سامانه لیدار کاسالز ناسا: نقشه‌برداری سه‌بعدی و پیوسته از سطح زمین بدون نقاط کور

ابزارهای لیزری فضایی کنونی، جنگل‌ها و پستی‌بلندی‌های زمین را صرفاً در امتداد خطوطی باریک ثبت می‌کنند؛ رویکردی که شکاف‌های پهناوری بر جای می‌گذارد و پهنه‌هایی به وسعت میلیون‌ها هکتار بدون پایش مستقیم باقی می‌مانند. اکنون ابزار نوین ناسا با نام «کاسالز» (CASALS) این داده‌های تکه‌تکه را با روبش پیوسته و سه‌بعدی سطح جایگزین کرده است.[1][4]

لیدارهای مداری سنتی، مانند سامانه‌هایی که امروزه تغییرات ارتفاع یخ‌های قطبی و تاج‌پوش جنگل‌ها را دنبال می‌کنند، برای ترسیم نقشه‌های توپوگرافی به آینه‌های مکانیکی یا ردپاهای هم‌پوشان متکی هستند. این سازوکار ذاتاً نیم‌رخ‌هایی منزوی ایجاد می‌کند که میانشان فواصل وسیع نقشه‌برداری‌نشده وجود دارد و همین مسئله تفکیک‌پذیری نهایی داده‌ها را به شدت محدود می‌سازد.[1][2]

وجود این نقاط کور پژوهشگران را ناچار می‌کند ارتفاع و ساختار پوشش گیاهی را در فواصل میان مسیرهای ماهواره با درون‌یابی ریاضی حدس بزنند. این تخمین‌ها به عدم قطعیت جدی در مدل‌های حساس اقلیمی می‌انجامد؛ به‌ویژه هنگام بررسی جنگل‌های انبوه چندلایه یا نوار‌های ساحلی دستخوش تغییر که ساختار زمین در فواصل کوتاه، دگرگونی‌های شدیدی تجربه می‌کند.[1]

هدایت پرتو با طول موج

سامانه هم‌زمان لیدار و طیف‌سنجی مبتنی بر هوش مصنوعی یا به اختصار «کاسالز»، با کنار گذاشتن قطعات مکانیکی متحرک این شکاف پوششی را برطرف کرده است. این پیش‌نمونه فضایی که در مرکز پروازهای فضایی گادرد ناسا توسعه یافته، به جای اتکا به آینه‌های موتوردار سنگین و آسیب‌پذیر، پرتوهای لیزر را از طریق پراش طول موج هدایت می‌کند.[1][4]

در کانون این سامانه، یک لیزر مادر تپش‌سریع با طول موج قابل تنظیم قرار دارد که در محدوده ۱۰۴۰ نانومتر کار می‌کند. این لیزر هنگام کار، در میان ۲۵۶ طول موج مشخص جابه‌جا می‌شود و پرتوهای پالسی را از درون قطعه‌ای نوری که حامل شیارهای میکروسکوپی است — موسوم به توری پراش عبوری — می‌تاباند.[1][3]

هنگام عبور نور از این توری، قوانین فیزیک پراش دست‌به‌کار می‌شوند؛ از آنجا که زاویه شکست نور بستگی مستقیمی به طول موج دقیق آن دارد، توری پراش به‌طور ذاتی هر یک از ۲۵۶ تپ لیزری را با زاویه‌ای مشخص و پیش‌بینی‌پذیر در راستای عرضی مسیر پرواز پراکنده می‌کند.[1][4]

این پراکندگی غیرمکانیکی، نواری سه‌بعدی و پیوسته را روی زمین جاروب می‌کند. حذف قطعات متحرک و موتوردار، اندازه، وزن و مصرف توان دستگاه را به شکل چشمگیری کاهش داده و پایداری سخت‌افزار را برای تاب‌آوری در شرایط دشوار مداری به‌طور ملموسی بالا برده است.[1]

فعالیت در محیط‌های فقیر از فوتون

کاسالز برای دریافت فوتون‌های بازتابیده، از آرایه‌ای بسیار حساس با بازده کوانتومی ۸۰ درصد بهره می‌برد. چنین عددی نشان می‌دهد که حسگر تقریباً تمام فوتون‌های دریافتی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند و کمترین پرتوی بازتابی تلف نمی‌شود.[1][2]

دستیابی به بازده کوانتومی بالا برای لیدارهای فضایی حیاتی است؛ سامانه‌هایی که در شرایط فقر فوتونی کار می‌کنند و پرتوهای بازگشتی‌شان بسیار ضعیف است. این حساسیت فوق‌العاده به کاسالز امکان می‌دهد حتی از سطوح تیره یا از لابلای تاج‌پوش انبوه جنگل‌ها که بخش عمده نور را می‌بلعند، داده‌های ارتفاع‌سنجی معتبری گردآوری کند.[1][4]

کارایی عملیاتی این فناوری طی مأموریتی هوابرد روی هواپیمای B200 کینگ‌ایر ناسا به اثبات رسید. این پیش‌نمونه در پروازی برفراز مرداب گریت سایپرس ایالت دلاور در ۱۲ نوامبر ۲۰۲۴، در همان نخستین گام توانست داده‌هایی با کیفیت استاندارد علمی تولید کند.[1][3]

در جریان این پروازها، ابزار یادشده از ارتفاع پنج کیلومتری به وضوح افقی ۲۲ سانتی‌متر دست یافت. بازنمایی‌های سه‌بعدی به‌دست‌آمده، شاخه‌های مجزای درختان، پوشش گیاهی نزدیک به سطح زمین و حتی جابه‌جایی‌های اندک تراز زمین را در زیر لایه‌های درهم‌تنیده مرداب به وضوح آشکار کردند.[1][4]

تصمیم‌گیری خودکار در مدار

خروجی بصری این آزمایش‌های هوابرد، بالاترین نقطه تاج درختان را با رنگ سبز روشن، بستر جامد زمین را با بنفش و رویش‌های نزدیک خاک را با رنگ آبی تفکیک کرد. چنین سطحی از جزئیات، دانشمندان را قادر می‌سازد تا پیچیدگی‌های ساختاری یک اکوسیستم کامل را در یک پرواز پیوسته بدون وقفه ارزیابی کنند.[1]

جان یورکس، دانشمند پژوهشگر علوم فیزیکی در گادرد و پژوهشگر ارشد پروژه کاسالز، در این باره می‌گوید: «ما اکنون قادریم کوچک‌ترین جزئیات ساختار گیاهی و تغییرات عوارض زمین را با وضوحی کم‌نظیر ببینیم.»[1][2]

یورکس می‌افزاید: «عملکرد گوانگ یانگ، جفری چن و تمام مهندسان ما و شیوه کارکرد کاسالز واقعاً شگفت‌انگیز بود؛ اینکه سامانه از نخستین پرواز چنین نتایج درخشانی به جا گذاشت دستاورد بزرگی است.»[1]

این سامانه علاوه بر سخت‌افزار اپتیکی پیشرفته، از هوش مصنوعی آنبرد برای پردازش مستقل داده‌های تصویربرداری ابرطیفی بهره می‌برد. الگوریتم‌های یادگیری ماشین به دستگاه اجازه می‌دهند هدف‌گیری پرتوهای لیدار را در لحظه بهینه کند، بی‌آنکه نیازی به انتظار برای فرامین با تأخیر از سوی پایگاه‌های زمینی در فواصل دور باشد.[1][4]

گسترش ابعاد مأموریت

این توان پردازشی در عین حال با گزینش زیرمجموعه‌های نواری طیفی، حجم داده‌ها را مدیریت و فشرده می‌کند. کاسالز با طبقه‌بندی تصاویر و فشرده‌سازی خروجی‌ها مستقیماً روی پلتفرم ماهواره، نقشه‌های سه‌بعدی با تفکیک‌پذیری بالا را بدون اشغال پهنای باند مخابراتی محدود ماهواره‌های علمی به زمین ارسال می‌کند.[1]

نقشه‌برداری پیوسته نواری که توسط کاسالز انجام می‌شود، مستقیماً به اهداف کلیدی مأموریت‌های آتی علوم زمین پاسخ می‌دهد. داده‌های این سامانه با اندازه‌گیری دقیق زیست‌توده هوایی و ردگیری دگرگونی‌های خطوط ساحلی در گذر زمان، مدل‌های چرخه جهانی کربن را به سطحی تازه از دقت ارتقا خواهند داد.[1][2]

تیم مهندسی اکنون در تلاش است عرض نوار پیمایش را گسترش داده و نرم‌افزار پردازش آنبرد را پالایش کند. مرحله بعدی ارزیابی هوابرد زیر عنوان کارزار اسنت (ASCENT) برای تابستان ۲۰۲۷ برنامه‌ریزی شده است.[1][4]

یورکس خاطرنشان کرد: «تیم پروژه همبستگی فوق‌العاده‌ای نشان داد و کارها طبق برنامه پیش رفت. اکنون بودجه لازم برای بهبود کارایی سامانه را در اختیار داریم و به دنبال راهکارهایی هستیم تا این فناوری آزمایش‌شده در هواپیما را برای مأموریت‌های نهایی آماده کنیم.»[1]

تبدیل این پیش‌نمونه به یک مأموریت کامل فضایی، کماکان هدف اصلی دانشمندان است. در صورت تحقق این برنامه، کاسالز نخستین لیدار فضایی خواهد بود که سطوح سیاره‌ای را در قالب نوارهای سه‌بعدی و یکنواخت ثبت می‌کند؛ تحولی که نحوه سنجش تغییرات ناهمواری‌های زمین را دگرگون خواهد کرد.[1][3]