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激光高度计

2008-07-10 17:21
风频浪劲
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    人测量身高,需要一把卷尺;月球表面地形测“身高”,需要什么工具?科研人员解释,他们的工具是——红外激光。只要测量光束从卫星“跑到”月球表面的时间和角度,科学家就能计算出某一点的相对高度。一个个点连起来,月球地形图便跃然纸上。 

 

    据介绍,这个激光高度计外型小巧、质量轻盈,在距月球表面200公里的轨道上,测量地形精度达到5米,堪称“小身材、大能量”。上海技术物理研究所所长王建宇研究员说,届时“嫦娥一号”卫星还将拍摄月球平面图,加上相关“身高指标”后,所有数据通过地面应用系统处理,就可获得一张月球表面三维 “立体照片”。 

 

    月球表面主要有两种地形,一种是由凝固熔岩构成的盆地,科学家称之为“月海”,其中最大的一个面积达500万平方公里;另一种是星罗棋布、重重叠叠的环形山。此次上海科学家历时两年研制出的激光高度计初样,便肩负对这些地形的“测高”任务。 

 

    激光高度计将跟随“嫦娥一号”卫星升空。“嫦娥一号”是中国第一颗绕月探测卫星,预计在2007年前发射。其探测目标包括获取月球表面三维立体影像、分析月球表面有用元素含量及物质类型分布特点,探测月球土壤厚度,观测地球到月球间的空间环境等。

 

    激光高度计的主要工作方式是利用计算发射和接收到激光的时间差来进行距离的测量。它以其高精确度、高分辨率和很好的独立性而得到科学家和工程师们的青睐,并被广泛地应用于遥感、航空航天等领域。 

 

    激光高度计可被安装于飞机、卫星等测试平台上。它主要由激光发射模块、激光接收模块和数据处理模块三部分组成。激光发射模块发射出的激光首先被打到地面、洋面上的冰块等探测目标上,然后被目标反射回飞机或卫星等测试平台上。激光接收模块接收到反射回来的光信号,并把它转换成为电信号。数据处理模块会精确地测量出从激光发射到激光高度计接收到激光的时间,而这段时间就是激光在大气中的传输时间,在这段时间内,激光行走的路程是高度计与探测目标间距离的两倍。 

 

    根据光在空气中的传播速度,可以计算出这个距离的大小。再根据激光高度计的空中高度,就可以最终得到探测目标的海拔高度。由于激光束具有较小的发散角,因此激光束打在目标上会形成较小的光斑直径,这使得激光高度计有很好的水平分辨率。如果我们高密度地获得探测点,就能够得到较精密的探测区域的地形图。 

 

    美国科学家们在第一代和第二代火星探测器上都采用了这种激光高度计来获得火星表面的地形分布图。下图是高度计在火星赤道上空测量获得的火星表面地形图。科学家们采用不同的颜色来标定不同的高度,火星表面的地貌就简洁形象地展现在我们面前。这无疑为人类探索宇宙提供了强有力的武器,也为火星探测器选定最佳着陆地点提供了有价值的资料。 

 

    在激光高度计对地球表面的探测领域中,美国科学家们也曾多次应用激光高度计来勘测地表的植被覆盖情况、海平面的高度等地表的物理特性,以及云层和空气中悬浮物质的光学厚度。通过安装在飞机或卫星上的激光高度计的帮助,人类将探索的触角伸向了地球的更深处。 

 

    现在,我国的航天科学家们正致力于第一阶段“探月一号”卫星的设计与研制。在深入分析、研究国际月球探测的发展和已取得成果的基础上,有关专家结合我国月球探测的发展规划和技术基础,经过充分的论证,确定了第一阶段“探月一号”卫星的科学和应用目标。这其中,激光高度计将实现获取卫星下方月表地形高度数据的任务,服务于月球表面三维影像获取的科学和应用目标。通过星上激光高度计测量卫星到星下点月球表面的距离,为光学成像探测系统的立体成图提供修正参数;并通过地面应用系统将距离数据与卫星轨道参数、地月坐标关系进行综合数据处理,获取卫星星下点月表地形高度数据。  

 

    “探月一号”卫星的工作阶段分为发射轨道阶段、转移轨道阶段和环月轨道阶段。激光高度计在进入环月轨道阶段之前不工作,在进入环月阶段之后,不论月球表面是白天或黑夜,也不论卫星处于正飞或侧飞状态,激光高度计长期开机工作。因此,此次的激光高度计的设计不仅要注重参数指标的实现,也要努力提高其工作稳定性和持久性。 

 

    我国已将月球探测二、三工程列入我国中长期规划中,月球探测第二期工程——“月球软着陆与月球车巡视勘测”,对着陆区域进行精细勘测,为第三期月球探测工程——“月球车巡视勘测与取样返回” 打下坚实基础,为月球基地的选址提供科学依据,为载人登月和月球基地的建设积累经验和技术。另外我国已开始着手火星和小行星探测的论证,激光高度计及相关技术将在上述工程项目中发挥作用。

 

(编辑:小曾)

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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