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沪研技术为“玉兔”装上敏锐的眼睛

2020-5-25      点击:

  近日,中国科学院上海技术物理研究所与中国电子科技集团公司第二十六研究所合作项目《月球及行星表面图谱原位探测方法与关键技术》,获得上海市技术发明一等奖。嫦娥三号、嫦娥四号配备的中科院上海技术物理研究所研制的一台成像探测设备,便是依据这项技术创制。

  察看月球表面矿物组成

  赤橙黄绿青蓝紫,组成人类眼中的多彩世界。在肉眼可见的红光之外,还有频率更低的红外线,又称“红外热辐射”。红外成像光谱仪是由中科院上海技术物理研究所研制的一台成像探测设备,能感知人眼无法察觉的红外光谱,安装在嫦娥三号“玉兔”、嫦娥四号“玉兔二号”月球车的正前方,就像一只敏锐的眼睛,能仔细察看月球表面矿物组成。

  红外成像光谱仪具备可见近红外谱段(0.45—0.95μm)的光谱成像功能,可为研究人员获取月球表面图像信息;还具备短波红外谱段(0.9—2.4μm)的光谱探测功能,可根据光谱来鉴别物质,以及确定物质的化学组成和相对含量。在月球车的辅助下到达指定科学考察点后,红外成像光谱仪能对车前方约0.7米的月表进行精细光谱信息获取,为巡视区矿物组成分析提供科学探测数据。

  嫦娥三号、嫦娥四号红外成像光谱仪采用了新型的图谱原位探测方法,其中的两大技术亮点:一是采用新型分光技术,即射频驱动声光可调滤光技术;二是使用新型电机,即超声电机,均是我国自主可控的关键技术,且在嫦娥三号红外成像光谱仪上得到了首次空间应用。声光可调滤光器等效于一组窄带滤光片,通过改变施加于声光可调滤光器上的驱动频率,能灵活地进行波长快速切换,实现全光谱范围内光谱及图像数据的获取。轻型超声电机则负责实现定标、防尘、隔热功能的可靠切换。

  总体而言,嫦娥三号、嫦娥四号的红外成像光谱仪具有高性能、轻小型、高集成特点,能适应-20℃至55℃的工作以及-50℃至70℃的存储温度环境,满足仪器在月球表面的昼夜生存需求。嫦娥三号红外成像光谱仪是国际上第一台成功实现月球表面近距离原位光谱探测的科学仪器。嫦娥四号红外成像光谱仪继承了嫦娥三号的设计和工作模式,但经历了多年技术积累和内部软件不断迭代后,仪器进一步提升了工作效率,同时也提高了定量化水平。

  揭开月球背面的神秘面纱

  由于自转和公转周期相同,月球永远只有一面朝向地球,这种现象在天文学中被称为“潮汐锁定”。因此,月球背面的“容貌”,总是引发人类的好奇与大胆猜测。2019年1月3日,嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面预选着陆区,同日玉兔二号巡视器与着陆器分离,携带的红外成像光谱仪成功获取着陆区两个探测点的高质量光谱数据,并通过“鹊桥”中继星传回第一张近距离拍摄的月背光谱影像图,揭开了月球背面的神秘面纱。

  今年5月16日和17日,“沉睡”已久的嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车分别“苏醒”。在嫦娥四号踏上月球的500天中,利用红外成像光谱仪探测的原位光谱探测数据,我国科学家取得了多项成果,其中主要有两大发现:一是揭示了月球背面的物质组成,二是验证了月幔富含橄榄石。与地球类似,科学家将月球内部构结构分为月壳、月幔和月核,位于表面的月壳厚约60至65千米,月壳以下至1000米处为月幔,月幔占据月球体积一半以上,包裹月球最深处的月核。

  月幔主要由哪些物质构成,长期困扰各国科学家。2019年5月16日,一项重大发现在线发表于国际科学期刊《自然》上,中科院国家天文台李春来团队利用嫦娥四号就位光谱探测数据,证明月球背面南极艾特肯盆地(SPA)存在以橄榄石和低钙辉石为主的深部物质,为月幔物质组成提供了直接证据。

  在嫦娥四号多台科学有效载荷中,红外成像光谱仪是唯一一台服务于月球矿物组成探测与研究的科学仪器,可获取毫米级空间分辨率的月壤高光谱图像及红外光谱数据。上海的这项技术突破,为进一步了解月球形成与演化提供了支撑。