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(xué)中，由于光的波粒二象性，可以將光拆解出兩個(gè)維度：光的粒子屬性和光的波動(dòng)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(zhǎng)和頻率的不同，使每種光有了自己的特點(diǎn)，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(xué)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(jìn)而會(huì)在不同能級(jí)或區(qū)域間變化，產(chǎn)生能級(jí)躍遷。電子能級(jí)躍遷的過(guò)程中就會(huì)釋放出光子。被特殊物質(zhì)激發(fā)出來(lái)的光子束就是激光，光子束即激光中的光子的光學(xué)特性高度一致，因此形成的光束具有很強(qiáng)的方向性；同時(shí)，通過(guò)激光器中光學(xué)共振腔使光子產(chǎn)生共振形成光波，輸出的光波波長(zhǎng)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(diǎn)。

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

光譜技術(shù)、光纖通信技術(shù)、激光加工、激光測(cè)距、雷達(dá)探測(cè)等激光技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事、通信、工業(yè)加工、科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)治療、社會(huì)生活工具等多個(gè)領(lǐng)域。激光已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)研究和生產(chǎn)生活中。不過(guò)，因?yàn)榧す獾纳镄?yīng)對(duì)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(biāo)示出安全等級(jí)。

1 激光的性質(zhì)與激光器

對(duì)不同物質(zhì)的原子進(jìn)行不同的激勵(lì)方式會(huì)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(lì)方式、激光系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，以及形成不同光束波長(zhǎng)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(lái)講，激光需對(duì)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(lì)設(shè)計(jì)，同時(shí)需要對(duì)產(chǎn)生的光子進(jìn)行光學(xué)共振產(chǎn)生激光束。

從激光的工作物質(zhì)來(lái)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(jī)化合物和無(wú)機(jī)化合物，以及半導(dǎo)體和自由電子等。

從對(duì)工作物質(zhì)的激勵(lì)方式來(lái)講，激光產(chǎn)生過(guò)程中的激勵(lì)方式也有很多種。比如通過(guò)對(duì)工作物質(zhì)（晶體、氣體、液體、半導(dǎo)體和自由電子等）的光學(xué)激勵(lì)、放電反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)、核裂變的放射線激勵(lì)，等等，產(chǎn)生光子，然后通過(guò)光學(xué)共振腔對(duì)光束進(jìn)行頻率、波長(zhǎng)的約束和增強(qiáng)而形成激光束。

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

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

在激光測(cè)距領(lǐng)域的應(yīng)用，從激光的運(yùn)作方式上來(lái)講，應(yīng)用在激光測(cè)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?？梢允菃未蔚?、也可以是重復(fù)的。技術(shù)上可以通過(guò)如同開(kāi)關(guān)一樣設(shè)計(jì)的Q 調(diào)技術(shù)進(jìn)行調(diào)制，也可以通過(guò)光波的相位關(guān)系設(shè)定，即鎖模技術(shù)來(lái)調(diào)制，進(jìn)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(chǎng)和共振腔中保持穩(wěn)定，即保證工作物質(zhì)的激勵(lì)狀態(tài)和相應(yīng)的激光輸出可以長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)。因?yàn)槌掷m(xù)的運(yùn)作會(huì)帶來(lái)元器件的過(guò)熱，大多需要考慮散熱問(wèn)題。

2 常用的激光測(cè)距技術(shù)

2.1 常用的光學(xué)測(cè)量手段

光學(xué)測(cè)量因其是否需要利用輔助光源，可以分為被動(dòng)測(cè)距法和主動(dòng)測(cè)距法。

被動(dòng)測(cè)距法無(wú)需增加輔助光源，僅在自然光的狀態(tài)下，通過(guò)多視角的物理運(yùn)算達(dá)到測(cè)量的目的，進(jìn)而將二維信息轉(zhuǎn)換為三維信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的描述。因此，被動(dòng)測(cè)距需要復(fù)雜的運(yùn)算邏輯。

而主動(dòng)測(cè)距法需要投射光源，根據(jù)光的反射原理進(jìn)行探測(cè)。通過(guò)對(duì)光的行程、光的特性和時(shí)間差來(lái)測(cè)算距離和偏移量，特點(diǎn)是精度相對(duì)較高，且不受自然環(huán)境因素的過(guò)多干擾。

主動(dòng)光學(xué)測(cè)距主要有3種辦法：結(jié)構(gòu)測(cè)距法、飛行時(shí)間測(cè)距法和三角測(cè)距法。

結(jié)構(gòu)測(cè)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(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而得到被測(cè)物體的三維信息；飛行時(shí)間測(cè)距法如其名，即利用光線發(fā)射和折回的時(shí)間差和光的速度與行程間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量的方法；三角測(cè)距法則是根據(jù)光源、物體和檢測(cè)裝置間的幾何關(guān)系進(jìn)行測(cè)量的一種方法。

2.2 激光測(cè)距

激光測(cè)距屬于主動(dòng)光學(xué)測(cè)距中的一種，在測(cè)距方法上亦可采用結(jié)構(gòu)式、三角式和飛時(shí)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)算。因?yàn)榧す獾膯蜗蛐院?、能量?qiáng)，與普通光學(xué)測(cè)距相比，其環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，其光線反射幾近原路返回，因此更加精準(zhǔn)。

激光測(cè)距系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：激光發(fā)射部分、激光接收部分和距離運(yùn)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(cè)物體表面發(fā)生反射折回。激光接收部分對(duì)返回的光線數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理；距離運(yùn)算部分根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理和運(yùn)算進(jìn)而得到與測(cè)距目的相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)入下一步處理。

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

從光的性質(zhì)角度來(lái)看，激光測(cè)距主要有4種測(cè)量方法。

2.2.1 三角法激光測(cè)距

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

2.2.2 干涉法激光測(cè)距

干涉法激光測(cè)距系統(tǒng)主要由激光發(fā)射部分、光電探測(cè)部分、一個(gè)分光鏡、一個(gè)固定的反射器和一個(gè)移動(dòng)的反射器組成，移動(dòng)反射器的位置隨被測(cè)物體移動(dòng)而變化。特點(diǎn)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(lái)進(jìn)行運(yùn)算測(cè)距方法。通過(guò)返回光線與發(fā)射光線形成的相干光束對(duì)比運(yùn)算進(jìn)而得到測(cè)量距離。干涉法激光測(cè)距需要在激光束的發(fā)射路徑上增加一個(gè)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(hào)發(fā)射到固定的反射器上，同時(shí)固定反射器上的光與移動(dòng)反射器返回的光束合成相干光束，并投射在光電探測(cè)部分，通過(guò)干涉光的差異算出被測(cè)物體的位移。干涉法激光測(cè)距同樣具有精度高、可移動(dòng)的特點(diǎn)，但需要比較復(fù)雜的運(yùn)算。

2.2.3 脈沖法激光測(cè)距

脈沖法激光測(cè)距系統(tǒng)主要由發(fā)射部分、光電接收部分、計(jì)時(shí)部分和距離計(jì)算部分組成。測(cè)距中的激光束以脈沖串的形式被發(fā)射出去，反射回來(lái)后直接會(huì)被光電接收部分接收。計(jì)時(shí)單元記錄光線投射和返回的時(shí)間，通過(guò)運(yùn)算測(cè)出目標(biāo)距離。脈沖激光測(cè)距是種比較簡(jiǎn)單粗超的測(cè)距方法，測(cè)量精度跟發(fā)射的激光束頻率有關(guān)，因此，激光測(cè)距的精度相較其它方法會(huì)低些。

2.2.4 相位法激光測(cè)距

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

3 激光測(cè)距在實(shí)測(cè)中的應(yīng)用

通過(guò)激光測(cè)距可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無(wú)人操作測(cè)量，而且測(cè)量精度高、在時(shí)間上具有實(shí)時(shí)性和持續(xù)性雙向的特點(diǎn)。以目標(biāo)測(cè)量物為參照，激光測(cè)距的用途本質(zhì)上有3種：向內(nèi)，了解測(cè)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(duì)不同物體的在時(shí)間和空間關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算。所以，理論上講，激光測(cè)距可以應(yīng)用在所有需要體量參數(shù)、時(shí)間和空間位置信息來(lái)進(jìn)行決策的需求場(chǎng)景。

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

3.1 激光測(cè)距技術(shù)的廣泛應(yīng)用

激光測(cè)距應(yīng)用范圍極廣。在軍事上的應(yīng)用主要有地形測(cè)量、戰(zhàn)場(chǎng)測(cè)量、武器裝備對(duì)目標(biāo)的測(cè)距等應(yīng)用；在工業(yè)工程中主要是自動(dòng)化控制，測(cè)繪、精確的位移定位等方向的應(yīng)用；在民用消費(fèi)領(lǐng)域，可以代替手工測(cè)量和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量，是自動(dòng)駕駛技術(shù)、停車場(chǎng)車位監(jiān)測(cè)等的重要手段；在科學(xué)研究中，對(duì)地理地貌空間的測(cè)繪、掃描與3D 重建、衛(wèi)星、氣候等信息的監(jiān)測(cè)等都發(fā)揮重要作用；在人工智能領(lǐng)域，對(duì)障礙物的檢測(cè)與規(guī)避、空間位置信息的監(jiān)測(cè)等都發(fā)揮重要作用。

從其應(yīng)用價(jià)值來(lái)看，激光測(cè)距技術(shù)是基于距離、體積和空間方位和時(shí)間差等進(jìn)行決策的底層工具。通過(guò)一維的激光測(cè)距可以獲得距離測(cè)量、定位的作用；通過(guò)二維的激光測(cè)距，可以獲得輪廓測(cè)量、定位、區(qū)域監(jiān)控作用；通過(guò)三維的激光測(cè)距，可以獲得三維輪廓、三維空間的定位信息。

3.2 半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料的電流激勵(lì)為特點(diǎn)的半導(dǎo)體激光器。因其集成性好，激光測(cè)距單元可以傳感器、芯片、PCBA、激光測(cè)距組塊等不同的層級(jí)進(jìn)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(dòng)化、無(wú)人操作等領(lǐng)域。

基于半導(dǎo)體激光測(cè)距技術(shù)的激光傳感器，可以準(zhǔn)確地感知物體的物理特性，諸如長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等信息。感知到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計(jì)和運(yùn)算處理，可以對(duì)事物實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的和連續(xù)的感知與監(jiān)測(cè)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(cè)距儀

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

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，激光測(cè)距技術(shù)，尤其是半導(dǎo)體激光測(cè)距技術(shù)以及其傳感器功能，在云計(jì)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(cè)距因其無(wú)需人的參與，且信息通過(guò)實(shí)時(shí)的傳輸、監(jiān)測(cè)和云計(jì)算，可以匹配多種應(yīng)用場(chǎng)景。未來(lái)，在不斷優(yōu)化激光測(cè)量技術(shù)的同時(shí)，一定會(huì)創(chuàng)造出更多的使用場(chǎng)景，為社會(huì)生活便利、工作效率提升和科學(xué)研究探索等提供更有價(jià)值的服務(wù)。