С орбиты современные космические лазерные инструменты измеряют леса и рельеф Земли по одной узкой линии за раз. Между этими линиями существуют огромные пропасти, которые занимают миллионы акров земли, которые ученые никогда не измеряли напрямую. Инструмент НАСА CASALS объединит машинное обучение с ультракомпактным лидаром для адаптивного «осмотра» больших участков поверхности Земли. Эта новая возможность для удаленных датчиков космического базирования позволяет CASALS создавать по-настоящему трехмерные (3D) топографические изображения.
Видео полета CASALS над болотом Грейт-Кипарис в штате Делавэр, 12 ноября 2024 года. На нем верхушки деревьев показаны зеленым, земля — фиолетовым, а приземная растительность — синим.
Группа исследователей из Центра космических полетов Годдарда НАСА (GSFC) разработала новый инструмент, предназначенный для устранения слепых зон между линиями лидарных данных на поверхности Земли. Созданная при поддержке Управления технологий наук о Земле (ESTO) НАСА, параллельная спектрометрическая лидарная система с искусственным интеллектом (CASALS) может помочь исследователям картографировать особенности поверхности Земли с беспрецедентной детализацией. Вместо того, чтобы механически управлять лазером с помощью движущихся зеркал, CASALS управляет светом, используя саму длину волны, создавая непрерывную трехмерную полосу земли внизу.
Джон Йоркс, научный сотрудник GSFC и главный исследователь CASALS, объяснил, что прибор оснащен новым передатчиком и системой оптических решеток, которая манипулирует лазерными импульсами без тяжелых, подверженных сбоям моторизованных зеркал.
Вместо этого CASALS использует быстроимпульсный перестраиваемый «затравочный» лазер с длиной волны 1040 нанометров, быстро меняющий 256 уникальных длин волн, проходя через оптический компонент с микроскопическим рисунком выступов, называемый передающей решеткой.
В этот момент вступает в силу физика дифракции. Поскольку свет изгибается под разными углами в зависимости от его точной длины волны, решетка естественным образом «направляет» каждый из 256 импульсов в определенное положение на траектории полета.
Этот немеханический подход рисует непрерывную трехмерную полосу земли. Это не только устраняет большие неотмеченные зазоры, оставшиеся между изолированными дорожками устаревших космических лидаров, но и устраняет движущиеся части, что резко снижает требования к размеру, весу и мощности (SWaP) инструмента. Это делает его более надежным в суровых условиях космоса.
Еще одним ключевым нововведением CASALS является массив детекторов. Этот компонент обладает уникально высокой квантовой эффективностью (QE) — переменной, которая описывает, насколько эффективно детектор преобразует входящий свет (фотоны) в электрический сигнал. CASALS работает с 80% QE. Это означает, что CASALS почти не тратит зря свет, который возвращается к датчику.
При таком высоком QE CASALS может обнаруживать гораздо более слабые отраженные сигналы, что позволяет собирать полезные измерения с более темных поверхностей или через более густую растительность.
Эта технология не ограничивается лабораторной средой. В ноябре 2024 года прототип CASALS поднялся в воздух на борту самолета НАСА B200 King Air. В ходе своей первой кампании инструмент предоставил наборы данных научного качества, превзойдя ожидания команды.
«Я очень впечатлен Гуанг Яном, Джеффри Ченом и всеми нашими инженерами, а также тем, насколько хорошо работает CASALS. Он работал очень хорошо с первого раза, когда мы на нем летали, и это весьма впечатляет», — сказал Йоркс.
Летая на высоте около пяти километров, CASALS может различать отдельные ветви деревьев и тонкие изменения высоты земли благодаря своему горизонтальному разрешению в 22 сантиметра.
«Мы можем видеть очень мелкие детали структуры растительности и изменения топографии поверхности», — сказал Йоркс.
Команда намерена снова запустить CASALS в рамках кампании по исследованию поверхности, криосферы, экосистем и прибрежной топографии (ASCENT), запланированной на лето 2027 года.
Но предстоит еще многое сделать, чтобы подготовить технологию к использованию в космосе. Команда планирует внести несколько улучшений в CASALS, прежде чем создать готовый к использованию прототип. В частности, они расширяют диапазон применения инструмента и добавляют встроенное программное обеспечение для обработки данных.
Переход от успешного бортового прототипа к полностью реализованной космической миссии — непростая задача, но команда CASALS справится с этой задачей.
«Команда действительно проделала отличную работу, сплоченная и выполняющая задачи и график. Нас финансируют для оптимизации и улучшения производительности, а затем мы ищем способы использовать технологии, используемые в бортовых приборах, довести их до совершенства и подготовить для космической версии в будущем», — сказал Йоркс.
В случае успеха CASALS может стать первым космическим лидаром, способным отображать леса и местность Земли в виде непрерывных трехмерных полос, а не изолированных профилей, что даст ученым значительно более полную картину меняющейся планеты.
Дополнительные сведения см. в записи об этом проекте на сайте NASA TechPort.
Руководитель проекта: Джон Йоркс, Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
Спонсорская организация(и): Программа НАСА «Инкубация десятилетних исследований» (DSI); Программа инкубации приборов НАСА (IIP); Центр космических полетов имени Годдарда НАСА; Калифорнийский университет, Санта-Барбара; Политехнический институт Вирджинии и Государственный университет
Подробности
Научная редакционная группа НАСА
Центр космических полетов Годдарда
/ Публичный выпуск. Этот материал от исходной организации/автора(ов) может носить характер на определенный момент времени и отредактироваться для ясности, стиля и объема. Mirage.News не занимает институциональных позиций или сторон, и все взгляды, позиции и выводы, выраженные здесь, принадлежат исключительно автору(ам). Полный текст можно посмотреть здесь.
