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(xué)遙感的新型激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)。激光雷達(dá)還可用于改進(jìn)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(dá)通過計時激光束從目標(biāo)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(biāo)的相對速度甚至3D圖像。如今，激光雷達(dá)越來越多地幫助美國NASA科學(xué)家和探險家導(dǎo)航、繪制地圖和收集科學(xué)數(shù)據(jù)。

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

美國NASA戈達(dá)德太空飛行中心工程師Jeffrey Chen說：“現(xiàn)有的3D成像激光雷達(dá)很難提供制導(dǎo)、導(dǎo)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(wù)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(dá)和導(dǎo)航多普勒激光雷達(dá)，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(yīng)激光雷達(dá)系統(tǒng)。CASALS通過戈達(dá)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(dá)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(dá)相比，一臺CASALS儀器每次掃描可以覆蓋更多的行星表面。

戈達(dá)德太空飛行中心工程師兼CASALS開發(fā)負(fù)責(zé)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(yīng)用以及手持式或便攜式激光雷達(dá)能夠在月球表面使用。CASALS團(tuán)隊獲得了NASA地球科學(xué)技術(shù)辦公室的資助，將于2024年通過飛機測試他們的改進(jìn)技術(shù)，使他們的系統(tǒng)更接近太空飛行準(zhǔn)備狀態(tài)。

CASALS團(tuán)隊利用戈達(dá)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(xué)和行星探索。相比之下，用于自動駕駛汽車的激光雷達(dá)通常使用0.905 μm或1.550 μm激光器來計算距離。

戈達(dá)德太空飛行中心地球科學(xué)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(tuán)隊與Left Hand Design公司合作開發(fā)了一種轉(zhuǎn)鏡，以擴(kuò)大CASALS的3D成像覆蓋范圍并提高分辨率。Ian Adams表示，激光雷達(dá)較高的脈沖率可以增強信號靈敏度，提供最遠(yuǎn)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(wù)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(xì)的月球3D模型，戈達(dá)德太空飛行中心努力提高CASALS測量小于1 m表面細(xì)節(jié)的能力。科學(xué)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(yù)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(yīng)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(jìn)行建模，并在月球軌道激光雷達(dá)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。科學(xué)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(dāng)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(zhǔn)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?wù)摳鄶?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(xué)遙感應(yīng)用。”

審核編輯：劉清