从轨道上看，今天的空间激光仪器一次测量地球的森林和地形一条窄线。在这些线之间有巨大的空白区域，包括数百万英亩的土地，科学家们从未直接测量过。美国宇航局的CASALS仪器将结合机器学习与超紧凑的激光雷达仪器，以自适应地‘扫掠’地球表面的广阔区域。这种新能力使得空间遥感器能够创建真正的三维（3D）地形呈现。美国宇航局戈达德航天中心（GSFC）的一组研究人员开发了一种新仪器，旨在消除地球表面激光雷达数据线之间的盲点。该仪器在美国宇航局地球科学技术办公室（ESTO）的支持下构建，联合人工智能光谱激光雷达系统（CASALS）可以帮助研究人员以前所未有的细节绘制地球表面的特征。CASALS并不通过移动镜子机械地引导激光，而是通过波长本身来引导光，生成覆盖地面的连续3D带。GSFC的物理研究科学家、CASALS的首席研究员约翰·约克斯解释道，该仪器具有一种新型发射器和光学光栅系统，在无需重型且易故障的电动镜子的情况下操控激光脉冲。CASALS使用一种快速脉冲、可调的“种子”激光，中心波长为1040纳米，快速循环通过256种独特的波长，向一个具有微小花纹的光学元件，即传输光栅，脉冲传送。在这一点上，衍射物理学发挥作用。由于光的折射角度依赖于其确切波长，光栅自然地“引导”每一个256个脉冲到飞行路径上的独特位置。这种非机械的方法在画出地面的连续三维带的同时，消除了传统空间激光雷达孤立轨道之间的大量未绘制空白，同时去掉运动部件也大幅减少了仪器的尺寸、重量和功耗（SWaP）要求。这使它在严酷的太空环境中更加可靠。CASALS的另一个关键创新是其探测器阵列。该部件具有独特的高量子效率（QE），这是一个描述探测器如何有效地将入射光（光子）转换为电信号的变量。CASALS在80%的QE下工作。这意味着CASALS几乎没有浪费返回传感器的光。如此高的QE使CASALS能够探测到更弱的返回信号，从而使其能够从更暗的表面或更密集的植被中收集有用的测量数据。该技术并不局限于实验室环境。2024年11月，空中CASALS原型在美国宇航局的B200 King Air飞机上飞行。该仪器在首次任务中产生了科学质量的数据集，超出了团队的预期。“我对光阳、杰弗瑞·陈以及我们所有工程师的表现感到非常印象深刻，CASALS的表现非常出色。自从我们第一次飞行以来，这一切都很顺利，这真令人印象深刻，”约克斯说。在大约五公里的飞行高度，CASALS能够区分个体树枝和地面高程的细微变化，这要归功于其22厘米的水平分辨率。约克斯说：“我们能够看到植被结构和地表地形变化的非常细微的细节。”团队计划在2027年夏季的空中表面、冰冻圈、生态系统和近岸地形（ASCENT）活动中再次飞行CASALS。但在为太空做好准备的工作上还有很多。该团队计划在创建太空就绪原型之前对CASALS进行几项改进。具体来说，他们正在扩大仪器的扫描宽度并增加机载数据处理软件。从成功的空中原型过渡到完全实现的太空任务是一个挑战，但CASALS团队迎接这一任务。“团队在任务和时间安排上保持团结，做得非常出色。我们正在获得资金来优化和提高性能，同时还在寻找将空中仪器中使用的技术成熟并为未来的空间版本做准备的方法，”约克斯说。如果成功，CASALS可能成为首个能够将地球的森林和地形以连续三维带而不是孤立轮廓进行绘图的太空光学雷达，给科学家们提供一个更加全面的我们变化星球的图像。有关更多细节，请参见NASA TechPort上的此项目条目。项目负责人：约翰·约克斯，美国宇航局戈达德航天中心；赞助组织：美国宇航局的十年调查孵化（DSI）计划；美国宇航局的仪器孵化计划（IIP）；美国宇航局戈达德航天中心；加利福尼亚大学圣巴巴拉分校；弗吉尼亚理工大学。