Ultra Compact Spaceborne Computational Single Photon 3D Imaging Based on Temporal Coding and Co-aperture Active-Passive Fusion

कल्पना कीजिए कि आप एक तेज़ रफ्तार ट्रेन से पृथ्वी की एक सटीक 3D फोटो लेने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन आपको केवल एक ऐसी टॉर्च इस्तेमाल करने की अनुमति है जो एक जुगनू को देखने के लिए भी बहुत कम चमकदार है, और आपको यह तब करना है जब सूरज आप पर चकाचौंध करने वाली रोशनी बरसा रहा हो। यह वैज्ञानिकों के लिए एक दैनिक चुनौती है जो अंतरिक्ष से हमारे ग्रह का मानचित्र बनाने की कोशिश कर रहे हैं। दशकों से, हम "LiDAR" (लाइट डिटेक्शन एंड रेंजिंग) पर भरोसा करते आए हैं, जो चमगादड़ के सोनार की तरह काम करता है लेकिन लेजर बीमों के साथ। यह प्रकाश का एक स्पंदन (पल्स) छोड़ता है, प्रतिध्वनि (इको) के वापस आने का इंतज़ार करता है, और दूरी की गणना करता है। हालाँकि, पारंपरिक अंतरिक्ष लेजर भारी, बड़े सूटकेस की तरह होते हैं जिन्हें छोटे उपग्रहों पर फिट करना मुश्किल होता है, और वे अक्सर सूरज चमकने के दौरान स्पष्ट रूप से देखने में संघर्ष करते हैं। दुनिया की पूरी तस्वीर पाने के लिए, हमें न केवल पहाड़ों और घाटियों की ऊँचाई को देखने की आवश्यकता है, बल्कि यह भी देखना है कि वे कैसे दिखते हैं (बनावट/टेक्सचर), और वह भी उपकरण को इतना हल्का रखते हुए जिसे एक छोटे, फुर्तीले उपग्रह पर लॉन्च किया जा सके।

इस नए शोध में बड़ी सफलता एक विशाल मात्रा में डेटा को एक छोटे से पैकेज में बिना शोर में खोए समाने का एक चतुर तरीका है। वैज्ञानिकों ने दो चीजों को जोड़ा: एक "को-अपर्चर" (co-aperture) डिज़ाइन, जिसका अर्थ है कि लेजर और कैमरा बिल्कुल एक ही खिड़की से देखते हैं ताकि वे इस बात पर कभी असहमत न हों कि चीजें कहाँ हैं, और एक "टेम्पोरल कोडिंग" (temporal coding) का तरीका। टेम्पोरल कोडिंग को एक गुप्त हाथ मिलाने (secret handshake) की तरह समझें। लेजर को एक स्थिर, अनुमानित लय में फ्लैश करने के बजाय (जिसे सूरज का शोर आसानी से नकल कर सकता है), यह एक अद्वितीय, अनियमित पैटर्न में फ्लैश करता है जो हर बार थोड़ा बदल जाता है। यह एक ड्रमर द्वारा एक जटिल, गैर-दोहराव वाली लय बजाने जैसा है; भले ही पृष्ठभूमि में बहुत अधिक शोर हो, फिर भी आपका मस्तिष्क उस विशिष्ट ताल को पहचान सकता है क्योंकि वही एकमात्र ताल है जो उस सटीक, अजीब पैटर्न का पालन करती है। यह सिस्टम को सूरज की चमक को अनदेखा करने और 3D मानचित्र बनाने के लिए व्यक्तिगत फोटॉन (प्रकाश के छोटे पैकेट) को गिनने की अनुमति देता है, वह भी दिन के उजाले में।

पेपर का बड़ा विचार: एक छोटा, सुपर-स्मार्ट स्पेस कैमरा

इस पेपर में, चीनी विज्ञान अकादमी और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम एक नए, अत्यंत कॉम्पैक्ट अंतरिक्ष आधारित सिस्टम का वर्णन करती है जिसे वे UCSMSPL कहते हैं। उन्होंने इस उपकरण को सफलतापूर्वक कक्षा (ऑर्बिट) में लॉन्च किया और साबित किया कि यह काम करता है। मुख्य लक्ष्य तीन बड़ी समस्याओं को हल करना था जो आमतौर पर उपग्रहों को बेहतरीन 3D तस्वीरें लेने से रोकती हैं: उपकरण बहुत भारी और बड़े होते हैं, सूरज की रोशनी लेजर सिग्नल को दबा देती है, और लेजर के ऊँचाई डेटा को कैमरे के चित्र डेटा के साथ पूरी तरह से मिलाना कठिन होता है।

टीम ने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जो लगभग एक बड़े सूटकेस के आकार (लगभग 0.18 घन मीटर) के स्थान में फिट हो जाता है और इसका वजन केवल 117 किलोग्राम है। अपने छोटे आकार के बावजूद, यह केवल एक लेजर बीम नहीं छोड़ता है; यह एक ही समय में 36 बीम छोड़ता है, जैसे कि जमीन पर फैलने वाला प्रकाश का एक शॉटगन ब्लास्ट। यह पृथ्वी के एक विस्तृत क्षेत्र को बहुत तेज़ी से स्कैन करने की अनुमति देता है।

यह सूरज और शोर को कैसे हराता है

बॉक्स के अंदर सबसे बड़ा जादू यह है कि वे "रेंज एम्बिग्युइटी" (range ambiguity) की समस्या को कैसे संभालते हैं। आमतौर पर, यदि आप अधिक डेटा प्राप्त करने के लिए बहुत तेज़ी से लेजर फायर करते हैं, तो पहले पल्स की प्रतिध्वनि दूसरे पल्स के साथ आ सकती है, जिससे कंप्यूटर भ्रमित हो जाता है। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने "टेम्पोरल कोडिंग" नामक विधि का उपयोग किया। प्रति सेकंड 20,000 पल्स को समान अंतराल पर चलाने के बजाय, उन्होंने उन्हें एक विशिष्ट, गैर-समान पैटर्न में चलाया। पल्स के बीच का समय 49.1 माइक्रोसेकंड से शुरू होता है और धीरे-धीरे बढ़कर 50.9 माइक्रोसेकंड हो जाता है।

कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़ भरे, शोर वाले कमरे में अपने दोस्त की फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। यदि वे एक सामान्य, स्थिर लय में बोलते हैं, तो आप उन्हें मिस कर सकते हैं। लेकिन यदि वे एक अद्वितीय, थोड़ी बदलती हुई लय में बोलते जिसे केवल वे जानते हैं, तो आप अपने कान को उस विशिष्ट पैटर्न के लिए ट्यून कर सकते हैं और भीड़ को अनदेखा कर सकते हैं। उपग्रह भी ऐसा ही करता है। यह अपने सेंसरों पर टकराने वाले प्रत्येक एकल फोटॉन को रिकॉर्ड करता है। भले ही उन फोटॉन्स में से अधिकांश सूरज से आने वाला यादृच्छिक शोर (random noise) हों, कंप्यूटर उस लेजर के विशिष्ट "ताल" या "लय" को खोजता है। जब इसे फोटॉन्स का एक समूह मिलता है जो 49.1 से 50.9 माइक्रोसेकंड के पैटर्न से मेल खाता है, तो यह जानता है, "आहा! ये असली प्रतिध्वनियाँ हैं!" यह उन्हें 400 किमी की ऊँचाई पर 400 किमी की गति से चलते हुए भी, 0.15 मीटर की सटीकता के साथ जमीन की दूरी की गणना करने की अनुमति देता है।

एक ही आँख से देखने का जादू

एक अन्य बड़ी उपलब्धि यह है कि उन्होंने लेजर और कैमरे को कैसे जोड़ा। आमतौर पर, एक उपग्रह के एक तरफ लेजर होता है और दूसरी तरफ कैमरा। क्योंकि वे अलग-अलग स्थानों पर हैं, वे दुनिया को थोड़े अलग कोणों से देखते हैं, जिससे "पैरालैक्स" (parallax) प्रभाव पैदा होता है (जैसे कि आपकी बाईं और दाईं आँखें चीजों को अलग तरह से देखती हैं)। इसे ठीक करने के लिए, इंजीनियरों को आमतौर पर चित्रों को संरेखित करने के लिए बाद में भारी गणित करना पड़ता है, जो धीमा है और त्रुटियां पैदा कर सकता है।

यह नया सिस्टम एक "को-अपर्चर" डिज़ाइन का उपयोग करता है। यह एक विशेष दर्पण (डाइक्रोइक बीमस्प्लिटर) का उपयोग करता है जो लेजर लाइट और दृश्य प्रकाश (visible light) को बिल्कुल एक ही टेलीस्कोप से गुजरने देता है। लेजर (1064 nm पर) 36 छोटे डिटेक्टरों की ओर जाता है, जबकि दृश्य प्रकाश (400 से 950 nm से) 1,440 पिक्सल वाले कैमरे की ओर जाता है। क्योंकि वे एक ही छेद से देखते हैं, इसलिए लेजर का ऊँचाई डेटा और कैमरे का चित्र शुरुआत से ही पूरी तरह से संरेखित होते हैं। पेपर 1:40 के स्थानिक पत्राचार (spatial correspondence) को दर्शाता है, जिसका अर्थ है कि लेजर की 36 बीम कैमरे के पिक्सल पर पूरी तरह से मैप होती हैं। परिणाम? उनके द्वारा जनरेट किया गया 3D मानचित्र दिखाता है कि पहाड़ों और घाटियों के रंग और बनावट ऊँचाई के डेटा के साथ पूरी तरह मेल खाते हैं, जिसमें संरेखण त्रुटियों को ठीक करने के लिए किसी भी अव्यवस्थित पोस्ट-प्रोसेसिंग की आवश्यकता नहीं है।

उन्होंने क्या पाया

जुलाई 2025 में पेलोड लॉन्च करने के बाद, टीम ने पहाड़ी इलाकों के ऊपर इसका परीक्षण किया। परिणाम प्रभावशाली थे। वे बिंदुओं के बीच 60 मीटर के रिज़ॉल्यूशन के साथ एक 3D टोपोग्राफिक मानचित्र बनाने में सफल रहे, जिसमें गहरी घाटियाँ और तीखी कटक रेखाएँ (ridges) दिखाई दे रही थीं। सिस्टम ने सूरज के शोर को सफलतापूर्वक फ़िल्टर कर दिया, और चमकीले दिन के उजाले में भी 10.6 dB का सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो हासिल किया। अंतिम 3D छवियों ने दिखाया कि लेजर डेटा और दृश्य-प्रकाश की बनावट पूरी तरह से जुड़ी हुई थी, जिसमें कोई "घोस्टिंग" या धुंधले किनारे नहीं थे, भले ही इलाके में तेजी से बदलाव हो रहा हो।

पेपर निष्कर्ष निकालता है कि यह सिस्टम यह साबित करता है कि एक उच्च-प्रदर्शन वाला, मल्टी-बीम 3D इमेजिंग सिस्टम बनाना संभव है जो छोटा, हल्का और एक माइक्रो-सैटेलाइट पर फिट होने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है। ऑप्टिकल इंटीग्रेशन (सब कुछ एक ही स्थान पर रखना) को कम्प्यूटेशनल डिकोडिंग (लय वाले तरीके) के साथ जोड़कर, उन्होंने अंतरिक्ष में एक नई पीढ़ी के उपग्रहों के लिए रास्ता खोल दिया है जो दिन या रात, लगातार पृथ्वी की सतह की 3D निगरानी कर सकते हैं, जिन्हें भारी, महंगे हार्डवेयर की आवश्यकता नहीं है। यह केवल एक लैब प्रयोग नहीं है; यह अंतरिक्ष में काम करने वाला एक सिस्टम है जो बताता है कि हम जल्द ही छोटे उपग्रहों के तारामंडल (constellations) रख सकते हैं जो वास्तविक समय में दुनिया के हमारे 3D मानचित्रों को लगातार अपडेट करते रहेंगे।