纽约时报第三届STEM写作比赛获奖文章:从汽车传感器到考古地图 激光技术证明了一个聪明的想法

就像科幻大片中的情节一样,光粒子可以让自动驾驶汽车探测周围的物体,让科学家绘制海底地图,甚至让考古学家发现历史遗迹。虽然看起来很神奇,但光探测和测距,或称激光雷达,利用光分子来“看到”周围的环境。

那么,激光雷达是如何探测物体的呢?通过激光脉冲,光光子被发射出来,与它们遇到的不同表面相互作用。想想台球——台球杆一戳,球就会飞起来,撞到桌边或互相碰撞,直到它们坠入角落的口袋。类似于台球,一些轻粒子从一个表面反射回来,回到激光雷达仪器的口袋。

激光雷达技术以“波形”的形式携带能量,收集光光子进入仪器的时间和角度的数据。激光雷达将到达相似时间和方向的光子汇编成能量峰值;较大的峰值表明光从物体或地面反弹回来。利用这些峰值以及单个光子提供的x、y和z坐标信息,激光雷达可以描绘出一个微小的表面。将这些表面拼接起来,激光雷达可以生成一个区域的详细的三维图像,甚至可以显示出树叶或人行道上的裂缝。

根据不同的用途,不同的技术也可以使用独特类型的光。例如,两类激光雷达中的一种,测深仪,就使用绿光。这种绿光可以穿透水,这使得它在绘制水下表面图时非常有用。激光雷达的另一类是地形雷达,它使用红外光:与绿光相比,红外光在电磁能谱中处于较低的位置。地形激光雷达通常用于绘制地形特征,并用于较小的传感器。

目前,较小的激光雷达传感器被用于检测超速违章或感知自动驾驶汽车的道路环境。然而,更强大的激光雷达技术被用于更大的任务:视觉上表示整个土地范围。2021年10月,《科学新闻》报道称,激光帮助危地马拉的一个地下广场和金字塔的考古发现。

德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)中美洲中心主任戴维·斯图尔特(David Stuart)解释说,“那里没有可见的石雕”,所以“人们认为它是一座天然小山”。这些建筑表面覆盖着土壤和植被,从日常生活中看不出来。然而,由于直升机收集的激光雷达地图,考古学家将“山丘”的布局与一个类似的结构相匹配:位于墨西哥城附近的La Ciudadela广场。这一发现使专家们发现了隐藏的结构。

除了考古意义外,激光雷达地图还提供了许多令人兴奋的机会。科学家们可以使用这项技术来描述不同生态系统中的植被特征,或者在面对山体滑坡或海啸时做出计划。不管它的应用如何,激光雷达无疑是通过使3d绘图愿望成为现实,使科幻小说中的激光幻想成为“轻”工作。

Works Cited

Bower, Bruce. “Lidar Reveals a Possible Blueprint for Many Olmec and Maya Ceremonial Sites.” Science News, 27 Oct. 2021.

Quain, John R. “What Self-Driving Cars See.” The New York Times, 25 May 2017.

Rodrigues, Meghie. “Lasers Reveal Construction Inspired by Ancient Mexican Pyramids in Maya Ruins.” Science News, 22 Oct. 2021.

Wasser, Leah A. “The Basics of Lidar — Light Detection and Ranging — Remote Sensing.” Neon, 7 Oct. 2020.

“What Is Lidar and What Is It Used For?” American Geosciences Institute, 2 Nov. 2020.

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