一种激光器的驱动电路、驱动方法及激光雷达系统与流程

本发明实施例涉及激光雷达技术，尤其涉及一种激光器的驱动电路、驱动方法及激光雷达系统。

背景技术：

随着激光技术的发展，激光扫描技术越来越广泛地应用于测量、交通、驾驶辅助和移动机器人等领域。激光雷达是一种通过激光来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是先向目标发射探测激光光束，然后将接收从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等信息。

为了提高激光雷达的分辨率，要求激光器具有很高的发射频率，同时每个脉冲的峰值功率不能随着频率提高而降低。当前半导体激光器在普通发射电路驱动下能够实现200khz左右的发射频率，而现实的激光雷达需求500khz～1mhz的发射频率。为了提高激光雷达的发射频率，现有技术一般有两种方式：

1、修改驱动电路参数，使充电周期缩短，发射频率提高。因为充电时间缩短，蓄能不足，单个脉冲的功率很难提升。提高充电电压，使电路短时间内能够累积较大能量。电压提高增加电路中器件负荷，需要使用高耐压值器件。电路的可靠性会因此下降，而成本会提高。

2、使用多个激光器和多个驱动电路，用光纤将各个光脉冲合路。各个激光器一次发射实现高频发射。因为要使用多个激光器以及光合路器件，成本较高、体积偏大。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种激光器的驱动电路、驱动方法及激光雷达系统，以在保证脉冲功率的前提下提高激光器的发射频率，解决激光器发射频率与发射功率之间的矛盾。

第一方面，本发明实施例提供一种激光器的驱动电路，包括：

至少两个充电蓄能电路、至少两个第一开关元件以及控制电路；

其中，所述至少两个充电蓄能电路的输出端与所述至少两个第一开关元件的第一端一一对应电连接，每个第一开关元件的第二端均与激光器电连接；所有充电蓄能电路的输入端以及所有第一开关元件的控制端均与所述控制电路电连接；

所述控制电路用于为各个充电蓄能电路充电第一预设时间，并依次控制各个所述第一开关元件导通第二预设时间；

其中，后续充电蓄能电路充电的充电起始时刻与对应的第一开关元件导通时刻间隔第三预设时间；或者，各个充电蓄能电路充电的起始时间均相同。

可选的，所述第一开关元件包括晶体管。

可选的，所述充电蓄能电路包括第二开关元件、电感、二极管及电容；

所述第二开关元件的控制端与所述控制电路电连接，所述第二开关元件的第一端与所述电感的第一端电连接，所述第二开关元件的第二端接地；

所述电感的第二端与第一电平输入端电连接，所述电感的第一端与所述二极管的正极电连接；

所述电容的第一端与所述二极管的负极电连接，所述电容的第二端接地；

所述二极管的负极与所述第一开关元件的第一端电连接。

第二方面，本发明实施例还提供一种激光雷达系统，包括：至少一个激光器单元，每个所述激光器单元包括一激光器以及上述第一方面任一项所述的驱动电路；

所述激光器与所述驱动电路一一对应电连接。

第三方面，本发明实施例还提供一种激光器的驱动方法，应用于上述第一方面任一所述的驱动电路，包括：

步骤s1、为各个充电蓄能电路充电第一预设时间；

步骤s2、依次控制各个第一开关元件导通第二预设时间；

其中，后续充电蓄能电路充电的充电起始时刻与对应的第一开关元件导通时刻间隔第三预设时间；或者各个充电蓄能电路充电的起始时间均相同。

可选的，还包括：获取到停止指令时，停止执行步骤s1和步骤s2。

可选的，所述控制电路依次控制各个所述第一开关元件以第一频率导通第二预设时间；

所述第一预设时间、所述第一频率与所述第三预设时间满足：

其中，t1表示所述第一预设时间，t3表示所述第三预设时间，f表示所述第一频率，n表示所述第一开关元件的数量，且n为大于或等于2的整数。

可选的，所述第一预设时间大于或等于3μs，所述第二预设时间为10ns～50ns。

可选的，所述充电蓄能电路包括第二开关元件、电感、二极管及电容；

若各个充电蓄能电路充电的起始时间均相同；各所述充电蓄能电路充电的结束时间为t1；第一个导通的所述第一开关元件的导通起始时间为t2；t2-t1＝t4；t4﹥0；

若后续充电蓄能电路充电的充电起始时刻与对应的第一开关元件导通时刻间隔第三预设时间；第一个充电蓄能电路充电的结束时间为t3；与该所述充电蓄能电路对应电连接的第一开关元件的导通起始时间为t4；t4-t3＝t5；t5﹥0。

可选的，t4≥500ns或者t5≥500ns。

本发明实施例提供的激光器的驱动电路，包括至少两个充电蓄能电路、至少两个第一开关元件以及控制电路；其中，充电蓄能电路的输出端与第一开关元件的第一端一一对应电连接，每个第一开关元件的第二端均与激光器电连接；所有充电蓄能电路的输入端以及所有第一开关元件的控制端均与控制电路电连接；通过在同一个激光器和控制电路之间并联多个充电蓄能电路和第一开关元件，通过控制电路为各个充电蓄能电路充电第一预设时间，并依次控制各个第一开关元件导通第二预设时间；其中，后续充电蓄能电路充电的充电起始时刻与对应的第一开关元件导通时刻间隔第三预设时间；或者，各个充电蓄能电路充电的起始时间均相同，通过对不同的充电蓄能电路充电足够长的第一预设时间，然后分时控制各个第一开关元件导通，从而在保证脉冲功率的前提下提高激光器的发射频率，解决激光器发射频率与发射功率之间的矛盾。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种激光器的驱动电路的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种激光器的驱动电路的控制信号的时序图；

图3是本发明实施例提供的一种充电蓄能电路的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种激光器的驱动方法的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的一种激光器的驱动方法中控制信号的时序示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种激光器的驱动方法中控制信号的时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的中的具体含义。

图1所示为本发明实施例提供的一种激光器的驱动电路的结构示意图。参考图1，本发明实施例提供的驱动电路包括至少两个充电蓄能电路10、至少两个第一开关元件20以及控制电路30；其中，充电蓄能电路10的输出端与第一开关元件20的第一端一一对应电连接，每个第一开关元件20的第二端均与激光器40电连接；所有充电蓄能电路10的输入端以及所有第一开关元件20的控制端均与控制电路30电连接；控制电路30用于为各个充电蓄能电路10充电第一预设时间，并依次控制各个第一开关元件20导通第二预设时间；其中，后续充电蓄能电路10充电的充电起始时刻与对应的第一开关元件20导通时刻间隔第三预设时间；或者，各个充电蓄能电路10充电的起始时间均相同。

需要说明的是，图1中示出的驱动电路示例性的包括三个充电蓄能电路10和三个第一开关元件20，具体实施时，可以根据实际需求设计充电蓄能电路10和第一开关元件20的数量。控制电路30可以为现场可编程门阵列(fpga)。

示例性的，以图1所示的驱动电路为例，如果需要达到脉冲发射频率600khz，同时为保证脉冲功率，需要充电时间不小于3μs。采用单路驱动的方案，因每个脉冲间隔只有1/600000s＝1.667μs，无法满足充电时间长度，输出的脉冲功率达不到要求。而采用图1所示的三路驱动电路轮流发射则可以将每一路的实际工作频率降低到200khz，脉冲间隔5μs，能够满足3μs的充电时间。

图2所示为本发明实施例提供的一种激光器的驱动电路的控制信号的时序图，其中第一预设时间t1可以为3μs，第二预设时间t2可以设置为10ns～50ns。可以理解的是，在具体实施时，可以控制所有充电蓄能电路同时充电，然后依次打开第一开关元件，使脉冲发射频率达到较高的频率(例如600khz)，还需要在多次发射脉冲时设置延迟等待时间，以利于激光器达到散热要求；也可以在第一个第一开关信号关闭之后，立即对与之对应的充电蓄能电路进行充电，后续充电蓄能电路充电的充电起始时刻与对应的第一开关元件导通时刻间隔的第三预设时间与第一预设时间之和需要满足小于同一第一开关元件两次导通的时间间隔，以避免充电时间不足导致脉冲能量下降。

本实施例的技术方案，通过在同一个激光器和控制电路之间并联多个充电蓄能电路和第一开关元件，通过控制电路为各个充电蓄能电路充电第一预设时间，并依次控制各个第一开关元件导通第二预设时间；其中，后续充电蓄能电路充电的充电起始时刻与对应的第一开关元件导通时刻间隔第三预设时间；或者，各个充电蓄能电路充电的起始时间均相同，通过对不同的充电蓄能电路充电足够长的第一预设时间，然后分时控制各个第一开关元件导通，从而在保证脉冲功率的前提下提高激光器的发射频率，解决激光器发射频率与发射功率之间的矛盾。

在上述技术方案的基础上，可选的，第一开关元件包括晶体管。

示例性的，第一开关元件可以为场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管(igbt)等具有快速响应开关作用的晶体管，在控制电路的控制下快速打开和关闭，以提高激光器的发光频率。

图3所示为本发明实施例提供的一种充电蓄能电路的结构示意图。参考图3，可选的，充电蓄能电路10包括第二开关元件101、电感102、二极管103及电容104；第二开关元件101的控制端与控制电路30电连接，第二开关元件101的第一端与电感102的第一端电连接，第二开关元件101的第二端接地；电感102的第二端与第一电平输入端vss电连接，电感102的第一端与二极管103的正极电连接；电容104的第一端与二极管102的负极电连接，电容104的第二端接地；二极管103的负极与第一开关元件20的第一端电连接。

可以理解的是，参考图3，第二开关元件101可以为三极管，第一电平输入端vss的输入电压可以为5v，控制电路30与第二开关元件101之间还可以串联电阻r，本实施例提供的充电蓄能电路的工作过程为：控制电路30提供充电信号时，第二开关元件101导通，由于充电信号为一个瞬时的大电流信号，可以认为是交流信号，这个交流信号的能量储存在电感102中，控制电路30的充电信号关闭后，第二开关元件101截止，电感102中储存的能量经过二极管103给电容104充电，由于二极管103单向导通，电感102储存的能量会全部转移到电容104上，当控制电路30提供给第一开关元件20提供导通信号时，第二开关元件20导通，电容104放电，使激光器40发光。

图4所示为本发明实施例提供的一种激光器的驱动方法的流程示意图，该驱动方法可以由上述实施例提供的任意一种驱动电路来执行，具体包括如下步骤：

步骤s1、为各个充电蓄能电路充电第一预设时间。

步骤s2、依次控制各个第一开关元件导通第二预设时间。

其中，后续充电蓄能电路充电的充电起始时刻与对应的第一开关元件导通时刻间隔第三预设时间；或者各个充电蓄能电路充电的起始时间均相同。

示例性的，仍然以图1所示的驱动电路需要达到脉冲发射频率600khz，单路驱动频率200khz为例，图5所示为本发明实施例提供的一种激光器的驱动方法中控制信号的时序示意图，该驱动方法的过程为：

控制电路为各个充电蓄能电路充电第一预设时间，例如3μs，然后以600khz(间隔1.667μs)依次向各个第一开关元件发送导通信号，导通信号持续第二预设时间，例如10ns，在第一个第一开关元件导通第三预设时间之后，再次为第一个充电蓄能电路充电3μs，在第二个第一开关元件关闭之后，再次为第二个充电蓄能电路充电3μs，依次类推，以使激光器以600khz发送脉冲。具体实施时，为了防止激光器过热损坏，还需要设置等待时间，在此不再详述。

可选的，控制电路依次控制各个第一开关元件以第一频率导通第二预设时间；

第一预设时间、第一频率与第三预设时间满足：

其中，t1表示第一预设时间，t3表示第三预设时间，f表示第一频率，n表示第一开关元件的数量，且n为大于或等于2的整数。

可以理解的是，上述示例中，t1＝3μs，n＝3，f＝600000hz，需要使t3<2μs以保证充电蓄能电路充电时间能够满足要求。需要说明的是，图5中所示的时序图中第一次充电为所有充电蓄能电路同时充电，对于第二个和第三个充电蓄能电路来说，前两次充电时间间隔不是t3，从第三次充电开始与前面一次充电间隔t3。

图6所示为本发明实施例提供的另一种激光器驱动方法中控制信号的时序示意图，该驱动方法的过程为：

控制电路同时为各个充电蓄能电路充电第一预设时间，例如3μs，然后以600khz(间隔1.667μs)依次向各个第一开关元件发送导通信号，导通信号持续第二预设时间，例如10ns，以使激光器以600khz发送三个脉冲，然后控制电路再为各个充电蓄能电路充电第一预设时间，再以600khz发送三个脉冲。可以理解的是，具体实施时，还需要设计延时等待时间，以使激光器满足散热要求。

本实施例的技术方案，通过控制电路为各个充电蓄能电路充电第一预设时间，并依次控制各个第一开关元件导通第二预设时间；其中，后续充电蓄能电路充电的充电起始时刻与对应的第一开关元件导通时刻间隔第三预设时间；或者，各个充电蓄能电路充电的起始时间均相同，通过对不同的充电蓄能电路充电足够长的第一预设时间，然后分时控制各个第一开关元件导通，从而在保证脉冲功率的前提下提高激光器的发射频率，解决激光器发射频率与发射功率之间的矛盾。

在上述技术方案的基础上，可选的，该驱动方法还包括：获取到停止指令时，停止执行步骤s1和步骤s2。

可以理解的是，当控制电路一直循环执行步骤s1和步骤s2时，可以使激光器连续输出脉冲激光，例如该驱动电路用于激光雷达时，当不需要探测目标时，激光雷达的控制系统发送停止指令，控制电路接收到停止指令时，停止脉冲发射。

可选的，第一预设时间大于或等于3μs，第二预设时间为10ns～50ns。

可以理解的是，在本实施例中，设置第一预设时间大于或等于3μs，第二预设时间为10ns～50ns，在其他实施例中，第一预设时间和第二预设时间可以根据实际电路参数和时间情况灵活设置，本发明实施例对此不作限定。

可选的，充电蓄能电路包括第二开关元件、电感、二极管及电容；若各个充电蓄能电路充电的起始时间均相同；各充电蓄能电路充电的结束时间为t1；第一个导通的第一开关元件的导通起始时间为t2；t2-t1＝t4；t4﹥0；若后续充电蓄能电路充电的充电起始时刻与对应的第一开关元件导通时刻间隔第三预设时间；第一个充电蓄能电路充电的结束时间为t3；与该充电蓄能电路对应电连接的第一开关元件的导通起始时间为t4；t4-t3＝t5；t5﹥0。可选的，t4≥500ns或者t5≥500ns。

可以理解的是，在本实施例中，充电蓄能电路采用lc电路，由于电感l放电需要一定时间，因此从充电蓄能电路充电结束到第一开关元件导通需要预留预设时间，在本实施例中，设置预留预设时间(图5中t5，图6中t4)大于或等于500ns。

需要说明的是，由于电路参数不同，预留预设时间可能不一致，本实施例中举例只是示意性的，具体设计时可以根据实际需求设置预留预设时间。

本发明实施例还提供一种激光雷达系统，包括：至少一个激光器单元，每个激光器单元包括一激光器以及上述实施例提供的任意一种激光器的驱动电路；激光器和驱动电路一一对应电连接。

由于本发明实施例提供的激光雷达系统包括上述实施例提供的任意一种激光器的驱动电路，可以执行上述实施例提供的任意一种驱动方法，具备相同或相应的有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。