激光測距中激光性質(zhì)的研究及其在實測中的應(yīng)用

陳永澤，王振興，熊金華，梁 海，吳志勇

（深圳市恒天偉焱科技股份有限公司，廣東深圳 518000）

量子力學中，由于光的波粒二象性，可以將光拆解出兩個維度：光的粒子屬性和光的波動屬性，因此可以理解為光由光子和電磁波組成。而電磁波又因其波長和頻率的不同，使每種光有了自己的特點，因此產(chǎn)生不同的光。

激光是原子因受激輻射而產(chǎn)生的光。量子力學中，原子在被刺激吸收足夠能量后，原子中的電子變得不穩(wěn)定，進而會在不同能級或區(qū)域間變化，產(chǎn)生能級躍遷。電子能級躍遷的過程中就會釋放出光子。被特殊物質(zhì)激發(fā)出來的光子束就是激光，光子束即激光中的光子的光學特性高度一致，因此形成的光束具有很強的方向性；同時，通過激光器中光學共振腔使光子產(chǎn)生共振形成光波，輸出的光波波長范圍變得很窄，因而激光束的色彩單一、亮度高和高能量的特點。

“性能專一”的激光束照射在生命組織上，會不同程度的發(fā)生生物學效應(yīng)，諸如熱效應(yīng)、光化學反應(yīng)等，也可產(chǎn)生機械壓力。在激光照射下，還會影響生物的電磁場，對生物組織產(chǎn)生刺激作用甚至傷害，因此激光的運用根據(jù)不同的激光特性，需要考慮對接觸者的安全防護。

光譜技術(shù)、光纖通信技術(shù)、激光加工、激光測距、雷達探測等激光技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事、通信、工業(yè)加工、科學研究、醫(yī)學治療、社會生活工具等多個領(lǐng)域。激光已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科學研究和生產(chǎn)生活中。不過，因為激光的生物效應(yīng)對人體尤其是眼睛有不同程度的傷害，所以激光器出廠前通常都需要標示出安全等級。

1 激光的性質(zhì)與激光器

對不同物質(zhì)的原子進行不同的激勵方式會產(chǎn)生不同光譜和特質(zhì)的激光，激光的產(chǎn)生涉及激光產(chǎn)生的激發(fā)物質(zhì)、激勵方式、激光系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方式，以及形成不同光束波長和頻率范圍等，也因而有著不同的激光技術(shù)和技術(shù)應(yīng)用。

從工作原理來講，激光需對工作物質(zhì)激發(fā)才能產(chǎn)生激光束。在激光技術(shù)方面，激光的發(fā)射需要特殊的裝置，即激光器。激光器需要特殊的工作物質(zhì)和激勵設(shè)計，同時需要對產(chǎn)生的光子進行光學共振產(chǎn)生激光束。

從激光的工作物質(zhì)來講，激發(fā)激光的工作物質(zhì)可以是多種形態(tài)的。比如固態(tài)的晶體類的寶石、玻璃，氣態(tài)的各種原子、離子和分子，如二氧化碳、惰性氣體等，還有一些液態(tài)的有機化合物和無機化合物，以及半導體和自由電子等。

從對工作物質(zhì)的激勵方式來講，激光產(chǎn)生過程中的激勵方式也有很多種。比如通過對工作物質(zhì)（晶體、氣體、液體、半導體和自由電子等）的光學激勵、放電反應(yīng)、化學反應(yīng)、核裂變的放射線激勵，等等，產(chǎn)生光子，然后通過光學共振腔對光束進行頻率、波長的約束和增強而形成激光束。

從最終形成的激光特點來看，因不同的工作物質(zhì)、激勵方式和共振約束，最后形成的激光束也會有不同的頻率和波段范圍。可以產(chǎn)生諸如紅外線、紫外線、可見光或是X 射線等不同光譜波段的的激光。同時也可以產(chǎn)生脈沖式或是連續(xù)式等的激光運作形式。

其中，以半導體材料的電流激勵為特點的半導體激光器，因其成本低、功耗小、體積小、重量輕、高效率、長壽命、易于大批量生產(chǎn)等特點，已被廣泛應(yīng)用于電子科學技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的多個領(lǐng)域。半導體激光器在激光測距、監(jiān)測、跟蹤、自動控制、數(shù)字調(diào)控中被廣泛應(yīng)用。

在激光測距領(lǐng)域的應(yīng)用，從激光的運作方式上來講，應(yīng)用在激光測距中的激光器主要有兩種：脈沖式和連續(xù)式。

脈沖激光器，即像脈搏一樣的激光發(fā)射形式。可以是單次的、也可以是重復(fù)的。技術(shù)上可以通過如同開關(guān)一樣設(shè)計的Q 調(diào)技術(shù)進行調(diào)制，也可以通過光波的相位關(guān)系設(shè)定，即鎖模技術(shù)來調(diào)制，進而得到需要的脈沖激光。

連續(xù)波激光器，即保證激光束穩(wěn)定持續(xù)的輸出，即保證受產(chǎn)生的粒子的數(shù)量在能量場和共振腔中保持穩(wěn)定，即保證工作物質(zhì)的激勵狀態(tài)和相應(yīng)的激光輸出可以長時間的持續(xù)。因為持續(xù)的運作會帶來元器件的過熱，大多需要考慮散熱問題。

2 常用的激光測距技術(shù)

2.1 常用的光學測量手段

光學測量因其是否需要利用輔助光源，可以分為被動測距法和主動測距法。

被動測距法無需增加輔助光源，僅在自然光的狀態(tài)下，通過多視角的物理運算達到測量的目的，進而將二維信息轉(zhuǎn)換為三維信息，實現(xiàn)對物體的描述。因此，被動測距需要復(fù)雜的運算邏輯。

而主動測距法需要投射光源，根據(jù)光的反射原理進行探測。通過對光的行程、光的特性和時間差來測算距離和偏移量，特點是精度相對較高，且不受自然環(huán)境因素的過多干擾。

主動光學測距主要有3種辦法：結(jié)構(gòu)測距法、飛行時間測距法和三角測距法。

結(jié)構(gòu)測距法中，根據(jù)物體表面不同的深度和投射光線返回的光柵畸變進行運算，進而得到被測物體的三維信息；飛行時間測距法如其名，即利用光線發(fā)射和折回的時間差和光的速度與行程間的關(guān)系進行測量的方法；三角測距法則是根據(jù)光源、物體和檢測裝置間的幾何關(guān)系進行測量的一種方法。

2.2 激光測距

激光測距屬于主動光學測距中的一種，在測距方法上亦可采用結(jié)構(gòu)式、三角式和飛時模式進行設(shè)計和運算。因為激光的單向性好、能量強，與普通光學測距相比，其環(huán)境適應(yīng)性更強，其光線反射幾近原路返回，因此更加精準。

激光測距系統(tǒng)主要由3個部分組成：激光發(fā)射部分、激光接收部分和距離運算部分。激光發(fā)射部分產(chǎn)生激光束，然后投射到物體表面；激光束在被測物體表面發(fā)生反射折回。激光接收部分對返回的光線數(shù)據(jù)進行接收、處理；距離運算部分根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)計處理和運算進而得到與測距目的相對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，并進入下一步處理。

不同的激光測距方法，主要是在光反射原理的基礎(chǔ)上，從不同的角度（測量目的、光線特質(zhì)、光線回路、量子層面的運算法則等）、利用不同的物理學公式，對激光發(fā)射、接收和運算部門進行設(shè)計和優(yōu)化。目的都是希望在更大程度上，提高測量的精度和準確性、提高測量中的環(huán)境的適應(yīng)性、降低測量功耗、降低生產(chǎn)和制造成本，同時開發(fā)更多的技術(shù)應(yīng)用場景和范圍。

從光的性質(zhì)角度來看，激光測距主要有4種測量方法。

2.2.1 三角法激光測距

三角法激光測距系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、透鏡和光電探測器三部分組成，特點是利用目標物體和光的幾何關(guān)系進行運算的測量方法。通過在激光束返回的路上增加一個透鏡，激光束被發(fā)射到目標物體的表面，在返回的路上經(jīng)過透鏡后，在光電探測器上形成光斑，根據(jù)時間的變化，以得到物體在時間上的移動距離。光電探測器上的光斑與所測目標的移動距離相呼應(yīng)，通過實際距離與光斑距離的比例關(guān)系就可測量目標物體的移動距離。三角測距法，運算原理簡單，且具有實時性，可以很好地應(yīng)用在中、短距離和移動物體的測量上。在軍事、工業(yè)、航空和航天技術(shù)上的精密監(jiān)測上有廣泛應(yīng)用，而且精度高，但因是幾何關(guān)系的設(shè)計，有位移限制。

2.2.2 干涉法激光測距

干涉法激光測距系統(tǒng)主要由激光發(fā)射部分、光電探測部分、一個分光鏡、一個固定的反射器和一個移動的反射器組成，移動反射器的位置隨被測物體移動而變化。特點是根據(jù)能夠形成干涉現(xiàn)象的兩束光在波形上的特性來進行運算測距方法。通過返回光線與發(fā)射光線形成的相干光束對比運算進而得到測量距離。干涉法激光測距需要在激光束的發(fā)射路徑上增加一個分光鏡，將激光束分離成兩部分的相干光束。一部分作為參考信號發(fā)射到固定的反射器上，同時固定反射器上的光與移動反射器返回的光束合成相干光束，并投射在光電探測部分，通過干涉光的差異算出被測物體的位移。干涉法激光測距同樣具有精度高、可移動的特點，但需要比較復(fù)雜的運算。

2.2.3 脈沖法激光測距

脈沖法激光測距系統(tǒng)主要由發(fā)射部分、光電接收部分、計時部分和距離計算部分組成。測距中的激光束以脈沖串的形式被發(fā)射出去，反射回來后直接會被光電接收部分接收。計時單元記錄光線投射和返回的時間，通過運算測出目標距離。脈沖激光測距是種比較簡單粗超的測距方法，測量精度跟發(fā)射的激光束頻率有關(guān)，因此，激光測距的精度相較其它方法會低些。

2.2.4 相位法激光測距

相位法激光測距主要在激光發(fā)射部分、激光接收部分、距離測量部分之外增加了差頻測相部分。相位法的特點是通過差頻測相裝置，根據(jù)光線往返路上的相位差及其時差進行運算的測量方法。相位法測距中，需要設(shè)定原始的頻率設(shè)定，進而通過差頻測相和鑒相實現(xiàn)測量目的，是當下激光測距技術(shù)中精確度最高的一種測距方法。

3 激光測距在實測中的應(yīng)用

通過激光測距可以實現(xiàn)遠距離的無人操作測量，而且測量精度高、在時間上具有實時性和持續(xù)性雙向的特點。以目標測量物為參照，激光測距的用途本質(zhì)上有3種：向內(nèi)，了解測量物的空間體積和位移關(guān)系等相關(guān)信息；向外，定位物體在空間中的位置和位移信息；最后，還可以對不同物體的在時間和空間關(guān)系進行運算。所以，理論上講，激光測距可以應(yīng)用在所有需要體量參數(shù)、時間和空間位置信息來進行決策的需求場景。

而激光測距方案的選擇，需要根據(jù)激光測距的需求、環(huán)境要求、技術(shù)特點、成本等綜合考慮?？赡苁菧y繪、定位、探測、監(jiān)測等不同的目標需求，進而需要適應(yīng)什么樣的環(huán)境、測量的距離范圍、精確度范圍等。而測距方案也有不同的功耗和價格成本。

3.1 激光測距技術(shù)的廣泛應(yīng)用

激光測距應(yīng)用范圍極廣。在軍事上的應(yīng)用主要有地形測量、戰(zhàn)場測量、武器裝備對目標的測距等應(yīng)用；在工業(yè)工程中主要是自動化控制，測繪、精確的位移定位等方向的應(yīng)用；在民用消費領(lǐng)域，可以代替手工測量和實現(xiàn)遠距離測量，是自動駕駛技術(shù)、停車場車位監(jiān)測等的重要手段；在科學研究中，對地理地貌空間的測繪、掃描與3D 重建、衛(wèi)星、氣候等信息的監(jiān)測等都發(fā)揮重要作用；在人工智能領(lǐng)域，對障礙物的檢測與規(guī)避、空間位置信息的監(jiān)測等都發(fā)揮重要作用。

從其應(yīng)用價值來看，激光測距技術(shù)是基于距離、體積和空間方位和時間差等進行決策的底層工具。通過一維的激光測距可以獲得距離測量、定位的作用；通過二維的激光測距，可以獲得輪廓測量、定位、區(qū)域監(jiān)控作用；通過三維的激光測距，可以獲得三維輪廓、三維空間的定位信息。

3.2 半導體激光器

半導體激光器是以半導體材料的電流激勵為特點的半導體激光器。因其集成性好，激光測距單元可以傳感器、芯片、PCBA、激光測距組塊等不同的層級進行組合和封裝，因而具有廣泛的應(yīng)用，尤其在諸如人工智能、自動化、無人操作等領(lǐng)域。

基于半導體激光測距技術(shù)的激光傳感器，可以準確地感知物體的物理特性，諸如長度、距離、振動、速度、方位等信息。感知到的數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計和運算處理，可以對事物實現(xiàn)實時的和連續(xù)的感知與監(jiān)測并做出抉擇。是人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈等技術(shù)中重要的感知路徑之一。

3.3 激光測距儀

除了測距功能在工業(yè)無人化、自動化、地理測繪等領(lǐng)域的復(fù)合應(yīng)用外，激光測距本身也是一種單純的測量工具。激光測距儀在工程測量、地理測繪、生活測距等場景也被廣泛應(yīng)用。根據(jù)使用場景，目前激光測距儀主要有手持式、云服務(wù)式和望遠鏡式三種激光測距儀。

4 結(jié)束語

目前，激光測距技術(shù)，尤其是半導體激光測距技術(shù)以及其傳感器功能，在云計算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)科技中發(fā)揮著巨大作用。激光測距因其無需人的參與，且信息通過實時的傳輸、監(jiān)測和云計算，可以匹配多種應(yīng)用場景。未來，在不斷優(yōu)化激光測量技術(shù)的同時，一定會創(chuàng)造出更多的使用場景，為社會生活便利、工作效率提升和科學研究探索等提供更有價值的服務(wù)。