美国宇航局研发并发人工智能光谱与自适应激光雷达系统
在航天探索和地球科学领域，精确测量和数据收集技术的重要性不断凸显，其中激光雷达技术凭借其能够测量距离并重构三维图像的能力而占据尤其重要的地位。然而，传统激光雷达面临着分辨率和功能单一的局限，难以满足未来探索任务对精度的高要求。美国国家航空航天局（NASA）戈达德航天中心响应这一挑战，开发了并发人工智能光谱与自适应激光雷达系统（CASALS）。这项先进技术通过使用可调谐激光和棱镜状光栅，实现了不同波长的激光发射，极大地提高了地表测量的覆盖范围和精度，不仅为地球科学遥感领域带来了创新，还有望在月球探测计划中发挥重要作用，助力精确选择着陆点，并进一步了解月球地下结构及其演变。
激光雷达通过测量激光束从目标表面反射回仪器所需的时间来确定距离，从而能够计算出目标的相对速度乃至重构出三维图像。这一技术正在越来越多地应用于NASA的科研和探索活动中，帮助科学家和探险家进行导航、制图和数据收集。
在马里兰州格林贝尔特市的NASA戈达德航天中心，工程师和科学家正依靠小型企业和学术伙伴提供的高级硬件技术，不断推动激光雷达技术向着体积更小、重量更轻、功能更多样化的方向发展。
团队工程师Jeffrey Chen表示：“现有的3D成像激光雷达技术难以达到制导、导航和控制系统所需的50 mm（约2英寸）分辨率，这对于未来机器人和载人探索任务能够精确安全着陆至关重要。此类系统必须集成3D危害检测激光雷达与导航多普勒激光雷达于一体，但现行技术尚未能够同时实现这两种功能。
CASALS便是最新的技术突破。该系统在戈达德的内部研发计划（IRAD）下开发，通过棱镜状光栅对可调谐激光器进行照射，使光束按照不断变化的波长进行传播。
图1 工程师Jeffrey Chen在测试CASALS激光雷达原型
图源：美国宇航局
传统的激光雷达通过发射固定波长的激光，并依赖体积庞大的反射镜和透镜将其分成多束光线。与此相比，一台CASALS仪器在每次扫描过程中所能覆盖的行星表面面积，已远超过了过去数十年中用于测量地球、月球以及火星的传统激光雷达技术。
CASALS项目负责人Guangning Yang指出，该系统的小型化、轻量化和低功耗特性，使其不仅适用于小型卫星应用，还能在月球表面进行手持或便携式激光雷达探测。CASALS团队已获得美国宇航局地球科学技术办公室的支持，并计划于2024年在飞机上进行测试，以进一步优化系统，使其更加适合航天应用。
CASALS团队借助戈达德IRAD和美国宇航局小企业创新研究计划（SBIR）的资助，与Axsun Technologies和Freedom Photonics这两家商业伙伴合作，研发了一种适用于地球科学与行星探测的新型红外快速调谐激光器，工作波长为1 μm区域。相比之下，常见于自动驾驶汽车研发中的激光雷达技术，通常采用1.5 μm波长的激光来进行距离和速度的测量。
戈达德航天中心的地球科学首席技术专家Ian Adams指出，地球大气层能轻易透过接近1 μm波长的光线，这使得区分植被与裸露地面变得更为容易。此外，波长在0.97 μm和1.45 μm附近的光谱能提供关于地球大气中水蒸气含量的重要信息，但这些波长的光线并不能有效到达地面。
在另一个相关项目中，该团队与Left Hand设计公司合作，开发了一种转向镜，以扩大CASALS的3D成像覆盖范围并提升其分辨率。Ian Adams表示，激光雷达更高的脉冲频率有助于增强信号的灵敏度，从而在60英里的范围内实现更准确的距离和速度测量。阿尔忒弥斯任务计划在月球南极附近着陆，也可以利用CASALS提供的更清晰成像，以评估潜在着陆点的安全性。
提升CASALS技术：朝向月球表面高精度三维建模的新步伐
为了构建更精细的月球三维模型，戈达德航天中心的行星科学家Erwan Mazarico正在通过IRAD项目致力于提升CASALS技术，使其能够测量小于1 m（约3英尺）的月表细节。他说，这将有助于深入了解月球的地下结构及其随时间的演变。地球在月球天空中的轨迹每个月都会在面向地球一侧的中心10度至20度范围内发生变化。
Erwan Mazarico进一步指出：“根据对月球内部结构的了解，我们推测地球不断变化的引力可能会影响月球的潮汐隆起或形状。通过高分辨率的测量这种变形，我们可以获得有关月球内部可能变化的更多信息。比如，它的内部反应是否像一个完全一体化的实体那样？”
自2009年起，美国宇航局的月球勘测轨道飞行器（LRO）便开始对我们的天然卫星进行测量，借助月球轨道激光高度计（LOLA）重构了月球的地貌，提供了诸多重要发现。图2显示了月球轨道激光高度计制作的月球南极的地图。LOLA每秒发射28个激光脉冲，这些脉冲被分为5束，每束与地面的距离介于65英尺至100英尺之间。科学家们依据LRO的影像数据来评估激光测量所揭示的更细小的地表特征。
图2 月球轨道激光高度计制作的月球南极地图
相比之下，CASALS的激光器每秒能产生数十万次脉冲，显著缩小了地表测量点之间的间距。Erwan Mazarico指出：“更密集、更精确的数据集将使我们得以研究更细小的地貌特征，包括那些由撞击、火山活动和地质构造变化形成的特征。我们所讨论的，是测量的数量级变化。从激光雷达获取的数据类型上，这可能会是一个相当大的变革。”
原文链接：https://optics.org/news/15/3/34
