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精密激光测距获新进展:可测量任何星际距离

2013-07-23 08:59
论恒
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  目前,精密激光测距的极限是地月距离。这些系统基于被动激光测距,测量信号按距离的四次方反比(1/R^4)衰减。近日,加利福尼亚州的加州喷气推进技术实验室的Yijiang Chen,Kevin M. Birnbaum和Hamid Hemmati设计了一套新系统,这套系统使用主动激光测距,信号衰减只有距离的二次方反比(1/R^2) 。系统的测量范围增大了几千倍,而且新系统有可能达到亚毫米级的精度,整体性能提升三个数量级以上。相关论文已发表在最近一期《应用物理快报》(102, 241107 (2013). DOI: 10.1063/1.4810906)。

  根据Birnbaum的解说,“原则上,只要增加望远镜的大小,这种方法可以扩大到任何星际距离。根据我们计算,实现从地球到火星或木星测距,需要在地球上放置直径1米的望远镜,在飞船安置上直径15厘米的望远镜。这个要求很容易达到。 ”

  新的激光测距方案,每一端都有一个收发器发射并接收激光脉冲。激光脉冲上加载有时间标签,用来测量脉冲传播花费时间,进而测量收发器之间的距离。科学家们解释说,这些“主动收发器”是远距离测量的关键。

  “与现有光学技术相比,关键在于使用主动收发器。目前光学测距基于测量目标被动地反射光线。所以有效测量范围限于地—月距离。这一距离根本不能被称为星际空间,因为行星间距离比月球远上几千倍。如果尝试使用相同的被动测量系统测量行星间距离,因为光强随1/R^4下降,得到的信号会减弱万亿倍。但我们使用的激光器两端为有源收发器,所以每端都可以得到更强的信号。”Birnbaum 进一步解释说,需要的激光功率没有超出现有激光器。“激光器本身并不需要非常强大, ”他说,“市售的激光具有足够的脉冲能量。系统需要的出射光强可以很低,甚至人眼安全的光强都可以。只要有一个非常敏感的接收器并且从背景光中挑选出‘信号’。”

主动激光测距地球和行星之间的空间 - 时间图。该系统收发器两端均采用有源激光器,

所以比无源收发器的信号更强,可以实现远距离激光测距。

  他们在地球上开展了实验室测试和室外测试。虽然由于地球大气中的大气湍流的波动将增加少量的误差,科学家们认为,这个误差可以被控制在1毫米之内。测量与实际距离的偏差不超过0.14毫米,远低于1毫米精度的目标。

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