NASA melhora e reduz o tamanho das fontes Lidar

Neste verão, engenheiros da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) planejam testar um novo conjunto de tecnologia laser em um avião projetado para pesquisas de sensoriamento remoto nas ciências da Terra.
Além disso, este conjunto de instrumentos LiDAR também tem a capacidade de melhorar o modelo de forma da lua, e espera-se que auxilie na determinação do local de pouso do programa de exploração lunar Artemis.
O princípio operacional central do LIDAR reside no cálculo da distância medindo o tempo que leva para um feixe de laser refletir em uma superfície e retornar ao instrumento. As múltiplas reflexões do laser não apenas fornecem a velocidade relativa do alvo, mas também geram uma imagem tridimensional dele. Nos últimos anos, esta técnica cresceu e se tornou uma ferramenta importante para cientistas e exploradores da NASA para navegação, mapeamento e coleta de dados científicos.
Engenheiros e cientistas do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, continuam a trabalhar na otimização do LiDAR em uma ferramenta menor, mais leve e mais rica em recursos para exploração científica, apoiada por hardware fornecido por pequenas empresas e parceiros acadêmicos.
Os lidars de imagem 3D existentes lutam para alcançar a resolução de 50-milímetros (2-polegadas) necessária para garantir as tecnologias de orientação, navegação e controle necessárias para pousos precisos e seguros para futuras missões de exploração robótica e humana", disse engenheiro da equipe Jeffrey Chen. Os sistemas existentes são incapazes de cumprir as funções lidar de detecção de perigos 3D e lidar Doppler de navegação simultaneamente."
Para enfrentar este desafio, o Goddard Space Flight Center desenvolveu o sistema CASALS, Concurrent Artificial Intelligence Spectral and Adaptive Lidar System. O sistema, que ganhou vida através do programa interno de pesquisa e desenvolvimento de Goddard, usa uma grade semelhante a um prisma para emitir um laser sintonizável, que propaga o feixe variando o comprimento de onda do laser.
CASALS utiliza tecnologia mais avançada do que os pulsos LIDAR tradicionais de comprimento de onda fixo. Enquanto os pulsos LIDAR convencionais dependem de espelhos e lentes volumosos para dividir o laser em múltiplos feixes, o CASALS cobre mais da área da superfície do planeta por varredura do que até mesmo os LIDARs que têm sido usados ​​há décadas para medir a Terra, a Lua e Marte.
As vantagens significativas do CASALS são seu tamanho menor, peso mais leve e menores requisitos de energia, o que o torna adequado para pequenos satélites, bem como para dispositivos portáteis ou portáteis, levando à promessa de aplicações do mundo real na superfície lunar. o trabalho de pesquisa e desenvolvimento foi financiado pelo Escritório de Ciência e Tecnologia da Terra da NASA, e eles planejam testar uma versão melhorada do sistema a bordo de um avião em 2024, a fim de deixá-lo mais próximo da prontidão para aplicações em voos espaciais.
Diferentes comprimentos de onda
Com financiamento de Goddard IRAD e do SBIR (Programa de Pesquisa de Inovação para Pequenas Empresas) da NASA, a equipe CASALS, em colaboração com os parceiros comerciais Axsun Technologies e Freedom Photonics, desenvolveu com sucesso um novo laser de ajuste rápido para ciências da Terra e exploração planetária que é projetado especificamente para uso na parte de 1 μm do espectro infravermelho. parte do espectro infravermelho. Em contraste, o LiDAR, comumente usado no desenvolvimento de carros autônomos, geralmente usa um laser de 1,5 μm para determinar a distância e a velocidade.
Ian Adams, tecnólogo-chefe de geociências de Goddard, explica que na Terra, lasers com comprimentos de onda próximos a 1 μm são capazes de penetrar facilmente na atmosfera, distinguindo efetivamente a vegetação do solo descoberto. Em particular, os lasers com comprimentos de onda próximos de 0,97 e 1,45 mícrons, embora forneçam informações valiosas sobre o vapor de água na atmosfera da Terra, não se propagam eficazmente para a superfície.
Em um projeto relacionado, a equipe trabalhou em estreita colaboração com a Left Hand Design Corporation para desenvolver um espelho de direção projetado para estender a cobertura de imagens 3D e melhorar a resolução de CASALS. Adams observou que a taxa de pulso mais alta do lidar poderia aumentar a sensibilidade do sinal, o que em a curva permitiria medições de distância e velocidade em um intervalo de 60- milhas. Isto é especialmente importante para missões que planeiam aterrar perto do pólo sul da Lua, onde as capacidades de imagem mais nítidas do CASALS ajudarão a avaliar a segurança de potenciais locais de aterragem.
Focando na Lua
Para construir modelos 3D mais precisos da Lua, o projeto IRAD do cientista planetário de Goddard Erwan Mazarico está trabalhando para melhorar a capacidade do CASALS de medir detalhes da superfície menores que 1 metro (3 pés). Ele enfatizou que isto nos ajudará a obter uma compreensão mais profunda da estrutura do subsolo da Lua e das suas mudanças ao longo do tempo. Notavelmente, a cada mês, o caminho da Terra através do céu lunar muda o centro do lado voltado para a Terra em 10 a 20 graus.
Mazarico explica ainda: "Com base no nosso conhecimento da estrutura interna da Lua, prevemos que mudanças constantes na gravidade da Terra podem alterar a protuberância das marés ou a forma da Lua. Ao fazer medições de alta resolução desta deformação, podemos obter mais informações sobre mudanças potenciais no interior da Lua. Por exemplo, podemos explorar se o interior da Lua está respondendo como se fosse um todo completamente unificado."
Desde 2009, o Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) da NASA tem feito medições deste satélite natural da Terra, simulando o terreno lunar e fazendo uma riqueza de descobertas com a ajuda do Lunar Orbiting Lidar Altimeter (LOLA), que transmite 28 pulsos de laser por segundo, dividido em cinco feixes, cada um dos quais cobre o solo a uma distância de 65 pés a 100 pés. Os cientistas usam imagens do LRO para estimar o que acontece com características menores da superfície entre as medições do laser.
No entanto, os lasers da CASALS são capazes de gerar centenas de milhares de pulsos por segundo, reduzindo significativamente a distância entre as medições de superfície. “Um conjunto de dados mais denso e preciso nos permitirá observar características menores”, disse Mazarico, acrescentando que essas características podem ter origem em impactos, atividade vulcânica ou movimentos tectônicos, “e estamos falando de uma melhoria de ordem de magnitude. em termos do tipo de dados que obtemos do LiDAR, isso pode ser uma mudança completa no jogo."