CN110662984A - 用于对象检测的方法和设备以及激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在使用激光雷达系统(100)的情况下进行对象检测的方法，其中，所述方法的特征在于，在发送的步骤中，在第一发送时刻(t1)朝发射方向(142)发出沿扫描方向(138)进行扫描的第一光束(110)，并且在分配所述发射方向(142)的步骤中，将在所述第一发送时刻(t1)与第一接收时刻(t1+Δt1)之间的第一传播时间(Δt1)分配给所述第一光束(110)的第一反射(144)，其中，在所述发送的步骤中，在跟随所述第一发送时刻(t1)的第二发送时刻(t2)朝所述发射方向(142)发送沿所述扫描方向(138)进行扫描的并且相对于所述第一光束(110)角偏移的另外的光束(112)，并且在分配所述发射方向(142)的步骤中，将在所述第二发送时刻(t2)与第二接收时刻(t2+Δt2)之间的第二传播时间(Δt2)分配给所述第二光束(112)的第二反射(148)，其中，在分析处理的步骤中，在使用分配给所述发射方向(142)的传播时间(Δt1、Δt2)的情况下分析处理击中。

Description

用于对象检测的方法和设备以及激光雷达系统
技术领域
本发明涉及一种用于对象检测的方法和设备以及一种激光雷达系统。
背景技术
在激光雷达系统中将光发送到检测区域中并且基于直至检测到光的反射的持续时间确定直至如下对象的距离：在该对象上已经发生反射。因为定向地发送光，所以到对象的方向也是已知的。在此提供光作为进行扫描的光束，其以一角速度扫描激光雷达扫描装置的检测区域。
发明内容
在该背景下，借助在此提出的方案提出根据独立权利要求所述的用于在使用激光雷达系统的情况下进行对象检测的方法、相应的设备以及激光雷达系统。在此提出的方案的有利的扩展方案和改进在从属权利要求中描述。
本发明的优点
本发明的实施方式可以有利地实现：以短的时间顺序多次地依次照明对象并且因此获得多个距离值。可以对各距离值求平均，以便改善识别精度。
在此，提出一种用于在使用激光雷达系统的情况下进行对象检测的方法，其中，所述方法的特征在于，在发送的步骤中，在第一发送时刻朝发射方向发出沿扫描方向进行扫描的第一光束，并且在分配所述发射方向的步骤中，将在所述第一发送时刻与第一接收时刻之间的第一传播时间分配给所述第一光束的第一反射，其中，在所述发送的步骤中，在跟随所述第一发送时刻的第二发送时刻朝所述发射方向发送沿所述扫描方向进行扫描的并且相对于所述第一光束角偏移的另外的光束，并且在分配所述发射方向的步骤中，将在所述第二发送时刻与第二接收时刻之间的第二传播时间分配给所述第二光束的第二反射，其中，在分析处理的步骤中，在使用分配给所述发射方向的传播时间、也即尤其所提到第一和第二传播时间的情况下分析处理击中(Treffer)。
此外，提出一种设备，其构造用于在相应的装置中执行、实现和/或控制根据在此提出的方案的方法。
此外，提出一种激光雷达系统，其具有根据在此提出的方案的设备。
本发明的实施方式的思想此外可视为基于如下所述的构思和认识。
在激光雷达系统中，朝发射方向或以发射角发出光束。光束在此作为连续的光脉冲发出并且以角速度沿扫描方向在检测区域上摆动或扫描。如果光束在击中时到达一个对象，则光束的光散射。散射的光的小部分朝与发射方向相反的方向反射。如果对象是逆反射的，则光在击中时较不强烈地被散射，而光的较大部分朝相反的方向反射。反射的光在激光雷达系统中被转向到传感器上。如果多于由结构类型决定的量的光落到传感器上，则传感器提供电脉冲。脉冲标记用于击中的候选方。传感器可以如此灵敏，使得单个光子触发脉冲。在如此高的灵敏度的情况下，传感器的信号具有噪声，因为在没有击中的情况下也触发脉冲，也即例如当环境光落到传感器上时。
在这里提出的方案中，沿扫描方向在其光束方向方面略微发散地发出的多个光束沿扫描方向在其检测区域上摆动，以便在短时间内多次相继照明相同的点或朝相同发射方向发送光束。各光束在此相互角偏移。在理想情况下，每个击中在对象上产生可检测的反射。如果给发射方向依次分配在公差范围内的多个传播时间，则极可能的是，在对象上的击中或在对象上的反射实际上已经导致在传感器上的脉冲。
对于另外的发射方向在另外的发送时刻可以重复发送和分配的步骤。可以在整个检测区域上重复各步骤。通过多个光束的摆动或扫描，总是同时照明多个发射方向。在此多次地依次照明每个发射方向。
可以在侧向布置在激光雷达系统的发送装置旁的接收装置上接收反射。激光雷达系统可以双轴地实施。可以平行于接收轴线地、也即朝无穷尽的方向发送第一光束。另外的光束可以在检测区域内与接收轴线相交。因此，每个光束可以分配给一个距离范围。在这些距离范围内的对象可以借助相应分配的光束特别好地被检测到。因此，可以补偿传感器上的由双轴布置引起的视差效果(Parallaxeffekt)。
在接收装置的分配给第一光束的第一接收区域中可以接收第一反射。在接收装置的分配给第二光束的第二接收区域中可以接收第二反射。第一接收区域和第二接收区域可以沿扫描方向具有侧偏移。第一接收区域可以接收来自第一发射方向的反射。第二接收区域可以同时接收来自相对于第一发射方向角偏移的第二发射方向的反射。
可以相互角偏移零度与五度之间地发送光束、也即尤其第一和第二光束。通过这样的锐角可以确保在相同的发射方向的扫描之间的短的时间间隔。
在发送的步骤中，可以以不同强度发送光束。通过不同强度可以推断被照明的对象的光学特征。从强度阈值和/或距离阈值起例如仅仅还可以检测逆反射的对象。相反，在低强度下实现在逆反射的对象的情况下在近距离中较高的识别精度。
可以发送激光束作为光束。激光束可以特别好地成形。因此，可以实现高的作用范围。
可以在横向于扫描方向地定向的角范围上成扇形扩展地发送光束。可以在角范围上角分辨地接收反射。光束可以是线形的。线可以扫过(überstreichen)角范围。在角范围内可以检测对象。如果扫描方向基本上水平地定向，则线可以基本上竖直地定向。
应指出的是，本发明的可能的特征和优点中的一些在此参考不同的实施方式进行描述。本领域技术人员认识到，所述方法、设备和激光雷达系统的特征可以以适合的方式组合、匹配或替换，以便得到本发明的另外的实施方式。
附图说明
以下，参照附图描述本发明的实施方式，其中，不仅附图而且描述都不应解读为对本发明的限制。
图1示出具有根据一个实施例的设备的激光雷达系统的方框图；
图2示出根据一个实施例的激光雷达系统的光束的示图；
图3示出根据一个实施例的激光雷达系统的示图。
附图仅仅是示意的并且不是按正确比例的。相同的附图标记在附图中表示相同的或起相同作用的特征。
具体实施方式
图1示出具有根据一个实施例的设备102的激光雷达系统100的方框图。激光雷达系统100具有转子104，其以角速度ω绕转动轴线转动。在转子104上布置有激光雷达系统100的发送装置106和接收装置108。激光雷达系统100构造为同轴系统。发送装置106在转子104的每个角位置
Figure BDA0002284925970000041
上以多个角124、126、128、130、132、134、136发出以发散角α发散的多个光束110、112、114、116、118、120、122。光束110、112、114、116、118、120、122例如可以是激光束。基于角速度ω，光束110、112、114、116、118、120、122沿扫描方向138运动。在此示出的激光雷达系统100构造用于检测360度的检测区域。在此，光束110、112、114、116、118、120、122在转子104的转动期间各自一次地完全扫描检测区域。通过多个光束110、112、114、116、118、120、122快速、连续、多次、短时、相继地照明检测区域的每个角。在此，同时照明检测区域的多个角或一个扇形。
在此，对象140布置在检测区域中。朝对象140的方向在此表示为发射方向142。在第一发送时刻t1，朝发射方向142发送第一光束110并且第一光束到达对象140。光束110在对象140上散射。第一光束110的光的小部分相反于发射方向142地作为第一反射144以角124反射。接收装置108记录第一反射144的至少一个第一接收时刻t1+Δt1作为击中。
由第一发送时刻t1和第一接收时刻t1+Δt1产生第一传播时间Δt1。用于分配设备102的装置146将第一传播时间Δt1分配给第一发射方向142。
在第二发送时刻t2，转子104以发散角α继续转动。现在朝发射方向142发送第二光束112。朝发射方向142总是还布置有对象140。第二光束112到达对象140，在对象140上散射，并且第二光束112的光的小部分相反于发射方向142作为第二反射148以第二角126反射。接收装置108记录第二反射148的至少一个第二接收时刻t2+Δt2作为另外的击中。
由第二发送时刻t2和第二接收时刻t2+Δt2产生第二传播时间Δt2。用于分配的装置146将第二传播时间Δt2同样分配给第一发射方向142。
因为发散角α位于1度与3度之间，所以光束110、112、114、116、118、120、122如此短时间地依次到达对象140，使得在对象140与激光雷达系统100之间的相对运动仅仅导致传播时间Δt1、Δt2的非常小的变化。因此，对象140被检测为准静态。
该过程重复，直至在发送时刻tn朝第一发射方向142发送最后的光束122并且记录最后的反射的最后的接收时刻tn+Δtn。同样将最后的传播时间Δtn分配给发射方向142。
在一个实施例中，在传播时间Δt1、Δt2直至Δtn上形成平均值，用以识别击中的异常值(Ausreiβer)。异常值例如可以通过在接收装置108的探测器上的随机触发的脉冲来产生。在此错误地检测到击中或接收时刻，即使还没有或完全没有反射到达。通过平均值形成来确保对象识别。
因为同时朝多个发射方向发送光束110、112、114、116、118、120、122，所以同时也对于其他发射方向实施在此提出的方案，只要朝这些发射方向发送光束110、112、114、116、118、120、122。在此，如果朝相应的发射方向发送第一光束110，则分别开始分配。如果朝发射方向发送了最后的光束122，则分配结束。
换言之，在这里提出的方案中实现进行扫描的激光雷达系统100的密集相邻的激光线的同时的发射和分析处理。
在进行扫描的激光雷达系统中以不同的发射角发射并且又接收激光束。由这些角有关的单测量又可以导出环境图。所需的射束偏转在此可以通过适合的光学器件、例如可动的镜或所有部件的转动系统来实现。
替代地，位置分辨可以通过较大范围例如线的同时或顺序照明以及根据成像的光学器件和探测器阵列或探测器行进行接收侧的区分来实现。
扫描系统可以与闪光方案(Flashansatz)组合。特别是有利的是结合转动系统发出线。然后，线根据成像的光学器件和分辨的探测器线被划分为各个像素。
作为探测器可以使用单光子二极管SPAD或雪崩二极管APD。
SPAD探测器的性能、也即信号/噪声比可以通过在统计学上分析处理多个单测量来改善，这可以称为并发探测(Concurrence-Detection)。但是应用APD的系统也可以通过多个测量的分析处理来改进。
然而，在激光雷达系统的小于40赫兹的通常的帧速率的情况下，不可以有意义地通过两个帧或单图像来对所述多次测量进行相关，因为对象在两个帧之间的时间中基于激光雷达系统的和/或对象的运动而执行过大的相对运动。通过相对运动，在对象140上的反射在该时间中已经成像到不同的像素上。
在这里提出的方案中，在一个帧内以短的时间间隔实现对象的多次测量。
为了能够实现不同目标的更好的分类，除了纯间隔测量之外，关于所接收的信号强度的数据也是有利的。但是，这导致，对探测器的动态范围的要求变得非常高，因为低反射的远离的对象比高反射的近的目标提供少得多的信号。
通过在此提出的方案，在扫描系统100的转动频率保持不变的情况下可以提高对于每个帧每个发射角可实现的测量的数目，由此可以改善信号/噪声比。替代地可以提高对于更高的帧速率的转动频率。更高的转动频率可以是对于电机的同步特性有利的。
图2示出根据一个实施例的激光雷达系统100的光束110、112的示图。激光雷达系统100基本上相应于图1中的激光雷达系统100。在此仅仅示出激光雷达系统100的转子104和接收装置108。激光雷达系统100的未示出的发送装置在此出于简化的目的仅仅发出两个发散的光束110、112。接收装置108中仅仅示出探测器200。探测器200具有第一接收区域202和第二接收区域204。第一接收区域202分配给第一光束110。第二接收区域204分配给第二光束112。示出通过光束110、112照明的面206、208。接收区域202、204和面206、208沿扫描方向138在侧向相互错开地布置。两个接收区域202、204和两个面206、208线形地并且横向于扫描方向138地定向。接收区域202、204具有至少各一行横向于扫描方向138并排布置的传感器元件。这些传感器元件将面206、208分辨为各个角范围。
传感器元件例如是雪崩光电二极管，其可以足够灵敏，以便当单个光子落到其上时提供电脉冲。雪崩光电二极管也可以运行在线性运行模式下。入射的光的强度也可以反映在所提供的电信号中。
对象140在此沿扫描方向138在光束110、112之前示出。因此，对象140还没有受光束110、112照明。如果第一光束110朝发射方向142定向，则通过以角速度ω的转动运动，第一光束110将照明对象140。第一接收区域202也布置在发射方向142上，并且在对象140上的第一反射在第一接收区域202的分辨第一面206的相应角范围的传感器元件上被检测并且作为第一击中分配给发射方向142。
转子104继续转动发送装置和接收装置108。如果第二光束112朝发射方向142定向，则第二接收区域204也布置在发射方向142上。在对象140上的第二反射在第二接收区域204的分辨第二面208的相应角范围的传感器元件上被检测并且作为第二击中分配给发射方向142。
在一个实施例中，第一光束110和第二光束112具有不同的强度。例如第一光束110的强度大于第二光束112的强度。在相同的对象140上基于不同强度引起不同强度的反射。如果对象140例如是逆反射的，则大量光朝光源自的方向反射。该光量可能过调传感器元件。例如高光溢出(Blooming)可能出现，从而未被照射的传感器元件也输出电信号，由此不再能够分辨对象140。具有较小强度的光束112也以较小的强度反射。较小的光量又可以通过传感器元件来分辨。
同样，在近的对象上的反射的光强度大于在较大距离处在相同对象上的反射。在近的对象的情况下，第一光束110的高的光强度可以导致第一反射的高强度。近的对象可以通过第二光束112的较小的光强度来分辨。
通过应用具有不同强度的线206、208，可以防止在具有高强度的信号的情况下接收方的饱和，由此在强的接收信号的情况下也可以求取强度值。
在这里提出的方案中，同时发出和分析处理多个激光线。这些激光线可以具有不同的强度。这些线在此依次以短的时间间隔扫描相同的区域。由此，在一次旋转中对于每个发射角多个单测量可用于求平均。
此外，这些线可以具有不同的强度，以便可以求取具有高动态范围的所反射的信号的强度值。
在此实现多个激光线的并行发出和探测，其中，激光线的间隔小于三度，这相应于在传感器上小于20像素的间隔。各个线可以具有不同的强度。在双轴系统中可以降低视差效果。
在此提出的方案基于进行扫描的激光雷达系统的多个激光线的发出。扫描运动138在此可以通过由激光器和/或探测器组成的完整的激光雷达系统100的转动或者通过经由光学元件的射束偏转来实现。这些线时间错开地经过相同区域。在此，在第一线经过时将信息暂存并且与第二线的信息进行计算，一旦这些信息是可用的。这些激光线在此在传感器上分别相互离开仅仅少量像素(＜20)，以便自身车辆的或周围环境的运动也不使系统的分辨率决定性地变差。在经过之间较大的间隔导致多个测量的模糊不清(Verschmierungseffekt)。在这里提出的方案中，可以在转动频率ω保持不变的情况下提高对于每个发射角可实现的测量点的数目。替代或补充地，可以提高转动频率。为了实现对于每个发射角相同数目的测量点，如在两个激光线的情况下那样，可以使转动频率ω倍增。
这些激光线可以具有不同的强度。例如第一激光线的强度可以大于第二激光线的强度。在具有低强度的激光线的情况下，可以防止在逆反射的对象的情况下接收方的饱和。这主要当除了纯间隔测量之外也应求取关于所接收的反射的强度的陈述时是有利的。
在技术上可以通过激光芯片的堆叠和接着的近场成像来简单地实现多个紧密相邻的激光线的发出。各个激光源的功率变化可以通过不同方式例如通过发射器的数目的变化来实现。在探测器侧上使用具有并行分析处理的至少两个探测器行。理想地使用探测器阵列。
也可以复制与线不同的任意模式并且根据上述方法对其进行分析。
图3示出根据一个实施例的激光雷达系统100的示图。激光雷达系统100基本上相应于图1中的激光雷达系统。与之不同，激光雷达系统100构造为双轴系统，其中，接收装置108在与发送装置106侧向错开的光轴上进行接收。接收装置108在此具有探测器200，所述探测器具有单个接收区域202。由此，如下接收角范围是小的：在该接收角范围中可以探测到反射。如果发送装置106的光束110、122在接收角范围之外到达对象，则不记录反射，因为所述反射在接收区域202之外成像。尤其该限制涉及近的对象300。
通过在此提出的方案，也可以借助双轴系统检测近的对象300。因为发出的光束110、122发散，所以光束110、122照明接收角范围的不同距离区域。由此，光束122的反射302落到探测器200上并且被记录。
所发射的线可以如此布置，使得补偿视差效果。多个激光线的发出此外可用于补偿双轴激光雷达系统100的视差效果。由于视差效果，位于进行成像的双轴激光雷达传感器附近的对象300的反射在侧向在探测器200旁下落经过。因此，这些对象300不能够被探测到。通过发出多个紧密相邻的线可以绕开这一点，其方式是，如此发出这些线，使得探测器200根据对象间隔来分析多个线。这意味着，探测器200直接在发出脉冲之后探测第一线的反射并且在一定时间之后探测第二线的反射。最后，可以通过时间信息或距离信息实现这两个对象的区分。
最后应指出的是，措辞如“具有”、“包括”等不排除其他的元件或步骤，并且措辞如“一个”不排除多个。权利要求中的附图标记不应视为限制。

Claims (10)

1.一种用于在使用激光雷达系统(100)的情况下进行对象检测的方法，其特征在于，在发送的步骤中，在第一发送时刻(t1)朝发射方向(142)发出沿扫描方向(138)进行扫描的第一光束(110)，并且在分配所述发射方向(142)的步骤中，将在所述第一发送时刻(t1)与第一接收时刻(t1+Δt1)之间的第一传播时间(Δt1)分配给所述第一光束(110)的第一反射(144)，其中，在所述发送的步骤中，在跟随所述第一发送时刻(t1)的第二发送时刻(t2)朝所述发射方向(142)发送沿所述扫描方向(138)进行扫描的并且相对于所述第一光束(110)角偏移的另外的光束(112)，并且在分配所述发射方向(142)的步骤中，将在所述第二发送时刻(t2)与第二接收时刻(t2+Δt2)之间的第二传播时间(Δt2)分配给所述第二光束(112)的第二反射(148)，其中，在分析处理的步骤中，在使用分配给所述发射方向(142)的传播时间(Δt1、Δt2)的情况下分析处理击中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于另外的发射方向在另外的发送时刻(tn)重复所述发送和所述分配的步骤。
3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述接收的步骤中，在侧向布置在所述激光雷达系统(100)的发送装置(106)旁的接收装置(108)上接收所述反射(144、148)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述接收的步骤中，在接收装置(108)的分配给所述第一光束(110)的第一接收区域(202)中接收所述第一反射(144)，并且在所述接收装置(108)的分配给所述第二光束(112)的第二接收区域(204)中接收所述第二反射(148)，其中，所述第一接收区域(202)和所述第二接收区域(204)沿所述扫描方向(138)具有侧偏移。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述发送的步骤中，相互角偏移零度与五度之间地发送所述光束(110、112)。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述发送的步骤中，以不同强度发送所述光束(110、112)。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述发送的步骤中，发送激光束作为光束(110、112)。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述发送的步骤中，在横向于所述扫描方向(138)地定向的角范围上成扇形扩展地发送所述光束(110、112)，其中，在所述接收的步骤中，在所述角范围上角分辨地接收所述反射(144、148)。
9.一种设备(102)，其构造用于在相应的装置(146)中执行、实现和/或控制根据以上权利要求中任一项所述的方法。
10.一种激光雷达系统(100)，其具有根据权利要求9所述的设备(102)。
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