CN114072690A - 用于具有长曝光时间的脉冲激光雷达设备的累积短脉冲发射 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于通过控制设备运行激光雷达设备的方法，其中，通过控制设备操控用于产生脉冲射束的至少一个辐射源，将所述脉冲射束发射到扫描区域中，其中，通过接收光学器件接收在该扫描区域中反射的或者背向散射的射束并且将所述射束转向到探测器上，其中，通过至少一个辐射源的脉冲射束仿真参考脉冲的幅度曲线。另外，公开了一种控制设备、一种激光雷达设备、一种计算机程序以及一种机器可读的存储介质。

Description

用于具有长曝光时间的脉冲激光雷达设备的累积短脉冲发射
技术领域
本发明涉及一种用于通过控制设备运行激光雷达设备的方法，其中，通过控制设备操控用于产生脉冲射束的至少一个辐射源，并将所述脉冲射束发射到扫描区域中，其中，通过接收光学器件接收在该扫描区域中反射的或者背向散射的射束并且将所述射束转向到探测器上。另外，本发明涉及一种控制设备、一种激光雷达设备、一种计算机程序以及一种机器可读的存储介质。
背景技术
已经公开如下激光雷达设备：所述激光雷达设备产生具有最小的脉冲能量和脉冲持续时间的脉冲射束，以便不损害眼睛安全性。
当根据阈值识别来求取发射出的脉冲的飞行时间时，短的脉冲持续时间是有利的。通过使用基于APD的探测器或者通过SPAD探测器能够实现这种阈值识别。在此，通过高的脉冲频率，能够基于单光子探测飞行时间，同时由于有效曝光时间窗口中的背景光子数量较少，因此误触发概率也较低。
在如下探测器的情况下需要具有更长的脉冲持续时间的脉冲以实现优化的信噪比：在所述探测器中，光子在更长的时间单位内借助光电效应被转化为电荷载体、被积累并且本身在曝光结束之后作为可测量的电压被读取。这种探测器通常基于CCD技术或者CMOS技术。为了以优化的方式对所述探测器进行曝光，需要使用具有更高的功率的辐射源和相应的驱动器。
发明内容
本发明所基于的任务能够视为，提出一种用于运行具有进行成像的探测器的激光雷达设备的方法，其中，能够使用不同的辐射源和所述辐射源的驱动器。
该任务借助独立权利要求的相应的主题来解决。本发明的有利构型是相应从属权利要求的主题。
根据本发明的一个方面，提供一种用于通过控制设备运行激光雷达设备的方法。在一个步骤中，通过控制设备操控用于产生脉冲射束的至少一个辐射源。将通过所述至少一个辐射源产生的脉冲射束发射到扫描区域中。通过接收光学器件接收在该扫描区域中反射的或者背向散射的射束并且将所述射束转向到探测器上。该探测器能够优选构型为所谓的成像器，该成像器基于CCD技术或者CMOS技术。通过由控制设备驱动的辐射源，通过至少一个辐射源的脉冲射束仿真(nachbilden)参考脉冲的幅度曲线。优选地，参考脉冲能够具有对于探测器的优化的曝光是所需的脉冲宽度或脉冲持续时间。
根据本发明的另一个方面，提供一种控制设备，该控制设备设置用于实施根据本发明的方法。
除此之外，根据本发明的一个方面，提供一种包括指令的计算机程序，所述指令在通过控制设备执行计算机程序时促使该控制设备实施所述方法。根据本发明的另一个方面，提供一种机器可读的存储介质，在存储介质上存储有所述计算机程序。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于借助脉冲射束对扫描区域进行扫描的激光雷达设备。该激光雷达设备具有至少一个辐射源，该辐射源能够通过控制设备运行。另外，该激光雷达设备具有接收光学器件，该接收光学器件用于接收在扫描区域中反射的和/或背向散射的射束并且用于将射束进一步传递到至少一个探测器上。能够通过控制设备这样运行至少一个辐射源，使得多个脉冲射束以经幅度调制的方式仿真更宽的参考脉冲。
由此，能够在“短脉冲串(Burst)”运行的意义上产生许多短的并且在时间上紧密地接连发射的脉冲射束。脉冲射束能够被折叠(gefaltet)，并且能够借助低频脉冲时间函数相应于包络线或参考脉冲被调制。参考脉冲描述长的并且高能量的脉冲的曲线，并且通过所述方法由许多短的脉冲射束组成。
通过所述方法尤其能够通过多个短的、功率较低的脉冲来仿真单个的、通过功率高的辐射源产生的参考脉冲，所述短的、功率较低的脉冲在时间上快速相继地产生并且在其幅度方面相应于参考脉冲被调整。
通过脉冲射束累计仿真的参考脉冲不仅能够实现通过阈值探测(Schwellwertdetektion)进行的飞行时间测量，还能够实现在探测器的长曝光时间的情况下的高信噪比。
通过所述方法，能够使用激光器或者LED等辐射源，所述辐射源与必须相应于参考脉冲产生射束的辐射源相比具有更低的有效功率。由此，在选择辐射源和相应的用于操控该辐射源的驱动器时能够实现高灵活性，因为能够通过快速的且功率较低的辐射源来代替功率高且成本密集的辐射源。
除此之外，通过所述方法能够在其持续时间内的脉冲能量分布方面实现更高的灵活性，并且能够因此在眼睛安全性的设计方面提供新的自由度。
根据一个实施例，所述脉冲射束以经幅度调制的方式通过至少一个辐射源产生。在此，能够有针对性地通过控制设备触发至少一个辐射源并且能够在强度或功率方面对该至少一个辐射源进行调制。通过脉冲射束的这种有针对性的生成和对脉冲射束的幅度调制，能够以优化的方式仿真参考脉冲。参考脉冲优选构造为所希望的、相对较长的脉冲，该脉冲有利于以优化的方式对探测器进行曝光。
根据另一实施例，借助参考脉冲作为包络线对脉冲式产生的射束执行包络线调制。由此，能够使脉冲式产生的射束与包络线的幅度曲线相协调，并且能够特别精确地仿真所述参考脉冲。
相应的脉冲射束尤其能够具有相应于或者遵循包络线的幅度曲线的最大幅度。因此，脉冲式产生的射束的幅度能够遵循更宽的高斯曲线。每个所产生的射束尤其是都能够具有增长的最大幅度，该最大幅度在顶点或者说最大点处逐渐减小。
根据另一实施方式，所述脉冲射束以具有相同的脉冲宽度的方式通过至少一个辐射源产生。在技术上能够非常容易实施对参考脉冲的这种仿真，因此能够省去时间调制。
根据另一实施方式，所述脉冲射束以经时间调制的方式通过至少一个辐射源产生。由此，能够进一步改进对参考脉冲的仿真，其方式是，以可变的方式对相应的短脉冲的脉冲持续时间进行调设。尤其是，所产生的射束的相应的脉冲持续时间能够彼此独立地被调设和改变。
在此，也能够执行动态的脉冲持续时间匹配。例如，能够根据状况减小或者增大相应的射束的脉冲持续时间，其中，由此能够改变发射到扫描区域中的辐射功率。例如，这种调设可能性能够用于提高眼睛安全性。
根据另一实施方式，所述脉冲射束以局部重叠的方式通过至少一个辐射源产生。通过有针对性的脉冲重叠能够实现对参考脉冲的改进的仿真。由此，所述脉冲射束能够以彼此之间的更窄的时间间距或更快速地相继产生，并且因此能够更精确地仿真参考脉冲。
根据另一实施例，通过错位地(versetzt)操控至少两个辐射源和/或通过在产生脉冲射束期间重新操控至少一个辐射源，实现脉冲射束的重叠。例如，由于使用多个辐射源能够导致所产生的射束的错位。在此，控制设备能够操控多个辐射源并且在时间上协调所述辐射源。
另外，能够这样通过控制设备运行至少一个辐射源，使得在达到功率“零”之前重新操控该辐射源以产生脉冲射束。在长的脉冲时间函数或参考脉冲结束时，直到下一个长脉冲为止，不能够发射功率。因此，能够借助参考脉冲之间的停顿通过激光雷达设备执行所谓的飞行时间方法。
根据另一实施例，通过至少一个辐射源产生所述脉冲射束，所述脉冲射束具有彼此间的可变的时间间距。除了在与所选择的探测器原理的更低的相关性的情况下在选择辐射源和驱动器或控制设备方面的灵活性之外，通过调设参考曲线与短脉冲射束之间的“能量间隙”或者说面积，能够在所述时间上(über die Zeit)实现对长脉冲的时间能量密度的控制。在连续的长脉冲的情况下，在此会给定一种限制。此外，如此能够克服对于单个的发射器产生的对脉冲能量的限制，其方式是，将不同的发射器或辐射源的能量叠加成一个脉冲。
根据另一实施例，自适应地调设时间间距，用以调设信噪比。由此，能够自适应地调设能量间隙与所产生的辐射功率之间的比例，以便能够实现最大的眼睛安全性。例如，能够求取给定的或者经测量的背景光，并且能够将该给定的或者经测量的背景光用于调整能量间隙和/或所产生的辐射功率。如果所述信噪比高于预定义的阈值，则能够允许脉冲射束之间的更多的或者更大的“能量间隙”或间距。
根据另一实施方式，所述脉冲射束以经波长调制的方式通过至少一个辐射源产生。除了单脉冲的或者说所述脉冲射束的叠加之外，还调设所述脉冲射束的波长。这种波长调制尤其能够用于噪声抑制。在波长调制的情况下，在仿真参考脉冲期间能够改变各个脉冲射束的波长。
附图说明
下面根据高度简化的示意图更详细地阐述本发明的优选实施例。在此示出：
图1示出根据一种实施方式的激光雷达设备的示意图，
图2示出用于阐明通过根据一种实施方式的方法产生的脉冲射束的示意性曲线图，
图2示出用于阐明通过根据另一实施方式的方法产生的脉冲射束的示意性曲线图。
具体实施方式
图1示出根据一种实施方式的根据本发明的激光雷达设备1的示意图。激光雷达设备1用于借助脉冲射束2对扫描区域B进行扫描。
根据本实施例，激光雷达设备1具有辐射源4。辐射源4构型为能够脉冲式运行的红外激光器。替代地或者附加地，另外的辐射源5能够引入到激光雷达设备1中。
辐射源4、5与控制设备6连接。控制设备6设置用于操控辐射源4、5。例如，控制设备6能够实施为驱动器(Treiber)或者辐射源4、5的操控装置。优选地，控制设备6能够在定义的时间且以定义的持续时间这样操控所述辐射源，使得辐射源4、5产生且发射脉冲射束2。
辐射源4、5能够平行地并排地布置，从而使得相应的辐射源4、5的脉冲射束2、3稍微地错位。替代地，能够使用未示出的分束器或者光学耦合元件以将脉冲射束2、3配置到定义的出射地点(Austrittsort)上。
另外，激光雷达设备1具有接收光学器件8。接收光学器件8能够构造为一个或者多个透镜、透镜***、衍射光学元件、滤波器和类似物。与辐射源4、5共同地或者与辐射源4、5不同地，接收光学器件8能够以能够摆动(schwenkbar)、能够转动、能够运动或者不能够运动的方式实施。
接收光学器件8用于接收在扫描区域B中反射的和/或背向散射的射束10并且将所述射束转向到探测器12上。
优选地，激光雷达设备1的探测器12能够是进行成像的探测器。尤其是，探测器12能够实施为CCD传感器或者CMOS传感器。
控制设备6能够与探测器12同样以传导数据的方式连接。替代地，探测器12能够被单独的控制单元或者分析处理单元读取，并且相应的测量数据能够被分析处理。
在此，控制设备6这样操控至少一个辐射源4、5，使得多个脉冲射束2以经幅度调制的方式仿真更宽的参考脉冲。
在图2中示出用于阐明用于仿真参考脉冲14的脉冲射束2的示意性曲线图，所述脉冲射束通过根据一种实施方式的方法产生。
在该曲线图中相对于时间t绘制幅度A。参考脉冲14以类似于高斯曲线的方式成形，并且构成对于探测器12的优化的曝光有利的射束。
由于通过控制设备6操控辐射源4、5，能够在时间上快速相继地产生和发射多个脉冲射束2。通过控制设备6使脉冲射束2的幅度A匹配于参考脉冲14的幅度曲线。因此，脉冲射束2与时间t相关地具有逐渐增加且随后重新下降的幅度A。
脉冲射束2具有脉冲宽度或脉冲持续时间D。在此，脉冲持续时间D小于参考脉冲14的脉冲持续时间。另外，根据示出的实施例，脉冲射束2在时间上由于停顿P而相互间隔开。通过增加脉冲射束2之间的停顿P，能够降低激光雷达设备1的发射出的辐射的功率密度并且减小眼睛受伤的危险。
图3示出用于阐明通过根据另一实施方式的方法产生的脉冲射束2、3的示意性曲线图。在此，脉冲射束2、3通过两个能够彼此独立地***控的辐射源4、5产生。第一辐射源4的脉冲射束2的脉冲持续时间D3比第二辐射源5的脉冲射束3的脉冲持续时间D1、D2小。
这样产生脉冲射束2、3，使得其局部重叠。尤其是，在在时间上相邻的射束2、3之间产生重叠16。由此能够更精确地仿真参考脉冲14。
与在图2中示出的曲线图相似地，相应的脉冲射束2、3以经幅度调制的方式实施，从而使得相应的脉冲射束2、3的最大幅度A遵循或者相应于参考脉冲14的幅度曲线。
脉冲射束2、3具有不同的脉冲宽度D1、D2、D3，在操控辐射源4、5时通过控制设备6的时间调制对所述不同的脉冲宽度进行调设。
根据本实施例，脉冲射束2、3之间不存在脉冲间距P。

Claims (14)

1.一种用于通过控制设备(6)运行激光雷达设备(1)的方法，其中，通过所述控制设备(6)操控用于产生脉冲射束(2、3)的至少一个辐射源(4、5)，将所述脉冲射束(2、3)发射到扫描区域(B)中，其中，通过接收光学器件(8)接收在所述扫描区域(B)中反射的或者背向散射的射束(10)并且将所述射束转向到探测器(12)上，其特征在于，通过所述至少一个辐射源(4、5)的脉冲射束(2、3)仿真参考脉冲(14)的幅度曲线(A)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述至少一个辐射源(4、5)以经幅度调制的方式产生所述脉冲射束(2、3)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，以参考脉冲(14)作为包络线，对脉冲式产生的射束(2、3)执行包络线调制。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，通过所述至少一个辐射源(4、5)以具有相同的脉冲宽度(D)的方式产生所述脉冲射束(2、3)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，通过所述至少一个辐射源(4、5)以经时间调制的方式产生所述脉冲射束(2、3)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，通过所述至少一个辐射源(4、5)以局部重叠的方式产生所述脉冲射束(2、3)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过错位地操控至少两个辐射源(4、5)和/或通过在产生脉冲射束(2)期间重新操控所述至少一个辐射源(4)，实现所述脉冲射束(2、3)的重叠(16)。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，通过所述至少一个辐射源(4、5)如此产生所述脉冲射束(2、3)：所述脉冲射束(2、3)彼此间具有可变的时间间距(P)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，自适应地调设所述时间间距(P)，以便调设信噪比。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，通过所述至少一个辐射源以经波长调制的方式产生所述脉冲射束(2、3)。
11.一种控制设备(6)，其中，所述控制设备(6)设置用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法。
12.一种用于借助脉冲射束(2、3)对扫描区域(B)进行扫描的激光雷达设备(1)，所述激光雷达设备具有至少一个辐射源(4、5)，所述辐射源能够通过控制设备(6)运行，所述激光雷达设备具有接收光学器件(8)，所述接收光学器件用于接收在所述扫描区域(B)中反射的和/或背向散射的射束(10)并且用于将所述射束进一步传递到至少一个探测器(12)上，其特征在于，所述至少一个辐射源(4、5)能够通过所述控制设备(6)如此运行，使得多个脉冲射束(2、3)以经幅度调制的方式仿真更宽的参考脉冲(14)。
13.一种计算机程序，所述计算机程序包括指令，所述指令在通过控制设备(6)执行所述计算机程序时促使所述控制设备实施根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
14.一种机器可读的存储介质，在所述机器可读的存储介质上存储有根据权利要求13所述的计算机程序。
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