激光測距中激光性質的研究及其在實測中的應用

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，因此產生不同的光。

激光是原子因受激輻射而產生的光。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定，進而會在不同能級或區域間變化，產生能級躍遷。電子能級躍遷的過程中就會釋放出光子。被特殊物質激發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，會不同程度的發生生物學效應，諸如熱效應、光化學反應等，也可產生機械壓力。在激光照射下，還會影響生物的電磁場，對生物組織產生刺激作用甚至傷害，因此激光的運用根據不同的激光特性，需要考慮對接觸者的安全防護。

光譜技術、光纖通信技術、激光加工、激光測距、雷達探測等激光技術被廣泛應用于軍事、通信、工業加工、科學研究、醫學治療、社會生活工具等多個領域。激光已被廣泛應用于現代科學研究和生產生活中。不過，因為激光的生物效應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 激光的性質與激光器

對不同物質的原子進行不同的激勵方式會產生不同光譜和特質的激光，激光的產生涉及激光產生的激發物質、激勵方式、激光系統的運轉方式，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和技術應用。

從工作原理來講，激光需對工作物質激發才能產生激光束。在激光技術方面，激光的發射需要特殊的裝置，即激光器。激光器需要特殊的工作物質和激勵設計，同時需要對產生的光子進行光學共振產生激光束。

從激光的工作物質來講，激發激光的工作物質可以是多種形態的。比如固態的晶體類的寶石、玻璃，氣態的各種原子、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。

從對工作物質的激勵方式來講，激光產生過程中的激勵方式也有很多種。比如通過對工作物質（晶體、氣體、液體、半導體和自由電子等）的光學激勵、放電反應、化學反應、核裂變的放射線激勵，等等，產生光子，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、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。同時也可以產生脈沖式或是連續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、易于大批量生產等特點，已被廣泛應用于電子科學技術、工業生產和日常生活的多個領域。半導體激光器在激光測距、監測、跟蹤、自動控制、數字調控中被廣泛應用。

在激光測距領域的應用，從激光的運作方式上來講，應用在激光測距中的激光器主要有兩種：脈沖式和連續式。

脈沖激光器，即像脈搏一樣的激光發射形式。可以是單次的、也可以是重復的。技術上可以通過如同開關一樣設計的Q 調技術進行調制，也可以通過光波的相位關系設定，即鎖模技術來調制，進而得到需要的脈沖激光。

連續波激光器，即保證激光束穩定持續的輸出，即保證受產生的粒子的數量在能量場和共振腔中保持穩定，即保證工作物質的激勵狀態和相應的激光輸出可以長時間的持續。因為持續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

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，進而將二維信息轉換為三維信息，實現對物體的描述。因此，被動測距需要復雜的運算邏輯。

而主動測距法需要投射光源，根據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，且不受自然環境因素的過多干擾。

主動光學測距主要有3種辦法：結構測距法、飛行時間測距法和三角測距法。

結構測距法中，根據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，即利用光線發射和折回的時間差和光的速度與行程間的關系進行測量的方法；三角測距法則是根據光源、物體和檢測裝置間的幾何關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構式、三角式和飛時模式進行設計和運算。因為激光的單向性好、能量強，與普通光學測距相比，其環境適應性更強，其光線反射幾近原路返回，因此更加精準。

激光測距系統主要由3個部分組成：激光發射部分、激光接收部分和距離運算部分。激光發射部分產生激光束，然后投射到物體表面；激光束在被測物體表面發生反射折回。激光接收部分對返回的光線數據進行接收、處理；距離運算部分根據接收到的數據信息進行統計處理和運算進而得到與測距目的相對應的數據信息，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上，從不同的角度（測量目的、光線特質、光線回路、量子層面的運算法則等）、利用不同的物理學公式，對激光發射、接收和運算部門進行設計和優化。目的都是希望在更大程度上，提高測量的精度和準確性、提高測量中的環境的適應性、降低測量功耗、降低生產和制造成本，同時開發更多的技術應用場景和范圍。

從光的性質角度來看，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主要由激光發射器、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，激光束被發射到目標物體的表面，在返回的路上經過透鏡后，在光電探測器上形成光斑，根據時間的變化，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，通過實際距離與光斑距離的比例關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，可以很好地應用在中、短距離和移動物體的測量上。在軍事、工業、航空和航天技術上的精密監測上有廣泛應用，而且精度高，但因是幾何關系的設計，有位移限制。

2.2.2 干涉法激光測距

干涉法激光測距系統主要由激光發射部分、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。特點是根據能夠形成干涉現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，但需要比較復雜的運算。

2.2.3 脈沖法激光測距

脈沖法激光測距系統主要由發射部分、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，測量精度跟發射的激光束頻率有關，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，需要設定原始的頻率設定，進而通過差頻測相和鑒相實現測量目的，是當下激光測距技術中精確度最高的一種測距方法。

3 激光測距在實測中的應用

通過激光測距可以實現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性雙向的特點。以目標測量物為參照，激光測距的用途本質上有3種：向內，了解測量物的空間體積和位移關系等相關信息；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系進行運算。所以，理論上講，激光測距可以應用在所有需要體量參數、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，需要根據激光測距的需求、環境要求、技術特點、成本等綜合考慮。可能是測繪、定位、探測、監測等不同的目標需求，進而需要適應什么樣的環境、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 激光測距技術的廣泛應用

激光測距應用范圍極廣。在軍事上的應用主要有地形測量、戰場測量、武器裝備對目標的測距等應用；在工業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用；在民用消費領域，可以代替手工測量和實現遠距離測量，是自動駕駛技術、停車場車位監測等的重要手段；在科學研究中，對地理地貌空間的測繪、掃描與3D 重建、衛星、氣候等信息的監測等都發揮重要作用；在人工智能領域，對障礙物的檢測與規避、空間位置信息的監測等都發揮重要作用。

從其應用價值來看，激光測距技術是基于距離、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、區域監控作用；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，因而具有廣泛的應用，尤其在諸如人工智能、自動化、無人操作等領域。

基于半導體激光測距技術的激光傳感器，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。感知到的數據信息通過數據轉換、統計和運算處理，可以對事物實現實時的和連續的感知與監測并做出抉擇。是人工智能、物聯網和區塊鏈等技術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無人化、自動化、地理測繪等領域的復合應用外，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用。根據使用場景，目前激光測距儀主要有手持式、云服務式和望遠鏡式三種激光測距儀。

4 結束語

目前，激光測距技術，尤其是半導體激光測距技術以及其傳感器功能，在云計算、大數據分析、人工智能、物聯網科技中發揮著巨大作用。激光測距因其無需人的參與，且信息通過實時的傳輸、監測和云計算，可以匹配多種應用場景。未來，在不斷優化激光測量技術的同時，一定會創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。