如何測量月球到地球的距離？或許你需要一把“激光測距”尺

1917年，愛因斯坦提出了產(chǎn)生激光的理論，43年后，梅曼發(fā)明了第一臺激光器。激光作為人造光源里最為鶴立雞群的那個，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(yuǎn)該怎么辦？

常規(guī)方法是這樣的：拿個皮尺從地球扯到月亮?？墒?，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，宇航員們在登月的時候特意留了幾塊反射激光的鏡子，這使得科學(xué)家們利用激光測量地月距離時，返回地球的激光信號變得更強(qiáng)。

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(xiàn)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(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：激光測距后向反射器）

(圖源：project apollo archive)

Part.2

激光雷達(dá)：核心是激光測距，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擇一塊相對平整的地方停靠人類的飛船？

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

辦法就是——把探測的范圍擴(kuò)大，一次測量很多個點(diǎn)，記錄每個點(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面的形貌，而這也正是激光雷達(dá)的工作原理。

激光測量周圍許多點(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方向。

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

搭載到汽車上的激光雷達(dá)，每秒測量數(shù)十萬次周圍環(huán)境的距離信息，每次測距都生成一個數(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)在工作的時候需要高速旋轉(zhuǎn)，還需要能夠快速擺動的反射鏡，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，一臺激光雷達(dá)的價格就高達(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，制造一臺沒有任何活動部件的純固態(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)用化場景中，在自動駕駛、測繪、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)用范圍會更加廣泛。

參考文獻(xiàn)及網(wǎng)址:

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[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

出品：科普中國

作者：海里的咸魚

編輯：王婷婷

監(jiān)制：中國科普博覽

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