激光测距中激光性质的研究及其在实测中的应用

陈永泽，王振兴，熊金华，梁 海，吴志勇

（深圳市恒天伟焱科技股份有限公司，广东深圳 518000）

量子力学中，由于光的波粒二象性，可以将光拆解出两个维度：光的粒子属性和光的波动属性，因此可以理解为光由光子和电磁波组成。而电磁波又因其波长和频率的不同，使每种光有了自己的特点，因此产生不同的光。

激光是原子因受激辐射而产生的光。量子力学中，原子在被刺激吸收足够能量后，原子中的电子变得不稳定，进而会在不同能级或区域间变化，产生能级跃迁。电子能级跃迁的过程中就会释放出光子。被特殊物质激发出来的光子束就是激光，光子束即激光中的光子的光学特性高度一致，因此形成的光束具有很强的方向性；同时，通过激光器中光学共振腔使光子产生共振形成光波，输出的光波波长范围变得很窄，因而激光束的色彩单一、亮度高和高能量的特点。

“性能专一”的激光束照射在生命组织上，会不同程度的发生生物学效应，诸如热效应、光化学反应等，也可产生机械压力。在激光照射下，还会影响生物的电磁场，对生物组织产生刺激作用甚至伤害，因此激光的运用根据不同的激光特性，需要考虑对接触者的安全防护。

光谱技术、光纤通信技术、激光加工、激光测距、雷达探测等激光技术被广泛应用于军事、通信、工业加工、科学研究、医学治疗、社会生活工具等多个领域。激光已被广泛应用于现代科学研究和生产生活中。不过，因为激光的生物效应对人体尤其是眼睛有不同程度的伤害，所以激光器出厂前通常都需要标示出安全等级。

1 激光的性质与激光器

对不同物质的原子进行不同的激励方式会产生不同光谱和特质的激光，激光的产生涉及激光产生的激发物质、激励方式、激光系统的运转方式，以及形成不同光束波长和频率范围等，也因而有着不同的激光技术和技术应用。

从工作原理来讲，激光需对工作物质激发才能产生激光束。在激光技术方面，激光的发射需要特殊的装置，即激光器。激光器需要特殊的工作物质和激励设计，同时需要对产生的光子进行光学共振产生激光束。

从激光的工作物质来讲，激发激光的工作物质可以是多种形态的。比如固态的晶体类的宝石、玻璃，气态的各种原子、离子和分子，如二氧化碳、惰性气体等，还有一些液态的有机化合物和无机化合物，以及半导体和自由电子等。

从对工作物质的激励方式来讲，激光产生过程中的激励方式也有很多种。比如通过对工作物质（晶体、气体、液体、半导体和自由电子等）的光学激励、放电反应、化学反应、核裂变的放射线激励，等等，产生光子，然后通过光学共振腔对光束进行频率、波长的约束和增强而形成激光束。

从最终形成的激光特点来看，因不同的工作物质、激励方式和共振约束，最后形成的激光束也会有不同的频率和波段范围。可以产生诸如红外线、紫外线、可见光或是X 射线等不同光谱波段的的激光。同时也可以产生脉冲式或是连续式等的激光运作形式。

其中，以半导体材料的电流激励为特点的半导体激光器，因其成本低、功耗小、体积小、重量轻、高效率、长寿命、易于大批量生产等特点，已被广泛应用于电子科学技术、工业生产和日常生活的多个领域。半导体激光器在激光测距、监测、跟踪、自动控制、数字调控中被广泛应用。

在激光测距领域的应用，从激光的运作方式上来讲，应用在激光测距中的激光器主要有两种：脉冲式和连续式。

脉冲激光器，即像脉搏一样的激光发射形式。可以是单次的、也可以是重复的。技术上可以通过如同开关一样设计的Q 调技术进行调制，也可以通过光波的相位关系设定，即锁模技术来调制，进而得到需要的脉冲激光。

连续波激光器，即保证激光束稳定持续的输出，即保证受产生的粒子的数量在能量场和共振腔中保持稳定，即保证工作物质的激励状态和相应的激光输出可以长时间的持续。因为持续的运作会带来元器件的过热，大多需要考虑散热问题。

2 常用的激光测距技术

2.1 常用的光学测量手段

光学测量因其是否需要利用辅助光源，可以分为被动测距法和主动测距法。

被动测距法无需增加辅助光源，仅在自然光的状态下，通过多视角的物理运算达到测量的目的，进而将二维信息转换为三维信息，实现对物体的描述。因此，被动测距需要复杂的运算逻辑。

而主动测距法需要投射光源，根据光的反射原理进行探测。通过对光的行程、光的特性和时间差来测算距离和偏移量，特点是精度相对较高，且不受自然环境因素的过多干扰。

主动光学测距主要有3种办法：结构测距法、飞行时间测距法和三角测距法。

结构测距法中，根据物体表面不同的深度和投射光线返回的光栅畸变进行运算，进而得到被测物体的三维信息；飞行时间测距法如其名，即利用光线发射和折回的时间差和光的速度与行程间的关系进行测量的方法；三角测距法则是根据光源、物体和检测装置间的几何关系进行测量的一种方法。

2.2 激光测距

激光测距属于主动光学测距中的一种，在测距方法上亦可采用结构式、三角式和飞时模式进行设计和运算。因为激光的单向性好、能量强，与普通光学测距相比，其环境适应性更强，其光线反射几近原路返回，因此更加精准。

激光测距系统主要由3个部分组成：激光发射部分、激光接收部分和距离运算部分。激光发射部分产生激光束，然后投射到物体表面；激光束在被测物体表面发生反射折回。激光接收部分对返回的光线数据进行接收、处理；距离运算部分根据接收到的数据信息进行统计处理和运算进而得到与测距目的相对应的数据信息，并进入下一步处理。

不同的激光测距方法，主要是在光反射原理的基础上，从不同的角度（测量目的、光线特质、光线回路、量子层面的运算法则等）、利用不同的物理学公式，对激光发射、接收和运算部门进行设计和优化。目的都是希望在更大程度上，提高测量的精度和准确性、提高测量中的环境的适应性、降低测量功耗、降低生产和制造成本，同时开发更多的技术应用场景和范围。

从光的性质角度来看，激光测距主要有4种测量方法。

2.2.1 三角法激光测距

三角法激光测距系统主要由激光发射器、透镜和光电探测器三部分组成，特点是利用目标物体和光的几何关系进行运算的测量方法。通过在激光束返回的路上增加一个透镜，激光束被发射到目标物体的表面，在返回的路上经过透镜后，在光电探测器上形成光斑，根据时间的变化，以得到物体在时间上的移动距离。光电探测器上的光斑与所测目标的移动距离相呼应，通过实际距离与光斑距离的比例关系就可测量目标物体的移动距离。三角测距法，运算原理简单，且具有实时性，可以很好地应用在中、短距离和移动物体的测量上。在军事、工业、航空和航天技术上的精密监测上有广泛应用，而且精度高，但因是几何关系的设计，有位移限制。

2.2.2 干涉法激光测距

干涉法激光测距系统主要由激光发射部分、光电探测部分、一个分光镜、一个固定的反射器和一个移动的反射器组成，移动反射器的位置随被测物体移动而变化。特点是根据能够形成干涉现象的两束光在波形上的特性来进行运算测距方法。通过返回光线与发射光线形成的相干光束对比运算进而得到测量距离。干涉法激光测距需要在激光束的发射路径上增加一个分光镜，将激光束分离成两部分的相干光束。一部分作为参考信号发射到固定的反射器上，同时固定反射器上的光与移动反射器返回的光束合成相干光束，并投射在光电探测部分，通过干涉光的差异算出被测物体的位移。干涉法激光测距同样具有精度高、可移动的特点，但需要比较复杂的运算。

2.2.3 脉冲法激光测距

脉冲法激光测距系统主要由发射部分、光电接收部分、计时部分和距离计算部分组成。测距中的激光束以脉冲串的形式被发射出去，反射回来后直接会被光电接收部分接收。计时单元记录光线投射和返回的时间，通过运算测出目标距离。脉冲激光测距是种比较简单粗超的测距方法，测量精度跟发射的激光束频率有关，因此，激光测距的精度相较其它方法会低些。

2.2.4 相位法激光测距

相位法激光测距主要在激光发射部分、激光接收部分、距离测量部分之外增加了差频测相部分。相位法的特点是通过差频测相装置，根据光线往返路上的相位差及其时差进行运算的测量方法。相位法测距中，需要设定原始的频率设定，进而通过差频测相和鉴相实现测量目的，是当下激光测距技术中精确度最高的一种测距方法。

3 激光测距在实测中的应用

通过激光测距可以实现远距离的无人操作测量，而且测量精度高、在时间上具有实时性和持续性双向的特点。以目标测量物为参照，激光测距的用途本质上有3种：向内，了解测量物的空间体积和位移关系等相关信息；向外，定位物体在空间中的位置和位移信息；最后，还可以对不同物体的在时间和空间关系进行运算。所以，理论上讲，激光测距可以应用在所有需要体量参数、时间和空间位置信息来进行决策的需求场景。

而激光测距方案的选择，需要根据激光测距的需求、环境要求、技术特点、成本等综合考虑。可能是测绘、定位、探测、监测等不同的目标需求，进而需要适应什么样的环境、测量的距离范围、精确度范围等。而测距方案也有不同的功耗和价格成本。

3.1 激光测距技术的广泛应用

激光测距应用范围极广。在军事上的应用主要有地形测量、战场测量、武器装备对目标的测距等应用；在工业工程中主要是自动化控制，测绘、精确的位移定位等方向的应用；在民用消费领域，可以代替手工测量和实现远距离测量，是自动驾驶技术、停车场车位监测等的重要手段；在科学研究中，对地理地貌空间的测绘、扫描与3D 重建、卫星、气候等信息的监测等都发挥重要作用；在人工智能领域，对障碍物的检测与规避、空间位置信息的监测等都发挥重要作用。

从其应用价值来看，激光测距技术是基于距离、体积和空间方位和时间差等进行决策的底层工具。通过一维的激光测距可以获得距离测量、定位的作用；通过二维的激光测距，可以获得轮廓测量、定位、区域监控作用；通过三维的激光测距，可以获得三维轮廓、三维空间的定位信息。

3.2 半导体激光器

半导体激光器是以半导体材料的电流激励为特点的半导体激光器。因其集成性好，激光测距单元可以传感器、芯片、PCBA、激光测距组块等不同的层级进行组合和封装，因而具有广泛的应用，尤其在诸如人工智能、自动化、无人操作等领域。

基于半导体激光测距技术的激光传感器，可以准确地感知物体的物理特性，诸如长度、距离、振动、速度、方位等信息。感知到的数据信息通过数据转换、统计和运算处理，可以对事物实现实时的和连续的感知与监测并做出抉择。是人工智能、物联网和区块链等技术中重要的感知路径之一。

3.3 激光测距仪

除了测距功能在工业无人化、自动化、地理测绘等领域的复合应用外，激光测距本身也是一种单纯的测量工具。激光测距仪在工程测量、地理测绘、生活测距等场景也被广泛应用。根据使用场景，目前激光测距仪主要有手持式、云服务式和望远镜式三种激光测距仪。

4 结束语

目前，激光测距技术，尤其是半导体激光测距技术以及其传感器功能，在云计算、大数据分析、人工智能、物联网科技中发挥着巨大作用。激光测距因其无需人的参与，且信息通过实时的传输、监测和云计算，可以匹配多种应用场景。未来，在不断优化激光测量技术的同时，一定会创造出更多的使用场景，为社会生活便利、工作效率提升和科学研究探索等提供更有价值的服务。