CN110618417A - 经稳定化的激光雷达系统和用于稳定化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种经稳定化的激光雷达系统和一种用于稳定化的方法。本发明描述一种激光雷达系统，其包括激光器(10)，其中，所述激光器(10)构造用于在波长工作范围内发射单色的激光雷达辐射；热元件(20)，其设置用于调节所述激光器(10)的工作温度；用于分析处理的装置(22)，其构造用于由由所述激光器(10)发射的辐射确定所述辐射的实际波长到所述激光器(10)的波长工作范围内的期望波长的偏差程度；和用于调节的装置(24)，其构造用于根据由所述用于分析处理的装置(22)确定的偏差尺度如此控制所述热元件(20)，使得将所述激光器(10)的工作温度调整到以下值上：在所述值的情况下，所发射的单色的激光雷达辐射相应于所述期望波长。
Description
技术领域
本发明涉及一种经稳定化的激光雷达系统和一种用于稳定化的方法。本发明尤其涉及一种具有用于抑制光学串扰的改进的温度调节的装置的激光雷达系统和一种用于在相应的激光雷达系统的情况下进行波长稳定化的方法。
背景技术
进行扫描的用于周围环境检测的激光雷达系统大多由发送单元和接收单元构成。发送单元大多借助激光器产生射束，所述射束照亮场景的确定的部分。射到那里的光子被反射或散射并且借助接收光学系统来检测。由于光子以大的空间角在相应的靶(所谓的朗伯靶)上散射，借助接收单元可以探测到的光子的数目随着至靶的间距非常快速地下降。因为接收单元(例如探测器)中的接收器同时受另外的干扰参量的影响，所以将反射信号与噪声分离随着增大的间距变得越来越难或不再可能。用于激光雷达系统的重要的干扰参量可以是同时落到场景上的背景光。该背景光通过接收光学系统同样成像到探测器上并且导致噪声贡献。
如果在接收光学系统之前将带通滤光器用作滤光器元件，则可以最小化该贡献。该带通滤光器具有围绕所发射的激光雷达辐射的波长的尽可能窄的允许通过范围，从而仅仅非常窄的光谱带范围中的背景光射到探测器上。然而，使用尽可能窄的滤光器用于减少背景光需要使用具有尽可能稳定的工作波长的激光器。
虽然这种激光器的使用是完全可能，但合适的激光器类型的形式受到严格限制。如果要使用半导体激光器，则不仅半导体工艺中的工艺变动(Prozessstreuung)而且激光器运行的温度都对所发射的波长具有影响。如果在选择相应的滤光器时应考虑尽可能所有出现的过程变动或温度漂移，则必要时可以使用仅仅一个非常宽的滤光器，该滤光器允许相应地多的背景光通过并且因此限制激光雷达系统的作用范围。
该问题例如可以通过直接选择生产过程中所需的激光器来改进，但是这与明显更高的成本相关。尤其可以通过温度调节来降低温度影响(参见图1)，其方式是，例如通过珀耳帖元件(Peltier-Element)和/或加热电阻对发送单元进行充分地调温。但是在此的问题是，在激光器单元的位置处的测量温度与在激光发射器芯片处的实际上重要相关的温度(即尤其激光器的有源区域的温度)之间的关联性不是已知的或仅仅是大致已知的。这限制这种温度调节的有效准确性并且因此也限制最小可实现的滤光器宽度。
发明内容
根据本发明，提供根据权利要求1的经稳定化的激光雷达系统和根据权利要求9的用于波长稳定化的方法。
根据本发明的激光雷达系统包括激光器，其中，该激光器构造用于在波长工作范围内发射单色的激光雷达辐射；热元件，其设置用于调节激光器的工作温度；用于分析处理的装置，其构造用于由由激光器发射的辐射来测量辐射的实际波长到激光器的波长工作范围内的期望波长的偏差；和用于调节的装置，其构造用于根据由用于分析处理的装置确定的偏差程度如此控制热元件，使得将激光器的工作温度调整到以下值上：在该值的情况下所发射的单色的激光雷达辐射相应于期望波长。
优选地，激光器可以涉及半导体激光器(边缘发射器，VCSEL)。优选地，激光器(或激光发射器芯片)布置在激光器模块上。在此，“激光器模块”尤其可以理解为用于激光发射器芯片(激光器-裸芯片)的芯片载体。然而，模块还可以包括另外的机械部件和/或电子部件。激光器的波长工作范围通过激光器的借助调谐(Tuning)、尤其通过该激光器的工作温度、光谱可达到的范围来确定，在所述范围中仍然发生稳定的发射。“实际波长”可以理解为由激光器发射的辐射的瞬时波长。期望波长(也称为目标波长或标称波长)是以下优选的波长：激光器应在所述波长上进行发射。优选地，所使用的接收滤光器的滤光器波长的期望波长相应于激光雷达系统的所属的接收单元。在此，期望波长可以通过外部确定的系统参数来固定地预给定或者可以通过激光雷达系统本身的相应的测量来确定。
“热元件”尤其可以理解为加热元件或冷却元件。在此，热元件可以例如涉及珀耳帖元件或加热电阻。优选地，热元件不仅可以用于主动地加热，而且可以用于冷却。热元件尤其也可以构造为用于加热和冷却的相应元件的组合。热元件设置用于调节激光器的工作温度。这尤其可以通过如下方式来实现：热元件与激光器模块处于热连接中并且将热元件的加热作用或冷却作用通过激光器模块传递到激光器上。然而，热元件也可以直接热接触激光发射器芯片或者也可以集成到激光发射器芯片中。
用于分析处理的装置由由激光器发射的辐射确定辐射的实际波长到激光器波长工作范围内的期望波长的偏差程度。偏差程度尤其可以涉及由所述偏差推导出的偏差信号，例如作为电压值。在最简单的情况下，用于分析处理的装置可以(例如借助光谱仪或干涉仪)直接确定激光辐射的波长并且由与标称的期望波长的差产生所谓的调节差作为偏差信号。
优选地，用于分析处理的装置还可以设置用于根据属于激光雷达系统的接收滤光器的最大透射(Transmissionsmaximum)来确定期望波长。为此，用于分析处理的装置尤其可以包括用于接收滤光器的光谱测量的装置。用于接收滤光器的光谱测量的装置尤其可以涉及以下设备：该设备借助所定义的参考辐射对接收滤光器进行光谱测量。所定义的参考辐射尤其可以涉及通过顺序地波长选择性地调谐激光器而在激光雷达系统的暗阶段中可获得的激光雷达辐射或涉及光谱宽带的光源的光。由此还可以进一步改进测量/调节方法的实现，其方式是，不仅对激光器的散射和温度变化进行平衡，而且对接收滤光器的由制造引起的变化进行平衡。
用于调节的装置(调节器)例如可以涉及PID调节器或PD调节器。根据用于分析处理的装置的偏差信号(例如调节差)，通过相应的控制参量如此控制热元件(调节环节)，使得将激光器的工作温度(调节参量)调整到以下值上：在该值的情况下，所发射的单色的激光雷达辐射相应于期望波长。相应的用于调节的装置对于本领域技术人员而言是充分已知的。
本发明的优点
本发明的核心是通过测量波长代替温度来对现有技术中常见的调节链进行改道(umleiten)。由此，通过匹配激光器的工作温度可以补偿激光器的过程变动。此外，可以对在运行中出现的温度漂移非常精确地进行平衡，因为在根据本发明的调节链的情况下温度的影响(即波长)直接作为调节参量存在并且不仅仅是与目标温度的偏差。单独通过温度作为调节参量进行的调节更容易出错，因为在目标温度和期望波长之间的对于调节所使用的分配可能随着时间发生改变并且因此系统性能会越来越变差。相反，在根据本发明的调节链中，直接调节到目标值、也即期望波长上。因此，不仅在短时间范围内而且在长时间范围内的稳定化相比现有技术明显改进。
然而，附加地也可以例如在激光模块上进一步确定温度。因此，根据本发明的激光雷达系统可以包括用于确定激光器的温度的传感器。此外，尤其可以实现并行的监视系统，该监视系统确保温度测量与波长测量的一致性。并行的监视系统尤其可以集成到用于分析处理的装置中。在不一致的情况下，可以例如容错地匹配所产生的偏差信号或者用于分析处理的装置可以转变到误差模式中。
根据本发明的激光雷达系统可以应用中在多种不同的激光雷达系统配置的情况下，所述激光雷达系统配置在接收路径中具有根据发送单元的激光波长选择性的滤光器元件。然而，本发明尤其适用于旋转的激光雷达系统。这种系统大多具有定子和转子。在此，转子通常包括转台(Drehteller)，在该转台上布置有发送路径的成像光学系统。优选地，可以在激光器附近——即例如在转子或转台上——进行偏差程度的根据本发明的确定。然而，也可以在定子上执行该确定，其方式是，在以激光器扫过相应的用于分析处理的装置时发送脉冲。这需要旋转与拍摄时刻同步。因此，用于分析处理的装置与激光雷达扫描优选同步。
在本发明的优选的第一实施方式中，用于分析处理的装置包括两个监视二极管，所述两个监视二极管设置用于确定由激光器发射的激光雷达辐射的分支部分的强度，其中，辐射在射到监视二极管上之前分别穿过光学的滤光器元件，该滤光器元件从激光器的波长工作范围内的期望波长出发在不同的光谱方向上具有通过范围，其中，两个滤光器元件的通过范围分别包括期望波长和在两侧绕着期望波长邻接的波长范围，该波长范围优选地分别相应于激光器的波长工作范围的宽度的0.001％与35％之间；和用于确定偏差程度的装置，其构造用于由在两个监视二极管上确定的强度借助滤光器元件的已知的透射特性来确定实际波长到期望波长的偏差程度。
因此，通过具有前置的互补构造的光学滤光器的两个监视二极管(例如光电二极管、pin二极管、APD、SiPM)进行激光波长的测量。这些监视二极管的输出信号可以用于测量由激光器的当前工作温度引起的激光波长。
滤光器元件的通过范围的总宽度可以比在两侧绕着期望波长邻接的波长范围(双倍的邻接的波长范围)的总宽度显著更宽。对于借助两个滤光器元件进行的分析处理重要的是，期望波长如此处在两个滤光器元件的通过范围中(在通过范围的不同的光谱方向的情况下)，使得所述两个滤光器元件绕着期望波长具有共同的通过范围并且通过在实际波长的情况下的相应的透射特性能够推断出实际波长与期望波长之间的偏差。
以下滤光器范围可以理解为通过范围：该滤光器范围的透射在扩展的波长范围上是至少10％、更优选地至少5％并且还更优选地是至少2％。优选地，邻接期望波长的波长范围在一侧邻接通过范围的带边缘。相应地优选的是，期望波长在第一滤光器元件的情况下处在通过范围的上升部分中并且在第二滤光器元件的情况下处在通过范围的下降部分中，其中，借助上升的和下降的部分指从带边缘到通过范围的主要部分中的或从通过范围的主要部分到带边缘中的过渡。在这种情况下，滤光器元件在绕着期望波长的范围内的波长相关的透射特性允许推断出实际波长与期望波长之间的偏差。
因此，滤光器元件的在两侧绕着期望波长邻接的波长范围优选地包括激光器的波长工作范围的宽度的0.002％与70％之间的总宽度(半值宽度FWHM)。更优选的是激光器的波长工作范围的宽度的0.02％与50％之间、更优选0.02％与20％之间、更优选0.1％与10％之间、更优选0.2％与5％之间并且还更优选0.5％与1％之间的总宽度。
优选地，从发送射束中将功率的一部分引导到监视二极管上。这例如可以通过所定义的分束器(Beamsplitter)或通过接收光学系统的散射反射(发送射束的功率远远足够用于监视二极管上的信号)来实现。在监视二极管之前分别放置有滤光器元件。滤光器元件的通过范围如此选择，使得允许第一滤光器基本上允许比所期望的期望波长更短的波长通过或者第二滤光器基本上允许比所期望的期望波长更长的波长通过。在期望波长的范围中，两个滤光器元件具有重叠的通过范围。因此，在监视二极管上测量的辐射强度的比例在各个滤光器元件的已知的滤光器特性的情况下允许推断出实际波长。然而，由用于分析处理的装置产生的偏差信号在此不需要直接由波长差的标称量值来求取，而是通过强度测量已经存在辐射的实际波长到期望波长的偏差的待确定的程度。由此可以直接推导出用于调节的相应的电压信号。因此，在该实施方式中可以省去用于确定波长的标称量值的光谱仪。
优选地，在优选的第一实施方式中，用于确定偏差程度的装置构造用于由在两个监视二极管上确定的强度来确定作为偏差程度的差信号(S＝I1-I2)和/或用于监视总功率的总信号。关于偏差信号的产生的细节参见相关文献。
接下来，通过用于调节的装置可以如此对加热元件或冷却元件通电，使得出现对于期望波长所需的温度。因为如此可以直接调节到目标信号上，所以自动地一同考虑调节段中的未精确已知的路径。附加地，可以使用总信号以监视激光器的总功率。此外，可以在组件上确定温度并且因此并行地实现确保温度测量和波长测量的一致性的监视系统。
优选地，用于分析处理的装置包括第三监视二极管，该第三监视二极管设置用于波长不相关地确定由激光器发射的激光雷达射束的分支部分的强度。这尤其可以通过不具有前置滤光器元件的监视二极管来实现。因此，为了平衡激光器的强度波动，可以使用不具有前置滤光器元件的另一监视二极管的信号以能够实现总信号的标准化。在此，“波长不相关”意味着，在激光器的波长工作范围内不存在监视二极管的光谱灵敏度方面的主要区别。关于信号标准化的主题参见相关文献。
在本发明的优选的第二实施方式中，用于分析处理的装置包括监视二极管，该监视二极管设置用于确定由激光器发射的激光雷达辐射的分支部分的强度，其中，该辐射在射到监视二极管上之前穿过光学的滤光器元件，该滤光器元件在激光器的波长工作范围内具有通过范围，所述通过范围具有可明确唯一地分配的透射；和用于确定偏差程度的装置，其构造用于由在监视二极管上确定的强度借助滤光器元件的已知的透射特性来确定实际波长到期望波长的偏差程度。
该实施方式基于以下：原则上也可能的是，借助仅仅一个监视二极管也实现偏差信号的产生。为此，所使用的滤光器元件的通过范围的下降的或上升的部分可以选择得足够宽，从而在该范围内可以明确唯一地分配滤光器元件的透射中的波长。然而，在该实施例中，测量比在根据优选的第一实施方式的差方法的情况下所能够实现的较不线性。
优选地，该实施方式的用于分析处理的装置还包括第二监视二极管，该第二监视二极管设置用于波长不相关地确定由激光器发射的激光雷达辐射的分支部分的强度。这尤其可以通过不具有前置滤光器元件的监视二极管来实现。因此，为了平衡激光器的强度波动，不具有前置滤光器元件的另外的监视二极管的信号可以用于能够实现总信号的标准化。“波长不相关”在此意味着：在激光器的波长工作范围内不存在监视二极管的光谱灵敏度方面的主要区别。关于信号标准化的主题参见相关文献。
本发明的另一方面涉及一种用于激光雷达系统的波长稳定化的方法。在此，该方法以以上提及的用于实现该方法的设备的主要特征为前提条件。就此而言，为了实现该方法，提供相应的激光雷达系统是有利的。虽然如此，本发明的基本思想可以实现：直接通过目标参量(波长)来调节调节链，也借助相比对于该设备提及的装置不同的装置来调节调节链。
因此，用于波长稳定化的方法包括确定辐射的实际波长到激光器的波长工作范围内的期望波长的偏差程度(例如通过相应的用于分析处理的装置来实现)；并且，根据预先确定的偏差程度控制热元件，从而将激光器的工作温度调整到以下值上：在该值的情况下，所发射的单色的激光雷达辐射相应于期望波长。
在该方法的优选的第一实施方式中，根据属于激光雷达系统的接收滤光器(例如激光线性滤光器)的最大透射来确定期望波长，其中，在激光雷达系统的暗阶段中使由激光器发射的激光雷达辐射的一部分转向(例如通过激光雷达系统内的反射器)到属于激光雷达系统的接收单元的布置在接收滤光器之后的探测器中，并且，通过在激光雷达系统的暗阶段中顺序地波长选择性地调谐激光器的激光雷达辐射来测量接收滤光器的波长相关的透射。
以下时间段称为暗阶段：在所述时间段中，激光雷达系统不发射光到周围环境中或者是无源的。在此，尤其可以涉及系统的静止状态。在覆盖小于360°的扫描角的、旋转的激光雷达系统中也大多存在暗阶段，在该暗阶段中发送和接收光学系统朝向壳体背侧。在该暗阶段中，通过使射束转向可以将能量从发送路径改道到接收路径中。暗阶段的出现是必需的，以便能够利用接收路径用于测量接收滤光器，而在此不干扰或不影响实际的周围环境检测。
在激光雷达系统的暗阶段中顺序地波长选择性地调谐激光器的激光雷达辐射例如可以通过以下方式来实现：在暗阶段期间或越过多个暗阶段在激光器的波长工作范围中分散地调整不同的波长。如果然后在暗阶段中分别根据激光器的固定调整的温度测量(实际的接收光学系统的)探测器响应，则可以直接在应用中测量接收滤光器的带通特性。与此并行地，例如可以记录发送路径中的两个根据本发明的监视二极管的信号。在结束该测量后可以确定发送路径中的波长测量的目标值(或目标温度)并且可以借助该目标值执行调节。
该方法的优点是，不仅可以捕获在制造过程时的温度变化和激光散色，而且还可以附加地捕获接收滤光器的生产中的散射。总体上，由此可以明显地降低制造中的成本和安装开销。
在该方法的优选的第二实施方式中，根据属于激光雷达系统的接收滤光器的最大透射来确定期望波长，其中，对光谱宽带的光源的光的在接收滤光器之后反射的部分进行光谱测量以确定接收滤光器的最大透射。优选地，光谱宽带光源可以涉及白光源或发光二极管(LED)。
为了使用于调节的目标值与接收滤光器协调，因此可以(替代激光器的激光雷达辐射)使用宽带的光源并且分析处理其在输入滤光器之后的内部结构上的反射。在旋转的激光雷达系统的情况下，宽带的光源优选地可以布置在定子上。
本发明的有利的扩展方案在从属权利要求中说明并且在说明书中进行描述。
附图说明
根据附图和以下的描述进一步阐述本发明的实施例。附图示出：
图1示出现有技术中的用于激光器稳定化的调节链的示意图；
图2示出根据本发明的用于激光器稳定化的调节链的示意图；
图3示出根据本发明的设备的一种实施方式的示意图；
图4示出根据本发明的设备的优选的第一实施方式的用于分析处理的装置的示意图；
图5示出根据本发明的设备的优选的第二实施方式的用于分析处理的装置的示意图；
图6示出根据本发明的用于激光器稳定化的调节链的扩展的第一实施方式的示意图；
图7示出旋转的激光雷达系统的根据本发明的第一实施方式的示意图；以及
图8示出旋转的激光雷达系统的根据本发明的第二实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示出现有技术中的用于激光器稳定化的调节链的示意图。所绘出的箭头说明调节链的各个部件之间的相关性。所示的调节链包括激光器10，其中，激光器10构造用于在波长工作范围λ(T)内发射单色的激光雷达辐射(波长λ)；热元件20，其设置用于调节激光器10的工作温度T；用于分析处理的装置22，其构造用于由激光器10的由传感器26测量的实际温度T实际确定实际温度T实际到期望温度T期望的偏差程度；和用于调节的装置24，其构造用于根据由用于分析处理的装置22确定的偏差程度如此控制热元件20，使得将激光器10的工作温度T调整到相应于期望温度T期望的值上。激光器10尤其可以包括半导体激光器(例如二极管激光器)的激光发射器芯片。激光发射器芯片和传感器26通常共同地布置在激光器模块12上。
热元件20由用于调节的装置24控制并且对激光器10的温度产生影响。传感器26测量激光器模块12的温度。在此的问题是：在激光器模块的位置处的由传感器26测量的温度与在激光器10上的实际重要相关的温度(即尤其激光器的有源区域的温度)之间的关联性不是良好地已知的。这限制这样的温度调节的有效准确性，因为仅仅间接地借助期望温度进行激光器10的发射波长的调节。这具有以下缺点：不能够监视和调节系统行为中的变化(例如传感器26的特征曲线中的变化)。
图2示出根据本发明的用于激光稳定化的调节链的示意图。所绘出的箭头说明调节链的各个部件之间的相关性。所示出的调节链包括激光器10，其中，激光器10构造用于在波长工作范围λ(T)内发射单色的激光雷达辐射(波长λ)；热元件20，其设置用于调节激光器10的工作温度T；用于分析处理的装置22，其构造用于由由激光器10发射的辐射确定辐射的实际波长λ实际到激光器10的波长工作范围λ(T)内的期望波长λ期望的偏差程度；和用于调节的装置24，其构造用于根据由用于分析处理的装置22确定的偏差程度如此控制热元件20，使得将激光器10的工作温度T调整到以下值上：在该值的情况下，所发射的单色的激光雷达辐射相应于期望波长λ期望。激光器10尤其可以包括半导体激光器(例如二极管激光器)的激光发射器芯片。激光发射器芯片通常布置在激光器模块12上。
相比于根据图1的调节链，在此存在通过测量波长代替温度来改道调节链。然而，该调节同样通过调整激光器10的温度来实现。根据本发明的调节链具有如下优点：直接调节到所期望的目标值(即波长)上并且因此也可以监视和调节系统行为中的变化。
图3示出根据本发明的设备的一种实施方式的示意图。该示图包括激光器(10)，其中，激光器(10)构造用于在波长工作范围λ(T)内发射单色的激光雷达辐射(波长λ)；用于分析处理的装置(22)，其构造用于由由激光器(10)发射的辐射确定辐射的实际波长λ实际到激光器的波长工作范围λ(T)内的期望波长λ期望的偏差程度；用于调节的装置24，其构造用于根据由用于分析处理的装置22确定的偏差程度如此控制热元件20，使得将激光器的工作温度T调整到以下值上：在该值的情况下，所发射的单色的激光雷达辐射相应于期望波长λ期望。从实际的发送射束中将功率的一部分引导到用于分析处理的装置22——例如由用于分析处理的装置22包括的监视二极管30、32、40上。这例如可以通过所定义的分束器来实现，或者——如在此示出的那样——也通过接收在发送光学系统14上的散射反射来实现。
图4示出根据本发明的设备的优选的第一实施方式的用于分析处理的装置22的示意图。用于分析处理的装置22包括两个监视二极管30、32，所述两个监视二极管设置用于确定由激光器10发射的激光雷达辐射的分支部分的强度，其中，辐射在射到监视二极管30、32上之前分别穿过光学的滤光器元件34、36，所述滤光器元件从激光器10的波长工作区域内的期望波长出发具有在不同的光谱方向上的通过范围34'、36'，其中，期望波长在第一滤光器元件34的情况下处在通过范围34'的上升部分中并且在第二滤光器元件36的情况下处在通过范围36'的下降部分中；和用于确定偏差程度的装置38，该装置构造用于由在两个监视二极管30、32上确定的强度借助滤光器元件34、36的已知的透射特性来确定实际波长到期望波长的偏差程度。在所示的情况中，用于确定偏差程度38的装置构造用于由在两个监视二极管30、32上确定的强度来确定作为偏差程度的差信号和/或用于监视总功率的总信号(未示出)。
图5示出根据本发明的设备的优选的第二实施方式的用于分析处理的装置22的示意图。用于分析处理的装置22包括监视二极管40，该监视二极管设置用于确定由激光器10发射的激光雷达辐射的分支部分的强度，其中，辐射在射到监视二极管40上之前穿过光学的滤光器元件42，该滤光器元件在激光器10的波长工作范围内具有通过范围42'，该通过范围具有可明确唯一地分配的透射；和用于确定偏差程度的装置48，其构造用于由在监视二极管40上确定的强度借助滤光器元件40的已知的透射特性来确定实际波长到期望波长的偏差程度。优选地，用于分析处理的装置22还可以包括第二监视二极管44，该第二监视二极管设置用于波长不相关地、即尤其在不具有前置的滤光器元件的情况下确定由激光器10发射的激光雷达射束的分支部分的强度。
图6示出根据本发明的用于激光器稳定化的调节链的扩展的第一实施方式的示意图。所示的调节链部分具有以下任务：通过测量接收单元50的接收滤光器52来确定激光器10的期望波长。为此，根据属于激光雷达系统的接收滤光器52的最大透射来确定期望波长，其中，在激光雷达系统的暗阶段中，将由激光器10发射的激光雷达辐射的一部分——例如通过内部的反射器56——转向到属于激光雷达系统的接收单元50的布置在接收滤光器52之后的探测器54中并且通过在激光雷达系统的暗阶段中顺序地波长选择性地调谐激光器10的激光雷达辐射来测量接收滤光器52的波长相关的透射。在此，激光雷达辐射的调谐可以经由用于调节的装置24通过相应地调节热元件20的温度(例如作为线性的斜坡)来实现。然后，用于分析处理的装置22可以根据激光器10的实际波长和属于激光雷达系统的接收滤光器52的由测量确定的最大透射来确定对于激光雷达系统的最佳的期望波长。
图7示出旋转的激光雷达系统的根据本发明的第一实施方式的示意图。该示图示出具有前侧74(具有出射窗口)和背侧76的定子70以及示出转子72，其中，在转子上布置有激光器10。用于分析处理的装置22布置在定子70的背侧76的指向转子72的内侧上。优选地，由由激光器10发射的辐射通过用于分析处理的装置22在定子70上执行确定辐射的实际波长到激光器10的波长工作范围内的期望波长的偏差程度，其方式是，在以激光器10扫过用于分析处理的装置22时发送脉冲。这需要旋转与拍摄时间同步，也就是说，用于分析处理的装置22与激光雷达扫描同步。在所示的激光雷达系统——其由于受限的视野窗口区域而覆盖小于360°的水平扫描角度——的情况下，在以下时间段期间存在暗阶段：在该时间段中，激光器10朝向定子70的背侧(或激光雷达系统的壳体)。
图8示出旋转的激光雷达系统的根据本发明的第二实施方式的示意图。所示的激光雷达系统的原理结构相应于图7中的示图，因此，相应的附图标记及其分配相应地适用。在转子72上示出接收单元60，该接收单元包括接收滤光器62和探测器64。优选地，接收滤光器62可以涉及激光线性滤光器。优选地，探测器64包括光电二极管、pin二极管、APD或SiPM。
为了根据属于激光雷达系统的接收滤光器62的最大透射来确定期望波长，可以对光谱宽带的光源64的光的在接收滤光器62之后反射的部分进行光谱测量以确定接收滤光器62的最大透射，其中，光谱带包括相应的激光器10的波长工作范围。在此，通过根据本发明的用于分析处理的装置22可以实现光谱测量。就此而言，所描述的用于根据属于激光雷达系统的接收滤光器62的最大透射确定期望波长的途径相应于根据本发明的用于激光稳定化的调节链的扩展的第二实施方式。然而，该第二实施方式的实现不一定与旋转的激光雷达系统结合，而是可以与在图8中示出的实施方式不相关地也相应地应用在其他的激光雷达结构中。
Claims (11)
1.一种激光雷达系统，所述激光雷达系统包括：
激光器(10)，其中，所述激光器(10)构造用于在波长工作范围内发射单色的激光雷达辐射；
热元件(20)，所述热元件设置用于调节所述激光器(10)的工作温度；
用于分析处理的装置(22)，所述用于分析处理的装置构造用于由由所述激光器(10)发射的辐射确定所述辐射的实际波长到所述激光器(10)的波长工作范围内的期望波长的偏差程度；和
用于调节的装置(24)，所述用于调节的装置构造用于根据由所述用于分析处理的装置(22)确定的偏差程度如此控制所述热元件(20)，使得将所述激光器(10)的工作温度调整到以下值上：在所述值的情况下，所发射的单色的激光雷达辐射相应于所述期望波长。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述用于分析处理的装置(22)包括：
两个监视二极管(30，32)，所述两个监视二极管设置用于确定由所述激光器(10)发射的激光雷达辐射的分支部分的强度，其中，所述辐射在射到所述监视二极管(30，32)上之前分别穿过光学的滤光器元件(34，36)，所述滤光器元件从所述激光器(10)的波长工作范围内的期望波长出发在不同的光谱方向上具有通过范围(34'，36')，其中，所述期望波长在所述第一滤光器元件(34)的情况下处在所述通过范围(34')的上升部分中并且在所述第二滤光器元件(36)的情况下处在所述通过范围(36')的下降部分中；和用于确定偏差程度的装置(38)，其构造用于由在所述两个监视二极管(30，32)上确定的强度借助所述滤光器元件(34，36)的已知的透射特性来确定所述实际波长到所述期望波长的偏差程度。
3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其中，所述用于确定偏差程度的装置(38)构造用于由在所述两个监视二极管(30，32)上确定的强度来确定作为偏差程度的差信号和/或用于监视总功率的总信号。
4.根据权利要求2或3所述的激光雷达系统，其中，所述用于分析处理的装置(22)还包括第三监视二极管，所述第三监视二极管设置用于波长不相关地确定由所述激光器(10)发射的激光雷达辐射的分支部分的强度。
5.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述用于分析处理的装置(22)包括：
监视二极管(40)，所述监视二极管设置用于确定由所述激光器(10)发射的激光雷达辐射的分支部分的强度，其中，所述辐射在射到所述监视二极管(40)上之前穿过光学的滤光器元件(42)，所述滤光器元件在所述激光器(10)的波长工作范围内具有通过区域(42')，所述通过区域具有可明确唯一地分配的透射；和用于确定偏差程度的装置(48)，其构造用于由在所述监视二极管(40)上确定的强度借助所述滤光器元件(40)的已知的透射特性来确定所述实际波长到所述期望波长的偏差程度。
6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其中，所述用于分析处理的装置(22)还包括第二监视二极管(44)，所述第二监视二极管设置用于波长不相关地确定由所述激光器(10)发射的激光雷达辐射的分支部分的强度。
7.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统，所述激光雷达系统还包括用于确定所述激光器(10)的温度的传感器(26)。
8.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中，所述用于分析处理的装置(22)与激光雷达扫描同步。
9.一种用于波长稳定化的方法，所述方法适用于根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统，所述方法包括以下步骤：
确定所述辐射的实际波长到所述激光器(10)的波长工作范围内的期望波长的偏差程度；以及
根据预先确定的偏差程度控制所述热元件(20)，从而将所述激光器(10)的工作温度调整到以下值上：在所述值的情况下，所发射的单色的激光雷达辐射相应于所述期望波长。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：
根据属于所述激光雷达系统的接收滤光器(52)的最大透射来确定所述期望波长，其中，在所述激光雷达系统的暗阶段中使由所述激光器(10)发射的激光雷达辐射的一部分转向到属于所述激光雷达系统的接收单元(50)的布置在所述接收滤光器(52)之后的探测器(54)中，并且，通过在所述激光雷达系统的暗阶段中顺序地波长选择性地调谐所述激光器(10)的激光雷达辐射来测量所述接收滤光器(52)的波长相关的透射。
11.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：
根据属于所述激光雷达系统的接收滤光器(62)的最大透射来确定所述期望波长，其中，对光谱宽带的光源(64)的光的在所述接收滤光器(62)之后反射的部分进行光谱测量以确定所述接收滤光器(62)的最大透射，其中，所述光谱带包括所述激光器(10)的波长工作范围。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115136426A (zh) * | 2020-12-04 | 2022-09-30 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 提高雷达系统激光测距能力的方法、装置及存储介质 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102018209995A1 (de) * | 2018-06-20 | 2019-12-24 | Robert Bosch Gmbh | Stabilisiertes LiDAR-System und Verfahren zur Stabilisierung |
| US20220236410A1 (en) * | 2021-01-22 | 2022-07-28 | GM Global Technology Operations LLC | Lidar laser health diagnostic |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6154474A (en) * | 1998-01-05 | 2000-11-28 | Nec Corporation | Laser diode optical wavelength control apparatus |
| JP4239507B2 (ja) * | 2002-07-31 | 2009-03-18 | 住友電気工業株式会社 | 発光モジュール |
| US20100246621A1 (en) * | 2009-03-26 | 2010-09-30 | Fujitsu Limited | Light source control apparatus and light source apparatus |
| DE102010007495A1 (de) * | 2010-02-09 | 2011-08-11 | Wieland Electric GmbH, 96052 | Modulbypassschaltung für ein Photovoltaikmodul |
| EP2551635A1 (de) * | 2011-07-26 | 2013-01-30 | Hexagon Technology Center GmbH | Optisches Messsystem mit Filtereinheit zur Extraktion elektromagnetischer Strahlung |
| CN105683808A (zh) * | 2013-11-11 | 2016-06-15 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于引导激光束的设备和方法 |
| US20180120433A1 (en) * | 2015-11-30 | 2018-05-03 | Luminar Technologies, Inc. | Lidar system |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3681447B2 (ja) | 1995-10-25 | 2005-08-10 | 富士通株式会社 | 光波長安定化システム |
| US6289028B1 (en) | 1998-02-19 | 2001-09-11 | Uniphase Telecommunications Products, Inc. | Method and apparatus for monitoring and control of laser emission wavelength |
| JPH11251673A (ja) | 1998-02-27 | 1999-09-17 | Nec Corp | レーザ信号の波長制御回路 |
| US6568597B2 (en) * | 2000-11-29 | 2003-05-27 | Symbol Technologies, Inc. | Scanning system with adjustable optical characteristics |
| US20030026532A1 (en) * | 2001-03-01 | 2003-02-06 | Applied Optoelectronics, Inc. | Reflectively coupled zigzag waveguide device for wavelength locking |
| US6686586B2 (en) * | 2001-03-23 | 2004-02-03 | Metrologic Instruments, Inc. | Diffractive-based laser scanning system employing microcontroller programmed for mode-switching correction in response to binary mode switching signal generation |
| DE202010017949U1 (de) * | 2010-02-09 | 2013-04-09 | Lindentree Gmbh | Tagesaktuell handelbares Investmentobjekt |
| US8995484B2 (en) * | 2013-02-22 | 2015-03-31 | Applied Optoelectronics, Inc. | Temperature controlled multi-channel transmitter optical subassembly and optical transceiver module including same |
| JP6176784B2 (ja) * | 2013-09-19 | 2017-08-09 | 住友電気工業株式会社 | 波長制御システムおよび波長制御方法 |
| US10771159B2 (en) * | 2014-07-31 | 2020-09-08 | iSenseClound, Inc. | Fiber optic patch and voltage conditioning |
| DE102016213446B4 (de) | 2016-07-22 | 2020-07-30 | Robert Bosch Gmbh | Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds |
| DE102018209995A1 (de) * | 2018-06-20 | 2019-12-24 | Robert Bosch Gmbh | Stabilisiertes LiDAR-System und Verfahren zur Stabilisierung |
-
2018
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-
2019
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- 2019-06-20 CN CN201910536707.7A patent/CN110618417B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6154474A (en) * | 1998-01-05 | 2000-11-28 | Nec Corporation | Laser diode optical wavelength control apparatus |
| JP4239507B2 (ja) * | 2002-07-31 | 2009-03-18 | 住友電気工業株式会社 | 発光モジュール |
| US20100246621A1 (en) * | 2009-03-26 | 2010-09-30 | Fujitsu Limited | Light source control apparatus and light source apparatus |
| DE102010007495A1 (de) * | 2010-02-09 | 2011-08-11 | Wieland Electric GmbH, 96052 | Modulbypassschaltung für ein Photovoltaikmodul |
| EP2551635A1 (de) * | 2011-07-26 | 2013-01-30 | Hexagon Technology Center GmbH | Optisches Messsystem mit Filtereinheit zur Extraktion elektromagnetischer Strahlung |
| CN105683808A (zh) * | 2013-11-11 | 2016-06-15 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于引导激光束的设备和方法 |
| US20180120433A1 (en) * | 2015-11-30 | 2018-05-03 | Luminar Technologies, Inc. | Lidar system |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115136426A (zh) * | 2020-12-04 | 2022-09-30 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 提高雷达系统激光测距能力的方法、装置及存储介质 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US11480665B2 (en) | 2022-10-25 |
| DE102018209995A1 (de) | 2019-12-24 |
| CN110618417B (zh) | 2024-04-09 |
| US20200033459A1 (en) | 2020-01-30 |
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