NASA zlepšuje a zmenšuje veľkosť zdrojov lidaru

Toto leto plánujú inžinieri Národného úradu pre letectvo a vesmír (NASA) otestovať úplne novú sadu laserových technológií na lietadle určenom na výskum diaľkového snímania v oblasti vedy o Zemi.
Okrem toho má táto sada nástrojov LiDAR tiež schopnosť vylepšiť model tvaru Mesiaca a očakáva sa, že pomôže pri určovaní miesta pristátia lunárneho prieskumného programu Artemis.
Základný princíp činnosti LIDAR spočíva vo výpočte vzdialenosti meraním času, ktorý potrebuje laserový lúč, aby sa odrazil od povrchu a vrátil sa späť do prístroja. Viacnásobné odrazy lasera poskytujú nielen relatívnu rýchlosť cieľa, ale vytvárajú aj jeho trojrozmerný obraz. V posledných rokoch sa táto technika stala dôležitým nástrojom pre vedcov a prieskumníkov NASA na navigáciu, mapovanie a zber vedeckých údajov.
Inžinieri a vedci z Goddard Space Flight Center NASA v Greenbelte v štáte Maryland pokračujú v práci na optimalizácii LiDARu na menší, ľahší a funkčne bohatý nástroj na vedecké skúmanie, podporovaný hardvérom poskytovaným malými podnikmi a akademickými partnermi.
Existujúce 3D zobrazovacie lidary bojujú o dosiahnutie 50-milimetrového ({2}}palcového) rozlíšenia potrebného na zabezpečenie navádzacích, navigačných a riadiacich technológií potrebných na presné a bezpečné pristátie pre budúce robotické a ľudské prieskumné misie,“ povedal tímový inžinier Jeffrey Chen Existujúce systémy nedokážu súčasne plniť funkcie 3D detekcie nebezpečenstva lidar a navigačného Dopplera."
Na riešenie tejto výzvy vyvinulo Goddard Space Flight Center systém CASALS, Concurrent Artificial Intelligence Spectral a Adaptive Lidar System. Systém, ktorý ožil vďaka Goddardovmu internému programu výskumu a vývoja, využíva hranolovú mriežku na vyžarovanie laditeľného lasera, ktorý šíri lúč zmenou vlnovej dĺžky lasera.
CASALS využíva pokročilejšiu technológiu ako tradičné pulzy LIDAR s pevnou vlnovou dĺžkou. Zatiaľ čo konvenčné pulzy LIDAR sa spoliehajú na objemné zrkadlá a šošovky na rozdelenie lasera do viacerých lúčov, CASALS pokrýva väčšiu plochu povrchu planéty na jeden sken ako dokonca LIDAR, ktoré sa už desaťročia používajú na meranie Zeme, Mesiaca a Marsu.
Významnými výhodami CASALS sú jeho menšie rozmery, nižšia hmotnosť a nižšie nároky na napájanie, vďaka čomu je vhodný pre malé satelity, ako aj ručné alebo prenosné zariadenia, čo vedie k prísľubu aplikácií v reálnom svete na mesačnom povrchu. Tím CASALS výskumné a vývojové práce boli financované Úradom pre vedu a technológiu Zeme NASA a v roku 2024 plánujú otestovať vylepšenú verziu systému na palube lietadla, aby sa priblížila k pripravenosti na aplikácie vesmírnych letov.
Rôzne vlnové dĺžky
S financovaním od Goddarda IRAD a NASA SBIR (Small Business Innovation Research Programme) tím CASALS v spolupráci s komerčnými partnermi Axsun Technologies a Freedom Photonics úspešne vyvinul nový rýchlo ladiaci laser pre vedu o Zemi a planetárny prieskum, ktorý je špeciálne navrhnutý. na použitie v 1 μm časti infračerveného spektra. časť infračerveného spektra. Naproti tomu LiDAR, bežne používaný pri vývoji samoriadiacich áut, bežne používa 1,5μm laser na určenie vzdialenosti a rýchlosti.
Ian Adams, hlavný Goddardov technológ pre geovedy, vysvetľuje, že na Zemi sú lasery s vlnovými dĺžkami blízkymi 1 μm schopné ľahko preniknúť do atmosféry, čím efektívne odlíšia vegetáciu od holej zeme. Najmä lasery s vlnovými dĺžkami v blízkosti 0,97 a 1,45 mikrónu, hoci poskytujú cenné informácie o vodnej pare v zemskej atmosfére, sa nešíria efektívne na povrch.
V súvisiacom projekte tím úzko spolupracoval s Left Hand Design Corporation na vývoji riadiaceho zrkadla určeného na rozšírenie pokrytia 3D zobrazovaním a zlepšenie rozlíšenia CASALS. Adams poznamenal, že vyššia frekvencia pulzov lidaru by mohla zvýšiť citlivosť signálu, ktorá v odbočenie by umožnilo meranie vzdialenosti a rýchlosti v rozsahu 60-míľ. To je dôležité najmä pre misie, ktoré plánujú pristáť v blízkosti južného pólu Mesiaca, kde ostrejšie zobrazovacie schopnosti CASALS pomôžu posúdiť bezpečnosť potenciálnych miest pristátia.
Zameranie na Mesiac
Na zostavenie jemnejších 3D modelov Mesiaca pracuje projekt IRAD Goddardovho planetárneho vedca Erwana Mazarica na zlepšení schopnosti CASALS merať povrchové detaily menšie ako 1 meter (3 stopy). Zdôraznil, že nám to pomôže hlbšie pochopiť podpovrchovú štruktúru Mesiaca a jeho zmeny v čase. Je pozoruhodné, že každý mesiac sa dráha Zeme cez mesačnú oblohu posunie stredom strany privrátenej k Zemi o 10 až 20 stupňov.
Mazarico ďalej vysvetľuje: "Na základe našich vedomostí o vnútornej štruktúre Mesiaca predpovedáme, že neustále zmeny zemskej gravitácie môžu zmeniť prílivové vydutie alebo tvar Mesiaca. Uskutočnením meraní tejto deformácie s vysokým rozlíšením môžeme získať viac informácií o potenciálne zmeny vo vnútri Mesiaca Môžeme napríklad preskúmať, či vnútro Mesiaca reaguje tak, ako keby to bol úplne jednotný celok.“
Od roku 2009 Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) agentúry NASA vykonáva merania tohto prirodzeného satelitu Zeme, simuluje mesačný terén a robí množstvo objavov s pomocou Lunar Orbiting Lidar Altimeter (LOLA), ktorý vysiela 28 laserových impulzov za deň. druhý, rozdelený do piatich lúčov, z ktorých každý pokrýva zem v rozsahu od 65 stôp do 100 stôp. Vedci používajú obrázky z LRO na odhadnutie toho, čo sa stane s menšími povrchovými prvkami medzi laserovými meraniami.
Lasery CASALS sú však schopné generovať státisíce impulzov za sekundu, čo výrazne znižuje vzdialenosť medzi meraniami povrchu. „Hustší a presnejší súbor údajov nám umožní pozrieť sa na menšie útvary,“ povedal Mazarico a dodal, že tieto útvary môžu pochádzať z nárazov, sopečnej činnosti alebo tektonických pohybov, „a hovoríme o rádovom zlepšení. Pokiaľ ide o typ údajov, ktoré získavame z LiDAR, môže to byť úplná zmena hry."