NASA’nın CASALS Enstrümanı Dünya Yüzeyinin 3B Haritalarındaki Boşlukları Dolduruyor

Yörüngeden bugün, uzay tabanlı lazer aletleri Dünya‘nın ormanlarını ve arazisini tek tek dar çizgiler halinde ölçüyor. Bu çizgilerin arasında, bilim insanlarının asla doğrudan ölçmediği milyonlarca dönüm arazi de dahil olmak üzere devasa boşluklar var. NASA‘nın CASALS aleti, makine öğrenimini ultra kompakt bir lidar aletiyle birleştirerek Dünya’nın yüzeyinin geniş alanlarını uyumlu biçimde “tarayacak.” Uzay tabanlı uzak algılayıcılar için bu yeni yetenek, CASALS’ın gerçekten üç boyutlu (3D) topoğrafik betimlemeler oluşturmasına olanak tanıyor.

12 Kasım 2024 tarihinde Delaware’deki Büyük Sazlık Çam Ormanı üzerinde yapılan bir CASALS uçuşundan görüntü; ağaç örtüsünün tepeleri yeşilde, yeri morda ve yere yakın bitki örtüsünü mavi gösteriyor.

Kaynak: NASA

NASA’nın Goddard Uzay Uçuşları Merkezi (GSFC) bünyesindeki bir araştırmacı ekibi, Dünya’nın yüzeyindeki lidar verisi çizgileri arasındaki kör noktaları ortadan kaldırmayı amaçlayan yeni bir alet geliştirdi. NASA’nın Dünya Bilimi Teknoloji Ofisi (ESTO) desteğiyle inşa edilen Eşzamanlı Yapay Zekâlı Spektrometri Lidal Sistemi (CASALS), araştırmacıların Dünya’nın yüzeyinin özelliklerini hiç görülmemiş ayrıntıyla haritalamalarına yardımcı olabilir. LASER ışını hareketli aynalarla mekanik olarak yönlendirmek yerine, CASALS ışığı kendisiyle yönlendirerek altındaki arazinin sürekli, 3D bir şeridi üretiyor.

GSFC’de fiziksel araştırmacı ve CASALS’ın Baş Araştırmacısı John Yorks, aletin, ağırlıklı ve arıza yapmaya eğilimli motorlu aynaları manipüle etmeyen yenilikçi bir verici ve optik grating sistemin sahip olduğunu açıkladı.

Bunun yerine, CASALS 1040 nanometrede merkezlenen, hızlı atış yapan ayarlanabilir bir “tohum” lazeri kullanıyor ve optik bir bileşen üzerinden hızlıca atış yaparken, mikroskobik bir oluk desenine sahip geçiş gratingi olarak adlandırılan bu bileşen üzerinden geçerken 256 benzersiz dalga boyu arasında hızlıca döngü yapıyor.

Bu noktada, kırınım fiziği devreye giriyor. Işık, tam dalga boyuna göre biraz farklı açılarla bündüğü için grating, 256 atışın her birini uçuş yolu boyunca ayrı bir konuma doğal biçimde yönlendiriyor.

Bu mekanik olmayan yaklaşım, yerin sürekli bir 3B şeridi boyunca taranmasını sağlar. Bu yöntem, eski uzay kaynaklı lidarların izole yolları arasında bıraktığı büyük taranmamış açıkları ortadan kaldırdığı gibi, hareketli parçaları ortadan kaldırarak aletin boyut, ağırlık ve güç (SWaP) gereksinimlerini de ciddi biçimde azaltır. Bu da aletin uzayın zorlu ortamı için daha güvenilir olmasını sağlar.

CASALS içindeki diğer bir yenilik de dedektör dizisidir. Bu bileşen, bir dedektörün gelen ışığı (fotonları) elektrik sinyaline ne kadar etkili biçimde dönüştürdüğünü tanımlayan, benzersiz derecede yüksek bir Kuantum Verimliliği (QE) sunar. CASALS, %80 QE değerinde çalışır. Bu da CASALS’ın sensöre geri dönen ışığın neredeyse hiçini israf etmediği anlamına gelir.

Bu kadar yüksek bir QE sayesinde CASALS, çok daha zayıf dönüş sinyallerini algılayabilir ve böylece daha koyu yüzeylerden veya daha yoğun bitki örtüsünden faydalı ölçümler toplayabilir.

Bu teknoloji yalnızca bir laboratuvar ortamıyla sınırlı değildir. Kasım 2024’te, havadan çalışan bir CASALS prototipi, NASA’nın B200 King Air uçağına binerek uçuş yaptı. Alet, ilk görevinde bilim kalitesinde veri setleri üretti ve ekibin beklentilerini karşıladı.

“Guang Yang, Jeffrey Chen ve tüm mühendislerimize ve CASALS’ın ne kadar iyi çalıştığına çok etkilendim. İlk uçuşumuzdan itibaren gerçekten iyi çalıştı, bu da oldukça etkileyici,” dedi Yorks.

Kabaca beş kilometrelik bir irtifada uçan CASALS, 22 santimetrik yatay çözünürlüğü sayesinde ağaç dallarını ayrı ayrı ayırt edebilir ve yükseklikteki ince değişimleri fark edebilir.

“Bitki yapısının gerçekten ince ayrıntılarını ve yüzeyin topoğrafyasındaki değişimleri görebiliyoruz,” dedi Yorks.

Ekip, CASALS’ı yaz 2027’de planlanan Havadan Yüzey, Buzul, Ekosistem ve Kıyı Yakını Topografyası (ASCENT) görevinde tekrar uçuşturmayı hedefliyor.

Ama teknolojiyi uzay için hazırlamaya yönelik daha fazla iş var. Ekip, uzaya hazır bir prototip oluşturmadan önce CASALS üzerinde birkaç iyileştirme yapmayı planlıyor. Spesifik olarak, aletin şeridini genişletmek ve araç içi veri işleme yazılımını eklemek istiyorlar.

Havadan kullanılan başarılı bir prototipten tamamen hayata geçirilen bir uzay görevine geçiş zorlu bir süreç olsa da, CASALS ekibi bu göreve hazır.

“Ekip, bir araya gelerek görevine ve programına sadık kalarak gerçekten büyük bir iş çıkardı. Performansı optimize etmek ve geliştirmek için fonlanıyoruz; ayrıca havadan kullanılan aletin teknolojilerini olgunlaştırıp gelecekte bir uzay sürümü için hazırlamanın yollarını da araştırıyoruz,” dedi Yorks.

Başarılı olursa, CASALS ormanları ve araziyi sürekli üç boyutlu şeritler halinde, izole profiller yerine eşleştirebilen ilk uzay kaynaklı lidar haline gelebilir ve bilim insanlarına değişen gezegenimiz hakkında çok daha kapsamlı bir resim sunabilir.

Daha fazla bilgi için bu projenin NASA TechPort üzerindeki girişine bakın.

Proje Liderleri: John Yorks, NASA Goddard Uzay Uçuş Merkezi

Sponsor Kuruluşlar: NASA’nın On Yıllık Araştırma Kuluçka Programı (DSI); NASA’nın Enstrüman Kuluçka Programı (IIP); NASA Goddard Uzay Uçuş Merkezi; California Üniversitesi, Santa Barbara; Virginia Teknik Enstitüsü ve Devlet Üniversitesi