有几十公里时,它们将及时打开,以小于1米的精度,实时测量降落高度,其研制难度超过了嫦娥一号上的激光高度计。

  2003年,时任中国探月工程首席科学家的欧阳自远院士找到中科院上海技术物理所,提出研制激光高度计的要求。回想起当时情形,王建宇说他感到了从未有过的压力:大功率激光上天,国内从来没做过!

  这除了要克服真空、失重、高压等困难,激光高度计还要能在200公里外,抓住月面反射回来的微弱激光信号,这就好比要不偏不倚地捕捉一大幅画面中的一个光点。同时,上天的设备就怕能量大,可高度计的激光器瞬时功率高达30兆瓦。在地面上,这个功率能把几米开外的铁板打得直冒火花。

  这一强一弱之间,包含着无数难题。经过三年多攻关,王建宇团队终于交出了令人满意的答卷。与此同时,一支年轻的团队也逐步成长起来。此次随嫦娥三号上天的两个激光仪器就是由当年激光高度计团队带出来的年轻博士黄庚华领衔研制的。

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