CN110720048A - 用于激光雷达系统的运行方法和控制单元、激光雷达系统和作业设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于激光雷达系统(1)的运行方法，所述激光雷达系统能够经脉冲序列编码地运行并且构造为具有基于SPAD的探测器元件(22)，其中，(i)检测所述基于SPAD的探测器元件(22)的故障时间(ttot)；以及(ii)在所述激光雷达系统(1)的发送运行中如此测量初级光(57)的在时间上直接或立即彼此相继地要发出或已发出的发送脉冲(57‑1，…，57‑4)的最小时间间隔(tmin)，使得所述时间间隔至少大致相应于所述故障时间(ttot)。

Description

用于激光雷达系统的运行方法和控制单元、激光雷达系统和 作业设备
技术领域
本发明涉及一种用于激光雷达系统的运行方法和控制单元、所述激光雷达系统以及作业设备和尤其车辆。
背景技术
对于作业设备的以及尤其车辆的环境识别越来越多地应用所谓的激光雷达系统，其构造用于给视场施加光或红外辐射并且检测和分析处理由视场反射的辐射以便分析视场以及探测包含在其中的对象。
为了在脉冲式运行的激光雷达系统中降低由于其他信号源引起的串扰和干扰，通常采用用于相应的激光雷达系统的运行的经脉冲序列编码的方式，其中，结合信号匹配的滤波器可以实现在识别精度方面的改善。然而在许多状况下，识别精度是不足的。
发明内容
与此相比，根据本发明的具有权利要求1的特征的用于能够经脉冲序列编码地运行的激光雷达系统的运行方法具有如下优点：即在没有设备方面的额外费用的情况下可以实现识别精度的进一步提高。根据本发明，这借助权利要求1的特征通过以下方式来实现，即实现一种用于能够经脉冲序列编码地运行的激光雷达系统的运行方法，所述运行方法借助基于SPAD的探测器元件运行，其中，检测基于SPAD的探测器元件的故障时间，其中，在激光雷达系统的发送运行中如此确定和/或测量初级光的在时间上直接或立即(direkt oderunmittelbar)彼此相继地要发出或已发出的发送脉冲的最小时间间隔，使得所述时间间隔至少大致相应于故障时间并且尤其至少略微超出所述故障时间。根据基于SPAD的探测器元件的特征连同相应的故障时间的出现，由在探测事件之后故障时间的单纯等待有利地产生进入的光子的提高的探测概率，从而发出的发送脉冲的时间间隔的相应的选择，以及相应地，接收的脉冲的由此产生的时间间隔提高接收脉冲的入射次级光的探测的概率。
从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。
根据一个有利的扩展方案，在根据本发明的运行方法中，当初级光的在时间上直接或立即彼此相继地要发出或已发出的发送脉冲的最小时间间隔具有恒定的值时，出现特别简单的情况。
在根据本发明的运行方法中，当初级光的在时间上直接或立即彼此相继地要发出或已发出的发送脉冲的最小时间间隔相对于基于SPAD的探测器元件的故障时间满足如下关系式(I)时：
ttot＜tmin≤(1+x)·ttot (I)，
出现特别合适的情况，其中，ttot表示基于SPAD的探测器元件的故障时间，tmin表示初级光的在时间上直接或立即彼此相继的发送脉冲的最小时间间隔，以及x表示至少暂时恒定的、正的并且尤其与零不同的值。
在此，值x可以满足关系式x≤0.3，优选关系式x≤0.2，并且进一步优选地满足关系式x≤0.1和尤其关系式x＝0.1。
特别的值是如下状况，其中，最小时间间隔tmin满足关系式tmin＝1.1·ttot。
在根据本发明的运行方法的一个的扩展方案中，当通过测量方法，尤其以时间上重复的方式和/或结合机器学习的方法，检测基于SPAD的探测器元件的故障时间时，出现特别高程度的灵活性。通过这些措施可以考虑传感器更换、老化过程和/或变化的运行条件，更确切地说，无需通过用户进行干预，所述传感器更换、老化过程和/或变化的运行条件分别也可能导致在探测器元件中的不同的有效的故障时间。
替代地或附加地可以设置，尤其在所基于的激光雷达系统的正常运行期间重复检测所述基于SPAD的探测器元件的故障时间。这尤其意味着，在激光雷达系统的持续运行中可以检查：是否在所基于的基于SPAD的探测器元件的情况下已经产生探测行为方面的变化，以便随后必要时考虑所述变化。
此外，本发明还涉及一种用于激光雷达系统的控制单元，其设置用于执行、促使、控制根据本发明的运行方法的实施方式和/或应用在根据本发明的运行方法中。
此外，本发明也实现一种像这样的用于光学检测视场的激光雷达系统。所提出的激光雷达系统设置用于执行根据本发明的运行方法或应用在这样的根据本发明的运行方法中。根据本发明的激光雷达系统尤其设置用于结合作业设备或结合车辆来应用。
根据本发明的激光雷达系统尤其构造为具有：发送光学器件，其用于提供和发出初级光到视场中；接收光学器件，其用于接收来自视场的次级光，接收光学器件具有探测器装置，其中，所述次级光能够通过至少一个基于SPAD的探测器元件来探测；和/或根据本发明构型的控制单元，其用于尤其基于所述基于SPAD的探测器元件的故障时间来控制发送光学器件的和/或接收光学器件的运行。
最后，本发明也实现一种作业设备以及尤其车辆，其构造为具有根据本发明构型的用于光学检测视场的激光雷达系统。
附图说明
参照附图详细描述本发明的实施方式。
图1以示意方框图的形式示出根据本发明的激光雷达系统的一种实施方式；
图2和3以图形的形式根据初级光的单个脉冲阐述在基于SPAD的探测器元件中在故障时间与探测概率之间的关系；
图4和5以图形的形式阐述在初级光的各个脉冲的连续的顺序的情况下在光子通量与平均探测率之间的关系。
具体实施方式
以下参照图1至5详细描述本发明的实施例和技术背景。相同的和等同的以及相同或等同起作用的元件和部件以相同附图标记来标记。并不是在其出现的每种情况下都描绘所标记的元件和部件的详细描述。
示出的特征和另外的特性可以以任意形式相互分离以及任意相互组合，而不脱离本发明的核心。
图1根据方框图的方式示意地示出根据本发明的激光雷达系统1的一种实施方式。
在图1中示出的并且适用于经脉冲序列编码的运行的激光雷达系统1除了控制与分析处理单元40之外还由激光雷达系统1的运行所基于的光学装置10组成，该光学装置具有光源单元65——例如具有一个或多个光源65-1、发送光学器件60、接收光学器件30和探测器装置20。激光雷达系统1的运行的控制以及通过激光雷达系统1接收的信号的分析处理通过控制与分析处理单元40实现。
在运行中，通过借助控制与分析处理单元40的控制和促使，经由控制线路42促使光源单元65产生和输出初级的光57，其也称为初级光。初级光57借助射束成形光学器件66根据应用情况被建模并且随后借助在发送侧进行扫描的偏转光学器件62发出到具有包含在其中的对象52的视场50中。
在本发明中，焦点在于光源单元65的和相应的光源65-1——例如以脉冲式的激光光源的形式——的脉冲运行。
由视场50和对象52反射的光也称为次级的光或次级光58并且在接收光学器件30中借助镜组34来接收，必要时由所设置的次级光学器件35再处理并且随后传输给具有一个或多个传感器元件或探测器元件22的探测器装置20。探测器装置20的探测器元件22在其方面产生代表次级光58的信号，所述信号借助控制与测量线路41传输给控制与分析处理单元40。
根据本发明，探测器装置20的所设置的探测器元件22根据SPAD原理工作(SPAD：单光子雪崩二极管)。
因此，相应的探测器元件22的基础是雪崩二极管，其已经在接收单个光子的情况下达到饱和并且因此优选借助相应的上级保护电路(Vorbeschaltung)例如运行在盖革模式(Geistermodus)下。基于这些情况，根据本发明也可以利用在确定的时间段——所述时间段大于通过探测器元件22的光电二极管的特性给定的故障时间ttot——期满之后探测概率的提高，然而这以按照根据本发明的运行方法的运行为前提。
根据图1的控制与分析处理单元40的实施方式包括上级的控制系统100，其借助总线101与发送单元70、接收单元80和相关单元90连接。
控制系统100和单元70、80和90实际上可以构造为在控制与分析处理单元40内的单独的部件。
然而，可以构造以下激光雷达系统1：在所述激光雷达系统中，控制与分析处理单元40的部件中的一个或多个相互组合和集成地构造，从而根据图1的示图仅仅用于根据原理示出存在的部件，然而不一定由此绝对反映具体的架构并且可以与图1中的示图不同。
根据本发明，在激光雷达系统的运行中，焦点在于脉冲原理，其中，视场50在具有光源65-1的光源单元65的脉冲运行中以初级光57照明和检查。
为了能够实现准确的探测，根据本发明一方面检测激光雷达系统1的基于SPAD的探测器元件22的故障时间ttot并且在发送运行中考虑该故障时间，其方式是，如此测量初级光57的在时间上直接或立即彼此相继地发出的发送脉冲57-1，…，57-4的最小时间间隔tmin(所述发送脉冲在下面被详细阐述并且在另外的附图中示出)，使得所述时间间隔至少大致相应于故障时间ttot并且尤其至少略微超出所述故障时间，如这在上面已经详细阐述的那样。
作为在接收光学器件30的侧上提高具有初级光52的发送脉冲57-1，…，57-4的脉冲序列的探测概率的另外的措施，可以结合探测器装置20在控制单元40中借助相关单元90建立发送单元70与接收单元80之间的信号相关，例如在信号匹配的滤波器或最佳滤波器的意义上。
在此，在控制单元40与光源单元65之间的耦合通过控制线路42实现。在控制单元40与探测器装置20之间的耦合通过控制线路41实现。
图2和3以图形120和130的形式根据初级光57的单个脉冲57-1阐述在基于SPAD的探测器元件22中根据光子通量Φ的在故障时间ttot与探测率R(Φ)或探测概率P(Φ)之间的关系。
在横坐标121和131上分别记录时间t。
在图2的图形120中的纵坐标122具有用于轨迹123——其代表初级光57的单个脉冲57-1——的光子通量Φ以及在关于单个脉冲57-1的轨迹124中的探测率R(Φ)。测量单位是相对的单位。可以看出，轨迹124的探测率R(Φ)基本上遵循轨迹123的光子通量Φ。
在图3的图形130中纵坐标132具有用于基于SPAD的探测器元件22的归一化到1的探测概率P(Φ)。
探测概率P(Φ)示出在图3的图形130中绘出的轨迹133的变化过程以及在连续的光子通量的情况下在时刻t＝0的激励的开始探测概率P(Φ)在t0＝0时首先最大为1并且在连续的激励的进行中趋于平稳地在确定的值——在此约0.6上。在时刻t随后实现单个脉冲57-1，即具有提高的光子通量Φ的激励。在基于通过脉冲57-1提高的光子通量短时提高探测概率P(Φ)之后，所述探测概率P(Φ)首先下降并且随后在故障时间ttot过去之后在时刻t+ttot示出提高的值，即在图形130的以圆135表示的区域中的峰值。
图4和5以图形140和150的形式根据由初级光57的多个单个脉冲57-1，…，57-4组成的脉冲序列阐述在基于SPAD的探测器元件22中的根据光子通量Φ的在故障时间ttot与探测率R(Φ)或探测概率P(Φ)之间的关系。
在横坐标141和141上分别记录时间t。
在图4的图形140中的纵坐标142具有用于轨迹143——其代表具有初级光57的各个脉冲57-1，…，57-4的脉冲序列——的光子通量Φ以及在关于所述脉冲序列的轨迹144中的探测率R(Φ)。测量单位是相对的单位。可以看出，轨迹144的探测率R(Φ)基本上遵循轨迹143的光子通量Φ。
在根据图5的图形150中，在轨迹153中示出在基于SPAD的探测器元件22上探测概率P(Φ)的相应的依赖性，其中，又基于连续的光子通量，其在起振状态下导致大约0.6的探测概率，其中，在时刻t＝t0+50纳秒实现具有附加的单个脉冲57-1，…，57-4的激励。在以竖直的和向下指的箭头标记的时刻，在轨迹153中对于探测概率P(Φ)又可看出局部最大值，其相互间具有时间间隔，所述时间间隔相应于基于SPAD的探测器元件22的故障时间ttot。
相应地，在根据图4以初级光57的各个脉冲57-1，…，57-4的脉冲序列进行激励的情况下可以选择在脉冲序列57-1，…，57-4的各个脉冲之间的时间间隔，所述时间间隔几乎相应于基于SPAD的探测器元件22的故障时间ttot，由此，根据本发明，在这些时刻提高的探测概率P(Φ)有利地被利用并且导致相应提高的探测率R(Φ)。
关于此的另外的细节位于进一步在下面的描述中，在那根据以下说明进一步阐述本发明的这些和另外的特征和特性：
自身已知的是，在激光雷达系统中代替单个脉冲，发出随机编码的或伪随机编码的光脉冲序列作为初级光57。
为了在接收光学器件30的接收器20中进行探测，在此，所接收的脉冲序列与所发送的脉冲序列例如借助最佳滤波器或信号匹配的滤波器(英语：matched filter)来相关。这具有正面的效应，即改善相对于其他的并行运行的激光雷达系统1的抗干扰性，这是因为，传感器在理想情况下仅仅对于自身发送的脉冲序列敏感，但对于其他系统的脉冲是不敏感的。
在存在的激光器65-1或激光器驱动电路而非眼睛安全标准表示对于所发送的功率限制性的因素的情况下，另一优点在于，在此，将所允许的能量分配到多个脉冲上。
本发明的一个任务是，扩展经编码的多脉冲激光雷达系统的优点，就此而言，作为探测器元件22使用单光子雪崩二极管(SPAD)。
基于作为探测器元件22的探测二极管的特定的特性，可以相应正确地选择脉冲序列的情况下，提高脉冲序列内的脉冲57-1，…，57-4的探测概率P(Φ)。序列内的时间上的脉冲间隔tmin有利地由所所基于的SPAD的故障时间ttot导出，从而例如脉冲间隔位于1倍直至1.1倍的故障时间ttot的范围中，从而以下适用：1.0x ttot≤tmin≤1.1x故障时间。
本发明的核心在于，使在所发出的初级光57的脉冲序列内的脉冲57-1，…，57-4之间的最小时间间隔tmin与用作探测器或探测部件22的SPAD的故障时间ttot有关并且尤其将其导出。根据本发明，通过这种方式提高脉冲序列的探测概率P(Φ)以及因此探测率R(Φ)。
系统1如典型的脉冲式激光雷达传感器那样构造，其具有以下特点：作为探测器装置20的探测器元件22使用SPAD。通过SPAD在盖革模式下的运行，在光子的探测之后是通过SPAD的几何结构和像素布线(Pixelbeschaltung)限定的和已知的故障时间ttot。
图2以图形120的形式针对轨迹123的在那同样示出的任意的输入光子通量Φ示出在作为传感器元件22的SPAD的轨迹124中的平均计数率R(Φ)。在用于计数率和用于光子通量Φ的两个轨迹123、124之间的空隙可归因于SPAD22的故障时间ttot，这是因为，基于故障时间ttot，并非任意高的光子率都是可能的。
图3对于假定的光子通量Φ、根据时间示出探测概率P(Φ)作为轨迹133，即SPAD22准备就绪用于光子探测。
在该示例中，在时刻t0＝0时通过光子通量Φ激活SPAD22。在那，准备就绪概率首先等于1。接着，给定的保持不变的光子DC通量Φ的概率P(Φ)趋于平稳地为大约0.6，直至时刻t＝50纳秒时接收到光子强度脉冲。
基于在该瞬间的较高的光子率，SPAD探测的概率P(Φ)更高并且因此准备就绪概率随后更低。由此又可以导出，通过在脉冲的瞬间探测的提高的概率，准备就绪概率在故障时间ttot后与起振的状态相比更高。这产生在探测概率P(Φ)的轨迹133中的过调。这通过在圆135中强调的区域来说明。
本发明有利地恰恰利用探测概率P(Φ)的提高，其方式是，在时间上尤其准确地如此协调脉冲序列，使得在准备就绪概率P(Φ)的提高的时间范围中，通过初级光57的发送脉冲57-1，…，57-4的在时间上相应协调的发出来接收在序列中的脉冲57-1，…，57-4中的下一个脉冲。
图4示例性地示出在轨迹143中的脉冲序列，在此二进制地具有值序列1，1，1，0，1。
可以看出，脉冲57-1，…，57-4在第二和第三位置上基于所描述的效应而具有较高的幅度。示出序列重复的事实。传感器22在应用中将对于每次测量频繁地重复该序列，例如具有大约10至500次重复，从而该效应可以对于总的探测概率作出显著的贡献。
同样地，此外可以使用已知的用于结合SPAD22进行背景光抑制的电路技术，如例如宏像素和并发性(Concurrence)探测。
根据本发明的激光雷达方案可用于所有脉冲式运行的具有基于SPAD的探测器装置20的激光雷达系统1中。

Claims (9)

1.一种用于激光雷达系统(1)的运行方法，所述激光雷达系统能够经脉冲序列编码地运行并且构造为具有基于SPAD的探测器元件(22)，其中，
检测所述基于SPAD的探测器元件(22)的故障时间(ttot)；以及
在所述激光雷达系统(1)的发送运行中如此测量初级光(57)的在时间上直接或立即彼此相继地要发出或已发出的发送脉冲(57-1，…，57-4)的最小时间间隔(tmin)，使得所述时间间隔至少大致相应于所述故障时间(ttot)并且尤其至少略微超出所述故障时间。
2.根据权利要求1所述的运行方法，其中，初级光(57)的在时间上直接或立即彼此相继地要发出或已发出的发送脉冲(57-1，…，57-4)的最小时间间隔(tmin)具有恒定的值。
3.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，其中，初级光(57)的在时间上直接或立即彼此相继地要发出或已发出的发送脉冲(57-1，…，57-4)的最小时间间隔(tmin)相对于所述基于SPAD的探测器元件(22)的故障时间(ttot)满足如下关系式(I)：
ttot＜t min≤(1+x)·ttot (I)，
其中，ttot表示所述基于SPAD的探测器元件(22)的故障时间，tmin表示初级光(57)的在时间上直接或立即彼此相继的发送脉冲(57-1，…，57-4)的最小时间间隔，以及x表示至少暂时恒定的、正的并且尤其与零不同的值。
4.根据权利要求3所述的运行方法，其中，所述值x满足关系式x≤0.3，优选关系式x≤0.2，并且进一步优选地满足关系式x≤0.1和尤其关系式x＝0.1。
5.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，其中，通过测量方法，尤其以时间上重复的方式和/或结合机器学习的方法，检测所述基于SPAD的探测器元件(22)的故障时间(ttot)。
6.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，其中，尤其在所基于的激光雷达系统(1)的正常运行期间重复检测所述基于SPAD的探测器元件(22)的故障时间(ttot)。
7.一种用于激光雷达系统(1)的控制单元(40)，其设置用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的运行方法。
8.一种激光雷达系统(1)，其用于经脉冲序列编码地光学检测视场(50)，所述激光雷达系统尤其用于作业设备或车辆，所述激光雷达系统具有：
发送光学器件(60)，其用于提供和发出初级光(57)到所述视场(50)中；
接收光学器件(30)，其用于接收来自所述视场(50)的次级光(58)，所述接收光学器件具有探测器装置(20)，其中，所述次级光(58)能够通过至少一个基于SPAD的探测器元件(22)来探测；和/或
根据权利要求7所述的控制单元(40)，其用于尤其基于所述基于SPAD的探测器元件(22)的故障时间(ttot)来控制所述发送光学器件(60)的和/或所述接收光学器件(30)的运行。
9.一种作业设备以及尤其车辆，其包括根据权利要求8所述的用于光学检测视场(50)的激光雷达系统(1)。
CN201880037825.7A 2017-06-08 2018-05-09 用于激光雷达系统的运行方法和控制单元、激光雷达系统和作业设备 Active CN110720048B (zh)

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