具有加速的传播时间分析的激光雷达设备

摘要

公开一种用于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发送单元和接收单元，该发送单元用于产生射束并用于将射束沿扫描区域偏转，该接收单元具有用于接收经反射的射束的至少一个探测器，其中，探测器的各个区段能够以定义的时间间隔相继激活以用于探测经反射的射束，或者，经反射的射束能够通过偏转装置以变化的偏转角转向到探测器的各个区段上。此外，公开一种控制单元和一种接收单元。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于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发送单元和接收单元，所述发送单元用于产生射束并用于将射束沿扫描区域偏转，所述接收单元具有用于接收经反射的射束的至少一个探测器。本发明还涉及一种控制单元和一种接收单元。

背景技术

激光雷达(light detection and ranging，光探测和测距)设备具有用于发射射束的发送单元和用于探测先前在扫描区域中经反射的射束的接收单元。为了探测经反射的射束而使用探测器。这些经反射的射束通常设置为用于求取探测器的相应图像点的到达射束的传播时间。例如，可以将光电二极管或CCD传感器用作探测器。

为了达到探测器的高的深度分辨率或作用距离分辨率，在此必要的是，相应地快速且频繁地读取探测器。在此，理想地可以并行地读取相应的图像点或二极管。

到目前为止，CCD传感器仅能视条件而定地用作探测器，因为与探测器阵列相比，读取速度慢，由此导致有限的深度分辨率。

发明内容

本发明所基于的任务可以视为，尤其是提出一种激光雷达设备，该激光雷达设备使得能够在不受限制地使用传统CCD传感器的情况下实现传播时间分析。

该任务借助独立权利要求的相应主题解决。本发明的有利构型是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发送单元，该发送单元用于产生射束并用于将射束沿扫描区域偏转。此外，该激光雷达设备具有接收单元，该接收单元具有用于接收经反射的射束的至少一个探测器，其中，探测器的各个区段能够以定义的时间间隔相继激活以探测经反射的射束，或者，经反射的射束能够通过偏转装置以变化的偏转角偏转到探测器的各个区段上。

根据本发明的另一方面，提供一种用于运行激光雷达设备的控制单元，其中，该控制单元设置为用于操控激光雷达设备的偏转装置或激光雷达设备的探测器。附加地，控制单元可以构型为分析处理单元。优选地，控制单元可以将由探测器获得的信号用于进行进一步处理。特别地，进一步处理可以高度并行地进行，并且可以具有并行工作的处理器(例如GPU或FPGA)。

根据本发明的另一方面，提供一种接收单元、尤其是用于激光雷达设备的接收单元。该接收单元具有探测器，其中，探测器的各个区段能够以均匀的速度依次激活以探测经反射的射束，或者探测器的各个区段能够通过偏转装置以均匀变化的偏转度以经反射的射束照射。

通过该激光雷达设备和所使用的接收单元，可以借助偏转装置在不同时间将射束转向到芯片或探测器上的不同位置上。由此可以省去芯片本身中的传播时间分析，从而不需要快速行动的探测器。尤其可以通过激光雷达设备降低对读出速度的要求。

由此可以将传播时间编码为探测器内的位置，从而将传播时间分析转换为图像分析。替代地或附加地，替换于在探测器或传感器上以接收射束进行扫描，可以相继地将探测器的各个行切换到激活。

优选地，将射束以恒定地变化的偏转度偏转越过探测器。由此可以将来自最小距离的经反射的射束例如在探测器的边缘区段中成像，并且可以将从最大距离反射回来的射束转向到相对置的边缘区段上。因此，探测器的整个面可以用作用于经反射的射束的不同的可能传播时间的指示器。基于探测到经反射的射束的位置或区段，可以推导出相应射束的传播时间。

偏转装置可以例如沿探测器的面以恒定的速度改变到达射束的偏转度。例如，在发射射束时，偏转装置可以如此调节偏转的度，使得将经反射的射束转向到探测器的边缘区段或角部上。随着时间的增加，偏转的度继续连续地改变，直到达到经反射的射束从激光雷达设备的最大距离返回到探测器所需的时间为止。接着，偏转装置可以将偏转度再次定向到探测器面的边缘处。在此，偏转装置可以任意调节偏转度，由此根据到达射束的传播时间将到达射束转向到探测器的所定义的位置或区段处。在此，到达探测器处的射束的偏转可以沿着探测器的整个面在二维上进行构型。

基于在探测器处探测到的射束的位置，可以在技术上简单地分配传播时间，从而不再需要由分析处理单元完全读取探测器。而是，探测器的已经感知到射束的区段的辨识足以求取相应射束的传播时间并且因此求取距离。

射束到探测器上的偏转可以通过偏转装置的作用或通过探测器的各个区域的相应的逐区域地激活和禁用来实现。通过激活和禁用探测器的不同区段，可以通过操控探测器的各个图像点或面区段来模仿偏转装置的偏转功能。

根据一种实施例，至少一个探测器构型为CCD传感器或探测器阵列。通过使用探测器阵列而不是单个探测器，可以高度并行地设计到达射束的测量，并且因此提高效率。特别地，探测器不再必须是能够被快速且频繁地进行读取以生成相应的深度分辨率的。深度分辨率仅来自传感器上的射束运动。

通过使用CCD传感器或CCD芯片，可以实现探测器阵列的价格低廉且高分辨率的替代方案。可以逐区段地或逐行地激活CCD传感器。经激活的区段可以探测到达光或到达射束。通过在定义的恒定或可变的时间段之后变换激活的区段，可以根据探测到到达射束的区段来将传播时间分配给所求取的射束。在此，可以将完整的信号或经反射的射束在整个CCD传感器上成像。在此，可以将探测器像素例如逐行地切换为敏感。这种实施方案的优点在于可以省去偏转装置。

根据另一构型，探测器的各个区段点状地、面式地或线状地成形。因此，可以通过控制单元或分析处理单元灵活地激活这些区段。

例如，该原理可以用于探测整个激光线(所谓的垂直闪光)。在此，将整个激光线偏转，并且因此在二维传感器上在一个方向上探测传播时间并在另一方向上探测位置。由此，该原理高度并行地设计，并且所获得的信号优选地适合于并行处理器(例如GPU或FPGA)中的进一步处理。

根据另一实施例，偏转装置是声光调制器。根据构型，除了探测器外，接收单元还可以具有偏转装置。在此，偏转装置可以以不同的方式实现。例如，可以使用声光偏转装置、微镜或其他偏转装置。这些偏转装置可以优选地与控制单元耦合并且能够由该控制单元操控。通过偏转装置将入射光转向到探测器的一个或多个所选择的像素或所选择的行上。在此，偏转装置以恒定的速度改变偏转的度。由此，将到达射束的传播时间编码为像素的或行的位置，并且接着可以通过图像处理进行处理。基于探测到的射束在探测器面上的位置分布，可以将传播时间分配给探测到的射束。

根据另一构型，激光雷达设备具有控制单元，该控制单元与探测器和/或偏转装置连接。由此可以通过控制单元主动地操控偏转装置和/或探测器。尤其可以通过控制单元实现探测器的被照射区域或被激活区域的连续变化。

根据另一实施方式，在对应于激光雷达设备的作用距离范围的传播时间间隔内，探测器的每个区段都能够被激活或照射至少一次。探测器方案的可达到的深度分辨率(或者说能够探测多少个不同的传播时间)通常取决于在沿探测器面的扫描方向上探测器像素的数量并且取决于扫描频率。例如，对于在大约10至200m范围内的激光雷达作用距离，可以预期0.07至1.3μs的光传播时间。因此，可以在该时间间隔内扫描整个探测器。这意味着，根据该示例，偏转装置频率位于大约770kHz的范围内。由此，在激光雷达应用中优选地能够使用非机械偏转装置。这类偏转装置例如可以是声光调制器。

根据另一实施方式，时间上错开的至少两个经反射的射束能够由探测器的不同激活区段探测到或者能够由偏转装置转向到探测器的不同区段上或能够相继地转向到探测器上。由此可以以牺牲分辨率为代价降低重复频率，其方式为：在一个探测器周转内探测多个信号。在此，该原理能够自由地进行扩展，并且可以匹配于技术规范。在此，可以并行地或错开地将多个射束转向到探测器的分别不同的区域上。

替代地或附加地，可以将所产生的射束以脉冲形式相继地发射到扫描区域中。能够在一个测量周期内测量这些射束脉冲，并且因此能够将这些射束脉冲在时间上相继地以扫描的方式在探测器上成像。

相应的接收单元并非仅限于激光雷达设备或激光雷达应用，而是可以一般性地在执行射束的传播时间测量的所有应用中使用。

附图说明

在下文中基于高度简化的示意图进一步阐述本发明的优选实施例。在此示出：

图1示出根据一种实施例的激光雷达设备的示意图，

图2示出根据第一实施例的接收单元的示意图，

图3示出根据第二实施例的接收单元的示意图，并且

图3示出根据第三实施例的接收单元的示意图。

具体实施方式

图1示出根据一种实施例的激光雷达设备1的示意图。激光雷达设备1具有发送单元2和接收单元4。

发送单元2用于产生并沿扫描区域A发射射束6。例如，所产生的射束6可以构型为激光射束。为此，发送单元4具有激光器，为简单起见，该激光器未示出。发送单元2可以以定义的脉冲频率产生和发射射束6。这可以由控制单元8协调和启动。

接收单元4具有探测器10和偏转装置12。到达接收单元4或在扫描区域A中的经反射的射束14由接收单元4转向到偏转装置12上。

在此，偏转装置12实施为声光调制器并且由控制单元8操控。通过偏转装置12将到达射束14转向到探测器10的连续变换的区段上，由此能够基于探测器10上的探测到射束14的位置执行传播时间分析。

在图2中示出根据第一实施例的接收单元4的示意图。到达射束14的由偏转装置12引起的偏转度以恒定的速度改变。

为清楚起见，探测器10示为行探测器(Zeilendetektor)，以便表明作用原理。然而，探测器10不限于该实施例。

由于到达射束14的偏转度随时间变化，因此可以从射束产生的时间点t

根据该实施例，可以根据光14的传播时间通过偏转装置12将入射光或射束14偏转。由此，根据传播时间，光射到探测器10的不同像素16上。接着，可以由强度分布推导出传播时间。

图3示出根据第二实施例的接收单元4的示意图。与第一实施例不同，接收单元4具有构型为垂直激光线的到达射束14，该到达射束由偏转装置12转向到探测器10上。

在此，探测器10可以实施为CCD传感器。将射束14作为垂直线转向到探测器10的区段18上。在此，区段18构型为探测器10的行，从而行18分配有时间信息或各一个传播时间t

图4示出根据第三实施例的接收单元4的示意图。与已经描述的实施例不同，探测器10的不同区段17、18、19由控制单元4依次地或彼此并行地激活或再次禁用。

这可以实现为第二实施例的扩展方案。不同之处在于，偏转装置12在时间段t

根据该实施例，细分传感器阵列或探测器10以探测多个射束14、20、22。在此，将每个单个脉冲14、20、22的时间分辨率降低至三分之一，但也将必要的偏转频率例如从770kHz降低到256kHz。因此，在探测器图像中能够同时探测到三个信号14、20、22。对于每个信号14、20、22，多个区段17、18、19可供使用，这些区段以相应的传播时间t