CN109557551A - 激光扫描仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光扫描仪。一种适合于安装至车辆(2)的激光扫描仪装置(1)包括基于激光测量光束(5，26)和飞行时间测量原理特别是利用波形数字化技术而工作的LiDAR模块。所述LiDAR模块被构造成提供：至少60°的水平视场(3)；至少±2°的瞬时竖直视场(17)；在水平和竖直方向上每0.8°至少一个点的扫描分辨率；以及用于以所述扫描分辨率扫描至少整个水平视场(3)和瞬时竖直视场(17)的至少10Hz的帧速率，其中所述LiDAR模块包括多光束发射器，该多光束发射器被构造成产生多个测量光束(5，26)，特别是脉冲激光光束，从而限定多个基本瞬时扫描轴线(6)。

Description

激光扫描仪
技术领域
本发明涉及一种具有基于TOF-WFD(飞行时间波形数字化)工作的LiDAR(光检测和测距)模块的激光扫描仪装置。
背景技术
基于TOF-WFD工作的LiDAR在本领域中是公知的，并且例如在莱卡地理系统的扫描站P20、P30和P40中实现。
为了使自动驾驶汽车运行，优选的是预先将道路完全绘图。这可以通过具有某种扫描仪装置来对相应区域进行扫描和绘图的专用汽车进行。
为了在这种用于对道路进行绘图的车辆上使用，LiDAR模块对于与高帧速率进行组合的扫描视场(FOV)有特殊要求。水平视场(HFOV)应该为大约80°，而竖直视场(VFOV)可以相当小(大约±25°)。还定义了瞬时竖直视场(iVFOV)，该瞬时竖直视场通过非常高的速度进行扫描，从而点记录测量速率超过每秒1百万点。在角跨度HFOV×iFOV内，测量帧速率通常是周期性的。瞬时竖直视场(iVFOV)仅需要大约±5°。用于扫描这种FOV的帧速率应该为至少25Hz。为了针对这种特殊要求进行调节，新的器件和技术平台是必要的。
原则上，这种LiDAR模块例如设计有基于光电激光器的测距仪，以便测量到作为测量点的物体点的距离，其中可以存在偏转元件，以改变激光器测距光束例如相对于一个或若干独立空间方向的测量方向，由此能够捕获空间测量或扫描区域。
举例来说，偏转单元可以以移动镜子的形式实现，或者另选地也可以由适合于控制光学辐射的角偏转的其他元件实现，例如可旋转的反射或透明棱镜、移动光学相位、折射光学元件、可变形光学部件等等。该测量通常通过确定距离和角度(也就是说，以球坐标为单位)进行，这种球坐标还能够转换成笛卡尔坐标，以供显示和进一步处理。
具体而言，LiDAR模块可以具有不同的光束路径，即一个光束路径用于传输辐射，而一个用于接收光束，或者传输通道和接收通道的光束路径能够至少部分地重叠。具体而言，光束路径因而可以以这样的方式配置，即：偏转单元仅仅作用在传输辐射上，即其中接收通道的成像作用独立于偏转单元的光束偏转元件的控制。再举例来说，传输通道和接收通道可以各自具有它们自身的分开控制的偏转单元，或者单个偏转单元可以既作用在传输辐射上又作用在接收辐射上。
在电子或光电距离测量领域中已知各种原理和方法。一种方案是向待测量目标发射脉冲电磁辐射(如激光)，并且从作为反向散射物体的该目标接收回波，其中距待测量目标的距离可以通过脉冲的飞行时间(ToF)、形状和/或相位来确定。这种激光测距仪现在已经变成许多领域中的标准解决方案。
为了检测返回脉冲或返回脉冲序列，通常使用两种不同方案或其组合。
在所谓的阈值方法中，当入射到测距装置的检测器上的辐射强度超过一定阈值时，检测到光脉冲。这种阈值防止来自背景的噪音和干涉信号被混淆为测量信号。然而，在例如由于较大测量距离而导致返回脉冲较弱的情况下，一旦脉冲强度低于设定检测阈值，则就不再可能检测到测量信号。因而，这种阈值方法的根本缺点是，测量信号的幅度必须充分大于信号路径中的光学和电气噪音源的幅度。因此，为了充分降低误检率，可能需要将该阈值设置为一定水平，因此测量可能仅在一定条件下可用。
另一个方案是基于返回脉冲采样。该方案通常用于弱反向散射信号(例如，脉冲信号)。该方法也可以被认为整体信号获取，其中确定完整测量信号以及本质噪音信息，这导致测量精度增加。通过对与由检测器检测到的辐射相关的检测器数据进行采样，识别采样数据中的信号，并且最终通过确定该信号的返回时间，检测到发射信号。通过使用大量采样值和/或通过相对于发射速率对检测器数据进行同步求和，在不利的情况下也能够识别出有用信号，从而在甚至更大距离上或在嘈杂或容易干扰的背景场景上也可以进行测量。
例如，由检测器检测到的辐射的模拟信号的整个波形经常通过所谓的波形数字化方法(WFD)进行采样。在识别了所接收的信号的相关传输信号(ASK、FSK、PSK，也称为距离或间隔调制等等)的编码之后，例如通过傅里叶变换或基于所采样的、数字化重构信号路径的限定路径点(如拐点、弯曲最大值)或者一体地通过从时间插值已知的最佳滤波器，确定非常精确的信号传播时间(“脉冲传播时间”，ToF)。
作为确定脉冲传播时间的另选方案或者除了确定脉冲传播时间之外，还经常针对以幅度、相位、极化和/或波长(频率)进行编码或调制的脉冲或脉冲序列进行(快速)采样。
例如，由检测器产生的电信号通过模数转换器(ADC)转换成数字信号序列。然后基本实时地对该数字信号进行处理。在第一步骤中，对信号序列进行解码，即通过特殊数字滤波器(ASK、FSK、PSK等)识别该信号序列，最后确定描绘信号序列内的时间间隔的识别标志(signature)的位置。时间分辨识别标志的示例为重心、正余弦变换或具有从脉冲形状导出的权重系数的幅度限定FIR滤波器(“有限脉冲响应滤波器”)。为了消除任何距离漂移，还可以将对应的时间分辨识别标志与内部起始信号进行比较。为了避免不可逆转的采样误差，可以使用本领域技术人员已知的其他数字信号变换。
例如，如EP 1 832 897B1所描述的，最简单的调制模式之一是通过距离编码对各个脉冲或脉冲序列进行标记，这可以用于可重识别性之目的。当产生模糊性(由于在脉冲的飞行时间过程中发生的不同场景而可能引起这种模糊性)时，例如如果在测量装置和目标物体之间有多于一个的脉冲或脉冲组，则这种识别就是必须的。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的LiDAR扫描仪装置。
本发明的具体目的是提供这样一种装置，该装置满足以上阐述的要求，特别是其中该LiDAR扫描仪装置可在自动行驶汽车、面包车、火车、无轨电车、机器人或其他移动车辆中使用。
这些目的中的至少一个目的通过本发明的各个实施方案的激光扫描仪装置实现。
本发明涉及一种适合于安装至车辆的激光扫描仪装置，该装置包括基于激光测量光束和飞行时间测量原理特别是利用波形数字化技术而工作的LiDAR模块。
根据本发明，所述LiDAR模块包括多光束发射器，该多光束发射器被构造成产生多个测量光束，特别是脉冲激光光束，所述多个测量光束限定多个基本瞬时扫描轴线，并且所述LiDAR模块包括用于检测所述测量光束的返回部分的接收器，在下文中将该返回部分称为回波辐射，其中所述LiDAR模块被构造成基于所述回波辐射确定一组返回信号，每个返回信号对应于不同的测量光束。所述LiDAR模块进一步具有被构造成将所有测量光束准直的共用退出光学器件，特别地其中所述共用退出光学器件同时被构造成作为用于捕获所述回波辐射的接收光学通道的第一光学元件。
在本发明的范围内，所述LiDAR模块被构造成提供：至少60°的水平视场，特别是在60°和180°之间的水平视场；至少±2°的瞬时竖直视场；在水平和竖直方向上每0.8°至少一个点的扫描分辨率；和用于以所述扫描分辨率扫描至少整个水平视场和瞬时竖直视场的至少10Hz的帧速率。
多光束激光扫描仪具有若干优点，例如，获得更高的点速率或更高的点密度，例如，利用旋转光束偏转镜的更缓慢旋转速度。此外，需要更少的移动部件，并且可以实现更紧凑的设计。然而，所发出的各个光束在每种情况下都必须与相关的接收区域对准，其中各个光束之间的串扰(例如其中与第一光束相关联的具体接收区域检测到与接近该第一光束发出的第二光束的光)可能限制多光束测量的能力。
因此，脉冲或脉冲组编码在多光束系统中可能特别必要，其中通过产生用于同时扫描的多个光束来获得扫描数据。
例如，多光束LiDAR模块可以被实施为产生彼此相邻的多个各个测量光束(每个光束具有小的发散角)，而不是产生必须以时间改变方式进行偏转的单个测量光束，以便扫描由多个测量光束基本瞬时捕获的区域。各个光束可以作为例如布置在共用平面内的一组发散或会聚光束(发散线激光/条带激光/扇形激光)或者被布置成使得它们产生各个光束的圆锥。另选地，各个光束可以彼此平行地发送出。
举例来说，所述装置被构造成具有如下至少一个：至少70°特别是至少80°的水平视场；至少±2°特别是至少±5°的瞬时竖直视场；在水平和竖直方向上每0.5°至少一个点特别是每0.3°至少一个点的扫描分辨率；以及用于以所述扫描分辨率扫描至少整个水平视场和瞬时竖直视场的至少20Hz特别是至少25Hz的帧速率。
在一个实施方式中，所述发射器包括：辐射源；和多光束产生器，该多光束产生器基于由所述辐射源发射的辐射，特别是基于如下中的至少一者而产生所述多个测量光束：全息结构；液晶空间调制器；和光学相位阵列。
在进一步实施方式中，所述多光束产生器被构造成使得产生所述多个测量光束以形成基本瞬时1D或2D扫描图案。
例如，通过使用全息结构，在光束形成过程中例如通过使用全息结构、衍射光学分束器和单个发射器可以减少发射器的数量。因此，不是针对每个光束(和波长)都使用二极管，而是可以使用全息图。
例如，如果使用不同波长的辐射源，则可以由单独激光器为每个波长照射全息图。因为由全息图投射的光束的倍增因数，产生了相同波长的多组光束。这些光束组在监测区域中被混合，从而在该监测区域中没有同一组/波长的投射光束的重叠。
此外，还可以通过附加事项在通道之间进行区分，例如通过编码序列，其中第一组光束与发出第一代码的第一二极管相关联，第二组光束与发出第二代码的第二二极管相关联。在监测区域中，实际上，一组的光束并不定位在一起，而是与其他组的光束混合。然而，光束组可以发源于类似局部区域/单个全息图。然后将光束的取向选择成使得在监测区域中实现光束排列的正确混合或者使用多个波长。
再举例来说，发源于相同或重叠目标区域的多颜色回波反射(其光束由显然类似的源或源方向发出)可以使用例如棱镜或全息发散器或分束器在接收器处进行分割。使用全息图，可以在维持通道分离的同时减少发射器的成本和尺寸。在其中发出光束包围接收光学器件的分布式系统概念中，使用光导/光纤将源自于二极管的光束输送至例如围绕偏转镜布置的目标全息图。
再举例来说，使用全息光栅，可以使用(发散)点源产生准直光束。在全息图创建过程中通过使用具有不同光束间取向和间隔的多个准直光束作为物体源，从单个点源重构多个准直物体光束，其中这些光束的横向位置和相互取向在全息图的创建过程中确定。当选择性地使用多个全息图(每个全息图都是被创建为具有光束的不同横向间隔和/或变化相互取向和/或每个光束的变化发散)时，能够投射多个发射图案。这些多个全息图可以在一个共用光学板上实现并且可以选择性地移动到主激光光束内。另选地，这些全息结构可以通过由电控制信号操作的单个空间相位调制器产生。
通过全息图再创建(准直)光束使得可以对光束进行准直而无需附加光学元件以及因此所用的支架，其中将光源放置在与创建全息图时的位置相比不同位置(角度)处以不同波长创建重构光束。
根据另一个实施方式，所述辐射源为1D或2D发送器阵列，特别是单个激光二极管棒或多个堆叠的激光二极管棒。
举例来说，所述发送器阵列可以被构造成提供可选择性控制的激光二极管。
例如，可以通过以晶片等级的微透镜阵列作为与显微镜透镜组合的光收集和预准直透镜阵列来实现将VCSEL阵列准直成单个光束。
光源的紧凑设置可以通过位于棒状半导体基板上的激光二极管阵列实现，其中发射点排列成直线。激光器可以选择性地激活，因而所有种类的空间图案都是可能的。例如，可以交替地激活棒中的奇数或偶数激光器，从而使得相邻通道之间不存在光学串扰。这种阵列结构允许非常高的集成度，特别是当激光二极管阵列机器电子驱动电路在一个电子芯片上实现时。
另一个实施方式的特征在于，所述多个测量光束被产生成使得在所述多个测量光束内，每个测量光束是能基于如下至少一者通过对应的光束标识符识别的：光束波长；光束的极化状态；以及脉冲编码，特别地，其中所述多个测量光束中的至少两个光束具有特别地基于贝克脉冲的正交脉冲编码。
因而，为了减少光学串扰，可以使用多个激光二极管，其中每个激光二极管可以使用不同波长，或者为了限制不同部件的数量，可以以如下方式使用两个或更多个波长，即：波长交替，使得至少相邻激光光束具有不同波长。
使用多个极化状态/多个极化器是区分同时发出的多个光束的另一个方法。然而，扫描未知环境的扫描仪的通常无法控制的入射角度经常引入模糊性，这是因为入射光束的极化状态会根据入射角度和被扫描物体的材料而发生改变。
减少串扰的另一种方式是对激光二极管阵列进行顺序或交替调制，其中通过这样做，在时间上将相邻光束分开。
减少串扰影响的附加措施是通过发送编码脉冲。根据发射器的数量、容许眼睛安全极限和期望范围，每个各个发射器可以具有单独的唯一编码。为了减少唯一编码的数量，以如下方式发送编码脉冲，即：相邻发射器发送正交脉冲。例如，当使用贝克脉冲时，与发送单个脉冲相比，延长脉冲长度不会影响相关峰值的锐度。在眼睛安全性允许更大激光功率的情况下，贝克脉冲可能也是有益的，不过激光二极管的峰值功率处于其极限。在发送多个脉冲的情况下，例如贝克脉冲可以得到更好的通道分离和增加的信噪比(S/N)。
在进一步的实施方式中，所述多个测量光束被产生成使其光束基于如下至少一者可被识别为具有共用组标识符的一组：共用组波长或赋予该组的波长范围；该组的共用极化状态或赋予该组的极化状态范围；和该组的共用脉冲编码或赋予该组的脉冲编码范围。
因此，在包括多个车辆(其中每个车辆都配备有本发明的激光扫描仪装置)的系统中，每个激光扫描仪装置能够毫不模糊地识别出其自身激光光束，即防止了第一车辆的LiDAR模块将与第二车辆相关的辐射误解释为其自身辐射(这将导致错误测量)的风险。
另一个实施方式涉及一种激光扫描仪装置，其中，所述LiDAR模块被构造成以时间改变方式偏转由所述发射器发射的多个测量光束。
例如，所述LiDAR模块包括如下至少一者：水平偏转单元，该水平偏转单元被构造成基于旋转镜、微机电系统和流电中的至少一者水平地操纵所述多个测量光束，特别地被构成为以均匀方式偏转所述多个测量光束；以及竖直偏转单元，该竖直偏转单元被构造成基于多棱镜、反射镜和微机电系统中的至少一者在所述瞬时竖直视场中竖直地操纵所述多个测量光束。
在另一个实施方式中，所述激光扫描仪装置具有倾斜机构，该倾斜机构用于使所述LiDAR模块倾斜以实现至少±25°的延伸的总竖直视场。
在一个特别的实施方式中，所述接收器具有基于多个微胞元的布置的光电传感器，特别地其中所述传感器被构造成单光子雪崩光电二极管的阵列，例如以超爆模式操作的SPAD阵列。
举例来说，所述传感器可以被构造成使得所述微胞元能够单独地读出或者以微胞元组的形式读出，从而能够设置所述传感器的分开地读出的子区域；并且所述LiDAR模块包括计算单元，其中所述接收器和所述计算单元被构造成使得通过所述计算单元设置所述接收器的不同子区域，使得在每种情况下，不同测量光束的返回部分都特别地基于与所述多个测量光束的各个测量光束对应的角度和/或距离数据由所述接收器的不同子区域读出。
在其中所述多个测量光束以时间改变方式偏转的情况下，例如，所述计算单元可以被构造成基于预编程测量过程来控制所述LiDAR模块，以驱动所述多个测量光束的偏转和所述接收器的子区域的设置，其中特别地基于与所述多个测量光束的偏转对应的角度数据，使子区域的设置与所述多个测量光束的发射和/或偏转同步。
例如，通常将单光电光子雪崩二极管的阵列(以下称为SPAD阵列)在芯片上布置成矩阵结构。在可见光和近红外光光谱范围内具有光敏性的装置或芯片也称为“SiPM”(硅光电倍增器)。SiPM逐渐替代了使用至今的光电倍增管，特别是在可见光和近紫外光光谱范围内。SiPM在可见波长范围内具有高光谱敏感性。例如，可获得以CMOS技术制造的硅基SPAD，该硅基SPAD对高达超过900nm的波长的近红外范围敏感。
在800nm到1800nm的波长也可获得商用SPAD阵列。这些传感器主要由InGaAs半导体材料构成。根据设计，这些传感器还具有位于光敏表面上的外部或内部矩阵结构。具有位于该光谱范围内的SPAD阵列的距离测量系统具有的优点在于，太阳逆光(日光)显著低于可见波长范围，并且这种干扰光通量对SPAD阵列的危害较小。
这些SPAD阵列的特别特征是它们非常高的光敏性，由此SPAD阵列主要被设计成用来没有问题地检测单光子。由此，它们也被称为“多像素光子计数器”(MPPC)。SPAD阵列由数百、数千以及数万微胞元构成，并且能够接收具有几千或几十万光子的脉冲。另外，由于许多微胞元并联连接成胞元组(域)，因此即使在太阳背景光的情况下仍然有足够胞元可用于检测信号光子。
SPAD阵列的另一个特别特征是能够分开地控制和/或分开地读出各个微胞元或微胞元的各个子组。所述微胞元因此能够顺序地局部激活，例如，逐行或逐列读出所述接收器(例如，作为“滚动快门”或“滚动框”)。
具体来说，微胞元的子组可以由一组相邻微胞元限定，或者子区域可以由所述接收器的间隔开的区域限定，即：使得各个子区域由分开未连接的空间胞元组限定。例如，如果子组微胞元以顺序方式局部地激活，“滚动框”或“窗”与检测器表面上的移动激光光斑基本同步地移位。
因此，通过使用具有可单独寻址的微胞元的SPAD阵列，可以将SPAD阵列的作用区域构造成与本发明的激光扫描仪装置的多个测量光束的相关光束的选定排列匹配。因而，将所述SPAD阵列的各个微胞元编组/选择成与各个光束的所选排列/形状匹配。
举例来说，当激光单元由集成的发送器阵列构成并且所述接收器包括SPAD阵列或SPAD阵列的阵列时，能够实现高度集成，这些SPAD阵列的阵列被激活并彼此同步，从而在待绘图场景上进行虚拟时间序列扫描。
另外，可以产生信号捕获的时间序列，这是因为例如通过将SPAD阵列的奇数线和偶数线交替可以将SPAD阵列的各个微胞元或微胞元组(域)交替地引导至输出。这种微胞元或微胞元组的时间交替激活缩短了SPAD阵列的恢复时间，由此能够实现更快的激光调制或脉冲射速。
代替激活SPAD阵列的微胞元或微胞元组(域)，它们可以在静止状态下保持激活，以便与扫描运动同步地捕获并评估微胞元或域的输出。在这种情况下，微胞元或微胞元组(域)直接连接至信号输出端，所述信号输出端通过电子电路(例如集成在SPAD阵列上)以时间同步方式相对于物体的表面对齐。
所述接收器的相应作用的FoV在角度范围内被设计成如此之小，以致于能够看到并接收反向散射的接收脉冲，并且尽可能少地接收周围干扰光。
在文献中，在线性模式、盖革(Geiger)模式和SPL模式(SPL，单光子LiDAR)的SPAD阵列操作之间进行区分。
在线性模式中，在击穿电压以下，发生取决于闭锁电压和温度的增益，其中线性模式的SPAD阵列可以用来构建输出电压与辐射输入成比例的高灵敏度光电接收器。
在盖革模式和SPL模式中，即在击穿电压以上的操作中，SPAD或SPAD阵列检测器能够用来进行单光子计数。在盖革模式的SPAD中，每个各个像素产生输出信号，由此通过一个光子精确地触发光子雪崩。如果光子包由若干光子构成，则没有测量更大的信号。因此，没有幅度信息可获得。
在盖革模式中，入射光子包仅产生(二进制)事件信号，该事件信号与光子包中的光子数量不成比例。
SPL模式是以盖革模式操作的SPAD阵列，其中许多微胞元并联连接至输出信号。在进入光子包仅具有若干光子的情况下，各个雪崩几乎线性地增加，并且输出信号的幅度因此与所检测到光子数量成比例或者至少单调地增加。
光子触发之后的微胞元的恢复时间不是零，而是例如在5纳秒到50纳秒，这降低了SPAD阵列用于随后光子的表观灵敏度。然而，这具有的优点例如在于，传感器能够检测到具有高动态的信号强度范围。对于具有大量微胞元(＞1000)的SPAD阵列来说，这种非线性是单调的，并且一方面导致输入信号和输出信号之间产生幅度压缩，而另一个方面，随着输入信号增加，输出信号增加较弱。有趣的是，具有大量微胞元(＞1000)的SPAD阵列的输出信号并不完全饱和，从而即使在接收脉冲具有非常高光子数量(最好在一百万以上)的情况下，也能够测量幅度变化。
距离测量装置的激光信号通常进行脉冲编码。典型的脉冲速率在kHz和GHz范围内。实验表明，以超爆模式中的电压利用SPAD阵列能够很好地接收这些信号。此外，能够毫不模糊地并且几乎没有噪音地接收脉冲包(脉冲群)。例如，当微胞元的恢复时间相当长(例如10纳秒)时，就是这种情况。由于SPAD阵列的准模拟结构，还接收到了由于环境光而存储的光电流。激光信号于是被叠加在环境光的光电流上。例如，由激光脉冲产生的电流脉冲在SPAD阵列的输出端处可以被高通滤波，从而缩短缓降边沿信号。由此，输出脉冲变成短信号脉动，例如脉冲持续时间小于纳秒的信号脉冲。这种具有陡峭边沿的短脉冲适合于精确的时间和距离测量。然而，使用高通滤波器(微分器)不会影响SPAD阵列的恢复时间。
另外，已经进行初始实现努力以便向SPAD阵列内集成更多电子功能。举例来说，已经使用了赋予每个微胞元的时间测量电路(TOF电路，TDC：时间数字转换器)。这些时间测量电路测量运行时间(TOF，“飞行时间”)。存在SPAD阵列实现方案，例如，将精确光子计数集成在微胞元附近，这不需要下游模拟数字转换器(ADC)。另外，可以将时间测量电路(TDC)例如集成在每个微胞元中。此外，可以使用数字接口作为SPAD阵列的输出端。例如，这些装置完全是数字式的，并且在CMOS生产过程中不需要混合信号处理。
举例来说，所述接收器包括多个光电传感器，特别是单光子雪崩光电二极管的多个阵列，其中所述多个传感器以一维或二维方式布置，特别地其中每个传感器具有其自身的控制和/或评估电子器件。
例如，各个传感器可以集成到单个壳体中，从而形成光子作用区域的阵列，该作用区域的取向通过光学器件与发射器相关联。这种接收器阵列可以由检测器的连贯二维阵列构成，其中在构成该阵列(所谓的巨型阵列)的作用元件之间具有规则的相等和/或不相等的间距，其中所述接收阵列和所述发射器的各个光束的对齐在制造过程中形成，并且可以根据所选缩放、光束间发散度以及每个单独光束的发散度而动态地改变。
多光束激光网格可以根据车辆速度或行驶情况来调节。例如，在低速时，例如在城市中，扫描宽阔区域，而在高速时，例如在公路上，将主要在汽车前方扫描狭窄区域。
另外，每个单独激光光束的光斑大小(发散度)和接收器都可以进行调节。例如，在公路上，可以增加点密度，其中同时减小光斑大小，以增加测量范围并防止重叠。还可以例如增加所需要的最小反应距离，这是因为汽车对于最近障碍物不能快速反应。在城市中，需要更大扫描区域，但是密度和范围均较低。因而，需要增大光斑大小以检测所有障碍物。
以与汽车中的动态弯曲光一样的方式，可以根据方向盘位置修改扫描区域，以便正确地扫描行驶方向前面的场景。
因而，根据另一个实施方式，所述LiDAR模块被构造成基于所述多个测量光束设置至少第一和第二扫描图案，所述第二扫描图案不同于所述第一扫描图案，并且所述LiDAR模块被构造成基于车辆的速度和车辆的方向信息中的至少一个在第一扫描图案和第二扫描图案之间交替。例如，所述方向信息包括如下至少一个：车辆的方向盘的位置，特别是一系列方向盘位置，例如其中从之前和当前方向盘位置提取出路径变化；通过GPS定位确定的车辆路径；和由惯性测量单元确定的车辆取向和/或车辆取向变化，特别是前进方向变化和/或车辆倾斜变化。
所述第一扫描图案和所述第二扫描图案可以因如下至少一者而彼此不同：所述光束内的不同激光功率分布；不同的光束数量；不同的投射光束密度；不同的投射光束分布；不同的光束间隔；不同的发射定时，特别是不同的脉冲发射定时；以及不同的各个光束形状，特别是各个光束的不同发散角。
还可以根据GPS位置和导航数据修改扫描区域。举例来说，当车辆接近十字路口时，增加扫描区域以能够测量来自侧方的障碍物。
因此，在另一个实施方式中，所述LiDAR模块被构造成基于车辆的当前全球位置，特别是基于GPS数据和/或来自于车辆的导航数据而在第一扫描图案和第二扫描图案之间交替。
如果LiDAR模块检测到另一个装置的信号，例如来自对向汽车的信号，则LiDAR模块可以彼此“通信”，其中第一装置在对向车辆的方向上发送标准脉冲信号以告诉对向车辆停止向第一装置的方向扫描。在另一种情况下，第一装置可以减少在对向装置的方向上的局部扫描区域中的激光功率，以防止干扰该装置。
本发明进一步涉及一种包括一组如上所述的激光扫描仪装置的系统，其中：每个激光扫描仪装置具有关联的唯一标识符；并且所述激光扫描仪装置被构造成将它们的标识符传送至彼此，其中每个激光扫描仪装置被构造成基于所述多个测量光束发送编码信号，所述编码信号包括该激光扫描仪装置的标识符；并且每个激光扫描仪装置被构造成：从所述一组激光扫描仪装置中的另一个激光扫描仪装置接收编码信号，并且提取出所接收的编码信号中包含的标识符。每个激光扫描仪装置的LiDAR模块被构造成基于从所述一组激光扫描仪装置中的另一个激光扫描仪接收的编码信号而在所述第一扫描图案和所述第二扫描图案之间交替。
附图说明
将在下文中参照伴随有附图的示例性实施方式详细描述本发明，其中：
图1示意性地描绘了在自动驾驶汽车应用中安装至车辆的本发明的多光束激光扫描仪装置；
图2示出了例如用于具有振荡电流镜的实施方式的在水平方向上的非均匀点分布；
图3a至图3c示出了根据本发明的激光扫描仪装置的示例性实施方式，该激光扫描仪装置具有用于容纳LiDAR模块的光学部件的共用壳体和限制理论上可实现的瞬时水平视场的退出孔口；
图4示意性地描绘了包括分束全息图和基于SPAD的接收器的本发明的多光束LiDAR模块；
图5示意性地描绘了通过反射多边形以时间改变方式偏转多个测量光束；
图6示意性地描绘了调节SPAD阵列的域以匹配各个光束的所选排列/形状；以及
图7示意性地描绘了具有高度集成的发射器和接收器单元的LiDAR模块的光学布置。
具体实施方式
图1示出了本发明的激光扫描仪装置1在自动驾驶车辆领域中的应用，其中待行驶的道路通常通过安装在车辆2上的专用LiDAR模块预先记录，并且测量值被提供给空间模型生成器。在这种激光扫描仪1中，水平视场3(HFOV)通常大于竖直视场4(VFOV)。VFOV的分段被称为瞬时视场(iFOV)，其中用于扫描完整视场的获取速率例如可以近似25Hz。
这种系统通常需要皮实耐用的设计，由此通常也必须是紧凑设计，并且在可能的情况下，省略移动零部件。因而，经常使用MOEMS部件(“微型光机电系统”)或可调节或可变形的折射光学元件(如液体透镜)作为偏转元件。举例来说，由使用光电波尔克斯或克尔效应的超薄液晶膜或膜构成的光学相位阵列允许进行高速光束偏转，并且因而允许进行大于1000拉德/秒的快速扫描。根据这些规范，举例来说，本发明使用SPAD阵列传感器具有的优点在于，可以进一步简化接收通道的光机设计。
根据本发明，LiDAR模块包括多光束发射器，该多光束发射器被构造成产生多个测量光束5，特别是脉冲激光光束，所述多个测量光束5限定多个基本瞬时扫描轴线6。
因而，当使用测量光束阵列时，通过旋转光束偏转镜的缓慢旋转速度就可以获得更高的点速率或更高的点密度。因此，可以降低与各个部件的磨损有关的光机要求，需要更少的移动部件，并且可以进行更紧凑设计。
举例来说，水平安装在汽车的前部的适当高度处的定制激光扫描仪允许对测距性能、精度、动态范围(道路标志扫描)和柏油路扫描(低入射角和高测距时低反射率)进行定性分析。
再举例来说，可以预见到容纳所有光束操纵元件的共用紧凑壳体，例如其中在概念上，这种实施方式可以基于投射瞬时视场(iVFOV)的快速旋转反射或折射多边形轮或者投射水平视场(HFOV)的固定旋转镜或动态旋转电流镜。
图2示出了例如由于流电扫描机构引起的沿着水平方向(HFOV)的非均匀点分布。iVFOV和VFOV扫描图案保持均匀。从应用角度来看，朝向窗口边缘的非均匀点密度提供了如下优点：
1.对于在低入射角度下看到的物体(如沿着道路的建筑物)来说，增加了投射点图案；以及
2.增加了信息密度，例如检测到物体意外横穿街道。
图3a至图3c以正视图(图3a)、侧视图(图3b)和俯视图(图3c)示出了根据本发明的激光扫描仪装置的示例性实施方式。
根据本发明，该激光扫描仪装置包括容纳LiDAR的所有光学元件(即所有光束操纵元件)的共用紧凑壳体40。共用壳体40具有退出孔口41，退出孔口41限制理论上可实现的瞬时水平视场，即相对于壳体40的水平视场。换言之，该瞬时水平视场是仅仅通过激活所述壳体内部的光束操纵元件以向壳体40外发射多个测量光束5就能够实现的水平视场。
激光扫描仪装置可以安装在车辆2的前部处(参见图1)，即以如下方式安装：壳体40相对于车辆2位于固定位置，或者壳体40可在竖直或水平方向上倾斜以延伸激光扫描仪装置的竖直或水平视场。
例如，如图3b所示，壳体40安装至支撑件42，支撑件42提供用于倾斜壳体40以实现延伸的总体竖直视场的倾斜机构43。
例如，该实施方式可以基于：快速振荡或旋转镜元件，例如，投射瞬时竖直视场(iVFOV)的由图7描绘的多边形轮；和相对于壳体40投射水平视场(HFOV)的固定旋转镜44。
举例来说，图3c示意性地表示位于壳体40内的多光束发射器14，其中所产生的多个测量光束5当前通过旋转镜44向右偏转到右端部位置45，其中多个测量光束5不仅只由退出孔口41限制。还示出了类似的左端部位置46。因而，在附图中，退出孔口41有效地限制多个测量光束5的出射集束的水平视场，并由此限定瞬时水平视场。
图4示意性地示出了本发明的多光束LiDAR模块，该模块包括分束全息图7和基于SPAD的接收器8，接收器8被构造成使得可以限定接收器8的多个子区域，这些子区域可以分开地读出。在给定示例中，发射器基于单个辐射源9。另选地，该发射器还可以基于例如不同波长或具有不同发射调制的多个辐射源，诸如例如从光学通信中已知的辐射源(例如，沃尔什编码、巴克编码、优选短单极正交编码)。
通过使用全息结构，可以减少辐射源的数量。由于全息图7投射的光束的倍增因数，产生了相同波长的多组光束5。通道之间的附加差别例如可以由编码序列产生，其中第一组光束关联至发射第一编码的第一二极管，并且第二组光关联至发射第二编码的第二二极管。
该图进一步指示了分束全息图7的平面10、包括检测器8的接收平面11和用于收集返回光束50并使返回光束50朝向SPAD检测器8的相关接收区域/域13对准的接收光学器件12。
例如，在这种并排的全息投射器和接收器多轴形态中，接收平面11和全息图平面10之间的距离可以减小至零，其中接收元件集成或安装至全息图7的后部。该紧凑布置的关键问题在于，抑制发射光与接收光的光学串扰。然而，当测距精度仅在厘米范围内时，它是足够的。
图5示意性地示出了通过偏转元件以时间改变方式偏转来自于发射器14的多个多个测量光束5，在这里所述偏转元件为围绕竖直旋转轴线16旋转的反射多边形15。
因而，举例来说，瞬时竖直视场17被呈扇形散开的多个测量光束5覆盖，而在水平方向上的扫描通过快速旋转多棱镜15实现。
为了在水平和竖直方向上实现每0.8°至少一个点的扫描分辨率，各个激光光束近似彼此接触。在任何情况下，如果使用每0.1°一个点的更高分辨率，则相邻光束开始重叠。因此，减少光束(特别是相邻光束)之间的光学串扰特别必要。光学串扰可以通过给光束使用不同波长和/或极化状态和/或通过调制突发序列(例如，基于贝克脉冲)而使用信号编码来减少光学串扰。
图6示意性地示出了SPAD阵列检测器8上的子区域13的时间改变限定以匹配多个测量光束的各个返回光束50的排列/形状。
举例来说，可以如图5所示产生多个测量光束，即基本瞬时产生的扇形光束位于竖直平面内，该扇形光束覆盖瞬时竖直视场17，而在水平方向上的扫描通过快速旋转多棱镜15实现。在图6中，水平方向对应于图5所示的水平扫描方向。
因而，子区域13被限定为使得与一个返回光束50对应的每个子区域在SPAD阵列检测器8上水平地移动，这类似于所谓的“滚动快门”原理。这种多个水平“滚动”子区域13的限定可以通过简化的驱动电子器件实现，其中宽度18和/或高度可以调节成与返回光束50的实际光束直径匹配，例如，基于将光束形状或光斑尺寸与距离相关的查找表来调节。
根据本发明，多个测量光束中的光束以如下方式产生，即：它们限定多个基本瞬时扫描轴线。换言之，不同光束的各个脉冲“基本同时地”产生，即以时间上同步的方式但是不必精确地同时产生。通常，发送出的各个脉冲与相邻光束的脉冲具有小的时间偏移，例如以使串扰效应最小化。因此，在附图中，各个子区域13也相对于彼此略微偏移。
图7示意性地示出了具有发射器20和接收器21的阵列的全固态扫描仪。该紧凑型多光束扫描仪包括高度集成的发射器单元，该发射器单元在竖直取向中由至少两个激光二极管阵列构成，并且每个激光二极管阵列包括位于前侧的激光棒22和位于后侧的驱动器电子器件23。激光棒22由各个激光二极管单元构成，每个激光二极管单元向偏转镜24发射辐射，其中驱动器电子器件23控制各个激光器发射。当堆叠至少两个激光棒时，能够实现2D发射器阵列。单个发射物镜25用来将所有激光束26准直到待绘图的场景。
接收器阵列21以与发射器阵列20相当的方式布置，即单个物镜27用来将反射光28准直到所分配的延伸检测器元件13，例如，具有竖直移动域13的SPAD阵列8，竖直移动域13被与激光二极管棒22的发射图案同步地激活。
快速竖直扫描操作通过以顺序方式激活激光棒22内的灯丝来实现。接收器阵列8的被激活的域13与对应激活的激光棒22同步地移位，从而通过敏感区域13收集辐射。水平扫描运动29是激光棒22和倾斜镜24(例如基于MOEMS技术)的激活之间的同步的组合。通过该两阶段致动器，能够实现许多不同模式的扫描图案。
例如，每个激光棒22可以在MOEMS偏转单元24的第一位置处产生竖直扫描线30。偏转单元24然后将光束角度以点密度间隔(如0.2°)改变，并且每个激光棒22然后产生下一个竖直扫描线30，等等。
再举例来说，MOEMS偏转单元24在水平方向上周期性地振荡，同时激光棒22产生竖直虚拟扫描运动。
尽管上面已经部分地参照一些优选实施方式示出了本发明，但是必须理解的是，可以对这些实施方式的不同特征进行许多修改和组合。所有这些修改都位于所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种激光扫描仪装置(1)，该激光扫描仪装置适合于安装至车辆(2)，该激光扫描仪装置包括基于激光测量光束和飞行时间测量原理特别是利用波形数字化技术而工作的LiDAR模块，其中，所述LiDAR模块的所有光学部件都布置在共用壳体(40)内，
其特征在于：
·所述LiDAR模块包括多光束发射器(14)，该多光束发射器被构造成用于产生多个测量光束(5，26)，特别是脉冲激光光束，所述多个测量光束限定多个基本瞬时扫描轴线(6)；
·所述LiDAR模块包括接收器(8)，该接收器用于检测所述测量光束(5，26)的返回部分(50)，在下文中将该返回部分(50)称为回波辐射(50)，其中，所述LiDAR模块被构造成基于所述回波辐射(50)确定一组返回信号，每个返回信号对应于不同的测量光束；
·所述共用壳体(40)具有退出孔口(41)，其中：
○所述退出孔口(41)为所有测量光束(5，26)所共用，特别地其中所述退出孔口(41)还是用于检测所述回波辐射(50)的接收光学通道的进入孔口；并且
○所述退出孔口(41)将所述激光扫描仪装置(1)即相对于所述壳体(40)的理论可获得的瞬时水平视场限制成小于180°，特别地，其中所述退出孔口(41)为位于所述壳体(40)的平面外表面中的矩形开口；
其中，
·所述LiDAR模块被构造成提供：
○至少60°的水平视场(3)；
○至少±2°的瞬时竖直视场(17)；
○在水平和竖直方向上每0.8°至少一个点的扫描分辨率；以及
○用于以所述扫描分辨率扫描至少整个水平视场(3)和瞬时竖直视场(17)的至少10Hz的帧速率。
2.根据权利要求1所述的激光扫描装置(1)，其特征在于，所述发射器(14)包括：
·辐射源(9，22)；以及
·多光束产生器，该多光束产生器用于基于由所述辐射源(9，22)发射的辐射特别是基于如下至少一者而产生所述多个测量光束(5，26)：
○全息结构(7)；
○液晶空间调制器；以及
○光学相位阵列。
3.根据权利要求2所述的激光扫描仪装置(1)，其特征在于，所述多光束产生器被构造成使得产生所述多个测量光束(5，26)以形成基本瞬时1D或2D扫描图案。
4.根据权利要求2或3所述的激光扫描仪装置(1)，其特征在于，所述辐射源为1D或2D发送器阵列，特别是单个激光二极管棒或多个堆叠的激光二极管棒，更特别地，其中所述发送器阵列被构造成提供可选择性地控制的激光二极管(22)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光扫描仪装置(1)，其特征在于，所述多个测量光束(5，26)被产生成使得在所述多个测量光束(5，26)内，每个测量光束(5，26)是能基于如下至少一者通过对应的光束标识符识别的：
·光束波长；
·光束的极化状态；以及
·脉冲编码，特别地，其中所述多个测量光束中的至少两个光束(5，26)具有特别地基于贝克脉冲的正交脉冲编码。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光扫描仪装置(1)，其特征在于，所述多个测量光束(5，26)被产生成使得所述多个测量光束(5，26)能基于如下至少一者被识别为具有共用组标识符的一组：
·共用组波长或赋予该组的波长范围；
·该组的共用极化状态或赋予该组的极化状态范围；以及
·该组的共用脉冲编码或赋予该组的脉冲编码范围。
7.根据前述权利要求中任一项所述的激光扫描仪装置(1)，其特征在于，所述LiDAR模块被构造成以时间改变方式偏转由所述发射器(14)发射的所述多个测量光束(5，26)，特别地，其中所述LiDAR模块包括如下至少一者：
·水平偏转单元，该水平偏转单元被构造成基于旋转镜(15)、微机电系统(24)和流电中的至少一者水平地操纵所述多个测量光束(5，26)，特别地被构成为以均匀方式偏转所述多个测量光束；以及
·竖直偏转单元，该竖直偏转单元被构造成基于多棱镜、反射镜和微机电系统中的至少一者在所述瞬时竖直视场(17)中竖直地操纵所述多个测量光束(5，26)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的激光扫描仪装置(1)，其特征在于，倾斜机构，该倾斜机构用于使所述LiDAR模块倾斜以实现至少±25°的延伸的总竖直视场(4)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光扫描仪装置(1)，其特征在于，所述接收器(8)具有基于多个微胞元的布置的光电传感器，特别地，其中所述传感器被构造成单光子雪崩光电二极管的阵列。
10.根据权利要求9所述的激光扫描仪装置(1)，其特征在于，
·所述传感器被构造成使得所述微胞元能够被单独地读出或者以微胞元组的形式读出，从而设置所述传感器的被分开地读出的子区域(13)；并且
·所述LiDAR模块包括计算单元，其中所述接收器(8)和所述计算单元被构造成使得通过所述计算单元设置所述接收器(8)的不同子区域(13)，使得在每种情况下，不同测量光束(5，26)的返回部分(50)都特别地基于与所述多个测量光束中的各个测量光束(5，26)对应的角度和/或距离数据由所述接收器(8)的不同子区域(13)读出。
11.根据权利要求7和权利要求10所述的激光扫描器装置(1)，其特征在于，
·所述计算单元被构造成基于预编程测量过程来控制所述LiDAR模块，以驱动所述多个测量光束(5，26)的偏转和所述接收器(8)的子区域(13)的设置，
其中：
·特别地基于与所述多个测量光束(5，26)的偏转对应的角度数据，子区域(13)的设置与所述多个测量光束(5，26)的发射和/或偏转同步。
12.根据前述权利要求中任一项所述的激光扫描装置(1)，其特征在于，
·所述LiDAR模块被构造成基于所述多个测量光束(5，26)设置至少第一扫描图案和第二扫描图案；
·所述第二扫描图案不同于所述第一扫描图案；并且
·所述LiDAR模块被构造成基于所述车辆的速度和所述车辆的方向信息中的至少一者在所述第一扫描图案和所述第二扫描图案之间交替，
特别地，其中所述方向信息包括如下至少一者：
·所述车辆的方向盘的位置，特别是一系列方向盘位置；
·通过GPS定位确定的车辆路径；以及
·由惯性测量单元确定的车辆取向和/或车辆取向变化，特别是前进方向变化和/或车辆倾斜变化。
13.根据权利要求12所述的激光扫描仪装置(1)，其特征在于，所述第一扫描图案和所述第二扫描图案因如下至少一者而彼此不同：
·所述光束内的不同激光功率分布；
·不同的光束数量；
·不同的投射光束密度；
·不同的投射光束分布；
·不同的光束间隔；
·不同的发射定时，特别是不同的脉冲发射定时；以及
·不同的各个光束形状，特别是各个光束的不同发散角。
14.根据权利要求12或13所述的激光扫描仪装置(1)，其特征在于，所述LiDAR模块被构造成基于所述车辆的当前全球位置，特别是基于GPS数据和/或来自于所述车辆的导航数据而在所述第一扫描图案和所述第二扫描图案之间交替。
15.一种包括一组根据权利要求12至14中任一项所述的激光扫描仪装置(1)的系统，其特征在于：
·每个激光扫描仪装置(1)具有关联的唯一标识符；并且
·所述激光扫描仪装置(1)被构造成将所述激光扫描仪装置的标识符传送至彼此，其中：
○每个激光扫描仪装置(1)被构造成基于所述多个测量光束(5，26)发送编码信号，所述编码信号包括此激光扫描仪装置(1)的标识符；并且
○每个激光扫描仪装置(1)被构造成从所述一组激光扫描仪装置中的另一个激光扫描仪装置(1)接收编码信号，并且提取出所接收的此编码信号中包含的标识符；
其中，
·每个激光扫描仪装置(1)的所述LiDAR模块被构造成基于从所述一组激光扫描仪装置中的另一个激光扫描仪(1)接收的编码信号而在所述第一扫描图案和所述第二扫描图案之间交替。
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