——从我国成功获得月球照片及美国击毁失效卫星谈起

姚建铨

（已经本人审阅，有删节）

    从2007年10月到2008年4月几个月的时间内，在中国和世界上发生了两件重大的事件：一是我们国家成功发射了嫦娥一号探月卫星，而且传送回了月球背面的照片，有很多照片的水平是美国、俄罗斯和日本等国都未达到的；二是2008年美国成功击毁一颗失效卫星。我将从这两个方面展开，重点阐述光电技术在国防及航天航空领域的应用前景。

    2007年10月24日我国在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭将嫦娥一号卫星成功送入太空。嫦娥一号是我国自主研制的第一颗月球探测卫星，它的发射成功，标志着我国实施绕月探测工程迈出重要一步。2008年1月31日中国国防科工委宣布，嫦娥一号卫星获得月球极区图像。“嫦娥一号”共携带了8件科学仪器：CCD立体相机、太阳风离子探测器、伽马射线谱仪、激光测高仪、微波探测器、X射线谱仪、太阳高能粒子探测器、干涉成像光谱仪。我主要来讲讲激光测高仪。

    激光测高仪与激光测距仪原理类似，从发射一束激光，到接收目标表面反射回来的激光，以这段激光“折返跑”的时间，就能得出两点间的直线距离。“嫦娥”就是靠这副“探月激光眼”，来为月球的地形地貌测高和测深，它与卫星所载的CCD相机相配合，能得到更加清晰、精准的全月立体图像。尤其是在不具备拍摄光照条件的月球极区，更有用武之地。星上搭载的激光测高仪已完成对月球南北极黑暗深坑的初步测量，并将数据成功传回地面，正在制作前人所无的月极三维高程图。这次“国际补白”的背后，是探月团队走出的一条自主创新路。出人意料的是以中科院上海技术物理所为核心的十多人团队，平均年龄不足30岁！他们凭着亲如兄弟般的精诚与团结，将创新资源和能力运用至极限，接连获得全国“五一劳动奖章”和“青年五四奖章”等个人和集体荣誉。

    激光测高仪由激光发射模块、激光接收模块和信号处理模块三部分组成。其工作原理是由激光发射模块首先向月面发射激光束，激光接收模块接收到反射回来的光信号，并把它转换成电信号。通过信号处理模块里的计算机实时处理得出激光测高仪到被探测月面的距离。激光测高仪每一秒发射一束光，在月球表面留下一个约100米直径的“足印”。激光测高仪一圈又一圈地围绕月球转，在月球表面留下激光“足印”，把月球表面状况(包括南北极的黑暗深坑)扫描下来,与CCD立体相机拍摄的高精度图像相叠加，就是一幅完整精确的月球立体地形图。嫦娥一号卫星有效载荷激光测高仪分系统主任设计师、中国科学院上海技术物理研究所所长王建宇解释说，CCD立体相机获得的是月球表面物体的相对高度，例如一个月球环行坑的坑顶与底部的高差，激光测高仪直接测量出该地形的绝对高度。在绘制月球地形图时，两者获得的数据是相辅相成。

    激光测高仪研制的关键工作：1) 要研发出在太空环境下的大能量长寿命的激光器，2) 是要设计出高灵敏度的回波接收电路，3) 要解决收发同轴、温控等系统问题。针对第一个关键工作，我们提出了发展空间应用的全固态激光技术，其中包含几个关键技术难点：1. 空间环境的复杂性：空间电磁辐照、粒子辐照，极端高低温和高真空等空间环境，对研究星载激光器是极具挑战和高风险的。2. 超强的力学稳定性要求，必须在承受振动、15倍加速度、热环境和压力变换后，依然能够存活，而且要保持光轴不变，对高精密的激光器系统是一个极大的考验。3. 有限资源，必须提高效率、降低功耗、体积和重量。4.复杂的热管理和热控技术。

    全固态激光器在空间具有较大的应用潜力，过去成功和非成功的经验推动了空间全固态激光器的快速发展。我国已经成功研制出第一套器件，但是处于刚刚起步阶段，因此发展势头强劲，但是技术难度仍然很高。

 

    2008年2月21日，美国伊利湖号巡洋舰在夏威夷发射标准3号导弹成功击毁失效间谍卫星USA193，导弹采取“迎头撞击”方式准确摧毁目标，这是美军历史上首次使用导弹防御系统（MD）的战术导弹拦截太空卫星，并取得成功。国际社会对美军此次击毁本国卫星的举动广泛关注并普遍表示忧虑。 此次美国公开宣称用导弹打击卫星，并成功摧毁，可算是一次不折不扣、使用实战武器系统的演习，标志着美国MD系统拦截技术在反卫星与反导武器技术的通用性与共用性上取得重大进展，也标志着美军MD系统接近实战。另外，这一实验的成功也标志着MD重要关键技术－拦截弹红外导引头对低温目标的识别和跟踪能力得到了成功的验证。由于失控卫星已停止工作，其星体在外层空间的红外特征可能较来袭弹头小，对导引头红外探测组件的工作效能是个严峻考验。此次拦截行动的成功验证、演示了美国反导系统对低红外特征目标的识别和拦截能力；也标志着其拦截弹红外导引头技术的重大进展。同时，也意味着MD系统中STSS卫星的关键技术之一——低温（中段飞行的导弹）物体探测识别达到了实用化。    

    美国的MD导弹防御系统主要由导弹预警卫星、预警雷达、X波段雷达、拦截弹和指挥控制中心等五大部分组成。其成功防御的四大要素是“及时发现、正确识别、精确跟踪和有效拦截” 。

美国击毁失效卫星事件显示了光电对抗在军事领域的主要性。

 

    我作为光电国家实验室太赫兹中心主任和太赫兹光电子学团队的负责人，主要在实验室内承担太赫兹方向的研究工作。

    “太赫兹技术”最近国际发展趋势：

1、太赫兹辐射源水平迅速提高：采用回旋管（Gyrotron），THz源功率达兆瓦（MW）量级；采用气体CO2激光差频，THz源功率（峰值）达2千瓦；采用固体激光差频，THz源功率（峰值）达389瓦；采用CO2光泵，THz源功率（峰值）（CW）达W量级；采用QCL ，THz源功率（峰值）达10MW（接近Room temperature）。

2、太赫兹技术应用发展迅速：光谱检测成象等应用较广；生物医学、科学研究等应用有很大进展；在光电对抗、空间探测、制导、通信正在广泛探索。

在我国，太赫兹方向的研究成为一个热点，国家已成立太赫兹专家委员会，有THz网络及网上杂志（Journal of Science&Technology），并每年定期举办两个国际会议。但我国与发达国家的差距在太赫兹领域还有一定差距，主要体现在缺乏统一的规划，研究投资度很低（仅为韩国的1/5），缺乏较为集中的研究基地，创新思维不足，研究人才缺乏，研究水平较低。

针对太赫兹领域的现状，我特向光电国家实验室提出以下建议：1、加强横向学术交流与联合；2、联合申请及承担国家重大科技项目及计划；3、加强对本科生，研究生的培养。

 

    我所领导的太赫兹光电子学团队总目标为：着重研究可调谐、相干－光子学太赫兹源,相关技术及其应用，使之成为我国太赫兹技术研究的两个重要基地——具有承担太赫兹领域国家重大项目的基地及培养高水平太赫兹科技人才的基地。近期目标：采用气体激光差频技术实现万瓦量级峰值的太赫兹源，进行太赫兹在空间探测成像技术研究,探索在军事（全波段光电对抗）及环境检测中的应用。远期目标：采用CO2激光差频及皮秒固激光频实现亚兆瓦量级（国际领先水平）的太赫兹源、研究相关技术，太赫兹技术全波段光电对抗及环境监控走向实用化。

    最后我要引用我们这个团队中一位年轻博士生吴亮同学在一篇文章中的几句话作为我的结束语，他说：

1、而我认为物质与精神同富有，才是我的价值观。对知识的渴求，用自己有限的认识去认知无限的世界，这应该是人类科学不断发展的动力。经过自己几年的努力，能够对人类的科学事业进步做出一点贡献，这应该是精神上的一种极大的享受。

2、80后的榜样不是陈冠希，不是偶像明星，而是那些默默无闻为社会、为祖国的发展和进步创造财富、贡献力量的人。 

3、经过博士期间的学习，我也深深地认识到，我加入了一个非常优秀的团队，有优秀的老师和同伴，有优良的实验条件，在这里我可以实现自己的理想，可以做自己认为有意义的事情，我会把这些当作我的荣耀深埋于心中。总之，作为一名理工科博士研究生，我会怀着理想和尊严坚持走下去。