CN212749235U - 可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统，包括：数字控制单元，所述数字控制单元具有多组输出；多个单通道激光器驱动电路，每个单通道激光器驱动电路耦接到所述数字控制单元的其中一组输出，其中所述数字控制单元配置成可选择性地选通所述多个单通道激光器驱动电路中的一个，以输出激光器驱动信号。本实用新型还涉及一种包括所述多通道驱动系统的激光雷达。

Description

可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统和激光雷达

技术领域

本实用新型大致涉及光电技术领域，尤其涉及一种可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统、包括其的激光雷达、以及通过所述多通道驱动系统驱动多个激光器的方法。

背景技术

随着人工智能技术的快速发展，自动驾驶、人脸识别、3D拍照等应用场景逐渐成熟。激光雷达LiDAR是激光主动探测传感器设备的一种统称，其工作原理大致如下：激光雷达的发射器发射出一束激光，激光光束遇到物体后，经过漫反射，返回至激光接收器，雷达模块根据发送和接收信号的时间间隔乘以光速，再除以2，即可计算出发射器与物体的距离。根据激光线束的多少，通常有例如单线激光雷达、4线激光雷达、8/16/32/64线激光雷达等。一个或多个激光束在竖直方向沿着不同的角度发射，经水平方向扫描，实现对目标区域三维轮廓的探测。多个测量通道(线)相当于多个倾角的扫描平面，因此垂直视场内激光线束越多，其竖直方向的角分辨率就越高，激光点云的密度就越大。

激光雷达作为一个重要的立体成像感应接口，可以说是这些应用方向得以发展的基本条件。为了保证系统的鲁棒性，可靠性，降低功耗，提高效率，需要不断提高激光器驱动系统的集成度，并且及时监控系统参数的变化并及时调整。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

实用新型内容

本实用新型提供一种可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统，包括：

数字控制单元，所述数字控制单元具有多组输出；

多个单通道激光器驱动电路，每个单通道激光器驱动电路耦接到所述数字控制单元的其中一组输出，

其中所述数字控制单元配置成可选择性地选通所述多个单通道激光器驱动电路中的一个，以输出激光器驱动信号。

根据本实用新型的一个方面，所述多组输出中的每一组包括差分信号和使能信号，每个所述单通道激光器驱动电路根据所述使能信号被选通，并根据所述差分信号，产生并输出所述激光器驱动信号。

根据本实用新型的一个方面，每个所述单通道激光器驱动电路包括窄脉冲生成器和多级反相器，所述窄脉冲生成器配置成接收所述差分信号和所述使能信号，并生成窄脉冲，所述多级反相器配置成接收所述窄脉冲并逐级放大，产生所述激光器驱动信号。

根据本实用新型的一个方面，所述数字控制单元为一集成电路芯片。

根据本实用新型的一个方面，每个所述单通道激光器驱动电路包括异常状态检测单元，所述异常状态检测单元配置成可检测所述单通道激光器驱动电路内的异常状态，并将异常状态的信息上报所述数字控制单元。

根据本实用新型的一个方面，所述异常状态包括过流、过温、短路中的一个或多个，所述数字控制单元配置成当接收到来自其中一个单通道激光器驱动电路的异常状态信息时，停止选通所述单通道激光器驱动电路。

根据本实用新型的一个方面，所述的多通道驱动系统还包括温度检测单元，所述温度检测单元与所述数字控制单元耦接，并配置成可检测所述多通道驱动系统的温度，所述数字控制单元配置成根据所述温度，校准所述多通道驱动系统。

根据本实用新型的一个方面，所述的多通道驱动系统还包括电压转换器，所述电压转换器，所述电压转换器可调节所述激光器驱动信号的幅值。

本实用新型还提供一种激光雷达，包括：

如上所述的多通道驱动系统；和

与所述多通道驱动系统的多个单通道激光器驱动电路相对应的多个激光器，所述多个激光器由相对应的单通道激光器驱动电路所驱动。

本实用新型的实施例中，数字控制单元可以实现多通道的全差分控制，可以实现发射脉冲宽度的精细调整，避免了分立器件在板级走线的寄生参数，比如电感、电阻、电容。根据本实用新型的一个优选实施例，通过在芯片内部全差分走线，避免了外部电源线、地线等的串扰问题。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型一个实施例的多通道驱动系统的示意图；

图2示出了根据本实用新型一个优选实施例的单通道激光器驱动电路的示意图；

图3示出了根据本实用新型一个优选实施例的信号波形；

图4示出了根据本实用新型一个实施例的驱动多个激光器的方法。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、 "长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、 "水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，" 多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型的描述中，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之" 上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、" 下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的多通道驱动系统10，例如可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统。下面参考图1详细描述。

如图1所示，多通道驱动系统10包括数字控制单元11和多个单通道激光器驱动电路12，如图1中所示为通道1激光器驱动电路12-1、通道2激光器驱动电路12-2，一直到通道n激光器驱动电路12-n。其中，数字控制单元 11具有多组输出，每组输出被连接到其中一个单通道激光器驱动电路12。激光器驱动电路12接收到所述数字控制单元11的其中一组输出后，根据所接收到的信号，产生驱动输出信号Out，用于驱动与其耦接的激光器(图中未示出)。当应用于激光雷达中驱动激光器时，所述单通道激光器驱动电路12 的数量例如可对应于激光雷达中激光器的数目，或者对应于激光雷达的线数，例如可以为1、2、4、8、16、32、40、64、128等，这些都在本实用新型的保护范围内。根据本实用新型的实施例，所述数字控制单元11并非同时选通所有的单通道激光器驱动电路12，而是配置成可选择性地选通所述多个单通道激光器驱动电路中的一个或者多个，以依次输出各个激光器的驱动信号 Out-1、Out-2、…、Out-n。

数字控制单元作为系统的控制中枢，可以实现和激光雷达控制器的信息交互。例如，根据本实用新型的一个实施例，所述数字控制单元11内部可内置一定的选通逻辑，诸如通道1-n的选通逻辑，按照一定的顺序依次选通所述n个单通道激光器驱动电路12中的一个或者多个。或者可替换的，所述数字控制单元11可包括地址输入管脚，用于输入待选通的单通道激光器驱动电路12的地址。以64线激光雷达为例，其具有64个激光器，因而具有64个单通道激光器驱动电路。为了对64个单通道激光器驱动电路的地址进行编码，数字控制单元11需要具有6个地址输入管脚。例如当六个地址输入管脚所输入的数码序列为000100时，所述数字控制单元11选通第4个单通道激光器驱动电路；当六个地址输入管脚所输入的数码序列为001100时，所述数字控制单元11选通第12个单通道激光器驱动电路12-12。

所述多组输出信号中的每一组输出信号包括使能信号ENB。每一个单通道激光器驱动电路12将根据其接收到的使能信号ENB而决定其是否被选通。例如当使能信号ENB为高电平时，表明选通。ENB信号是一个数字信号，为0 或者1。ENB信号和前面表征通道地址的数码序列保持一致，例如通道4导通，则ENB4是一个高电平，此时通道4导通，而其他通道的ENB为0，处于断开的状态。

另外，根据本实用新型的一个实施例，除了使能信号ENB，所述多组输出信号中的每一组输出信号包括差分信号INN(第一差分信号)和INP(第二差分信号)，每个所述单通道激光器驱动电路在选通后，根据所述差分信号 INN和INP，产生并输出所述激光器驱动信号Out。数字控制单元11可以实现多通道的全差分控制，可以实现发射脉冲宽度的精细调整，避免了分立器件在板级走线的寄生参数，比如电感、电阻、电容。根据本实用新型的一个优选实施例，通过在芯片内部全差分走线，避免了外部电源线、地线等的串扰问题。

另外，根据本实用新型的一个实施例，FAULT TX(异常状态监测模块) 信号反馈的系统中过温，欠压，人眼安全，过流等，FAULT TX也可以认为是一个数字序列，例如正常的时候，处于低电平，当产生以上问题时，产生问题的通道电平变为1。此时，数字控制单元将此信息探测到并同时产生中断信号int，中断信号则利用上拉电阻关掉芯片，然后重启或者之类的操作。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述数字控制单元11为一集成电路芯片。例如寄存器、数字处理器DSP等可以集成在一个集成电路芯片上的器件。

图2示出了根据本实用新型一个优选实施例的单通道激光器驱动电路12 的示意图。下面参考图2详细描述。

如图2所示，每个所述单通道激光器驱动电路12可包括依次连接的反相器121、与门122、反相器123、以及反相器124。其中，第一差分信号INN 经过反相器121进行翻转后，与第二差分信号INP、使能信号ENB一起被输入到与门122，三者进行“与”运算后，通过反相器123和反相器124进行逐级地放大，最终产生并输出激光器驱动信号OUT。其中反相器121和与门 122构成窄脉冲生成器，所述窄脉冲生成器配置成接收所述差分信号和所述使能信号，并生成窄脉冲。如图3所述，其中示出了第一差分信号INN、第二差分信号INP以及最终输出的激光器驱动信号OUT的波形。其中，第一差分信号INN脉冲的前沿翻转时间比第二差分信号INP的前沿翻转时间滞后了时间Tpulse，通过反相器和与门的运算处理，最终输出了宽度同样为Tpulse 的激光器驱动信号OUT的脉冲。当激光器的开关(例如GaN开关)接收到该脉冲时，该开关闭合，从而导致电流流过激光器，激光器被驱动发光。

图2中示意性示出了在窄脉冲生成器的输出侧包括两个反相器123和 124，对窄脉冲生成器的输出进行逐级放大。本实用新型不限于此，也可以包括数目更多或更少的反相器。反相器123和124的主要目的在于逐级放大并输出激光器驱动信号OUT，因此反相器的数目可以根据激光器驱动信号OUT 的功率和电平要求、以及反相器的放大能力来决定。这些都在本实用新型的保护范围内。本实用新型的单通道激光器驱动电路采用了最直接的反相器逐级推动，以实现窄脉冲快速驱动。反相器的逐级推动，最大程度减小了输入到输出的驱动延迟时间。

根据本实用新型的一个优选实施例，如图2所示，每个所述单通道激光器驱动电路12可包括异常状态检测单元125。异常状态检测单元125配置成可检测其对应的单通道激光器驱动电路12内的异常状态，并将异常状态的信息上报所述数字控制单元11。如图1所示，在每个单通道激光器驱动电路12 与数字控制单元11之间，均具有信号FAULT的发送。该信号FAULT可以是简单的有无异常状态的信号，例如通过0和1表示。也可以是具体的异常状态的描述。单通道激光器驱动电路12的异常状态例如可以包括电路过流、过温、短路中的一个或多个。例如为了检测电路过温，所述异常状态检测单元125 可包括相应的温度传感器以检测电路温度，当温度超过预设的阈值时，异常状态检测单元125向数字控制单元11发送过温异常状态的信号。为了检测电流，异常状态检测单元125可包括相应的电流传感器以检测电路中一个或多个支路的电流状况，并且当电流异常时，向数字控制单元11发送短路或过流等异常状态的信号。所述数字控制单元11当接收到来自其中一个单通道激光器驱动电路的异常状态信息时，停止选通所述单通道激光器驱动电路，并且可以及时地发出报警，提示操作者其中一个通道的激光器驱动电路发生故障或异常。

在传统方案中，异常状态信号FAULT由于反馈太小，一般无法处理，所以一般不会使用。传统方案中，无法准确、快速的感知过温、欠压、过流等情况。人眼安全目前在世界范围内都没有片上集成方案。出于对精度和速度的要求，这些都很难通过外部器件来检测实现。本实用新型的实施例中，是以片上集成的方式，可以通过电路设计进行高精度，快速检测。在本实用新型的多通道方案中，异常状态监测模块信号反馈的是系统中过温、欠压、人眼安全、过流等问题，FAULT TX也可以认为是一个数字序列，例如正常的时候，处于低电平，当产生以上问题时，产生问题的通道电平变为1，此时，数字控制单元将此信息探测到并同时产生中断信号int，如图1所示，中断信号则利用上拉电阻关掉芯片(例如关断数字控制单元的驱动高输出)，然后重启或者之类的操作。

如图1所示，多通道驱动系统10还包括温度检测单元13。温度检测单元13与所述数字控制单元11耦接，并配置成可检测每个所述多通道驱动系统10的温度。多通道驱动系统10中包括多个电子器件，其工作性能可能随着温度而发生变化。当温度变化超过一定的范围时，工作参数和性能的变化所带来的误差可能会导致严重问题。本实用新型中，所述数字控制单元11与温度检测单元13耦接并接收所述温度信息，并且根据所述温度信息来校准所述多通道驱动系统10或者其上的其他电子器件。例如，所述数字控制单元 11可以调节所述差分信号INP、INN的强度、前沿翻转时间、脉冲宽度等参数，来调节对应的单通道激光器驱动电路12所输出的激光器驱动信号OUT。因此通过温度检测单元13，可以针对芯片温度进行实时的检测，并把检测数据反馈到数字控制单元11中，以实现实时校准，避免了外界温度，以及芯片自身温升带来的参数温度漂移。

如图2所示，根据本实用新型的一个优选实施例，单通道激光器驱动电路12每个还包括电压转换器126，所述电压转换器126可调节所述激光器驱动信号的幅值。通过电压转换器模块，可以实现驱动电压的调整，使得通道驱动能力控制在比较合理的范围之内。电压转换器可用于光强调整，也就是可以使得每个通道的激光光强是不同的，可以调整。

相比于现有技术的单通道驱动来说，本实用新型实施例中增加了数字控制单元和异常状态检测单元(其可以输出FAULT信号，如图1和2所示)。首先数字控制单元决定控制哪个通道导通。例如当接收到表征通道地址的数字序列000100，那么通道4导通。另外，本实用新型实施例中采用了差分信号。传统方案中，每一个通道都将要单独给一个差分信号，电路占系统的面积很大，现在给数字控制单元一个数字序列，再决定向哪一个通道提供差分信号，差分信号如图3所示，可以得到一个输出信号Tpulse，从而驱动GaN开关。通过异常状态检测模块，对通道驱动电路可能产生的过流、过温、短路异常问题进行检测和上传，以便在数字控制单元中进行及时的处理。

本实用新型还涉及一种激光雷达，包括如上所述的多通道驱动系统10以及多个激光器，其中所述多个激光器与所述多通道驱动系统的多个单通道激光器驱动电路相对应，由相对应的单通道激光器驱动电路所驱动并发射出激光器。数字控制单元作为驱动系统的控制中枢，实现和激光雷达控制器的信息交互。

本实用新型还涉及一种驱动多个激光器的方法100，如图4所示，其例如可以利用如上所述的多通道驱动系统100来实施。下面参考图4详细描述。

在步骤S101，确定所要驱动的其中一个或者多个激光器。多个激光器中，按照一定的逻辑，每次选择其中一个激光器进行驱动发光。

在步骤S102，通过所述数字控制单元，选通与所述一个激光器相对应的一个单通道激光器驱动电路，输出激光器驱动信号。

根据本实用新型的一个实施例，方法100还包括按照预设的模式，依次选通所述多个单通道激光器驱动电路中的每一个，以轮巡驱动每一个激光器。

本实用新型的实施例中，数字控制单元可以实现多通道的全差分控制，可以实现发射脉冲宽度的精细调整，避免了分立器件在板级走线的寄生参数，比如电感、电阻、电容。根据本实用新型的一个优选实施例，通过在芯片内部全差分走线，避免了外部电源线、地线等的串扰问题。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统，其特征是，包括：

数字控制单元，所述数字控制单元具有多组输出；

多个单通道激光器驱动电路，每个单通道激光器驱动电路耦接到所述数字控制单元的其中一组输出，

其中所述数字控制单元配置成可选择性地选通所述多个单通道激光器驱动电路中的一个，以输出激光器驱动信号。

2.如权利要求1所述的可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统，其特征是，所述多组输出中的每一组包括差分信号和使能信号，每个所述单通道激光器驱动电路根据所述使能信号被选通，并根据所述差分信号，产生并输出所述激光器驱动信号。

3.如权利要求2所述的可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统，其特征是，其中每个所述单通道激光器驱动电路包括窄脉冲生成器和多级反相器，所述窄脉冲生成器配置成接收所述差分信号和所述使能信号，并生成窄脉冲，所述多级反相器配置成接收所述窄脉冲并逐级放大，产生所述激光器驱动信号。

4.如权利要求1-3中任一项所述的可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统，其特征是，其中所述数字控制单元为一集成电路芯片。

5.如权利要求1-3中任一项所述的可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统，其特征是，其中每个所述单通道激光器驱动电路包括异常状态检测单元，所述异常状态检测单元配置成可检测所述单通道激光器驱动电路内的异常状态，并将异常状态的信息上报所述数字控制单元。

6.如权利要求5所述的可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统，其特征是，其中所述异常状态包括过流、过温、短路中的一个或多个，所述数字控制单元配置成当接收到来自其中一个单通道激光器驱动电路的异常状态信息时，停止选通所述单通道激光器驱动电路。

7.如权利要求1～3中任意一项所述的可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统，其特征是，还包括温度检测单元，所述温度检测单元与所述数字控制单元耦接，并配置成可检测所述多通道驱动系统的温度，所述数字控制单元配置成根据所述温度，校准所述多通道驱动系统。

8.如权利要求3所述的可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统，其特征是，还包括电压转换器，所述电压转换器，所述电压转换器可调节所述激光器驱动信号的幅值。

9.一种激光雷达，其特征是，包括：

如权利要求1-8中任一项所述的可用于激光雷达发射端的多通道驱动系统；和

与所述多通道驱动系统的多个单通道激光器驱动电路相对应的多个激光器，所述多个激光器由相对应的单通道激光器驱动电路所驱动。

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