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CN115347453A - 激光发射控制电路、激光雷达及激光器温漂控制方法 - Google Patents

激光发射控制电路、激光雷达及激光器温漂控制方法 Download PDF

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CN115347453A
CN115347453A CN202110515676.4A CN202110515676A CN115347453A CN 115347453 A CN115347453 A CN 115347453A CN 202110515676 A CN202110515676 A CN 202110515676A CN 115347453 A CN115347453 A CN 115347453A
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CN
China
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laser
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voltage
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CN202110515676.4A
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刘建峰
向少卿
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Hesai Technology Co Ltd
Original Assignee
Hesai Technology Co Ltd
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Abstract

激光发射控制电路、激光雷达及激光器温漂补偿方法，所述激光发射控制电路，与储能模块及激光器耦接，所述激光发射控制电路包括：供电模块，与所述储能模块耦接；驱动模块，与所述激光器耦接，适于基于触发信号，导通包括所述储能模块及激光器的放电通路，使得所述储能模块放电，以使所述激光器发光；输出能量检测模块，适于检测所述储能模块第一端的输出能量，得到输出能量检测信号；调节控制模块，适于将所述输出能量检测信号与参考区间进行比较，确定所述输出能量检测信号的调整信号，基于所述调整信号输出相应的脉宽控制信号，调节所述供电模块的供电电压。采用上述方案，能够对激光器的温漂进行监控，进而提高激光雷达的探测效率及稳定性。

Description

激光发射控制电路、激光雷达及激光器温漂控制方法
技术领域
本说明书实施例涉及激光器监测技术领域，尤其涉及一种激光发射控制电路、激光雷达及激光器温漂补偿方法。
背景技术
激光雷达发出激光脉冲，被目标物反射回来，通过测量激光到达每个物体和返回激光雷达所需的时间，可以计算出物体与激光雷达之间的精确距离。激光雷达每秒发出成千上万个脉冲，通过收集这些距离测量值，可以构建三维环境模型，即点云。基于激光雷达的测距原理，其发射端稳定地发射激光脉冲是至关重要的。
半导体激光器体积小、重量轻、价格低且效率高，因此广泛地用作激光雷达的发射端光源。但半导体激光器对温度非常敏感，由于外界环境变化和激光器工作发热等因素导致的温度变化，会使得激光器阈值电流改变、输出波长偏离设定值，即产生温度漂移，简称“温漂”，温漂对激光雷达的探测效率和稳定性造成不利影响。然而，针对温漂，目前激光雷达的发射端，并没有简单有效的检测保障机制。
发明内容
有鉴于此，本说明书实施例提供一种激光发射控制电路、激光雷达及激光器温漂控制方法，能够实现对激光器的温漂进行监控，进而能够提高激光雷达的探测效率及稳定性。
本说明书实施例提供了一种激光发射控制电路，与储能模块及激光器耦接，所述激光发射控制电路包括：
供电模块，与所述储能模块耦接，为所述储能模块充电；
驱动模块，与所述激光器耦接，适于基于触发信号，导通包括所述储能模块及激光器的放电通路，使得所述储能模块放电，以使所述激光器发光；
输出能量检测模块，适于检测所述储能模块第一端的输出能量，得到输出能量检测信号；
调节控制模块，适于将所述输出能量检测信号与参考区间进行比较，确定所述输出能量检测信号的调整信号，基于所述调整信号输出相应的脉宽控制信号，以调节所述供电模块的供电电压。
可选地，所述输出能量检测模块包括：
第一采样单元，适于检测所述储能模块放电和充电过程中所述放电通路的电压信号；
第一比较单元，适于将所述第一采样单元检测得到的电压信号与预设的电压阈值进行比较，得到能量脉宽模拟信号；
时数转换单元，适于将所述能量脉宽模拟信号进行量化，得到能量脉宽数字信号。
可选地，所述第一采样单元包括串联在所述储能模块第一端与地之间的隔直电容和第一电阻，并通过第一分压采样端与所述第一比较单元的第一输入端耦接，所述第一分压采样端设置于所述隔直电容和所述第一电阻之间。
可选地，所述调节控制模块包括：
参考值存储单元，适于存储输出能量检测信号参考区间；
第二比较单元，适于将所述输出能量检测信号与所述参考区间进行比较，基于比较结果得到脉宽控制信号的调整信号；
脉宽控制信号生成单元，适于根据所述第二比较单元输出的调整信号生成所述脉宽控制信号，输出至所述供电模块，以调节所述供电模块的供电电压。
可选地，所述参考值存储单元，适于存储与多个参考温度分别对应的输出能量脉宽数字信号参考区间；
所述调节控制模块还包括：温度检测单元，适于检测当前温度；
所述第二比较单元，适于将所述输出能量检测信号与当前温度相对应的参考区间进行比较，基于比较结果得到所述调整信号。
可选地，所述第二比较单元，适于在检测得到的能量脉宽数字信号大于所述参考区间的上限时，输出所述调整信号为预设第一调整量；以及在检测得到的能量脉宽数字信号小于所述参考区间的下限时，输出所述调整信号为预设第二调整量，其中，所述第一调整量为负值，所述第二调整量为正值；
所述脉宽控制信号生成单元，适于在所述调整信号为所述第一调整量时，将所述脉宽控制信号的占空比减小一个所述第一调整量对应的步长；在所述调整信号为所述第二调整量时，将所述脉宽控制信号的占空比增大所述一个所述第二调整量对应的步长。
可选地，所述供电模块包括：升压电路单元、第二采样单元、参考电压生成单元、误差放大器和调制单元，其中：
所述升压电路单元，适于对输入电压进行升压处理并输出供电电压；
所述第二采样单元，其耦接于所述升压电路单元的输出端与地之间，并通过第二分压采样端与所述误差放大器的第二输入端耦接；
所述参考电压生成单元，适于根据所述调节控制模块输出的脉宽控制信号和带隙基准电压，生成参考电压；
所述误差放大器，其第一输入端适于输入所述参考电压，其第二输入端适于输入所述第二分压采样端的电压信号，适于基于所述参考电压与所述第二分压采样端的电压信号之间的差值进行信号放大，得到误差放大信号；
调制单元，适于基于所述误差放大信号，产生调制信号，以调制所述升压电路单元输出的供电电压。
可选地，所述第二采样单元包括：串联于所述供电模块的输出端与地之间的第二电阻和第三电阻，所述第二分压采样端设置于所述第二电阻和所述第三电阻之间。
可选地，所述激光发射控制电路还包括：上电开关模块，耦接于所述供电模块和所述输出能量检测模块之间，适于响应于供电使能信号，导通所述供电模块与所述储能模块，形成充电通路。
可选地，所述上电开关模块包括：
第一开关，其第一端与所述供电模块的输出端耦接，其第二端与所述储能模块第一端耦接；
第四电阻，其耦接于所述第一开关的第一端和控制端之间；
电流源，耦接于所述第一开关的控制端和地之间。
本说明书实施例还提供了一种激光雷达，包括：
激光发射电路，包括：激光器及与其耦接的储能模块；
前述任一实施例所述的激光发射控制电路，包括：供电模块、驱动模块、输出能量检测模块和调节控制模块；
控制器，与所述激光器发射控制电路耦接，适于基于预设的发射控制参数，向所述供电模块输出控制信号，以控制所述激光器发光。
可选地，所述控制器还适于向所述输出能量检测模块输出电压阈值数字信号，以设置所述输出能量检测模块中的第一比较单元的电压阈值。
本说明书实施例还提供了一种激光器温漂控制方法，其中，所述激光器与储能模块耦接，并由控制器按照预设的发射控制参数，向与其耦接的激光发射控制电路输出触发信号，以驱动所述激光器发光，所述激光发射控制电路包括供电模块和驱动模块，所述温漂控制方法包括：
检测所述储能模块第一端的输出能量，得到输出能量检测信号；
将所述输出能量检测信号与参考区间进行比较，确定所述输出能量检测信号的调整信号；
基于所述调整信号输出相应的脉宽控制信号，以调节所述供电模块的供电电压。
可选地，所述检测所述储能模块第一端的输出能量，得到输出能量检测信号，包括：
检测所述储能模块放电和充电过程中所述放电通路的电压信号；
将所述检测得到的所述放电通路的电压信号与预设的电压阈值进行比较，得到能量脉宽模拟信号；
将所述能量脉宽模拟信号进行量化，得到能量脉宽数字信号。
可选地，所述将所述输出能量检测信号与参考区间进行比较，确定所述输出能量检测信号的调整信号，包括：
将所述输出脉宽数字信号与当前温度相对应的参考区间进行比较，基于比较结果得到所述调整信号。
可选地，所述将所述输出能量脉宽数字信号与参考区间进行比较，基于比较结果得到脉宽调制信号的调整信号，包括：
在检测得到的能量脉宽数字信号大于所述参考区间的上限时，输出所述调整信号为预设第一调整量；
在检测得到的能量脉宽数字信号小于所述参考区间的下限时，输出所述调整信号为预设第二调整量，其中，所述第一调整量为负值，所述第二调整量为正值。
可选地，所述基于所述调整信号输出相应的脉宽控制信号，以调节所述供电模块的供电电压，包括：
在所述调整信号为所述第一调整量时，将所述脉宽控制信号的占空比减小一个所述第一调整量对应的步长；
在所述调整信号为所述第二调整量时，将所述脉宽控制信号的占空比增大所述一个所述第二调整量对应的步长。
采用本说明书实施例，通过检测储能模块第一端的输出能量，得到输出能量检测信号，并将所述输出能量检测信号与参考区间进行比较，确定所述输出能量检测信号的调整信号，进而基于所述调整信号输出相应的脉宽控制信号，以调节供电模块的供电电压，由于所述供电模块与所述储能模块耦接，为所述储能模块充电，因此通过对所述储能模块第一端的输出能量进行检测，并基于此对所述供电模块的供电电压进行调整，能够控制所述激光器的发光强度，减小温度漂移对所述激光器输出光能量的影响。由上可知，采用本说明书实施例能够实现对激光器的温漂进行监测及控制，进而能够提高应用所述激光器的激光雷达的探测效率及稳定性。
进一步地，所述输出能量检测模块可以包括第一采样单元、比较单元和时数转换单元，其中，可以通过所述第一采样单元检测所述储能模块放电和充电过程中所述放电通路的电压信号，并由所述比较单元将所述第一采样单元检测得到的电压信号与预设的电压阈值进行比较，得到能量脉宽模拟信号，进而通过所述时数转换单元将所述能量脉宽模拟信号进行量化，得到能量脉宽数字信号，由于所述激光器的发光能量主要来自于所述储能模块放电过程中的输出能量，所述放电模块放电过程产生压降，所述激光器的发光能量与所述放电通路的电压信号成正比，因此通过所述比较单元，可以得到所述激光器的能量脉宽模拟信号，从而可以实时而准确地获得所述激光器的发光能量，实现对所述激光器工作过程中发光能量的准确监测。
进一步地，所述储能模块第一端电压在放电和充电过程中形成近似三角波的电压波形，所述第一采样单元包括串联在所述储能模块第一端与地之间的隔直电容和第一电阻，并通过第一分压采样端与所述比较单元的第一输入端耦接，所述第一分压采样端设置于所述隔直电容和所述第一电阻之间，其中通过所述隔直电容可以将所述储能模块第一端电压在放电和充电过程中的三角波形变换到低压区域，方便比较器处理。
进一步地，所述调节控制模块包括参考值存储单元、第二比较单元和脉冲控制信号生成单元，其中，由所述第二比较单元将所述输出能量检测信号与所述参考值存储单元中存储的输出能量检测信号参考区间进行比较，基于比较结果得到脉宽控制信号的调整信号，所述脉宽控制信号生成单元可以根据所述第二比较单元输出的所述调整信号生成所述脉宽调制信号，输出至所述供电模块，以调节所述供电模块的供电电压，因此通过所述调节控制模块可以实时获得所述输出能量检测信号与所述参考区间的关系，进而得到相应的脉宽控制信号的调整信号，对所述供电模块的供电电压进行实时控制，从而可以对所述激光器的发光能量进行有效控制，进而能够提高激光雷达的探测效率及稳定性。
进一步地，所述调节控制模块还可以包括适于检测当前温度的温度检测单元，所述第二比较单元可以将所述输出能量检测信号与当前温度相对应的参考区间进行比较，基于比较结果得到所述调整信号，采用所述调节控制模块，通过所述参考值存储单元存储多个温度区间对应的输出能量检测信号参考区间，可以在温度变化幅度很大时仍能控制所述激光器输出的发光能量的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本说明书实施例中一种激光发射控制电路的结构示意图；
图2为本说明书实施例中一种激光发射控制电路的具体结构示意图；
图3示出了本说明书实施例中储能模块第一端的输出能量检测波形示意图；
图4示出了本说明书实施例一具体应用场景的激光发射控制电路的结构示意图；
图5示出了图4对应的激光发射控制电路中多个监测节点的波形示意图；
图6a示出了不同温度下激光器输出光能量与供电电压的关系曲线；
图6b示出了不同温度下的能量脉宽模拟信号与供电电压的关系曲线；
图6c示出了本说明书实施例一具体应用场景中的输出脉宽信号与所述激光器输出光能量之间的关系曲线；
图7示出了本说明书实施例中与图4所示激光发射控制电路对应的时序图；
图8示出了本说明书实施例中一种激光雷达的结构示意图；
图9示出了本说明书实施例中一种激光器温漂控制方法的流程图。
具体实施方式
在激光发射电路中，通常通过控制供电模块为与激光器耦接的储能模块供电，进而通过与激光器耦接的驱动模块控制所述储能模块放电，使所述激光器发光。
如背景技术可知，半导体激光器对温度非常敏感，由于外界环境变化和激光器发热等因素导致的温度变化，会使激光器阈值电流改变、输出波长偏离设定值，即产生温漂，温漂对激光雷达的探测效率和稳定性造成不利影响。然而，针对温漂，目前激光雷达的发射端，并没有简单有效的检测保障机制。
针对上述问题，在激光发射端，本说明书实施例通过检测储能模块第一端的输出能量，得到输出能量检测信号，并将所述输出能量检测信号与参考区间进行比较，确定所述输出能量检测信号的调整信号，进而基于所述调整信号输出相应的脉宽调制信号，以调节所述供电模块的供电电压，能够控制所述激光器的发光强度，减少温漂对所述激光器输出光能量的影响。
为使本领域技术人员更好地理解本说明书实施例的监测及控制机制，原理及优点，以下参照附图，通过具体实施例进行详细描述。
图1示出了一种激光发射控制电路的结构示意图，在本说明书实施例中，如图1所示，激光发射电路10可以与储能模块1A和激光器1B耦接，其中，所述激光发射控制电路10可以包括：供电模块U1、驱动模块U2、输出能量检测模块U3和调节控制模块U4，其中：
所述供电模块U1，与所述储能模块1A耦接，为所述储能模块1A充电；
所述驱动模块U2，与所述激光器1B耦接，适于基于触发信号Tr，导通包括所述储能模块1A及激光器1B的放电通路，使得所述储能模块1A放电，以使所述激光器1B发光；
所述输出能量检测模块U3，适于检测所述储能模块1A第一端的输出能量，得到输出能量检测信号；
所述调节控制模块U4，适于将所述输出能量检测信号与参考区间进行比较，确定所述输出能量检测信号的调整信号，基于所述调整信号输出相应的脉宽控制信号，以调节所述供电模块U1的供电电压。
参照图1，储能模块1A、激光器1B和驱动模块U2组成激光器发光的基本功能单元。在触发信号Tr的触发下，所述驱动模块U2选通其连接的激光器1B，所述储能模块1A对所述激光器1B放电，使激光器1B受激发光。发光结束后，驱动模块U2断开放电通路，所述供电模块U1对所述储能模块1A充电，用于所述激光器1B下一次发光。
在具体实施中，所述储能模块1A具体可以为储能电容。
在本说明书一些实施例中，所述驱动模块U2可以为驱动开关。
以下通过一具体工作过程简述上述激光发射控制电路的工作原理：
首先，在上述储能模块1A充电和放电过程中，所述输出能量检测模块U3可以检测所述储能模块1A第一端的输出能量，得到输出能量检测信号。之后，所述调节控制模块U4可以将所述输出能量检测信号与预设的参考区间进行比较，基于比较结果得到所述输出能量检测信号的调整信号，基于所述调整信号输出相应的脉宽控制信号，以调节所述供电模块U1的输出电压，即供电电压。
在本说明书一些具体示例中，所述输出能量检测模块U3可以通过检测所述储能模块放电和充电过程中的压降，间接获得所述激光器1B发光的能量。所述调节控制模块U4可以将所述输出能量检测信号与预设的参考区间进行比较，基于比较结果，得到所述输出能量检测信号的调整信号，并由所述调节控制模块U4输出相应的脉宽调制信号，以调节所述供电模块U1的供电电压。
具体而言，可以分为如下几种情况：
a)所述输出能量检测信号的信号值处于所述参考区间，所述调整信号可以为0，相应地，所述脉宽控制信号可以保持不变；
b)所述输出能量检测信号的信号值小于所述参考区间对应的数值范围，所述调整信号对应的调整值为正值，即所述脉宽控制信号增加相应的补偿值；
c)所述输出能量检测信号的信号值大于所述参考区间对应的数值范围，所述调整信号对应的调整值为负值，即所述脉宽控制信号减小相应的补偿值。
所述调节控制模块U4输出的脉宽调制信号提供给所述供电模块U1，所述供电模块U1输出的电压值与所述调节控制模块U4输出的脉宽控制信号成正比，所述激光器1B的发光强度与所述供电模块输出的供电电压成正比，因此通过控制所述调节控制模块U4输出的脉宽调制信号可以控制所述激光器1B的发光强度。
为使本领域技术人员更好地理解和实施，以下示出本说明书激光发射控制电路中各模块的一些可实现示例。
参照图2所示的激光发射电路的结构示意图，在本说明书一些实施例中，如图2所示，输出能量检测模块U3可以包括：第一采样单元U31、第一比较单元U32和时数转换单元U33，其中：
所述第一采样单元U31，适于检测所述储能模块1A放电和充电过程中所述放电通路的电压信号；
所述第一比较单元U32，适于将所述第一采样单元U31检测得到的电压信号与预设的电压阈值进行比较，得到能量脉宽模拟信号；
所述时数转换单元U33，适于将所述能量脉宽模拟信号进行量化，得到能量脉宽数字信号。
在具体实施中，所述时数转换单元U33具体也可以也可以由模数转换器(Analogto Digital Converter，ADC)实现。需要说明的是，本说明书实施例中并不限定所述时数转换单元的具体实现形式，只要能够将所述能量脉冲模拟信号转换为能量脉宽数字信号即可。具体量化精度可以根据实际需要进行选择。
采用上述实施例中的输出能量检测模块U3，由所述第一采样单元U31检测所述储能模块1A放电和充电过程中所述放电通路的电压信号，并由所述第一比较单元U32将所述第一采样单元检测得到的电压信号与预设的电压阈值进行比较，可以得到能量脉宽模拟信号，之后可以由所述时数转换单元U32将所述能量脉宽模拟信号进行量化，得到能量脉宽数字信号。
在具体实施中，继续参照图2，还可以在所述供电模块U1和所述输出能量检测模块之间，设置上电开关模块U5，其适于响应于供电使能信号，导通所述供电模块U1与所述储能模块1A，形成充电通路。
作为一可选示例，所述上电开关模块U5具体可以采用高压开关，用以隔离所述供电模块U1输出端与所述储能模块1A第一端，在所述储能模块1A充电结束后，断开所述上电开关模块U5，可以使所述激光器1B的发光能量主要来自于所述储能模块1A。
以下详述上述输出能量检测模块U3的工作原理：
例如，所述储能模块1A具体可以包括电容，在ns级的光脉冲范围内，光脉冲的来源为所述储能模块1A中的电容，电容由于放电而产生压降，光脉冲能量与所述储能模块1A的电容上的压降成正比，单个光脉冲的光能量为：
Figure BDA0003061871130000091
其中，Popt为光功率，其随时间变化，Tsw为单个激光脉冲的时间宽度。
而光功率和驱动电流满足如下关系：
Popt＝Idrv×SRopt＜-elec；
其中，Idrv为驱动模块U2产生的驱动电流，SRopt＜-elec为电信号到光功率的转换斜率。
单个光脉冲消耗的电荷量为：
Figure BDA0003061871130000101
同时，电荷量等于在Tsw时刻所述储能模块1A的电容上的压降值：
Q＝CHVDD1×Vdrop；
其中，CHVDD1为所述储能模块1A中电容的容值，Vdrop为所述储能模块1A中电容上的压降。
在所述激光器1B发光结束后，所述上电开关模块U5可以闭合，所述供电模块U1对所述储能模块1A进行充电，充电速度取决于所述上电开关模块U5的阻抗。
参照图3所示的所述储能模块第一端的输出能量检测波形示意图，结合参照图2和图3，所述储能模块1A的放电和充电形成近似三角形的电压波形，如图3之(a)所示，其中：
Vdrop＝HVDD1(Tsw)-HVDD1(0)；
其中，HVDD1(Tsw)表示Tsw时刻所述储能模块1A第一端的电压值，HVDD1(0)表示Tsw时刻所述储能模块1A第一端的电压值。
在具体实施中，所述第一采样单元U31可以将所述储能模块1A第一端输出的三角形的电压波形的直流值变化到低压区域，如图3之(b)所示，以方便所述第一比较单元处理。
参照图3之(a)，所述储能模块1A第一端的三角波形S0电压差值等于Vdrop，Vdrop与所述第一比较单元U32输出的能量脉宽模拟信号Vc的脉冲宽度PWcmp成正比，可以用下式表示：
PWcmp＝K×Vdrop；
其中，PWcmp表示所述第一比较单元U32输出的脉冲宽度，K为比例系数。
同样地，若所述储能模块1A第一端的三角波形S1电压差值等于Vdrop1，所述第一比较单元U32输出的能量脉宽模拟信号Vc1对应的脉冲宽度为PWcmp1，如图3之(a)所示。综合上述分析推导过程，可以得到所述第一比较单元U32输出的脉冲宽度PWcmp和单个光脉冲的光能量Eoptical的关系如下：
Figure BDA0003061871130000111
其中，CHVDD1和SRopt＜-elec在储能模块和激光器选定时，均为常数，而K则与所述供电模块U1对所述储能模块1A的充电速度相关。
由上关系可知，所述第一比较单元U32的输出脉宽与所述激光器1B输出光能量成正比。
基于以上原理分析可知，可以通过所述输出能量检测模块U3的检测获得所述储能模块1A第一端电压的变化情况，从而可以间接获得所述激光器1B输出的发光能量，因而可以根据所述输出能量检测模块U3的检测结果对所述供电模块U1输出的供电电压进行调节，使得所述激光器的发光能量处于预设的范围内，从而可以提高激光探测效率及输出能量的稳定性。
继续参照图2，在本说明书一些实施例中，所述调节控制模块U4可以包括：参考值存储单元U41、第二比较单元U42和脉宽控制信号生成单元U43，其中：
所述参考值存储单元U41，适于存储输出能量检测信号参考区间；
所述第二比较单元U42，适于将所述输出能量检测信号与所述参考区间进行比较，基于比较结果得到脉宽控制信号的调整信号；
所述脉宽控制信号生成单元U43，适于根据所述第二比较单元U42输出的调整信号生成所述脉宽控制信号，输出至所述供电模块U1，以调节所述供电模块U1的供电电压。
在具体实施中，所述参考值存储单元U41可以仅存储一个参考区间，所述参考区间可以为所述激光器工作的环境温度范围所对应的一个区间范围。
作为另一些示例，所述参考值存储单元U41也可以存储与多个参考温度分别对应的输出能量脉宽数字信号参考区间。相应地，所述调节控制模块U4还包括：温度检测单元U44，适于检测当前温度；
所述第二比较单元U42，适于将所述输出能量检测信号与当前温度相对应的参考区间进行比较，基于比较结果得到所述调整信号。
在具体实施中，所述第二比较单元U42，适于在检测得到的能量脉宽数字信号大于所述参考区间的上限时，输出所述调整信号为预设第一调整量；以及在检测得到的能量脉宽数字信号小于所述参考区间的下限时，输出所述调整信号为预设第二调整量，其中，所述第一调整量为负值，所述第二调整量为正值；
所述脉宽控制信号生成单元U43，适于在所述调整信号为所述第一调整量时，将所述脉宽控制信号的占空比减小一个所述第一调整量对应的步长；在所述调整信号为所述第二调整量时，将所述脉宽控制信号的占空比增大所述一个所述第二调整量对应的步长。
其中，作为可选示例，所述第一调整量和所述第二调整量的绝对值可以相等，所述第一调整量和所述第二调整量的设置可以根据控制精度及对调节时延的要求进行设定。
采用上述激光发射控制电路实施例，若检测得到的能量脉冲数字信号不在相应温度对应的参考区间范围，则所述第二比较单元U42输出相应调整量的调整信号，所述脉宽控制信号生成单元U43根据所述调整信号对应的调整量按照相应的步长调整所述脉宽控制信号的占空比。所述输出能量检测模块U3持续检测，并由所述调节控制模块U4根据所述输出能量检测模块U3的检测结果持续调整，直至所述供电模块U1输出的供电电压能够使得所述输出能量检测模块U3检测得到的输出能量检测信号处于所述参考区间范围内。
在具体实施中，继续参照图2，所述供电模块U1可以包括：升压电路单元U11、第二采样单元U12、参考电压生成单元U13、误差放大器U14和调制单元U15，其中：
所述升压电路单元U11，适于对输入电压进行升压处理并输出供电电压；
所述第二采样单元U12，其耦接于所述升压电路单元U11的输出端与地之间，并通过第二分压采样端与所述误差放大器U14的第二输入端耦接，
所述参考电压生成单元U13，适于根据所述调节控制模块U4输出的脉宽控制信号和带隙基准电压，生成参考电压；
所述误差放大器U14，其第一输入端适于输入所述参考电压，其第二输入端适于输入所述第二分压采样端的电压信号，适于基于所述参考电压与所述第二分压采样端的电压信号之间的差值进行信号放大，得到误差放大信号；
调制单元U15，适于基于所述误差放大信号，产生调制信号，以调制所述升压电路单元U11输出的供电电压。
采用上述供电模块，通过所述参考电压生成单元U13，可以根据所述调节控制模块U4输出的脉宽控制信号和带隙基准电压的关系，实时地调整所述参考电压，进而由所述误差放大器U14基于所述参考电压与由所述第二采样单元U12采样得到的电压信号之间的差值，进行信号放大，得到误差放大信号，之后，由所述调制单元基于所述误差放大信号，产生调制信号，来调制所述升压电路单元U11输出的供电电压。
在具体实施中，所述供电模块U1也可以不采用上述电路结构，例如，可以不包括所述第二采样单元U12，而由所述误差放大器基于所述升压电路单元U11的输出端的电压与所述参考电压进行比较，输出相应的误差放大信号。
为使本领域技术人员更好地理解和实施，以下通过一具体场景中的激光发射控制电路的结构示意图进行详细示例说明。
参照图4所示的激光发射控制电路的结构示意图，激光发射控制电路40可以与储能模块1A及激光器1B分别耦接。
其中，如前实施例所述，储能模块1A可以包括电容CHVDD1，在具体实施中，所述储能模块可以由一个或多个并联的电容组成。
激光器1B具体可以包括激光器LD。所述激光器LD可以是任意类型的电泵浦半导体激光器。为便于理解，在本说明书以上示例中，均以所述激光发射控制电路控制一个激光器为例，需要说明的是，在具体实施中，本说明书实施例中的一个激光发射控制电路也可以同时控制多个串联或并联的激光器，本说明书实施例中并不限定所述激光器1B的具体数量。
如前述实施例类似，激光发射控制电路40同样可以包括供电模块U1、驱动模块U2、输出能量检测模块U3和调节控制模块U4，以及可选地还可以包括上电开关模块U5。
以下参照图4分别说明各模块的可选应用示例。
首先，在具体实施中，驱动模块U2可以采用连接于所述激光器阳极端的高边驱动类型的驱动器，也可以采用连接于所述激光器阴极端的低边驱动类型的驱动器。作为一可选示例，参照图4，驱动模块U2可以包括驱动开关SW0，通过驱动开关SW0控制端的触发信号，可以使所述激光器LD发光。
就输出能量检测模块U3而言，可以包括第一采样单元U31、第一比较单元U32及时数转换单元U33，其中：
所述第一采样单元U31可以包括串联在所述储能模块1A第一端与地之间的隔直电容C1和第一电阻R1，并通过第一分压采样端Hvdd1_div与所述第一比较单元U32的第一输入端耦接，所述第一分压采样端Hvdd1_div设置于所述隔直电容C1和所述第一电阻R1之间。
所述第一比较单元U32可以包括比较器CMP0，其可以将所述第一分压采样端Hvdd1_div采样得到的电压信号与预设的电压阈值Vth进行比较，得到能量脉宽模拟信号Vcmp。
所述时数转换单元U33具体可以由一时间数字转换器(Time to DigitalConverter，TDC)实现。
在具体实施例中，所述第一比较单元U32也可以采用比较电路实现，所述时数转换单元也可以采用其他的模数转换器件或电路实现。
另在具体实施中，可以根据需要，对所述预设的电压阈值Vth进行设置或修改，例如可以通过一阈值数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)Vth DAC与控制器(图中未示出)或交互接口(图中未示出)耦接，可以在所述控制器或通过所述交互接口设置所需要的电压阈值Vth，并由Vth DAC直接将所设置的电压阈值Vth转换为模拟电压信号并输入至所述比较器CMP0的第二输入端，从而可以根据所采用的储能模块1A、供电模块U1、激光器1B等电路或器件的具体电路参数及环境信息(如环境温度)设置所述电压阈值Vth，因此可以提高所述激光发射控制电路的通用性。
继续参照图4，就调节控制模块U4而言，其中，参考值存储单元U41可以为一存储器件，例如可以为寄存器，其中可以存储参考值寄存器表，所述参考值寄存器表可以确定所述输出能量检测信号参照区间，具体可以通过软件进行配置。所述第二比较单元U42可以通过比较逻辑来实现，脉冲控制信号生成单元U43具体可以为PWM产生器，所述PWM产生器可以根据所述第二比较单元U42输出的调整信号生成所述脉宽控制信号。
进一步地，如前所述，所述供电模块U1可以包括升压电路单元U11、第二采样单元U12、参考电压生成单元U13、误差放大器U14和调制单元U15，其中：
在具体实施中，所述升压电路单元U11可以采用升压(BOOST)型的升压电路，也可以采用降压-升压(BUCK–BOOST)型升压电路。作为一BOOST型升压电路结构的具体示例，继续参照图4，升压电路单元U11可以包括：电感L0、开关管T0、稳压二极管D0及稳压电容CHVDD，其中，所述稳压二极管D0及稳压电容CHVDD作为可选器件均起到稳压作用。
作为一可选示例，第二采样单元U12可以包括耦接于所述升压电路单元U11输出端HVDD和地GND之间的第二电阻R2和第三电阻R3，并通过第二电阻R2和第三电阻R3之间的第二分压采样端Vfb与所述误差放大器U14的第二输入端耦接。
在具体实施中，所述第二采样单元U12也可以采用其他的结构实现。
所述参考电压生成单元U13具体可以通过参考电压产生电路实现。所述参考电压产生电路的第一端可以输入带隙基准电压Vbg，所述参考电压产生电路的第二端可以输入本说明书实施例中的调节控制模块U4输出的脉宽控制信号，所述参考电压产生电路根据所述调节控制模块输出的脉宽控制信号和带隙基准电压，可以生成参考电压。所述参考电压产生电路具体可以采用已有的电路结构或其改进的电路结构，本说明书实施例中并不限制其具体结构。
在具体实施中，继续参照图4，所述上电开关模块可以包括第一开关PM0、第四电阻R4和电流源I0，其中：
所述第一开关PM0，其第一端可以与所述供电模块U1的输出端HVDD耦接，其第二端与所述储能模块1A的第一端HVDD1耦接；
所述第四电阻R4，其耦接于所述第一开关PM0的第一端和控制端HVgate之间；
所述电流源I0，耦接于所述第一开关PM0的控制端HVgate和地GND之间。
以下结合图5所示的各监测节点的波形示意图，对图4所示的具体激光发射控制电路的控制原理进行详细介绍。
在触发信号Tr作用下，驱动开关SW0导通，储能电容CHVDD1对激光器LD放电产生驱动电流Ilaser，储能电容CHVDD1放电使其第一端HVDD1产生压降；触发信号Tr结束后，驱动开关SW0断开，供电模块U1输出端HVDD输出供电电压对所述储能电容CHVDD1进行充电，CHVDD1第一端HVDD1的电压上升。继而，第一采样单元U31中的隔直电容C1将CHVDD1第一端HVDD1的三角波形的电压变换到低压区域，通过第一分压采样端Hvdd1_div输入比较器CMP0。
所述比较器CMP0可以基于第一分压采样端Hvdd1_div采样得到的分压采样信号与Vth DAC输出的阈值电压Vth，得到比较结果Vcmp并通过TDC量化输出至调节控制模块U4。
之后，继续参照图4，第二比较单元U42可以通过比较逻辑将TDC量化得到的能量脉宽数字信号与参考值寄存器表进行比较，获得脉宽调整信号的调整值(即PWM波的占空比变化量)，所述调整值输入所述PWM产生器后产生PWM信号作为所述脉宽控制信号，并输入至所述供电模块U1作为所述供电模块U1输出的供电电压的控制信号。
在所述供电模块U1中，带隙基准电压Vbg是一个与温度无关的电压基准，作为一可选示例，Vbg为固定值1.2V。所述带隙基准电压可以利用一个具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关。
参考电压产生电路根据调整后的脉宽调制信号和带隙基准电压Vbg产生参考电压，进而所述误差放大器U14的第二输入端连接第二分压采样端Vfb，第二分压采样端Vfb的电压：
Figure BDA0003061871130000161
所述误差放大器将参考电压和第二分压采样端电压Vfb的差值放大后输出PWM控制信号至调制单元U15，所述升压电路单元U11在PWM控制信号的控制下，从电源VDD产生供电电压HVDD，供电电压HVDD受控于PWM波形的占空比Duty，即一个周期内高电平占整个周期的比值，Duty＜1，供电电压HVDD的具体数值可以通过如下关系得到：
Figure BDA0003061871130000162
其中，在第二采样单元U12和参考电压生成单元U13选定时，Vbg、R2和R3为固定值，因此通过改变Duty就可以改变HVDD的值。
如前所述，半导体激光器对温度非常敏感，由于外界环境变化和激光器发热等因素导致的温度变化，会使得激光器阈值电流改变，输出波长偏离设定值，也即产生温漂。如图6a所示的一测量得到的不同温度下激光器输出光能量E(单位：nJ)与供电电压HVDD(单位：V)的关系曲线，其中分别示出了温度分别为-40℃、27℃和125℃时的关系曲线，由图6a可知，当温度变化时，在没有进行温度补偿的情况下，相同的供电电压输出的光能量E会发生变化。其中，在供电电压HVDD等于20V时，温度从-40℃变化至125℃，激光器输出的光能量从195nJ变化为240nJ，产生45nJ的偏差。
采用本说明书前述实施例的激光发射控制电路，在一应用场景中，如图6b所示的不同温度下第一比较单元输出的能量脉宽模拟信号(单位：ns)与供电电压(单位V)的关系曲线，其中分别示出了温度分别为-40℃、27℃和125℃时的关系曲线，采用本说明书上述实施例中的发射控制方法对温漂进行补偿后，可以缩小温度变化造成的偏差，参照图6c，其中示出了一具体应用场景中的输出脉宽信号(单位：ns)与所述激光器输出光能量(单位：nJ)之间的关系示意图，其中，在所述第一比较单元输出的能量脉宽模拟信号维持在300ns时，温度从-40℃升至125℃，所述激光器输出光能量从210nJ变化为220nJ，仅相差10nJ，相对于未进行温漂控制之前产生的45nJ的能量变化，温漂变化比例减小为原来的22％左右，也即受温漂变化影响降低了约78％。因此采用本说明书上述实施例，能够实现对激光器温漂的实时监测及有效控制，相应地，也可以提高应用其的激光探测设备如激光雷达的探测效率及稳定性。
如图7所示的与图4所示激光发射控制电路对应的时序图，在一具体应用场景中，初始情况下，供电电压HVDD设置为20V。假设在t0时刻，温度Temperature突然从27℃变化为125℃，相应的，第一比较单元U32输出的能量脉宽模拟信号Vcom的脉冲宽度PWcmp变小，低于预设参考区间的下限PWth,dn，经过第二比较单元U42的比较逻辑运算，输出的脉宽控制信号PWM的占空比Duty增加一个调整值，供电电压HVDD升高，但是第一比较单元U32输出的能量脉宽模拟信号Vcom的输出脉冲宽度PWcmp仍然小于所述参考区间的下限PWth,dn，故第二比较单元U42输出的脉宽控制信号PWM的占空比Duty继续增加，直至所述第一比较单元U32输出的能量脉宽模拟信号Vcom的输出脉冲宽度PWcmp处于所述参考区间的下限PWth,dn和所述参考区间的上限PWth,up之间，此时所述第二比较单元U42输出的脉宽控制信号PWM的占空比不再变化，供电电压稳定在22.5V。
从以上温漂控制过程可知，通过调整供电电压，可以使激光器的输出能量保持稳定。
可以将上述激光发射电路应用于各种应用激光器的场合及相应的设备中，以下给出一种在激光雷达中的应用示例。
参照图8所示的激光雷达的结构示意图，在本说明书实施例中，激光雷达可以包括：激光发射电路A0、激光发射控制电路B0和控制器C0，其中：
所述激光发射电路A0，可以包括：激光器A1及与其耦接的储能模块A2；
所述激光发射控制电路B0，可以包括：供电模块B1、驱动模块B2、输出能量检测模块B3和调节控制模块B4；
控制器C0，与所述激光器发射控制电路B0耦接，适于基于预设的发射控制参数，向所述供电模块B1输出控制信号，以控制所述激光器A1发光。
所述激光器A1和所述储能模块A2的具体实施方式可以参见前述实施例。
所述激光发射控制电路B0的具体实现也可以参见前述实施例具体介绍，此处不再展开描述。
更具体地，所述控制器C0可以向所述选通信号、向所述驱动模块B2输出所述触发信号，以选通其连接的激光器A1，由所述储能模块A2对所述激光器放电，使所述激光器A1受激发光。发光结束后，所述控制器C0控制所述驱动模块B2断开放电回路，并控制所述供电模块B1对所述储能模块A2充电，用于所述激光器A1下一次发光。
作为可选示例，所述控制器还可以向所述输出能量检测模块B3输出电压阈值数字信号，以设置所述输出能量检测模块中的第一比较单元的电压阈值Vth。
本说明书实施例还提供了相应的激光器温漂控制方法，其中，所述激光器与储能模块耦接，并由控制器按照预设的发射控制参数，向与其耦接的激光发射控制电路输出触发信号，以驱动所述激光器发光，所述激光发射控制电路包括供电模块和驱动模块，具体驱动方式可以参照前述实施例。
参照图9所示的温漂控制方法流程图，在本说明书实施例中，可以通过如下步骤进行温漂控制：
S91，检测所述储能模块第一端的输出能量，得到输出能量检测信号。
在具体实施中，作为一可选示例，可以通过如下方法获得输出能量检测信号：
检测所述储能模块放电和充电过程中所述放电通路的电压信号；将所述检测得到的所述放电通路的电压信号与预设的电压阈值进行比较，得到能量脉宽模拟信号；将所述能量脉宽模拟信号进行量化，得到能量脉宽数字信号，作为所述能量检测信号。
S92，将所述输出能量检测信号与参考区间进行比较，确定所述输出能量检测信号的调整信号。
在具体实施中，可以将所述输出脉宽数字信号与当前温度相对应的参考区间进行比较，基于比较结果得到所述调整信号。
更具体而言，可以在检测得到的能量脉宽数字信号大于所述参考区间的上限时，输出所述调整信号为预设第一调整量；在检测得到的能量脉宽数字信号小于所述参考区间的下限时，输出所述调整信号为预设第二调整量，其中，所述第一调整量为负值，所述第二调整量为正值。
其中，所述第一调整量和所述第二调整量的绝对值可以取值相等。
S93基于所述调整信号输出相应的脉宽控制信号，以调节所述供电模块的供电电压。
在本说明书一些实施例中，在所述调整信号为所述第一调整量时，可以将所述脉宽控制信号的占空比减小一个所述第一调整量对应的步长；在所述调整信号为所述第二调整量时，将所述脉宽控制信号的占空比增大所述一个所述第二调整量对应的步长。
通过以上激光发射控制电路、激光雷达及激光器温漂控制方法示出了在激光发射过程中的温漂控制方案，以提高激光器输出能量的稳定性，提高激光探测效率。可以理解的是，本说明书保护范围并不限于以上具体电路结构，实际可以通过模拟电路、数字电路以及控制器或软件相结合的方式等多种方式实现。
虽然本发明实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (17)

1.一种激光发射控制电路，与储能模块及激光器耦接，其特征在于，所述激光发射控制电路包括：
供电模块，与所述储能模块耦接，为所述储能模块充电；
驱动模块，与所述激光器耦接，适于基于触发信号，导通包括所述储能模块及激光器的放电通路，使得所述储能模块放电，以使所述激光器发光；
输出能量检测模块，适于检测所述储能模块第一端的输出能量，得到输出能量检测信号；
调节控制模块，适于将所述输出能量检测信号与参考区间进行比较，确定所述输出能量检测信号的调整信号，基于所述调整信号输出相应的脉宽控制信号，以调节所述供电模块的供电电压。
2.根据权利要求1所述的激光发射控制电路，其特征在于，所述输出能量检测模块包括：
第一采样单元，适于检测所述储能模块放电和充电过程中所述放电通路的电压信号；
第一比较单元，适于将所述第一采样单元检测得到的电压信号与预设的电压阈值进行比较，得到能量脉宽模拟信号；
时数转换单元，适于将所述能量脉宽模拟信号进行量化，得到能量脉宽数字信号。
3.根据权利要求2所述的激光发射控制电路，其特征在于，所述第一采样单元包括串联在所述储能模块第一端与地之间的隔直电容和第一电阻，并通过第一分压采样端与所述第一比较单元的第一输入端耦接，所述第一分压采样端设置于所述隔直电容和所述第一电阻之间。
4.根据权利要求2所述的激光发射控制电路，其特征在于，所述调节控制模块包括：
参考值存储单元，适于存储输出能量检测信号参考区间；
第二比较单元，适于将所述输出能量检测信号与所述参考区间进行比较，基于比较结果得到脉宽控制信号的调整信号；
脉宽控制信号生成单元，适于根据所述第二比较单元输出的调整信号生成所述脉宽控制信号，输出至所述供电模块，以调节所述供电模块的供电电压。
5.根据权利要求4所述的激光发射控制电路，其特征在于，所述参考值存储单元，适于存储与多个参考温度分别对应的输出能量脉宽数字信号参考区间；
所述调节控制模块还包括：温度检测单元，适于检测当前温度；
所述第二比较单元，适于将所述输出能量检测信号与当前温度相对应的参考区间进行比较，基于比较结果得到所述调整信号。
6.根据权利要求4所述的激光发射控制电路，其特征在于，所述第二比较单元，适于在检测得到的能量脉宽数字信号大于所述参考区间的上限时，输出所述调整信号为预设第一调整量；以及在检测得到的能量脉宽数字信号小于所述参考区间的下限时，输出所述调整信号为预设第二调整量，其中，所述第一调整量为负值，所述第二调整量为正值；
所述脉宽控制信号生成单元，适于在所述调整信号为所述第一调整量时，将所述脉宽控制信号的占空比减小一个所述第一调整量对应的步长；在所述调整信号为所述第二调整量时，将所述脉宽控制信号的占空比增大所述一个所述第二调整量对应的步长。
7.根据权利要求1-6任一项所述的激光发射控制电路，其特征在于，所述供电模块包括：升压电路单元、第二采样单元、参考电压生成单元、误差放大器和调制单元，其中：
所述升压电路单元，适于对输入电压进行升压处理并输出供电电压；
所述第二采样单元，其耦接于所述升压电路单元的输出端与地之间，并通过第二分压采样端与所述误差放大器的第二输入端耦接；
所述参考电压生成单元，适于根据所述调节控制模块输出的脉宽控制信号和带隙基准电压，生成参考电压；
所述误差放大器，其第一输入端适于输入所述参考电压，其第二输入端适于输入所述第二分压采样端的电压信号，适于基于所述参考电压与所述第二分压采样端的电压信号之间的差值进行信号放大，得到误差放大信号；
调制单元，适于基于所述误差放大信号，产生调制信号，以调制所述升压电路单元输出的供电电压。
8.根据权利要求7所述的激光发射控制电路，其特征在于，所述第二采样单元包括：
串联于所述供电模块的输出端与地之间的第二电阻和第三电阻，所述第二分压采样端设置于所述第二电阻和所述第三电阻之间。
9.根据权利要求2所述的激光发射控制电路，其特征在于，还包括：上电开关模块，耦接于所述供电模块和所述输出能量检测模块之间，适于响应于供电使能信号，导通所述供电模块与所述储能模块，形成充电通路。
10.根据权利要求9所述的激光发射控制电路，其特征在于，所述上电开关模块包括：
第一开关，其第一端与所述供电模块的输出端耦接，其第二端与所述储能模块第一端耦接；
第四电阻，其耦接于所述第一开关的第一端和控制端之间；
电流源，耦接于所述第一开关的控制端和地之间。
11.一种激光雷达，其特征在于，包括：
激光发射电路，包括：激光器及与其耦接的储能模块；
权利要求1-10任一项所述的激光发射控制电路，包括：供电模块、驱动模块、输出能量检测模块和调节控制模块；
控制器，与所述激光器发射控制电路耦接，适于基于预设的发射控制参数，向所述供电模块输出控制信号，以控制所述激光器发光。
12.根据权利要求11所述的激光雷达，其特征在于，所述控制器还适于向所述输出能量检测模块输出电压阈值数字信号，以设置所述输出能量检测模块中的第一比较单元的电压阈值。
13.一种激光器温漂控制方法，其中，所述激光器与储能模块耦接，并由控制器按照预设的发射控制参数，向与其耦接的激光发射控制电路输出触发信号，以驱动所述激光器发光，所述激光发射控制电路包括供电模块和驱动模块，其特征在于，所述温漂控制方法包括：
检测所述储能模块第一端的输出能量，得到输出能量检测信号；
将所述输出能量检测信号与参考区间进行比较，确定所述输出能量检测信号的调整信号；
基于所述调整信号输出相应的脉宽控制信号，以调节所述供电模块的供电电压。
14.根据权利要求13所述的激光器温漂控制方法，其特征在于，所述检测所述储能模块第一端的输出能量，得到输出能量检测信号，包括：
检测所述储能模块放电和充电过程中所述放电通路的电压信号；
将所述检测得到的所述放电通路的电压信号与预设的电压阈值进行比较，得到能量脉宽模拟信号；
将所述能量脉宽模拟信号进行量化，得到能量脉宽数字信号。
15.根据权利要求14所述的激光器温漂控制方法，其特征在于，所述将所述输出能量检测信号与参考区间进行比较，确定所述输出能量检测信号的调整信号，包括：
将所述输出脉宽数字信号与当前温度相对应的参考区间进行比较，基于比较结果得到所述调整信号。
16.根据权利要求15所述的激光器温漂控制方法，其特征在于，所述将所述输出能量脉宽数字信号与参考区间进行比较，基于比较结果得到脉宽调制信号的调整信号，包括：
在检测得到的能量脉宽数字信号大于所述参考区间的上限时，输出所述调整信号为预设第一调整量；
在检测得到的能量脉宽数字信号小于所述参考区间的下限时，输出所述调整信号为预设第二调整量，其中，所述第一调整量为负值，所述第二调整量为正值。
17.根据权利要求16所述的激光器温漂控制方法，其特征在于，所述基于所述调整信号输出相应的脉宽控制信号，以调节所述供电模块的供电电压，包括：
在所述调整信号为所述第一调整量时，将所述脉宽控制信号的占空比减小一个所述第一调整量对应的步长；
在所述调整信号为所述第二调整量时，将所述脉宽控制信号的占空比增大所述一个所述第二调整量对应的步长。
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CN116499717A (zh) * 2023-06-27 2023-07-28 成都沃达惠康科技股份有限公司 一种基于激光晶体的测试系统
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