NASA成功縮減并優(yōu)化激光雷達(dá)源尺寸

今年夏季，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的工程師們計(jì)劃在一架飛機(jī)上測(cè)試一套全新的激光技術(shù)，該技術(shù)旨在用于地球科學(xué)的遙感研究。

此外，這套激光雷達(dá)儀器還具備改進(jìn)月球形狀模型的能力，并有望協(xié)助確定月球探測(cè)計(jì)劃阿爾忒彌斯的著陸點(diǎn)。

激光雷達(dá)的核心工作原理，在于通過(guò)測(cè)量激光束從表面反射并返回儀器所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算距離。激光的多次反射不僅能提供目標(biāo)的相對(duì)速度，還能生成其三維圖像。近年來(lái)，這種技術(shù)已逐漸成為NASA科學(xué)家和探險(xiǎn)家進(jìn)行導(dǎo)航、地圖繪制和科學(xué)數(shù)據(jù)收集的重要工具。

位于馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達(dá)德太空飛行中心的工程師和科學(xué)家們，在小型企業(yè)與學(xué)術(shù)伙伴提供的硬件支持下，不斷致力于將激光雷達(dá)優(yōu)化為更小、更輕、功能更豐富的科學(xué)探索工具。

團(tuán)隊(duì)工程師Jeffrey Chen表示：“現(xiàn)有的3D成像激光雷達(dá)難以達(dá)到50毫米（2英寸）的分辨率，這是確保未來(lái)機(jī)器人和人類(lèi)探索任務(wù)精確、安全著陸所需的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制技術(shù)所必需的。現(xiàn)有的系統(tǒng)無(wú)法同時(shí)完成3D危險(xiǎn)探測(cè)激光雷達(dá)和導(dǎo)航多普勒激光雷達(dá)兩項(xiàng)功能?！?/p>

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，戈達(dá)德太空飛行中心開(kāi)發(fā)出了CASALS系統(tǒng)，即并發(fā)人工智能光譜和自適應(yīng)激光雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)戈達(dá)德內(nèi)部的研究與發(fā)展計(jì)劃得以誕生，它采用棱鏡狀光柵發(fā)射可調(diào)諧激光，通過(guò)改變激光波長(zhǎng)來(lái)傳播光束。

與傳統(tǒng)的固定波長(zhǎng)激光雷達(dá)脈沖相比，CASALS采用了更為先進(jìn)的技術(shù)。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)脈沖依賴(lài)體積龐大的反射鏡和透鏡將激光分成多束，而CASALS每次掃描所覆蓋的行星表面面積，甚至超過(guò)了幾十年來(lái)用于測(cè)量地球、月球和火星的激光雷達(dá)。

CASALS的顯著優(yōu)勢(shì)在于其更小的尺寸、更輕的重量和更低的功率要求，這使得它適用于小型衛(wèi)星以及手持式或便攜式設(shè)備，從而有望在月球表面得到實(shí)際應(yīng)用。CASALS團(tuán)隊(duì)的研發(fā)工作得到了NASA地球科學(xué)技術(shù)辦公室的資助，他們計(jì)劃于2024年在飛機(jī)上測(cè)試這一改進(jìn)版系統(tǒng)，以使其更接近航天應(yīng)用的準(zhǔn)備狀態(tài)。

不同的波長(zhǎng)

CASALS團(tuán)隊(duì)?wèi){借戈達(dá)德IRAD和美國(guó)宇航局SBIR（小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃）的資金支持，攜手商業(yè)伙伴Axsun Technologies和Freedom Photonics，成功研發(fā)了一款針對(duì)地球科學(xué)和行星探測(cè)的新型快速調(diào)諧激光器，該激光器專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于紅外光譜1μm部分。相比之下，自動(dòng)駕駛汽車(chē)開(kāi)發(fā)中常用的激光雷達(dá)，普遍使用1.5μm激光來(lái)測(cè)定距離和速度。

戈達(dá)德的地球科學(xué)首席技術(shù)專(zhuān)家Ian Adams解釋說(shuō)，在地球上，波長(zhǎng)接近1微米的激光能夠輕松穿透大氣層，從而有效地區(qū)分植被與裸露地面。特別地，波長(zhǎng)在0.97和1.45微米附近的激光，雖然能夠?yàn)槲覀兲峁┯嘘P(guān)地球大氣中水蒸氣的寶貴信息，但卻無(wú)法有效地傳播至地表。

在另一項(xiàng)相關(guān)項(xiàng)目中，該團(tuán)隊(duì)與Left Hand Design Corporation緊密合作，共同開(kāi)發(fā)了一個(gè)轉(zhuǎn)向鏡，旨在擴(kuò)大CASALS的3D成像覆蓋范圍并提升其分辨率。Adams指出，激光雷達(dá)更高的脈沖率能夠增強(qiáng)信號(hào)靈敏度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)60英里范圍內(nèi)的距離和速度測(cè)量。這對(duì)于那些計(jì)劃在月球南極附近著陸的任務(wù)而言尤為重要，CASALS更為清晰的成像能力將有助于評(píng)估潛在著陸點(diǎn)的安全性。

對(duì)焦月亮

為了構(gòu)建更精細(xì)的月球3D模型，戈達(dá)德行星科學(xué)家Erwan Mazarico的IRAD項(xiàng)目致力于提升CASALS測(cè)量小于1米（3英尺）表面細(xì)節(jié)的能力。他強(qiáng)調(diào)，這將有助于我們更深入地了解月球的地下結(jié)構(gòu)及其隨時(shí)間的變化。值得注意的是，每個(gè)月，地球在月球天空中的移動(dòng)路徑都會(huì)使朝向地球的那一面的中心位置發(fā)生10到20度的變化。

Mazarico進(jìn)一步解釋道：“根據(jù)我們對(duì)月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解，我們預(yù)測(cè)地球引力的不斷變化可能會(huì)改變?cè)虑虻某毕∑鸹蛐螤?。通過(guò)對(duì)這種變形進(jìn)行高分辨率測(cè)量，我們可以獲取更多關(guān)于月球內(nèi)部潛在變化的信息。例如，我們可以探究月球內(nèi)部是否像一個(gè)完全統(tǒng)一的整體那樣反應(yīng)。”

自2009年以來(lái)，美國(guó)宇航局的月球勘測(cè)軌道器（LRO）一直在對(duì)地球的這顆天然衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量，模擬月球地形，并在月球軌道激光雷達(dá)高度計(jì)（LOLA）的輔助下取得了豐富的發(fā)現(xiàn)。LOLA每秒發(fā)射28個(gè)激光脈沖，分為5束，每束覆蓋地面范圍從65英尺到100英尺不等?？茖W(xué)家們利用LRO的圖像來(lái)估算激光測(cè)量之間較小表面特征的情況。

然而，CASALS的激光器每秒能夠產(chǎn)生數(shù)十萬(wàn)脈沖，從而顯著縮小了表面測(cè)量之間的距離?！耙粋€(gè)更密集、更精確的數(shù)據(jù)集將使我們能夠研究更小的特征，”Mazarico表示，這些特征可能源于撞擊、火山活動(dòng)或構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，“我們談?wù)摰氖菙?shù)量級(jí)的提升。就我們從激光雷達(dá)獲得的數(shù)據(jù)類(lèi)型而言，這可能會(huì)徹底顛覆游戲規(guī)則?！?/p>

審核編輯：黃飛