CN110927696A - 用于接收光以探测对象的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于接收至少一个波长的光以探测对象的设备，所述设备包括光学相位阵列，该光学相位阵列具有多个光学子相位阵列，其中，每个光学子相位阵列包括：‑多个天线；‑探测器，其用于相干地接收光；分析处理装置，其与光学子相位阵列连接并且构造用于确定如下的角度：在所述角度下探测到所述对象。

Description

用于接收光以探测对象的设备
技术领域
本发明涉及一种用于接收至少一个波长的光以借助光学相位阵列来探测对象的设备。
本发明还涉及一种用于借助至少一个波长的光借助光学相位阵列来探测对象的方法。
本发明还涉及一种激光雷达系统。
背景技术
相位阵列本质上是具有强烈方向性的受相位控制的组天线，该受相位控制的组天线通过各个辐射器/发射器的布置和连接来实现电磁辐射能量的集中。如果可以对各个辐射器进行不同地操控，则组天线的天线图可以电子地转动，从而为此可以省去可机械运动的部分。
在相位阵列的情况下，远场中的射束成形通过对由各个发射器、大多周期性地布置在阵列中的元件(天线/发射器)所发射的电磁波进行相长叠加和相消叠加来实现。由阵列中的各个发射器的间距和所使用的波长给定地在远场中得出一个或多个如下的位置：在所述位置处各个发射器的部分波进行相长干涉并且产生光斑或光束。所述点/方向也称为主波瓣并且必要时称为旁波瓣。通过调节各个部分波的相位可以对发生相长叠加的位置和/或方向产生影响。因此，波瓣可以例如在一角度范围上运动。此外可能的是，通过确定各个相位来在远场中产生几乎任意的强度分布
Figure BDA0002183705310000011
在相位阵列的情况下，将功率的一部分发射到背面而不发射到主波束(主波束是沿扫描或探测方向)中。
发明内容
在一种实施方式中，本发明提供一种用于接收至少一个波长的光以探测对象的设备，该设备包括具有多个光学子相位阵列的光学相位阵列，其中，每个光学子相位阵列包括：
-多个天线；
-探测器，其用于相干地接收光；
并且该设备包括分析处理装置，其与光学子相位阵列连接并且构造用于确定如下的角度：在该角度下探测到对象。
在另一实施方式中，本发明提供一种用于借助至少一个波长的光来探测对象的方法，该方法包括以下步骤：
-以确定的角度发送至少一个波长的光；
-借助具有多个光学子相位阵列的光学相位阵列来接收光，其中，每个光学子相位阵列包括：
○多个天线；
○探测器，其用于相干地接收光；
-根据所接收的光来确定至少一个可能对象；
-根据探测到可能对象的角度对对象进行验证。
在另一实施方式中，本发明提供一种具有根据本发明的设备的激光雷达系统。
换句话说，光学相位阵列的接收区域尤其划分成多个光学子相位阵列。这些光学子相位阵列中的每个都具有探测器并且执行包括信号处理在内的相干接收，这对于每个探测器产生复合谱。如下频率是所寻找的频率：在复合谱的量值谱中在该频率处出现该量值谱的最大值。由于光学子相位阵列的不同的中心位置，这些频率的复振幅是不同的。由各个光学子相位阵列的频率之间的相对相位差可以推导出光从对象返回到光学相位阵列的角度，即探测到的可能对象所处的角度。该角度尤其相应于光学相位阵列的射束成形的主波瓣所示出的角度，这可以被相应地检查。然而如果不是这种情况，则存在“幽灵目标(GhostTarget)”——即所探测到的、但实际不存在的对象，该对象可以辨识为“幽灵目标”并且相应地忽略该对象。
由此实现的优点中的一个是因此显著地减少假阳性的(falsch positive)目标的数量。在此，假阳性的目标是辨别为对象并以点云输出的点，但是其实际上至少并不存在于该位置处。在此尤其涉及所探测的目标的具有例如角度、距离、反射强度等的列表。为了可视化，所述目标或探测可以显示为周围环境的三维图像中的点。点的聚合例如是云状的，即形成点云。激光雷达系统例如认为看到了对象，但实际上没有对象处在那里。
本发明的其他特征、优点和其他的实施方式以下进行描述或者由此公开。
根据一种有利的扩展方案，光学子相位阵列的中心位置中的至少一个(优选至少两个)非对称地布置在相应的光学子相位阵列中。对此的优点是通过不同的中心位置可以实现可靠地探测到假阳性的对象或目标。在说明书中、优选在技术方案中，术语“中心位置”尤其理解为组合的光入射点的相位中心、尤其光学子相位阵列在各个光射出点的会聚方向上的几何中心。
根据另一有利的扩展方案，分析处理装置包括至少一个模/数转换器和处理器。因此，能够简单且可靠地分析处理以及简单地实施。
根据该方法的另一有利的扩展方案，为了确定至少一个可能对象，关于光学子相位阵列求平均地求取在所接收的光的所记录的谱的量值的最大值处的频率。换句话说，为采样信号中的每个形成一个谱。该谱尤其是复合的，然后在该谱的量值中寻找最大值并且求取所属的频率。替代于分开地寻找最大值，对量值谱进行求平均。对此的优点是可以通过非相干积分来改善信噪比。
根据另一有利的扩展方案，为了将可能对象验证为对象而检查：在确定的角度处是否存在角谱的最大值。因此，可以以简单且同时可靠的方式检查可能对象是否是真实的对象。
根据另一有利的扩展方案，为了提供角谱，测量在每个光学子相位阵列的频谱中在所求取的频率处的振幅，并且将该振幅与先前测量的值结合、尤其相乘。因此，可以以简单的方式提供角谱。
根据另一有利的扩展方案，在未成功将该可能对象验证为对象的情况下，关于光学子相位阵列求平均地求取在所接收的光的所记录的谱的另一最大值处的频率确定。因此，可以对其他的最大值依次地进行如下检查：这些其他的最大值是否可以分配给真实的对象。
根据激光雷达系统的另一扩展方案，该激光雷达系统构造成基于FMCW原理来运行。借助FMCW(英语frequency modulated continuous wave的缩写，调频连续波)可以通过发送频率斜坡与接收频率斜坡的差异来计算对象的距离。
由优选的实施方式、附图以及根据附图的所属的附图描述得出本发明的其他重要的特征和优点。
可以理解，在不离开本发明的范畴的情况下，先前提及的特征和以下还待阐述的特征不仅可以以分别所说明的组合来使用，而且可以以其他组合或单独地来使用。
附图说明
本发明的优选的实施和实施方式在附图中示出并且在以下描述中更详细地阐述，其中，相同的附图标记表示相同的或相似的或功能相同的构件或元件。附图示出：
图1示出根据本发明的实施方式的设备；
图2示出借助根据本发明的实施方式的设备所记录的角谱；
图3示出根据本发明的实施方式的设备的一部分；
图4示出根据本发明的实施方式的方法；
图5示出根据本发明的实施方式的方法。
具体实施方式
图1以示意图的形式示出根据本发明的实施方式的设备。
在图1中示出包括光学相位阵列2的设备1，该光学相位阵列在此通常一般具有n个光学子相位阵列31、32、…、3n。在此，每个子相位阵列31、32、…、3n具有相应的中心位置71、72、…、7n。在此，每个光学子相位阵列31、32、…、3n总体上具有多个天线311、312、…、31m；321、322、…、32m'；…。光学子相位阵列31、32、…中的每个与光电二极管41、42、…、4n连接，所述光电二极管又分别与一个模/数转换器51、52、…、5n连接。所有的模/数转换器51、52、…、5n与共同的用于分析处理的数字信号处理器6连接。
在图2中示出借助根据本发明的实施方式的设备所记录的角谱。
在图2中详细地示出图1的n＝8个非等距布置的光学子相位阵列31、…、38的角谱13。在此，在角度11上描绘分别测量的强度12。在图2中所示的谱13仅对于0°的实际角度具有单个最大值14。
在图3中示出根据本发明的实施方式的设备的一部分。
在图3中详细地示出八个光学子相位阵列31、…、38。所述八个光学子相位阵列以角度10接收相应的光。在此，通过光学子相位阵列31、…、38的不同位置而造成的不同的路径长度82、83、…、88可能产生传播时间差：根据该传播时间差可以求取在所接收的光中(更准确地说，在相应的谱中的峰值的复振幅中)相应的相位变化。然后可以根据该相位变化来估算角度10，如下面进一步实施的那样。
接下来根据具有128个通道的相位阵列2示例性地描述设备1，所述相位阵列划分成具有各16个通道的8个光学子相位阵列31、32、…、38。然而，其他数量的通道和/或其他数量的光学子相位阵列也是可能的。所述光学子相位阵列31、32、…、38中的每个尤其是完整的FMCW激光雷达传感器，也就是说，所述光学子相位阵列31、32、…、38中的每个具有如下的本地振荡器(Lokal-Oszillator)：将该本地振荡器的光学信号与所接收的光学信号叠加并且由此与所接收的光学信号在光电二极管41、42、...、48上发生干涉。光功率的如下部分的光尤其称为本地振荡器：在发送经调制的激光前，该部分例如通过分束器而分出。然后将光的该部分与所接收的光再次叠加，由此在两者之间发生干涉。然后，可以由光电二极管来探测由两个部分构成的组合。在光电二极管的光电流中可以可与在FMCW雷达的情况下的基带信号比较地测量出差拍信号(Beat-Signal)。
此外，存在八个并行的路径，其中，借助相应的模/数转换器41、…、48对路径的信号分开地进行采样，并且可以在共同的数字信号处理单元6中进行处理。原则上，也可以首先设想分开的DSP单元6(DSP-Einheit，数字信号处理单元)。为了清楚起见，在图1中省去示出用以实现FMCW原理的与本地振荡器的叠加。在实际上，在光电二极管41、42、…、48上不仅对所接收的光进行测量，而且将所接收的光与来自本地振荡器的光进行叠加。
对于采样信号中的每个形成一个谱。该谱尤其是复合的，然后在该谱的量值中寻找最大值。替代于分开地寻找最大值，对量值谱进行求平均，用以通过非相干积分来改善信噪比。如果已经找到量值谱中的最大值的频率，则再次在八个光电二极管信号的复合谱中提取在该位置处的复振幅并且将其存储。因此得到具有八个复合值的矢量。这些值相应于光电二极管41、42、…、48的信号的量值谱中的相应最大值的位置处的复振幅。所述复振幅包含关于接收到光的角度的信息，因为由于光学子相位阵列31、…、38的不同的中心位置71、…、78导致光学子相位阵列31、…、38之间的传播时间差。所述传播时间差相应于如在图3中所示的那样的相应信号的相位差。例如，最左边的光学子相位阵列31和以间距px2-px1与光学子相位阵列31相邻的光学子相位阵列32所探测到的峰值(其中所属的光相对于设备1成角度10)之间的相位差相应于：
Figure BDA0002183705310000061
因为可以认为至可能对象的距离相对于设备的尺寸是大的，所以假设相对于所有光学子相位阵列31、…、38的角度θ10相等。这称为远场近似并且当对象间距比设备1的尺寸尤其大100倍时可以视为规定。如实施的那样，由射束偏移已知：当前入射的角度10是多少。对于每个角度10存在事先存储的相位数据。所存储的数据具有的尺度为元件的数量与可能的角度的数量相乘。通过与复合测量数据(即所探测到的可能对象的复振幅的矢量)相乘，尤其形成待检查的角度的长度的矢量(Vektor der
Figure BDA0002183705310000062
)。在此，对参考数据进行复数共轭。由此将在两个相等的矢量的情况下的结果在相位正确地相加并且得到最大值。在所有角度上绘制的该乘法的结果的量值称为角谱13，如在图2中所示的那样。将该函数尤其除以测量数据的数量(即在此除以8)，用以对该函数进行归一化，使得最大值14处在1。换句话说，对于每个可能的角度将测量数据乘以参考数据。在这两个矢量最佳地一致的情况下，在角谱13中得出最大值14。如果该最大值14处在相应于当前射入的角度10的角度11，则所探测到的可能对象是真实对象。如果不存在最大值14或者最大值14在另一角度下出现，则所探测到的可能对象是假阳性的对象并且将其忽略。在图4中的流程图中详细地示出该方法。
如此选择光学子相位阵列31、32、…、38的中心位置71、72、…，使得在角度估算时尤其不存在多义性或仅存在小的多义性。例如具有光学子相位阵列的中心位置[0 1 2 3 45 6 7]*16*4μm＝[0 16 32 48 64 80 96 112 128]*4μm并且在1550nm波长的情况下在0°的目标角度处的光学相位阵列2将导致无差异的角谱。在此，“位置矢量”可以如此理解：各个天线311、…、31m；321、…、32m'以4μm的间距布置，并且总是每16个组合成一个光学子相位阵列31、…、38。因此，所述光学子相位阵列31、…、38的中心位置71、72、…、78处在16*4μm、32*4μm等位置。
通过将各个光学子相位阵列31、…、38的中心位置71、72、…、78改变成[0 1*16 16+15 3*16 3*16+17 5*16 6*16 7*16]*4μm＝[0 16 31 48 64 81 96 112 128]*4μm，对于相同的角度和相同的波长产生根据图2的角谱13。该位置矢量几乎相应于上述的位置矢量，除了光学子相位阵列32(向左)和光学子相位阵列34(向右)分别移位一个元件。这种不规则性导致角谱包含较少的多义性。对于第二光学子相位阵列布置32的角度估算更明确，并且可以更容易地得出目标是否确实处在射入角度10下的结论。小的多义性或近似最大值(Fast-Maxima)并不重要，因为仅要探测对象是否在实际上处在射入方向上。通过检查拍频(Beat-Frequenz)的复振幅可以计算出接收光的角度10。这可以借助已知的到达方向(英语Direction of Arrival)估算方法或数字射束成形(德语digitalen Strahlformen，英语digital beamforming)来实施。详细地例如对拍频进行探测。通过光学子相位阵列获得如所存在的光学子相位阵列那样多的复合谱。将所述拍频的复振幅用作用于数字射束成形的输入数据。将所述复振幅例如与预先记录的参考数据或校准数据进行比较和/或进行关联。由数字射束成形获得角谱，由该角谱可以确定：目标或所探测到的对象来自哪个方向。
一种简单的方法是预先在所有可能的角度处对已知的距离中的目标进行测量，并且将拍频的复振幅存储在设备1中。因此，所存储的数据具有的尺度是光学子相位阵列31、…、38的数量与所检查的角度的数量相乘。然后将所存储的数据与所测量的数据相乘，并且这样的角度(在预先所记录的数据中在该角度处得到最大值14)相应于接收光的角度10。然后可以将该探测到的角度与角度10进行比较，在该角度10中已经示出相位阵列2的射束成形的主波瓣。如果这些角度不一致，则预给定的对象不是真实对象并且可以标记为非真实对象。同样地，替代预先测量所有目标角度的接收相位，也可以根据以上提及的公式计算出相位值的理想矢量。
图4示出根据本发明的实施方式的方法。
在图4中详细地示出用于验证可能对象的过程的流程图。
在此在第一步骤T1中，借助光学相位阵列2以角度X来发射光。
然后在第二步骤T2中，接收来自可能对象的光。
在第三步骤T3中，将确定的距离处的可能对象在关于光学子相位阵列31、…、38求平均的谱中辨识为最大值，并且确定相应的目标频率。
然后在第四步骤T4中，在每个光学子相位阵列31、…、38的情况下的频谱中在所求取的目标频率处测量相应的复振幅。
在第五步骤T5中，将所测量的振幅与由先前测量、尤其由设备1中的数据库提取的事先的振幅相乘并且因此获得角谱。
然后在第六步骤T6中，对角谱的最大值是否处在角度X处进行验证。如果是这种情况，则将其看作真实的目标或对象，而如果不是这种情况，则根据步骤T3求取在求平均的谱中的下一最大值。
图5示出根据本发明的实施方式的方法。
在图5中示出借助至少一个波长的光来探测对象的方法的步骤。
在此在第一步骤S1中，以确定的角度10来发送至少一个波长的光。
然后在另一步骤S2中，借助具有多个光学子相位阵列的光学相位阵列来接收光。
然后在另一步骤S3中，根据所接收的光来确定至少一个可能对象。
然后在另一步骤S4中，根据探测到可能对象的角度10对对象进行验证。
总之，本发明的实施方式中的至少一种具有以下优点中的至少一个：
·减少假阳性的目标；
·实施简单；
·高可靠性。
尽管根据优选的实施例已经描述本发明，但是本发明不限于此，而是可以以各种方式进行修改。

Claims (10)

1.一种用于接收至少一个波长的光以探测对象的设备(1)，所述设备包括
光学相位阵列(2)，该光学阵列具有多个光学子相位阵列(31，32，…，3n)，其中，每个光学子相位阵列(31，32，…，3n)包括：
-多个天线(311，…，31m；321，…，32m'；…)；
-探测器(41，…，4n)，所述探测器用于相干地接收光；
分析处理装置(51，…，5n，6)，所述分析处理装置与所述光学子相位阵列(31，32，…，3n)连接并且构造用于确定如下的角度(10)：在所述角度(10)下探测到所述对象。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学子相位阵列(31，32，...，3n)的中心位置(71，72，…，7n)中至少一个、优选至少两个非对称地布置在相应的光学子相位阵列(31，32，…，3n)中。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中，所述分析处理装置(51，…，5n，6)包括至少一个模/数转换器(51，…，5n)和处理器(6)。
4.一种用于借助至少一个波长的光来探测对象的方法，所述方法包括以下步骤：
-以确定的角度(10)发送(S1)至少一个波长的光；
-借助具有多个光学子相位阵列(31，32，…，3n)的光学相位阵列(2)来接收(S2)光，其中，每个光学子相位阵列(31，32，…，3n)包括：
o多个天线(311，…，31m；321，…，32m'；…)；
o探测器(41，…，4n)，所述探测器用于相干地接收光；
-根据所接收的光来确定(S3)至少一个可能对象；
-根据探测到所述可能对象的所述角度(10)对对象进行验证(S4)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，为了确定(S3)所述至少一个可能对象，关于光学子相位阵列(31，32，…，3n)求平均地求取在所接收的光的所记录的谱的量值的最大值处的频率。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的方法，其中，为了将所述可能对象验证(S4)为对象而检查：角谱(13)的最大值是否处在所述确定的角度(10)。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，为了提供所述角谱(13)，测量在每个光学子相位阵列(31，32，…，3n)的频谱中在所求取的频率处的振幅，并且将所述振幅与预先测量的值结合、尤其相乘。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其中，在未成功将所述可能对象验证为对象的情况下，关于所述光学子相位阵列(31，32，…，3n)求平均地求取在所接收的光的所记录的谱的另一最大值处的频率。
9.一种激光雷达系统，其具有根据权利要求1至3中任一项所述的设备。
10.根据权利要求9所述的激光雷达系统，所述激光雷达系统构造成基于FMCW原理来运行。
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