NASA parantaa ja pienentää Lidar-lähteiden kokoa

Tänä kesänä Kansallisen ilmailu- ja avaruushallinnon (NASA) insinöörit aikovat testata aivan uutta laserteknologiaa lentokoneessa, joka on suunniteltu maatieteiden kaukokartoitustutkimukseen.
Lisäksi tällä LiDAR-instrumenttisarjalla on myös kyky parantaa kuun muotomallia, ja sen odotetaan auttavan Artemis-kuun tutkimusohjelman laskeutumispaikan määrittämisessä.
LIDARin ydintoimintaperiaate on etäisyyden laskeminen mittaamalla aika, joka kuluu lasersäteen heijastamiseen pinnalta ja palaamiseen instrumenttiin. Laserin useat heijastukset eivät ainoastaan ​​anna kohteen suhteellisen nopeuden, vaan myös luovat siitä kolmiulotteisen kuvan. Viime vuosina tästä tekniikasta on tullut tärkeä työkalu NASAn tutkijoille ja tutkimusmatkailijoille navigoinnissa, kartoituksessa ja tieteellisen tiedon keräämisessä.
NASAn Goddard Space Flight Centerin insinöörit ja tutkijat Greenbeltissä, Marylandissa, jatkavat työskentelyä LiDAR:n optimoimiseksi pienemmäksi, kevyemmäksi ja monipuolisemmiksi tieteellisen tutkimuksen työkaluksi, jota tukevat pienyritysten ja akateemisten kumppanien toimittamat laitteistot.
Nykyiset 3D-kuvauslidarit kamppailevat saavuttaakseen 50-millimetrin (2- tuuman) resoluution, joka on tarpeen varmistaakseen opastus-, navigointi- ja ohjaustekniikat, joita tarvitaan tarkkoihin ja turvallisiin laskeutumisiin tulevia robotti- ja ihmistutkimustehtäviä varten", sanoi tiimin insinööri Jeffrey Chen. Olemassa olevat järjestelmät eivät pysty suorittamaan samanaikaisesti sekä 3D-vaarantunnistus- että navigointi-Doppler-lidar-toimintoja."
Vastatakseen tähän haasteeseen Goddard Space Flight Center kehitti CASALS-järjestelmän, Concurrent Artificial Intelligence Spectral- ja Adaptive Lidar Systemin. Goddardin sisäisen tutkimus- ja kehitysohjelman kautta henkiin herännyt järjestelmä lähettää prismamaisen hilan avulla viritettävän laserin, joka levittää sädettä vaihtelemalla laserin aallonpituutta.
CASALS hyödyntää kehittyneempää tekniikkaa kuin perinteiset kiinteän aallonpituiset LIDAR-pulssit. Vaikka perinteiset LIDAR-pulssit luottavat isoihin peileihin ja linsseihin laserin jakamiseksi useiksi säteiksi, CASALS kattaa enemmän planeetan pinta-alaa yhtä skannausta kohti kuin jopa LIDAR-pulssit, joita on käytetty vuosikymmeniä Maan, Kuun ja Marsin mittaamiseen.
CASALSin merkittäviä etuja ovat sen pienempi koko, kevyempi paino ja pienemmät tehovaatimukset, jotka tekevät siitä sopivan pienille satelliiteille sekä kädessä pidettäville tai kannettaville laitteille, mikä lupaa todellisia sovelluksia kuun pinnalla. CASALS-tiimin tutkimus- ja kehitystyötä on rahoittanut NASAn Earth Science and Technology -toimisto, ja he suunnittelevat testaavansa järjestelmän parannettua versiota lentokoneessa vuonna 2024, jotta se saataisiin lähemmäksi valmiutta avaruuslentosovelluksia varten.
Eri aallonpituuksia
Goddard IRAD:n ja NASAn SBIR:n (Small Business Innovation Research Program) rahoituksella CASALS-tiimi on yhteistyössä kaupallisten kumppaneiden Axsun Technologiesin ja Freedom Photonicsin kanssa kehittänyt onnistuneesti uuden nopeasti viritettävän laserin maatieteen ja planeettojen tutkimiseen, joka on erityisesti suunniteltu. käytettäväksi infrapunaspektrin 1 μm:n osassa. osa infrapunaspektristä. Sitä vastoin LiDAR, jota käytetään yleisesti itseajavien autojen kehittämisessä, käyttää yleisesti 1,5 μm:n laseria etäisyyden ja nopeuden määrittämiseen.
Ian Adams, Goddardin geotieteiden pääteknologi, selittää, että maan päällä laserit, joiden aallonpituus on lähellä 1 μm, pystyvät helposti tunkeutumaan ilmakehään, mikä erottaa kasvillisuuden tehokkaasti paljaasta maasta. Erityisesti laserit, joiden aallonpituudet ovat lähellä 0,97 ja 1,45 mikronia, vaikka ne tarjoavat arvokasta tietoa maapallon ilmakehän vesihöyrystä, eivät leviä tehokkaasti pintaan.
Aiheeseen liittyvässä projektissa tiimi teki tiivistä yhteistyötä Left Hand Design Corporationin kanssa kehittääkseen ohjauspeilin, joka on suunniteltu laajentamaan 3D-kuvan kattavuutta ja parantamaan CASALSin resoluutiota. Adams huomautti, että lidarin korkeampi pulssinopeus voisi parantaa signaalin herkkyyttä, mikä käännös mahdollistaisi etäisyyden ja nopeuden mittaamisen 60-mailin alueella. Tämä on erityisen tärkeää tehtävissä, jotka suunnittelevat laskeutumista kuun etelänavalle, missä CASALSin terävämmät kuvantamisominaisuudet auttavat arvioimaan mahdollisten laskeutumispaikkojen turvallisuutta.
Keskittyminen kuuhun
Goddard-planeetatieteilijä Erwan Mazaricon IRAD-projekti kehittää Kuusta hienompia 3D-malleja parantaakseen CASALSin kykyä mitata alle 1 metrin (3 jalkaa) pinnan yksityiskohtia. Hän korosti, että tämä auttaa meitä ymmärtämään syvällisemmin Kuun pinnan rakennetta ja sen muutoksia ajan myötä. Erityisesti joka kuukausi Maan polku kuun taivaan poikki siirtää Maahan päin olevan sivun keskustaa 10-20 astetta.
Mazarico selittää edelleen: "Kuun sisäisestä rakenteesta saatujen tietojen perusteella ennustamme, että jatkuvat muutokset Maan painovoimassa voivat muuttaa Kuun vuoroveden pullistumaa tai muotoa. Tekemällä korkearesoluutioisia mittauksia tästä muodonmuutoksesta voimme saada lisää tietoa mahdollisia muutoksia Kuun sisätiloissa. Voimme esimerkiksi tutkia, reagoiko Kuun sisäpuoli ikään kuin se olisi täysin yhtenäinen kokonaisuus."
NASAn Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) on vuodesta 2009 lähtien tehnyt mittauksia tästä luonnollisesta Maan satelliitista, simuloinut kuun maastoa ja tehnyt runsaasti löytöjä Lunar Orbiting Lidar Altimeter (LOLA) avulla, joka lähettää 28 laserpulssia per. toiseksi, jaettu viiteen palkkiin, joista jokainen peittää maan 65 jalan ja 100 jalan välillä. Tutkijat käyttävät LRO:n kuvia arvioidakseen, mitä tapahtuu pienemmille pinnan ominaisuuksille lasermittausten välillä.
CASALSin laserit pystyvät kuitenkin tuottamaan satoja tuhansia pulsseja sekunnissa, mikä vähentää merkittävästi pintamittausten välistä etäisyyttä. "Tiheämpi, tarkempi tietojoukko antaa meille mahdollisuuden tarkastella pienempiä ominaisuuksia", Mazarico sanoi ja lisäsi, että nämä ominaisuudet voivat johtua iskuista, tulivuoren toiminnasta tai tektonisista liikkeistä, "ja puhumme suuruusluokan parannuksista. LiDARilta saamiemme tietojen perusteella tämä voisi olla täydellinen pelin muuttaja."