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《编码孔成像》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（当然，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的戈达德太空飞行中心完成，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。前苏联的无人月球探测器Lunakhod在月面软着陆，其携带的反射镜也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公里之间，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，Messenger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