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From orbit, today’s laser instruments measure Earth’s forests and terrain one narrow line at a time. Between those lines lie enormous gaps, including millions of acres that scientists never directly measure. On a flight over the Great Cypress Swamp in Delaware on November 12, 2024, the instrument’s data showed tree canopy tops, the ground and the low vegetation in separate colors, all from a single continuous image.
Depuis l’orbite, les instruments laser actuels mesurent les forêts et le relief de la Terre une ligne étroite à la fois. Entre ces lignes s’étendent d’immenses vides, dont des millions d’acres que les scientifiques ne mesurent jamais directement. Lors d’un vol au-dessus du marais Great Cypress Swamp, dans le Delaware, le 12 novembre 2024, les données de l’instrument ont fait apparaître, dans des couleurs distinctes et sur une seule image continue, le sommet de la canopée, le sol et la végétation basse.
The trick is in the light. Conventional lidars steer their laser with moving mirrors. CASALS, developed with support from NASA’s Earth Science Technology Office, uses a fast-pulsing “seed” laser centered at 1040 nanometers that cycles through 256 wavelengths. It sends this light through a transmission grating, a component with a microscopic pattern of ridges. Because light bends at slightly different angles depending on its wavelength, the grating sends each of the 256 pulses to a different position across the flight path. The result is a swath of ground rather than a single track, and no moving parts are needed to produce it.
Tout tient à la lumière. Les lidars classiques orientent leur laser à l’aide de miroirs mobiles. CASALS, mis au point avec le soutien du bureau technologique des sciences de la Terre de la NASA, utilise un laser « germe » à impulsions rapides, centré sur 1040 nanomètres, qui parcourt 256 longueurs d’onde. Cette lumière traverse un réseau de transmission, un composant portant un motif microscopique de crêtes. Comme la lumière se courbe selon des angles légèrement différents selon sa longueur d’onde, le réseau envoie chacune des 256 impulsions vers une position différente le long de la trajectoire de vol. Il en résulte une bande de sol plutôt qu’une trace unique, sans qu’aucune pièce mobile ne soit nécessaire.
That design also matters for reliability. Motorized mirrors are heavy and prone to failure, and removing them drastically reduces the instrument’s size, weight and power requirements, which the team considers important for the harsh environment of space. The detector array adds a second advantage: it operates at 80% quantum efficiency, meaning it converts almost all of the returning light into an electrical signal. The team says this lets CASALS pick up much weaker return signals, which helps it measure darker surfaces or ground under denser vegetation.
Ce choix compte aussi pour la fiabilité. Les miroirs motorisés sont lourds et sujets aux pannes ; les supprimer réduit considérablement la taille, le poids et les besoins en énergie de l’instrument, ce que l’équipe juge essentiel pour l’environnement hostile de l’espace. La matrice de détection apporte un second avantage : elle fonctionne avec une efficacité quantique de 80 %, c’est-à-dire qu’elle convertit presque toute la lumière de retour en signal électrique. Selon l’équipe, cela permet à CASALS de capter des signaux de retour bien plus faibles, ce qui l’aide à mesurer des surfaces plus sombres ou le sol sous une végétation plus dense.
What this changes, and for whom, depends on the next steps. Scientists who study forests, terrain and changing ecosystems would gain a far more complete map than today’s isolated profiles provide. For now, the benefit is limited to aircraft flights: the team plans to fly CASALS again in the ASCENT campaign, scheduled for summer 2027, and has not announced when a spaceborne version could fly. Before that, it intends to widen the swath and add onboard data processing software.
Ce que cela change, et pour qui, dépend des prochaines étapes. Les chercheurs qui étudient les forêts, le relief et les écosystèmes en mutation disposeraient d’une cartographie bien plus complète que celle qu’offrent aujourd’hui les profils isolés. Pour l’instant, le bénéfice se limite aux vols en avion : l’équipe prévoit de faire voler de nouveau CASALS lors de la campagne ASCENT, prévue pour l’été 2027, et n’a pas annoncé à quelle date une version spatiale pourrait voler. D’ici là, elle compte élargir la bande et ajouter un logiciel de traitement des données embarqué.
The team’s confidence rests on a first campaign that, in the words of Yorks, “worked really well from the first time we flew it.” At roughly five kilometers’ altitude, CASALS already distinguishes individual tree branches and subtle changes in ground elevation, thanks to its 22-centimeter horizontal resolution. Turning that performance into a satellite still means a redesign of the swath and the processing, and NASA presents the outcome as conditional on success.
La confiance de l’équipe repose sur une première campagne qui, selon les mots de Yorks, « a très bien fonctionné dès la première fois que nous l’avons fait voler ». À une altitude d’environ cinq kilomètres, CASALS distingue déjà les branches individuelles des arbres et de subtiles variations d’altitude du sol, grâce à sa résolution horizontale de 22 centimètres. Transformer cette performance en satellite implique encore de repenser la bande et le traitement, et la NASA présente ce résultat comme conditionné à la réussite de ces travaux.