通过精确测量激光脉冲往返时间获取行星表面高程，是构建高精度三维地形模型的重要手段。近日，欧洲航天局（ESA）与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）联合开展的BepiColombo水星探测任务取得重要进展。距离地球约2亿千米的BELA激光高度计在沉寂多年后成功发射激光脉冲，并完成全面启动测试。这次测试不仅证实该精密光学载荷成功经受住了漫长星际旅程和严酷空间环境的考验，也扫清了水星全面科学勘测前的一道关键技术障碍。
十年磨一剑：沉睡多年的激光器在深空苏醒
BELA全称为BepiColombo激光高度计，由伯尔尼大学和德国航空航天中心（DLR）牵头，联合马克斯·普朗克太阳系研究所、安达卢西亚天体物理研究所等机构共同研制，是欧洲航天局水星行星轨道器（MPO）搭载的重要科学仪器。
2016年9月14日，BELA从伯尔尼运往欧洲航天局欧洲空间研究与技术中心（ESTEC），随后被集成至MPO。十年后的同一天，科研团队在太空中完成了该仪器的全面启动测试。
这次测试意义非凡。BELA自2017年以来再未发射激光，最近一次完整功能测试则要追溯到2016年伯尔尼实验室的地面试验。此后，仪器经历了航天器发射、漫长的星际飞行、多次行星飞掠以及复杂的太空环境考验，其完整激光系统能否正常工作，始终有待验证。此次成功启动，终于为科研团队交出了一份令人满意的答卷。
BELA的核心任务是从水星轨道上测量行星形状、地形及表面形态，为研究人员提供高精度地形数据。BELA联合首席研究员Antoine Pommerol表示，借助这一仪器，科学家将能够以前所未有的精度构建水星三维模型，从而为了解这颗行星尚未完全揭示的地质历史提供新的线索。
图1 BepiColombo激光高度计（BELA）
图源：伯尔尼大学/Ramon Lehmann
首次向太空发射激光，2亿千米外传回成功信号
为降低风险，工程师并未在启动后立即让BELA长时间运行，而是从最小规模的实用测试开始。
第一阶段，科研团队让BELA进行一次持续10秒的激光发射，向太空释放100多个超短红外激光脉冲。
当时，BepiColombo距离地球约2亿千米。此次发射的激光并非瞄准水星，而是射向空旷的太空。其目的也不是开展实际测绘，而是利用仪器自身的监测能力分析激光脉冲，评估激光系统在经历多年太空飞行后的运行状态。Pommerol解释说，尽管激光尚未射向水星，但仪器仍能对发射的脉冲进行表征，从中获得判断激光系统健康状况的关键数据。
测试结束约10分钟后，地面站收到了第一份数据包，结果证实BELA的表现符合预期。这一消息为后续测试亮起了绿灯。科研团队得以在确认初始运行正常后，逐步延长仪器的工作时间，而不必一开始就承担长时间运行可能带来的风险。
图2 位于伯尔尼大学物理研究所的BELA激光高度计
图源：伯尔尼大学
步步为营：从10秒激光脉冲到1小时持续运行
首次测试成功后，工程师再次执行了持续10秒的激光发射程序。在第二次测试同样取得预期结果后，团队才将BELA的运行时间延长至10分钟。
随后，工程师对仪器的性能进行了全面检查，并开展了持续超过一小时的长时间运行测试。这一逐级测试过程不仅要确认激光能够正常发射，更重要的是观察仪器在不同运行时长下是否保持稳定，尤其是温度变化是否处于可控范围。对于即将前往水星附近极端环境开展精密测量的激光高度计而言，可靠的热性能至关重要。最终，各项测试结果均符合预期。
Pommerol表示，测试确认激光运行可靠，其热性能也始终处于预期范围内。伯尔尼大学物理研究所BELA仪器科学家Dr. Liliane Burkhard则指出，调试工作的理想状态就是平稳，没有意外。每个测试阶段都经过精心设计，以便尽早发现潜在问题，而不是等到仪器连续运行一小时后才发现异常。她表示，在仪器经历多年太空旅行后，看到第一份数据包完全按照预期抵达地面，令人倍感欣慰。
此次测试不仅证明BELA仍具备发射激光的能力，也确认其在持续运行过程中能够保持稳定，相关子系统工作正常，为后续科学观测奠定了基础。
从激光脉冲到三维地图，水星地形将被精确还原
BELA真正的科学价值，将在BepiColombo进入正式观测阶段后得到体现。届时，搭载于MPO上的BELA将向水星表面发射红外激光脉冲，并接收从地表反射回来的信号。通过精确测量激光往返传播所需的时间，科学家可以计算航天器与下方地表之间的距离。
随着MPO不断绕水星运行，BELA将持续获取不同区域的距离数据，逐步建立覆盖水星表面的详细地形记录，最终构建高精度三维地形模型。这些测量结果能够揭示撞击坑等地质构造的尺寸和形态、不同区域的高程变化，以及水星地表的大尺度地形特征。
水星是太阳系中距离太阳最近的行星，体积较小，其古老表面保留着丰富的撞击和地质活动痕迹。然而，人类对其地质演化历史的认识仍不完整。高精度地形数据将为科学家提供新的研究依据，帮助他们比较不同区域的地貌特征，重建水星漫长而复杂的演化过程。作为MPO搭载的质量最大的科学仪器，BELA将在这一研究中发挥重要作用。
不过，需要指出的是，此次成功启动并不意味着BELA已经获得水星的三维地形数据。测试只是确认仪器具备开展后续观测的条件，真正的科学测量尚未开始。
图3 BepiColombo水星行星轨道器（MPO）搭载的仪器
图源：ESA/ATG medialab
八年星际跋涉接近终点，2027年开启正式探测
BELA的成功启动，恰逢BepiColombo接近其漫长星际旅程的终点。2018年10月20日，BepiColombo发射升空，开启了前往水星的探测之旅。水星虽是距离太阳最近的行星，但抵达它并成功进入其轨道并不容易。探测器从地球出发后，必须充分降低自身的轨道能量，才能向太阳引力场深处运动，同时避免以过高速度抵达水星，导致无法被其引力捕获。为此，BepiColombo采用了行星引力辅助与太阳能电推进相结合的方式，通过多次行星飞掠逐步调整飞行轨道。
在星际巡航阶段，BepiColombo由三个主要部分组合而成：水星转移模块（MTM）、欧洲航天局的水星行星轨道器（MPO）以及日本宇宙航空研究开发机构的水星磁层轨道器Mio。三个部分在巡航期间共同飞行，但在抵达水星后，MPO和Mio将分别开展科学探测。
目前，任务正逐步从星际巡航转入轨道部署与科学观测的准备阶段。按照原定计划，Mio将于2026年12月9日被部署至其工作轨道，随后通过进一步的轨道机动，使MPO于2027年3月进入预定科学轨道。整个任务的正式科学观测阶段计划于2027年4月6日启动，届时距离BepiColombo离开地球已超过八年。
对于BELA团队而言，这意味着等待多年的仪器终于即将迎来真正的使命。Pommerol表示，虽然团队此前对BELA能够正常工作持谨慎乐观态度，但确认所有子系统均运行正常后，大家仍感到如释重负，并对这一结果十分满意。
随着科学观测阶段临近，研究人员已迫不及待地希望利用BELA探索水星长期以来未解的谜团。此次激光启动成功，是BELA从长期休眠迈向正式科学观测的重要转折点。 接下来，当红外激光脉冲不再射向空旷的太空，而是一次次抵达水星表面并返回探测器时，科学家便能将连续积累的测距数据转化为精细的三维地形图，为揭示这颗太阳系最内侧行星的地质历史提供新的证据。
原文链接：
https://dailygalaxy.com/2026/09/laser-200-million-k-from-earth-map-mercury/
