NASA und Industrie verbessern Lidars für Exploration und Wissenschaft

NASA-Ingenieure werden diesen Sommer eine Reihe neuer Lasertechnologien von einem Flugzeug aus für die Fernerkundung der Geowissenschaften testen. Diese als „Lidar“ bezeichneten Instrumente könnten auch zur Verbesserung von Modellen der Mondform und zur Suche nach Artemis-Landeplätzen eingesetzt werden.

Ähnlich wie Sonar, aber mit Licht statt Schall, berechnen Lidar-Geräte Entfernungen, indem sie messen, wie lange es dauert, bis ein Laserstrahl von einer Oberfläche reflektiert wird und zu einem Instrument zurückkehrt. Mehrere Pings des Lasers können eine relative Geschwindigkeit und sogar ein 3D-Bild eines Ziels liefern. Sie helfen Wissenschaftlern und Entdeckern der NASA zunehmend bei der Navigation, Kartierung und Sammlung wissenschaftlicher Daten.

Ingenieure und Wissenschaftler am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, entwickeln Lidars weiterhin zu kleineren, leichteren und vielseitigeren Werkzeugen für Wissenschaft und Forschung weiter, wobei sie Materialien verwenden, die von kleinen Unternehmen und Universitätspartnern bereitgestellt werden.

„Bestehende 3D-Bildgebungs-Lidars haben Schwierigkeiten, die 2-Zoll-Auflösung bereitzustellen, die für Leit-, Navigations- und Steuerungstechnologien erforderlich ist, um präzise und sichere Landungen zu gewährleisten, die für zukünftige Roboter- und menschliche Erkundungsmissionen unerlässlich sind“, sagte er. sagte Teamingenieur Jeffrey Chen. „Ein solches System erfordert ein 3D-Gefahrenerkennungs-Lidar und ein Navigations-Doppler-Lidar, und kein bestehendes System kann beide Funktionen erfüllen.“

Betreten Sie CASALS, das simultane künstlich-intelligente Spektrometrie- und adaptive Lidar-System. CASALS wurde im Rahmen von Goddards internem IRAD-Forschungs- und Entwicklungsprogramm entwickelt und lässt einen abstimmbaren Laser durch ein prismenförmiges Gitter strahlen, um den Strahl basierend auf seinen wechselnden Wellenlängen zu streuen. Herkömmliche Lidars senden einen Laser mit fester Wellenlänge aus, der durch sperrige Spiegel und Linsen in mehrere Strahlen aufgeteilt wird, um ihn in mehrere Strahlen aufzuteilen. Ein CASALS-Instrument könnte bei jedem Durchgang mehr von der Oberfläche eines Planeten abdecken als die Lidars, die jahrzehntelang zur Vermessung von Erde, Mond und Mars eingesetzt wurden.

Die reduzierten Größen-, Gewichts- und Leistungsanforderungen von CASALS ermöglichen Anwendungen auf kleinen Satelliten sowie tragbaren oder tragbaren Lidars für den Einsatz auf der Mondoberfläche, sagte der Goddard-Ingenieur und CASALS-Entwicklungsleiter Guangning Yang.

Das CASALS-Team erhielt Fördermittel vom Earth Science Technology Office der NASA, um seine Verbesserungen im Jahr 2024 per Flugzeug zu testen und so sein System der Raumfahrttauglichkeit näher zu bringen.

Welche Farbe hat dein Lidar?

Mit zunehmender Spezialisierung von Lidars kann CASALS verschiedene Wellenlängen oder Farben von Laserlicht für Anwendungen wie Geowissenschaften, die Erforschung anderer Planeten und Objekte im Weltraum sowie Navigations- und Terminoperationen integrieren.

Das CASALS-Team nutzte die Mittel von Goddard IRAD und NASA SBIR (Small Business Innovation Research Program) zusammen mit den kommerziellen Partnern Axsun Technologies und Freedom Photonics, um neue schnell abstimmbare Laser im 1-Mikron-Teil des Infrarotspektrums für die Wissenschaft der Erde und des Planeten zu entwickeln Erkundung. Im Vergleich dazu verwenden allgemein verfügbare Lidars, die für die Entwicklung autonomer Fahrzeuge verwendet werden, typischerweise 1,5-Mikron-Laser für Reichweiten- und Geschwindigkeitsberechnungen.

Auf der Erde dringen Wellenlängen im Mikrometerbereich leicht durch die Atmosphäre und helfen dabei, Vegetation von nacktem Boden zu unterscheiden, sagte Ian Adams, Cheftechnologe für Geowissenschaften bei Goddard. Wellenlängen in der Nähe von 0,97 und 1,45 Mikrometern liefern wertvolle Informationen über Wasserdampf in der Erdatmosphäre, breiten sich jedoch nicht so effizient zur Oberfläche aus.

In einem verwandten Projekt arbeitete das Team mit der Left Hand Design Corporation zusammen, um einen Lenkspiegel zu entwickeln, um die 3D-Bildabdeckung von CASALS zu erweitern und die Auflösung zu verbessern. Er sagte, die höhere Pulsfrequenz des Lidar könne die Empfindlichkeit des Signals erhöhen, um Reichweiten- und Geschwindigkeitsmessungen bis zu 60 Meilen zu ermöglichen.

Artemis-Missionen, die eine Landung in der Nähe des Südpols des Mondes anstreben, könnten die präziseren Bilder von CASALS ebenfalls nutzen, um die Sicherheit potenzieller Landeplätze einzuschätzen.

Bringen Sie den Mond in den Fokus

Detailliertere 3D-Modelle des Mondes motivierten den IRAD-Planetenforscher Goddard Erwan Mazarico zu seinen Bemühungen, die Fähigkeit von CASALS zur Messung von Oberflächendetails, die kleiner als 3 Fuß sind, zu verfeinern. Er sagte, dies würde helfen, die unterirdischen Strukturen des Mondes und ihre Veränderungen im Laufe der Zeit zu verstehen.

Jeden Monat verschiebt sich die Bahn der Erde über den Mondhimmel um 10 bis 20 Grad relativ zum Mittelpunkt der der Erde zugewandten Seite.

„Auf der Grundlage unseres Verständnisses seiner inneren Struktur haben wir vorhergesagt, dass die sich ändernde Anziehungskraft der Erde die Gezeitenwölbung oder Form des Mondes verändern könnte“, sagte Mazarico. „Hochauflösende Messungen dieser Verformung könnten uns mehr über mögliche Schwankungen innerhalb des Mondes verraten. Reagiert er im Inneren wie ein völlig einheitlicher Körper?“

Der Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) der NASA vermisst seit 2009 den natürlichen Satelliten der Erde, modelliert das Gelände des Mondes und liefert mit Hilfe von LOLA, seinem den Mond umlaufenden Lidar-Höhenmesser, eine Fülle von Entdeckungen. LOLA feuert 28 Laserimpulse pro Sekunde ab, aufgeteilt in fünf auf die Oberfläche treffende Strahlen im Abstand von 65 bis 100 Fuß. Wissenschaftler nutzen LRO-Bilder, um kleinere Oberflächenmerkmale zwischen Lasermessungen abzuschätzen.

Der CASALS-Laser hingegen ermöglicht das Äquivalent von mehreren Hunderttausend Pulsen pro Sekunde und verringert so den Abstand zwischen Oberflächenmessungen.

„Ein dichterer, präziserer Datensatz würde es uns ermöglichen, viel kleinere Merkmale zu untersuchen“, sagte Mazarico, einschließlich solcher, die mit Einschlägen, vulkanischer Aktivität und Tektonik zusammenhängen. „Bei den Messungen geht es um Größenordnungen. Dies könnte die Art der Daten, die wir von Lidar erhalten, grundlegend verändern.“