CN110869802A - 借助至少两个脉冲编码的射束对扫描区域进行扫描的方法和激光雷达设备 - Google Patents

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Abstract

公开一种激光雷达设备，该激光雷达设备借助时间上相继产生的至少两个射束来对扫描区域进行扫描，该激光雷达设备具有至少一个射束源和至少一个探测器，所述至少一个射束源用于朝扫描区域的方向以脉冲暂停模式产生和发射所述至少两个射束，所述至少一个探测器用于接收在对象上散射和/或反射的至少两个射束，其中，所述至少两个所产生的射束能够通过偏振编码器被不同地偏振，其中，该探测器具有偏振分析仪，该偏振分析仪将所述散射和/或反射的射束与定义的偏振序列进行比较，在所述至少两个散射和/或反射的射束的偏振序列与所述定义的偏振序列一致的情况下透射至少两个反射的射束。此外，公开一种用于运行激光雷达设备的方法。

Description

借助至少两个脉冲编码的射束对扫描区域进行扫描的方法和 激光雷达设备
技术领域
本发明涉及一种用于借助时间上相继产生的至少两个射束来对扫描区域进行扫描的激光雷达设备，本发明还涉及一种用于运行激光雷达设备的方法。
背景技术
对于自主和半自主的车辆，LIDAR(英语Light detection and ranging，光探测和测距)设备例如对于确定对象的间距或运动方向是必要的。在此尤其重要的是，激光雷达设备不可以受到其他光(例如其他的或结构相同的激光雷达设备)的照射的影响。由此例如可能探测到故障信号或重影对象。激光雷达设备的另一个的问题是激光的针对性照射——例如通过激光笔或其他眩光袭击(Blendattacken)，由此，除了有故障的信号探测外，还可能诱发激光雷达设备的中断。由DE 10 2013 219 344 A1已知一种激光雷达设备，在该激光雷达设备中多个射束源分别设有单独的偏振滤光器，所述偏振滤光器具有不同的偏振方向。不同的射束源以脉冲暂停模式发射分别具有恒定偏振的激光束。在此，单独的射束源和具有与其他偏振滤光器不同取向的单独的偏振滤光器对于射束的不同偏振中的每个都是必要的。
发明内容
本发明所基于的任务在此可以视为提出具有相对于其他光和眩光袭击的影响的高安全性的一种方法和一种激光雷达设备，同时该激光雷达设备技术简单且紧凑地构造。
该任务借助独立权利要求的相应主题解决。本发明的有利构型分别是从属权利要求的主题。
根据本发明的一个方面，提供一种激光雷达设备，该激光雷达设备借助时间上相继产生的至少两个射束对扫描区域进行扫描。该激光雷达设备具有至少一个射束源，所述至少一个射束源用于朝扫描区域的方向以脉冲暂停模式产生和发射至少两个射束。在对象上反射和/或散射的射束可以由该设备的至少一个探测器接收。根据本发明，所产生的至少两个射束能够通过偏振编码器进行不同地偏振，其中，至少一个探测器具有偏振分析仪，该偏振分析仪将反射或散射的射束与定义的偏振序列进行比较。在所述至少两个反射或散射的射束的偏振序列与由偏振编码器定义的偏振序列一致的情况下能够透射至少两个反射或散射的射束用以探测。
在此，通过激光雷达设备以脉冲形式产生至少两个射束，从而形成定义的脉冲暂停模式。在射束之间具有至少一个暂停的所产生的至少两个射束可以形成脉冲模式。通过偏振编码器将定义的偏振方向分配给脉冲模式的每个所产生的射束或射束脉冲。每个射束尤其以特定的偏振方向通过偏振编码器进行偏振。接着，可以将如此编码的所产生的射束通过镜发射到扫描区域中。所产生的射束可以直接地或例如通过镜朝扫描区域的方向偏转和发射。在所谓的宏扫描仪中，在旋转单元、转子上存在光束的发送器和光束的接收器，定子包围该转子。在所谓的闪光激光雷达或固态激光雷达的情况下，可以将所产生的射束直接发射到扫描区域中。在所谓的扫描激光雷达设备的情况下，布置有可以使产生的射束发生偏转的附加的宏镜或微镜。替代地或附加地，如果探测器布置在定子上，则该镜还可以将反射或散射的射束引导到探测器上。该镜例如可以是布置在转子上的能够竖直枢转的镜。转子也可以使该镜附加地水平地转动或枢转。因此，可以沿水平扫描角和竖直扫描角使所产生的射束发生偏转或由激光雷达设备发射所产生的射束。替代地，该镜也可以布置在定子上并且可以实施成能够偏转的或能够枢转的。水平扫描角和竖直扫描角形成扫描区域。如果有对象或障碍物布置在扫描区域中，则所产生的射束在对象或障碍物处被反射或散射并且变成反射射束。为简单起见，“反射射束”不仅可以是反射的、而且可以是散射的。在此，反射射束至少部分地保留其原始的特定偏振方向，并且反射射束可以由激光雷达设备通过相应的接收光学器件接收或通过至少一个探测器直接接收。该探测器具有偏振分析仪，该偏振分析仪布置在探测器面的前面。偏振分析仪在此也可以作为单独的构件连接在探测器的前面。反射射束在到达探测器的探测器面之前首先照射到偏振分析仪上。偏振分析仪和/或偏振编码器可以实施为普克尔斯盒(Pockelszelle)。偏振分析仪可以与偏振编码器互相连接(vernetzen)。由此，偏振分析仪可以在分配特定偏振方向时已经获得相应的射束的所分配的特定偏振方向，并等待接收具有相应编码的反射射束。偏振分析仪如此设计，使得仅具有特定偏振或编码的反射射束允许通过至探测器或探测器面用以探测。因此，偏振编码器对具有确定偏振方向的所产生的射束或具有不同或相同偏振方向的序列的所产生的多个射束进行编码。由此可以防止在探测和分析处理时考虑不同于激光雷达设备的射束源的源照射到探测器。由于偏振编码器和偏振分析仪，激光雷达设备可以更安全且更不易出错地实施。相对于传统的激光雷达设备，该设备的技术复杂性在此仅微小地增加。
根据激光雷达设备的一种实施例，偏振编码器逐步地改变所产生的至少两个射束的偏振向量。为此，偏振编码器可以在以脉冲形式产生的射束之间使用暂停，以对于下一个待产生的射束调节定义的特定偏振。尤其可以将具有一角度的线性偏振用作偏振。该角度在此说明偏振方向。因此可以逐步地改变或匹配线性偏振的角度。在多个彼此相继的射束的情况下，一些射束也可以具有相同的偏振或偏振方向。替代地，单个或多个射束也可以圆周状地偏振或椭圆状地偏振。
根据激光雷达设备的另一实施例，偏振编码器连续地改变所产生的至少两个射束的偏振向量。由此，偏振编码器可以以恒定或可变的速率改变线性偏振的角度，并且可以对所产生的射束特定地进行编码或设置特定的偏振方向。在此还有利的是，如果已知偏振方向变化的速率或速度，则可以省去偏振编码器与偏振分析仪的互相连接。例如可以通过算法来定义可变的速度，并将所述可变的速度存储在偏振分析仪中，从而可以可靠地辨识反射射束的编码。
根据激光雷达设备的另一实施例，偏振编码器具有偏振旋转器。优选地，偏振编码器可以是能够旋转的波片(Wellenplatte)。由此，所产生的射束可以根据偏振旋转器的取向进行偏振并据此进行编码。偏振旋转器例如可以是半波片。偏振旋转器可以以恒定的速度、可变的速度、或者逐步地相应于射束源的脉冲频率旋转。为此，偏振编码器优选地具有驱动器例如步进电机。例如可以通过传感器来记录偏振旋转器的取向并且通过控制单元将该取向传递到偏振分析仪。通过该传感器也可以调节定义的偏振角。替代自身驱动，偏振滤光器也可以布置在激光雷达设备的转子上，或者能够直接地或间接地通过转子来驱动。
替代地，偏振编码器也可以是能够旋转的偏振滤光器。该偏振滤光器通过偏振滤光器的取向而从入射光过滤出所期望的偏振。该处理方式类似于偏振旋转器。
根据激光雷达设备的另一实施例，射束源等长地时钟控制(takten)暂停的持续时间和脉冲的持续时间或具有不同的持续时间。除了以相应的射束脉冲的偏振方向的定义序列对所产生的射束进行编码之外，也可以将脉冲的持续时间以及存在于脉冲之间的暂停用于编码。因此，射束源的脉冲频率可以保持恒定或被改变。例如可以在脉冲模式内在所产生的射束之间实现不同的暂停。替代地或附加地，可以在脉冲模式内改变所产生的射束脉冲的持续时间。
例如，所产生的射束可以比所产生的射束之间的暂停在时间上更长，和/或反之。多个射束脉冲也可以在时间上等长，在所述多个射束脉冲后可以跟随一个或多个时间上长度不同的射束脉冲。
根据激光雷达设备的另一实施例，在偏振分析仪后面连接有偏振分束器，该偏振分束器将至少一个反射射束分成不同的偏振分量，并将所述偏振分量引导到单独的探测器上。在此，除了偏振分析仪之外，可以在偏振分析仪与探测器之间布置有偏振分束器。偏振分束器例如可以将反射射束划分成竖直偏振分量和水平偏振分量，并将所述竖直偏振分量和水平偏振分量例如引导到两个探测器以进行探测。在此，尤其可以根据相应的偏振分量的不同的探测强度来重构和检查任何脉冲模式的编码。
根据激光雷达设备的另一实施例，所述分析仪是偏振分束器。由此可以完全省去单独的偏振分析仪或偏振解码器，因为具有至少两个探测器的偏振分束器也可以接管偏振分析仪的任务。
根据本发明的另一方面，提供一种用于运行如下激光雷达设备的方法：该激光雷达设备借助至少一个射束对扫描区域进行扫描。在此，以脉冲模式的形式产生所产生的至少两个射束并将其沿着水平扫描角和沿着竖直扫描角进行偏转。根据本发明，将不同的或相同的特定偏振方向分配给所产生的至少两个射束或脉冲，其中，将在对象上反射的具有特定偏振方向的至少一个脉冲从偏振分析仪引导到至少一个探测器。由此，由以脉冲形式产生的至少两个射束建立脉冲模式，其中，给每个脉冲分配定义的特定偏振方向。通过偏振编码器结合射束源可以关于所产生的射束的定义序列实现编码，所产生的射束具有不同和/或相同的偏振方向的叠加序列，该编码可以通过偏振分析仪识别出。由此尤其可以防止其他光或干扰反射对激光雷达设备的运行的干扰。仅所产生的且设有特定编码的脉冲模式被探测或在探测时被考虑。此外，通过所产生并反射的射束的这种编码和解码可以防止所谓的激光雷达骇客(LIDAR-Hacks)，并且可以提高激光雷达设备的运行可靠性。
根据该方法的一种实施例，在通过偏振编码器改变特定的偏振方向之前，给多个彼此相继的脉冲分配相同的偏振方向。由此可以通过多种不同的可能性对脉冲模式进行编码。除了分别通过不同的偏振方向对相应的射束脉冲进行编码之外，多个彼此相继的射束脉冲也可以具有相同的偏振方向。此外，相同偏振方向的序列与变化的偏振方向的组合也是可能的。因此，相同构造类型的多个激光雷达设备可以无干扰地并行地运行。
附图说明
以下根据高度简化的示意图进一步阐述本发明的优选实施例。附图示出：
图1示出根据第一实施例的激光雷达设备的示意图；
图2示出根据第二实施例的激光雷达设备的示意图；
图3示出根据第三实施例的激光雷达设备的示意图；
图4a、4b示出关于所产生并经编码的脉冲模式的示例；
图5a、5b示出根据第二实施例的激光雷达设备的所接收的强度分布。
在附图中，相同的结构元件分别具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出根据第一实施例的激光雷达设备1的示意图，该激光雷达设备用于借助时间上相继产生的至少两个射束2对扫描区域进行扫描。激光雷达设备1具有射束源4，该射束源例如是红外激光器4。射束源4产生以脉冲2形式的射束2或激光束2。射束源尤其产生彼此相继的至少两个射束2，所述至少两个射束共同地形成一个脉冲模式。脉冲模式尤其涉及脉冲暂停模式，因为在每个产生的射束2或脉冲2之后跟随有暂停。所产生的射束2在产生之后穿过偏振编码器6。偏振编码器6尤其包括线性偏振旋转器和相应的操控装置或分析处理逻辑。因此，可以使偏振旋转器不同地转动，并且因此可以为脉冲暂停模式产生以对于每个脉冲2单独偏振的形式的附加编码。接着，经编码的射束8可以由可枢转的镜10沿着竖直扫描角和水平扫描角受控地偏转，从而对扫描区域进行曝光或扫描。替代地，代替可运动的镜10，可以使用具有布置在射束源4前面的偏振编码器6的能够旋转或能够枢转的射束源4对扫描区域进行扫描。射束源4和偏振编码器6例如可以布置在转子上。只要对象12处于扫描区域中，则所产生并经编码的射束8可以至少部分地被该对象12反射。编码在此也至少部分地保留。所产生并经编码的射束8由于在对象12上的反射而变成反射射束14。
反射射束14可以由偏振分析仪16接收。偏振分析仪16连接在探测器18的前面，并且该偏振分析仪通过数据线路20而与偏振编码器6互相连接。因此，所产生的脉冲模式的最后由偏振编码器6所分配的编码对于偏振分析仪16是已知的。根据该实施例，偏振分析仪16是能够旋转的线性偏振滤光器，该线性偏振滤光器可以相应于通过偏振编码器6所预给定的编码进行调节或旋转，以便能够透射反射射束14。只要反射射束14的编码与偏振编码器6的特定编码一致，则反射射束14就可以在探测器18的方向上尽可能无阻碍地穿过偏振分析仪16。由此，如果照射22没有特定的编码，则散射光22或不期望的外部照射22可以被偏振分析仪16阻挡或至少以衰减的形式到达探测器18。
图2示出根据第二实施例的激光雷达设备1的示意图。与根据第一实施例的激光雷达设备1的区别在于，激光雷达设备1在此具有连接在偏振分析仪16后面的偏振分束器24。因此，由对象12反射的射束14可以通过射束的编码而无阻碍地穿过偏振分析仪16，接下来所述射束可以由偏振分束器24相应于其偏振向量P的偏振分量地引导至第一探测器18或第二探测器19。根据该实施例，偏振分束器24将线性偏振的反射射束14或各个反射脉冲14相应于其偏振向量P的水平偏振分量或竖直偏振分量来分开。该原理在图5a和5b中详细示出。
图3示出根据第三实施例的激光雷达设备1的示意图。与激光雷达设备1的第二实施例的区别在于，偏振分析仪16实施为偏振分束器16、24。因此，可以省去例如在第一实施例中所示的单独的偏振分析仪16。偏振分束器16、24本身不能够将未编码的射束22与经编码的反射射束14直接地区分。两个探测器18、19通过数据线路20而与偏振编码器6互相连接，并且可以根据由探测器18、19接收的信号来确定所接收的射束14、22是否已经以偏振编码器6所编码。通过对相应的射束14、22的偏振向量P的划分，可以通过探测器18、19的总览(Zusammenschau)来重构所接收的射束14、22的偏振向量P。由此，也可以将相应的射束脉冲14、22的偏振方向与所产生的射束脉冲8的偏振方向进行比较。在所产生的射束8和反射的接收射束14的偏振方向一致的情况下，将相应的信号用于进一步的分析处理。所有其他信号都可以保持被忽略。
在图4a中示例性地示出所产生的射束脉冲2，该射束脉冲以连续变化的偏振方向或偏振向量P进行编码。在此，借助根据第一实施例的激光雷达设备1的偏振编码器6的能够旋转的线性偏振滤光器使脉冲2设有偏振。各个射束脉冲2标注在强度-时间图中。水平轴相应于强度。竖直轴相应于时间变化过程。各个射束脉冲2具有相等的脉冲持续时间tp，并在射束脉冲2之间具有时间上相等的暂停t。在此，通过已分配给相应的射束2的不同偏振向量P的序列进行编码。
图4b示出可能的射束脉冲2的替代示例，所述射束脉冲也标注在强度时间图中。各个射束脉冲2的脉冲持续时间tp由射束源4改变。通过偏振编码器6根据脉冲持续时间tp进行偏振向量P的分配。在此，图中的前两个射束脉冲2在时间上长度相同并且具有相等的偏振向量P。其他的射束脉冲2在其脉冲持续时间tp和偏振向量P方面发生改变。
图5a和图5b示出根据第二实施例的激光雷达设备的第一探测器18和第二探测器19的所接收的强度分布。偏振分束器24将所接收的射束脉冲14相应于其偏振向量P分成水平偏振分量和竖直偏振分量。例如竖直偏振射束仅具有竖直偏振分量。因此，例如仅第二探测器19探测到信号。在对角延伸的偏振向量P的情况下，两个探测器18、19都探测到信号。在此，所接收的信号或信号的强度取决于偏振向量P的方向。

Claims (9)

1.一种激光雷达设备(1)，所述激光雷达设备借助时间上相继产生的至少两个射束(2，8)对扫描区域进行扫描，所述激光雷达设备具有至少一个射束源(4)和至少一个探测器(18，19)，所述至少一个射束源用于朝所述扫描区域的方向以脉冲暂停模式产生和发射所述至少两个射束(2)，所述至少一个探测器用于接收在对象(12)上散射和/或反射的至少两个射束(14)，其特征在于，所产生的至少两个射束(2)能够通过偏振编码器(6)进行不同地偏振，其中，所述至少一个探测器(18，19)具有偏振分析仪(16)，所述偏振分析仪将散射和/或反射的射束(14)与定义的偏振序列进行比较，并且在散射和/或反射的至少两个射束(14)的偏振序列与所定义的偏振序列一致的情况下透射所述散射和/或反射的至少两个射束(14)用以探测。
2.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中，所述偏振编码器(6)逐步地改变所产生的至少两个射束(2)的偏振向量(P)。
3.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中，所述偏振编码器(6)连续地改变所产生的至少两个射束(2)的偏振向量(P)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光雷达设备，其中，所述偏振编码器(6)具有偏振旋转器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光雷达设备，其中，所述射束源(4)等长地或不同地时钟控制所述暂停的持续时间(t)和所述脉冲的持续时间(tp)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达设备，其中，在所述偏振分析仪(16)后面连接有偏振分束器(24)，所述偏振分束器将至少一个反射射束(14)分成不同的偏振分量并将所述偏振分量引导到单独的探测器(18，19)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达设备，其中，所述偏振分析仪(16)是偏振分束器(24)。
8.一种用于运行根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达设备的方法，所述激光雷达设备借助至少一个射束(2，8)对扫描区域进行扫描，其中，
-以脉冲模式的形式产生至少两个射束(2)；
-将所述至少两个脉冲(2，8)沿着水平扫描角和沿着竖直扫描角进行偏转；
其特征在于，
-给所述至少两个脉冲(2)分配特定的偏振方向；
-将在对象(12)上散射或反射的至少一个脉冲(14)从偏振分析仪(16)引导到至少一个探测器(18，19)，所述至少一个脉冲具有所述特定的偏振方向。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在通过所述偏振编码器(6)改变所述特定的偏振方向之前，给多个彼此相继的脉冲(2)分配相同的偏振方向。
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