CN117836657A - 具有通过激光谐振器中的双折射产生的子脉冲的lidar测量方法和测量设备 - Google Patents
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Abstract
提出一种测量方法，具有以下步骤：‑发出发射信号，所述发射信号包括至少一个光脉冲，其中以调制频率调制光脉冲的强度的幅值，‑探测接收信号，所述接收信号包括由外部的物体反射的发射信号的至少一部分，‑选择接收信号的至少一个频率分量，所述频率分量对应于发射信号的调制频率，‑从发出发射信号和探测接收信号的所选择的频率分量之间的时间差中求取距外部的物体的间距。此外，提出一种测量设备。
Description
技术领域
本发明提出一种测量方法和一种测量设备。
发明内容
应当提出一种改进的测量方法和一种改进的测量设备，其配置用于通过光渡越时间测量确定距外部的物体的至少一个间距。尤其地，应当实现改进的距离分辨率。所述目的通过具有权利要求1的步骤的测量方法并且通过根据权利要求8的测量设备实现。
测量方法和测量设备的有利的实施方式和改进方案在从属权利要求中给出。
根据测量方法的一个实施方式，首先发出发射信号，所述发射信号包括至少一个光脉冲。光脉冲具有特定的持续时间。光脉冲的光的强度仅在光脉冲的持续时间为零期间是不同的。尤其地，光脉冲不是连续的光信号。例如，光脉冲具有在1纳秒和100纳秒之间的持续时间(其中包括边界值)。例如通过具有在100MHz和1GHz之间的调制频率的正弦信号调制光脉冲的强度的幅值。发射信号也能够包括多个光脉冲。光脉冲的在下文中提出的特征优选适用于所有光脉冲。也可行的是，这些特征对于不同光脉冲是不同的。例如，不同光脉冲能够具有不同的持续时间。
光脉冲由发射器发出，所述发射器具有光源，所述光源配置用于在运行期间发出光脉冲。例如，光源包括至少一个激光二极管或至少一个发光二极管或由激光二极管或发光二极管形成。
发射信号的光脉冲优选包括相干光或由相干光形成。替选地，由不相干的光构成的光脉冲也是可行的。光脉冲例如包括来自红外至紫外光谱范围的光。优选地，光脉冲具有红外光，例如具有在800纳米和1800纳米之间的波长(其中包括边界值)。
根据测量方法的另一实施方式，以调制频率调制光脉冲的强度的幅值。尤其地，光脉冲的强度具有在时间上周期性的变化。例如，光脉冲的强度作为时间的函数正弦状地以调制频率振荡。优选地，经调制的光脉冲的在时间上变化的强度的幅值为光脉冲的在时间上取平均的强度的20％和100％之间(其中包括边界值)。
根据测量方法的另一实施方式，探测接收信号，所述接收信号包括由外部的物体反射的发射信号的至少一部分。
接收信号例如由光电探测器探测，所述光电探测器将接收信号转换为电信号。光电探测器例如包括至少一个光电二极管和/或至少一个光电晶体管或由光电二极管和/或光电晶体管构成。光电探测器优选紧邻发射器的光源。特别优选地，光电探测器和光源之间的间距比光电探测器和外部的物体之间的间距小很多。例如，光电探测器和外部的物体之间的间距至少是光电探测器和发射器的光源之间的间距的十倍。
优选地，光电探测器不接收发射器的光源的直接光。尤其地，光电探测器配置用于在运行时探测由外部的物体至少部分地反射的发射信号。
光电探测器能够配置用于确定入射到光电探测器上的光束的方向。例如，光电探测器包括多个光电二极管或光电晶体管的矩阵式设置和连接在上游的成像光学装置。因此，尤其能够确定由外部的物体反射的发射信号的方向。
接收信号包括时间区间，所述时间区间直接跟随发出发射信号的时间点。接收信号的时间区间的持续时间至少包括发射信号从发射器的光源到外部的物体的渡越时间和从外部的物体至光电探测器的至少部分地反射的发射信号的渡越时间的总和。换言之，接收信号的时间区间至少包括发出发射信号的时间点和探测至少部分地由外部的物体反射的发射信号的时间点。
除了反射的发射信号以外，光电探测器也接收背景光，例如阳光和/或人工环境照明的光。背景光通常造成在接收信号中的背景噪音。背景噪音通常减小用于间距测量的测量方法的距离分辨率，所述间距测量例如基于发射信号的光渡越时间测量。尤其地，至少部分地反射的、由光电探测器探测的发射信号的光脉冲的强度随着光电探测器和外部的物体之间的间距增加而减小。如果反射的发射信号与背景噪音相比过弱，那么在背景噪音下不再能够明确地识别至少部分反射的发射信号。随后不再准确地求取光渡越时间。
根据测量方法的另一实施方式，选择接收信号的至少一个频率分量，所述频率分量对应于发射信号的调制频率。所选择的频率分量例如能够通过对接收信号的频谱分析从所述接收信号中滤出。
通过选择对应于发送信号的调制频率的频率分量，将至少部分反射的发射信号从接收信号中滤出。由此，尤其抑制在接收信号中的背景噪音并且提高信噪比。因此，能够提高用于间距测量的测量方法的距离分辨率，所述间距测量基于光渡越时间测量。
根据测量方法的另一实施方式，从发出发送信号和探测接收信号的所选择的频率分量之间的时间差中求取距外部的物体的间距。
优选地，在发射器的光源和光电探测器之间的间距比距外部的物体的间距小很多。例如，光源和外部的物体之间的间距大于光源和光电探测器之间的间距的十倍。在这种情况下，距外部的物体的间距通过光脉冲的光速，例如在环境空气中的光速，乘以在发出发射信号和探测接收信号的所选择的频率分量之间的时间差的一半来确定。
根据一个优选的实施方式，测量方法包括以下步骤：
-发出发射信号，所述发射信号包括至少一个光脉冲，其中以调制频率调制光脉冲的强度的幅值，
-探测接收信号，所述接收信号包括由外部的物体反射的发射信号的至少一部分，
-选择接收信号的至少一个频率分量，所述至少一个频率分量对应于发射信号的调制频率，
-从发出发射信号和探测接收信号的所选择的频率分量之间的时间差中求取距外部的物体的间距。
优选地，这些步骤以上文给定的顺序执行。
在此所描述的测量方法的思想在于，改进用于间距测量的测量方法的距离分辨率，所述间距测量基于光脉冲的渡越时间测量。尤其地，以调制频率调制发射信号的至少一个光脉冲的光的强度。将所述调制频率从接收信号中滤出，以便提高信噪比。
在用于间距测量的LIDAR系统(英文“light detection and ranging”的简称)中，尤其地，通过用于人眼安全性的预设来限制在提供光脉冲的持续时间时发射器的最大激光功率。因此，距外部的物体的最大可探测的间距通过光电探测器的背景噪音，例如背景光限制。背景噪音例如能够通过在光电探测器上游的光学滤波器减小。光学滤波器至少部分地阻挡在发射信号的波长范围之外的背景光。然而，在LIDAR系统的发射器中的激光二极管尤其能够具有例如由于环境的温度变化引起的波长波动。出于该原因，不能将光学滤波器的带宽选择为任意小的。因此，能够借助光学滤波器仅部分地抑制背景噪音。
本申请尤其基于以下思想：通过以预设的调制频率调制发射信号的光脉冲的光的强度能够增大LIDAR系统的距离分辨率。通过在发射信号的调制频率中选择接收信号的对应的频率分量，尤其改进信噪比。由此也能够在背景噪音中探测具有较弱强度的、至少部分地反射的、例如由距离较远的外部的物体反射的发射信号。尤其能够弃用光学滤波器。
根据测量方法的另一实施方式，以正弦信号调制光脉冲的强度的幅值。替选地，也能够以其他形状的信号，例如以矩形或锯齿形的信号调制幅值。此外，能够以具有固定的时间周期的任意周期性的信号形状调制光脉冲的强度。
根据测量方法的另一实施方式，通过将具有不同频率的光的两个未调制的子脉冲叠加来产生发射信号的光脉冲，其中调制频率对应于两个子脉冲的光的频率差。
尤其地，两个未调制的子脉冲的光的频率差比未调制的子脉冲的光的频率小很多。例如，未调制的子脉冲的光的频率在100太赫兹和400太赫兹之间(其中包括边界值)，而两个未调制的子脉冲的光的频率差例如在100兆赫兹和10千兆赫之间(其中包括边界值)。
因此，具有不同频率的光的两个未调制的子脉冲的叠加造成差拍(Schwebung)。在此，通过这两个未调制的子脉冲的叠加产生的光脉冲的强度正弦状地以对应于两个子脉冲的光的频率差的调整频率振荡。经调制的光脉冲的强度在此以对应于光脉冲的在时间上取平均的强度的幅值振荡。
这两个未调制的子脉冲的光的偏振在此能够是任意的。例如，这两个子脉冲能够具有线性偏振的光，其中两个未调制的子脉冲的线性偏振尤其也能够彼此正交。
根据测量方法的另一实施方式，调制频率位于100兆赫和10千兆赫之间(其中包括边界值)。例如，光脉冲的强度正弦状地以大约一千兆赫的调制频率振荡。光脉冲的在时间上振荡的强度的幅值例如在光脉冲的在时间上取平均的强度的20％和100％之间(其中包括边界值)。
根据测量方法的另一实施方式，光脉冲的持续时间为调制频率的倒数的至少十倍。换言之，光脉冲的持续时间至少对应于如下信号的周期的至少十倍，通过所述信号调制光脉冲的强度的幅值。
用于调制光脉冲的强度的调制频率尤其具有模糊其与光脉冲的持续时间的倒数成比例。换言之，光脉冲的持续时间越长，光脉冲的调制频率就可越准确地确定。因此，为了尽可能准确地从接收信号中滤出光脉冲的调制频率从而尽可能地抑制背景噪音，光脉冲的尽可能长的持续时间是有利的。
另一方面，光脉冲的尽可能短的持续时间是有利的，因为在光脉冲较短时能够提高光脉冲的光的强度，而不会危及人眼安全。较高的强度引起更好的信噪比从而引起较大的距离分辨率。然而，光脉冲的最小持续时间以及光脉冲的最大强度可能由于光源的技术限制而受限。
为了满足对光脉冲的持续时间的这些相互矛盾的要求，例如有利的是，光脉冲的持续时间在1纳秒和100纳秒之间(其中包括边界值)。
根据测量方法的另一实施方式，接收信号的频率分量的选择包括傅里叶变换。例如，快速傅里叶变换能够用于接收信号的频谱分析。替选地，也可行的是，将窄带的带通滤波器用于选择接收信号的对应于发射信号的调制频率的频率分量。例如，相敏整流器能够用作为窄带的带通滤波器。
根据测量方法的另一实施方式，利用接收信号中的调制频率的多普勒频移求取外部的物体的速度。由此尤其能够沿径向方向求取外部的物体的速度分量。在此并且在下文中，径向表示平行于光电探测器和外部的物体之间的线的方向。外部的物体沿径向方向的运动尤其造成被反射的光脉冲的调制频率的多普勒频移，所述多普勒频移能够通过接收信号的频谱分析来求取。
还提出一种测量设备。所述测量设备尤其配置用于，在运行时根据在此描述的测量方法来工作。也就是说，所有对于测量方法描述的、对于测量设备的结构决定性的特征也针对测量设备公开。相反地，所有对于测量设备描述的、对于测量方法决定性的特征也针对测量方法公开。
根据测量设备的一个实施方式，所述测量设备具有发射单元，所述发射单元在运行时发出发射信号，所述发射信号包括至少一个光脉冲。
发射单元尤其具有光源，所述光源在运行时配置用于产生光脉冲。例如，光源包括至少一个激光二极管或发光二极管或由激光二极管或发光二极管构成。优选地，光源发射在红外的光谱范围内的光，例如波长在800纳米和1800纳米之间(其中包括边界值)。优选地，光脉冲具有在一纳秒和100纳秒之间的持续时间(其中包括边界值)。
根据测量设备的另一实施方式，以调制频率调制至少一个光脉冲的强度的幅值。
例如通过借助于在光脉冲的持续时间期间在时间上恒定的电流和附加的在光脉冲的持续时间期间在时间上振荡的电流运行光源来调制光脉冲的强度。通过恒定的电流尤其能够设定光源的、例如激光二极管的工作点。在时间上振荡的电流的频率确定光脉冲的调制频率，而通过在恒定的电流和在时间上振荡的电流的幅值之间的比能够设定光脉冲的在时间上振荡的强度的幅值。
根据测量设备的另一实施方式，通过将两个具有不同频率的光的未调制的子脉冲叠加来调制光脉冲的强度。这两个未调制的子脉冲的叠加造成差拍，其中光脉冲的强度以这两个子脉冲的光的频率差振荡。这两个未调制的子脉冲例如能够通过发出不同频率的光的两个不同的光源产生。替选地，这两个未调制的子脉冲由单个光源产生，所述光源尤其提供具有固定的频率差的两个光模式。
根据测量设备的另一实施方式，所述测量设备具有接收单元，所述接收单元在运行时探测接收信号，所述接收信号包括由外部的物体反射的发射信号的至少一部分。
尤其地，接收单元具有至少一个光电探测器或由光电探测器构成，所述光电探测器配置用于在运行时探测由外部的物体至少部分地反射的发射信号。光电探测器例如具有光电二极管或光电晶体管。也可行的是，光电探测器具有呈矩阵式设置的多个光电二极管或光电晶体管。此外，光电探测器能够包括成像光学装置。例如，光电探测器配置用于也确定入射的光射束的方向。
接收信号由光电探测器尤其转换为电信号，例如转换为光电流。
根据测量设备的另一实施方式，所述测量设备具有评估单元，所述评估单元在运行时分析接收信号并且配置用于在发射信号的调制频率中选择接收信号的至少一个频率分量。
频率分量的选择例如能够通过接收信号的频谱分析进行。尤其地，评估单元执行接收信号的傅里叶变换，优选快速傅里叶变换。为此需要选择接收信号的时间区间。尤其地，时间区间包括发出发射信号的时间点和探测由外部的物体至少部分地反射的发射信号的时间点。
接收信号的频率分量的选择也能够通过窄带的带通滤波器进行。例如，带通滤波器包括相位敏感的整流器。
根据测量设备的另一实施方式，在发射信号的调制频率中，评估单元确定发射信号的在发出发射信号和接收至少部分地由外部的物体反射的发射信号之间的渡越时间。由此求取距外部的物体的间距。
如果距外部的物体的间距比发射单元的光源和接收单元的光电探测器之间的间距大很多，那么由渡越时间的一半乘以光脉冲的光速，例如在环境气氛中的光速来计算距外部的物体的间距。
根据测量设备的另一实施方式，至少一个光脉冲包括激光或由激光形成。
激光通过受激发射产生并且与通过自发发射产生的电磁辐射不同，通常具有非常高的相干长度、非常窄的谱线宽度和/或高偏振度。
为了能够尽可能准确地确定光脉冲的调制频率，调制频率的随机波动应尽可能得小。为了减小光脉冲的调制频率的随机波动，频率稳定的光源是有利的。尤其地，由光源在运行时发射的光的谱线宽度小于光脉冲的调制频率。
根据测量设备的另一实施方式，激光的谱线宽度小于调制频率的十分之一。
为了改进信噪比，有利的是，尽可能准确地确定调制频率。激光的频率的随机波动可能造成调制频率的随机偏移。因此，激光的频率的随机波动会减小测量设备的距离分辨率。优选地，激光的谱线宽度小于调制频率的十分之一。特别优选地，激光的谱线宽度小于调制频率的百分之一。
根据测量设备的另一实施方式，所述测量设备包括谐振器，在所述谐振器中设置有激光介质和双折射的光学元件。
谐振器和激光介质配置用于在运行时在激光介质中产生居量反转(Besetzungsinversion)。由于居量反转，通过受激发射在激光介质中产生电磁辐射，所述受激发射引起电磁激光辐射的构成。由于通过受激发射产生电磁激光辐射，电磁激光辐射与通过自发发射产生的电磁辐射不同，通常具有非常高的相干长度、非常窄的谱线宽度和/或高的偏振度。
谐振器例如包括两个相对置的镜，其中至少一个镜对于激光是至少部分可穿透的，以便将在运行时产生的激光从谐振器中耦合输出。镜能够构成为外部的镜或构成为激光介质的边缘面。镜例如具有金属层，所述金属层对于在运行时产生的激光是高反射性的。例如，镜的反射率对于在运行时产生的激光在99％和99.9％之间。镜也能够包括介电的层序列或由介电的层序列形成，所述介电的层序列配置用于进行在运行时产生的激光的布拉格反射。
激光介质例如包括具有配置用于产生激光的有源层的半导体层序列。尤其可行的是，半导体层序列的边缘面形成谐振器的镜。在此，激光在半导体层序列和例如环境空气之间的过渡部处被全反射。也可行的是，谐振器的这两个镜通过半导体层序列的相对置的边缘面构成。
双折射的光学元件例如具有光学轴线。线性偏振的光在双折射的光学元件中被分为正常的和非正常的光束。在此，正常的光束的光平行于光学轴线偏振而非正常的光束的光垂直于光学轴线偏振。尤其地，双折射的光学元件对于正常的和非正常的光束具有两种不同的折射率。因此，正常的和非正常的光束在双折射的光学元件中的传播速度是不同的。由此，谐振器的光学长度对于正常的光束和非正常的光束是不同的。因此，从谐振器中耦合输出的激光尤其具有频率不同的两个正交偏振。
正常的和非正常的光束在谐振器之外的叠加造成差拍。因此，从谐振器中耦合输出的激光的强度的幅值是经调制的，其中调制频率对应于正常的和非正常的光束之间的频率差。
根据测量设备的另一实施方式，双折射的光学元件包括以下组中的材料或由以下组中的材料形成：石英、铌酸锂、钽酸锂、氟化镁。
根据测量设备的另一实施方式，双折射的光学元件是电光学元件。尤其地，双折射的光学元件的折射率能够通过施加电场来改变。例如，电光学元件是普克尔斯盒或克尔盒。因此，能够通过施加电场来设定在从谐振器中耦合输出的正常的和非正常的光束之间的频率差。
根据测量设备的另一实施方式，激光介质包括具有用于产生激光的有源层的半导体层序列。
例如，半导体层序列包括III/V族化合物半导体材料。III/V族化合物半导体材料具有选自第三主族的至少一种元素，例如B、Al、Ga、In，和选自第五主族的元素，例如N、P、As。尤其地，术语“III/V族化合物半导体材料”包括二元、三元或四元化合物的组，其包含至少一种来自第三主族的元素和至少一种来自第五主族的元素，例如氮化物和磷化物化合物半导体。这种二元、三元或四元化合物还能够具有例如一种或多种掺杂剂和附加的组分。
尤其地，半导体层序列具有砷化物化合物半导体材料，其中半导体层序列或其至少一部分，特别优选至少有源层优选包括AlnGamIn1-n-mAs，其中0≤n≤1，0≤m≤1并且n+m≤1。在此，所述材料不一定必须具有根据上式的数学上精确的组成。更确切地说，所述材料能够具有一种或多种掺杂剂以及附加的组分。然而，为了简单起见，上式仅包含晶格的主要组分(Al或As、Ga、In)，即使这些主要组分可能部分地由少量其他物质替代。
根据测量设备的另一实施方式，有源层是周期性结构化的并且形成干涉滤波器。有源层的周期性结构化造成在有源层中产生的光的波长选择性的布拉格反射。由此能够减小在运行时产生的激光的谱线宽度。
此外，半导体层序列的周期性结构化也能够在有源层之外进行。尤其地，半导体层序列能够包括至少一个介电的布拉格镜，所述布拉格镜形成谐振器的至少一部分。介电的布拉格镜造成在有源层中产生的光的波长选择性的反射并且能够减小半导体激光的谱线宽度。
根据测量设备的另一实施方式，通过双折射的光学元件的厚度和/或通过在双折射的光学元件的光学轴线和谐振器的光学轴线之间的角度设定调制频率。
例如，双折射的光学元件的厚度在100纳米和100微米之间。较厚的双折射的光学元件引起谐振器的对于正常的和非正常的光束而言的光学长度的较大差别。因此，通过较厚的双折射的光学元件能够增大在正常的和非正常的光束之间的频率差。
根据测量设备的另一实施方式，评估单元配置用于确定接收信号的调制频率的多普勒频移。尤其地，能够通过接收信号的频谱分析确定至少部分地由外部的物体反射的发射信号的调制频率的多普勒频移。多普勒频移与外部的物体的径向速度成正比。尤其地，能够通过确定多普勒频移，借助于探测各个光脉冲来求取外部的物体的径向速度。
测量方法和测量设备的其他有利的实施方式和改进方案从下面结合附图所描述的实施例中得出。
附图说明
图1示出具有根据一个实施例的测量方法的步骤的示意流程图。
图2示出根据一个实施例的测量方法的示意的光脉冲。
图3示出根据一个实施例的测量方法的另一示意的光脉冲。
图4示出根据一个实施例的测量方法的接收信号的频谱。
图5示出根据一个实施例的测量设备的示意的构造。
图6示出根据一个实施例的测量设备的发射单元的示意的构造。
图7示出根据另一个实施例的测量设备的发射单元的示意的构造。
相同的、同类的或起相同作用的元件在附图中设有相同的附图标记。附图和在附图中示出的元件彼此间的大小关系不视为按比例的。更确切地说，为了更好的可示出性和/或为了更好的理解能够夸大地示出个别元件，尤其层厚度。
具体实施方式
图1示出具有根据一个实施例的测量方法的步骤的示意流程图。在测量方法的第一步骤91中发出发射信号11，所述发射信号包括至少一个光脉冲12。光脉冲12尤其具有在一纳秒和100纳秒之间(其中包括边界值)的渡越时间121。
光脉冲12的光的强度I在其持续时间121期间在时间上时非恒定的。尤其地，以调制频率123调制光脉冲12的强度I的幅值122。调制频率123位于100MHz和10GHz之间(其中包括边界值)。这对应于在十分之一纳秒和10纳秒之间的脉冲周期124。光脉冲12的在时间上正弦状126变化的强度I的幅值122位于光脉冲12的在时间上取平均的强度125的20％和100％之间(其中包括边界值)。
在测量方法的第二步骤92中，由光电探测器探测接收信号21。接收信号21包括由外部的物体4至少部分地反射的发射信号11的至少一部分。此外，接收信号21包括背景光，例如阳光和/或人工环境照明的光。光电探测器将接收信号21转换为电信号。
在测量方法的第三步骤93中，选择接收信号21的至少一个频率分量22，所述频率分量对应于发射信号11的调制频率123。由此能够将至少部分地由外部的物体4反射的发射信号11从光电探测器的因背景光引起的背景噪音23中滤出。频率分量22的选择通过接收信号21的快速的傅里叶变换来实现。
在测量方法的第四步骤94中，从光渡越时间中求取距外部的物体4的间距5。光渡越时间从发出发射信号11和探测接收信号21的所选择的频率分量22之间的时间差中得出。
图2根据一个实施例示意地示出光脉冲12的光的作为时间t的函数的强度I。光脉冲具有持续时间121，在所述持续时间期间以幅值122和调制周期124调制光脉冲12的强度I。调制周期124是调制频率123的倒数。幅值122大约为光脉冲的在时间上取平均的强度125的大约75％。为了更好的可示出性，光脉冲的持续时间在本示例中大约对应于五个调制周期124。然而，优选地，光脉冲12的持续时间121比十个调制周期124更长。由此，与光脉冲12的持续时间121成反比的调制频率123的模糊减小。调制频率123的小的模糊是有利的，以便能够更好地从背景噪音23滤出至少部分地由外部的物体4反射的发射信号12。
图3根据另一个实施例示意地示出光脉冲12的作为时间t的函数的电场强度E和强度I。光脉冲12的光的强度I在此与电场强度E的平方成比例。光脉冲12通过具有不同频率的光的两个未调制的子脉冲13的叠加来产生。由此产生差拍14，其中光脉冲12的强度I的调制频率123对应于两个未调制的子脉冲13的光的频率差。
为了更好的可示出性，在此两个子脉冲13的光的频率差大约是子脉冲13的光的频率的五分之一。然而，在来自频率为例如100太赫兹和频率差为例如一千兆赫的红外光的子脉冲13的情况下，频率差仅为子脉冲13的光的频率的万分之一。因此，差拍14的电场强度E和光脉冲12的强度I仅作为在子脉冲13的光的电场强度E的振荡周期内的时间平均示出。由于差拍14，幅值122对应于光脉冲12的在时间上取平均的强度125。为了更好的可示出性，在此类似于图3示出与调制周期124相比短的脉冲持续时间121。优选地，光脉冲的持续时间121大于十个调制周期124。
图4示出根据一个实施例的接收信号21的频谱，所述接收信号从接收信号21的傅里叶变换中得到。尤其地，接收信号21的强度I作为频率f的函数示出。以调制频率123调制至少部分地由外部的物体4反射的发射信号11的强度I并且在背景噪音23中作为频谱中的峰值示出。尤其地，在测量方法的第三步骤93中，选择对应于在调制频率123下的频谱的峰值的频率分量22。
频谱中的峰值具有谱线宽度15，所述谱线宽度尤其由通过光脉冲12的有限持续时间121引起的调制频率123的模糊以及由光脉冲12的激光的谱线宽度15组成。从在发出光脉冲12和在调制频率123中在频谱中出现峰值的时间点之间的时间差中能求取光脉冲12的渡越时间并且由此求取距外部的物体4的间距5。
外部的物体4的径向速度造成频率的多普勒频移，在所述频率处出现频谱中的峰值，所述峰值对应于至少部分地由外部的物体4反射的发射信号11。根据所述多普勒频移能够求取外部的物体4的径向速度。
图5根据一个实施例示出测量设备的示意构造，所述测量设备包括发射单元1、接收单元2和评估单元3。发射单元1配置用于在运行期间发出发射信号11，所述发射信号包括至少一个光脉冲12。光脉冲12包括波长在800纳米和1800纳米之间的红外激光。
接收单元2具有至少一个光电探测器，所述光电探测器配置用于探测接收信号21。尤其地，光电探测器配置用于探测至少部分地由外部的物体4反射的发射信号11。
优选地，发射单元1的光源和接收单元2的光电探测器直接并排设置。尤其地，在发射单元1的光源和接收单元2的光电探测器之间的间距比距外部的物体4的间距5小很多。例如，距外部的物体4的间距5是在光源和光电探测器之间的间距的至少十倍大。优选地，光电探测器不接收发射单元1的直接光，而是配置用于接收发射单元1的由外部的物体4反射的间接光。
接收单元2的光电探测器将接收信号21转换为电信号，所述电信号由评估单元3分析。尤其地，评估单元3配置用于从接收信号21中选择频率分量22，所述频率分量对应于发射信号11的调制频率。由此，将由外部的物体4至少部分地反射的发射信号11从背景噪音23中滤出。背景噪音23例如通过也射到光电探测器上的环境光产生。
图6示出根据一个实施例的测量设备的发射单元1的示意构造。发射单元1具有谐振器61，所述谐振器包括两个相对置的外部的镜6。两个外部的镜6中的至少一个镜是部分透光的并且配置用于将在运行时产生的激光从而发射信号11耦合输出。在谐振器61之内设置有双折射的光学元件7和具有用于产生激光的有源层82的半导体层序列81。
在有源层82中，结合谐振器61产生居量反转。由于居量反转，电磁辐射在有源层82中通过受激发射产生，所述受激发射引起电磁激光辐射的构成。由于通过受激发射产生电磁激光辐射，电磁激光辐射与通过自发发射产生的电磁辐射不同，通常具有非常高的相干长度、非常窄的发射频谱和/或高的偏振度。
在本实施例中，半导体层序列81是边缘发射的半导体芯片，其发出在红外波长范围内的光。替选地，表面发射的半导体激光芯片也能够设置在谐振器61中。在本实施例中，半导体层序列81的边缘面83不配置用于反射在运行时产生的激光并且尤其不形成对于在运行时产生的激光而言强反射性的谐振器。
双折射的光学元件7具有光学轴线72并且将激光在谐振器中分为正常的和非正常的光束。由于对于在双折射的光学元件7中的正常的和非正常的光束的不同的折射系数，对于正常的和非正常的光束而言，谐振器61的光学长度是不同的。因此，对于正常的和非正常的光束而言，从谐振器61中耦合输出的激光具有不同的频率。正常的和非正常的光束彼此垂直地偏振并且尤其在谐振器之外彼此干涉。因此，正常的和非正常的光束能够形成两个子脉冲13，所述两个子脉冲的叠加导致差拍14从而导致激光脉冲12的光的强度的调制。在此，调制频率123通过正常的和非正常的光束之间的频率差确定。
调制频率能够通过双折射的光学元件7的厚度71设定。此外，调制频率能够通过在双折射的光学元件7的光学轴线72和谐振器61的光学轴线62之间的角度73设定。
图7示出测量设备的发射单元1的另一实施例，所述测量设备包括谐振器61，在所述谐振器中设置有双折射的光学元件7和半导体层序列81。与图2中的实施例不同，在此，半导体层序列81的边缘面83构成为镜从而构成为光学谐振器61的一部分。尤其地，边缘面83具有对于在运行时产生的激光而言大于99％的反射率从而取代在图6的实施例中的谐振器61的外部的镜6之一。
本申请要求德国专利申请102021121096.8的优先权，其公开内容通过参引并入本文。
本发明不因根据实施例的说明而受限于此。更确切地说，本发明包括每个新的特征以及特征的任意组合，这尤其包含权利要求中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身并未详尽地在权利要求或实施例中给出也如此。
附图标记列表
1 发射单元
11 发射信号
I 强度
t 时间
f 频率
12 光脉冲
121 持续时间
122 幅值
123 调制频率
124 调制周期
125 平均强度
126 正弦信号
13 子脉冲
14 差拍
15 谱线宽度
2 接收单元
21 接收信号
22 频率分量
23 背景噪音
3 评估单元
4 外部的物体
5 间距
6 镜
61 谐振器
62 光学轴线
7 双折射的光学元件
71 厚度
72 光学轴线
73 角度
8 激光介质
81 半导体层序列
82 有源层
83 边缘面
91 第一步骤
92 第二步骤
93 第三步骤
94 第四步骤
Claims (13)
1.一种测量方法，具有以下步骤：
-发出发射信号(11)，所述发射信号包括至少一个光脉冲(12)，其中以调制频率(123)调制所述光脉冲(12)的强度(I)的幅值(122)并且所述调制频率(123)位于500MHz和10GHz之间，其中包括边界值，
-探测接收信号(21)，所述接收信号包括由外部的物体(4)反射的所述发射信号(11)的至少一部分，
-选择所述接收信号(21)的至少一个频率分量(22)，所述频率分量对应于所述发射信号(11)的调制频率(123)，
-从发出所述发射信号(11)和探测所述接收信号(21)的所选择的频率分量(22)之间的时间差中求取距所述外部的物体(4)的间距(5)。
2.根据上一项权利要求所述的测量方法，其中以正弦信号(126)调制所述光脉冲(12)的强度(I)的幅值(122)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的测量方法，其中通过将具有不同频率的光的两个未调制的子脉冲(13)叠加来产生所述发射信号(11)的光脉冲(12)，其中所述调制频率(123)对应于两个子脉冲(13)的光的频率差。
4.根据上述权利要求中任一项所述的测量方法，其中所述光脉冲(12)的持续时间(121)为调制频率(123)的倒数的至少十倍。
5.根据上述权利要求中任一项所述的测量方法，其中频率分量(22)的选择包括所述接收信号(21)的傅里叶变换。
6.根据上述权利要求中任一项所述的测量方法，其中利用所述接收信号(21)中的调制频率(123)的多普勒频移来求取所述外部的物体(4)的速度。
7.一种测量设备，具有：
-发射单元(1)，所述发射单元在运行时发出发射信号(11)，所述发射信号包括至少一个光脉冲(12)，其中以调制频率(123)调制强度(I)的幅值(122)，
-接收单元(2)，所述接收单元在运行时探测接收信号(21)，所述接收信号包括由外部的物体(4)反射的发射信号(11)的至少一部分，和
-评估单元(3)，所述评估单元在运行时分析所述接收信号(21)并且配置用于在所述调制频率(123)中选择所述接收信号(21)的至少一个频率分量(22)并且从所述发射信号(11)的由此确定的渡越时间中求取距所述外部的物体(4)的至少一个间距(5)，其中
-至少一个光脉冲(12)包括激光，并且
-所述发射单元(1)包括谐振器(61)，在所述谐振器中设置有激光介质(8)和双折射的光学元件(7)。
8.根据上一项权利要求所述的测量设备，其中所述激光的谱线宽度(15)小于所述调制频率(123)的十分之一。
9.根据权利要求7或8所述的测量设备，其中所述双折射的光学元件(7)包括以下组的材料：石英、铌酸锂、钽酸锂、氟化镁。
10.根据权利要求7或8所述的测量设备，其中所述双折射的光学元件(7)是电光学元件。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的测量设备，其中所述激光介质(8)包括具有用于产生激光的有源层(82)的半导体层序列(81)，其中所述有源层(82)是周期性结构化的并且形成干涉滤波器。
12.根据上一项权利要求所述的测量设备，其中通过所述双折射的光学元件(7)的厚度(71)和/或通过在所述双折射的光学元件(7)的光学轴线(72)和所述谐振器(61)的光学轴线(62)之间的角度设定所述调制频率。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的测量设备，其中所述评估单元(3)配置用于确定所述接收信号(21)的调制频率(123)的多普勒频移。
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