2020年12月1日，嫦娥五号探测器稳稳软着陆在月球正面风暴洋吕姆克山脉以北地区，落月过程中，中国科学院上海技术物理研究所（下称“上海技物所”）研制的激光测距测速敏感器和激光三维成像敏感器发挥着重要作用。
“我国开展月球与深空探测，一个是要去拍照片，第二就是去一个陌生的星球实际上先要知道它的地质构造，这是一个基础的调查。”上海技物所副所长舒嵘近日接受第一财经采访时介绍。
主动光电技术主要是利用激光与目标相互作用精确获取目标距离、速度、三维形貌、光谱特性等。不只是嫦娥系列月球探测器，天问一号祝融号火星车、量子科学卫星、高分七号卫星这些重大工科学任务背后，都离不开上海技物所研制的主动光电仪器，而这些关键自主技术背后——是平均年龄还不到40岁的空间主动光电载荷研制团队。
从2002年开始，该团队承担嫦娥一号到五号科学与工程载荷研制任务，研制了系列测距仪、测速敏感器、激光三维成像敏感器等，关键技术自主可控，用自研方案证明了中国在月面实现着陆器精确避障能力，获得过国家科技进步一等奖、中国科学院杰出成就奖、上海市科技进步一等奖等。
科研人员讨论测试过程 采访方供图
探月探火背后的关键技术
有了此前探月工程的探索经验，团队也随之承担了之后天问一号火星车“祝融号”的研制工作。
在“祝融号”重达25公斤的有效载荷中，上海技物所空间主动光电载荷研制团队研制的火星表面成分探测仪占了15公斤。“虽然给了15公斤重量，但实际上这个重量还是比较苛刻的，载荷同时具备显微照相机、瞬态等离子体光谱探测与标定、激光发射及自聚焦调整等多个功能，并能承受着陆冲击、低温等恶劣条件。”舒嵘近日对记者介绍道。
作为火星车核心科学载荷之一，探测仪要借助激光诱导等离子体光谱技术，测出岩石元素及其含量，探测火星地质成分。
舒嵘说，成分探测仪的工作原理是要用一束激光聚焦到目标，用高温使其气化产生等离子体。在冷却的过程中，把产生辐射的光谱信息测量出来，就知道它的元素是什么。“可是火星表面成分探测仪被安装在舱外，晚上会到零下96摄氏度，这种低温情况下设备比较容易坏，如何在保持精度的情况下耐得住低温是个很大的难题。”
在他看来，这个载荷一开始最大的难点，就是热源的问题。因为在月球车上有同位素热源，所以搭载于月球车上的光谱仪不会碰到这种情况，但是火星车并未包含同位素热源。因此，团队在研制过程中，为了适应低温条件，做了数不清的试验，仅以其中一个环节——望远镜的镜片支架为例，就设计了多种方案反复比对、思量、验证，最终才做出决定。
不只月球与深空探测相关技术攻关，我国首颗量子科学实验卫星墨子号成功背后也有一些惊险的研发故事。
墨子号量子科学实验卫星载荷外场试验（资料照片）
彼时，还是博士生的上海技物所研究员、中高轨量子科学实验卫星量子光传输课题负责人张亮，和师兄弟们经常跑去青海湖。“墨子号主要涉及的是量子通信，我们为什么要做？因为它能够提供一种物理上绝对安全的让密码产生的方法，从而保证安全通信。”
他对记者解释说，之所以要做量子卫星，主要是在地面的时候会受到地面地球的曲率、地面光纤的影响，这些都会对量子信号有所损耗，所以在地面用量子通信距离也就几百公里，这样连跨越整个中国都有困难，更别谈全球了，“所以我们就想用卫星来实现量子通信，实现全球密码的共享”。
不过，验证和实验没那么容易。有一次他们为了模拟载荷在卫星上飞行的状态，团队在夜里放热气球，没想到地点正选在一个风口，气球突然飞上去20多米，回收时又猛地砸向地面，把他们吓得不轻。
“因为量子信号非常弱，所以我们要尽量减少它的损失，就是怎么让量子信号从卫星上尽可能减少损耗，瞄准到地面，提高精度，这是我们要解决的一个难点。”张亮解释。
目前，该团队也形成金字塔型老中青组合队伍。“50后”王建宇院士精心指导工程的顶层规划和设计，中有“70后”舒嵘、何志平等中坚力量，后有黄庚华、张亮等“80后”“90后”后浪。现阶段团队正在开展月球与深空探测、中高轨量子卫星、空间基础设施等后续工程任务的研制工作。
可运用于民用领域
除了航空航天领域，气象和地质等领域也离不开团队研制的仪器。
在位于上海市虹口区玉田路的上海技物所的实验室里，重达300公斤的高分七号卫星激光测高仪样机占据了实验室不小空间，正是这台仪器，可将立体测绘精度由1∶50000比例尺提高到1∶10000，平面定位精度直接从50米精度量级，跃升至10米以内。
团队成员对第一财经记者介绍，传统的被动成像卫星只能粗略感知目标距离，拍摄的照片很难精确贴合到目标表面，但这台激光测高仪采集的高程控制点如同照片上的图钉，可以把图像固定到三维坐标系里。自2019年11月发射以来，该激光测高仪已经为测绘部门提供了数百万个精确的高程控制点，大幅降低了测绘人员野外作业量。
高分七号02星激光测高仪主任设计师黄庚华打了个比方来形容精度，这相当于从东方明珠的顶部，要精确知道并保持激光落在地面牛奶盒条形码的哪根条纹上，不能有丝毫错位。他介绍，多学科和跨单位的科研合作也让仪器的研制成为可能，比如关键光学镜片的装配精度可以达微米量级，比头发丝还要细千倍。
金叶子／摄
黄庚华认为，激光测高仪不仅可用于大型测绘卫星，也可用于小型的商业卫星星座。不过首先要解决轻小型化与低成本问题，例如通过更换材料、调整结构等，将300公斤的仪器重量降到40公斤以内，成本降低至商业航天可承受范围。
