NASA-ingenjörer kommer att testa en svit av ny laserteknik från ett flygplan i sommar för jordvetenskaplig fjärranalys. Kallade "lidar" kan instrumenten också användas för att förbättra modeller av månens form och hjälpa sökandet efter Artemis landningsplatser.
I likhet med ekolod, men med hjälp av ljus istället för ljud, beräknar lidarer avstånd genom att tajma hur lång tid det tar för en laserstråle att reflektera från en yta och återgå till ett instrument. Flera pingar från lasern kan ge den relativa hastigheten och till och med 3D-bilden av ett mål. De hjälper i allt högre grad NASA-forskare och upptäcktsresande att navigera, kartlägga och samla in vetenskaplig data.
Ingenjörer och forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, fortsätter att förfina lidarer till mindre, lättare, mer mångsidiga verktyg för vetenskap och utforskning, med hjälp av hårdvara från småföretagare och akademiska partners.
"Befintliga 3D-avbildningslidarer kämpar för att tillhandahålla den 2-tums upplösning som behövs av väglednings-, navigerings- och kontrolltekniker för att säkerställa exakta och säkra landningar som är nödvändiga för framtida robot- och mänskliga utforskningsuppdrag," sa teamingenjör Jeffrey Chen. "Ett sådant system kräver 3D-lidar för riskdetektering och en navigeringsdoppler-lidar, och inget befintligt system kan utföra båda funktionerna."
Gå in i CASALS, det samtidiga artificiellt intelligenta spektrometri- och adaptiva Lidar-systemet. CASALS, som utvecklats genom Goddards IRAD, Internal Research and Development-program, lyser en avstämbar laser genom ett prismaliknande gitter för att sprida strålen baserat på dess ändrade våglängder. Traditionella lidarer pulserar en laser med fast våglängd som delas upp i flera strålar av skrymmande speglar och linser för att dela den i flera strålar. Ett CASALS-instrument skulle kunna täcka mer av en planets yta i varje pass än lidarer som använts i årtionden för att mäta jorden, månen och Mars.
CASALS mindre storlek, vikt och lägre effektkrav möjliggör små satellitapplikationer såväl som handhållna eller bärbara lidarer för användning på månens yta, sa Goddards ingenjör och CASALS utvecklingsledare Guangning Yang.
CASALS-teamet fick finansiering från NASAs Earth Science Technology Office för att testa sina förbättringar med flyg 2024, vilket förde deras system närmare rymdfärdsberedskap.
När lidarer blir mer specialiserade kan CASALS inkorporera olika våglängder eller färger av laserljus för tillämpningar som geovetenskap, utforska andra planeter och objekt i rymden, och navigering och mötesoperationer.
CASALS-teamet använde finansiering från Goddard IRAD och NASA SBIR (Small Business Innovation Research Program) tillsammans med kommersiella partner Axsun Technologies och Freedom Photonics för att utveckla nya snabbjusterande lasrar i 1-mikrondelen av det infraröda spektrumet för geovetenskap och planetarisk utforskning. Som jämförelse använder allmänt tillgängliga lidarer som används för utveckling av självkörande fordon vanligtvis 1,5-mikronlasrar för räckvidds- och hastighetsberäkningar.
På jorden passerar våglängder nära 1 mikron lätt genom atmosfären och är bra på att skilja vegetation från barmark, säger Ian Adams, Goddards chefsteknolog för geovetenskaper. Våglängder nära 0,97 och 1,45 mikron ger värdefull information om vattenånga i jordens atmosfär men reser sig inte lika effektivt till ytan.
I ett relaterat projekt samarbetade teamet med Left Hand Design Corporation för att utveckla en styrspegel för att utöka CASALS 3D-bildtäckning och förbättra upplösningen. Han sa att lidarens högre pulsfrekvens kan bygga upp signalkänslighet för att ge mätningar av räckvidd och hastighet på upp till 60 miles.
Artemis-relaterade uppdrag som försöker landa nära månens sydpol skulle också kunna använda CASALS skarpare avbildning för att hjälpa till att bedöma säkerheten för potentiella landningsplatser.
Mer detaljerade 3D-modeller av månen drev Goddards planetforskare Erwan Mazaricos IRAD-ansträngning att förfina CASALS förmåga att mäta ytdetaljer mindre än 3 fot. Han sa att detta kommer att hjälpa till att förstå månens underjordiska strukturer och förändringar över tiden.
Varje månad rör sig jordens väg över månhimlen inom 10 eller 20 grader från mitten av den sida som är vänd mot jorden.
"Vi har förutspått baserat på vår förståelse av dess inre struktur att jordens skiftande dragning kan förändra tidvattenutbuktningen eller formen på månen," sa Mazarico. "Högupplösta mätningar av den deformationen kan berätta mer om potentiella variationer inom månen. Reagerar den som en helt enhetlig kropp i det inre?"
NASA:s Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) har mätt jordens naturliga satellit sedan 2009, modellerat månens terräng och tillhandahållit en mängd upptäckter med hjälp av LOLA, dess Lunar Orbiting Lidar Altimeter. LOLA avfyrar 28 laserpulser per sekund, uppdelade i fem strålar som rör ytan 65 fot till 100 fot från varandra. Forskare använder LRO-bilder för att uppskatta mindre ytegenskaper mellan lasermätningar.
CASALS laser tillåter dock motsvarande flera hundra tusen pulser per sekund, vilket minskar avståndet mellan ytmätningar.
"En tätare och mer exakt datauppsättning skulle tillåta oss att studera mycket mindre funktioner," sa Mazarico, inklusive de från nedslag, vulkanisk aktivitet och tektonik. "Vi pratar om storleksordningar om fler mätningar. Det kan vara en ganska stor spelförändring när det gäller vilken typ av data vi får från lidar."
Tillhandahålls av NASA
