CN110856305A - 调节光学传感器系统的光源的发射光功率的方法和控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节光学传感器系统(100)的光源(104)所发射的光功率(114)的方法，其特征在于，以电信号(116)来映射所发射的光功率(114)的分量，确定所述信号(116)的表示发射的光脉冲(108)的脉冲能量的特征参量(120)，并且在使用所述特征参量(120)和所述特征参量的期望值(124)的情况下为所述光源(104)提供控制信号(126)。

Description

调节光学传感器系统的光源的发射光功率的方法和控制器

技术领域

本发明涉及一种用于调节光学传感器系统的光源的所发射的光功率的方法以及一种用于调节光学传感器系统的光源的所发射的光功率的控制器。

背景技术

为了防止由于光束引起的眼睛损伤，安全规定定义光源(例如尤其激光源)必须遵守的极限值。在传感器系统的情况下可以通过保守地设计来遵守这些极限值，其中，这些传感器系统的检测有效范围受到限制。

发明内容

在该背景下，借助在此所提出的方案提出一种根据本发明的用于调节光学传感器系统的光源的所发射的光功率的方法以及一种根据本发明的用于调节光学传感器系统的光源的所发射的光功率的控制器，以及最后提出一种根据本发明的相应的计算机程序产品和一种根据本发明的机器可读的存储器介质。在此所提出的方案的有利的扩展方案和改善方案由说明书中得出并且在优选的实施方式中进行描述。

本发明的优点

本发明的实施方式能够以有利的方式实现：将光源的所发射的光功率或光脉冲的脉冲能量调节为接近通过安全规定所确定的上限。由此可以对传感器系统的检测有效范围进行优化。

提出一种用于调节光学传感器系统的光源的所发射的光功率的方法，其特征在于，以电信号来映射(abbilden)所发射的光功率的分量，确定该信号的表示所发射的光脉冲的脉冲能量的特征参量，并且在使用特征参量和特征参量的期望值的情况下为光源提供控制信号。

此外，对本发明的实施方式的想法尤其可以看作基于以下所描述的构思和认识。

“光源”可以理解为激光源。光源可以以脉冲方式来运行。光源发射具有光功率的光。光脉冲具有由光功率的变化过程所得出的脉冲能量。光功率的分量可以由主射束例如通过散射和/或偏转所分岔出(abzweigen)。将该分量侧向地偏转的部分透光的镜例如可以布置在主射束中。该分量可以由传感器元件转换成电信号。传感器元件例如可以是光电二极管。特征参量可以是具有特征的可测量的参量。在使用期望-实际-比较的情况下通过调节装置可以产生控制信号。在使用积分器的情况下可以直接确定脉冲能量。积分器可以对以电信号所映射的光功率进行求和，并且提供光功率的表示脉冲能量的积分。

可以确定电信号的至少一个另外的特征参量。替代地或补充地，可以以至少一个另外的电信号来映射所发射的光功率的至少一个另外的分量。可以确定另外的信号的至少一个另外的特征参量。在使用另外的特征参量和另外的特征参量的另外的期望值的情况下可以确定控制信号。通过多个特征参量可以实现改善脉冲能量的识别精度。可以通过不同传感器元件的不同电信号来确定不同的特征参量。

可以将光功率的当前值确定为特征参量。通过在使用模/数转换器的情况下以高采样率对电信号进行直接数字化可以确定当前值。通过直接数字化例如可以确定光脉冲的脉冲长度、光脉冲的脉冲形状、光脉冲的光功率的最大值、光脉冲的脉冲能量和/或光脉冲的光功率的平均值。

可以将光功率的峰值确定为特征参量。在使用峰值探测器的情况下可以确定峰值。峰值探测器存储光脉冲的光功率的最大值。如果已知光脉冲的脉冲形状(即光功率相对于峰值的变化过程)，那么由峰值可以确定单个光脉冲的脉冲能量。

可以将所发射的光脉冲的持续时间确定为特征参量。当光功率的当前值大于阈值时，可以检测持续时间。在使用至少一个比较器的情况下通过时间测量可以确定持续时间。如果光功率超过阈值，那么可以开始时间测量。如果光功率下降到阈值以下，那么可以停止时间测量并且输出持续时间。

可以将所发射的光脉冲的边缘斜率(Flankensteilheit)确定为特征参量。可以在光脉冲的上升沿和/或下降沿上检测边缘斜率。通过在超过或者低于两个不同的阈值之间的时间测量可以确定边缘斜率。通过第二比较器可以对第二阈值进行监测。

为了确定脉冲能量，可以对电信号的偏移进行校正。如果信号具有偏移，那么积分器可能提供错误的结果。该偏移可以通过校正电路来补偿。

例如可以以软件或硬件或以软件和硬件的混合形式例如在控制器中实现该方法。

此外，在此所提出的方案实现一种用于调节光学传感器系统的光源的所发射的光功率的控制器，该控制器构造用于在相应的装置中执行、操控或实现在此所提出的方法的变型方案的步骤。

控制器可以是如下的电设备：该电设备具有至少一个计算单元、至少一个存储器单元和至少一个接口和/或通信接口，所述至少一个计算单元用于处理信号或数据，所述至少一个存储器单元用于存储信号或数据，所述至少一个接口和/或通信接口用于读取或输出以通信协议嵌入(einbetten)的数据。所述计算单元例如可以是用于处理传感器信号并且根据传感器信号来输出数据信号的信号处理器、所谓的系统ASIC或微控制器。存储器单元可以例如是闪存、EPROM或磁性存储器单元。接口可以构造为用于读取来自传感器的传感器信号的传感器接口和/或构造为用于将数据信号和/或控制信号输出到执行器的执行器接口。所述通信接口可以构造用于无线地和/或有线连接地读取或者输出数据。所述接口也可以是软件模块，所述软件模块例如在其他的软件模块旁存在于微控制器上。

具有程序代码的计算机程序产品或计算机程序也是有利的，该程序代码可以存储在机器可读的载体或者存储器介质——例如半导体存储器、硬盘存储器或者光学存储器——上并且用于尤其当程序产品或者程序在计算机或者设备上实施时执行、实现和/或操控根据先前所描述的实施方式中的一种所述的方法的步骤。

应指出的是，在此参考不同的实施方式来描述本发明的可能的特征和优点中的一些。本领域技术人员认识到：可以以适当的方式来组合、匹配或替换设备和控制器的特征，用以实现本发明的另外的实施方式。

附图说明

下面参照附图来描述本发明的实施方式，其中，附图和说明书都不应解释为对本发明进行限制。

图1示出根据一个实施例的具有控制器的光学传感器系统的方框图；

图2示出根据一个实施例的控制器的确定装置的部分电路图；和

图3示出根据一个实施例的控制器的多通道的确定装置的部分电路图。

具体实施方式

所述附图仅是示意性的而不是按比例的。相同的附图标记在附图中标记相同或相同作用的特征。

在高度自动化的驾驶功能(HAF)的情况下，责任越来越多地从驾驶员转移到车辆上。为了实现以上所述情况，需要最高度可靠的如下传感器系统：该传感器系统用于几乎无间隙且无错误地检测车辆周围环境。因此，可以基于激光雷达原理(LiDAR)来实施该传感器系统。LiDAR基本上基于测量在发送出脉冲与接收到来自待探测的对象的反射之间的时间。LiDAR的有效范围决定性地取决于激光的脉冲功率，然而所述脉冲功率受眼睛安全性标准的限制。脉冲能量随温度、老化和构件散射而变化并且因此是未知的。例如可以遵守考虑对脉冲能量的所有可能的影响的安全裕度。由此减小有效范围。在没有独立地监测脉冲能量以确保眼睛安全性的LiDAR传感器的情况下，也可以以激光类别1的发送路径进行工作，其中认为如下：技术上的措施在发射序列(Schussfolge)和功率的方面正确地起作用。

此外，如果发送单元在不可预见的时间区间内发射激光功率，那么可能危及眼睛安全性。可能的原因可以不仅是现存的错误而且是软件和硬件中突然出现的故障。

在这里所提出的方案的情况下，测量所出现的脉冲能量。因此能够确保眼睛安全性。为此，例如借助光电二极管来求取激光功率。这例如可以通过在透明表面上对射束的一小部分进行偏转并且通过直接检测散射光来实现。信号处理单元求取脉冲能量。根据该值可以在确保眼睛安全性的情况下以尽可能高的功率来运行激光器。

图1示出根据一个实施例的具有控制器102的光学传感器系统100的方框图。传感器系统100例如可以是LiDAR系统。传感器系统100在使用光源104(例如激光二极管)的情况下将光106发射到传感器系统100的检测区域中。在检测区域中，光106照射对象。在所述对象处光106被反射并且作为反射光反射回到传感器系统100。传感器系统100将光106作为光脉冲108进行发射。在传感器系统100中接收到反射光并且由发射出光脉冲108与接收到反射光之间的传播时间(Laufzeit)求取出到所照射的对象的距离。

在此仅示出传感器系统100的发送路径110。

在这里所提出的传感器系统100的情况下，在发送路径110中布置有控制器102的传感器元件112。传感器元件112构造用于以电信号116来映射发射光106的所发射的光功率114的分量。控制器102的确定装置118构造用于确定信号114的表示所发射的光脉冲108的脉冲能量的特征参量120。控制器102的调节器122构造用于在使用特征参量120和特征参量120的期望值124的情况下为光源104提供控制信号126。

例如通过用于眼睛保护的法律规定来预给定期望值124。当特征参量120小于期望值124时，如此提供控制信号126，使得提高所发射的光功率114。

光源104的驱动器128对控制信号126进行处理并且相应于控制信号126来调节光脉冲108。

换句话说，提出一种用于确保自主车辆的激光雷达的眼睛安全性的单元。在此，根据光电探测器对脉冲能量进行监测。为此，将激光功率的一小部分转向到光电二极管上。

图2示出根据一个实施例的控制器102的确定装置118的部分电路图。在此，确定装置118基本上相应于图1中的确定装置。如在图1中所示的那样，传感器元件以信号116的电参量来映射光功率114的值。确定装置118在使用信号116的情况下确定至少一个特征参量120。在这里未示出的调节器中将至少一个特征参量120与相应的期望值进行比较并且在使用比较结果的情况下为光源提供控制信号。

在一个实施例中，在信号处理装置200中如此处理信号116，使得确定装置118的部件可以使用信号116。例如以电压来映射来自传感器元件112的电流流动，对电压进行放大，并且在在确定装置118中使用信号116前对电压的偏移进行补偿。

在一个实施例中，确定装置118具有快速的模/数转换器202，该快速的模/数转换器以高采样率对信号116的电压值进行数字化并且以数据字(Datenworten)来映射信号116的电压值。因此，数据字表示当前所发射的光功率114的值作为特征参量120。

在一个实施例中，确定装置118具有峰值探测器204。峰值探测器204在一个时间区段内记录信号116的电压的最高值。在该时间区段后，在峰值探测器204的输出端上施加表示最高值的电压作为特征参量120，并且该电压可以被连接在下游的简单的模/数转换器206数字化。

峰值探测器204在该时间区段后通过复位信号208进行复位并且准备进行另一次测量。

在一个实施例中，确定装置118具有积分器210。该积分器210对信号116的电压在一个时间区段上进行积分。在该时间区段结束时在积分器210的输出端上施加表示电压积分的电压作为特征参量120，并且该电压可以被连接在下游的另外的简单的模/数转换器206数字化。

积分器210在该时间区段后也通过复位信号208进行复位并且然后准备进行另一次测量。

在一个实施例中，确定装置118具有比较器212。该比较器212将信号116的电压与阈值214进行比较。当电压大于阈值214时，比较器212的输出变换其状态。该变换被脉冲长度确定单元216记录。当电压再次小于阈值214时，输出再次变换回其状态。该变换也被脉冲长度确定单元216记录。因此，变换之间的持续时间表示光脉冲的脉冲长度并且由脉冲长度确定单元216提供作为特征参量120。

阈值214由预给定装置218提供。

在一个实施例中，确定装置118具有另外的比较器220。该另外的比较器220将信号116的电压与另外的阈值222进行比较。当电压大于另外的阈值222时，该另外的比较器220的输出变换其状态。在此，另外的阈值222也由预给定装置218预给定。

另外的阈值222可以大于阈值114。因此，不仅在电压升高时而且在电压下降时得出输出的变换时刻之间的时间偏移。由该偏移和阈值214、222之间的差可以确定光脉冲的边缘斜率作为特征参量。

换句话说，图2示出光电探测器连同信号处理单元的示例性的前端。光电探测器的电流可以根据跨阻抗放大器(TIA)转换成电压并且由可选的次级放大器(Amp)进行放大，以便达到由后续的结构元件所需的信号电平。信号的偏移可以在偏移校正装置中进行校正。

现在可以根据多种不同的方法来求取脉冲能量。

一种方法以脉冲的直接数字化和在数字逻辑单元中的积分(Integration)为基础。然而，为此需要更快的并且因此更昂贵的模/数转换器(ADC)。

如果已知脉冲的形状，那么也可以根据峰值探测器(Spitzenwertdetektor或PeakDetektor)来求取该脉冲的能量。峰值探测器存储所流过的信号的最大值，接下来可以借助相对较慢的模/数转换器对该最大值进行数字化。在发送激光脉冲前，将峰值探测器复位到幅度零。通过该方法可以显著地降低模/数转换器的采样率并且因此显著地降低其成本。然而，峰值探测器不能够识别出所发送的脉冲是否具有所设置的长度。

为了探测长度，可以使用如下的比较器：所述比较器的阈值可以由一个或多个数/模转换器来设置。通过比较器和用于求取脉冲长度的单元可以确定脉冲长度。此外，可以根据比较器来监测是否在不可预见的时间区间内已经由发送路径发送光脉冲。此外，可以根据所求取的最大值将比较器的阈值匹配于合适的值。

脉冲能量确定的一种特别有利的方法是在时间上对信号进行积分。在此，积分器可以具有如下的复位功能：通过该复位功能在发送激光脉冲前不久将积分器输出设置为已知的值。在发送激光脉冲后，通过模/数转换器对积分结果进行数字化。积分器相对于例如可能由连接在上游的放大器所产生的信号偏移是敏感的。偏移可以被有源校正电路或高通滤波器移除。

图3示出根据一个实施例的多通道确定装置118的部分电路图。在此，确定装置118基本上相应于图2中的确定装置118并且具有积分器210和两个比较器212、220。与图2中的示图相反，确定装置118在此不具有高分辨率的模/数转换器并且不具有峰值探测器。传感器元件112经由信号处理装置200与比较器212、220连接。如在图2中那样，信号处理装置200作为电压提供信号116。

除了图2中的示图外，在此所示的确定装置118具有第二传感器元件300。该第二传感器元件300以第二电信号302来映射所发射的光功率114的第二分量。该第二信号302基本上是电流流动。第二传感器元件300与积分器210直接连接。积分器210对第二信号302进行积分，用以作为特征参量120对在测量时间段内所发射的脉冲能量进行求和。

换句话说，图3示出具有两个光电二极管的替代结构。光电二极管用于借助比较器来探测脉冲的存在和该脉冲的长度。另一光电二极管在没有跨阻抗放大器的情况下连接到积分器。在这种布置的情况下，积分器也可以借助具有相比较大的有效面积的光电二极管来运行，这简化了光学系统的调节。附加地使确定脉冲能量的精度最大化，因为消除了跨阻抗放大器与可选的次级放大器的容差。

在此所提出的方案的应用领域至少包括用于驾驶员辅助系统的周围环境检测的2D和3D激光雷达传感器。此外，在此所提出的方案在用于测量目的的所有脉冲式激光器的情况下可以用在人可触及的区域中。

最后应注意，术语如“具有”、“包括”等不排除另外的元件或步骤，而术语如“一”或“一个”的不排除多个。本发明中的附图标记不应视为限制。

Claims (11)

1.一种用于调节光学传感器系统(100)的光源(104)的所发射的光功率(114)的方法，其特征在于，以电信号(116)来映射所发射的光功率(114)的分量，确定所述信号(116)的表示所发射的光脉冲(108)的脉冲能量的特征参量(120)，并且在使用所述特征参量(120)和所述特征参量的期望值(124)的情况下为所述光源(104)提供控制信号(126)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述电信号(116)的至少一个另外的特征参量(120)并且在使用所述另外的特征参量(120)和所述另外的特征参量(120)的另外的期望值(124)的情况下确定所述控制信号(126)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述光功率(114)的当前值确定为特征参量(120)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述光功率(114)的峰值确定为特征参量(120)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所发射的光脉冲(108)的持续时间确定为特征参量，其中，当所述光功率(114)的当前值大于阈值(214)时，检测所述持续时间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所发射的光脉冲(108)的边缘斜率确定为特征参量(120)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了确定所述脉冲能量，对所述电信号(116)的偏移进行校正。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以至少一个另外的电信号(302)来映射所发射的光功率(114)的至少一个另外的分量，其中，确定所述另外的信号(302)的至少一个另外的特征参量(120)并且在使用所述另外的特征参量(120)和所述另外的特征参量(120)的另外的期望值(124)的情况下确定所述控制信号(126)。

9.一种用于调节光学传感器系统(100)的光源(104)的所发射的光功率(114)的控制器(102)，其中，所述控制器(102)构造用于在相应的装置中实施、实现和/或操控根据前述权利要求中任一项所述的方法。

10.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品设置用于实施、实现和/或操控根据权利要求1至8中任一项所述的方法。

11.一种机器可读的存储器介质，在所述机器可读的存储器介质上存储有根据权利要求10所述的计算机程序产品。

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