CN111427024A - 激光雷达系统、用于运行激光雷达系统的方法和计算机程序 - Google Patents

Abstract

一种用于车辆的激光雷达系统(1，1a)，该激光雷达系统用于借助激光射束扫描车辆的周围环境区域，该激光雷达系统包括：具有激光射束源(4)的发射装置(3)，该激光射束源构造用于将激光射束发射到车辆的周围环境区域中；接收装置(5)，其具有用于探测在周围环境区域中反射的激光射束的至少一个探测器(6)并且具有能够连接在探测器(6)之前的至少一个第一滤光器，其中，至少一个第一滤光器构造成用于有针对性地吸收背景辐射的强度滤光器(7)。本发明还涉及一种用于运行激光雷达系统的方法和一种计算机程序。

Description

激光雷达系统、用于运行激光雷达系统的方法和计算机程序

技术领域

本发明涉及一种用于车辆的激光雷达系统，该激光雷达系统用于借助激光射束扫描车辆的周围环境区域，该激光雷达系统包括：具有激光射束源的发射装置，该激光射束源构造用于将激光射束发射到车辆的周围环境区域中；接收装置，该接收装置具有至少一个探测器和至少一个第一滤光器，该至少一个探测器用于探测在周围环境区域中反射的激光射束，该至少一个第一滤光器能够连接在探测器前面。

背景技术

激光雷达传感器将在未来几年中设立用于实现高度自动化的驾驶功能。当前的激光雷达系统由激光射束的发射和接收装置组成。发射装置的激光射束源向周围环境发射激光射束。如果该光照射到能够运动的或固定的对象、例如行驶的或静止的车辆或行人上，则该光被反射并且朝接收装置的方向反射回。反向散射的光汇聚在接收装置的探测器中。然而，在此不仅成像激光射束源的光子，而且还成像背景光子/背景光/环境光。这只能通过探测器之前的窄带静态光学滤光器滤除很小一部分。未经过滤的背景光子同样被探测到并且导致产生背景噪声，这损害激光雷达系统的性能。由环境光/背景光产生的光子流产生噪声，这使测量结果恶化。这尤其在具有显著饱和特性的激光雷达系统中导致损坏，这导致激光雷达系统的失效。

DE 102017205685 A1公开一种具有动态滤光器的激光雷达设备和一种方法。激光雷达设备包括动态光学过滤器，其能够补偿入射射束的与入射角相关的波长移位，其方式是：使至少一个滤光器匹配于至少一个入射电磁射束。

发明内容

本发明的任务是，提供一种即使在太阳辐射很高的情况下也具有高可用性的激光雷达系统。

该任务通过说明一种激光雷达系统来解决。此外，该任务通过说明一种机动车来解决。此外，该任务通过说明一种方法以及一种计算机程序来解决。

在下述说明书中列举其他有利措施，这些措施可以任意地相互组合，以便实现其它优点。

根据本发明的一方面，提出一种用于车辆的激光雷达系统，该激光雷达系统用于借助激光射束扫描车辆的周围环境区域，该激光雷达系统包括：

发射装置，该发射装置具有激光射束源，所述激光射束源构造用于将激光射束发射到车辆的周围环境区域中，

接收装置，该接收装置具有至少一个探测器和至少一个第一滤光器，该至少一个探测器用于探测在周围环境区域中反射的激光射束，该至少一个第一滤光器能够连接在探测器前面，

其中，该至少一个第一滤光器构造成用于有针对性地吸收背景辐射的强度滤光器。

本发明基于以下认知：在使用滤光器的情况下，既要在太阳辐射较高的或者处于盛夏的国家中、也要在太阳辐射较低的国家中确保激光雷达系统的最佳功能。

根据本发明，至少一个第一滤光器构造成用于有针对性地吸收背景辐射的强度滤光器。由此，即使在太阳辐射高的情况下，也得到激光雷达系统的更高可用性并且防止由阳光损坏激光雷达系统。由此可以实现对背景光的有针对性的吸收、优选受调节的吸收。由此，能够减少干扰性的背景光量。由此，可以明显改善激光雷达系统在高外部光辐射情况下的性能。

通过构造成用于有针对性地吸收的强度滤光器，可以减少干扰性的背景光量，由此提高激光雷达系统的可用性。

激光雷达系统可以包括多个发射装置以及(与之对应的)接收装置。

优选地，强度滤光器构造为静态强度滤光器。这种滤光器例如可以是灰色滤光器或反射滤光器。由此，可以在太阳辐射高的国家确保激光雷达系统的功能。

优选地，强度滤光器构造为能够运动的，以便将强度滤光器至少部分地布置到探测器之前的所反射的激光射束中。这种按照本发明动态匹配的强度滤光器(其能够运动地用于部分地布置、即布置成引入和引入到所反射的激光射束中)导致改善的性能——尤其导致对象定位情况下的改善准确度并且导致取决于背景光的吸收的改善调节。

优选地，强度滤光器能够无级地(stufenlos)运动，以便至少部分无级地将强度滤光器布置在探测器之前的所反射的激光射束中。因此，可以将强度滤光器平滑地(即没有过渡地)引入/引出到探测器之前的所反射的激光射束中。由此，强度滤光器的无级布置是可能的，这导致激光雷达系统的改善的特性/性能。

优选地，强度滤光器能够根据入射到强度滤光器上的环境光运动。由此，可以实现激光雷达系统的性能的有针对性的改善。

优选地，为了使强度滤光器运动而设置执行器和/或线性系统。其他实现强度滤光器的引入/引出的系统也是可能的。

优选地，强度滤光器能够从选择单元中选择。这种按照本发明动态匹配的强度滤光器(该强度滤光器例如在其特性方面所选择)导致性能的改善、尤其导致激光雷达系统的作用距离的提高以及导致改善的可用性。可以特别有针对性地吸收背景光。

优选地，选择单元包括彩色滤光器(尤其黑白滤光器)和/或中性密度滤光器(尤其灰色滤光器)和/或渐变滤光器(尤其梯度掩膜和/或灰色渐变滤光器/彩色渐变滤光器)。特别优选地，从选择单元中对强度滤光器的选择能够根据至在周围环境区域中检测的对象的距离来实现。

与远区域(Fernbereich)中的对象所反射的激光射束相比，由近区域(Nahbereich)中的对象所反射的激光射束在不同的部位上照射到探测器上。附加地，从近区域中的目标获得更多的到达探测器上的信号光子。因此，通过选择滤光器，可以根据距离来调整相对于背景光的理想信号。因此，例如可以在具有水平偏振的激光射束的激光雷达系统中使用黑白滤光器，而在具有垂直偏振的激光射束的激光雷达系统中使用梯度掩膜。

在一种优选构型中，设置至少一个第二滤光器，其中，该至少一个第二滤光器同样构造成用于有针对性地吸收背景辐射的强度滤光器。然而，根据本发明的激光雷达系统不限于两个强度滤光器，而是可以包括多个强度滤光器。

优选地，探测器构型成SPAD(单光子雪崩二极管)探测器，其特征在于单个光子的用于提供探测信号的非常高的放大率。因此，少量光子足以实现信号。因此，通过根据本发明的激光雷达系统能够实现：即使在SPAD系统中(其中通常不允许安装滤光器)也可以布置滤光器。因此，在基于SPAD的激光雷达系统中不再存在下述风险：激光雷达系统在强烈的太阳辐射的情况下收集过多的背景光并且因此不再能够正常工作。

优选地，设置具有转子轴线的转子，其中，转子构造用于使发射装置和接收装置围绕转子轴线旋转。优选地，设置多个发射装置和多个与发射装置对应的接收装置，其中，转子构造用于使多个发射装置和多个与发射装置对应的接收装置围绕转子轴线旋转。通过在转子上的这种布置，可以通过以不同角度发射激光射束来覆盖不同的方向信息和距离信息，随后可以将所述方向信息和距离信息组合成整体信息。

根据本发明的另一方面，设置机动车，该机动车构造有如上所述的激光雷达系统。该车辆尤其是轿车或载重货车。在其他车辆中、例如轨道交通工具中也能够使用该激光雷达系统。

根据本发明的另一方面，提出一种用于运行车辆的激光雷达系统的方法，所述激光雷达系统用于借助激光射束扫描车辆的周围环境区域，所述方法具有以下步骤：

通过发射装置中的激光射束源将激光射束发射到周围环境区域中，

通过接收装置中的探测器探测在周围环境区域中反射的激光射束，

提供至少一个第一滤光器，其中，该至少一个第一滤光器构造成强度滤光器，

通过构造成强度滤光器的至少一个第一滤光器有针对性地吸收背景辐射。

通过根据本发明的方法，可以改善激光雷达系统的性能。该方法不限于第一滤光器，而是可以包括多个滤光器。

优选地，该方法包括另外的步骤：将强度滤光器构造成静态强度滤光器，或者使强度滤光器运动，以便将强度滤光器至少部分地布置在探测器之前的所反射的激光射束中，和/或从选择单元中选择强度滤光器。因此，能够实现激光雷达系统的改善的调整。

根据本发明的各个措施可以替代地或组合地实施，只要它们不相互排斥。

在优选构型中，根据入射到至少一个第一滤光器上的环境光来使强度滤光器运动。在另一优选构型中，从选择单元中对强度滤光器的选择能够根据至在周围环境区域中检测的对象的距离实现。

该方法特别适合于在根据本发明的激光雷达系统上实施。

本发明的另一方面提供一种计算机程序，其包括如下指令：所述指令促使如上所述的激光雷达系统执行如上所述的方法。

附图说明

本发明的其他特征、特性和优点从下面参考附图的描述中得出。在此示意性地示出：

图1在第一构型中示出根据本发明的激光雷达系统；

图2示出根据本发明的强度滤光器；

图3示出具有不同滤光器的选择单元；

图4在第二构型中示出根据本发明的激光雷达系统；

图5示出根据本发明的方法；

图6示出具有转子的根据本发明的激光雷达系统。

具体实施方式

尽管通过优选实施例详细地示出并描述本发明，但本发明不受所公开的示例限制。本领域技术人员可以在不偏离于本发明的保护范围的情况下得出本发明的变型方案。

图1在第一构型中示出根据本发明的激光雷达系统1。激光雷达系统1构造用于确定对象2的方向和/或距离。激光雷达系统1尤其构造用于扫描机动车的周围环境区域。通过激光雷达系统1可以确定对象2的定向和对象2关于激光雷达系统的距离。在此，对象2可以包括其他交通参与者或能够运动的或不运动的交通对象(例如封锁标志)。

激光雷达系统1包括具有激光射束源4的发射装置3。激光射束源4可以包括一个或多个激光器。激光射束源4能够摆动地构型。激光射束源4发射激光射束以扫描对象2。在对象2上反射激光射束。根据发射激光射束的发射角，可以确定对象2相对于车辆的定向；根据激光射束的传播时间可以求取至对象2的距离。

此外，发射装置3可以具有其他构件(例如用于偏振的偏振器、光栅光谱仪等)，这些未在此示出。

激光雷达系统1还包括具有探测器6的接收装置5，该探测器可以构造为光子探测器。探测器6尤其构造为SPAD(单光子雪崩二极管)探测器。SPAD探测器实现对单个光子的非常高的放大，以便提供探测信号。探测器6通过可能连接在后面的放大器将激光射束的功率转换成电信号。

在探测器6前面布置有强度滤光器7，该强度滤光器构造成能够运动的滤光器，以便至少部分地布置在探测器之前的所反射的激光射束中。

根据入射到强度滤光器7上的环境光而使强度滤光器7运动。强度滤光器7的调节可以通过对背景光的分析处理来进行，该背景光可以由接收装置5确定。由此，能够实现对背景光的有针对性的吸收。因此，在具有高太阳辐射的国家中，能够在不损失例如对象识别的有效距离方面的性能的情况下确保激光雷达系统1的功能。

作为上述能够运动滤光器的补充或替代，强度滤光器7能够在不同的滤光器方面进行调整/选自不同的滤光器。

为此，激光雷达系统1具有用于选择强度滤光器7的选择单元9。优选地，根据对象2至车辆的距离来从选择单元9中选择强度滤光器7。因为来自车辆的近区域中的对象2的反射光与来自车辆的远区域中的对象2的反射光在不同位置上照射到探测器6上，并且来自近区域中的对象2的反射激光射束更多地照射到探测器上，所以可以相应地对滤光器的选择进行调节，由此得到对背景光的更好吸收。

因此，通过在探测器6前面选择合适的强度滤光器7，可以根据距离有针对性地吸收背景光，并且因此明显减少干扰性的背景光。

图2借助箭头8示意性地示出强度滤光器7在探测器6之前的移动。这例如可以借助执行器(未示出)或线性系统(未示出)实现。强度滤光器7构造成能够无级地运动，以便无级地布置在探测器6前面，直至其完全引入到探测器6前面/从探测器前面引出。在此“无级地”意味着：强度滤光器7能够任意地无级地调节/调整。强度滤光器7在图2中构造成渐变滤光器。

因此，强度滤光器7可以根据需要无级地引入和引出探测器6之前的区域。

图3详细地示出具有不同强度滤光器的选择单元9。选择单元9在此不受限制地包括中性密度滤光器(尤其灰色滤光器11)、渐变滤光器(尤其灰色掩模13或灰色渐变/彩色渐变滤光器14)以及彩色滤光器(尤其黑白滤光器12)。在渐变滤光器的情况下，在滤光器表面上实现连续变化的滤光效果。现在，可以从选择单元9中选择强度滤光器7。

在此，可以优选将黑白滤光器12用于具有水平偏振光的激光雷达系统1(图1)，并且将梯度掩模13用于具有垂直偏振光的激光雷达系统1(图1)。

图4示出激光雷达系统1a的另一种构型。在此，可以将第二滤光器10布置在探测器6之前的所反射的激光射束中。第二滤光器在此可以类似于强度滤光器7地构型。

图5示出根据本发明的方法。在此，在第一步骤S1中，由发射装置3的激光射束源4(图1)发射激光射束。

在第二步骤S2中，这些激光射束照射到对象2(图1)上并且在该对象处被反射。在第三步骤S3中，由接收装置5(图1)接收所反射的激光射束。

接着在步骤S4中根据入射到强度滤光器7(图1)上的环境光来使强度滤光器7(图1)运动。根据所求取的、入射的环境光，将强度滤光器7(图1)引入到探测器6(图1)前面。可以在接收装置5(图1)中进行入射的环境光的求取/计算。

替代步骤S4，在步骤S5中根据至在周围环境区域中所检测的对象2(图1)的距离来实现从选择单元9中选择强度滤光器7(图1)。可以由接收装置5(图1)进行距离的计算。根据计算出的距离，可以从选择单元9(图1)中选择强度滤光器7(图1)。

替代于此，在步骤S6中，根据至在周围环境区域中所检测的对象2(图1)的距离来选择强度滤光器7(图1)。附加地，在接收装置5中计算/确定入射的环境光(图1)。根据所求取的入射的环境光，将所选择的强度滤光器7(图1)至少部分地布置在探测器6(图1)前面。

图6示出根据本发明的具有转子15的激光雷达系统。转子15在此能够围绕转子轴线(未示出)旋转地(箭头16)支承。转子15可以具有一个或多个如上所述的发射装置3以及与其对应的接收装置5。转子15优选通过未示出的驱动装置驱动。由此，发射装置3以及与其对应的接收装置5旋转。通过在转子15上的这种布置，可以通过以不同角度发射激光射束来覆盖不同的方向信息和距离信息，随后可以将所述方向信息和距离信息组合成整体信息。

本发明不限于一个强度滤光器7。也可以设置两个或更多的根据本发明的强度滤光器7。

此外，强度滤光器7也可以构造为静态强度滤光器——例如灰色滤光器或反射滤光器。

Claims (15)

1.一种用于车辆的激光雷达系统(1，1a)，所述激光雷达系统用于借助激光射束扫描车辆的周围环境区域，所述激光雷达系统包括：

发射装置(3)，所述发射装置具有激光射束源(4)，所述激光射束源构造用于将激光射束发射到所述车辆的周围环境区域中，

接收装置(5)，所述接收装置具有至少一个探测器(6)和至少一个第一滤光器，所述至少一个探测器用于探测在所述周围环境区域中反射的激光射束，所述至少一个第一滤光器能够连接在所述探测器(6)前面，

其特征在于，

所述至少一个第一滤光器构造成强度滤光器(7)，所述强度滤光器用于有针对性地吸收背景辐射。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统(1，1a)，其特征在于，所述强度滤光器(7)构造成静态强度滤光器。

3.根据权利要求1所述的激光雷达系统(1，1a)，其特征在于，所述强度滤光器(7)构造成能够运动、尤其能够无级地运动，以便将所述强度滤光器(7)至少部分地布置、尤其无级地布置在所述检测器(6)之前的所反射的激光射束中。

4.根据权利要求3所述的激光雷达系统(1，1a)，其特征在于，所述强度滤光器(7)能够根据入射到所述强度滤光器(7)上的环境光而运动。

5.根据以上权利要求2至4中任一项所述的激光雷达系统(1，1a)，其特征在于，设置执行器和/或线性系统，以便使所述强度滤光器(7)运动。

6.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(1，1a)，其特征在于，所述强度滤光器(7)能够从选择单元(9)中选择。

7.根据权利要求6所述的激光雷达系统(1，1a)，其特征在于，所述选择单元(9)包括彩色滤光器和/或中性密度滤光器和/或渐变滤光器，所述彩色滤光器尤其是黑白滤光器(12)，所述中性密度滤光器尤其是灰色滤光器(11)，所述渐变滤光器尤其是梯度掩模(13)和/或灰色渐变滤光器/彩色渐变滤光器(14)。

8.根据权利要求6或7所述的激光雷达系统(1，1a)，其特征在于，从所述选择单元(9)对所述强度滤光器(7)的选择能够根据至在所述周围环境区域中所检测的对象(2)的距离来实现。

9.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(1，1a)，其特征在于，所述探测器(6)构型成SPAD探测器。

10.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(1，1a)，其特征在于，设置具有转子轴线的转子(15)，其中，所述转子(15)构造用于使所述发射装置(3)和所述接收装置(5)围绕所述转子轴线旋转。

11.根据权利要求10所述的激光雷达系统(1，1a)，其特征在于，设置多个发射装置(3)以及多个与所述发射装置对应的接收装置(5)，其中，所述转子(15)构造用于使所述多个发射装置(3)和所述多个与所述发射装置对应的接收装置(5)围绕所述转子轴线旋转。

12.一种机动车，所述机动车构造有根据以上权利要求1至11中任一项所述的激光雷达系统(1，1a)。

13.一种用于运行用于车辆的激光雷达系统(1，1a)的方法，所述激光雷达系统用于借助激光射束扫描所述车辆的周围环境区域，所述方法具有以下步骤：

通过发射装置(3)中的激光射束源(4)将激光射束发射到所述周围环境区域中，

通过接收装置(5)中的探测器(6)探测在所述周围环境区域中反射的激光射束，

提供至少一个第一滤光器，其中，所述至少一个第一滤光器构造成强度滤光器(7)，

通过构造成强度滤光器(7)的所述至少一个第一滤光器有针对性地吸收背景辐射。

14.根据权利要求13所述的用于运行激光雷达系统(1，1a)的方法，其特征在于，将所述强度滤光器(7)构造成静态强度滤光器(7)，或者使所述强度滤光器(7)运动以便至少部分地将所述强度滤光器(7)布置在所述检测器之前的所反射的激光射束中，和/或，从选择单元(9)中选择所述强度滤光器(7)。

15.一种计算机程序，所述计算机程序包括如下指令：所述指令促使根据以上权利要求1至11中任一项所述的激光雷达系统(1，1a)实施根据权利要求13或14所述的方法。

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