CN112731350A - 一种激光雷达的扫描驱动电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达的扫描驱动电路及控制方法。该扫描驱动电路包括：充电电路，包括多条充电支路，其中，每条充电支路分别包括充电开关管及储能电容；放电电路，包括激光发射器及放电开关管，其中，激光发射器集成有多路激光发射单元，每路激光发射单元的第一端连接一个对应储能电容的第一端，放电开关管的第一端连接各路激光发射单元的第二端，而其第二端接地；以及控制器，通信连接各充电开关管及放电开关管，适于根据激光雷达的扫描时序，控制放电开关管配合各充电开关管逐一进行各储能电容的充电和脉冲放电，以进行待测空间的激光扫描。

Description

一种激光雷达的扫描驱动电路及控制方法

技术领域

本发明涉及高功率脉冲技术及半导体激光器的驱动技术，尤其涉及一种激光雷达的扫描驱动电路，以及一种激光雷达的控制方法。

背景技术

在激光雷达领域，目前成熟且可实际应用的雷达系统普遍采用机械扫描式结构进行被测空间的激光扫描。这种机械扫描式的激光雷达仅需一个激光光源，通过可旋转或可移动的机械结构来调整激光光源的照射方向，以确定各空间方向上的探测目标到激光雷达的距离。然而，这种可旋转或可移动的机械结构普遍存在生产成本高、稳定性差、调试困难、维修不方便等缺陷。

为了克服机械扫描式激光雷达的上述缺陷，本领域的技术人员提出了一种基于飞时（Time of Flight，ToF）测距法的闪光（FLASH）扫描方式的构想。这种FLASH扫描方式采用多路位置固定的激光器作为光源，通过依次点亮部分激光光源的方式来依次扫描全视场范围中的各部分空间，从而实现相同的空间扫描功能。因此，这种FLASH扫描方式能够完全脱离机械结构进行空间扫描，从根本上革除了机械扫描方式的种种弊端，展现出更具潜力的应用前景。

请参考图1，图1示出了一种现有的激光二极管的驱动电路的示意图。如图1所示，现有激光二极管的驱动电路包含充电开关管11、储能电容12及放电开关管13的驱动电路。在充电过程中，充电开关管11开通而放电开关管13关断。充电电源通过充电开关管11为储能电容12充电。储能电容12上的电压随充电时间的增长而上升。在放电过程中，充电开关管11关断而放电开关管13开通。储能电容12通过放电开关管13向激光二极管14放电，以驱动激光二极管14发射激光。储能电容12上的电压随放电时间的增长而下降。

为了实现多路激光器分时独立驱动的功能，现有的FLASH扫描式激光雷达系统需要为每一路激光器单独配置一条图1所示的驱动电路，才能满足FLASH扫描方式依次点亮部分激光光源的扫描需求。然而，当激光雷达的扫描路数较多或多路激光器的集成度较高时，受到电容器12、开关管11、13及开关管驱动器等器件的尺寸限制，这种为每一路激光器单独设计一条驱动电路的方案难以实现驱动电路的紧凑化设计，无法输出大功率、窄脉冲的驱动电流，因而无法满足远距离激光雷达对大功率、窄脉冲激光的使用需求。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种半导体激光器的驱动技术，用于提升驱动电路的紧凑度以优化回路寄生参数，以便输出大功率、窄脉冲的驱动电流来满足远距离激光雷达对大功率、窄脉冲激光的使用需求。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种激光雷达的扫描驱动电路，以及一种激光雷达的控制方法，用于提升驱动电路的紧凑度以优化回路寄生参数，以便输出大功率、窄脉冲的驱动电流来满足远距离激光雷达对大功率、窄脉冲激光的使用需求。

本发明提供的上述激光雷达的扫描驱动电路，包括：充电电路，包括多条充电支路，所述充电支路包括充电开关管及储能电容，其中，所述充电开关管的第一端连接充电电源，而其第二端连接所述储能电容的第一端，所述储能电容的第二端接地；放电电路，包括激光发射器及放电开关管，其中，所述激光发射器集成有多路激光发射单元，分别用于向一个空间方向发射激光脉冲，其中，每路所述激光发射单元的第一端连接一个对应储能电容的第一端，所述放电开关管的第一端连接各路所述激光发射单元的第二端，而其第二端接地；以及控制器，通信连接各所述充电开关管及所述放电开关管，适于根据所述激光雷达的扫描时序，控制所述放电开关管配合各所述充电开关管逐一进行各所述储能电容的充电和脉冲放电，以进行待测空间的激光扫描。

优选地，在本发明的一些实施例中，所述控制器可以进一步配置为：根据所述激光雷达的扫描时序开通一个充电开关管，以利用所述充电电源向对应的储能电容充电；关断所述充电开关管，并开通所述放电开关管，以控制各所述储能电容一起放电，从而驱动对应的激光发射单元向一个对应的空间方向发射激光脉冲；关断所述放电开关管以终止所述激光脉冲，并判断所述扫描时序是否完成；以及响应于所述扫描时序还未完成，根据所述扫描时序对下一充电开关管及所述放电开关管重复所述充电的步骤及所述放电的步骤，并再次执行所述判断的步骤，直到所述扫描时序完成。

优选地，在本发明的一些实施例中，所述控制器可以进一步配置为：根据所述激光脉冲的目标峰值功率，确定流经对应激光发射单元的电流脉冲的目标峰值电流；根据所述目标峰值电流确定对应储能电容的目标电压；以及根据所述目标电压确定对应充电开关管的开通时间。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述激光发射器包括但不限于多路VCSEL芯片。所述多路VCSEL芯片可以集成有多路所述激光发射单元。所述激光发射单元进一步集成有多个激光二极管，每个所述激光二极管的输入电极及输出电极都沿其发光方向分布。所述激光发射单元的各所述激光二极管的输入电极，都可以通过所述激光发射单元的第一端连接所述对应储能电容的第一端。所述激光发射单元的各所述激光二极管的输出电极，都可以通过所述激光发射单元的第二端连接所述放电开关管的第一端。

优选地，在本发明的一些实施例中，所述多路VCSEL芯片可以设置于电路板的顶面，其发光面向上设置。所述放电开关管及各所述储能电容都设置于所述电路板的底面。所述激光发射单元的第一端位于所述多路VCSEL芯片的顶部，可以通过金属丝键合的方式连接所述电路板，并通过所述电路板的第一通孔向下穿过所述电路板以连接所述对应储能电容的第一端。所述激光发射单元的第二端位于所述多路VCSEL芯片的底部，可以通过所述电路板的第二通孔向下穿过所述电路板以连接所述放电开关管的第一端。

优选地，在本发明的一些实施例中，所述储能电容的第一端可以设置于对应激光发射单元的第一端在所述多路VCSEL芯片的最近外边沿的垂直投影位置，以使所述储能电容的第一端到所述对应激光发射单元的第一端的距离最短。所述放电开关管的第一端可以设置于所述多路VCSEL芯片的中心的垂直投影位置，以使所述放电开关管的第一端到各所述激光发射单元的第一端的距离之和最短。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述多个激光二极管可以呈 1×n的形式排列，以构成一维的条状激光发射单元，或者所述多个激光二极管可以呈m×n的形式排列，以构成二维的阵列激光发射单元。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述充电开关管可以选用硅材质的晶体管，而所述放电开关管可以选用氮化镓材质的场效应晶体管。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述充电电源可以包括直流电源。所述充电支路还可以包括限流元件及钳位二极管。所述充电开关管的第一端可以通过所述限流元件及所述钳位二极管连接所述充电电源，以实现所述充电电源对所述储能电容的充电。

根据本发明的另一方面，本文还提供了一种激光雷达的控制方法。

本发明提供的上述激光雷达的控制方法，可以利用上述任意一个实施例所提供的扫描驱动电路的控制器执行其配置，以控制所述扫描驱动电路的充电电路及放电电路进行对应空间的激光扫描，从而提升驱动电路的紧凑度以优化回路寄生参数，以便输出大功率、窄脉冲的驱动电流来满足远距离激光雷达对大功率、窄脉冲激光的使用需求。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了一种现有的激光二极管的驱动电路的示意图。

图2A示出了根据本发明的一些实施例提供的激光雷达的扫描驱动电路的电路示意图。

图2B示出了根据本发明的一些实施例提供的扫描驱动电路的充电电路的示意图。

图2C示出了根据本发明的一些实施例提供的扫描驱动电路的放电电路的示意图。

图3示出了根据本发明的一些实施例提供的多路VCSEL芯片的架构示意图。

图4A示出了根据本发明的一些实施例提供的激光雷达的扫描驱动电路的俯视透视示意图。

图4B示出了根据本发明的一些实施例提供的激光雷达的扫描驱动电路的侧视剖面示意图。

图5示出了根据本发明的另一些实施例提供的多路VCSEL芯片的架构示意图。

图6示出了根据本发明的一些实施例提供的激光雷达的控制方法的流程示意图。

图7示出了根据本发明的一些实施例提供的储能电容的充电电压的波形图。

图8示出了根据本发明的一些实施例提供的储能电容的放电电压的波形图。

图9示出了根据本发明的一些实施例提供的一路激光发射单元发射的激光脉冲的波形图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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中的具体含义。

另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。

能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。

如上所述，现有的FLASH扫描式激光雷达系统需要为每一路激光器单独配置一条图1所示的驱动电路，才能满足FLASH扫描方式依次点亮部分激光光源的扫描需求。然而，当激光雷达的扫描路数较多或多路激光器的集成度较高时，受到电容器12、开关管11、13及开关管驱动器等器件的尺寸限制，这种为每一路激光器单独设计一条驱动电路的方案难以实现驱动电路的紧凑化设计，无法输出大功率、窄脉冲的驱动电流，因而无法满足远距离激光雷达对大功率、窄脉冲激光的使用需求。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种激光雷达的扫描驱动电路，以及一种激光雷达的控制方法，用于提升驱动电路的紧凑度以优化回路寄生参数，以便输出大功率、窄脉冲的驱动电流来满足远距离激光雷达对大功率、窄脉冲激光的使用需求。

请参考图2A，图2A示出了根据本发明的一些实施例提供的激光雷达的扫描驱动电路的电路示意图。

如图2A所示，本发明提供的上述激光雷达的扫描驱动电路包括充电电路、放电电路及控制器（未绘示）。该充电电路包括多条充电支路，用于分别通过多个充电开关管211~213来为多个储能电容221~223充电。该放电电路设有总成的放电开关管23，用于接通各储能电容221~223对地的放电回路，以控制各储能电容221~223一起放电。该控制器（未绘示）通信连接各充电开关管211~213及总成的放电开关管23，适于根据激光雷达的扫描时序，控制放电开关管23配合各充电开关管211~213逐一进行各储能电容221~223的充电和脉冲放电，以进行待测空间的激光扫描。

请进一步参考图2B，图2B示出了根据本发明的一些实施例提供的扫描驱动电路的充电电路的示意图。

如图2B所示，在一些非限制性的实施例中，充电电路可以包括至少三条充电支路。具体来说，第一充电支路可以包括充电开关管211及储能电容221。该充电开关管211的第一端连接充电电源HV，而其第二端连接储能电容221的第一端。储能电容221的第二端接地。在充电过程中，控制器（未绘示）可以开通充电开关管211以接通储能电容221的充电回路。充电电源HV可以经过充电开关管211向储能电容221充电。

对应地，第二充电支路可以包括充电开关管212及储能电容222。该充电开关管212的第一端连接充电电源HV，而其第二端连接储能电容222的第一端。储能电容222的第二端接地。在充电过程中，控制器（未绘示）可以开通充电开关管212以接通储能电容222的充电回路。充电电源HV可以经过充电开关管212向储能电容222充电。

对应地，第三充电支路可以包括充电开关管213及储能电容223。该充电开关管213的第一端连接充电电源HV，而其第二端连接储能电容223的第一端。储能电容223的第二端接地。在充电过程中，控制器（未绘示）可以开通充电开关管213，以接通储能电容223的充电回路。充电电源HV可以经过充电开关管213向储能电容223充电。

由于在激光发射器24的放电过程中，主要由储能电容221~223向激光发射器24的各路激光发射单元供电，充电回路的空间尺寸及其对应的寄生参数不会对大功率、窄脉冲的驱动电流造成不利的影响。因此，本发明可以对图1中的充电电路部分进行简单地并联，以获得图2B所示的充电电路。在一些实施例中，充电开关管211~213可以采用传统的硅材质的晶体管（例如：IGBT、MOSFET等），以达到节省成本的效果。

进一步地，在一些优选的实施例中，充电电源HV可以选用直流电源。对应地，各充电支路还可以分别包括限流元件251~253及钳位二极管261~263。各充电开关管211~213的第一端可以分别通过对应的限流元件251~253及对应的钳位二极管261~263连接直流充电电源HV。在一些实施例中，限流元件251~253可以选用电感器或电阻器，用于限制直流充电电源HV对储能电容221~223的充电电流。在一些实施例中，钳位二极管261~263可以朝向对应的充电开关管211~213设置，用于防止电流从储能电容221~223反向流回直流充电电源HV。

在充电的过程中，控制器（未绘示）可以开通充电开关管211以接通储能电容221的充电回路。充电电源HV可以依次经过限流元件251、钳位二极管261及充电开关管211向储能电容221充电，其中，限流元件251用于限制直流充电电源HV对储能电容221的充电电流，而钳位二极管261用于在充电结束时防止电流从储能电容221反向流回直流充电电源HV，从而对储能电容221的电压进行钳位。

同样地，在充电的过程中，控制器（未绘示）也可以开通充电开关管212以接通储能电容222的充电回路。充电电源HV可以依次经过限流元件252、钳位二极管262及充电开关管212向储能电容222充电，其中，限流元件252用于限制直流充电电源HV对储能电容222的充电电流，而钳位二极管262用于在充电结束时防止电流从储能电容222反向流回直流充电电源HV，从而对储能电容222的电压进行钳位。

同样地，在充电的过程中，控制器（未绘示）也可以开通充电开关管213以接通储能电容223的充电回路。充电电源HV可以依次经过限流元件253、钳位二极管263及充电开关管213向储能电容223充电，其中，限流元件253用于限制直流充电电源HV对储能电容223的充电电流，而钳位二极管263用于在充电结束时防止电流从储能电容223反向流回直流充电电源HV，从而对储能电容223的电压进行钳位。

请进一步参考图2C，图2C示出了根据本发明的一些实施例提供的扫描驱动电路的放电电路的示意图。

如图2C所示，在本发明的一些实施例中，放电电路可以包括激光发射器24及一个总成的放电开关管23。对应于上述至少三条充电支路的实施例，激光发射器24可以集成有至少三路激光发射单元2401~2403，用于依次向至少三个空间方向发射激光脉冲以进行待测空间的激光扫描，从而确定该至少三个空间方向上的探测目标到激光雷达的距离。

具体来说，第一路激光发射单元2401的第一端可以连接一个对应储能电容221的第一端。第二路激光发射单元2402的第一端可以连接一个对应储能电容222的第一端。第三路激光发射单元2403的第一端可以连接一个对应储能电容223的第一端。各路激光发射单元2401~2403的第二端可以分别连接到上述放电开关管23的第一端，并通过该放电开关管23的第二端接地。也就是说，上述放电开关管23设置于各路激光发射单元2401~2403的放电总回路上，能够同时开通或关断各路激光发射单元2401~2403的放电回路，以控制各路激光发射单元2401~2403朝相应的空间方向发射激光脉冲。

通过采用总成的放电开关管23来替代图1中分别配置于每个放电电路的放电开关管13，本发明提供的扫描驱动电路可以有效地减少对放电开关管的数量需求，从而降低器件成本。尤其是针对扫描路数较多或多路激光器的集成度较高的激光雷达，通过大量减少放电开关管的数量，本发明能够大幅缩小放电电路的空间尺寸以实现驱动电路的紧凑化设计，从而有效降低放电电路寄生参数对大功率、窄脉冲的驱动电流造成的不利影响，以满足远距离激光雷达对大功率、窄脉冲激光的使用需求。

为了进一步满足扫描路数较多或多路激光器的集成度较高的激光雷达对大功率、窄脉冲激光的使用需求，本发明的一些实施例还进一步提供了一些放电电路的电路结构的布置方案。在这些布置方案的实施例中，本发明提供的上述激光发射器24可以选用多路垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）的集成芯片。相比于传统的激光二极管，VCSEL芯片的出光方向垂直于芯片表面，更易于集成为紧凑的面阵光源，因而能够进一步减小放电电路的空间尺寸。

请参考图3，图3示出了根据本发明的一些实施例提供的多路VCSEL芯片的架构示意图。

如图3所示，在本发明的一些实施例中，多路VCSEL芯片24可以集成有十六路激光发射单元2401~2416，其平面尺寸约为2.7mm×3.4mm。每路激光发射单元2401~2416可以进一步集成有多个激光二极管。该多个激光二极管可以呈1×n的形式排列，以构成一维的条状激光发射单元。此时，十六路激光发射单元2401~2416可以构成16×n的激光二极管阵列，能够逐行发射激光脉冲以依次探测各路激光发射单元2401~2416的延伸方向上的探测目标到激光雷达的距离。

具体来说，以第一路激光发射单元2401为例，第一路激光发射单元2401的每个激光二极管的输入电极及输出电极都可以沿其发光方向（即沿图示向外及向内的方向）分布。也就是说，每个激光二极管的输入电极可以设置于激光二极管的顶部，而其输入出电极可以设置于激光二极管的底部。第一路激光发射单元2401的各激光二极管的输入电极，都可以通过第一路激光发射单元2041的第一端连接对应储能电容221的第一端。同时，第一路激光发射单元2401的各激光二极管的输出电极，都可以通过第一路激光发射单元3041的第二端连接放电开关管23的第一端，并通过该放电开关管23的第二端接地。

请进一步参考图4A及图4B，图4A示出了根据本发明的一些实施例提供的激光雷达的扫描驱动电路的俯视透视示意图，而图4B示出了根据本发明的一些实施例提供的激光雷达的扫描驱动电路的侧视剖面示意图。

如图4A及图4B所示，在一些实施例中，多路VCSEL芯片24可以设置于电路板40的顶面，其发光面向上设置以便于向上发射激光脉冲。放电开关管23及各储能电容221~223都设置于电路板40的底面。第一路激光发射单元2401的第一端位于多路VCSEL芯片24的顶部，通过金属丝41键合的方式连接电路板40，并通过电路板40的第一通孔421向下穿过电路板40以连接对应储能电容221的第一端。第一路激光发射单元2401的第二端位于多路VCSEL芯片24的底部，通过电路板40的第二通孔422向下穿过电路板40以连接放电开关管23的第一端。

如此，当放电开关管23开通时，储能电容221中存储的电荷即可依次通过第一通孔421及金属丝41流入第一路激光发射单元2401的第一端。之后，流入第一路激光发射单元2401的电荷将依次通过第一路激光发射单元2401的第二端及第二通孔422流入放电开关管23的第一端，再通过放电开关管23的第二端接地，以驱动第一路激光发射单元2401向上发射激光脉冲。

同样地，其余各路激光发射单元2402~2416的第一端也可以如图4A及图4B所示地分别连接到对应储能电容的第一端，而其第二端也可以如图4A及图4B所示地共同连接到放电开关管23的第一端，从而由总成的放电开关管23同时开通或关断各路激光发射单元2401~2416的放电回路。

由图4B可知，由于电路板40的厚度通常在1~2mm以内，远小于各电路元件之间的平面间隔距离。因此，通过将多路VCSEL芯片24设置于电路板40的顶面，而将放电开关管23及各储能电容221~223都设置于电路板40的底面，本发明提供的上述扫描驱动电路可以进一步缩小放电电路的空间尺寸，以进一步实现驱动电路的紧凑化设计，从而进一步满足远距离激光雷达对大功率、窄脉冲激光的使用需求。

更进一步地，在本发明的一些实施例中，放电开关管23可以选用氮化镓材质的场效应晶体管（GaN MOSFET），以进一步缩小放电开关管23的空间尺寸，并获得更低的导通电阻、更快的开关速度及更高的开关频率。具体来说，该GaN放电开关管23的平面尺寸约为0.7mm×2.8mm，与上述多路VCSEL芯片24的平面尺寸相当。通过将目前市场上尺寸最小的GaN放电开关管23与上述多路VCSEL芯片24进行平面尺寸的对比可见，若采用传统的为每一路激光器单独设计一条驱动电路的方案，则必然需要在电路板40的底面设置大量放电开关管13，至少需要31.4 mm²的平面空间，再加上各放电开关管13之间的空间间隙，将进一步需要60~70 mm²的平面空间。然而，若采用本发明提供的上述布置方案，则只需要在电路板40的底面设置一个总成的放电开关管23，其需要的平面空间将不大于多路VCSEL芯片24的平面尺寸，即9mm²。

此外，如图4A及图4B所示，在一些实施例中，储能电容221的第一端可以设置于第一路激光发射单元2401的第一端在多路VCSEL芯片24的最近外边沿的垂直投影位置，以使储能电容221的第一端到第一路激光发射单元2401的第一端的距离最短。在另一些实施例中，放电开关管23的第一端可以设置于多路VCSEL芯片24的中心的垂直投影位置，以使放电开关管23的第一端到各路激光发射单元2401~2416的第一端的距离之和最短。通过进一步缩短放电电路中各放电支路的距离，本发明提供的上述扫描驱动电路可以更进一步地降低放电回路的寄生参数，从而更进一步地满足远距离激光雷达对大功率、窄脉冲激光的使用需求。

本领域的技术人员可以理解，图3所示的由多个激光二极管以1×n的形式排列构成的条状激光发射单元，只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。可选地，在另一些实施例中，本领域的技术人员也可以基于上述构思进行适当的改变，以获得其他形式的激光发射单元。

请参考图5，图5示出了根据本发明的另一些实施例提供的多路VCSEL芯片的架构示意图。

如图5所示，在另一些实施例中，同一路激光发射单元中集成的多个激光二极管可以呈 m×n的形式排列，以构成m×n的二维阵列激光发射单元。同样地，包括多路二维阵列激光发射单元的VCSEL芯片24也可以采用图4A及图4B所示的电路布置结构，以达到相同的效果，在此不再赘述。

基于以上描述可知，本发明提供的上述激光雷达的扫描驱动电路采用总成的放电开关管23来代替图1中配置于各放电回路的放电开关管13，从而达到了提升驱动电路的紧凑度以优化回路寄生参数的效果。通过采用上述紧凑化的设计，本发明提供的上述扫描驱动电路可以产生单路几十瓦的纳秒级激光脉冲，从而满足远距离激光雷达对大功率、窄脉冲激光的使用需求。然而，从上述描述亦可以发现，由于该放电开关管23串接于各放电支路的接地总路上，一旦放电开关管23开通，必然导致各储能电容221~223的同时放电，因而无法简单地实现多路激光器分时独立驱动的功能。

为了实现多路激光器分时独立驱动的功能，本发明提供的上述扫描驱动电路还必须配合一种控制方法来实施，根据激光雷达的扫描时序控制放电开关管23配合各充电开关管211~213工作，以逐一进行各储能电容221~223的充电和脉冲放电，从而对待测空间进行激光扫描。

在本发明的一些实施例中，上述控制方法可以由扫描驱动电路的控制器来实施。具体来说，该控制器可以分别连接各充电开关管211~213及放电开关管23的控制端，以分别控制各充电开关管211~213及放电开关管23的通断，从而实施上述控制方法。

请参考图6，图6示出了根据本发明的一些实施例提供的激光雷达的控制方法的流程示意图。

如图6所示，在本发明提供的上述控制方法中，响应于扫描驱动电路的启动，控制器可以首先读取激光雷达的扫描时序，并根据该扫描时序开通第一充电开关管211。响应于第一充电开关管211的开通，充电电源HV的电荷将依次经过限流元件251、钳位二极管261及充电开关管211向储能电容221充电。储能电容221上的电压将随充电时间的增长而上升。

在一些实施例中，第一充电开关管211的开通时长（即储能电容221的充电时长）可以根据激光脉冲的目标峰值功率来确定。具体来说，控制器可以首先从激光雷达获取第一路激光发射单元2401的目标峰值功率P _max ，再结合第一路激光发射单元2401的电-光转换关系计算对应的目标峰值电流I _max 。如图2C所示，激光发射单元2401可以等效为正向布置发光二极管。因此，控制器可以进一步根据该目标峰值电流I _max ，并结合激光发射单元2401的正向导通电阻R _on1、放电开关管23的导通电阻R _on2及储能电容221的电容值C ₂₂₁，计算开始放电时储能电容221的目标电压V ₂₂₁。再之后，控制器可以根据该目标电压V ₂₂₁，并结合充电电源HV的充电电压V _in 、限流元件251及钳位二极管261的总阻抗R _in 、第一充电开关管211的导通电阻R _on3及储能电容221的电容值C ₂₂₁，计算第一充电开关管211的开通时间t _on211。

请参考图7，图7示出了根据本发明的一些实施例提供的储能电容的充电电压的波形图。

如图7所示，在一些实施例中，充电电源HV的充电电压V _in 为30V，储能电容221的电容值C ₂₂₁为1nF，控制器可以确定第一充电开关管211的开通脉宽t _on211为300ns。在充电时间达到300ns后，储能电容221上的电压V ₂₂₁达到目标电压27V。此时，控制器关断第一充电开关管211，储能电容221上的电压V ₂₂₁不再上升。

如图2A所示，在完成储能电容221的充电后，控制器可以开通放电开关管23，以控制各储能电容221~223一起放电。然而，由于控制器在充电过程中并未开通其余的充电开关管212~213，其对应的储能电容222~223中并没有电荷。因此，仅有储能电容221中的电荷流经第一路激光发射单元2401及放电开关管23以形成放电电流，从而仅驱动第一路激光发射单元2401向对应的第一空间方向发射激光脉冲。

请参考图8及图9，图8示出了根据本发明的一些实施例提供的储能电容的放电电压的波形图，而图9示出了根据本发明的一些实施例提供的一路激光发射单元发射的激光脉冲的波形图。

如图8及图9所示，响应于放电开关管23的开通，储能电容221上的电压V ₂₂₁随放电时间的增长而快速下降，从而驱动第一路激光发射单元2401向对应的第一空间方向发射一束脉宽为5ns、峰值功率P _max 为35W的大功率、窄脉冲的激光脉冲。该激光脉冲将向第一空间方向飞行，并在遇到障碍物后发生反射，以返回激光雷达。在一些实施例中，激光雷达可以根据第一路激光发射单元2401发射的激光脉冲的飞行时间（Time of Flight，ToF），确定第一空间方向上的探测目标到激光雷达的距离。

在完成第一空间方向的探测后，扫描驱动电路的控制器可以关断放电开关管23，以终止第一路激光发射单元2401发射的激光脉冲。之后，控制器可以判断扫描时序是否完成。

若判断结果指示扫描时序还未完成，控制器可以根据该扫描时序开通第二充电开关管212。响应于第二充电开关管212的开通，充电电源HV的电荷将依次经过限流元件252、钳位二极管262及充电开关管212向储能电容222充电。储能电容222上的电压随充电时间的增长而上升。之后，在完成储能电容222的充电后，控制器可以再次开通放电开关管23，以控制各储能电容221~223一起放电。此时，由于控制器在充电过程中并未开通其余的充电开关管211及213，其对应的储能电容221及223中并没有电荷。因此，仅有储能电容222中的电荷流经第二路激光发射单元2402及放电开关管23以形成放电电流，从而仅驱动第二路激光发射单元2402向对应的第二空间方向发射激光脉冲。此时，激光雷达可以根据第二路激光发射单元2402发射的激光脉冲的飞行时间（ToF），确定第二空间方向上的探测目标到激光雷达的距离。

依此类推，当扫描驱动电路完成对第十六路激光发射单元2416发射的激光脉冲的飞行时间（ToF）的计算，并确定第十六空间方向上的探测目标到激光雷达的距离后，控制器可以判断扫描时序完成，从而结束激光扫描的流程。

本领域的技术人员可以理解，尽管上述实施例将控制方法描述为先驱动第一路激光发射单元2401发射激光脉冲，再驱动第二路激光发射单元2402发射激光脉冲，直至驱动第十六路激光发射单元2416发射激光脉冲，才算完成激光雷达的扫描时序。然而，这只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的构思，并提供了一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。

可选地，在另一些实施例中，本领域的技术人员也可以通过编写代码的方式，使控制器先驱动第十六路激光发射单元2416发射激光脉冲，再驱动第十五路激光发射单元2415发射激光脉冲，直至驱动第一路激光发射单元2401发射激光脉冲，以达到相同的空间扫描效果。

进一步地，在一些实施例中，本领域的技术人员还可以通过编写代码的方式，使控制器先驱动第一及第二路激光发射单元2401、2402同时发射激光脉冲，再驱动第三及第四路激光发射单元2403、2404同时发射激光脉冲，直至驱动第十五及第十六路激光发射单元2415、2416同时发射激光脉冲，以加强激光脉冲的功率，从而提升激光雷达的探测距离。

更进一步地，在一些实施例中，本领域的技术人员还可以通过编写代码的方式，使控制器驱动十六路激光发射单元2401~2416同时发射激光脉冲，以进一步加强激光脉冲的功率，从而进一步提升激光雷达的探测距离来监测遥远距离外某一空间方向上的探测目标到激光雷达的距离。

基于以上描述可知，本发明提供的上述激光雷达的扫描驱动电路可以配合一种控制方法来实施，通过采用总成的放电开关管23来代替图1中配置于各放电回路的放电开关管13，达到提升驱动电路的紧凑度以优化回路寄生参数的效果，并进一步通过控制放电开关管23配合各充电开关管211~213逐一进行各储能电容221~223的充电和脉冲放电，实现多路激光器分时独立驱动的功能。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位（比特）、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

尽管上述的实施例所述的控制器可以通过软件与硬件的组合来实现的。但是可以理解，该控制器也可以单独在软件或硬件中加以实施。对于硬件实施而言，该控制器可以在一个或多个专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）、处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行上述功能的其它电子装置或上述装置的选择组合来加以实施。对软件实施而言，该控制器可以通过在通用芯片上运行的诸如程序模块（procedures）和函数模块（functions）等独立的软件模块来加以实施，其中每一个模块可以执行一个或多个本文中描述的功能和操作。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种激光雷达的扫描驱动电路，其特征在于，包括：

充电电路，包括多条充电支路，所述充电支路包括充电开关管及储能电容，其中，所述充电开关管的第一端连接充电电源，而其第二端连接所述储能电容的第一端，所述储能电容的第二端接地；

放电电路，包括激光发射器及放电开关管，其中，

所述激光发射器集成有多路激光发射单元，分别用于向一个空间方向发射激光脉冲，其中，每路所述激光发射单元的第一端连接一个对应储能电容的第一端，

所述放电开关管的第一端连接各路所述激光发射单元的第二端，而其第二端接地；以及

控制器，通信连接各所述充电开关管及所述放电开关管，适于根据所述激光雷达的扫描时序，控制所述放电开关管配合各所述充电开关管逐一进行各所述储能电容的充电和脉冲放电，以进行待测空间的激光扫描。

2.如权利要求1所述的扫描驱动电路，其特征在于，所述控制器进一步配置为：

根据所述激光雷达的扫描时序开通一个充电开关管，以利用所述充电电源向对应的储能电容充电；

关断所述充电开关管，并开通所述放电开关管，以控制各所述储能电容一起放电，从而驱动对应的激光发射单元向一个对应的空间方向发射激光脉冲；

关断所述放电开关管以终止所述激光脉冲，并判断所述扫描时序是否完成；以及

响应于所述扫描时序还未完成，根据所述扫描时序对下一充电开关管及所述放电开关管重复所述充电的步骤及所述放电的步骤，并再次执行所述判断的步骤，直到所述扫描时序完成。

3.如权利要求2所述的扫描驱动电路，其特征在于，所述控制器进一步配置为：

根据所述激光脉冲的目标峰值功率，确定流经对应激光发射单元的电流脉冲的目标峰值电流；

根据所述目标峰值电流确定对应储能电容的目标电压；以及

根据所述目标电压确定对应充电开关管的开通时间。

4.如权利要求1所述的扫描驱动电路，其特征在于，所述激光发射器包括多路VCSEL芯片，所述多路VCSEL芯片集成有多路所述激光发射单元，其中，

所述激光发射单元进一步集成有多个激光二极管，每个所述激光二极管的输入电极及输出电极都沿其发光方向分布，

所述激光发射单元的各所述激光二极管的输入电极，都通过所述激光发射单元的第一端连接所述对应储能电容的第一端，

所述激光发射单元的各所述激光二极管的输出电极，都通过所述激光发射单元的第二端连接所述放电开关管的第一端。

5.如权利要求4所述的扫描驱动电路，其特征在于，所述多路VCSEL芯片设置于电路板的顶面，其发光面向上设置，而所述放电开关管及各所述储能电容都设置于所述电路板的底面，其中，

所述激光发射单元的第一端位于所述多路VCSEL芯片的顶部，通过金属丝键合的方式连接所述电路板，并通过所述电路板的第一通孔向下穿过所述电路板以连接所述对应储能电容的第一端，

所述激光发射单元的第二端位于所述多路VCSEL芯片的底部，通过所述电路板的第二通孔向下穿过所述电路板以连接所述放电开关管的第一端。

6.如权利要求5所述的扫描驱动电路，其特征在于，所述储能电容的第一端设置于对应激光发射单元的第一端在所述多路VCSEL芯片的最近外边沿的垂直投影位置，以使所述储能电容的第一端到所述对应激光发射单元的第一端的距离最短，和/或

所述放电开关管的第一端设置于所述多路VCSEL芯片的中心的垂直投影位置，以使所述放电开关管的第一端到各所述激光发射单元的第一端的距离之和最短。

7.如权利要求4所述的扫描驱动电路，其特征在于，所述多个激光二极管呈1×n的形式排列，以构成一维的条状激光发射单元，或者

所述多个激光二极管呈m×n的形式排列，以构成二维的阵列激光发射单元。

8.如权利要求1所述的扫描驱动电路，其特征在于，所述充电开关管选用硅材质的晶体管，而所述放电开关管选用氮化镓材质的场效应晶体管。

9.如权利要求1所述的扫描驱动电路，其特征在于，所述充电电源包括直流电源，所述充电支路还包括限流元件及钳位二极管，所述充电开关管的第一端通过所述限流元件及所述钳位二极管连接所述充电电源，以实现所述充电电源对所述储能电容的充电。

10.一种激光雷达的控制方法，其特征在于，利用权利要求1~9中任一项所述的扫描驱动电路的控制器执行其配置，以控制所述扫描驱动电路的充电电路及放电电路进行对应空间的激光扫描。

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