新激光技术识别空间碎片的构成

2018-05-15

em航空航天工程师开发出了一种名为激光偏振测量的激光感测技术,该技术不仅可以解译何处,而且还可以解译哪些类型的空间垃圾可能会在头顶上传播。 / em

地球上每天有数亿枚太空垃圾从旧火箭油漆的芯片,到太阳能电池板的碎片以及所有死亡的卫星。这颗高科技碎石云以每小时17,500英里的速度在地球周围旋转。在这些速度下,即使是卵石般小的垃圾也能够通过航天飞机。

美国宇航局和美国国防部正在使用地面望远镜和激光雷达(雷达)跟踪超过17,000个轨道碎片物体,以帮助防止与运行任务的碰撞。这种激光雷达能够在目标物体上照射高功率激光,测量激光脉冲返回地球所需的时间,以查明天空中的碎片。

现在,来自麻省理工学院的航空航天工程师开发出了一种激光感应技术,不仅可以解译哪里,而且可以从哪里传送空间垃圾。例如,称为激光偏振测量法的技术可用于辨别一块碎片是裸露金属还是被涂料覆盖。工程师们说,这种差异有助于确定物体的质量,动量和破坏的可能性。

“在太空中,随着时间的推移,事情往往会分崩离析,在过去的十年里,两次重大的碰撞导致了碎片的相当大的峰值,”麻省理工学院航空航天系的前研究生迈克尔帕斯夸尔说。 。 “如果你能弄清楚一块碎片是由什么组成的,那么你可以知道它有多沉重,多久可以随着时间推移或者撞击其他东西。”

罗克韦尔国际航空航天职业发展副教授,麻省理工学院地球,大气和行星科学系的副教授Kerri Cahoy说,该技术可以很容易地在目前监测轨道碎片的地基系统上实施。

“[政府机构]想知道这些碎片在哪里,所以他们可以打电话给国际空间站,并说'大块碎片正在向你发出警报,将你的推进器开火,让你自己升起来,这样你就清楚了''” Cahoy说。 “迈克提出了一种方法,通过对光学元件进行一些修改,他们可以使用相同的工具来获取有关这些材料由哪些材料制成的更多信息。”

Pasqual和Cahoy已经在IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems上发表了他们的结果。 / em

看到签名

该团队的技术使用激光来测量材料对光的偏振态的影响,这是指反射离开材料的光的振荡电场的方向。例如,当太阳光线反射出橡胶球时,入射光的电场可能会垂直振荡。但是球表面的某些属性,如粗糙度,可能会导致它以横向振动反射,或以完全不同的方向反射。相同的材料可以具有多种偏振效果,具体取决于光线照射到的角度。

Pasqual推断,诸如油漆之类的材料可能具有不同的偏振“特征”,其反射的激光与图案不同,例如裸铝。因此,极化特征可能是科学家确定太空中轨道碎片组成的可靠方法。

为了验证这一理论,他建立了台式偏光计 - 一种能以多种不同角度测量激光反射后材料偏振的装置。该团队使用波长为1,064纳米的高功率激光束,类似于现有地面激光雷达中用于跟踪轨道碎片的激光。激光是水平极化的,这意味着它的光线沿水平面振动。 Pasqual然后使用偏振滤波光学器件和硅探测器来测量反射光的偏振态。

筛选空间垃圾

在选择材料进行分析时,Pasqual选择了卫星常用的六种材料:白色和黑色涂料,铝,钛以及卡普顿和特氟龙 - 两种用于屏蔽卫星的薄膜状材料。

“我们认为他们非常有代表性,可以在空间碎片中发现,”Pasqual说。

他将每个样品放置在实验装置中,该装置是机动的,因此可以以不同的角度和几何形状进行测量,并测量其极化效应。除了反射与入射光相同偏振态的光之外,材料还可以显示其他陌生的偏振行为,例如轻微旋转光的振荡 - 这种现象称为延迟。 Pasqual确定了16种主要的偏振态,然后注意到了反射激光的特定材料会产生哪些效应。

“特氟隆拥有非常独特的特性,当你用激光照射垂直振荡时,它会回到一些中间角度的光线,”Pasqual说。 “一些涂料具有去极化作用,材料将喷出垂直和水平状态的相等组合。”

每种材料都有一个足够独特的极化特征来区别于其他五个样品。 Pasqual相信其他航空航天材料,例如各种屏蔽膜,或用于天线,太阳能电池和电路板的复合材料,也可能表现出独特的极化效应。他的希望是科学家可以使用激光偏振测定法建立一个具有独特极化特征的材料库。通过在现有地基激光雷达的激光器中加入某些滤波器,科学家可以测量通过碎片的偏振状态,并将它们与特征库进行匹配以确定物体的组成。

Pasqual说:“现场已经有很多设施用于追踪残骸。” “这种技术的重点在于,当你这样做时,你可能会在探测器上放置一些检测极化变化的滤波器,而这些极化特性可以帮助你推断出材料是由什么构成的。你可以获得更多的信息,基本上免费。“

这项研究部分得到了MIT林肯学者计划的支持。

出版物:Michael C. Pasqual和Kerri L. Cahoy,“空间碎片识别和表征的主动极化测量”,IEEE,2017; DOI:10.1109 / TAES.2017.2711718

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu