NASA tobulina ir sumažina Lidaro šaltinių dydį

Šią vasarą Nacionalinės aeronautikos ir kosmoso administracijos (NASA) inžinieriai lėktuve planuoja išbandyti visiškai naują lazerinių technologijų rinkinį, skirtą nuotolinio stebėjimo tyrimams Žemės mokslų srityje.
Be to, šis LiDAR instrumentų rinkinys taip pat turi galimybę pagerinti Mėnulio formos modelį ir, tikimasi, padės nustatyti Mėnulio tyrinėjimo programos Artemis nusileidimo vietą.
Pagrindinis LIDAR veikimo principas yra skaičiuoti atstumą, matuojant laiką, per kurį lazerio spindulys atsispindi nuo paviršiaus ir grįžta į prietaisą. Daugybiniai lazerio atspindžiai ne tik suteikia santykinį taikinio greitį, bet ir sukuria trimatį jo vaizdą. Pastaraisiais metais ši technika tapo svarbia NASA mokslininkų ir tyrinėtojų navigacijos, žemėlapių sudarymo ir mokslinių duomenų rinkimo priemone.
NASA Goddardo kosminių skrydžių centro Greenbelt mieste (Merilandas) inžinieriai ir mokslininkai ir toliau dirba siekdami optimizuoti LiDAR į mažesnį, lengvesnį, daugiau funkcijų turintį įrankį moksliniams tyrimams, kuriuos palaiko mažų įmonių ir akademinių partnerių teikiama aparatinė įranga.
Esami 3D vaizdų gavimo lidarai stengiasi pasiekti 50-milimetro (2- colio) skiriamąją gebą, būtiną, kad būtų užtikrintos orientavimo, navigacijos ir valdymo technologijos, reikalingos tiksliam ir saugiam nusileidimui būsimoms robotų ir žmonių tyrinėjimo misijoms. komandos inžinierius Jeffrey Chen. Esamos sistemos negali vienu metu atlikti 3D pavojaus aptikimo ir navigacijos Doplerio lidar funkcijų.
Siekdamas išspręsti šį iššūkį, Goddard Space Flight Center sukūrė CASALS sistemą, Concurrent Artificial Intelligence Spectral ir Adaptive Lidar System. Sistema, kuri atgijo per Goddardo vidinę tyrimų ir plėtros programą, naudoja prizmę primenančią grotelę, kad išspinduliuotų derinamą lazerį, kuris skleidžia spindulį keisdamas lazerio bangos ilgį.
CASALS naudoja pažangesnes technologijas nei tradiciniai fiksuoto ilgio LIDAR impulsai. Nors įprasti LIDAR impulsai priklauso nuo didelių veidrodžių ir lęšių, kad padalytų lazerį į kelis spindulius, CASALS vienu nuskaitymu apima daugiau planetos paviršiaus ploto nei net LIDAR, kurie dešimtmečius buvo naudojami matuoti Žemę, Mėnulį ir Marsą.
Reikšmingi CASALS pranašumai yra mažesnis dydis, lengvesnis svoris ir mažesnis energijos poreikis, todėl jis tinka mažiems palydovams, taip pat delniniams ar nešiojamiesiems įrenginiams, todėl žadama realiai pritaikyti Mėnulio paviršių. CASALS komandos mokslinius tyrimus ir plėtrą finansavo NASA Žemės mokslo ir technologijų biuras, o 2024 m. jie planuoja išbandyti patobulintą sistemos versiją lėktuve, kad būtų galima priartinti ją prie parengties skrydžiams į kosmosą.
Skirtingi bangos ilgiai
Remdamasi Goddardo IRAD ir NASA SBIR (Small Business Innovation Research Program) lėšomis, CASALS komanda, bendradarbiaudama su komerciniais partneriais Axsun Technologies ir Freedom Photonics, sėkmingai sukūrė naują sparčiai derinantį lazerį, skirtą Žemės mokslui ir planetų tyrinėjimui, kuris yra specialiai sukurtas. skirtas naudoti 1 μm infraraudonųjų spindulių spektro dalyje. infraraudonųjų spindulių spektro dalis. Priešingai, LiDAR, dažniausiai naudojamas kuriant savarankiškai važiuojančius automobilius, dažniausiai naudoja 1,5 μm lazerį atstumui ir greičiui nustatyti.
Ianas Adamsas, vyriausiasis Goddardo technologas geomokslams, aiškina, kad Žemėje lazeriai, kurių bangos ilgis yra artimas 1 μm, gali lengvai prasiskverbti pro atmosferą ir efektyviai atskirti augaliją nuo plikos žemės. Visų pirma, lazeriai, kurių bangos ilgis yra netoli 0,97 ir 1,45 mikrono, nors ir teikia vertingos informacijos apie vandens garus Žemės atmosferoje, tačiau neefektyviai sklinda į paviršių.
Vykdydama susijusį projektą, komanda glaudžiai bendradarbiavo su „Left Hand Design Corporation“, kad sukurtų vairo veidrodėlį, skirtą išplėsti 3D vaizdo aprėptį ir pagerinti CASALS skiriamąją gebą. Adamsas pažymėjo, kad didesnis lidaro pulso dažnis gali padidinti signalo jautrumą, o tai posūkyje būtų galima išmatuoti atstumą ir greitį 60-mylių diapazone. Tai ypač svarbu misijoms, kurios planuoja nusileisti netoli Mėnulio pietų ašigalio, kur CASALS ryškesnės vaizdo gavimo galimybės padės įvertinti galimų nusileidimo vietų saugumą.
Dėmesys Mėnulyje
Siekdamas sukurti tikslesnius 3D Mėnulio modelius, Goddardo planetos mokslininko Erwano Mazarico IRAD projektas siekia pagerinti CASALS gebėjimą išmatuoti smulkesnes nei 1 metro (3 pėdų) paviršiaus detales. Jis pabrėžė, kad tai padės mums giliau suprasti Mėnulio požeminę struktūrą ir jos pokyčius laikui bėgant. Pažymėtina, kad kiekvieną mėnesį Žemės kelias per Mėnulio dangų pasislenka į Žemę atsuktos pusės centrą 10–20 laipsnių.
Mazarico toliau aiškina: "Remdamiesi žiniomis apie Mėnulio vidinę struktūrą, prognozuojame, kad nuolatiniai Žemės gravitacijos pokyčiai gali pakeisti Mėnulio potvynio išsipūtimą arba formą. Atlikdami didelės raiškos šios deformacijos matavimus, galime gauti daugiau informacijos apie Galimi Mėnulio vidaus pokyčiai. Pavyzdžiui, galime ištirti, ar Mėnulio vidus reaguoja taip, tarsi jis būtų visiškai vieninga visuma.
Nuo 2009 m. NASA Mėnulio žvalgybos orbiteris (LRO) atlieka šio natūralaus Žemės palydovo matavimus, imituodamas Mėnulio reljefą ir atlikdamas daugybę atradimų, naudodamas Mėnulio orbitinį Lidaro aukštimatį (LOLA), kuris perduoda 28 lazerio impulsus per kiekvieną. antra, padalinta į penkias sijas, kurių kiekviena dengia žemę nuo 65 pėdų iki 100 pėdų. Mokslininkai naudoja LRO vaizdus, ​​​​kad įvertintų, kas nutinka mažesnėms paviršiaus ypatybėms tarp matavimų lazeriu.
Tačiau CASALS lazeriai gali generuoti šimtus tūkstančių impulsų per sekundę, žymiai sumažindami atstumą tarp paviršiaus matavimų. „Tankstesnis, tikslesnis duomenų rinkinys leis mums pažvelgti į mažesnes ypatybes“, - sakė Mazarico ir pridūrė, kad šios savybės gali atsirasti dėl smūgių, ugnikalnių veiklos ar tektoninių judėjimų, „ir mes kalbame apie patobulinimus. Atsižvelgiant į duomenų, kuriuos gauname iš LiDAR, tipą, tai gali visiškai pakeisti žaidimą.