美国国家航空航天局、工业改进激光雷达用于探索和科学

往事随风760

（）据美国宇航局（卡尔B.希尔）：今年夏天，美国国家航空航天局的工程师将在飞机上测试一套新的激光技术，用于地球科学遥感。这种被称为激光雷达的仪器还可以用来改进月球形状的模型，并帮助搜索阿尔忒弥斯着陆点。

与声纳类似，但使用光而不是声音，激光雷达通过计时激光束从表面反射并返回仪器所需的时间来计算距离。来自激光器的多次ping可以提供目标的相对速度甚至3D图像。他们越来越多地帮助美国国家航空航天局的科学家和探险家导航、绘制地图和收集科学数据。

位于马里兰州格林贝尔特的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的工程师和科学家在小企业和学术合作伙伴提供的硬件的帮助下，继续将激光雷达提炼成更小、更轻、更通用的科学和探索工具。

团队工程师Jeffrey Chen表示：“现有的3D成像激光雷达难以提供制导、导航和控制技术所需的2英寸分辨率，以确保精确安全着陆，这对未来的机器人和人类探索任务至关重要。”。“这样的系统需要3D危险探测激光雷达和导航多普勒激光雷达，现有系统无法同时执行这两种功能。”



工程师Jeffrey Chen在戈达德33号楼的屋顶上测试CASALS激光雷达原型。国家航空和航天局

进入CASALS，并行人工智能光谱和自适应激光雷达系统。CASALS是通过戈达德的IRAD内部研发计划开发的，它通过棱镜状光栅照射可调谐激光，根据光束的波长变化来传播光束。传统的激光雷达脉冲固定波长的激光，通过体积庞大的反射镜和透镜将其分割成多个光束，从而将其分割为多个光束。一台CASALS仪器在每次经过时可以覆盖比几十年来用于测量地球、月球和火星的激光雷达更多的行星表面。

戈达德工程师兼CASALS开发负责人杨广宁说，CASALS更小的尺寸、重量和更低的功率要求使小型卫星应用以及在月球表面使用的手持或便携式激光雷达成为可能。

CASALS团队获得了美国国家航空航天局地球科学技术办公室的资助，将于2024年通过飞机测试他们的改进，使他们的系统更接近太空飞行准备状态。

你的激光雷达是什么颜色的？

随着激光雷达的专业化，CASALS可以结合不同波长或颜色的激光，用于地球科学、探索太空中的其他行星和物体以及导航和交会操作等应用。

CASALS团队利用Goddard IRAD和NASA SBIR（小企业创新研究计划）的资金，以及商业合作伙伴Axsun Technologies和Freedom Photonics，在红外光谱的1微米部分开发了新的快速调谐激光器，用于地球科学和行星探测。相比之下，用于自动驾驶汽车开发的常用激光雷达通常使用1.5微米的激光进行测距和速度计算。

戈达德的地球科学首席技术专家伊恩·亚当斯说，在地球上，接近1微米的波长很容易穿过大气层，善于区分植被和裸露的地面。0.97微米和1.45微米附近的波长提供了有关地球大气中水蒸气的宝贵信息，但不能有效地传播到地表。

在一个相关项目中，该团队与左手设计公司合作开发了一种转向镜，以扩大CASALS的3D成像覆盖范围并提高分辨率。他说，激光雷达更高的脉冲率可以提高信号灵敏度，以提供高达60英里的距离和速度测量。

寻求在月球南极附近着陆的阿尔忒弥斯相关任务也可以使用CASALS更清晰的成像来帮助评估潜在着陆点的安全性。

聚焦月球

更详细的月球3D模型推动了戈达德行星科学家埃尔万·马扎里科的IRAD努力，以改进CASALS测量小于3英尺的表面细节的能力。他说，这将有助于了解月球的亚表面结构和随时间的变化。

每个月，地球穿过月球天空的路径都会在面向地球一侧中心的10度或20度范围内移动。

马扎里科说：“我们根据对月球内部结构的了解预测，地球不断变化的引力可能会改变月球的潮汐隆起或形状。”。“对这种变形的高分辨率测量可以告诉我们更多关于月球内部潜在变化的信息。它的反应是否像内部完全均匀的物体？”



月球勘测轨道飞行器的月球轨道激光高度计绘制了月球南极的详细地图，包括水冰似乎填充了永久阴影坑的底部。NASA/LRO

美国国家航空航天局的月球勘测轨道飞行器（LRO）自2009年以来一直在测量地球的天然卫星，对月球地形进行建模，并在其月球轨道激光雷达高度计LOLA的帮助下提供了丰富的发现。LOLA每秒发射28个激光脉冲，分为五束，距离地面65英尺至100英尺。科学家们使用LRO图像来估计激光测量之间较小的表面特征。

然而，CASALS的激光每秒可以产生相当于几十万个脉冲的脉冲，从而缩短了表面测量之间的距离。

马扎里科说：“更密集、更准确的数据集将使我们能够研究更小的特征。”包括撞击、火山活动和构造的特征。“我们谈论的是更多数量级的测量。就我们从激光雷达获得的数据类型而言，这可能会极大地改变游戏规则。”