NASA、LIDAR ソースの改良とサイズ縮小

この夏、アメリカ航空宇宙局 (NASA) の技術者たちは、地球科学におけるリモート センシング研究用に設計された飛行機で、まったく新しいレーザー技術セットをテストする予定です。
さらに、この LiDAR 機器セットは月の形状モデルを改善する機能も備えており、月探査プログラム アルテミスの着陸地点の決定に役立つことが期待されています。
LIDAR の中核となる動作原理は、レーザー ビームが表面で反射して装置に戻るまでの時間を測定することによって距離を計算することにあります。 レーザーの複数回の反射により、ターゲットの相対速度が得られるだけでなく、ターゲットの 3 次元画像も生成されます。 近年、この技術は NASA の科学者や探検家にとってナビゲーション、地図作成、科学データ収集のための重要なツールに成長しました。
メリーランド州グリーンベルトにある NASA のゴダード宇宙飛行センターのエンジニアと科学者は、中小企業や学術パートナーが提供するハードウェアのサポートを受けて、LiDAR をより小型、軽量、より機能豊富な科学探査ツールに最適化する取り組みを続けています。
既存の 3D イメージング ライダーは、将来のロボットや有人探査ミッションでの正確で安全な着陸に必要な誘導、ナビゲーション、制御技術を確保するために必要な50-ミリメートル (2- インチ) の解像度を達成するのに苦労しています。」チーム エンジニアのジェフリー チェン氏。既存のシステムは、3D 危険検出ライダーとナビゲーション ドップラー ライダーの両方の機能を同時に実行できません。」
この課題に対処するために、ゴダード宇宙飛行センターは CASALS システム、同時人工知能スペクトルおよび適応ライダー システムを開発しました。 ゴダードの社内研究開発プログラムによって実現したこのシステムは、プリズム状の回折格子を使用して波長可変レーザーを放射し、レーザーの波長を変えることでビームを伝播させます。
CASALS は、従来の固定波長 LIDAR パルスよりも高度なテクノロジーを利用しています。 従来のLIDARパルスは、レーザーを複数のビームに分割するために大きなミラーとレンズに依存していますが、CASALSは、地球、月、火星の測定に何十年も使用されてきたLIDARよりも、スキャンごとにより多くの惑星の表面積をカバーします。
CASALS の大きな利点は、サイズが小さく、軽量で、電力要件が低いことです。このため、小型衛星だけでなくハンドヘルドまたはポータブル デバイスにも適しており、月面での実際のアプリケーションの可能性につながります。CASALS チームの研究開発作業は NASA の地球科学技術局から資金提供を受けており、宇宙飛行への応用に近づけるために、2024 年に改良版のシステムを航空機でテストする予定です。
異なる波長
Goddard IRAD と NASA の SBIR (中小企業イノベーション研究プログラム) からの資金提供を受けて、CASALS チームは商業パートナーである Axsun Technologies および Freedom Photonics と協力して、特別に設計された地球科学および惑星探査用の新しい高速チューニング レーザーの開発に成功しました。赤外スペクトルの 1 μm 部分で使用します。 赤外線スペクトルの一部。 対照的に、自動運転車の開発で一般的に使用される LiDAR は、通常、距離と速度を測定するために 1.5μm レーザーを使用します。
ゴダード社の地球科学主任技術者イアン・アダムス氏は、地球上では1μmに近い波長のレーザーが大気中を容易に透過し、植生と裸地を効果的に区別できると説明する。 特に、0.97 および 1.45 ミクロン付近の波長を持つレーザーは、地球の大気中の水蒸気に関する貴重な情報を提供しますが、地表まで効果的に伝播しません。
関連プロジェクトでは、チームは Left Hand Design Corporation と緊密に連携して、3D イメージングの範囲を拡大し、CASALS の解像度を向上させるように設計されたステアリング ミラーを開発しました。アダムス氏は、LIDAR のより高いパルス レートにより信号感度が向上する可能性があると指摘しました。回転すると、60-マイルの範囲にわたる距離と速度の測定が可能になります。 これは、月の南極近くへの着陸を計画するミッションにとって特に重要であり、CASALS のより鮮明な画像処理能力は、潜在的な着陸地点の安全性を評価するのに役立ちます。
月に焦点を当てる
月のより精細な 3D モデルを構築するために、ゴダード惑星科学者エルワン・マザリコの IRAD プロジェクトは、1 メートル (3 フィート) 未満の表面の詳細を測定する CASALS の能力の強化に取り組んでいます。 同氏は、これによって月の地下構造とその時間の経過に伴う変化をより深く理解できるようになるだろうと強調した。 注目すべきことに、月の空を横切る地球の軌道は、地球に面する面の中心を毎月 10 度から 20 度移動させます。
マザリコ氏はさらに、「月の内部構造に関する知識に基づいて、地球の重力の絶え間ない変化が月の潮汐膨らみや形状を変える可能性があると予測しています。この変形を高解像度で測定することで、より多くの情報を得ることができます。」月の内部の潜在的な変化。たとえば、月の内部が完全に統一された全体であるかのように反応しているかどうかを調査できます。」
2009 年以来、NASA の月偵察オービター (LRO) は、この地球の自然衛星の測定を行っており、月周回ライダー高度計 (LOLA) の助けを借りて月の地形をシミュレートし、豊富な発見を行っています。LOLA は 1 回あたり 28 個のレーザー パルスを送信します。 2 つ目は 5 つのビームに分割され、それぞれのビームが 65 フィートから 100 フィートの範囲の地面をカバーします。 科学者は、LRO からの画像を使用して、レーザー測定の間に小さな表面の特徴に何が起こるかを推定します。
ただし、CASALS のレーザーは 1 秒あたり数十万のパルスを生成できるため、表面測定間の距離が大幅に短縮されます。 「より高密度でより正確なデータセットにより、より小さな地物を観察できるようになります」とマザリコ氏は述べ、これらの地物は衝突、火山活動、または地殻変動に由来する可能性があると付け加え、「そして私たちは桁違いの改善について話しているのです。」 LiDAR から得られるデータの種類を考えると、これは完全なゲームチェンジャーになる可能性があります。」