雷射測月

“月球雷射測距”的簡稱。測定月球距離的一種方法。用光學望遠鏡發射雷射脈衝到月球並接收其回波，由記錄的時間間隔，計算觀測站到月球距離。20世紀60年代初開始套用。初期只是接收由月面漫反射的雷射回波，後來又在月面安置後向反射器，增加回波強度，提高觀測精度。目前，測定精度達3厘米。所得資料可供測定世界時、極移、地麵點的地心坐標，研究月球軌道和月球內部結構等使用。

基本介紹

• 中文名：雷射測月
• 外文名：Lunar Laser Ranging
• 全稱：“月球雷射測距”
• 性質：定月球距離的一種方法
• 開始套用：20世紀60年代初
• 類別：測繪科技

基本概念

“月球雷射測距”的簡稱。測定月球距離的一種方法。用光學望遠鏡發射雷射脈衝到月球並接收其回波，由記錄的時間間隔，計算觀測站到月球距離。20世紀60年代初開始套用。初期只是接收由月面漫反射的雷射回波，後來又在月面安置後向反射器，增加回波強度，提高觀測精度。目前，測定精度達3厘米。所得資料可供測定世界時、極移、地麵點的地心坐標，研究月球軌道和月球內部結構等使用。

定義

雷射測月簡稱LLR.一種天文觀測技術.指由地面用雷射測定月面某點的距離.自1969年7月20日阿波羅11號載人登月成功，並在月面安裝雷射反射器，就開始了月球雷射測距工作.後來陸續在月面不同地點共安裝5個雷射反射器，其中有1個不成功.20世紀70年代的測距精度為8cm，到20世紀90年代已達1cm，故雷射測月技術已成為現代最精確的觀測技術之一.用雷射測月資料可精確測定地球自轉參數、月曆表偏差、月球天平動參數、引力理論參數等。

工作原理

它是一種用雷射直接測定地球與月球之間距離的技術。由地面觀測站向放置在月球上的後向反射器發射雷射束，然後接收從月球反射器反射回的雷射回波，通過計數器測定雷射束往返的時間間隔，利用已知光波速度推算出地球月球之間的距離。1969年7月美國進行第一次載人登月飛行，太空人在月球表面上放置了第一個月球雷射反射器。目前在月球上共安放有5個後向反射器。隨地面測距系統不斷完善，測時精度已接近1毫微秒，測定地月距離精度已達8厘米。

研究現狀

McDonald是最初進行月球雷射測距的幾個測站之一，採用2.7m的望遠鏡並且每個陰曆月進行21天測量，最初用的雷射器是紅寶石雷射器，在1975年前後的測距精度大約是25cm，在80年代初這一精度提高到了15cm，1985年後這套系統被一套新的系統MLRS (McDonald Laser Ranging Station)所代替，該系統望遠鏡口徑為76cm，採用YAG雷射器得到了更窄的脈衝寬度並且採用了更精確地時間計量設備，精度有了顯著提高，達到了3cm的水平。新的系統同時具有進行衛星雷射測距和月球雷射測距的能力，這套系統目前仍可進行LLR工作並且產生的數據占全球LLR數據量的30%。

美國在New Mexico建立了一台大口徑(3.5m)的APOLLO系統，該系統配備了MlIT Lincoln Labs研製的APDs (Avalanche Photodiodes)陣列，可以測出返回的多個光子並且獲得每個光子的返回時間，同時記錄返回光子的二維空間分布的位置，這將為實時引導望遠鏡提供參考從而使返回的光子數大大增加，這套系統從2005年10月至2006年6月間進行了試運行，經過逐步改進取得了非常好的效果，單個脈衝有時可以返回多個(2~7)光子，對四個月面反射器進行一個小時的測距總共可收到2650個回波。預計測距精度將達到lmm，提供的數據對於各種理論的研究精度將提高一個數量級。

主要技術途徑

月球雷射測距直到今天仍在不斷的給我們提供有價值的結果，因為一些測站不斷地改進測月儀器，提出新的處理數據的方法，減少了影響精度的因素，數據被採用加權的lease一squar。處理，精度已經從剛開始的30cm減少為10cm再到2cm直到現在的毫米量級。

改進月球雷射測距所採用的主要技術方法如下:

採用先進的接收器件

UlrichSchreib二等人在法國的GRASSE月球雷射測距站比較了兩種接收器件雪崩二極體SP114和光電倍增管RCA31034a的性能，他們發現雪崩二極體SP114能在波長為532nm和1.064um處成功的運行，而且雪崩二極體SP114具有高靈敏度、高精度、更穩定和方便使用的特點。為了取得毫米量級的測月精度，APOLLO(The Apache Point Observatory Lunar Laser ranging Operation)系統採用了由MIT林肯實驗室研製的雪崩二極體陣(APDS,4 x 4及32 x 32 )作為新的接收器件，這個器件具有高的時間解析度(<100ps)、高的探測效率(50%)，以往的探測器只接收返回的第一個光子而放棄了後面的光子，雪崩二極體陣將探測每個返回的光子，將不同的探測單元探測到的光子進行統計分析，從而得到返回脈衝的二維空間信息，這種方法可以為實時引導望遠鏡提供信號從而保證到達月面的雷射時時對準月面反射器從而提高回波光子數。

採用光學計數器

在月球雷射測距實驗中，時間計數是一件很重要的事，只有時間計量的精度足夠高，我們才可以獲得高精度的、可靠的測月數據。時間計數通常是將光信號通過光電二極體轉化成電信號，這個轉化所帶來的延遲是由很多因素決定的，用這種計數器所帶來的誤差是納秒量級的，當然，當計量連續光脈衝的時間間隔時，它所帶來的誤差就很小(10PS )，因為在相減時去掉了不穩定因素的影響。Samain.Etienne做了光學計數器的實驗，讓光脈衝經過加上了震盪電場的電光晶體，震盪電場須與鐘所傳送的震盪電壓同步，出射後光脈衝的極化性質發生改變，再
通過格蘭稜鏡將不同偏振性質的光分開，並且通過探測器計數，可以推出光脈衝到達電光晶體的時間。這種光學計數器避免了從光脈衝轉化為電脈衝所帶來的時間誤差，精度可達10PS，比通常的計數器高兩個數量
級。

提高望遠鏡的指向精度

月球雷射測距的特點要求望遠鏡必須具有角秒級的指向精度。雲南天文台的馮和生等人系統的發展了一整套建立望遠鏡高指向精度的方法並加以實現。其具體方法可分為望遠鏡的全天指向模型修正、編碼器小周期修正、局部天區指向模型修正。通過天文觀測和圖像處理精確的求出望遠鏡視軸指向的偏差，用適當的數學模型修正其系統偏差。研究表明，在一個時段內，經過全天指向模型修正和編碼器小周期修正後望遠鏡指向精度的中誤差可達士1 arcsec。這樣的指向精度必定會大大提高測月成功的幾率。