CN114859318A - 具有射束光学诊断的激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达系统(1)，该激光雷达系统包括发射器(3)和探测器(4)和射束光学器件，该射束光学器件至少设置为用于在正常运行中将由发射器(3)所发射的光束偏转以对周围环境采样。该系统不具有针对射束光学器件中的在运行中所发生的故障的可靠识别。根据本发明，该激光雷达系统(1)包括布置在该激光雷达系统(1)中的诊断装置(8)。射束光学器件设置为用于在诊断运行中将来自发射器(3)的光束偏转到诊断装置(8)上，并将由诊断装置(8)所反射的光引导到探测器(4)以探测诊断光信号。该激光雷达系统(1)的控制单元设置为用于从预期的诊断光信号与实际所接收到的诊断光信号之间的差来探测射束光学器件中的故障。

Description

具有射束光学诊断的激光雷达系统

技术领域

本发明涉及一种激光雷达系统，该激光雷达系统包括：发射器和探测器，射束光学器件，该射束光学器件至少设置为用于在正常运行中将由发射器所发射的光束偏转以对周围环境采样。

背景技术

在未来几年内，高度自动化和完全自动化的车辆(等级3-5)将被越来越频繁地用于公共道路。自动化车辆的所有已知概念都需要不同的感知传感器——例如摄像机、雷达和激光雷达(Light Detection and Ranging，激光探测与测距)——的组合。后者是发射激光的一个或多个由激光所构成的短脉冲并检测由对象所反射的光的激光扫描仪。激光雷达传感器则根据所测量的传播时间来计算对象的距离。在此，通常使用红外范围内的激光，主要为避免周围环境中的人发生眩光。

即使使用在红外范围内工作的发射器，也必须确保在激光雷达系统处的眼睛安全性。在此，除所发射的功率和波长之外，还考虑射束剖面或者说射束参数。在制造后、在最终控制中对所述射束剖面或者说射束参数进行校验，然而有意义是可以在激光雷达系统的运行期间校验将所述射束剖面或者说射束参数以便因此确定改变。例如，光传输路径中的透镜或镜可能松动、移动或脱落，而因此大幅影响射束剖面，该系统从而在制造后不再符合激光分级。这可能在激光雷达系统附近对眼睛的安全性产生负面影响，并使系统的测量精度变差。在此，并非射束光学器件的每一个干扰都一定立即导致系统的完全失效(即尤其所反射的光不再到达探测器的情况)，也并非可顺利地在运行中的已知的激光雷达系统中被识别。在部分的或完全自动化的车辆中，激光雷达系统的这种(部分)失效尤其与安全性重要相关，射束光学器件中的这种故障应尽可能快地被识别。

发明内容

根据本发明，提供一种开篇所提及的类型的激光雷达系统，其特征在于，该激光雷达系统包括布置在该激光雷达系统中的诊断装置，其中，射束光学器件设置为用于在诊断运行中将来自发射器的光束偏转到诊断装置上，并且将由诊断装置所反射的光引导到探测器以探测诊断光信号，该激光雷达系统的控制单元设置为用于从预期的诊断光信号与实际所接收到的诊断光信号之间的差来探测该射束光学器件中的故障。

本发明能够实现，利用激光雷达系统的在其期间不执行测量的无效时间(Totzeit)作为诊断运行，以便校验系统的射束光学器件。这不仅可以应用于旋转式激光雷达系统，而且可以应用于扫描式激光雷达系统。在无效时间期间，激光雷达系统的诊断装置通过射束光学器件被照射，而由本已存在的探测器来检测反向散射回来的光或所反射的光。在此，诊断装置优选布置在激光雷达系统内，尤其布置在激光雷达系统的壳体内。在此，该壳体的壁可以包括至少部分透明的窗，在正常运行中，光通过该窗被发射到周围环境中。诊断装置则可以布置在壳体的另一壁(例如与窗对置的后壁)上。

在此应如此理解术语“射束光学器件”：该射束光学器件例如可以包括偏转单元以及射束成形单元。在此，偏转单元例如可以包括转动镜、旋转单元、微镜、光学相控阵(Phasenarray)等，以便将发射的光束偏转到周围环境中并将反射的光束引导回来。射束成形单元例如可以包括如透镜、物镜或棱镜那样的光学元件，所述光学元件可以配属有发射器和/或探测器。

许多激光雷达系统并非执行对周围环境的360°采样，而是仅设计为用于对受限的角度范围(例如车辆前方、后方或旁边)采样。在此，出于纯实践上的考量，经常如此设计偏转单元，使得例如转动镜仍转动360°并且所发射的光束在转动镜的转动周期内尽管如此仍(几乎)偏转完整的360°。就此而论，激光雷达系统的“无效时间”表示周期性地进行反复的时间区段，在该时间区段中，所发射的光束并非采样激光雷达系统的周围环境，而是例如采样激光雷达系统的壳体壁。因此，“无效时间”在此是几何上的无效时间，而非例如可能由传感器半导体的探测特性所导致的传感器无效时间。

预期诊断光信号与实际接收到的诊断光信号之间的差例如可能在于缺失接收到的诊断信号，因为诊断光信号未返回探测器。但也可能(例如通过透镜或镜的倾斜)识别到例如在探测器平面上待成像的诊断对象(例如几何形状)的形状和/或位置的偏差。同样可能识别到诊断光信号的(例如由射束路径中的光学元件的污染或损坏所引起的)光强度的偏差。

在本发明中应如此理解术语“光”：它不仅可以包括红外光而且可以包括可见光。

可以如此设置控制单元，使得该控制单元在识别到射束光学器件中的故障时输出故障信号和/或降低发射器的功率(在射束偏转发生故障的情況下应确保眼睛安全性)和/或关断激光雷达系统。这可以根据故障的严重程度进行，即，在轻微偏差的情况下仅输出故障报告。

诊断装置优选包括至少一个衍射光学诊断元件和/或全息光学诊断元件。由此更容易在探测器平面中产生经明确限定的诊断图样。与诊断装置中的简单的几何图样相反，这种诊断元件尽管距离相对较小而仍使在探测器平面中的成像变得容易(尽管射束光学器件本来是设定为用于将明显更远的对象成像)并降低反射光中的高光强度以避免探测器饱和

但由诊断元件所反射的光仍能够在探测器平面中产生“简单的”几何图样，例如圆、矩形或正方形。

诊断装置优选包括至少一个表面全息图和/或至少一个体积全息图。使用这种诊断元能够实现任意的角度转向(因为不存在入射角＝出射角的限制)。这能够实现尤其减小安装空间的布置，该布置例如在旋转式系统具有共轴布置的发送路径和接收路径的情况下能够被利用。

在一种实施方式中，诊断装置布置在激光雷达系统的壳体内，优选布置在该壳体的内壁上。诊断装置优选布置在与壳体的窗对置的壳体内壁上。诊断装置替代地也可以布置在壳体的内部侧壁上。但诊断装置也可以布置在另一布置于壳体中的元件(例如电子线路板、子壳体等)上。

优选地，射束光学器件包括至少一个可转动的镜，该可转动的镜设置为用于将由发射器所发射的光束在正常运行中通过窗从激光雷达系统的壳体中转向出来和在诊断运行中转向到诊断装置上。

但也可以设想替代的构型，在该构型中，以不同于通过可转动的镜的方式来实现对光束的偏转。本发明例如也可以用于如下激光雷达系统中：在该激光雷达系统中，具有发射器和探测器的射束光学器件相对于壳体转动(或者说往复摆动)。在这种情况下，诊断装置可以布置在(例如环绕的)窗的上方或下方，或者以特定的旋转角度布置在壳体中(例如在环绕的窗的不透明的中断部处)。

在一种实施方式中，诊断装置包括至少一个具有已知尺寸的图样，优选圆、正方形或矩形。控制单元优选设置为用于从由探测器所测量的形状与预期形状的偏差的大小来推断射束光学器件中的故障并输出故障报告。在此，可以预先给定该偏差的阈值，低于该阈值则可以认为是例如由于振动和与温度相关的材料膨胀所引起的正常偏差。

在一种实施方式中，诊断装置包括至少一个图样，在射束光学器件具有预限定的设定的情况下在探测器的平面中产生具有已知尺寸的成像图样，优选圆、正方形或矩形。该图样可以如此实施，使得在理想情况下(当射束光学器件中不存在故障时)在探测器的平面中产生预限定的诊断图样。这并非必然意味着诊断装置也包括圆、正方形或矩形，例如如果诊断装置实现为全息元件或衍射元件，则通过成像才产生所述几何形状。在射束光学器件中发生故障的情况下，则经成像的图样在探测器平面上不再具有预限定的形状，由此能够诊断出故障。

诊断装置优选针对由发射器所发射的光具有最大20％、优选最大10％的反射率。在此，反射率如通常那样被定义为反射功率与入射功率的比。如果发射器是(红外)激光器，则因此应理解为在(红外)激光的波长时的反射率。该解决方案允许在诊断运行中以与在正常运行中相同的设定来使用发射器(并非每个发射器都能够无问题地允许以降低的功率进行发射)，而反射回来的诊断光不使得探测器饱和并且诊断测量变得困难/不可能。现代激光雷达传感器经常使用单光子雪崩二极管(英文：single-photon avalanche diode，SPAD)或雪崩光电二极管(英文：avalance photodiode，APD)，所述单光子雪崩二极管或雪崩光电二极管对于待探测的信号的过高的光强敏感。

替代地，发射器可以设置为用于在诊断运行中以相对于正常运行降低的射束强度来发射。

在一种实施方式中，诊断装置包括至少一个全息光学诊断元件，并且所述全息光学诊断元件的反射率通过选择折射率调制和/或全息层厚度而降低到最大20％，优选降低到最大10％。在该实施方式中，通过全息光学诊断元件的折射特性或者说层厚度的构型将折射率降低到这样的程度，使得探测器不因反射的诊断光而变得饱和。

根据本发明，此外还提供一种用于车辆的控制设备，该控制设备包括根据上述实施方式中任一项所述的激光雷达系统。该控制设备主要处理传感器信号，并且据此来输出控制信号。该控制设备尤其可以是用于自行驶车辆的控制设备。

本发明所提出的方法的有利扩展方案能够通过在优选实施方式中所列举的措施实现并在说明书中对其进行描述。

附图说明

借助附图和以下说明进一步对本发明的实施例进行阐述。附图示出：

图1：处于正常运行中的根据本发明的激光雷达系统的一种实施方式，和

图2：处于诊断运行中的图1的实施方式。

具体实施方式

在图1和图2中示出根据本发明的激光雷达系统1的一种实施方式，该激光雷达系统包括壳体2，在该壳体2中布置有发射器3和探测器4。射束光学器件包括偏转单元5和射束成形单元10。偏转单元5在此简化地仅通过转动镜被示出，但也可以包括其他光学元件如静态镜、棱镜、光学相控阵等。

偏转单元5不必一定包括转动镜，而是探测器4和发射器3可以自身转动，或者例如可以将光学相控阵用于射束偏转。

射束光学器件一般性地包括至少一个偏转单元5以及优选包括射束成形单元10，该偏转单元设置为用于将由发射器3所发射的光束偏转到周围环境中，并且将所反射的光束从周围环境偏转到探测器4，该射束成形单元设置为用于将来自发射器3的光束成形和/或将去到探测器4的光束成形。

射束成形单元10例如包括配属给发射器3的透镜11以及配属给探测器4的透镜12。射束光学器件(尤其偏转单元5和/或射束成形单元10)原则上可以包括一个或多个光学元件如静态镜、转动镜、透镜、棱镜、全息图或光学相控阵。

根据本发明的解决方案也允许在诊断运行中识别射束光学器件中的、尤其偏转单元5或射束成形单元10(转动镜移位，透镜11、12松动等)中的小故障，而在该激光雷达系统的结构中不需要为此进行显著的变化。

在图1中示出正常运行，在该正常运行中，射束光学器件将由发射器3所发射的光束(示以虚线)偏转通过壳体2的窗7，以对周围环境采样。该光束还被环境对象6所反射并作为经反射的光束(示以点)到达探测器4，其中，从传播时间来计算距离。

在图2中，射束光学器件在诊断运行中将来自发射器3的诊断光束偏转到诊断装置8，经反射的诊断光束从该诊断装置出发到达探测器4。诊断装置8布置在壳体2的后壁9上。激光雷达系统1的控制单元(未示出)设置为用于从预期的诊断光信号与实际接收到的诊断光信号之间的差来探测射束光学器件中的故障(例如，镜或透镜移位/松动)。

尽管通过优选实施例在细节上对本发明进行了详细的说明和描述，但本发明不受限于所公开的示例，并且可以由本领域的技术人员在不脱离本发明的保护范围的情况下从中导出其他变型方案。

Claims (10)

1.一种激光雷达系统(1)，所述激光雷达系统包括：

-发射器(3)和探测器(4)，

-射束光学器件，所述射束光学器件至少设置为用于在正常运行中将由所述发射器(3)所发射的光束偏转以对周围环境采样，其特征在于，

所述激光雷达系统(1)包括布置在所述激光雷达系统(1)中的诊断装置(8)，

其中，所述射束光学器件设置为用于在诊断运行中将来自所述发射器(3)的所述光束偏转到所述诊断装置(8)上，并且将由所述诊断装置(8)所反射的光引导到所述探测器(4)以探测诊断光信号，和

其中，所述激光雷达系统(1)的控制单元设置为用于从预期的诊断光信号与实际接收到的诊断光信号之间的差来探测所述射束光学器件中的故障。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统(1)，其中，所述诊断装置(8)包括至少一个衍射光学诊断元件和/或全息光学诊断元件。

3.根据权利要求2所述的激光雷达系统(1)，其中，所述诊断装置(8)包括至少一个表面全息图和/或至少一个体积全息图。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光雷达系统(1)，其中，所述诊断装置(8)布置在所述激光雷达系统(1)的壳体(2)内，优选布置在所述壳体(2)的内壁(9)上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光雷达系统(1)，其中，所述射束光学器件包括至少一个可转动的镜，所述可转动的镜设置为用于将由所述发射器(3)所发射的光束

-在正常运行中，从所述激光雷达系统(1)的壳体(2)中通过窗(7)转向出来，和

-在诊断运行中，转向到所述诊断装置(8)上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达系统(1)，其中，所述诊断装置(8)包括至少一个具有已知尺寸的图样，优选圆、正方形或矩形。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光雷达系统(1)，其中，所述诊断装置(8)包括至少一个图样，所述图样在所述射束光学器件具有预限定的设定的情况下在所述探测器(4)的平面中产生具有已知尺寸的成像图样，优选圆、正方形或矩形。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的激光雷达系统(1)，其中，所述诊断装置(8)针对由所述发射器(3)所发射的光具有最大20％、优选最大10％的反射率。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的激光雷达系统(1)，其中，所述诊断装置(8)包括至少一个全息光学诊断元件，并且所述全息光学诊断元件的反射率通过选择折射率调制和/或全息层厚度而降低到最大20％，优选降低到最大10％。

10.一种用于车辆的控制设备，所述控制设备包括根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统(1)。

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