月球激光測距

月球激光測距：利用激光直接測定月球距離的技術。它的基本原理是﹕通過望遠鏡從地面測站向月球發射一束脈衝激光﹐然後接收從月球表面反射回來的激光回波﹐通過測站上的計數器測定激光往返的時間間隔﹐便可推算出月球距離。月球激光測距的原理與經典的天體方位測量原理完全不同。大氣對測距的影響很小﹐可以根據測站的氣象資料加以修正。在地平高度10°以上﹐大氣改正的誤差小於1釐米﹐因此大氣折射不再是觀測精度的嚴重障礙。但由於回波很弱﹐觀測要求有很好的透明度。

月球激光測距是在1962～1963年激光技術問世後不久著手試驗的。最初只能接收月球天然表面漫反射的激光回波﹐由於回波波形無法縮窄﹐加以地面儀器設備不夠完善﹐測距精度很低。1969年7月﹐美國進行第一次載人登月飛行﹐宇航員在月面上安放了第一個後向反射器裝置。它的大小為46釐米見方﹐上面裝有100個熔石英材料的後向反射器﹐每個直徑為 3.8釐米。這種反射器實際上是一個光學的四面體稜鏡。它有一個很有用的特性﹕當一束光線從第四面射入﹐經過三個直角面依次反射後﹐仍從第四面射出﹐這一特性能保證反射光訊號沿原發射方向返回地面測站﹐使回波強度大大增加。這樣﹐利用面積很小的反射器組合就可以使地球上收到激光回波﹐而且波形不會因此變寬﹐因而可以達到很高的測距精度。後向反射器的應用﹐使月球激光測距的精度大大提高。目前﹐在月球上共安放了五個後向反射器裝置﹐地面測距系統也日趨完善。近年來測距精度已達到8釐米左右。

月球激光測距系統中採用的激光器大多是脈衝紅寶石激光器﹐脈衝功率高達千兆瓦﹐脈衝寬度為2～4毫微秒。激光束經過望遠鏡準直後的發散角僅2～4角秒﹐一般幾秒鐘發射一次。發射和接收可使用同一個望遠鏡﹐其口徑一般要大於1米。回波光訊號極其微弱﹐通常在接收器的陰極面上僅能產生一個光電子﹐所以相應地發展了一套單光電子接收技術。在最近研製的新型月球測距系統中﹐採用了脈寬小於1毫微秒的釔鋁石榴石激光器。這樣﹐就有可能在幾年內使測距精度達到2～3釐米﹐相對精度為5×10。

地面測站與月面反射器之間的距離及其變化包含了十分豐富的信息。幾年來﹐應用精確的月球測距資料﹐已經大大改進了月球的軌道計算﹔研究了月球物理天平動和內部結構模型﹔精確測定了反射器的月面座標﹐改進了地面測站的地心座標以及地月系的質量數據﹔同時還檢驗了引力理論﹐證明了廣義相對論的正確性。今後還會運用精確的月球測距資料來研究地和極移﹑測量板塊運動等十分重要的課題。

在過去的幾十年中，人類通過登月航天器在月球的表面上放置了多個角反射鏡。這包括美國的阿波羅11號，阿波羅14號，阿波羅15號；蘇聯的月球17號（月球車1號）和月球21號（月球車2號）等等。目前在這些人工儀器的幫助下，地月距離的測量精度已經可以達到毫米量級。這幫助人們更好的瞭解月球軌道的演進，並進而推斷月球的構造。