CN110537103A - 主动式遥感应用中优化发射器和检测器使用的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于遥感应用的激光发射器和检测器的最佳时间安排方法，包括：设置目标时间单元积分时间t_p；将所述时间单元积分时间转换成减少的时间τ_p及其相应的功率增加因子η^‑1；激活激光发射器和检测器两者达持续时间为τ_p，激光发射器的功率输出经η^‑1校正；持续时间τ_p后去激活发射器和检测器；在随后的t_关闭＝t_p‑τ_p持续时间内保持发射器和检测器关闭。本发明还涉及实现所述方法的装置。

Description

主动式遥感应用中优化发射器和检测器使用的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种在主动式遥感应用中优化发射器和检测器使用的方法和装置。更具体地，本发明在所用激光发射器的眼睛安全、检测中的信号与背景比以及检测器的功耗方面优化了发射器和检测器的所述使用。

背景技术

遥感是指获取关于被调查目标的某些特性的信息而不与所述目标进行物理接触的方法。有主动和被动的方法。

被动方法例如可以包括分析卫星照片，并根据所述照片推断景观地形，或者基于夜间照片中捕获的光污染推断某个区域的用电量。这些示例是被动的，因为卫星不会主动照射目标。相反，它使用第三方贡献者，即太阳和例如来自城市的人工照明，发出的光。

在主动式遥感应用中，传感装置在获取信息时主动照射被调查的目标。闪光摄影是一个示例。更一般地说，主动式遥感通常被称为雷达(无线电探测与测距)、激光雷达(光探测与测距)或声纳(声音导航和测距)，这分别取决于照射是电磁(无线电波或光)性质还是声学性质。

用于遥感的设备通常面临环境条件、技术限制和法律法规带来的挑战。环境方面的挑战例如可能是温度或太阳照射。技术限制可能与物理最大发射或最小检测功率有关。法律法规例如会限制发射辐射的功率。改进遥感设备意味着在这些挑战给出的边界内优化其性能。

主动式遥感应用通常具有信号发射器、接收器和处理单元。一方面处理单元控制发射器和接收器。另一方面，处理单元评估从接收器中继的数据。在所述中继数据中，一部分中继数据与发射的信号相关。所述中继数据的其余部分代表噪声或背景成分。这些成分与信号不相关，而是来自环境和/或接收器本身。噪声和背景成分通常超过信号成分。

因此，遥感应用的性能取决于其过滤出噪声和背景中的信号成分的能力。为了提高这种性能，通常有两种可能性。首先，可以增加信号发射的功率。噪声和背景成分中的信号成分越多，过滤出相关数据就越容易。其次，每个接收器都有一定的噪声等效功率阈值。低于该阈值时，信号成分无法与通常由接收器本身带来的噪声和背景成分区分开来。因此，除了增加信号发射，通常还可以通过在选择接收器时选择和/或丢弃某一类型来增加接收器的灵敏度。

接收器的灵敏度最终受到物理定律的限制。例如，如果利用光，在遥感应用使用对单光子敏感的接收器的情况下，这种灵敏度不可能进一步提高。不同的单光子检测器分别显示不同的光子检测概率。但是彼此之间的差异仍然在于量子效率的百分比。这种接收器可以是(盖革模式)雪崩光电二极管(APD)、硅光电倍增器(SiPM)或单光子雪崩二极管(SPAD)。

同样，发射功率也不能随意增加。由此，发射的最大值几乎毋庸置疑。

例如，文献US6826204公开了一种使用具有低占空比的激光器的方法，以便相对于连续波发射功率达到增加的脉冲峰值功率。然而，这种激光器是用于材料加工的。用于遥感的激光通常被限制在更低的范围内：它们通常被用于民用，而人类在许多使用情况下没有配备个人安全附件。为此目的，眼睛安全限制通常比技术限制更早地限制发射功率。

在激光的眼睛安全方面，首先给出了几个概念的概述；在本公开的其余部分，在几个场合将提到这些概念。本领域的技术人员知道激光发射的眼睛安全相关概念。因此，该概述仅限于被认为与本发明相关的方面，并且这是相关现有技术的一部分。我们主要遵循国际标准IEC 60825-1:2014，“Safety of laser productsPart 1:Equipmentclassification and requirements”，2014年第3版所使用的符号。然而，美国国家激光安全使用标准ANSI Z136.1和ICNIRP(国际非电离辐射防护委员会)在“Health Phys.”第105(3)期，2013年，doi:10.1097/HP.0b013e3182983fd4中发布的暴露限值指南是等效的，例如在B.J.Lund和K.Schulmeister在“J.of Laser Appl.”第25(4)期，2013年，doi:10.2351/1.4802761中的“On the exposure limits for extended source multiple pulse laserexposures”中所解释的一样。为了方便起见，在图1中，列出了这三种出版物之间符号表示法的差异。这样，习惯这任一符号的人就可以很容易地理解当前的描述。

根据激光眼睛安全，波长满足400nm<λ≤700nm的发射被认为是可见的。对于可见光发射，人眼有一种天生的躲避机制：眼睑关闭。由于这种眨眼反射，一些可见光激光器受益于宽松的认证，在此期间，最大曝光持续时间被限制在0.25s。700nm<λ≤1400nm之间的波长范围被认为是不可见的，但是眼睛对于这种发射仍然是易于察觉的。因此，400nm<λ≤1400nm的范围被称为视网膜危险区域：在该光谱范围内的发射可以到达视网膜，并且通过眼睛的晶状体可以聚焦到小点上。对应于λ>1400nm的发射也是不可见的。然而，由于对应于这些波长的光在进入眼睛之前已经在眼睛的角膜处被吸收。因此，决定激光等级的是角膜上的功率密度；不需要考虑额外的聚焦效果。这可能导致允许的暴露限值的数量级高于针对视网膜危险区域给出的限值。

除了波长，曝光时间在检查眼睛安全方面也起着关键作用。随着曝光持续时间的减少，允许的峰值功率趋于增加。通常，曝光持续时间被设置为等于发射的脉冲持续时间。如果光源不发射脉冲，而是以连续波的形式发射，这种发射可以被视为脉冲持续时间等于考虑了非自主眼睛运动的极值T₂的脉冲，因此眼睛中的不同部位被认为是暴露的。连续波发射扫描装置(随着时间推移以不同方向发射)在某些情况下可以被认为是脉冲发射器，其脉冲持续时间等于位移光束穿过眼睛所需的时间。

视网膜危险区域还知道一个考虑激光光源表观尺寸的参数。眼睛可以被看作是将表观光源成像到视网膜上的成像设备。因此，进入眼睛的光集中在所述图像的区域内。该图像越大，光源允许发射的限值也越大。图像大小取决于与光源的距离。这就是为什么光源的大小不是由其物理尺寸，而是由其对向角度来解释的。例如，直径为x＝1cm的光源，在距离为R＝10cm处看到，对向角度为大约x/R＝α＝100mrad。从距离为R＝1m的地方看到的同一个光源会产生更小的图像α＝10mrad。

对于安全分析，必须始终考虑最危险和/或限制性的位置，这通常意味着对向角度最小的情况。需要考虑的最小角度是α_min＝1.5mrad，眼睛不能产生小于与该角度相当的成像。α≤α_min的光源称为小光源。α>α_min的光源称为大光源和/或扩展光源。准直激光器通常需要被认为是小光源：即使光源从附近延伸，由于准直光束中的功率密度不会随着距离而减小，更大的距离会导致在更小对向角度的情况下具有同等可接近功率，并因此代表更危险的情况。另一方面，直径大于眼睛瞳孔的大直径准直光束有利于眼睛安全，因为只有一小部分发射光可以进入眼睛。

必须强调的是，表观光源不一定是原始发射源。例如，它可以是原始光源的虚像，或者是漫射体的发射，或者在某些情况下，它可以是聚焦光束的束腰。找到表观光源的确切位置和大小可能是困难的，并且超出了本发明的范围。例如，在K.Schulmeister的“‘TheApparent Source’–A Multiple Misnomer”ILSC会议记录，第91-98页，2005年中给出了一个概述。

在文献中，已知几种尝试主要通过波长和/或曝光持续时间来增加或规避允许的发射功率的限制。

在Mayor等人的US7583364中，利用眼睛的所解释的光谱响应来操作λ＝1.5μm-1.8μm的强大的眼睛安全激光雷达。

在Pohl等人的US8724097中，使用了两个叠置的激光器(一个不可见，一个可见)。可见激光应该诱发上述眨眼反射，以提高不可见光源发射的安全水平。这种系统具有以下缺点：两个光源的允许发射限制结合起来必须低于规定的限制，从而最终的功率增加幅度相当低。此外，例如，如果可见光源出现故障这种系统需要额外的安全特征，以确保不可见光不会发出；这增加了成本和复杂性。

在Harris等人的WO2010020755中，准直激光束被用于激光雷达中，激光雷达的发射角度不时变化。对于激光雷达采集来说，角度的变化无关紧要。但是通过暴露(例如眼睛的)不同部位，平均暴露功率降低，因此他们声称提高了眼睛的安全性。正如他们所指出的，为了减少平均功率暴露以潜在地增加眼睛安全，光束位移必须是光束直径的数量级。这意味着要么发射角度必须大幅度改变，要么安装了禁止人进入离光源太近的区域的装置。在许多应用中，这些权衡是不现实的。

这种外部安全机制例如在Billington等人的US20130235203中使用，以便使用强激光照亮场景。在它们的情况下，安全机制是一个近程检测器，其适于在检测到预定距离内的物体时关闭激光器。

在Spinhirne的US5241315中，还提到了适用于可见光激光器的眨眼反射，这有助于考虑它们的眼睛安全。然而，提高眼睛安全的主要技术是扩大准直光束的直径。大直径准直光束需要至少相同直径的聚光透镜，这使得整个系统又大又笨重。盖革模式雪崩光电二极管(GAPD)被称为接收器。

除了现有技术中强调的策略之外，仅仅增加灵敏度或发射功率通常是不可行的。替代的，需要更有效地使用接收器和/或发射器。如上所述，接收到的辐射通常包含对应于一部分经发射的信号的成分，以及对应于背景发射器的成分。为了提高检测所接收到的成分内的信号的效率，必须在试图找到已发射信号时预先选择要分析的可检测辐射的哪部分。

在Spinhirne的US5241315中，采用带通波长滤波器来抑制大部分背景成分。波长不同于发射波长的光显然不包含受欢迎的信号成分。这使得能够丢弃大部分来自例如太阳的呈日光形式的背景成分。

在Kirschner的US7809182中，根据预先表征，背景成分在捕获的图像中被抑制。这种预先表征包括获取两个图像：一个在照射期间(正图像或P-图像)，一个没有照射时(负图像或N-图像)。在这种方法中，例如可以将两个图像相减，从而获得背景抑制结果。换句话说，他们使用N图像来校准相机以从P图像中减去预期的背景。在他们的具体发明中，他们试图从N图像中存在的背景水平推断出P图像中存在的背景成分。为此，其算法需要有一个背景成分模型。如果这个算法最终使用了错误的模型，例如使用黑体辐射而不是另一个激光，则他们提出的方法可能无法形成一个解决方案。

此外，该方法意味着对应于发射的激光的信号明显比太阳的相应光谱成分更强。这反过来意味着相对强的激光，和/或这意味着该方法的整体性能仅受P图像中存在的信号背景比(SBR)的限制。在两个随机变量的差值中，减去两者的期望值。另一方面，方差是加性的。如果我们认为信号和背景是各自随机变量的期望值，则可以通过考虑两个P图像和N图像来改善SBR。然而，如果我们把方差作为所得图像中噪声成分的指标，信噪比(SNR)实际上会更差。在许多情况下，这是不可取的。

在Kalshoven等人的US6744470中，他们试图捕捉一个场景的视频，其中脉冲激光照亮所述场景内的某一点。脉冲持续时间比帧持续时间短。与没有激光的帧(N帧)相比，它们提高了在激光开启期间拍摄的帧(参考US7809182的P帧)的相机快门速度。这种方法具有以下优点：仍然捕获所有的信号(激光发射)，但只捕获有限数量的背景。因此，P帧本身显示出改进的SBR。

一旦使用单光子敏感检测器(SPAD、APD或SiPM)，一个重要的背景成分不是来自环境中的光子，而是来自呈暗电流或暗计数形式的检测器本身。温度是暗计数率(DCR)的一个重要参数。因此，降低DCR的一个方法是冷却检测器。例如，Bodlovic等人的US20150364635中强调了这一点。这种主动和外部措施通常会增加终端装置的成本和复杂性。

除了在运行期间应用的主动措施，从设计角度来看，减轻DCR的策略也是众所周知的。例如，在Boisvert等人的US 20150340390中，它们将DCR抑制元件集成到感测基板中。这种类型的解决方案带来了设计约束，在某些情况下，这些约束无法与更基本的设计要求相平衡。

本发明建立在现有技术中引入的概念之上，同时克服了若干个突出的缺点和限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种布置激光发射器和光敏检测器的方法，使得当在遥感的配置中工作时，可用的光学预计量在眼睛安全、检测的信号与背景比以及检测器的功耗方面得到优化。本发明的进一步目的是提供一种实现所述方法的装置。

根据本发明，上述目的通过一种方法来实现，该方法用于：

借助于至少一个激光发射器和至少一个检测器进行遥感，所述方法包括：

设置目标时间单元积分时间t_p；

将所述时间单元积分时间转换成减少的时间τ_p及其相应的功率增加系数η^-1；

激活激光发射器和检测器两者达持续时间τ_p，激光发射器的功率输出经η^-1校正；

持续时间τ_p后去激活发射器和检测器；

在随后的持续时间t_关闭＝t_p-τ_p内保持发射器和检测器关闭。

优选地，所述目标积分时间单元由目标帧速率得到。

有利地，在关闭时间t_关闭＝t_p-τ_p期间与外部装置交换通信，并且所述通信更新配置。

此外，所述时间单元积分时间到减少的时间τ_p的转换借助于列出预计算值的查找表(LUT)来获得。

所述时间单元积分时间到减少的时间τ_p的转换通过根据时域和/或谱区连续计算来获得。

在另一个实施方式中，所述时间单元积分时间到减少的时间τ_p的转换通过从列出预计算值的查找表(LUT)中提供粗算步骤并通过计算插值来获得。

此外，所述方法以连续采集模式操作，该连续采集模式被设置为获取每个t_p积分时间的帧，以便获得帧速率1/t_p。

此外，所述方法按以下方式操作：在触发信号之后获取单次采集，然后等待后续的触发信号。

有利地，所述方法将对激光发射器和光敏检测器的激活延迟了额外的量t_延迟＝max[(η_前一-η)t_p,0]，其中η_前一是前一采集的功率增加系数的倒数。

此外，如果触发信号在空闲模式持续时间t_关闭期间到达，则忽略或延迟所述触发信号，直到所述持续时间超时。

本发明的另一个目的涉及一种装置。

该装置用于借助于至少一个激光发射器和至少一个检测器进行遥感，所述装置至少包括：激光发射器、光敏检测器和控制激光发射器和光敏检测器的逻辑电路，以及实现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品，所述计算机可读介质上实现有计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码可由处理器执行以执行包括以下的动作：

设置目标时间单元积分时间t_p；

将所述时间单元积分时间转换成减少的时间τ_p及其相应的功率增加系数η^-1；

激活激光发射器和检测器两者达持续时间τ_p，激光发射器的功率输出经η^-1校正；

持续时间τ_p后去激活发射器和检测器；

在随后的持续时间t_关闭＝t_p-τ_p内保持发射器和检测器关闭。

优选地，所述目标积分时间单元由目标帧速率得到。

有利地，在关闭时间t_关闭＝t_p-τ_p期间与外部装置交换通信，并且所述通信更新配置。

此外，所述时间单元积分时间到减少的时间τ_p的转换通过列出预计算值的查找表(LUT)来获得。

在第一实施方式中，所述时间单元积分时间到减少的时间τ_p的转换通过根据时域和/或谱区进行连续计算来获得。

在另一个实施方式中，所述时间单元积分时间到减少的时间τ_p的转换通过从列出预计算值的查找表(LUT)中提供粗算步骤并通过计算插值来获得。

此外，所述装置以连续采集模式操作，该连续采集模式被设置为获取每个t_p积分时间的帧，以便获得帧速率1/t_p。

优选地，所述装置按以下方式操作：在触发信号之后获取单次采集，然后等待后续的触发信号。

有利地，所述装置进一步包括将激光发射器和光敏检测器的激活延迟额外的量t_延迟＝max[(η_前一-η)t_p,0]的装置，其中η_前一是前一采集的功率增加系数的倒数。

如果触发信号在空闲模式持续时间t_关闭期间到达，则忽略或延迟所述触发信号，直到所述持续时间超时。

所述装置还包括发送所述触发信号的外部装置，所述外部装置是屏幕、投影仪、计算机或服务器。

附图说明

将通过以下描述和附图进一步阐明本发明。

图1是不同参考文献上关于眼睛安全的等效符号名称的列表；

图2示出了视网膜危险区域的所呈现的计算，当在双对数图中绘制允许发射功率限值时，可以以图形的方式理解该计算；

图3示出了中红外(MIR)区域的所呈现的计算，当在双对数图中绘制允许发射功率限值时，可以以图形的方式理解该计算；

图4是根据所公开的实施方式的主动式遥感系统的示意图；

图5是一个实施方式的每个感测周期的定性功耗以及由此在检测侧的自发热的图示；

图6是对应于图5所示检测曲线的实施方式的每个感测周期的定性功率发射的图示；

图7是根据本发明的一个实施方式的每个感测周期的定性功耗以及由此在检测侧的自发热的图示；

图8是对应于图7所示检测曲线的实施方式的每个感测周期的定性功率发射的图示；

图9示出了短压缩时间单元之后是长压缩时间单元的情况；

图10示出了长压缩时间单元之后是无校正延迟的短压缩时间单元的情况；

图11示出了长压缩时间单元之后是具有校正延迟的短压缩时间单元的情况；和

图12示出了中等大小源的计算结果。

具体实施方式

将参照特定实施方式并参照某些附图来描述本发明。本发明不限于此，而仅由权利要求限定。所描述的附图仅仅是示意性的，而不是限制性的。在附图中，为了说明的目的，有些元件的尺寸可能被放大，并且没有按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于实施本发明的实际缩减。

此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于区分相似的元件，而不一定用于描述顺序或时间顺序。这些术语在适当的情况下是可互换的，并且本发明的实施方式可以以不同于本文描述或示出的其他顺序操作。

此外，说明书和权利要求书中的术语顶部、底部、上方、下方等用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。这样使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施方式可以以不同于本文描述或示出的其他方位操作。权利要求中使用的术语“包括”不应解释为限于其后列出的手段；它不排除其他元素或步骤。它需要被理解为指定所提及的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤或部件或其组的存在或添加。因此，表述“包括装置A和装置B的装置”的范围不应局限于仅包括部件A和部件B的装置。这意味着对于本发明，设备的相关部件仅是A和B。

在列出现有技术的部分中，已经介绍了理解本发明所需的几个眼睛安全概念。在解释优选实施方式之前，需要更详细地陈述一些概念。同样，我们主要遵循国际标准IEC60825-1:2014，“Safety of laser products–Part 1:Equipment classification andrequirements”，第3版，2014年。然而，美国国家激光安全使用标准ANSI Z136.1和ICNIRP(国际非电离辐射防护委员会)在“Health Phys.”第105(3)期，2013年，doi:10.1097/HP.0b013e3182983fd4中发布的暴露限值指南是等效的，例如B.J.Lund和K.Schulmeister在J.of Laser Appl.，第25(4)期，2013年，doi:10.2351/1.4802761中的“On the exposurelimits for extended source multiple pulse laser exposures”中所解释的。为了方便起见，在图1中，列出了这三种出版物之间符号表示法的差异。这样，习惯任一符号的人就可以很容易地理解当前的描述。

上述规定性文件规定了不同的激光等级。对于每种激光等级，都有一个规定的列表式的可接近发射限值(AEL)；如果激光设备发射的功率高于对应于某一目标激光等级的该限值，则所述激光设备不能被认证为该等级，而是需要考虑更高的等级。规定该AEL为两个标准：平均功率标准和单脉冲能量标准。这两个标准通常给出两个不同的发射限值。两个限值中的较低者(由此说明了更严格的标准)意味着激光装置的激光等级。

为了充分理解这两个标准，两个时间尺度是重要的：T₂考虑了与视网膜危险区域相关的非自主眼睛运动，T_i考虑了组织反应时间。持续时间t>T₂的暴露将照射在视网膜的不同部位。因此，这是在视网膜危险区域评估脉冲序列时需要考虑的最大暴露持续时间；例如，参见R.Henderson和K.Schulmeister，“Laser Safety”，IOP Publishing Ltd.，2004年。组织的反应不能快于T_i(热限制时间)。因此，持续时间T_i内的脉冲必须加在一起。因此，脉冲重复率(PRR)f_PRR≥1/T_i的脉冲发射被认为是(准)连续波。即使激光器以低占空比发射且脉冲持续时间比热限制时间短得多(t_p<<T_i)，从组织的角度来看，该发射也不是脉冲的。

在下面描述的实施方式中，我们指脉冲持续时间t_p>T_i的脉冲。然而，本领域技术人员将理解，对于上述说法，这些脉冲本身可以由以PRR f_PRR≥1/T_i发射的脉冲t_p<<T_i组成，使得从组织的角度来看，相关的脉冲持续时间由t_p给出。

在视网膜危险区域中发射400nm<λ≤1400nm的1类激光装置的平均功率标准为(关于校正系数C_x见图1)

根据持续时间T_i≤t_p≤T₂的脉冲的单脉冲标准，视网膜危险区域中针对发射的单脉冲的极限能量为

对于三角形脉冲或矩形脉冲，方程(方程2)可以方便地重写为允许的峰值功率：峰值功率P与具有脉冲持续时间t的脉冲能量Q相关为P＝Q/t(这是针对三角形脉冲和矩形脉冲的，关于更深入的讨论，参见例如R.Henderson和K.Schulmeister，“Laser Safety”，IOPPublishing Ltd.，2004)。因此，

单脉冲标准的这种表达具有与平均功率标准(方程1)相同的维数(即功率)。利用相同的维度有助于解释本发明。此外，除了校正系数C₅之外，功率方程可以写成用min(t_p,T₂)代替t_p的唯一公式。本领域的技术人员应该理解，对于脉冲形状比三角形或矩形更复杂的脉冲，脉冲能量是经调节的量(由(方程2)给出))并且尽管所公开的见解仍然适用，但是精确的计算可能更加麻烦。

校正系数C₆取决于表观光源的对向角度α的大小—并因此投影到视网膜上的图像—以及脉冲持续时间t_p。其为：

其中，α_min＝1.5mrad，并且随时间变化的α_max由下式给出：

考虑到α_max的定义，可以找到特征时间tα，针对该特征时间α_max(t_α)＝α，例如参见B.J.Lund和K.Schulmeister，“On the exposure limits for extended source multiplepulse laser exposures”，J.of Laser Appl.25(4)，2013，doi:10.2351/1.4802761。这个特征时间是

因此，可以将校正系数C₆重写为

针对其，在脉冲持续时间中有针对其的一个域

校正系数C₆不是恒定的，而是在较短的脉冲持续时间内增加。

用于确定与中红外和远红外区域λ>1400nm对应的功率限值的公式不同于视网膜危险区域对应的公式。为了便于讨论中红外和远红外(MIR和FIR)谱区，定义了时间断点T₃，该时间断点T₃相当于视网膜危险区域的T₂。该断点在所述的眼睛安全法规中不存在，我们将它包括在内是为了以更一致的方式写出相应的方程。对于1400nm<λ≤1500nm和1800nm≤4000nm，则T₃＝0.35s。对于λ≥4000nm，则T₃＝10s。在1500nm<λ<1800nm的谱区，则T_i＝10s，因此本发明不适用以下：重复脉冲发射(脉冲短于10s)必须被认为是准连续波，而不是脉冲波。对于脉冲持续时间t_p≥T_i的谱区的发射，它是

到目前为止，我们还没有引入一个新概念。所述公式直接来自引用的法规。我们只是重新表述了所包含的版本中的方程，这对于后面的讨论稍微方便一些。

的确可以把平均功率标准(方程1)和单脉冲(峰值功率)标准(方程3和方程4)分别提出的限制分别解释为允许的发射功率的限制和能量的限制。可替代地，可以说平均功率标准给出了每单位时间(通常是每秒)允许发射多少光子—然而，该标准并没有说明这些光子是如何在时间上发射的。单脉冲标准给出了能够打包发射的光子的时间密度。

可以通过组合不同形状的各种脉冲来获得允许的平均功率值。重新分配平均功率的一种方法是获取时间单元t_p期间发射的能量，并将其打包到持续时间τ_p＝ηt_p的脉冲。该持续时间τ_p的脉冲以与初始单位时间期间发射的平均能量相同的平均能量结束，该持续时间τ_p的脉冲的幅度是初始脉冲的幅度的F＝η^-1倍。

例如，假设考虑连续波(cw)发射，并观察t_p＝100ms，在此期间发射一恒定Q_p＝0.1qJ。cw状态意味着，这个等效脉冲以f_PRR＝1/(100ms)＝10Hz的脉冲Q重复率(PRR)发射。平均功率为P_p＝Q_p f_PRR＝Q_p/t_p＝1q W。例如，可以用系数η＝0.1(即10ms)来减少脉冲持续时间，同时将峰值功率增加系数F＝η^-1＝10倍。通过这两种测量，脉冲能量保持(峰值)Q_p’＝P_p ^(峰值)τ_p F＝Q_p＝0.1q J。只要保持f_PRR＝10Hz，发射的平均功率与以前相同。然而，已经改变的是，在考虑cw发射之前，即具有100％占空比的发射。在重新分配的发射中，我们发射相同的能量(或功率)，但是以脉冲形式。该脉冲发射的占空比对应于η＝10％。这种重新分配的脉冲的峰值功率如下(其中P_AEL ^(平均)从(方程1)得到)

然而，即使保持平均功率不变，也不能任意重新分配发射。根据单脉冲标准，允许的峰值功率定标为(来自(方程3))P_AEL ^(s.p.)∝t_p ^-0.25。明确地说，单脉冲峰值功率比平均功率标准允许的要慢；|-0.25|<|-1|。对于激光装置的分类，这两个限制中的更大约束是相关的。这意味着，可以按照平均功率标准的建议重新分配脉冲t_p ^-1，直到产生的峰值功率达到由单脉冲t_p ^-0.25标准产生的限值。

对于τ_p ^(临界)，指的是允许发射对应于t_p的平均功率标准限制发射的cw等效能量的临界最小时间。为了找到这个临界最小时间，必须考虑由t_α的定义所暗含的三个时间域。对于这些时间域中的每一个，发现在如下点处的限制，在该点处，在t_p期间发射的平均功率标准限制能量(它是Q＝P t_p)—被减少到τ_p—等于持续时间τ_p的单脉冲标准。为了简单起见，我们将由于时间单元t_p减小到τ_p—同时保持积分不变—产生的脉冲称为持续时间τ_p的“压缩脉冲”，其对应于“未压缩”时间单元t_p。因此，在该术语中，τ_p ^(临界)指的是临界压缩脉冲持续时间，并且η^-1指的是压缩系数。

在下文中，我们推导理解所公开的实施方式所必需的理论。我们分别观察对应于视网膜危险区域400nm<λ≤1400nm、中红外和远红外(分别为MIR和FIR)区域λ>1400nm的谱区。

对于视网膜危险区域，在初始步骤中，我们假设C₅＝1，因此忽略该校正系数的存在。这种简化仅对α_min≤α≤5mrad和α>100mrad有效。在我们介绍了本发明的主要概念之后，我们稍后将讨论5mrad<α≤100mrad的方案。

对于t_p>T₂ ^1/4t_α ^3/4(得到τ_p>t_α)，则(将平均功率标准等同于单脉冲标准)：

其中

对于时域T₂ ^1/4t_α ^1/2t_5mrad ^1/4<t_p≤T₂ ^1/4t_α ^3/4(得到t_5mrad<τ_p≤t_α)，校正系数C₆对于由平均功率标准给出的限值与单脉冲标准给出的限值不同。因此，结合上述α_max和t_α的定义，则

其中

最后，对于时域T_i ^3/4T₂ ^1/4t_α ^1/2t_5mrad-^1/2<t_p≤T₂ ^1/4t_α ^1/2t_5mrad ^1/4(得到T_i<τ_p≤t_5mrad)，如下所示，

其中

对于MIR和FIR谱区，cw发射可以类似地压缩。如上所述，对于1500nm<λ<1800nmm则T_i＝10s，因此发射不能被压缩。然而，除此区域外，对于T₃ ^3/4T_i ^1/4≤t_p≤T₃(得到T_i≤τ_p)

其中

同样，为了不使本公开的读者混淆：时间断点T₃在引用的眼睛安全法规中不存在。已经定义了这个断点，以便能够以更加一致的方式撰写相应的方程；T₃未在引用的眼睛安全法规中。

为了求出对应于临界压缩脉冲持续时间τ_p ^(临界)的未压缩时间单元t_p，可以对上述方程取倒数。

在这一点上，强调几点很重要。将发射的激光功率增加到超过规定最大值是不可能的和/或不可接受的。允许发射的最大能量(或换句话说，光子的最大数量)由施加在连续发射源上的平均功率标准给出。然而，有可能将所述最大发射分成持续时间t_p的有限时间单元。还可以在更短的时间τ_p期间发射对应于所述时间单元持续时间t_p的能量。这意味着相对于施加在初始t_p上的平均功率限制，τ_p期间的峰值功率更高。所述增加由在上述方程中的η-¹给出。如果且仅如果满足两个条件时，这种更高的峰值功率发射仍然导致眼睛安全的发射配置：首先，在发射τ_p之后，激光器必须在剩余的持续时间t_关闭＝t_p-τ_p内关闭。这确保了发射的平均功率恒定。其次，发射持续时间τ_p不得减少到超过τ_p ^(临界)，这意味着其是严格地τ_p≥τ_p ^(临界)。这确保不违反单脉冲标准。脉冲持续时间当然仍然可以减少到τ_p<τ_p ^(临界)，并且峰值功率仍然可以增加。但是所述峰值功率的增加必须小于脉冲持续时间的减少，从而导致具有更小的积分值的脉冲，因此总发射功率更小。

所述的方程起初可能看起来不直观。为了更容易理解方程，有益的是在双对数图中绘制对应于特定脉冲持续时间的可达到发射限值(AEL)的功率值。在图2中，我们示出了针对视网膜危险区域的两种不同的α构型作为示例。图3示出了MIR和FIR区。更准确地说，图3仅对应于2600nm≤λ≤4000nm，其中T₃对应于所指示的垂线，并且对于该区域T_i＝10-⁷s.。对于1400nm<λ≤1500nm和1800nm≤λ<2600nm，则T_i＝10^-3s，如相应标记的垂线所指示。

图2中的垂直虚线表示三个tα相关的时域，这取决于哪一个必须使用不同的公式。水平虚线表示根据平均功率标准的极限平均功率。实线对应于单脉冲峰值功率限值。根据所述时域，实线的斜率为-1/4或-3/4。为了找到对应于某个t_p的τ_p ^(临界)，我们可以使用如下所示的图：首先，我们沿着水平虚线标记t_p。在图2中，对于描绘的两个α，我们都表示t_p＝100ms。从这个标记点开始，画一条斜率为－1的线；在图2中用红色表示。如果所平均的超过t_p，这条线代表相等的平均功率。这条-1线与指示单脉冲峰值功率限值的线相交的点对应于τ_p ^(临界)。这与起始点(功率或时间)之比分别得到η或η^-1。

所呈现的对眼睛安全法规的解释以及由此呈现的推导使能够显著提高遥感应用相关的技术水平。虽然导出的方程不会导致允许的总发射功率总体增加，但是它们为以更有效的方式提供使用可用的功率预计量的基础，并且在此基础上降低了检测侧的功耗和自发热。因此，参照图4，本发明的一个实施方式是由以下至少三个部件组成的主动式遥感系统(10)：激光发射器(11)、光敏检测器(12)和逻辑电路(13)。

所述激光发射器(11)发射至少一种波长，对应于视网膜危险区域400nm<λ≤1400nm，或者中红外或远红外区域分别为1400nm<λ≤1500nm或λ≤1800nm。该激光发射器(11)可以是任何类型的激光器，例如垂直腔表面发射激光器(VCSELs、垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)、边缘发射器、气体激光器、光纤激光器和/或染料激光器。光敏检测器(12)例如可以是CCD照相机、CMOS照相机、基于SPAD的检测器、基于APD的检测器和/或基于SiPM的检测器。很明显，检测器(12)必须适应发射器(11)的选定波长。因此，硅基检测器(如CMOS或SiPM)在大于波长λ>1100nm时无法工作，因为硅在此光谱范围内是透明的。在此光谱范围内，可以使用基于锗或其他半导体化合物(如InSb、InGaAs、HgCdTe等)的检测器。此外，检测器可以将一种波长的辐射转换成另一种波长的辐射，以便能够再次使用例如硅基检测器。这种转换装置例如由Ben-Bassat等人的WO2016067275中公开。

逻辑电路(13)控制根据本发明的发射器(11)和检测器(12)。逻辑电路(13)还启用与外部装置(14)的输入和输出接口，外部装置例如是屏幕、投影仪、计算机或服务器。逻辑电路(13)可以实现为例如运行在中央处理单元(CPU)或图形处理单元(GPU)上的软件，或者实现为在现场可编程门阵列(FPGA)上的硬件，或者实现为专用的专用集成电路(ASIC)。也可以使用微控制器单元(MCU)。前述外部装置(14)也可以表示具有相似特性的另一个逻辑电路；外部由此指示主逻辑电路(13)外部的逻辑，主逻辑电路(13)负责与发射器(11)和检测器(12)接口。

在本发明的所述第一实施方式中，逻辑电路(13)首先将时间单元设置为目标积分时间t_p。例如，该设置可以来自内部配置文件或注册表，或者来自外部装置。逻辑电路(13)随后根据方程(方程5–8)将所述时间单元积分时间t_p转换成最小临界时间τ_p ^(临界)及其相应的临界功率增加系数η^-1。这种转换可以通过例如列出预计算值查找表(LUT)，或者逻辑电路(13)动态计算，或者混合方法来实现，在混合方法中，LUT提供粗略的步长并且必须计算插值。逻辑电路(13)导致发射器(11)的激光发射，发射器(11)的功率输出根据η^-1调节。同时，逻辑电路(13)也激活检测器(12)。激光发射器(11)和检测器(12)在t_开启＝τ_p ^(临界)的持续时间内保持激活，此后逻辑电路(13)使两者去激活。例如，在开启时间t_开启期间，检测器(12)增加逻辑电路(13)中指示所检测的光量的专用计数器。例如，该计数器可以是对由SPAD或SiPM检测到的光子数量进行计数的数字计数器。可替代地，例如，如果检测器(12)由CCD元件组成，则该计数器可以是模拟电路。这样的模拟电路通常通过模数转换器(ADC)与逻辑电路(13)中的数字计数器连接。

逻辑电路(13)随后进入安全模式(关闭时间)达持续时间t_关闭＝t_p-τ_p。在此期间，不允许激光器发光。一旦关闭时间t_关闭结束，逻辑电路(13)根据其指令再次重新激活激光发射器(11)和检测器(12)，该指令也可以来自内部配置文件或注册表，或者来自外部装置。系统能够以连续采集模式操作，该模式被设置为获取t_p积分时间的帧，以便获得为1/t_p的帧速率。可替代地，该系统还可以被配置为在源自外部装置的触发信号之后获取单次采集，然后等待后续触发信号。在后一示例中，例如，如果后续触发信号在系统的空闲模式持续时间t_关闭期间到达，则忽略该请求或延迟该请求，直到所述持续时间超时。

所提到的实施方式不涉及评估和/或传输检测到的数据的说明。这样，该实施方式不会表现为像人们通常所预期的那样表现出来。因此，在另一个实施方式中，存在与上面的特征相同的特征，但是另外，在激光发射器(11)和检测器(12)开启时间t_开启之后，当两者被去激活时，逻辑电路(13)根据预见的算法处理计数器，将结果复制到缓冲器，缓冲器被配置为使得外部装置能够读出所述结果。如本领域技术人员将理解的，处理和缓冲不一定必须按这个顺序进行，并且所提到的顺序仅仅是一个示例。还可以想到，首先将原始数据复制到缓冲器中，然后处理所述缓冲器。此外，还可以交错处理和缓冲，例如，以便连续改进某个参数的统计估计器。确切的方案取决于遥感应用(10)的特殊需要；例如，检测器(12)是否由多个像素组成，并且该应用是否打算读出每个像素测量的光强，或者该系统是否是仅具有单个检测器(12)的飞行时间(TOF)系统，其中，检测读数必须被解释为距离信息，这些应用有不同的要求。类似地，例如，在不需要在读出检测结果之前压缩检测结果的应用中，可以完全跳过处理和缓冲阶段，使得外部装置可以直接访问上述计数器。此外，检测结果(无论是否经过处理)存储在缓冲器中，由外部装置按指示读出所述检测结果可以在时间上与激光发射器(11)和检测器(12)的后续开启时间交叠，在此期间，新获取的检测数据存储在预缓冲器阶段。缓冲器的目的首先是实现这种读出自由。

图5示出了相对于所述实施方式的不同阶段的沿y轴的检测侧的定性功耗。该功耗与检测器(12)(仅在t_开启期间)和逻辑电路(13)中的感应自发热有关。处理期间消耗的功率通常取决于实现的处理算法。该水平可以高于或低于检测期间的水平。对于缓冲时间也是如此。然而，该处理和缓冲时间δt_缓冲通常显著短于检测时间t_开启(如图5中灰褐色阴影所示)或剩余时间t_关闭-δt_缓冲。因此，与对应于检测持续时间的积分值相比，它们在功耗以及感应自发热方面的组合积分值是微不足道的。图6给出了对应于上述前两个实施方式的发射功率的示意图。

检测持续时间期间的功耗水平自身在很大程度上取决于该期间的活动率。该活动率取决于感测环境(20)中存在的光量和热诱导暗载流子(DCR)。DCR随活动率而增加：较高的活动率导致检测器(12)的较高功耗，以便应对该活动率，这意味着更多的功率必须以热量形式耗散，这增加了DCR。

所检测到的光有两种成分。一方面，系统在t_开启期间发出光。这种成分称之为信号。另一方面，环境中有独立存在的光。例如，这种光可以来自太阳或其他光源，如其他激光器。将这一成分与DCR一起称为背景光。

在遥感应用中，通常希望使信号和背景之间的比最大化。增加信号意味着发射更多的光。然而，由于认为已经发出了眼睛安全限值的能量，因此不能进一步增加信号。然而，通过将激光开启时间从t_p降低到τ_p ^(临界)，前述实施方式能够使发射信号的密度最大化。另一方面，通过同时将感测时间从t_p减少到匹配的_p ^(临界)，背景密度不会改变(这超出了控制范围)，其积分成分会降低。也就是说，这种减少对应于发射和检测开启时间相比于它们的关闭时间的占空比，该占空比由η给出。通过这种机制，前述实施方式实现了可能与背景水平无关的最高的信号背景比(SBR)。

应当指出，减少背景成分的想法已经在Kalshoven等人的US6744470中讨论过。他们试图以更快的快门速度捕捉一个场景的视频，更快的快门速度导致检测到的背景成分减少。然而，他们没有试图在进一步增加快门速度(由此减少检测器(12)的t_开启)和同时增加信号成分(t_开启期间发射的功率)之间找到最优解。如以上实施方式所证明的，这种最优解确实存在。此外，通过如上所述降低活动率，DCR可以大大降低，而与实施的热管理无关。特别地，所公开的方法可以在不需要例如，如Boisvert等人的US20150340390所公开的DCR抑制元件的情况下实现。

还应注意，可实现的压缩系数η^-1就越大(并因此占空比η减小)，目标时间单元积分时间t_p越短。这意味着，与需要长积分时间的感测应用相比，能够以短积分时间工作的感测应用往往特别受益于所公开的实施方式。

在另一个实施方式中，逻辑电路(13)再次将设定的时间单元积分时间t_p转换成临界最小时间τ_p ^(临界)及其相应的临界功率增加或压缩系数η^-1。然而，在该实施方式中，τ_p ^(临界)被理解为目标时间单元积分时间t_p'，并且再次被临界地压缩为τ_p'^(临界)，以及所计算的η'^-1。随后，发射和检测的接通时间t_开启以持续时间t_开启'＝τ_p'^(临界)的N＝η^-1脉冲的形式施加，并且发射峰值幅度增加η'^-1倍。每一个脉冲之后是持续时间t_关闭'＝τ_p ^(临界)-τ_p'^(临界)的关闭时间，在此期间发射和检测再次被去激活。该实施方式的总接通时间比前述实施方式的情况短，t_开启＝N t_开启'＝η^-1η'τ_p ^(临界)<τ_p ^(临界)，因为如上所述η'^-1>η^-1。因此，累积的背景贡献以及检测的功耗小于先前实施方式中的累积的背景贡献以及检测的功耗。同时，发射功率(并因此发射信号)保持不变：有N＝η^-1个脉冲，每个脉冲的持续时间减少到τ_p'^(临界)＝η'τ_p ^(临界)，但同时峰值功率增加了η'^-1倍。在第(N-1)个开启时间之后，逻辑电路(13)可以再次处理和缓冲检测结果。对于前面的实施方式，处理和缓冲所需的时间通常比t_关闭'短。图7给出了该实施方式检测侧典型功耗的定性说明(不同的t_开启'再次用灰褐色阴影表示)。相应功率发射的定性描述如图8所示。根据本发明，图6和图8中的灰褐色阴影面积相等，即两个实施方式发射相同量的功率，从而信号也相同。另一方面，图5和7中的阴影面积不相等：通常，背景成分比对应于信号的成分更重要，使得对应于后一实施方式的检测逻辑的功耗的阴影面积更小。对于本公开，显然的是对已经压缩的脉冲的压缩和划分仅在小至τ_p'^(临界)>T_i的持续时间内才有意义。

应当注意，η^-1不一定是整数。然而，由于在t_p内必须具有整数个脉冲，因此在以上实施方式的描述中，N＝η^-1表明了这一点。在所述实施方式的变型中，逻辑电路(13)仅允许提供整数N＝η^-1的设置。在又一变型中，逻辑电路(13)将所述数字向下N＝int(η^-1)到下一个整数值。在所述后一变型中，平均发射功率低于根据平均功率标准允许的功率。然而，由于与前面的实施方式相比，背景成分显著减少，所以总信号的这种损失可能是可接受的折衷。此外，该舍入误差可以被视为激光设备保持在允许的最大发射功率以下微小安全裕度。根据具体情况和风险分析，这可能被视为优势，而不是损失。

在前述实施方式的另一变型中，施加的脉冲数为N＝η'^-1，峰值增加系数仅为η^-1，单个脉冲的持续时间仍为τ_p'。发射的总平均功率仍然像以前一样保持不变。单脉冲峰值功率标准也仍然成立。在依赖于统计处理的遥感应用中，与前一实施方式相比，该实施方式可以提供优势，因为有更多的检测段可用，η'^-1>η^-1。

在前面提到的实施方式中，系统可能在t_关闭期间关闭并且仍然在t_关闭期间重新打开。在这种情况下，关于剩余t_关闭的信息可能丢失，使得逻辑电路(13)假定允许激光器重新发射。因此，在又一实施方式中，逻辑电路(13)在施加开启时间t_开启之前，首先施加持续时间t_关闭的关闭时间作为等待时段。检测结果的后续处理和缓冲发生在t_开启之后，其在系统以连续模式运行的情况下通常对应于下一采集的t_关闭。诸如作为对应于图7的前述实施方式的变型的该实施方式特别有趣，其中，光以N＝int(η^-1)个脉冲发射，由此在第(N－1)个开启时间之后留下足够用于处理和缓冲的时间。

然而，在许多情况下，这个实施方式不是优选的选择。也就是说，与请求采集的触发相比，检测结果只能在一定的延迟下由外部装置读出。如果触发信号来自外部装置，则在必须以可预测的连续模式请求触发的情况下，该装置可以预测该延迟并提前发出触发。可替代地，所述外部装置可以延迟与其他装置的同步。因此，在另一个实施方式中，逻辑电路(13)在激光发射器(11)和检测器(12)被激活期间再次施加第一t_开启，然后在激光发射器(11)和检测器(12)被去激活期间施加t_关闭。然而，对于该实施方式，逻辑电路(13)利用额外的指令集，该额外的指令集直接在启动之后且仅在启动之后得到初始关闭时间t_关闭 ^(init)。例如，如果系统仅在一个恒定的t_p设置下工作，该初始关闭时间可以对应于t_p。另一方面，如果t_p可以改变(例如在下面进一步的一些实施方式中提到的)，则t_关闭 ^(init)可以对应于最长的可达到t_p。

在到目前为止提到的实施方式中，没有解决将未压缩时间单元t_p的持续时间从一次采集到下一次采集改变的可能性。为了介绍这种可能性，首先，需要再次提到一些与眼睛安全相关的考虑。也就是说，平均功率标准意味着必须在变化的平均持续时间T上进行平均。分别地，除了变化的持续时间以外，必须考虑变化的平均窗口[t₀,t₀+T]。在只有相同脉冲的发射中，改变持续时间和/或窗口不会改变结果，

另一方面，如果有兴趣一个接一个地施加不同的开启时间(和关闭时间)，则观察结果是很重要的。作为一个示例，观察由在视网膜危险区域发射的发射器(11)给出的情况，并且其中α＝α_min，不进一步指定波长(即，在结果中保持C₄C₇)。考虑时间单元积分时间t_p0＝100ms，随后时间单元积分时间t_p1＝316.2ms。可以将第一时间单元t_p0的发射压缩为τ_p0＝21.5ms的发射持续时间，而可以将第二时间单元的发射压缩为τ_p1＝100ms。τ_p0＝21.5ms的压缩脉冲示出比τ_p1＝100ms期间的脉冲更高的峰值功率。

在上述α＝α_min的示例中，限值平均功率是根据前述规定的P_AEL ^(平均)＝0.394C₄C₇W。在高峰功率短时间单元之后是低高峰功率长时间单元的情况下，平均功率随着移动平均窗口而降低。这种情况描述于图9中，上指示功率值对应于P_AEL ^(平均)给出的功率限值，而下值低于该限值。因此，这两个值都被接受，并且所描述的发射符合法规。

另一方面，如果考虑低峰值功率长时间单元之后是高峰值功率短时间单元，则平均功率确实超过了设定的限值。也就是说，当我们从[t₀,t₀+T]到[t₀+δt,t₀+δt+T]将平均窗口移动无限小的量δt时，第二脉冲在移动的δt期间的峰值成分高于出自低峰值脉冲的窗口的成分。这在图10中可见，τ_p0和τ_p1的位置互换；上指示功率值再次对应于平均功率限值，而下值超过了该限值。因此，所描述的发射不符合法规。

总之，如果有不同的时间单元，从t_p0<t_p1<...<t_pn没有问题。当将平均窗口移动δt.时，下一个脉冲的峰值低于前一个脉冲的峰值。通过退出短脉冲而释放的功率大于进入长脉冲释放的功率。反过来不可行。如果低峰值长时间单元之后是高峰值短时间单元，则δt内的额外功率成分会使平均功率超过限值。如果想在t_p0>t_p1的情况下从t_p0改变为t_p1，则必须等待额外的时间。

t_p内允许发射的光子数量受平均功率标准的限制。将这些光子压缩成持续时间为τ_p的脉冲。发射该脉冲后，必须等待剩余的t_关闭＝t_p-τ_p，直到再次被允许发射。如果想发射比τ_p期间更高的峰值功率，必须等待所述额外的时间量。这意味着额外的时间量使得δt期间增加的额外功率(或能量)不超过离开前一时间单元的δt时释放的预计量。

换句话说，我们寻找时间t_延迟，k+1，在时间t_延迟，k+1处，前一时间单元积分时间t_pk的能量与后一时间单元积分时间的能量相匹配。在时间τ_pk+1期间，δt期间后一高峰值功率脉冲的积分功率大于相同移动δt期间前一脉冲的积分功率。分别地，对于给定低峰值功率长脉冲随后是高峰值功率短脉冲，t_延迟，k+1仅对应于期间第一低峰值功率脉冲发射与由第二脉冲的高峰值功率给出的过量对应的能量的时间。因此，

其中P₀表示对应于目标平均功率的基线功率，该目标平均功率被调整η^-1以获得更高的峰值功率脉冲。同样，这种计算仅在假设t_pk>t_pk+1，其中Qt_pk>Qt_pk+1和Pt_pk<Pt_pk+1(并因此η_k>η_k+1)的假设下才有意义，否则必须相应地在多个一个脉冲上积分到等于Qt_pk+1；或者t_延迟，k+1会以负值结束。

为了说明这个结果，例如，在视网膜危险区域重复使用上面已经给出的数字，但是这次用t_p1替换t_p0。这意味着考虑t_p0＝316.2ms(得到τ_p0＝100ms)和t_p1＝100ms(得到τ_p1＝21.5ms)。因此，所需的延迟为t_延迟＝10.1ms。该示例如图11所示。

相应地，在本发明的另一个实施方式中，如在前面的实施方式中一样，逻辑电路(13)首先设置目标时间单元积分时间t_pk+1。通过分别考虑先前使用的积分时间t_pk或η_k，逻辑电路(13)随后将该t_pk+1转换成临界压缩脉冲持续时间τ_pk+1，及其相应的临界功率增加系数η_k+1 ^-1和必要的延迟t_延迟，k+1。为了计算启动后针对对应的第一开启时间的第一t_延迟，1，逻辑电路(13)分别使用针对t_p0的最大可达到值或最小η₀。

为了推导针对视网膜危险区域的压缩脉冲持续时间的方程，简化了校正系数C₅＝1，已经声明该系数仅适用于α_min≤α≤5mrad和α>100mrad。在下文中，讨论了在大多数情况下C₅≠1的范围5mrad≤α≤100mrad。校正系数C₅考虑了暴露于多个脉冲。即，如果发射在时间T₂内产生N个脉冲，则C₅＝N^-1/4。为了获得发射脉冲序列中每个脉冲的限值，该校正系数必须与单个脉冲限值相乘。校正系数C₅仅适用于等于或小于0.25s的脉冲，0.25s也发生为等于t_100mrad。根据表观光源α的大小，这种校正不会分别降低到C₅＝0.4或C₅＝0.2,以下。由于α_max与时间有关(见上文)，B.J.Lund和K.Schulmeister，“On the exposure limits forextended source multiple pulse laser exposures”，J.of Laser Appl.25(4),2013，doi:10.2351/1.4802761已经证明校正系数C₅可以被写为脉冲持续时间而不是α的函数。即，对于持续时间τ_p的脉冲，t_α≤τ_p≤0.25s：C₅＝max(N^-1/4,0.4)；并且对于T_i<τ_p<t_α：C₅＝max(N^-1/4,0.2)。

为了说明该校正系数的结果，让我们假设以下示例。使用α＝100mrad，希望将平均功率受限连续波(cw)发射划分为持续时间t_p＝100ms的时间单元。希望将这些t_p压缩为如上所述的τ_p ^(临界)。换句话说，从cw发射开始，并将其转变为脉冲重复率(PRR)f_PRR＝10Hz的脉冲发射。对于α＝100mrad，则T₂＝100s。因此，在T₂内将有N＝1000个脉冲。当t_α＝t_100mrad＝0.25s时，求得C₅＝0.2。因此，经发射的脉冲峰值功率必须乘以该系数来降低。

一般来说，为了计算C₅，需要知道T₂内发射的脉冲数N。该数由脉冲重复率(PRR)乘以T₂得到。PRR产生于想要发射与平均功率受限的cw激光器相同数量的光的意图：将这种cw发射分成持续时间t_p的时间单元，并以持续时间τ_p的脉冲形式发射相应的光。然而，允许发射的后一脉冲仅在t_p之后。假设t_p不变，PRR则为f_PRR＝1/t_p。对于如图7和图8所示的实施方式，得到的PRR将相应更高。

参考图2，这意味着指示峰值功率限值的实线必须分别在t_α<t_p<0.25s和t_p≤t_α内线性平移1/0.4＝5/2和1/0.2＝5个单元(因为考虑了双对数标度的图)。图12示出了两个示例：α＝100mrad，对于其C₅＝0.4从不适用；以及α＝10mrad，其示出了不同的C₅域。如上所述，为了将C₅结合到上述的导出方程中，可以用T₂'＝C₅ ⁴T₂替换所述方程中的T₂，其中C₅＝{0.4,0.2}，对应于t_p>t_α或t_p≤t_α。使用这些相应校正的方程也使得中等大小光源5mrad<α≤100mrad受益于所公开的发明。

对于MIR和FIR谱区，上述公开的实施方式相应地适用，即只有一个时域要考虑(在T_i和T₃之间)，并且没有要跟踪的校正系数C_x。然而，本发明关于该谱区的一个特殊性性得明确提及。1500nm<λ<1800nm的区域使得单个脉冲的峰值功率比1400nm<λ≤1500nm和1800nm≤λ≤2600nm的区域的单个脉冲的峰值功率高一个数量级。基于此原因，1500nm<λ<1800nm的区域通常被称为“眼睛安全”区域，并且例如在Mayor等人的US7583364中被开发。然而，由于T_i对于该区域非常长，T_i内多个脉冲发射的能量总和必须低于规定的限值。另一方面，考虑到本发明，尤其是图3中突出显示的脉冲压缩，谱区1400<λ≤1500nm和1800nm≤λ≤2600nm对于遥感应用变得更有吸引力。这个谱区更有趣，因为大气吸收在这个区域特别明显：来自太阳的背景成分明显低于“眼睛安全”区域。这一事实有助于将检测侧的活动率降至最低，这再次对检测侧的功耗和自发热产生积极影响。

本公开的实施方式不需要用1类激光器操作。如果待压缩功率的基线高于对应于1类激光器的允许发射水平，则为了将某个时间单元t_p的发射压缩成更短的τ_p而公开的方法也是有益的。所公开的优化发射信号密度(从而优化检测到的信号背景比)的方法通常是有效的，因为涉及到眼睛安全问题。如本领域技术人员所知，1类激光器不一定安全，安全的激光器也不一定是1类激光器。也就是说，更高等级的激光器通常具有标称的眼睛危险距离(NOHD)。对于该NOHD范围内的距离，感应到的曝光量高于眼睛安全操作的最大允许曝光量(MPE)。另一方面，在这个NOHD半径之外，激光可以被认为是安全的。MPE值根据本公开中讨论的AEL值进行缩放。在某些情况下，这种高等级激光器的工作方式使得人无法接触到装置本身。例如，这可以是安装在灯柱上、高墙上或工厂天花板上的发散激光器，而地面处的激光器的功率密度将低于MPE。根据引用的激光安全法规，不管用途如何，一个激光设备只能被分配一个激光等级。在所述情况下，选定的可接受的NOHD定义了可接受的发射功率预计量。根据本发明，如果该功率预计量以短于τp(临界)的短脉冲发射，则NOHD将增加，从而潜在地导致不安全的操作。另一方面，通过用上述实施方式中公开的方法最大化所述给定发射功率预计量的信号密度，这种高等级激光装置的NOHD不会移动，而SBR会以所述的方式改善。因此，本发明对于这种高等级激光设备也是有吸引力的。

为了解释对应于本发明的一些实施方式，已经陈述了所引用的眼睛安全法规的取值；例如由视网膜危险区域中的扩展源的α＝5mrad给出的限值，或T₃，或由例如1400nm<λ≤1500nm界定的谱区等。引用的眼睛安全法规的未来版本可能会改变这些尺寸、时间和/或波长断点的数值。本公开中给出的解释应该使本领域技术人员能够适应所述限制，这仍然在本发明的精神内。

本领域技术人员将会理解，本发明不限于上述实施方式，并且在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行许多修改和添加。

Claims (24)

1.一种借助于至少一个激光发射器和至少一个检测器进行遥感的方法，所述方法包括：

设置目标时间单元积分时间t_p；

将所述时间单元积分时间转换成减少的时间τ_p及其相应的功率增加系数η^-1；

激活所述激光发射器和检测器两者达持续时间τ_p，其中，所述激光发射器的功率输出经η^-1校正；

持续时间τ_p后去激活所述发射器和所述检测器；

在随后的持续时间t_关闭＝t_p-τ_p内保持所述发射器和所述检测器关闭。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标积分时间单元由目标帧速率得到。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在关闭时间t_关闭＝t_p-τ_p期间，与外部装置(14)交换通信。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述通信更新配置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述时间单元积分时间到减少时间τ_p的转换借助于列出预计算值的查找表(LUT)来获得。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述时间单元积分时间到减少时间τ_p的转换通过根据时域和/或谱区进行连续计算来获得。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述时间单元积分时间到减少的时间τ_p的转换是通过从列出预计算值的查找表(LUT)中提供粗算步骤并通过计算插值来获得。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述方法以连续采集模式操作，所述连续采集模式被设置为获取每个t_p积分时间的帧，以便获得帧速率1/t_p。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述方法按以下方式操作：在触发信号之后获取单次采集，然后等待后续的触发信号。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述方法将对所述激光发射器和光敏检测器的激活延迟额外的量t_延迟＝max[(η_前一-η)t_p,0]，其中η_前一是前一采集的功率增加系数的倒数。

11.根据权利要求9至10中任一项所述的方法，其中，如果触发信号在空闲模式持续时间t_关闭期间到达，则忽略或延迟所述触发信号，直到所述持续时间超时。

12.一种借助于至少一个激光发射器和至少一个检测器进行遥感的装置，至少包括：激光发射器(11)、光敏检测器(12)和控制所述激光发射器(11)和所述光敏检测器(12)的逻辑电路(13)、以及实现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品，所述计算机可读介质上实现有计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码可由处理器执行以执行包括以下的动作：

设置目标时间单元积分时间t_p；

将所述时间单元积分时间转换成减少的时间τ_p及其相应的功率增加系数η^-1；

激活所述激光发射器和检测器两者达持续时间τ_p，其中，所述激光发射器的功率输出经η^-1校正；

持续时间τ_p后去激活所述发射器和所述检测器；

在随后的持续时间t_关闭＝t_p-τ_p内保持所述发射器和所述检测器关闭。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述目标积分时间单元由目标帧速率得到。

14.根据权利要求12或13所述的装置，其中，在关闭时间t_关闭＝t_p-τ_p期间，与外部装置(14)交换通信。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述通信更新配置。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的装置，其中，所述时间单元积分时间到减少时间τ_p的转换借助于列出预计算值的查找表(LUT)获得。

17.根据权利要求12至15中任一项所述的装置，其中，所述时间单元积分时间到减少时间τ_p的转换通过根据时域和/或谱区进行连续计算来获得。

18.根据权利要求12至15中任一项所述的装置，其中，所述时间单元积分时间到减少的时间τ_p的转换通过从列出预计算值的查找表(LUT)中提供粗算步骤并通过计算插值来获得。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的装置，其中，所述装置以连续采集模式操作，所述采集模式被设置为获取每个t_p积分时间的帧，以便获得帧速率1/t_p。

20.根据权利要求12至18中任一项所述的装置，其中，所述装置按以下方式操作：在触发信号之后获取单次采集，然后等待后续的触发信号。

21.根据权利要求12至18中任一项所述的装置，其中，所述装置包括用于将对所述激光发射器和光敏检测器的激活延迟额外的量t_延迟＝max[(η_前一-η)t_p,0]的装置，其中η_前一是前一采集的功率增加系数的倒数。

22.根据权利要求20或21所述的装置，其中，如果触发信号在空闲模式持续时间t_关闭期间到达，则忽略或延迟所述触发信号，直到所述持续时间超时。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括发送所述触发信号的外部装置(14)。

24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述外部装置(14)是屏幕、投影仪、计算机或服务器。