NASA为地球科学遥感应用改进激光雷达技术
2024-03-30 19:25:59 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
NASA最新开发了并行人工智能光谱测量和自适应激光雷达系统，可用于寻找月球探索计划阿耳忒弥斯（Artemis）的着陆点。
据麦姆斯咨询报道，美国国家航空航天局（NASA）工程师将于今年夏天在飞机上测试一套用于地球科学遥感的新型激光雷达（LiDAR）技术。激光雷达还可用于改进月球形状模型，并帮助寻找月球探索计划阿耳忒弥斯（Artemis）的着陆点。
激光雷达通过计时激光束从目标表面反射并返回至探测器所需的时间来计算距离。来自激光的多次反射信号可以提供目标的相对速度甚至3D图像。如今，激光雷达越来越多地帮助美国NASA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NASA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，继续将激光雷达改进为更小、更轻、更通用的科学和探索工具。
美国NASA戈达德太空飞行中心工程师Jeffrey Chen说：“现有的3D成像激光雷达很难提供制导、导航和控制技术所需的50毫米分辨率，以满足未来机器人和人类探索任务的精度要求以保证安全着陆。这样的系统需要3D危险检测激光雷达和导航多普勒激光雷达，而现有的系统无法同时执行这两种功能。”
最新的系统是CASALS，即并行人工智能光谱测量和自适应激光雷达系统。CASALS通过戈达德太空飞行中心的IRAD（内部研究与开发计划）开发，利用棱镜状光栅调控激光，根据其变化的波长来传播光束。
戈达德太空飞行中心工程师测试CASALS激光雷达原型
传统的激光雷达发射固定波长激光，通过笨重的转镜和透镜将其分成多个光束。与几十年来用于测量地球、月球和火星的激光雷达相比，一台CASALS仪器每次扫描可以覆盖更多的行星表面。
戈达德太空飞行中心工程师兼CASALS开发负责人Guangning Yang表示，CASALS更小的尺寸、重量和更低的功率要求使得小型卫星应用以及手持式或便携式激光雷达能够在月球表面使用。CASALS团队获得了NASA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技术，使他们的系统更接近太空飞行准备状态。
CASALS团队利用戈达德太空飞行中心IRAD和NASA SBIR（小企业创新研究计划）的资金，以及与商业公司Axsun Technologies和Freedom Photonics的合作，在红外光谱1 µm部分开发出新型快速调谐激光器，用于地球科学和行星探索。相比之下，用于自动驾驶汽车的激光雷达通常使用0.905 µm或1.550 µm激光器来计算距离。
戈达德太空飞行中心地球科学首席技术专家Ian Adams表示，在地球上，接近1 µm的波长很容易穿过大气层，并且擅长区分植被和裸露地面。0.97 µm和1.45 µm附近的波长提供了有关地球大气中水蒸气的宝贵信息，但无法有效地传播到地表。
在一个相关项目中，该团队与Left Hand Design公司合作开发了一种转镜，以扩大CASALS的3D成像覆盖范围并提高分辨率。Ian Adams表示，激光雷达较高的脉冲率可以增强信号灵敏度，提供最远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。
为了构建更详细的月球3D模型，戈达德太空飞行中心努力提高CASALS测量小于1 m表面细节的能力。科学家Erwan Mazarico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的一侧中心的10°或20°范围内移动。
Erwan Mazarico继续说：“根据对月球内部结构的了解，我们预测地球的引力变化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有关月球内部潜在变化的信息。例如，它的反应是否像内部完全均匀的物体一样？”
NASA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，并在月球轨道激光雷达高度计LOLA的帮助下提供了大量的发现。LOLA每秒发射28个激光脉冲，分成五束，距离地面65英尺到100英尺。科学家使用LRO图像来估计激光测量之间较小的表面特征。
然而，CASALS的激光器每秒可产生相当于数十万个激光脉冲，从而缩短了表面测量之间的距离。Erwan Mazarico说：“更密集、更准确的数据集将使我们能够研究更小的特征，包括来自撞击、火山活动和构造的特征。我们正在谈论更多数量级的测量，就从CASALS获得的数据类型而言，这可能会极大地改变地球科学遥感应用。”
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