激光测距是探索速度宇宙的奇异之门
摘要
激光测距技术的发展为人类探索速度宇宙打开了奇异之门。本文综述了激光测距技术的原理和应用，并探讨了它在不同领域中的突破性进展。首先，我们介绍了激光测距技术是如何利用激光束在空间中进行精准测量的，以及其高精度、高灵敏度的特点。其次，我们讨论了激光测距技术在航天领域中的应用，包括太空轨道测量、卫星定位和导航、星际探测等。特别值得关注的是，激光测距技术在星际探测中扮演着重要角色，通过精确测量恒星间的距离，加速了探索速度宇宙的进程。最后，我们展望了激光测距技术的未来发展方向以及未来的挑战，包括提高测量精度和范围、实现实时测量以及与其他探测技术的融合以及人工智能和量子计算等。本文将带领读者深入探索激光测速技术，揭示它在科技领域的重要性和广泛应用。
引言
激光测距技术自20世纪60年代开始出现，从70年代的美国军方AN/GVS系列军用激光测距仪，到90年代及以后徕卡、博世、喜利得等国际厂商的激光测距产品为代表的大量激光测距仪的出现，代表着激光测距技术从军事应用拓展至民用领域，激光测距仪也从 AN/GVS 系列这种大体积、高功耗、成本高昂的仪器转向小体积、便携式、低功耗、低成本的手持式测距仪；从初始的通用距离测量，到后来的水下、太空、矿山、接触网等测量，标志着激光测距技术从通用化转向细分应用领域，深入到各个独特的应用场景以解决独特的难题。速度，一直以来都是人类追求的目标之一。在这个充满竞争和科技创新的时代，人们对速度的追求变得更加强烈。激光测速技术作为一项革命性的科技，正扮演着解锁速度宇宙奇异之门的角色。最早的卫星激光测距系统采用10~20 Hz，单脉冲能量30~150 mJ，即平均功率0. 3 W的激光器进行卫星激光测距，其缺点是有效回波光子数少。近二十年来为提高激光测距回波率，国内外激光测距台站发展了高重复频率激光测距技术。
正文
一、超越光速的挑战：光速之谜
在物理学中，光速一直是一个神秘而引人注目的存在。作为宇宙中最快的速度，光速成为了科学家们探索速度极限的起点。然而，超越光速一直被认为是不可思议的挑战。激光测速技术的涌现，为解锁超越光速的奇异之门提供了新的可能性。在我们生活的世界中，速度一直是人们追逐和探索的核心主题。从飞驰的汽车到飞跃的飞机，人类一直在不断突破速度的极限，探索未知的领域。而在这场对速度的探秘之旅中，有一项科技成果一直在默默发挥着关键作用，那就是激光测速技术。速度的奥秘，宇宙的奇异之门，激光测速技术就像是连接这两者的神奇纽带，引领着我们进入一个科技的新时代。在本文中，我们将深入探讨激光测速技术的原理、应用和未来挑战，带领读者一同解锁速度宇宙的奇异之门。让我们一起踏上这段令人惊奇的科学之旅，探寻速度世界的奥秘。
二、激光测速的科学原理
要理解激光测速技术，首先需要了解其科学原理。激光测速利用激光脉冲的发射和接收来测量物体的速度。通过计算激光光束发射和返回的时间差，可以精确计算出物体的运动速度。这种精密的测量方法为科学家提供了一种全新的方式来理解和掌握速度的本质。
激光测距，顾名思义是一种利用激光器发射激光束并测量激光束传播时间或激光束的反射信息来确定目标距离的测量技术。其主要通过二极管，对准被测物体发射激光脉冲，进行折射，从而达到测量目的。
由于激光具有方向性强、单色性好、发散角度小等优点，因而对比其他测距技术和设备，激光测距具有测速效率高、测距远、精度强等特点。能够实现毫米级的距离测量，实时测量，快速获取目标距离信息，适用于对距离要求较高、需要快速反应和处理的场景。
三、激光测速的广泛应用
激光测距可用于测量不同目标物的距离，如建筑物的高度、测绘中的地形等。同时，还可以通过测量激光的反射信息，实现对目标物的形状和轮廓的测量。与自动化系统结合，实现自动测量和控制。例如，在机器人导航和自动驾驶中，激光测距可以用于感知周围环境并确定障碍物的距离，从而实现智能决策和避障。可广泛应用于建筑、测绘、工业、军事和汽车等不同领域，为测量和控制提供了可靠的解决方案。激光测速技术在各个领域都有广泛的应用。在交通监控中，激光测速器被用于测量车辆的速度，以确保道路的安全。在运动竞技中，激光测速器被用于记录运动员的速度和成绩，提供数据支持。在科学研究领域，激光测速器被应用于测量光学仪器的性能和物体的运动轨迹。这些应用展示了激光测速在实际场景中的多样性和重要性。
图1. 0.4 mJ白天同步卫星激光测距[1]激光测距实验中激光器发射能量衰减为0. 4 mJ（0. 04 W）。通过对匹配后的数据进行泊松滤波和多项式拟合，有效回波率达到0. 02 photons/s。
图2. YP900 示意图[4]
激光测距机在国内的研究从20世纪中期开始。1975年，国家地震局武汉大队地震仪器厂研制出国内第一台相位式激光测距机[2]。1996年，上海光机所研制出国内第一台便携式激光测距机，其测量误差为±0.5 m [3]。2013年，中国的迈测公司成功研制一款型号是PF115A的激光测距仪，这款产品可以测量5~1500 m之间的目标，测量误差控制在±1 m之内。这款产品尺寸较小，携带方便，并且工作波长对于人眼是十分安全的。2019年，宋宏研制了一款激光测距仪器，这款仪器可以实现水下测距，测量范围3.5 m，且测距误差为±3 mm。2019年，我国发射的卫星“太极1号”搭载的激光测距系统能够实现100 pm 的高精度测距。
图3. 国内外部分企业的激光测距产品图[5]
四、突破与创新：激光测速技术的进展
激光测速技术在过去几十年中取得了巨大的进展。从最初的单点测速器到如今的高速摄像测速系统，激光测速技术不断创新，提高测量精度和速度范围。飞行器速度测量、运动赛事中的应用等领域也积极采用了激光测速技术，为速度竞技领域带来了新的突破和创新。
高精度激光测长机：精准测量的崭新科技。
原理：激光测长机将激光应用在接触式测长机测量上，是一种高精度的长度测量方式。它通过测量光线传播的时间来精确测定距离，采用激光测量系统记录接触测量中长度方向坐标，由计算机将数据与测力装置、温度传感器的反馈数据及阿贝误差修正数据进行合成，从而计算获得相关长度参数。与传统的测距工具相比，它具有更高的精度和更广阔的测量范围，能更有效地提高工作效率。
图4. 主动调制光源激光测速系统原理示意图[6]在实际应用中，激光测距技术的误差范围通常在毫米级别，而且不受环境因素的影响，能够做到精准测量。
采用激光作为长度方向定位，激光与测量轴基本在同一轴线，符合阿贝原理，基本消除了阿贝误差，能实现高精度测量。SJ5180系列高精度激光测量系统，线性测量精度达到0.5 PPM。
高精度激光测长机通用性强，测量范围广，可满足大多数类型的量规、量块等长度参数测量：它可以测量各种不同形状的物体，包括直线距离、曲线长度甚至是体积和角度等，不管是精密量具、精密量规，如块规、环规、塞规、卡规、螺纹规、花键规、表类、尺类的检定，还是各种精密工件内外尺寸，如齿轮、花键、校对棒、非标量规等的检测，都不在话下。
高精度激光测长机采用激光作为长度方向定位，可进行高精度全行程直接测量，具有快速便捷的特点。SJ5180高精度激光测长机整个测量过程不超过3分钟，检测结束后自动生成检定结果。
五、超越光速的未来挑战
超越光速的测量仍然是科学家们关注的焦点。通过结合激光测速技术和其他前沿科技，如人工智能和量子计算，或许可以突破光速的限制，进一步解锁速度宇宙的奇异之门。然而，这个挑战面临着许多难题和限制，需要科学家们持续努力。
结论与展望
激光测速技术作为解锁速度宇宙奇异之门的科技工具，在探索速度的世界中发挥着重要作用。它不仅提供了高精度和高灵敏性的速度测量方式，还为追求超越光速的挑战提供了新的思路。期待未来，让我们共同努力探索激光测速技术的更多奇妙发现，解锁速度宇宙的奇异之门，揭开科技的无限可能性。
参考文献
[1]高添泉,吴先霖,张才士等.基于近红外小功率卫星激光测距研究[J].红外与毫米波学报,2022,41(05):905-913.
[2]李真珠,亓洪兴,黄庚华等.脉冲式激光测距体制设备动态距离模拟器的研究设计[J].科学技术与工程,2012,12(14):3470-3474.
[3]郑明杰,刘鑫.激光测距技术国内外发展状况及原理[J].科技创新导报,2014,(01):35.DOI:10.16660/j.cnki.1674-098x.2014.01.003
[4]余鸿雨.激光测距机性能检测技术研究[D].电子科技大学,2023.
[5]鲁猛.激光测距传感器关键技术研究[D].华中科技大学,2022.DOI:10.27157/d.cnki.ghzku.2022.002907
[6]王鹏.主动调制光源激光测速系统的设计[D].中北大学,2021.DOI:10.27470/d.cnki.ghbgc.2021.000727
原文标题 : 科普征文 | 激光测距是探索速度宇宙的奇异之门
