光學技術在中國月球和深空探測中的應用

王照寰

摘 要：在新時期，中國探月、深空探測活動如火如荼地開展，應用光學技術于探月、深空探測工程中，能夠深入了解宇宙，滿足人們對目標天體的認知需求。本文在介紹光學技術的基礎上，分析當前我國月球與深空探測工程的實施，最后重點探究光學技術在探月工程和深空探測工程中的應用。

關鍵詞：光學技術;月球和深空探測;光學載荷

中圖分類號：V11文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）28-0045-03

Discussion on the Application of Optical Technology in

Lunar and Deep Space Exploration in China

WANG Zhaohuan

（Shandong Normal University，Jinan Shandong 250014）

Abstract： In the New Era， China's lunar exploration and deep space exploration activities are in full swing. The application of optical technology in the lunar exploration and deep space exploration projects can deepen understanding of the universe and meet people's cognitive needs for the target celestial bodies. Based on the introduction of optical technology， this paper analyzed the implementation of the lunar and deep space exploration projects in China， and finally focused on the application of optical technology in the lunar and deep space exploration projects.

Keywords： optical technology;lunar and deep space exploration;optical payload

1 光學技術概述

光學發展經歷了多個階段，各階段時間點及理論成果為：遠古到16世紀（記錄光學現象）、16世紀中期至18世紀初（費馬原理）、19世紀初至19世紀末（波動理論）、19世紀末到20世紀初（光的量子理論）、20世紀60年代至今（衍生新理論分支）。目前，光學在精密計量、空間天文、紅外探測、高速攝影等方面廣泛應用，特別是在月球與深空探測領域，光學技術效用十分顯著[1]。

2 當前中國月球與深空探測工程的實施

2.1 嫦娥五號

嫦娥五號的探測以月面采樣返回為基本任務，探測人員高效整合國內航天技術，并通過技術創新來展現核心技術，順利實現月面采樣、月球軌道對接、安穩返回，一定程度上縮小了我國與發達國家在深空探測工程方面的差距。

2.2 嫦娥六號

嫦娥六號任務將根據計劃于2019年年底實施的嫦娥五號任務情況，確定在月球正面或背面南極附近實施采樣返回。由于嫦娥六號任務屬于備份項目，所以探測人員要進一步強化測控能力，在月球樣品實驗室建立、采樣點變更、載荷調整、目標重置等方面做足充分準備。

2.3 火星探測

我國首次火星探測任務計劃于2020年擇機實施，目標是通過一次發射任務，實現火星環繞和著陸巡視，開展火星全球性和綜合性探測，并對火星表面重點地區精細巡視勘查。2019年11月14日，我國首次火星探測任務著陸器懸停避障試驗在河北省懷來縣完成，此次試驗是我國火星探測任務首次公開亮相，試驗模擬了著陸器在火星環境下懸停、避障、緩速下降的過程，對其設計正確性進行了綜合驗證。

3 光學技術在探月工程和深空探測工程中的應用

3.1 應用載體——光學載荷

我國探月工程任務實施過程中，所搭載科學光學載荷設備數量超過25臺，約為全部探測載荷設備的1/2。

3.1.1 物質組成與分布信息類載荷。深空探測人員主要借助各類光譜儀獲知可見光到近紅外波段的光譜信息，通過從廣度、深度兩方面挖掘數據信息得知物質組成[2]。從探月工程任務可知，紅外成像光譜儀、火星礦物光譜探測儀在觀測數據獲取方面起發揮著重要作用。例如，嫦娥四號衛星探測活動中利用物質組成與分布信息類載荷確定落區月壤中存在月球深部物質，如橄欖石、低鈣輝石。需要說明的是，各類光譜儀往往與全景相機和其他巡視器聯合使用，以保證觀測數據的完整性和真實性。除此之外，探月工程搭載干涉成像光譜儀，并聯合γ/X射線譜儀，經功能聯用對月球表面礦物質進行分類，通過二維光譜序列圖了解礦物分布情況。

首次火星探測任務實施的目標之一即了解火星表面物質組成。在任務開展過程中，應客觀分析光譜帶圖像信息、等離子體發射光譜。同時，可聯用多光譜相機、具備激光誘導擊穿光譜技術的探測儀，為火星表面物質元素成分分析提供有利條件。

3.1.2 形貌勘察類載荷。光學技術用于探月工程，形貌勘察類光學載荷設備在獲取星球信息中起著關鍵性作用。由于不同星球形貌勘察任務存在差異，所以要選用不同型號、不同裝置的形貌勘察類光學載荷設備，全面、真實地獲取星球表面的信息。除相機設備外，激光高度計也是重要的形貌勘察類光學載荷設備。激光高度計通過激光測距獲得探測數據，進而獲取高程信息。以嫦娥一號衛星探測活動為例，將激光高度計光學載荷與精密星歷有機結合，有效獲取了全月DEM圖（見圖1），進而為形貌研究工作提供了有價值的信息，同時，滿足了公眾獲知月球全貌圖像的需求。

3.1.3 元素種類與豐度信息類載荷。月球探測任務接連完成，探測人員發現γ射線客觀存在。經研究可知，月球表面個別元素在太陽X射線作用下形成X射線，這類射線的能譜呈現出多樣化特征。經科學探測元素種類與豐度信息類載荷，客觀掌握元素類型及豐度信息，為元素分布圖繪制提供價值數據。其中，激發X射線譜儀在γ射線和X射線探測中發揮重要作用，實現探測范圍內主量元素、微量元素高分辨測量。例如，嫦娥三號衛星通過探測元素種類與豐度信息類載荷并進行分析可知，其著陸巖石為月海玄武巖的概率較高（見圖2）。

3.1.4 等離子層成像類載荷。探月衛星獲取地球等離子層成像信息時，安裝極紫外相機于著陸器上，實現極紫外觀測。當出現磁層亞暴現象時，地球等離子體層大小發生變化。從某種程度上來講，電磁場是影響離子體層大小的重要因素。除了搭載極紫外相機外，還可以搭載月基光學望遠鏡，以滿足持續、穩定監測月球的需要。

3.2 光學技術探月趨勢

光學技術為空間科學事業發展及應用提供了可靠的技術支持，日后月球科研站、月球基地建設工作會逐步落實，經功能分區來推動月球科學研究活動，以此提高月球資源利用率。除此之外，多項行星探測工作會提上日程，使光學技術與探月工程深度融合。

3.3 光學技術深空探測任務及應用趨勢

3.3.1 深空探測任務。在光學技術作用下，深空探測活動會逐步完成小行星探測任務、火星采樣返回探測任務、木星系探測及行星穿越任務，這三項任務實施目標分別為主帶彗星環繞、火星取樣返回、行星際穿越探測。

3.3.2 應用趨勢。光學發展空間日益廣闊，日后光子技術、光開關技術、信息光子技術、量子通信與量子密碼技術會取得突破式發展。隨著電子計算機技術的快速發展，光子技術在大容量、并行處理等方面的優勢會全面顯現，并取得良好的信息傳輸效果，實現全光通信目標。對于光開關技術，基于非線性光學方法實現以光控光，使光學參量合理調控。將先進的光學技術用于深空探測工程，有利于快速、全面地揭開深空星際面紗，為日后星空探測奠定良好的基礎。為更好地順應信息時代的發展趨勢，應深入開發光子技術，大力發展光子產業，以拓展光學技術在深空探測工程中的應用空間[3]。

光學技術在深空探測中的應用趨勢主要表現在以下幾方面。首先，探測設備輕小型化。當前，月球及深空探測設備向輕型化、小型化發展，主要是因為資源傳輸要求發生變化，對此要充分利用新工藝、新技術，將材料升級工作落到實處。例如，APS星敏感器具有質量輕、體積小、能耗低等優點。其次，探測性能優良化。由于科技發展速度較快，加之光學載荷性能逐步提升，所以探測設備空間分辨率相應提高，這對探測物質組成成分精細分析具有重要意義。再次，多載荷探測的協同化。當前，深空探測工程在空間等離子體環境分析方面提出較高要求，對此，要多層面、多角度地獲取多源探測數據，這為多載荷協同探測提供前提條件。例如，聯用可見光相機、紅外相機、“半人馬”上面級探測LCROSS衛星塵埃柱水分含量以及分布情況，所獲得的數據信息具有較高的參考價值和利用價值，能為LCROSS衛星探測任務順利完成提供推動力。可見，多載荷協同探測具有現實性意義，是擴大光學技術應用范圍、高效完成深空探測任務的有效路徑[4]。最后，功能集成性。集成不僅是對實物設備而言的，而且包括深空探測任務。光學技術為星際互聯網絡構建設想實現提供了技術支持，該項技術的有效應用，能夠解決通信路徑損耗問題，并拓展光學載荷在多通道、多功能探測等方面的功能。例如，月球光譜礦物分析儀兼具成像、光譜測量等功能，其應用范圍較廣，能實現空間廣闊利用、有機物質準確分析等目標[5]。與傳統的紅外成像光譜儀相比，光譜礦物分析儀更具實用性和有效性，能夠更好地滿足深空探測需要，為深空探測工作起到基礎鋪墊作用，最終實現光學技術價值的全面發揮。

4 結語

中國探月工程取得了突破式進步，并且“繞、落、回”三步走這項目標順利實現。為保證后續規劃的星際探測任務高效實現，要有效應用光學技術，并在光學設備、光學材料等方面進行升級和創新。

參考文獻：

[1]杜洋，于淼，徐亮，等.工程光學監測技術在火星探測中的應用[J].航天返回與遙感，2018（2）：34-44.

[2]王小勇.空間光學技術發展與展望[J].航天返回與遙感，2018（4）：79-86.

[3]張威，楊成恩，耿婷婷，等.光學觀測中月球夾角計算的原理與實現[J].計算機仿真，2018（10）：299-302.

[4]嚴韋，劉建軍，任鑫，等.嫦娥三號月基光學望遠鏡幾何定位精度分析[J].武漢大學學報（信息科學版），2018（1）：133-137.

[5]郭銳，李榮旺，熊耀恒.自適應光學應用于月球激光測距中視場旋轉對大氣波前傾斜量提取的影響[J].天文研究與技術，2007（3）：238-242.