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2020年12月1日，嫦娥五號探測器穩穩軟著陸在月球正面風暴洋呂姆克山脈以北地區，落月過程中，中國科學院上海技術物理研究所（下稱“上海技物所”）研制的激光測距測速敏感器和激光三維成像敏感器發揮著重要作用。

“我國開展月球與深空探測，一個是要去拍照片，第二就是去一個陌生的星球實際上先要知道它的地質構造，這是一個基礎的調查。”上海技物所副所長舒嶸近日接受第一財經采訪時介紹。

主動光電技術主要是利用激光與目標相互作用精確獲取目標距離、速度、三維形貌、光譜特性等。不只是嫦娥系列月球探測器，天問一號祝融號火星車、量子科學衛星、高分七號衛星這些重大工科學任務背后，都離不開上海技物所研制的主動光電儀器，而這些關鍵自主技術背后——是平均年齡還不到40歲的空間主動光電載荷研制團隊。

從2002年開始，該團隊承擔嫦娥一號到五號科學與工程載荷研制任務，研制了系列測距儀、測速敏感器、激光三維成像敏感器等，關鍵技術自主可控，用自研方案證明了中國在月面實現著陸器精確避障能力，獲得過國家科技進步一等獎、中國科學院杰出成就獎、上海市科技進步一等獎等。

科研人員討論測試過程  采訪方供圖

探月探火背后的關鍵技術

有了此前探月工程的探索經驗，團隊也隨之承擔了之后天問一號火星車“祝融號”的研制工作。

在“祝融號”重達25公斤的有效載荷中，上海技物所空間主動光電載荷研制團隊研制的火星表面成分探測儀占了15公斤。“雖然給了15公斤重量，但實際上這個重量還是比較苛刻的，載荷同時具備顯微照相機、瞬態等離子體光譜探測與標定、激光發射及自聚焦調整等多個功能，并能承受著陸沖擊、低溫等惡劣條件。”舒嶸近日對記者介紹道。

作為火星車核心科學載荷之一，探測儀要借助激光誘導等離子體光譜技術，測出巖石元素及其含量，探測火星地質成分。

舒嶸說，成分探測儀的工作原理是要用一束激光聚焦到目標，用高溫使其氣化產生等離子體。在冷卻的過程中，把產生輻射的光譜信息測量出來，就知道它的元素是什么。“可是火星表面成分探測儀被安裝在艙外，晚上會到零下96攝氏度，這種低溫情況下設備比較容易壞，如何在保持精度的情況下耐得住低溫是個很大的難題。”

在他看來，這個載荷一開始最大的難點，就是熱源的問題。因為在月球車上有同位素熱源，所以搭載于月球車上的光譜儀不會碰到這種情況，但是火星車并未包含同位素熱源。因此，團隊在研制過程中，為了適應低溫條件，做了數不清的試驗，僅以其中一個環節——望遠鏡的鏡片支架為例，就設計了多種方案反復比對、思量、驗證，最終才做出決定。

不只月球與深空探測相關技術攻關，我國首顆量子科學實驗衛星墨子號成功背后也有一些驚險的研發故事。

彼時，還是博士生的上海技物所研究員、中高軌量子科學實驗衛星量子光傳輸課題負責人張亮，和師兄弟們經常跑去青海湖。“墨子號主要涉及的是量子通信，我們為什么要做？因為它能夠提供一種物理上絕對安全的讓密碼產生的方法，從而保證安全通信。”

他對記者解釋說，之所以要做量子衛星，主要是在地面的時候會受到地面地球的曲率、地面光纖的影響，這些都會對量子信號有所損耗，所以在地面用量子通信距離也就幾百公里，這樣連跨越整個中國都有困難，更別談全球了，“所以我們就想用衛星來實現量子通信，實現全球密碼的共享”。

不過，驗證和實驗沒那么容易。有一次他們為了模擬載荷在衛星上飛行的狀態，團隊在夜里放熱氣球，沒想到地點正選在一個風口，氣球突然飛上去20多米，回收時又猛地砸向地面，把他們嚇得不輕。

“因為量子信號非常弱，所以我們要盡量減少它的損失，就是怎么讓量子信號從衛星上盡可能減少損耗，瞄準到地面，提高精度，這是我們要解決的一個難點。”張亮解釋。

目前，該團隊也形成金字塔型老中青組合隊伍。“50后”王建宇院士精心指導工程的頂層規劃和設計，中有“70后”舒嶸、何志平等中堅力量，后有黃庚華、張亮等“80后”“90后”后浪。現階段團隊正在開展月球與深空探測、中高軌量子衛星、空間基礎設施等后續工程任務的研制工作。

可運用于民用領域

除了航空航天領域，氣象和地質等領域也離不開團隊研制的儀器。

在位于上海市虹口區玉田路的上海技物所的實驗室里，重達300公斤的高分七號衛星激光測高儀樣機占據了實驗室不小空間，正是這臺儀器，可將立體測繪精度由1∶50000比例尺提高到1∶10000，平面定位精度直接從50米精度量級，躍升至10米以內。

團隊成員對第一財經記者介紹，傳統的被動成像衛星只能粗略感知目標距離，拍攝的照片很難精確貼合到目標表面，但這臺激光測高儀采集的高程控制點如同照片上的圖釘，可以把圖像固定到三維坐標系里。自2019年11月發射以來，該激光測高儀已經為測繪部門提供了數百萬個精確的高程控制點，大幅降低了測繪人員野外作業量。

高分七號02星激光測高儀主任設計師黃庚華打了個比方來形容精度，這相當于從東方明珠的頂部，要精確知道并保持激光落在地面牛奶盒條形碼的哪根條紋上，不能有絲毫錯位。他介紹，多學科和跨單位的科研合作也讓儀器的研制成為可能，比如關鍵光學鏡片的裝配精度可以達微米量級，比頭發絲還要細千倍。

黃庚華認為，激光測高儀不僅可用于大型測繪衛星，也可用于小型的商業衛星星座。不過首先要解決輕小型化與低成本問題，例如通過更換材料、調整結構等，將300公斤的儀器重量降到40公斤以內，成本降低至商業航天可承受范圍。