NASA ulepsza i zmniejsza rozmiar źródeł lidarowych

Tego lata inżynierowie z Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) planują przetestować zupełnie nowy zestaw technologii laserowej na samolocie zaprojektowanym do badań teledetekcji w naukach o Ziemi.
Ponadto ten zestaw instrumentów LiDAR ma również możliwość ulepszenia modelu kształtu Księżyca i ma pomóc w określeniu miejsca lądowania programu eksploracji Księżyca Artemis.
Podstawowa zasada działania LIDAR-u polega na obliczaniu odległości poprzez pomiar czasu potrzebnego, aby wiązka lasera odbiła się od powierzchni i powróciła do instrumentu. Wielokrotne odbicia lasera nie tylko określają prędkość względną celu, ale także generują jego trójwymiarowy obraz. W ostatnich latach technika ta stała się ważnym narzędziem dla naukowców i odkrywców z NASA, służącym do nawigacji, mapowania i gromadzenia danych naukowych.
Inżynierowie i naukowcy z Centrum Lotów Kosmicznych Goddard NASA w Greenbelt w stanie Maryland kontynuują prace nad optymalizacją LiDAR w celu stworzenia mniejszego, lżejszego i bogatszego w funkcje narzędzia do badań naukowych, wspieranego przez sprzęt dostarczany przez małe firmy i partnerów akademickich.
Istniejące lidary do obrazowania 3D mają trudności z osiągnięciem rozdzielczości 50-milimetrowej (2- cali) niezbędnej do zapewnienia technologii naprowadzania, nawigacji i kontroli potrzebnych do precyzyjnych, bezpiecznych lądowań w przyszłych misjach eksploracyjnych z udziałem robotów i ludzi” – powiedział inżynier zespołu Jeffrey Chen. Istniejące systemy nie są w stanie jednocześnie spełniać funkcji lidara do wykrywania zagrożeń 3D i lidara dopplerowskiego nawigacji.
Aby sprostać temu wyzwaniu, Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda opracowało system CASALS, Concurrent Artificial Intelligence Spectral i Adaptive Lidar System. System, który powstał dzięki wewnętrznemu programowi badawczo-rozwojowemu Goddarda, wykorzystuje siatkę przypominającą pryzmat do emisji przestrajalnego lasera, który propaguje wiązkę poprzez zmianę długości fali lasera.
CASALS wykorzystuje bardziej zaawansowaną technologię niż tradycyjne impulsy LIDAR o stałej długości fali. Podczas gdy konwencjonalne impulsy LIDAR opierają się na nieporęcznych zwierciadłach i soczewkach, które dzielą laser na wiele wiązek, CASALS pokrywa w jednym skanie większą powierzchnię planety niż nawet LIDAR-y używane od dziesięcioleci do pomiarów Ziemi, Księżyca i Marsa.
Istotnymi zaletami CASALS są jego mniejsze rozmiary, mniejsza waga i mniejsze zapotrzebowanie na moc, co sprawia, że ​​nadaje się on do stosowania w małych satelitach, a także w urządzeniach przenośnych lub przenośnych, co stwarza szansę na zastosowanie w rzeczywistych zastosowaniach na powierzchni Księżyca. Zespół CASALS prace badawczo-rozwojowe sfinansowało Biuro Nauki i Technologii Ziemi NASA, które planuje przetestować ulepszoną wersję systemu na pokładzie samolotu w 2024 roku, aby zbliżyć go do gotowości do zastosowań w lotach kosmicznych.
Różne długości fal
Dzięki finansowaniu z Goddard IRAD i programu SBIR (Small Business Innovation Research Program) NASA zespół CASALS, we współpracy z partnerami handlowymi Axsun Technologies i Freedom Photonics, z powodzeniem opracował nowy, szybko dostrajający laser do nauki o Ziemi i eksploracji planet, który został specjalnie zaprojektowany do stosowania w 1 μm części widma podczerwieni. część widma podczerwieni. Natomiast LiDAR, powszechnie stosowany przy opracowywaniu samochodów autonomicznych, powszechnie wykorzystuje laser 1,5 μm do określania odległości i prędkości.
Ian Adams, główny technolog nauk o Ziemi w firmie Goddard, wyjaśnia, że ​​na Ziemi lasery o długości fali bliskiej 1 μm są w stanie z łatwością przenikać przez atmosferę, skutecznie odróżniając roślinność od gołej ziemi. W szczególności lasery o długości fali w okolicach 0,97 i 1,45 mikrona, dostarczając cennych informacji o parze wodnej w atmosferze ziemskiej, nie propagują skutecznie na powierzchnię.
W ramach powiązanego projektu zespół ściśle współpracował z Left Hand Design Corporation nad opracowaniem lusterka sterującego zaprojektowanego w celu poszerzenia zasięgu obrazowania 3D i poprawy rozdzielczości CASALS. Adams zauważył, że wyższa częstotliwość impulsów lidara może zwiększyć czułość sygnału, co w przypadku zakręt umożliwiłby pomiar odległości i prędkości w promieniu 60-mil. Jest to szczególnie ważne w przypadku misji planujących lądowanie w pobliżu południowego bieguna Księżyca, gdzie ostrzejsze możliwości obrazowania CASALS pomogą ocenić bezpieczeństwo potencjalnych miejsc lądowania.
Koncentrując się na Księżycu
Aby zbudować dokładniejsze modele 3D Księżyca, planetolog Goddard, Erwan Mazarico, w ramach projektu IRAD pracuje nad zwiększeniem możliwości CASALS w zakresie pomiaru szczegółów powierzchni mniejszych niż 1 metr (3 stopy). Podkreślił, że pomoże nam to głębiej zrozumieć strukturę podpowierzchniową Księżyca i jej zmiany w czasie. Warto zauważyć, że każdego miesiąca droga Ziemi po księżycowym niebie przesuwa środek strony zwróconej w stronę Ziemi o 10 do 20 stopni.
Mazarico wyjaśnia dalej: „Opierając się na naszej wiedzy o wewnętrznej strukturze Księżyca, przewidujemy, że ciągłe zmiany grawitacji Ziemi mogą zmienić wybrzuszenie pływowe lub kształt Księżyca. Dokonując pomiarów tej deformacji w wysokiej rozdzielczości, możemy uzyskać więcej informacji na temat potencjalne zmiany we wnętrzu Księżyca. Możemy na przykład zbadać, czy wnętrze Księżyca reaguje tak, jakby stanowiło całkowicie zjednoczoną całość.
Od 2009 roku należąca do NASA sonda Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) dokonuje pomiarów tego naturalnego satelity Ziemi, symulując teren Księżyca i dokonując wielu odkryć za pomocą Lunar Orbiting Lidar Altimeter (LOLA), który transmituje 28 impulsów laserowych na minutę. druga, podzielona na pięć wiązek, z których każda pokrywa ziemię w odległości od 65 stóp do 30 stóp. Naukowcy wykorzystują obrazy z LRO do oszacowania, co dzieje się z mniejszymi cechami powierzchni pomiędzy pomiarami laserowymi.
Lasery CASALS są jednak w stanie generować setki tysięcy impulsów na sekundę, co znacznie zmniejsza odległość między pomiarami powierzchni. „Gęstszy i dokładniejszy zbiór danych pozwoli nam przyjrzeć się mniejszym obiektom” – powiedział Mazarico, dodając, że obiekty te mogą powstać w wyniku uderzeń, aktywności wulkanicznej lub ruchów tektonicznych, „i mówimy tu o poprawie o rząd wielkości. jeśli chodzi o rodzaj danych, które otrzymujemy z LiDAR, może to całkowicie zmienić zasady gry”.