科学家首次实现用激光束引导闪电

科学家首次实现用激光束引导闪电闪电是能量最大的自然事件之一，在几分之一秒内释放出数百万伏的电压。这当然可以是破坏性的，破坏建筑物，切断电源，引发火灾并造成人员伤亡。几个世纪以来，我们对雷击的最好防御是避雷针，这是一根简单的金属棒，连接在高大的建筑物上，吸引电力并引导它安全地落到地面上。但它们的范围有限--一根10米（33英尺）的避雷针只能保护其周围10米的区域。要保护像机场或风力发电场这样大的建筑物，就需要不可想象的大型避雷针。现在，欧洲的研究人员已经展示了一个更有效的新系统。激光避雷针（LLR），顾名思义，就是在暴风雨期间将激光射入云层，以形成一条阻力最小的路径，让电流流过。而且它可以比避雷针延伸得更远。该研究论文的最后一位作者Jean-PierreWolf说："当非常高功率的激光脉冲被发射到大气中时，在光束内形成非常强烈的光丝。这些丝状物使空气中的氮和氧分子电离，然后释放出自由电子来移动。这种被电离的空气，称为'等离子体'，成为一种电导体。"为了证明这一概念，科学家们开发了一个新的激光系统，其平均功率为1千瓦，每秒脉冲约1000次，同时每个脉冲释放出一焦耳的能量。这套系统被安装在瑞士阿尔卑斯山最高的山峰Säntis的山顶上，靠近一座每年吸引约100次雷击的塔。2021年6月至9月间，该团队在席卷该地区的风暴中测试了该系统。激光被射入塔顶附近的天空，试图在雷电到达塔的常规避雷针之前将其哄骗到光束上。在那个夏天，当激光器被打开时，有四次闪电击中了塔楼，果然它可以使闪电弯曲。根据激光避雷针的实验数据建立的模型，可以清楚地看到闪电在到达塔楼之前跟随激光束一段时间。沃尔夫说："我们从第一个激光闪电事件中发现，放电可以在到达塔楼之前跟随光束近60米（197英尺），从而使保护面的半径从120米增加到180米（394英尺到590英尺）。"使用激光作为避雷针的想法已经存在了很长时间，并在实验室实验中显示出了前景，但该团队说这是第一次在现实世界中展示。其他科学家提出，石墨烯牵引光束可以做得更好，但这需要更复杂的设置。该团队说，LLR项目的最终目标是使用激光将10米长的避雷针的影响扩大500米（1640英尺）。该研究发表在《自然-光子学》杂志上。该团队在下面的视频中描述了这项工作。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1339597.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1339597.htm

一组明亮的绿色激光出现在夏威夷的夜空中 来自ICESAT-2卫星

一组明亮的绿色激光出现在夏威夷的夜空中来自ICESAT-2卫星虽然天空中出现明亮的绿色激光并不完全是一种日常现象，但这一事件在本质上也不是外星人。据日本国家天文台（NAOJ）的代表说，这是来自美国国家航空航天局（NASA）卫星的灯光，他们的相机负责拍摄这些激光。这实际上是美国宇航局ICESAT-2卫星发出的明亮的绿色激光。这颗卫星被设计用来跟踪正在进行的对抗气候变化的斗争所引起的地球冰冻层和云层的变化。ICESAT-2向地球表面发射明亮的激光以收集这些测量数据，每秒可以发射多达10000个明亮的绿色激光脉冲，使其能够对前面提到的冰冻层和云层覆盖进行先进的测量。美国宇航局在ICESAT-2的网站上解释说，这么多激光器可以让测量地球表面的精度提高到2.3英尺左右。对于不清楚细节的人来说，这是一个相当引人注目的景象，特别是在夜空的黑暗背景下。而且，这些激光器的使用提醒我们，尽可能地降低我们天空的光量是多么重要，因为这些测量在光污染较重的天空中是不可能实现的。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1343913.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1343913.htm

俄罗斯正在建造一个能干扰卫星的地基激光设施

俄罗斯正在建造一个能干扰卫星的地基激光设施根据TheSpaceReview最近的一篇报道，俄罗斯正在建造一个新的地基激光设施，用于干扰在头顶上运行的卫星。其基本想法非常简单：用激光淹没其他国家间谍卫星的光学传感器以干扰它们。激光技术已经发展到这种类型的反卫星防御肯定是可信的。然而只有有限的证据表明有任何国家成功地测试了这种激光。如果俄罗斯政府能够建造它，那么像这样的激光器将能够屏蔽该国大部分地区的光学传感器的视野。更糟糕的是，这项技术还为更不祥的激光武器的可能性奠定了基础，这种武器可以使卫星永久失效。激光如何工作激光是一种创造定向能量窄光束的装置。第一台激光器是在1960年开发的。从那时起，已经有几种类型被创造出来，它们使用不同的物理机制来产生光子或光的粒子。在气体激光器中，大量的能量被泵入特定的分子如二氧化碳。化学激光器由释放能量的特定化学反应驱动。固体激光器使用定制的晶体材料将电能转换成光子。在所有的激光器中，光子随后通过一种被称为增益介质的特殊类型的材料被放大，然后由光束导演聚焦成相干光束。激光效应根据光子强度和波长的不同，激光器形成的定向能量束可以在其目标处产生一系列的效应。像如果光子处于光谱的可见部分，那么激光可以在其目标处传递光。对于足够高的高能光子流，激光可以加热、汽化、熔化甚至烧穿其目标的材料。激光的功率水平、激光跟目标之间的距离及将光束聚焦在目标上的能力，这些都是决定对目标施加这些影响的能力的重要因素。激光应用激光产生的各种效果在日常生活中找到了广泛的应用，这包括激光指示器、打印机、DVD播放器、视网膜和其他医疗手术程序及工业制造过程如激光焊接和切割。研究人员正在开发激光作为无线电波技术的替代品以促进航天器和地面之间的通信。激光在军事行动中也得到了广泛的应用。其中最著名的是机载激光(ABL)，美国军方打算用它来击落弹道导弹。ABL涉及一个安装在波音747飞机上的非常大的高功率激光器。该计划最终因其化学激光器的热管理和维护方面的挑战而注定失败。一个更成功的军事应用则是大型飞机红外对抗措施(LAIRCM)系统，它被用来保护飞机免受热搜索防空导弹的攻击。LAIRCM在导弹接近飞机时将固态激光器的光照入导弹传感器进而使武器产生眩晕并失去对目标的追踪。固体激光器不断发展的性能带来了新军事应用的激增。美国军方正在将激光器安装在陆军卡车和海军舰艇上以防御小型目标，像无人机、迫击炮弹和其他威胁。该国的空军则正在研究在飞机上使用激光以达到防御和进攻的目的。俄罗斯的激光器被誉为新俄罗斯激光设施被称为Kalina。它的目的是使正在上空收集情报的卫星的光学传感器眩晕从而暂时失明。跟美国的LAIRCM一样，眩晕包括用足够的光使传感器饱和以防止它们运作。实现这一目标需要准确地将足够数量的光送入卫星传感器。鉴于所涉及的距离非常大且激光束必须首先穿过地球的大气层，这不是一...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1301921.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1301921.htm

CALIPSO激光雷达卫星任务的100亿次测量提供了重要的大气洞察力

CALIPSO激光雷达卫星任务的100亿次测量提供了重要的大气洞察力研究人员利用天基CALIPSO激光雷达测量了地球上最大规模的动物迁徙，即小型海洋生物在夜间从深海游上来捕食浮游植物，然后在日出前又游回去。图片来源：NASA/TimothyMarvelCALIPSO是一颗激光雷达卫星，它促进了全球对气候、天气和空气质量的了解，于2023年8月1日结束了其科学使命。在17年的运行过程中，云-气溶胶激光雷达和红外探路者卫星观测站记录了100多亿次激光雷达测量，并为数千份科学报告提供了信息。CALIPSO由美国国家航空航天局（NASA）和法国国家空间研究中心（CentreNationald'EtudesSpatiales/CNES）联合发射，与云卫星（CloudSat）上的云探测雷达系统同步运行。美国国家航空航天局CALIPSO项目科学家ChipTrepte说："我们必须首次制造出能够在太空中运行的精密激光雷达。然后，我们打算让这颗卫星紧密编队飞行，将CALIPSO激光雷达剖面测量结果与CloudSat的雷达剖面测量结果相匹配。"美国国家航空航天局地球科学部主任卡伦-圣杰曼（KarenSt.Germain）发表了这一致辞，向CALIPSO科学团队和科学界的其他成员表示庆祝。资料来源：美国国家航空航天局传感器技术激光雷达和雷达被认为是"主动"传感器，因为它们会向地球发射能量光束--CALIPSO使用的是激光，CloudSat使用的是无线电波--然后测量光束在大气中如何反射云层和气溶胶。其他轨道科学仪器使用"被动式"传感器测量反射的太阳光或地球或云层发出的辐射。来自CALIPSO和CloudSat的综合数据为了解云层结构和气溶胶层提供了新的视角。这两颗卫星于2006年4月28日同时发射，在太阳同步轨道上从南北两极绕地球一周，每天下午早些时候穿越赤道。它们探测了大气层的垂直结构，测量了云层的高度以及尘埃、海盐、灰烬和烟尘等空中颗粒层的高度。通过这种独特的、几乎同时进行的观测，科学家们对云的形成、大气对流、降水和粒子传输等几个大气过程有了更深入的了解。动画显示的是美国宇航局Aqua卫星上的中分辨率成像分光仪(MODIS)仪器在2019年12月31日至2020年1月5日期间拍摄的RGB彩色图像。棕色烟羽从澳大利亚东南海岸延伸至塔斯曼海，并越过塔斯曼海进入太平洋。叠加的垂直横截面显示了CALIPSO激光雷达在这些天的观测结果。亮色表示存在小颗粒（气溶胶），白色表示云层。在南纬40度附近的每个横截面上，都可以看到来自9英里（14.5千米）以上高度的大火的厚烟层。这些烟雾层下方的深色阴影是由于不透明烟雾层下方没有激光雷达信号。这些烟雾层含有非常小的颗粒，具有与烟雾类似的光学特性。资料来源：NASALangley/RomanKowch值得注意的观测结果例如，在澳大利亚2020年的大规模野火中，CALIPSO观测到烟雾在地球表面上空9到12英里处蹿升。其高度足以达到平流层，是有记录以来最高的烟羽之一。火山灰对飞机有危害。细小的玻璃状颗粒会影响能见度，并导致发动机熄火。"CALIPSO最重要的应用之一就是探测火山喷发产生的火山灰羽的存在并测量其高度，"温克说。"世界各地的火山灰咨询中心利用这些观测数据来提醒和指导商业飞行员避免飞入火山灰羽。2010年冰岛火山爆发时，火山灰向南飘散到欧洲上空，导致多个国家的所有航班停飞。通过CALIPSO的观测，科学家们得以向飞行员发出警告。CALIPSO数据用户的国际社区是该卫星的遗产之一。世界各地数百名学生学会了如何在他们的研究生研究中使用CALIPSO激光雷达数据，形成了一个国际社区，现在他们已经为使用下一颗卫星激光雷达的数据做好了准备。Trepte补充说："合作伙伴关系使一个或多个团队能够共同完成单枪匹马无法完成的任务。对于CALIPSO而言，与法国国家空间研究中心（CNES）建立合作伙伴关系是最理想的选择，他们在航天器和激光雷达科学方面有着悠久的历史，我们能够建造和运行一个巨大的任务，促进我们对气候、天气和空气质量的了解。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1386979.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1386979.htm

100Gbps！MIT研发的激光卫星打破了空间到地球的数据传输速度纪录

100Gbps！MIT研发的激光卫星打破了空间到地球的数据传输速度纪录这种数据传输速度远远超过天空和地面之间的大多数连接。SpaceX的Starlink卫星互联网为高级客户提供高达500Mbps的速度，甚至国际空间站整体的数据传输最高速度也在600Mbps左右，这使得TBIRD的速度提高了200倍。关键的区别在于，大多数卫星通过无线电波与地面站进行通信，这很可靠，但相对较慢。另一方面，TBIRD使用激光，其传播速度更快，每次传输的数据量可多出1000倍。不过激光也有自己的障碍-光束更窄，需要发射器和接收器之间更精确的对准。而且光线可能被大气层扭曲，导致数据丢失。所以TBIRD的设计是为了克服这些问题。该卫星包含三个现成的主要部件--一个高速光调制解调器、一个光信号放大器和一个存储驱动器--全部装在一个鞋盒大小的容器中。为了解决数据丢失问题，该团队开发了一个新版本的所谓的自动重复请求（ARQ）协议。这允许地面站接收器提醒发送者它错过了特定数据包（帧），因此卫星可以重新发送这些数据。TBIRD系统工程师CurtSchieler说："如果信号中断，可以重新传输数据，但如果效率不高--意味着你把所有的时间都花在发送重复数据而不是新数据上--你会损失大量的吞吐量。有了我们的ARQ协议，接收器会告诉[卫星]它正确接收了哪些帧，所以[卫星]知道哪些帧要重新传输。"至于对准问题，TBIRD不需要用万向节来指向激光束。相反，它使用一个定制的误差信号系统，调整整个卫星本身以精确地指向接收器。该团队说，这使光学元件得以小型化。在实现了TBIRD通过激光快速传输大量数据的最初任务后，该团队现在计划尝试将其翻倍。TBIRD项目经理JadeWang说："接下来，我们计划行使TBIRD系统的额外功能，包括将速率提高到每秒200吉比特，使超过2TB的数据下行--相当于1000部高清电影--在一次5分钟内通过一个地面站。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1334201.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1334201.htm

技术原理解读激光雷达安全性：对人眼安全吗？

技术原理解读激光雷达安全性：对人眼安全吗？1.你可能会问，激光雷达安全吗？然而，随着激光雷达技术的广泛应用，人们也开始对其是否安全产生一丝担忧。当我们提到“激光”这个词时，很多人可能会想到科幻电影中的高科技武器。而将“激光”与“雷达”结合在一起而形成“激光雷达”时，其产生的激光线束，会不会对我们的眼睛造成伤害呢？2.国际标准如何定义激光产品首先，我们来看下权威的国际电工委员会标准（IEC60825-1：2014），对激光产品是如何定义的？激光器的危险等级被划分为四类：Class1激光器无害，Class4激光器具有高危险性，Class2和3激光器分别具有低和中度危险性。车载激光雷达属于Class1激光产品，其功率和辐射强度远低于对人体眼睛造成伤害的阈值。因此，在正常使用条件下，车载激光雷达不会对人眼构成威胁。或者说市面上能量产的车载激光雷达产品，都需要满足Class1级别标准。“Class1”就像是一张激光雷达的“身份证”，有了这张“身份证”，车载激光雷达才能算合格产品。3.技术原理解读激光雷达安全性再者，从技术原理来看下这个问题。人眼是否受到伤害，主要取决于激光发出的能量密度是否超过人眼可接受的阈值。能量密度：看的是“单脉冲的瞬时照射能量”和“持续长时间照射后的单位面积内的平均累积能量”。首先，单脉冲的瞬时能量，可以通过严格控制激光雷达的发射功率来保障，限制其不超出标准要求阈值；其次，当前市面上主流的车载激光雷达，都是扫描式雷达，以线扫雷达举例，每次发射一条激光线束，覆盖其中某一个位置，借助于转镜的转动，把激光束从左扫到右，从而覆盖一个120°的完整画幅，可以参考下图所示，这确保了激光雷达不会一直“盯”着你的眼睛照射，单位面积内的累积能量同样限定在阈值以内。非扫描式(上)vs扫描式激光雷达(下)示意图再来看下人眼的生理构造，人眼主要包含角膜，晶状体和视网膜组成。当激光束进入人眼后，不同波长表现会有些许不同。市面上当前主流车载激光雷达主要在905nm波长的近红外光波段，少数激光雷达为1550nm的远红外光。当905nm的激光束进入人眼后，会被角膜和晶状体吸收大部分能量，小部分透射到视网膜上，而1550nm的激光束，几乎会被角膜和晶状体全部吸收，极少会到视网膜上，所以网上就有了1550nm激光雷达比905nm更安全的说法。但实际上，基于上文描述，激光雷达的能量只要控制在人眼可接受的阈值内都是安全的，不存在谁比谁更安全的说法。诚然1550nm比905nm在人眼安全的功率上限更高些，但如果1550nm的激光器的能量超过法规限制范围，那么它同样会损伤人眼的角膜和晶状体。同理，905nm如果能量超了，也会伤害视网膜。4.还有疑虑？再看看实验结果怎么说最后，再从国际标准测试下的数据来量化看下这个问题，如下测试实验装置中，接收孔径模拟人眼瞳孔，正常情况下，瞳孔直径为2.5~4mm，遇到强光会收缩，暗室环境瞳孔会放大到5~7mm，本测试采用7mm孔径模拟瞳孔张开能达到的极限场景（即最大通光量），测试距离也是采取最严苛的100mm~1m的距离范围内进行全量测试，随着距离的增加，激光束能量会快速衰减。100mm是人眼能聚焦的最短距离，再近就无法在视网膜成像。基于如上苛刻的测试场景评估，激光束进入人眼的效率只有1%左右，再被眼球中的水大量吸收，到达视网膜的能量，通常只有人眼损伤阈值的20%左右。值得一提的是，IEC60825-1标准也同时考虑了皮肤安全，经过实验测算，当前激光雷达的能量才到安全阈值的1%。所以，通过人眼安全Class1严格认证的车载激光雷达产品，对人眼和皮肤都是没有危害的。5.多激光雷达环境的安全性问题最后，再探讨下多激光雷达环境的安全性问题。随着智能驾驶技术的不断进步，越来越多的车辆开始采用激光雷达来提高感知能力。有小伙伴开始担心，满大街的都是装激光雷达的车，是否以后门都不敢出了，这种多激光雷达环境是否会对人眼安全产生新的影响呢？目前来看，最恶劣的场景莫过于大路口并排多车等红绿灯，行人从斑马线穿过的场景，并排4~5车道已经是非常大的主干道，激光雷达的数量并不会无限增加，如上图示意。分析多激光雷达对人眼的影响，主要从三方面考虑：交叠区距离，汇聚概率，汇聚时长。1.交叠区距离：基于几何原理，多台激光雷达要形成交叠区，数量越多，交叠区离雷达的距离越远，从上图所示，4台激光雷达光束交叠区最近距离为行人所处位置，分别离4台激光雷达的距离为（6米，3.5米，3.5米，6米），能量随距离快速衰减，经过测算，距离到达6米后，到达视网膜的能量快速衰减到人眼损伤阈值的1%以内，路口二排三排的车几乎可以忽略不计，空间角度上就大幅抵消了多激光雷达的能量累积；2.汇聚概率：基于上文的原理分析，激光雷达采用的是扫描方式，要让多台激光雷达在同一时间汇聚到7mm孔径的瞳孔上的概率微乎其微，经过测算，这个概率是亿分之一的量级；3.汇聚时长：即使T1时刻，4台激光雷达非常凑巧汇聚到一点上了，T2时刻，随着激光雷达转过一定角度后，光束便无法再汇聚在瞳孔上，从时间角度避免能力累积。综上所述，不管单激光雷达，还是多激光雷达，其发射出的激光束在正常使用条件下，不会对人眼构成实质性的威胁。国际标准如IEC60825-1的制定和执行，以及激光雷达制造商对产品安全的严格把控，都为人眼安全提供了坚实的保障。激光雷达作为智能驾驶的核心技术，正在发挥越来越大的作用。从网上视频可以看到，装载了激光雷达的高阶智能驾驶系统所提供的主动安全AEB制动能力，大幅降低突发的碰撞风险，正在避免一次又一次的交通事故。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423087.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423087.htm