Η NASA βελτιώνει και μειώνει το μέγεθος των πηγών Lidar

Αυτό το καλοκαίρι, μηχανικοί της Εθνικής Υπηρεσίας Αεροναυτικής και Διαστήματος (NASA) σχεδιάζουν να δοκιμάσουν ένα ολοκαίνουργιο σύνολο τεχνολογίας λέιζερ σε ένα αεροπλάνο σχεδιασμένο για έρευνα τηλεπισκόπησης στις επιστήμες της γης.
Επιπλέον, αυτό το σετ οργάνων LiDAR έχει επίσης τη δυνατότητα να βελτιώσει το μοντέλο σχήματος του φεγγαριού και αναμένεται να βοηθήσει στον προσδιορισμό του τόπου προσγείωσης του σεληνιακού προγράμματος εξερεύνησης Artemis.
Η βασική αρχή λειτουργίας του LIDAR έγκειται στον υπολογισμό της απόστασης με τη μέτρηση του χρόνου που χρειάζεται για μια δέσμη λέιζερ να ανακλαστεί από μια επιφάνεια και να επιστρέψει στο όργανο. Οι πολλαπλές αντανακλάσεις του λέιζερ όχι μόνο παρέχουν τη σχετική ταχύτητα του στόχου, αλλά δημιουργούν και μια τρισδιάστατη εικόνα του. Τα τελευταία χρόνια, αυτή η τεχνική έχει γίνει ένα σημαντικό εργαλείο για τους επιστήμονες και τους εξερευνητές της NASA για πλοήγηση, χαρτογράφηση και συλλογή επιστημονικών δεδομένων.
Μηχανικοί και επιστήμονες στο Goddard Space Flight Center της NASA στο Greenbelt, Maryland, συνεχίζουν να εργάζονται για τη βελτιστοποίηση του LiDAR σε ένα μικρότερο, ελαφρύτερο, πιο πλούσιο σε χαρακτηριστικά εργαλείο για επιστημονική εξερεύνηση, που υποστηρίζεται από υλικό που παρέχεται από μικρές επιχειρήσεις και ακαδημαϊκούς συνεργάτες.
Τα υπάρχοντα lidar τρισδιάστατης απεικόνισης αγωνίζονται να επιτύχουν την ανάλυση των 50- χιλιοστών (2- ίντσας) που είναι απαραίτητη για τη διασφάλιση των τεχνολογιών καθοδήγησης, πλοήγησης και ελέγχου που απαιτούνται για ακριβείς, ασφαλείς προσγειώσεις για μελλοντικές ρομποτικές και ανθρώπινες αποστολές εξερεύνησης", είπε. ο μηχανικός της ομάδας Jeffrey Chen. Τα υπάρχοντα συστήματα δεν είναι σε θέση να εκπληρώσουν ταυτόχρονα τις λειτουργίες τρισδιάστατης ανίχνευσης κινδύνων lidar και πλοήγησης Doppler lidar."
Για να αντιμετωπίσει αυτή την πρόκληση, το Goddard Space Flight Center ανέπτυξε το σύστημα CASALS, το Concurrent Artificial Intelligence Spectral και το Adaptive Lidar System. Το σύστημα, το οποίο ήρθε στη ζωή μέσω του εσωτερικού προγράμματος έρευνας και ανάπτυξης του Goddard, χρησιμοποιεί ένα πρισματικό πλέγμα για να εκπέμπει ένα συντονισμένο λέιζερ, το οποίο διαδίδει τη δέσμη μεταβάλλοντας το μήκος κύματος του λέιζερ.
Η CASALS χρησιμοποιεί πιο προηγμένη τεχνολογία από τους παραδοσιακούς παλμούς LIDAR σταθερού μήκους κύματος. Ενώ οι συμβατικοί παλμοί LIDAR βασίζονται σε ογκώδεις καθρέφτες και φακούς για να χωρίσουν το λέιζερ σε πολλαπλές ακτίνες, το CASALS καλύπτει μεγαλύτερη επιφάνεια του πλανήτη ανά σάρωση από ό,τι ακόμη και τα LIDAR που χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες για τη μέτρηση της Γης, της Σελήνης και του Άρη.
Τα σημαντικά πλεονεκτήματα του CASALS είναι το μικρότερο μέγεθος, το ελαφρύτερο βάρος και οι χαμηλότερες απαιτήσεις ισχύος, που το καθιστούν κατάλληλο για μικρούς δορυφόρους καθώς και για φορητές ή φορητές συσκευές, γεγονός που οδηγεί στην υπόσχεση πραγματικών εφαρμογών στη σεληνιακή επιφάνεια. Η ομάδα της CASALS Οι εργασίες έρευνας και ανάπτυξης έχουν χρηματοδοτηθεί από το Γραφείο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Γης της NASA και σχεδιάζουν να δοκιμάσουν μια βελτιωμένη έκδοση του συστήματος σε ένα αεροπλάνο το 2024, προκειμένου να το φέρουν πιο κοντά στην ετοιμότητα για εφαρμογές διαστημικών πτήσεων.
Διαφορετικά μήκη κύματος
Με χρηματοδότηση από τον Goddard IRAD και το SBIR (Small Business Innovation Research Program) της NASA, η ομάδα CASALS, σε συνεργασία με τους εμπορικούς εταίρους Axsun Technologies και Freedom Photonics, ανέπτυξε επιτυχώς ένα νέο λέιζερ ταχείας ρύθμισης για την επιστήμη της γης και την εξερεύνηση των πλανητών που είναι ειδικά σχεδιασμένο για χρήση στο τμήμα 1 μm του υπέρυθρου φάσματος. τμήμα του υπέρυθρου φάσματος. Αντίθετα, το LiDAR, που χρησιμοποιείται συνήθως στην ανάπτυξη αυτοοδηγούμενων αυτοκινήτων, χρησιμοποιεί συνήθως ένα λέιζερ 1,5 μm για τον προσδιορισμό της απόστασης και της ταχύτητας.
Ο Ian Adams, ο επικεφαλής τεχνολόγος του Goddard για τις γεωεπιστήμες, εξηγεί ότι στη Γη, τα λέιζερ με μήκη κύματος κοντά στο 1 μm είναι σε θέση να διεισδύσουν εύκολα στην ατμόσφαιρα, διακρίνοντας αποτελεσματικά τη βλάστηση από το γυμνό έδαφος. Συγκεκριμένα, τα λέιζερ με μήκη κύματος κοντά στα 0,97 και 1,45 μικρά, ενώ παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τους υδρατμούς στην ατμόσφαιρα της Γης, δεν διαδίδονται αποτελεσματικά στην επιφάνεια.
Σε ένα σχετικό έργο, η ομάδα συνεργάστηκε στενά με την Left Hand Design Corporation για την ανάπτυξη ενός καθρέφτη τιμονιού σχεδιασμένο να επεκτείνει την κάλυψη της τρισδιάστατης απεικόνισης και να βελτιώσει την ανάλυση του CASALS. Ο Adams σημείωσε ότι ο υψηλότερος ρυθμός παλμού του lidar θα μπορούσε να ενισχύσει την ευαισθησία του σήματος. η στροφή θα επέτρεπε μετρήσεις απόστασης και ταχύτητας σε εύρος 60-μιλίων. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για αποστολές που σχεδιάζουν να προσγειωθούν κοντά στο νότιο πόλο της Σελήνης, όπου οι πιο ευκρινείς δυνατότητες απεικόνισης του CASALS θα βοηθήσουν στην αξιολόγηση της ασφάλειας πιθανών τοποθεσιών προσγείωσης.
Εστίαση στη Σελήνη
Για την κατασκευή πιο λεπτών τρισδιάστατων μοντέλων της Σελήνης, το έργο IRAD του πλανητικού επιστήμονα του Goddard Erwan Mazarico εργάζεται για να ενισχύσει την ικανότητα του CASALS να μετράει λεπτομέρειες επιφάνειας μικρότερης από 1 μέτρο (3 πόδια). Τόνισε ότι αυτό θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε βαθύτερα την υποεπιφανειακή δομή της Σελήνης και τις αλλαγές της με την πάροδο του χρόνου. Συγκεκριμένα, κάθε μήνα, η διαδρομή της Γης στον σεληνιακό ουρανό μετατοπίζει το κέντρο της πλευράς που βλέπει τη Γη κατά 10 έως 20 μοίρες.
Ο Mazarico εξηγεί περαιτέρω, "Με βάση τις γνώσεις μας για την εσωτερική δομή της Σελήνης, προβλέπουμε ότι οι συνεχείς αλλαγές στη βαρύτητα της Γης μπορεί να αλλάξουν την παλιρροιακή διόγκωση ή το σχήμα της Σελήνης. Κάνοντας μετρήσεις υψηλής ανάλυσης αυτής της παραμόρφωσης, μπορούμε να αποκτήσουμε περισσότερες πληροφορίες για πιθανές αλλαγές στο εσωτερικό της Σελήνης. Για παράδειγμα, μπορούμε να διερευνήσουμε εάν το εσωτερικό της Σελήνης ανταποκρίνεται σαν να ήταν ένα εντελώς ενοποιημένο σύνολο."
Από το 2009, το Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) της NASA λαμβάνει μετρήσεις αυτού του φυσικού δορυφόρου της Γης, προσομοιώνοντας το σεληνιακό έδαφος και πραγματοποιώντας πληθώρα ανακαλύψεων με τη βοήθεια του Lunar Orbiting Lidar Altimeter (LOLA), το οποίο εκπέμπει 28 παλμούς λέιζερ ανά δεύτερο, χωρισμένο σε πέντε δοκούς, καθεμία από τις οποίες καλύπτει το έδαφος σε μια περιοχή από 65 πόδια έως 100 πόδια. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν εικόνες από το LRO για να εκτιμήσουν τι συμβαίνει σε μικρότερα χαρακτηριστικά επιφάνειας μεταξύ των μετρήσεων με λέιζερ.
Ωστόσο, τα λέιζερ της CASALS είναι ικανά να παράγουν εκατοντάδες χιλιάδες παλμούς ανά δευτερόλεπτο, μειώνοντας σημαντικά την απόσταση μεταξύ των μετρήσεων της επιφάνειας. «Ένα πιο πυκνό και ακριβές σύνολο δεδομένων θα μας επιτρέψει να δούμε μικρότερα χαρακτηριστικά», είπε ο Mazarico, προσθέτοντας ότι αυτά τα χαρακτηριστικά θα μπορούσαν να προέρχονται από κρούσεις, ηφαιστειακή δραστηριότητα ή τεκτονικές κινήσεις, «και μιλάμε για μια τάξη μεγέθους βελτίωση. από την άποψη του τύπου των δεδομένων που λαμβάνουμε από το LiDAR, αυτό θα μπορούσε να αλλάξει εντελώς το παιχνίδι."