NASA和业界改进用于探索和科学的激光雷达

美国宇航局工程师今年夏天将在飞机上测试一套用于地球科学遥感的新型激光技术。这些仪器被称为“激光雷达”，还可用于改进月球形状模型并帮助寻找阿尔忒弥斯着陆点。

激光雷达与声纳类似，但使用光而不是声音，通过计时激光束从表面反射并返回仪器所需的时间来计算距离。来自激光的多次ping可以提供目标的相对速度甚至3D图像。它们越来越多地帮助美国宇航局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宇航局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。

“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2英寸分辨率，以确保未来机器人和人类探索任务所需的精确和安全着陆，”团队工程师JeffreyChen说。“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。”

输入CASALS，即并行人工智能光谱测量和自适应激光雷达系统。CASALS通过戈达德的IRAD(内部研究与开发计划)开发，通过棱镜状光栅发射可调谐激光，根据其变化的波长来传播光束。传统激光雷达发射固定波长激光，通过笨重的镜子和透镜将其分成多束光束。与数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。

戈达德工程师兼CASALS开发负责人杨广宁表示，CASALS较小的尺寸、重量和较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，使他们的系统更接近太空飞行准备状态。

你的激光雷达是什么颜色的?

随着激光雷达变得更加专业，CASALS可以结合不同波长或颜色的激光，用于地球科学、探索太空中的其他行星和物体以及导航和交会操作等应用。

CASALS团队利用戈达德IRAD和NASASBIR(小型企业创新研究计划)的资金以及商业合作伙伴AxsunTechnologies和FreedomPhotonics开发了红外光谱1微米部分的新型快速调谐激光器，用于地球科学和行星探索。相比之下，用于自动驾驶车辆开发的常用激光雷达通常使用1.5微米激光器来计算距离和速度。

戈达德地球科学首席技术专家伊恩·亚当斯(IanAdams)表示，在地球上，接近1微米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和1.45微米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LeftHandDesignCorporation合作开发了转向镜，以扩大CASALS的3D成像覆盖范围并提高分辨率。他表示，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与阿耳忒弥斯相关的任务也可以使用CASALS更清晰的成像来帮助评估潜在着陆点的安全性。

让月亮成为焦点

更详细的月球3D模型推动戈达德行星科学家ErwanMazarico的IRAD努力改进CASALS测量小于3英尺的表面细节的能力。他说这将有助于了解月球的地下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一侧中心的10或20度范围内移动。

马扎里科说：“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。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5束，接触表面时相距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脉冲，从而缩短了表面测量之间的距离。

马扎里科说：“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。就我们从激光雷达获得的数据类型而言，这可能是一个相当大的游戏规则改变者。”

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