成本仅100美元的激光雷达：这个项目教你零基础DIY

机器之心报道

参与：肖清

从 PCB 到上位机软件全开源，项目中所有材料均能买到，不怕你做不出来。

激光雷达能够帮助机器人快速获取其周围环境信息，且具有探测范围广、精度高、抗干扰能力强等优势，是自动驾驶汽车、扫地机器人、仓储机器人等一系列地面自主移动机器人的重要组成部分。然而，目前工业级激光雷达往往造价高昂，像谷歌、百度造的那些无人车，其激光雷达的造价甚至超过了车辆本身的价值，让普通人望而却步。即使是探测范围仅有 25m 的单线激光雷达，在某宝上也卖到了千元级别。

想入坑自动驾驶却无法承受激光雷达高昂的价格？这个由俄罗斯的一位 Github 主近期开源的项目也许非常适合你，让你也能低成本自制激光雷达。

项目地址：https://github.com/iliasam/OpenTOFLidar

效果演示

我们先来看看该项目制作完成后激光雷达的参数，这也许是大家最关心的问题，毕竟抛开精度谈价格都是在耍流氓！

扫描速度：每秒 15 次分辨率：大约检测距离的 1%，但不会优于±2 cm最小检测距离：5 cm最大检测距离：大约 25 米（白色反射平面）角分辨率：0.5 度扫描频率：大约 11 kHz扫描角度范围：大约 230 度，改变相应结构还有一定提升空间功率：5 V/0.1 A（也就是 0.5 瓦），刚启动时电压可能会超过 0.8A尺寸：50x50x120 mm

下图为该激光雷达的 CAD 模型与成品图。

在作者公寓的检测效果如下图所示

项目作者表示制作该激光雷达大零部件总成本大约只需要 114 美元，且激光发射器与接收器所使用的光学透镜均为监控相机标准镜头。看到这里你是不是已经忍不住想要自己上手试一试了呢？下面我们逐一为大家道来其制作过程。

激光雷达测距原理及其制作流程

该激光雷达采用的是 TOF（Time-of-Flight）测距原理。由于之后的镜头选型、安装调试与校准均涉及到 TOF 原理的知识，这里我们简要介绍一下它。

测距原理

如下图所示，激光器发射出一系列光脉冲，遇到物体反射后被感光元件捕获，感光元件产生的电信号经过放大器后，使用运算电路捕捉其上升沿或下降沿计算出光脉冲在空中的飞行时间，结合光速即可得到被测物体距离激光雷达的距离。

TOP 测距原理示意图（图片来源：维基百科）

我们从 TOP 测距的原理可以看出，以下几个因素决定了激光雷达的测量性能：

1. 环境中物体的颜色及其反射表面

由于 TOP 测距是通过计算光脉冲信号发射与接收前后的时间差来工作的，假如发射出的光脉冲被环境中物体吸收，或反射到感光元件测量范围之外，此时激光雷达是无法收集到正确测量数据的。这里举一个极端的，隐形战斗机就是通过使用能够吸收雷达的涂层以及较小的雷达反射面积来实现「隐身」的。

当然由于室内的墙大多以白色或浅色为主，大可不必担心。需要注意的是当环境中存在镜子或颜色较深的物体时，激光雷达的测量精度会受到较大影响。

2. 激光器与感光元件的相对位置及其镜头焦距

为有效捕捉到激光器发出的脉冲信号，感光元件需要安放在距离激光器合适的位置。并且需要根据测量需求，为激光器和感光元件安装合适焦距的镜头。下图为该项目中激光雷达镜头安装完成后的图片。

3. 激光信号发生器脉宽以及放大电流与运算单元分辨率

还有一个对传感器性能影响至关重要的是激光信号发射器的脉宽，它决定了激光雷达能够测量的最大距离。假设光速为 c = 300,000,000 m/s，当光脉冲宽度为 50 ns 时，其最远测量距离为 7.5 m。

由于感光元件产生的电信号需要经过放大处理，相应放大元件的增益、带宽、噪声、电源抑制比、共模抑制比、线性度、输出阻抗等关键指标，在制作过程中也是需要考虑的因素。最后就是运算单元的分辨率，其决定着传感器能否准确计算出激光脉冲往返的时间差。

制作流程

首先是激光脉冲电路的制作。作者选用了价格相对便宜但功能强大的脉冲激光二极管「SPL PL90_3」，其工作在 905 nm 的波长下，能够产生高达 75 瓦功率的激光脉冲，对应驱动电路图如左下所示。在检测电路部分，作者选用雪崩光电二极管（APD）作为光电探测元件，同时设计了 DC-DC 转换器为其产生足够高的偏置电压。激光脉冲探测需要信号带宽大且输入电容低的运算放大器，于是作者选用 MAX3658 作为运放。该芯片专门设计用于光电二极管，放大倍数为 18000，带宽为 580 MHz。此外，该芯片还包含一个内置滤波器，可削减低频噪声。检测电路图如图所示：

脉冲激光驱动电路图；脉冲检测单位电路图。

在时间节点测量部分，作者选用了用于超声波液体流量计的现成芯片 TDC-GP21。该微电路的时间分辨率为 90 ps 左右，MCU 可通过 SPI 总线对其进行控制。作者选用 STM32F303CBT6 作为微控制器，以实现对激光脉冲的发送与接收、测量数据读取与校准、反光镜电机转速的控制以及与上位机的通讯。制作完成的 PCB 如下图所示。

正面示意图+背面示意图。

在光学元件方面，选用标准的 M12 镜头作为激光透镜，发散角约为 0.45 度。并选用焦距为 25 mm 的镜头用于感光元件，该镜头具有较大的光圈，能够尽可能多地让反射光落在光电二极管上，以获得更高的信噪比。如果要在强光照射条件下（例如户外）使用激光雷达，作者建议在光电二极管和透镜之间安装专为 905 nm 波长设计的干涉滤光片。由于本项目是在室内照明条件下进行测试，所以没有安装。

旋转类型的激光雷达有两种方式来实现对周围环境的探测，分别是通过旋转整个测距仪或通过旋转相对于激光雷达光轴倾斜 45 度的反射镜来完成扫描，其对应工作方式如下图所示。

这两种方法各有优缺点，由于第二种方法仅需旋转反射镜，而第一种方法需要考虑测距仪在旋转时的供电与通信问题，所以这里采用仅旋转反射镜的扫描方法。待装好反射镜和驱动电机后，就完成了整个激光雷达硬件部分的制作工作。下面就可以使用项目作者提供的上位机软件进行调试与测量了。

上位机软件软件示意图。

将激光雷达用于 SLAM 可以说是如今比较成熟的技术，其具有精度高、速度快、抗干扰能力强等优势。然而目前由于其高昂的造价限制了它在民用无人驾驶领域的普及，哪怕是售价高达 100 余万人民币的特斯拉 Model S，使用的检测方案仍然以摄像头为主。或许此类低成本的激光雷达开源项目能对我们了解这一技术提供便利。

简单三步，让你拥有如奥特曼一样的“激光武器”

2015 年是国际光和光基技术年（IYL2015），也是在这一年，联合国教科文组织执行委员会签署通过了将每年的 5 月 16 日设为“国际光日”的决定。

之所以选择 5 月 16 日，是因为在 1960 年 5 月 16 日，美国物理学家梅曼制造出了人类历史上的第一束激光。

梅曼和红宝石激光器。图片来源：维基百科

所以激光到底是什么？它又为啥这么重要呢？

要回答这两个问题，我们就得好好了解一下梅曼这项工作的前因后果。

01

物体为什么会发光？

时间来到 1912 年，那时候的物理学家还在执着于构成这个世界的基础——原子，到底长啥模样。

这一年，丹麦物理学家玻尔的三篇论文发表，在这三篇论文里，玻尔把量子理论运用在了卢瑟福的原子模型中，提出了著名的玻尔模型。

玻尔模型能解释当时其他模型所不能解释的现象，并且预测了一些之后通过实验能够证实的结果，因此之后得到科学界的普遍接受。

我们来看看这个玻尔模型，玻尔模型是一种行星模型，也就是说，带负电的电子就像行星一样围绕着带正电的原子核运动。

玻尔模型的精妙之处在于这些电子的轨道并不是随便选择的，而是只能选择一些确定的数值。

氢原子的玻尔模型。图片来源：维基百科

最里面的电子轨道被称为基态，再外面一层的轨道就叫第一激发态，再外面就是第二激发态，以此类推。

玻尔模型就可以很好地解释物体为啥会发光，我们可以注意到这些不同的轨道上的电子能量是不一样的，不妨把这些轨道“展平”，这样我们就得到了一些能级。

自发辐射能级。图片来源：维基百科

由于能量守恒的缘故，电子想从低能级跃迁到高能级去，就得从外界吸收对应的能量，这个过程我们就叫它受激吸收 。同样的，电子从高能级掉到低能级去，肯定也会放出相应的能量，事实证明，这个过程会发出一个光子，也就是说，电子会发光，所以这个过程被称为自发辐射 。

我们生活中常见的普通光源的发光原理就是自发辐射。

日光灯。图库版权图片，不授权转载

02

让光“听话”

自发辐射产生的光存在一些问题：原子中的能级很多，这些光子有可能是第一能级自发辐射产生的，也有可能是第三能级自发辐射产生的……

这就会导致这些光子的能量不一样，而单个光子的能量就决定了光的频率，也就是说，自发辐射产生的光频率是随机的。

还有一点就是，自发辐射产生光子的时机，以及光子运动的方向也不受我们控制，这就会导致自发辐射产生的光，相位也是随机的。

这里所讲的频率、相位都是光作为电磁波的一种属性，频率可以理解为光波振动的快慢，它也决定了我们看到光的颜色；相位可以理解为光波传递的位置。

光作为一种电磁波。图片来源：维基百科

总之，普通光源产生的光就像是一堆挤地铁的人，他们有老有少，有男有女，穿着不同颜色的衣服去坐地铁，而且走得还不一样快，有的已经上车了，有的却还在检票。

这就导致普通光源虽然在生活照明上已经足够用了，但是在科研领域，尤其是研究光的性质上，战斗力着实一般。

终于，在 1917 年，另一种发光方式浮出水面，那就是爱因斯坦提出的受激辐射理论。

受激辐射。图片来源：维基百科

受激辐射理论就是说，现在假设第一激发态上有一个电子，这时候有一个光子打过来，而这个光子的能量恰好等于第一激发态和基态的差距，那么这个时候，第一激发态上的电子就会在“受到诱惑”的情况下完成自发辐射，放出一个“一毛一样”的光子。

由于这个“诱惑光子”的存在，我们就称这个过程为受激辐射。

如果在足够多的高能级电子中，这个过程会一直延续下去，最终形成一大群被“诱惑”的光子，我们将这个过程称为光放大过程，最重要的是，这些光子的相位和频率是完全一样的。就像是一支整齐划一的部队，和上面“挤地铁”的自发辐射完全不一样。

03

造一台激光器总共分几步？

第一步，粒子数反转。

有了受激辐射理论之后，人们就在想，怎么才能利用这个理论，造一个能发出整齐划一的光的光源呢？

可能会有读者说，拿光照过去不就行了吗？有什么难的呢？

有这样疑问的读者要注意前面提到的“足够多” 这三个字，而且不要忘了我们的受激吸收现象。

如果高能级电子不够多，受激辐射的次数少于受激吸收的次数，这时候一束光打过来，并不会发射光放大，而是会被基态电子受激吸收，导致光损耗。

图库版权图片，不授权转载

实际上，在自然情况下，基态电子数量要远远大于激发态电子，以室温为例，一个二能级系统（也就是只有基态和第一激发态的能级系统）基态电子数量大概是激发态电子数量的 10 的 170 次方倍！

所以要想利用受激辐射原理制造一台光源，首先要解决的问题就是使高能级的粒子数大于低能级的粒子数，也就是实现粒子数反转。

怎么实现粒子数反转呢？

基本的思路就是抽运，就像水泵一样，把基态的粒子抽到高能态去。

说起来容易，做起来难。

水泵抽运粒子。图片来源：维基百科

第二步，造一台前身。

1951 年，美国物理学家汤斯想到了如何在氨分子中实现粒子数反转。

氨分子是二能级系统，在正常情况下是不可能实现粒子数反转的，因为受激吸收和受激辐射的概率是相同的，同时还有自发辐射存在，这就导致高能级的粒子数一定会少于基态粒子数。

汤斯的办法非常巧妙，他利用磁场将基态和激发态的氨分子区分开来，单单挑出激发态的氨分子放到微波谐振腔里，在这个谐振腔里实现了粒子数反转。

三年之后，利用这个想法，汤斯造出了第一台“MASER”。啥是 MASER 呢？

MASER的全称为Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，译为“利用受激辐射对微波进行放大”。激光LASER的全称为light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，译为“利用受激辐射对光进行放大”。

上文我们提到光是一种电磁波，微波则是另一种电磁波。

电磁波可以按照频率的大小来进行分类，微波的频率在 300 MHz～300 GHz，而可见光频率则是在 3.9～7.5 乘以 10 的 14 次方 Hz 之间。

从名字我们就能看出 MASER 和 LAZER 的不同，主要在于工作波段的不同，MASER 离 LASER 只有一步之遥了。

汤斯和第一台MASER。图片来源：维基百科

第三步，补全激光三大件。

MASER 的问世解决了粒子数反转问题。短短三年时间，这项技术就突飞猛进，这时候大家都希望能够赶紧更进一步，把这个微波放大器变成光放大器，造出那个梦想中的光源，也就是激光。

至此我们已经能隐隐总结出组成激光器的三大部件了：

一是需要能实现粒子数反转的物质，就像是氨分子，我们称之为增益介质；二是合适的抽运方法，我们称之为泵浦；三是上面提到汤斯用的谐振腔 ，至于谐振腔的作用我们后面再说。

1958 年，汤斯和肖洛合作写了一篇理论文章，第一次从理论上预言了激光的可行性。此时对汤斯来说，可谓万事俱备只欠东风！

结果大家也都知道了，汤斯本以为自己是借风的周瑜，没想到却成了被风骗了的曹操。1960 年 5 月 16 日，梅曼另辟蹊径，捷足先登，制造出了人类历史上的第一台激光器。

关于梅曼如何捷足先登的故事，大家有兴趣可以去了解一下，可谓一波三折非常精彩。不过我们这里还是把介绍重点放在他的红宝石激光器上。

红宝石激光器原理图。图片来源：维基百科

这个激光器非常清晰地展示了激光器的三大部件，我们就不妨依次介绍。

增益介质：

梅曼选择的增益介质是红宝石，也就是掺铬的三氧化二铝。

三能级系统示意图。图片来源：作者自制

这种增益介质是一种三能级系统，这种三能级系统实现粒子数反转的办法，就比之前的二能级系统要简单许多了。红宝石的三能级系统有一些特别之处，我们通过它的抽运过程就能理解它是如何实现粒子数反转的。

首先通过合适的激励把基态粒子直接运上 E3 能级，而 E3 能级和 E2 能级之间存在无辐射跃迁过程，也就是 E3 上的粒子会很快通过碰撞跑到 E2 上，减少的能量变成热运动能量，而不是发光。

此外，E2 态是亚稳态，就是 E3 能级上掉下来的粒子能在 E2 能级保持很长时间。这样相当于利用 E3 能级作为一个过渡，把基态的粒子运到了 E2 上，让这个过程一直进行下去，E2 的粒子数就会超过基态粒子数，实现粒子数反转。

其实红宝石激光器的效率很低，只有 0.1%，这是受增益介质的限制，因为三能级系统需要很高的能量把基态粒子抽运到高能态去。此外，这个激光器的波长为 694.3nm 也是由这种增益介质决定的。

随着激光的发展，增益介质的种类逐渐增多，包括气体、固体、液体、光纤、半导体等等，比如教室里常用的激光笔就是一种半导体激光器。

总之，不管哪种增益介质，它都要有能实现粒子数反转的方法。

泵浦：

第一台红宝石激光器的泵浦灯。图片来源：维基百科

梅曼的激光器最明显的特征，就是它的泵浦光源是一个螺旋形的氙气灯，螺旋形可以保证把红宝石棒放在灯管之间。此外这个灯还是使用脉冲光来抽运，也就是它发出的光不是连续的，而是一阵一阵的，这是梅曼最重要的设计，这样就避免了连续的高能量抽运光损坏晶体。

谐振腔：

谐振腔示意图。图片来源：维基百科

在红宝石棒的两端，梅曼放了两面镜子，并在右边的一面上挖了一个小洞，这样受激辐射发出的光就能在增益介质中来回穿梭，得以“诱惑”更多的光子，达到一定强度后，激光就从小洞里射出。

04

激光到底有什么用？

梅曼发明激光后召开了一场新闻发布会，在那场新闻发布会上就有记者问出了这个问题，梅曼给出了 5 个方面的建议：

1.用来放大光，比如做高功率激光器的时候，都是用光放大器对比较弱的光进行放大；

2.可以用激光去研究物质；

3.用高功率激光光束做空间通讯；

4.用于增加通讯的信道数量（这就是后来出现的光纤通讯）；

5.把光束聚焦，产生超高的光强，用于工业上切割或焊接材料，或是在医学上进行手术等等。

我们不得不佩服梅曼敏锐的科研嗅觉，他说的这些建议，日后一一应验。

还记得受激辐射产生光子的特点吗？

它们的频率和相位一致，而激光本质上就是对受激辐射光的放大，所以激光最重要的两个特点就是单色性好和能量高。 这两个特点决定了激光的用途，这也是激光器发展的两个方向。

单色性好，就意味着激光频谱很窄，很容易表现出光作为波的特征，我们就可以用它来记录相位信息。

比如 1947 年英国物理学家丹尼斯·盖伯发明的全息照相技术，本质上就是利用光的相位来记录物体全方位的信息，使产生立体照相的效果。

全息照片不光能记录正面信息还能记录侧面信息。图片来源：维基百科

直到激光发明之后，这种技术才有了实现的条件，并在 1971 年获得了诺贝尔物理学奖。

能量高这个就很好理解了，我们可以用激光来刻录光盘，来促成核聚变，来切割材料等等。我们甚至不光可以产生连续高能量的激光，还可以通过锁膜技术和啁啾放大技术，来获得能量高但是脉冲持续时间非常短的激光。

锁膜技术产生脉冲示意图。图片来源：维基百科

现在飞秒激光已经很普及了，这种激光单个脉冲的持续时间只有飞秒（10 的负 15 次方秒）量级。

利用这种激光，我们就可以对物质进行精准打击，而不至于造成很大的破坏，比如近视眼修复手术，改变物质表面，增强它的防腐性能等等。

05

结语

2018 年，啁啾放大技术的发明者也获得了诺贝尔物理学奖，目前，光是与激光相关的诺贝尔物理学奖就有十几个。可以说，激光是20世纪以来人类最重大的发明之一。

在国际光日，如果有人问你：你相信光吗？你就可以反问他一句：你相信激光吗？

出品｜科普中国

作者｜小小长光人 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

监制｜中国科普博览

相关问答

利用激光通信有哪几种方式?

1利用激光通信的方式有光纤通信和自由空间光通信两种方式。2光纤通信是利用光纤作为传输介质,通过激光光源将信息转化为光信号,通过光纤传输到目标地点,再将...

利用激光是否可以通信?

完全可以的,而且激光通信技术相当成熟,应用在许多方面。激光通信的应用主要有以下几个方面:1、地面间短距离通信;2、短距离内传送传真和电视;3、由于激光...

激光通信技术的介绍?

激光通信技术与无线电通讯原理相似,即先将声音信号调制到激光束上,然后把带有声音信号的激光发送出去。最后用接收装置把音像信号检出来。激光通信按其应用范...

【通信用的激光在______里传播，它是很细的玻璃丝，通常数条...

[最佳回答]通信用的激光在光导纤维里传播,它是很细的玻璃丝,通常数条一起敷上保护层,制成光缆.故答案为:光导纤维;光缆.通信用的激光在光导纤维里传播,它是很...

1960年，美国科学家______制成了世界上第一台红宝石激光器，...

[最佳回答]答案:梅曼频率高度集中精确测量焊接

利用激光来传递的通信方式叫什么?

利用激光来传递的通信方式叫做激光通信。这种通信方式利用激光器将信息编码成光脉冲,通过空气或光纤等传输介质发送到接收端。激光通信具有高速、高带宽、高安...

激光测距传感器485通讯接线方法?

RS485有两线制和四线制两种接线,四线制只能实现点对点的通信方式,现很少采用,现在多采用的是两线制接线方式,这种接线方式为总线式拓扑结构,在同一总线上最...

星链激光通信原理?

星链卫星将更靠近地球,以减少信号延迟。星链使用激光传输来提高互联网速度。目前,由于基础设施的巨大成本,农村地区在获得互联网接入方面面临挑战。这意味着...

可见光红外线激光的应用?

借助一些专门的传感器,我们可以感受到红外线,例如红外线摄像机接收到周围物体散发的红外线后会将其转化为可见光图像,做成红外热像仪,用来观看电子线路板或...

宇航员在太空中的通讯方式如题,写出宇航员在飞船内外的通讯...

[最佳回答]在飞船内,因为船舱内有空气,可以直接对话或者使用有线电话.在飞船外,使用无线电或激光通信.