激光传感器解析：技术原理、应用与国产化发展

激光传感器是利用激光技术实现测量功能的新型仪表，由激光器、激光检测器和测量电路组成。它能实现无接触远距离测量，兼具速度快、精度高、量程大、抗光电干扰能力强的优势，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等领域。

激光的产生依赖于激光器内工作物质的“粒子数反转”和“受激辐射”过程。其拥有三大核心特性：

高定向性：激光束发散角极小，几千米外扩展范围仅数厘米。

高单色性：频率宽度比普通光小10倍以上，是最理想的单色光源。

高亮度：能量高度集中，会聚可产生极高温度。

激光传感器的稳定运行依赖七大核心组件协同：激光二极管、光学器件、光电探测器、信号处理电路、控制电子设备、外壳与接口、电源。

按工作物质，激光器主要分为四类。

固体激光器：工作物质为固体，常用红宝石激光器、YAG激光器等，结构小而坚固、功率高，钕玻璃激光器脉冲输出功率达数十兆瓦。

气体激光器：工作物质为气体，如二氧化碳激光器、氦氖激光器，形状似放电管，输出稳定、单色性好、寿命长，但功率小、转换效率低。

液体激光器：含鳌合物、无机液体和有机染料激光器，有机染料激光器波长连续可调，灵活性高。

半导体激光器：较成熟的是砷化镓激光器，效率高、体积小、重量轻，适合车载或步兵携带，但输出功率小、定向性差、受温度影响大。

激光传感器的工作遵循“发射-传播-交互-检测-处理-分析-输出”的流程。

其核心始于激光二极管发射出一束精准的相干光。该光束经光学系统整形后射向目标物体，并与之发生反射或散射等相互作用。部分反射光被高性能的光电探测器（如APD）捕获，并转换为微弱的电信号。紧接着，专用信号处理电路对此信号进行放大、滤波和数字化处理。最终，通过计算激光飞行时间或相位差等关键参数，处理器快速解算出精确的距离或位移信息，并将结果输出。整个过程的精密协同，确保了传感器的高速度与高精度。

根据功能，可分为五大类型。

工作原理：采用飞行时间原理。发射激光束后，测量光束到达目标并返回的时间，再通过计算得到距离。

应用场景：工业自动化、机器人、建筑、物料搬运中的精密距离测量，还用于液位传感、防撞和物体检测。

优点：精度高、响应时间快、能实现远距离测量、非接触式工作、适用于多种表面和材料。

缺点：在灰尘、雾等恶劣环境中性能有限，对反射或透明表面敏感，可能受环境光干扰。

工作原理：发射激光束，通过检测光束的中断或反射，判断一定范围内物体的存在与否。

应用场景：制造、包装、机器人、输送系统中的物体检测、位置控制、计数和自动化。

优点：非接触式工作、响应时间快、精度高、感应范围长，不受振动或环境光等因素影响。

缺点：对透明或高反射物体的检测性能有限，光学元件附着灰尘或污垢时会受影响。

工作原理：分析目标物体反射的激光，基于相移、干涉或三角测量等参数，确定物体的位置或位移。

应用场景：制造、质量控制、尺寸检测、表面轮廓和机器人技术中的精密测量。

优点：精度高、响应时间快、非接触式工作、测量范围广、适用于多种材料和表面。

缺点：对高反射或透明表面性能有限，易受环境光或温度变化影响。

工作原理：发射激光束并扫描区域或物体，通过测量反射或散射光，创建目标的详细3D表示。

应用场景：3D测绘、测量、机器人、虚拟现实、自动驾驶汽车和物体识别。

优点：能实现精确3D成像、高分辨率映射、快速数据采集，扫描图案灵活，适用于建筑、考古、林业等领域。

缺点：设备成本高、数据处理复杂，在恶劣环境中性能有限，对反射或透明表面存在检测挑战。

工作原理：发射光脉冲，测量反射光的飞行时间或相移。既能计算距离，又能创建目标和环境的3D地图。

应用场景：主要用于自动驾驶汽车、机器人、地理空间分析、林业、城市规划和环境监测。

优点：高精度3D测绘、远距离传感、实时数据采集，适用于多种地形和环境，能为自动驾驶提供导航和物体检测支持。

缺点：设备昂贵、数据处理复杂，可能受环境光或其他激光雷达传感器干扰，在雨、雾等恶劣天气中性能有限，对反射或透明表面敏感。

在激光传感技术的实际应用中，激光传感器与激光雷达是两个极易被混淆的概念。不少人因两者均以激光为核心技术基础，常将其等同看待或随意互换，甚至不清楚二者的功能边界与定位差异，这种认知偏差可能导致技术选型失误或应用场景错配。

在技术谱系上，激光雷达（LiDAR）可视为激光传感器在环境感知领域的高级形态；但在实际产业和应用中，因核心功能、技术复杂度和主攻场景差异巨大，两者常被区分为不同的产品类别。以下表格清晰地展示了两者的核心区别。

利用激光的高方向性、高单色性和高亮度，激光传感器可实现多种物理量测量，典型应用场景包括三类。

精密测量：激光测长（可达0.1μm精度）、测距（卫星测距误差仅几米）、测振（基于多普勒原理）。

工业自动化：如电梯定位、物流仓储、生产线检测。

安全与监测：如煤矿瓦斯监测、大气污染物监测。

此前，高端激光传感器和激光雷达长期被国外品牌垄断。国内高端激光传感器市场国产化率不足 5%，激光雷达市场曾由欧美巨头主导。近年来，国内厂商通过自主研发，在技术和市场上实现突破。

高端传感器替代：聚强智能基于dToF方案将精度提升至毫米级，进入比亚迪供应链，打破西克（SICK）、基恩士垄断。

专项领域突破：微感股份激光甲烷传感器标校周期从2周延至6个月，填补国内空白。

3D视觉方案：唯琴科技推出软硬一体化的3D线激光传感器，成本降低50%。

激光雷达全球领先：据Yole报告，中国激光雷达厂商占据全球88%市场份额，禾赛科技(33%)、速腾聚创(24%)、华为(19%)、图达通(12%) ，引领产业发展。

激光传感器技术体系成熟，应用广泛。此前高端市场由国外品牌主导，如今国产厂商已在传感器精度、激光雷达市场份额等方面实现全面突破。未来，随着技术迭代和成本下降，国产激光传感器与激光雷达还将在低空经济、具身智能等新兴领域持续拓展，驱动全球产业发展。