НАСА улучшает и уменьшает размер лидарных источников

Этим летом инженеры Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) планируют протестировать совершенно новый набор лазерных технологий на самолете, предназначенном для исследований дистанционного зондирования в области наук о Земле.
Кроме того, этот набор инструментов LiDAR также способен улучшить модель формы Луны и, как ожидается, поможет в определении места посадки программы исследования Луны Artemis.
Основной принцип работы LIDAR заключается в расчете расстояния путем измерения времени, которое требуется лазерному лучу для отражения от поверхности и возвращения к инструменту. Многократные отражения лазера не только определяют относительную скорость цели, но и создают ее трехмерное изображение. В последние годы этот метод стал важным инструментом для ученых и исследователей НАСА для навигации, картографирования и сбора научных данных.
Инженеры и ученые из Центра космических полетов Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, продолжают работать над оптимизацией LiDAR в более компактный, легкий и многофункциональный инструмент для научных исследований, поддерживаемый оборудованием, предоставленным малым бизнесом и академическими партнерами.
Существующие лидары для 3D-изображения с трудом достигают разрешения 50-миллиметров (2-дюйма), необходимого для обеспечения технологий наведения, навигации и управления, необходимых для точной и безопасной посадки для будущих роботизированных и пилотируемых исследовательских миссий", - сказал он. инженер группы Джеффри Чен. Существующие системы не могут одновременно выполнять функции трехмерного лидара обнаружения опасностей и навигационного доплеровского лидара».
Чтобы решить эту проблему, Центр космических полетов Годдарда разработал систему CASALS, параллельную спектральную и адаптивную лидарную систему искусственного интеллекта. Система, которая появилась на свет благодаря внутренней программе исследований и разработок Годдарда, использует призматическую решетку для излучения настраиваемого лазера, который распространяет луч, изменяя длину волны лазера.
CASALS использует более совершенную технологию, чем традиционные импульсы LIDAR с фиксированной длиной волны. В то время как традиционные импульсы лидара основаны на использовании громоздких зеркал и линз для разделения лазера на несколько лучей, CASALS охватывает за одно сканирование большую площадь поверхности планеты, чем даже лидары, которые десятилетиями использовались для измерения Земли, Луны и Марса.
Существенными преимуществами CASALS являются его меньший размер, меньший вес и меньшие требования к энергопотреблению, что делает его пригодным для небольших спутников, а также портативных или портативных устройств, что открывает перспективы для реальных приложений на поверхности Луны. Исследования и разработки финансируются Управлением наук о Земле и технологиями НАСА, и они планируют протестировать улучшенную версию системы на борту самолета в 2024 году, чтобы приблизить ее к готовности к использованию в космических полетах.
Различные длины волн
При финансовой поддержке Годдарда IRAD и SBIR НАСА (Программа инновационных исследований малого бизнеса) команда CASALS в сотрудничестве с коммерческими партнерами Axsun Technologies и Freedom Photonics успешно разработала новый лазер с быстрой настройкой для наук о Земле и исследования планет, который специально разработан для использования в 1-мкм части инфракрасного спектра. часть инфракрасного спектра. Напротив, LiDAR, обычно используемый при разработке беспилотных автомобилей, обычно использует лазер 1,5 мкм для определения расстояния и скорости.
Ян Адамс, главный технолог Годдарда по геологическим наукам, объясняет, что на Земле лазеры с длиной волны около 1 мкм способны легко проникать в атмосферу, эффективно отличая растительность от голой земли. В частности, лазеры с длинами волн около 0,97 и 1,45 микрон, хотя и предоставляют ценную информацию о водяном паре в атмосфере Земли, не распространяются эффективно на поверхность.
В рамках аналогичного проекта команда тесно сотрудничала с Left Hand Design Corporation над разработкой управляемого зеркала, предназначенного для расширения охвата 3D-изображений и улучшения разрешения CASALS. Адамс отметил, что более высокая частота импульсов лидара может повысить чувствительность сигнала, что в поворот позволит измерять расстояние и скорость в диапазоне 60-миль. Это особенно важно для миссий, которые планируют приземлиться вблизи южного полюса Луны, где более четкие возможности визуализации CASALS помогут оценить безопасность потенциальных мест посадки.
Сосредоточение внимания на Луне
Для создания более точных 3D-моделей Луны проект IRAD ученого-планетолога Годдарда Эрвана Мазарико работает над расширением возможностей CASALS измерять детали поверхности размером менее 1 метра (3 фута). Он подчеркнул, что это поможет нам глубже понять структуру недр Луны и ее изменения с течением времени. Примечательно, что каждый месяц путь Земли по лунному небу смещает центр стороны, обращенной к Земле, на 10–20 градусов.
Далее Мазарико объясняет: «Основываясь на наших знаниях о внутренней структуре Луны, мы предсказываем, что постоянные изменения гравитации Земли могут изменить приливную выпуклость или форму Луны. Проводя измерения этой деформации с высоким разрешением, мы можем получить больше информации о потенциальные изменения во внутренней части Луны. Например, мы можем изучить, реагирует ли внутренняя часть Луны так, как если бы она была полностью единым целым».
С 2009 года лунный разведывательный орбитальный аппарат НАСА (LRO) проводит измерения этого естественного спутника Земли, моделирует лунную местность и делает множество открытий с помощью лунного орбитального лидарного альтиметра (LOLA), который передает 28 лазерных импульсов в сутки. второй, разделенный на пять лучей, каждый из которых покрывает землю на расстоянии от 65 футов до 100 футов. Ученые используют изображения LRO, чтобы оценить, что происходит с более мелкими деталями поверхности между лазерными измерениями.
Однако лазеры CASALS способны генерировать сотни тысяч импульсов в секунду, что значительно сокращает расстояние между измерениями на поверхности. «Более плотный и точный набор данных позволит нам рассмотреть более мелкие объекты», — сказал Мазарико, добавив, что эти объекты могут возникнуть в результате ударов, вулканической активности или тектонических движений, «и мы говорим об улучшении на порядок». с точки зрения типа данных, которые мы получаем от LiDAR, это может полностью изменить правила игры».