ناسا تعمل على تحسين وتقليل حجم مصادر الليدار

يخطط المهندسون في الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) هذا الصيف لاختبار مجموعة جديدة من تكنولوجيا الليزر على متن طائرة مصممة لأبحاث الاستشعار عن بعد في علوم الأرض.
بالإضافة إلى ذلك، تتمتع هذه المجموعة من أدوات LiDAR أيضًا بالقدرة على تحسين نموذج شكل القمر، ومن المتوقع أن تساعد في تحديد موقع الهبوط لبرنامج استكشاف القمر Artemis.
يكمن مبدأ التشغيل الأساسي لجهاز LIDAR في حساب المسافة عن طريق قياس الوقت الذي يستغرقه شعاع الليزر لينعكس عن السطح ويعود إلى الجهاز. لا توفر الانعكاسات المتعددة لليزر السرعة النسبية للهدف فحسب، بل تولد أيضًا صورة ثلاثية الأبعاد له. وفي السنوات الأخيرة، تطورت هذه التقنية لتصبح أداة مهمة لعلماء ومستكشفي وكالة ناسا للملاحة ورسم الخرائط وجمع البيانات العلمية.
يواصل المهندسون والعلماء في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ميريلاند العمل على تحسين جهاز LiDAR ليصبح أداة أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأكثر ثراءً بالميزات للاستكشاف العلمي، مدعومة بالأجهزة المقدمة من الشركات الصغيرة والشركاء الأكاديميين.
قال: "تكافح أجهزة التصوير ثلاثية الأبعاد الحالية لتحقيق دقة 50- ملليمتر (2- بوصة) اللازمة لضمان تقنيات التوجيه والملاحة والتحكم اللازمة للهبوط الدقيق والآمن لمهام الاستكشاف الروبوتية والبشرية المستقبلية". "مهندس الفريق جيفري تشين. الأنظمة الحالية غير قادرة على تحقيق كل من وظائف ليدار الكشف عن المخاطر ثلاثية الأبعاد ووظائف ليدار الملاحة دوبلر في وقت واحد."
ولمواجهة هذا التحدي، قام مركز جودارد لرحلات الفضاء بتطوير نظام CASALS ونظام الذكاء الاصطناعي المتزامن الطيفي ونظام ليدار التكيفي. يستخدم النظام، الذي ظهر من خلال برنامج جودارد للبحث والتطوير الداخلي، شبكة تشبه المنشور لإصدار ليزر قابل للضبط، والذي ينشر الشعاع عن طريق تغيير الطول الموجي لليزر.
يستخدم CASALS تقنية أكثر تقدمًا من نبضات LIDAR التقليدية ذات الطول الموجي الثابت. في حين تعتمد نبضات LIDAR التقليدية على مرايا وعدسات ضخمة لتقسيم الليزر إلى حزم متعددة، فإن CASALS يغطي مساحة أكبر من سطح الكوكب في كل عملية مسح حتى مقارنة بأجهزة LIDAR التي تم استخدامها لعقود من الزمن لقياس الأرض والقمر والمريخ.
تتمثل المزايا المهمة لـ CASALS في حجمها الأصغر ووزنها الخفيف ومتطلباتها الأقل للطاقة، مما يجعلها مناسبة للأقمار الصناعية الصغيرة وكذلك الأجهزة المحمولة أو المحمولة، مما يؤدي إلى وعد بتطبيقات حقيقية على سطح القمر. تم تمويل أعمال البحث والتطوير من قبل مكتب علوم وتكنولوجيا الأرض التابع لناسا، ويخططون لاختبار نسخة محسنة من النظام على متن طائرة في عام 2024 من أجل تقريبها من الاستعداد لتطبيقات رحلات الفضاء.
أطوال موجية مختلفة
بتمويل من Goddard IRAD وبرنامج SBIR (برنامج أبحاث الابتكار في الأعمال الصغيرة) التابع لناسا، نجح فريق CASALS، بالتعاون مع الشركاء التجاريين Axsun Technologies وFreedom Photonics، في تطوير ليزر جديد سريع الضبط لعلوم الأرض واستكشاف الكواكب تم تصميمه خصيصًا. للاستخدام في جزء 1 ميكرومتر من طيف الأشعة تحت الحمراء. جزء من طيف الأشعة تحت الحمراء. في المقابل، يستخدم نظام LiDAR، الذي يشيع استخدامه في تطوير السيارات ذاتية القيادة، ليزرًا بحجم 1.5 ميكرومتر لتحديد المسافة والسرعة.
يوضح إيان آدامز، كبير تقنيي علوم الأرض في جودارد، أن أشعة الليزر ذات الأطوال الموجية القريبة من 1 ميكرومتر على الأرض قادرة على اختراق الغلاف الجوي بسهولة، مما يميز بشكل فعال الغطاء النباتي عن الأرض العارية. على وجه الخصوص، أشعة الليزر ذات الأطوال الموجية القريبة من 0.97 و1.45 ميكرون، مع أنها توفر معلومات قيمة حول بخار الماء في الغلاف الجوي للأرض، إلا أنها لا تنتشر بشكل فعال إلى السطح.
وفي مشروع ذي صلة، عمل الفريق بشكل وثيق مع شركة Left Hand Design Corporation لتطوير مرآة توجيه مصممة لتوسيع تغطية التصوير ثلاثي الأبعاد وتحسين دقة CASALS. وأشار آدامز إلى أن معدل النبض الأعلى لليدار يمكن أن يعزز حساسية الإشارة، الأمر الذي سيؤدي الدوران إلى تمكين قياسات المسافة والسرعة على مدى 60- ميل. وهذا مهم بشكل خاص للمهمات التي تخطط للهبوط بالقرب من القطب الجنوبي للقمر، حيث ستساعد قدرات التصوير الأكثر وضوحًا لـ CASALS في تقييم سلامة مواقع الهبوط المحتملة.
التركيز على القمر
لبناء نماذج ثلاثية الأبعاد أكثر دقة للقمر، يعمل مشروع IRAD الخاص بعالم الكواكب جودارد إروان مازاريكو على تعزيز قدرة CASALS على قياس تفاصيل السطح الأصغر من متر واحد (3 أقدام). وأكد أن هذا سيساعدنا في الحصول على فهم أعمق للبنية تحت سطح القمر وتغيراته مع مرور الوقت. والجدير بالذكر أنه في كل شهر، يغير مسار الأرض عبر السماء القمرية مركز الجانب المواجه للأرض بمقدار 10 إلى 20 درجة.
ويوضح مازاريكو أيضًا: "استنادًا إلى معرفتنا بالبنية الداخلية للقمر، نتوقع أن التغيرات المستمرة في جاذبية الأرض قد تغير انتفاخ المد والجزر أو شكل القمر. ومن خلال إجراء قياسات عالية الدقة لهذا التشوه، يمكننا الحصول على مزيد من المعلومات حول "التغيرات المحتملة في باطن القمر. على سبيل المثال، يمكننا استكشاف ما إذا كان باطن القمر يستجيب كما لو كان كلًا موحدًا تمامًا."
منذ عام 2009، قامت مركبة الاستطلاع القمرية المدارية (LRO) التابعة لناسا بأخذ قياسات لهذا القمر الصناعي الطبيعي للأرض، ومحاكاة التضاريس القمرية وتحقيق ثروة من الاكتشافات بمساعدة مقياس الارتفاع الليدار القمري (LOLA)، الذي ينقل 28 نبضة ليزر لكل دقيقة. والثانية، مقسمة إلى خمسة عوارض، يغطي كل منها الأرض على مسافة تتراوح بين 65 قدمًا إلى 100 قدم. يستخدم العلماء صورًا من LRO لتقدير ما يحدث للميزات السطحية الأصغر بين قياسات الليزر.
ومع ذلك، فإن ليزر CASALS قادر على توليد مئات الآلاف من النبضات في الثانية، مما يقلل بشكل كبير المسافة بين قياسات السطح. وقال مازاريكو: "إن مجموعة البيانات الأكثر كثافة والأكثر دقة ستسمح لنا بالنظر إلى الميزات الأصغر"، مضيفًا أن هذه الميزات يمكن أن تنشأ من التأثيرات أو النشاط البركاني أو الحركات التكتونية، "ونحن نتحدث عن تحسن كبير في الحجم". من حيث نوع البيانات التي نحصل عليها من LiDAR، فقد يكون هذا بمثابة تغيير كامل لقواعد اللعبة."