NASA成功缩减并优化激光雷达源尺寸

今年夏季，美国国家航空航天局（NASA）的工程师们计划在一架飞机上测试一套全新的激光技术，该技术旨在用于地球科学的遥感研究。

此外，这套激光雷达仪器还具备改进月球形状模型的能力，并有望协助确定月球探测计划阿尔忒弥斯的着陆点。

激光雷达的核心工作原理，在于通过测量激光束从表面反射并返回仪器所需的时间来计算距离。激光的多次反射不仅能提供目标的相对速度，还能生成其三维图像。近年来，这种技术已逐渐成为NASA科学家和探险家进行导航、地图绘制和科学数据收集的重要工具。

位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心的工程师和科学家们，在小型企业与学术伙伴提供的硬件支持下，不断致力于将激光雷达优化为更小、更轻、功能更丰富的科学探索工具。

团队工程师Jeffrey Chen表示：“现有的3D成像激光雷达难以达到50毫米（2英寸）的分辨率，这是确保未来机器人和人类探索任务精确、安全着陆所需的制导、导航和控制技术所必需的。现有的系统无法同时完成3D危险探测激光雷达和导航多普勒激光雷达两项功能。”

为应对这一挑战，戈达德太空飞行中心开发出了CASALS系统，即并发人工智能光谱和自适应激光雷达系统。该系统通过戈达德内部的研究与发展计划得以诞生，它采用棱镜状光栅发射可调谐激光，通过改变激光波长来传播光束。

与传统的固定波长激光雷达脉冲相比，CASALS采用了更为先进的技术。传统的激光雷达脉冲依赖体积庞大的反射镜和透镜将激光分成多束，而CASALS每次扫描所覆盖的行星表面面积，甚至超过了几十年来用于测量地球、月球和火星的激光雷达。

CASALS的显著优势在于其更小的尺寸、更轻的重量和更低的功率要求，这使得它适用于小型卫星以及手持式或便携式设备，从而有望在月球表面得到实际应用。CASALS团队的研发工作得到了NASA地球科学技术办公室的资助，他们计划于2024年在飞机上测试这一改进版系统，以使其更接近航天应用的准备状态。

不同的波长

CASALS团队凭借戈达德IRAD和美国宇航局SBIR（小企业创新研究计划）的资金支持，携手商业伙伴Axsun Technologies和Freedom Photonics，成功研发了一款针对地球科学和行星探测的新型快速调谐激光器，该激光器专门应用于红外光谱1μm部分。相比之下，自动驾驶汽车开发中常用的激光雷达，普遍使用1.5μm激光来测定距离和速度。

戈达德的地球科学首席技术专家Ian Adams解释说，在地球上，波长接近1微米的激光能够轻松穿透大气层，从而有效地区分植被与裸露地面。特别地，波长在0.97和1.45微米附近的激光，虽然能够为我们提供有关地球大气中水蒸气的宝贵信息，但却无法有效地传播至地表。

在另一项相关项目中，该团队与Left Hand Design Corporation紧密合作，共同开发了一个转向镜，旨在扩大CASALS的3D成像覆盖范围并提升其分辨率。Adams指出，激光雷达更高的脉冲率能够增强信号灵敏度，进而实现60英里范围内的距离和速度测量。这对于那些计划在月球南极附近着陆的任务而言尤为重要，CASALS更为清晰的成像能力将有助于评估潜在着陆点的安全性。

对焦月亮

为了构建更精细的月球3D模型，戈达德行星科学家Erwan Mazarico的IRAD项目致力于提升CASALS测量小于1米（3英尺）表面细节的能力。他强调，这将有助于我们更深入地了解月球的地下结构及其随时间的变化。值得注意的是，每个月，地球在月球天空中的移动路径都会使朝向地球的那一面的中心位置发生10到20度的变化。

Mazarico进一步解释道：“根据我们对月球内部结构的了解，我们预测地球引力的不断变化可能会改变月球的潮汐隆起或形状。通过对这种变形进行高分辨率测量，我们可以获取更多关于月球内部潜在变化的信息。例如，我们可以探究月球内部是否像一个完全统一的整体那样反应。”

自2009年以来，美国宇航局的月球勘测轨道器（LRO）一直在对地球的这颗天然卫星进行测量，模拟月球地形，并在月球轨道激光雷达高度计（LOLA）的辅助下取得了丰富的发现。LOLA每秒发射28个激光脉冲，分为5束，每束覆盖地面范围从65英尺到100英尺不等。科学家们利用LRO的图像来估算激光测量之间较小表面特征的情况。

然而，CASALS的激光器每秒能够产生数十万脉冲，从而显著缩小了表面测量之间的距离。“一个更密集、更精确的数据集将使我们能够研究更小的特征，”Mazarico表示，这些特征可能源于撞击、火山活动或构造运动，“我们谈论的是数量级的提升。就我们从激光雷达获得的数据类型而言，这可能会彻底颠覆游戏规则。”

审核编辑：黄飞