劉振宇 楊正清

【摘 要】本文首先從激光測(cè)距原理、激光測(cè)距儀、激光測(cè)距衛(wèi)星和激光測(cè)距系統(tǒng)四個(gè)方面闡述了激光測(cè)距技術(shù)相關(guān)內(nèi)容，重點(diǎn)介紹了激光測(cè)月技術(shù)中的觀測(cè)模型改正和應(yīng)用激光測(cè)月數(shù)據(jù)進(jìn)行的科學(xué)研究與應(yīng)用，并對(duì)我國(guó)開展激光測(cè)月工作提出了建議與展望。

【關(guān)鍵詞】激光；激光測(cè)月；激光測(cè)距；探月工程

1引言

激光LASER（Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation）是指受激發(fā)射的光放大產(chǎn)生的輻射。當(dāng)激光工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)時(shí)，由自發(fā)輻射而產(chǎn)生的光子將引起其它原子受激躍遷，從而使光得到受激放大。在光學(xué)諧振腔內(nèi)沿著腔軸方向傳播的光被安置在兩端的反射鏡反射而往返傳播，在此過程中不斷引起其它原子受激躍遷，產(chǎn)生同頻率的光子，使光迅速放大。而與腔軸不平行的光則在往返幾次后逸出腔外，從而形成方向性極好的激光。因此激光具有定向發(fā)、光亮度極高、顏色極純和能量密度極大等特點(diǎn)，基于這些特點(diǎn)，激光測(cè)距技術(shù)開始被人們所重視。

2 激光測(cè)距技術(shù)

2.1 激光測(cè)距原理

激光測(cè)距的基本原理是：由激光器對(duì)被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)激光信號(hào)，射向目標(biāo)的激光信號(hào)碰到目標(biāo)后被反射回來(lái)，由于光的傳播速度是已知的，所以只要通過測(cè)量信號(hào)往返經(jīng)過的時(shí)間，就可以計(jì)算出目標(biāo)的距離。簡(jiǎn)單的公式表示為：

其中，L為激光器與目標(biāo)之間的距離，單位為m； 為激光信號(hào)往返所用時(shí)間，單位為s；c為激光在空氣中的傳播速度（3×108m/s）。

2.2 激光測(cè)距儀

激光測(cè)距儀正是基于激光測(cè)距技術(shù)的測(cè)量?jī)x器。根據(jù)測(cè)量時(shí)間的方法不同，激光測(cè)距儀從原理上分為脈沖式激光測(cè)距儀和相位式激光測(cè)距儀。

脈沖式激光測(cè)距儀是直接測(cè)定儀器所發(fā)射的脈沖信號(hào)往返于被測(cè)距離的傳播時(shí)間而得到距離值的。

相位式激光測(cè)距儀的工作原理為：測(cè)距儀由激光器發(fā)出按某一頻率f變化的正弦調(diào)制光波，光波的強(qiáng)度變化規(guī)律與光源的驅(qū)動(dòng)電源的變化完全相同，發(fā)出的光波到達(dá)被測(cè)目標(biāo)，通常這種測(cè)距儀都配置了被稱為合作目標(biāo)的反射鏡，這塊反射鏡能把入射光束反射回去，而且保證反射光的方向與入射光方向完全一致。在儀器的接收端獲得調(diào)制光波的回波，經(jīng)鑒相和光電轉(zhuǎn)換后，得到與接收到的光波調(diào)制頻率相位完全相同的電信號(hào)。此電信號(hào)放大后與光源的驅(qū)動(dòng)電壓相比較，測(cè)得兩個(gè)正弦電壓的相位差，根據(jù)所測(cè)相位差就可算得所測(cè)距離。

2.3 激光測(cè)距衛(wèi)星

激光測(cè)距衛(wèi)星是指安裝了后向反射棱鏡，可對(duì)其進(jìn)行激光測(cè)距的衛(wèi)星，也稱為人衛(wèi)激光觀測(cè)衛(wèi)星。隨著時(shí)代和科技的進(jìn)步，激光衛(wèi)星由當(dāng)初幾顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展到現(xiàn)在幾十顆帶有激光后向反射鏡的衛(wèi)星，它們包括專用于地球動(dòng)力學(xué)應(yīng)用和大地測(cè)量的美國(guó)NASA發(fā)射的Lageos-1、Lageos-2、法國(guó)空間局發(fā)射的Starlette、日本國(guó)家空間發(fā)展局發(fā)射的Ajisai、前蘇聯(lián)發(fā)射的Etalon-1、Etalon-2等；用于精密定軌的測(cè)高衛(wèi)星Ers-1、Topex/Posedon等及GPS衛(wèi)星GPS-35、GPS-36等，對(duì)地球動(dòng)力學(xué)的研究十分有利。

2.4 激光測(cè)距系統(tǒng)

激光測(cè)距系統(tǒng)主要包括地面部分和空間部分：空間部分為激光測(cè)距衛(wèi)星或帶有激光反射器的月球；地面部分包括了激光發(fā)生系統(tǒng)、激光光學(xué)發(fā)射和接收系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)、激光脈沖接收處理系統(tǒng)、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器、時(shí)間系統(tǒng)、標(biāo)校系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制記錄系統(tǒng)、基石、電源系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

激光發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生技術(shù)脈沖并進(jìn)行能量放大，激光脈沖脈寬決定了儀器所能達(dá)到的理論測(cè)量精度，同時(shí)，脈寬越窄也意味著單位時(shí)間內(nèi)激光功率越高，測(cè)量距離越遠(yuǎn)。脈寬和測(cè)量精度的簡(jiǎn)單關(guān)系為：

激光光學(xué)發(fā)射和接收系統(tǒng)為激光擴(kuò)束、聚焦、光路變換的光路系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)為光路系統(tǒng)提供目標(biāo)指向的承載系統(tǒng)。激光脈沖發(fā)射接收處理系統(tǒng)作用為光電轉(zhuǎn)換、放大、分析，并輸出時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器觸發(fā)、停止信號(hào)。時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器用于時(shí)間間隔計(jì)數(shù)。時(shí)間系統(tǒng)提供頻率基準(zhǔn)和UTC時(shí)間記錄。

標(biāo)校系統(tǒng)為系統(tǒng)提供地面標(biāo)校，通常在弟妹某處或者儀器內(nèi)部設(shè)定一靶標(biāo)，利用其它儀器精確測(cè)定靶標(biāo)與測(cè)距儀光學(xué)中心的距離，通過每次觀測(cè)前后對(duì)這一靶標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)來(lái)對(duì)姐夫測(cè)距儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

計(jì)算機(jī)控制記錄系統(tǒng)用于軌道預(yù)報(bào)，指向參數(shù)生成，各系統(tǒng)運(yùn)行控制，數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)預(yù)處理，按所需格式生成傳輸資料等。電源系統(tǒng)為系統(tǒng)運(yùn)行提供能源，激光器需要特別的電源供應(yīng)系統(tǒng)。保護(hù)系統(tǒng)主要防止激光誤射載人飛行器。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)早期為電傳，現(xiàn)在為Internet網(wǎng)，用于從ILRS（國(guó)際激光測(cè)距服務(wù)）獲取衛(wèi)星預(yù)報(bào)初始參量、觀測(cè)事項(xiàng)及觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，有關(guān)的數(shù)據(jù)格式也可從ILRS獲取。

3 激光測(cè)月技術(shù)

3.1 激光測(cè)月簡(jiǎn)介

激光測(cè)月（Lunar Laser Ranging，簡(jiǎn)稱LLR）技術(shù)原理與激光測(cè)衛(wèi)基本相同，只是將衛(wèi)星上的激光后向反射鏡放置在月球上特定的觀測(cè)點(diǎn)。LLR系統(tǒng)主要由月面激光反射器和地面激光觀測(cè)設(shè)備所組成。

（1）月面激光反射器。1964年10月，美國(guó)NASA發(fā)射了第一顆帶有后向反射器的衛(wèi)星“Beacon-B”，并很快實(shí)現(xiàn)了對(duì)其衛(wèi)星激光測(cè)距SLR（Satellite Laser Ranging）。不久，C.Alley、P.Bender、R.Dicke等人提出了將激光后向反射器放置于月球表面，以開展LLR工作。這種激光反射器實(shí)際上是一個(gè)光學(xué)的四面體棱鏡，具有對(duì)激光的入射方向與反射方向保持平行的特性，能保證在激光測(cè)距中光信號(hào)沿原發(fā)射方向返回。

（2）地面激光觀測(cè)設(shè)備。目前，國(guó)際上經(jīng)常進(jìn)行激光測(cè)月的有美國(guó)的McDonald天文臺(tái)和Haleakala天文臺(tái)、法國(guó)的Grasse觀測(cè)站、澳大利亞的Orrorral觀測(cè)站和德國(guó)的Wettzell觀測(cè)站。

3.2 觀測(cè)模型與改正

由于地球和月球軌道星歷是以太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系給出的，因此激光測(cè)月的觀測(cè)方程通常是太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系中建立的。激光測(cè)月技術(shù)的原理并不復(fù)雜，將激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光光束通過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到月球上，月面上的角反射器可將入射光束按原方向反射回來(lái)，返回的激光訊號(hào)由望遠(yuǎn)鏡接收并記錄激光往返的時(shí)間間隔，稱為觀測(cè)時(shí)延 ，顯然從觀測(cè)站到角反射器的距離應(yīng)為 ，其中c為光速。在下圖中，0為地心；M為觀測(cè)站，它與地心的距離為R，其經(jīng)度和緯度為λ和ψ；A為月球上的角反射器，A與M站的距離為r，與地心的距離為a；A的天頂距為z，則：

式中δ和H為角反射器的赤緯和時(shí)角〔近似等于月球的赤緯和時(shí)角）。則3-1式變?yōu)?/p>

日前LLR的測(cè)距精度前人體可達(dá)到±（2～5）cm，相對(duì)精度可達(dá) 。

3.3 LLR數(shù)據(jù)進(jìn)行的科學(xué)研究與應(yīng)用

激光測(cè)月技術(shù)的最初目的是為了檢驗(yàn)愛因斯坦廣義相對(duì)論的等效原理，但到目前為止，激光側(cè)月技術(shù)的發(fā)展已不僅僅局限如此，它已經(jīng)發(fā)展到可以用LLR技術(shù)來(lái)測(cè)定諸如地球指向參數(shù)、測(cè)站坐標(biāo)、地球的彈性參數(shù)、歲差、章動(dòng)等運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)以及與月球軌道的運(yùn)動(dòng)、月球天平動(dòng)有關(guān)的一系列參數(shù)，并進(jìn)一步測(cè)定月面反射器的月面坐標(biāo)等。利用37年的LLR數(shù)據(jù)，已經(jīng)完成或正在進(jìn)行的科學(xué)研究包括：

（1）精確確定了月球的軌道，自轉(zhuǎn)，固體潮以及月面發(fā)射器的位置。

（2）精確測(cè)定K2=0.0257±0.0025。給出愛因斯坦相對(duì)論參數(shù)。

（3）精確測(cè)定月球的形狀、大小以及表面特征，同時(shí)探測(cè)到月球表面基本上沒有大氣和水分。

（4）月球引力產(chǎn)生的地球海洋潮汐對(duì)月球軌道的影響，激光測(cè)距結(jié)果表明，月球每年離開地球約3.8cm。

（5）計(jì)算地心引力常數(shù)GM，目前最精確的數(shù)字來(lái)自于LLR。精化了地球自轉(zhuǎn)時(shí)間UT0或UT1。

（6）確定月球精密星歷表，月球方位參數(shù)以及月球物理天平動(dòng)。

（7）將來(lái)LLR達(dá)到mm級(jí)測(cè)量精度后，有可能探測(cè)月球內(nèi)部以及內(nèi)核特征，確定月球流體核與固體幔的分界面，潮汐耗散項(xiàng)，還有可能測(cè)量月核的瞬時(shí)動(dòng)量和章動(dòng)，驗(yàn)證愛因斯坦廣義相對(duì)論。

LLR技術(shù)的應(yīng)用還有月球潮汐的測(cè)量、月球液核的研究、月面位置坐標(biāo)、引力常數(shù)變化測(cè)定和等效原理。隨著高精度觀測(cè)資料的出現(xiàn)，用激光測(cè)距資料可開展更深入的研究。

3.4 激光測(cè)月相關(guān)改正

（1）月球激光后向反射鏡改正

月球坐標(biāo)系的原點(diǎn)取月球質(zhì)心，z軸為月球自轉(zhuǎn)軸，當(dāng)月球平黃徑等于軌道升交點(diǎn)黃徑時(shí)，通過地心的月面子午圈與月球赤道的交點(diǎn)為x軸指向，以右手法則確定y軸。月球激光后向反射鏡在月球坐標(biāo)系中的位置通過坐標(biāo)變換到太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系，可求得觀測(cè)站至反射鏡的距離，經(jīng)過簡(jiǎn)單推導(dǎo)可得到距離對(duì)反射鏡位置的偏導(dǎo)數(shù)。

（2）月球天平動(dòng)改正

一般稱月球旋轉(zhuǎn)速率的變化為經(jīng)度方向上的自由天平動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸繞它的cassini位置和慣量主軸的運(yùn)動(dòng)稱為緯度方向的自由天平動(dòng)，它們類似于地球運(yùn)動(dòng)中的歲差和章動(dòng)現(xiàn)象。另外，月球非對(duì)稱性產(chǎn)生的受迫天平動(dòng)都會(huì)對(duì)反射鏡的位置帶來(lái)影響，需要加以改正，相關(guān)參數(shù)也可作為待估參數(shù)求解。

（3）月球軌道改正

從距離方程可知，月球軌道運(yùn)動(dòng)對(duì)所觀測(cè)的距離產(chǎn)生影響，而月球質(zhì)心的位置由月球星歷給出，其位置不準(zhǔn)備必然帶來(lái)影響，因此，需要將月球軌道相關(guān)參數(shù)作為待估參數(shù)求解，它們包括月球平黃徑、平近點(diǎn)角、升交點(diǎn)角距，月球軌道偏心率、月球軌道傾角、地月平均距離、月球平均運(yùn)動(dòng)、日月角距，并作為相對(duì)論效應(yīng)改正。

4 總結(jié)與展望

激光測(cè)月技術(shù)的發(fā)展是基于激光測(cè)距技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，它在月球探測(cè)和空間大地測(cè)量領(lǐng)域中所取得的成果，顯示了該項(xiàng)技術(shù)具有十分廣闊的發(fā)展前景。但是，目前全球已經(jīng)完全掌握甚至能夠成熟運(yùn)用此技術(shù)的國(guó)家?guī)缀鯖]有，因?yàn)槠渲羞€存在多項(xiàng)技術(shù)難題，所以，LLR技術(shù)既是一個(gè)前瞻性領(lǐng)域，又是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。相比國(guó)外，我國(guó)激光測(cè)月技術(shù)起步較晚，目前仍有一些理論與技術(shù)方面的問題有待解決，所以，要想作出快速跟進(jìn)甚至超越，我們必須對(duì)此加以重視，加大投資力度，引進(jìn)高級(jí)技術(shù)人才，培養(yǎng)和儲(chǔ)備年輕人才，制定科學(xué)合理的計(jì)劃，不斷加強(qiáng)和國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的交流與合作，相信隨著這些措施的不斷落實(shí)，在不久的將來(lái)，我國(guó)的激光側(cè)月技術(shù)會(huì)迅速發(fā)展，最終達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

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作者簡(jiǎn)介：

劉振宇（1990-），男，天津市人，助理工程師，主要從事海洋測(cè)繪技術(shù)研究工作。

（作者單位：天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院

天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）