激光測距是以激光器作為光源進行測距，由于其誤差僅為其它光學(xué)測距儀的五分之一到數(shù)百分之一，因而被廣泛用于地形測量，戰(zhàn)場測量，坦克，飛機，艦艇和火炮對目標的測距，測量云層、飛機、導(dǎo)彈以及人造衛(wèi)星的高度等。近日，精密激光測距研究獲得重大突破，不僅測量范圍擴大，并且還可以測量任何星際距離。

       目前，精密激光測距的極限是地月距離。這些系統(tǒng)基于被動激光測距，測量信號按距離的四次方反比（1/R^4）衰減。近日，加利福尼亞州的加州噴氣推進技術(shù)實驗室的Yijiang Chen，Kevin M. Birnbaum和Hamid Hemmati設(shè)計了一套新系統(tǒng)，這套系統(tǒng)使用主動激光測距，信號衰減只有距離的二次方反比（1/R^2） 。系統(tǒng)的測量范圍增大了幾千倍，而且新系統(tǒng)有可能達到亞毫米級的精度，整體性能提升三個數(shù)量級以上。相關(guān)論文已發(fā)表在最近一期《應(yīng)用物理快報》（102, 241107 (2013). DOI: 10.1063/1.4810906）。

        根據(jù)Birnbaum的解說，“原則上，只要增加望遠鏡的大小，這種方法可以擴大到任何星際距離。根據(jù)我們計算，實現(xiàn)從地球到火星或木星測距，需要在地球上放置直徑1米的望遠鏡，在飛船安置上直徑15厘米的望遠鏡。這個要求很容易達到。 ”

        主動激光測距地球和行星之間的空間 - 時間圖。該系統(tǒng)收發(fā)器兩端均采用有源激光器，所以比無源收發(fā)器的信號更強，可以實現(xiàn)遠距離激光測距。

       新的激光測距方案，每一端都有一個收發(fā)器發(fā)射并接收激光脈沖。激光脈沖上加載有時間標簽，用來測量脈沖傳播花費時間，進而測量收發(fā)器之間的距離?？茖W(xué)家們解釋說，這些“主動收發(fā)器”是遠距離測量的關(guān)鍵。

    “與現(xiàn)有光學(xué)技術(shù)相比，關(guān)鍵在于使用主動收發(fā)器。目前光學(xué)測距基于測量目標被動地反射光線。所以有效測量范圍限于地—月距離。這一距離根本不能被稱為星際空間，因為行星間距離比月球遠上幾千倍。如果嘗試使用相同的被動測量系統(tǒng)測量行星間距離，因為光強隨1/R^4下降，得到的信號會減弱萬億倍。但我們使用的激光器兩端為有源收發(fā)器，所以每端都可以得到更強的信號。”Birnbaum 進一步解釋說，需要的激光功率沒有超出現(xiàn)有激光器。“激光器本身并不需要非常強大， ”他說，“市售的激光具有足夠的脈沖能量。系統(tǒng)需要的出射光強可以很低，甚至人眼安全的光強都可以。只要有一個非常敏感的接收器并且從背景光中挑選出‘信號’。”

       他們在地球上開展了實驗室測試和室外測試。雖然由于地球大氣中的大氣湍流的波動將增加少量的誤差，科學(xué)家們認為，這個誤差可以被控制在1毫米之內(nèi)。測量與實際距離的偏差不超過0.14毫米，遠低于1毫米精度的目標。

       實現(xiàn)遠距離、高精度激光測距的最大挑戰(zhàn)為收發(fā)器同步和克服雜散背景光。研究人員使用新的同步方案來克服這些難題，包括星際激光通信，以及使用低重復(fù)率短脈沖激光。未來他們想對系統(tǒng)進行更大規(guī)模測試。“技術(shù)在實驗室與室外測試得到了驗證，我們接下來想在飛機與地面測試收發(fā)器，然后我們會在地面和太空船之前測試。”伯恩鮑姆說。

科學(xué)家研制出新激光測距系統(tǒng) 可測量任何星際距離

       激光測距的巨大進步將帶來許多應(yīng)用。首先可能解決火星內(nèi)部組成迷題。其次以用在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域新的實驗，包括：檢驗等價原理，明顯的宇宙加速膨脹，可能存在額外維度。最后，新激光測距系統(tǒng)可以保證行星間實驗的開展，并可以擴展到其他太陽系天體。這一系列實驗將揭示諸多：行星的演化，大氣、海洋和光環(huán)的組成成分。

       該新激光測距系統(tǒng)的是測量領(lǐng)域的重大突破，將使得那些星球的未解之謎慢慢透明化，并且還可能為我們找到其他天體，進而拓展我們的認知。此外，該激光測距系統(tǒng)也將推動著其他相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的大發(fā)展。