CN118151166A - 对对象进行检测和距离确定的光电传感器和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及对对象进行检测和距离确定的光电传感器和方法。光电传感器(10)具有：光发射器(12)，其发射出发射脉冲(14)；偏转单元(16b)，其使发射脉冲在不同的角度位置发射出；光接收器(24)，其产生接收信号；以及控制和评估单元(30)，其被设计用于在接收信号中识别在监控区域(18)中漫反射或反射的发射脉冲(14、20)产生的接收脉冲，并基于发射出发射脉冲和接收到接收脉冲之间的光飞行时间来测量距离，以及通过评估接收信号来识别雾的存在。控制和评估单元还被设计用于，通过使用雾标志检查与接收脉冲相对应的接收信号的时间段来识别雾的存在，其中雾标志具有与对象的接收脉冲的情况不同的接收信号的时间分布、上升行为和/或振幅。

Description

对对象进行检测和距离确定的光电传感器和方法

本发明涉及根据权利要求1和15的主题的用于对监控区域中的对象进行检测和距离确定的光电传感器和方法。

测距光电传感器向监控区域发射光束，并再次接收被对象反射回来的光束，以对接收信号进行电子评估。被扫描上的对象的距离是根据发射和再次接收的光束的光飞行时间来确定的。在激光扫描仪中，这种测量原理用于区域扫描。光束借助于偏转单元周期性地扫过监控区域。相应测量的距离与偏转单元的角度位置相关联，从而以二维极坐标记录监控区域中对象的位置。第三空间坐标可以通过横向的相对运动所覆盖。

激光扫描仪在安全技术中用于监控危险源，例如危险的机器。从DE 43 40 756 A1中已知这种安全激光扫描仪。其中，对在机器运行期间操作人员不得进入的保护区进行监控。如果激光扫描仪识别到未被允许的保护区入侵(如操作人员的腿)，则激光扫描仪触发机器的紧急停机。在安全技术中使用的传感器必须特别可靠地工作，因此必须满足较高的安全要求，例如关于机器安全性的标准EN13849和关于非接触式保护装置(BMS)的设备标准EN61496。为了满足这些安全标准，要采取一系列措施，例如通过冗余、多样化的电子器件进行安全电子评估、对光学构件(特别是前窗)的污物进行功能监控或特殊监控，和/或设置必须在相应的扫描角度下才被识别到的具有限定反射度的各个测试目标。

在户外(Outdoor)使用时，环境影响(特别是雾、雨和雪)对可靠性和无干扰运行提出了特别的挑战。虽然这些天气影响通常可以在室内排除，但它们在户外却是不可避免地存在，而且无法控制，但却与物流环境或生产环境中的生产流程息息相关。要完全摆脱光电传感器和天气影响之间的相互作用，一般来说是不可能的。

雾在安全技术应用中尤其不利，因为它对可用性和安全性都有影响。可用性会受到损害，因为在浓雾中，雾的回声足够强，以致于将雾视为与安全相关的对象。因此，即使客观上根本没有危险情况，被监控的机器也必须转入安全状态。在中等视距范围内，雾甚至会成为安全关键，其中雾不会被识别为对象，但由于雾的衰减而导致潜在的探测损失。在这种情况下，可能会忽略危险情况，而安全传感器必须根据上述标准排除这种情况。到目前为止，应对措施是缩小传感器的安全范围，从而提供能量储备。然而，这意味着即使在没有雾的情况下，传感器也只能在较小的范围内工作。

因此，需要对光电传感器进行安全的雾识别。在此，正如本说明书中的各处一样，“安全”意味着遵守机器安全、个人防护和非接触式保护装置的相关安全标准。

SICK公司提供了“动态天气辅助”，它使用灵敏的警告场来识别不利的天气条件，然后切换到更稳健的保护场，该保护场至少可以让操作以较慢的速度继续进行，从而整体上提高生产率。其中，不进行安全雾识别。

Thorsten Theilig的白皮书“HDDM+-Innovative Technologie von SICK fürdie Distanzmessung”介绍了一种光学距离测量技术，其中对多个激光脉冲进行统计评估。由于它的多回波性，因此可以只评估最后一个回波，而忽略先前由雾引起的较小的回波。然而，这并不是安全的雾识别。

在DE 10 2009 057 104 A1中，激光扫描仪根据接收脉冲的形状来区分被扫描上的是对象还是仅仅是作为所谓的软目标的干扰物。这种识别是不安全的。此外，也无法确定激光扫描仪是否仍然能够进行探测，例如是否有其他相关目标隐藏在雾中。

在EP 2 541 273 B1中，接收信号在分光器元件处被分成用于高频分量和低频分量的两条路径。借助于高频分量来探测硬目标或对象，而低频分量用于确定视觉浑浊。这就需要从评估的模拟部分开始的双重评估路径。低频分量的评估不能提供安全的雾识别。

EP 3 059 608 B1描述了一种激光扫描仪，其通过光接收器的电源中的电流测量接收电平，然后校正测量的距离或调整评估算法。其中，通过将接收电平与阈值进行比较，可以识别反射器是否被扫描到。这与雾识别没有任何关系。

在EP 3 287 809 A1中，激光扫描仪监控保护场内的多个监控场，并计算在其中探测到对象的频率。从该频率推导出探测安全性度量，并且在探测安全性较低的情况下，更精确地执行进一步的监控，因此响应时间增加，而响应时间又可以通过降低受监控的机器或者交通工具的工作速度和运动速度来补偿。然而，探测到的对象的数量并没有增加，特别是在中度雾的情况下，甚至由于衰减而使对象被忽略了。

EP 3 435 117 A1基于多个距离测量结果的分布来确定所述激光扫描仪是否仍能探测到以及能探测到多远的距离。统计方法相对较慢，特别是在需要说明某些方向的雾影响时。

从EP 3 588 139 A1中已知另一种激光扫描仪，其以不同的灵敏度对对象距离进行两次测量。如果出现偏差，则推断出视距受限。这只有在扫描光束中存在对象并扫描上时才有效。在中等视觉浑浊的雾中对象被忽略的安全关键情况目前还不包括在内。

在此背景下，本发明的目的是进一步改进同类传感器的雾识别。

该目的通过根据权利要求1和15的用于对监控区域中的对象进行检测和距离确定的光电传感器和方法得以实现。为了用光飞行时间方法测量距离，光发射器向监控区域发射至少一个发射脉冲。当发射脉冲在监控区域中被反射或漫反射(remittieren)时，光接收器从监控区域的光产生具有接收脉冲的接收信号。其中，设置有可移动的(特别是可转动的)偏转单元，借助该偏转单元使发射脉冲在多个角度位置中的一个角度位置发射出。优选地，周期性地扫描扫描平面或监控平面的至少一部分。例如，偏转单元可以被设计成转动反射镜、具有光发射器和光接收器的旋转光学头或者固态单元，例如基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems——微机电系统)反射镜或OPA(Optical Phased Array——光学相控阵)的固态单元。

控制和评估单元评估接收信号，以确定发射出发射脉冲和接收到接收脉冲之间的光飞行时间，从而确定距离。控制和评估单元还以一种待描述的方式从接收信号中识别出是否存在雾。这使得传感器可以在户外使用。识别针对的是雾，但也可以对其他环境影响(如雨或雪，特别是具有细小雨滴并因此具有类似雾的特性的雨或雪)做出反应。这对探测有类似的作用，因此通常是一种期望的效果，但不再单独讨论。

本发明的基本思想在于，通过使用雾标志(Nebelsignatur)检查接收信号来识别雾的存在。雾标志对应于在有雾的情况下接收脉冲特性的先验知识，因此与接收脉冲所在的接收信号的时间段有关。总的来说，存在这样的时间段已经是一个隐含条件，因为它使得距离值可以测量。然而，在有雾和没雾的情况下，该段时间段明显不同。这导致接收信号的时间分布、边沿行为、特别是上升行为和/或振幅与对象的接收脉冲的情况不同。这些差异归纳在雾标志中。在下文中，与对象的全命中(Volltreffer)相比，由雾产生的接收脉冲也被称为半命中(Halbtreffer)。半命中并不自动意味着雾，因为例如有边命中(Kantentreffer)，即发射光斑落在距离不同的两个对象上，而这两个对象也不是全命中。此外，中等视距的雾也会造成半命中。浓雾也会产生全命中，非常弱的雾可能就像其他干扰和噪声效应一样根本不会被记录下来。感兴趣的场景是中等视距的雾，因为在浓雾的情况下，任何有意义的功能都不再有保证，而弱的雾则可以忽略。

本发明的优点在于，由于不再需要为雾保留能量储备，因此可以实现更大的范围。因此，对雾的反应是根据情境的，而不是预防性的。浓雾在大多数户外应用中是极其罕见的，因此在所有能量考虑因素中不再加以考虑。可用性显著提高。浓雾会被直接识别出来，被监控的机器可以继续例如以降低的速度工作，而不是像传统的那样使机器转入其安全状态，通常是将其切断并等待更好的能见度条件。在特殊的雾条件下的探测损失不再可能，因为在这些情况下会触发雾识别。作为响应，例如可以切换到更稳健的保护场配置，或者降低工作速度，特别是被监控交通工具的速度。

优选地，控制和评估单元被设计用于，如果使用雾标志进行的检查针对多个角度位置都得出雾的存在，则识别雾的存在。对于较小的对象，只在一个角度位置进行检测是完全可以想象的。然而，雾通常是大片区域的。因此，在有雾的情况下，预期雾标志所指定的雾标准会出现在多个角度位置上。在半命中和全命中的命名中，简单地说，在雾中有很多、而不仅仅是孤立的半命中。因此，雾标志用于检查是否存在对于雾典型的累积特别是最小数量的半命中。

优选地，控制和评估单元被设计用于，如果使用雾标志进行的检查针对n个相邻角度位置中的至少m个角度位置都得出雾的存在，则识别雾的存在。在该实施方式中，更具体的要求是在相邻的角度位置识别雾。现在，半命中的累积不是分布在监控区域的任何地方，而是特别要求分布在一个集群中。否则，就会错误地从多个孤立的角度位置得出识别到的雾的最小数量的角度位置，而在这些孤立的角度位置中，雾标志没有足够清晰地区分雾和其他接收信号。在实践中，基于所有角度位置的邻域区域中的雾标志来识别雾这一规则又过于严格。因此，这一要求被弱化为n个中的m个，其中m<n为自然数，例如最多20个，例如n＝8-12个中的m＝4-7个。在所考虑的n个邻域的剩余n-m个角度位置上，测量结果可以是任意的，例如全命中对象，或者在那里根本无法测量到距离。

优选地，传感器具有布置在光接收器下游的滤波器，该滤波器将接收脉冲转换成振荡，其中雾标志具有至少一个第一振荡的减小的振幅、至少第一振荡的变化的符号和/或振荡的变化的次数。例如，这样的滤波器可以是带通滤波器。显然，接收脉冲在滤波器中触发振荡，通过该振荡，接收脉冲的能量被分布到振荡中。现在，雾标志可以设定振荡标准，这提供了比简单的接收脉冲更多的特性。雾以明显的方式改变了信号曲线的特性，如起振缓慢、反转和相位突变等。这可以通过局部极值的序列、距离和符号来检查。这里的极值是指信号曲线中考虑的单个振荡超过或低于雾标志的振幅阈值。特别地，雾标志可以从以下事实中体现出来：第一次振荡(即，振荡的第一个极值)比对象时的振荡要小得多，即大约只有一半大。此外还体现在，在雾的情况下，第一次振荡通常与对象时的振荡方向相反，因此雾标志可以包括变化的符号。雾的影响不一定只局限于第一次振荡，考虑第二次振荡、第三次振荡和其他振荡可能是有意义的，其中最迟在第三次振荡之后，差异就不再那么容易识别了。最后，振荡的次数可能会发生变化，直到整个振荡衰减为止，这也可以成为雾标志的一部分。

优选地，控制和评估单元被设计用于，在每个角度位置都发射多个单独的光脉冲，这些光脉冲分别仅使用几个阈值对再次接收的光脉冲进行采样，特别是使用单一阈值对光脉冲进行二值化，并且将这些扫描结果累积成数字接收信号。在该实施方式中，使用脉冲平均方法对针对稳健的信噪比能量太少的多个单独的测量结果进行统计评估。对于非常简单的硬件实现，接收信号不是以较大的位深进行数字化的，而是仅以一个或很少的阈值进行采样。只有通过将单独的测量结果的多个单独的信号累积起来，才能产生可评估的接收信号。由于采用了偏转单元，严格来说，测量的单独的光脉冲并不是在同一角度位置发射的，而是在一个狭窄的角度扇区内发射的，角度位置可以分配到该角度扇区。

优选地，控制和评估单元被设计用于，仅当除了使用雾标志进行的检查之外还满足至少一个附加标准时才识别雾的存在，即最小距离以外的测量值消失、测量距离在雾距离范围内、接收信号具有雾的预期强度和/或未识别到反射器。在该实施方式中，基于雾标志的雾识别被认为不够可靠，因此增加了至少一个附加标准。在此，具体提到了几个附加标准，其中优选应用几种不同可设想的组合的附加标准，或优选应用全部附加标准。在将几个附加标准组合使用时，可以设想加权。第一附加标准涉及在有雾的情况下，距离太远时测量值的预期失效。雾抑制了此处的信号电平，因此无法检测到更远的对象。第二附加标准要求在满足雾标志的情况下测量结果的距离在雾距离范围内。换句话说，根据第二附加标准，半命中应位于最小距离和/或最大距离。第三附加标准涉及强度或电平，即在雾存在的情况下，电平与预期强度相对应。根据第四附加标准，在所考虑的测量中不能识别到反射器。

优选地，控制和评估单元被设计用于按照人员保护或非接触式保护装置的安全标准，特别是通过检查多个或所有附加标准来进行安全的雾识别。雾标志，特别是连同附加标准，首次实现了相关安全标准意义上的安全的雾识别。在安全技术应用中，仅以合理的、并且可能目前还没有达到的高速率来区分雾和对象是不够的。保护场中的人员被错误地归类为雾在每一个情况下都有可能导致严重的人身伤害，因此无论如何都必须避免。在安全标准中规定了相应的故障安全要求，而根据该实施方式的安全的雾识别则通过多个以多样性的方式互补和保障的雾标准来满足这些要求。

优选地，控制和评估单元被设计用于，作为雾存在的第一附加标准，检查是否仍然检测到最小距离以外的预期远距离测量数量的测量值，特别是在相应的预定时间间隔内。在无雾运行中，测量值总是从较远的距离，甚至从传感器的指定或安全范围以外反复进行检测。在有雾的情况下，这些距离的信号电平已不足以进行距离测量。因此，没有大的测量距离也是雾的一种表现。可以对远距离测量数量(其表示对如此大的测量距离的数量的预期)进行参数化，或也可以通过在无雾运行期间对距离测量结果进行统计分析来自动推导得出。由于短暂没有大距离可能仅仅是由于当前场景所致，因此优选地在一定的时间间隔内检查第一附加标准，该时间间隔特别地包括多个扫描。

优选地，雾距离范围包括最多10m的距离，特别是介于0.5m和6m之间。最小距离与雾无关，但应将极端近距离的信号(例如，由前窗引起的信号)与雾区分开来。如果其他例外排除了这种混淆，则下限也可以接近甚至为零。所述范围可以更精确地量化第二附加标准的雾距离范围。足够的浓雾(其触发距离测量，因此最初可能与对象混淆)通常与视距低于10米有关。这也与传感器的光学特性有关，传感器的灵敏度随距离而变化。与距离相关的灵敏度也称为信号动态，从该信号动态得到进一步限制的优选的雾距离范围，从0.5m-1m到5m-10m，优选0.5m到6m。

优选地，强度对应于雾的预期强度，其中预期强度是从黑色测试对象的反射率推导得出的，特别是反射率介于黑色测试对象的反射率的10％和200％之间的对象产生的强度。例如，接收脉冲下的积分或者在具有相应滤波器的实施方式中整流振荡下的积分，可以用作强度的度量。有了该第三附加标准，就能预期雾的特定反射率。优选地，用于将该特定反射率与对象的反射率联系起来的量化以相关的安全标准(如IEC61496-3)为基础。然后，必须考虑到最坏的情况，在该最坏的情况下，仍然可以安全地检测到反射率为1.8％的黑色测试对象。在上述10％-200％范围的上部分，例如从100％开始，雾反射的光至少与黑色测试对象一样多。因此，这通常被认为是全命中。因此，例如10％-80％或10％-50％的较小值甚至更有利，因为它能更强烈地表明雾。低于10％的太小的值，甚至可能达到像20％或30％这样的较高极值，意味着雾的影响非常小，如果仍能产生半命中，则不一定要考虑雾的影响。因此，像[20％-30％，50％-80％]这样的范围是可以设想的。

优选地，控制和评估单元被设计用于一致性检查，其中如果存在雾的预期强度，则可以测量较少或不测量雾距离以外的距离。一致性检查是由雾的特定反射率推导得出的。因此，可以计算出在给定距离上要探测到对象，光的比例要是多少，以及从什么时候起，由于雾的原因，衰减会如此强烈，以至于无法再测量距离。因此，假设雾具有一定的雾特定反射率，则对应于一个雾距离，超过这个距离就无法再探测到对象。因此，一致性检查确定是否探测到了与假设相矛盾的远距离对象，即是否也测量到距离或甚至过多的距离，这些距离在假定雾的情况下根本无法测量，因此与具有测量到的雾特定反射率的雾是实际存在的这一假设相矛盾。

优选地，控制和评估单元被设计用于，在光接收器中的电流超过反射器阈值时，特别是通过测量光接收器的电源中的电流，识别反射器。因此有利地，第四附加标准得到进一步发展。通常，由于高于反射器阈值的特别高的强度，可以在接收脉冲中识别反射器。为此，特别优选的不是评估实际的接收信号，而是使用另一个源，即光接收器的电源中的电流。前述EP 3 059 608B1对此有更详细的描述，作为补充性参考。反射器阈值可以具有距离依赖性，当在测量中满足雾标志的标准时(即在半命中的情况下)，则存在测量的距离值。

优选地，控制和评估单元被设计用于，仅识别雾和/或如果在多次测量中确认了雾则不再识别雾。通过这种方式，雾识别就获得了惯性或者低通滤波或滞后性。雾的形成和消散是一个相对缓慢的过程，通过多次测量确认雾识别也是考虑到了这一点。与在角度位置的邻域内使用雾标志进行的检查一样，这里也可以设想n个中的m个的标准，当然也有自己的m和n，例如在使用偏转单元进行的n＝200次周期性扫描(帧、扫描)中，必须识别到m＝100次雾，才能被视为雾识别。除了上面已经讨论过的空间考虑因素之外，即检查是否存在半命中的累积，特别是在有限的邻域中是否存在半命中的累积，这里还有时间考虑因素。这考虑到了一系列大量扫描中缓慢变化的累积，这对于雾来说是典型的。

优选地，传感器被设计成安全传感器，特别是安全激光扫描仪，其具有安全输出端(OSSD，Output Signal Switching Device——输出信号切换装置)，并且其控制和评估单元被设计用于，在识别到监控区域中的与安全相关的事件时经由安全输出端输出以安全为导向的信号。在这种情况下，就相关安全标准而言，不仅雾识别是安全的，而且整个传感器也是安全的。以安全为导向的信号可以触发紧急停止，通常它将被监控的机器转入安全状态。特别是在移动应用中，减速可能就足够了，或者规避可能是更合适的措施。

优选地，控制和评估单元被设计用于，通过监控在监控区域中配置的保护场来识别与安全相关的事件，并且针对在保护场的角度位置和/或距离上存在雾采用更严格的标准。在这里，与往常一样，与安全相关的事件的识别是通过在监控区域内的配置指定的保护场进行的。优选地，对于在保护场内位置的雾的识别，采用不同于保护场外的标准，特别是更严格的标准。例如，基于雾特征，需要在n个相邻的角度位置有m次雾识别，并且m在保护场内比在保护场外要大。另一种可能性是，在保护场内需要更多的上述附加标准，或者附加标准本身更严格。

根据本发明的方法可以以类似的方式进一步发展并同时显示出类似的优点。这种有利的特征在从属于独立权利要求的从属权利要求中示例性地但不穷尽地进行了描述。

附图说明

下面将基于实施方式并参考附图对本发明的其他特征和优点进行更详细的阐述。在附图中：

图1示出了根据本发明的传感器的示例性实施方式的示意性剖视图，该传感器作为激光扫描仪具有雾识别功能；

图2示出了在能见度良好的条件下扫描上对象时激光扫描仪的示例性接收信号；

图3示出了在有雾的情况下激光扫描仪的示例性接收信号；以及

图4示出了激光扫描仪的测量点的示图，这些测量点可以是对象的全命中，或也可以是雾的半命中，以进一步阐述雾识别。

图1示出了激光扫描仪10的示意性剖视图。光发射器12(例如，激光器)产生光束14，该光束14优选地具有一个或更多个光脉冲，用于脉冲方法或脉冲平均方法。光束14经由光偏转单元16a-16b被偏转到监控区域18中，并且在监控区域中被可能存在的对象漫反射。漫反射的光20又返回到激光扫描仪10，并在激光扫描仪中经由偏转单元16b并借助于接收光学器件22被光接收器24(例如，光电二极管或APD(Avalanche Photo Diode——雪崩光电二极管))探测到，并被转换成电接收信号。

在这里，光偏转单元16b被设计成转动反射镜，该转动反射镜通过电机26的驱动连续旋转。光偏转单元16b的相应的角位置通过编码器28检测。因此，由光发射器12产生的光束14扫过由于旋转运动产生的监控区域18。根据偏转单元16b的相应角位置，借助于编码器28推导出监控区域18中被扫上的对象的角位置。

此外，测定在发射光束14和在监控区域18中的对象上反射后接收到漫反射的光20之间的光飞行时间，并由此利用光速推导出对象与激光扫描仪10的距离。该评估在控制和评估单元30中进行，为此控制和评估单元与光发射器12、光接收器24、电机26和编码器28连接。现在，通过角度和距离可以获得监控区域18中所有对象的二维极坐标。所有上述功能部件都被布置在外壳32中，外壳32在光出口和光入口的区域中具有前窗34。

在安全技术应用中，控制和评估单元30优选地使用一个或更多个保护场对检测到的对象的位置进行比较，这些保护场的几何形状通过相应的参数被预先给定或配置给控制和评估单元30。因而，控制和评估单元30识别保护场是否受到破坏，即其中是否存在不允许的对象，并且根据结果切换安全输出端36(OSSD，Output Signal Switching Device——输出信号切换装置)。由此，例如触发由激光扫描仪10监控的连接机器的紧急停止，或者制动其上安装有激光扫描仪10的交通工具。这种激光扫描仪通过满足引言提及的标准或类似标准以及为此所需要的措施被设计成安全激光扫描仪。

可以设想，在激光扫描仪10之外实现控制和评估单元30的至少一部分。然而优选地，至少整个与安全相关的评估(包括距离测量和下面阐述的视距的评估)都是激光扫描仪10的一部分，这样激光扫描仪10就能自主测量并评估安全性。

基于图1描述的激光扫描仪10用作光电传感器的示例，但本发明不限于此。特别是已知激光扫描仪的各种其它设计，例如光发射器12和光接收器24采用双轴而不是同轴布置，或采用转动测量头，该测量头包括光发射器12和/或光接收器24或通过光导耦接，还可以采用多个测量模块或附加的移动装置，以扫描三维空间区域。另外的可替代方案是所谓的固态传感器，其中使用诸如微反射镜之类的微机械系统来代替可移动的光偏转单元16b，或纯粹通过电子控制(例如，光学相控阵或声光调制器)实现所需的扫描方向。

在能见度有限的环境条件下，特别是在雾中，激光扫描仪10也可用作安全激光扫描仪，即适合户外使用或者能抵御污染环境。为此，激光扫描仪10配备有在有雾的情况下进行安全识别或者发出警告的功能，这将在下文中进行详细阐述。这样就可以根据情况对雾做出反应，例如切断被监控的机器，或者仅仅制动或使其更慢地运行。这也适用于移动应用，特别是交通工具作为受监控机器的情况。

图2示出了在无雾或者视距良好的情况下扫描上对象时接收脉冲范围内的激光扫描仪的示例性接收信号。严格来说，多个接收信号是叠加在一起的，以了解波动范围。该示例采用的是激光扫描仪10的实施例，其中在接收路径中使用了滤波器，特别是带通滤波器，在该滤波器中接收脉冲会触发振荡。因此，可以看到振荡，而不是简单的峰值。接收时间点可以根据振荡的任何特征(例如，其第一个过零点)来确定。在振荡范围内所选特征的时间偏移可以通过校准来补偿。

图3示出了在与图2类似的情况下的示例性的接收信号，但现在是气象视距仅为30米的浓雾。初始区域用虚线圈出。在最初的振荡中，特别是在前三次振荡中，甚至仅在第一次振荡中，可以识别到非常明显的雾标志。首先，第一正负振荡的振幅由于雾而显著减小。这主要是由于雾反射的接收脉冲的上升沿不那么陡峭，雾反射的接收脉冲的能量传输时间稍长，不会那么快触发振荡，或者是由于干扰效应。此外，振荡现在开始为正而不是为负，振幅变化明显。仔细观察图3可以发现，这种符号的变化(即使有雾也并不是在每种情况下都会发生符号的变化，并且在振荡开始时可能仍会有一个微小的、可忽略不计的变为负的极值)以及方差也是雾和类似的视觉影响(如尘埃)的典型特征。然后，总体上会出现更多的全偏转振荡(Schwingung mit Vollausschlag)。所有这些差异或其部分差异都被归纳在雾标志中。使用雾标志，例如基于组合阈值、期望序列和特征特性等来检查接收信号中是否存在图2中关于无雾情况下扫描上对象的情况或图3中有雾的情况。机器学习方法(例如，深度神经网络)也可用于使用雾标志检查接收信号。其他可能的评估辅助手段是卷积、自相关性或其他相关性。

图4是激光扫描仪10的测量点的示图。由于示图的原因，角度分辨率非常粗糙，在现实中，测量点例如按度或更精细的角度分辨率进行检测。测量点可划分为深色显示的半命中38和浅色显示的全命中40。全命中40表示对扫描上的对象进行了有效的距离测量。也可以测量半命中38的距离值。然而，关于图3描述的使用雾标志进行检查得出的结论是，测量是在雾中进行的。除了半命中38和全命中40之外，还有一些无法确定距离值的角度，这可能是因为那里既没有对象也没有雾，或者可能是因为在评估中无法及时定位接收脉冲。

基于雾标志的检查还不足以可靠地进行高安全级别的雾识别。例如，半命中38也可能是由边命中引起的。因此，优选地检查进一步的标准。下面将介绍这些进一步的标准。优选地，基于雾标志的雾识别之外的所有进一步的标准优选地同时满足。这样的“AND”运算对假阳性雾识别特别稳健。但也可以想象具有任意子组合的实施例。此外，加权组合是可以设想的，其中每个标准被视为雾特征，并以其各自的权重计入评估总和。如果评估总和高于雾阈值，则会整体触发雾识别。

第一进一步的标准将检查扩展到在相邻测量点38、40中是否存在雾标志，其中在图4中示例性地突出了这样的邻域42。因此，为了满足该进一步的标准，必须有最小数量的相邻半命中。孤立的半命中不足以进行稳健的雾识别。优选地，在n个相邻角度位置的邻域中，不要求所有n个角度位置都有半命中，而仅要求m<n的数量的角度位置有半命中。在剩余的n-m个角度位置中，测量结果对于第一附加标准是无关紧要的，可能有全命中40，也可能有半命中38，或者例如根本没有测量结果。事实证明，将最多为20个的n个邻域关联起来特别合适，特别地n＝8-12，m＝4-7是一个不错的选择。

除了基于雾标志的标准之外，优选地还应用几个独立于雾标志的附加标准，其中这里的独立性当然是指检查是单独进行的，可以给出或者假定相关性，因为最终始终是将雾的存在作为共同特征来识别。第一附加标准涉及在有雾时没有远距离测量的距离值。因为在没有雾的情况下运行时，背景对象也总是在较远的距离被重复检测到，从而触发距离测量。由此可以推导出预期，即只要没有雾，应该以多大频率来测量这么大的距离。如果不再达到该频率(例如，可以通过给定时间间隔内的远距离测量次数来量化这一频率)，则这是雾的迹象。

第二附加标准涉及测量的距离值，该距离值必须位于预定的雾距离范围内。例如，雾距离范围从0.5m-1m到5m-10m，优选是从0.5m到6m。优选地，邻域42的所有m个半命中38(用于邻域标准的n个中的m个)必须具有雾距离范围内的距离。

第三附加标准从接收脉冲的接收能量的度量中推导出来，这是接收脉冲的电平或强度。这大体上对应于接收脉冲的积分面积。在如图2和图3的振荡情况下，负的振荡分量正向进入积分中，振荡在积分之前被整流。强度可与雾的预期强度进行比较，其中预期可根据测量的距离值进行调整。雾的预期强度与其特定的反射率有关。这可以根据相关安全标准(如IEC61496-3)，参照最小对象或黑色测试对象进行量化。该最小对象从相应距离产生的强度是已知的。为了满足第三附加标准，可以将雾的预期强度设定为最小对象的已知强度的一个比例。有利的范围是10％至200％，更具体地是在如[20％,80％]、[30％,80％]、[20％,50％]或[30％,50％]等的较窄区间内。优选地，邻域42的所有m个半命中38(用于邻域标准中的n个中的m个)必须具有雾的预期的强度。

第四附加标准检查反射器是否可能已被扫描上。例如，这可以通过将强度与反射器阈值进行比较来检查。反射器阈值可以根据测量的距离进行调整。由于测量点与反射器的距离应进行校正，或者需要特殊的评估，因此在激光扫描仪10中，反射器识别无论如何都可以实施用于其他目的。反射器识别可以基于光接收器24的电流测量。如开篇提及的EP 3059 608 B1中所述的，对其电源进行测量是特别有利的。

如果基于上述标准来识别雾，特别是基于检查与雾标志的“AND”运算、n个中的m个的邻域条件以及提出的多个或所有附加标准来识别雾，则仍然可以随后进行具有低通特性的时间滤波。在激光扫描仪10中，周期性扫描被称为一次扫描，扫描大致相当于相机的一帧。到目前为止所描述的雾识别最初仅指单个扫描。雾本质上是一种迟缓的天气现象，并且发生的时间段无论如何都会大于例如一秒钟，而激光扫描仪10通常以50Hz或更高的扫描频率工作。因此，要求在大量连续的扫描中进行雾识别可能是有意义的。类似于半命中38的邻域关系，一定的容差是有利的，例如在200次扫描中的100次中识别到雾。这意味着不会显示难以置信的短时雾。还可以确保，在已经识别到存在雾的情况并且某些雾特征短暂缺失或被误解的情况下，雾仍能被持久识别到。相反，可以设想衰减持续时间，只有在多次连续扫描(优选地也具有容差，例如200次扫描中的100次扫描)都不再具有雾特征时，才取消先前的雾识别。这总体上导致了一种滞后现象。

作为对雾识别的响应，首先可以简单地输出雾存在的信息，例如状态位或雾标志。这可以是全局信息，但也可以附加到单个测量点上，从而可以是有角度分辨率的或者有时间分辨率的。雾可以触发切换到更稳健的保护场，或相应地动态调整保护场。此外，雾还会导致被监控机器的速度降低，特别是交通工具或AGV(自动驾驶交通工具)的速度降低。不再需要在机器停机的情况下进行切断，从而大大提高了可用性和生产率。另一可替代方案是对由于雾对接收信号的影响而导致的测量距离进行校正，因为雾会改变接收脉冲的特性，如图3所示。那么，甚至不必因为雾而明确采取以安全为导向的措施或调整，激光扫描仪10只需在雾中进行更精确的测量即可。

Claims (15)

1.一种用于对监控区域(18)中的对象进行检测和距离确定的光电传感器(10)，特别是激光扫描仪，所述光电传感器(10)具有：光发射器(12)，其用于发射出发射脉冲(14)；偏转单元(16b)，其用于使所述发射脉冲(14)在不同的角度位置发射出；光接收器(24)，其用于产生接收信号；以及控制和评估单元(30)，所述控制和评估单元(30)被设计用于在所述接收信号中识别在所述监控区域(18)中漫反射或反射的发射脉冲(14、20)产生的接收脉冲，并且基于发射出所述发射脉冲(14)和接收到所述接收脉冲之间的光飞行时间来测量距离，以及通过评估所述接收信号来识别雾的存在，

其特征在于，

所述控制和评估单元(30)被设计用于，通过使用雾标志检查与所述接收脉冲相对应的所述接收信号的时间段来识别雾的存在，其中所述雾标志具有与来自对象的接收脉冲的情况不同的接收信号的时间分布、上升行为和/或振幅。

2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(30)被设计用于，如果使用所述雾标志进行的检查针对多个角度位置都得出雾的存在，特别是如果使用所述雾标志进行的检查针对n个相邻角度位置中的至少m个角度位置都得出雾的存在，则识别雾的存在。

3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，所述传感器具有布置在所述光接收器(24)下游的滤波器，所述滤波器将接收脉冲转换成振荡，其中所述雾标志具有至少一个第一振荡的减小的振幅、至少所述第一振荡的变化的符号和/或振荡的变化的次数。

4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(30)被设计用于，在每个角度位置都发射多个单独的光脉冲(14)，这些光脉冲分别仅使用几个阈值对再次接收的光脉冲(20)进行采样，特别是使用单一阈值对这些光脉冲进行二值化，并且将这些扫描结果累积成数字接收信号。

5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(30)被设计用于，仅当除了使用所述雾标志进行的检查之外还满足至少一个附加标准时才识别雾的存在，所述至少一个附加标准为最小距离以外的测量值消失、测量距离在雾距离范围内、接收信号具有雾的预期强度和/或未识别到反射器。

6.根据权利要求5所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(30)被设计用于按照人员保护或非接触式防护装置的安全标准，特别是通过检查多个或所有附加标准来进行安全的雾识别。

7.根据权利要求5或6所述的传感器，其中，所述控制和评估单元(30)被设计用于，作为雾存在的附加标准，检查是否仍然检测到最小距离以外的预期远距离测量数量的测量值，特别是在相应的预定时间间隔内。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的传感器(10)，其中，所述雾距离范围包括最多10m的距离，特别是介于0.5m和6m之间。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的传感器(10)，其中，所述强度对应于雾的预期强度，其中所述预期强度是从黑色测试对象的反射率推导得出的，特别是反射率介于黑色测试对象反射率的10％和200％之间的对象产生的强度。

10.根据权利要求9所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(30)被设计用于一致性检查，其中如果存在雾的预期强度，则能够测量较少或不测量雾距离以外的距离。

11.根据权利要求5至10中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(30)被设计用于，在所述光接收器(24)中的电流超过反射器阈值时，特别是通过测量所述光接收器(24)的电源中的电流，识别反射器。

12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(30)被设计用于，仅识别雾和/或如果在多次测量中确认了雾则不再识别雾。

13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述传感器(10)被设计成安全传感器，所述安全传感器具有安全输出端(36)并且其控制和评估单元(30)被设计用于，在识别到所述监控区域(18)中的与安全相关的事件时经由所述安全输出端(36)输出以安全为导向的信号。

14.根据权利要求13所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(30)被设计用于，通过监控在所述监控区域(18)中配置的保护场来识别与安全相关的事件，并且对在保护场的角度位置和/或距离上存在雾采用更严格的标准。

15.一种用于对监控区域(18)中的对象进行检测和距离确定的方法，其中在多个不同角度位置中的一个角度位置发射出光脉冲(14)并再次接收所述光脉冲(14)，以产生接收信号，在所述接收信号中识别在所述监控区域(18)中漫反射或反射的光脉冲(20)产生的接收脉冲，并且基于发射和接收光脉冲(14、20)之间的光飞行时间来测量距离，以及通过评估所述接收信号来识别雾的存在，

其特征在于，

通过使用雾标志检查与所述接收脉冲相对应的所述接收信号的时间段来识别雾的存在，其中所述雾标志具有与来自对象的接收脉冲的情况不同的接收信号的时间分布、上升行为和/或振幅。