现代天文仪器之十五：激光测距仪
本文是现代天文仪器系列中计划之内的最后一篇，距离第一篇《编码掩模成像》已时隔一年有余。动手写仪器的缘由之前讲过，其实就是自己想了解平素接触的数据（主要是高能数据）的原始来源，索性玩上一回寻根溯源。当然，日后本人也极有可能心血来潮再补充些其他东西，因此不能说本文是系列中的收尾之作。之所以把激光测距仪放在计划的最后讲，主要是这类设备有一定的主动性，而不是单纯被动接收来自天体的信息，此外观测对象也比较特殊，往往还是人造天体。
与之前14篇文章相比，本文写得比较草率，主要原因是比较系统的资料相对缺乏，并未找到专门针对仪器本身的介绍，只好尽力而为，以后有机会再慢慢补充。
人造卫星激光测距技术始于1950年代的普林斯顿大学。为研究引力的性质，Robert H. Dicke的研究小组提出了向地球轨道卫星发射光脉冲并接收回波的方案。当初激光尚未发明，因此Dicke是计划是使用探照灯脉冲。结合卫星相对背景星空的变化，就可以给出精确的轨道数据。最早的应用则在1964由NASA的戈达德航天中心完成，测试卫星为Beacon Explorer-B。
第一台激光测距仪GODLAS（左）与Beacon Explorer-B卫星（右）。（图片提供：GSFC/NASA）
同样兴起在1960年代的是激光测月，美苏两国均进行了先驱性的实验。但由于月面并非良好的反射体，所得结果甚少。虽然前苏联的无人月球探测器Lunakhod在月面进行了软着陆，其携带的反射镜却是几乎没有投入实际使用。直到1969年阿波罗11号登月，激光测月才算步入正轨。
阿波罗登月在月面留下的回射器。（图片提供：NASA）
激光测距仪的原理再简单不过：地面站向太空（卫星或月面）发射激光脉冲，通过测量脉冲往返时间，可以求出距离，大致合光速与往返时间之半的乘积，精度最高可以达到毫米量级。
顾名思义，激光测距仪的核心之一就是激光器，此外还要配备接收返回信号用的望远镜。利用Q开关技术，激光器发出的脉冲持续时间可以缩短至几纳秒，对于距离相对较远的卫星或月球来说，精度较高，较为适用，但并不适合做短程测距。激光发生装置类型多样，有红宝石、Nd:YAG等多种。测距仪一般用望远镜口径来描述，如麦克唐那天文台的2.7米老测距仪和0.76米新测距仪。
戈达德地球物理与天文观测站的激光测距仪工作掠影。（图片提供：NASA）
对激光器的介绍那是相当难找，不知道是不是因为涉及某些机密的缘故。除了脉冲持续时间，一个重要指标是脉冲的发生频率，早年多为Hz级别，如STALAS；GFZ Potsdam的10 Hz也许可以看作是现有设备的典型（不过本人对此并不确定），当下是朝着kHz的方向发展，NASA研制中的SLR 2000系统已达到了这一指标。个人比较好奇的另一点是，当下某些台站可以做到全天候运转，但实现方式却是无论如何也没有查到，难不成是使用红外激光发射装置么？
既然说地面站，不妨在麦克唐那天文台的测距站上再花些笔墨。该台的名气来自持续而系统的激光测月，虽然它本身并不是激光测月的先驱（甚至也不是阿波罗登月之后的测月先驱）。该台测量地月间距的精度达到了两厘米，同时也测定了月球由于潮汐力而逐渐远离地球的速率：每年3.8厘米。1980年代换装0.76米新测距仪之后，测量对象从月球扩展到了其他人造卫星，更是成为美国西南部第一座台址优良的卫星测距站。
麦克唐那激光测距仪外景。（图片提供：MLRS）
除却地面设备，激光测距技术要求太空有相应的反射体。对于大地测量，通常由卫星携带特制的反射镜升空，如1976年发射的LAGEOS-1与1992年发射的LAGEOS-2，或者如阿波罗那样在月球放置反射体。
测距所用的反射体为回射器，通俗地说，就是可以将入射光线沿原路反射回去，右图是原理示意（确切地说是回射器的一种——锥体棱镜的示意图），如果还是不清楚其原理，不妨自己去拆一个自行车尾灯，看看里面的构造，差不多就是这个样子了。还有猫眼回射器，由球面透镜与球面镜组成，球面镜位置与透镜焦面重合，也可以由折射率为入射介质两倍的透明球体实现，作用与锥体棱镜相同。
LAGEOS-2卫星的回射器。（图片提供：ILRS）
迄今为止，致力于激光测距的计划数目已近一百，轨道高度分布在400至20000千米之间，另有十余颗卫星尚处研发阶段。任务列表可以参考国际激光测距服务的SLR Satellite Information。
激光测距用卫星的轨道分布示意。（图片提供：ILRS）
此外地面还需要气象站作为附属设施。以业内相当重要的LAGEOS卫星为例，当下可以做到单台站单脉冲几毫米的精度，但前提是进行过准确的对流层成分修正。因此这就需要时刻监测地面站附近的温度、湿度和气压。
NASA下一代激光测距仪SLR 2000的附属气象站。（原图提供：NASA）
激光测距对天文的贡献是地球参考系与太阳系参考系的建立、广义相对论的检验、月球运动的长期监测，当然地球物理方面也是硕果累累，如海平面监测、板块运动的研究、海拔高度测定等。1998年成立的国际激光测距服务则是将全球几十个测距站整合，以促进测地与地理相关领域的发展。
下一代激光测距仪的目标包括全自动化、无害激光（红外波段或是小功率）等等，不过人们的野心已经越至月球轨道之外。由于信号按距离4次方衰减，单纯被动的行星际测距是不现实的，现在只能是借助光路两端的激光发射机应答器才可完成。2005年，信使号水星探测器与火星环球勘探者号探测器已对此进行了初步测试。现在谈论行星际激光测距也许为时过早，近期没有哪个探测器负有这方面的任务，但所谓“The dream of yesterday is the hope of today and reality of tomorrow”，没有理由不去考虑它，何况这还不是不可预期的将来呢？
参考资料：
[1] History of Laser Ranging and MLRS
[2] International Laser Ranging Service Home Page
[3] McDonald Laser Ranging Station
[4] LAGEOS 1, 2 Quicklook
[5] SLR2000
