今年夏季，美國國家航空航天局（NASA）的工程師們計劃在一架飛機上測試一套全新的激光技術，該技術旨在用于地球科學的遙感研究。

此外，這套激光雷達儀器還具備改進月球形狀模型的能力，并有望協助確定月球探測計劃阿爾忒彌斯的著陸點。

激光雷達的核心工作原理，在于通過測量激光束從表面反射并返回儀器所需的時間來計算距離。激光的多次反射不僅能提供目標的相對速度，還能生成其三維圖像。近年來，這種技術已逐漸成為NASA科學家和探險家進行導航、地圖繪制和科學數據收集的重要工具。

位于馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心的工程師和科學家們，在小型企業與學術伙伴提供的硬件支持下，不斷致力于將激光雷達優化為更小、更輕、功能更豐富的科學探索工具。

團隊工程師Jeffrey Chen表示：“現有的3D成像激光雷達難以達到50毫米（2英寸）的分辨率，這是確保未來機器人和人類探索任務精確、安全著陸所需的制導、導航和控制技術所必需的。現有的系統無法同時完成3D危險探測激光雷達和導航多普勒激光雷達兩項功能。”

為應對這一挑戰，戈達德太空飛行中心開發出了CASALS系統，即并發人工智能光譜和自適應激光雷達系統。該系統通過戈達德內部的研究與發展計劃得以誕生，它采用棱鏡狀光柵發射可調諧激光，通過改變激光波長來傳播光束。

與傳統的固定波長激光雷達脈沖相比，CASALS采用了更為先進的技術。傳統的激光雷達脈沖依賴體積龐大的反射鏡和透鏡將激光分成多束，而CASALS每次掃描所覆蓋的行星表面面積，甚至超過了幾十年來用于測量地球、月球和火星的激光雷達。

CASALS的顯著優勢在于其更小的尺寸、更輕的重量和更低的功率要求，這使得它適用于小型衛星以及手持式或便攜式設備，從而有望在月球表面得到實際應用。CASALS團隊的研發工作得到了NASA地球科學技術辦公室的資助，他們計劃于2024年在飛機上測試這一改進版系統，以使其更接近航天應用的準備狀態。

不同的波長

CASALS團隊憑借戈達德IRAD和美國宇航局SBIR（小企業創新研究計劃）的資金支持，攜手商業伙伴Axsun Technologies和Freedom Photonics，成功研發了一款針對地球科學和行星探測的新型快速調諧激光器，該激光器專門應用于紅外光譜1μm部分。相比之下，自動駕駛汽車開發中常用的激光雷達，普遍使用1.5μm激光來測定距離和速度。

戈達德的地球科學首席技術專家Ian Adams解釋說，在地球上，波長接近1微米的激光能夠輕松穿透大氣層，從而有效地區分植被與裸露地面。特別地，波長在0.97和1.45微米附近的激光，雖然能夠為我們提供有關地球大氣中水蒸氣的寶貴信息，但卻無法有效地傳播至地表。

在另一項相關項目中，該團隊與Left Hand Design Corporation緊密合作，共同開發了一個轉向鏡，旨在擴大CASALS的3D成像覆蓋范圍并提升其分辨率。Adams指出，激光雷達更高的脈沖率能夠增強信號靈敏度，進而實現60英里范圍內的距離和速度測量。這對于那些計劃在月球南極附近著陸的任務而言尤為重要，CASALS更為清晰的成像能力將有助于評估潛在著陸點的安全性。

對焦月亮

為了構建更精細的月球3D模型，戈達德行星科學家Erwan Mazarico的IRAD項目致力于提升CASALS測量小于1米（3英尺）表面細節的能力。他強調，這將有助于我們更深入地了解月球的地下結構及其隨時間的變化。值得注意的是，每個月，地球在月球天空中的移動路徑都會使朝向地球的那一面的中心位置發生10到20度的變化。

Mazarico進一步解釋道：“根據我們對月球內部結構的了解，我們預測地球引力的不斷變化可能會改變月球的潮汐隆起或形狀。通過對這種變形進行高分辨率測量，我們可以獲取更多關于月球內部潛在變化的信息。例如，我們可以探究月球內部是否像一個完全統一的整體那樣反應。”

自2009年以來，美國宇航局的月球勘測軌道器（LRO）一直在對地球的這顆天然衛星進行測量，模擬月球地形，并在月球軌道激光雷達高度計（LOLA）的輔助下取得了豐富的發現。LOLA每秒發射28個激光脈沖，分為5束，每束覆蓋地面范圍從65英尺到100英尺不等。科學家們利用LRO的圖像來估算激光測量之間較小表面特征的情況。

然而，CASALS的激光器每秒能夠產生數十萬脈沖，從而顯著縮小了表面測量之間的距離。“一個更密集、更精確的數據集將使我們能夠研究更小的特征，”Mazarico表示，這些特征可能源于撞擊、火山活動或構造運動，“我們談論的是數量級的提升。就我們從激光雷達獲得的數據類型而言，這可能會徹底顛覆游戲規則。”

審核編輯：黃飛