做一把上天入地的激光尺 | 黄庚华——科学讲坛
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“探索完月球，我们的心始终还是朝向地球。我们知道，在激光测高领域，对地球测量的激光测高仪是整个技术皇冠上的一颗明珠。”
黄庚华
中国科学院上海技术物理研究所研究员
大家好，我叫黄庚华，来自中国科学院上海技术物理研究所。我们所长期从事红外、激光、光谱类的航天载荷的研制工作，先后诞生了9名两院院士。
我个人的研究方向主要是以激光作为载体，进行激光测距等相关技术的研究，为我国的嫦娥、高分等系列工程提供高水平的激光测距、激光测速和三维成像等专业的导航设备。很高兴能够和大家一起分享我和我的团队的故事。
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激光是什么？
提起激光，大家可能会觉得它是一件可以毁天灭地的神器。但实际上，从超市里的扫描仪，到大家经常用的激光打印机，都有激光的身影。这些激光技术与我们在航天上用的激光技术，都是基于激光受激和放大的原理。
激光：受激辐射和放大
如上图所示，大家可以把它简化成一个在火炉上加热的水壶，我们从外部不断地给腔体施加能量，里面的水蒸气在沸腾，但是只有特定波长和特定方向的光可以从这个水壶的喷嘴里面喷出来，这就是激光产生的比较通俗的解释。经过受激和放大之后，它所产生的光就有非常明显的单色性、方向性和极高的亮度。
分子级：激光近视手术（左）和亿度级：激光核聚变点火（右）
利用激光的特点，我们可以做很多事情。利用它良好的方向性，我们可以精确地移除眼球上的细胞，实现分子级的操作。我们也可以在一瞬间把几十束激光合在一起，产生比恒星内部还要高的温度和压力，达到亿度，去瞬间点燃人造的核聚变反应。
在空间科学上，我们可以利用激光的单向性实现远距离的星地通信，甚至还可以达到几十万公里量级的星地及对月通信。
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从零开始的星载激光测高
我们激光测距技术在空间科学的应用当中属于一个比较精细的分支。我们采用的原理是让激光在十亿分之一秒之内，把大量的功率集中在一点同时发射，产生一个高能的激光脉冲，这个脉冲打到物体的表面之后就会反射。我们测量发射和接收脉冲之间的时间间隔，乘上光速就可以知道这个物体离我们的相对距离。
时间回到2003年，我刚刚进入中科院上海技物所，开始我的研究生学术生涯。在那个时候，美国在星载激光测高和对地观测方面处于一个绝对的“霸主”地位。
LITE：大气测量（左），ICESAT：冰川测量（中）和MOLA：火星地形测量（右）
我们可以看到，他们在航天飞机上实现了对大气层的气溶胶垂直分布的激光测量，然后用ICESAT卫星实现了对地球两极冰川高度的测量，甚至还在火星上面以激光的方式获得了整个火星的三维地形图。
在那个时候，中国的空间激光测量技术基本上还是处于一个空白的状态。
从“嫦娥一号”卫星研制立项开始，科学家们就提出，我们中国需要用激光的手段为月球生成一个精确的三维地形图。这样我们才能够知道月球的大小、体积，为后续嫦娥二期的落月获取理想的区域数据。
“嫦娥一号”卫星（左）和激光高度计（右）
右图展示了我国第一台自主研制的激光高度计的头部的照片。当初我们选择方案时也考虑过，是否要从国外进口一台激光器。因为当时所有的材料，包括从激光器到探测器，再到整个技术，我们都没有相应的星载研制经验。结果是可以，但是价格很贵，300万美元一台，不砍价，这个价格已经远超当时的预算价格，所以没有办法，我们只能自己做。
月球的南北半球三维地形图
“嫦娥一号”在月球上飞行了一年多，获取了900多万个点的激光探测数据后，获得了上图所示的世界首张月球的南北两极三维地形图。地形图完整地显示了月球的永久阴暗区和陨石坑的深度，以及它们分布的位置。
“嫦娥一号”月面三维图（2009）（左）和美国“克莱门汀”月面三维图（1994）（右）
这张图是一个比较有意思的对比图。左图是“嫦娥一号”在2009年获得的月面三维图，右图是美国1994年“克莱门汀号”所获得的月球三维图。
大家可以看到，图像的左边，有明显的两处区域是不一样的，这得益于“嫦娥一号”的高精度和高分辨率的数据质量。中国科学家把这两座山分别命名为“玉兔”山和“桂树”山，可见我们中国科学家的想象力还是非常丰富的。
美国的月球勘测轨道飞行器（左）和中国的“嫦娥二号”卫星激光高度计（右）
到了2013年，我国已经有6台正在星上运行的激光器，美国在这个时候依然处于世界霸主的地位。他们在2009年发射了月球勘测器，能够以0.5米的分辨率去拍摄阿波罗登月的遗迹，也可以看到月球车驶过的足迹。美国在2013年发射了尘埃探测器，它可以在月面上实现600多兆的星地的激光通信速率，这个速率我相信可能比不少人家里的网速都要快。
就这样，在美国技术领先的领域里，我们的这颗种子慢慢的生根发芽，最后我们看到在“嫦娥三号”落月的时候，会发生非常惊艳的效果。
阿波罗11号（左）和地面训练飞行器（右）
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激光助力嫦娥落月
整个落月过程中，风险性最大的就是落月阶段，而这也正是我们嫦娥二期的落月计划中风险性最高的一个环节。美国的阿波罗登月是靠阿姆斯特朗人工操作飞船进行人工着陆。阿姆斯特朗在地面训练的时候，从故障飞行器里面死里逃生。即便到了去年，以色列和印度的航天器在飞跃了38万公里之后，最后阶段都在月面上撞得粉身碎骨。
中国的探月方案是这样的。首先要有一个飞行器缓慢把速度降低的过程，降低速度的飞行器会在月球引力的吸引下逐渐靠近月面；当我们飞到预定着陆器的表面时，我们会有一个非常快的90度翻身；翻身之后，整个着陆器会在缓冲发动机的作用下继续往下落；最后，通过主动避障的技术达到我们预定的落点。
中国的探月方案
在整个着陆器开始进行月面下降时，就需要激光测距仪不间断地提供飞行器与月面的相对高度，不能太早，也不能太晚。过快的降低速度会使整个着陆器前移，就有可能偏离当时预设好的科学目标。
激光测距敏感器（35km-8m）（左）和落月高度曲线（右）
右图中的曲线就是激光测距仪所获得的一条实时的月面高度变化的曲线。到了最后的缓降阶段，就是整个落月阶段最高潮的地方。
激光三维成像敏感器（100m）
在这里，我们有一台高速的激光三维成像雷达，它的作用就是在100米悬停的时候，快速地扫描整个着陆区的三维地形。在这个地形里面不能有陨石坑，不能有斜坡，连超过两个拳头大的石头也不能有。否则，就有可能会造成整个着陆器的倾倒，或者月球车一出去就会被坑给卡住了。
这时，激光就会扫描出一个完整的月球着陆区域的三维图，通过星载的计算机去实时选择一个平坦的区域，让整个着陆器安全着陆。
着陆器主动避障
这幅影像反映出着陆器的避障过程。我们可以看到图像有一个非常大的偏移，这就是着陆器根据激光数据进行主动避障的操作。
激光采集的三维地形图（左）和“玉兔号”月球车的行车轨迹（右）
左图是激光三维所采集到的地面三维影像。从右图中可以看到，“玉兔号”月球车在驶出着陆器的时候，前面5米处就有一个深达数米的陨石坑。然后“玉兔”很轻松的出门，右转，就避开了这个坑。“玉兔”的这个操作技术，我相信就是新手司机也可以应付。
到了“嫦娥四号”，它的着陆区域只有“嫦娥三号”的二十分之一，但着陆风险却比“嫦娥三号”更大。毫不夸张地说，这是一个在刀尖上跳舞的舞者。
“嫦娥四号”的着陆过程
我们从上图中的动作可以看到，整个着陆器一开始是平飞的状态，直到看见对面盆底的山丘之后，才有一个迅速的姿态变化和着陆的过程。然后，在布满陨石坑的区域，整个着陆器正好落在5个陨石坑之间。
“嫦娥四号”的适宜着陆区
事后我们看这个地方的三维图，它基本上是这个区域里面唯一能够落下的安全区域。
到了2019年，我国的航天发射次数已经连续超过了美国，达到史无前例的34次。
美国的ICESAT-2冰川测量卫星（左），它的测量范围兼具浅海
2018年，美国人又发射了第二代的冰川测量卫星，它把激光对于地面的测量，从陆地推广到了海洋的领域。
“墨子号”量子密钥星地传输试验
我们也发展出了一条有我们自己特色的技术路线。除了传统的激光三维和激光测距、测速的仪器之外，我们还实现了“墨子号”400公里量级的星地量子密钥的传输和科学实验。
“嫦娥五号”激光测距、测速、三维成像全家福
在嫦娥三期落月过程当中，我们为“嫦娥五号”提供了一个非常豪华的激光测量设备“全家桶”。上图中离我们最近的是激光测距敏感器，它的右上方是激光测速敏感器，最后面是激光三维成像敏感器。激光测速敏感器使得“嫦娥五号”在落月的时候有精确的速度数据，我们在月球上面“飙车”的时候就不必担心有超速的风险。
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如何用激光测量地球？
探索完月球，我们的心始终还是朝向地球。我们知道，在激光测高领域，对地球测量的激光测高仪是整个技术皇冠上的一颗明珠。
它的难度在于，激光光束要飞行500公里并穿透大气层，要探测到地面返回的微弱信号。第一这对激光的功率有非常强的要求，激光的指向精度要远超我们当时嫦娥系列的激光测距仪。美国人当时上天了3台激光器，半年之内坏了2台，所以这个技术也是非常难的。
第二就是大口径的光学技术。之前我们嫦娥系列的测量设备大概就是拳头大的一个镜头，现在需要做0.6米口径的镜头。只有更大口径的镜子，我们才能够探测到更微弱的信号。
第三就是激光的指向技术。我要知道激光的精确落点，就好比是站在东方明珠塔上，我要知道我的激光落在下面条形码上的第几根，这样我们才能够给地球打上一个完整的激光测高的控制格网。
最后就是经费的支持。这一套系统单机的造价超过2个亿，卫星工程超过30个亿。这么庞大的投入，在十几年前是不可想象的。
安装面修磨（左），镜片装配（中）和镜面微小起伏（右）
这张图显示出我们当时对600毫米口径的激光接收光学进行装配的过程。我们选用了最硬的材料（碳化硅），它的硬度仅次于金刚石。即便如此，在镜子的背面出现千分之一毫米不平的时候，我们依旧可以看到右图中镜子面形的变化。
经过精密的修配，相机在拍摄500公里远的激光落点区域时，我们又遇到了困难。它是一个远视眼，看不清近处的物体，所以我们在地球上面，找不到10公里以内能够让它清晰成像的靶标。
平行光管测试（左）和相机在激光落点区域拍摄的月面（右）
我们在地面建设了17米的平行光管。这根平行光管安装在非常坚固的钢铁平台上，下面用气浮进行隔震，使得整个光学平台可以过滤旁边汽车和人走动的震动，避免影响我的相机。经过室内的测试之后，我们还拍摄了一个天体，即离我们最近的月球。右图就是激光测高仪用落点区域的相机拍摄的月面的图像。
杂散光产生的光晕（左）和模拟光多角度照射（右）
之后我们还要做相应的测试。左图就是在遇到杂光的时候，相机会产生很多的光晕，光晕会影响对地物的判别。所以我们除了设计仿真之外，还建了一个5米的光的暗室。在这个暗室里面，我们对各个方向的光进行了相应的激励和测量。
激光能量分布（左），模拟地物间隔（中）和回波波形分解（右）
接着，我们要进行激光的回波采集。左图是激光在发射的时候，它在空间分布的情况。激光碰到不同物体会产生非常丰富的回波信号，通过对回波信号的逐次提取，我们可以获得树顶、房顶，还有地面的高层差，这有利于我们绘制更精密的三维地形图。
设备转运（左）和热控实施（右）
最后一步就是要承受太空恶劣的温度环境。太空周围的温度是零下200多摄氏度，太阳照射的地方是零上100摄氏度，背阳面又是零下100摄氏度。我们需要在仪器外部包裹上厚厚的多层铝膜，通过加热片和内部的热管去进行内部热量的管理工作。在发射之前，我们需要把它放到3米的罐子里面，把里面的空气抽成真空，注入液氮模拟宇宙的低温环境，看我们的设备和热控是否能够正常工作。
高七卫星
经历了这些考验之后，我们的设备终于可以装在我国首次发射的1：1万立体测绘卫星上。在卫星上有两个载荷，第一个载荷是双线阵相机，它能够以亚米级的高分辨率的影像去实现地面的相对高程的生成。
高七卫星工作场景
第二个载荷激光测高仪就是给这幅图打上控制点，让这幅图稳稳的贴在地球的表面上。
高程精度标定场（左）和激光落点能量分布图（右）
整颗卫星已经在轨运行了一年多，在去年的8月份通过了用户的现场验收。用户的验收非常苛刻，他们在内蒙古草原的地面上铺了3000多个靶标，每个靶标大概间隔5米。靶标可以响应从太空中打到地面上的激光光斑的能量，通过靶标的响应，我们可以绘制出激光在地面的准确落点的位置，并且对这个高度测量的数据进行实地的校核。
我在这里和大家分享一些我们所获得的比较有意思的数据。
大兴国际机场落点区域影像（左）和机库区域激光回波波形（右）
首先是我们比较熟悉的北京大兴区域的机场。我们从激光的图像中可以看到，激光光斑的红点部分是落在机库的屋檐上。
南极洲首轨高程剖面
其次，我们的卫星实现了对南极洲的首次测绘，获得了从中山站到南极内陆的高原的高层剖面曲线。
北美某平原区域
在不同的地方，我们除了看到平原，还能看到山丘，获得了相应测高的数据。
从上至下依次为表层散射、颗粒层散射和海底散射
最后，我们的激光测高领域还会进一步拓展，之前是陆地，现在是海洋。我们通过激光在海水的表面、海底，以及海水的浮游颗粒的反射，获得海水的深度信息和浮游生物的运动信息。
上海海洋大学景观湖的地形数据（左）海南石梅湾的地形数据
上图是我们分别在上海和海南用无人机激光测探雷达所获取的水面和水底的地形数据。从这方面来看，在未来我们有希望把激光探测的能力拓展到海洋。
玉兔一号
最后我想以这张图片作为我本次分享的结尾。这张图片是“玉兔一号”在驶出着陆区之前转身回眸，被着陆器拍摄的最后一张照片。
在拍完这张照片之后，它将独自一个人踏上漫漫的月球征程。历经百年，不忘初心，我们要继续前进，继续探索未知的宇宙。以上就是我的分享，谢谢大家！
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