ناسا حجم منابع Lidar را بهبود و کاهش می دهد

در تابستان امسال، مهندسان اداره ملی هوانوردی و فضایی (ناسا) قصد دارند مجموعه کاملاً جدیدی از فناوری لیزر را بر روی هواپیمایی که برای تحقیقات سنجش از دور در علوم زمین طراحی شده است، آزمایش کنند.
علاوه بر این، این مجموعه از ابزارهای LiDAR همچنین توانایی بهبود مدل شکل ماه را دارد و انتظار می‌رود که در تعیین محل فرود برنامه اکتشاف ماه Artemis کمک کند.
اصل اصلی عملیات LIDAR در محاسبه فاصله با اندازه گیری زمان لازم برای انعکاس پرتو لیزر از سطح و بازگشت به دستگاه نهفته است. بازتاب های متعدد لیزر نه تنها سرعت نسبی هدف را فراهم می کند، بلکه تصویری سه بعدی از آن ایجاد می کند. در سال‌های اخیر، این تکنیک به ابزاری مهم برای دانشمندان و کاشفان ناسا برای ناوبری، نقشه‌برداری و جمع‌آوری اطلاعات علمی تبدیل شده است.
مهندسان و دانشمندان در مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا در گرین‌بلت، مریلند، به کار بر روی بهینه‌سازی LiDAR به ابزاری کوچک‌تر، سبک‌تر و با ویژگی‌های غنی‌تر برای اکتشاف علمی ادامه می‌دهند که توسط سخت‌افزار ارائه‌شده توسط مشاغل کوچک و شرکای دانشگاهی پشتیبانی می‌شود.
لیدارهای تصویربرداری سه بعدی موجود در تلاش برای دستیابی به وضوح 50- میلی متری (2-اینچ) لازم برای اطمینان از فناوری های هدایت، ناوبری و کنترل مورد نیاز برای فرودهای دقیق و ایمن برای مأموریت های اکتشافی رباتیک و انسانی آینده هستند." مهندس تیم جفری چن. سیستم‌های موجود قادر به انجام هر دو عملکرد لیدار تشخیص خطر سه بعدی و لیدار داپلر ناوبری به طور همزمان نیستند.
برای مقابله با این چالش، مرکز پرواز فضایی گدارد سیستم CASALS، طیفی هوش مصنوعی همزمان و سیستم Lidar تطبیقی ​​را توسعه داد. این سیستم که از طریق برنامه تحقیق و توسعه داخلی گودارد زنده شد، از یک توری منشور مانند برای انتشار یک لیزر قابل تنظیم استفاده می کند که با تغییر طول موج لیزر، پرتو را منتشر می کند.
CASALS از فناوری پیشرفته تری نسبت به پالس های سنتی LIDAR با طول موج ثابت استفاده می کند. در حالی که پالس های معمولی LIDAR به آینه ها و عدسی های حجیم برای تقسیم لیزر به پرتوهای متعدد متکی هستند، CASALS در هر اسکن بیشتر از سطح سیاره را پوشش می دهد حتی از LIDAR هایی که برای چندین دهه برای اندازه گیری زمین، ماه و مریخ استفاده شده اند.
مزایای قابل توجه CASALS اندازه کوچکتر، وزن سبک تر و نیاز کمتر به انرژی است که آن را برای ماهواره های کوچک و همچنین دستگاه های دستی یا قابل حمل مناسب می کند و به نوید کاربردهای واقعی در سطح ماه منجر می شود. تیم CASALS کار تحقیق و توسعه توسط دفتر علوم و فناوری زمین ناسا تامین مالی شده است، و آنها قصد دارند نسخه بهبود یافته ای از سیستم را در هواپیما در سال 2024 آزمایش کنند تا آن را به آمادگی برای کاربردهای پرواز فضایی نزدیک کنند.
طول موج های مختلف
با کمک مالی Goddard IRAD و SBIR ناسا (برنامه تحقیقاتی نوآوری در کسب و کارهای کوچک)، تیم CASALS، با همکاری شرکای تجاری Axsun Technologies و Freedom Photonics، با موفقیت یک لیزر سریع تنظیم جدید برای علم زمین و اکتشافات سیاره ای توسعه داده اند که به طور خاص طراحی شده است. برای استفاده در قسمت 1 میکرومتری طیف مادون قرمز. بخشی از طیف مادون قرمز در مقابل، LiDAR که معمولاً در توسعه اتومبیل‌های خودران استفاده می‌شود، معمولاً از لیزر 1.5 میکرومتری برای تعیین مسافت و سرعت استفاده می‌کند.
ایان آدامز، فن‌شناس ارشد گدارد برای علوم زمین، توضیح می‌دهد که در زمین، لیزرهایی با طول موج نزدیک به 1 میکرومتر می‌توانند به راحتی در جو نفوذ کنند و به طور مؤثری پوشش گیاهی را از زمین لخت متمایز کنند. به طور خاص، لیزرهایی با طول موج در مجاورت 97/1 و 45/1 میکرون، در عین حال که اطلاعات ارزشمندی در مورد بخار آب موجود در جو زمین ارائه می دهند، به طور موثری در سطح منتشر نمی شوند.
در یک پروژه مرتبط، این تیم با شرکت طراحی چپ دست همکاری نزدیکی داشت تا یک آینه فرمان طراحی شده برای گسترش پوشش تصویر سه بعدی و بهبود وضوح CASALS. آدامز خاطرنشان کرد که نرخ پالس بالاتر لیدار می‌تواند حساسیت سیگنال را افزایش دهد. چرخش اندازه گیری مسافت و سرعت را در محدوده 60-مایلی امکان پذیر می کند. این امر به ویژه برای ماموریت هایی که قصد فرود در نزدیکی قطب جنوبی ماه را دارند، مهم است، جایی که قابلیت تصویربرداری واضح تر CASALS به ارزیابی ایمنی مکان های فرود بالقوه کمک می کند.
تمرکز روی ماه
برای ساخت مدل‌های سه بعدی دقیق‌تر از ماه، پروژه IRAD دانشمند گودارد، Erwan Mazarico، در حال کار بر روی افزایش توانایی CASALS برای اندازه‌گیری جزئیات سطح کمتر از 1 متر (3 فوت) است. او تاکید کرد که این به ما کمک می کند تا درک عمیق تری از ساختار زیرسطحی ماه و تغییرات آن در طول زمان به دست آوریم. قابل ذکر است، هر ماه، مسیر زمین در سراسر آسمان ماه، مرکز سمت رو به زمین را 10 تا 20 درجه تغییر می دهد.
مازاریکو در ادامه توضیح می دهد: "بر اساس دانش ما از ساختار درونی ماه، ما پیش بینی می کنیم که تغییرات مداوم در گرانش زمین ممکن است برآمدگی جزر و مدی یا شکل ماه را تغییر دهد. با انجام اندازه گیری های با وضوح بالا از این تغییر شکل، می توانیم اطلاعات بیشتری در مورد آن به دست آوریم. تغییرات بالقوه در درون ماه. برای مثال، می‌توانیم بررسی کنیم که آیا درون ماه به‌گونه‌ای پاسخ می‌دهد که گویی یک کل کاملاً یکپارچه است یا خیر.
از سال 2009، مدارگرد شناسایی ماه ناسا (LRO) اندازه گیری های این ماهواره طبیعی زمین، شبیه سازی زمین ماه و اکتشافات زیادی را با کمک ارتفاع سنج لیدار مدارگرد ماه (LOLA) انجام داده است، که 28 پالس لیزر را در هر ارسال می کند. دوم، به پنج تیر تقسیم می شود که هر یک از آنها زمین را در محدوده ای از 65 فوت تا 100 فوت می پوشاند. دانشمندان از تصاویر LRO برای تخمین اینکه چه اتفاقی برای ویژگی های سطح کوچکتر بین اندازه گیری های لیزری می افتد، استفاده می کنند.
با این حال، لیزرهای CASALS قادر به تولید صدها هزار پالس در ثانیه هستند و به طور قابل توجهی فاصله بین اندازه‌گیری‌های سطح را کاهش می‌دهند. مازاریکو گفت: "یک مجموعه داده متراکم تر و دقیق تر به ما امکان می دهد تا به ویژگی های کوچکتر نگاه کنیم" و افزود که این ویژگی ها می توانند از ضربه ها، فعالیت های آتشفشانی یا حرکات زمین ساختی منشاء بگیرند، "و ما در مورد یک مرتبه بهبود صحبت می کنیم. از نظر نوع داده ای که ما از LiDAR دریافت می کنیم، این می تواند یک تغییر کامل بازی باشد."