CN109870703A - 一种激光脉冲能量调节装置、方法及多能级脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测距领域，尤其涉及一种激光脉冲能量调节装置、方法及多能级脉冲激光器，调节装置包括激光脉冲发射控制模块、激光脉冲发射模块、回波信号接收模块及回波信号处理模块；激光脉冲发射控制模块控制激光脉冲发射模块能够发射出具有多级能量的激光脉冲；回波信号处理模块用于对接收到的前一次发射脉冲激光的回波信号进行信息处理，并将处理信息发送给激光脉冲发射控制模块；并对后一次发射脉冲激光的回波信号进行计时处理；针对同一目标位置，激光脉冲发射控制模块根据处理信息调节激光脉冲发射模块发射后一次脉冲激光能量，使得后一次回波信号强度在可测范围内。实现激光雷达大动态范围的测量，不存在群延迟现象，调节速度快。

Description

一种激光脉冲能量调节装置、方法及多能级脉冲激光器

技术领域

本发明属于激光测距领域，尤其涉及一种激光脉冲能量调节装置及方法。

背景技术

近年来，激光雷达以其高精度、体积小、测距远、抗干扰能力强等优点已广泛应用于海洋探测、森林资源监测、地形测绘、机器人以及无人机等领域，更是成为自动驾驶中不可缺少的传感器之一。激光雷达是通过计算发射激光的时刻与接收到回波散射光时刻的时间差来实现其测距功能。在目前的激光雷达系统中，主要采用激光脉冲测距的方法实现距离测量，即通过发射窄脉宽、高峰值功率的激光脉冲，然后通过雪崩光电二极管探测器(AvalanchePhotoDiode，APD)将接收的回波光信号转为电信号，再经信号处理系统对该电信号进行处理，实现测距功能。

由于自然界中不同类型的物体所特有的电磁性质不同，因此它们对入射光的吸收和反射强度也不同。即当一定强度的激光脉冲打到不同的目标物体上，其反射光的强度是不相同的，通常反射光的强度用反射率表示。对于脉冲测距激光雷达而言，同一脉冲激光能量，同一距离下，目标物体的反射率不同，回波能量会不同；同一反射率，不同距离下，由于光路损耗，回波能量也会不同。回波能量过强会使APD转化成的回波电信号饱和，回波能量过小会使有用电信号淹没在噪声中。回波饱和或噪声过大均会导致计时处理不准确，即影响激光测距的准确性，无法实现大动态范围的测量。

针对上述问题，目前主要的处理方式是自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)，即在激光雷达系统接收端通过控制后级运放的放大增益来调节回波信号的强弱。但是由于AGC方案后级电路复杂，在不同增益的情况下会存在不同的群延时，影响计时精度，同时其调节速度也很难满足需要。

发明内容

为了实现激光雷达大动态范围的测量，本发明提供一种激光脉冲能量调节装置及方法，在激光雷达系统发射端进行实施，通过匹配激光器发射电路的多级放电电阻或储能电容的方式，获得驱动激光器的不同电流值，即得到具有不同能量即多能级的激光脉冲，通过两次发射激光脉冲，使第二次回波信号强度保持在可测范围，即高信噪比、非饱和范围内，实现大的动态范围的测量，且接收部分不需要复杂自动增益电路，整体结构简单，不存在群延迟现象。

本发明的技术解决方案是提供一种激光脉冲能量调节装置，其特殊之处在于：包括激光脉冲发射控制模块、激光脉冲发射模块、回波信号接收模块及回波信号处理模块；

上述激光脉冲发射控制模块控制激光脉冲发射模块能够发射出具有多级能量的激光脉冲；通过调节驱动脉冲能量驱动激光器发射模块发射出具有不同能量即多能级的激光脉冲；

上述激光脉冲发射模块用于对发出的脉冲激光进行光束整形后发射至目标物体；

上述回波信号接收模块用于将目标物体反射的回波光信号转化为回波电信号并放大，并将放大的回波电信号传给回波信号处理模块；

上述回波信号处理模块用于对接收到的前一次发射脉冲激光的回波信号进行信息处理，并将处理信息发送给激光脉冲发射控制模块；并对后一次发射脉冲激光的回波信号进行计时处理；

针对同一目标位置，激光脉冲发射控制模块根据处理信息调节激光脉冲发射模块发射后一次脉冲激光能量，使得后一次回波信号强度在可测范围内。在同一位置，激光脉冲发射控制模块控制激光脉冲发射模块进行两次激光脉冲发射，第二次激光脉冲根据第一次发射脉冲的回波信号处理信息进行能量调节后再发射，第二次发射的激光脉冲能量使反射回的第二次回波信号强度在可测范围，即高信噪比、非饱和范围内。

进一步地，上述激光脉冲发射模块包括脉冲激光器及脉冲激光准直系统。

进一步地，上述脉冲激光器包括激光器供电电源、激光器及驱动激光器的储能电容；

驱动激光器的储能电容与激光器供电电源及激光器的负极连接；

上述激光脉冲发射控制模块包括N级阻值不同的放电电阻，N级放电电阻与激光器相连，并分别与N级控制开关连接，其中N大于等于1。

进一步地，上述激光脉冲发射控制模块有多种形式，如：

上述N级阻值不同的放电电阻相互并联，其一端均与激光器串联，另一端分别与各控制开关连接；

或，上述激光脉冲发射控制模块还包括主路电阻R0，上述N级阻值不同的放电电阻及激光器相互并联，主路电阻R0一端与激光器供电电源连接，另一端与N级阻值不同的放电电阻的一端及激光器负极连接；N级阻值不同的放电电阻的另一端分别与各控制开关连接；

或，上述激光脉冲发射控制模块还包括并联在激光器两端的电阻R；上述N级阻值不同的放电电阻相互并联，其一端均与激光器串联，另一端分别与各控制开关连接；

或，上述激光脉冲发射控制模块还包括与激光器串联的主控开关SW0；上述N级阻值不同的放电电阻相互串联后与激光器串联，每级放电电阻的两端分别与一个放电控制开关连接。

进一步地，上述脉冲激光器包括激光器供电电源、激光器及驱动激光器的放电电阻；

驱动激光器的放电电阻一端与激光器连接；

上述激光脉冲发射控制模块包括N个并联的容值不同的储能电容，N个储能电容的一端与激光器供电电源及激光器负极连接，另一端分别与N个控制开关连接，其中N大于等于1。

激光脉冲能级数目由多级放电电阻或储能电容的排列组合获得，例如采用N级放电电阻即采用N个阻值不同的放电电阻进行排列组合可产生2^N-1个驱动电阻的阻值，即产生2^N-1个不同的激光器驱动电流，可调节激光器发射出具有2^N-1个能级的激光脉冲，满足大范围不同距离不同反射率的测距要求，即可满足当探测不同距离不同反射率的目标物体时可调节激光脉冲能量到合适能量值的要求。

进一步地，上述回波信号接收模块包括依次设置的接收透镜、滤光片、光电探测器及多级放大电路。回波信号接收模块将目标物体反射的回波光信号经接收镜头汇聚到光电探测器上转化为回波电信号，再经多级放大电路对该信号进行放大，并将放大的回波数字信号传给回波信号处理模块。光电探测器主要包括雪崩光电二极管(AvalanchePhotonDiode，简称APD)或单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，简称SPAD)、硅光电倍增管(MPPC)和PIN光电二极管。

进一步地，上述接收透镜为聚焦透镜，若有接收大视场散射回波信号的需求可采用广角透镜，广角透镜包括柱面镜，浸没透镜，复合抛物面聚光镜等接收透镜。

进一步地，上述回波信号处理模块采用ADC模数转换器或TDC时间数字转换器对回波信号进行处理通过对接收到的第一个发射脉冲的回波信号进行信息处理，并将处理信息发送给激光脉冲发射控制模块，用于调节驱动激光脉冲能量并发射第二次激光脉冲。并对第二次回波信号进行计时处理，实现大范围动态测量的精准计时。

本发明还提供一种基于上述的激光脉冲能量调节装置调节激光脉冲能量的方法，包括以下步骤：

S1、激光脉冲发射控制模块控制激光脉冲发射模块发射激光脉冲，该脉冲激光进行光束整形后发射至目标物体；

S2、回波信号接收模块将目标物体反射的回波光信号转化为回波电信号并放大，并将放大的回波电信号传给回波信号处理模块；

S3、回波信号处理模块将接收到的回波信号进行信息处理，并将处理信息发送给激光脉冲发射控制模块；

S4、激光脉冲发射控制模块根据处理信息调节激光脉冲发射模块针对同一目标位置再次发射脉冲激光，使得后一次发射的脉冲激光回波信号强度在可测范围内；

S5、再次发射的激光脉冲经回波信号接收模块处理后传给回波信号处理模块，回波信号处理模块对后一次发射脉冲激光的回波信号进行计时处理，实现大动态范围测量。

进一步地，步骤S3具体为：回波信号处理模块基于回波波形特征(比如上升沿斜率、下降沿斜率、幅值等)提取回波强度，并建立当前回波强度与后一次发射脉冲激光能量的对应关系，后通过此对应关系，得到后一次发射的脉冲激光能量信息；

步骤S4具体为：激光脉冲发射控制模块根据后一次发射的脉冲激光能量信息调节控制多级电阻或电容进行组合的开关，产生驱动激光器的多级电流；驱动激光器针对同一目标位置再次发射脉冲激光。

进一步地，激光脉冲发射控制模块控制发射模块在同一位置，发射两次激光脉冲，第二次激光脉冲根据第一次发射脉冲的回波信号处理信息进行能量调节后再发射。第一次激光脉冲和第二次激光脉冲的发射时间间隔为T，其中T大于第一次发射激光脉冲的时刻和接收到目标物体反射的激光脉冲回波信号的时刻之间的时间间隔。

本发明还提供一种多能级脉冲激光器，其特殊之处在于：包括激光器供电电源、激光器、驱动激光器的储能电容及激光脉冲发射控制模块；

驱动激光器的储能电容与激光器供电电源及激光器的负极连接；

上述激光脉冲发射控制模块包括N级阻值不同的放电电阻，N级放电电阻与激光器连接，并分别与N级控制开关连接，其中N大于等于1。采用N级放电电阻的方式，可控制激光脉冲发射模块使激光器产生具有2^N-1个不同能量的激光脉冲用于发射脉冲能量调节。

进一步地，上述N级阻值不同的放电电阻相互并联，其一端均与激光器串联，另一端分别与各控制开关连接；

或，上述激光脉冲发射控制模块还包括主路电阻R0，上述N级阻值不同的放电电阻及激光器相互并联，主路电阻R0一端与激光器供电电源连接，另一端与N级阻值不同的放电电阻的一端及激光器负极连接；N级阻值不同的放电电阻的另一端分别与各控制开关连接；

或，上述激光脉冲发射控制模块还包括并联在激光器两端的电阻R；上述N级阻值不同的放电电阻相互并联，其一端均与激光器串联，另一端分别与各控制开关连接；

或，上述激光脉冲发射控制模块还包括与激光器串联的主控开关SW0；上述N级阻值不同的放电电阻相互串联后与激光器串联，每级放电电阻的两端分别与一个放电控制开关连接。

本发明还提供另一种多能级脉冲激光器，其特殊之处在于：包括激光器供电电源、激光器、驱动激光器的放电电阻及激光脉冲发射控制模块；

驱动激光器的放电电阻与激光器一端连接；

上述激光脉冲发射控制模块包括N个并联的容值不同的储能电容，N个储能电容的一端与激光器供电电源及激光器负极连接，另一端分别与N个控制开关连接，其中N大于等于1。采用N级储能电容的方式，可控制激光脉冲发射模块使激光器产生具有2^N-1个不同能量的激光脉冲用于发射脉冲能量调节。本

发明的有益效果是：

1、相较于在激光雷达接收端用自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)来解决激光雷达实现大动态测量范围的方法，本发明提出一种激光脉冲能量调节方法及其装置，该方法及装置在激光雷达系统发射端进行实施，接收部分不需要复杂自动增益电路，整体结构简单，不存在群延迟现象，同时调节发射脉冲能量不会对硬件本身的底噪进行放大，对大动态远范围进行距离测量可实现高的测距精度。

2、本发明在激光雷达系统发射端即激光脉冲发射控制模块采用N级放电电阻或N级储能电容的方式，通过多级放电电阻或储能电容的排列组合，可控制激光脉冲发射模块使激光器产生具有2^N-1个不同能量的激光脉冲用于发射脉冲能量调节，其中N大于等于1，能够满足大范围不同距离不同反射率的测距要求，即可满足当探测不同距离不同反射率的目标物体时可调节激光脉冲能量到合适能量值的要求。本发明采用的激光发射脉冲多级能量调节方法相比与AGC方案的调节方法控制电路简单，不存在群延迟现象。

3、本发明回波信号处理模块基于回波波形特征(比如上升沿下降沿斜率、幅值等)提取回波强度信息，并建立当前回波强度与下次发射能量的对应关系。激光脉冲发射控制模块根据该对应关系得到下次发射脉冲的能量信息控制激光脉冲发射模块发射后一次合适能量的激光脉冲，与AGC方案相比该方法调节速度快，能够满足高帧率，高精度的大动态远范围的距离测量。

附图说明

图1为实施例一中多能级脉冲激光器电路原理图；

图中：1-激光器供电电源，2-激光器，C为驱动激光器的储能电容，R1、R2、R3、……、Rn为具有不同阻值的放电电阻，SW1、SW2、SW3、……、SWn为激光器放电控制开关。

图2为实施例一、二、三、四、五中激光脉冲能量调节装置系统框图；

图3为实施例一中两次脉冲激光发射时间及功率曲线图；

图中：L1为第一次发射的脉冲激光，L2为第二次发射的脉冲激光，Pt1为第一次即T1时刻激光脉冲发射功率，Pt2为第二次即T2时刻激光脉冲发射功率，Pt1的功率大于Pt2的功率，T2与T1之间的时间间隔为T。

图4为实施例一中两次脉冲激光发射时间及回波幅值曲线图；

图中：R1对应第一次脉冲激光的回波信号，R2对应第二次脉冲激光的回波信号，Pr1对应第一次脉冲激光的回波幅值，Pr2对应第二次脉冲激光的回波幅值，P0为回波饱和幅值，P3为噪声幅值。

图5为实施例二中多能级脉冲激光器电路原理图；

图中：1-激光器供电电压，2-激光器，R为驱动激光器的放电电阻，C1、C2、C3、……、Cn为具有不同容值的储能电容，SW0为主控开关，SW1、SW2、SW3、……、SWn为激光器放电控制开关。

图6为实施例三中多能级脉冲激光器电路原理图；

图中：1-激光器供电电压，2-激光器，C为驱动激光器的储能电容，R0为主路电阻，R1、R2、R3、……、Rn为具有不同阻值的放电电阻，SW1、SW2、SW3、……、SWn为激光器放电控制开关。

图7为实施例四中多能级脉冲激光器电路原理图；

图中：1-激光器供电电压，2-激光器，C为驱动激光器的储能电容，R、R1、R2、R3、……、Rn为具有不同阻值的放电电阻，SW1、SW2、SW3、……、SWn为激光器放电控制开关。

图8为实施例五中多能级脉冲激光器电路原理图；

图中：1-激光器供电电压，2-激光器，C为驱动激光器的储能电容，R1、R2、R3、……、Rn为具有不同阻值的放电电阻，SW0为主控开关，SW1、SW2、SW3、……、SWn为激光器放电控制开关。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

实施例一

如图1所示，本实施例多能级脉冲激光器，包括激光器供电电源1、激光器2、驱动激光器的储能电容C及激光脉冲发射控制模块；驱动激光器的储能电容C与激光器供电电源1及激光器2的负极连接，同时激光器2与激光脉冲发射控制模块连接；本实施例中激光脉冲发射控制模块包括N级并联的阻值不同的放电电阻，N级放电电阻一端均与激光器串联，另一端分别与N级放电控制开关连接。

在激光脉冲发射电路中使驱动激光器的储能电容C一定，采用多级放电电阻的方式，产生驱动激光器的多级驱动脉冲。例如采用N级放电电阻即采用N个阻值不同的放电电阻进行排列组合可产生2^N-1个驱动电阻的阻值，即产生2^N-1个不同的激光器驱动电流，可调节激光器发射出具有不同能量即多能级的激光脉冲，可调节的激光脉冲能级能够满足大范围不同距离不同反射率的测距要求。

如图2所示，本实施例激光脉冲能量调节装置，主要包括激光脉冲发射模块、激光脉冲发射控制模块、回波信号接收模块及回波信号处理模块。

激光脉冲发射模块包括脉冲激光器及脉冲激光准直系统，本实施例采用窄脉冲高功率激光器发射脉冲激光，通过光学准直系统对出射激光脉冲进行准直。

该激光脉冲发射控制模块包括N级并联的阻值不同的放电电阻，N级放电电阻一端均与激光器串联，另一端分别与N级控制开关连接。通过匹配多级放电电阻，产生驱动激光器的多级能量的驱动脉冲，通过调节驱动脉冲能量驱动激光器发射出具有不同能量即多能级的激光脉冲。

回波信号接收模块包括依次设置的接收透镜、滤光片、光电探测器及多级放大电路，通过接收透镜将目标物体反射的回波光信号汇聚到光电探测器上，光电探测器将回波光信号转换成电信号，后级放大电路对该电信号进行放大。接收透镜为聚焦透镜，若有接收大视场散射回波信号的需求可采用广角透镜，广角透镜包括柱面镜，浸没透镜，复合抛物面聚光镜等接收透镜。光电探测器主要包括雪崩光电二极管(Avalanche PhotonDiode，简称APD)或单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，简称SPAD)、硅光电倍增管(MPPC)或PIN光电二极管。

回波信号处理模块通过ADC数据采集或TDC的方法对回波信号进行处理，并将回波处理信息发送给激光脉冲发射控制模块，激光脉冲发射控制模块驱动激光器，实现同一位置，两次发射脉冲激光，第二次脉冲激光根据第一次脉冲激光的回波处理信息进行能量调节后再发射，第二次激光脉冲使回波信号幅值在可测范围即高信噪比、非饱和范围内。回波信号处理模块之后对第二次激光脉冲回波信号进行处理实现精确计时，测得该位置目标物体的距离。

如图3、图4所示，激光脉冲发射控制模块控制激光脉冲发射模块，在同一位置进行两次激光脉冲发射。第一次即在T1时刻发射功率为Pt1的脉冲激光L1，接收第一次发射脉冲的回波信号后对激光脉冲能量进行调节，在第二次即T2时刻发射调节到功率为Pt2的激光脉冲L2，T2与T1之间的时间间隔为T，T大于第一次发射激光脉冲的时刻和接收到目标物体反射的激光脉冲回波信号时刻之间的时间间隔。发射激光脉冲经目标物体反射后，回波信号接收模块对回波信号进行接收，R1为第一次激光发射的回波信号，其回波幅值为Pr1，Pr1大于回波饱和幅值P0或在可测范围即高信噪比、非饱和范围内。信号处理模块对回波信号R1进行处理，具体处理过程如下：首先信号处理模块基于回波波形特征(比如上升沿下降沿斜率、幅值等)提取回波强度，并建立当前回波强度与下次发射能量的对应关系，然后通过此对应关系确定下次发射脉冲的能量。将处理信息发送给激光脉冲发射控制模块对驱动激光脉冲能量进行调节，控制激光脉冲发射模块发射激光脉冲L2，激光脉冲L2使第二次回波信号R2的幅值为Pr2，其中Pr2小于饱和幅值P0，大于噪声幅值P3，且在可测范围即高信噪比、非饱和范围内。

实施例二

如图5所示，本实施例多能级脉冲激光器包括激光器供电电源1、激光器2、驱动激光器的放电电阻R及激光脉冲发射控制模块；驱动激光器的放电电阻R与激光器连接，激光脉冲发射控制模块的一端与激光器负极及激光器供电电源1连接，另一端接地。本实施例激光脉冲发射控制模块包括N个并联的容值不同的储能电容，N个储能电容的一端与激光器供电电源及激光器连接，另一端分别与N个控制开关连接；还包括一个主控开关SW0，与激光器连接，用于控制通过激光器的电流通断。

在激光脉冲发射电路中使激光器放电电阻一定，采用多级储能电容的方式，产生驱动激光器的多级驱动脉冲。例如采用N级储能电容即采用N个容值不同的储能电容进行排列组合可产生2^N-1个容值，即产生2^N-1个不同的激光器驱动电流，可调节激光器发射出具有不同能量即多能级的激光脉冲，可调节的激光脉冲能级能够满足大范围不同距离不同反射率的测距要求。

如图2所示，本实施例激光脉冲能量调节装置，主要包括激光脉冲发射模块、激光脉冲发射控制模块、回波信号接收模块及回波信号处理模块。

激光脉冲发射模块、回波信号接收模块及回波信号处理模块与实施例一相同。

本实施例激光脉冲发射控制模块包括一个主控开关SW0，与激光器连接，用于控制通过激光器的电流通断；还包括N个并联的容值不同的储能电容，N个储能电容的一端与激光器供电电源及激光器负极连接，另一端分别与N个控制开关连接。通过匹配多级储能电容，产生驱动激光器的多级能量的驱动脉冲，通过调节驱动脉冲能量驱动激光器发射出具有不同能量即多能级的激光脉冲。

该激光脉冲发射控制模块控制激光发射电路驱动激光器，实现同一位置，两次发射激光脉冲，第二次激光脉冲根据第一次激光脉冲的回波处理信息进行能量调节后再发射，第二次激光脉冲使回波信号幅值在可测范围即高信噪比、非饱和范围内。

实施例三

如图6所示，本实施例多能级脉冲激光器，包括激光器供电电源1、激光器2、驱动激光器的储能电容C及激光脉冲发射控制模块；驱动激光器的储能电容C与激光器供电电源1及激光器2的负极连接，同时激光器2与激光脉冲发射控制模块连接；本实施例中激光脉冲发射控制模块包括主路电阻R0；N级并联的阻值不同的放电电阻，N级放电电阻一端均与激光器并联，另一端分别与N级放电控制开关连接。

在激光脉冲发射电路中使驱动激光器的储能电容C一定，采用多级放电电阻的方式，产生驱动激光器的多级驱动脉冲。例如采用N级放电电阻即采用N个阻值不同的放电电阻进行排列组合可产生2^N-1个驱动电阻的阻值，即产生2^N-1个不同的激光器驱动电流，可调节激光器发射出具有不同能量即多能级的激光脉冲，可调节的激光脉冲能级能够满足大范围不同距离不同反射率的测距要求。

如图2所示，本实施例激光脉冲能量调节装置，主要包括激光脉冲发射模块、激光脉冲发射控制模块、回波信号接收模块及回波信号处理模块。

激光脉冲发射模块、回波信号接收模块及回波信号处理模块与实施例一相同。

该激光脉冲发射控制模块包括主路电阻R0；N级并联的阻值不同的放电电阻，N级放电电阻一端均与激光器并联，另一端分别与N级控制开关连接。通过匹配多级放电电阻，产生驱动激光器的多级能量的驱动脉冲，通过调节驱动脉冲能量驱动激光器发射出具有不同能量即多能级的激光脉冲。

激光脉冲发射控制模块控制激光发射电路驱动激光器，实现同一位置，两次发射激光脉冲，第二次激光脉冲根据第一次激光脉冲的回波处理信息进行能量调节后再发射，第二次激光脉冲使回波信号幅值在可测范围即高信噪比、非饱和范围内。

实施例四

如图7所示，本实施例多能级脉冲激光器，包括激光器供电电源1、激光器2、驱动激光器的储能电容C及激光脉冲发射控制模块；驱动激光器的储能电容C与激光器供电电源1及激光器2的负极连接，同时激光器2与激光脉冲发射控制模块连接；本实施例中激光脉冲发射控制模块包括N级并联的阻值不同的放电电阻，N级放电电阻一端均与激光器串联，另一端分别与N级放电控制开关连接；另有电阻R与激光器并联。

在激光脉冲发射电路中使驱动激光器的储能电容C一定，采用多级放电电阻的方式，产生驱动激光器的多级驱动脉冲。例如采用N级放电电阻即采用N个阻值不同的放电电阻进行排列组合可产生2^N-1个驱动电阻的阻值，即产生2^N-1个不同的激光器驱动电流，可调节激光器发射出具有不同能量即多能级的激光脉冲，可调节的激光脉冲能级能够满足大范围不同距离不同反射率的测距要求。

如图2所示，本实施例激光脉冲能量调节装置，主要包括激光脉冲发射模块、激光脉冲发射控制模块、回波信号接收模块及回波信号处理模块。

激光脉冲发射模块、回波信号接收模块及回波信号处理模块与实施例一相同。

该激光脉冲发射控制模块包括N级并联的阻值不同的放电电阻，N级放电电阻一端均与激光器并联，另一端分别与N级控制开关连接，另有电阻R与激光器并联。通过匹配多级放电电阻，产生驱动激光器的多级能量的驱动脉冲，通过调节驱动脉冲能量驱动激光器发射出具有不同能量即多能级的激光脉冲。

激光脉冲发射控制模块控制激光发射电路驱动激光器，实现同一位置，两次发射激光脉冲，第二次激光脉冲根据第一次激光脉冲的回波处理信息进行能量调节后再发射，第二次激光脉冲使回波信号幅值在可测范围即高信噪比、非饱和范围内。

实施例五

如图8所示，本实施例多能级脉冲激光器，包括激光器供电电源1、激光器2、驱动激光器的储能电容C及激光脉冲发射控制模块；驱动激光器的储能电容C与激光器供电电源1及激光器2的负极连接，同时激光器2与激光脉冲发射控制模块连接；本实施例中激光脉冲发射控制模块包括N级串联的阻值不同的放电电阻，N级放电电阻末端与激光器串联，每级放电电阻两端分别与一个放电控制开关连接；还包括一个主控开关SW0，与激光器连接，用于控制通过激光器的电流通断。

在激光脉冲发射电路中使驱动激光器的储能电容C一定，采用多级放电电阻的方式，产生驱动激光器的多级驱动脉冲。例如采用N级放电电阻即采用N个阻值不同的放电电阻进行排列组合可产生2^N-1个驱动电阻的阻值，即产生2^N-1个不同的激光器驱动电流，可调节激光器发射出具有不同能量即多能级的激光脉冲，可调节的激光脉冲能级能够满足大范围不同距离不同反射率的测距要求。

如图2所示，本实施例激光脉冲能量调节装置，主要包括激光脉冲发射模块、激光脉冲发射控制模块、回波信号接收模块及回波信号处理模块。

激光脉冲发射模块、回波信号接收模块及回波信号处理模块与实施例一相同。

该激光脉冲发射控制模块包括一个主控开关SW0，与激光器连接，用于控制通过激光器的电流通断；N级串联的阻值不同的放电电阻，N级放电电阻末端与激光器串联，N级放电电阻两端分别与N级放电控制开关连接。通过匹配多级放电电阻，产生驱动激光器的多级能量的驱动脉冲，通过调节驱动脉冲能量驱动激光器发射出具有不同能量即多能级的激光脉冲。

激光脉冲发射控制模块控制激光发射电路驱动激光器，实现同一位置，两次发射激光脉冲，第二次激光脉冲根据第一次激光脉冲的回波处理信息进行能量调节后再发射，第二次激光脉冲使回波信号幅值在可测范围即高信噪比、非饱和范围内。

Claims (14)

1.一种激光脉冲能量调节装置，其特征在于：包括激光脉冲发射控制模块、激光脉冲发射模块、回波信号接收模块及回波信号处理模块；

所述激光脉冲发射控制模块控制激光脉冲发射模块能够发射出具有多级能量的激光脉冲；

所述激光脉冲发射模块用于对发出的脉冲激光进行光束整形后发射至目标物体；

所述回波信号接收模块用于将目标物体反射的回波光信号转化为回波电信号并放大，并将放大的回波电信号传给回波信号处理模块；

所述回波信号处理模块用于对接收到的前一次发射脉冲激光的回波信号进行信息处理，并将处理信息发送给激光脉冲发射控制模块；并对后一次发射脉冲激光的回波信号进行计时处理；

针对同一目标位置，激光脉冲发射控制模块根据处理信息调节激光脉冲发射模块发射后一次脉冲激光能量，使得后一次回波信号强度在可测范围内。

2.根据权利要求1所述的激光脉冲能量调节装置，其特征在于：所述激光脉冲发射模块包括脉冲激光器及脉冲激光准直系统。

3.根据权利要求2所述的激光脉冲能量调节装置，其特征在于：所述脉冲激光器包括激光器供电电源、激光器及驱动激光器的储能电容；

驱动激光器的储能电容与激光器供电电源及激光器的负极连接；

所述激光脉冲发射控制模块包括N级阻值不同的放电电阻，N级阻值不同的放电电阻与激光器连接，并分别与N级控制开关连接，其中N大于等于1。

4.根据权利要求3所述的激光脉冲能量调节装置，其特征在于：所述N级阻值不同的放电电阻相互并联，其一端均与激光器串联，另一端分别与各控制开关连接；

或，所述激光脉冲发射控制模块还包括主路电阻R0，所述N级阻值不同的放电电阻及激光器相互并联，主路电阻R0一端与激光器供电电源连接，另一端与N级阻值不同的放电电阻的一端及激光器负极连接；N级阻值不同的放电电阻的另一端分别与各控制开关连接；

或，所述激光脉冲发射控制模块还包括并联在激光器两端的电阻R；所述N级阻值不同的放电电阻相互并联，其一端均与激光器串联，另一端分别与各控制开关连接；

或，所述激光脉冲发射控制模块还包括与激光器串联的主控开关SW0；所述N级阻值不同的放电电阻相互串联后与激光器串联，每级放电电阻的两端分别与一个放电控制开关连接。

5.根据权利要求2所述的激光脉冲能量调节装置，其特征在于：所述脉冲激光器包括激光器供电电源、激光器及驱动激光器的放电电阻；

驱动激光器的放电电阻一端与激光器连接；

所述激光脉冲发射控制模块包括N个并联的容值不同的储能电容，N个储能电容的一端与激光器供电电源及激光器负极连接，另一端分别与N个控制开关连接，其中N大于等于1。

6.根据权利要求1所述的激光脉冲能量调节装置，其特征在于：所述回波信号接收模块包括依次设置的接收透镜、滤光片、光电探测器及多级放大电路。

7.根据权利要求6所述的激光脉冲能量调节装置，其特征在于：所述接收透镜为聚焦透镜或广角透镜；光电探测器为雪崩光电二极管、单光子雪崩二极管、硅光电倍增管或PIN光电二极管。

8.根据权利要求1所述的激光脉冲能量调节装置，其特征在于：所述回波信号处理模块采用模数转换器或时间数字转换器。

9.一种基于权利要求1所述的激光脉冲能量调节装置调节激光脉冲能量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、激光脉冲发射控制模块控制激光脉冲发射模块发射激光脉冲，该脉冲激光进行光束整形后发射至目标物体；

S2、回波信号接收模块将目标物体反射的回波光信号转化为回波电信号并放大，并将放大的回波电信号传给回波信号处理模块；

S3、回波信号处理模块将接收到的回波信号进行信息处理，并将处理信息发送给激光脉冲发射控制模块；

S4、激光脉冲发射控制模块根据处理信息调节激光脉冲发射模块针对同一目标位置再次发射脉冲激光，使得后一次发射的脉冲激光回波信号强度在可测范围内；

S5、再次发射的激光脉冲经回波信号接收模块处理后传给回波信号处理模块，回波信号处理模块对后一次发射脉冲激光的回波信号进行计时处理，实现大动态范围测量。

10.根据权利要求9所述的调节激光脉冲能量的方法，其特征在于：

步骤S3具体为：回波信号处理模块基于回波波形特征提取回波强度，并建立当前回波强度与后一次发射脉冲激光能量的对应关系，得到后一次发射的脉冲激光能量信息；

步骤S4具体为：激光脉冲发射控制模块根据后一次发射的脉冲激光能量信息调节控制多级电阻或电容进行组合的开关，产生驱动激光器的多级电流；驱动激光器针对同一目标位置再次发射脉冲激光。

11.根据权利要求10所述的调节激光脉冲能量的方法，其特征在于：两次激光脉冲发射的时间间隔为T，其中T大于激光脉冲发射模块发射激光脉冲的时刻和回波信号接收模块接收到该激光脉冲回波信号时刻之间的时间间隔。

12.一种多能级脉冲激光器，其特征在于：包括激光器供电电源、激光器、驱动激光器的储能电容及激光脉冲发射控制模块；

驱动激光器的储能电容与激光器供电电源及激光器的负极连接；

所述激光脉冲发射控制模块包括N级阻值不同的放电电阻，N级阻值不同的放电电阻与激光器连接，并分别与N级控制开关连接，其中N大于等于1。

13.根据权利要求12所述的多能级脉冲激光器，其特征在于：所述N级阻值不同的放电电阻相互并联，其一端均与激光器串联，另一端分别与各控制开关连接；

或，所述激光脉冲发射控制模块还包括主路电阻R0，所述N级阻值不同的放电电阻及激光器相互并联，主路电阻R0一端与激光器供电电源连接，另一端与N级阻值不同的放电电阻的一端及激光器负极连接；N级阻值不同的放电电阻的另一端分别与各控制开关连接；

或，所述激光脉冲发射控制模块还包括并联在激光器两端的电阻R；

所述N级阻值不同的放电电阻相互并联，其一端均与激光器串联，另一端分别与各控制开关连接；

或，所述激光脉冲发射控制模块还包括与激光器串联的主控开关SW0；所述N级阻值不同的放电电阻相互串联后与激光器串联，每级放电电阻的两端分别与一个放电控制开关连接。

14.一种多能级脉冲激光器，其特征在于：包括激光器供电电源、激光器、驱动激光器的放电电阻及激光脉冲发射控制模块；

驱动激光器的放电电阻与激光器一端连接；

所述激光脉冲发射控制模块包括N个并联的容值不同的储能电容，N个储能电容的一端与激光器供电电源及激光器负极连接，另一端分别与N个控制开关连接，其中N大于等于1。