本发明涉及一种激光雷达系统和一种用于获知激光雷达系统的系统状态的方法。
背景技术：
当前的激光雷达系统包括位置传感装置，该位置传感装置适用于识别激光雷达系统的可运动的微镜的位态。这借助于压阻式传感器进行，该压阻式传感器布置在扭转弹簧上并且在测量电桥中用作为位置传感装置。然而这带来缺点。那么微镜的实际出现的振动模式(该振动模式由于机械干扰耦入、例如冲击或震动而被激励产生并且与有用振动叠加)、例如平面外模式(Out-of-plane-Moden)可以不通过压电式传感器测量。此外，通过位置传感装置部分地测量未实际出现的模式。缓慢的漂移、例如振动幅值的漂移不能通过位置传感装置确定。此外，由于激光束到微镜上的倾斜的入射方向而产生的光学畸变不能借助于这种传感装置感测。测量电桥的模拟信号以自身的节拍采样，由此采样时间点与激光的发射时间点不同步。这要求附加的计算耗费以精确地确定所发射的激光脉冲的发射方向。
重要的是，激光雷达系统满足基于眼睛安全性所需要的确定的要求。眼睛安全性要求快速和可靠地识别故障状态，例如镜断裂、机械撞击和可能在激光雷达系统中出现的类似故障。这种识别不能通过位置传感装置实现，该位置传感装置不能感测所有快速的故障影响、例如平面外模式。
对此DE102006031114A1公开了具有由现有技术已知的振荡的镜和探测器的激光扫描仪。
技术实现要素：
根据本发明的激光雷达系统包括：光源，该光源设置用于发射光束；镜，该镜如此布置，使得该镜反射由光源发出的光束；部分透明元件，该部分透明元件这样相对于镜布置，使得在光束被镜反射后该光束照到部分透明元件上，其中，光束的第一分量穿过部分透明元件并且光束的第二分量被部分透明元件反射；探测器阵列，该探测器阵列具有多个单独的传感器并且该探测器阵列这样布置，使得光束的第二分量被部分透明元件反射到探测器阵列上；和分析处理单元，该分析处理单元设置成用于接收探测器阵列的探测器信号，该探测器信号描述光束的在探测器阵列上投影的第二分量的尺寸、形状和/或位置并且由探测器信号获知激光雷达系统的系统状态。
根据本发明的用于获知激光雷达系统的系统状态的方法包括借助于光源发射光束；借助于镜反射由光源发出的光束；借助于部分透明元件将反射的光束划分为光束的第一分量和第二分量，其中，光束的第一分量穿过部分透明元件并且光束的第二分量被部分透明元件反射；借助于探测器阵列接收光束的第二分量，该探测器阵列包括多个单独的传感器；并且基于光束的在探测器阵列上投影的第二分量的尺寸、形状和/或位置获知激光雷达系统的系统状态。
光源是产生光束的光源，该光束用于对激光雷达系统的周围环境进行扫描。光源优选是激光。镜优选是微镜。部分透明元件是光学部件，该光学部件设置用于将光束分开，即部分地反射光束。在此，在其他部分透明的光学部件的表面上的反射已经足够用于将光束分开并且建立被称为部分透明的元件。探测器阵列包括多个单独的传感器。在此，所述传感器是光敏感的传感器。这意味着，所述传感器对射入的光起反应。在此，传感器尤其如此设计，使得所述传感器对由光源发射的光的波长起反应。各个传感器优选是光电二极管。分析处理单元是电路。该分析处理单元要么模拟地实施要么数字地实施。探测器信号描述光束的投影到探测器阵列上的第二分量的光学功率、尺寸、形状和/或位置。在此，所述位置描述光束的第二分量在哪个部位上落到探测器阵列上，即描述在探测器阵列的表面上的位置。在此，所述尺寸描述在探测器阵列的表面上通过光束的第二分量照亮的区域的大小。在此，所述形状描述探测器阵列的表面上通过光束照亮的区域的外周边是如何成形的。
由这种探测器信号可以推断出激光雷达系统的系统状态的大量结论。激光雷达系统的系统状态是描述激光雷达系统的参数。从属于此的既有为了激光雷达系统的运行可以被有利地分析处理(例如用于提升测量的精度)的参数，也有描述激光雷达系统是否能够充分发挥功能的这种参数。部分透明元件是光学构件，该光学构件适用于将由光源发射的光束分开。在此，部分透明元件是附加的构件或者是本来布置在激光雷达系统中的构件。部分透明元件优选是玻璃板或透镜。部分透明元件布置在激光雷达系统的光学发射路径中，其中，该部分透明元件沿着发射路径布置在激光雷达系统的镜后面。在此，所发射的光的一部分在部分透明元件上被反射并且照到探测器阵列上。
光束在探测器阵列上的射束直径大于探测器元件的单个传感器。因此，分别至少两个传感器、即尤其光电二极管被照亮并且通过焦点形成(Schwerpunktbildung)例如可以获知所发射的激光脉冲的方向。由此可以要么推断出激光雷达系统中的故障，要么提高测量精度。焦点形成要么可以实施为模拟电路要么在数字电路技术中实施或在微处理器中实施为软件。
因此，建立方向传感装置，该方向传感装置一方面与光源的发射时间点同步地采样，并且另一方面可以感测实际出现的机械干扰耦入。此外，可以在测量技术上感测由于光束到镜上的倾斜的入射角度而产生的光学畸变和镜的位态在激光雷达系统的使用寿命期间的缓慢漂移。在此，这种方向传感装置成本有利地实施并且可以利用已经存在的部件，所述部件本来在激光雷达系统中可供使用。
下面示出本发明的优选扩展方案。
优选地，镜可运动地布置。在此，镜尤其是微镜。此外优选地，镜是摆动镜或转动镜。由此可以使光束沿不同方向偏转并且因此扫描激光雷达系统的周围环境。因为当跟踪光束的传播时探测器阵列布置在镜后面，所以可以感测通过可运动地布置的镜所引起的不精确度。这能够实现，可以精确地感测光束从激光雷达系统实际射出的方向。
此外优选地，探测器信号描述光束的投影到探测器阵列上的第二分量在探测器阵列上的位置，其中，所述位置是光束的第二分量在探测器阵列上的最大亮度的点。以该方式提供探测器信号，通过该探测器信号可以识别激光雷达系统对光束的传播方向有影响的所有参数。因此，能够实现扫描方向和激光雷达系统的所有光学部件的定向的有效监控。
此外优选地，探测器阵列的各个传感器通过减法器相互耦合。以该方式可以建立光束的反射到探测器阵列上的第二分量的强度的变化曲线。因此，使异光源的影响系数最小。这样例如可以补偿周围环境对光的影响。此外，以该方式能够以有效的方式获知光束的第二分量在探测器阵列上的最大亮度的点。
此外优选地，减法器在输出侧与多路复用器(Multiplexer)耦合。因此，能够实现以下选择：探测器阵列的传感器中的哪些传感器应被考虑用于提供探测器信号。同时可以减小所需构件的最大数量。
有利的是，探测器阵列的仅选择的传感器是激活的，以便接收光束被部分透明元件反射到探测器阵列上的第二分量。因此，可以实现在激光雷达系统运行时的能量节省。此外，在相应选择激活的传感器时可以产生过滤作用，其方式是，在激光雷达系统不损坏时光束的第二分量总归不应照到的那些传感器是不激活的。此外，这能够实现线路技术中的降低的复杂性，因为只需要同时采样少的模拟信号。
此外优选地，将传感器的输出信号与阈值比较并且在输出信号中只有幅值大于阈值的那些输出信号被用于产生探测器信号。以该方式同样可以滤出通过以下传感器引起的输出信号：在所述传感器上进行不期望的、弱的光入射。这种不期望的光入射例如可以来自激光雷达系统的周围环境。
优选地，激光雷达系统的系统状态描述激光雷达系统的光学部件的定向、由于激光雷达系统的光学部件所引起的光束畸变和/或光束的第二部分的方向。这些信息特别适用于提升激光雷达系统的精度并且用于监控它的功能性。
优选地，分析处理单元还与位置传感器耦合，该位置传感器感测镜的位态，其中，分析处理单元借助于探测器信号获知镜的实际位态并且将镜的该实际位态与镜的由位置传感器感测的位态相比较，以便获知系统状态。以该方式可以监控位置传感器的精度并且还获知镜的实际位态。位置传感器的测量值可以基于通过分析处理单元和探测器阵列获知的镜的实际位态来修正。
此外，有利的是，探测器阵列这样布置，使得当光束的第二分量在激光雷达系统的周围环境中被反射时，光束的该第二分量落到探测器阵列上。换言之，这意味着，探测器阵列既用于感测激光雷达系统的系统状态也用于探测激光雷达系统的周围环境。因此可能的是，使用已经在激光雷达系统中存在的探测器阵列，以便获知激光雷达系统的系统状态。因此，可以实现成本有利的激光雷达系统。
总结而言，由此在根据本发明的激光雷达系统产生大量优点。这样可以建立方向传感装置，当由激光雷达系统射出光束时，通过该方向传感装置可以获知该光束的方向。这样原则上可能的是，二维地感测扫描射束、即光束的第一分量的偏离。因此可以感测作用到激光雷达系统上的每种机械影响。不能通过测量电桥感测的干扰模式通过这种光学的方向传感装置自身考虑。在此，这种光学的方向传感装置仅测量实际出现的方向。镜、例如微镜的幅值的缓慢漂移或非线性的改变通过这种光学的方向传感装置感测。通过两个正交测量原理实现的镜的角度位置的冗余感测使得能够通过测量结果相对彼此的可信性验证来实现扫描镜故障状态的可靠识别。方向传感装置和位置传感器的相互再校准变得可行。通过添加光学的方向传感装置，方向传感装置和位置传感器均可以针对它们各自的任务进行优化。因此，位置传感器可以设计用于镜调节，例如具有固定的采样速率、相应的频带限制等，而方向传感装置可以设计用于实际发射方向的精确测量、例如通过与激光触发同步的采样。通过光学的方向传感装置的时间上的选通(Gating)(探测器阵列例如仅在大约1ns的激光脉冲期间是激活的)，能够相对于固定占空比的情况成数量级地改善信噪比。这直接影响到测量精度。通过提升传感器的数量可以在需要时进一步改进方向传感装置的测量精度。所发射的激光功率和脉冲长度的测量由于眼睛安全性的原因是附加有利的。典型地，为了该任务在激光后面置入监视器光电二极管，用于测量所发射的激光射束的功率和脉冲波长。所述监视器光电二极管可以取消。在探测器阵列上的信号可以附加地作为用于开始光运行时间测量的参考信号使用。
附图说明
下面参照附图详细阐述本发明的实施例。在附图中：
图1根据本发明的第一实施方式的激光雷达系统1的示意性示图，
图2在根据第一实施方式的根据本发明的激光雷达系统中示出信号流的简图，
图3具有多个单独的传感器的探测器阵列的示意性示图，和
图4具有布置在探测器阵列上的多路复用器的探测器阵列的示意性示图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的第一实施方式的激光雷达系统1的发射单元的示意性示图，其中，由于简单性的原因未示出接收单元。激光雷达系统1包括光源2、镜3、部分透明元件4、探测器阵列5和分析处理单元6。
光源2设置用于发射光束7。光源2是激光器。因此，光束7是激光束。镜3这样布置，使得该镜反射从光源2发出的光束7。镜3是微镜。镜3可运动地布置。在该第一实施方式中，镜3是摆动的镜。镜的摆动要么可以是谐振的要么可以是准静态的。该摆动运动在图1中通过双箭头表明。因此，镜3从它的静止位置交替地沿不同方向摆动。在此，镜围绕支承轴线沿交变的方向转动。
部分透明元件4这样相对于镜3布置，使得在光束被镜3反射之后该光束照到部分透明元件4上。镜布置在光束7的照射光路中，即布置在光源2和部分透明元件4之间。部分透明元件4是光学透镜。在此，光束7的一个小分量在部分透明元件4的表面上被反射就足够满足透镜可以被视为部分透明的条件。实施为透镜的部分透明元件4要么设计为，当该光束从激光雷达系统1中出来时使光束7聚焦、瞄准或者非决定性地影响该光束(例如平行平面的)。因此，激光雷达系统1可以针对确定的扫描有效距离来优化。光束7的没有被部分透明元件4反射的分量穿过部分透明元件4。光束7的该分量被称为光束7的第一分量8并且作为扫描射束使用。光束7的第二分量9是光束7的在部分透明元件4的表面上被反射的分量。元件4优选如此设计，使得探测器阵列可以小地并且由此成本有利地实施。
探测器阵列5具有多个单独的传感器21、22、23、24、25。这些传感器可以成一排地布置或者替代地以二维矩阵的形式布置。传感器21、22、23、24、25是光电二极管。探测器阵列5具有激活的表面，该表面如此设置，使得光束7的被部分透明元件4反射的分量、即光束7的第二分量9落到探测器阵列5上。因此，可以简单描述地说，光束7在探测器阵列5的表面上引起光斑。
分析处理单元6是电子部件，该电子部件设置成用于从探测器阵列5接收探测器信号。探测器信号是由探测器阵列5提供的信号。因此，分析处理单元6与探测器阵列5耦合。探测器信号是描述光束7的投影在探测器阵列5上的第二分量9的尺寸、形状和位置的信号。取决于探测器信号包括哪些信息，可以得出关于激光雷达系统的系统状态的不同推断。
如果探测器信号包括关于光束7的投影到探测器阵列5上的第二分量9的尺寸的信息，即描述了探测器阵列5的多少传感器被光束7激励，那么例如可以推断出光束7聚焦。在此，如果出现改变，例如由于激光雷达系统1的各个部件之间的距离改变，则可以识别出这种改变。
如果光束7的投影到探测器阵列5上的第二分量9的形状通过探测器信号来描述，那么能够实现识别光束7的畸变。这种畸变例如可以通过镜3或部分透明元件4的变形引起。因此，还可以识别激光雷达系统1的变形。
如果光束7的投影到探测器阵列5上的第二分量9的位置由探测器信号来描述，则可以由此推断出光束7、尤其是光束7的第一分量8离开激光雷达系统1以扫描激光雷达系统1的周围环境的方向。
在该第一实施方式中，探测器信号包括关于探测器阵列的尺寸、形状和位置的信息。在替代的实施方式中足够的是，探测器信号仅包括这些信息中的至少一个信息、即至少包括探测器阵列的尺寸、形状或位置。
根据需要哪些信息，通过分析处理单元6进行相应的分析处理。为此尤其储存光束7的在探测器阵列5上投影的第二分量9的、在激光雷达系统1运行时出现的尺寸、形状和位置，使得该激光雷达系统处于优化的工作范围中。如果激光雷达系统1偏离该优化状态，那么借助于与光束7的在探测器阵列5上投影的第二分量9的、通过探测器阵列5当前感测的尺寸、形状和位置的比较，通过分析处理单元6识别这种情况并且必要时可以补偿。
图2示出简图100，该简图示出激光雷达系统1的信号流。在此，在图2中既示意性地示出激光雷达系统1的各个元件，也示出这些元件之间的信号流。
第一元件101是飞行时间系统(Time-of-flight-System)，简称为TOF系统。该TOF系统是以下系统：通过该系统能够实现距离测量，借助于该距离测量对激光雷达系统1的周围环境中的各个点进行采样。通过TOF系统将触发信号传送到光源2上，以便发射光束7。在图2中，光源2通过第二元件102表示。
通过光源2发射光束7，该光束被镜3反射，该镜在图2中象征性地表示为第三元件103。在那里光束7被反射并且被转向到部分透明元件4上，该部分透明元件是透镜。在图2中，部分透明元件4也通过第四元件104表示。通过部分透明元件4将光束7分成光束7的第一分量8和第二分量9。光束7的第二分量9照到探测器阵列5上，该探测器阵列在图2中通过第五元件105表示。探测器信号由探测器阵列5提供并且被传递到分析处理单元6上，该分析处理单元在图2中被表示为第六元件106。分析处理单元6还提供触发信号，该触发信号由TOF系统、即由第一元件101发出。探测器信号仅在从发出触发信号起的时间区间ΔT内的时间段中被观察。因此确保，仅在发射光束7的过程中进行激光雷达系统的系统状态的评估。在接下来的时间阶段中，探测器阵列5可以用于接收从激光雷达系统1的周围环境中返还的光束7。为此探测器阵列5这样布置，使得当光束7的第二分量9在激光雷达系统1的周围环境中被反射时，光束7的该第二分量9照到探测器阵列5上。
在计算步骤107中进行焦点计算，这意味着，获知光束7的第二分量9在哪个部位上照到探测器阵列5上。因此，获知光束7的在探测器阵列5上投影的第二分量9的位置。此外，针对计算步骤107储存描述激光雷达系统1的计算模型。基于所述计算模型和所计算的焦点算出激光雷达系统的发射方向。该信息作为激光雷达系统1的系统状态被提供并且可以在计算目标在激光雷达系统1的周围环境中的位置时被考虑。
如果由探测器阵列5接收光束7的第二分量9，那么由传感器21、22、23、24、25输出的输出信号还相加。这在求和步骤108中进行。这样产生的总和与参考值、这里是参考电压Vref相比较。这例如借助于比较器进行，该比较器在图2中表示为第九元件109。如果总和超过预给定的参考值，那么这意味着，光束7以足够的强度发射。该信号作为用于飞行时间测量的开始信号提供给第一元件101。同时，所述总和借助于数模转换器110转换为数字化值并且作为描述光束7的功率的指标被提供。
在该第一实施方式中，通过探测器信号来描述光束7的投影到探测器阵列5上的第二分量9的位置。在此，所述位置是光束7的第二分量9在探测器阵列5上的最大亮度的点。对此，图3在第一曲线40中示出光束7的第二分量9在探测器阵列5的表面上的亮度的变化。可看出，光束7的第二分量9在它的中心具有特别高的亮度并且该第二分量的强度朝着它的边缘区域降低。
在图3中还示出具有多个单独的传感器20、21、22、23、24、25的探测器阵列5。那么探测器阵列5包括至少一个第一传感器20、一个第二传感器21、一个第三传感器22、一个第四传感器23、一个第五传感器24和一个第六传感器25。然而传感器20、21、22、23、24、25的数量可以改变。所述传感器20、21、22、23、24、25中的每个传感器表示为一个矩形。在各个矩形中记入一个传感器值，该传感器值是各个传感器的取决于相应传感器20、21、22、23、24、25的曝光的输出信号。在此，传感器值示例性选择得和在探测器阵列根据第一曲线40曝光时可以产生的传感器值一样。这样可看出，第三传感器22特别强烈地曝光，因为该第三传感器位于光束7的第二分量9的中心处。探测器阵列5的分别相邻的传感器通过减法器30、31、32、33、34相互耦合。这样第一传感器20和第二传感器21通过第一减法器30耦合。第二传感器21和第三传感器22通过第二减法器31耦合。第三传感器22和第四传感器23通过第三减法器32耦合。第四传感器23和第五传感器24通过第四减法器33耦合。第五传感器24和第六传感器25通过第五减法器34耦合。
由相邻的传感器输出的输出值通过耦合的减法器彼此相减。这样第一传感器20输出传感器值“1”作为输出值并且第二传感器22输出传感器值“2.5”作为输出值。因此通过第一减法器30在输出侧输出“-1.5”的值。在输出侧由减法器30、31输出的值在图3中在第二曲线41旁边示出。在此，由减法器30、31输出的值被标记为叉号。减法器30、31的输出值是第二曲线41的支点(Stützpunkt)。第二曲线的过零点42被获知。该第二曲线的过零点42的点描述光束7的在探测器阵列5上投影的第二分量9的位置。因此，通过探测器信号描述探测器阵列5上的一个部位，该部位又描述光束7的在探测器阵列5上投影的第二分量9的位置。要指明，在该示例性的第一实施方式中光束的第二分量在探测器阵列5上的位置仅在一维中被确定。这在图3中示出。然而以相应的方式能够在二维中确定所述位置。相应地，探测器阵列5要么可以包括仅成一排地布置的多个单独的传感器20、22、23、24、25，要么可以是由传感器20、21、22、23、24、25组成的场，该场在二维中延伸。因此，探测器阵列5也可以是传感器场。
可看出，以相应的方式也可以获知光束7的在探测器阵列5上投影的第二分量9的尺寸和形状，因为投影的光束7的范围同样通过第二曲线41的零点限定。所述零点在第二曲线41中表示为第一点42、第二点43和第三点44。中间的零点、即第二点43描述光束7的在探测器阵列5上投影的第二分量9的位置。第一点42和第三点44限定外边缘、即周边并且同时限定光束7的在探测器阵列5上投影的第二分量9的尺寸。
探测器信号被提供给分析处理单元6。分析处理单元6还与位置传感器12耦合，该位置传感器感测镜3的位态。通过分析处理单元6借助于探测器信号由分析处理单元6获知镜3的实际位态。为此参考激光雷达系统1的计算模型，在该计算模型中光束7的在探测器阵列5上投影的第二分量9的每个位置配属有镜3的一个位态。镜3的该配属的位态被视为镜3的实际位态。现在将镜3的实际位态与镜3的由位置传感器12感测的位态相比较。如果这两个位态彼此不同，那么确定位置传感器12的偏差并且因此获知系统状态。接下来获知位置传感器12的修正值，该修正值被应用到该位置传感器上。这样选择修正值，使得镜3的通过位置传感器12感测的位态相当于镜3的实际位态。
可看出，可以附加地或替代地通过分析处理单元6获知激光雷达系统的光学部件的定向、由于激光雷达系统1的光学部件所引起的光束7的畸变和/或光束7的第二部分8的方向作为系统状态。为此优选提供比较值，其中，当存在激光雷达系统1的光学部件的优化定向、不存在由于激光雷达系统1的光学部件所引起的光束7的畸变和/或光束7的第二部分8的正确方向通过探测器信号来描述时，该比较值尤其描述探测器信号的值。
图4示出具有布置在探测器阵列5上的多路复用器10的探测器阵列5。在此，探测器阵列5根据在第三曲线45中示出的亮度变化被曝光。
在图4中示出的构造能够实现激光雷达系统1的特别紧凑的结构形式。减法器30、31在输出侧与多路复用器10的输入端耦合。通过多路复用器10可以选择，由减法器30、31提供的信号中的哪个信号影响探测器信号。
尤其仅利用传感器20、21、22、23、24、25中的选择出的传感器来接收光束7的被部分透明元件4反射到探测器阵列5上的第二分量9。可选择地使其余传感器不激活。也可以仅借助于多路复用器10进行传感器的选择。这样，当光束7仅激励探测器阵列5的其余传感器时例如使第五传感器24和第六传感器25不激活。这样例如可以通过预选择使传感器20、21、22、23、24、25中的一些传感器不激活，因为几乎已知的是，传感器20、21、22、23、24、25中的哪些传感器在确定的时间点被曝光。
替代地或附加地，将传感器20、21、22、23、24、25的输出信号与阈值比较并且只有传感器20、21、22、23、24、25的输出信号中的幅值大于阈值的那些输出信号被用于产生探测器信号。在此，要么传感器20、21、22、23、24、25的输出信号可以与第一阈值比较，要么减法器30、31、32、33、34、35的输出侧信号与第二阈值比较。这种比较例如可以通过阈值探测器11进行，如在图4中示例性示出的那样。通过该阈值探测器11在多路复用器10中选择，减法器30、31在输出侧提供的信号中的哪些信号被传递给分析处理单元6。
总结而言，具有光学方向传感装置的激光雷达系统1的发射单元的构造在图2中表示为方框图。对于每个发射脉冲由TOF系统产生触发信号，该触发信号既被使用为具有相应的时间延迟ΔT的激光触发器，也被使用为用于探测器阵列和焦点计算之间的前端的激活信号。所发射的激光脉冲的小部分在光学元件、例如平凹透镜上被反射并且照亮探测器阵列5。那么由探测器阵列5的不同传感器的光电流以不同电路获知发射方向、脉冲功率、脉冲长度和用于运行时间测量的开始信号。
焦点计算的可能实施方式在图3中示出。在此，获知分别相邻的传感器的差。在第二步骤中确定差别信号的过零点。在该情况下，对于每个传感器需要单独的信号路径。为了保持信号路径的数量小，可以替代地使用多路复用器10，如在图4中示出的那样。在此应确保，在探测器阵列5上的激光脉冲的空间大小不明显大于由多路复用器10连接的探测器元件的面积。当脉冲例如延伸经过两个传感器5时，那么多路复用器10必须也具有两个输出端。在该情况下，所照亮的探测器元件通过一个阈值探测器11识别并且接通。然后类似于在图3中示出的电路进行焦点计算。
包括上面公开内容在内，详细参见图1至4的公开。