O instrumento CASALS da NASA preenche lacunas em mapas 3D da superfície da Terra

A partir da órbita, os actuais instrumentos laser baseados no espaço medem as florestas e o terreno da Terra, uma linha estreita de cada vez. Entre essas linhas existem lacunas enormes que incluem milhões de hectares de terras que os cientistas nunca medem diretamente. O instrumento CASALS da NASA combinará o aprendizado de máquina com um instrumento lidar ultracompacto para ‘varrer’ de forma adaptativa grandes áreas da superfície da Terra. Esta nova capacidade para sensores remotos baseados no espaço permite que a CASALS crie representações topográficas verdadeiramente tridimensionais (3D).

Uma equipe de pesquisadores do Goddard Space Flight Center (GSFC) da NASA desenvolveu um novo instrumento projetado para eliminar pontos cegos entre linhas de dados lidar na superfície da Terra. Construído com o apoio do Earth Science Technology Office (ESTO) da NASA, o Concurrent Artificially-inteligent Spectrometry Lidar System (CASALS) poderia ajudar os pesquisadores a mapear as características da superfície da Terra com detalhes sem precedentes. Em vez de direcionar mecanicamente um laser com espelhos móveis, o CASALS direciona a luz usando o próprio comprimento de onda, gerando uma faixa 3D contínua do solo abaixo.

John Yorks, cientista de pesquisa física do GSFC e investigador principal do CASALS, explicou que o instrumento apresenta um novo transmissor e sistema de grade óptica que manipula pulsos de laser sem espelhos motorizados pesados ​​e propensos a falhas.

Em vez disso, o CASALS usa um laser de “semente” ajustável e de pulso rápido, centrado em 1.040 nanômetros, percorrendo rapidamente 256 comprimentos de onda exclusivos enquanto pulsa através de um componente óptico com um padrão microscópico de cristas chamado grade de transmissão.

Neste ponto, a física da difração assume o controle. Como a luz se curva em ângulos ligeiramente diferentes, dependendo do seu comprimento de onda exato, a grade naturalmente “direciona” cada um dos 256 pulsos para uma posição distinta ao longo da trajetória de voo.

Esta abordagem não mecânica pinta uma faixa 3D contínua do solo. Isso não apenas elimina as grandes lacunas não mapeadas deixadas entre as trilhas isoladas dos lidars espaciais legados, mas a remoção de peças móveis reduz drasticamente os requisitos de tamanho, peso e potência (SWaP) do instrumento. Isso o torna mais confiável para o ambiente hostil do espaço.

Outra inovação importante no CASALS é o seu conjunto de detectores. Este componente apresenta uma Eficiência Quântica (QE) excepcionalmente alta, uma variável que descreve a eficácia com que um detector converte a luz recebida (fótons) em um sinal elétrico. CASALS opera a 80% QE. Isso significa que o CASALS não desperdiça quase nenhuma luz que retorna ao sensor.

Com um QE tão alto, o CASALS pode detectar sinais de retorno muito mais fracos, permitindo coletar medições úteis em superfícies mais escuras ou através de vegetação mais densa.

Esta tecnologia não se limita a um ambiente de laboratório. Em novembro de 2024, um protótipo CASALS aerotransportado voou a bordo da aeronave B200 King Air da NASA. O instrumento produziu conjuntos de dados com qualidade científica em sua primeira campanha, superando as expectativas da equipe.

“Estou muito impressionado com Guang Yang, Jeffrey Chen e todos os nossos engenheiros, e com o bom desempenho do CASALS. Funcionou muito bem desde a primeira vez que voamos, o que é bastante impressionante”, disse Yorks.

Voando a uma altitude de cerca de cinco quilómetros, o CASALS consegue distinguir ramos individuais de árvores e mudanças subtis na elevação do solo, graças à sua resolução horizontal de 22 centímetros.

“Conseguimos ver detalhes muito precisos da estrutura da vegetação e das mudanças na topografia da superfície”, disse Yorks.

A equipe pretende voar CASALS novamente como parte do Superfície Aerotransportada, Criosfera, Ecossistema e Topografia Nearshore (ASCENT) campanha, prevista para o verão de 2027.

Mas há mais trabalho a fazer para preparar a tecnologia para o espaço. A equipe planeja fazer diversas melhorias no CASALS antes de criar um protótipo pronto para o espaço. Especificamente, eles estão ampliando o alcance do instrumento e adicionando software de processamento de dados integrado.

A transição de um protótipo aerotransportado de sucesso para uma missão espacial totalmente realizada é um desafio, mas a equipe CASALS está à altura da tarefa.

“A equipe realmente fez um ótimo trabalho unindo-se e mantendo as tarefas e o cronograma. Estamos sendo financiados para otimizar e melhorar o desempenho, e também estamos procurando maneiras de pegar as tecnologias usadas no instrumento aerotransportado e amadurecê-las e prepará-las para uma versão espacial no futuro”, disse Yorks.

Se for bem sucedido, o CASALS poderá tornar-se o primeiro lidar espacial capaz de mapear as florestas e o terreno da Terra como faixas tridimensionais contínuas em vez de perfis isolados, dando aos cientistas uma imagem dramaticamente mais completa do nosso planeta em mudança.

Para obter detalhes adicionais, consulte a entrada deste projeto em NASA TechPort.

Líder(es) do projeto: John Yorks, Goddard Space Flight Center da NASA

Organização(ões) patrocinadora(s): programa Decadal Survey Incubation (DSI) da NASA; Programa de Incubação de Instrumentos da NASA (IIP); Centro de Voo Espacial Goddard da NASA; Universidade da Califórnia, Santa Bárbara; Instituto Politécnico da Virgínia e Universidade Estadual