CN109923437B - 激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测周围环境(200)的激光雷达系统(1)，其包括用于发射激光的激光源(2)、用于接收由所述周围环境(200)反射的激光(9)的接收装置(3)和用于控制所述激光源(2)的控制装置，其中，所述控制装置(4)设置用于控制所述激光源(2)进行连续的光射束(5)的发射并且连续地调制所述发射的光射束(5)，从而所述光射束(5)包括多个彼此相继的码(6)。

Description

激光雷达系统

技术领域

本发明涉及一种用于借助激光测量距离的激光雷达系统。此外，本发明涉及一种用于通过激光雷达系统检测周围环境的方法。

背景技术

在车辆中通常使用激光雷达传感器，以便测量车辆的周围环境。在此，使用具有高的最大功率的脉冲式激光器。这类系统示意性地在图1中示出。图1示出激光雷达系统1，其包括激光源2和接收装置3。在此设置，通过激光源2发射激光到周围环境200上，其中，由周围环境200反射的激光9可以由接收装置3接收。

设置，仅仅脉冲激发式地发射激光。例如在图1中示出第一脉冲300、第二脉冲400和第三脉冲500。此外，通过偏转装置14使所发射的激光偏转，以便产生扫描运动100。然而，这样的系统具有以下缺点：

·在发射每个激光脉冲300、400、500之后，必须等待一定的时间，以便通过接收装置3接收所发射的光脉冲300、400、500的所有可能的反射。如果不注意这一点，则可能产生多值性，所述多值性可能导致错误的结果。因此，系统1是缓慢的和不灵活的。

·激光雷达系统1可能如每个发射单个的短脉冲的系统那样非常容易受干扰。这可能或者无意地通过在相同的波长范围内的其他激光雷达系统进行、通过如例如安装在德国高速公路上的机动车收费桥进行或者通过速度测量站进行。同样地，可以考虑通过恶意的攻击引起的干扰。这样的恶意的攻击在现有技术中已经讨论。

·通常，必须针对最坏情形评估使用激光器的系统的眼睛安全性。在常规的系统中，单个的高能量的光脉冲不能够损害眼睛安全性，但是，在考虑最坏情形时，多个脉冲的能量组合的可能性可能存在并且导致在激光源2的发送功率中的非常严格的限制。因此，已知的激光雷达系统1也由此受限制。

·非常高的最大功率的产生需要非常高的电流，所述电流仅仅能够通过昂贵的硬件来产生。此外，由于高的电流而出现电磁兼容性方面的广泛的问题。

发明内容

根据本发明的激光雷达系统允许周围环境的快速的和灵活的检测。在此，尤其可以使用成本便宜的硬件部件，如SPAD二极管。也使用比在现有技术中更小的最大功率，以便实现至少同样高的探测可能性。因此，根据本发明的激光雷达系统在眼睛安全性方面是有利的。

根据本发明的激光雷达系统包括用于发射激光的激光源、用于接收激光的接收装置和用于控制激光源的控制装置。在此设置，由激光源发射的激光由周围环境反射，以便由接收装置接收。控制装置设置用于控制激光源进行连续的光射束的发射并且连续地调制所发射的光射束。以此方式，光射束包括多个彼此相继的码。因此，通过码能够实现，可以执行光射束在时间上的分配。因此，不必如在现有技术中那样使用各个光脉冲，而是可以发射连续的光射束。然而，存在与在现有技术中相同的可能性，从而尤其可以执行距离测量。距离测量可以通过激光的传播时间执行。因为如之前描述的那样，每个激光是经编码的，所以已知激光的发射时刻。这尤其当所发射的多个光射束叠加时也是可能的。

从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。

优选地，码具有最小的互相关性和/或最大的正交性。这意味着，码尽可能不同，从而排除码的相互混淆。尤其设置，码此外与其自身相关地具有带有小的旁瓣的尖锐的最大值。这称作最佳自相关。以此方式，可以从经反射的激光中准确无误和可靠地提取码。因此，能够实现准确无误和可靠的距离测量。

优选地，激光源构造用于沿着二维空间发射激光。这意味着，从激光源可以以不同的角度发射光射束。因此，二维空间构成所说明的角度的限制。通过以不同的角度进行发射尤其可以产生扫描运动。以此方式，周围环境的扫描可以连续地进行，其中，通过扫描运动线状地或者面状地进行扫描。尤其以此方式能够实现：以连续发射的激光执行扫描运动，这在现有技术中是不可能的。为此，激光源尤其可以包括偏转装置，其中，偏转装置尤其可以通过镜实现。通过镜的倾斜可以实现不同的角度，激光以所述不同的角度从激光源发射。

优选地，借助激光源的启用和停用的不同的序列产生码。因此，通过开关键控实现调制，因为通过激光源的启用和停用可以实现一比特。因此尤其是，逻辑1可以通过已启用的激光源来代表，并且，逻辑0可以通过已停用的激光源来代表。因此，激光源的重复的启用和停用可以产生具有基本上任意的比特长度的码。

优选地，每个码的持续时间在0.5微秒和1.5微秒之间。特别有利地设置，持续时间为1.0微秒。优选地，码具有127比特的长度。具有这样的长度的码可以有利地最佳地在之前描述的持续时间内表示。通过所描述的长度和所描述的持续时间确保，当经反射的激光由接收装置检测到时，可以准确无误和可靠地相区分各个码。此外，以上描述的持续时间对于基于激光的传播时间的距离测量的执行是最佳的，因为在这里，过大的持续时间可能会导致不精确的测量。

所述码优选借助N序列和/或金码和/或Kasami码和/或Barker码和/或Ipatov序列来确定。这些方法基本上从现有技术已知。根据这些方法中的每一种，优选可以由八个不同的码创建一个集合，其中，这些码优选具有之前描述的、127比特的长度。为了将这些码转换为连续的光射束，控制装置优选设置用于与码类似地启用和停用激光源。优选如此调制连续的光射束，使得码、尤其之前描述的八个不同的码或者直接依次地和重复地或者在各个码之间具有可变的间歇地发送。优选可以延长可变的间歇，如果这对于通过接收装置接收的经反射的激光的电子信号处理是必要的。此外，可以缩短可变的间歇，以便因此提高测量的准确性。

优选地，接收装置包括至少一个、尤其单个的光电二极管和/或光电二极管阵列。通过光电二极管可以接收经反射的光。光电二极管阵列允许大面积地反射的光射束的接收，从而能够实现所发射的光的准确无误的和可靠的探测。

优选设置，光电二极管和/或光电二极管阵列包括pin二极管和/或APD二极管和/或SPAD二极管。Pin二极管可理解为以下二极管：所述二极管具有p型掺杂和n型掺杂的层，其中，固有层位于p型掺杂的层和n型掺杂的层之间。固有层可理解为以下层：所述层不掺杂或者仅仅弱地掺杂，从而该层主要是本征导电的。APD二极管可理解为雪崩光电二极管。特别有利地，光电二极管和/或光电二极管阵列包括至少一个SPAD二极管。这样的二极管的使用首先能够通过连续的光射束的调制来实现。由于SPAD二极管可成本非常有利地制造，这是有利的。

在本发明的一种优选的实施方式中，接收装置对于每个码包括一个滤波器。在此设置，在输入信号具有所分配的码的情况下，每个滤波器输出最大的输出信号并且否则抑制输入信号。因此，可以根据滤波器中的每一个的输出信号确定，通过接收装置检测到的光具有哪个码。因此，可以确定，经反射的光何时已经发射，由此能够实现基于传播时间方法的距离测量。特别有利地能够实现，在存在以下输入信号的情况下滤波器输出最大的输出信号：所述输入信号具有两个确定的彼此相继的码。以此方式分析处理较大的信号能量，从而增大大面积的探测可能性。但是，水平的空间分辨率以及深度信息的准确性减小。因此，特别有利的是，以上提到的精细滤波器连接在最后描述的粗糙滤波器之后，以便因此实施梯级状的探测。

滤波器特别有利地涉及最佳滤波器。有利地，最佳滤波器帮助优化信号/噪声比。因此，最佳滤波器最佳地适合于应用在以下激光雷达系统中：所述激光雷达系统大多必须与仅仅小的信号/噪声比作斗争。

此外，本发明涉及一种用于检测周围环境的方法，所述方法包括以下步骤：首先，借助激光源进行激光的发射。接着，借助接收装置进行由周围环境反射的激光的接收。以此方式，尤其可以检测之前发射并且由周围环境反射的激光。这允许：基于所发射的光的传播时间执行距离测量方法。设置，以连续的光射束发射激光，从而控制激光源进行连续的光射束的发射。此外设置，连续地调制所发射的连续的光射束，从而光射束包括多个彼此相继的码。因此能够实现，使用连续的光射束来检测周围环境，其中，同时通过运行时间(Einlaufzeit)能够实现距离测量。

附图说明

接下来，参照附图详细地描述本发明的实施例。在附图中，

图1示出根据现有技术的激光雷达系统的示意性视图，

图2示出根据本发明的一个实施例的激光雷达系统的示意性视图，

图3示出根据本发明的该实施例的激光雷达系统的接收装置的第一替代方案的示意图，

图4示出不同的码的示意图，所述码应用在根据本发明的该实施例的激光雷达系统中，

图5示出通过根据第一替代方案的接收装置进行的信号处理的示意图，

图6示出根据本发明的该实施例的激光雷达系统的接收装置的第二替代方案的示意图，以及

图7示出通过根据第二替代方案的接收装置进行的信号处理的示意图。

具体实施方式

图2示意性地示出根据本发明的一个实施例的激光雷达系统1。激光雷达系统1包括激光源2、接收装置3和控制装置4。在此设置，可以通过激光源2发射激光。所发射的激光尤其具有连续的光射束5的形状。连续的光射束5尤其可以通过由控制装置4控制激光源2来产生。在图2中示出连续的光射束5的不同的位置，所述位置可以类似于在图1中示出的现有技术那样通过偏转装置14产生，以便执行扫描运动100。

连续的光射束5射到周围环境200上并且由其反射。经反射的激光9可以由接收装置3探测到。为了能够根据经反射的激光9执行距离测量，需要知道，经反射的激光9最初在何时已经由激光源2发射。这样的信息尤其可以从码得知。为此设置，控制装置4设置用于连续地调制所发射的光射束5，从而光射束5包括多个彼此相继的码。如果接收装置3探测到经反射的激光9，则该接收装置此外设置用于确定经反射的激光9的码。根据该码可以求取，经反射的激光9最初在何时已经由激光源2发射。也可以识别出，经反射的激光9到底是否已经由激光源2发射，从而避免激光雷达系统1的干扰或者至少使其变得困难。

所发射的码序列可以通过控制装置4完全地控制。尤其，控制装置4设置用于启用和停用激光源2，以便产生所说明的码序列。与之相反地，非已知并且也不可控制的是，这些码如何由接收装置3接收。经反射的激光9可以包括各个码、各个码段或者也可以包括不同的码的叠加。然而，为了辨识这些码，接收装置3包括多个滤波器8，如在图3中示出的那样。

图3示意性地示出接收装置3的第一替代方案的结构。接收装置3包括光电二极管，其中，光电二极管7也可以是光电二极管的阵列。由光电二极管7可以检测经反射的激光9，其中，经反射的激光9具有多个码6。光电二极管7此外设置用于将所检测的经反射的激光9转变为电信号。光电二极管7特别有利地涉及SPAD二极管。信号预处理元件13(Signal-Konditionierungselement)连接在光电二极管7之后，通过所述信号预处理元件能够实现光电二极管7的信号的预备用于后续的滤波。尤其是，信号预处理元件13可以具有信号放大器。

此外，在图3示出的第一替代方案中，接收装置3包括多个滤波器8。滤波器8尤其为最佳滤波器。在此设置，每个滤波器8分配有恰恰一个码6，从而对于可以由激光源2产生的每个码6，存在恰恰一个滤波器8。在此设置，每个滤波器8进行与分配给它的码6与由信号预处理元件13递交的信号的相关。以此方式，当输入信号相应于所分配的码6时，每个滤波器8输出最大的输出信号。否则，抑制输入信号。

阈值决定电路10连接在滤波器8之后。阈值决定电路10用于决定：滤波器8中的每一个的输出信号是否足以用于能够推断出分配给相应的滤波器8的码6在所检测到的激光9中的存在。如果是这种情况，则将所识别出的码6直接地递交给最后的计算装置12。同样地，通过时间模块11进行时刻确定，从而可以由时间模块11向计算装置12递交所识别出的码6的接收的时刻。因此，对于计算装置12已知的是，哪个码6在何时已经通过接收装置3接收。因为相应的码6的发射时刻同样是已知的，因此可以根据具有相应的码6的光的传播时间确定在周围环境200内的这一反射了光的障碍物的距离。

优选地，每个码6为1.0微秒长。此外，每个码6具有127比特。因为在滤波器8内部进行相关，所以设置，所存在的所有码6尽可能不同。这意味着，码6具有最大的正交性和/或最小的互相关性。同时优选设置，码6的自相关导致具有小的旁瓣的尖锐的最大值，即存在最佳的自相关性。优选借助N序列和/或金码和/或Kasami码和/或Barker码和/或Ipatov序列来确定码6。这些方法基本上从现有技术已知并且因此不详细地阐述。

图4示例性地示出八个不同的码6的集合，所述码全部127比特长并且已经借助金码的方法产生。在图4中示出的八个码6优选直接彼此相继地并且重复地在连续的光射束5内被发射。替代地，在各个码6之间设置可变的间歇。尤其有利的是，可以通过间歇的延长提供更多的时间用于如之前描述的电子信号处理以供使用，而通过间歇的缩短可以提高距离测量的准确性。

如果连续地以在图4中示出的码6调制所发射的光射束5，则尤其发射八个不同的码6的序列，其中，紧接着重复该序列。如果这八个码6以相同的顺序由接收装置3检测到，则扁平的等距离的对象位于周围环境200中。在图5中示出以下情况：在所述情况中，在所说明的对象前方存在另外的障碍物。

在图5中示意性地示出，码6如何由接收装置3接收。此外，示出全部滤波器8的输出信号600的叠加。基于该障碍物，所发射的第五码6的检测与所发射的第四码6的检测同时进行。这由以下造成：障碍物导致所发射的光射束5的射到障碍物上并且因此比剩余的光射束5更早地反射的部分的更短的传播时间。

由图5显而易见的，在第一时刻1000接收所发射的第一码6，因为在这里，所属的滤波器8在其输出信号中具有最大值。在第二时刻2000接收所发射的第二码6，在第三时刻3000接收所发射的第三码6并且在第四时刻4000接收所发射的第四码6。在此设置，在第一时刻1000和第二时刻2000之间、在第二时刻2000之间和第三时刻3000之间以及在第三时刻3000和第四时刻4000之间分别过去了一微秒，这相应于恰恰一个码6的持续时间。

但是，在第五时刻5000没有接收码6。而是，在第四时刻4000之后不久接收另外的码6。因此，所发射的第四码6和所发射的第五码6相交，然而这可以通过滤波器8识别出。在第六时刻6000、在第七时刻7000和在第八时刻8000，分别发射的第六码6、第七码6和第八码6又无叠加地被接收。因此，计算装置12可以确定，较近的障碍物位于进一步远离的障碍物前面。此外，根据运动100可以求取较近的障碍物的位置，所述较近的障碍物已经导致提早地探测到所发射的第五码6的一部分。

原则上，以此方式也可以确定激光雷达系统1和所识别出的障碍物之间的差速度。因为所发射的码6的码持续时间已知、尤其为1.0微秒，所以可以由被接收装置3接收的码6的延长或者缩短确定所说明的差速度。如果例如识别出，所接收的码6的码持续时间延长0.66皮秒，则可以以真空光速为基础推断出，当所发射的码6的码持续时间为1.0微秒时，所识别出的障碍物以每秒100米的速度远离激光雷达系统1。

此外，优选地，可以确定所检测到的障碍物的倾斜角。如果通过扫描运动100使所发射的光射束5在倾斜的表面上偏转，则与以上所提到的相对速度的情况类似地又产生所接收的码6的码持续时间的延长或者缩短。如果例如发射具有1.0微秒的码持续时间的码6并且确定所接收的码6的码持续时间延迟或缩短3.3纳秒，则当通过扫描运动100在1.0微秒的码持续时间期间扫掠50厘米长度的区域时，在又以真空光速为基础的情况下可推断出45度的倾斜。

图6示意性地示出根据本发明的该实施例的激光雷达系统1的接收装置3的第二替代方案。在第二替代方案中，每个滤波器8不检验唯一的码6，而检验不同的码6的序列。因此，存在以下滤波器8：所述滤波器检验两个不同的码6的序列或者检验四个不同的码6的序列或者检验八个不同的码6的序列。在其他方面，接收装置3的结构等同于图6，因此省去阈值决定电路10、时间模块11和计算装置12的显示。特别有利地，在图3中示出的滤波器8和在图6中示出的滤波器8可以串行地连接。

图7示意性地示出与图5相同的，其中，附加地示出图6的滤波器8的一部分的输出信号700、800。因此，图3中的滤波器8的第一输出信号600相应于以下滤波器8的输出信号：所述滤波器分配有仅仅一个唯一的码6。第二输出信号700相应于以下滤波器的输出信号：所述滤波器分配有2个码6。这类滤波器8在图6中示出，尤其通过最上方的八个滤波器8示出。最后，第三输出信号800显示以下滤波器8的输出信号：所述滤波器分配有八个码6。这样的滤波器8在图6中在最下方的位置上示出。

由图7显而易见的，借助更高数目的所分配的码6改进信号/噪声比。同时减小分辨率。如果在图6和图3中示出的滤波器8因此全部并行地连接，则可以首先根据粗粒的滤波器8——这意味着，根据分配有多个码6的滤波器8——尝试记录更准确无误的信号。之后，可以借助细粒的滤波器8——这意味着，借助分配有少量的码6或者仅仅一个码6的滤波器8——尝试取得高的准确性。

因此，显而易见的是，根据本发明的该实施例的激光雷达系统1一方面提供在距离测量时的高的可靠性和准确性，另一方面该激光雷达系统难以被外源干扰或者根本不可能被外源干扰。在此，完全省去脉冲式激光器的使用。

Claims (12)

1.一种用于检测周围环境(200)的激光雷达系统(1)，其包括

用于发射激光的激光源(2)，

用于接收由所述周围环境(200)反射的激光(9)的接收装置(3)和用于控制所述激光源(2)的控制装置(4)，

其特征在于，所述控制装置(4)设置用于控制所述激光源(2)进行连续的光射束(5)的发射并且连续地调制所发射的光射束(5)，从而所述光射束(5)包括多个彼此相继的码(6)，由此能够实现所述光射束(5)的在时间上的分配。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述码(6)具有最小的互相关性和/或最大的正交性。

3.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述激光源(2)构造用于至少沿着二维空间发射所述激光，以便实施所述激光的扫描运动。

4.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述码(6)通过所述激光源(2)的启用和停用的不同的序列产生。

5.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述码(6)具有在0.5微秒和1.5微秒之间的持续时间和/或具有127比特的长度。

6.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述码(6)借助N序列和/或金码和/或Kasami码和/或Barker码和/或Ipatov序列来确定。

7.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述接收装置(3)包括至少一个光电二极管和/或光电二极管阵列(7)。

8.根据权利要求7所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述光电二极管和/或所述光电二极管阵列(7)包括pin二极管和/或APD二极管和/或SPAD二极管。

9.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述接收装置(3)对于每个码(6)包括一个滤波器(8)。

10.根据权利要求9所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述滤波器(8)包括最佳滤波器。

11.根据权利要求5所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述码(6)具有1.0微秒的持续时间。

12.一种用于检测周围环境(200)的方法，其包括以下步骤：

借助激光源(2)发射激光，

借助接收装置(3)接收由所述周围环境(200)反射的激光(9)，

其中，控制所述激光源(2)进行连续的光射束(5)的发射，

其特征在于，连续地调制所发射的连续的光射束(5)，从而所述光射束(5)包括多个彼此相继的码(6)，由此能够实现所述光射束(5)的在时间上的分配。