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月球激光测距

月球激光测距实验是一项通过激光进行地月距离的科学测量。它的原理是将具有高度同向性脉冲激光束射向人工放置在月球表面的角反射镜,利用角反射镜的特殊光路性质,通过发送接收时间差计算出地月距离。

月球激光测距:利用激光直接测定月球距离的技术。它的基本原理是通过望远镜从地面测站向月球发射一束脉冲激光然后接收从月球表面反射回来的激光回波通过测站上的计数器测定激光往返的时间间隔便可推算出月球距离。月球激光测距的原理与经典的天体方位测量原理完全不同。大气对测距的影响很小可以根据测站的气象资料加以修正。在地平高度10°以上大气改正的误差小于1厘米因此大气折射不再是观测精度的严重障碍。但由于回波很弱观测要求有很好的透明度。

月球激光测距是在1962~1963年激光技术问世后不久著手试验的。最初只能接收月球天然表面漫反射的激光回波由于回波波形无法缩窄加以地面仪器设备不够完善测距精度很低。1969年7月美国进行第一次载人登月飞行宇航员在月面上安放了第一个后向反射器装置。它的大小为46厘米见方上面装有100个熔石英材料的后向反射器每个直径为 3.8厘米。这种反射器实际上是一个光学的四面体棱镜。它有一个很有用的特性当一束光线从第四面射入经过三个直角面依次反射后仍从第四面射出这一特性能保证反射光讯号沿原发射方向返回地面测站使回波强度大大增加。这样利用面积很小的反射器组合就可以使地球上收到激光回波而且波形不会因此变宽因而可以达到很高的测距精度。后向反射器的应用使月球激光测距的精度大大提高。目前在月球上共安放了五个后向反射器装置地面测距系统也日趋完善。近年来测距精度已达到8厘米左右。

月球激光测距系统中采用的激光器大多是脉冲红宝石激光器脉冲功率高达千兆瓦脉冲宽度为2~4毫微秒。激光束经过望远镜准直后的发散角仅2~4角秒一般几秒钟发射一次。发射和接收可使用同一个望远镜其口径一般要大于1米。回波光讯号极其微弱通常在接收器的阴极面上仅能产生一个光电子所以相应地发展了一套单光电子接收技术。在最近研制的新型月球测距系统中采用了脉宽小于1毫微秒的钇铝石榴石激光器。这样就有可能在几年内使测距精度达到2~3厘米相对精度为5×10。

地面测站与月面反射器之间的距离及其变化包含了十分丰富的信息。几年来应用精确的月球测距资料已经大大改进了月球的轨道计算研究了月球物理天平动和内部结构模型精确测定了反射器的月面坐标改进了地面测站的地心坐标以及地月系的质量数据同时还检验了引力理论证明了广义相对论的正确性。今后还会运用精确的月球测距资料来研究地和极移测量板块运动等十分重要的课题。

在过去的几十年中,人类通过登月航天器在月球的表面上放置了多个角反射镜。这包括美国的阿波罗11号,阿波罗14号阿波罗15号;苏联的月球17号(月球车1号)和月球21号(月球车2号)等等。目前在这些人工仪器的帮助下,地月距离的测量精度已经可以达到毫米量级。这帮助人们更好的了解月球轨道的演进,并进而推断月球的构造。

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