CN111630407A - 用于发射光的发射设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于发射至少一个频率的光的发射设备，其中，该发射设备构造用于将光发射到不同的角度范围中，使得各个角度范围中的光的频率在对应的频率范围中与时间有关地变化，其中，对于不同的角度范围，不同的频率范围中的频率在不同的时间不重叠。

Description

用于发射光的发射设备
技术领域
本发明涉及一种用于发射至少一个频率的光的发射设备。
本发明也涉及一种用于接收光的接收设备。
此外，本发明涉及一种传感器设备、一种用于发射至少一个频率的光的方法以及一种用于接收不同频率范围的光的方法。
背景技术
尽管本发明可应用在任意发射设备和接收设备上，但是结合光探测和距离系统(激光雷达)来说明本发明。
已知的激光雷达系统使用向特定方向偏转的窄带激光射束。如果激光射束照射到对象上，则可以借助激光射束在该角度中的对象处的反射来确定该对象的距离。为此，例如基于FMCW(调频连续波，英：frequency modulated continuous wave)原理发射线性频率斜坡，并且通过相干接收来求取发射斜坡与接收斜坡之间的频率差。借助该频率差可以确定对象的距离。为了能够探测区域中的对象，可以二维地照明区域。为此需要短的测量时间，然而，这通常会减小有效距离，即可以探测到对象的距离。其原因是，在距离变得更大的情况下，对于特定距离的信噪比线性地取决于测量时间，而在测量时间变得更大的情况下，不再能进行测量。
此外，已知，使用多个传感器，以便能够探测特定的角度范围，其中，每个传感器分配有该角度范围的单独的角度区段。然而，在此，每个区段需要自己的发射和接收路径。此外，可能产生来自其他角度区段的多次反射。
发明内容
在一种实施方式中，本发明提供一种用于发射至少一个频率的光的发射设备，其中，发射设备构造为用于将光辐射到不同的角度范围中，使得各个角度范围中的光的频率在对应的频率范围中与时间有关地变化，其中，对于不同的角度范围，不同的频率范围中的频率在不同的时间不重叠。
在另一实施方式中，本发明提供一种用于接收光的接收设备，其中，布置用于使随时间变化的不同频率范围的频率分离的分离装置和用于将所接收的光转换成电信号的至少一个探测器。
在另一实施方式中，本发明提供一种传感器设备，该传感器设备具有根据权利要求1至6中至少一项所述的发射设备和根据权利要求7至9中任一项所述的接收设备。
在另一实施方式中，本发明提供一种用于发射至少一个频率的光的方法，其中，将光发射到不同的角度范围中，使得在各个角度范围中的光的频率在对应的频率范围中与时间有关地变化，其中，对于不同的角度范围，不同频率范围中的频率在不同的时间不重叠。
在另一实施方式中，本发明提供一种用于接收不同频率范围的光的方法，尤其是利用根据权利要求11所述的方法所发射的光，其中，将随时间变化的不同频率范围的频率分离，并且尤其将所接收的光转换为电信号。
换句话说，可以借助发射设备将光辐射到不同的角度范围中，并且也可以借助接收装置再次接收反射光。
优点中的一个是可以同时照射多个角度范围，而不需要多个发射器和/或多个接收器，即不需要多个发射和接收路径。另一优点是，由此也可以增大用于对应频率范围的变化的测量时间，并且由此可以改善信噪比，这最终提高用于借助传感器设备探测对象的有效距离。另一优点是，由此提高灵活性，因为例如可以同时照明多个水平平面。
下面，说明或由此公开本发明的其他特征、优点和进一步的实施方式。
根据一种有利的扩展方案，发射设备构造为用于使对应的角度范围中的频率随时间线性地变化，优选从起始频率提高到结束频率。以此实现的优点中的一个是，能够实现频率在整个频率范围中简单地随时间变化。此外，也简化以后的分析评价，因为能够实现频率的单义的时间配属。
根据另一有利的扩展方案，布置有光源和用于产生光源的光的随时间变化的频率的调制装置。借助调制装置可以简单且同时可靠地调制光源、例如激光器的光。
根据另一有利的扩展方案，调制装置针对不同频率范围中的每个频率范围包括一个调制器。这能够实现特别可靠的调制。
根据另一有利的扩展方案，调制装置具有用于使频率范围随时间变化的调制器和用于产生不同频率范围的至少一个另外的调制器。以此实现的优点中的一个是，通过将频率范围和这些频率范围各自随时间的变化分离，可以提供不同频率范围中的频率的特别可靠的变化。例如，能够借助相位调制器在不同范围之间产生频率偏移。在此，以随时间可变的方式调制相位，并且由此产生频率偏移。这种调制器的示例是基于对载流子密度的调制的调制器或基于电光效应、例如普克尔斯效应或克尔效应的调制器。
根据另一有利的扩展方案，为每个频率范围布置有单独的光源。以这种方式可以使用具有不同特征的不同光源，这在总体上提高了灵活性。
根据另一有利的扩展方案，为每个频率范围布置单独的探测器。因此可以实现对光的特别可靠的探测，因为可以使探测器与对应的频率范围的所接收的光相协调。
根据另一有利的扩展方案，分离装置具有陷波滤波器、尤其是呈光子环形振荡器形式的陷波滤波器。借助陷波滤波器可以将具有不同的频率斜坡的接收光可靠地分离为具有对应的频率斜坡的光。
本发明的其他重要特征和优点由从属权利要求、由附图并且由属于附图的附图说明得出。
当然，在不脱离本发明的范畴的情况下，不仅可以在分别说明的组合中使用，而且可以在其他组合中或单独地使用上述特征和下面将要阐述的特征。
本发明的优选实施方案和实施方式在附图中示出，并且在下面的说明中详细阐述，其中，相同的附图标记涉及相同的或相似的或功能相同的构件或元件。
附图说明
在此，以示意的形式示出：
图1示出根据本发明的第一实施方式的频率随时间的变化的时间频率表示；
图2示出根据本发明的第二实施方式的发射设备；
图3示出根据本发明的第三实施方式的发射设备；
图4示出根据本发明的第四实施方式的发射设备；
图5示出根据本发明的第五实施方式的发射设备；
图6示出根据本发明的第六实施方式的接收设备；
图7示出根据本发明的第七实施方式的接收设备；
图8示出根据本发明的第八实施方式的传感器设备。
具体实施方式
图1示出根据第一实施方式的频率随时间的变化的时间-频率图。
在图1中示出频率斜坡的时间-频率图，其中，在这里，最上方的频率斜坡6c的基带以虚线表明。图1详细地示出时间-频率图1，其中，在时间2上方绘制出频率3。能看到三个频率斜坡5a、5b和5c，这三个频率斜坡分别以相同的斜率在相同的时间区间中上升。在此，频率斜坡5a、5b在其各自的起始频率处相差一个频率差4a，并且两个频率斜坡5b和5c相差一个频率差4b。在此，频率差4a、4b可以是相等的或者是不相等的。在图1中，第一斜坡5a的起始频率fa START最小，而第三频率斜坡5c的起始频率fc START最大。通过线性上升，各频率斜坡5a、5b、5c的对应的结束频率fa,b,c ENDE高于对应的起始频率fa,b,c START。显然，也能想到相反的频率斜坡，或者说线性下降的频率斜坡。在图1中能看到三个频率斜坡5a、5b、5c，但是任何其他数量的频率斜坡也是可行的。
在此，频率斜坡5a、5b、5c的产生能够按以下方式进行：借助三个不同的相位调制器产生来自光源、例如激光器的光，并且因此调制出三个线性频率斜坡5a、5b、5c。三个频率斜坡5a、5b、5c的差别在于其起始频率，fa START，fb START＝fa START+Δf1，fc START＝fa START+Δf1+Δf2，其中，不同起始频率fSTART、fSTART+Δf1、fSTART+Δf1+Δf2之间的偏移频率4a、4b不必强制性地大于频率摆幅，即各频率斜坡5a、5b、5c的起始频率和结束频率之间的差fa,b,c ENDE-fa ,b,c START。频率斜坡5a、5b、5c可以在接收时混合到对应的基带6中，也被称为所谓的“解线性调频”。在此，去除调制并且分离频率斜坡5a、5b、5c。只要各基带6在频率技术上相对彼此间隔开足够远，则尤其当基带不重叠时，频率斜坡5a、5b、5c也可以至少部分地位于相同的频率范围中，其中，在特定的时间点一个频率范围的频率则与另一频率范围的频率不同。在图1中仅示出最上方的频率斜坡5c的基带6c。一般地，也能想到其他形式的频率变化，例如，替代图1的线性上升地，线性上升后紧接着线性下降。
图2示出根据本发明的第二实施方式的发射设备。
在图2中示出具有三个调制器11和呈激光器10形式的光源的发射设备21。激光器10以特定的频率fSTART发射光，该光借助于三个调制器11a、11b、11c进行调制以产生线性的频率斜坡5a、5b、5c。换句话说，每个调制器11a、11b、11c分别调制一个频率斜坡11a、11b、11c。接下来，借助发射光具12发射所产生的三个频率斜坡5a、5b、5c的光。
图3示出根据本发明的第三实施方式的发射设备。
在图3中示出具有激光器10、用于产生频率斜坡的调制器11a和用于产生偏移4a、4b的两个调制器11b、11c的发射设备21。在这里，为了产生频率斜坡5a、5b、5c仅使用一个调制器11。借助调制器11所产生的、用于激光器10的光的线性频率斜坡被分到三个路径5a、5b、5c上，其中，这些频率斜坡在三个路径中的两个5b、5c中移动了一个频率偏移4a、4b。频率偏移4a、4b也可以借助相位调制器来产生。在此，以随时间可变的方式调制相位并且由此产生频率偏移4a、4b。这种调制器例如基于对载流子密度的调制或基于电光效应、例如普克尔斯效应或克尔效应。
图4示出根据本发明的第四实施方式的发射设备。
在图4中示出基本上按照图2的发射设备21。与图2的三个调制器11a、11b、11c不同的是，根据图4的调制器11构造为宽带的，使得该调制器可以将所有三个频率斜坡5a、5b、5c调制到激光器10的光上。
图5示出根据本发明的第五实施方式的发射设备。
在图5中示出基本上按照图2的发射设备21。与根据图2的发射设备21不同的是，现在在根据图5的发射设备21中布置三个激光器10a、10b、10c，所述激光器各自的具有频率fSTART、f′START、f”START的光信号相应地借助分别配属给激光器10a、10b、10c的调制器11a、11b、11c设有频率斜坡5a、5b、5c。然后，具有频率斜坡5a、5b、5c的相应地调制的光共同地经由发射光具12辐射出。
如所示出的那样，根据图1至5的经调制的光信号经由发射光具12发射到空间中。在此，可以为分别调制的光信号分别布置自己的发射光具12，例如呈微机械扫描仪或光学相位阵列等的形式的发射光具，该发射光具向特定的角度范围进行辐射，使得其他的/另外的发射光具的不同的角度范围不重叠。替代地，发射设备21可以这样构造，使得通过不同的频率范围、尤其是不同的斜坡5a、5b、5c的平均波长，借助发射光具12自动地辐射到不同的角度范围中。因此，将图5的三个经调制的激光射束10a、10b、10c的对应光进行组合并且然后经由同一发射光具12发射。通过经调制的光的不同频率得到朝不同空间角度的所期望的射束偏转。在此，斜坡5a、5b、5c之间的频率偏移4a、4b选择为足够大，因此图5的实施方式对此尤其有利。
图6示出根据本发明的第六实施方式的接收设备。
在图6中示出具有三个探测器15a、15b、15c的接收设备22。由接收设备22的接收光具13所接收的光在照射到探测器15a、15b、15c上之前首先借助分离设备14被分离。换句话说，在混合之前，即在将光学信号转换成电信号之前，例如通过尤其呈光子环形振荡器形式的陷波滤波器将所接收的、包括多个频率斜坡5a’、5b’、5c’的光学光信号分离。然后将每个频率斜坡5a’、5b’、5c’输送给对应的探测器15a、15b、15c。事先将所接收的每个频率斜坡5a’、5b’、5c’与相应的发射斜坡5a、5b、5c叠加，以便确保相干的接收：更确切的说，在通过相应的探测器15a、15b、15c探测到具有相应的频率斜坡5a’、5b’、5c’的光之后，将每个频率斜坡5a’、5b’、5c’与相应的发射斜坡5a、5b、5c这样叠加出的光信号混合到对应的基带6中，并且然后可以按照FMCW原理以已知的方式进行分析评价。
图7示出根据本发明的第七实施方式的接收设备。
在图7中示出具有探测器15的接收设备22。将由接收光具13所接收的光输送给探测器15，该探测器例如具有一个或两个光电二极管。具有所接收的频率斜坡5a’、5b’、5c’中的一个的光与相应的发射斜坡5a、5b、5c的光叠加。接下来，可以或者扫描完整的基带6，即具有对应的发射的频率斜坡5a、5b、5c的频率斜坡5a’、5b’、5c’的所有基带6a、6b、6c，或者在对应的基带6中使用带通滤波器和/或电混频器，用于分离频率斜坡5a、5b、5c。在此，尤其与探测器15的带宽成比例地相应地选择频率斜坡5a、5b、5c的频率差4a、4b，使得探测器15构造为用于相应地接收所有斜坡5a、5b、5c。
图8示出根据本发明的第八实施方式的传感器设备。
在图8中示出呈激光雷达系统形式的传感器设备20。传感器设备20包括在图1的实施方式中的发射设备21和在图7的实施方式中的接收设备。发射设备21将具有不同频率斜坡5a、5b的光辐射到不同的角度范围100、101中。位于传感器设备的有效距离中的角度范围100中的对象30反射所发射的、具有频率斜坡5a的光。由对象30反射的、具有频率斜坡5a’的光由接收设备22接收。传感器设备20分析评价所接收的光并且可以确定对象30与传感器设备20的距离。
总之，本发明的实施方式中的至少一个具有以下优点中的至少一个：
同时发射到不同的角度范围中并且用仅一个接收单元接收反射光，
同时照射多个角度范围，
增大每个斜坡的测量时间，并且由此改善信噪比，
较大的有效距离，
能实现激光雷达系统的并行，
由通过多次反射的较少错误探测导致更高的可靠性；
简单的结构，和
简单的实施。
尽管已经按照优选的实施例说明了本发明，但本发明不限于此，而是能以多种方式进行修改。

Claims (12)

1.一种用于发射至少一个频率的光的发射设备(21)，其中，所述发射设备(21)构造为用于将光辐射到不同的角度范围(100，101)中，使得各个角度范围(100，101)中的光的频率在对应的频率范围(fa START，fa ENDE，fb START，fb ENDE，fc START，fc ENDE)中与时间有关地变化(5a，5b，5c)，其中，对于不同的角度范围(100，101)，不同的频率范围(fa START，fa ENDE，fb START，fb ENDE，fc START，fc ENDE)中的频率在不同时间(2)不重叠。
2.根据权利要求1所述的发射设备，其中，所述发射设备构造为用于使对应的角度范围(100，101)中的所述频率(3)随时间线性地变化，优选从起始频率(fa START，fb START，fc START)提高到终止频率(fa ENDE，fb ENDE，fc ENDE)。
3.根据权利要求1或2所述的发射设备，其中，布置有光源(10，10a，10b，10c)和用于产生所述光源(10，10a，10b，10c)的光的频率的所述与时间有关的变化的调制装置(11，11a，11b，11c)。
4.根据权利要求3所述的发射设备，其中，所述调制装置(11，11a，11b，11c)针对不同的频率范围(fa START，fa ENDE；fb START，fb ENDE；fc START，fc ENDE)中的每个频率范围包括一个调制器(11a，11b，11c)。
5.根据权利要求3所述的发射设备，其中，所述调制装置具有用于使频率范围随时间变化的调制器(11a)和用于产生不同频率范围的至少一个另外的调制器(11b，11c)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的发射设备，其中，为每个频率范围(fa START，fa ENDE；fb START，fb ENDE；fc START，fc ENDE)布置单独的光源(10a，10b，10c)。
7.一种用于接收光的接收设备(22)，尤其是利用根据权利要求1至6中任一项所述的发射设备(21)所发射的光，其中，布置用于使随时间变化的不同频率范围(fa START，fa ENDE；fb START，fb ENDE；fc START，fc ENDE)的频率(3)分离的分离装置(14)和用于将所接收的光转换成电信号的至少一个探测器(15，15a，15b，15c)。
8.根据权利要求7所述的接收设备，其中，为每个频率范围(fa START，fa ENDE；fb START，fb ENDE；fc START，fc ENDE)布置有单独的探测器(15a，15b，15c)。
9.根据权利要求7或8所述的接收设备，其中，所述分离装置(14)具有陷波滤波器，尤其是呈光子环形振荡器形式的陷波滤波器。
10.一种传感器设备(20)，所述传感器设备具有根据权利要求1至6中至少一项所述的发射设备(21)和根据权利要求7至9中任一项所述的接收设备(22)。
11.一种用于发射至少一个频率(3)的光的方法，其中，将所述光发射到不同的角度范围(100，101)中，使得在各个角度范围(100，101)中的光的频率在对应的频率范围(fa START，fa ENDE；fb START，fb ENDE；fc START，fc ENDE)中与时间有关地变化(5a，5b，5c)，其中，对于不同的角度范围(100，101)，不同的频率范围(fa START，fa ENDE；fb START，fb ENDE；fc START，fc ENDE)中的频率(3)在不同的时间(2)不重叠。
12.一种用于接收不同频率范围的光的方法，尤其是利用根据权利要求11所述的方法所发射的光，其中，将随时间变化的不同频率范围(fa START，fa ENDE；fb START，fb ENDE；fc START，fc ENDE)的频率(3)分离(14)，并且尤其将所接收的光转换成电信号。
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