據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國國家航空航天局（NASA）工程師將于今年夏天在飛機上測試一套用于地球科學遙感的新型激光雷達（LiDAR）技術(shù)。激光雷達還可用于改進月球形狀模型，并幫助尋找月球探索計劃阿耳忒彌斯（Artemis）的著陸點。

激光雷達通過計時激光束從目標表面反射并返回至探測器所需的時間來計算距離。來自激光的多次反射信號可以提供目標的相對速度甚至3D圖像。如今，激光雷達越來越多地幫助美國NASA科學家和探險家導航、繪制地圖和收集科學數(shù)據(jù)。

位于馬里蘭州格林貝爾特的美國NASA戈達德太空飛行中心的工程師和科學家在小企業(yè)和學術(shù)合作伙伴提供的硬件的幫助下，繼續(xù)將激光雷達改進為更小、更輕、更通用的科學和探索工具。

美國NASA戈達德太空飛行中心工程師Jeffrey Chen說：“現(xiàn)有的3D成像激光雷達很難提供制導、導航和控制技術(shù)所需的50毫米分辨率，以滿足未來機器人和人類探索任務的精度要求以保證安全著陸。這樣的系統(tǒng)需要3D危險檢測激光雷達和導航多普勒激光雷達，而現(xiàn)有的系統(tǒng)無法同時執(zhí)行這兩種功能。”

最新的系統(tǒng)是CASALS，即并行人工智能光譜測量和自適應激光雷達系統(tǒng)。CASALS通過戈達德太空飛行中心的IRAD（內(nèi)部研究與開發(fā)計劃）開發(fā)，利用棱鏡狀光柵調(diào)控激光，根據(jù)其變化的波長來傳播光束。

傳統(tǒng)的激光雷達發(fā)射固定波長激光，通過笨重的轉(zhuǎn)鏡和透鏡將其分成多個光束。與幾十年來用于測量地球、月球和火星的激光雷達相比，一臺CASALS儀器每次掃描可以覆蓋更多的行星表面。

戈達德太空飛行中心工程師兼CASALS開發(fā)負責人Guangning Yang表示，CASALS更小的尺寸、重量和更低的功率要求使得小型衛(wèi)星應用以及手持式或便攜式激光雷達能夠在月球表面使用。CASALS團隊獲得了NASA地球科學技術(shù)辦公室的資助，將于2024年通過飛機測試他們的改進技術(shù)，使他們的系統(tǒng)更接近太空飛行準備狀態(tài)。

CASALS團隊利用戈達德太空飛行中心IRAD和NASA SBIR（小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃）的資金，以及與商業(yè)公司Axsun Technologies和Freedom Photonics的合作，在紅外光譜1 μm部分開發(fā)出新型快速調(diào)諧激光器，用于地球科學和行星探索。相比之下，用于自動駕駛汽車的激光雷達通常使用0.905 μm或1.550 μm激光器來計算距離。

戈達德太空飛行中心地球科學首席技術(shù)專家Ian Adams表示，在地球上，接近1 μm的波長很容易穿過大氣層，并且擅長區(qū)分植被和裸露地面。0.97 μm和1.45 μm附近的波長提供了有關(guān)地球大氣中水蒸氣的寶貴信息，但無法有效地傳播到地表。

在一個相關(guān)項目中，該團隊與Left Hand Design公司合作開發(fā)了一種轉(zhuǎn)鏡，以擴大CASALS的3D成像覆蓋范圍并提高分辨率。Ian Adams表示，激光雷達較高的脈沖率可以增強信號靈敏度，提供最遠60英里的距離和速度測量。尋求在月球南極附近著陸的阿爾忒彌斯相關(guān)任務也可以使用CASALS更清晰的成像來幫助評估潛在著陸點的安全性。

為了構(gòu)建更詳細的月球3D模型，戈達德太空飛行中心努力提高CASALS測量小于1 m表面細節(jié)的能力?？茖W家Erwan Mazarico說這將有助于了解月球的亞表面結(jié)構(gòu)和隨時間的變化。每個月，地球穿過月球天空的路徑都會在面向地球的一側(cè)中心的10°或20°范圍內(nèi)移動。

Erwan Mazarico繼續(xù)說：“根據(jù)對月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解，我們預測地球的引力變化可能會改變月球的潮汐隆起或形狀。對這種變形的高分辨率測量可以告訴我們更多有關(guān)月球內(nèi)部潛在變化的信息。例如，它的反應是否像內(nèi)部完全均勻的物體一樣？”

NASA的月球勘測軌道飛行器（LRO）自2009年以來一直在測量地球的天然衛(wèi)星，對月球地形進行建模，并在月球軌道激光雷達高度計LOLA的幫助下提供了大量的發(fā)現(xiàn)。LOLA每秒發(fā)射28個激光脈沖，分成五束，距離地面65英尺到100英尺?？茖W家使用LRO圖像來估計激光測量之間較小的表面特征。

然而，CASALS的激光器每秒可產(chǎn)生相當于數(shù)十萬個激光脈沖，從而縮短了表面測量之間的距離。Erwan Mazarico說：“更密集、更準確的數(shù)據(jù)集將使我們能夠研究更小的特征，包括來自撞擊、火山活動和構(gòu)造的特征。我們正在談論更多數(shù)量級的測量，就從CASALS獲得的數(shù)據(jù)類型而言，這可能會極大地改變地球科學遙感應用?！?/p>

審核編輯：劉清