本日，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玉轮有多远该怎么办？
常规方法是这样的：拿个皮尺从地球扯到玉轮。可是，上哪找那么长的皮尺，又要找谁才能把尺子一起扯到玉轮上呢？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。
光的传播速率是：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秒的韶光，那么光行进的路程S = v×t,而玉轮跟地球的间隔便是S的一半。
这下子不用人扯皮尺也能测出地球和月球间的间隔了，不过新的问题又涌现了，选什么光才能担保完成任务呢？首先这光须要足够亮，方向性足够好，这样才能到达玉轮再返回来并被我们吸收到，那么随便拿个手电筒肯定是弗成的。
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丈量地月间隔时，返回地球的激光旗子暗记变得更强。
人类末了一次登月在50年前，而那时候放在玉轮上的镜子到现在都还在事情中。也正是利用激光测距，我们才知道了玉轮正以均匀每年3.8厘米的速率阔别地球。
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度环抱的那种
人类探索的脚步是永一直歇的，知道地球和月球之间间隔多远后，科学家们又忙着探测月球更多的秘密，比如月球表面的描述是若何的？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足的。那怎么办？
办法便是——把探测的范围扩大，一次丈量很多个点，记录每个点的方向与间隔信息，再根据网络到的信息解算出被探测面的描述，而这也正是激光雷达的事情事理。
激光丈量周围许多点的间隔，感知周围环境的描述
（图源;wiki百科）
第一代机器式激光雷达的构造与上边的模型类似，在激光测距仪的根本上，加一壁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。
激光雷达在事情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高下移动，这样就能丈量出周围环境的描述信息。
搭载到汽车上的激光雷达，每秒丈量数十万次周围环境的间隔信息，每次测距都天生一个数据点，大量数据点构成描述三维环境的点云。
（图源：velodyne.inc）
大规模运用，降本钱是关键
第一代激光雷达面世后，它让大家以为,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。
机器式激光雷达在事情的时候须要高速旋转，还须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。以是在激光雷杀青长初期，一台激光雷达的价格就高达几十万。
但这么好的“玩意儿”，可不能让本钱限定了它的运用，于是工程师们开始想着怎么降落激光雷达的制造本钱。
首先是机器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，以是科研职员想，如果把镜子做轻做小，那不就犹如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）激光雷达涌现了，这种激光雷达里边的镜子很小很轻，移动起来也更加灵巧。还能直接把镜子集成在芯片上，这样一来激光雷达的构培养大略了许多，制造本钱也有所降落。
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，直接掌握激光出射的方向，制造一台没有任何活动部件的纯固态激光雷达？
于是光学相控阵技能应运而生。激光是电磁波，具有波的性子，会产生干涉征象。这就好比两束激光相遇，产生类似两列水波交叠在一起的征象，有的方向仍旧有水波，而有的地方水面则很沉着。
两列水波相遇发生的干涉征象
（图源：youtube）
光学相控阵技能产生不同方向的电磁波
（图源：Wikipedia）
借助干涉事理，只要合理的掌握多束激光阵列的发射韶光等参数，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（实在便是排布在一起的小型激光器阵列）可利用半导体技能大规模制造，这就分摊了研发制造本钱。
集成在电路板上的纯固态激光雷达
（图源：Quanergy.inc）
在科研职员的不断努力下，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涌如今实用化场景中，在自动驾驶、测绘、考古等领域都发挥了主要浸染。我们期待，未来激光雷达的利用范围会更加广泛。
[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
出品：科普中国
作者：海里的咸鱼
编辑：王婷婷
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