CN108885250A - 用于光学测量距离的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

为了使得用于光学测量距离的方法或装置更不易于出错，非周期性地发射用于测量距离的测量脉冲。

Description

用于光学测量距离的方法和装置
技术领域
本发明涉及光学测量距离的方法和用于光学测量距离的装置。
背景技术
对所谓的目标进行光学主动距离测量，特别是对于车辆无人驾驶导航的应用，基于飞行时间原理。在大多数情况下，使用扫描传感器，优选LIDAR(“光检测和测距”的缩写)传感器，其周期性地发出脉冲。脉冲与固体、灰尘和气体的表面被不同地反射，其中反射的脉冲在传感器的方向上被检测到。通过确定从传感器到对象以及返回的脉冲渡越时间，可以借助光速确定距这些对象的距离。
现有技术已知的系统的缺点是发出脉冲的严格周期性。由于脉冲周期性地发出的事实，例如可以通过测量技术通过干涉信号来识别其周期性，并且有意地在LIDAR传感器在其方向上的检测范围中发送具有大致相同的适合于干涉的周期性的光脉冲。因此，错误的检测会确定性地发生，这明显干涉了到目标的距离的测量。此外，主要产生周期性干涉信号并且使得难以检测发送用于测量的脉冲的非有意放置的干涉源也会出现。由于环境条件，非故意放置的干涉源是随机源。用于测量距离的已知系统的故障倾向性的原因在于，系统不能从它们自己的用于测量距离的发出测量脉冲中区分干涉脉冲，特别是周期性干涉脉冲，因此在距离测量中不正确地包括来自干涉源的信号。结果是测量不存在的目标，即所谓的测量误差。具有旋转脉冲偏转单元(例如旋转镜或旋转传感头)的扫描LIDAR传感器也不能解决上面指出的问题，旋转脉冲偏转单元在脉冲发送出用于在各种方向(即与传感器平面成各种角度)上测量距离之前偏转脉冲。已知的脉冲偏转单元以恒定的旋转频率运行，并且发送出发射脉冲以及测量脉冲的反射回波的渡越时间以特定角度进行。在该实施方案中，测量方法的原理也可以由干涉源简单地理解，并且因此也易于受到有意或无意的干涉。
特别是在自动驾驶领域，即车辆的无人驾驶导航领域，特别是从安全方面来看，对特别引入或无意识地存在的干涉源缺乏稳健性是不可接受的。
发明的描述：目标，方案，优点
基本上，本发明的目的是改进用于以相对于干涉脉冲的故障倾向性显著减小的方式测量距离的方法。进一步的目的是进一步开发用于以相对于干涉脉冲被稳健地配置的方式测量距离的装置。
上述目的通过用于光学测量距离的方法来解决，其中多个测量脉冲通过脉冲发生单元被非周期性地发射和发出。至少一个发出的测量脉冲由一个或优选多个目标以反射测量脉冲的形式反射，其中检测器检测由目标反射到检测器的测量脉冲。确定测量脉冲到目标的渡越时间，其中借助于光速确定由测量脉冲覆盖的到目标的距离。更准确地说，测量测量脉冲到达目标和返回的渡越时间，其中测量脉冲到达目标的渡越时间由此通过除数2的除法来确定。目标包括测量对象。
光学距离测量的特征在于，通过使用光学信号，特别是光学测量脉冲来确定距离。术语“距离”应理解为距离。测量脉冲所覆盖的距离应理解为脉冲发生单元与目标之间的距离加上目标与检测器之间的距离，或脉冲发生单元与目标之间以及目标与检测器之间距离的总和。由于目标通常是三维的物体，所以目标的一些区域可以更近地布置并且目标的其他区域可以更远地布置。术语“到目标的距离”是指到目标的至少一个点的距离，特别是到测量脉冲已经入射并在测量脉冲被反射的点的距离。渡越时间应理解测量脉冲对于所述距离花费的时间。
脉冲是光学的，特别是电磁信号。优选地，脉冲具有脉冲持续时间。因此，脉冲可以被理解为电磁辐射的时间受限部分。在这种情况下，脉冲持续时间是脉冲的时间宽度，即脉冲的开始和结束之间的时间间隔。为了测量距离而发射并且优选被目标反射的脉冲被指定为测量脉冲。由于脉冲是电磁信号，因此脉冲的速度是已知的，因此可以通过测量脉冲的渡越时间，借助于光速来推断测量脉冲在渡越时间内已经覆盖何种距离。特别地，测量脉冲是激光脉冲，使得脉冲发生单元主要包括激光器，特别是脉冲激光器。有利地，脉冲发生单元包括激光二极管。优选地，脉冲发生单元由激光器组成。此外，脉冲发生单元可以优选地包括多个激光器。测量脉冲有利地是光脉冲，即具有来自人眼不可见的部分电磁波谱的波长的脉冲。
特别地，该方法包括允许脉冲发生单元和检测器的精确位置，特别是相对于彼此的精确位置。因此，借助于该信息，脉冲发生单元到目标的距离和/或检测器到目标的距离可以从来自脉冲发生单元的测量脉冲通过目标到检测器的渡越时间来得出。该方法尤其还包括脉冲发生单元和检测器在用于光学测量距离的装置中的布置及其用于测量距离的用途。由于用于光学测量距离的装置内部的脉冲发生单元和检测器的相对于彼此的已知的布置，可以确定从装置到目标的距离。
该方法优选地包括用于车辆，特别是汽车的导航的方法，其中车辆尤其自主地被控制，即可以通过导航实现车辆的无人驾驶的前进。术语“目标”可以理解为布置成专门用于车辆导航的标记，并且优选用于该目的。另外，目标可以是位于车辆周围并且其位置被用于车辆导航的环境特征。这包括例如树木、路缘、车道标线或其他固定或移动的道路使用者。在这种情况下，通常没有额外、特别地专门布置用于导航的标记用于导航。
脉冲发生单元生成并发射多个测量脉冲。为了能够确定到目标的距离，发出用于测量距离的发射测量脉冲，其中至少一个测量脉冲必须在目标处反射。由于目标处的反射，先前在某个方向上发出的测量脉冲以相反的方向返回。未在目标上反射的其他测量脉冲例如可以在其他目标处被反射或者在它们撞击目标之前覆盖如此宽的距离，使得它们的反射不再被检测器感知到。特别地，该方法适用于确定到多个目标的距离，特别是用于测量距离的装置的近邻环境中的所有目标。
目标反射的测量脉冲是先前发出但现在已改变其传播方向的测量脉冲。反射的测量脉冲因此可以理解为发出的测量脉冲的回波。本发明指定测量脉冲，该测量脉冲作为发出测量脉冲被发出用于测量，尤其是在其已经由脉冲发生单元发射并且优选地通过脉冲偏转单元偏转之后，而由目标反射的测量脉冲被称为反射测量脉冲，尽管它自然包含处于不同时间的相同的测量脉冲。
根据本发明，测量脉冲被非周期性地发出以测量距离。这意味着发出不是周期性地发生，即不是以时间上固定的方案发生。因此发出的连续的测量脉冲，更准确地说它们的发出时间相对于彼此具有不同的时间间隔。术语“发出”优选表示最终发送用于测量距离，使得该方法不包括测量脉冲的任何进一步偏转。如果该方法使用用于测量距离的装置，则发出的测量脉冲在它们被发出之后不再与用于波束引导的任何其他光学器件接触。特别是，用于测量距离的发出可以理解为离开装置。只要最终的发出是非周期性的，该定义允许以不同的方式在方法的不同步骤中产生非周期性。优选地，测量脉冲沿着目标的方向发出，特别是在测量脉冲已经由脉冲发生单元发射之后并且在它们已经优选地通过脉冲偏转单元偏转之后发出。
发射的测量脉冲因此不包括发出的测量脉冲。发射的测量脉冲肯定已经离开了脉冲发生单元，但是在本发明的意义上还没有最终发出用于测量距离。例如，测量脉冲可以在测量脉冲最终在脉冲偏转单元偏转并由此发出之前由脉冲发生单元发射。然而，由脉冲发生单元直接产生的脉冲也可以在没有进一步偏转的情况下送出以用于测量距离。在这种情况下，所产生的脉冲被脉冲发生单元发射并发出。
发送出测量脉冲的非周期性用于相对于干涉脉冲的更大的稳健性。干涉脉冲的特征在于它们的部分电磁辐射最初不是来自脉冲发生单元。干涉脉冲不用于测量距离，因此不是测量脉冲。干涉脉冲是由其他发生单元(这里指定为干涉源)发出的。特别是，干涉脉冲包括干涉光。特别是，测量脉冲非周期性地发出到装置的周围用于测量距离。
另一方面，如果脉冲周期性地发出，测量距离的方法基本上容易失败。这是因为该方法的特征值，例如重复率可以非常容易地从外部确定，使得特定的干涉信号可以由导致测量误差的干涉源发出。当周期性地发出测量脉冲时，脉冲序列可以被分配脉冲频率，该脉冲频率相互指定了测量脉冲相继的时间间隔。不应将频率与表征脉冲本身但与脉冲序列无关的脉冲的基本电磁信号的频率混淆。因此干涉脉冲可以有意地与周期性测量脉冲的频率同步。即使没有发生故意干涉，由于这种类型的干涉源可以发送周期性信号，非特定放置的干涉源可能导致测量误差。
由于尽管非周期性，装置内的实际发出时间是已知的，但在根据本发明的方法中，从检测器或用于测量距离的装置的角度来看，周期性干涉脉冲源产生相对于实际上用于测量距离的测量脉冲的无关噪声，因为周期性干涉脉冲的输入可能与非周期性发出的自身测量脉冲有关。
有利地，测量脉冲以不同角度发出，其中也从不同角度接收检测到的脉冲。术语“角度”主要表示立体角。该角度指定了测量脉冲被发出和/或接收的精确方向，例如相对于用于测量距离的装置的壳体的精确方向。作为以不同角度发出的结果，测量脉冲以不同的方向发送出去。类似地，反射的测量脉冲从不同的角度或从不同的方向接收。根据来自不同角度的测量数据，不仅可以确定单个测量脉冲在目标上的冲击点的距离，并且因此可以确定距目标的仅一个点的距离，但是可以确定距目标的不同点的距离。因此，可以进行局部相关的测量，这些测量可以确定目标的轮廓。尤其是，这些角度优选地仅彼此稍微不同，以便周围的细网眼扫描并因此扫描是可能的。
特别地，该方法包括使用用于光学主动测量距离的装置，其中该装置优选包括扫描装置，特别是扫描LIDAR传感器。术语“扫描”应被理解为至少一个目标的扫描，优选地该装置的环境的扫描。如果以扫描方法周期性地发出测量脉冲，则可能的是，干涉脉冲可以与测量脉冲序列的相应频率相匹配，使得检测到的干涉脉冲被错误地解释为相对于彼此的本地上下文中的测量脉冲。由于不可能验证用于这种方法或相应装置的测量数据，所以在测量中可能发生测量目标相对于装置的完全“移位”，并因此出现测量误差。
优选地，第一脉冲偏转单元用于以不同角度发出测量脉冲，其中第二脉冲偏转单元用于接收不同角度的反射测量脉冲。第一脉冲偏转单元用于在脉冲发生单元以不同角度发射后偏转并且因此发出测量脉冲。结果，脉冲发生单元本身不需要移动来以不同角度发出测量脉冲。测量脉冲最好由脉冲发生单元在一个方向上发射，即以一定角度发射，然后借助于脉冲偏转单元以不同的角度依次发出。特别地，脉冲偏转单元的当前角位置通过角度传感器确定并且被包括用于距离测量。在各种情况下脉冲偏转单元的当前角位置优选地以角度信号的形式传输到角度传感器。优选地，分别发出一个测量脉冲的两个连续角度之间的距离是相同的。因此可以进行均匀的扫描。
第一脉冲偏转单元优选地包括可旋转镜子。特别地，第一脉冲偏转单元以恒定速度旋转。可选地，整个装置也可以能旋转以测量距离，或者可以具有至少一个可旋转的扫描头，从而以这种方式可以以不同的角度发出。在这种情况下，可旋转镜子和/或可旋转装置，特别是装置的可旋转扫描头，优选以恒定的角速度旋转。此外，脉冲偏转单元可以包括影响脉冲运动方向的其他光学单元，例如所谓的MEMS反射镜，或者机电微镜或者相位控制的光学元件，所谓的“相控阵光学器件”，其中由于光学相位的空间修改，脉冲在不同方向上偏转。在“相控阵光学器件”中，由激光源传送的光优选地被引导到多个路径上，相应的组件在多个路径上经历单独的相移。由于后续的各种其相位受影响的路径的叠加，可以实现的是，辐射只在特定的方向上传播，该特定的方向可以通过改变相位来改变。
进一步优选地，第二脉冲偏转单元被用于接收来自不同角度的脉冲。为了使检测器本身不需要为了检测来自不同角度的脉冲而移动，脉冲特定地以一个角度被引导到检测器中，但是以不同的角度预先接收。优选地，第二脉冲偏转单元接收来自不同角度的脉冲，并使这些脉冲以固定的入射角入射到检测器上。第二脉冲偏转单元优选地包括可旋转镜子。可选地，检测器可以以这样的方式配置，即，尽管位置固定，它也能够检测来自不同角度的脉冲，从而不需要第二脉冲偏转单元。第二脉冲偏转单元或检测器优选地以恒定的角速度旋转。
优选地，相同的脉冲偏转单元，特别是相同的镜子用于以不同的角度发出测量脉冲并且用于以不同的角度接收脉冲。这意味着第一和第二脉冲偏转单元是相同的。可选地，第一和第二脉冲偏转单元可以不相同而是两个独立的单元，其中它们的运动优选彼此同步。
特别地，反射的测量脉冲在第二脉冲偏转单元处以其先前已经在第一脉冲偏转单元处发出的角度被接收。因此，这是合乎逻辑的，因为在目标处反射后测量脉冲精确地沿相反的方向传播，并且因此已知仅在目标处反射的测量脉冲必须再次以相同角度入射。特别是，脉冲偏转单元在接收到脉冲时的精确角位置通过角度传感器确定，并且被包含用于测量距离。
优选地，周期性地(即以规则的时间间隔)产生用于脉冲产生单元的触发信号。触发信号应被理解为触发特定事件的信号，特定事件在此为产生测量脉冲。触发信号产生的频率也被指定为载波频率。为了使测量脉冲非周期性地发出，换句话说，脉冲发生单元处的触发信号的输入或入射被延迟单元延迟。所产生的信号延迟也被称为延迟。触发信号最好由角度传感器产生。特别地，角度传感器在第一脉冲偏转单元的先前指定的角位置中产生触发信号。优选地，以恒定的角度步长产生触发信号，其中一个角度步长尤其对应于脉冲偏转单元的水平角分辨率。由于第一脉冲偏转单元优选地以恒定的角速度旋转，触发信号周期性地产生。具体而言，这些触发信号然后通过延迟单元延迟。
优选地，延迟单元在触发信号到达脉冲发生单元之前接收触发信号，并且将这些延迟的触发信号中继到脉冲发生单元。延迟单元特别注意确保用于产生测量脉冲的脉冲发生单元的触发信号被延迟，并且特别是以发出非周期性地发生的这样的方式被延迟，更确切地说是测量脉冲的发出时间以非周期性地发生的这样的方式被延迟。为此目的，脉冲产生单元的触发信号借助于延迟单元延迟了延迟时间。触发信号在每种情况下有利地延迟一个延迟时间，其中延迟时间以随后是发送出测量脉冲的非周期性的方式变化。触发信号被延迟单元在一定程度被阻止并因此迟滞并且仅在延迟时间过去之后才进一步中继到脉冲发生单元。如果观察到单个触发信号，则其接收，更确切地说其接收时间在脉冲发生单元处被延迟，从而相应的测量脉冲的产生并因此自脉冲发生单元的发射以及其发出在每种情况下延迟了相同的延迟时间。为了这个目的，延迟单元可以延迟所有的触发信号，并且特别地使得非周期性以不同的延迟时间产生。延迟单元也可能延迟不是全部而是仅部分触发信号，而它使其它触发信号不受影响。
可选地，可以实现测量脉冲的非周期性发出，由此由脉冲发生单元发射的测量脉冲借助于延迟单元被延迟。延迟单元可主要包括第一脉冲偏转单元或在发出之前反射发射的测量脉冲的任何其他光学器件。该延迟有利地例如通过使用步进电机通过延迟单元，特别是第一脉冲偏转单元或另一个光学器件的本身恒定旋转频率的小角度变化来实现。特别是，脉冲偏转单元以恒定的角速度旋转，但允许小的角度变化，使得测量脉冲在稍微不同的时间被反射并因此被发送出去。然而，发出也以稍微不同的角度完成。为了仍然以相同的角度发出延迟的测量脉冲，测量脉冲的脉冲重复率可以附加地与脉冲偏转单元的旋转频率的角度变化同步地变化。
此外，延迟单元可以是抖动发生器，其接收发射的测量脉冲并以延迟的方式中继或发出它们。由于如上所述的周期性产生的触发信号以未延迟的方式到达脉冲产生单元，所以在脉冲产生单元处接收触发信号是周期性地发生的。因此，测量脉冲会周期性地产生和发射。周期性发射的测量脉冲然后以这样的方式延迟，即测量脉冲非周期性地发出。该延迟可以如上面已经在触发信号的延迟描述中实现的那样完成。
为了确定测量脉冲的渡越时间，特别考虑到测量脉冲的发出和相应的反射测量脉冲的检测。在这种情况下，如果发送出的测量脉冲和反射的测量脉冲已经以相同的角度发出或接收，则它们彼此对应。这里假设光速与发出角度或脉冲偏转单元的角度的变化相比非常大。因此，通过发出角度和接收角度的一致性来实现发出的测量脉冲与作为反射脉冲的其回波的关联。
特别地，第一和第二定时器用于确定测量脉冲的渡越时间，其相应的时间测量由触发测量脉冲的触发信号，特别是延迟的触发信号启动。换句话说，第一和第二定时器只有在收到一个触发信号后才会激活。为此目的，优选地，特别是延迟的触发信号的一部分被发送到脉冲发生单元以生成测量脉冲，而另一部分以在第一和第二时间入射以激活它们的这样的方式耦合输出。第一定时器优选地包括起始脉冲时间并且第二定时器包括事件脉冲定时器。
更优选地，由脉冲发生单元生成的测量脉冲作为起始脉冲被引导到第一定时器，特别是起始脉冲定时器。为此，优选地，测量脉冲的部分沿第一定时器的方向耦合输出，而另一部分在目标的方向上被引导。起始脉冲可以是电脉冲而不是光脉冲。这优选通过脉冲发生单元从电流耦合出。
第一定时器的时间测量由延迟的触发信号触发。第一定时器特别确定在第一定时器接收到起始脉冲之前在第一定时器接收到延迟的触发信号之间的时间。该确定的时间优选作为用于确定的距离的第一定时器的输出端处的信号来获得。
相应的反射的测量脉冲作为电接收脉冲被引导到第二定时器，特别是事件脉冲定时器，其时间测量尤其也由延迟的触发信号启动。接收脉冲优选地从接收的测量脉冲耦合输出，特别是借助于检测器。在这种情况下，多个接收脉冲，特别是至少两个或三个接收脉冲被触发或耦合输出，从而执行多个时间测量。这用于确保即使在干涉情况下(例如由于挡风玻璃上的雨滴)也能进行正确的时间测量。
第二定时器优选地测量在第二定时器处接收到延迟的触发信号和在第二定时器处接收到接收脉冲之间的时间，其有利地存在于第二定时器的输出端处。从接收到起始脉冲到接收到接收脉冲之间的时间可以由定时器测量的两个时间通过取差值得出，距测量脉冲被反射的目标的距离可以借助光速来确定。由于触发信号的延迟在定时器的两个测量值中预先发送，所以通过取差值来抵消触发信号的延迟，从而不必知道单个脉冲的延迟来确定渡越时间。
严格地说，从第一定时器处接收到起始脉冲到第二定时器处接收到接收脉冲之间的时间是通过取差值来确定的。因此，在信号到定时器的渡越时间不同的情况下，可能会发生这种差值尚未再现测量脉冲的实际渡越时间。然而，这并不重要，因为关于发出延迟的触发信号的延迟单元、发出起始脉冲的脉冲产生单元和发出接收脉冲的检测器以及第一和第二定时器的布置的知识被提供，因此可以考虑到第一和第二定时器的信号的任何其他渡越时间。
优选地，第一和第二定时器构成两个不同的定时器。此外，第一和第二定时器可以仅由一个定时器来实现，该定时器同时满足第一和第二定时器的上述任务。
在所发射的测量脉冲被延迟的实施方案中，上述两个定时器也可以用于时间测量。唯一的区别在于确定定时器的时间。优选地，触发信号开始两个定时器的时间测量。由于在该实施方案中，触发信号不被延迟，而是周期性触发和发射测量脉冲，所以非延迟的触发信号开始两个定时器的测量。
第一定时器特别测量从第一定时器处接收到未延迟的触发信号直到在第一定时器处接收到起始脉冲之间的时间。第二定时器优选地测量在第二定时器处接收到未延迟的触发信号直到在第二定时器处接收到接收脉冲之间的时间。在这种情况下，如上所述触发起始脉冲和接收脉冲。然而，由于所发射的测量脉冲被延迟，所以由第二定时器确定的时间包括测量脉冲的延迟，而由第一定时器确定的时间不包括延迟，使得当取差值时延迟未被抵消。在确定渡越时间时，必须从定时器确定的时间中减去延迟时间。由于这是有意实施的延迟，所以提供与延迟时间相关的知识，以便可以容易地确定渡越时间以及因此确定距离。
优选地，延迟单元通过刻印抖动来延迟触发信号或发射的测量脉冲。术语“抖动”通常被理解为数字信号传输中的非人为和非故意产生的自然发生的频率变化，其确保其传输时间主要以不期望的方式变化。在目前情况下，期望出现抖动作为效果。相应地，延迟单元产生刻印在触发信号或发射的测量脉冲上的人为抖动。触发信号或发射的测量脉冲有意暴露于人为抖动，这确保了测量脉冲的发出时间被不同地延迟。测量脉冲的实际发出时间相对于没有延迟发生的理论情况的实际发出时间被抖动进行各种强烈地延迟。换句话说，触发信号或发射的测量脉冲有意地被人为地抖动。延迟单元具体包括抖动发生器。延迟单元尤其调制周期性产生的触发信号序列的相位和/或频率以抖动脉冲。
抖动发生器主要包括随机发生器。该随机发生器可以特别通过自然噪声源来实现。例如，通电的二极管可用于产生随机序列。在通电二极管的情况下，在所谓的p-n结处，即在具有相反掺杂的区域之间的材料过渡处产生噪声。可按规则的间隔取得噪声的幅度，并可通过模数转换器将这些模拟信号转换为数字值。因此，形成基于二极管的随机噪声的数字随机序列。随机发生器的另一个实施方案可以基于可以用反向耦合滑动寄存器生成的伪随机序列。进一步优选地，抖动发生器包括单元，该单元在要被延迟的信号上刻印延迟，特别是通过随机发生器的数字随机序列被用作触发信号或发射的测量脉冲的基础。
特别地，抖动包括统计抖动。尤其是，由抖动产生的延迟时间因此在统计上变化，特别是不规则地随着其幅度而变化。因此这尤其不包含将确保所有测量脉冲均匀地分层的系统抖动。
优选地，延迟单元从产生抖动的元件产生随机序列。因此，由于抖动以及因此实际的发出时间导致的延迟对于外部人员，特别是潜在的干涉者而言是不可预测地且不可重复地变化的，使得该方法的有意干涉变得不可能。
尤其是，在测量窗口的持续时间过去之后，不再检测到更多脉冲，其中抖动具有粒度并且该粒度大于或等于测量窗口的持续时间。通过这种方式实现了大部分干涉脉冲入射到有效测量窗口之外并且因此根本不被检测到。
测量窗口包括具有持续时间的时间间隔。这是从最大允许测量距离的假设中获得的，因为当目标和装置之间的距离超过一定距离时，就不能期望有更多可检测到的对象反射。测量窗口的持续时间是根据最大允许测量距离和光速获得的，然而，其中最大距离取决于对象的反射率。因此实际上经常指定随机值。通常在测量窗口持续时间过去后结束测量，以便检测器不能再检测到任何脉冲。
抖动的粒度被理解为由它触发的延迟的步长。粒度越小，延迟时间差异就越小。粒度越大，延迟时间差异越大，或者分散。优选地，粒度与至少一个测量窗口，优选两个测量窗口，进一步优选三个测量窗口的持续时间相对应。
有利地，以这样的方式选择延迟时间，使得它们可以导致距离测量的显著变化。延迟时间的这种选择再次增加了系统对干涉的稳健性。特别地，选择抖动，优选地抖动的幅度，使得延迟时间并且因此测量脉冲的实际发出时间相对于理论上未延迟的发出时间的时间偏移导致距离测量的显著变化。在这种情况下，抖动的幅度是脉冲发出时间有多延迟的度量。相应地，抖动越大，刻印的延迟时间越长。特别地，延迟时间对应于至少一个测量窗口，优选两个测量窗口，进一步优选三个测量窗口的持续时间。
特别地，由检测器检测到的脉冲包括测量脉冲和干涉脉冲，因为二者均被同样地检测到。在这种情况下，由于测量脉冲，特别是周期性干涉脉冲的发出的非周期性而检测到的干涉脉冲与用于测量距离的检测到的测量脉冲相区别。
因此，本发明可以检测周期性干涉脉冲，特别是该方法包括进一步的步骤，即测量距离时不考虑干涉脉冲，从而测量结果不会受到这些干涉脉冲的负面影响。由于干涉脉冲被分类为噪声，所以这可以通过例如抑制噪声来实现。
为了检测干涉脉冲，除了延迟的测量脉冲的渡越时间之外，还可以确定在理论发出相应的未延迟脉冲和实际检测到延迟脉冲之间经过的时间。这对应于延迟脉冲的测量的渡越时间加上延迟时间。因此有可能将利用常规周期性干涉信号的特定攻击与自然噪声区分开来，从而识别出有意的攻击。
载波频率优选地指定触发周期。触发周期指定位于两个未延迟的触发信号之间的时间。特别地，延迟时间以这样的方式选择，使得这些延迟时间小于读出周期与测量窗口之间的差异。
在另一方面，本发明包括用于测量距离的装置，其包括用于产生测量脉冲的脉冲产生单元和用于检测由目标反射的至少一个测量脉冲的检测器。在这种情况下，该装置被配置为非周期性地发出用于测量距离的测量脉冲。为此目的，该装置优选地包括延迟单元，该延迟单元被配置为延迟由脉冲发生单元生成的测量脉冲或者用于脉冲发生单元的触发信号，该触发信号触发测量脉冲，使得被非周期性地发出用于测量距离。
有利的是，该装置被配置为由于用于测量距离的测量脉冲的发出的非周期性而将由检测器检测到的干涉脉冲，尤其是周期性干涉脉冲与用于测量距离的目标处反射的检测到的测量脉冲相区分。
特别地，该装置包括扫描装置，有利地是扫描LIDAR传感器。为此，该装置包括用于以不同角度发出测量脉冲的第一脉冲发生单元，尤其是可旋转镜子，以及用于接收来自不同角度的反射测量脉冲的第二脉冲偏转单元，特别是可旋转镜子。优选地，第一脉冲偏转单元和第二脉冲偏转单元是相同的。可选地，然而，该装置可以包括两个单独的脉冲偏转单元，第一脉冲偏转单元和第二脉冲偏转单元。
延迟单元主要包括产生抖动的抖动发生器。抖动特别是刻印在脉冲发生单元的触发信号或发射的测量脉冲上。延迟单元可以进一步包括第一脉冲偏转单元或在发出之前所发射的测量脉冲被反射的任何其他光学器件。
该装置还包括用于确定测量脉冲的渡越时间的第一定时器和第二定时器。在这种情况下，第一定时器尤其包括起始脉冲定时器，而第二定时器尤其包括事件脉冲定时器。第一定时器和第二定时器可以是相同的，也可以由两个独立的组件来体现。有利地，该装置包括用于耦合输出用于第一定时器的起始脉冲的元件和用于耦合输出用于第二定时器的至少一个接收脉冲的元件。另外，该装置可以包括用于从脉冲发生单元的触发信号中耦合出用于激活定时器的信号的元件。
该装置还优选包括用于触发触发信号并用于确定第一脉冲偏转单元的当前位置的角度传感器。为了确定渡越时间或由脉冲覆盖的时间，装置优选具有评估单元，其中第一定时器和第二定时器可以是评估单元的一部分。此外，评估单元被配置为利用周期性信号来识别特定的干涉尝试。为此，评估单元也使用有关当前延迟的信息。评估单元被配置为确定是否存在总是与触发信号相关地同时入射的接收信号。这种信号可能涉及干涉尝试。评估单元通过第二定时器，优选事件脉冲定时器或借助于第三定时器，特别是由原始触发信号启动的另一事件脉冲定时器来接收与脉冲发生有关的信息。
特别地，该装置被配置用于执行根据本发明的方法。
附图说明
在附图中，示意性地：
图1示出了根据本发明的方法的流程图；以及
图2示出了与根据现有技术已知的方法相比，根据本发明的方法的脉冲序列的时序图。
发明详述
图1示出了根据本发明的用于测量距离的方法的流程图，其中图1中所示的箭头指示不同的信号或脉冲以及它们的传播方向。此外，图1示出了用于测量距离的装置(100)。
用于测量距离的装置(100)包括发射作为测量脉冲(12,13,14,15,16)的激光脉冲的激光器(11)作为脉冲发生单元(10)。此外，装置(100)具有用于以不同角度发出测量脉冲(12,13,14,15,16)的第一脉冲偏转单元(17)，其中描绘了两个角度(18,19)作为图1中的实施例。第一脉冲偏转单元(17)被实施为可旋转镜子(20)，其以由弯曲的箭头指示的旋转方向(21)以恒定的旋转频率旋转。通过在旋转镜子(20)处的反射，测量脉冲(12,13,14,15,16)被发出到装置(100)的周围。由于测量脉冲(12,13,14,15,16)以不同的角度(18,19)发出，用于测量距离的装置(100)包括扫描装置(100)，特别是扫描LIDAR传感器。
测量脉冲(12,13,14,14,16)在目标处反射。测量脉冲(12a，13a，14a，15a，16a)经由第二脉冲偏转单元(17)被接收，用于再次以不同的角度接收测量脉冲(12a，13a，14a，15a，16a)，其中以两个角度(18,19)为例示出。为此，第二脉冲偏转单元(17)以所描绘的旋转方向(21)以恒定的旋转频率旋转。反射的测量脉冲(12a，13a，14a，15a，16a)以它们先前已经被发出的相同角度被接收，因为它们在目标处的反射期间仅经历方向的反转。
接收的测量脉冲(12a，13a，14a，14a，16a)由第二脉冲偏转单元(17)中继到检测器(22)。第一脉冲偏转单元(17)和第二脉冲偏转单元(17)是相同的。为了更清楚起见，它们在图1中仅被示出为单独的单元。在此过程中，还要注意的是，为了更清晰起见，为了简化，图1中省略了用于光束聚焦的光学器件。
分别通过角度传感器(23)确定和解码镜子(21)的当前角位置。在这种情况下，第一脉冲偏转单元(17)将与角位置有关的相应信息传送给角度传感器(23)。在其中一个角度步长对应于第一脉冲偏转单元(17)的水平角分辨率的固定角度步长中，借助于角度传感器(23)分别产生激光器(11)的一个触发信号(24)。由于第一脉冲偏转单元(17)以恒定的旋转频率旋转，所以触发信号(24)因此周期性地产生。产生触发信号(24)的频率被指定为载波频率。在图1中代表性地示出触发信号(24)。
装置(100)还包括延迟单元(25)，其在来自角度传感器(23)的触发信号(24)到达激光器(11)之前拦截来自角度传感器(23)的触发信号(24)。延迟单元(25)包括抖动发生器(26)，其在触发信号(24)上刻印抖动(27a)，从而产生触发信号(24)的延迟(27)。延迟(27)的幅度或延迟时间由抖动发生器(26)预定义。触发信号(24)被延迟(27)延迟并作为延迟的触发信号(24a)在激光器(11)的方向上继续，触发信号(24)也在该方向上延迟方式入射。在这种情况下，对于每个触发信号(24)产生不同的延迟(27)，使得触发信号(24)被不同地延迟并且因此获得激光器(11)的触发器的抖动。
一旦在激光器(11)处接收到延迟的触发信号(24a)，触发从激光器(11)耦合输出的测量脉冲(12,13,14,15,16)的产生。测量脉冲(12,13,14,15,16)然后撞击在旋转镜子(17)上，旋转镜子将其偏转到装置(100)的周围。因此触发信号(24)的不同延迟的结果是非周期性测量脉冲序列。因此，可以抑制可以通过刻印具有相同载波频率的脉冲外部光而产生的干涉，因为这仅导致不相关的噪声测量。
距离的确定将在下文中针对测量脉冲(14)的实施例进行解释，但是解释自然地适用于所有测量脉冲(12,13,14,15,16)。测量脉冲(14)在目标处被反射并被检测为反射测量脉冲(14a)。为了确定到目标的距离，从激光器产生和耦合输出的测量脉冲(14)也作为测量的电起始脉冲(28)被引导到第一定时器(36a)，起始脉冲定时器(29)。这是通过将测量脉冲(14)的部分耦合输出到起始脉冲定时器来完成的。先前，延迟的触发信号(24a)从角度传感器(23)被引导至起始脉冲定时器(29)，以便开始起始脉冲(28)的时间测量。起始脉冲定时器(29)确定第一定时器(36a)处接收到延迟的触发信号(24a)直到在第一定时器(36a)处接收到由触发信号(24)触发的起始脉冲(28)之间的时间(70)，起始脉冲(28)可在用于确定距离的起始脉冲定时器(29)的输出端测量结束时作为信号(30)“触发直到起始脉冲”而获得。
为了确定测量脉冲(14)的渡越时间，所接收的测量脉冲(14a)在检测器(22)中被电制备并且作为电接收脉冲(31)从检测器被引导至第二定时器(36b)，事件脉冲定时器(32)。事件脉冲定时器(32)的时间测量类似于之前的起始脉冲定时器(29)通过为此目的从角度传感器(23)引导到第二定时器(36b)的延迟触发信号(24a)而开始。第二定时器(36b)测量接收到延迟的触发信号(24a)和接收到当检测到接收的测量脉冲(14a)时触发的接收脉冲(31)之间的时间(71)。在事件脉冲定时器(32)的输出端，在测量之后，存在“触发直至接收脉冲”的信号(33)，该信号包括测量时间(71)。
在第一定时器(36a)处接收到起始脉冲(28)和在第二定时器(36b)处接收到接收脉冲(31)之间的时间根据第一定时器(36a)和第二定时器(36b)的输出端的两个信号(30)和(33)确定，更确切地根据第一定时器(36a)和第二定时器(36b)所测量的时间(70,71)通过取差值来确定，距目标的距离(35)借助光速来确定。距离优选在装置(100)的评估单元(34)中确定。
图2示出与现有技术中已知的方法相比，涉及根据本发明的方法的脉冲序列的时序图。用于触发测量脉冲产生的脉冲也就是在脉冲产生单元处接收到的触发信号(43a，44a，45a，46a，47a，48a，43b，44b，45b，46b，47b，48b)以及在相应的定时器处接收到的触发两个定时器(36a，36b)的时间测量的脉冲，即起始脉冲(49a,50a,51a,52a,53a,54a,49b,50b,51b,52b,53b,54b)以及接收脉冲(55a,56a,57a,58a,59a,60a,55b,56b,57b,58b,59b,60b)在时间线(40a,41a,42a,40b,41b,42b)上示出。在每种情况下，脉冲的时间顺序显示为脉冲三元组。在图2的灰色上部区域中示出了现有技术中已知的未延迟情况下的脉冲行为。相应的脉冲和时间线用“a”标识，在图2的下部区域中，示出根据本发明的情况的脉冲序列，其中脉冲和时间线各自被赋予“b”。
在脉冲产生单元(10)处接收到的触发信号(43a，44a，45a，46a，47a，48a，43b，44b，45b，46b，47b，48b)分别显示在上面的时间线(40a，40b)，而在中间时间线(41a，41b)上示出在第一定时器(36a)处接收到的起始脉冲(49a，50a，51a，52a，53a，54a，49b，50b，51b，52b，53b，54b)，并且在第二定时器(36b)处接收时的接收脉冲(55a，56a，57a，58a，59a，60a，55b，56b，57b，58b，59b，60b)显示在下面的时间线(42a，42b)上。在这种情况下，相互平行延伸的时间线(40a，41a，42a，40b，41b，42b)在时间上对应，从而直到时间线(40a，41a，42a，40b，41b，42b)中的一个上的某点的时间在其他时间线已经经过，甚至到达位于其上方或下方的相应对应点。因此，可以得出不同时间线上显示的脉冲之间的时间差。
在图2的上部区域所示的未延迟的情况下，脉冲发生单元(10)处的触发信号(43a，44a，45a，46a，47a，48a)的接收是周期性地发生的。触发信号(43a，44a，45a，46a，47a，48a)的频率被指定为载波频率。每种情况下通过反转载波频率获得的相关时间间隔被指定为也是恒定的触发时间。作为实施例，描绘了两个相同的触发时间(67,68)。一旦在脉冲发生单元(10)处接收到触发信号(43a，44a，45a，46a，47a，48a)，它们就触发测量脉冲的生成，其中这些被作为起始脉冲(49a，50a，51a，52a，53a，54a)沿第一定时器的方向耦合输出。由于在脉冲发生单元处接收到触发信号(43a，44a，45a，46a，47a，48a)没有延迟，所以测量脉冲的产生，脉冲发生单元的发射以及由此起始脉冲(49a，50a，51a，52a，53a，54a)的产生也周期性地发生。触发信号(43a，44a，45a，46a，47a，48a)与对应的起始脉冲(49a，50a，51a，52a，53a，54a)之间的距离在每种情况下是相同的。
由触发信号(43a，44a，45a，46a，47a，48a)触发的测量脉冲以不同的角度沿不同的方向发出。在目前的情况下，测量脉冲在同一个目标处反射，因此它们的渡越时间在近似值上不同。因此，相对于起始脉冲(49a，50a，51a，52a，53a，54a)或触发信号(43a,44a,45a,46a,47a,48a)以规则的间隔产生接收脉冲(55a,56a,57a,58a,59a,60a)，其通过检测相应的反射测量脉冲而被触发。在触发信号(45a)和相应的接收脉冲(57a)之间的距离(70)以及起始脉冲(51a)和接收脉冲(57a)之间的距离(69)作为实施例被描绘为图2的上方区域中。
由于这种测量方法由于触发信号(43a，44a，45a，46a，47a，48a)以及因此测量脉冲的发出和起始脉冲(49a，50a，51a，52a，53a，54a)的触发的周期性而可以非常容易地看透，因此很容易被干涉，尤其是具体地通过产生具有与触发信号(43a，44a，45a，46a，47a，48a)相同的载波频率的干涉脉冲，通过测量距离的方法或用于测量距离的装置难以将干涉脉冲与实际测量脉冲区分开，因而导致测量误差。
在图2的下部示出其脉冲序列的本方法中，在脉冲发生单元处的触发信号(43b，44b，45b，46b，47b，48b)的相应接收被延迟了延迟时间(61，62，63，64，65，66)。在这种情况下，延迟时间(61，62，63，64，65，66)不同，使得触发信号(43b，44b，45b，46b，47b，48b)被延迟到不同的程度。结果，在脉冲发生单元处接收两个连续触发信号(43b，44b，45b，46b，47b，48b)之间的距离不是恒定的。由第一定时器的触发信号(43b，44b，45b，46b，47b，48b)和起始脉冲(49b，50b，51b，52b，53b，54b)触发的测量脉冲是非周期性地产生的。第一定时器测量接收到延迟的触发信号(43b)和接收到起始脉冲(49b)之间的时间(80)，其中第二定时器测量接收到延迟的触发信号(43b)以及接收到接收脉冲(55b)之间的时间(81)，两者都作为实施例针对图2下部区域中的脉冲序列示出。测量脉冲的渡越时间(82)并且据此到测量脉冲被反射的目标的距离可以根据两个时间(80,81)的差值来确定。作为延迟的触发信号的非周期性的结果，与现有技术中已知的方法相比，该方法相对于干涉脉冲特别是周期性的干涉脉冲而言明显地不易失败。具体地说，通过在载波频率处周期性干涉信号的同步，该方法不再受到外部有意地干涉。
附图标记列表
100 用于光学测量距离的装置
10 脉冲发生单元
11 激光器
12，13，14，15，16 测量脉冲
12a，13a，14a，15a，16a 反射的测量脉冲
17 第一和第二脉冲偏转单元
18,19 角度
20 镜子
21 镜子的旋转方向
22 检测器
23 角度传感器
24 触发信号
24a 延迟的触发信号
25 延迟单元
26 抖动发生器
27a 抖动
27b 延迟
28 起始脉冲
29 起始脉冲定时器
30 信号“触发直到起始脉冲”
31 接收脉冲
32 事件脉冲定时器
33 信号“触发直到接收脉冲”
34 评估单元
35 到目标的距离
36a，36b 第一定时器，第二定时器
40a，41a，42a，40b，41b，42b 时间线
43a，44a，45a，46a，47a，48a， 触发信号
43b，44b，45b，46b，47b，48b
49a，50a，51a，52a，53a，54a， 起始脉冲
49b，50b，51b，52b，53b，54b
55a，56a，57a，58a，59a，60a， 接收脉冲
55b，56b，57b，58b，59b，60b
61，62，63，64，65，66 延迟时间
67，68 触发时间
69 无延迟的测量脉冲的渡越时间
70 未延迟的触发信号和相应的接收脉冲之间的时间
80 接收到延迟的触发信号和接收到起始脉冲信号之间的时间
81 接收到延迟的触发信号和接收到接收脉冲之间的时间
82 测量脉冲的渡越时间

Claims (15)

1.用于光学测量距离的方法，
其中借助脉冲产生单元(10)发射多个测量脉冲(12,13,14,15,16)，其中，
其中所发射的测量脉冲(12,13,14,15,16)被发出以测量距离，
其中至少一个发出的测量脉冲(12,13,14,15,16)被目标以反射测量脉冲(12a，13a，14a，15a，16a)的形式反射，
其中借助于检测器(22)检测由所述目标反射的所述测量脉冲(12a，13a，14a，15a，16a)，
其中确定所述测量脉冲(12,13,14,15,16)到所述目标的渡越时间(72)，
其中借助于光速确定由所述测量脉冲覆盖的到所述目标的距离，
其特征在于：
用于测量距离的所述测量脉冲(12,13,14,15,16)被非周期性地发出。
2.根据权利要求1所述的用于光学测量距离的方法，
其特征在于：
发出的测量脉冲(12,13,14,15,16)以不同的角度(18,19)，并且
反射的测量脉冲以不同的角度(18,19)被接收，
其中特别是第一脉冲偏转单元(17)用于以不同角度(18,19)发送出测量脉冲(12,13,14,15,16)，其中特别是第二脉冲偏转单元(17)用于接收来自不同角度(18,19)的反射的测量脉冲(12a，13a，14a，15a，16a)。
3.根据权利要求1或2所述的用于光学测量距离的方法，
其特征在于：
周期性地产生用于所述脉冲产生单元(10)的触发信号(24,43a,44a,45a,46a,47a,48a,43b,44b,45b,46b,47b,48b)，
其中所述触发信号(24,43a,44a,45a,46a,47a,48a,43b,44b,45b,46b,47b,48b)触发测量脉冲的发射，
在所述脉冲产生单元(10)处的所述触发信号(24,43a,44a,45a,46a,47a,48a,43b,44b,45b,46b,47b,48b)或所发射的测量脉冲(12,13,14,15,16)的接收借助于延迟单元(25)进行延迟，以使得用于测量距离的测量脉冲(12,13,14,15,16)被非周期性地发出。
4.根据权利要求3所述的用于光学测量距离的方法，
其特征在于：
借助第一定时器(36a)和第二定时器(36b)确定所述测量脉冲(12,13,14,15,16)的渡越时间，
其中通过触发所述测量脉冲(12,13,14,15,16)的触发信号(24,43a,44a,45a,46a,47a,48a,43b,44b,45b,46b,47b,48b)开始所述第一定时器(36a)的时间测量和所述第二定时器(36b)的时间测量。
5.根据权利要求3或4所述的用于光学测量距离的方法，
其特征在于：
用于所述脉冲发生单元(10)的所述触发信号(24,43a,44a,45a,46a,47a,48a,43b,44b,45b,46b,47b,48b)或发射的测量脉冲(12,13,14,15,16)通过刻印抖动(27a)，特别是统计抖动而被延迟。
6.根据权利要求5所述的用于光学测量距离的方法，其特征在于：
在测量窗口的持续时间过去之后，不再检测到脉冲，其中所述抖动(27a)具有粒度，并且
其中所述抖动(27a)的粒度大于或等于测量窗口的持续时间。
7.根据前述权利要求3至6中任一项所述的用于光学测量距离的方法，
其特征在于：
借助于延迟单元(25)产生的延迟时间(61,62,63,64,65,66)以所述延迟时间(61,62,63,64,65,66)导致距离测量的重大转变的方式进行选择。
8.根据前述权利要求之一所述的用于光学测量距离的方法，
其特征在于：
所述检测器(22)检测脉冲，
其中由所述检测器(22)检测到的脉冲包括反射测量脉冲(12a，13a，14a，15a，16a)和干涉脉冲，
其中作为用于测量距离的测量脉冲(12,13,14,15,16)的发射的非周期性的结果，检测到的干涉脉冲，特别是周期性的干涉脉冲，与用于测量距离的在目标(12a，13a，14a，15a，16a)处反射的检测到的测量脉冲相区分。
9.根据前述权利要求3至8中任一项所述的用于光学测量距离的方法，
其特征在于：
为了区分测量脉冲和干涉脉冲，确定发送出非延迟测量脉冲和检测到附属延迟反射测量脉冲(12a，13a，14a，15a，16a)之间的时间。
10.用于测量距离的装置(100)，
包括用于产生测量脉冲(12,13,14,15,16)的脉冲产生单元(10)和用于检测由所述目标反射的至少一个测量脉冲(12a，13a，14a，15a，16a)的检测器(22)，
其特征在于：
所述装置(100)被配置为非周期性地发出所述测量脉冲(12,13,14,15,16)以测量距离。
11.根据权利要求10所述的用于测量距离的装置(100)，
其特征在于：
所述装置包括延迟单元(25)，其中所述延迟单元(25)被配置为延迟由脉冲发生单元(10)发射的测量脉冲(12,13,14,15,16)或触发所述脉冲发生单元(10)的测量脉冲(12,13,14,15,16)的触发信号(24,43a,44a,45a,46a,47a,48a,43b,44b,45b,46b,47b,48b)，使得用于测量距离的测量脉冲(12,13,14,15,16)被非周期性地发出。
12.根据权利要求10或11之一所述的用于测量距离的装置(100)，
其特征在于：
所述装置(100)被配置为，作为发送出用于测量距离的测量脉冲(12,13,14,15,16)的非周期性的结果，将由所述检测器(22)检测到的干涉脉冲，特别是周期性干涉脉冲区分于在所述目标处反射的用于测量距离的检测到的测量脉冲(12a，13a，14a，15a，16a)。
13.根据前述权利要求之一所述的用于光学测量距离的装置(100)，
其特征在于：
所述装置(100)包括用于以不同角度(18,19)发送出所述测量脉冲(12,13,14,15,16)的第一脉冲偏转单元(17)，特别是可旋转镜子(20)，
其中，所述装置(100)还包括第二脉冲偏转单元(17)，特别是可旋转镜子(20)，用于从不同的角度(18,18)接收反射的测量脉冲(12a，13a，14a，15a，16a)，
其中特别是所述第一脉冲偏转单元(17)和所述第二脉冲偏转单元(17)相同。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的用于光学测量距离的装置(100)，
其特征在于：
所述延迟单元(25)是抖动发生器(26)或第一脉冲偏转单元(17)。
15.根据前述权利要求之一所述的用于光学测量距离的装置(100)，
其特征在于：
所述装置(100)被配置用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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