聚上美相关测量地球到月球的距离的扩展：
科学家们是怎样测量月球和地球的距离的 地球到月球的平均距离是384,400千米 。月球离地球近地点距离 为 35.7万 千米 (就是地表到月表);距离地球最远的远地点距离为40.6万千米(就是加上月球与地球的直径)。 月球是离我们地球最近的星球。平常月亮距离地球大概是40多万公里，由于月球环绕地球运行是一个以一个轴心为主的椭圆形的轨道，因此，月球距离地球最远比最近时多5万公里。同样是满月，月球距离地球最近比最远时，月亮的视直径大14%，视面积大30%。 月光从月球传到地球的时间只要1.3秒，也就是说只眨了下眼的功夫。可是这么短的时间，它的路程却有38万多千米。并且月球轨道以3.8cm/a的速度向外偏移，也就是以每年3.8厘米的速度远离地球而去。 古人测量地球到月球的方法： 古人最早测量地月距是通过肉眼观察进行大概的测量，最早测定月地距离的人是伊巴谷，其在公元前180年左右出生于小亚细亚，也就是今天的土耳其。 伊巴谷发明了一种“瞄准器”，一根约两米长的木杆上，有沟槽可容一个挡板在其中滑动，在木杆的一端竖立一块有小孔的板，人眼从小孔中观察星体，同时滑动挡板，使它刚好遮住目标。根据挡板与小孔之间的距离及挡板的宽度，就可以算出被测物体的相对大小，或星空中两点的视距离。 他还发明了一种星盘，可以测天体的方位和高度。人们还传说他制作过一个天球仪，刻在上面的恒星数目比他列在星表上的还多。还是让我们欣赏伊巴谷是如何测量日、月、地三天体的距离的。 他观测了一次日食，同埃拉托色尼一样，他也需要两个地点的观测数据。在土耳其附近，人们看到了日全食;而在经度接近而纬度不同的亚历山大城，只能看到日偏食，月球最大遮住了太阳的4/5。 由此，他推算出了月球的视差，他也将太阳光处理为平行照射到地球上。他的计算结果是，月球直径是地球的三分之一，月地距离是地球半径的60.5倍。第一个数据偏大了一点，对于第二个数据，按照现在的测量结果，月地距离是地球半径的60.34倍。由于埃拉托色尼已经给出了地球半径的数据，于是伊巴谷得到了月地距离的真实数据。 让我们替伊巴谷算一下：38400×60.5/(2×3.14)=37万千米。现代的月地距离数据是38万千米。2100多年前的祖先，手持木杆，单凭一双肉眼，就得到如此准确的数据，面对这样的结果，我们后人实在是没有什么可骄傲的，我们发明出来的令人眼花缭乱的“先进”技术，只是反映出我们理性思考的贫乏和虚弱罢了。 伊巴谷的太阳数据误差较大，主要还是受阿里斯塔克的数据影响。伊巴谷算出的太阳直径是地球直径的12倍多，而实际太阳直径超出地球达百倍之多;他的日地距离是地球半径的2500倍，而实际是两万多倍。 科学家测量地球到月球的距离的方法： 1、三角法 比如说地球在春分点和秋分点时分别观测一颗恒星对地球的角度，然后以公转轨道半径为基线，算出它距地球的距离 对于较近的天体(500光年以内)采用三角法测距。 500--10万光年的天体采用光度法确定距离。10万光年以外天文学家找到了造父变星作为标准，可达5亿光年的范围。 更远的距离是用观测到的红移量，依据哈勃定理推算出来的。 月球是距离我们最近的天体，天文学家们想了很多的办法测量它的远近，但都没有得到满意的结果。科学的测量直到18世纪(1715年至1753年)才由法国天文学家拉卡伊(N.L.Lacaille)和他的学生拉朗德(Larand)用三角视差法得以实现。他们的结果是月球与地球之间的平均距离大约为地球半径的60倍，这与现代测定的数值(384401千米)很接近。 2、光谱在天文研究中的应用 人类一直想了解天体的物理、化学性状。这种愿望只有在光谱分析应用于天文后才成为可能并由此而导致了天体物理学的诞生和发展。通过光谱分析可以：(1)确定天体的化学组成;(2)确定恒星的温度;(3)确定恒星的压力;(4)测定恒星的磁场;(5)确定天体的视向速度和自转等等。 3、激光测量 雷达技术诞生后，人们又用雷达测定月球距离。激光技术问世后，人们利用激光的方向性好，光束集中，单色性强等特点来测量月球的距离。测量精度可以达到厘米量级。 列如： 用激光测距仪测量从地球到月球的距离。激光的传播速度为3×108m/s，在激光从地球发射到月球后再反射回地球的过程中，所需时间为2.56s，求地球到月球的距离。 s=v.t/2=3乘10的8次方乘2.56/2=384000000米=38.4万 科学家们所用的这种精细测量地月距离的新设备叫做“阿帕奇月球激光测量仪”(英文简称APPOLLO，和“阿波罗”同名)。为了达到期望的精度，来往于地月之间的激光脉冲计时精度必须达到几皮秒(1皮秒等于百亿分之一秒)的水准。由于光速是已知的，因此通过测量激光脉冲在地月之间(准确地说是在“阿帕奇月球激光测量仪”和安放在月球表面的反射阵列之间)往来的时间就可以求得两点之间的精确距离。
如何测量月球到地球的距离？或许你需要一把“激光测距”尺
1917年，爱因斯坦提出了产生激光的理论，43年后，梅曼发明了第一台激光器。激光作为人造光源里最为鹤立鸡群的那个，被誉为：“最快的刀，最准的尺，最亮的光”。
今天，我们就讲讲拿激光做“尺子”这个事。
激光测距，一把摸不到的尺
如果想要知道我们离月亮有多远该怎么办？
常规方法是这样的：拿个皮尺从地球扯到月亮。可是，上哪找那么长的皮尺，又要找谁才能把尺子一路扯到月亮上呢？钢铁侠吗？
这显然是行不通的，当然办法总比困难多，科学家们换个思路就把目光聚焦到了“光”上面。
光的传播速度是：v = 299792千米每秒，假设我们从地球发射一束光，光到达月球表面并反射回来，花了t秒的时间，那么光行进的路程S = v×t,而月亮跟地球的距离就是S的一半。
这下子不用人扯皮尺也能测出地球和月球间的距离了，不过新的问题又出现了，选什么光才能保证完成任务呢？首先这光需要足够亮，方向性足够好，这样才能到达月亮再返回来并被我们接收到，那么随便拿个手电筒肯定是不行的。
听说激光又亮，方向性又好？那就选它了！
于是为了激光能顺利到达月球并反射回地球，宇航员们在登月的时候特意留了几块反射激光的镜子，这使得科学家们利用激光测量地月距离时，返回地球的激光信号变得更强。
人类最后一次登月在50年前，而那时候放在月亮上的镜子到现在都还在工作中。也正是利用激光测距，我们才知道了月亮正以平均每年3.8厘米的速度远离地球。
宇航员奥尔德林正在放置地震仪和镜子（镜子全名：激光测距后向反射器）
(图源：project apollo archive)
激光雷达：核心是激光测距，360度环绕的那种
人类探索的脚步是永不停歇的，知道地球和月球之间距离多远后，科学家们又忙着探测月球更多的秘密，比如月球表面的形貌是怎样的？我们如何在坑坑洼洼的月球表面上选择一块相对平整的地方停靠人类的飞船？
显然，光知道月球上一个点离我们多远是不够的。那怎么办？
办法就是——把探测的范围扩大，一次测量很多个点，记录每个点的方向与距离信息，再根据收集到的信息解算出被探测面的形貌，而这也正是激光雷达的工作原理。
激光测量周围许多点的距离，感知周围环境的形貌
（图源;wiki百科）
第一代机械式激光雷达的结构与上边的模型类似，在激光测距仪的基础上，加一面能够快速变换位置的反射镜，它就能将激光反射到各个方向。
激光雷达在工作时会旋转着扫描周围的环境，类似于人手上拿着激光测距仪，原地转圈的同时手还在上下移动，这样就能测量出周围环境的形貌信息。
搭载到汽车上的激光雷达，每秒测量数十万次周围环境的距离信息，每次测距都生成一个数据点，大量数据点构成描述三维环境的点云。
（图源：velodyne.inc）
大规模应用，降成本是关键
第一代激光雷达面世后，它让大家觉得,激光雷达很强啊，不仅探测能力很强，掏空钱包的能力也很强。
机械式激光雷达在工作的时候需要高速旋转，还需要能够快速摆动的反射镜，这给激光雷达的制造增加了许多困难。所以在激光雷达发展初期，一台激光雷达的价格就高达几十万。
但这么好的“玩意儿”，可不能让成本限制了它的应用，于是工程师们开始想着怎么降低激光雷达的制造成本。
首先是机械式激光雷达的反射镜，它的反射镜又大又重，镜子旋转起来的时候好比抡着大铁锤，不仅费劲还费钱，所以科研人员想，如果把镜子做轻做小，那不就如同把大铁锤换成小棍子，抡起来一定很惬意。
于是，MEMS（微机电系统）激光雷达出现了，这种激光雷达里边的镜子很小很轻，移动起来也更加灵活。还能直接把镜子集成在芯片上，这样一来激光雷达的结构就简单了许多，制造成本也有所降低。
Mems激光雷达中的镜子，它的宽度只有1.5毫米
（图源：参考文献1）
不仅如此，有的工程师脑洞开得更大：能不能不要镜子，直接控制激光出射的方向，制造一台没有任何活动部件的纯固态激光雷达？
于是光学相控阵技术应运而生。激光是电磁波，具有波的性质，会产生干涉现象。这就好比两束激光相遇，产生类似两列水波交叠在一起的现象，有的方向仍然有水波，而有的地方水面则很平静。
两列水波相遇发生的干涉现象
（图源：youtube）
光学相控阵技术产生不同方向的电磁波
（图源：Wikipedia）
借助干涉原理，只要合理的控制多束激光阵列的发射时间等参数，就能够让多束激光合成的光束向着特定的位置行进。
相控阵激光雷达的核心元件激光相控阵列（其实就是排布在一起的小型激光器阵列）可利用半导体技术大规模制造，这就分摊了研发制造成本。
集成在电路板上的纯固态激光雷达
（图源：Quanergy.inc）
在科研人员的不断努力下，目前，固态激光雷达的价格已经下探到了几千元，越来越多的激光雷达出现在实用化场景中，在自动驾驶、测绘、考古等领域都发挥了重要作用。我们期待，未来激光雷达的运用范围会更加广泛。
[1] Wang D , Watkins C , Xie H . MEMS Mirrors for LiDAR: A Review[J]. Micromachines, 2020, 11(5):456.
[2] Amzajerdian F , Pierrottet D F , Petway L B , et al. Lidar systems for precision navigation and safe landing on planetary bodies[C]// International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2011: Laser Sensing and Imaging; and Biological and Medical Applications of Photonics Sensing and Imaging. International Society for Optics and Photonics, 2011.
[3] Goyer G G , Watson R . The Laser and Its Application to Meteorology[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1963, 44(9):564-570.
[4] https://quanergy.com/products/s3/
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Phased-array_optics
[6]https://velodynelidar.com/products/puck-lite/
[7] https://www.hesaitech.com/zh/download
[8] https://www.zhihu.com/question/359079692/answer/920960280
[9] https://zhuanlan.zhihu.com/p/90852852
出品：科普中国
作者：海里的咸鱼
编辑：王婷婷
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来源：中国科普博览
编辑：Garrett
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