NASA cải thiện và giảm kích thước của nguồn lidar

Mùa hè này, các kỹ sư tại Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia (NASA) có kế hoạch thử nghiệm một bộ công nghệ laser hoàn toàn mới trên một chiếc máy bay được thiết kế để nghiên cứu viễn thám trong khoa học Trái đất.
Ngoài ra, bộ thiết bị LiDAR này còn có khả năng cải thiện mô hình hình dạng của mặt trăng, đồng thời được kỳ vọng sẽ hỗ trợ xác định địa điểm hạ cánh của chương trình thám hiểm mặt trăng Artemis.
Nguyên lý hoạt động cốt lõi của LIDAR nằm ở việc tính toán khoảng cách bằng cách đo thời gian để chùm tia laser phản xạ khỏi bề mặt và quay trở lại thiết bị. Sự phản xạ đa dạng của tia laser không chỉ cung cấp vận tốc tương đối của mục tiêu mà còn tạo ra hình ảnh ba chiều của mục tiêu. Trong những năm gần đây, kỹ thuật này đã phát triển để trở thành một công cụ quan trọng đối với các nhà khoa học và nhà thám hiểm của NASA trong việc điều hướng, lập bản đồ và thu thập dữ liệu khoa học.
Các kỹ sư và nhà khoa học tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland, tiếp tục nỗ lực tối ưu hóa LiDAR thành một công cụ nhỏ hơn, nhẹ hơn, giàu tính năng hơn để khám phá khoa học, được hỗ trợ bởi phần cứng do các doanh nghiệp nhỏ và đối tác học thuật cung cấp.
Các lidar hình ảnh 3D hiện tại gặp khó khăn trong việc đạt được độ phân giải 50-milimét ({2}}inch) cần thiết nhằm đảm bảo các công nghệ dẫn đường, điều hướng và điều khiển cần thiết cho việc hạ cánh chính xác, an toàn cho các sứ mệnh khám phá của con người và robot trong tương lai," cho biết kỹ sư nhóm Jeffrey Chen. Các hệ thống hiện tại không thể thực hiện đồng thời cả chức năng lidar phát hiện mối nguy hiểm 3D và chức năng lidar Doppler điều hướng."
Để giải quyết thách thức này, Trung tâm bay không gian Goddard đã phát triển hệ thống CASALS, Hệ thống quang phổ trí tuệ nhân tạo đồng thời và Hệ thống nắp thích ứng. Hệ thống này ra đời nhờ chương trình nghiên cứu và phát triển nội bộ của Goddard, sử dụng cách tử giống như lăng kính để phát ra tia laser có thể điều chỉnh, truyền tia laser bằng cách thay đổi bước sóng của tia laser.
CASALS sử dụng công nghệ tiên tiến hơn các xung LIDAR có bước sóng cố định truyền thống. Trong khi các xung LIDAR thông thường dựa vào gương và thấu kính cồng kềnh để chia tia laser thành nhiều chùm tia, thì CASALS bao phủ nhiều diện tích bề mặt của hành tinh trên mỗi lần quét hơn cả các LIDAR đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ để đo Trái đất, Mặt trăng và Sao Hỏa.
Ưu điểm đáng kể của CASALS là kích thước nhỏ hơn, trọng lượng nhẹ hơn và yêu cầu năng lượng thấp hơn, khiến nó phù hợp với các vệ tinh nhỏ cũng như các thiết bị cầm tay hoặc di động, dẫn đến hứa hẹn về các ứng dụng trong thế giới thực trên bề mặt mặt trăng. Nhóm CASALS Công việc nghiên cứu và phát triển đã được Văn phòng Khoa học và Công nghệ Trái đất của NASA tài trợ và họ có kế hoạch thử nghiệm phiên bản cải tiến của hệ thống trên máy bay vào năm 2024 để đưa nó đến gần hơn mức sẵn sàng cho các ứng dụng bay vào vũ trụ.
Bước sóng khác nhau
Với sự tài trợ từ Goddard IRAD và SBIR (Chương trình nghiên cứu đổi mới doanh nghiệp nhỏ) của NASA, nhóm CASALS, phối hợp với các đối tác thương mại Axsun Technologies và Freedom Photonics, đã phát triển thành công loại laser điều chỉnh nhanh mới dành cho khoa học Trái đất và khám phá hành tinh được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong phần 1 μm của phổ hồng ngoại. phần phổ hồng ngoại. Ngược lại, LiDAR, thường được sử dụng trong phát triển ô tô tự lái, thường sử dụng tia laser 1,5μm để xác định khoảng cách và tốc độ.
Ian Adams, kỹ thuật viên trưởng về khoa học địa chất của Goddard, giải thích rằng trên Trái đất, tia laser có bước sóng gần 1 μm có thể dễ dàng xuyên qua bầu khí quyển, phân biệt hiệu quả thảm thực vật với mặt đất trống. Đặc biệt, tia laser có bước sóng ở vùng lân cận 0,97 và 1,45 micron, tuy cung cấp thông tin có giá trị về hơi nước trong khí quyển Trái đất, nhưng lại không truyền hiệu quả lên bề mặt.
Trong một dự án liên quan, nhóm đã hợp tác chặt chẽ với Left Hand Design Corporation để phát triển một gương lái được thiết kế để mở rộng phạm vi phủ sóng hình ảnh 3D và cải thiện độ phân giải của CASALS. Adams lưu ý rằng tốc độ xung cao hơn của lidar có thể tăng cường độ nhạy tín hiệu, trong đó rẽ sẽ cho phép đo khoảng cách và tốc độ trong phạm vi 60-dặm. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các sứ mệnh có kế hoạch hạ cánh gần cực nam của mặt trăng, nơi khả năng chụp ảnh sắc nét hơn của CASALS sẽ giúp đánh giá mức độ an toàn của các địa điểm hạ cánh tiềm năng.
Tập trung vào Mặt trăng
Để xây dựng các mô hình 3D mịn hơn của Mặt trăng, dự án IRAD của nhà khoa học hành tinh Goddard Erwan Mazarico đang nỗ lực nâng cao khả năng của CASALS trong việc đo các chi tiết bề mặt nhỏ hơn 1 mét (3 feet). Ông nhấn mạnh rằng điều này sẽ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về cấu trúc dưới bề mặt của Mặt trăng và những thay đổi của nó theo thời gian. Đáng chú ý, mỗi tháng, đường đi của Trái đất trên bầu trời Mặt trăng sẽ dịch chuyển tâm của mặt đối diện với Trái đất từ ​​10 đến 20 độ.
Mazarico giải thích thêm: “Dựa trên kiến ​​thức của chúng tôi về cấu trúc bên trong của Mặt trăng, chúng tôi dự đoán rằng những thay đổi liên tục trong lực hấp dẫn của Trái đất có thể làm thay đổi chỗ phình thủy triều hoặc hình dạng của Mặt trăng. Bằng cách thực hiện các phép đo có độ phân giải cao về sự biến dạng này, chúng tôi có thể thu được thêm thông tin về những thay đổi tiềm ẩn bên trong Mặt trăng. Ví dụ, chúng ta có thể khám phá xem liệu bên trong Mặt trăng có phản ứng như thể nó là một tổng thể hoàn toàn thống nhất hay không."
Kể từ năm 2009, Tàu quỹ đạo trinh sát mặt trăng (LRO) của NASA đã thực hiện các phép đo vệ tinh tự nhiên này của Trái đất, mô phỏng địa hình mặt trăng và thực hiện nhiều khám phá với sự hỗ trợ của Máy đo độ cao nắp quỹ đạo mặt trăng (LOLA), truyền 28 xung laser mỗi lần. thứ hai, được chia thành năm dầm, mỗi dầm bao phủ mặt đất ở phạm vi từ 65 feet đến 100 feet. Các nhà khoa học sử dụng hình ảnh từ LRO để ước tính điều gì xảy ra với các đặc điểm bề mặt nhỏ hơn giữa các phép đo laser.
Tuy nhiên, tia laser của CASALS có khả năng tạo ra hàng trăm nghìn xung mỗi giây, làm giảm đáng kể khoảng cách giữa các phép đo bề mặt. Mazarico cho biết: “Một bộ dữ liệu dày đặc hơn, chính xác hơn sẽ cho phép chúng tôi xem xét các đặc điểm nhỏ hơn”, đồng thời cho biết thêm rằng những đặc điểm này có thể bắt nguồn từ các tác động, hoạt động núi lửa hoặc chuyển động kiến ​​​​tạo, “và chúng ta đang nói về một cấp độ cải thiện cường độ. về loại dữ liệu chúng tôi nhận được từ LiDAR, đây có thể là một yếu tố thay đổi hoàn toàn cuộc chơi."