如何测量月地的距离？或许你需要一把“激光测距”尺

1917年，爱因斯坦提出了产生激光的理论，43年后，梅曼发明了第一台激光器。激光作为人造光源里最为鹤立鸡群的那个，被誉为：“最快的刀，最准的尺，最亮的光”。

今天，我们就讲讲拿激光做“尺子”这个事。

激光测距，一把摸不到的尺

如果想要知道我们离月亮有多远该怎么办？

常规方法是这样的：拿个皮尺从地球扯到月亮。可是，上哪找那么长的皮尺，又要找谁才能把尺子一路扯到月亮上呢？钢铁侠吗？

这显然是行不通的，当然办法总比困难多，科学家们换个思路就把目光聚焦到了“光”上面。

光的传播速度是：v = 299792千米每秒，假设我们从地球发射一束光，光到达月球表面并反射回来，花了t秒的时间，那么光行进的路程S = v×t,而月亮跟地球的距离就是S的一半。

这下子不用人扯皮尺也能测出地球和月球间的距离了，不过新的问题又出现了，选什么光才能保证完成任务呢？首先这光需要足够亮，方向性足够好，这样才能到达月亮再返回来并被我们接收到，那么随便拿个手电筒肯定是不行的。

听说激光又亮，方向性又好？那就选它了！

于是为了激光能顺利到达月球并反射回地球，宇航员们在登月的时候特意留了几块反射激光的镜子，这使得科学家们利用激光测量地月距离时，返回地球的激光信号变得更强。

人类最后一次登月在50年前，而那时候放在月亮上的镜子到现在都还在工作中。也正是利用激光测距，我们才知道了月亮正以平均每年3.8厘米的速度远离地球。

宇航员奥尔德林正在放置地震仪和镜子（镜子全名：激光测距后向反射器）(图源：project apollo archive)

激光雷达：核心是激光测距，360度环绕的那种

人类探索的脚步是永不停歇的，知道地球和月球之间距离多远后，科学家们又忙着探测月球更多的秘密，比如月球表面的形貌是怎样的？我们如何在坑坑洼洼的月球表面上选择一块相对平整的地方停靠人类的飞船？

显然，光知道月球上一个点离我们多远是不够的。那怎么办？

办法就是——把探测的范围扩大，一次测量很多个点，记录每个点的方向与距离信息，再根据收集到的信息解算出被探测面的形貌，而这也正是激光雷达的工作原理。

激光测量周围许多点的距离，感知周围环境的形貌（图源;wiki百科）

第一代机械式激光雷达的结构与上边的模型类似，在激光测距仪的基础上，加一面能够快速变换位置的反射镜，它就能将激光反射到各个方向。

激光雷达在工作时会旋转着扫描周围的环境，类似于人手上拿着激光测距仪，原地转圈的同时手还在上下移动，这样就能测量出周围环境的形貌信息。

搭载到汽车上的激光雷达，每秒测量数十万次周围环境的距离信息，每次测距都生成一个数据点，大量数据点构成描述三维环境的点云（图源：velodyne.inc）

大规模应用，降成本是关键

第一代激光雷达面世后，它让大家觉得,激光雷达很强啊，不仅探测能力很强，掏空钱包的能力也很强。

机械式激光雷达在工作的时候需要高速旋转，还需要能够快速摆动的反射镜，这给激光雷达的制造增加了许多困难。所以在激光雷达发展初期，一台激光雷达的价格就高达几十万。

但这么好的“玩意儿”，可不能让成本限制了它的应用，于是工程师们开始想着怎么降低激光雷达的制造成本。

首先是机械式激光雷达的反射镜，它的反射镜又大又重，镜子旋转起来的时候好比抡着大铁锤，不仅费劲还费钱，所以科研人员想，如果把镜子做轻做小，那不就如同把大铁锤换成小棍子，抡起来一定很惬意。

于是，MEMS（微机电系统）激光雷达出现了，这种激光雷达里边的镜子很小很轻，移动起来也更加灵活。还能直接把镜子集成在芯片上，这样一来激光雷达的结构就简单了许多，制造成本也有所降低。

Mems激光雷达中的镜子，它的宽度只有1.5毫米（图源：参考文献1）

不仅如此，有的工程师脑洞开得更大：能不能不要镜子，直接控制激光出射的方向，制造一台没有任何活动部件的纯固态激光雷达？

于是光学相控阵技术应运而生。激光是电磁波，具有波的性质，会产生干涉现象。这就好比两束激光相遇，产生类似两列水波交叠在一起的现象，有的方向仍然有水波，而有的地方水面则很平静。

两列水波相遇发生的干涉现象（图源：youtube）

光学相控阵技术产生不同方向的电磁波（图源：Wikipedia）

借助干涉原理，只要合理的控制多束激光阵列的发射时间等参数，就能够让多束激光合成的光束向着特定的位置行进。

相控阵激光雷达的核心元件激光相控阵列（其实就是排布在一起的小型激光器阵列）可利用半导体技术大规模制造，这就分摊了研发制造成本。

集成在电路板上的纯固态激光雷达（图源：Quanergy.inc）

在科研人员的不断努力下，目前，固态激光雷达的价格已经下探到了几千元，越来越多的激光雷达出现在实用化场景中，在自动驾驶、测绘、考古等领域都发挥了重要作用。我们期待，未来激光雷达的运用范围会更加广泛。

出品：科普中国

作者：海里的咸鱼

监制：中国科普博览

编辑：王婷婷

参考文献及网址：

[1] Wang D , Watkins C , Xie H . MEMS Mirrors for LiDAR: A Review[J]. Micromachines, 2020, 11(5):456.

[2] Amzajerdian F , Pierrottet D F , Petway L B , et al. Lidar systems for precision navigation and safe landing on planetary bodies[C]// International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2011: Laser Sensing and Imaging; and Biological and Medical Applications of Photonics Sensing and Imaging. International Society for Optics and Photonics, 2011.

[3] Goyer G G , Watson R . The Laser and Its Application to Meteorology[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1963, 44(9):564-570.

[4] https://quanergy.com/products/s3/

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Phased-array_optics

[6]https://velodynelidar.com/products/puck-lite/

[7] https://www.hesaitech.com/zh/download

[8] https://www.zhihu.com/question/359079692/answer/920960280

[9] https://zhuanlan.zhihu.com/p/90852852

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