美国国家航空航天局的EMIT任务利用FPGA处理来测量表面矿物

为了让气候科学家更好地了解我们星球上的尘埃形成矿物，美国国家航空航天局的地球表面矿物尘源调查（EMIT）任务利用了来自广泛制造商的先进技术来帮助表征小尘粒的运动。

随着该任务的首次测量将于7月底进行，该任务的机载电子设备为太空等恶劣环境中的高性能数据处理和存储开创了新的先例，包括基于FPGA的计算。

 

EMIT仪器在模拟小尘埃颗粒的传输及其对地球气候的影响方面发挥着关键作用。图片由NASA喷气推进实验室提供

 

在这篇文章中，对EMIT任务进行了概述，同时介绍了国际空间站（ISS）为矿物表征所做的一些关键贡献。此外，还将根据特派团的动机和目前的成就讨论EMIT特派团的未来目标。

 

太空舒适度的测量

气候科学通常依赖于在全球范围内进行的测量。虽然当地的传闻证据通常可以引发一些讨论，但地球不能被解析为单独的封闭气候，而不会对彼此产生影响。

在推动EMIT任务的情况下，来自干旱地区的灰尘颗粒可以被数千英里外的强风吹走，从而改变当地气候。因此，必须采用全球范围的测量技术来获得全面的数据，使气候科学家能够充分了解气候变化的来源。

为了解决全球测量问题，美国国家航空航天局喷气推进实验室与其他公司合作开发了EMIT仪器。EMIT的核心是将传统成像与光谱法相结合，以确定地球表面的矿物含量。对于传统成像，在图像中的每个点上，只显示物体反射的可见波长。

然而，使用EMIT仪器，图像中的每个点都包含一个波长光谱，可用于确定图像中该点的矿物含量，帮助科学家量化可能影响当地气候的关键尘埃颗粒的潜在来源或目的地。

 

EMIT仪器功能框图的图像，说明了表征地球表面矿物的总体方法。图片由NASA喷气推进实验室提供

 

EMIT仪器目前安装在国际空间站上，它正在那里积极进行测量和处理，然后将其临时存储，以便将其传输回地面。由于该仪器连接在以17500英里/小时的速度移动的空间站上，因此采用了一种巧妙的设计技术来降低计算要求。

为了保持设计简单，EMIT设备只在垂直于国际空间站运动的单个维度上进行测量。尽管如此，向前运动允许将重复的测量“缝合”在一起，创建一个图像，同时一次只需要处理一列。

 

一次测量一列光谱

为了测量不同矿物产生的光谱，EMIT仪器依赖于来自多个机构的复杂光学、电气和机械部件。从地球表面反射的阳光使用反射镜聚焦，并被引导到光谱仪。

然后，它通过戴森块和衍射光栅，将入射光分离为光谱成分。然后可以使用顺序排序滤波器和检测器阵列对光进行排序和检测。光学组件由Arizona optical Systems、Optimax、Viavi Solutions和Teledyne Imaging Sensors开发。

 

带和不带外部面板的EMIT系统的图像。该系统由光学和电气组件组成，用于创建和表征接收到的光谱。图片由NASA喷气推进实验室提供

 

在撞击探测器阵列后，光的能量被转换为微弱的模拟信号。然后将该信号放大并数字化，然后将其输入高性能FPGA进行数字信号处理。EMIT的FPGA板设计基于XMC形状因子的标准Alpha Data COTS（商用现货）Zynq7100板。

在处理信号之后，数据被压缩并存储，以便从ISS下载。电气和机械部件由阿尔法数据公司、水星系统公司、诺斯罗普·格鲁曼公司和Sierra Lobo公司开发。

 

在太空中工作以了解地球

尽管国际空间站每90分钟绕地球一圈，但由于云层覆盖或其他混淆，EMIT仪器可能需要相当长的时间才能产生可靠和全面的测量结果。然而，一旦测量工作合理完成，气候科学家将有一种新的工具用于建模和了解地球气候

此外，阿尔法数据公司在其Zynq7100 FPGA中所做的创新预计将转移到未来需要高性能数据处理或下行链路的项目中，从而使EMIT项目受益于希望构建可靠的太空验证系统的气候科学家和设计师。