JP2020505598A - Ｌｉｄａｒシステムの監視装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＬＩＤＡＲシステム（２）の監視装置（１）において、レーザ光を検出し、レーザ光から基準信号（１００）を生成するための検出器（５）、および基準信号（１００）の振幅と制御信号（２００）の振幅との間の差を最小にする制御ループ（６）を含む監視装置（１）に関する。

Description

本発明は、ＬＩＤＡＲシステムの監視装置に関する。さらに、本発明は、監視装置を有するＬＩＤＡＲシステムに関する。ＬＩＤＡＲシステムは、特に、極めて短いパルス持続時間を有するレーザパルスを放出するように構成されている。

従来技術によりＬＩＤＡＲシステムを監視することが公知である。このためには、放出されたＬＩＤＡＲシステムの光出力が、放出された光出力がしきい値を超えたかどうかを決定するために検出される。放出された光出力がしきい値を超えた場合には光出力を低減する必要がある。なぜならば、さもなければ、例えば目の損傷によって人間に危険が及ぼされる可能性があるからである。

したがって、従来のＬＩＤＡＲシステムでは、光出力を最適に決定できるように長波パルスが使用される。しかしながら、周辺の物体によって反射されたレーザビームを検出する検出器に関しては、できるだけ短いパルスが供給されることが有利な場合もある。短いパルスは、特に最大で１０ｎｓの持続時間を有するパルスであると理解される。

光出力を決定するために必要であるように、短いパルスを有する信号をアナログからデジタルに変換しようとした場合に著しい困難および不正確さが生じる。このことは、信頼性のある機能監視をもはや保証できなくなることにつながる。したがって、特に車両で使用するために設けられているＬＩＤＡＲシステムで短いレーザパルスは使用されない。

本発明による監視装置は、ＬＩＤＡＲシステムを信頼性のある監視を可能にする。特に、短いパルスが存在する場合であっても光出力を決定することが可能である。同時に、監視装置は簡単で安価である。最後に、特に監視装置をいつでもテストすることが可能である。

本発明によるＬＩＤＡＲシステムの監視装置は、検出器と制御ループとを備える。検出器は、レーザ光を検出し、レーザ光から基準信号を生成するように構成されている。基準信号は、特に電気信号であり、検出器によって検出されたレーザ光の光出力を表す。制御ループは、基準信号の振幅と制御信号の振幅との間の差を最小にするように構成されている。このために、制御信号を変化させることが好ましい。したがって、監視装置において個々のパルスの定量化は試みられず、むしろ制御は、好ましくは幾つかのパルスにわたって行われる。制御は、制御信号の振幅が最終的に基準信号の振幅に対応するように、基準信号の振幅と制御信号の振幅との間の差を最小化する。したがって、制御ループが調整されるとすぐに、レーザ光のパルスの振幅の測定値とみなすことができる変数が制御信号の形で常に利用可能である。これにより、極めて短いパルス、特に１０ｎｓ未満の幅を有するパルスの振幅を決定することができる。

従属請求項は、本発明の好ましい改良形態を示す。

制御ループは、好ましくは、基準信号と制御信号との間の差を決定するための比較器を有する。特に、比較器は、基準信号の振幅と制御信号の振幅との減算を行うように構成されている。さらに、制御ループは、好ましくは、比較器によって決定された差の関数として制御信号を変更するための制御ユニットを備える。したがって、制御信号は、制御ループ内の制御量を表す。制御ユニットは、特に、上記差を最小化するために使用され、このために、制御ユニットは、制御信号を変更する既知の方法を使用する。このような方法は、特に、ニュートン法および／またはルンゲ−クッタ法である。これらの方法は、迅速な収束を達成できるという利点を有する。したがって、制御ループは、調整プロセスを終了するために短時間しかかからない。

特に有利には、制御ユニットは、制御信号を変化させることによって差を値ゼロに設定するように調整されている。したがって、制御信号の振幅は基準信号の振幅でもある値に収束する。このようにして、制御信号の振幅に基づいて基準信号の振幅の大きさを検出することができる。したがって、制御信号は、基準信号の振幅の測定値としての役割を果たす。このために、制御信号の振幅が一定の値で表されるように、好ましくは、制御信号は一定である。

制御ユニットは、好ましくは、デジタル信号を出力するように構成されている。デジタル信号は、デジタル−アナログ変換器によって制御信号に変換可能である。したがって、特に制御ループが調整されるとすぐに、デジタル信号によって基準信号の振幅のデジタル表現が既に提供されている。したがって、基準信号の振幅の複雑な、または不可能な測定および関連するアナログ−デジタル変換は必要ない。

好ましくは、さらに追加比較器が設けられている。追加比較器は、基準信号と、振幅が２等分された制御信号との間の差を決定するために使用される。しかしながら、好ましくは制御信号が一定の信号であり、したがって、差は振幅方向に基準信号のシフトを引き起こすだけである。このようなシフトは、特に制御信号の半分の振幅だけ行われる。特に、パルス幅は、信号が半分の振幅まで立ち上がった後に、信号が半分の振幅まで立ち下がる前に経過する時間として決定される。したがって、追加比較器は、基準信号のパルス幅を示すパルス幅信号を決定する。特に、パルス幅信号は、上記定義にしたがったパルス幅の持続時間にわたってしか存在しない。

特に有利には、パルス幅推定ユニットが設けられている。パルス幅推定ユニットは、パルス幅信号のパルスがパルス幅推定ユニットに印加される所定の時間単位の数をカウントする役割を果たす。したがって、パルス幅は、所定の時間単位の倍数として決定される。さらに、パルス幅推定ユニットは、所定の時間単位の数を示すＢＣＤカウンタコードを出力するように構成されている。したがって、ＢＣＤカウンタコードに基づいて、所定の時間単位の長さに所定の時間単位の数を乗算することによってパルス幅が計算可能である。パルス幅推定ユニットは、特に有利には、直列に接続された複数のテストユニットを有する。この場合、それぞれテストユニットが、所定の時間単位を待機した後にパルス幅推定ユニットにパルスが印加されているかどうかについて２値信号を出力するように構成されている。ＢＣＤカウンタコードは、有利にはテストユニットの２値信号から構成されている。直列接続により、所定の時間単位が加算される。これは、直列接続における第１のテストユニットが、所定の時間単位の後にパルス幅推定ユニットにパルス幅信号が印加されたかどうかをチェックすることを意味する。パルス幅信号が印加された場合には２値の０が出力され、さもなければ２値の１が出力され、それぞれがＢＣＤカウンタコードの第１の値を形成する。続いて、直列接続における次のテストユニットは、所定の時間単位を再び待機した後に、パルス幅信号がまだ印加されているかどうかをチェックする。これは、全てのテストユニットがチェックを行うまで続く。しかしながら、それぞれのテストユニットは、直列接続の先行する全てのテストユニットがチェックを完了した場合にはじめてアクティブになるので、ＢＣＤカウンタコード内の２値の１および／または２値の０の数はパルス幅の尺度であり、これらの値の数および／または分布が所定の時間単位の持続時間の乗数を表す。

さらに、それぞれの計数ユニットは、特に有利には、遅延素子とＤフリップフロップとを有する。遅延素子は、パルス幅信号の立ち上がりエッジの存在を示す２値信号をＤフリップフロップのデータ入力部に遅延して印加する役割を果たす。遅延は、所定の時間単位の長さを含む。同時に、パルス幅信号の立ち下がりエッジの存在を示す２値信号が、遅延なしにＤフリップフロップのクロック入力部に印加される。設けられている全てのＤフリップフロップの出力は、ＢＣＤカウンタコードを形成する。パルス幅信号は、基準信号のパルスが持続する間しか存在しないので、好ましくは、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとの間の時間はパルス幅である。これは、Ｄフリップフロップによって決定される。立ち上がりエッジにわたる遅延された２値信号が、立ち下がりエッジにわたる遅延されていない２値信号と同時にＤフリップフロップに印加された場合には、Ｄフリップフロップの出力は２値の１に切り換えられる。複数の計数ユニットによって、複数の遅延素子が直列に接続されており、それぞれの遅延素子は、パルス幅信号の立ち上がりエッジの存在を示す２値信号を計数ユニットのそれぞれのＤフリップフロップに遅延して印加する。パルス幅信号の立ち下がりエッジの存在を示す２値信号は、係数ユニットのＤフリップフロップに常に遅延なしに印加される。このようにして決定された個々のＤフリップフロップの２値の結果は、ＢＣＤカウンタコードに出力される。

検出器は、好ましくは、レーザ光から特徴的な電流信号を生成する役割を果たす。この場合、電流信号は、トランスインピーダンス変換器によって基準信号に変換可能である。したがって、基準信号は、可変の電圧によって形成されている。これにより、比較器および追加の比較器による基準信号のさらなる処理が簡略化される。

検出器は、有利には、ピンダイオードおよび／またはアバランシェフォトダイオードを含む。このようにして、監視ユニットは、少ない労力によって容易に実現可能であり、同時に、ＬＩＤＡＲシステムの信頼性のある監視を可能にする。

最後に、本発明はＬＩＤＡＲシステムに関する。このＬＩＤＡＲシステムは、上述のように、レーザ光源、分離ユニット、および監視装置を含む。レーザ光源によって、短い光パルスが放出される。短い光パルスでは、特に、最大で１０ｎｓ、特に最大で５ｎｓの持続時間を有するパルスが供給されるべきである。さらに、レーザ光はレーザ光源から分離ユニットを通って少なくとも部分的に監視装置に伝送可能である。

次に、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明の一実施形態による監視装置を有するＬＩＤＡＲシステムの概略図である。 本発明の一実施形態による監視装置のパルス幅推定ユニットの概略図である。 本発明の一実施形態による監視装置の基準信号の概略図である。 本発明の一実施形態による監視装置の制御信号の概略図である。

図１は、本発明の一実施形態による監視装置１を有するＬＩＤＡＲシステム２を概略的に示す。ＬＩＤＡＲシステム２は、レーザ光を放出するように構成されたレーザ光源３を有する。特に、レーザ光源３によって、最大で１０ｎｓ、特に５ｎｓの短い光パルスが放出可能である。このような短い光パルスは、安価なアバランシェフォトダイオードを検出器（図示しない）として使用することを可能にするので有利である。

監視装置１は、ＬＩＤＡＲシステム２の機能を監視する役割を果たす。このために、レーザ光源３から放出されたレーザ光の一部は、分離ユニット４を介して監視装置１に伝送される。特に、分離ユニット４は、ＬＩＤＡＲシステム２の光学系（図示しない）のレンズである。

監視装置１は、レーザ光を受信し、受信したレーザ光から基準信号１００を生成するように設計された検出器５を有する。特に、検出器５は、受信した光出力を反映する電流信号を生成する。有利な実施形態では、電流信号を電圧信号に変換するためにトランスインピーダンス変換器１２が設けられている。したがって、基準信号１００は、検出器５が受信した光出力に対して電圧が変化する電圧信号である。レーザ光源３は短い光パルスを放出するように構成されているので、基準信号１００も最大で１０ｎｓ、特に最大で５ｎｓ持続する短い電圧パルスを含む。

パルスの持続時間は、パルス幅６００とも呼ばれる（図３参照）。これは、パルスが少なくとも半分の振幅を有する期間である。したがって、この期間は、基準信号１００が振幅の半分より上に立ち上がることによって始まり、基準信号が振幅の半分より下に立ち下がることによって終わる。

パルスのエネルギーを決定するためには、振幅およびパルス幅６００が既知である必要である。したがって、パルス幅６００を決定するためには、まず振幅を決定しなければならない。これらのパラメータが分かればすぐにパルスのエネルギーを推定することができる。これにより、レーザ光の光出力を決定することが可能になる。したがって、全体として、光出力が所定の限界値未満であるかどうかを検出することができる。そうでない場合、ＬＩＤＡＲシステムは、人間、特に人間の目に潜在的な危険をもたらスケジュール。したがって、光出力を補正する必要がある。

基準信号１００の振幅を決定するために制御ループ６が設けられている。制御ループ６は比較器７および制御ユニット８を含む。比較器７は、基準信号１００と制御信号２００との差を計算する役割を果たす。特に、比較器７は、基準信号１００の振幅と制御信号２００の振幅との差を計算する。この差は、特に値０まで最小化されることが望ましい。

この差を最小にするために、制御ユニット８は制御信号２００を変化させる。したがって、制御信号２００は、制御ユニット８によって基準信号１００に適合される。特に、基準信号１００の振幅は、制御信号２００によって表される。したがって、制御信号２００の振幅は基準信号の振幅の尺度である。

制御部８は、コンパレータ７によって計算された差に応じてデジタル信号を出力する。このデジタル信号は、デジタル‐アナログ変換器９によってアナログ信号、すなわち制御信号２００に変換される。これにより、コンパレータ７は、基準信号から制御信号２００を減算することができる。

制御ループ６は、調整するために調整時間を必要とする。これは、制御信号２００が最終値に収束することを意味する。この調整時間は、特に、基準信号の１０パルス未満の持続時間、特に最大で５パルスの持続時間を含む。調整後には、制御信号２００によって基準信号１００の少なくとも１つの振幅を表す値が供給される。

パルス持続時間またはパルス幅６００を決定するために、制御信号２００の振幅が二等分される。このために、二等分要素１１が設けられている。このようにして振幅が二等分された制御信号２００は、基準信号１００と共に追加比較器１０に供給される。この追加比較器１０は、振幅を二等分された制御信号２００と基準信号１００との差を決定する。これにより、上記で定義されたパルス幅６００と同じ長さしか存在しないパルス幅信号３００を生成する。このことは、パルス幅信号３００の立ち上がりエッジがパルスの開始を示し、これに対して立ち下がりエッジがパルスの終了を示すことを意味する。立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとの間の期間を決定するために、パルス幅推定ユニット１３が設けられている。

図２はパルス幅推定ユニット１３を示す。パルス幅推定ユニット１３を用いて、所定の時間単位のどの倍数がパルス幅６００に対応するかが決定可能である。このために、複数のテストユニット１６が設けられている。それぞれのテストユニット１６は、遅延素子１４とＤフリップフロップ１５とを有する。全てのテストユニット１６が直列に接続されていると想定されている。

テストユニット１６の遅延素子１４によって、第１の２値信号３１０をテストユニット１６のＤフリップフロップ１５のデータ入力部に遅延して印加することができる。遅延は、所定の時間単位によってあらかじめ設定されている。同時に、第２の２値信号３２０は、Ｄフリップフロップ１５のクロック入力部に遅延なしに印加される。このようにして、Ｄフリップフロップ１５は、第１の２値信号３１０と第２の２値信号３２０の両方が２値の１を示した場合に２値の１の出力値に切換可能である。

第１の２値信号３１０は、パルス幅信号３００の立ち上がりエッジが存在しているかどうかを表す。立ち上がりエッジが存在している場合には、第１の２値信号３１０は２値の１である。第２の２値信号３２０は、パルス幅信号３００の立ち下がりエッジが存在しているかどうかを表す。したがって、Ｄフリップフロップ１５の出力部は、立ち上がりエッジの発生と立ち下がりエッジの発生との間に少なくとも所定の時間単位があるかどうかを示す。

図２に示すように、全てのテストユニット１６は直列に接続されている。これは、特に、全ての遅延素子１４が直列に接続されることを意味する。したがって、第１の２値信号３１０の遅延は累積され、第２の２値信号３２０は、常に遅延なしに全てのＤフリップフロップ１５に印加される。したがって、パルス幅６００は、少ない労力によって容易に決定することができる。

パルス幅６００は、全てのＤフリップフロップ１５の出力部を有するＢＣＤカウンタコード５００によって表される。ＢＣＤカウンタコード５００に基づいて、パルス幅６００が幾つの所定の時間単位に対応するか記述されている。したがって、パルス幅６００は、少ない労力により容易に決定することができる。

したがって、結果として、パルス幅６００および振幅は、少ない労力によって簡単に決定され、ここに記載された実施形態は、特に短いレーザ光パルスに適用可能である。このパルス幅６００および振幅からレーザ光の光出力を計算することができるので、少ない労力によって容易に光出力を決定することができる。このことは、ＬＩＤＡＲシステム２の機能の最適な監視につながる。特に、人間の組織、特に人間の眼を損傷する恐れのある過度に高い光出力が生じることを回避することができる。

図３は、基準信号１００のパルスの波形を概略的に示している。この線図において、縦軸は電圧、横軸は時間である。図３にはさらにパルス幅６００が示されており、このために、立ち上がりエッジ３１０の位置および立ち下がりエッジ３２０の位置が示されている。

図４は、制御信号２００の波形を概略的に示す。制御信号２００は、特に、制御ユニット８によって設定される一定の値である。したがって、制御信号が基準信号に到達するまで制御信号２００が増加する調整段階が最初に存在する。この場合、制御信号２００の一定の値は、基準信号１００の振幅に対応する。さらに図４には、調整後に制御信号２００に目立った変化が生じないことが概略的に示されている。

図３および図４に破線で示した範囲は、制御ループ６の最大制御範囲を示している。この範囲は、制御信号２００の制限された可変性によって制限されている。したがって、制御範囲は基準信号１００の予想されるパルスに適合されている。

検出器５に入射する光の代わりに、テスト信号７００を監視装置１に供給することもできる。テスト信号７００は、監視装置１をテストする役割を果たし、検出器５の仮想的な結果を表す。したがって、テスト信号７００は、基準信号１００と同じように扱われる。これにより、監視装置１の常時監視が可能となる。これにより、監視装置１の故障または監視装置１の誤動作が防止される。

Claims (10)

1. ＬＩＤＡＲシステム（２）の監視装置（１）において、
   レーザ光を検出し、レーザ光から基準信号（１００）を生成するための検出器（５）、および
   基準信号（１００）の振幅と制御信号（２００）の振幅との間の差を最小にする制御ループ（６）を含む監視装置（１）。
2. 請求項１に記載の監視装置（１）において、
   前記制御ループ（６）が、前記基準信号（１００）と前記制御信号（１００）との間の差を決定するための比較器（７）と、該比較器（７）によって決定された差の関数として前記制御信号（２００）を変更するための制御ユニット（８）を有する監視装置（１）。
3. 請求項２に記載の監視装置（１）において、
   前記制御ユニット（８）が、前記制御信号（２００）を変化させることによって差を値ゼロに設定するように調整されている監視装置（１）。
4. 請求項２または３に記載の監視装置（１）において、
   前記制御ユニット（８）が、デジタル信号を出力するように構成されており、デジタル信号が、デジタル‐アナログ変換器（９）によって制御信号に変換可能である監視装置（１）。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載の監視装置（１）において、
   前記基準信号（１００）の振幅と、前記制御信号（２００）の半分の振幅との間の差を決定するための追加比較器（１０）を備え、これにより、基準信号（１００）のパルス幅を示すパルス幅信号（３００）を決定する監視装置（１）。
6. 請求項５に記載の監視装置（１）において、
   前記パルス幅信号（３００）のパルスがパルス幅推定ユニット（１３）に印加される所定の時間単位の数をカウントし、所定の時間単位の数を示すＢＣＤカウンタコード（５００）を出力するパルス幅推定ユニット（１３）を備え、
   該パルス幅推定ユニット（１３）が、直列に接続された複数のテストユニット（１６）を有し、
   それぞれテストユニット（１６）が、所定の時間単位を待機した後にパルス幅推定ユニット（１３）にパルスが印加されているかどうかについて２値信号を出力するように構成されており、
   ＢＣＤカウンタコードが、テストユニット（１６）の２値信号から構成されている監視装置（１）。
7. 請求項６に記載の監視装置（１）において、
   それぞれの前記計数ユニット（１６）が、前記パルス幅信号（３００）の立ち上がりエッジの存在を示す２値信号を所定の時間単位だけ遅延してＤフリップフロップ（１５）のデータ入力部に印加するために遅延素子を有し、パルス幅信号（３００）の立ち下がりエッジの存在を示す２値信号が、Ｄフリップフロップ（１５）のクロック入力部に遅延なしに印加されており、設けられている全てのＤフリップフロップ（１５）の出力部がＢＣＤカウンタコード（５００）を形成している監視装置（１）。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の監視装置（１）において、
   前記検出器（５）がレーザ光から特徴的な電流信号を生成するように構成されており、電流信号が、トランスインピーダンス変換器（１２）によって前記基準信号（１００）に変換可能である監視装置（１）。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の監視装置（１）において、
   前記検出器（５）が、ピンダイオードおよび／またはアバランシェフォトダイオードを含む監視装置（１）。
10. ＬＩＤＡＲシステム（２）において、
    ＬＩＤＡＲシステム（２）が、レーザ光源（３）、分離ユニット（４）、および請求項１〜９のいずれか一項に記載の監視装置（１）を含み、レーザ光が分離ユニット（４）を通って少なくとも部分的に監視装置（１）に伝送可能であるＬＩＤＡＲシステム（２）。

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