[科普中國(guó)]-激光高度計(jì)

激光高度計(jì)是安裝在飛機(jī)、衛(wèi)星等測(cè)試平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸測(cè)量高程的儀器。它主要激光發(fā)射模塊、激光接收模塊和數(shù)據(jù)處理模塊三部分組成。美國(guó)科學(xué)家在第一代和第二代火星探測(cè)器上都采用了這種激光高度計(jì)來(lái)獲得火星表面的地形分布圖?？茖W(xué)家們采用不同的顏色來(lái)標(biāo)定不同的高度，火星表面的地貌就簡(jiǎn)潔形象地展現(xiàn)在我們面前。這為火星探測(cè)器選定最佳著陸地點(diǎn)提供了很有價(jià)值的資料。

設(shè)計(jì)原理人測(cè)量身高，需要一把卷尺；月球表面地形測(cè)“身高”，需要什么工具？科研人員解釋?zhuān)麄兊墓ぞ呤恰t外激光。只要測(cè)量光束從衛(wèi)星“跑到”月球表面的時(shí)間和角度，科學(xué)家就能計(jì)算出某一點(diǎn)的相對(duì)高度。一個(gè)個(gè)點(diǎn)連起來(lái)，月球地形圖便躍然紙上。

簡(jiǎn)介這個(gè)激光高度計(jì)外型小巧、質(zhì)量輕盈，在距月球表面200公里的軌道上，測(cè)量地形精度達(dá)到5米，堪稱(chēng)“小身材、大能量”。上海技術(shù)物理研究所所長(zhǎng)王建宇研究員說(shuō)，屆時(shí)“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星還將拍攝月球平面圖，加上相關(guān)“身高指標(biāo)”后，所有數(shù)據(jù)通過(guò)地面應(yīng)用系統(tǒng)處理，就可獲得一張?jiān)虑虮砻嫒S“立體照片”。

月球表面主要有兩種地形，一種是由凝固熔巖構(gòu)成的盆地，科學(xué)家稱(chēng)之為“月?！?，其中最大的一個(gè)面積達(dá)500萬(wàn)平方公里；另一種是星羅棋布、重重疊疊的環(huán)形山。此次上?？茖W(xué)家歷時(shí)兩年研制出的激光高度計(jì)初樣，便肩負(fù)對(duì)這些地形的“測(cè)高”任務(wù)。

激光高度計(jì)將跟隨“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星升空。“嫦娥一號(hào)”是中國(guó)第一顆繞月探測(cè)衛(wèi)星，預(yù)計(jì)在2007年前發(fā)射。其探測(cè)目標(biāo)包括獲取月球表面三維立體影像、分析月球表面有用元素含量及物質(zhì)類(lèi)型分布特點(diǎn)，探測(cè)月球土壤厚度，觀測(cè)地球到月球間的空間環(huán)境等。

分類(lèi)激光高度計(jì)按其所搭載的平臺(tái)不同可分為機(jī)載激光高度計(jì)和星載激光高度計(jì)。

按其探測(cè)的對(duì)象不同又可分為地球科學(xué)激光高度計(jì)系統(tǒng)、火星軌道器激光高度計(jì)以及月球觀測(cè)器激光高度計(jì)等。1

用途激光高度計(jì)可被安裝于飛機(jī)、衛(wèi)星等測(cè)試平臺(tái)上。它主要由激光發(fā)射模塊、激光接收模塊和數(shù)據(jù)處理模塊三部分組成。激光發(fā)射模塊發(fā)射出的激光首先被打到地面、洋面上的冰塊等探測(cè)目標(biāo)上，然后被目標(biāo)反射回飛機(jī)或衛(wèi)星等測(cè)試平臺(tái)上。激光接收模塊接收到反射回來(lái)的光信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)。數(shù)據(jù)處理模塊會(huì)精確地測(cè)量出從激光發(fā)射到激光高度計(jì)接收到激光的時(shí)間，而這段時(shí)間就是激光在大氣中的傳輸時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，激光行走的路程是高度計(jì)與探測(cè)目標(biāo)間距離的兩倍。

根據(jù)光在空氣中的傳播速度，可以計(jì)算出這個(gè)距離的大小。再根據(jù)激光高度計(jì)的空中高度，就可以最終得到探測(cè)目標(biāo)的海拔高度。由于激光束具有較小的發(fā)散角，因此激光束打在目標(biāo)上會(huì)形成較小的光斑直徑，這使得激光高度計(jì)有很好的水平分辨率。如果我們高密度地獲得探測(cè)點(diǎn)，就能夠得到較精密的探測(cè)區(qū)域的地形圖。

美國(guó)科學(xué)家們?cè)诘谝淮偷诙鹦翘綔y(cè)器上都采用了這種激光高度計(jì)來(lái)獲得火星表面的地形分布圖。下圖是高度計(jì)在火星赤道上空測(cè)量獲得的火星表面地形圖?？茖W(xué)家們采用不同的顏色來(lái)標(biāo)定不同的高度，火星表面的地貌就簡(jiǎn)潔形象地展現(xiàn)在我們面前。這無(wú)疑為人類(lèi)探索宇宙提供了強(qiáng)有力的武器，也為火星探測(cè)器選定最佳著陸地點(diǎn)提供了有價(jià)值的資料。

我國(guó)用途現(xiàn)在，我國(guó)的航天科學(xué)家們正致力于第一階段“探月一號(hào)”衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與研制。在深入分析、研究國(guó)際月球探測(cè)的發(fā)展和已取得成果的基礎(chǔ)上，有關(guān)專(zhuān)家結(jié)合我國(guó)月球探測(cè)的發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)充分的論證，確定了第一階段“探月一號(hào)”衛(wèi)星的科學(xué)和應(yīng)用目標(biāo)。這其中，激光高度計(jì)將實(shí)現(xiàn)獲取衛(wèi)星下方月表地形高度數(shù)據(jù)的任務(wù)，服務(wù)于月球表面三維影像獲取的科學(xué)和應(yīng)用目標(biāo)。通過(guò)星上激光高度計(jì)測(cè)量衛(wèi)星到星下點(diǎn)月球表面的距離，為光學(xué)成像探測(cè)系統(tǒng)的立體成圖提供修正參數(shù)；并通過(guò)地面應(yīng)用系統(tǒng)將距離數(shù)據(jù)與衛(wèi)星軌道參數(shù)、地月坐標(biāo)關(guān)系進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理，獲取衛(wèi)星星下點(diǎn)月表地形高度數(shù)據(jù)。

“探月一號(hào)”衛(wèi)星的工作階段分為發(fā)射軌道階段、轉(zhuǎn)移軌道階段和環(huán)月軌道階段。激光高度計(jì)在進(jìn)入環(huán)月軌道階段之前不工作，在進(jìn)入環(huán)月階段之后，不論月球表面是白天或黑夜，也不論衛(wèi)星處于正飛或側(cè)飛狀態(tài)，激光高度計(jì)長(zhǎng)期開(kāi)機(jī)工作。因此，此次的激光高度計(jì)的設(shè)計(jì)不僅要注重參數(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也要努力提高其工作穩(wěn)定性和持久性。

我國(guó)已將月球探測(cè)二、三工程列入我國(guó)中長(zhǎng)期規(guī)劃中，月球探測(cè)第二期工程——“月球軟著陸與月球車(chē)巡視勘測(cè)”，對(duì)著陸區(qū)域進(jìn)行精細(xì)勘測(cè),為第三期月球探測(cè)工程——“月球車(chē)巡視勘測(cè)與取樣返回” 打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為月球基地的選址提供科學(xué)依據(jù)，為載人登月和月球基地的建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。另外我國(guó)已開(kāi)始著手火星和小行星探測(cè)的論證，激光高度計(jì)及相關(guān)技術(shù)將在上述工程項(xiàng)目中發(fā)揮作用。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張勇 - 副教授 - 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院