CN112041701A - 用于确定至少一个对象的位置的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提出一种用于确定至少一个对象的位置的设备，其中，该设备具有至少一个第一发射器(1)，该第一发射器设置为用于发射从设备传播至对象的第一发射光信号(2)，其中，该设备具有至少一个探测器(4)，该探测器设置为用于探测从对象传播至探测器(4)的接受光信号(3)，其中，该探测器具有带有至少一个像素(6)的至少一个像素矩阵(5)，其中，该设备具有至少一个被动偏振自适应单元(7)，该被动偏振自适应单元设置为根据周围环境光信号(8)来控制接收光信号(3)的偏振。此外，提出一种用于借助这种设备来确定至少一个对象的位置的方法，在该方法中，测量控制元件在第一测量时间点测量第一信噪比；并且测量控制元件在第二测量时间点测量第二信噪比；如果第二信噪比小于第一信噪比，则测量控制元件控制第二发射器发射第二发射光信号而不是第一发射光信号。

Description

用于确定至少一个对象的位置的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定至少一个对象的位置的设备，其中，该设备具有至少一个第一发射器，该第一发射器设置为用于发射第一发射光信号，该第一发射光信号从该设备传播至该对象，其中，该设备具有至少一个探测器，该探测器设置为用于探测接收光信号，该接收光信号从对象传播至探测器，其中，该探测器具有带有至少一个像素的至少一个像素矩阵。
本发明还涉及一种借助这种设备确定至少一个对象的位置的方法。
背景技术
这种设备也称为激光雷达(最初是由光和雷达组成的Portmonteau)。激光雷达尤其可以用于确定对象相对于其自身和相对于其他对象的位置。可能的应用领域例如在汽车领域中得出。激光雷达的功能原理是已知的。
在此，在汽车领域大多使用以激光源作为发射器来工作的激光雷达。在此，激光源(例如边缘发射器)通常由系统决定地发射线性偏振光作为发射光信号。但是，这不是激光雷达的系统要求，而是基于所使用的发射器的“寄生”现象。
现在，发射光信号的线性偏振会对设备(激光雷达)的系统性能产生影响。在此，由发射光信号相对于周围环境亮度、即周围环境光信号的比例来确定信噪比(SNR)。周围环境亮度、即周围环境光信号在此体现“干扰光或周围环境光”，所述周围环境光信号取决于设备(激光雷达)的使用周围环境以及早晚时间。在此，周围环境光信号的大部分偏振与早晚时间有关地发生变化。
在此，信噪比(SNR)对于设备(激光雷达)的可实现有效距离具有决定性作用。因此，这种可实现有效距离与占多数的周围环境光信号并因此与早晚时间有关地发生改变。
周围环境光的大部分偏振由于太阳光在大气的空气分子上的散射而随早晚时间发生变化。如果太阳靠近顶点，则观察到周围环境光信号的大部分平行的偏振。如果太阳靠近地平线，则观察到周围环境光信号的大部分垂直的偏振。
因此，设备的系统性能根据早晚时间而变化。
由US 8 054 464 B2已知一种可改变偏振的激光雷达，尤其是用于探测和表征分布在空气中的颗粒，所述激光雷达包括主动地调节的相位延迟器，该相位延迟器具有带有不同相位延迟的两个状态，用于改变光的偏振。相应于一种实施方式，可以不仅在发射路径中存在偏振方向的主动调节，而且在接收路径中存在附加的主动全局偏振控制。
由WO 2014/198623 A1已知一种用于光学探测至少一个单个对象的探测器。提出在一种在探测器的像素级上应用具有不同吸收特性的拜耳滤光器的方法。
发明内容
根据本发明，提供一种设备，该设备具有至少一个被动偏振自适应单元，该被动偏振自适应单元设置为用于，根据周围环境光信号来控制接收光信号的偏振。
根据本发明的设备具有以下优点：由此，一方面通过有效地消除周围环境光信号可以实现信噪比的显著改善。另一方面，可以在早晚变化过程中(和周围环境光信号的在早晚变化过程中发生变化的大部分偏振)实现该设备的稳定的系统性能。这意味着较大的设备有效距离或较稳定的有效距离可用性。借助该设备可以更可靠地确定距离该设备较远的对象的位置。在此，在本实施方式中，使用借助被动偏振自适应单元对偏振进行的被动控制。这种被动偏振自适应单元被使用在接收路径中。根据周围环境光信号来控制由对象反射的接收光信号的偏振。
在此，可能有利的是，被动偏振自适应单元具有偏振滤光器矩阵，该偏振滤光器矩阵具有至少一个静态偏振滤光器并且所述静态偏振滤光器布置在探测器与对象之间。
在这种布置方式中，由对象反射的接收光信号在到达探测器之前首先经过偏振滤光器矩阵。则在接收光信号通过偏振滤光器矩阵的偏振滤光器时，仅希望的偏振分量通过并且其余分量被阻挡。因此，能控制接收光信号的偏振。
在此进一步有利的是，静态偏振滤光器的位置与像素的位置相协调。
在该实施方式中，在设备的接收路径中在像素级上使用静态偏振滤光器。因此，该偏振滤光器矩阵是具有静态偏振滤光装置、也就是静态的通过平面和滤光器平面的被动偏振滤光器阵列。可以设置偏振滤光器矩阵的偏振滤光器与探测器的像素矩阵的像素的1:1配属关系。滤光效果例如能借助使用小金属丝来实现。
也有利的是，偏振滤光器矩阵具有由用于垂直偏振或用于平行偏振的偏振滤光器和通过空间组成的交替布置。
在该实施方式中，偏振滤光器矩阵构造为类似于由图像处理技术中已知的“拜耳滤光器”。在这种拜耳滤光器中存在偏振滤光器与像素的1:1配属关系。由偏振滤光器和通过空间组成的交替布置产生“棋盘图样”。在该图样中，用于垂直偏振的偏振滤光器或用于平行偏振的偏振滤光器与未经滤光的像素交替。所述偏振滤光器像素的位置与通过空间的位置相协调。现在，在通过方向例如用于垂直偏振的偏振滤光器的情况下可以使用垂直偏振的发射光信号(和因此垂直偏振的接收光信号)。这例如可以借助使用垂直地进行发射的边缘发射器作为第一发射器来实现。替代地，可以通过在发射路径中、即针对发射光信号使用相应其它激光器类型来实现。然后，至少在半天期间(在此：太阳在顶点，大部分平行偏振的周围环境光信号)借助偏振滤光器优化地阻挡入射的周围环境光信号。结合未经滤光的像素，在信噪比为50％的情况下将日均信噪比改善25％。
根据本发明，还提供一种设备，该设备具有主动偏振自适应单元，该主动偏振自适应单元设置为用于，根据周围环境光信号来控制第一发射光信号的偏振。
这具有进一步的优点，由此，一方面可以通过有效地消除周围环境光信号来实现信噪比的显著改善。另一方面，可以在早晚过程中(和周围环境光信号的在早晚过程中发生变化的大部分偏振)实现该设备的稳定的系统性能。这意味着较大的设备有效距离。借助该设备可以更可靠地确定距离该设备较远的对象的位置。在此，在本实施方式中，使用借助主动偏振自适应单元对偏振进行的附加主动控制。该主动偏振自适应单元被使用在发射路径中。根据周围环境光信号来控制由第一发射器所发射的第一发射光信号的偏振。
在此有利的是，主动偏振自适应单元具有第二发射器，该第二发射器设置为用于发射第二发射光信号，该第二发射光信号从该设备传播至对象，其中，第二发射光信号与第一发射光信号正交地偏振。
第一发射器和第二发射器可以构造为相对彼此正交地偏振的激光器。例如，可以使用两个相对彼此正交地旋转的边缘发射器。因此，借助第一发射器和第二发射器将第一发射光信号和第二发射光信号提供给所述设备。在此，第一发射光信号和第二发射光信号相对彼此正交地偏振，使得可以不但为大部分平行地偏振的周围环境光信号而且为大部分垂直地偏振的周围环境光信号选择合适的发射光信号。
在此，也优选的是，主动偏振自适应单元具有测量控制元件，该测量控制元件设置为用于，测量所述设备的信噪比并且根据该信噪比来控制第一发射器和/或第二发射器。
因此，可以实现第一发射器和第二发射器之间的“自适应切换”。在此，该自适应切换可以根据早晚时间来实现。因此，在设备的运行期间，可以借助测量控制元件连续地测量信噪比。该测量控制元件可以在所测量的信噪比变差的情况下及时地激活在该时间点对应未激活的那个发射器，使得该发射器发射发射光信号。同时，可以相应地在该时间点借助测量控制元件来停用另一激活的发射器。换句话说，例如，第一发射器首先发射具有垂直于周围环境光信号的偏振的第一发射光信号。现在，在设备的运行期间，在早晚过程中周围环境光信号的大部分偏振缓慢地改变。周围环境光信号的所述大部分偏振转变为相对于在设备的运行开始时的周围环境光信号初始状态大部分垂直的偏振。同时，随着周围环境光信号的偏振的这种“旋转”，所测量的信噪比将变差。一旦出现这种变差，则测量控制元件就可以停用第一发射器。因此，第一发射光信号的发射结束。同时，测量控制元件将激活第二发射器。因此，与第一发射光信号正交偏振的第二发射光信号的发射开始。现在，第二发射光信号与周围环境光信号的已改变的偏振更好地相协调。信噪比得到改善。因此，在任何白天时间，发射光信号都与周围环境光信号的大部分偏振正交地偏振。结合被动偏振自适应元件，在信噪比为50％的情况下在任何白天时间都将信噪比改善50％。第一发射光信号和第二发射光信号的正交偏振可以通过在发射路径中使用更多的激光器(例如旋转30°进行发射的激光器)或替代地通过主动进行偏振旋转的元件(例如液晶、普克尔斯盒或可旋转波片)来实现。
最后，根据本发明说明一种设备，在该设备中，主动偏振自适应单元具有至少一个可控制的偏振旋转元件，其中，偏振滤光器矩阵布置在探测器与所述可控制的偏振旋转元件之间。
在此，特别有利的是，偏振滤光器矩阵仅具有统一的偏振滤光器(例如仅具有平行透射的偏振滤光器，而不是用于垂直偏振的偏振滤光器和用于平行偏振的偏振滤光器交替布置)。因此，偏振滤光器矩阵可以构造为统一的偏振滤光器。在这种统一的偏振滤光器前面则在接收路径中连接有所述可控制的偏振旋转元件连接。所述可控制的偏振旋转元件例如可以由可电控液晶、普克尔斯盒或可旋转波片构成。
由于使用了主动偏振自适应单元，入射到所述设备的接收光信号大部分垂直于周围环境光信号地定向。现在，可以通过自适应旋转如此控制入射的接收光信号的偏振，使得该入射的接收光信号始终优化地位于统一的静态偏振滤光器的透射平面中，而入射的周围环境光信号优化地位于偏振滤光器的吸收平面中。
通过结合静态的、统一透射的偏振滤光器地使用在任何白天时间都与周围环境光信号的偏振正交地取向的接收光信号，由于不需要透射平面的交替而得到像素数量的翻倍和因此图像分辨率的翻倍。此外，根据该实施方式，也不必使用偏振滤光器矩阵：普通的偏振滤光器对于整个探测器表面来说就已经足够了。偏振旋转的自适应变化也可以视白天时间而定地“缓慢地”进行。可以使用切换时间在ms范围内的低成本的液晶，因为太阳位置的变化明显更慢地在小时范围内进行。
在信噪比为50％的情况下，在任何白天时间将信噪比改善100％。始终将周围环境光信号优化地阻挡在探测器前面。
根据本发明还说明一种方法，在该方法中，测量控制元件在第一测量时间点测量第一信噪比；并且测量控制元件在第二测量时间点测量第二信噪比；并且如果第二信噪比小于第一信噪比，则测量控制元件控制第二发射器来发射第二发射光信号。
如上面已经详细解释的那样，由此实现，入射的接收光信号的偏振总是大部分正交于入射的周围环境光信号。一旦周围环境光信号的偏振相对于例如第一发射光信号的偏振旋转偏离两个偏振相互之间的最佳垂直位置，信噪比就会变差。在该时间点，测量控制元件将停用激活的发射器。该测量控制元件同时激活未激活的发射器。被激活的发射器发射垂直于现在停用的发射器的发射光信号的发射光信号。因此再次优化发射光信号的偏振(和因此接收光信号的偏振)与周围环境光信号之间的角度关系，即在它们之间建立尽可能正交的关系。
在该方法中优选的是，测量控制元件控制第二发射器以周期性时间间隔发射第二发射光信号；并且测量控制元件在发射第二发射光信号的时间点确定第三信噪比。
因此，信噪比的测量可以周期性地进行。可以周期性地用第二发射器的第三信噪比在可能的改善方面对所述信噪比的测量进行检查。为此，第二发射器以确定的时间间隔实施测试发射。
附图说明
参照附图和下面的说明进一步阐述本发明的实施例。附图示出：
图1示出具有被动偏振自适应单元的用于确定至少一个对象的位置的设备；
图2示出具有主动偏振自适应单元的用于确定至少一个对象的位置的设备；
图3示出具有被动偏振自适应单元和主动偏振自适应单元的用于确定至少一个对象的位置的设备；
图4示出用于借助具有主动偏振自适应单元的设备来确定对象的位置的方法；
图5示出用于借助具有被动偏振单元和主动偏振单元的设备来确定对象位置的方法；
图6示出根据图5的方法，其中，偏振以偏振旋转角度自适应地旋转。
具体实施方式
根据本发明的设备具有第一发射器1，该第一发射器设置为用于发射第一发射光信号2。该发射光信号2在要确定位置的对象上被反射，并且作为接收光信号3传播回所述设备。在此，该接收光信号射到具有像素矩阵5的探测器4上，该像素矩阵具有至少一个像素6。
在图1中示出具有被动偏振自适应单元7的设备，该被动偏振自适应单元设置为用于根据周围环境光信号8来控制接收光信号3的偏振。在此，被动偏振自适应单元7具有偏振滤光器矩阵9。该偏振滤光器矩阵9具有多个静态偏振滤光器10。在此，在所示出的实施例中，用于垂直偏振的偏振滤光器11和用于平行偏振的偏振滤光器12“棋盘图样状地”交替。在用于垂直偏振的偏振滤光器11和用于平行偏振的偏振滤光器12之间分别设置通过空间13。
在此，各个偏振滤光器10与像素矩阵5的像素6以1:1的配属关系布置。这类似于由图像处理技术中已知的“拜耳滤光器”。偏振滤光器10例如可以借助小的金属丝构成。
在通过方向针对垂直偏振的情况下可以使用垂直偏振的接收光信号3。这例如可以借助发射路径中的作为第一发射器1的垂直边缘发射器或其它相应激光器类型来实现。在这种情况下，则至少在半天期间(在此：太阳在最高点时；周围环境光信号8经平行偏振)在像素6处借助偏振滤光器10优化地阻挡周围环境光信号8。
结合在通过空间13后面的未经滤光的像素6，在信噪比为50％的情况下日均信噪比改善了25％。
图2示出具有主动偏振自适应单元14的设备。在所示出的实施例中，该主动偏振自适应单元14具有第二发射器15。第二发射器15设置为用于发射第二发射光信号16。在所示出的实施例中，第一发射器1发射具有平行偏振17的第一发射光信号2。第二发射器15发射具有垂直偏振18的第二发射光信号16。因此，第一发射光信号2的偏振设置为与第二发射光信号16的偏振正交。这种偏振可以通过更多的激光器(作为第一发射器1和第二发射器15)例如旋转30°进行发射，或替代地通过在发射路径中的主动进行偏振旋转的元件(未示出)(例如液晶、普克尔斯盒或可旋转波片)来实现。
在图4中示出具有主动偏振滤光器单元14的设备的功能方式。在此，图表a)示出示例性地处于垂直偏振18中的第一发射光信号2。相反地，周围环境光信号8具有平行偏振17。因此，相对于第一发射光信号2的垂直偏振18优化地调整周围环境光信号8的大部分平行偏振17的定向。
现在，在设备的运行过程中并且随着白天时间经过，周围环境光信号8的大部分偏振发生改变。所述偏振随时间变化从平行偏振17(图表a))改变成垂直偏振18(图表e))。由于这种改变，周围环境光信号8的偏振相对于第一发射光信号2的优化的正交定向也将变差。信噪比将增大。信噪比可以借助测量控制元件(未示出)来确定。因此，一旦信噪比变差，则测量控制元件可以操控第二发射器15，然后该第二发射器发射第二发射光信号16。在此，第二发射光信号16具有平行偏振17。因此，再次改善与周围环境光信号8的朝垂直偏振18改变的偏振之间的角度关系。第二发射光信号16的偏振与第一发射光信号2的偏振正交。
在激活第二发射器15的同时，可以借助测量控制元件停用第一发射器1。因此，在任意白天时间，发射光信号2、16的偏振与周围环境光信号8的大部分偏振正交。根据周围环境光信号8的偏振实施第一发射器1和第二发射器15之间的自适应切换。
当测量控制元件测量到信噪比变差时，进行自适应切换。必要时，在这里，可以周期性地利用第二发射器15的信噪比在可能的改善方面对信噪比测量进行检查，其方式是第二发射器15以确定的时间间隔实施测试发射。
通过将调整为在任意白天时间与周围环境光信号8的大部分偏振正交的发射光信号2、16与静态的、交替垂直和平行地进行透射的像素6(如上所述)相结合，在50％的信噪比的情况下在任何白天时间都将信噪比改善50％。
图3示出具有主动偏振自适应单元14(在这里未示出；参见图2)的设备，该设备具有可控制的偏振旋转元件19。在这里，被动偏振自适应单元7构造为用于垂直偏振11的静态的、统一的(此处：仅平行地进行透射)偏振滤光器。该偏振滤光器前面在接收路径中连接有可控制的偏振旋转元件19。可控制的偏振旋转元件19例如可以构造为液晶、普克尔斯盒或可旋转波片。
在图5和6中示出用于使用可控制的偏振旋转元件19的方法。
在此，图5示出在接收路径中借助可控制的偏振旋转元件19进行主动旋转偏振之前的方法。如前面针对图4所说明的那样，在这里发射光信号2、16的偏振也保持正交于周围环境光信号8的偏振。在图5的图表a)中，第一发射光信号2例如具有垂直偏振18。周围环境光信号8具有平行偏振17。随着周围环境光信号8的偏振旋转，从第一发射器1的第一发射光信号2自适应地切换到第二发射器15的第二发射光信号16。
为此，如图6所示，现在可以附加地使偏振自适应地旋转偏振旋转角度20。由此实现，接收光信号3相对于统一的、静态偏振滤光器10的透射平面总是优化地取向。同时，周围环境光8的偏振也相对于统一的、静态偏振滤光器10的吸收平面优化地取向。
因此，一方面，使用在任何白天时间都与周围环境光信号8的大部分偏振正交的发射光信号2、16。这借助可控制的偏振旋转元件19来实现。由此可以省去由用于垂直偏振的偏振滤光器11或用于平行偏振的偏振滤光器12与通过空间13组成的偏振滤光器矩阵9的棋盘状结构。这引起像素数量翻倍；图像分辨率翻倍。也可以使用视白天时间而定的对偏振的“缓慢”旋转。因此可以使用低成本的液晶作为可控制的偏振旋转元件19。这种液晶的“切换时间”可以在ms范围内，因为太阳位置的变化和因此周围环境光信号8的偏振变化再次明显慢得多地在小时范围内进行。
在信噪比为50％的情况下，在任何白天时间都使信噪比改善100％。在任何白天时间都优化地阻挡周围环境光信号8。

Claims (10)

1.一种用于确定至少一个对象的位置的设备，其中，所述设备具有至少一个第一发射器(1)，所述第一发射器设置为用于发射第一发射光信号(2)，所述第一发射光信号从所述设备传播至所述对象，其中，所述设备具有至少一个探测器(4)，所述探测器设置为用于探测接受光信号(3)，所述接收光信号从所述对象传播至所述探测器(4)，其中，所述探测器(4)具有带有至少一个像素(6)的至少一个像素矩阵(5)，其特征在于，所述设备具有至少一个被动偏振自适应单元(7)，所述被动偏振自适应单元设置为根据周围环境光信号(8)来控制所述接收光信号(3)的偏振。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述被动偏振自适应单元(7)具有偏振滤光器矩阵(9)，所述偏振滤光器矩阵具有至少一个静态偏振滤光器(10)，并且，所述被动偏振自适应单元布置在所述探测器(4)与所述对象之间。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述静态偏振滤光器(10)的位置与所述像素(6)的位置相协调。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述偏振滤光器矩阵(9)具有由用于垂直偏振的偏振滤光器(11)或用于平行偏振的偏振滤光器(12)与通过空间(13)组成的交替布置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述设备具有主动偏振自适应单元(14)，所述主动偏振自适应单元设置为用于，根据所述周围环境光信号(8)来控制所述第一发射光信号(2)的偏振。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述主动偏振自适应单元(14)具有第二发射器(15)，所述第二发射器设置为用于发射第二发射光信号(16)，所述第二发射光信号从所述设备传播至所述对象，其中，所述第二发射光信号(16)与所述第一发射光信号(2)正交地偏振。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述主动偏振自适应单元(14)具有测量控制元件，所述测量控制元件设置为用于测量所述设备的信噪比并且根据所述信噪比来控制所述第一发射器(1)和/或所述第二发射器(15)。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的设备，其中，所述主动偏振自适应单元(14)具有至少一个可控制的偏振旋转元件(17)，其中，所述偏振滤光器矩阵(9)布置在所述探测器(4)与所述可控制的偏振旋转元件(17)之间。
9.一种用于借助根据权利要求7所述的设备来确定至少一个对象的位置的方法，其特征在于，
-所述测量控制元件在第一测量时间点测量第一信噪比；和
-所述测量控制元件在第二测量时间点测量第二信噪比；和
-如果所述第二信噪比小于所述第一信噪比，则所述测量控制元件控制所述第二发射器(15)来发射所述第二发射光信号(16)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，
-所述测量控制元件控制所述第二发射器(15)以周期性时间间隔来发射所述第二发射光信号(16)；并且
-所述测量控制元件在发射所述第二发射光信号(16)的时间点确定第三信噪比。
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