我們常常用18般兵器來形容武器的多樣?！版隙鹨惶?hào)”為實(shí)現(xiàn)探月衛(wèi)星工程的四大科學(xué)目標(biāo)，搭載有效載荷是8種24件科學(xué)探測(cè)儀器，它們就是“嫦娥一號(hào)”的24般兵器。這些科學(xué)儀器如同一個(gè)大的考察團(tuán)隊(duì)，而每一種儀器就是考察隊(duì)員。它們有各自的尖端設(shè)備和用途，為取得探月成果，它們發(fā)揮了重要的角色。本文將這些探測(cè)儀器按不同的科學(xué)目標(biāo)歸類依次作介紹。

為月球畫像

CCD立體相機(jī)

CCD立體相機(jī)用于拍攝全月面三維影像，在我國首次使用。它采用三線陣原理，即沿衛(wèi)星飛行方向?qū)ν恍窍曼c(diǎn)月表目標(biāo)以3個(gè)不同視角拍攝正下方、前方、后方的3幅二維平面圖。圖像傳回地面后對(duì)它們進(jìn)行處理，從而能重構(gòu)月表三維立體影像。CCD立體相機(jī)在“嫦娥一號(hào)”發(fā)射和奔月途中一直處于“睡眠狀態(tài)”，進(jìn)入月球軌道后才開機(jī)工作。

其亮點(diǎn)是，采用三線陣原理的相機(jī)通常用3臺(tái)分別指向3個(gè)方向，而“嫦娥一號(hào)”上的CCD立體相機(jī)只采用一組鏡頭和一片面陣CCD，僅采集前、中、后3條線的數(shù)據(jù)來拍攝3幅二維平面圖，所以極大的簡化了結(jié)構(gòu)。

激光高度計(jì)

激光高度計(jì)用于補(bǔ)充月表高程數(shù)據(jù)和精化月表數(shù)字模型，核心任務(wù)是激光測(cè)距。它由激光器、望遠(yuǎn)鏡和接收電路3部分組成，首次實(shí)現(xiàn)了完全“國產(chǎn)化”，關(guān)鍵部件全部自行研制。它在“嫦娥一號(hào)”的發(fā)射軌道階段、地月轉(zhuǎn)移軌道階段處在“睡眠狀態(tài)”。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入環(huán)月軌道后，無論白天或黑夜，也不論衛(wèi)星處于正飛或側(cè)飛狀態(tài)，激光高度計(jì)長期開機(jī)工作。

在工作時(shí)，激光高度計(jì)首先向月面發(fā)射一束大功率的窄脈沖激光，并立刻用望遠(yuǎn)鏡把接收月球表面后向散射的激光信號(hào)變成電信號(hào)；接著，接收電路盒將迅速進(jìn)行精確計(jì)算，通過測(cè)量激光往返延遲來計(jì)算衛(wèi)星到月表的距離，用最短時(shí)間得出該探測(cè)點(diǎn)的月球海拔高度。當(dāng)激光高度計(jì)完成繞月旅行，月球表面每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的海拔高度就一清二楚了。這些數(shù)值一旦與CCD立體相機(jī)拍攝的平面圖像相疊加，就是一幅完整而精確的月球表面三維地形圖。只要激光高度計(jì)發(fā)射的探測(cè)點(diǎn)足夠密，就能獲得覆蓋整個(gè)月球的地形圖，包括人類探月活動(dòng)從未涉及的月球兩極區(qū)域。

鏈接：繪制立體月球圖。繪制地圖是探測(cè)一個(gè)新的地方必須要做的基礎(chǔ)工作。月球的地圖國外已經(jīng)做過很多了，但多為平面的地圖，三維的立體圖也有一兩個(gè)，還做得不理想，有很多空白，就像西瓜皮一樣有一道道的空白地帶還沒有做全。月球上高緯度的地方，太陽是斜照的，能量不足，相機(jī)照的效果就要差一些，所以做得不是太好。一般說可以做到南北緯70。以上就難做7。還有南北極地區(qū)，那里有些深坑，太陽光永遠(yuǎn)照射不到，也沒有做成地圖?！版隙鹨惶?hào)”衛(wèi)星采取與其他國家不同的思路，搭載一臺(tái)CCD立體相機(jī)和一臺(tái)激光高度計(jì)，兩者結(jié)合起來，就能做成一張比較精細(xì)、全面的月球立體地圖。

探知14種元素分布

干涉成像光譜儀

不同物體具有不同的光譜特性，干涉成像光譜儀是利用物體這一特點(diǎn)進(jìn)行成像的一種相機(jī)。它對(duì)月球表面進(jìn)行多光譜遙感，對(duì)立體成像的月面數(shù)字形貌充填光譜信息，獲取月面光波圖譜，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性的資源和物質(zhì)特性的研究。

它由前置鏡頭、狹縫、干涉儀組件、傅氏鏡、柱面鏡、CCD探測(cè)器、箱體等幾個(gè)部分組成，其核心是用于產(chǎn)生干涉條紋的干涉儀組件。干涉成像光譜儀可以對(duì)月表輝石、斜長石、鈦鐵礦、橄欖石4種主要礦物的含量與分布進(jìn)行探測(cè)分析。通過對(duì)礦物和元素的分析，可以確定月球表面主要巖石——月海玄武巖、高地巖石和克里普巖的分布情況。

X射線譜儀

X／Y射線譜儀是根據(jù)各種元素受宇宙射線激發(fā)產(chǎn)生的X／y線能譜差異，獲得不同元素的分布，探測(cè)月球表面元素。

x射線譜儀由x射線譜儀探測(cè)器、太陽x射線監(jiān)測(cè)器等組成。其中x射線譜儀探測(cè)器，觀測(cè)月球方向發(fā)生的x射線事例，太陽x射線監(jiān)測(cè)器觀測(cè)太陽x射線輻射，用于配合月面x射線探測(cè)，獲得元素的絕對(duì)豐度。月表元素受太陽x射線激發(fā)能產(chǎn)生熒光x射線，所以通過探測(cè)月表物質(zhì)發(fā)出的有特征的熒光x射線，可對(duì)月球表面有開發(fā)利用和研究價(jià)值的硅、鎂、鋁、鈣、鐵和鈦等元素的含量與分布進(jìn)行探測(cè)，獲得元素的絕對(duì)豐度分布，繪制各元素的全月球分布圖，獲得月面巖石的組成，確定其在月球表面位置類型和資源分布；發(fā)現(xiàn)月表資源富集區(qū)，為月球資源的開發(fā)利用提供有關(guān)的數(shù)據(jù)；為檢驗(yàn)月球形成與演化模型提供重要信息。

x射線譜儀探測(cè)器，由幾臺(tái)低能半導(dǎo)體探測(cè)器和多路高能硅光電二極管半導(dǎo)體探測(cè)器構(gòu)成并指向月面。當(dāng)太陽x射線照射到月面的不同元素上時(shí)會(huì)產(chǎn)生x射線熒光，所以x射線譜儀探測(cè)器可以探測(cè)到這些熒光，并能轉(zhuǎn)化產(chǎn)生電信號(hào)。根據(jù)這些能譜，依據(jù)定標(biāo)曲線就可以推算出對(duì)應(yīng)的元素。太陽監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)太陽x射線輻射，從而得到入射的太陽x射線能譜，用以配合月表x射線觀測(cè)。通過對(duì)被觀測(cè)元素?cái)?shù)據(jù)處理，除獲得它們?cè)谠虑虮砻嫦鄳?yīng)位置、類型、含量和分布外，通過進(jìn)一步研究這些元素的分布，還可反演出月面巖石組成，為檢驗(yàn)月球形成與演化的模型提供重要信息。

v射線譜儀

v射線譜儀是獲取全月表元素豐度與分布最有效的手段之一，可有效獲?。?/p>

·月表鉀、釷、鈾的豐度與分布。這是由于月表這些天然放射性同位素可以直接釋放Y射線，通過v射線譜儀進(jìn)行有效的檢測(cè)，從而確定它們的豐度與分布特征。

·月表氧、硅、鎂、鋁、鈣、鐵、鈦、鈉、錳、鉻及稀土元素(鑭)的豐度與分布。太陽活動(dòng)產(chǎn)生的質(zhì)子和高能銀河系宇宙射線與月表物質(zhì)(化學(xué)元素)發(fā)生各種核反應(yīng)產(chǎn)生的放射性核素，在其衰變過程中，釋放出特征能量的伽瑪射線。通過測(cè)定伽瑪射線的能譜，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)元素的豐度與分布。

v射線譜儀的主體由主晶體、反符合晶體、主光電倍增管和反符合光電倍增管以及電路盒組成。來自月球方向的v射線穿過儀器前端的光電倍增管后進(jìn)入探測(cè)器主晶體，與主晶體作用后會(huì)產(chǎn)生熒光，產(chǎn)生的熒光經(jīng)過多次反射后進(jìn)入光電倍增管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大電路放大后輸出，輸出信號(hào)經(jīng)過電子學(xué)線路和軟件的處理，并剔除干擾信號(hào)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，就得到月球表面物質(zhì)的v射線信息。根據(jù)對(duì)相應(yīng)Y射線的分析，就可以確定射線代表的化學(xué)元素。

鏈接：探尋月宮寶藏。月球上有很多元素對(duì)地球的將來可能是非常有用的，所以我們需要告訴人類哪些東西是可能對(duì)地球有貢獻(xiàn)，這些東西到底有多少，哪里比較富集。這件事情只有美國人在2000年做過。它利用1998年發(fā)射的“月球勘測(cè)者”探測(cè)器測(cè)得5種元素(鐵、鈦、鈾、釷、鉀)在全月球上的分布。而“嫦娥一號(hào)”

探月衛(wèi)星要做14種元素的全月球分布探測(cè)，其中包括美國已經(jīng)做過的5種元素探測(cè)。這樣，我們就能更清楚地知道月球上的資源有哪些和這些資源的分布情況。

測(cè)量月壤厚度

微波探測(cè)儀

月球表面由月塵、月壤和月巖組成。其中，月塵是由于隕石對(duì)月表的不斷撞擊所形成，厚度很小(20厘米左右)，因此，月表結(jié)構(gòu)可近似看成由月壤和月巖構(gòu)成。微波探測(cè)儀主要用于獲取月壤的厚度，即找出月壤和月巖分界面的分布，并能夠給出月球背面的亮度溫度圖和月球兩極地面的信息，評(píng)估氦3的分布與資源量。

它由4臺(tái)不同頻段的微波天線和微波接收機(jī)構(gòu)成，是利用4個(gè)高低頻不同的微波頻段在月壤中穿透深度不同的特點(diǎn)，對(duì)月壤在特定頻段的微波輻射亮度進(jìn)行測(cè)量，從而反演月壤厚度。其中波長較短的高頻微波輻射反映的是月球表面的微波輻射信息，波長較長的低頻微波輻射反映的是月球次表面的微波輻射信息。這種測(cè)量是被動(dòng)式的。

自然界中的一切物體，只要溫度在絕對(duì)溫度零度(即-273.15℃)以上，都以電磁波的形式時(shí)刻不停地向外傳送熱量，這種傳送能量的方式就稱為輻射。月球上的月壤和月巖等表層及次表層的物質(zhì)也不例外。輻射是以不同波長的電磁波形式向外發(fā)射的，其中波長在0.1厘米～100厘米范圍內(nèi)的電磁波叫微波。因此，我們可以利用微波探測(cè)儀檢測(cè)對(duì)月球表層及次表層物質(zhì)輻射能量中的微波波段的信息。

微波探測(cè)儀通過采用不同頻率的微波輻射計(jì)，分別接收來自同一區(qū)域不同深度的月壤微波輻射信號(hào)，比較分析測(cè)得的各頻段亮溫信號(hào)之間的差異，能夠反演出月表以下的次表層信息和月壤的厚度信息，確定月壤富集區(qū)。衛(wèi)星在環(huán)月飛行正常狀態(tài)時(shí)，微波探測(cè)儀開機(jī)，對(duì)應(yīng)的天線也同時(shí)開始工作。其優(yōu)越性是：由于月球沒有大氣，所以用微波探測(cè)儀可直接接收月表物質(zhì)的微波輻射；微波波長，所以具有一定穿透能力，感應(yīng)深層月球土壤信息；它不像雷達(dá)那樣需要先發(fā)射微波再接收，因此要求低、無干擾；可全天時(shí)、全天候工作。

“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星上的微波探測(cè)儀不僅可利用微波信號(hào)對(duì)月球表面物質(zhì)的穿透傳播特性，從表征月球物質(zhì)微波輻射的亮溫?cái)?shù)據(jù)中，獲取月球月壤的厚度信息，還能獲得月球表面的微波輻射特性參數(shù)，為研究月球的礦巖分布提供更多信息。另外，它也用于獲得月球黑夜的微波遙感信息和月球兩極的微波遙感信息。這些信息將為我國月球探測(cè)二、三期工程創(chuàng)造條件。

至今，美國、歐洲、俄羅斯和日本等從未在探月過程中使用過可以全天候、全天時(shí)工作和具有一定穿透能力的微波遙感技術(shù)，所以“嫦娥一號(hào)”上的微波探測(cè)儀是世界上首次在探月衛(wèi)星裝載微波遙感裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)月球表面更為細(xì)致深入的探測(cè)。

鏈接：土壤不如巖石那樣堅(jiān)硬，比較松散，也便于加工成各種形狀的建筑材料，也容易提取其中的各種資源。因此，估算月球上土壤厚度，對(duì)以后選擇在哪個(gè)地區(qū)建立月球基地十分重要，特別是月球上的土壤中重要資源氦3。

感知地月空間環(huán)境

太陽高能粒子探測(cè)器

太陽高能粒子探測(cè)、太陽風(fēng)離子探測(cè)是我國繼近地空間環(huán)境探測(cè)之后邁向行星際探測(cè)的第一步，其探測(cè)結(jié)果能夠獲得空間環(huán)境變化的主要參數(shù)，提供相關(guān)的日、地、月空間環(huán)境信息。

太陽高能粒子探測(cè)器前方開孔處為半導(dǎo)體傳感器。當(dāng)高能粒子進(jìn)入傳感器后，由于高能粒子的電離作用，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)在傳感器兩端所加的高壓電場的作用下，分別收集到傳感器的兩端，從而在傳感器的兩端輸出一個(gè)電荷脈沖形成電信號(hào)，此電信號(hào)就攜帶有高能粒子探測(cè)器種類及能量的重要信息。

該探測(cè)器用于監(jiān)測(cè)衛(wèi)星軌道空間的高能帶電粒子(主要為質(zhì)子和重離子)成分、能譜、通量和隨時(shí)間的變化特征，為研究太陽耀斑及太陽宇宙射線服務(wù)。探測(cè)內(nèi)容為質(zhì)子、電子、重離子的方向通量以及質(zhì)子的能譜。通過探測(cè)帶電粒子的通量，可以得到粒子的空間分布。

太陽風(fēng)離子探測(cè)器

太陽風(fēng)離子探測(cè)器不同于過去的低能離子探測(cè)方案，能獲得較大的增益和較好的分辨率。

該探測(cè)器主要由傳感器和電子學(xué)電路組成。其中傳感器部分由準(zhǔn)直器、半球形靜電分析器、微通道板組成。電子學(xué)電路主要由階梯高壓電源、固定高壓電源、前置放大器、計(jì)算機(jī)采集處理系統(tǒng)及電源板組成。

經(jīng)過準(zhǔn)直器的入射離子進(jìn)入半球形靜電分析器。由于分析器內(nèi)外極板間施加階梯高壓，所以只有能量合適的離子經(jīng)靜電分析器選擇后才能到達(dá)微通道板上。加固定高壓的微通道板對(duì)其放大后形成一個(gè)電脈沖，該脈沖經(jīng)前置放大器放大后送到計(jì)算機(jī)采集處理系統(tǒng)，由此得到一定能量下的離子計(jì)數(shù)。經(jīng)過傳輸處理后可以得到太陽風(fēng)等離子體中離子和其它低能離子的能譜、速度分布函數(shù)，并導(dǎo)出太陽風(fēng)的體速度、離子溫度和數(shù)密度等主要參數(shù)。

探測(cè)器的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過衛(wèi)星上的遠(yuǎn)置單元采集并下傳至地面接收設(shè)備。接收到數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理人員將獲得的數(shù)據(jù)根據(jù)衛(wèi)星所處的位置還原為探測(cè)器實(shí)際測(cè)得的粒子種類及能量信息，從而判斷出衛(wèi)星所處位置所受到的高能粒子輻射的強(qiáng)度及其隨時(shí)間變化的情況。

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