NASA의 CASALS가 3D 지구 지도의 공백을 메웁니다.

오늘날의 우주 기반 레이저 장비는 궤도에서 지구의 숲과 지형을 한 번에 하나의 좁은 선으로 측정합니다. 그 선들 사이에는 수백만 에이커의 토지 과학자들이 직접적으로 측정하지 못하는 엄청난 격차가 있습니다. NASA의 CASALS 장비는 기계 학습과 초소형 LiDAR 장비를 결합하여 지구 표면의 넓은 범위를 적응적으로 ‘스윕’합니다. 우주 기반 원격 센서를 위한 이 새로운 기능을 통해 CASALS는 진정한 3차원(3D) 지형 렌더링을 생성할 수 있습니다.

NASA의 고다드 우주비행센터(GSFC) 연구진은 지구 표면의 LiDAR 데이터 라인 사이의 사각지대를 제거하도록 설계된 새로운 장비를 개발했습니다. NASA의 지구 과학 기술 사무소(ESTO)의 지원으로 구축된 CASALS(Concurrent Artificially-intelligent Spectrometry Lidar System)는 연구자들이 전례 없는 세부 사항으로 지구 표면의 특징을 매핑하는 데 도움을 줄 수 있습니다. CASALS는 움직이는 거울로 레이저를 기계적으로 조종하는 대신 파장 자체를 사용하여 빛을 조종하여 아래 땅에 연속적인 3D 폭을 생성합니다.

GSFC의 물리 연구 과학자이자 CASALS의 수석 연구원인 John Yorks는 이 장비가 무겁고 고장이 나기 쉬운 전동 거울 없이 레이저 펄스를 조작하는 새로운 송신기와 광학 격자 시스템을 특징으로 한다고 설명했습니다.

대신 CASALS는 1040나노미터를 중심으로 하는 빠른 펄스의 조정 가능한 “시드” 레이저를 사용하여 투과 격자라고 불리는 미세한 능선 패턴이 있는 광학 구성 요소를 통해 펄스를 보내면서 256개의 고유한 파장을 빠르게 순환합니다.

이 시점에서 회절 물리학이 이어집니다. 빛은 정확한 파장에 따라 약간 다른 각도로 구부러지기 때문에 격자는 자연스럽게 256개의 펄스 각각을 비행 경로에 걸쳐 뚜렷한 위치로 “조정”합니다.

이 비기계적 접근 방식은 지면의 연속적인 3D 폭을 그립니다. 이는 기존 우주선 LiDAR의 격리된 트랙 사이에 남겨진 매핑되지 않은 큰 간격을 제거할 뿐만 아니라 움직이는 부품을 제거하면 장비의 크기, 무게 및 전력(SWaP) 요구 사항이 크게 줄어듭니다. 이는 우주의 혹독한 환경에서 더욱 신뢰성을 높여줍니다.

CASALS의 또 다른 주요 혁신은 검출기 배열입니다. 이 구성 요소는 검출기가 들어오는 빛(광자)을 전기 신호로 얼마나 효과적으로 변환하는지 설명하는 변수인 QE(양자 효율)가 독특하게 높습니다. CASALS는 80% QE로 운영됩니다. 이는 CASALS가 센서로 다시 들어오는 빛을 거의 낭비하지 않는다는 것을 의미합니다.

CASALS는 높은 QE를 통해 훨씬 약한 반사 신호를 감지할 수 있으므로 더 어두운 표면이나 밀도가 높은 식물을 통해 유용한 측정값을 수집할 수 있습니다.

이 기술은 실험실 환경에만 국한되지 않습니다. 2024년 11월, 항공 CASALS 프로토타입이 NASA의 B200 King Air 항공기를 타고 비행했습니다. 이 장비는 첫 번째 캠페인에서 과학 수준의 데이터 세트를 생성하여 팀의 기대치를 뛰어넘었습니다.

“저는 Guang Yang, Jeffrey Chen 및 모든 엔지니어들과 CASALS의 성능에 깊은 인상을 받았습니다. 이것은 우리가 처음 비행했을 때부터 정말 잘 작동했으며 꽤 인상적이었습니다.”라고 Yorks는 말했습니다.

약 5km의 고도에서 비행하는 CASALS는 22cm의 수평 해상도 덕분에 개별 나뭇가지와 지상 고도의 미묘한 변화를 구분할 수 있습니다.

Yorks는 “우리는 식생 구조와 표면 지형 변화에 대한 아주 미세한 세부 사항을 볼 수 있습니다.”라고 말했습니다.

이 팀은 2027년 여름으로 예정된 ASCENT(Airborne Surface, Cryosphere, Ecosystem, Nearshore Topography) 캠페인의 일환으로 CASALS를 다시 비행하는 것을 목표로 하고 있습니다.

하지만 우주에 적합한 기술을 준비하려면 해야 할 일이 더 많습니다. 팀은 우주용 프로토타입을 만들기 전에 CASALS에 몇 가지 개선을 적용할 계획입니다. 특히 계측기 범위를 넓히고 온보드 데이터 처리 소프트웨어를 추가하고 있습니다.

성공적인 공중 프로토타입에서 완전히 실현된 우주 임무로 전환하는 것은 어려운 일이지만 CASALS 팀은 그 일을 해낼 수 있습니다.

Yorks는 “팀은 함께 뭉치고 작업과 일정을 유지하는 데 정말 훌륭한 일을 해냈습니다. 우리는 성능을 최적화하고 개선하기 위한 자금을 지원받고 있으며 또한 항공 장비에 사용되는 기술을 성숙시키고 미래의 우주 버전을 준비하는 방법을 찾고 있습니다.”라고 말했습니다.

성공한다면 CASALS는 지구의 숲과 지형을 고립된 프로필이 아닌 연속적인 3차원 폭으로 매핑할 수 있는 최초의 우주 비행 레이더가 되어 과학자들에게 변화하는 행성에 대한 훨씬 더 완전한 그림을 제공할 수 있습니다.

자세한 내용은 NASA TechPort에서 이 프로젝트 항목을 참조하세요.

프로젝트 리더: John Yorks, NASA 고다드 우주 비행 센터

후원 기관: NASA의 DSI(Decadal Survey Incubation) 프로그램; NASA의 IIP(Instrument Incubation Program); NASA의 고다드 우주 비행 센터; 캘리포니아대학교, 산타바바라; 버지니아 폴리테크닉 연구소 및 주립대학교