激光测月

测定月球距离的方法

“月球激光测距”的简称。测定月球距离的一种方法。用光学望远镜发射激光脉冲到月球并接收其回波，由记录的时间间隔，计算观测站到月球距离。20世纪60年代初开始应用。初期只是接收由月面漫反射的激光回波，后来又在月面安置后向反射器，增加回波强度，提高观测精度。测定精度达3厘米。所得资料可供测定世界时、极移、地面点的地心坐标，研究月球轨道和月球内部结构等使用。

基本概念

定义

激光测月简称LLR.一种天文观测技术.指由地面用激光测定月面某点的距离.自1969年7月20日阿波罗11号载人登月成功，并在月面安装激光反射器，就开始了月球激光测距工作.后来陆续在月面不同地点共安装5个激光反射器，其中有1个不成功.20世纪70年代的测距精度为8cm，到20世纪90年代已达1cm，故激光测月技术已成为现代最精确的观测技术之一.用激光测月资料可精确测定地球自转参数、月历表偏差、月球天平动参数、引力理论参数等。

工作原理

它是一种用激光直接测定地球与月球之间距离的技术。由地面观测站向放置在月球上的后向反射器发射激光束，然后接收从月球反射器反射回的激光回波，通过计数器测定激光束往返的时间间隔，利用已知光波速度推算出地球月球之间的距离。1969年7月美国进行第一次载人登月飞行，宇航员在月球表面上放置了第一个月球激光反射器。在月球上共安放有5个后向反射器。随地面测距系统不断完善，测时精度已接近1毫微秒，测定地月距离精度已达8厘米。

研究现状

McDonald是最初进行月球激光测距的几个测站之一，采用2.7m的望远镜并且每个阴历月进行21天测量，最初用的激光器是红宝石激光器，在1975年前后的测距精度大约是25cm，在80年代初这一精度提高到了15cm，1985年后这套系统被一套新的系统MLRS (McDonald Laser Ranging Station)所代替，该系统望远镜口径为76cm，采用YAG激光器得到了更窄的脉冲宽度并且采用了更精确地时间计量设备，精度有了显著提高，达到了3cm的水平。新的系统同时具有进行卫星激光测距和月球激光测距的能力，这套系统仍可进行LLR工作并且产生的数据占全球LLR数据量的30%。

美国在New Mexico建立了一台大口径(3.5m)的APOLLO系统，该系统配备了MlIT Lincoln Labs研制的APDs (Avalanche Photodiodes)阵列，可以测出返回的多个光子并且获得每个光子的返回时间，同时记录返回光子的二维空间分布的位置，这将为实时引导望远镜提供参考从而使返回的光子数大大增加，这套系统从2005年10月至2006年6月间进行了试运行，经过逐步改进取得了非常好的效果，单个脉冲有时可以返回多个(2~7)光子，对四个月面反射器进行一个小时的测距总共可收到2650个回波。预计测距精度将达到lmm，提供的数据对于各种理论的研究精度将提高一个数量级。

主要技术途径

月球激光测距直到仍在不断的给我们提供有价值的结果，因为一些测站不断地改进测月仪器，提出新的处理数据的方法，减少了影响精度的因素，数据被采用加权的lease一squar。处理，精度已经从刚开始的30cm减少为10cm再到2cm毫米量级。

改进月球激光测距所采用的主要技术方法如下:

采用先进的接收器件

UlrichSchreib二等人在法国的GRASSE月球激光测距站比较了两种接收器件雪崩二极管SP114和光电倍增管RCA31034a的性能，他们发现雪崩二极管SP114能在波长为532nm和1.064um处成功的运行，而且雪崩二极管SP114具有高灵敏度、高精度、更稳定和方便使用的特点。为了取得毫米量级的测月精度，APOLLO(The Apache Point Observatory Lunar Laser ranging Operation)系统采用了由MIT林肯实验室研制的雪崩二极管阵(APDS,4 x 4及32 x 32 )作为新的接收器件，这个器件具有高的时间分辨率(<100ps)、高的探测效率(50%)，以往的探测器只接收返回的第一个光子而放弃了后面的光子，雪崩二极管阵将探测每个返回的光子，将不同的探测单元探测到的光子进行统计分析，从而得到返回脉冲的二维空间信息，这种方法可以为实时引导望远镜提供信号从而保证到达月面的激光时时对准月面反射器从而提高回波光子数。

采用光学计数器

在月球激光测距实验中，时间计数是一件很重要的事，只有时间计量的精度足够高，我们才可以获得高精度的、可靠的测月数据。时间计数通常是将光信号通过光电二极管转化成电信号，这个转化所带来的延迟是由很多因素决定的，用这种计数器所带来的误差是纳秒量级的，当然，当计量连续光脉冲的时间间隔时，它所带来的误差就很小(10PS )，因为在相减时去掉了不稳定因素的影响。Samain.Etienne做了光学计数器的实验，让光脉冲经过加上了震荡电场的电光晶体，震荡电场须与钟所传送的震荡电压同步，出射后光脉冲的极化性质发生改变，再

通过格兰棱镜将不同偏振性质的光分开，并且通过探测器计数，可以推出光脉冲到达电光晶体的时间。这种光学计数器避免了从光脉冲转化为电脉冲所带来的时间误差，精度可达10PS，比通常的计数器高两个数量

级。

提高望远镜的指向精度

月球激光测距的特点要求望远镜必须具有角秒级的指向精度。云南天文台的冯和生等人系统的发展了一整套建立望远镜高指向精度的方法并加以实现。其具体方法可分为望远镜的全天指向模型修正、编码器小周期修正、局部天区指向模型修正。通过天文观测和图像处理精确的求出望远镜视轴指向的偏差，用适当的数学模型修正其系统偏差。研究表明，在一个时段内，经过全天指向模型修正和编码器小周期修正后望远镜指向精度的中误差可达士1 arcsec。这样的指向精度必定会大大提高测月成功的几率。

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