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自动驾驶时代到来,激光雷达站到舞台正中央!

2021-03-30 09:58
锦缎
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本文系基于公开资料撰写,仅作为信息交流之用,不构成任何投资建议。

不知不觉间,从1960年第一台激光器到现在,六十年弹指一挥间,激光雷达从最初的远程测距到眼科检查,再到推动扫地机器人进入千家万户。自动驾驶时代的到来,激光雷达更是站到了舞台的正中央。

在自动驾驶需求的推动下,激光雷达技术将出现指数性的进步。

谁也不知道将来会有什么样的杀手级应用。我们唯一能确定的就是,高性价比的激光雷达,将会提升我们感知这个世界的能力,让这个世界变得更美好。

01原理

所谓雷达,就是用电磁波探测目标的电子设备。激光雷达,顾名思义就是以激光来探测目标的雷达。

谈到激光雷达,当然首先离不开激光的历史。

早在1916年,爱因斯坦就发现了激光的原理。简单的说,就是原子中的电子从高能级落到低能级的时候,就会以光子的形式释放能量。从某种意义上说,这可以理解成一种形式的“燃烧”。

理论上并不复杂,但第一台真正意义上的激光器,却要到1960年,也就是44年后才出现。因为这种形式的“燃烧”,需要的材料和触发条件,都不好实现。

1960年7月,美国休斯实验室的西奥多·梅曼,发明了人类历史上第一台激光器。为了达到“燃烧”所需要的条件,他用高强闪光灯管,来激发红宝石,最终促成了真正意义上的激光的出现。

激光器发明后的第二年,也就是1961年,科学家们就提出了激光雷达的设想。因为激光跟雷达,处于同一个图谱上,正常人都会往这边想。

根据我们高中毕业之后仅剩不多的物理记忆,我们知道光速=3*108米/秒,我们还知道,无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线这些,本质上都是一种电磁波,那么就有下面的公式:

波长*频率=光速

波长越长,频率越低,这两者反方向变化。从实际应用的角度出发,波长越长,绕射的能力越强,但是因为频率低,贯穿的能力就弱。

比如我们在北京,打开收音机就能听到的北京交通广播FM103. 9MHz,代表的就是波长约3米的电磁波(光速除以频率就是波长),属于短波电台,传播覆盖区域一般,主要覆盖北京;而中央人民广播电台的频率是1.008MHz,波长就延伸到300米左右,绕射能力更强,可以对整个大中华地区进行广播。

波长的另一个极端是X射线γ射线,传播能力很弱,但贯穿力极强,X光射线可以用来做胸透,γ射线威力最大,可以直接杀伤细胞,通常用于工业探伤。

利益是最好的老师,一二次世界大战催生了雷达的发明和快速进化,最早的雷达波长是23厘米,后来火控雷达出现,波长降到1-5厘米,一直到今天,该区段都是雷达波长的主流区域。

并不是所有的电磁波都可以产生激光。沿着电磁波的频率图往右走,与雷达波相邻的红外线、可见光和紫外线,都可以发出激光。既然我们用厘米波制作雷达,那么顺理成章的激光也可以做雷达,这就是激光雷达的理论依据。

而且,雷达就是发出电磁波,同时接收反射回的电磁波,通过两者的时间和波形变化来对周边环境建模。激光雷达无非就是把原来的厘米波换成激光,各种算法都是现成的。

从这里你就可以发现,激光雷达的技术基本上就是从军用雷达技术上平移过来的。没有军用雷达技术的国家,激光雷达技术必然也不会高,因为二者的原理和算法大差不差,没有军用雷达技术做底子,激光雷达想都不用想。

激光器已经发明,雷达的算法都是现成的,我们看到了激光雷达摩拳擦掌,就要在这个世界大展拳脚了。

02第一束光

凡事都怕但是。

稍有姿色,稍有才华,都是蛮尴尬的事情。会在无数个时刻,你站在一级台阶上,自以为窥见了天光。

激光雷达也是这样。

直来直去的激光指向性强,在150米范围内可以很清晰的对外在环境进行二维和三维建模,但是超过300米以上,还有在大雾雨雪等极端天气下,激光雷达就变得精确度感人。

所以,激光雷达很长一段时间,干的都是直来直去一竿子捅到底的活,那就是测距。1967年7月,美国人进行了第一次载人登月飞行,就在月球上安装了一个发射装置用于测算地球和月球的距离。

因为激光的特性,激光雷达发展了自己的副业,那就是在军事上为炸弹定位。飞机发射激光照射目标,同时投掷激光制导炸弹对准目标飞行,用激光随时修正自己的飞行路线,精确度非常高。

激光制导炸弹最早亮相于1972年4月的越南战争,美军用了七年,损失了十数架飞机,都没有炸掉的清化大桥,仅仅经过两次轰炸,耗费20枚激光制导炸弹,就将清化大桥从地图上抹掉。相对普通航弹,激光制导炸弹显示了极高的费效比。

副业挤掉了主业,小三上位。但时间之长谁也想不到,这个副业,激光雷达一干就是二十多年。

我们常说,万物皆有裂痕,那是光照进来的地方。

对激光雷达来说,漫漫黑夜里的第一束光,来自于意想不到的地方,那就是眼科。

很久以来,眼科医生一直希望能对患者的眼球做一个清晰的三维模型,从中发现可能的病变。但是传统的B超、X光都有自己的缺点。由于眼球本身的特殊结构,从眼角膜一直到最后的视网膜,都是透明的,可见光可以无阻碍的进入。这就为激光雷达的使用奠定了基础。

这个技术的名字听起来让人一头雾水,叫光学相干断层扫描,英文简称OCT,核心原理就是用激光雷达抵近患者眼球进行扫描建模。

第一台OCT是由卡尔·蔡司公司在1997年推向市场的,发展到现在已经进化到第3-5代,具体来说,就是利用波长从900纳米到1325纳米的红外激光,对患者的眼球进行扫描,根据反射光线对眼球进行三维建模。

因为激光雷达对于近距离的物体扫描精度很高,因此这个应用非常成功,在眼科的一线医疗上得到了迅速的普及,目前已经成为眼科的常规检查方式之一。

但OCT这个应用毕竟很小众,市场也不大,直到今天,中国OCT市场规模都不到10亿人民币这个数量级。激光雷达市场,迫切需要杀手级的应用出现。

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