NASA poboljšava i smanjuje veličinu lidarskih izvora

Ovog ljeta, inženjeri Nacionalne uprave za aeronautiku i svemir (NASA) planiraju testirati potpuno novi set laserske tehnologije na avionu dizajniranom za istraživanje daljinskog istraživanja u znanostima o Zemlji.
Osim toga, ovaj set LiDAR instrumenata također ima mogućnost poboljšanja modela oblika mjeseca, a očekuje se da će pomoći u određivanju mjesta sletanja programa istraživanja Mjeseca Artemis.
Osnovni princip rada LIDAR-a leži u izračunavanju udaljenosti mjerenjem vremena potrebnog da se laserski zrak odbije od površine i vrati u instrument. Višestruke refleksije lasera ne samo da obezbeđuju relativnu brzinu mete, već i generišu njenu trodimenzionalnu sliku. Poslednjih godina ova tehnika je postala važan alat za NASA naučnike i istraživače za navigaciju, mapiranje i prikupljanje naučnih podataka.
Inženjeri i naučnici NASA-inog centra za svemirske letove Goddard u Greenbeltu, Maryland, nastavljaju da rade na optimizaciji LiDAR-a u manji, lakši alat bogatiji funkcijama za naučna istraživanja, podržan hardverom malih preduzeća i akademskih partnera.
Postojeći lidari za 3D slike bore se da postignu rezoluciju od 50-milimetara (2- inča) neophodnu da osiguraju tehnologije navođenja, navigacije i kontrole potrebne za precizna, sigurna slijetanja za buduće robotske i ljudske istraživačke misije", rekao je timski inženjer Jeffrey Chen. Postojeći sistemi ne mogu istovremeno ispuniti ni 3D lidar za otkrivanje opasnosti, ni navigacijski Dopler lidar.
Kako bi se suočio s ovim izazovom, Centar za svemirske letove Goddard razvio je CASALS sistem, spektralnu paralelnu umjetnu inteligenciju i prilagodljivi lidar sistem. Sistem, koji je zaživio kroz Goddardov interni program istraživanja i razvoja, koristi rešetku nalik prizmi da emituje podesivi laser, koji širi snop mijenjajući talasnu dužinu lasera.
CASALS koristi napredniju tehnologiju od tradicionalnih LIDAR impulsa fiksne talasne dužine. Dok se konvencionalni LIDAR impulsi oslanjaju na glomazna ogledala i sočiva za podjelu lasera na više snopova, CASALS pokriva više površine planete po skeniranju nego čak i LIDAR-i koji se koriste decenijama za mjerenje Zemlje, Mjeseca i Marsa.
Značajne prednosti CASALS-a su njegova manja veličina, manja težina i niži zahtjevi za snagom, što ga čini pogodnim za male satelite, kao i za ručne ili prijenosne uređaje, što dovodi do obećanja stvarnih aplikacija na površini Mjeseca. CASALS tim istraživačko-razvojni rad finansira NASA-in Ured za nauku i tehnologiju Zemlje, a planiraju da testiraju poboljšanu verziju sistema u avionu 2024. godine kako bi ga približili spremnosti za primjenu u svemirskim letovima.
Različite talasne dužine
Uz sredstva od Goddard IRAD-a i NASA-inog SBIR-a (Small Business Innovation Research Program), tim CASALS-a, u suradnji s komercijalnim partnerima Axsun Technologies i Freedom Photonics, uspješno je razvio novi laser za brzo podešavanje za nauku o Zemlji i planetarna istraživanja koji je posebno dizajniran za upotrebu u dijelu infracrvenog spektra od 1 μm. dio infracrvenog spektra. Nasuprot tome, LiDAR, koji se obično koristi u razvoju samovozećih automobila, obično koristi laser od 1,5 μm za određivanje udaljenosti i brzine.
Ian Adams, Goddardov glavni tehnolog za geonauke, objašnjava da na Zemlji laseri sa talasnim dužinama blizu 1 μm mogu lako da prodru u atmosferu, efikasno razlikuju vegetaciju od golog tla. Konkretno, laseri sa talasnim dužinama u blizini 0.97 i 1.45 mikrona, iako pružaju vrijedne informacije o vodenoj pari u Zemljinoj atmosferi, ne šire se efikasno do površine.
U srodnom projektu, tim je blisko sarađivao sa Left Hand Design Corporation kako bi razvio ogledalo za upravljanje dizajnirano da proširi pokrivenost 3D slike i poboljša rezoluciju CASALS-a. Adams je primijetio da veća brzina pulsa lidara može poboljšati osjetljivost signala, što u skretanje bi omogućilo mjerenje udaljenosti i brzine u rasponu od 60-milja. Ovo je posebno važno za misije koje planiraju sletjeti blizu južnog pola mjeseca, gdje će CASALS-ove oštrije mogućnosti snimanja pomoći u procjeni sigurnosti potencijalnih mjesta za slijetanje.
Fokusiranje na Mjesec
Da bi napravio finije 3D modele Mjeseca, IRAD projekat Goddardovog planetarnog naučnika Erwana Mazarica radi na poboljšanju CASALS-ove sposobnosti da mjeri detalje površine manje od 1 metra (3 stope). Naglasio je da će nam to pomoći da steknemo dublje razumijevanje podzemne strukture Mjeseca i njenih promjena tokom vremena. Zanimljivo je da svakog mjeseca Zemljina putanja preko lunarnog neba pomjera centar strane okrenute prema Zemlji za 10 do 20 stepeni.
Mazarico dalje objašnjava: "Na osnovu našeg znanja o unutarnjoj strukturi Mjeseca, predviđamo da stalne promjene Zemljine gravitacije mogu promijeniti plimnu izbočinu ili oblik Mjeseca. Izvođenjem mjerenja ove deformacije visoke rezolucije, možemo dobiti više informacija o potencijalne promjene u unutrašnjosti Mjeseca, na primjer, možemo istražiti da li Mjesečeva unutrašnjost reagira kao da je potpuno ujedinjena cjelina."
Od 2009. NASA-in Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) vrši mjerenja ovog prirodnog satelita Zemlje, simulirajući lunarni teren i praveći mnoga otkrića uz pomoć lunarnog orbitalnog lidarskog visinomjera (LOLA), koji prenosi 28 laserskih impulsa po drugi, podijeljen na pet greda, od kojih svaka pokriva tlo u rasponu od 65 stopa do 100 stopa. Naučnici koriste slike sa LRO-a da procijene šta se dešava sa manjim površinama između laserskih merenja.
Međutim, CASALS-ovi laseri su sposobni da generišu stotine hiljada impulsa u sekundi, značajno smanjujući rastojanje između površinskih merenja. "Gušći, precizniji skup podataka omogućit će nam da pogledamo manje karakteristike", rekao je Mazarico, dodajući da bi ove karakteristike mogle proizaći iz utjecaja, vulkanske aktivnosti ili tektonskih pokreta, "a govorimo o poboljšanju reda veličine. S obzirom na vrstu podataka koje dobijamo od LiDAR-a, ovo bi moglo potpuno promijeniti igru."