CN110199203B - 用于激光雷达系统的监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达系统(2)的监测设备(1)，所述监测设备包括探测器(5)和调节回路(6)，所述探测器用于探测激光并且由所述激光产生参考信号(100)，所述调节回路通过改变调整信号(200)来将所述参考信号(100)的幅度与所述调整信号(200)的幅度之间的差最小化。

Description

用于激光雷达系统的监测设备

技术领域

本发明涉及一种激光雷达系统的监测设备。此外，本发明涉及一种具有监测设备的激光雷达系统。激光雷达系统尤其构造用于发送具有非常短的脉冲持续时间的激光脉冲。

背景技术

由现有技术已知监视激光雷达系统。为此，求取激光雷达系统的所发送的光功率，以便确定所发送的光功率是否已经超过阈值。如果是这种情况，则必须降低光功率，因为否则可能发生对人类——例如通过眼睛损伤——造成危害。

因此，在传统的激光雷达系统中使用长波的脉冲，以便能够最佳地确定光功率。但是，在识别由周围环境中的对象反射的激光束的探测器的方面有利的是，存在尽可能短的脉冲。“短脉冲”尤其理解为具有最大10ns的持续时间的脉冲。

如果尝试将具有短的脉冲的信号从模拟转换至数字——这对于光功率的确定是必需的，则出现显著的困难和不准确性。这导致，不再可以保证激光雷达系统的可靠的功能监测。因此，放弃在激光雷达系统中使用短的激光脉冲，所述激光脉冲尤其设置用于应用在车辆中。

发明内容

根据本发明的监测设备允许可靠地监测激光雷达系统。即使存在短的脉冲，光功率的确定尤其也是可能的。同时，监测设备简单并且成本有利地构造。最后，尤其能够实现在任何时间测试监测设备。

根据本发明的激光雷达系统的监测设备包括探测器和调节回路。探测器构造用于探测激光并且由激光产生参考信号。参考信号尤其是电信号并且表示激光的通过探测器检测到的光功率。调节回路构造用于将参考信号的幅度与调整信号的幅度之间的差最小化。为此，优选地改变调整信号。因此，在监测设备中不尝试量化单个的脉冲，而是优选地在多个脉冲上执行调节。该调节将参考信号的幅度与调整信号的幅度之间的差最小化，从而调整信号的幅度最终相应于参考信号的幅度。一旦调节回路已起振，就始终以调整信号的形式提供如下参量：该参量可以看作激光脉冲幅度的测量值。因此，可以求取非常短的脉冲——尤其具有小于10ns的宽度的脉冲——的幅度。

从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。

优选地，调节回路具有比较器，该比较器用于求取参考信号与调整信号之间的差。比较器尤其构造用于执行参考信号的幅度与调整信号的幅度的减法。此外，调节回路优选地包括调节单元，该调节单元用于根据由比较器已经求取的差来改变调整信号。因此，调整信号表示调节回路内的调整参量。调节单元尤其用于将所述差最小化，其中，调节单元为此使用已知的方法来改变调整信号。这些方法尤其是牛顿方法(Newton-Verfahren)和/或龙格库塔方法(Runge-Kutta-Verfahren)。这些方法具有可以实现快速收敛的优点。因此，调节回路仅仅需要短的时间来完成起振过程。

特别有利地，调节单元设置用于通过改变调整信号来将差调节到值零。因此，调整信号的幅度收敛到如下值：参考信号的幅度也是该值。由此，可以根据调整信号的幅度来识别参考信号的幅度是多大。因此，调整信号用作参考信号的幅度的测量参量。为此，调整信号优选地是恒定的，从而调整信号的幅度通过恒定的值来描绘。

优选地，调节单元构造用于输出数字信号。数字信号可以由数字/模拟转换器转换成调整信号。因此，尤其一旦调节回路已经起振，与数字信号一起，已经存在参考信号的幅度的数字表示。因此，不需要对参考信号的幅度进行昂贵的或不可能的测量以及所属的模拟/数字转换。

此外，优选地设置附加比较器。附加比较器用于求取参考信号与在其幅度方面减半的调整信号之间的差。又优选地，调整信号是恒定的信号，从而差仅仅引起参考信号在幅度方向上移位。这尤其通过调整信号的一半幅度来实现。尤其设置，将脉冲宽度确定为在信号上升直至一半幅度之后和在信号下降直至一半幅度之前经历的时间。因此，通过附加比较器确定指示参考信号的脉冲宽度的脉冲宽度信号。脉冲宽度信号尤其仅仅对于根据上述定义的脉冲宽度的持续时间存在。

特别有利地，存在脉冲宽度估计单元。脉冲宽度估计单元用于对所述脉冲宽度信号的一个脉冲施加在所述脉冲宽度估计单元上的、预先定义的时间单位的数目进行计数。因此，脉冲宽度被确定为预先定义的时间单位的多倍。此外，脉冲宽度估计单元构造用于输出BCD计数器码，所述BCD计数器码指示预先定义的时间单位的数目。因此，根据BCD计数器码可以计算脉冲宽度，其方式是，将预先定义的时间单位的长度乘以预先定义的时间单位的数目。特别有利地，脉冲宽度估计单元具有串联连接的多个测试单元。在此设置，每个测试单元构造用于输出如下的二进制信号：脉冲在等待预先定义的时间单位之后是否继续存在于脉冲宽度估计单元上。有利地，BCD计数器码由测试单元的二进制信号组成。通过串联连接，将预先定义的时间单位相加。这意味着，串联连接中的第一测试单元检查：在预先确定的时间单位之后脉冲宽度信号是否存在于脉冲宽度估计单元上。如果是这种情况，则输出二进制0，否则输出二进制1，它们分别形成BCD计数器码的第一个值。接下来，在重新等待预先定义的时间单位之后，串联连接中的下一个测试单元检查：脉冲宽度信号是否继续存在。这一直继续，直至所有测试单元已经执行完检查。但是，因为每个测试单元仅仅当串联连接的所有连接在上游的测试单元已经完成检查时才被激活，所以在BCD计数器码内二进制1和/或二进制0的数目是脉冲宽度的量度，其方式是，该脉冲宽度的数目和/或分布表示预先定义的时间单位的持续时间的乘数。

此外，每个计数单元特别有利地具有延迟环节和D触发器。延迟环节用于将指示脉冲宽度信号的上升沿的存在的二进制信号延迟地施加到D触发器的数据输入端上。延迟包括预先定义的时间单位的长度。同时，将指示脉冲宽度信号的下降沿的存在的二进制信号无延迟地施加到D触发器的时钟输入端上。现有的所有D触发器的输出形成BCD计数器码。因为脉冲宽度信号仅仅存在如参考信号的脉冲所持续的那样长，所以脉冲宽度优选地是上升沿与下降沿之间的时间。这通过D触发器来确定。如果在上升沿上的延迟的二进制信号同时与在下降沿上的未延迟的二进制信号存在于D触发器上，则将D触发器的输出切换到二进制1。通过多个计数单元，多个延迟环节是串联连接的，其中，每个延迟环节将指示脉冲宽度信号的上升沿的存在的二进制信号延迟地施加到计数单元的相应的D触发器上。指示脉冲宽度信号的下降沿的存在的二进制信号始终无延迟地施加到计数单元的D触发器上。各个D触发器的如此求取的二进制结果以BCD计数器码输出。

优选地，探测器用于由激光产生独特的电流信号。在此设置，电流信号可以通过跨阻抗转换器转换成参考信号。因此，通过可变的电压来形成参考信号。这简化了参考信号的通过比较器和附加比较器的进一步处理。

有利地，探测器包括pin二极管和/或雪崩光电二极管。以这种方式可以简单并且开销低地实现监测单元，其中，同时能够可靠地监测激光雷达系统。

最后，本发明涉及一种激光雷达系统。激光雷达系统包括激光源、耦合输出单元和如先前所描述那样的监测设备。在此设置，借助激光源发送短的光脉冲。“短的光脉冲”尤其可以理解为以下脉冲：所述脉冲具有最大10ns、尤其最大5ns的持续时间。进一步设置，激光源的激光可以通过耦合输出单元至少部分地引导至监测设备。

附图说明

以下参照附图详细地描述本发明的实施例。附图示出：

图1示出具有根据本发明的一个实施例的监测设备的激光雷达系统的示意图；

图2示出根据本发明的实施例的监测设备的脉冲宽度估计单元的示意图；

图3示出根据本发明的一个实施例的监测设备的参考信号的示意图；

图4示出根据本发明的实施例的监测设备的调整信号的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出具有根据本发明的一个实施例的监测设备1的激光雷达系统2。激光雷达系统2具有构造用于发送激光的激光源3。借助激光源3尤其可以发送最大10ns、尤其5ns的短的光脉冲。这种短的光脉冲是有利的，因为这种短的光脉冲允许使用成本有利的雪崩光电二极管(Avalanche-Photodiode)作为探测器(未示出)。

为此，监测系统1用于对激光雷达系统2进行功能监测。为此，通过耦合输出单元4将由激光源3已经发送的激光的部分引导至监测设备1。耦合输出单元4尤其是激光雷达系统2的光学系统(未示出)的透镜。

监测设备1具有探测器5，该探测器构造用于接收激光以及由所接收的激光产生参考信号100。探测器5尤其产生反映所接收的光功率的电流信号。在一种有利的实施方式中，设置跨阻抗转换器12以将电流信号转换为电压信号。由此，参考信号100是以下电压信号：在该电压信号的情况下，电压相对于由探测器5接收的光功率发生变化。因为激光源3构造用于发送短的光脉冲，所以参考信号100也包括持续最多10ns、尤其最多5ns的短的电压脉冲。

脉冲的持续时间也称为脉冲宽度600(参见图3)。该脉冲宽度是以下时间段：在所述时间段上，脉冲至少具有一半幅度。因此，该时间段以参考信号100上升超过一半幅度来开始并且以参考信号下降低于一半幅度来结束。

为了确定脉冲的能量，需要已知幅度和脉冲宽度600。因此，首先可以确定幅度，以便然后求取脉冲宽度600。一旦已知这些参数，就可以推导出脉冲的能量。由此又能够实现：求取激光的光功率。因此，总体上可以检测光功率是否低于预先定义的极限值。如果不是这种情况，则激光雷达系统引起对人类、尤其对人眼的潜在危害，因此需要校正光传导。

为了求取参考信号100的幅度，存在调节回路6。调节回路6包括比较器7和调节单元8。比较器7用于计算参考信号100与调整信号200的差。比较器7尤其计算参考信号100的幅度与调整信号200的幅度的差。应该将该差最小化、尤其最小化到值0。

为了将差最小化，调节单元8改变调整信号200。因此，通过调节单元8使调整信号200匹配于参考信号100。因此，尤其通过调整信号200来描绘参考信号100的幅度。因此，调整信号200的幅度是参考信号的幅度的量度。

调节单元8作为对由比较器7计算出的差的响应输出数字信号。该数字信号由数字/模拟转换器9转换成模拟信号，即调整信号200。因此，比较器7可以从参考信号中减去调整信号200。

调节回路6需要起振时间来进行起振。这可以理解如下：调整信号200收敛到最终值。该起振时间尤其包括参考信号的少于十个脉冲、尤其最多五个脉冲的持续时间。在起振后，借助调整信号200提供表示参考信号100的至少一个幅度的参量。

为了求取脉冲持续时间或脉冲宽度600，将调整信号200在其幅度方面减半。为此，存在二等分元件11。因此，如此在其幅度方面减半的调整信号200与参考信号100共同地施加到附加比较器10上。该附加比较器确定在其幅度方面减半的调整信号200以及参考信号100的差。由此产生如下的脉冲宽度信号300：其仅仅存在如根据以上定义的脉冲宽度600那样长的时间。这意味着，脉冲宽度信号300的上升沿指示脉冲的开始，反之下降沿指示脉冲的结束。为了求取上升沿与下降沿之间的时间段，存在脉冲宽度估计单元13。

在图2中示出脉冲宽度估计单元13。根据脉冲宽度估计单元13可以求取，预先定义的时间单位的多少倍相应于脉冲宽度600。为此，存在多个测试单元16。每个测试单元16具有延迟环节14和D触发器15。设置，所有测试单元16是串联连接的。

借助测试单元16的延迟环节14，第一二进制信号310可以延迟地施加到测试单元16的D触发器15的数据输入端上。所述延迟通过预先定义的时间单位来预给定。同时，第二二进制信号320无延迟地施加到D触发器15的时钟输入端上。以这种方式，当第一二进制信号310和第二二进制信号320都显示二进制1时，然后D触发器15可以切换到二进制1的输出值。

第一二进制信号310表示：是否存在脉冲宽度信号300的上升沿。如果是这种情况，则第一二进制信号310是二进制1。第二二进制信号320表示：是否存在脉冲宽度信号300的下降沿。因此，D触发器15的输出指示：在上升沿的出现与下降沿的出现之间是否至少存在预先定义的时间单位。

如在图2中所示的那样，所有测试单元16串联连接。这尤其意味着：所有延迟环节14串联连接。因此，将第一二进制信号310的延迟进行累加，而第二二进制信号320始终无延迟地施加到所有D触发器15上。因此，可以简单并且开销低地确定脉冲宽度600。

脉冲宽度600通过BCD计数器码500来表示，所述BCD计数器码具有所有D触发器15的输出。根据BCD计数器码500描述：脉冲宽度600相应于多少预先定义的时间单位。因此，可以开销低地求取脉冲宽度600。

结果，因此简单并且开销低地求取脉冲宽度600，其中，所描述的实施例尤其可以应用在短的激光脉冲上。由脉冲宽度600和幅度可以计算出激光的光功率，由此可以简单并且开销低地求取光功率。这导致激光雷达系统2的功能的最佳监测。尤其可以避免出现可能损害人体组织、尤其人眼的过高的光功率。

图3示意性地示出参考信号100的脉冲的变化过程。在该图中，纵轴是电压，横轴是时间。此外，在图3中示出脉冲宽度600，其中，对此示出上升沿310的位置和下降沿320的位置。

图4示意性地示出调整信号200的变化过程。调整信号200尤其是由调节单元8调节的恒定值。因此，首先存在以下起振阶段：在所述起振阶段中，调整信号200上升直至调整信号已经达到参考信号。在这种情况下，调整信号200的恒定值相应于参考信号100的幅度。此外，在图4中示意性地示出：在起振之后在调整信号200上没有发生值得一提的变化。

在图3和图4中虚线地示出的区域表示调节回路6的最大调节范围。该范围受到调整信号200的有限的可变性限制。因此设置，将调节范围匹配于参考信号100的可预期的脉冲。

代替到探测器5上的光入射，也可以将测试信号700馈入到监测设备1中。测试信号700用于测试监测设备1并且表示探测器5的虚拟结果。因此，就像参考信号100那样地处理测试信号700。这允许监测设备1的持续控制。因此，防止监测设备1的失效或监测设备1的功能性故障。

Claims (8)

1.一种激光雷达系统(2)的用于功能监测的监测设备(1)，所述监测设备包括：

探测器(5)，所述探测器用于探测激光并且由所述激光产生参考信号(100)；和

调节回路(6)，所述调节回路通过改变调整信号(200)来将所述参考信号(100)的幅度与所述调整信号(200)的幅度之间的差最小化，

其中，所述调节回路(6)具有比较器(7)以及调节单元(8)，所述比较器用于求取所述参考信号(100)与所述调整信号(200)之间的差，所述调节单元用于根据由所述比较器(7)求取的差来改变所述调整信号(200)，

其特征在于附加比较器(10)，所述附加比较器用于求取所述参考信号(100)的幅度与所述调整信号(200)的一半幅度之间的差，以便因此确定指示所述参考信号(100)的脉冲宽度的脉冲宽度信号(300)。

2.根据权利要求1所述的监测设备(1)，其特征在于，所述调节单元(8)设置用于通过改变所述调整信号(200)来将所述差调节到值零。

3.根据权利要求1或2所述的监测设备(1)，其特征在于，所述调节单元(8)构造用于输出数字信号，其中，所述数字信号能够由数字/模拟转换器(9)转换成所述调整信号(200)。

4.根据权利要求1或2所述的监测设备(1)，其特征在于脉冲宽度估计单元(13)，所述脉冲宽度估计单元用于对所述脉冲宽度信号(300)的一个脉冲施加在所述脉冲宽度估计单元(13)上的、预先定义的时间单位的数目进行计数并且用于输出BCD计数器码(500)，所述BCD计数器码指示所述预先定义的时间单位的数目，

其中，所述脉冲宽度估计单元(13)具有串联连接的多个测试单元(16)；

其中，每个测试单元(16)构造用于输出如下的二进制信号：所述脉冲在等待所述预先定义的时间单位之后是否继续存在于所述脉冲宽度估计单元(13)上；以及

其中，所述BCD计数器码(500)由所述测试单元(16)的二进制信号组成。

5.根据权利要求4所述的监测设备(1)，其特征在于，每个测试单元(16)具有延迟环节，以便分别将指示所述脉冲宽度信号(300)的上升沿的存在的二进制信号延迟所述预先定义的时间单位地施加到D触发器(15)的数据输入端上，其中，将指示所述脉冲宽度信号(300)的下降沿的存在的二进制信号无延迟地施加到所述D触发器(15)的时钟输入端上，其中，现有的所有D触发器(15)的输出形成所述BCD计数器码(500)。

6.根据权利要求1或2所述的监测设备(1)，其特征在于，所述探测器(5)构造用于由所述激光产生独特的电流信号，其中，所述电流信号能够通过跨阻抗转换器(12)转换成所述参考信号(100)。

7.根据权利要求1或2所述的监测设备(1)，其特征在于，所述探测器(5)包括pin二极管和/或雪崩光电二极管。

8.一种激光雷达系统(2)，所述激光雷达系统包括激光源(3)、耦合输出单元(4)和根据权利要求1至7中任一项所述的监测设备(1)，其中，所述激光源(3)的激光能够通过所述耦合输出单元(4)至少部分地引导至所述监测设备(1)。

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