CN110476082B - 激光雷达系统和用于运行激光雷达系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达系统(1)，所述激光雷达系统包括：发送单元(20)，其包括偏振设备(21)，其中，所述偏振设备(21)设置用于确定扫描射束(2)的偏振；接收单元(30)，其设置用于在所述扫描射束(2)已经在所述激光雷达系统(1)的周围环境中的点(41)上反射后接收所述扫描射束(2)，其中，所述接收单元(30)包括偏振识别设备(31)，所述偏振识别设备设置用于识别所反射的扫描射束(2)的偏振；和分析处理单元(32)，其设置用于基于通过所述发送单元(20)确定的偏振与由所述接收单元(30)识别出的偏振之间的差来求取偏振差。

Description

激光雷达系统和用于运行激光雷达系统的方法

技术领域

本发明涉及一种激光雷达系统和一种用于运行激光雷达系统的方法。

背景技术

汽车领域中的目前的激光雷达系统不执行材料识别并且因此不允许推断出关于由激光雷达系统检测到的对象的表面状况的结论。

迄今为止，对对象表面状况的研究作为用于对象识别的附加信息本身不能够可靠地实现。然而，关于对象的表面状况的信息将有助于实现扩展的对象识别和/或执行对象的可信度检验。

对此，DE102013219344A1公开一种具有经偏振调制的扫描射束的激光雷达系统。

发明内容

根据本发明的激光雷达系统包括：发送单元，其包括偏振设备，其中，所述偏振设备设置用于确定扫描射束的偏振；接收单元，其设置用于在所述扫描射束已经在所述激光雷达系统的周围环境中的点上反射后接收所述扫描射束；其中，所述接收单元包括偏振识别设备，所述偏振识别设备设置用于识别所反射的扫描射束的偏振；和分析处理单元，其设置用于基于通过所述发送单元确定的偏振与由所述接收单元识别出的偏振之间的差来求取偏振差。

根据本发明的用于运行激光雷达系统的方法包括：确定所述激光雷达系统的扫描射束的偏振；在所述扫描射束已经在所述激光雷达系统的周围环境中的点上反射后，接收所述扫描射束；识别所反射的扫描射束的偏振；以及基于所述扫描射束的所确定的偏振与所述扫描射束的所识别出的偏振之间的差来求取偏振差，所述扫描射束在所述扫描射束已经在所述激光雷达系统的周围环境的点上反射后具有所识别出的偏振。

因此，偏振设备是以下设备：所述设备如此影响扫描射束的偏振，使得在已知的某个的状态下确定扫描射束的偏振。偏振设备要么由扫描射束穿过，要么产生扫描射束。偏振识别设备是设置用于识别所反射的扫描射束的偏振的设备。这意味着，偏振识别设备适用于，当扫描射束由激光雷达系统的周围环境反射回时接收该扫描射束，以便然后求取扫描射束的偏振。因此，偏振识别设备输出描述所反射的扫描射束的偏振的值。优选地，分析处理单元是模拟的或数字的电子部件。该分析处理单元求取通过发送单元确定的偏振与由接收单元识别出的偏振之间的差。换句话说，这意味着，偏振差描述扫描射束的偏振的变化，扫描射束通过其在激光雷达系统的周围环境中的点上的反射获得所述偏振差。

因此，通过激光雷达系统检测附加参数，该附加参数描述以下对象：该对象描述激光雷达系统的周围环境中的已经反射扫描射束的点。

优选地，从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。

优选地，分析处理单元还设置用于基于偏振差来求取表面特性。在此，表面特性是表征以下对象的表面的任何参数：扫描射束在激光雷达系统的周围环境中在该对象上已经反射。因此，表面特性例如是表面状况。此外，以这种方式可能的是，识别出成型对象的材料，该对象包括已经反射扫描射束的点。

进一步优选地，发送单元将扫描射束的偏振以时间顺序确定为第一偏振和第二偏振。这意味着，偏振设备改变扫描射束的偏振。以这种方式可以获得关于表面特性的附加信息，因为可以检测到在激光雷达系统的周围环境中反射扫描射束的对象对不同的偏振的影响。

优选地，所述分析处理单元设置用于给所述激光雷达系统的周围环境中的以下点分配描述所述偏振差的偏振参数：所述扫描射束已经在所述点上反射。通常，通过激光雷达系统检测到所谓的点云，该点云描述反射点的位置并且因此描述激光雷达系统的周围环境中的对象。这意味着，检测描述激光雷达系统的周围环境的多个点。在此，每个点通过其位置来定义。这样的定义例如在坐标系中进行。这些点中的每一个除了其位置之外还分配有偏振参数。通过该附加的参数例如能够实现：辨识出激光雷达系统的周围环境中的各个对象。

优选地，所述分析处理单元设置用于基于所述激光雷达系统的周围环境中的两个彼此并排的点的所述偏振差来求取所述偏振参数。在此，尤其有利的是，已经以时间顺序检测到彼此并排的点，其中，已经借助所确定的第一偏振扫描第一点，并且已经借助所确定的第二偏振扫描第二点。这意味着，在扫描第一点时和在扫描第二点时，偏振设备已经确定扫描射束的不同偏振。因为可以从以下出发：彼此并排的点以高的概率属于共同的对象，所以可以获得特别好地描述对象的表面特性的附加信息。

进一步优选地，所述偏振设备包括偏振滤光器、普克尔斯盒(Pockels-Zelle)或四分之一波片，以便确定所述扫描射束的偏振。因此，可以特别成本有利地并且稳健地构型偏振设备。

也有利的是，所述偏振设备包括可运动的元件，所述可运动的元件由所述扫描射束穿过，其中，使所述可运动的元件相对于所述扫描射束运动，以便确定所述扫描射束的偏振。因此，特别有利的是，偏振滤光器由扫描射束穿过并且偏振滤光器在此旋转。通过可运动的元件可以借助运动以简单的方式确定扫描射束的偏振。在此，尤其可能的是，选择并且因此确定多种可能的偏振。

此外有利的是，所述偏振设备是具有交替的厚度的构件，其中，具有第一厚度的区域和具有第二厚度的区域彼此并排地布置。在此，偏振设备优选地如此布置，使得在激光雷达系统的扫描过程中扫描射束通过偏振设备进行摆动。以这种方式能够实现：将扫描射束的偏振确定为不同的值，而不需要在偏振设备中进行机械运动。

有利的是，所述偏振设备是具有不同的涂层的构件，其中，在具有第一涂层的区域旁布置有具有第二涂层的区域或未涂覆的区域。在此，涂层是影响扫描射束的偏振的涂层。在此，偏振设备优选地如此布置，使得在激光雷达系统的扫描过程中使扫描射束通过偏振设备运动。以这种方式，可以实现扫描射束的可变的偏振，而不需要偏振设备的机械运动。此外，能够实现：以时间顺序将扫描射束的偏振确定为第一偏振和第二偏振。也可以以这种方式确保：对于激光雷达系统的周围环境中的彼此并排的点确定扫描射束的不同的偏振，因此，当照射到彼此并排的点中的一个上时扫描射束具有第一偏振，而当照射到彼此并排的点中的另一个上时，扫描射束具有第二偏振。因为将扫描射束在当前的激光雷达系统中总归大多对于扫描过程进行摆动，这尤其借助进行旋转或振荡的镜来实现，因此，偏振设备的特别简单的实现是可能的。

有利的是，偏振识别设备包括偏振分束器。以这种方式可以特别简单地识别出扫描射束的偏振。在此，尤其可以将所反射的扫描射束分开成第一部分和第二部分，其中，这两个部分分别是具有预给定的偏振的部分，其中，这两个部分的偏振优选地彼此正交。因此，足以测量这两个部分的信号强度，以便推断出所反射的扫描射束的偏振。

此外有利的是，所述分析处理单元设置用于对在所述激光雷达系统的周围环境中检测到的点基于属于所述点的偏振参数来执行分组。因此，例如可能的是，将具有相似的值范围中的偏振参数的点合并。由此能够实现：定义具有相同的表面特性的区域，由此可以推断出对于确定的对象的归属性。

附图说明

以下参照附图详细地描述本发明的实施例。附图中：

图1示出根据本发明的第一实施方式的激光雷达系统的示意图；

图2示出当其已经在不同的对象上反射时经反射的扫描射束的偏振的示例性的示图；

图3示出具有可运动的元件的偏振设备的示意图；以及

图4示出具有普克尔斯盒的偏振设备的示意图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的第一实施方式的根据本发明的激光雷达系统1。激光雷达系统1包括发送单元20、接收单元30。在此，接收单元30包括分析处理单元32。

发送单元20包括产生扫描射束20的射束源22。射束源22是激光器。相应地，扫描射束2是激光束。

发送单元20还包括镜23。镜23是进行振荡的微镜。射束源22如此定向，使得扫描射束2照射到镜23上。因为镜23振荡，所以使扫描射束2在不同方向上进行偏转。因此，一旦扫描射束2从激光雷达系统1出射，就使扫描射束2运动并且扫描射束2对激光雷达系统1的周围环境进行扫描。

发送单元20还包括偏振设备21。偏振设备21设置用于确定扫描射束2的偏振。在该第一实施方式中，偏振设备21是具有交替的厚度的构件，其中，具有第一厚度的区域和具有第二厚度的区域彼此并排地布置。为此，偏振设备21实施为具有不同厚度的彼此平行地延伸的区域的盘。这也可以在图1中看到。

在此，厚度是盘状的偏振设备21的两个表面之间的间距，所述两个表面是盘状的偏振设备21的相对置的侧。不同的厚度例如通过以下方式来实现：多个四分之一波片以位于其之间的间距布置在恒定厚度的盘或板的表面上。因此，薄区域分别邻接偏振设备21的厚区域。图1中所示的偏振设备21具有三个薄区域和四个厚区域。因此，分别交替地并排布置有第一厚度的区域和第二厚度的区域。偏振设备21相对于扫描射束2如此定向，使得该扫描射束在扫描过程中交替地穿过第一厚度的区域和第二厚度的区域。

由于不同厚度的区域而发生扫描射束2在第一厚度的区域中相比于第二厚度的区域的不同的偏振变化。因为射束源22是激光器，所以由射束源发射偏振光。因此，根据扫描射束穿过板状的偏振设备21的位置，使该均匀偏振的光不同地偏振。这间接地取决于镜23的位置。

如果射束源22不是激光器或者出于任意的原因而不发射偏振光，则此外有利的是，在射束源22与偏振设备21之间布置有偏振滤光器24，该偏振滤光器在扫描射束2进入偏振设备21前能够实现该扫描射束2的均匀偏振。

对于第一厚度的区域和第二厚度的区域替代地，具有第一涂层的区域和具有第二涂层的区域也可以布置在板状的偏振设备21上。在此，涂层如此选择，使得该涂层改变扫描射束2的偏振。在此，同样可能的是，将不同的涂层施加在偏振设备21的表面上，该偏振设备同样具有第一厚度的区域和第二厚度的区域。因此，例如在图1中所示的偏振设备21可以如此实施，使得具有大厚度的区域具有一涂层，而具有小厚度的区域具有另一涂层或不具有涂层。

扫描射束2由于镜23的运动而摆动经过偏振设备21。因此，该扫描射束交替地照射到不同地改变扫描射束2的偏振的区域上。因此实现，发送单元20将扫描射束2的偏振以时间顺序交替地确定为第一偏振和第二偏振。因此，扫描射束2的偏振例如在厚区域中确定为第一偏振，并且在偏振设备21的薄区域中确定为第二偏振。

在图1中，扫描射束2由激光雷达系统1的周围环境中的对象40反射并且反射回到激光雷达系统1。所反射的扫描射束2由激光雷达系统1的接收单元30接收。在此，反射的扫描射束2由透镜33聚焦到偏振分束器34上。通过偏振分束器34将扫描射束2分开成第一部分3和第二部分4。在此，第一部分3和第二部分4具有分别不同的偏振。第一部分3转向到第一传感器35上。第二部分4转向到第二传感器36上。第一传感器36和第二传感器35测量扫描射束2的相应部分的信号强度。由通过这两个传感器35、36测量到的信号强度的比例关系可以识别出所反射的扫描射束2的偏振。这两个传感器35、36与偏振分束器34共同形成偏振识别设备31。

将这两个传感器35、36的输出值传输到分析处理单元32，因此，反射的扫描射束2的偏振对于该分析处理单元而言是已知的。此外，给分析处理单元32提供镜23的当前位置，该当前位置例如借助位置传感器检测到。扫描射束2的偏振——借助偏振设备21已经确定该扫描射束2的偏振——与反射镜23的位置相关。因此，当扫描射束2由激光雷达系统1发送时，分析处理单元32可以基于镜23的位置求取扫描射束2的偏振。同时，分析处理单元32基于传感器35、36的输出信号确定所反射的扫描射束的偏振。分析处理单元32求取通过发送单元20确定的偏振与由接收单元30识别出的偏振之间的差。因此，分析处理单元32算出：扫描射束2的偏振通过在对象40上的反射已经以哪种方式变化。因为由激光雷达系统1逐点地扫描对象40，所以分析处理单元32在扫描射束2摆动通过对象40时对于对象40的已经反射扫描射束2的每个点算出通过发送单元20确定的偏振与由接收单元30识别出的偏振之间的差。

在图1所示的示例中，扫描射束2已经在对象40上的第一点41、第二点42、第三点43、第四点44和第五点45上反射。在此，点31-45之间的间距由接收单元30的工作频率得出。

激光雷达系统1适用于实施飞行时间测量，以便求取第一点41至第五点45与激光雷达系统1的间距并且进一步求取对象40的第一点41至第五点45相对于激光雷达系统1布置的方向。换句话说，因此求取出第一点41至第五点45相对于激光雷达系统1的位置。分析处理单元32设置用于给激光雷达系统1的周围环境中的点41至45中的每一个分配表示偏振差的偏振参数。因此，存储：扫描射束2的偏振在处在对象40上的点41至45中的每一个上已经以哪种方式变化。在此在该第一实施例中，偏振参数是通过分析处理单元32提供的数字值。优选地，对于飞行时间测量实现对通过射束源22发送扫描射束2进行同步，其中，如此确定扫描射束2的发送时刻，使得分别如此发射扫描射束2，使得该扫描射束对于发送的持续时间具有恒定的偏振。为此，例如基于镜23的位置传感器的输出值控制射束源，从而扫描射束2在发送脉冲期间穿过偏振设备21的仅仅第一厚度的区域或仅仅第二厚度的区域。

在图1中仅仅示出激光雷达系统1的周围环境中的唯一对象40。在实践中得出，扫描射束2在多个不同的对象上反射并且被反射回到激光雷达系统1的接收单元30。可以得出，通过激光雷达系统1检测到所谓的点云，该点云描述激光雷达系统1的周围环境中的多个点相对于激光雷达系统1的位置。给该点云中的点的每一个分配以下偏振参数：该偏振参数描述扫描射束2的偏振在扫描射束2在相应的点上反射时已经如何变化。

在该点云的进一步分析处理时，进行点云的点的分组。在此，通过分析处理单元对具有相似的偏振参数的点进行分组。因此，例如对彼此并排并且其偏振参数彼此偏差小于预给定的阈值的点进行分组。因此，基于点的所属的偏振参数进行分组。对于已经分组在共同的组中的点可以从以下出发：所述点属于共同的对象。

基于偏振参数并且因此基于偏振差，通过分析处理单元32求取描述以下对象40的表面特性：扫描射束2已经在该对象上反射。对此参见图2。图2示出上图100和下图101。在上图100和下图101中示出所反射的发送射束2的偏振。在此，Y轴表示对于不同偏振角扫描射束2的强度，所述偏振角在x轴上进行描绘。

在上图100中示出当所反射的发送射束2在车辆的车牌上反射时它的偏振。在扫描射束2在车牌上反射的情况下，扫描射束2的偏振不发生变化。因此，在第一图100中所示的第一曲线102描述扫描射束2在发送单元20上并且同时在接收单元30上的偏振。然而可以理解，所示出的信号的幅度在接收单元30上相比在发送单元20上更低。这以相应的方式适用于第二曲线103，该第二曲线同样在上图100中示出。第一曲线102和第二曲线103的区别在于，在扫描射束2在车牌上反射的情况下存在不同的反射角。可以看出，所反射的扫描射束2的偏振与该角度不相关。

在下图101中示出当所反射的发送射束2在交通指示牌的标志上反射时它的偏振。在扫描射束2在该标志上发生反射的情况下，扫描射束2的偏振发生变化。在此，扫描射束2在发送单元20上具有与通过上图100示出的偏振相同的偏振。因此，在第一示图100中所示的第三曲线104描绘扫描射束2在发送单元2上的偏振。这相应地适用于第四曲线105，其同样在下图101中示出。第三曲线104和第四曲线105的区别在于，在扫描射束2在交通指示牌上反射时存在不同的反射角。可以看出，所反射的扫描射束2的偏振在两种情况下都发生了变化。

在下图101的情况下可以看出，发生了偏振移位。因此，下图101中的偏振最大值106、107处在X轴的与上图100中的情况不同的位置上。该移位对于第一曲线102通过第一箭头108表示而对于第二曲线103通过第二箭头109表示。

因此可以看出，基于所反射的扫描射束2的偏振可以识别，进行反射的对象是如在上图100的情况中的那样的车牌还是如在下图101的情况中的那样的交通指示牌。

为了求取对象特性，在分析处理单元32中存储有多个如下的数据组：在所述数据组中，偏振差——即通过发送单元20确定的偏振与由接收单元(30)识别出的偏振之间的差——分配有对象特征。将当前检测到的偏振差与存储在数据组中的偏振差进行比较并且选择包括该偏振差的数据组。提供属于该数据组的对象特征。

分析处理单元32还设置用于基于激光雷达系统1的周围环境中的两个彼此并排的点41、42的偏振差来求取偏振参数。如由图1中可以看出的那样，在检测第一点41至第五点45时，扫描射束2交替地具有不同的偏振。对象40的以扫描射束2的不同的偏振扫描到的点分别彼此并排。因为相邻的点彼此靠近，所以可以从以下出发：所述相邻的点属于共同的对象40。因此，例如将第一点41和第二点42合并为以下点：对于该点确定唯一的偏振参数。该点由第一点41的偏振差和第二点42的偏振差得出。在此，偏振参数也可以是二维值，例如矢量。因此，检测关于对于第一点41和第二点42的区域的偏振差的信息，其中，检测关于对于该共同的区域的不同偏振方向的反射特性。以这种方式，可以通过偏振参数特别准确地描述对象40的表面特性。

图3示出根据本发明的第二实施方式的偏振设备21。在此，偏振设备21包括可运动的元件25，该可运动的元件由扫描射束2穿过。在此，可运动的元件25是旋转的偏振滤光器24，其绕着轴26旋转。因此，实现：扫描射束2的偏振连续地变化。

图4示出根据本发明的第三实施方式的偏振设备21。在此，偏振设备21包括普克尔斯盒27。通过第一接触部27和第二接触部28将控制电压施加到普克尔斯盒29上。扫描射束2穿过普克尔斯盒29并且使该扫描射束的偏振根据施加在第一接触部27与第二接触部28之间的电压进行变化。

除了以上书面的公开内容外，明确地参阅图1至图4的公开内容。

Claims (9)

1.一种激光雷达系统(1)，所述激光雷达系统包括：

发送单元(20)，其包括偏振设备(21)，其中，所述偏振设备(21)设置用于确定扫描射束(2)的偏振；

接收单元(30)，其设置用于在所述扫描射束(2)已经在所述激光雷达系统(1)的周围环境中的点(41)上反射后接收所述扫描射束(2)；

其中，所述接收单元(30)包括偏振识别设备(31)，所述偏振识别设备设置用于识别所反射的扫描射束(2)的偏振；和

分析处理单元(32)，其设置用于基于通过所述发送单元(20)确定的偏振与由所述接收单元(30)识别出的偏振之间的差来求取偏振差，

其中，所述分析处理单元(32)设置用于给所述激光雷达系统(1)的周围环境中的以下点(41)分配描述所述偏振差的偏振参数：所述扫描射束(2)已经在所述点上反射，

其中，所述分析处理单元(32)设置用于基于所述激光雷达系统(1)的周围环境中的两个彼此并排的点(41，42)的所述偏振差来求取所述偏振参数，其中，已经以时间顺序检测到所述彼此并排的点，其中，已经借助所确定的第一偏振扫描第一点，并且已经借助所确定的第二偏振扫描第二点。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述分析处理单元设置用于基于所述偏振差来求取表面特性。

3.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述发送单元(20)将所述扫描射束(2)的偏振以时间顺序确定为第一偏振和第二偏振。

4.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述偏振设备(21)包括偏振滤光器(24)、普克尔斯盒(27)或四分之一波片，以便确定所述扫描射束(2)的偏振。

5.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述偏振设备(21)包括可运动的元件(25)，所述可运动的元件由所述扫描射束(2)穿过，其中，使所述可运动的元件(25)相对于所述扫描射束(2)运动，以便确定所述扫描射束(2)的偏振。

6.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，

所述偏振设备(21)是具有交替的厚度的构件，其中，具有第一厚度的区域和具有第二厚度的区域彼此并排地布置；和/或，

所述偏振设备(21)是具有不同的涂层的构件，其中，在具有第一涂层的区域旁布置有具有第二涂层的区域或未涂覆的区域。

7.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述偏振识别设备(31)包括偏振分束器(34)。

8.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(1)，其特征在于，所述分析处理单元设置用于对在所述激光雷达系统(1)的周围环境中检测到的点基于属于所述点的偏振参数来执行分组。

9.一种用于运行激光雷达系统(1)的方法，所述方法包括：

确定所述激光雷达系统(1)的扫描射束(2)的偏振；

在所述扫描射束(2)已经在所述激光雷达系统(1)的周围环境中的点(41)上反射后，接收所述扫描射束(2)；

识别所反射的扫描射束(2)的偏振；以及

基于所述扫描射束(2)的所确定的偏振与所述扫描射束(2)的所识别出的偏振之间的差来求取偏振差，所述扫描射束(2)在所述扫描射束(2)已经在所述激光雷达系统(1)的周围环境的点(41)上反射后具有所识别出的偏振，

其中，给所述激光雷达系统(1)的周围环境中的以下点(41)分配描述所述偏振差的偏振参数：所述扫描射束(2)已经在所述点上反射，

其中，基于所述激光雷达系统(1)的周围环境中的两个彼此并排的点(41，42)的所述偏振差来求取所述偏振参数，其中，已经以时间顺序检测到所述彼此并排的点，其中，已经借助所确定的第一偏振扫描第一点，并且已经借助所确定的第二偏振扫描第二点。