TOWARD ORBITAL SEISMOLOGY THEORY FOR SPECKLE NOISE REDUCTION IN LASER DOPPLER VIBROMETER MEASUREMENT

The  interior  structures  of  small  planetary  bodies  such  as  asteroids  and  comets  are  anenigma,  yet  understanding  them  has  immense  value.  Knowing  the  internal  structure  is  important  for  understanding  the  formation  and  evolution  of  the  solar  system  and  also  hasimplications  for  in-situ  resource  exploitation  and  planetary  defense  from  asteroids.  Despitethe  immense  value,  no  detailed  investigation  of  the  interior  properties  of  an  asteroid  has  yetbeen  made.  Although  orbital  radar  and  lander  based  seismological  approaches  have  beenproposed  to  make  direct  interior  observations,  it  has  not  yet  been  demonstrated  that  radarcould  transmit  through  a  rocky  asteroid,  nor  that  landing  multiple  seismometers  is  feasible  or  affordable.  An  elegant  alternative  to  landed  seismometers  is  orbital  laser  Dopplervibrometry,  which  could  record  seismic  shaking  of  a  small  body  without  contact  with  thesurface.  Laser  Doppler  vibrometers  (LDVs)  are  mature  instruments  for  terrestrial  applications;  and  could  function  similarly  in  a  space  environment.  However,  when  incident  on  arough  surface  like  an  asteroid  regolith,  an  LDV  is  subject  to  laser  speckle  noise  which  maybe  misinterpreted  as  seismic  shaking.  I  address  the  challenge  of  making  LDV  measurementson  naturally  rough  surfaces  by  quantifying  the  laser  speckle  noise  that  an  orbital  LDV  wouldencounter  during  a  hypothetical  orbital  measurement.  Specifically,  I  simulate  an  LDV  measurement  of  a  seismic  signal  generated  by  an  impact  source  on  the  asteroid  101955  Bennu.

I  demonstrate  that  speckle  noise  can  be  attenuated  by  combining  multiple  signals  recordedby  an  orbital  seismometer  equipped  with  multiple  LDV  sensors.  By  mitigating  laser  speckle,I  demonstrate  that  an  orbital  LDV  can  record  seismic  signals  on  a  natural  asteroid  surface,which  would  enable  an  orbital  seismometer  to  achieve  the  dense  global  coverage  necessaryfor  high  resolution  interior  imaging.