A NASA javítja és csökkenti a Lidar-források méretét

Idén nyáron a National Aeronautics and Space Administration (NASA) mérnökei azt tervezik, hogy egy vadonatúj lézertechnológiát tesztelnek egy repülőgépen, amelyet a földtudományok távérzékelési kutatására terveztek.
Ezenkívül ez a LiDAR műszerkészlet képes a Hold alakmodelljének javítására is, és várhatóan segíteni fog az Artemis holdkutatási program leszállóhelyének meghatározásában.
A LIDAR alapvető működési elve a távolság kiszámításában rejlik, mérve azt az időt, amely alatt a lézersugár visszaverődik egy felületről, és visszatér a műszerhez. A lézer többszörös visszaverődése nemcsak a cél relatív sebességét adja meg, hanem háromdimenziós képet is generál róla. Az elmúlt években ez a technika a NASA tudósainak és felfedezőinek fontos eszközévé vált a navigáció, a térképezés és a tudományos adatgyűjtés terén.
A NASA marylandi Greenbeltben található Goddard Űrrepülési Központjának mérnökei és tudósai továbbra is azon dolgoznak, hogy a LiDAR-t egy kisebb, könnyebb, funkciókban gazdagabb tudományos kutatási eszközzé optimalizálják, amelyet kisvállalkozások és tudományos partnerek által biztosított hardver támogat.
A meglévő 3D-s képalkotó lidarok küzdenek azért, hogy elérjék a 50-milliméteres (2- hüvelykes) felbontást, amely ahhoz szükséges, hogy biztosítsák a pontos, biztonságos leszálláshoz szükséges irányítási, navigációs és vezérlési technológiákat a jövőbeni robotos és emberi felderítő küldetésekhez" csapatmérnök, Jeffrey Chen. A meglévő rendszerek nem képesek egyszerre teljesíteni a 3D veszélyészlelési lidar és a navigációs Doppler lidar funkciókat."
Ennek a kihívásnak a megoldására a Goddard Space Flight Center kifejlesztette a CASALS rendszert, a Concurrent Artificial Intelligence Spectral és az Adaptive Lidar Systemet. A Goddard belső kutatási és fejlesztési programja révén életre kelt rendszer egy prizmaszerű rács segítségével hangolható lézert bocsát ki, amely a lézer hullámhosszának változtatásával továbbítja a sugarat.
A CASALS fejlettebb technológiát használ, mint a hagyományos rögzített hullámhosszú LIDAR impulzusok. Míg a hagyományos LIDAR impulzusok terjedelmes tükrökre és lencsékre támaszkodnak, hogy a lézert több sugárnyalábra osztják fel, a CASALS a bolygó felszínének nagyobb részét fedi le letapogatásonként, mint még azok a LIDAR-ok, amelyeket évtizedek óta használnak a Föld, a Hold és a Mars mérésére.
A CASALS jelentős előnye a kisebb méret, a könnyebb súly és az alacsonyabb energiaigény, amely alkalmassá teszi kis műholdakhoz, valamint kézi vagy hordozható eszközökhöz, ami a Hold felszínén való valós alkalmazások ígéretét jelenti. A CASALS csapata A kutatási és fejlesztési munkákat a NASA Földtudományi és Technológiai Hivatala finanszírozta, és a tervek szerint 2024-ben egy repülőgép fedélzetén tesztelik a rendszer továbbfejlesztett változatát, hogy közelebb hozzák az űrrepülési alkalmazásokhoz.
Különböző hullámhosszak
A Goddard IRAD és a NASA SBIR (Small Business Innovation Research Program) finanszírozásával a CASALS csapat az Axsun Technologies és a Freedom Photonics kereskedelmi partnereivel együttműködve sikeresen kifejlesztett egy új gyorshangoló lézert a Földtudomány és a bolygókutatás számára, amelyet kifejezetten terveztek. az infravörös spektrum 1 μm-es részén való használatra. az infravörös spektrum egy része. Ezzel szemben az önvezető autók fejlesztésében általánosan használt LiDAR általában 1,5 μm-es lézert használ a távolság és a sebesség meghatározására.
Ian Adams, a Goddard geotudományokért felelős főtechnológusa elmagyarázza, hogy a Földön az 1 μm-hez közeli hullámhosszú lézerek képesek könnyen áthatolni a légkörön, hatékonyan megkülönböztetve a növényzetet a puszta talajtól. Különösen a 0,97 és 1,45 mikron körüli hullámhosszúságú lézerek, amelyek értékes információkat szolgáltatnak a Föld légkörében lévő vízgőzről, nem terjednek hatékonyan a felszínre.
Egy kapcsolódó projektben a csapat szorosan együttműködött a Left Hand Design Corporation vállalattal egy olyan kormánytükör kifejlesztésében, amelyet a 3D képlefedettség kiterjesztésére és a CASALS felbontásának javítására terveztek. Adams megjegyezte, hogy a lidar magasabb pulzusszáma javíthatja a jelérzékenységet, ami fordulat lehetővé tenné a távolság és a sebesség mérését 60-mérföldes tartományon belül. Ez különösen fontos azoknál a küldetéseknél, amelyek a Hold déli pólusa közelében terveznek leszállni, ahol a CASALS élesebb képalkotó képességei segítenek felmérni a potenciális leszállóhelyek biztonságát.
Fókuszban a Hold
A Hold finomabb 3D-s modelljeinek elkészítése érdekében Erwan Mazarico Goddard bolygókutató IRAD projektje azon dolgozik, hogy javítsa a CASALS képességét az 1 méternél (3 láb) kisebb felületi részletek mérésére. Hangsúlyozta, hogy ez segít mélyebben megérteni a Hold felszín alatti szerkezetét és annak időbeli változásait. Figyelemre méltó, hogy minden hónapban a Föld útja a Hold égbolton keresztül 10-20 fokkal eltolja a Föld felé néző oldal középpontját.
Mazarico a továbbiakban kifejti: "A Hold belső szerkezetére vonatkozó ismereteink alapján azt jósoljuk, hogy a Föld gravitációjának állandó változásai megváltoztathatják a Hold árapály-domborulatát vagy alakját. Ha nagy felbontású méréseket végzünk ennek a deformációnak az alapján, több információhoz juthatunk lehetséges változásokat a Hold belsejében. Például megvizsgálhatjuk, hogy a Hold belseje úgy reagál-e, mintha egy teljesen egységes egész lenne."
2009 óta a NASA Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) méréseket végez a Föld ezen természetes műholdjáról, szimulálja a Hold terepet, és rengeteg felfedezést tesz a Hold körül keringő Lidar magasságmérő (LOLA) segítségével, amely 28 lézerimpulzust továbbít perenként. másodszor, öt gerendára osztva, amelyek mindegyike 65 láb és 100 láb közötti tartományban fedi le a talajt. A tudósok az LRO képei alapján megbecsülik, mi történik a kisebb felületi jellemzőkkel a lézeres mérések között.
A CASALS lézerei azonban másodpercenként több százezer impulzus generálására képesek, jelentősen csökkentve a felületi mérések közötti távolságot. "Egy sűrűbb, pontosabb adatkészlet lehetővé teszi számunkra, hogy kisebb objektumokat is megvizsgáljunk" - mondta Mazarico, hozzátéve, hogy ezek a jellemzők becsapódásokból, vulkáni tevékenységből vagy tektonikus mozgásokból származhatnak, "és nagyságrendi javulásról beszélünk. A LiDAR-tól kapott adatok típusát tekintve ez teljesen megváltoztathatja a játékot."