Wie misst man die Entfernung vom Mond zur Erde? Vielleicht benötigen Sie ein Lineal zur Laser-Entfernungsmessung

Im Jahr 1917 stellte Einstein die Theorie der Laserenergieerzeugung auf und 43 Jahre später erfand Maiman den ersten Laser. Der Laser ist die herausragendste künstliche Lichtquelle und gilt als „das schnellste Messer, das genaueste Lineal und das hellste Licht“.

Heute sprechen wir über die Verwendung eines Lasers als „Lineal“.

Teil 1

Laser-Entfernungsmessung, ein immaterielles Lineal

Was ist, wenn wir wissen möchten, wie weit wir vom Mond entfernt sind?

Die herkömmliche Methode ist folgende: Nehmen Sie ein Maßband und spannen Sie es von der Erde zum Mond. Aber wo bekomme ich ein so langes Maßband her und wer kann das Band bis zum Mond spannen? Iron Man?

Dies ist offensichtlich nicht umsetzbar, aber natürlich gibt es immer mehr Lösungen als Probleme. Die Wissenschaftler änderten ihre Denkweise und richteten ihre Aufmerksamkeit auf „Licht“.

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt: v = 299792 Kilometer pro Sekunde. Angenommen, wir senden einen Lichtstrahl von der Erde aus und es dauert t Sekunden, bis das Licht die Oberfläche des Mondes erreicht und reflektiert wird. Dann beträgt die vom Licht zurückgelegte Entfernung S = v × t und die Entfernung zwischen Mond und Erde beträgt die Hälfte von S.

Jetzt können wir die Entfernung zwischen der Erde und dem Mond messen, ohne ein Maßband zu verwenden, aber es entsteht ein neues Problem: Welche Art von Licht muss gewählt werden, um sicherzustellen, dass die Aufgabe erfüllt wird? Zunächst einmal muss das Licht hell genug und gerichtet genug sein, damit es den Mond erreichen und zurückkehren und von uns empfangen werden kann. In diesem Fall reicht es nicht aus, einfach eine Taschenlampe in die Hand zu nehmen.

Ich habe gehört, dass Laser hell sind und eine gute Richtwirkung haben? Dann wähle es!

Um sicherzustellen, dass der Laser den Mond problemlos erreichen und zur Erde zurückreflektiert werden kann, haben die Astronauten bei ihrer Landung auf dem Mond absichtlich mehrere Laser-Reflektorspiegel zurückgelassen. Dadurch wird das zur Erde zurückkehrende Lasersignal stärker, wenn Wissenschaftler mithilfe eines Lasers die Entfernung zwischen Erde und Mond messen.

Das letzte Mal, dass Menschen auf dem Mond landeten, war vor 50 Jahren, und die damals auf dem Mond angebrachten Spiegel funktionieren noch heute. Dank der Laserentfernungsmessung wissen wir außerdem, dass sich der Mond mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 3,8 Zentimetern pro Jahr von der Erde entfernt.

Astronaut Aldrin platziert das Seismometer und den Spiegel (vollständiger Name des Spiegels: Laser Ranging Retroreflector)

(Bildquelle: Project Apollo-Archiv)

Teil 2

LiDAR: Der Kern ist die Laserentfernungsmessung, die einen 360-Grad-Umfang ermöglicht.

Die menschliche Erforschung hört nie auf. Nachdem die Entfernung zwischen der Erde und dem Mond bekannt ist, erforschen Wissenschaftler nun weitere Geheimnisse des Mondes, beispielsweise wie die Oberfläche des Mondes aussieht. Wie wählen wir auf der zerklüfteten Oberfläche des Mondes eine relativ flache Stelle zum Andocken bemannter Raumschiffe aus?

Offensichtlich reicht es nicht aus, nur zu wissen, wie weit ein Punkt auf dem Mond von uns entfernt ist. Was soll ich dann tun?

Die Lösung besteht darin , den Erfassungsbereich zu erweitern, mehrere Punkte gleichzeitig zu messen, die Richtungs- und Entfernungsinformationen jedes Punkts aufzuzeichnen und dann anhand der gesammelten Informationen die Form der erfassten Oberfläche zu berechnen. Genau dies ist das Funktionsprinzip von Lidar.

Der Laser misst die Entfernung vieler Punkte und erfasst die Form der Umgebung

(Quelle: Wikipedia)

Die Struktur der ersten Generation mechanischer Lidar-Sensoren ähnelt dem oben beschriebenen Modell. Auf Basis des Laser-Entfernungsmessers wird ein schnell positionierbarer Reflektor ergänzt, der den Laser in alle Richtungen reflektieren kann.

Während des Betriebs rotiert das Laserradar und scannt die Umgebung, ähnlich einer Person, die einen Laser-Entfernungsmesser in der Hand hält, sich im Kreis dreht und dabei die Hand auf und ab bewegt, sodass die morphologischen Informationen der Umgebung gemessen werden können.

Das im Auto installierte Laserradar misst die Entfernungsinformationen der Umgebung hunderttausende Male pro Sekunde. Jede Entfernungsmessung erzeugt einen Datenpunkt, und eine große Anzahl von Datenpunkten bildet eine Punktwolke, die die dreidimensionale Umgebung beschreibt.

(Bildquelle: velodyne.inc)

Teil 3

Großflächige Anwendung, Kostensenkung ist der Schlüssel

Nachdem die erste Lidar-Generation auf den Markt gekommen war, war allen klar, dass Lidar sehr leistungsstark ist. Es verfügt nicht nur über starke Erkennungsfähigkeiten, sondern ist auch in der Lage, die Geldbörsen der Leute zu leeren.

Mechanische LiDARs müssen sich im Betrieb mit hoher Geschwindigkeit drehen und benötigen außerdem einen Reflektor, der schnell schwingen kann, was die Herstellung von LiDARs erheblich erschwert. Daher lag der Preis eines LiDAR in den frühen Phasen der LiDAR-Entwicklung bei Hunderttausenden.

Doch die Kosten dürfen bei einer so guten Sache nicht die Anwendung einschränken, und so begannen die Ingenieure darüber nachzudenken, wie sich die Herstellungskosten von Lidar senken ließen.

Zunächst ist da der Reflektor des mechanischen Laserradars. Sein Reflektor ist groß und schwer. Beim Drehen des Spiegels wird mit einem Vorschlaghammer geschwungen, was nicht nur mühsam, sondern auch teuer ist. Die Forscher dachten daher, wenn man den Spiegel leichter und kleiner machen könnte, wäre das so, als würde man einen Vorschlaghammer durch einen kleinen Stock ersetzen, den man sehr bequem schwingen könnte.

So entstand das MEMS-Lidar (mikroelektromechanisches System) . Die Spiegel dieses Lidar-Typs sind sehr klein und leicht und lassen sich flexibler bewegen. Der Spiegel kann zudem direkt auf dem Chip integriert werden, was den Aufbau des Lidars deutlich vereinfacht und die Herstellungskosten senkt.

Der Spiegel im Mems-Lidar ist nur 1,5 mm breit.

(Bildquelle: Referenz 1)

Darüber hinaus haben einige Ingenieure noch größere Ideen: Ist es möglich, ohne Spiegel auszukommen und die Richtung der Laseremission direkt zu steuern, um ein reines Festkörper-Lidar ohne bewegliche Teile zu schaffen?

So entstand die optische Phased-Array-Technologie . Ein Laser ist eine elektromagnetische Welle mit Welleneigenschaften, die Interferenzphänomene hervorruft. Dies ist vergleichbar mit dem Aufeinandertreffen zweier Laserstrahlen, wodurch ein Phänomen entsteht, das dem Überlappen zweier Wasserwellen ähnelt. In einigen Richtungen gibt es noch Wasserwellen, während die Wasseroberfläche an manchen Stellen sehr ruhig ist.

Interferenzphänomen beim Aufeinandertreffen zweier Wasserwellen

(Bildquelle: youtube)

Optische Phased-Array-Technologie erzeugt elektromagnetische Wellen in verschiedene Richtungen

(Bildquelle: Wikipedia)

Mithilfe des Interferenzprinzips kann der synthetisierte Lichtstrahl mehrerer Laserstrahlen auf eine bestimmte Position gelenkt werden, solange die Emissionszeit und andere Parameter des Mehrstrahl-Laserarrays angemessen kontrolliert werden.

Die Kernkomponente des Phased-Array-Lidars, das Laser-Phased-Array (tatsächlich eine Anordnung kleiner, nebeneinander angeordneter Laser), kann mithilfe der Halbleitertechnologie in großem Maßstab hergestellt werden, wodurch die Forschungs- und Entwicklungs- sowie Herstellungskosten verteilt werden.

Reines Festkörper-LiDAR, integriert auf einer Leiterplatte

(Bildquelle: Quanergy.inc)

Dank der kontinuierlichen Bemühungen wissenschaftlicher Forscher ist der Preis für Festkörper-Lidar inzwischen auf mehrere Tausend Yuan gesunken. Immer mehr Lidar-Systeme tauchen in der Praxis auf und spielen eine wichtige Rolle beim autonomen Fahren, bei der Vermessung und Kartierung, in der Archäologie und in anderen Bereichen. Wir gehen davon aus, dass der Anwendungsbereich von Lidar in Zukunft noch größer sein wird.

Referenzen und Websites:

[1] Wang D, Watkins C, Xie H. MEMS-Spiegel für LiDAR: Ein Überblick[J]. Micromachines, 2020, 11(5):456.

[2] Amzajerdian F , Pierrottet DF , Petway LB , et al. Lidar-Systeme für Präzisionsnavigation und sichere Landung auf Planetenkörpern[C]// Internationales Symposium für photoelektronische Detektion und Bildgebung 2011: Lasersensorik und -bildgebung; und biologische und medizinische Anwendungen der photonischen Sensorik und Bildgebung. Internationale Gesellschaft für Optik und Photonik, 2011.

[3] Goyer GG, Watson R. Der Laser und seine Anwendung in der Meteorologie[J]. Bulletin der 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

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Gesalzener Fisch im Meer

Herausgeber: Wang Tingting

Hersteller: China Science Expo

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

Bitte geben Sie beim Nachdruck die Quelle des öffentlichen Kontos an

Bitte geben Sie die Quelle des Nachdrucks an. Der Nachdruck ohne Genehmigung ist verboten.

Für Fragen zur Nachdruckgenehmigung, Zusammenarbeit und Einreichung wenden Sie sich bitte an [email protected]