苹果12的激光雷达,就连NASA也会在下次火星登陆中用到它?( 二 )


苹果12的激光雷达,就连NASA也会在下次火星登陆中用到它?文章插图
高程为距质心距离 | NASA/JPL/USGS
卡西尼号雷达探测获取的土卫六(部分)全球地形数据▼
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土卫六全球地形图 , 参考面为土卫六海水面所在的大地水准面 , 全球分辨率1°×1° | 来源:[1]
而对于月球、火星、水星这样几乎没有大气层的天体 , 激光测距的定向性更好、分辨率更高 , 总之更好使 。 实际使用激光测距技术时时也不会用“激光雷达”这样的表达 , 而是直接把LiDAR翻译为“激光测高(计)”或者干脆英文都直接使用“激光测高(计)”(Laser Altimeter)这样的描述 。 (对 , 既可以表示技术也可以表示使用这个技术的发射接收仪器)
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行星探测领域:LiDAR = 激光测高(计)
1994年的克莱门汀探测器激光测高获取的月球全球地形图▼
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来源:Brian Fessler and Paul Spudis, LPI
2007年的嫦娥一号探测器的激光高度计和激光测高获取的月球全球地形图▼
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来源:新华社 & 中国科学院国家天文台/探月工程地面应用系统
1997年的火星全球探勘者号(MGS)和2009年的月球勘测轨道飞行器(LRO)则用各自携带的MOLA测高计和LOLA测高计 , 为火星和月球贡献了迄今为止最高分辨率的全球高程地图 。
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MGS和LRO探测器激光测高获得的火星(上)和月球(下)全球地形图 | NASA
地球更是有专注于测高的人造卫星 , 我们常常称之为测高卫星 。 典型的激光型测高卫星例如NASA的ICESat和ICESat-2 , 各自携带的唯一仪器就是机载LiDAR——分别叫地球科学激光测高计系统(GLAS)和高阶地形激光测高计系统(ATLAS) , 主要目标是测量冰盖高度和海冰厚度 。
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(上)ICESat的GLAS测高系统工作原理示意图 | NASA/Deborah McLean (下)ICESat-2的ATLAS测高系统获取的2003-2019年南极冰盖厚度的增减 。 中心的空白是极轨卫星的轨道星下点空白 | Smith et al./Science
着陆过程中的强辅助LiDAR对于着陆型探测任务 , 激光测距仪更是常见配置 。 JAXA的小行星“龙宫”采样返回任务隼鸟2号携带的四大科学仪器之一就是LiDAR 。 (详见:JAXA隼鸟2号科学仪器全解读)
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隼鸟2号的LiDAR 。 激光光束经扩束器放大后发出 , 再冲小行星表面反射回来 。 通过测量往返时间来计算探测器到龙宫表面的距离 | JAXA
LiDAR连续扫描小行星 , 记录下探测器到每个扫描点的距离 , 这些测距信息结合光学ONC相机拍摄的龙宫表面照片 , 就可以帮助隼鸟2号建立更高质量的全球三维地形模型 。
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隼鸟2号LiDAR结合光学相机影像获取龙宫全球三维地形信息 | JAXA
是不是跟苹果的LiDAR扫描挺像的?
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(上)隼鸟2号的LiDAR和小行星“龙宫”扫描点云 | JAXA (下)iPad Pro探测点云示意图 | 苹果宣传片
除了用来获取全球地形数据之外 , 测距还会用于探测器着陆过程的导航定位 , 帮助探测器在降落过程中实时掌握与地表的距离 , 这对探测器的安全着陆至关重要 。 隼鸟2号在着陆采样过程中就是以激光测距作为主导航定位手段的 。
实际操作中 , 随着距离小行星表面越来越近 , LiDAR接收激光的敏感度也会随着距离变化 。 隼鸟2号针对不同高度采用了两种激光测距手段:50米高度以上使用常规的LiDAR激光测距 , 50米高度以下 , 系统会根据接收激光的敏感度有一次自主调节 , 从常规LiDAR切换到近距离激光测距LRF 。