લેઝરની દ્રષ્ટિ: LiDAR ટેકનોલોજીની કાર્યપદ્ધતિ અને તેની આધુનિક વિશ્વમાં અનિવાર્ય ભૂમિકા

આધુનિક ટેકનોલોજીની દુનિયામાં જ્યારે આપણે સ્વાયત્ત વાહનો (autonomous vehicles) અથવા સ્માર્ટફોનમાં ફેસ આઈડી જેવી સુવિધાઓની વાત કરીએ છીએ, ત્યારે પડદા પાછળ એક અત્યંત શક્તિશાળી ટેકનોલોજી કામ કરી રહી હોય છે જેને LiDAR કહેવામાં આવે છે. LiDAR એ 'Light Detection and Ranging' નું ટૂંકું નામ છે, જેનો શાબ્દિક અર્થ પ્રકાશ દ્વારા વસ્તુની ઓળખ અને તેનું અંતર માપવું એવો થાય છે. આ ટેકનોલોજી લેઝર પ્રકાશના કિરણોનો ઉપયોગ કરીને પદાર્થોનું સચોટ અંતર માપે છે અને તેની આસપાસની દુનિયાનો એક વિગતવાર ત્રિ-પરિમાણીય (3D) નકશો તૈયાર કરે છે. જેમ ચામાચીડિયું અવાજના તરંગોનો ઉપયોગ કરીને અંધારામાં રસ્તો શોધે છે, તેમ LiDAR લેઝર પ્રકાશનો ઉપયોગ કરીને મશીનોને જોવાની શક્તિ આપે છે.

LiDAR ની મૂળભૂત કાર્યપદ્ધતિ સમજવા માટે આપણે પ્રકાશની ગતિ પર ધ્યાન આપવું પડે. આ સિસ્ટમ એક લેઝર સ્ત્રોતમાંથી પ્રકાશના ટૂંકા પલ્સ (pulses) છોડે છે, જે વાતાવરણમાં મુસાફરી કરીને કોઈ પદાર્થ સાથે અથડાય છે. જ્યારે આ પ્રકાશ પદાર્થ સાથે અથડાઈને પાછો ફરે છે, ત્યારે સેન્સર તેને પકડી લે છે. પ્રકાશને સેન્સરથી પદાર્થ સુધી જવા અને પાછા આવવા માટે કેટલો સમય લાગ્યો, તેના આધારે અંતરની ગણતરી કરવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયાને 'ટાઈમ ઓફ ફ્લાઈટ' (Time of Flight) કહેવામાં આવે છે. પ્રકાશની ગતિ સેકન્ડના લાખોમાં ભાગ જેટલી ઝડપી હોવાથી, આ ગણતરી કરવા માટે અત્યંત ચોકસાઈવાળા ઈલેક્ટ્રોનિક્સની જરૂર પડે છે.

LiDAR નો ઇતિહાસ ઘણો જૂનો અને રસપ્રદ છે. આ ટેકનોલોજીનો વિચાર સૌપ્રથમ ૧૯૩૦માં ઈ. એચ. સિંજ (E. H. Synge) દ્વારા રજૂ કરવામાં આવ્યો હતો, જેમણે વાતાવરણની તપાસ કરવા માટે શક્તિશાળી સર્ચલાઈટનો ઉપયોગ કરવાની કલ્પના કરી હતી. જોકે, વાસ્તવિક LiDAR સિસ્ટમ ૧૯૬૧માં હ્યુજીસ એરક્રાફ્ટ કંપની (Hughes Aircraft Company) દ્વારા વિકસાવવામાં આવી હતી, જે લેઝરની શોધના થોડા સમય બાદ જ અસ્તિત્વમાં આવી હતી. શરૂઆતમાં તેને 'Colidar' (Coherent Light Detecting and Ranging) કહેવામાં આવતું હતું. આ સિસ્ટમનો ઉપયોગ સૈન્ય હેતુઓ અને સેટેલાઈટ ટ્રેકિંગ માટે કરવામાં આવતો હતો. ૧૯૬૩માં બનેલી 'Colidar Mark II' નામની સિસ્ટમ ૧૧ કિમી સુધીનું અંતર ૪.૫ મીટરની ચોકસાઈ સાથે માપી શકતી હતી.

સામાન્ય જનતાને LiDAR ની ક્ષમતાનો પરિચય ૧૯૭૧માં એપોલો ૧૫ (Apollo 15) મિશન દરમિયાન થયો હતો. તે સમયે અવકાશયાત્રીઓએ ચંદ્રની સપાટીનો નકશો બનાવવા માટે લેઝર અલ્ટિમીટર (laser altimeter) નો ઉપયોગ કર્યો હતો. ત્યારથી આ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ હવામાનશાસ્ત્રમાં વાદળો અને પ્રદૂષણ માપવા માટે થવા લાગ્યો. આજે, LiDAR નો ઉપયોગ એટલો વ્યાપક બન્યો છે કે તે પૃથ્વીની સપાટીના નકશા બનાવવા, જંગલોની ગીચતા માપવા અને મંગળ ગ્રહ પર ઉડતા 'ઇન્જેન્યુઇટી' (Ingenuity) હેલિકોપ્ટરના નેવિગેશન માટે પણ વપરાય છે.

LiDAR સિસ્ટમ મુખ્યત્વે ચાર ભાગોની બનેલી હોય છે: લેઝર, સ્કેનર અને ઓપ્ટિક્સ, ફોટોડિટેક્ટર અને પોઝિશનિંગ સિસ્ટમ. લેઝર એ પ્રકાશનો સ્ત્રોત છે જે સામાન્ય રીતે ૬૦૦ થી ૧,૦૦૦ નેનોમીટર (nm) ની વેવલેન્થ (wavelength) પર કામ કરે છે. વૈજ્ઞાનિક હેતુઓ સિવાયના ઉપયોગમાં આંખની સુરક્ષા માટે લેઝરની શક્તિ મર્યાદિત રાખવામાં આવે છે. ૧,૫૫૦ nm ની વેવલેન્થવાળા લેઝર વધુ સુરક્ષિત માનવામાં આવે છે કારણ કે તે માનવ આંખના રેટિના સુધી પહોંચતા પહેલા જ પાણી દ્વારા શોષાઈ જાય છે. આ કારણે આવા લેઝરનો ઉપયોગ લાંબા અંતરના માપન માટે વધુ પાવર સાથે કરી શકાય છે.

સ્કેનર અને ઓપ્ટિક્સનું કામ લેઝરના કિરણોને જુદી જુદી દિશામાં ફેલાવવાનું છે. આ માટે ઘણીવાર નાના અરીસાઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે જે ખૂબ જ ઝડપથી ફરે છે. આ અરીસાઓ લેઝરને આસપાસના વાતાવરણમાં સ્કેન કરે છે, જેનાથી એક સેકન્ડમાં લાખો પોઈન્ટ્સનું માપન શક્ય બને છે. આ પ્રક્રિયાથી જે ડેટા મળે છે તેને 'પોઈન્ટ ક્લાઉડ' (point cloud) કહેવામાં આવે છે. આ પોઈન્ટ ક્લાઉડ એ હજારો-લાખો બિંદુઓનો સમૂહ છે જે કોઈપણ વસ્તુનો આબેહૂબ 3D આકાર રજૂ કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, જો કોઈ કાર પર LiDAR લગાવેલું હોય, તો તે રસ્તા પરના ખાડા, અન્ય વાહનો અને રાહદારીઓને સ્પષ્ટ રીતે ઓળખી શકે છે.

જ્યારે લેઝર પ્રકાશ પદાર્થ સાથે અથડાઈને પાછો ફરે છે, ત્યારે તેને ઝીલવા માટે ફોટોડિટેક્ટર (photodetector) નો ઉપયોગ થાય છે. આ એક અત્યંત સંવેદનશીલ સેન્સર છે જે પ્રકાશના નબળા સંકેતોને પણ પકડી શકે છે. સિલિકોન એવેલાન્ચ ફોટોડાયોડ્સ (silicon avalanche photodiodes) આ માટેની પ્રચલિત ટેકનોલોજી છે. આ સંકેતોને પ્રોસેસ કરીને ડિજિટલ ડેટામાં ફેરવવામાં આવે છે. જો LiDAR સિસ્ટમ કોઈ ફરતા પ્લેટફોર્મ જેમ કે ડ્રોન કે વિમાન પર હોય, તો તેની સાથે GPS અને ઇનર્શિયલ મેઝરમેન્ટ યુનિટ (IMU) પણ જોડાયેલા હોય છે. આ સાધનો સેન્સરની ચોક્કસ સ્થિતિ અને દિશા નક્કી કરે છે, જેથી નકશામાં કોઈ ભૂલ ન રહે.

LiDAR માં બે પ્રકારની ડિટેક્શન પદ્ધતિઓ હોય છે: ઇનકોહરન્ટ (incoherent) અને કોહરન્ટ (coherent). ઇનકોહરન્ટ ડિટેક્શન મુખ્યત્વે પરાવર્તિત પ્રકાશની તીવ્રતા અથવા એમ્પ્લિટ્યુડ (amplitude) માપે છે. બીજી તરફ, કોહરન્ટ ડિટેક્શન વધુ જટિલ છે અને તે પ્રકાશના ફેઝ (phase) અથવા ડોપ્લર શિફ્ટ (Doppler shift) ને માપે છે. કોહરન્ટ સિસ્ટમ્સ વધુ સંવેદનશીલ હોય છે અને ઓછા પાવર પર પણ કામ કરી શકે છે, પરંતુ તેની બનાવટ વધુ ખર્ચાળ અને જટિલ હોય છે. મોટાભાગની વ્યાપારી LiDAR સિસ્ટમ્સ પલ્સ મોડલ (pulse model) પર આધારિત હોય છે, જેમાં પ્રકાશના ટૂંકા વિસ્ફોટો છોડવામાં આવે છે.

LiDAR ના ઉપયોગો માત્ર રસ્તાઓ પૂરતા મર્યાદિત નથી. સમુદ્રશાસ્ત્રમાં 'બાથિમેટ્રિક' (bathymetric) LiDAR નો ઉપયોગ થાય છે જે ૫૩૨ nm ના લીલા પ્રકાશનો ઉપયોગ કરે છે. આ ચોક્કસ વેવલેન્થ પાણીમાં ઊંડે સુધી જઈ શકે છે, જેનાથી સમુદ્રના તળિયાનો નકશો બનાવવો શક્ય બને છે. આ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરીને પુરાતત્વશાસ્ત્રીઓએ ગીચ જંગલોની નીચે છુપાયેલા પ્રાચીન શહેરો શોધી કાઢ્યા છે, જે સામાન્ય કેમેરા કે માનવ આંખથી જોવા અશક્ય હતા. જંગલની ઉપરથી ઉડતું વિમાન LiDAR દ્વારા જમીન સુધી પહોંચતા કિરણોનો ઉપયોગ કરીને વૃક્ષોની નીચેની સપાટીનો નકશો બનાવી શકે છે.

સ્વાયત્ત વાહનો માટે LiDAR એક વરદાન સમાન છે. ટેસ્લા જેવી કંપનીઓ ભલે કેમેરા પર વધુ ભાર મૂકતી હોય, પરંતુ વેમો (Waymo) અને અન્ય ઘણી કંપનીઓ માને છે કે સુરક્ષિત ડ્રાઇવિંગ માટે LiDAR અનિવાર્ય છે. કેમેરા રાત્રે અથવા તેજ પ્રકાશમાં થાપ ખાઈ શકે છે, પરંતુ LiDAR પોતાનો પ્રકાશ પોતે જ પેદા કરતું હોવાથી તે કોઈપણ પ્રકાશની સ્થિતિમાં સચોટ કામ કરે છે. તે પદાર્થનું અંતર સેન્ટીમીટરની ચોકસાઈ સાથે કહી શકે છે, જે અકસ્માત રોકવા માટે અત્યંત મહત્વનું છે. ફ્લેશ LiDAR (Flash LiDAR) જેવી નવી ટેકનોલોજીમાં આખી દ્રશ્ય શ્રેણીને એકસાથે પ્રકાશિત કરવામાં આવે છે, જેનાથી ગતિશીલ પદાર્થોના ફોટા વધુ સ્પષ્ટ મળે છે.

ભવિષ્યમાં LiDAR ટેકનોલોજી વધુ નાની અને સસ્તી બનવાની અપેક્ષા છે. હાલમાં સોલિડ-સ્ટેટ LiDAR (solid-state LiDAR) પર સંશોધન ચાલી રહ્યું છે, જેમાં કોઈ ફરતા ભાગો હોતા નથી. આનાથી સિસ્ટમ વધુ ટકાઉ અને સસ્તી બનશે. ભારતમાં પણ સ્માર્ટ સિટી પ્રોજેક્ટ્સ અને ઈન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચરના આયોજનમાં LiDAR નો ઉપયોગ વધી રહ્યો છે. ભલે તે ચંદ્ર પર ઉતરાણ કરવાનું હોય કે રસ્તા પર દોડતી સ્વાયત્ત કાર હોય, LiDAR ટેકનોલોજી આપણી જોવાની રીત અને મશીનોની સમજવાની રીતને કાયમ માટે બદલી રહી છે.