نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران
2 پژوهشکده سامانه‌های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران
چکیده
پیشینه و اهداف: ماهواره‌های سنجشی دارای محموله‌های لیدار، با مأموریت‌های پایش اهدافِ زمینی، اتمسفری و فضایی طراحی و عملیاتی می‌شوند. شاخص اصلی برتری لیدارهای فضایی، پایش جهانی اهداف متعدد است که سکوهای زمینی و هوایی پاسخ‌گوی نیازهای دنیای امروز در این زمینه نمی‌باشند. یکی از مهم‌ترین پارامترها در طراحی محموله‌های سنجش از دور لیدار فضایی، انرژی هر پالس میباشد که به‌طور مستقیم در دقت داده‌های جمع‌آوری شده، نرخ سیگنال به نویز، قدرت تفکیک افقی و عمودی و به عبارت دیگر، زمان تجمیع سیگنال بازگشتی، تأثیرگذار است. بهبود نرخ سیگنال به نویز به‌عنوان دیگر پارامتر مهم و مؤثر که هم در فازهای طراحی و هم در فاز بهرهبرداری مأموریت‌های لیدار دارای اهمیت است. در خصوص تأثیر پارامترهای مختلف بر نرخ سیگنال به نویز سامانه‌های لیدار، پژوهش‌های متعددی انجام شده است ولی علیرغم این تحقیقات گسترده، هنوز این موضوع به‌طور کامل بررسی نشده است. ساختار هندسی لیدار، مشخصات بخش‌های لیزر، اپتیک، الکترونیک، چیدمان هندسی لیزر- تلسکوپ از جمله عوامل مهم و تأثیرگذار در بهینه کردن نرخ سیگنال به نویز می‌باشند. علاوه بر مشخصات زیرسیستم‌های تأثیرگذار بر این فرآیند، تحلیل‌های سیستمی در طراحی محموله لیدار که شامل بررسی مشخصات فنی لیزر، فرستنده، سامانه اپتیکی، تلسکوپ گیرنده، کنترل حرارت و ملاحظات تشعشعی است، حائز اهمیت بوده و برقراری یک نگاشت فنی بین مأموریت‌ها و مشخصات فنی محموله از الزامات طراحی به‌شمار می‌رود.
روش‌ها: تحلیل سیستمی محموله‌های لیدار و طراحی یک محموله مطلوب دارای چالش‌های بسیاری است که نیاز به بررسی کاملی داشته و در دو فاز طراحی سیستمی و بهرهبرداری مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در این مقاله، پژوهش گسترده‌ای روی این چالش‌ها و الزامات انجام شده است که ملاحظات طراحی شامل دو بخش فرستنده و گیرنده برای محموله لیدار، اثرات تشعشعی و مسائل حرارتی به‌عنوان پارامترهای محیطی است. پس از تحلیل‌های سیستمی اولیه، نیاز به بررسی ملاحظات محموله لیدار در فاز بهرهبرداری است که خود شامل بررسی چالش استخراج داده‌ها، کیفیت سیگنال و شاخص سیگنال به نویز می‌گردد.
یافته‌ها: بر اساس نتایج، تغییرات زاویه تابش خورشید، که در افزایش یا کاهش پارامتر عمق اپتیکی ایروسل‌ها در ساعات مختلف روز و به تبع آن، در زاویه زنیت تأثیر دارد، بر اساس شرایط اتمسفر می‌تواند 10 تا 40% بر نرخ سیگنال به نویز لیدار مؤثر باشد. همچنین، در زوایای زنیت زیر 50 درجه و ساعات تقریبی 10 صبح و 2 بعدازظهر، زمان مناسبی برای داده‌برداری تخمین زده شده است که این امر کاملاً با زاویه تابش خورشید و میزان پراکنش نور در اتمسفر ارتباط دارد. همچنین، هنگام طلوع و غروب خورشید، با توجه به حداکثر بودن پراکنش، نرخ سیگنال به نویز تحت تأثیر قرار می‌گیرد. محاسبه آسیب دوز یونیزان کل به‌عنوان یک گلوگاه طراحی، افت بازده عملکرد ماژول لیزر را تعیین نموده و با استفاده از شاخص بحرانی توان به وزن کنترل حرارت فعال و غیر‌فعال مشخص می‌گردد. در این مقاله، با تأکید بر گلوگاه‌های فنی محموله‌های لیدار و ملاحظاتی که در بخش‌های مختلف از دیدگاه سیستمی وجود دارد، نقش عوامل محیطی مانند تأثیر زاویه تابش خورشید و محیط فضا بر یک محموله لیدار، بررسی شده است.
نتیجه‌گیری: نتایج، نشان میدهد پارامترهای محیطی شامل تشعشعات فضایی، تغییرات اپتیکی و تابشی اتمسفر در فاز بهرهبرداری و جانماییهای هندسی و سازهایی و کنترل حرارت در فاز طراحی در میزان انرژی هر پالس و تغییرات نرخ سیگنال به نویز مؤثر هستند و باعث دقت در تخمین بودجههای طراحی در سطح سیستم و زیرسیستم خواهد شد. نتایج این تحقیق نه تنها می‌تواند برای بهرهبرداری در مطالعات موردی کارگشا باشد، بلکه امکان تکمیل دستاوردهای این تحقیق با بررسی و افزودن ملاحظات دیگر و همچنین توسعه آن‌ها در سطح زیرسیستم‌ها یا المان‌های دیگر محموله نیز وجود دارد. به کمک نتایج این بررسی می‌توان از صحت عملکرد لیدار در فازهای آتی اطمینان حاصل نمود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Systematic Analysis of Space Lidar Payload of Remote Sensing Satellites with Emphasis on the Effect of Environmental Parameters
نویسندگان [English]
- M. Khoshsima 1
- S. ghazanfarinia 2
- R. Narimani 2
1 Iranian space research center, Tehran, Iran
2 Satellite Research Institute, Iranian space research center, Tehran, Iran
چکیده [English]
Background and Objectives: Remote sensing satellites equipped with Lidar payloads are deployed for ground, atmospheric, and space target monitoring missions. The primary advantage of space Lidars lies in their ability to conduct global monitoring with repeated coverage of targets, a capability that ground and airborne Lidars cannot fulfill. The energy of each pulse is a critical parameter in the design of space Lidar remote sensing payloads, impacting data accuracy, signal-to-noise ratio, horizontal and vertical resolution, and overall return signal aggregation time. Enhancing the signal-to-noise ratio is a key consideration in both the design and operational phases of a Lidar project. Numerous studies have explored the impact of different parameters on the signal-to-noise ratio of Lidar systems. However, despite these extensive investigations, this issue has not been comprehensively examined to date. The geometric configuration of the Lidar system, laser specifications, optics, electronics, and the arrangement of the laser-telescope geometry are key factors that significantly influence the optimization of the signal-to-noise ratio. Apart from the specifications of individual components, system analyses play a crucial role in the design of Lidar payloads. This includes technical specifications of the laser, transmitter, optical system, receiver telescope, heat control, and radiation considerations. Establishing a technical alignment between missions and payload specifications is a key requirement in this process.
Methods: Fully investigating the challenges associated with the systematic analysis of Lidar payloads is essential. This paper presents comprehensive research on the challenges and requirements related to the design considerations of Lidar systems, focusing on the transmitter and receiver components, as well as environmental factors such as radiation effects and thermal issues. Following the initial system analysis, further exploration is needed to address considerations for the Lidar payload during the operational phase, encompassing challenges related to data extraction, signal quality, and signal-to-noise ratio.
Findings: Variations in the sun's radiation angle can impact the optical depth parameter of aerosols, affecting the lidar signal-to-noise ratio by 10-40% based on atmospheric conditions. Optimal data collection times are estimated around zenith angles below 50 degrees at approximately 10 am and 2 pm, correlating with sun angle and atmospheric light scattering. Additionally, sunrise and sunset can influence signal-to-noise ratio due to maximum dispersion. The calculation of total ionizing dose damage serves as a design bottleneck, determining laser module efficiency loss through critical power index assessment for active and passive heat control. This article explores technical bottlenecks and systemic considerations in lidar payloads, investigating the role of environmental factors such as sun radiation angle and space environment impact.
Conclusion: The findings indicate that environmental factors such as space radiation and atmospheric optical indices during the operational phase, as well as geometric, structural parameters, and heat management during the design phase, significantly impact the energy of each pulse and variations in the signal-to-noise ratio. This insight is crucial for accurately estimating design budgets at both system and subsystem levels. The outcomes of this study not only offer practical implications for case studies but also suggest potential enhancements through the exploration and inclusion of additional considerations, potentially at the subsystem or other payload component levels. Leveraging the results of this research can help guarantee the precision of Lidar performance in future phases.
کلیدواژه‌ها [English]
- Lidar
- Remote Sensing Satellite
- System Design
- Signal to Noise
- Zenith Angle
COPYRIGHTS
© 2024 The Author(s). This is an open-access article distributed under the terms and conditions of the Creative Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/)
)