1917 年，愛因斯坦提出了產(chǎn)生激光的理論，43 年后，梅曼發(fā)明了第一臺(tái)激光器。激光作為人造光源里最為鶴立雞群的那個(gè)，被譽(yù)為：" 最快的刀，最準(zhǔn)的尺，最亮的光 "。

今天，我們就講講拿激光做 " 尺子 " 這個(gè)事。

Part.1

激光測(cè)距，一把摸不到的尺

如果想要知道我們離月亮有多遠(yuǎn)該怎么辦？

常規(guī)方法是這樣的：拿個(gè)皮尺從地球扯到月亮。可是，上哪找那么長的皮尺，又要找誰才能把尺子一路扯到月亮上呢？鋼鐵俠嗎？

這顯然是行不通的，當(dāng)然辦法總比困難多，科學(xué)家們換個(gè)思路就把目光聚焦到了 " 光 " 上面。

光的傳播速度是：v = 299792 千米每秒，假設(shè)我們從地球發(fā)射一束光，光到達(dá)月球表面并反射回來，花了 t 秒的時(shí)間，那么光行進(jìn)的路程 S = v×t, 而月亮跟地球的距離就是 S 的一半。

這下子不用人扯皮尺也能測(cè)出地球和月球間的距離了，不過新的問題又出現(xiàn)了，選什么光才能保證完成任務(wù)呢？首先這光需要足夠亮，方向性足夠好，這樣才能到達(dá)月亮再返回來并被我們接收到，那么隨便拿個(gè)手電筒肯定是不行的。

聽說激光又亮，方向性又好？那就選它了！

于是為了激光能順利到達(dá)月球并反射回地球，宇航員們?cè)诘窃碌臅r(shí)候特意留了幾塊反射激光的鏡子，這使得科學(xué)家們利用激光測(cè)量地月距離時(shí)，返回地球的激光信號(hào)變得更強(qiáng)。

人類最后一次登月在 50 年前，而那時(shí)候放在月亮上的鏡子到現(xiàn)在都還在工作中。也正是利用激光測(cè)距，我們才知道了月亮正以平均每年 3.8 厘米的速度遠(yuǎn)離地球。

宇航員奧爾德林正在放置地震儀和鏡子（鏡子全名：激光測(cè)距后向反射器）

( 圖源：project apollo archive )

Part.2

激光雷達(dá)：核心是激光測(cè)距，360 度環(huán)繞的那種

人類探索的腳步是永不停歇的，知道地球和月球之間距離多遠(yuǎn)后，科學(xué)家們又忙著探測(cè)月球更多的秘密，比如月球表面的形貌是怎樣的？我們?nèi)绾卧诳涌油萃莸脑虑虮砻嫔线x擇一塊相對(duì)平整的地方停靠人類的飛船？

顯然，光知道月球上一個(gè)點(diǎn)離我們多遠(yuǎn)是不夠的。那怎么辦？

辦法就是——把探測(cè)的范圍擴(kuò)大，一次測(cè)量很多個(gè)點(diǎn)，記錄每個(gè)點(diǎn)的方向與距離信息，再根據(jù)收集到的信息解算出被探測(cè)面的形貌，而這也正是激光雷達(dá)的工作原理。

激光測(cè)量周圍許多點(diǎn)的距離，感知周圍環(huán)境的形貌

（圖源 ;wiki 百科）

第一代機(jī)械式激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)與上邊的模型類似，在激光測(cè)距儀的基礎(chǔ)上，加一面能夠快速變換位置的反射鏡，它就能將激光反射到各個(gè)方向。

激光雷達(dá)在工作時(shí)會(huì)旋轉(zhuǎn)著掃描周圍的環(huán)境，類似于人手上拿著激光測(cè)距儀，原地轉(zhuǎn)圈的同時(shí)手還在上下移動(dòng)，這樣就能測(cè)量出周圍環(huán)境的形貌信息。

搭載到汽車上的激光雷達(dá)，每秒測(cè)量數(shù)十萬次周圍環(huán)境的距離信息，每次測(cè)距都生成一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，大量數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成描述三維環(huán)境的點(diǎn)云。

（圖源：velodyne.inc）

Part.3

大規(guī)模應(yīng)用，降成本是關(guān)鍵

第一代激光雷達(dá)面世后，它讓大家覺得 , 激光雷達(dá)很強(qiáng)啊，不僅探測(cè)能力很強(qiáng)，掏空錢包的能力也很強(qiáng)。

機(jī)械式激光雷達(dá)在工作的時(shí)候需要高速旋轉(zhuǎn)，還需要能夠快速擺動(dòng)的反射鏡，這給激光雷達(dá)的制造增加了許多困難。所以在激光雷達(dá)發(fā)展初期，一臺(tái)激光雷達(dá)的價(jià)格就高達(dá)幾十萬。

但這么好的 " 玩意兒 "，可不能讓成本限制了它的應(yīng)用，于是工程師們開始想著怎么降低激光雷達(dá)的制造成本。

首先是機(jī)械式激光雷達(dá)的反射鏡，它的反射鏡又大又重，鏡子旋轉(zhuǎn)起來的時(shí)候好比掄著大鐵錘，不僅費(fèi)勁還費(fèi)錢，所以科研人員想，如果把鏡子做輕做小，那不就如同把大鐵錘換成小棍子，掄起來一定很愜意。

于是，MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）激光雷達(dá)出現(xiàn)了，這種激光雷達(dá)里邊的鏡子很小很輕，移動(dòng)起來也更加靈活。還能直接把鏡子集成在芯片上，這樣一來激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)就簡單了許多，制造成本也有所降低。

Mems 激光雷達(dá)中的鏡子，它的寬度只有 1.5 毫米

（圖源：參考文獻(xiàn) 1）

不僅如此，有的工程師腦洞開得更大：能不能不要鏡子，直接控制激光出射的方向，制造一臺(tái)沒有任何活動(dòng)部件的純固態(tài)激光雷達(dá)？

于是光學(xué)相控陣技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。激光是電磁波，具有波的性質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這就好比兩束激光相遇，產(chǎn)生類似兩列水波交疊在一起的現(xiàn)象，有的方向仍然有水波，而有的地方水面則很平靜。

兩列水波相遇發(fā)生的干涉現(xiàn)象

（圖源：youtube）

光學(xué)相控陣技術(shù)產(chǎn)生不同方向的電磁波

（圖源：Wikipedia）

借助干涉原理，只要合理的控制多束激光陣列的發(fā)射時(shí)間等參數(shù)，就能夠讓多束激光合成的光束向著特定的位置行進(jìn)。

相控陣激光雷達(dá)的核心元件激光相控陣列（其實(shí)就是排布在一起的小型激光器陣列）可利用半導(dǎo)體技術(shù)大規(guī)模制造，這就分?jǐn)偭搜邪l(fā)制造成本。

集成在電路板上的純固態(tài)激光雷達(dá)

（圖源：Quanergy.inc）

在科研人員的不斷努力下，目前，固態(tài)激光雷達(dá)的價(jià)格已經(jīng)下探到了幾千元，越來越多的激光雷達(dá)出現(xiàn)在實(shí)用化場(chǎng)景中，在自動(dòng)駕駛、測(cè)繪、考古等領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。我們期待，未來激光雷達(dá)的運(yùn)用范圍會(huì)更加廣泛。

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