CN112835059A - 用于激光雷达系统的运行方法和控制单元，激光雷达系统和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于激光雷达系统(1)的运行方法，在所述运行方法中，在发送器侧产生光学多重脉冲信号(S1；S2)并将其作为光学发送信号(S)发送到视场(50)中，所述光学多重脉冲信号具有在时间上分开的多个峰(P1，P2)以及在时间上直接彼此相继的峰(P1，P2)的时间上重叠的峰沿(F11，F12；F21，F22)。本发明还涉及一种相应的控制单元、一种这样的激光雷达系统(1)以及一种尤其车辆类型的工作设备。
Description
技术领域
本发明涉及用于激光雷达系统的一种运行方法和一种控制单元、一种这样的激光雷达系统以及一种具有激光雷达系统并且尤其构造为车辆的工作设备。
背景技术
所谓的激光雷达系统(英语LiDAR：Light Detection and Ranging，光探测和测距)正越来越多地用于识别工作设备、尤其车辆的环境，所述激光雷达设备设置为向视场施加光或红外辐射，并检测和分析处理从视场反射回来的辐射，以便分析视场并探测其中包含的对象。为了尤其在更好的信号辨识方面改善激光雷达系统和激光雷达方法，尤其引入了多重脉冲信号(Mehrfachpulssignal)以照亮待监测的视场。
发明内容
根据本发明的用于激光雷达系统的运行方法具有以下优点：可以相对于噪声更清楚地辨识所使用的多重脉冲信号，也可以在监测周围环境时实现更好的空间分辨率。这根据本发明通过以下方式实现：提出一种用于激光雷达系统的运行方法，在该运行方法中，在发送器侧产生光学多重脉冲信号并将其作为光学发送信号发送到视场中，所述光学多重脉冲信号具有尤其在时间上分开的多个峰以及在时间上直接彼此相继的峰的时间上重叠的峰沿。根据本发明地使用具有时间上重叠的峰沿的多重脉冲信号(尤其具有时间上分开的峰)，一方面可以在接收器侧使所接收的信号与背景噪声的可区分性特别高，另一方面可以提高空间分辨率。
从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。
尽管根据本发明，原则上结合根据本发明的多重脉冲信号可以产生和使用任意数量的脉冲，但是当根据按照本发明的运行方法的一种优选的实施例产生并发送具有尤其在时间上分开的两个峰和时间上重叠的峰沿的双脉冲信号作为发送信号时，出现特别简单的关系(
)。
可以设想不同的附加或替代的措施，以便提高接收的信号相对于噪声的可辨识性和/或在监测视场时进一步改善空间分辨率。
根据按照本发明的运行方法的一种优选的扩展方案可以设想，时间上尤其直接在前的脉冲信号并且尤其第一脉冲信号构造得相对较窄，并且尤其具有与时间上尤其直接在后的脉冲信号的峰宽相比更小的峰宽，所述时间上在后的脉冲信号相对较宽并且尤其具有与时间上尤其直接在前的脉冲信号的峰宽相比更大的峰宽。
附加地或替代地，时间上尤其直接在前的脉冲信号的峰宽可以处在时间上尤其直接在后的脉冲信号的峰宽的大约1/20至大约1/5的范围内、优选地在大约1/10的范围内。
时间上在前的脉冲或峰的峰宽或脉冲宽度可以在0.5ns或更小的范围内。时间上在后的脉冲或峰的峰宽或脉冲宽度可以在2ns或更大的范围内。
在此，相应的峰宽可以理解为所基于的(zu Grunde liegenden)相应峰的半值宽度。
根据按照本发明的运行方法的另一替代的或附加的发展方案，与时间上在后的脉冲信号并且尤其第二脉冲信号相比，时间上在前的脉冲信号并且尤其第一脉冲信号可以具有更小的峰高。
峰高尤其可以以大约0.9或更小的值的比率、优选大约0.8或更小的值的比率、进一步优选大约0.6或更小的值的比率在时间上直接彼此相继。
根据另一有利的构型方式，在根据本发明的多重脉冲信号中的直接彼此相继的脉冲信号关于峰的位置可以具有以下时间间隔：该时间间隔处在第一脉冲信号的或时间上尤其直接在前的脉冲信号的峰宽的大约十倍至大约二十倍的范围内，和/或该时间间隔处在第二脉冲信号的或时间上尤其直接在后的脉冲信号的峰宽的大约一倍至大约三倍的范围内。
关于峰的时间位置，直接彼此相继的脉冲信号的时间间隔尤其可以在时间上在后的脉冲的一半或整个脉冲宽度或峰宽的范围内。替代于此，关于峰的时间位置，直接彼此相继的脉冲信号的时间间隔可以处在2ns或更大的范围内。
原则上，任何光源都可以用于产生根据本发明构型的多重脉冲信号。
然而，如果根据按照本发明的运行方法的另一实施例将至少一个半导体激光器用作光源单元的光源以产生光学发送信号，则出现关于测量准确度和可重复性的特别合适的关系。
在此，在根据本发明的方法和所基于的系统的特定构型方式中，使用多个光源、尤其半导体激光器尤其是有利的。
如果根据按照本发明的运行方法的一种实施方式将单个或唯一的激光器装置用作光源以产生多重脉冲、尤其双脉冲，则出现特别简单的运行关系。
在这种单个激光器装置的情况下，例如在半导体激光器的意义上，在此首先可以在其运行的预备阶段或第一阶段中以相对较高的能量和/或通过在所基于的半导体元件中的相对较高的第一电流脉冲来抑制起振(Anschwingen)、振荡(Einschwingen)和/或激光器谐振。
优选地，这例如可以通过使用光学吸收器和/或在所基于的激光器装置中形成相对较高的反转度(Inversionsgrad)来实现。
在激光器装置的运行的第二阶段或主阶段中，通过施加以尤其第二电流脉冲来消除尤其由吸收器引起的激光器谐振的抑制，并且不再抑制激光器谐振。
然后，尤其通过品质开关(Güteschalten)和/或增益开关(Gewinnschalten)来在激光器装置中激发突出的且在时间上限定的弛豫振荡(Relaxationsoszillation)，并且产生和发送在时间上尤其直接在前的且相对较窄的第一脉冲信号。
然后，在弛豫振荡之后在馈入附加的能量的情况下和/或通过进一步供能(Bestromen)实现激光器装置的起振或振荡，并且接下来相应于供能的时间特性——即尤其相对于激励电流的时间过程和/或在与第一脉冲信号的下降沿的时间上的重叠中——产生并发送时间上尤其直接在后的更宽的或相对较宽的另一脉冲信号。
为了产生第一脉冲信号或时间上尤其直接在前的脉冲信号和第二脉冲信号或时间上尤其直接在后的脉冲信号，例如可以使用和运行单个光源、尤其单个激光器装置、优选单个半导体激光器。
替代于此，可以尤其以时间上尤其直接彼此相继的方式使用和运行第一光源和第二光源，其中，分别使用的光源尤其可以构造为激光器装置并且优选地构造为半导体激光器。
为了控制和运行一个或多个光源，可以使用不同的机制。
例如，根据按照本发明的运行方法的另一实施方式，可以使用和运行如下的驱动器单元：该驱动器单元设置用于根据脉冲信号及其顺序来实现一个或两个光源、尤其一个或两个激光器装置或半导体激光器的激励的时间顺序。
为此，驱动器单元可以具有第一驱动器和第二驱动器，它们被——尤其一对一地——分配给单个光源或两个光源，其中，驱动器分别构造为无源振荡回路或具有无源振荡回路和/或构造为电流源或具有电流源。
本发明还涉及一种用于激光雷达系统的控制单元，该控制单元设置用于在所基于的激光雷达系统中发起、实施、终止、调节和/或控制根据本发明的运行方法的实施方式。
此外，本发明还涉及一种这样的激光雷达系统：其构造有发送器单元和接收器单元，该发送器单元用于产生初级光并将其发送到视场中以对视场进行照明，该接收器单元用于接收、探测和分析处理来自该视场的次级光。
所提出的激光雷达系统设置为与根据本发明的方法一起使用和/或由这种方法来控制或调节。
为此，激光雷达系统有利地构造有根据本发明构型的控制单元，该控制单元设置用于就其而言控制发送器单元和/或接收器单元的运行，尤其以便发起、促使、执行、调节和/或控制初级光的生成/发送和/或次级光的接收、探测和评估。
在根据本发明的激光雷达系统的一种有利的实施方式中，接收器单元具有相关性单元(Korrelationseinheit)，该相关性单元设置用于探测在输入侧的多重脉冲信号中的发送模式或信号模式。
最后，本发明还涉及一种这样的工作设备：其构造有根据本发明构型的激光雷达系统并且尤其构造为车辆。
附图说明
参考附图详细描述本发明的实施方式。
图1示意性地示出根据本发明构型的激光雷达系统的一种实施方式，该激光雷达系统可以与根据本发明的运行方法结合使用，并且
图2和3以曲线图的形式图解出关于根据本发明产生的多重脉冲信号的实施方式的信号形式。
具体实施方式
下面参考图1至图3详细描述本发明的实施例和技术背景。以相同的附图标记表示相同且等效作用以及相同或等效作用的元件和组件。并非在每种情况下都再次给出所表示的元件和组件的详细描述。
可以将所示出的特征和其他特性以任意形式彼此隔离和任意彼此组合而不脱离本发明的核心。
为了阐明本发明，图1以示意性的方式示出根据本发明构型的激光雷达系统1的一种实施方式的图示，该激光雷达系统可以与根据本发明的运行方法的实施方式结合地使用。
根据图1的激光雷达系统1结合其光学装置10具有发送器单元60和接收器单元30，该发送器单元也可以理解为发送器光学器件，该接收器单元也可以理解为接收器光学器件。
控制单元40以有利的方式构造，发送器单元60和接收器单元30通过检测和控制线路41或42与该控制单元有效连接。
发送器单元60具有用于产生和发送初级光57的光源单元65、用于对初级光57进行射束成形的射束成形光学器件66和用于将初级光57实际发送到具有场景53的视场50中的偏转光学器件62，该场景例如可以包含对象52。
接收器单元30具有例如物镜类型的初级光学器件34和例如具有接收器侧的准直仪的次级光学器件35。
在这方面值得一提的是，汽车领域中的常规商用激光雷达系统和大量常规开发系统都基于在短时间基础上(例如低于约2μs)以预先确定的立体角进行单脉冲发送的原理，并且根据所发送的初级光57的反射通过次级光58来探测视场50的场景53中的对象52。
在此，所述探测通过探测器装置20中的不同光学探测器例如APD、CCD、SPAD或SiPM并且尤其根据基于所基于的单脉冲发送的电信号产生而发生。
光学脉冲的有特征的形式还反映在所产生的电信号的信号形式中，更确切地说，与此同时在由于在视场50的场景53中待探测的对象52的空间位移(例如倾斜)而导致的光学脉冲的时间卷积中。在此，可以在所发送的信号形式的特性和所探测的信号之间建立相关性。
通常，光学信号具有类高斯特性或类sin2特性。该信号形式的成因是在发送器模块中的光学信号产生中的电流传导(Stromführung)，该发送器模块也可以理解为发送单元60。
为此，图2和图3以曲线图120和130的形式示意性地并且以迹线123、133的形式示出关于根据本发明产生的多重脉冲信号S的实施方式的信号形式，所述多重脉冲信号具有第一脉冲信号S1和第二脉冲信号S2，即分别具有峰P1、P2，所述峰被在时间上较早的第一上升沿F11或F21以及在时间上较晚的第二下降沿F12或F22围绕或包围。
电流传导的变型改变光学发送信号S的特性，即例如如下的随时间的强度曲线的高斯构型，即根据本发明直接彼此相继地产生地发送两个不同的脉冲或脉冲信号S1和S2，即具有根据本发明的双峰特性，所述双峰特性具有第一脉冲信号S1的第一峰P1和第二脉冲信号S2的第二峰P2，其中，根据本发明以紧接的时间顺序如此产生地发送所述脉冲或脉冲信号，使得根据图2和3中的图示，第一脉冲信号S1的时间上较晚的第二下降沿F12与第二脉冲信号S2的时间上较早的第一上升沿F21在第一峰P1之后在时间上重叠。
通过在相对较短的时间内发送双脉冲，可以通过实现用于提高探测概率的相应的相关性函数来产生经改善的和/或更稳健的相关性，因为与单脉冲信号相比，具有信号特定的间距的双脉冲信号作为发送信号S比干扰信号和/或噪声的可能性明显更小。
根据本发明的脉冲产生的实施方式的特征在于，在光源单元65中必要时仅需要一种类型的射束源或光源65-1、65-2。
如上所述，在本发明的优选的实施方式中，例如在半导体激光器的意义上，唯一的或单个的光源65-1尤其足以产生和发送双脉冲信号的两个脉冲信号S1和S2作为发送信号S。
本发明的优点在于，
-在接收侧更好地辨识噪声中的信号；
-由于相应的单脉冲S1和S2的不同脉冲宽度，在接收器侧具有更好的空间分辨率。
双脉冲信号作为发送信号S的产生可以基于超短时间脉冲的概念，该超短时间脉冲通过在所基于的半导体中的可切换的吸收器和/或具有在短时间内(例如在纳秒范围内)的高电流传导的二极管驱动器的组合来实现。
例如可以通过单个所基于的半导体激光器65-1的弛豫振荡来实现超短时间脉冲。
通过设置吸收器，防止所基于的激光器65-1在供能时发生时间上早期的起振或振荡，并且产生高的反转度。
吸收器的抑制作用可以被第二电流脉冲消除，并且伴随着相对较窄的第一脉冲信号S1的产生和发送例如通过增益开关发生明显的且在时间上限定的弛豫振荡。
另一变型方案是在借助和/或不借助吸收器的情况下通过增益开关使用弛豫振荡。
通过在弛豫振荡之后进一步供能，半导体激光器65-1使激光起振或振荡，并且实现相对较长的第二脉冲信号S2的更长的辐射发射——尤其相应于所施加电流的时间特性。
为了产生该特性，上级驱动器单元65-5的相应驱动器65-3和65-4——例如需要作为激光二极管驱动器——有利地构造为例如具有两个可分开控制的电流，尤其在两段式激光二极管驱动器的意义上。
驱动器65-3和65-4例如可以基于无源振荡回路和/或电流源作为二极管驱动器实现。
两个驱动器65-3和65-4可以用于在电路中进行关于二极管的电流传导。
为此，结合光源单元65，图1示出具有半导体激光器形式的唯一光源65-1的实施方式，该光源通过具有第一驱动器65-3的驱动器单元65-5用于产生如在图2和图3中所示的具有峰P1、上升沿F11和下降沿F12的第一脉冲信号或信号脉冲S1，并且用于产生具有峰P2、上升沿F21和下降沿F22的第二脉冲信号或信号脉冲S2。
另一替代方案是作为光源的两个分开的半导体激光器65-1、65-2的非常准确的时间一致性，用于产生作为发送信号S的双脉冲信号的双脉冲模式，该发送信号包括两个单个脉冲信号S1和S2。
图1示出对此的另一替代方案，其中，除了第一半导体光源65-1之外还构造有第二半导体光源65-2，后者在图1中以虚线示出。在这种情况下，在驱动器单元65-5的驱动器65-3、65-4与光源单元65的光源65-1和65-2之间可以存在一对一的分配。
在图2和3中，在曲线图120和130中，在横坐标轴121、131上以固定的时间单位绘制时间t，并且在纵坐标轴122、132上绘制强度I的相对归一化振幅比例I/Imax——即与最大强度Imax成比例。迹线123和133示出根据本发明产生和构造的作为发送信号S的双脉冲信号，该发送信号具有在相邻的沿F12和F21中重叠的单个脉冲信号S1和S2，其具有峰P1和P2。
如上详细所述，根据本发明，脉冲宽度或峰宽D1和D2和脉冲间隔Dt以及脉冲高度或峰P1和P2按照根据本发明构型的相应比例彼此相关。
Claims (10)
1.一种用于激光雷达系统(1)的运行方法，在所述运行方法中，在发送器侧产生光学多重脉冲信号(S1；S2)并将所述光学多重脉冲信号作为光学发送信号(S)发送到视场(50)中，所述光学多重脉冲信号具有在时间上分开的多个峰(P1，P2)以及在时间上直接彼此相继的峰(P1，P2)的时间上重叠的峰沿(F11，F12；F21，F22)。
2.根据权利要求1所述的运行方法，在所述运行方法中，产生和发送如下的双脉冲信号作为发送信号(S)：所述双脉冲信号具有时间上分开的两个峰(P1，P2)和时间上重叠的峰沿(F11，F12；F21，F22)。
3.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，在所述运行方法中，
-时间上在前的脉冲信号且尤其第一脉冲信号(S1)相对较窄，并且与时间上在后的脉冲信号(S2)的峰宽(D2)相比尤其具有更小的峰宽(D1)，所述时间上在后的脉冲信号相对较宽并且与所述时间上在前的脉冲信号(S1)的峰宽(D1)相比尤其具有更大的峰宽(D2)；
-所述时间上在前的脉冲信号(S1)的峰宽(D1)处在所述时间上在后的脉冲信号(S2)的峰宽(D2)的大约1/20至大约1/5的范围内、优选地处在大约1/10的范围内；和/或
-相应的峰宽(D1，D2)是所基于的相应峰(P1，P2)的半值宽度。
4.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，在所述运行方法中，与时间上在后的脉冲信号并且尤其第二脉冲信号(S2)相比，时间上在前的脉冲信号并且尤其第一脉冲信号(S1)
-具有尤其以大约0.9或更小的值的比率、优选以大约0.8或更小的值的比率、进一步优选以大约0.6或更小的值的比率的更小的峰高(P1)，和/或
-关于所述峰(P1，P2)的位置具有以下时间间隔：所述时间间隔处在所述第一脉冲信号的或所述时间上在前的脉冲信号(S1)的峰宽(D1)的大约十倍至大约二十倍的范围内，和/或所述时间间隔处在所述第二脉冲信号的或所述时间上在后的脉冲信号(S2)的峰宽(D2)的大约一倍至大约三倍的范围内。
5.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，在所述运行方法中，将至少一个半导体激光器用作光源单元(65)的光源(65-1，65-2)，以产生所述光学发送信号(S)。
6.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，在所述运行方法中，作为光源(65-1，65-2)的所基于的单个激光器装置用于产生多重脉冲(S1；S2)、尤其双脉冲，
(i)首先在所述激光器装置的运行的预备阶段或第一阶段中以相对较高的能量和/或通过在所基于的半导体元件中的相对较高的第一电流脉冲、尤其通过使用光学吸收器和/或在构成高的反转度的情况下抑制起振、振荡和/或激光器谐振；
(ii)在所述激光器装置的运行的第二阶段或主阶段中，
(ii-1)通过施加以第二电流脉冲来消除尤其由所述吸收器引起的激光器谐振的抑制，并且不再抑制激光器谐振，
(ii-2)尤其通过品质开关和/或增益开关在所述激光器装置中激发突出的且在时间上限定的弛豫振荡，并且产生和发送相对较窄的第一脉冲信号(S1)，
(ii-3)在所述弛豫振荡之后在馈入附加的能量的情况下和/或通过进一步供能实现所述激光器装置的振荡，并且相应于所述供能的时间特性地并且尤其在与所述第一脉冲信号(S1)的下降沿(F12)的时间上的重叠中产生并发送一个另外的且相对较宽的脉冲信号(S2)。
7.根据以上权利要求中任一项所述的运行方法，在所述运行方法中，为了产生第一脉冲信号或时间上在前的脉冲信号(S1)和第二脉冲信号或时间上在后的脉冲信号(S2)，
-使用和运行单个光源(65-1)、尤其单个激光器装置、优选单个半导体激光器，
-使用和运行第一光源(65-1)和第二光源(65-2)，所述第一光源和第二光源尤其构造为激光器装置并且优选地构造为半导体激光器，
-使用和运行驱动器单元(65-5)，所述驱动器单元设置用于根据所述脉冲信号(S1，S2)及其顺序来实现一个或两个光源(65-1，65-2)的和尤其激光器装置的或半导体激光器的激励的时间顺序，和/或所述驱动器单元具有第一驱动器(65-3)和第二驱动器(65-4)，所述第一驱动器和第二驱动器被一对一地分配给所述单个光源(65-1)或所述两个光源(65-1，65-2)，其中，所述驱动器(65-3，65-4)分别构造为无源振荡回路或具有无源振荡回路和/或构造为电流源或具有电流源。
8.一种控制单元(40)，所述控制单元(40)用于激光雷达系统并且设置用于发起、终止、实施、控制和/或调节根据权利要求1至7中任一项所述的方法。
9.一种激光雷达系统(1)，
-所述激光雷达系统构造为
-具有发送器单元(60)，所述发送器单元用于产生初级光(57)并将所述初级光发送到视场(50)中以对所述视场进行照明，
-具有接收器单元(30)，所述接收器单元用于接收、探测和分析处理来自所述视场(50)的次级光(58)；
-所述激光雷达系统设置为以根据权利要求1至7中任一项所述的方法来使用和/或由所述方法来控制或调节，和/或所述激光雷达系统为此尤其具有根据权利要求8所述的控制单元(40)，所述控制单元设置用于控制所述发送器单元(60)的运行和/或所述接收器单元(30)的运行。
10.一种工作设备，所述工作设备构造有根据权利要求9所述的激光雷达系统(1)并且所述工作设备尤其构造为车辆。
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