Lidar Testbild.

Laser Radar leuchtet den Weg in die Tiefen des Alls

22 Februar 2012

Dieses Auto wurde nicht mit einer Kamera fotografiert sondern mit einem 3-D-abbildenden Lidar gescannt. Lidar ist das Laser-Äquivalent zum Radar. Die ESA entwickelt den Sensor für eine Navigationshilfe zur Erforschung des Weltraums.

Lidar steht für "Light Detection and Ranging". Ein gepulster Laserstrahl wird von einem Abtastziel zurückgeworfen und das Gerät misst die Zeit, die das Licht braucht, um die Strecke zurückzulegen.

Die Wellenlänge des Lichts ist viel kürzer als die von Radiowellen und wird in Milliardstel Metern gemessen anstatt in Zentimetern. Deshalb sind mit Lidar viel präzisere Messungen möglich.

Prototype lidar
Lidar Prototyp von ABSL.

Die Laserentfernungsmessung wird bereits für Rendezvous- und Andockmanöver im Orbit genutzt. Wenn das ATV-Frachtraumschiff der ESA an die Internationale Raumstation andockt, werden Laserstrahlen von Reflektoren, die an der Station angebracht sind, zurückgeworfen und so die Entfernung auf wenige Zentimeter genau berechnet.

Für Missionen, die tiefer in den Weltraum führen, hofft die ESA, das 3-D-abbildende Lidar einsetzen zu können, um ein vollständiges Bild eines Zieles wie zum Beispiel einer mit Felsbrocken übersähten Planetenoberfläche zu erstellen.

Lidar wäre mit einer stereoskopischen Kamera vergleichbar, die auch in völliger Dunkelheit oder in gleißendem Sonnenlicht funktioniert.

„Das 3-D-abbildende Lidar, an dem wir arbeiten, hat drei mögliche Hauptanwendungen “, erklärt Dr. João Pereira Do Carmo, der das Projekt für die ESA koordiniert.

ATV orbital rehearsals
Das ATV nutzt Lasertechnik zum Andocken.

„Zum ersten dient Lidar der Führung, Navigation und Steuerung von Planetensonden, besonders bei der Auswahl eines sicheren Landeplatzes. Zweitens dient es der Steuerung von Rovern auf Planetenoberflächen und drittens dem Andocken in einer Umlaufbahn."

Das wäre besonders für die vorgeschlagene Marsproben-Rückkehrmission wichtig, wenn das mit Marsproben beladene Aufstiegsmodul vom im Orbit wartenden Mutterschiff verfolgt und eingefangen wird, so Pereira Do Carmo weiter.

„Abbildende terrestrische Lidar-Geräte gibt es bereits. Sie werden normalerweise für die Vermessung von Gebäuden oder Industrieanlagen eingesetzt, sind aber viel zu sperrig für die Nutzung im Weltraum. Die Herausforderung besteht darin, eine neue Art abbildendes Lidar herzustellen, das viel kleiner ist und weniger Strom benötigt.“

Lidar on one side of Saale valley
Lidar Test über 5 km durch das Saaletal.

Angesichts der damit verbundenen technischen Schwierigkeiten wurden unterschiedliche Systeme von zwei Konsortien parallel entwickelt - eines angeführt von Jena-Optronik aus Jena, das andere von ABSL in Culham, England.

Dr. Klaus Michel, Chief Operating Officer von Jena-Optronik GmbH, sagt: „Das Projekt war ein wichtiger Meilenstein bei der Weiterentwicklung der Technologien der Rendezvous- und Docking Sensoren (RVS). Basierend auf der jahrelangen Erfahrung im Weltraumeinsatz von RVS für das Europäische Transportfahrzeug ATV, entsteht mit den entwickelten abbildenden 3D-Lidaren eine neue Generation von Sensoren, welche nicht nur den Anforderungen des On-Orbit Servicing gerecht werden, sondern insbesondere auch für zukünftige Explorationsmissionen geeignet sind.“

Das abbildende Lidar von der Größe eines Schuhkartons besitzt einen schwenkbaren Abtastspiegel, der den Laserstrahl über das Ziel laufen lässt. Hochempfindliche Lichtsensoren messen das Licht, das von dem mehrere Kilometer entfernten Ziel zurückgestrahlt wird.

Prototype lidar
Der Lidar-Prototyp von Jena-Optronik.

Die beiden Systeme sind auf unterschiedliche Führungs- und Navigationsanwendungen ausgerichtet. Das deutsche System ist ein Demonstrator für einen zukünftigen Rendezvous-Sensor, während die britische Version einer Landesonde helfen soll, sicher auf einem Planeten aufzusetzen, indem Gefahren erfasst und vermieden werden.

Das Imaging Lidar Technologieprojekt wurde vom ESA-Technologieforschungsprogramm unterstützt, welches die Prototypenerstellung vielversprechender neuer Technologiekonzepte zum Ziel hat.

ESA Mondlander.

Auf diese Entwicklung aufbauend wird gegenwärtig ein Lande-Lidar für den ESA-Mondlander gebaut, der 2018 auf dem Südpol des Mondes landen soll.

Die Ingenieure untersuchen auch Möglichkeiten, Lidar-Systeme noch kleiner zu bauen, eventuell durch den Einsatz neuer Detektor-Typen und mikromechanischen, optischen Spiegeln.

„Es ist zu erwarten, dass wir Masse und Stromverbrauch der heutigen kommerziellen abbildenden Lidar-Systeme um mindestens 70% reduzieren können“, folgert Pereira Do Carmo.

Kontakt

Dr. João Pereira Do Carmo
Projektleiter bei der ESA
Telefon +31 71 565 6169
joao.pereira.do.carmo[at]esa.int

Dr. Klaus Michel
Jena-Optronik GmbH
Telefon +49 3641 200-206
klaus.michel[at]jena-optronik.de

Copyright 2000 - 2014 © European Space Agency. All rights reserved.