Systemauslegung eines Single Photon Detection Laser Altimeters für eine Kleinsatellitenmission im LEO

Kurzfassung

Laseraltimetrie ist eine leistungsfähige Methode um absolut kalibrierte digitale Geländemodelle von planetaren Oberflächen zu erstellen und Rückschlüsse auf die innere Struktur von Planeten zu erhalten. Die aktuellen ESA Missionen BepiColombo und JUICE tragen mit BELA und GALA zwei Beispiele für leistungsfähige klassische Laseraltimeter zur Planetenforschung. Das Messprinzip eines Laseraltimeters ist sehr einfach; basierend auf einer Lichtlaufzeitmessung. Ein starker und kurzer Laserlichtpuls mit typischerweise einigen 10 mJ Energie und 5 ns Länge wird von einem Festkörperlaser des Transmitters ausgesendet. Dieser trifft nach 400 bis 1000 km auf eine Planetenoberfläche, wird reflektiert und letztlich werden einige 100 Photonen von einem Empfangsteleskop des Instruments wieder aufgefangen. Aus der verstrichenen Zeit zwischen ausgesandtem und empfangenen Pulse lässt sich die Entfernung bestimmen. Die Instrumente bisher liegen dabei in einer Größenordnung von 20 kg, haben eine Leistungsaufnahme von ca. 50 W und beinhalten ein Teleskop mit Durchmesser von ca. 25 cm. Die Idee die Lichtlaufzeitmessung mit nur einzelnen Photonen durchzuführen, würde zu einer starken Reduzierung der oben genannten Ressourcen und somit zu einer Miniaturisierung des Instrumentes führen. Notwendig dafür sind unter anderem starke Hintergrundphotonenunterdrückung durch Einschränken des Sichtfelds und spektrale Filterung. Eine Konzeptstudie eines solchen Single Photon Detection Laseraltimeters mit Pulsenergien von weniger als 1 mJ und Teleskopdurchmessern von etwa 5 cm ist Gegenstand dieser Arbeit. Dazu werden neue Detektionsschemata unter Verwendung von sogenannten SPAD (Single Photon Avalanche Diodes) und Diodenlaser-gepumpten Microchip-Lasern untersucht und im Gesamtsystem mit Hinblick auf die Ressourcen Volumen, Masse und Leistungsaufnahme bewertet.