NASA成功縮減并優(yōu)化激光雷達(dá)源尺寸

今年夏季，美國國家航空航天局（NASA）的工程師們計劃在一架飛機(jī)上測試一套全新的激光技術(shù)，該技術(shù)旨在用于地球科學(xué)的遙感研究。

此外，這套激光雷達(dá)儀器還具備改進(jìn)月球形狀模型的能力，并有望協(xié)助確定月球探測計劃阿爾忒彌斯的著陸點。

激光雷達(dá)的核心工作原理，在于通過測量激光束從表面反射并返回儀器所需的時間來計算距離。激光的多次反射不僅能提供目標(biāo)的相對速度，還能生成其三維圖像。近年來，這種技術(shù)已逐漸成為NASA科學(xué)家和探險家進(jìn)行導(dǎo)航、地圖繪制和科學(xué)數(shù)據(jù)收集的重要工具。

位于馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達(dá)德太空飛行中心的工程師和科學(xué)家們，在小型企業(yè)與學(xué)術(shù)伙伴提供的硬件支持下，不斷致力于將激光雷達(dá)優(yōu)化為更小、更輕、功能更豐富的科學(xué)探索工具。

團(tuán)隊工程師Jeffrey Chen表示：“現(xiàn)有的3D成像激光雷達(dá)難以達(dá)到50毫米（2英寸）的分辨率，這是確保未來機(jī)器人和人類探索任務(wù)精確、安全著陸所需的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制技術(shù)所必需的。現(xiàn)有的系統(tǒng)無法同時完成3D危險探測激光雷達(dá)和導(dǎo)航多普勒激光雷達(dá)兩項功能。”

為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，戈達(dá)德太空飛行中心開發(fā)出了CASALS系統(tǒng)，即并發(fā)人工智能光譜和自適應(yīng)激光雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過戈達(dá)德內(nèi)部的研究與發(fā)展計劃得以誕生，它采用棱鏡狀光柵發(fā)射可調(diào)諧激光，通過改變激光波長來傳播光束。

與傳統(tǒng)的固定波長激光雷達(dá)脈沖相比，CASALS采用了更為先進(jìn)的技術(shù)。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)脈沖依賴體積龐大的反射鏡和透鏡將激光分成多束，而CASALS每次掃描所覆蓋的行星表面面積，甚至超過了幾十年來用于測量地球、月球和火星的激光雷達(dá)。

CASALS的顯著優(yōu)勢在于其更小的尺寸、更輕的重量和更低的功率要求，這使得它適用于小型衛(wèi)星以及手持式或便攜式設(shè)備，從而有望在月球表面得到實際應(yīng)用。CASALS團(tuán)隊的研發(fā)工作得到了NASA地球科學(xué)技術(shù)辦公室的資助，他們計劃于2024年在飛機(jī)上測試這一改進(jìn)版系統(tǒng)，以使其更接近航天應(yīng)用的準(zhǔn)備狀態(tài)。

不同的波長

CASALS團(tuán)隊?wèi){借戈達(dá)德IRAD和美國宇航局SBIR（小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃）的資金支持，攜手商業(yè)伙伴Axsun Technologies和Freedom Photonics，成功研發(fā)了一款針對地球科學(xué)和行星探測的新型快速調(diào)諧激光器，該激光器專門應(yīng)用于紅外光譜1μm部分。相比之下，自動駕駛汽車開發(fā)中常用的激光雷達(dá)，普遍使用1.5μm激光來測定距離和速度。

戈達(dá)德的地球科學(xué)首席技術(shù)專家Ian Adams解釋說，在地球上，波長接近1微米的激光能夠輕松穿透大氣層，從而有效地區(qū)分植被與裸露地面。特別地，波長在0.97和1.45微米附近的激光，雖然能夠為我們提供有關(guān)地球大氣中水蒸氣的寶貴信息，但卻無法有效地傳播至地表。

在另一項相關(guān)項目中，該團(tuán)隊與Left Hand Design Corporation緊密合作，共同開發(fā)了一個轉(zhuǎn)向鏡，旨在擴(kuò)大CASALS的3D成像覆蓋范圍并提升其分辨率。Adams指出，激光雷達(dá)更高的脈沖率能夠增強(qiáng)信號靈敏度，進(jìn)而實現(xiàn)60英里范圍內(nèi)的距離和速度測量。這對于那些計劃在月球南極附近著陸的任務(wù)而言尤為重要，CASALS更為清晰的成像能力將有助于評估潛在著陸點的安全性。

對焦月亮

為了構(gòu)建更精細(xì)的月球3D模型，戈達(dá)德行星科學(xué)家Erwan Mazarico的IRAD項目致力于提升CASALS測量小于1米（3英尺）表面細(xì)節(jié)的能力。他強(qiáng)調(diào)，這將有助于我們更深入地了解月球的地下結(jié)構(gòu)及其隨時間的變化。值得注意的是，每個月，地球在月球天空中的移動路徑都會使朝向地球的那一面的中心位置發(fā)生10到20度的變化。

Mazarico進(jìn)一步解釋道：“根據(jù)我們對月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解，我們預(yù)測地球引力的不斷變化可能會改變月球的潮汐隆起或形狀。通過對這種變形進(jìn)行高分辨率測量，我們可以獲取更多關(guān)于月球內(nèi)部潛在變化的信息。例如，我們可以探究月球內(nèi)部是否像一個完全統(tǒng)一的整體那樣反應(yīng)?！?/p>

自2009年以來，美國宇航局的月球勘測軌道器（LRO）一直在對地球的這顆天然衛(wèi)星進(jìn)行測量，模擬月球地形，并在月球軌道激光雷達(dá)高度計（LOLA）的輔助下取得了豐富的發(fā)現(xiàn)。LOLA每秒發(fā)射28個激光脈沖，分為5束，每束覆蓋地面范圍從65英尺到100英尺不等。科學(xué)家們利用LRO的圖像來估算激光測量之間較小表面特征的情況。

然而，CASALS的激光器每秒能夠產(chǎn)生數(shù)十萬脈沖，從而顯著縮小了表面測量之間的距離?！耙粋€更密集、更精確的數(shù)據(jù)集將使我們能夠研究更小的特征，”Mazarico表示，這些特征可能源于撞擊、火山活動或構(gòu)造運動，“我們談?wù)摰氖菙?shù)量級的提升。就我們從激光雷達(dá)獲得的數(shù)據(jù)類型而言，這可能會徹底顛覆游戲規(guī)則。”

審核編輯：黃飛