探索完月球，我们的心始终还是朝向地球。我们知道，在激光测高领域，对地球测量的激光测高仪是整个技术皇冠上的一颗明珠。
提起激光，大家可能会觉得它是一件可以毁天灭地的神器。但实际上，从超市里的扫描仪，到大家经常用的激光打印机，都有激光的身影。这些激光技术与我们在航天上用的激光技术，都是基于激光受激和放大的原理。
激光测距技术在空间科学的应用当中属于一个比较精细的分支。采用的原理是让激光在十亿分之一秒之内，把大量的功率集中在一点同时发射，产生一个高能的激光脉冲，这个脉冲打到物体的表面之后就会反射。我们测量发射和接收脉冲之间的时间间隔，乘上光速就可以知道这个物体离我们的相对距离。
时间回到2003年，我刚刚进入中科院上海技物所，开始我的研究生学术生涯。在那个时候，美国在星载激光测高和对地观测方面处于一个绝对的“霸主”地位。我们可以看到，他们在航天飞机上实现了对大气层的气溶胶垂直分布的激光测量，然后用ICESAT卫星实现了对地球两极冰川高度的测量，甚至还在火星上面以激光的方式获得了整个火星的三维地形图。在那个时候，中国的空间激光测量技术基本上还是处于一个空白的状态。
从“嫦娥一号”卫星研制立项开始，科学家们就提出，我们中国需要用激光的手段为月球生成一个精确的三维地形图。这样我们才能够知道月球的大小、体积，为后续嫦娥二期的落月获取理想的区域数据。
“嫦娥一号”在月球上飞行了一年多，获取了900多个激光探测数据后，获得了世界首张月球的南北两极三维地形图。地形图完整地显示了月球的永久阴暗区和陨石坑的深度，以及它们分布的位置。
到了2013年，我国已经有6台正在星上运行的激光器，美国在这个时候依然处于世界霸主的地位。他们在2009年发射了月球勘测器，能够以0.5米的分辨率去拍摄阿波罗登月的遗迹，也可以看到月球车驶过的足迹。就这样，在美国技术领先的领域里，我们的这颗种子慢慢地生根发芽，最后我们看到在“嫦娥三号”落月的时候，会发生非常惊艳的效果。
整个落月过程中，风险性最大的就是落月阶段，而这也正是我们嫦娥二期的落月计划中风险性最高的一个环节。中国的探月方案是这样的。首先要有一个飞行器缓慢把速度降低的过程，降低速度的飞行器会在月球引力的吸引下逐渐靠近月面；当我们飞到预定着陆器的表面时，我们会有一个非常快的90度翻身；翻身之后，整个着陆器会在缓冲发动机的作用下继续往下落；最后，通过主动避障的技术达到我们预定的落点。
在整个着陆器开始进行月面下降时，就需要激光测距仪不间断地提供飞行器与月面的相对高度，不能太早，也不能太晚。过快的降低速度会使整个着陆器前移，就有可能偏离当时预设好的科学目标。右图中的曲线就是激光测距仪所获得的一条实时的月面高度变化的曲线。到了最后的缓降阶段，就是整个落月阶段最高潮的地方。
在这里，我们有一台高速的激光三维成像雷达，它的作用就是在100米悬停的时候，快速地扫描整个着陆区的三维地形。在这个地形里面不能有陨石坑，不能有斜坡，连超过两个拳头大的石头也不能有。否则，就有可能会造成整个着陆器的倾倒，或者月球车一出去就会被坑给卡住了。
这幅影像反映出着陆器的避障过程。我们可以看到图像有一个非常大的偏移，这就是着陆器根据激光数据进行主动避障的操作。左图是激光三维所采集到的地面三维影像。从右图中可以看到，“玉兔号”月球车在驶出着陆器的时候，前面5米处就有一个深达数米的陨石坑。然后“玉兔”很轻松地出门，右转，就避开了这个坑。
到了“嫦娥四号”，它的着陆区域只有“嫦娥三号”的二十分之一，但着陆风险却比“嫦娥三号”更大。毫不夸张地说，这是一个在刀尖上跳舞的舞者。我们从上图中的动作可以看到，整个着陆器一开始是平飞的状态，直到看见对面盆底的山丘之后，才有一个迅速的姿态变化和着陆的过程。然后，在布满陨石坑的区域，整个着陆器正好落在5个陨石坑之间。
2019年，我国的航天发射次数已经连续超过了美国，达到史无前例的34次。
我们也发展出了有我们自己特色的技术路线。除了传统的激光三维和激光测距、测速的仪器之外，我们还实现了“墨子号”400公里量级的星地量子密钥的传输和科学实验。在嫦娥三期落月过程当中，我们为“嫦娥五号”提供了一个非常豪华的激光测量设备“全家桶”。上图中离我们最近的是激光测距敏感器，它的右上方是激光测速敏感器，最后面是激光三维成像敏感器。
激光测速敏感器使得“嫦娥五号”在落月的时候有精确的速度数据，我们在月球上面“飙车”的时候就不必担心有超速的风险。
探索完月球，我们的心始终还是朝向地球。我们知道，在激光测高领域，对地球测量的激光测高仪是整个技术皇冠上的一颗明珠。它的难度在于，激光光束要飞行500公里并穿透大气层，要探测到地面返回的微弱信号。首先，这对激光的功率有非常强的要求，激光的指向精度要远超我们当时嫦娥系列的激光测距仪。美国人当时上天了3台激光器，半年之内坏了2台，所以这个技术也是非常难的。
第二就是大口径的光学技术。
之前我们嫦娥系列的测量设备大概就是拳头大的一个镜头，现在需要做0.6米口径的镜头。只有更大口径的镜子，我们才能够探测到更微弱的信号。第三就是激光的指向技术。我必须知道激光的精确落点，就好比是站在东方明珠塔上，我要知道我的激光落在下面条形码上的第几根，这样我们才能够给地球打上一个完整的激光测高的控制格网。最后就是经费的支持。这一套系统单机的造价超过2个亿，卫星工程超过30个亿。
这么庞大的投入，在十几年前是不可想象的。
经过精密的修配，相机在拍摄500公里远的激光落点区域时，我们又遇到了困难。它是一个远视眼，看不清近处的物体，所以我们在地球上面，找不到10公里以内能够让它清晰成像的靶标。我们在地面建设了17米的平行光管。这根平行光管安装在非常坚固的钢铁平台上，下面用气浮进行隔震，使得整个光学平台可以过滤旁边汽车和人走动的震动，避免影响相机。经过室内的测试之后，我们还拍摄了一个天体，即离我们最近的月球。
我们的卫星实现了对南极洲的首次测绘，获得了从中山站到南极内陆的高原的高层剖面曲线。在不同的地方，我们除了看到平原，还能看到山丘，获得了相应测高的数据。最后，我们的激光测高领域还会进一步拓展，之前是陆地，现在是海洋。我们通过激光在海水的表面、海底，以及海水的浮游颗粒的反射，获得海水的深度信息和浮游生物的运动信息。最后我想以这张图片作为我本次分享的结尾。
这张图片是“玉兔一号”在驶出着陆区之前转身回眸，被着陆器拍摄的最后一张照片。在拍完这张照片之后，它将独自一个人踏上漫漫的月球征程。历经百年，不忘初心，我们要继续前进，继续探索未知的宇宙。