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激光技术如何让嫦娥、玉兔实现“睁眼”落月?

导读: 在本次嫦娥探月、玉兔巡视的过程中,激光技术发挥了至关重要的作用。中科院上海技术物理研究所王建宇院士团队负责研制的激光测距敏感器、激光三维成像敏感器,为本次“睁眼”落月的提供了重要支持,同为该团队研制的红外成像光谱仪则将进行后续的科学实验探测。

2019年1月3日上午10点26分,万众瞩目的的嫦娥四号稳稳地落在月球背面的冯·卡门撞击坑。11时40分,嫦娥四号着陆器通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图,这是人类探测器首次在月球背面拍摄的图片,揭开了古老月背的神秘面纱。15时7分,着陆器与巡视器开始分离,22时22分,玉兔二号巡视器驶抵月球表面。

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嫦娥四号着陆器拍摄的着陆点南侧月球背面图像

(图片来源:国家航天局)

在本次嫦娥探月、玉兔巡视的过程中,激光技术发挥了至关重要的作用。中科院上海技术物理研究所王建宇院士团队负责研制的激光测距敏感器、激光三维成像敏感器,为本次“睁眼”落月的提供了重要支持,同为该团队研制的红外成像光谱仪则将进行后续的科学实验探测。那么,这三种技术是如何发挥作用的呢?

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嫦娥四号探测器动力下降过程示意图

(图片来源:国家航天局)

激光测距技术:减速区与粗避障

当落月指令下达后,嫦娥四号着陆器在距离月面15千米高度时启动发动机开始减速并逐渐调整姿态,进入着陆准备阶段。此时王建宇院士团队研发的激光测距敏感器开始工作。当着陆器下降到距月面约8000米时,将在约2000米的距离内快速调整着陆姿态,开始垂直下降。激光测距敏感器也将随之切换测距方向,以使着陆器大致避开月球表面的障碍。

嫦娥四号携带的激光测距敏感器采用的是脉冲测距法,测距原理如下:激光测距敏感器每秒向月面发射两次激光脉冲,当发射的激光脉冲到达月球表面后,其反射回波脉冲信号又被敏感器接收。通过测量月面回波脉冲信号与激光发射脉冲信号的时间间隔,计算出嫦娥四号着陆器与月球表面的精确距离(光速和往返时间的乘积的一半),误差在0.2米内。测距仪同时记录激光往返的时间。

激光三维成像技术:悬停之后精确避障

在激光测距敏感器的指引下,嫦娥四号着陆器逐渐接近月球表面。当着陆器到达月面100米时,开始悬停,此时激光三维成像敏感器开始工作。激光三维成像敏感器在短短几秒内采集了月面的三维图像,精确识别出高于15厘米的石头或低于15厘米的坑,为着陆器锁定安全的落脚点。最后,在“着陆缓冲机构”的保护下,嫦娥四号稳稳地“飘落”在冯·卡门撞击坑上。从指令下达到平稳着陆,整个过程大约耗时10分钟。

激光三维成像技术是激光雷达技术的一个重要分支,是以激光测距技术的基础,结合图像处理、模式识别等技术,利用照射激光脉冲从探测场景中收集反射辐射线最终实现目标物体位置和外部细节的获取。我国在几个航天大国中较早地把激光三维成像技术用于月面着陆,目前应用非常成熟。

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