2020年12月1日，嫦娥五号探測器穩穩軟着陸在月球正面風暴洋呂姆克山脈以北地區，落月過程中，中國科學院上海技術實體研究所（下稱“上海技物所”）研制的雷射測距測速敏感器和雷射三維成像敏感器發揮着重要作用。
“大陸開展月球與深空探測，一個是要去拍照片，第二就是去一個陌生的星球實際上先要知道它的地質構造，這是一個基礎的調查。”上海技物所副所長舒嵘近日接受第一财經采訪時介紹。
主動光電技術主要是利用雷射與目标互相作用精确擷取目标距離、速度、三維形貌、光譜特性等。不隻是嫦娥系列月球探測器，天問一号祝融号火星車、量子科學衛星、高分七号衛星這些重大工科學任務背後，都離不開上海技物所研制的主動光電儀器，而這些關鍵自主技術背後——是平均年齡還不到40歲的空間主動光電載荷研制團隊。
從2002年開始，該團隊承擔嫦娥一号到五号科學與工程載荷研制任務，研制了系列測距儀、測速敏感器、雷射三維成像敏感器等，關鍵技術自主可控，用自研方案證明了中國在月面實作着陸器精确避障能力，獲得過國家科技進步一等獎、中國科學院傑出成就獎、上海市科技進步一等獎等。
科研人員讨論測試過程 采訪方供圖
探月探火背後的關鍵技術
有了此前探月工程的探索經驗，團隊也随之承擔了之後天問一号火星車“祝融号”的研制工作。
在“祝融号”重達25公斤的有效載荷中，上海技物所空間主動光電載荷研制團隊研制的火星表面成分探測儀占了15公斤。“雖然給了15公斤重量，但實際上這個重量還是比較苛刻的，載荷同時具備顯微照相機、瞬态等離子體光譜探測與标定、雷射發射及自聚焦調整等多個功能，并能承受着陸沖擊、低溫等惡劣條件。”舒嵘近日對記者介紹道。
作為火星車核心科學載荷之一，探測儀要借助雷射誘導等離子體光譜技術，測出岩石元素及其含量，探測火星地質成分。
舒嵘說，成分探測儀的工作原理是要用一束雷射聚焦到目标，用高溫使其氣化産生等離子體。在冷卻的過程中，把産生輻射的光譜資訊測量出來，就知道它的元素是什麼。“可是火星表面成分探測儀被安裝在艙外，晚上會到零下96攝氏度，這種低溫情況下裝置比較容易壞，如何在保持精度的情況下耐得住低溫是個很大的難題。”
在他看來，這個載荷一開始最大的難點，就是熱源的問題。因為在月球車上有同位素熱源，是以搭載于月球車上的光譜儀不會碰到這種情況，但是火星車并未包含同位素熱源。是以，團隊在研制過程中，為了适應低溫條件，做了數不清的試驗，僅以其中一個環節——望遠鏡的鏡片支架為例，就設計了多種方案反複比對、思量、驗證，最終才做出決定。
不隻月球與深空探測相關技術攻關，大陸首顆量子科學實驗衛星墨子号成功背後也有一些驚險的研發故事。
墨子号量子科學實驗衛星載荷外場試驗（資料照片）
彼時，還是博士生的上海技物所研究員、中高軌量子科學實驗衛星量子光傳輸課題負責人張亮，和師兄弟們經常跑去青海湖。“墨子号主要涉及的是量子通信，我們為什麼要做？因為它能夠提供一種實體上絕對安全的讓密碼産生的方法，進而保證安全通信。”
他對記者解釋說，之是以要做量子衛星，主要是在地面的時候會受到地面地球的曲率、地面光纖的影響，這些都會對量子信号有所損耗，是以在地面用量子通信距離也就幾百公裡，這樣連跨越整個中國都有困難，更别談全球了，“是以我們就想用衛星來實作量子通信，實作全球密碼的共享”。
不過，驗證和實驗沒那麼容易。有一次他們為了模拟載荷在衛星上飛行的狀态，團隊在夜裡放熱氣球，沒想到地點正選在一個風口，氣球突然飛上去20多米，回收時又猛地砸向地面，把他們吓得不輕。
“因為量子信号非常弱，是以我們要盡量減少它的損失，就是怎麼讓量子信号從衛星上盡可能減少損耗，瞄準到地面，提高精度，這是我們要解決的一個難點。”張亮解釋。
目前，該團隊也形成金字塔型老中青組合隊伍。“50後”王建宇院士精心指導工程的頂層規劃和設計，中有“70後”舒嵘、何志平等中堅力量，後有黃庚華、張亮等“80後”“90後”後浪。現階段團隊正在開展月球與深空探測、中高軌量子衛星、空間基礎設施等後續工程任務的研制工作。
可運用于民用領域
除了航空航天領域，氣象和地質等領域也離不開團隊研制的儀器。
在位于上海市虹口區玉田路的上海技物所的實驗室裡，重達300公斤的高分七号衛星雷射測高儀樣機占據了實驗室不小空間，正是這台儀器，可将立體測繪精度由1∶50000比例尺提高到1∶10000，平面定位精度直接從50米精度量級，躍升至10米以内。
團隊成員對第一财經記者介紹，傳統的被動成像衛星隻能粗略感覺目标距離，拍攝的照片很難精确貼合到目标表面，但這台雷射測高儀采集的高程控制點如同照片上的圖釘，可以把圖像固定到三維坐标系裡。自2019年11月發射以來，該雷射測高儀已經為測繪部門提供了數百萬個精确的高程控制點，大幅降低了測繪人員野外作業量。
高分七号02星雷射測高儀主任設計師黃庚華打了個比方來形容精度，這相當于從東方明珠的頂部，要精确知道并保持雷射落在地面牛奶盒條形碼的哪根條紋上，不能有絲毫錯位。他介紹，多學科和跨機關的科研合作也讓儀器的研制成為可能，比如關鍵光學鏡片的裝配精度可以達微米量級，比頭發絲還要細千倍。
金葉子／攝
黃庚華認為，雷射測高儀不僅可用于大型測繪衛星，也可用于小型的商業衛星星座。不過首先要解決輕小型化與低成本問題，例如通過更換材料、調整結構等，将300公斤的儀器重量降到40公斤以内，成本降低至商業航天可承受範圍。