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用NASA风格的秒表对太空激光计时

发布时间: 2017-04-10 09:11:25   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  为了测量激光脉冲从空间传播到地球再返回需要多长时间,您需要一个非常精确的秒表,一个可以测量十亿分之几秒的秒表。 

  这种定时器正是美国航空航天局(NASA)在马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心为冰、云和地面高度卫星2(ICESat-2)建造的定时器。ICESat-2计划于2018年发射,将使用六束绿色激光束来测量高度。科学家凭借其非常精确的时间测量,可以计算卫星和地球之间的距离,并记录海冰、冰川、冰盖、森林以及地球表面其他部分的精确高度。 

  ICESat-2的副项目科学家汤姆•诺依曼(Tom Neumann)表示:“光线传播的很快,如果你要用它来测量一些几厘米的东西,你最好有一个非常好的时钟。” 

  如果ICESat-2的秒表的时间精确度高达百万分之一秒,ICESat-2能分辨的高度只有500英尺,即科学家们无法分辨地面和五层楼的顶端。当目标是记录冰块融化或海冰沉淀的微妙变化时,这样的精度并不能达到标准。为了达到十亿分之一秒的精确度,戈达德工程师必须在卫星仪器——先进地形激光测高系统(ATLAS)上开发和构建自己的系列时钟。这种定时精度将使研究人员将高度测量到大约两英寸内。 

  ATLAS仪器系统工程师Phil Luers表示:“计算冰的高度是由飞行时间决定的。ATLAS将脉冲光束照射到地面,然后记录每个光子返回需要多长时间。这个时间,结合光速,告诉研究人员激光走过了多远。这个飞行距离,结合卫星在太空中的确切位置,告诉研究人员下面的地球表面的高度。 

  测量飞行时间的秒表从ATLAS激光的每个脉冲开始计时。Luers说,由于数十亿光子流射向地球,有几个光子被引导到启动脉冲探测器,来触发定时器。 

  同时,这些卫星记录它在太空中的位置和它的飞行轨道。有了这些信息,ATLAS设定了一个预期光子返回卫星的粗略窗口。在珠穆朗玛峰上空,光子将比在死亡谷的上空时更快返回,因为飞行距离相对较短。 

  光子通过望远镜接收器系统返回到仪器,并通过滤波片,阻挡所有不是绿光的光子,特别是阳光。绿光光子通过光子计数电子卡,以停止定时器。大多数停止计时器的光子是被反射的恰好是绿光的阳光。但是,通过每秒激发10,000次激光,返回的“真实”的激光光子将合并,给出科学家在地面高程上的数据。 

   “如果你知道航天器在哪里,并且知道飞行时间,所以你就可以知道航天器到地面的距离,从而你就知道了冰的高度,”鲁尔斯说。 

  为了更好地跟踪时间,定时时钟本身由几个部分组成:有GPS接收器,每隔一秒钟就会滴一下,作为一个粗略的时钟来告诉卫星时间。ATLAS具有另一个时钟,称为超稳定振荡器,它在GPS导出的秒钟内每10纳秒计数一次 

   “在GPS的每个脉冲之间,您可以从超稳定振荡器中获得1亿个刻度,”Neumann说。“它每秒都会通过GPS重置。” 

  然而,十纳秒是不够的。为了更准确的定时,工程师们在每个光子计数电子卡内配备了一个精细的时钟。将10纳秒进一步细分,从而将返回时间测量到数百皮秒。 

  对飞行时间的一些调整需要在地面上进行。计算机程序结合了许多光子飞行时间来提高精度。程序还弥补了通过ATLAS仪器的光纤和电线所需的时间,温度变化对电子设备的影响等等。 

  Neumann说:“我们正确的解决所有这些事情,以达到我们可以计算出的最佳飞行时间,以允许研究人员详细了解地球的第三个维度。 

  婷威编译自:https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/timing-a-space-laser-with-a-nasa-style-stopwatch

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