लेज़र की दृष्टि: LiDAR तकनीक की कार्यप्रणाली और आधुनिक विश्व में इसकी अनिवार्य भूमिका

आधुनिक तकनीक की दुनिया में जब हम स्वायत्त वाहनों (autonomous vehicles) या स्मार्टफोन में फेस आईडी जैसी सुविधाओं की बात करते हैं, तो पर्दे के पीछे एक अत्यंत शक्तिशाली तकनीक काम कर रही होती है जिसे LiDAR कहा जाता है। LiDAR, 'Light Detection and Ranging' का संक्षिप्त नाम है, जिसका शाब्दिक अर्थ प्रकाश द्वारा वस्तु की पहचान और उसकी दूरी मापना है। यह तकनीक लेज़र प्रकाश की किरणों का उपयोग करके वस्तुओं की सटीक दूरी मापती है और अपने आसपास की दुनिया का एक विस्तृत त्रि-आयामी (3D) नक्शा तैयार करती है। जैसे चमगादड़ ध्वनि तरंगों का उपयोग करके अंधेरे में रास्ता खोजता है, वैसे ही LiDAR लेज़र प्रकाश का उपयोग करके मशीनों को देखने की शक्ति देता है।

LiDAR की मूल कार्यप्रणाली को समझने के लिए हमें प्रकाश की गति पर ध्यान देना होगा। यह सिस्टम एक लेज़र स्रोत से प्रकाश के छोटे पल्स (pulses) छोड़ता है, जो वातावरण में यात्रा करके किसी वस्तु से टकराते हैं। जब यह प्रकाश वस्तु से टकराकर वापस लौटता है, तो सेंसर उसे पकड़ लेता है। प्रकाश को सेंसर से वस्तु तक जाने और वापस आने में कितना समय लगा, इसके आधार पर दूरी की गणना की जाती है। इस प्रक्रिया को 'टाइम ऑफ फ्लाइट' (Time of Flight) कहा जाता है। प्रकाश की गति सेकंड के लाखोंवें हिस्से जितनी तेज़ होने के कारण, इस गणना के लिए अत्यंत सटीक इलेक्ट्रॉनिक्स की आवश्यकता होती है।

LiDAR का इतिहास काफी पुराना और दिलचस्प है। इस तकनीक का विचार सबसे पहले 1930 में ई. एच. सिंज (E. H. Synge) द्वारा प्रस्तुत किया गया था, जिन्होंने वातावरण की जांच करने के लिए शक्तिशाली सर्चलाइट का उपयोग करने की कल्पना की थी। हालांकि, वास्तविक LiDAR सिस्टम 1961 में ह्यूजेस एयरक्राफ्ट कंपनी (Hughes Aircraft Company) द्वारा विकसित किया गया था, जो लेज़र की खोज के कुछ समय बाद ही अस्तित्व में आया था। शुरुआत में इसे 'Colidar' (Coherent Light Detecting and Ranging) कहा जाता था। इस सिस्टम का उपयोग सैन्य उद्देश्यों और सैटेलाइट ट्रैकिंग के लिए किया जाता था। 1963 में बनी 'Colidar Mark II' नामक सिस्टम 11 किमी तक की दूरी 4.5 मीटर की सटीकता के साथ माप सकती थी।

आम जनता को LiDAR की क्षमता का परिचय 1971 में अपोलो 15 (Apollo 15) मिशन के दौरान हुआ था। उस समय अंतरिक्ष यात्रियों ने चंद्रमा की सतह का नक्शा बनाने के लिए लेज़र अल्टीमीटर (laser altimeter) का उपयोग किया था। तब से इस तकनीक का उपयोग मौसम विज्ञान में बादलों और प्रदूषण को मापने के लिए होने लगा। आज, LiDAR का उपयोग इतना व्यापक हो गया है कि यह पृथ्वी की सतह के नक्शे बनाने, जंगलों का घनत्व मापने और मंगल ग्रह पर उड़ने वाले 'इंजेन्यूइटी' (Ingenuity) हेलीकॉप्टर के नेविगेशन के लिए भी इस्तेमाल किया जाता है।

LiDAR सिस्टम मुख्य रूप से चार भागों से बनी होती है: लेज़र, स्कैनर और ऑप्टिक्स, फोटोडिटेक्टर और पोजिशनिंग सिस्टम। लेज़र प्रकाश का स्रोत है जो सामान्यतः 600 से 1,000 नैनोमीटर (nm) की वेवलेंथ (wavelength) पर काम करता है। वैज्ञानिक उद्देश्यों के अलावा अन्य उपयोगों में आंखों की सुरक्षा के लिए लेज़र की शक्ति सीमित रखी जाती है। 1,550 nm की वेवलेंथ वाले लेज़र अधिक सुरक्षित माने जाते हैं क्योंकि वे मानव आंख के रेटिना तक पहुंचने से पहले ही पानी द्वारा अवशोषित हो जाते हैं। इस कारण ऐसे लेज़र का उपयोग लंबी दूरी के मापन के लिए अधिक पावर के साथ किया जा सकता है।

स्कैनर और ऑप्टिक्स का काम लेज़र की किरणों को अलग-अलग दिशाओं में फैलाना है। इसके लिए अक्सर छोटे दर्पणों का उपयोग किया जाता है जो बहुत तेज़ी से घूमते हैं। ये दर्पण लेज़र को आसपास के वातावरण में स्कैन करते हैं, जिससे एक सेकंड में लाखों पॉइंट्स का मापन संभव हो जाता है। इस प्रक्रिया से जो डेटा मिलता है उसे 'पॉइंट क्लाउड' (point cloud) कहा जाता है। यह पॉइंट क्लाउड हज़ारों-लाखों बिंदुओं का समूह है जो किसी भी वस्तु का सटीक 3D आकार प्रस्तुत करता है। उदाहरण के लिए, यदि किसी कार पर LiDAR लगा हो, तो वह सड़क पर गड्ढों, अन्य वाहनों और पैदल चलने वालों को स्पष्ट रूप से पहचान सकती है।

जब लेज़र प्रकाश पदार्थ से टकराकर वापस लौटता है, तो उसे पकड़ने के लिए फोटोडिटेक्टर (photodetector) का उपयोग किया जाता है। यह एक अत्यंत संवेदनशील सेंसर है जो प्रकाश के कमज़ोर संकेतों को भी पकड़ सकता है। सिलिकॉन एवेलांच फोटोडायोड्स (silicon avalanche photodiodes) इसके लिए प्रचलित तकनीक है। इन संकेतों को प्रोसेस करके डिजिटल डेटा में बदला जाता है। यदि LiDAR सिस्टम किसी चलते हुए प्लेटफॉर्म जैसे ड्रोन या विमान पर हो, तो उसके साथ GPS और इनर्शियल मेज़रमेंट यूनिट (IMU) भी जुड़े होते हैं। ये उपकरण सेंसर की सटीक स्थिति और दिशा निर्धारित करते हैं, ताकि नक्शे में कोई त्रुटि न रहे।

LiDAR में दो प्रकार की डिटेक्शन पद्धतियां होती हैं: इनकोहेरेंट (incoherent) और कोहेरेंट (coherent)। इनकोहेरेंट डिटेक्शन मुख्य रूप से परावर्तित प्रकाश की तीव्रता या एम्प्लिट्यूड (amplitude) को मापता है। दूसरी ओर, कोहेरेंट डिटेक्शन अधिक जटिल है और यह प्रकाश के फेज़ (phase) या डॉप्लर शिफ्ट (Doppler shift) को मापता है। कोहेरेंट सिस्टम अधिक संवेदनशील होते हैं और कम पावर पर भी काम कर सकते हैं, लेकिन इनकी बनावट अधिक महंगी और जटिल होती है। अधिकांश व्यावसायिक LiDAR सिस्टम पल्स मॉडल (pulse model) पर आधारित होते हैं, जिसमें प्रकाश के छोटे विस्फोट छोड़े जाते हैं।

LiDAR के उपयोग केवल सड़कों तक ही सीमित नहीं हैं। समुद्र विज्ञान में 'बाथिमेट्रिक' (bathymetric) LiDAR का उपयोग किया जाता है, जो 532 nm के हरे प्रकाश का उपयोग करता है। यह विशिष्ट वेवलेंथ पानी में गहराई तक जा सकती है, जिससे समुद्र के तल का नक्शा बनाना संभव हो जाता है। इस तकनीक का उपयोग करके पुरातत्वविदों ने घने जंगलों के नीचे छिपे प्राचीन शहरों को खोज निकाला है, जिन्हें सामान्य कैमरों या मानव आंखों से देखना असंभव था। जंगल के ऊपर से उड़ता विमान LiDAR द्वारा जमीन तक पहुंचने वाली किरणों का उपयोग करके पेड़ों के नीचे की सतह का नक्शा बना सकता है।

स्वायत्त वाहनों के लिए LiDAR एक वरदान के समान है। टेस्ला जैसी कंपनियां भले ही कैमरों पर अधिक जोर देती हों, लेकिन वेमो (Waymo) और अन्य कई कंपनियां मानती हैं कि सुरक्षित ड्राइविंग के लिए LiDAR अनिवार्य है। कैमरे रात में या तेज प्रकाश में धोखा खा सकते हैं, लेकिन LiDAR अपना प्रकाश स्वयं उत्पन्न करने के कारण किसी भी प्रकाश स्थिति में सटीक काम करता है। यह वस्तु की दूरी सेंटीमीटर की सटीकता के साथ बता सकता है, जो दुर्घटना रोकने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। फ्लैश LiDAR (Flash LiDAR) जैसी नई तकनीक में पूरे दृश्य क्षेत्र को एक साथ प्रकाशित किया जाता है, जिससे गतिशील वस्तुओं की तस्वीरें अधिक स्पष्ट मिलती हैं।

भविष्य में LiDAR तकनीक के और अधिक छोटा और सस्ता होने की अपेक्षा है। वर्तमान में सॉलिड-स्टेट LiDAR (solid-state LiDAR) पर शोध चल रहा है, जिसमें कोई घूमने वाले भाग नहीं होते हैं। इससे सिस्टम अधिक टिकाऊ और सस्ता हो जाएगा। भारत में भी स्मार्ट सिटी प्रोजेक्ट्स और इंफ्रास्ट्रक्चर की योजना में LiDAR का उपयोग बढ़ रहा है। भले ही वह चंद्रमा पर उतरना हो या सड़क पर दौड़ती स्वायत्त कार, LiDAR तकनीक हमारे देखने के तरीके और मशीनों के समझने के तरीके को हमेशा के लिए बदल रही है।