NASAスタイルのストップウォッチによる宇宙レーザーのタイミング

Anonim

宇宙から地球と地上までのレーザー光のパルスがどれくらいの時間続くかを測定するには、非常に優れたストップウォッチが必要です。

この種のタイマーは、技術者がメリーランド州グリーンベルトのNASAのゴダード宇宙飛行センターで、氷、雲、陸上高度衛星2のために構築したものとまったく同じです。 2018年に打ち上げ予定のICESat-2は、高さを測定するために6つの緑色レーザービームを使用します。 信じられないほど正確な時間測定で、科学者は衛星と地球の間の距離を計算することができ、そこから海氷、氷河、氷床、森林、およびその他の惑星の表面の正確な高さ測定値を記録できます。

ICESat-2の副プロジェクト科学者であるトム・ノイマン(Tom Neumann)氏は、「光が本当に、本当に速く動くので、数センチ程度のものを測定するために使用するなら、本当に良い時計を用意する方が良いでしょう。

そのストップウォッチが非常に正確な秒数百万分の1秒でさえあれば、ICESat-2は仰角を約500フィート以内までしか測定できませんでした。 科学者たちは、5階建ての建物の一番上から下に向かって伝えることができませんでした。 それは、氷床が溶けたり、海氷が薄くなったりするにつれて微妙な変化を記録することが目的である場合には、それをカットしません。

数十億分の1秒の必要精度に達するために、ゴダードのエンジニアは、衛星の計測器(Advanced Topographic Laser Altimeter System、ATLAS)上に独自の一連の時計を開発して構築しなければなりませんでした。 このタイミング精度により、研究者は高さを約2インチ以内に測定することができます。

「氷の上昇を計算するのは飛行機の飛行時間です」とATLAS計測器の副システム技術者であるPhil Luersは述べています。 ATLASは、レーザー光のビームを地上に投射し、各光子がどれくらいの期間戻ってくるかを記録します。 この時間は、光の速度と組み合わせると、レーザー光がどのくらい遠くに移動したかを研究者に伝えます。 この飛行距離は、衛星がどこにいるのかを正確に知ることと併せて、研究者には地球の表面の高さを下側に伝えます。

飛行時間を測定するストップウォッチは、ATLASのレーザーの各パルスから始まります。 何十億個もの光子が地球に流れ込むと、そのうちいくつかはタイマーを起動させるスタートパルス検出器に向けられているという。

一方、衛星は、宇宙にいる場所とそれが周回している場所を記録します。 この情報でATLASは、光子が衛星に戻ると予想されるときの大まかなウィンドウを設定します。 エベレスト山の光子は、移動距離が短いので、デスバレー上の光子よりも早く戻るでしょう。

光子は、望遠鏡受信機システムを通って装置に戻り、レーザの緑、特に日光の正確な陰影ではないすべてのものを遮断するフィルタを通過する。 緑色のものは光子計数電子カードに送られ、タイマーが停止します。 タイマーを止める光子のほとんどは、まったく同じ緑色になる太陽光を反射します。 しかし、レーザーを1秒間に10, 000回発射することによって、 "真の"レーザー光子リターンが合体し、表面標高に関するデータを科学者に与えることができる。

「宇宙船の位置を知っていれば、飛行時間を知っているので、地面までの距離を知ることができます。今は氷の高さがあります。

タイミングクロック自体は、時間をより正確に把握するために、いくつかの部分で構成されています。 毎秒刻々と変化するGPS受信機があります。衛星の時刻を知らせる粗い時計です。 ATLASは超安定発振器と呼ばれる別のクロックを備えています。この発振器は、GPSで生成された秒内に10ナノ秒ごとにカウントされます。

「GPSからの各パルスの間に、超安定発振器から1億ダッチが得られます」とNeumann氏は述べています。 「それは毎秒GPSでリセットされる」

しかし、10ナノ秒では不十分です。 さらに正確なタイミングに達するために、エンジニアは各光子計数電子カード内に微細な時計を装備しています。 これは10ナノ秒のティックをさらに細分するので、戻り時間は数百ピコ秒に測定されます。

この旅行時間の一部を調整する必要があります。 コンピュータプログラムは、多くの光子の移動時間を組み合わせて精度を向上させる。 また、プログラムは、ATLAS機器のファイバーやワイヤを通る時間、電子機器の温度変化の影響などを補うものです。

Neumann氏は、「地球の3次元を詳細に見ることができるように、これらのすべてのものが計算できる最高の飛行時間になるように修正する」と述べた。

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