1917 年，愛因斯坦提出了產生激光的理論，43 年后，梅曼發明了第一臺激光器。激光作為人造光源里最為鶴立雞群的那個，被譽為：" 最快的刀，最準的尺，最亮的光 "。

今天，我們就講講拿激光做 " 尺子 " 這個事。

Part.1

激光測距，一把摸不到的尺

如果想要知道我們離月亮有多遠該怎么辦？

常規方法是這樣的：拿個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，當然辦法總比困難多，科學家們換個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，假設我們從地球發射一束光，光到達月球表面并反射回來，花了 t 秒的時間，那么光行進的路程 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出地球和月球間的距離了，不過新的問題又出現了，選什么光才能保證完成任務呢？首先這光需要足夠亮，方向性足夠好，這樣才能到達月亮再返回來并被我們接收到，那么隨便拿個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月球并反射回地球，宇航員們在登月的時候特意留了幾塊反射激光的鏡子，這使得科學家們利用激光測量地月距離時，返回地球的激光信號變得更強。

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

宇航員奧爾德林正在放置地震儀和鏡子（鏡子全名：激光測距后向反射器）

( 圖源：project apollo archive )

Part.2

激光雷達：核心是激光測距，360 度環繞的那種

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后，科學家們又忙著探測月球更多的秘密，比如月球表面的形貌是怎樣的？我們如何在坑坑洼洼的月球表面上選擇一塊相對平整的地方停靠人類的飛船？

顯然，光知道月球上一個點離我們多遠是不夠的。那怎么辦？

辦法就是——把探測的范圍擴大，一次測量很多個點，記錄每個點的方向與距離信息，再根據收集到的信息解算出被探測面的形貌，而這也正是激光雷達的工作原理。

激光測量周圍許多點的距離，感知周圍環境的形貌

（圖源 ;wiki 百科）

第一代機械式激光雷達的結構與上邊的模型類似，在激光測距儀的基礎上，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方向。

激光雷達在工作時會旋轉著掃描周圍的環境，類似于人手上拿著激光測距儀，原地轉圈的同時手還在上下移動，這樣就能測量出周圍環境的形貌信息。

搭載到汽車上的激光雷達，每秒測量數十萬次周圍環境的距離信息，每次測距都生成一個數據點，大量數據點構成描述三維環境的點云。

（圖源：velodyne.inc）

Part.3

大規模應用，降成本是關鍵

第一代激光雷達面世后，它讓大家覺得 , 激光雷達很強啊，不僅探測能力很強，掏空錢包的能力也很強。

機械式激光雷達在工作的時候需要高速旋轉，還需要能夠快速擺動的反射鏡，這給激光雷達的制造增加了許多困難。所以在激光雷達發展初期，一臺激光雷達的價格就高達幾十萬。

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

首先是機械式激光雷達的反射鏡，它的反射鏡又大又重，鏡子旋轉起來的時候好比掄著大鐵錘，不僅費勁還費錢，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（微機電系統）激光雷達出現了，這種激光雷達里邊的鏡子很小很輕，移動起來也更加靈活。還能直接把鏡子集成在芯片上，這樣一來激光雷達的結構就簡單了許多，制造成本也有所降低。

Mems 激光雷達中的鏡子，它的寬度只有 1.5 毫米

（圖源：參考文獻 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，制造一臺沒有任何活動部件的純固態激光雷達？

于是光學相控陣技術應運而生。激光是電磁波，具有波的性質，會產生干涉現象。這就好比兩束激光相遇，產生類似兩列水波交疊在一起的現象，有的方向仍然有水波，而有的地方水面則很平靜。

兩列水波相遇發生的干涉現象

（圖源：youtube）

光學相控陣技術產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射時間等參數，就能夠讓多束激光合成的光束向著特定的位置行進。

相控陣激光雷達的核心元件激光相控陣列（其實就是排布在一起的小型激光器陣列）可利用半導體技術大規模制造，這就分攤了研發制造成本。

集成在電路板上的純固態激光雷達

（圖源：Quanergy.inc）

在科研人員的不斷努力下，目前，固態激光雷達的價格已經下探到了幾千元，越來越多的激光雷達出現在實用化場景中，在自動駕駛、測繪、考古等領域都發揮了重要作用。我們期待，未來激光雷達的運用范圍會更加廣泛。

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