NASA, industri forbedre lidarer til udforskning, videnskab

NASA-ingeniører vil denne sommer teste en række nye laserteknologier fra et fly til jordvidenskabelig fjernmåling. Kaldet "lidar", instrumenterne kunne også bruges til at forbedre modeller af månens form og hjælpe med at søge efter Artemis landingssteder.

I lighed med sonar, men ved hjælp af lys i stedet for lyd, beregner lidarer afstande ved at tidsindstille, hvor lang tid det tager en laserstråle at reflektere fra en overflade og vende tilbage til et instrument. Flere ping fra laseren kan give den relative hastighed og endda 3D-billede af et mål. De hjælper i stigende grad NASA-forskere og opdagelsesrejsende med at navigere, kortlægge og indsamle videnskabelige data.

Ingeniører og videnskabsmænd ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, fortsætter med at forfine lidarer til mindre, lettere, mere alsidige værktøjer til videnskab og udforskning med hjælp fra hardware leveret af små virksomheder og akademiske partnere.

"Eksisterende 3D-billeddannende lidarer kæmper for at give den 2-tommer opløsning, der kræves af vejlednings-, navigations- og kontrolteknologier for at sikre præcise og sikre landinger, der er afgørende for fremtidige robot- og menneskelige udforskningsmissioner," sagde teamingeniør Jeffrey Chen. "Sådan et system kræver 3D-fare-detektion lidar og en navigations-doppler lidar, og intet eksisterende system kan udføre begge funktioner."

Indtast CASALS, det samtidige kunstigt intelligente spektrometri og adaptive lidarsystem. Udviklet gennem Goddards IRAD, Internal Research and Development-program, skinner CASALS en afstembar laser gennem et prisme-lignende gitter for at sprede strålen baseret på dens skiftende bølgelængder. Traditionelle lidarer pulserer en laser med fast bølgelængde, som er opdelt i flere stråler af omfangsrige spejle og linser for at opdele den i flere stråler. Et CASALS-instrument kunne dække mere af en planets overflade i hver passage end lidarer, der er brugt i årtier til at måle Jorden, månen og Mars.

CASALS' mindre størrelse, vægt og lavere strømkrav muliggør små satellitapplikationer såvel som håndholdte eller bærbare lidarer til brug på månens overflade, sagde Goddard-ingeniør og CASALS-udviklingsleder Guangning Yang.

CASALS-teamet modtog finansiering fra NASA's Earth Science Technology Office til at teste deres forbedringer med fly i 2024, hvilket bringer deres system tættere på rumfartsberedskab.

Hvilken farve er din lidar?

Efterhånden som lidarer bliver mere specialiserede, kan CASALS inkorporere forskellige bølgelængder eller farver af laserlys til applikationer som jordvidenskab, udforskning af andre planeter og objekter i rummet og navigation og rendezvous-operationer.

CASALS-teamet brugte finansiering fra Goddard IRAD og NASA SBIR (Small Business Innovation Research Program) sammen med kommercielle partnere Axsun Technologies og Freedom Photonics til at udvikle nye hurtigjusterende lasere i den 1-mikron del af det infrarøde spektrum til jordvidenskab og planetarisk udforskning. Til sammenligning bruger almindeligt tilgængelige lidarer, der bruges til udvikling af selvkørende køretøjer, typisk 1,5 mikron lasere til rækkevidde og hastighedsberegninger.

På Jorden passerer bølgelængder nær 1 mikron let gennem atmosfæren og er gode til at differentiere vegetation fra bar jord, sagde Ian Adams, Goddards chefteknolog for geovidenskab. Bølgelængder nær 0,97 og 1,45 mikron giver værdifuld information om vanddamp i Jordens atmosfære, men rejser ikke så effektivt til overfladen.

I et relateret projekt gik teamet sammen med Left Hand Design Corporation for at udvikle et styrespejl for at udvide CASALS's 3D-billeddækning og forbedre opløsningen. Han sagde, at lidarens højere pulsfrekvens kan opbygge signalfølsomhed for at give rækkevidde og hastighedsmålinger på op til 60 miles.

Artemis-relaterede missioner, der søger at lande nær månens sydpol, kunne også bruge CASALS' skarpere billeddannelse til at hjælpe med at vurdere sikkerheden ved potentielle landingssteder.

Bringer månen i fokus

Mere detaljerede 3D-modeller af månen drev Goddards planetforsker Erwan Mazaricos IRAD-indsats for at forfine CASALS' evne til at måle overfladedetaljer mindre end 3 fod. Han sagde, at dette vil hjælpe med at forstå månens underjordiske strukturer og ændringer over tid.

Hver måned bevæger Jordens vej hen over månehimlen sig inden for 10 eller 20 grader fra midten af ​​den side, der vender mod Jorden.

"Vi har forudsagt baseret på vores forståelse af dens indre struktur, at Jordens skiftende træk kunne ændre tidevandsbulen eller formen på månen," sagde Mazarico. "Højopløsningsmålinger af den deformation kunne fortælle os mere om potentielle variationer inden for månen. Reagerer den som en fuldstændig ensartet krop i det indre?"

NASAs Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) har målt Jordens naturlige satellit siden 2009, modelleret månens terræn og leverede et væld af opdagelser ved hjælp af LOLA, dens Lunar Orbiting Lidar Altimeter. LOLA affyrer 28 laserimpulser i sekundet, opdelt i fem stråler, der rører overfladen 65 fod til 100 fod fra hinanden. Forskere bruger LRO-billeder til at estimere mindre overfladetræk mellem lasermålinger.

CASALS's laser tillader dog, hvad der svarer til flere hundrede tusinde impulser i sekundet, hvilket reducerer afstanden mellem overflademålinger.

"Et tættere og mere nøjagtigt datasæt ville give os mulighed for at studere meget mindre funktioner," sagde Mazarico, herunder dem fra påvirkninger, vulkansk aktivitet og tektonik. "Vi taler om størrelsesordener flere målinger. Det kunne være en ganske stor game changer i forhold til den type data, vi får fra lidar."

Leveret af NASA