『雷达』成本仅100美元的激光雷达：这个项目教你零基础DIY( 二 ) |机器人|DIY|无人驾驶|

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。

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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 。

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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：

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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。

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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。

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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。