CN101310195A - 用于检测周围环境的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测周围环境的方法，所述方法借助发射脉冲信号的源执行。其中，由物体反向散射的信号被传感器检测到。在执行方法时，在粗略采样情况下检测物体的存在。为了确定与所检测的物体有关的量而将所述源的工作参数调节到精细采样。
Description
技术领域
本发明涉及用于检测周围环境的方法和装置以及计算机程序和计算机程序产品。
背景技术
通常使用直接采样反向散射曲线的方法来检测周围环境。但是这种方法的缺点是，需要极高速的分析处理电子组件来进行模数转换和获得高数据传输率或高信号处理速度。
同样用于检测周围环境的所谓矩形波串法(Boxcar-Verfahren)的缺点在于，反向散射曲线只有在m*n个脉冲之后才完整展现，m代表分辨单元数，n代表在一个分辨单元内对其求平均的脉冲数。因此，当脉冲间隔比小到1∶1000时(例如在激光二极管的情况下)，每个测量点或距离单元的测量时间增大约30μs，使得分析处理系统可能长时间处于空转之中。
发明内容
从该背景出发提出了一种具有权利要求1的特征的方法、一种具有权利要求5的特征的装置、一种具有权利要求9的特征的计算机程序以及一种具有权利要求10的特征的计算机程序产品。
本发明的用于检测周围环境的方法借助发射脉冲信号的信号源来实施。其中，由传感器检测被物体反向散射的信号。在执行本方法时，在粗略采样情况下探测物体的存在。为了确定与被检测的物体有关的量而将所述源的工作参数调节至精细采样。
此外，本发明涉及用于检测周围环境的装置，该装置尤其被构造用于实施本发明的方法。所述装置具有一个用于发送脉冲信号的源和一个电路，其中，所述电路在高频(HF)发射器的初级侧上的输入回路中具有用于生成基准脉冲的基准脉冲线圈。
由从属权利要求可得到其它优选方案。
此外本发明涉及一种带有程序代码段的计算机程序，以便当该计算机程序在计算机或相应的运算单元、尤其是本发明装置中的控制装置上运行时，本发明方法的所有步骤可以被执行。
本发明还涉及一种带有程序代码段的计算机程序产品，该计算机程序产品存储在计算机可读的数据载体上，以便当该计算机程序在计算机或相应的运算单元、尤其是本发明装置中的控制装置上运行时，本发明方法的所有步骤可以被执行。
本发明提供了一种利用脉冲传感器系统例如激光雷达的矩形波串法来检测周围环境的可能。对于矩形波串法，脉冲间隔比、即所谓工作循环(Dutycycle)的变化不是已知的。所述脉冲间隔比也称为占空比，在矩形信号的情况下说明了接通状态的长度并且从而说明了脉冲持续时间与周期持续时间的比。
通过该方法可以在覆盖例如0.1m至80m的大距离范围条件下低成本地进行分析处理，尤其是借助激光二极管或发射红外线的二极管(IRED)作为所使用的源。规定使用传统的延时模块或其由此的改进方案例如Robert Bosch GmbH的“CC850”，其具有相应于30m距离的最大延时(Delay)。可以使用延时模块周围的现有的外围设备来分析处理、加工测量数据、带端检验和自动校准。
本发明可以应用在用于测量反向散射曲线的已知方法中以便借助脉冲操作、超声波、激光雷达(Lidar)或雷达在距离测量传感器中确定时延(Laufzeit)。与物体相关的量可以是物体到装置的相对距离或相对速度。
与直接采样相比，通过本方法可得到反向散射曲线的更精确的位置分辨率，由此在信号处理中花费较少。优选的是，所述源的工作参数随距离变化。
所述装置的所规定的扩展方案的优点在于，只有对于那些不在电路的校准链中的部件或组件才需要带端补偿(Bandendeabgleich)。如果在未检测的部件中时延偏差很小以至于其处于所要求的测量精度以下，那么就可以取消带端补偿。因此，本发明仅需要对已知应用电路的高灵敏接收路径做最小的电路技术上的干预，这以后就可以借助基准脉冲线圈来简单地改装所述已知应用电路。此外，在直接采样反向散射信号的情况下，可以使用所述装置执行自动校准的方法。所述源可以与电路相连接，所述源的工作参数可例如通过该电路来调节。
由于多次使用高频发射器，仅需要一个另外的初级线圈和一个附加的开关，这仅仅需要小的部件花费。在发射路径中不需要附加的开关。确定采样点数量的基准峰值的宽度可被调节，以与正常运行中出现的光脉冲相适配。
传统的应用电路用来通过高频变压器将模拟信号尽可能无干扰地耦合入A/D转换器中。现在通过本发明提供了一种用于将用于确定时延的基准脉冲馈入到应用电路中的适当的高频发射器。通过本发明可以实现在直接采样反向散射信号情况下自动校准，所述反向散射信号用于借助脉冲操作、超声波、激光雷达或雷达在用于检测周围环境的传感器中测量时延。基准信号的产生和馈送对传统应用电路的功能的影响很小。
所述装置的部件中的时延的热漂移可以借助温度传感器予以补偿。对于激光雷达系统，一些部件，例如激光二极管驱动器，具有显著地依赖于温度的时延。作为所述源的可能的部件，装置的对于力求达到的测量精度而言具有可视为恒定的时延的部件例如为激光二极管、接收二极管和放大器。
本发明的其他优点和扩展方案在说明书和附图中给出。
应当理解，上述特征以及下面将要描述的特征不仅可以以各给出的组合来使用，而且可以以其他组合或单独地使用，而不脱离本发明的范围。
附图说明
借助附图中的实施例示意性示出并在下面参照附图详细描述本发明。
图1示出了矩形波串法原理的两个图表；
图2示出了对于激光二极管可发射的光功率关于脉冲间隔比的第一示例的图表；
图3示出了对于激光二极管可发射的光功率关于脉冲间隔比的第二示例的图表；
图4示出了与工作参数相关的图表；
图5示出了工作参数与距离相关的适应性的示例；
图6示出了所述装置的电路的一种优选实施方式的示意性视图；
图7示出了校准的流程图；
具体实施方式
借助图1中的两幅图示出了矩形波串方法的原理。在描绘在左边的图表1中，沿横坐标4记录了一些距离单元，沿纵坐标2记录了一些关于这些距离单元的测量脉冲。按照图表1，对每十个脉冲进行一次信号平均。借助所述信号平均得到按照描绘在右侧的图表5的结果，其中，沿纵坐标6描绘了关于沿横坐标8的时间的强度。在五十个所测量到的脉冲之后得到这里目前的结果。在矩形波串法中，为了测量而进行时基扩展。因此，在不同的时刻对重复的信号进行采样，这可通过延时电路实现。每个单个设定的延时，对确定数量的脉冲进行分析处理，在此这通过每十个脉冲的求和来实现。
在矩形波串法中，位置分辨率通过延时或延时步长的大小来给定，在例如30m距离上有1000个延时级时，这相应于200ps的延时步长。
因为在矩形波串法中各个数据点出现得相对较慢，例如每个脉冲一个数据点，待传输或待计算的数据量相对较少。因此距离分辨率明显比在直接采样反向散射曲线的方法中要好，在所述直接采样方法中位置分辨率通过A/D转换器的采样率来给定。此外在现有的延时模块例如RobertBosch GmbH的“CC8502”中，还设定了用于校准距离等级的功能，这显著简化了传感器系统在带端的补偿。
直接对反向散射曲线进行采样的方法的优点是，反向散射曲线的所有点在这样一个脉冲之后存在，该脉冲相应于光穿过最大距离所经历的持续时间，例如在最大距离为75m时为500ns。在被传输给分析处理电子组件之后，这些点可以被进一步处理。
对于远距作用的激光雷达系统，使用具有高脉冲功率的激光二极管，该激光二极管以1∶40至1∶1000脉冲间隔比(工作循环)运行。通过减少脉冲功率可以使激光二极管以提高的工作循环运行。此外，在如图2所示的图表中，例如沿纵坐标11记录了关于沿横坐标12的工作循环的脉冲功率。横条14示出了一些延时等级。
在本方法中，在分析处理、分辨率和校准方面，例如在源或光源能以变化的工作循环运行的情况下在较大的距离范围上使用了较为有利的矩形波串法。
在如图3所示的图表中，就此而言示出了，在沿横坐标16记录的脉冲间隔小的情况下可降低一些延时等级(横条18)的等级，以使用于整个反向散射曲线的总测量时间保持最小。由此减小了分辨率能力，这对应于具有高脉冲功率的粗略扫描。在此，沿纵坐标20记录了一些延时等级(位置分辨率)或每个延时等级的一些采样点。在高脉冲功率情况下，可以减少被取平均的脉冲的数量，以缩短反向散射曲线的测量时间。通过适当地选择参数即工作循环、距离单元的数量和每个距离单元的取平均的数量，可以实现对于各个运行状态的最优化的效率。
工作参数即工作循环22、分辨力24、每个距离单元26的平均(值)、反向散射曲线28的测量时间以及脉冲功率30的电压场在图4的图表中示出。在本方法中，为了原则上检测物体的存在，先借助所述源以最大的脉冲功率和最小的工作循环22、粗略的距离分辨率24和每个距离单元26的最小的取平均次数进行粗略扫描。如果要检测物体，优选根据距离进行调节工作参数。在粗略扫描之后的精扫描中，减小光功率并且由此提高工作循环22、提高距离分辨率24并且必要时提高每个距离单元26的取平均的次数，这样所述装置的功能性或性能是优化的，属于所述功能性或性能的有：反向散射曲线的可接受的测量时间、眼睛安全性、激光二极管的寿命和/或有效距离。
附加地，可以在反向散射曲线的测量循环内也根据距离进行工作参数的适配，以在检测区域或范围中最优化地测量多个目标。为此在图5所示的图表中，记录反向散射关于距离的强度32。对于与距离有关的工作参数，该图表在左侧示出了第一组(Satz)36的反向散射曲线、在右侧示出了第二数据组38的反向散射曲线。
在图6中示出了本发明装置的一种实施例的电路40的方框图。所述电路40包括带有放大器的接收二极管42、高频发射器43、信号线圈44、脉冲形成器46、基准线圈48、模数(A/D)转换器50、分析处理单元52(在此该分析处理单元不产生时延效应)、控制单元54、发射二极管驱动器56、开关57以及作为源的带有强度控制装置的发射二极管58。规定，发射二极管58设置有用于发射光脉冲60的强度控制装置，并且接收二极管42设置有用于接收光脉冲62的放大器。该装置尤其是包括发射二极管58的源的工作参数可根据要进行粗略扫描还是精细扫描来调节。
在所述装置的正常运行中，在测量光时延时，由控制单元54将转换器时钟64发送给模数转换器50。在转换器时钟64的一个确定的时钟边缘上，由控制单元54产生一个脉冲66，在确定的时延之后所述脉冲通过测量装置的电子组件作为光脉冲60由发射二极管58发射出。开关57通过由控制单元54产生的触发脉冲67来切换。所发射的光脉冲60由物体反射作为光脉冲62。所述光脉冲62到达接收二极管42并且在接收电路中转化成电脉冲，所述电脉冲在A/D转换器50中被转换成数字的数据字68，所述数据字最后又到达控制单元54。反向散射曲线由对于确定数量的转换器时钟的数据字68组合而成。在信号处理单元中进一步对所述反向散射曲线进行处理，在所述信号处理单元中确定其峰值位置。
为了尽可能无干扰地检测此处的模拟信号，优选的是，在共模抑制下进行所述信号的差分测量。为了直流分量的输出耦合而使用耦合电容器。
除了用于信号的信号线圈44之外，在高频发射器43的初级侧70上附加地布置用于由所述装置产生的基准脉冲的基准脉冲线圈。用于测量基准脉冲的位置的工作循环基本上如确光脉冲62的位置一样进行。区别在于，用于触发光脉冲60的电脉冲66通过在高频发射器43的初级侧70上的开关被馈入。光脉冲60的发射被抑制，其中强度等于零，从而没有可能干扰基准脉冲的信号到达信号线圈44。基准脉冲像上述光脉冲62一样被传送到高频发射器43的次级侧74上并以相同的方式被处理以确定峰值位置。在必要时，还可以加入用于提供恒定时延特性的脉冲形成单元，以便能够尽可能准确地再现在正常运行中出现的光信号62，基于该光信号优化基本信号处理。现在可以基于电路40的构型由虚线包围的部件50、54、56来确定时延特征。
通过在此设置的耦合输入，可以最小化正常运行的干扰。此外，当发射二极管58的强度如在实施例中所述被置为零时，在发射路径中无需附加的开关。与信号的同样可能的电容性耦合输入相比，经过高频发射器43的耦合输入保留了共模抑制和电隔离中的优点。
图7中所示的图表中示出了根据本发明的装置的校准的流程图。其中，在四个步骤76、78、80、82中，在此为了确定图1所述的部件的时延而执行一个工作循环84。为此，在第一步骤76中将发射二极管58的射线强度最小化(图6)。在第二步骤78中，关闭用于基准脉冲的开关72(图6)，在第三步骤80中发射具有可调长度的光脉冲60(图6)并在第四步骤82中确定基准脉冲的位置，以确定在测量装置的部件50、54、56(图6)中的时延。在最后的步骤86中，将通过分析基准脉冲而求得的时延从光的时延中减去。
Claims (10)
1.借助发射脉冲信号的源来检测周围环境的方法，其中，由一个传感器检测被物体反向散射的信号，在该方法中在粗略采样情况下检测所述物体的存在，并且在该方法中为了确定与所检测到的物体相关的量而将所述源的工作参数调节至精细采样。
2.根据权利要求1的方法，以用于所述脉冲信号的可变的脉冲间隔比(22)来实施该方法。
3.根据权利要求2的方法，其中，为了实施所述粗略采样调节出最小的脉冲间隔比(22)和最大的脉冲功率(30)。
4.根据上述权利要求中任一项的方法，其中，根据所述物体的距离来调节所述源的用于执行所述精细采样的工作参数。
5.用于检测周围环境的装置，该装置尤其被构造用于实施根据权利要求1至4中任一项的方法，该装置具有发射脉冲信号的源和电路(40)，所述电路(40)在一个高频发射器(43)的初级侧(70)上的输入路径中具有用于产生基准脉冲的基准脉冲线圈(48)。
6.根据权利要求5的装置，所述装置具有至少一个另外的部件，其中，所述基准脉冲被形成用于确定所述至少一个另外的部件的时延。
7.根据权利要求5或6的装置，所述装置具有用于采样被物体反向散射的脉冲信号的传感器。
8.根据权利要求5至7中任一项的装置，所述装置被构造用于确定到所述物体的距离。
9.具有程序代码段的计算机程序，用于当所述计算机程序在计算机或相应的运算单元、尤其是根据权利要求5至8的装置的控制装置上实施时执行根据权利要求1至4中任一项的方法的所有步骤。
10.具有程序代码段的计算机程序产品，所述程序代码段存储在计算机可读的数据载体上，用于当所述计算机程序在计算机或相应的运算单元、尤其是根据权利要求5至8中任一项的装置中的控制装置上实施时执行根据权利要求1至4中任一项的方法的所有步骤。
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