Последовательность развертывания прототипа схемы оригами демонстрируют аспиранты Брэндон Сарджент (слева) и Каролина Райт (справа) из Университета Бригама Янга. Это демонстрирует большие возможности расширения и гибкость общей архитектуры. Фото: Университет Бригама Янга / Ларри Л. Хауэлл.
Усовершенствования лидарной технологии помогут ученым и исследователям НАСА в дистанционном зондировании и съемке, составлении карт, сканировании 3D-изображений, обнаружении и предотвращении опасностей, а также навигации.
Подобно гидролокатору, использующему свет вместо звука, технология лидара все чаще помогает ученым и исследователям НАСА в дистанционном зондировании и съемке, составлении карт, сканировании трехмерных изображений, обнаружении и предотвращении опасностей, а также навигации.
Передовые инновации исследователей НАСА направлены на то, чтобы превратить лидары в меньшие, легкие и универсальные инструменты для исследований.
«Сейчас существует множество разновидностей лидара,» — сказала Шерил Грэмлинг, помощник начальника отдела технологий Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Это очень важная технология из-за точности и универсальности, которые она предлагает.»
Обнаружение света и определение дальности, или лидар, — это технология дистанционного зондирования, связанная с гидролокатором и радаром. Лидар использует импульсы света для точного измерения расстояний и свойств объектов, измеряя время, необходимое свету для отражения обратно в датчик лидара.
Новаторы Годдарда стремятся расширить возможности применения лидаров в сфере связи и навигации, исследования планет и космических операций. Вот некоторые из текущих расследований.
Складная плоская оптика лидара
Инженер-исследователь Марк Стивен разрабатывает развертываемый сегментированный телескоп для улавливания возвращающегося светового сигнала с использованием современной плоской оптики, организованной в складные панели в стиле оригами. Работая с исследователями из Университета Бригама Янга, их команда стремится предоставить будущим миссиям преимущества лидарной технологии без высокой стоимости и ограниченной эффективности нынешних технологий.
Лидар, как правило, представляет собой дорогостоящую технологию, которая может не подойти для небольших, легких и более эффективных миссий завтрашнего дня. Размер, вес и требования к мощности ограничивают возможность применения этой технологии в большем количестве миссий.
«Большинству людей нужна действительно высокая производительность,» Стивен сказал: «Но они хотят, чтобы он был в небольшом, легком и энергоэффективном корпусе. Мы пытаемся найти лучший баланс, и стоимость имеет значение. Часто стоимость в большей степени зависит от размера, веса и мощности, чем от фактической разработки, если мы запускаем что-то в космос. Вот где это становится дороже.»
Стивен завершает трехлетнюю работу по улучшению лидаров посредством гранта Инициативы радикальных инноваций в рамках программы внутренних исследований и разработок Годдарда (IRAD). Их проект был подхвачен Управлением технологий наук о Земле НАСА для финансирования дальнейших улучшений.
Как правило, лидарные приемники для улавливания света используют громоздкие линзы, каждая линза нуждается в определенной кривизне и размере, чтобы преломлять свет, в дополнение к конструкциям, удерживающим линзы, и другим механикам, сказал Стивен. Объективы большего размера более эффективны, и именно здесь лидарная технология имеет тенденцию становиться тяжелой.
По его словам, плоская оптика использует новые типы наноструктурированных материалов для управления отдельными фотонами. Эти метаматериалы позволяют тонкой и легкой оптике выполнять те же функции, что и гораздо более крупные и дорогие трехмерные аналоги.
«Мы работаем над тем, чтобы иметь возможность иметь семейство инструментов, обладающее некоторой гибкостью и оперативностью для удовлетворения потребностей конкретной миссии.» — сказал Стивен. «Мы хотим разработать инструмент, который позволит вам лучше торговать с точки зрения размера, веса и мощности по сравнению с производительностью.»
Один лазер, множество длин волн
Инженер Годдарда Гуаннин Янг стремится улучшить лидар, производя свет с разными длинами волн из одного луча. Большинство современных лидаров используют несколько лучей одной длины волны для повышения их точности.
Ян является основным исследователем CASALS, или параллельной искусственной интеллектуальной спектрометрии и адаптивной лидарной системы, лидарной технологии, которая может более эффективно охватить большую территорию.
CASALS начинается с одного лазерного импульса, но вместо разделения этого импульса на множество направлений, в которых он должен двигаться, их технология меняет длину волны лазера с очень высокой скоростью. Свет разных длин волн затем выходит из лазерного передатчика под разными углами в зависимости от их длины волны.
Эта последовательность импульсов создает подобие метлы, проносящуюся по изучаемому объекту, ландшафту или небесному телу.
«Мы повысили эффективность,» Ян сказал: «и это позволит нам значительно уменьшить размер инструмента.»
Помимо повышения эффективности, CASALS меньше обычного лидара. Ян сказал, что CASALS может помочь обеспечить более высокую плотность картографирования Земли, других планет и лун, а также помочь в автономном спуске и посадке.
По словам Грэмлинга, как плоская оптика, так и сканирование по длине волны открывают новые возможности для лидарной технологии и являются частью целого ряда исследований, которые, как ожидается, откроют новые возможности в науке и навигации по далеким мирам.
