Timing af en rumlaser med et stopur i NASA-stil

For at måle, hvor lang tid det tager en puls af laserlys at rejse fra rummet til Jorden og tilbage, du har brug for et rigtig godt stopur – et, der kan måle inden for en brøkdel af en milliardtedel af et sekund.

Den slags timer er præcis, hvad ingeniører har bygget på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, for isen, Sky- og landhøjdesatellit-2. ICESat-2, planlagt til lancering i 2018, vil bruge seks grønne laserstråler til at måle højden. Med sine utroligt præcise tidsmålinger, Forskere kan beregne afstanden mellem satellitten og Jorden nedenfor, og derfra registrere præcise højdemålinger af havisen, gletsjere, iskapper, skove og resten af ​​planetens overflader.

"Lys bevæger sig virkelig, rigtig hurtigt, og hvis du skal bruge det til at måle noget til et par centimeter, du må hellere have en virkelig, rigtig godt ur, sagde Tom Neumann, ICESat-2's stedfortrædende projektforsker.

Hvis dets stopur holdt tiden selv til en meget nøjagtig milliontedel af et sekund, ICESat-2 kunne kun måle højde til inden for omkring 500 fod. Forskere ville ikke være i stand til at skelne toppen af ​​en fem-etagers bygning fra bunden. Det skærer ikke, når målet er at registrere selv subtile ændringer, når iskapper smelter eller havis tynder ud.

For at nå den nødvendige præcision på en brøkdel af en milliardtedel af et sekund, Goddards ingeniører var nødt til at udvikle og bygge deres egen serie af ure på satellittens instrument - Advanced Topographic Laser Altimeter System, eller ATLAS. Denne timing nøjagtighed vil give forskere mulighed for at måle højder til inden for omkring to inches.

"At beregne højden af ​​isen handler om flyvningstid, " sagde Phil Luers, stedfortrædende instrumentsystemingeniør med ATLAS-instrumentet. ATLAS pulserer stråler af laserlys til jorden og registrerer derefter, hvor lang tid det tager hver foton at vende tilbage. Denne gang, kombineret med lysets hastighed, fortæller forskerne, hvor langt laserlyset rejste. Denne flyvedistance, kombineret med viden om præcis, hvor satellitten er i rummet, fortæller forskerne højden af ​​Jordens overflade nedenfor.

Stopuret, der måler flyvetiden, starter med hver puls af ATLAS's laser. Mens milliarder af fotoner strømmer ned til Jorden, nogle få er dirigeret til en startpulsdetektor, der udløser timeren, sagde Luers.

I mellemtiden satellitten registrerer, hvor den er i rummet, og hvad den kredser om. Med disse oplysninger, ATLAS angiver et groft vindue for, hvornår det forventer, at fotoner vender tilbage til satellitten. Fotoner over Mount Everest vil vende tilbage hurtigere end fotoner over Death Valley, da der er mindre afstand at rejse.

Fotonerne vender tilbage til instrumentet gennem teleskopmodtagersystemet og passerer gennem filtre, der blokerer alt, hvad der ikke er den nøjagtige nuance af laserens grønne, især sollys. De grønne slår igennem til et foton-tællende elektronikkort, som stopper timeren. De fleste af de fotoner, der stopper timeren, vil blive reflekteret sollys, der tilfældigvis er det samme grønne. Men ved at affyre laseren 10, 000 gange i sekundet vil den "sande" laserfoton, der vender tilbage, smelte sammen for at give videnskabsmænd data om overfladehøjde.

"Hvis du ved, hvor rumfartøjet er, og du kender flyvetidspunktet, så du kender afstanden til jorden, nu har du højden af ​​isen, " sagde Luers.

Selve tidsuret består af flere dele for bedre at kunne holde styr på tiden. Der er GPS-modtageren, som tikker af hvert sekund - et groft ur, der fortæller tiden for satellitten. ATLAS har et andet ur, kaldet en ultrastabil oscillator, som tæller af hvert 10. nanosekund inden for de GPS-afledte sekunder.

"Mellem hver puls fra GPS'en, du får 100 millioner flåter fra den ultrastabile oscillator, " sagde Neumann. "Og den nulstiller sig selv med GPS'en hvert sekund."

Ti nanosekunder er ikke nok, selvom. For at komme ned til endnu mere præcis timing, ingeniører har udstyret et ur i fin skala inden for hvert fotontællende elektroniske kort. Dette underinddeler disse 10 nanosekunders flåter endnu mere, så returtiden måles til hundredvis af picosekunder.

Nogle justeringer af denne rejsetid skal foretages på jorden. Computerprogrammer kombinerer mange fotons rejsetider for at forbedre præcisionen. Programmer kompenserer også for, hvor lang tid det tager at bevæge sig gennem ATLAS-instrumentets fibre og ledninger, virkningerne af temperaturændringer på elektronik og mere.

"Vi korrigerer for alle disse ting for at nå det bedste flyvetidspunkt, vi overhovedet kan beregne, " sagde Neumann, giver forskere mulighed for at se den tredje dimension af Jorden i detaljer.