浅析激光测月技术原理与应用

刘振宇 杨正清

【摘 要】本文首先从激光测距原理、激光测距仪、激光测距卫星和激光测距系统四个方面阐述了激光测距技术相关内容，重点介绍了激光测月技术中的观测模型改正和应用激光测月数据进行的科学研究与应用，并对我国开展激光测月工作提出了建议与展望。

【关键词】激光；激光测月；激光测距；探月工程

1引言

激光LASER（Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation）是指受激发射的光放大产生的辐射。当激光工作物质处于粒子数反转分布状态时，由自发辐射而产生的光子将引起其它原子受激跃迁，从而使光得到受激放大。在光学谐振腔内沿着腔轴方向传播的光被安置在两端的反射镜反射而往返传播，在此过程中不断引起其它原子受激跃迁，产生同频率的光子，使光迅速放大。而与腔轴不平行的光则在往返几次后逸出腔外，从而形成方向性极好的激光。因此激光具有定向发、光亮度极高、颜色极纯和能量密度极大等特点，基于这些特点，激光测距技术开始被人们所重视。

2 激光测距技术

2.1 激光测距原理

激光测距的基本原理是：由激光器对被测目标发射一个激光信号，射向目标的激光信号碰到目标后被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要通过测量信号往返经过的时间，就可以计算出目标的距离。简单的公式表示为：

其中，L为激光器与目标之间的距离，单位为m； 为激光信号往返所用时间，单位为s；c为激光在空气中的传播速度（3×108m/s）。

2.2 激光测距仪

激光测距仪正是基于激光测距技术的测量仪器。根据测量时间的方法不同，激光测距仪从原理上分为脉冲式激光测距仪和相位式激光测距仪。

脉冲式激光测距仪是直接测定仪器所发射的脉冲信号往返于被测距离的传播时间而得到距离值的。

相位式激光测距仪的工作原理为：测距仪由激光器发出按某一频率f变化的正弦调制光波，光波的强度变化规律与光源的驱动电源的变化完全相同，发出的光波到达被测目标，通常这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜，这块反射镜能把入射光束反射回去，而且保证反射光的方向与入射光方向完全一致。在仪器的接收端获得调制光波的回波，经鉴相和光电转换后，得到与接收到的光波调制频率相位完全相同的电信号。此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。

2.3 激光测距卫星

激光测距卫星是指安装了后向反射棱镜，可对其进行激光测距的卫星，也称为人卫激光观测卫星。随着时代和科技的进步，激光卫星由当初几颗实验卫星发展到现在几十颗带有激光后向反射镜的卫星，它们包括专用于地球动力学应用和大地测量的美国NASA发射的Lageos-1、Lageos-2、法国空间局发射的Starlette、日本国家空间发展局发射的Ajisai、前苏联发射的Etalon-1、Etalon-2等；用于精密定轨的测高卫星Ers-1、Topex/Posedon等及GPS卫星GPS-35、GPS-36等，对地球动力学的研究十分有利。

2.4 激光测距系统

激光测距系统主要包括地面部分和空间部分：空间部分为激光测距卫星或带有激光反射器的月球；地面部分包括了激光发生系统、激光光学发射和接收系统、光学系统转台、激光脉冲接收处理系统、时间间隔计数器、时间系统、标校系统、计算机控制记录系统、基石、电源系统、保护系统和数据传输系统。

激光发生系统产生技术脉冲并进行能量放大，激光脉冲脉宽决定了仪器所能达到的理论测量精度，同时，脉宽越窄也意味着单位时间内激光功率越高，测量距离越远。脉宽和测量精度的简单关系为：

激光光学发射和接收系统为激光扩束、聚焦、光路变换的光路系统。光学系统转台为光路系统提供目标指向的承载系统。激光脉冲发射接收处理系统作用为光电转换、放大、分析，并输出时间间隔计数器触发、停止信号。时间间隔计数器用于时间间隔计数。时间系统提供频率基准和UTC时间记录。

标校系统为系统提供地面标校，通常在弟妹某处或者仪器内部设定一靶标，利用其它仪器精确测定靶标与测距仪光学中心的距离，通过每次观测前后对这一靶标進行观测来对姐夫测距仪进行校准。

计算机控制记录系统用于轨道预报，指向参数生成，各系统运行控制，数据记录，数据预处理，按所需格式生成传输资料等。电源系统为系统运行提供能源，激光器需要特别的电源供应系统。保护系统主要防止激光误射载人飞行器。

数据传输系统早期为电传，现在为Internet网，用于从ILRS（国际激光测距服务）获取卫星预报初始参量、观测事项及观测数据的传输，有关的数据格式也可从ILRS获取。

3 激光测月技术

3.1 激光测月简介

激光测月（Lunar Laser Ranging，简称LLR）技术原理与激光测卫基本相同，只是将卫星上的激光后向反射镜放置在月球上特定的观测点。LLR系统主要由月面激光反射器和地面激光观测设备所组成。

（1）月面激光反射器。1964年10月，美国NASA发射了第一颗带有后向反射器的卫星“Beacon-B”，并很快实现了对其卫星激光测距SLR（Satellite Laser Ranging）。不久，C.Alley、P.Bender、R.Dicke等人提出了将激光后向反射器放置于月球表面，以开展LLR工作。这种激光反射器实际上是一个光学的四面体棱镜，具有对激光的入射方向与反射方向保持平行的特性，能保证在激光测距中光信号沿原发射方向返回。

（2）地面激光观测设备。目前，国际上经常进行激光测月的有美国的McDonald天文台和Haleakala天文台、法国的Grasse观测站、澳大利亚的Orrorral观测站和德国的Wettzell观测站。

3.2 观测模型与改正

由于地球和月球轨道星历是以太阳系质心坐标系给出的，因此激光测月的观测方程通常是太阳系质心坐标系中建立的。激光测月技术的原理并不复杂，将激光发生器产生的激光光束通过望远镜发射到月球上，月面上的角反射器可将入射光束按原方向反射回来，返回的激光讯号由望远镜接收并记录激光往返的时间间隔，称为观测时延 ，显然从观测站到角反射器的距离应为 ，其中c为光速。在下图中，0为地心；M为观测站，它与地心的距离为R，其经度和纬度为λ和ψ；A为月球上的角反射器，A与M站的距离为r，与地心的距离为a；A的天顶距为z，则：

式中δ和H为角反射器的赤纬和时角〔近似等于月球的赤纬和时角）。则3-1式变为

日前LLR的测距精度前人体可达到±（2～5）cm，相对精度可达 。

3.3 LLR数据进行的科学研究与应用

激光测月技术的最初目的是为了检验爱因斯坦广义相对论的等效原理，但到目前为止，激光侧月技术的发展已不仅仅局限如此，它已经发展到可以用LLR技术来测定诸如地球指向参数、测站坐标、地球的弹性参数、岁差、章动等运动特性参数以及与月球轨道的运动、月球天平动有关的一系列参数，并进一步测定月面反射器的月面坐标等。利用37年的LLR数据，已经完成或正在进行的科学研究包括：

（1）精确确定了月球的轨道，自转，固体潮以及月面发射器的位置。

（2）精确测定K2=0.0257±0.0025。给出爱因斯坦相对论参数。

（3）精确测定月球的形状、大小以及表面特征，同时探测到月球表面基本上没有大气和水分。

（4）月球引力产生的地球海洋潮汐对月球轨道的影响，激光测距结果表明，月球每年离开地球约3.8cm。

（5）计算地心引力常数GM，目前最精确的数字来自于LLR。精化了地球自转时间UT0或UT1。

（6）确定月球精密星历表，月球方位参数以及月球物理天平动。

（7）将来LLR达到mm级测量精度后，有可能探测月球内部以及内核特征，确定月球流体核与固体幔的分界面，潮汐耗散项，还有可能测量月核的瞬时动量和章动，验证爱因斯坦广义相对论。

LLR技术的应用还有月球潮汐的测量、月球液核的研究、月面位置坐标、引力常数变化测定和等效原理。随着高精度观测资料的出现，用激光测距资料可开展更深入的研究。

3.4 激光测月相关改正

（1）月球激光后向反射镜改正

月球坐标系的原点取月球质心，z轴为月球自转轴，当月球平黄径等于轨道升交点黄径时，通过地心的月面子午圈与月球赤道的交点为x轴指向，以右手法则确定y轴。月球激光后向反射镜在月球坐标系中的位置通过坐标变换到太阳系质心坐标系，可求得观测站至反射镜的距离，经过简单推导可得到距离对反射镜位置的偏导数。

（2）月球天平动改正

一般称月球旋转速率的变化为经度方向上的自由天平动，旋转轴绕它的cassini位置和惯量主轴的运动称为纬度方向的自由天平动，它们类似于地球运动中的岁差和章动现象。另外，月球非对称性产生的受迫天平动都会对反射镜的位置带来影響，需要加以改正，相关参数也可作为待估参数求解。

（3）月球轨道改正

从距离方程可知，月球轨道运动对所观测的距离产生影响，而月球质心的位置由月球星历给出，其位置不准备必然带来影响，因此，需要将月球轨道相关参数作为待估参数求解，它们包括月球平黄径、平近点角、升交点角距，月球轨道偏心率、月球轨道倾角、地月平均距离、月球平均运动、日月角距，并作为相对论效应改正。

4 总结与展望

激光测月技术的发展是基于激光测距技术的实现，它在月球探测和空间大地测量领域中所取得的成果，显示了该项技术具有十分广阔的发展前景。但是，目前全球已经完全掌握甚至能够成熟运用此技术的国家几乎没有，因为其中还存在多项技术难题，所以，LLR技术既是一个前瞻性领域，又是一个具有挑战性的课题。相比国外，我国激光测月技术起步较晚，目前仍有一些理论与技术方面的问题有待解决，所以，要想作出快速跟进甚至超越，我们必须对此加以重视，加大投资力度，引进高级技术人才，培养和储备年轻人才，制定科学合理的计划，不断加强和国外先进技术的交流与合作，相信随着这些措施的不断落实，在不久的将来，我国的激光侧月技术会迅速发展，最终达到国际领先水平。

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作者简介：

刘振宇（1990-），男，天津市人，助理工程师，主要从事海洋测绘技术研究工作。

（作者单位：天津水运工程勘察设计院

天津市水运工程测绘技术重点实验室）