CN110869801B - 用于激光雷达系统的激光扫描仪和用于运行激光扫描仪的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在扫描方向上进行扫描的激光雷达系统的激光扫描仪(100)。所述激光扫描仪(100)具有激光源(102)，所述激光源构造用于将多个单个的光射束(108，110，112)发射到多个横向于所述扫描方向并排地布置的角度区域(114，116，118)中。所述激光扫描仪(100)的接收光学器件(104)构造用于将所发射的光射束(108，110，112)的被反射部分(104)集中到所述激光扫描仪(100)的传感器层面的横向于所述扫描方向并排地布置的照明区域(122，124，126)上。所述激光扫描仪(100)的多个传感器像素横向于所述扫描方向并排地布置在所述传感器层面内。所述激光扫描仪(100)的特征在于，所述传感器像素相对于所述照明区域(122，124，126)横向于所述扫描方向错开地布置。所述激光扫描仪(100)的控制电子部件(128)构造用于如此控制所述激光源(102)，使得如此在时间上错开地发射多个光射束(108，110，112)，使得最多所述光射束(108，110，112)中的一个的被反射部分(120)同时射到一个传感器像素上。

Description

用于激光雷达系统的激光扫描仪和用于运行激光扫描仪的 方法
技术领域
本发明涉及一种用于在扫描方向上进行扫描的激光雷达系统的激光扫描仪和一种用于运行激光扫描仪的方法。
背景技术
在激光雷达系统中，使激光射束在扫描方向上运动。激光射束横向于扫描方向地各自扩开为一个扇形。因此，激光射束照明一角度区域。激光射束由于在时间上的扫描运动而照明一条带，该条带与角度区域同样宽。激光射束的被对象反射的光通过接收光学器件聚焦到一传感器上。来自于一角度区域的光被聚焦到一传感器像素上。激光雷达系统的横向于扫描方向的分辨率通过一定数目的所发射的激光射束确定。
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的、一种用于激光雷达系统的激光扫描仪、一种用于运行激光扫描仪的方法以及一种相应的计算机程序产品。在从属权利要求中描述在此提出的方案的有利的扩展方案和改进。
本发明的优点
本发明的实施方式可以以有利的方式实现：在硬件花费大致保持不变的情况下提高激光扫描仪的分辨率，尤其甚至使其倍增。
提出一种用于在扫描方向上进行扫描的激光雷达系统的激光扫描仪，其中，所述激光扫描仪具有激光源，所述激光源构造用于将多个单个的光射束发射到多个横向于所述扫描方向并排地布置的角度区域中，其中，所述激光扫描仪的接收光学器件构造用于将所发射的光射束的被反射部分集中到所述激光扫描仪的传感器层面的横向于所述扫描方向并排地布置的照明区域上，其中，所述激光扫描仪的多个传感器像素横向于所述扫描方向并排地布置在所述传感器层面内，其中，所述激光扫描仪的特征在于，所述传感器像素相对于所述照明区域横向于所述扫描方向错开地布置，其中，所述激光扫描仪的控制电子部件构造用于如此控制所述激光源，使得如此在时间上错开地发射多个光射束，使得最多所述光射束中的一个的被反射部分同时射到一个传感器像素上。
此外，根据在此提出的方案提出一种用于运行激光扫描仪的方法，其特征在于，在所述发射的步骤中，控制所述激光源用于在发射时刻将光射束发射到所述角度区域的一个中，其中，由所述接收光学器件将所发射的光射束的被反射部分引导到配属于所述角度区域的照明区域上，并且，在所述接收的步骤中，当所述被反射部分击中所述相应的传感器像素时，由配属于所述照明区域的两个传感器像素各读取一个接收时刻。
此外，本发明的实施方式的思想可以被视为基于接下来描述的构想和认识。
激光雷达系统可以具有转子，所述转子承载激光扫描仪。转子可以是能够围绕垂直于扫描方向定向的旋转轴线转动的。扫描方向也可以通过可转动的转向镜限定。扫描方向可以是例如基本上水平的。旋转轴线也可以相对于垂直方向调整一角度。角度区域可以相对于旋转轴线倾斜一调整角(Anstellwinkel)地定向。这些角度区域可以具有相对于旋转轴线不同的调整角。激光源可以例如对于每个角度区域具有一个单个的以所述调整角定向的可切换的激光器。同样，单个激光器的光可以由可运动的转向镜转向到不同的角度区域中。被发射到所述角度区域中的光横向于扫描方向地扇形展开，以便扫描圆形地围绕旋转轴线的条带。
如果光射到一对象上，则光被散射并且光的一部分朝向激光扫描仪反射。接收光学器件以尽可能大的接收孔径聚集反射光并且将其对于每个角度区域集中在一个照明区域中。可以将所述角度区域的清晰的影像投影在照明区域中。同样，可以使光模糊地集中在照明区域中。接收光学器件可以具有用于使光集中的透镜和/或反射镜。
在集中时，使由布置在角度区域的边缘处的对象反射的光集中在所属的照明区域的边缘处。照明区域可以位置分辨地被检测，以便获得对象在角度区域内的位置。在在此提出的方案中，位置的分辨通过借助相邻的传感器像素的部分区域的检测来实现。在此，照明区域的光部分地由一个传感器像素检测并且部分地由相邻的传感器像素检测。传感器像素分别按比例地由并排而置的两个照明区域覆盖。因此，传感器像素也可以由分别邻接的照明区域的光照明。传感器可以是具有并排地布置成一行的传感器像素的行式传感器(Reihensensor)。传感器像素可以相对于照明区域移位半个传感器像素或者半个照明区域。通过在时间上错开地控制激光源，总是仅仅来自照明区域中的一个的光射到一个传感器像素上，由此实现在空间上的配属。
所述方法可以具有确定的步骤，在所述步骤中，在使用所述一个传感器像素的发射时刻和接收时刻的情况下确定第一距离值。可以在使用另一传感器像素的发射时刻和接收时刻的情况下确定第二距离值。因此可以确定到通过相同的激光器照射的两个不同的对象的距离。
激光源可以被控制用于在另外的发射时刻将另外的光射束发射到另外的角度区域中。另外的光射束的被反射部分可以由接收光学器件集中到配属于另外的角度区域的另外的照明区域上。当被反射部分击中相应的传感器像素时，可以由配属于另外的照明区域的两个传感器像素各读取一个另外的接收时刻。另外的角度区域可以邻接第一角度区域。然后，另外的接收时刻中的一个可以由与先前读取第一接收时刻的传感器像素相同的传感器像素读取。通过在时间上的移位，第一接收时刻可以明确唯一地配属于第一发射时刻并且因此配属于第一角度区域，而另外的接收时刻可以明确唯一地配属于另外的发射时刻并且因此配属于相邻的角度区域。因此，可以由相同的传感器像素分辨两个对象。
可以顺序地发射光射束，而激光雷达系统在扫描方向上进行扫描。可以顺序地读取接收时刻。可以以预先确定的顺序发射光射束，而以相同的顺序分别成对地读取传感器像素。
至少两个光射束可以同时发射到不同的角度区域中。在这些角度区域之间，至少一个角度区域可以保持未被照明。通过光射束之间的空隙，分别仅仅一个光射束的光落到一个传感器像素上。
可以实施由发射的彼此相继的步骤组成的序列。在此，在序列初始在所述发射的第一步骤中，在同时发射的两个光射束之间，各三个角度区域保持未被照明。在序列的发射的接着的两个步骤中，可以将所述光射束向相同的方向移位各一个角度区域地发射。在序列末尾在所述发射的最后的步骤中，可以将单个的光射束移位一角度区域地发射。通过序列和传感器像素的特别的联接(Verschaltung)可以节省分析处理电子部件。在此，每两个通过位于它们之间的传感器像素相互间隔开的传感器像素由相同的分析处理电子部件单元分析处理。通过在所发射的光射束之间的三个角度区域空隙，光或者落到一个传感器像素上或者落到另一传感器像素上。
可以重复序列的步骤。通过序列能够实现在使用少量的分析处理电子部件的情况下传感器的快速读取。
一种计算机程序产品或者具有程序代码的计算机程序也是有利的，所述程序代码可以存储在机器可读的介质上并且被用于执行、实现和/或控制以上描述的方法的步骤。
要指出，在这方面参照所述激光扫描仪的或者所述方法的不同的实施方式描述本发明的可能的特征和优点中的一些。本领域技术人员可看到，这些特征可以以合适的方式组合、匹配或者替换，以便得到本发明的另外的实施方式。
附图说明
接下来，参照所附的图描述本发明的一些实施方式，其中，既不可将图又不可将说明书解释为对本发明进行限制。附图示出：
图1示出根据一个实施例的激光扫描仪的侧视图；
图2示出根据一个实施例的激光扫描仪的俯视图；
图3示出在根据一个实施例的激光扫描仪的传感器上的错开的照明区域的示图；以及
图4示出在激光扫描仪的传感器上的错开的照明区域的示图和用于分析处理根据一个实施例的激光扫描仪的传感器的联接。
这些附图仅仅是示意性的并且不按正确比例的。相同的附图标记在附图中表示相同的或者起相同作用的特征。
具体实施方式
图1示出根据一个实施例的激光扫描仪100的侧视图。激光扫描仪100具有激光源102、接收光学器件104和传感器106。激光扫描仪100在此简化地示出。激光源102在此构造用于将三个扇形展开的激光射束108、110、112发射到不同的角度区域114、116、118中。在此，第一激光射束108对准第一角度区域114。第二激光射束110对准第二角度区域116。第三激光射束112对准第三角度区域118。
如果激光射束108、110、112中的一个的光射到一对象上，则光被散射。被散射的光的一部分被反射至激光扫描仪100。接收光学器件104接收反射光120并且将其在传感器106上集中在照明区域122、124、126中。在此，光120从第一角度区域114到达第一照明区域122中。光120从第二角度区域116到达第二照明区域124中。光120从第三角度区域118到达第三照明区域126中。
在此，接收光学器件104为与光学透镜组合的反射镜光学器件。凹形的凹面镜将反射光120集中到布置在中心的凸形的反射镜上。反射光120从凸形的反射镜经由在凹面镜中的中心的开口和透镜系统到达传感器106。在此，激光源102布置在凸形的反射镜的背侧上并且因此相对于传感器106同轴地定向。
传感器106为行式传感器并且在此具有并排地布置成一行的传感器像素。传感器像素与照明区域122、124、126同样大。传感器像素相对于照明区域122、124、126移位半个像素或者移位半个照明区域122、124、126，从而照明区域122、124、126总是通过两个传感器像素来检测。
激光扫描仪100的控制电子部件128与传感器106和激光源102连接。控制电子部件128通过控制信号130控制激光源102。在此，如此控制激光源102，使得总是仅仅激光射束108、110、112的光落到传感器106的传感器像素上。控制电子部件128也读取传感器106。在此，读取接收时刻132，在所述接收时刻，光120被记录在相应的传感器像素上。
因为相关的激光射束108、110、112的发射时刻是已知的，所以在使用光速度和接收时刻132的情况下可以确定在激光扫描仪100和光120的反射点之间的距离。
换言之，图1示出用于以下激光雷达系统的激光扫描仪100：在所述激光扫描仪中，激光扫描仪100的发射单元102构造用于将n个激光射束108、110、112作为在扇形方向上扇形展开的射束扇形发射到激光扫描仪100的检测区域中，其中，激光扫描仪100的接收单元106具有n+1个在扇形方向上并排地布置的传感器像素，并且，激光扫描仪100的接收光学器件104构造用于将激光射束108、110、112的照射面的影像122、124、126聚焦在传感器像素中的两个之间的各一个过渡部上。
接收光学器件104在此示例性地具有反射镜系统地实施。发射光学器件102由n个竖直的层面或者发射单元组成。回来的光120通过接收光学器件104成像到探测器层面上。探测器106由n+1个部分或者像素组成，所述n+1个部分或者像素全部可以单独地分析处理。
图2示出根据一个实施例的激光扫描仪100的俯视图。激光扫描仪100基本上相应于图1中的激光扫描仪。在此，示出激光扫描仪的转动运动200。在此，整个激光扫描仪100围绕旋转轴线转动。通过转动运动200使激光射束108、110、112朝扫描方向202运动。激光射束108、110、112横向于扫描方向202扇形展开。在此，激光源102、接收光学器件104和传感器106的布置关于接收光学器件104的光轴204旋转对称。
在在此提出的激光扫描仪100中，可以实施根据一个实施例的用于运行的方法。所述方法具有发射的步骤、读取的步骤和确定的步骤。
在发射的步骤中，在第一发射时刻，将第一激光射束108发射到激光扫描仪100的检测区域中。在接下来的第二发射时刻，将指向与激光射束108不同的方向的第二激光射束110发射到该检测区域中。
在读取的步骤中，在第一发射时刻之后，读取第一传感器像素对通过第一激光射束108照明的第一照射面的聚焦到在第一传感器像素和第二传感器像素之间的第一过渡部上的第一影像122的第一响应时刻以及相邻的第二传感器像素对通过第一激光射束108照明的第一照射面的聚焦到在第一传感器像素和第二传感器像素之间的第一过渡部上的第一影像122的第二响应时刻。在第二发射时刻之后，读取第二传感器像素对通过第二激光射束110照明的第二照射面的聚焦到在第二传感器像素和第三传感器像素之间的第二过渡部上的第二影像124的第三响应时刻以及相邻的第三传感器像素对通过第二激光射束110照明的第二照射面的聚焦到在第二传感器像素和第三传感器像素之间的第二过渡部上的第二影像124的第四响应时刻。
在确定的步骤中，在使用第一发射时刻和第一响应时刻的情况下确定到第一照射面的第一部分区域的第一距离值并且在使用第一发射时刻和第二响应时刻的情况下确定到第一照射面的第二部分区域的第二距离值。在使用第二发射时刻和第三响应时刻的情况下确定到第二照射面的第三部分区域的第三距离值。在使用第二发射时刻和第四响应时刻的情况下确定到第二照射面的第四部分区域的第四距离值。
图3示出在根据一个实施例的激光扫描仪的传感器106上的错开的照明区域122、124、126的示图。在此，传感器106基本上相应于图1和2中的传感器。在此，传感器106也强烈简化地具有仅仅四个传感器像素300、302、304、306地示出。传感器像素300、302、304、306直接并排地布置成一行。
照明区域122、124、126分别与像素同样宽。传感器像素300、302、304、306相对于照明区域122、124、126错开半个像素宽度。照明区域的中心位于上方的传感器像素和下方的传感器像素之间的过渡部上。因此，来自于照明区域的上半部分的光落到上方的传感器像素的下方区域上。来自于照明区域的下半部分的光落到下方的传感器像素的上半部分上。
为了不引起像素300、302、304、306中的一个的双重照明，由激光源同时最大地照亮每个第二角度区域。位于其之间的角度区域保持未被照明并且在时间上紧接着被照亮。
换言之，在图3中示出用于简化激光雷达系统的发射单元和接收单元的交错技术(Interlace Technik)的使用。
激光雷达传感器可以用于实现高度自动化的驾驶功能。为了覆盖在150°和360°之间的大的水平检测角，可以使用机械式激光扫描仪。在旋转反射镜激光扫描仪中，电机驱动的转向镜转动。由此将最大的检测区域限制在大约150°上。在具有更大的在360°以内的检测区域的激光扫描仪中，所有电光学元件位于电机驱动的转盘或者转子上。
激光雷达系统可以构造为单透镜系统。在单透镜系统中，为了进行竖直的分辨，典型地，分别对于一个激光器设置一个雪崩光电二极管(APD)。因此，对于这样的具有16个竖直的层面的系统需要16个激光器，所述16个激光器成像到16个雪崩光电二极管(APDs)上。
通过在此提出的方案，可以在激光雷达传感器中以小的花费实现层面的数目的提高。在此，能够通过n个激光器与n+1个探测器300、302、304、306的合适的选择实现具有2xn个层面的系统。此外，可以通过探测器300、302、304、306相互间的附加的联接节省分析处理部件。
换言之，通过激光器数目的合适的选择结合探测器300、302、304、306的合适的数目实现分辨率的简单的提高。
通过在此提出的方案可以节省大的数量的电子元件。不同的激光器的落到探测器300、302、304、306上的光122、124、126的附加区分是必需的。这可以或者通过激光器在时间上分开的激活或者其他的合适的措施实现。因此，可以实现分辨率的简单的倍增、分析处理电子部件的节省、竖直的分辨率要求的成本有利的实现和电子元件的节省。
在图3中，对于n＝3的系统示出这一点。如果对于所示出的具有n＝3的情况在不同的时间激活发射单元，则可以通过这样的系统将分辨率扩展到六个层面。为了使整个过程不占用过多的时间，在此可以同时激活第一和第三发射单元，此后可以激活第二发射单元。
图4示出在激光扫描仪的传感器106上的错开的照明区域122、124、126、400、402、404、406的示图和用于分析处理根据一个实施例的激光扫描仪的传感器106的联接。传感器106基本上相应于图3中的传感器。与之不同地，传感器106在此具有八个传感器像素300、302、304、306、408、410、412、414。如在图3中所示出的那样，传感器像素300、302、304、306、408、410、412、414相对于照明区域122、124、126、400、402、404、406错开其半个宽度地布置。因此，每个照明区域122、124、126、400、402、404、406可以借助分别配属于两个相邻的传感器像素300、302、304、306、408、410、412、414的两个部分区域来分辨。
在一个实施例中，借助简单的分析处理电路416读取传感器106。在此，传感器像素300、302、304、306、408、410、412、414中的两个分别与一个分析处理单元连接在一起。因此，可以在使用仅仅四个分析处理单元418、420、422、424读取整个传感器106。第一传感器像素300和第三传感器像素304由第一分析处理单元418读取。第二传感器像素302和第四传感器像素306由第二分析处理单元420读取。第五传感器像素408和第七传感器像素412由第三分析处理单元422读取。第六传感器像素410和第八传感器像素414由第四分析处理单元424读取。
同时，分析处理单元418、420、422、424可以分别分析处理仅仅一个传感器像素300、302、304、306、408、410、412、414。因此，在此，除第四照明区域400以外的照明区域122、124、126、402、404、406同时顺序地成对地被照明，由此，传感器像素300、302、304、306、408、410、412、414中的每四个同时部分地被照明。第四照明区域400单个地被照明，并且第四和第五传感器像素306、408通过第二和第四分析处理单元420、422读取。接着，序列从前面开始。
换言之，在第一时隙中，第一激光器和第五激光器是激活的，并且光可以在第一照明区域122中由第一传感器像素300和第二传感器像素302接收以及在第五照明区域402中由第五传感器像素408和第六传感器像素410接收。第一传感器像素300通过第一分析处理单元418来分析处理。第二传感器像素302通过第二分析处理单元420来分析处理。第五传感器像素408通过第三分析处理单元422来分析处理。第六传感器像素410通过第四分析处理单元424来分析处理。
在第二时隙中，第二激光器和第六激光器是激活的。光可以在第二照明区域124中由第二传感器像素302和第三传感器像素304接收。在第六照明区域404中，光可以由第六传感器像素410和第七传感器像素412接收。第二传感器像素302由第二分析处理单元420分析处理。第三传感器像素304通过第一分析处理单元418来分析处理。第六传感器像素410通过第四分析处理单元424来分析处理。第七传感器像素通过第三分析处理单元422来分析处理。
在第三时隙中，第三激光器和第七激光器是激活的。光可以在第三照明区域126中由第三传感器像素304和第四传感器像素306接收。在第七照明区域中，光可以由第七传感器像素412和第八传感器像素414接收。第三传感器像素304通过第一分析处理单元418来分析处理。第四传感器像素306由第二分析处理单元420分析处理。第七传感器像素通过第三分析处理单元422来分析处理。第八传感器像素414由第四分析处理单元424分析处理。
在第四时隙中，第四激光器是激活的。光可以在第四照明区域400中通过第四传感器像素306和第五传感器像素408接收。第四传感器像素306由第二分析处理单元420分析处理。第五传感器像素408通过第三分析处理单元422来分析处理。
这样的系统的分析处理电子部件的简化可以通过探测器单元300、302、304、306、408、410、412、414的适当的耦合来实现。示例性地，在此，对于具有n＝7个发射单元的系统示出这一点。所示出的系统具有2xn＝14个层面的分辨率。
最后要指出，如“具有”、“包括”等等这样的概念不排除任何其他的元素或者步骤，并且如“一个”这样的概念不排除大量。权利要求中的附图标记不应视为限制。

Claims (9)

1.一种用于在扫描方向(202)上进行扫描的激光雷达系统的激光扫描仪(100)，其中，所述激光扫描仪(100)具有激光源(102)，所述激光源构造用于将多个单个的光射束(108，110，112)发射到多个横向于所述扫描方向(202)并排地布置的角度区域(114，116，118)中，其中，所述激光扫描仪(100)的接收光学器件(104)构造用于将所发射的光射束(108，110，112)的被反射部分集中到所述激光扫描仪(100)的传感器层面的横向于所述扫描方向(202)并排地布置的照明区域(122，124，126)上，其中，所述激光扫描仪(100)的多个传感器像素(300，302，304，306)横向于所述扫描方向(202)并排地布置在所述传感器层面内，
其中，所述激光扫描仪(100)的特征在于，所述传感器像素(300，302，304，306)相对于所述照明区域(122，124，126)横向于所述扫描方向(202)错开地布置，从而所述照明区域(122，124，126)中的一个照明区域总是通过所述多个传感器像素(300，302，304，306)中的两个传感器像素来检测，其中，所述激光扫描仪(100)的控制电子部件(128)构造用于如此控制所述激光源(102)，使得如此在时间上错开地发射多个光射束(108，110，112)，使得最多所述光射束(108，110，112)中的一个的被反射部分同时射到一个传感器像素(300，302，304，306)上。
2.一种用于运行根据权利要求1所述的激光扫描仪(100)的方法，其特征在于，在所述发射的步骤中，控制所述激光源(102)用于在发射时刻将光射束(108，110，112)发射到所述角度区域(114，116，118)的一个中，其中，由所述接收光学器件(104)将所发射的光射束(108，110，112)的被反射部分引导到配属于所述角度区域(114，116，118)的照明区域(122，124，126)上，并且，在所述接收的步骤中，当所述被反射部分击中所述相应的传感器像素(300，302，304，306)时，由配属于所述照明区域(122，124，126)的两个传感器像素(300，302，304，306)各读取一个接收时刻(132)。
3.根据权利要求2所述的方法，其具有确定的步骤，在所述步骤中，在使用所述一个传感器像素(300，302，304，306)的发射时刻和接收时刻(132)的情况下确定第一距离值，并且，在所述步骤中，在使用另一传感器像素(300，302，304，306)的发射时刻和接收时刻(132)的情况下确定第二距离值。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的方法，其中，在所述发射的步骤中，控制所述激光源(102)用于在另外的发射时刻将另外的光射束(108，110，112)发射到另外的角度区域(114，116，118)中，其中，由所述接收光学器件(104)将所述另外的光射束(108，110，112)的被反射部分集中到配属于所述另外的角度区域(114，116，118)的另外的照明区域(122，124，126)上，其中，在所述接收的步骤中，当所述被反射部分击中所述相应的传感器像素(300，302，304，306)时，由配属于所述另外的照明区域(122，124，126)的两个传感器像素(300，302，304，306)各读取一个接收时刻(132)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述发射的步骤中，顺序地发射所述光射束(108，110，112)，而所述激光雷达系统在所述扫描方向(202)上进行扫描，其中，在所述接收的步骤中，顺序地读取所述接收时刻(132)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，在所述发射的步骤中，将至少两个光射束(108，110，112)同时发射到不同的角度区域(114，116，118)中，其中，在所述角度区域(114，116，118)之间，至少一个角度区域(114，116，118)保持未被照明。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，实施由所述发射的彼此相继的步骤组成的序列，其中，在序列初始在所述发射的第一步骤中，在同时发射的两个光射束(108，110，112)之间，各三个角度区域(114，116，118)保持未被照明，在所述序列的发射的接着的两个步骤中，将所述光射束(108，110，112)向相同的方向移位各一个角度区域(114，116，118)地发射，其中，在序列末尾在所述发射的最后的步骤中，将单个的光射束(108，110，112)移位一角度区域(114，116，118)地发射。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，重复所述序列的步骤。
9.一种机器可读的介质，在所述介质上存储有计算机程序，所述计算机程序设置用于实施根据权利要求2至8中任一项所述的方法。
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