Die NASA verbessert und verkleinert die Größe von Lidar-Quellen

In diesem Sommer planen Ingenieure der National Aeronautics and Space Administration (NASA), eine brandneue Reihe von Lasertechnologien in einem Flugzeug zu testen, das für die Fernerkundungsforschung in den Geowissenschaften konzipiert ist.
Darüber hinaus ist dieser LiDAR-Instrumentensatz auch in der Lage, das Formmodell des Mondes zu verbessern, und soll bei der Bestimmung des Landeplatzes des Monderkundungsprogramms Artemis helfen.
Das grundlegende Funktionsprinzip von LIDAR besteht in der Berechnung der Entfernung, indem die Zeit gemessen wird, die ein Laserstrahl benötigt, um von einer Oberfläche reflektiert zu werden und zum Instrument zurückzukehren. Die Mehrfachreflexionen des Lasers liefern nicht nur die Relativgeschwindigkeit des Ziels, sondern erzeugen auch ein dreidimensionales Bild davon. In den letzten Jahren hat sich diese Technik zu einem wichtigen Werkzeug für NASA-Wissenschaftler und Entdecker für Navigation, Kartierung und wissenschaftliche Datenerfassung entwickelt.
Ingenieure und Wissenschaftler am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, arbeiten weiterhin an der Optimierung von LiDAR zu einem kleineren, leichteren und funktionsreicheren Werkzeug für die wissenschaftliche Erkundung, unterstützt durch Hardware, die von kleinen Unternehmen und akademischen Partnern bereitgestellt wird.
„Bestehende 3D-Bildgebungs-Lidargeräte haben Schwierigkeiten, die Auflösung von 50-Millimetern (2-Zoll) zu erreichen, die erforderlich ist, um die Führungs-, Navigations- und Steuerungstechnologien sicherzustellen, die für präzise und sichere Landungen für zukünftige Roboter- und menschliche Erkundungsmissionen erforderlich sind“, sagte er Teamingenieur Jeffrey Chen ist nicht in der Lage, sowohl die 3D-Gefahrenerkennungs-Lidar- als auch die Navigations-Doppler-Lidar-Funktionen gleichzeitig zu erfüllen.“
Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwickelte das Goddard Space Flight Center das CASALS-System, das Concurrent Artificial Intelligence Spectral and Adaptive Lidar System. Das System, das durch Goddards internes Forschungs- und Entwicklungsprogramm ins Leben gerufen wurde, verwendet ein prismenartiges Gitter, um einen abstimmbaren Laser auszusenden, der den Strahl durch Variation der Laserwellenlänge ausbreitet.
CASALS nutzt fortschrittlichere Technologie als herkömmliche LIDAR-Impulse mit fester Wellenlänge. Während herkömmliche LIDAR-Pulse auf sperrigen Spiegeln und Linsen beruhen, um den Laser in mehrere Strahlen aufzuteilen, deckt CASALS pro Scan einen größeren Teil der Planetenoberfläche ab als selbst die LIDARs, die seit Jahrzehnten zur Vermessung von Erde, Mond und Mars eingesetzt werden.
Die wesentlichen Vorteile von CASALS sind seine geringere Größe, sein geringeres Gewicht und sein geringerer Energiebedarf, wodurch es sowohl für kleine Satelliten als auch für handgehaltene oder tragbare Geräte geeignet ist, was zu realen Anwendungen auf der Mondoberfläche führt.Das CASALS-Team Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden vom Office of Earth Science and Technology der NASA finanziert und es ist geplant, im Jahr 2024 eine verbesserte Version des Systems an Bord eines Flugzeugs zu testen, um es der Einsatzbereitschaft für Raumfahrtanwendungen näher zu bringen.
Verschiedene Wellenlängen
Mit Mitteln von Goddard IRAD und dem SBIR (Small Business Innovation Research Program) der NASA hat das CASALS-Team in Zusammenarbeit mit den kommerziellen Partnern Axsun Technologies und Freedom Photonics erfolgreich einen neuen, schnell abstimmbaren Laser für Geowissenschaften und Planetenerkundung entwickelt, der speziell dafür entwickelt wurde zur Verwendung im 1 μm-Teil des Infrarotspektrums. Teil des Infrarotspektrums. Im Gegensatz dazu verwendet LiDAR, das üblicherweise bei der Entwicklung selbstfahrender Autos eingesetzt wird, üblicherweise einen 1,5-μm-Laser, um Entfernung und Geschwindigkeit zu bestimmen.
Ian Adams, Goddards Cheftechnologe für Geowissenschaften, erklärt, dass Laser mit Wellenlängen nahe 1 μm auf der Erde leicht in die Atmosphäre eindringen und so effektiv Vegetation von nacktem Boden unterscheiden können. Insbesondere Laser mit Wellenlängen in der Nähe von 0,97 und 1,45 Mikrometern liefern zwar wertvolle Informationen über Wasserdampf in der Erdatmosphäre, breiten sich jedoch nicht effektiv zur Oberfläche aus.
In einem verwandten Projekt arbeitete das Team eng mit der Left Hand Design Corporation zusammen, um einen Lenkspiegel zu entwickeln, der die 3D-Bildabdeckung erweitern und die Auflösung von CASALS verbessern soll. Adams stellte fest, dass die höhere Pulsfrequenz des Lidars die Signalempfindlichkeit verbessern könnte, was in Eine Kurve würde Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessungen über einen Bereich von 60- Meilen ermöglichen. Dies ist besonders wichtig für Missionen, die eine Landung in der Nähe des Südpols des Mondes planen, wo die schärferen Bildgebungsfähigkeiten von CASALS dabei helfen werden, die Sicherheit potenzieller Landeplätze zu beurteilen.
Fokussierung auf den Mond
Um feinere 3D-Modelle des Mondes zu erstellen, arbeitet das IRAD-Projekt des Goddard-Planetenforschers Erwan Mazarico daran, die Fähigkeit von CASALS zu verbessern, Oberflächendetails kleiner als 1 Meter (3 Fuß) zu messen. Er betonte, dass dies uns helfen werde, ein tieferes Verständnis der Untergrundstruktur des Mondes und seiner Veränderungen im Laufe der Zeit zu erlangen. Bemerkenswert ist, dass die Bahn der Erde über den Mondhimmel jeden Monat die Mitte der der Erde zugewandten Seite um 10 bis 20 Grad verschiebt.
Mazarico erklärt weiter: „Basierend auf unserem Wissen über die innere Struktur des Mondes sagen wir voraus, dass ständige Änderungen der Erdschwerkraft die Gezeitenwölbung oder Form des Mondes verändern können. Durch hochauflösende Messungen dieser Verformung können wir mehr Informationen darüber gewinnen Mögliche Veränderungen im Mondinneren können wir beispielsweise untersuchen, ob das Mondinnere so reagiert, als wäre es ein völlig einheitliches Ganzes.
Seit 2009 nimmt der Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) der NASA Messungen an diesem natürlichen Erdtrabanten vor, simuliert das Mondgelände und macht mit Hilfe des Lunar Orbiting Lidar Altimeter (LOLA), das 28 Laserimpulse pro Minute sendet, eine Fülle von Entdeckungen Zweitens ist er in fünf Strahlen unterteilt, von denen jeder den Boden in einer Entfernung von 65 Fuß bis 100 Fuß abdeckt. Wissenschaftler nutzen Bilder von LRO, um abzuschätzen, was mit kleineren Oberflächenmerkmalen zwischen Lasermessungen passiert.
Die Laser von CASALS sind jedoch in der Lage, Hunderttausende Impulse pro Sekunde zu erzeugen, wodurch sich der Abstand zwischen Oberflächenmessungen erheblich verringert. „Ein dichterer, genauerer Datensatz wird es uns ermöglichen, kleinere Merkmale zu betrachten“, sagte Mazarico und fügte hinzu, dass diese Merkmale von Einschlägen, vulkanischer Aktivität oder tektonischen Bewegungen herrühren könnten, „und wir sprechen von einer Verbesserung um eine Größenordnung.“ Was die Art der Daten betrifft, die wir von LiDAR erhalten, könnte dies eine völlige Wende bedeuten.“