光学技术在中国月球和深空探测中的应用

王照寰

摘 要：在新时期，中国探月、深空探测活动如火如荼地开展，应用光学技术于探月、深空探测工程中，能够深入了解宇宙，满足人们对目标天体的认知需求。本文在介绍光学技术的基础上，分析当前我国月球与深空探测工程的实施，最后重点探究光学技术在探月工程和深空探测工程中的应用。

关键词：光学技术;月球和深空探测;光学载荷

中图分类号：V11文献标识码：A文章编号：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 光學技术概述

光学发展经历了多个阶段，各阶段时间点及理论成果为：远古到16世纪（记录光学现象）、16世纪中期至18世纪初（费马原理）、19世纪初至19世纪末（波动理论）、19世纪末到20世纪初（光的量子理论）、20世纪60年代至今（衍生新理论分支）。目前，光学在精密计量、空间天文、红外探测、高速摄影等方面广泛应用，特别是在月球与深空探测领域，光学技术效用十分显著[1]。

2 当前中国月球与深空探测工程的实施

2.1 嫦娥五号

嫦娥五号的探测以月面采样返回为基本任务，探测人员高效整合国内航天技术，并通过技术创新来展现核心技术，顺利实现月面采样、月球轨道对接、安稳返回，一定程度上缩小了我国与发达国家在深空探测工程方面的差距。

2.2 嫦娥六号

嫦娥六号任务将根据计划于2019年年底实施的嫦娥五号任务情况，确定在月球正面或背面南极附近实施采样返回。由于嫦娥六号任务属于备份项目，所以探测人员要进一步强化测控能力，在月球样品实验室建立、采样点变更、载荷调整、目标重置等方面做足充分准备。

2.3 火星探测

我国首次火星探测任务计划于2020年择机实施，目标是通过一次发射任务，实现火星环绕和着陆巡视，开展火星全球性和综合性探测，并对火星表面重点地区精细巡视勘查。2019年11月14日，我国首次火星探测任务着陆器悬停避障试验在河北省怀来县完成，此次试验是我国火星探测任务首次公开亮相，试验模拟了着陆器在火星环境下悬停、避障、缓速下降的过程，对其设计正确性进行了综合验证。

3 光学技术在探月工程和深空探测工程中的应用

3.1 应用载体——光学载荷

我国探月工程任务实施过程中，所搭载科学光学载荷设备数量超过25台，约为全部探测载荷设备的1/2。

3.1.1 物质组成与分布信息类载荷。深空探测人员主要借助各类光谱仪获知可见光到近红外波段的光谱信息，通过从广度、深度两方面挖掘数据信息得知物质组成[2]。从探月工程任务可知，红外成像光谱仪、火星矿物光谱探测仪在观测数据获取方面起发挥着重要作用。例如，嫦娥四号卫星探测活动中利用物质组成与分布信息类载荷确定落区月壤中存在月球深部物质，如橄榄石、低钙辉石。需要说明的是，各类光谱仪往往与全景相机和其他巡视器联合使用，以保证观测数据的完整性和真实性。除此之外，探月工程搭载干涉成像光谱仪，并联合γ/X射线谱仪，经功能联用对月球表面矿物质进行分类，通过二维光谱序列图了解矿物分布情况。

首次火星探测任务实施的目标之一即了解火星表面物质组成。在任务开展过程中，应客观分析光谱带图像信息、等离子体发射光谱。同时，可联用多光谱相机、具备激光诱导击穿光谱技术的探测仪，为火星表面物质元素成分分析提供有利条件。

3.1.2 形貌勘察类载荷。光学技术用于探月工程，形貌勘察类光学载荷设备在获取星球信息中起着关键性作用。由于不同星球形貌勘察任务存在差异，所以要选用不同型号、不同装置的形貌勘察类光学载荷设备，全面、真实地获取星球表面的信息。除相机设备外，激光高度计也是重要的形貌勘察类光学载荷设备。激光高度计通过激光测距获得探测数据，进而获取高程信息。以嫦娥一号卫星探测活动为例，将激光高度计光学载荷与精密星历有机结合，有效获取了全月DEM图（见图1），进而为形貌研究工作提供了有价值的信息，同时，满足了公众获知月球全貌图像的需求。

3.1.3 元素种类与丰度信息类载荷。月球探测任务接连完成，探测人员发现γ射线客观存在。经研究可知，月球表面个别元素在太阳X射线作用下形成X射线，这类射线的能谱呈现出多样化特征。经科学探测元素种类与丰度信息类载荷，客观掌握元素类型及丰度信息，为元素分布图绘制提供价值数据。其中，激发X射线谱仪在γ射线和X射线探测中发挥重要作用，实现探测范围内主量元素、微量元素高分辨测量。例如，嫦娥三号卫星通过探测元素种类与丰度信息类载荷并进行分析可知，其着陆岩石为月海玄武岩的概率较高（见图2）。

3.1.4 等离子层成像类载荷。探月卫星获取地球等离子层成像信息时，安装极紫外相机于着陆器上，实现极紫外观测。当出现磁层亚暴现象时，地球等离子体层大小发生变化。从某种程度上来讲，电磁场是影响离子体层大小的重要因素。除了搭载极紫外相机外，还可以搭载月基光学望远镜，以满足持续、稳定监测月球的需要。

3.2 光学技术探月趋势

光学技术为空间科学事业发展及应用提供了可靠的技术支持，日后月球科研站、月球基地建设工作会逐步落实，经功能分区来推动月球科学研究活动，以此提高月球资源利用率。除此之外，多项行星探测工作会提上日程，使光学技术与探月工程深度融合。

3.3 光學技术深空探测任务及应用趋势

3.3.1 深空探测任务。在光学技术作用下，深空探测活动会逐步完成小行星探测任务、火星采样返回探测任务、木星系探测及行星穿越任务，这三项任务实施目标分别为主带彗星环绕、火星取样返回、行星际穿越探测。

3.3.2 应用趋势。光学发展空间日益广阔，日后光子技术、光开关技术、信息光子技术、量子通信与量子密码技术会取得突破式发展。随着电子计算机技术的快速发展，光子技术在大容量、并行处理等方面的优势会全面显现，并取得良好的信息传输效果，实现全光通信目标。对于光开关技术，基于非线性光学方法实现以光控光，使光学参量合理调控。将先进的光学技术用于深空探测工程，有利于快速、全面地揭开深空星际面纱，为日后星空探测奠定良好的基础。为更好地顺应信息时代的发展趋势，应深入开发光子技术，大力发展光子产业，以拓展光学技术在深空探测工程中的应用空间[3]。

光学技术在深空探测中的应用趋势主要表现在以下几方面。首先，探测设备轻小型化。当前，月球及深空探测设备向轻型化、小型化发展，主要是因为资源传输要求发生变化，对此要充分利用新工艺、新技术，将材料升级工作落到实处。例如，APS星敏感器具有质量轻、体积小、能耗低等优点。其次，探测性能优良化。由于科技发展速度较快，加之光学载荷性能逐步提升，所以探测设备空间分辨率相应提高，这对探测物质组成成分精细分析具有重要意义。再次，多载荷探测的协同化。当前，深空探测工程在空间等离子体环境分析方面提出较高要求，对此，要多层面、多角度地获取多源探测数据，这为多载荷协同探测提供前提条件。例如，联用可见光相机、红外相机、“半人马”上面级探测LCROSS卫星尘埃柱水分含量以及分布情况，所获得的数据信息具有较高的参考价值和利用价值，能为LCROSS卫星探测任务顺利完成提供推动力。可见，多载荷协同探测具有现实性意义，是扩大光学技术应用范围、高效完成深空探测任务的有效路径[4]。最后，功能集成性。集成不仅是对实物设备而言的，而且包括深空探测任务。光学技术为星际互联网络构建设想实现提供了技术支持，该项技术的有效应用，能够解决通信路径损耗问题，并拓展光学载荷在多通道、多功能探测等方面的功能。例如，月球光谱矿物分析仪兼具成像、光谱测量等功能，其应用范围较广，能实现空间广阔利用、有机物质准确分析等目标[5]。与传统的红外成像光谱仪相比，光谱矿物分析仪更具实用性和有效性，能够更好地满足深空探测需要，为深空探测工作起到基础铺垫作用，最终实现光学技术价值的全面发挥。

4 结语

中国探月工程取得了突破式进步，并且“绕、落、回”三步走这项目标顺利实现。为保证后续规划的星际探测任务高效实现，要有效应用光学技术，并在光学设备、光学材料等方面进行升级和创新。

参考文献：

[1]杜洋，于淼，徐亮，等.工程光学监测技术在火星探测中的应用[J].航天返回与遥感，2018（2）：34-44.

[2]王小勇.空间光学技术发展与展望[J].航天返回与遥感，2018（4）：79-86.

[3]张威，杨成恩，耿婷婷，等.光学观测中月球夹角计算的原理与实现[J].计算机仿真，2018（10）：299-302.

[4]严韦，刘建军，任鑫，等.嫦娥三号月基光学望远镜几何定位精度分析[J].武汉大学学报（信息科学版），2018（1）：133-137.

[5]郭锐，李荣旺，熊耀恒.自适应光学应用于月球激光测距中视场旋转对大气波前倾斜量提取的影响[J].天文研究与技术，2007（3）：238-242.