CN110462440A - 用于对立体角进行扫描的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对扫描角进行扫描的方法，在该方法中产生至少一个电磁射束并且所述至少一个电磁射束沿着扫描角进行偏转。在对象上反射的至少一个电磁射束被接收到和探测到，其中，在至少一个第一电磁射束后产生至少一个第二电磁射束，其中，以比第一电磁射束低的能量产生第二电磁射束。此外，本发明公开一种激光雷达设备。

Description

用于对立体角进行扫描的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于对扫描角进行扫描的方法以及一种用于对扫描角进行扫描的激光雷达设备。

背景技术

传统的激光雷达(英语Light Detektion And Ranging)设备是如下的脉冲式的直接飞行时间(英语direct Time-of-Flight)系统：其对短的能量高的射束脉冲或者激光脉冲的发射与接收之间的时间进行测量。接下来，通过射束的时间或者飞行时间由于知道光速而求取出对象与激光雷达设备之间的间距。通常使用雪崩光电二极管或单光子雪崩二极管作为用于接收反射射束的探测器。为了在对象的低于10％的同时差的反射率的情况下扫描或测量100-200m的尽可能大的作用范围，在人眼安全性准则的范畴内所需的激光脉冲可以根据系统配置达到千瓦范围内的峰值功率。由于常用的探测器的受限的动态范围，在射束在较近的对象上反射时快速地发生探测器的饱和。由此，接收脉冲的形状可能失真。因此，基于脉冲形状求取其他的测量参量——例如强度、反射率、天气条件、目标对象相对于激光雷达设备的角度——可能变得困难或受阻。

发明内容

基于本发明的任务可以看作提出一种激光雷达设备和一种方法，所述激光雷达设备和所述方法尽管大的作用范围也仍能够记录近区域内的对象而不发生探测器的过饱和

该任务借助独立权利要求的相应的主题来解决。本发明的有利构型是各个从属权利要求的主题。

根据本发明的一方面，提供一种对扫描角进行扫描的方法，在该方法的情况下产生至少一个电磁射束并且将所述至少一个电磁射束沿着扫描角进行偏转。接收并且探测在对象上反射的至少一个电磁射束，其中，在至少一个第一电磁射束后产生至少一个第二电磁射束，其中，以比第一电磁射束更低的能量产生第二电磁射束。

由此产生至少一个第一电磁射束，并且在短时间后产生更弱的至少一个第二电磁射束。在此，“更弱”意味着：至少一个第二电磁射束的强度和能量值小于至少一个第一电磁射束的强度和能量值。优选地，电磁射束的通常普遍的或可能的100％的能量现在在至少一个第一射束与至少一个第二射束之间进行分配。所述至少一个第一射束例如可以具有能量的80-90％，以便不太严重地限制激光雷达设备的最大作用范围并且确保不忽视对象。反之，所述至少一个第二射束可以具有能量的10-20％。由此也可以借助具有更高线性度的至少一个第二射束来探测对象。这样的对象例如可以是定位在至激光雷达设备的短距离中的对象和/或具有高反射率的对象。这些对象在探测到至少一个能量高的第一射束时将导致探测器饱和。

根据所述方法的一个实施例，至少一个第二电磁射束的能量选择低于至少一个探测器的饱和度。由此可以防止至少一个第二射束可能导致探测器饱和。因为在至少一个能量高的第一射束的情况下，探测器饱和的危险尤其在近对象的情况下是高的，所以通过至少一个第二射束仍然可以确保对扫描区域的有说服力的测量。

根据另一实施例，脉冲式地产生至少一个电磁射束。由此可以根据脉冲持续时间在能量值保持不变的情况下实现高强度。因此，也可以在短的时间间隔内产生多个脉冲射束。

根据所述设备的另一实施例，在产生至少一个第一电磁射束与产生至少一个第二电磁射束之间发起延迟时间。由此可以延迟地产生至少一个第二射束。替代地或附加地，也可以以多个第二射束之间的第二延迟时间来产生多个第二射束。第二延迟时间例如可以实施得小于至少一个第一射束与至少一个第二射束之间的第一延迟时间。

根据另一实施例，改变至少一个第一电磁射束与至少一个第二电磁射束的强度比。由此可以将所产生的射束灵活地并就地匹配于情况。例如在极其频繁使用的周围环境中的汽车应用的情况下可以使用低的强度比，从而能够更有效地扫描近区域。反之，在高速公路上可以调节两个射束的尽可能大的强度比，从而相应的激光雷达设备具有尽可能大的作用范围并且由此也可以在较高的速度的情况下使用。

根据所述方法的另一实施例，改变至少一个第一电磁射束与至少一个第二电磁射束之间的延迟时间。在此，延迟时间尤其可以匹配于对象至激光雷达设备或用于产生至少一个射束的至少一个射束源的距离。随着距离增大，所产生的射束需要更多时间以经过至对象和返回至探测器的距离。因此可以这样地匹配延迟时间，使得至少一个反射射束可以被至少一个探测器在限定的时间间隔内或在限定的测量周期内探测到。有利地，可以这样地选择延迟时间，使得所接收到的至少一个反射射束不能够与所产生的射束在时间上重叠。

根据另一实施例，延迟时间选择得大于探测器的恢复时间。因为尤其在短距离和/或高反射率中的对象的扫描过程的情况下至少一个能量高的第一射束的反射射束可能导致探测器饱和，所以至少一个探测器需要时间间隔用以重新准备好接收至少一个第二射束。替代地，可以选择不需要恢复时间的探测器。

根据本发明的另一方面，提供一种用于执行根据本发明的一方面的方法的激光雷达设备。该激光雷达设备具有至少一个射束源并且具有偏转单元并且具有至少一个探测器，所述至少一个射束源用于产生至少一个电磁射束，所述偏转单元用于将所产生的至少一个电磁射束沿着扫描角进行偏转，所述至少一个探测器用于接收和探测在对象上反射的至少一个电磁射束，其中，至少一个射束源产生至少一个第一电磁射束和至少一个第二电磁射束，其中，与第一电磁射束相比，第二电磁射束具有更低的能量。

通过在至少一个能量高的第一射束后不久产生更弱的至少一个第二射束可以扩展激光雷达设备的工作范围。在对象上反射的能量高的射束可能在具有至激光雷达设备的短距离的对象的情况下导致至少一个探测器饱和。在具有高反射率的对象上反射的能量高的射束同样可能超过探测器的动态范围。如果探测器遭受饱和，那么对所接收到的至少一个射束的进一步分析处理可能变得困难或受阻。由于探测器饱和而尤其不再能够对基于射束的脉冲形状的其他测量参量——例如强度、反射率、天气条件、目标对象相对于激光雷达设备的角度等——进行分析处理。由此确保即使在使用在尽可能大的作用范围上设计的能量高的射束的情况下同样能够以高线性度探测到有问题的对象。

根据一个实施例，在所产生的至少一个第一射束与所产生的至少一个第二射束之间实现可变的延迟时间。根据探测器需要考虑饱和后的恢复时间。因此可以通过延迟时间确保探测器能够定期地探测到至少一个第二射束。由此可以避免饱和的探测器的负面效应。因为至少两个射束具有相同的时基并且可以被分类到相同的直方图中，所以在激光雷达设备中不需要附加的存储器。

根据另一实施例，至少一个第一电磁射束与至少一个第二电磁射束之间的强度比是可变化的。根据激光雷达设备的应用周围环境可以确定至少一个第一射束与至少一个第二射束之间的强度比。该强度比可以例如是90％比10％、80％比20％、50％比50％等。尤其在需要大的作用范围的应用的情况下，尽可能大的能量百分比可以用到至少一个第一射束上。此外，除了选择延迟时间外，还可以根据例如低于50m的待探测的近区域来选择强度比。在每个测量周期——该测量周期由通过延迟时间彼此分离地产生的并且再次接收到的至少两个射束构成——后，可以改变延迟时间和/或强度比。

附图说明

以下根据极其简化的示意图详细地阐述本发明的优选实施例。在此示出：

图1示出根据第一实施例的激光雷达设备的示意图；

图2a示出根据第一实施例的方法所产生的射束的示意性序列；

图2b示出根据第一实施例的方法所探测到的射束的示意性的强度谱；

图3a、3b示出根据第一实施例的方法所产生和接收到的射束的示意性序列；

图4a示出根据第二实施例的方法所产生的射束的示意性序列；

图4b、4c示出根据第二实施例的方法所产生和接收到的射束的示意性序列。

在附图中，相同的结构元件分别具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出激光雷达设备1的第一实施例。激光雷达设备1具有用于产生至少一个电磁射束4的射束源2。根据该实施例，射束源2是产生呈脉冲形状的射束4的激光器2。根据该实施例，激光器2用于产生具有在不可见的红外范围内的波长的射束4。波长例如可以大于800nm。由激光器2产生的射束4由偏转单元6或可旋转的镜6进行偏转。在此，镜6可以沿着旋转轴线R枢转。因此，镜6可以将所产生的射束4沿着限定的扫描角H进行偏转。附加地，镜6能够与水平扫描角H正交地枢转并且因此覆盖竖直的扫描角V。由此，激光雷达设备1可以对立体角W＝V×H进行扫描并且能够对定位在立体角W中的对象8、9进行定位。所产生的至少一个射束4被对象8、9至少部分地反射并且成为反射的或入射的射束10、30。该反射的射束10、30被接收光学器件12接收到并且被引导到探测器14上。探测器14由多个如下的探测器单元16构成：所述探测器单元根据该实施例是单光子雪崩二极管。

在图2a中示出根据第一实施例的方法所产生的射束4、5的示意性序列。尤其在时间t上直观示出所产生的第一射束4和所产生的第二射束5的强度I。所产生的射束4、5脉冲状地产生并且形成测量周期18。在测量周期18中，所产生的射束4、5通过延迟时间20在时间上彼此间隔开。在所产生的第二射束5和下一个测量周期18之间同样存在属于第一测量时间18的第二中断时间22。通过第二中断时间22可以实现射束源2的衰减阶段。此外，通过第二中断时间22可以控制每单位时间t在测量周期18上输出的总能量值。

图2b示出根据第一实施例的方法所探测到的射束10、11的示意性的强度谱。在此，尤其直观示出由探测器单元16在时间上所记录的强度分布。所示的时间区段相应于测量周期18中的第一时间范围。所探测到的第一射束10具有如此高的强度I，使得探测器单元16达到饱和状态24并且变得所谓的过度曝光。在短的时间间隔后探测到第二射束11。该第二射束11以较低的能量值产生并且在对象8上反射后具有处在探测器单元16的饱和状态24以下的强度I。

图3a和3b示出通过探测器14的至少一个探测器单元16在时帧t内所记录的反射的或探测到的射束10、11、30、31的示意性的时间序列。在此使用在图2a中已经描述的测量周期18以对两个对象8、9进行探测。在此，在相同的时间上的强度变化过程I内已经记录被第一对象8反射的射束10、11和被第二对象9反射的射束30、31。因此，对于分析处理所探测到的射束10、11、30、31不需要单独的时间线。因此可以使分析处理过程加速。图3b例如示出，两个不同对象8、9的所探测的射束10、11、30、31可以重叠。当在两个对象8、9之间存在如下间距时，尤其是这种情况：该间距导致所产生的射束4、5的飞行持续时间相应于延迟时间20。因此，根据该方法可以在下一个或再下一个测量周期18中改变延迟时间20，以便能够实现第一对象8的所探测到的射束10、11的强度I与第二对象9的所探测到的射束30、31的强度I的明确的时间差。

在图4a中示出根据第二实施例的方法所产生的射束4、5的示意性序列。根据该实施例，射束源2产生包括呈脉冲形状的一个能量高的第一射束4和两个另外的能量较弱的第二射束5。在所产生的第一射束4与所产生的第二射束5之间同样存在时间延迟20。在此，该延迟时间也可以根据测量周期18可变地实施并且匹配于对象8、9的类型或距离或匹配于预期的对象8、9的数量。在产生两个能量较弱的第二射束5后，对于第二延迟时间22或者中断时间22中不再产生另外的射束4、5。然而可以使用中断时间22作为射束源2的衰减阶段。根据相应的射束4、5的持续时间，可以将延迟时间20和中断时间22匹配于限定的测量周期18。由此也可以匹配于每单位时间t由所产生的射束4、5输出的能量值。根据该实施例，所产生的第一射束在测量周期18中具有能量值的70％而所产生的两个第二射束5分别具有能量值的15％。

在图4b中示出在图4a中所描述的测量周期18，该测量周期具有第一对象8的由探测器14的至少一个探测器单元16所接收或所探测到的射束10、11和第二对象9的所探测到的射束30、31。延迟时间20根据对象8、9的距离如此进行调节，使得在时间轴t内所记录的射束10、11、30、31的脉冲不重合或重叠。因此，可以对射束10、11、30、31的每个单个脉冲进行明确地辨识和分析处理。图4c例如示出类似于图4b的彼此具有如下距离的两个对象8、9的所探测到的射束10、11、30、31：在以延迟20的数量级的飞行时间内由射束10、11、30、31能够经过该距离。由此，两个对象8、9的所探测到的射束10、11、30、31局部地具有重叠或重合。因此，仅仅对所探测到的射束10、11、30、31不完整地进行分析处理。为了避免这种情况，可以隔着多个测量周期18限定和连续地改变延迟时间20，从而能够识别出多个所探测到的射束10、11、30、31的重叠或所探测到的射束10、11、30、31不再重叠。替代地，例如可以在单独的时间轴上记录每个第二测量周期18，使得可以防止所探测到的射束10、11、30、31重叠。

Claims (10)

1.一种用于对扫描角(W)进行扫描的方法，所述方法包括以下步骤：

-产生至少一个电磁射束(4，5)；

-将所述至少一个电磁射束(4，5)沿着所述扫描角(W)进行偏转；

-接收并且探测在至少一个对象(8，9)上反射的至少一个电磁射束(10，11，30，31)；

其特征在于，在至少一个第一电磁射束(4)后产生至少一个第二电磁射束(5)，其中，以比所述第一电磁射束(4)更低的能量来产生所述第二电磁射束(5)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个第二电磁射束(5)的能量选择得低于至少一个探测器(14，16)的饱和度(24)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，脉冲式地产生所述至少一个电磁射束(4，5)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在产生所述至少一个第一电磁射束(4)与产生所述至少一个第二电磁射束(5)之间发起延迟时间(20)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，改变所述至少一个第一电磁射束(4)与所述至少一个第二电磁射束(5)的强度比。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，改变所述至少一个第一电磁射束(4)与所述至少一个第二电磁射束(5)之间的所述延迟时间(20)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述延迟时间(20)选择得大于探测器(14，16)的恢复时间。

8.一种激光雷达设备(1)，所述激光雷达设备用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法，所述激光雷达设备具有至少一个射束源(2)并且具有偏转单元(6)并且具有至少一个探测器(14，16)，所述至少一个射束源用于产生至少一个电磁射束(4，5)，所述偏转单元用于将所产生的所述至少一个电磁射束(4，5)沿着扫描角(W)进行偏转，所述至少一个探测器(14，16)用于接收和探测在至少一个对象(8，9)上反射的至少一个电磁射束(10，11，30，31)，其特征在于，所述至少一个射束源(2)产生至少一个第一电磁射束(4)和至少一个第二电磁射束(5)，其中，与所述第一电磁射束(4)相比，所述第二电磁射束(5)具有更低的能量。

9.根据权利要求8所述的激光雷达设备(1)，其中，在所产生的至少一个第一射束(4)与所产生的至少一个第二射束(5)之间实现可变化的延迟时间(20)。

10.根据权利要求8或9所述的激光雷达设备(1)，其中，所述至少一个第一电磁射束(4)与所述至少一个第二电磁射束(5)之间的强度比是可变化的。