激光雷达系统技术方案

本发明专利技术描述一种激光雷达系统，所述激光雷达系统包括用于产生相干激光射束(12)的激光射束源(10)，其中，所述激光雷达系统构造用于基本上以传播模式发出由所述激光雷达系统发射的激光射束(12)，所述传播模式相应于具有两个阶数的近轴Helmholtz方程的解析解，其中，所述两个阶数中的至少一个大于0。

Lidar system

The invention describes a lidar system, which includes a laser beam source (10) for generating coherent laser beams (12), in which the lidar system is constructed to emit laser beams (12) emitted by the lidar system in a propagation mode basically corresponding to the analytical solution of the paraxial Helmholtz equation with two orders. At least one of the two orders is greater than 0.

【技术实现步骤摘要】
激光雷达系统
本专利技术涉及一种激光雷达系统、优选一种眼睛安全的激光雷达系统。
技术介绍
激光雷达(LightDetectionandRanging)在机动车或机器人的环境识别中具有越来越重要的意义。尽管存在不同的技术实施方式，仍一般通过发出光和紧接着探测由被照明的表面反射的射束来探测其他对象的存在、距离以及必要时速度。激光射束尤其可以用于扫描环境。通常的方法基于，由相应的激光雷达系统以快速的序列发出各个激光脉冲到不同空间方向中以便扫描环境并且通过相应地反射的脉冲的运行时间测量来确定与反射表面的间距(运行时间测量)。由文献EP0648340B1例如已知一种激光雷达，借助该激光雷达可以实现用于直升机和飞机的障碍避让系统。激光雷达系统的作用距离此外受以下限制，即在与反射表面的距离的增加的情况下，越来越少的光子返回探测器并且光子的测定或反射信号的分析处理在某些时候不再可能。通过提高激光功率虽然可以增大作用距离，然而对其设置一定的上限，因为总是必须确保对于所有位于射束的作用距离中的人员的眼睛安全。尤其在可见和近红外光谱范围中的波长中(在1.4μm之下的波长)这是关键的限制，因为这样的光特别容易穿过眼睛的角膜和晶状体并且因此可以集束到灵敏的视网膜上。由于眼睛安全性的要求，因此不可以任意提高激光功率。在具有相应波长的相干激光射束中，对于眼睛的危险尤其在于，相干光可以穿过眼睛的晶状体非常容易地聚焦到灵敏的视网膜的各个点上。由此可以在此出现非常高的功率密度，其能够不可逆地破坏灵敏的视网膜组织。非相干激光射束的应用虽然将增大有效焦点的大小，然而这样的射束具有显著更高的扩散度并且因此不适用于高分辨的环境扫描。
技术实现思路
根据本专利技术提供一种激光雷达系统，其避免或至少明显减少在现有技术中出现的关于在高功率时相干激光射束的眼睛安全的问题。根据本专利技术的激光雷达系统优选是非相干探测的激光雷达。在这样的激光雷达中，保持不考虑用于扫描环境的激光射束的相位(或在射束场内的相位关系)。根据本专利技术的激光雷达系统包括用于产生相干激光射束的激光射束源，其中，所述激光雷达系统构造用于基本上以传播模式(也称为横向传播模式)发出由所述激光雷达系统发射的激光射束，所述传播模式相应于具有两个阶数的近轴亥姆霍兹方程(paraxialeHelmholtz-Gleichung)的解析解，其中，两个阶数中的至少一个大于0。与基本模式——在所述基本模式中两个阶数等于零——不同，所述模式也称为高阶传播模式(也即比基本模式高至少一阶)。由所述激光雷达系统发出的射束优选是单色的，也即基本上根据唯一的波长确定。尤其激光射束源可以是纵向单模发射器(仅仅纵向传播模式)。近轴Helmholtz方程是Helmholtz方程的近似形式，其由一般波方程在变量分离之后并且假定谐波时间关系的情况下得出。近轴Helmholtz方程可尤其用于描述相干激光射束的传播。解析解可以典型地通过在对于确定的几何边界条件的完整的一组正交本征函数中展开解空间来找到。这样一组解也称为模式系列(Modenfamilie)。因为近轴Helmholtz方程的横向部分在数学上涉及两维问题(在垂直于传播方向的平面中的场分布)，所以相应的解可以借助于两个相互独立的横向参数来描述。如果模式系列的每个成员通过一对整数作为横向参数来表示，则将这些数称为用于相应模式系列的阶数，其中，由此确定相应解的或相应本征函数的阶。阶数也可以直接由相应射束的强度轮廓()得知，因为沿确定方向出现的场最大值的数目与阶的水平、也即与相应阶数的值相关。模式系列的基本模式的特征在于，通过射束轮廓的直线沿任意方向恰恰示出在射束中心的强度最大值(例如理想的高斯轮廓)。较高阶的模式的特征在于，至少对于各个相交线可以确定不同数目的局部的场最大值或强度最大值，和/或，沿这样的相交线，场分布的重心位于射束中心之外。边界条件大多确定用于本征函数的选择的特别优选的坐标系统。与这些边界条件相配地，那么可以将问题转变到相应的坐标系统中。例如典型的高斯射束是在具有圆形边界条件的圆柱形坐标中近轴Helmholtz方程的解。真实的激光射束或其他可产生的射束轮廓大多可容易通过各个解(例如理想的高斯射束)或模式系列的解的叠加来接近。基于展开的完整性，对于与模式系列的大量独立的解的叠加原则上可以近似每个任意的场分布。虽然如此，为了接近真实的激光射束，将叠加限制到模式系列的最大三个传播模式上大多完全足够。在此视为足够的是，所考虑的传播模式包括真实的激光射束的总射束功率的优选至少80％、更优选至少90％、更优选至少95％以及还更优选至少99％。由激光雷达系统发射的激光射束基本上以确定的传播模式传播因此表示，根据本专利技术传播的传播模式(也即基本的传播模式)包括由激光雷达系统发射的总射束功率的优选至少80％、更优选至少90％、更优选至少95％以及还更优选至少99％。本专利技术的优点根据本专利技术的激光雷达系统具有如下优点，通过基本上在较高的传播模式中传播的相干激光射束也借助于光学装置相比于例如基本模式发射器的高斯射束显著降低射束的可能的可聚焦性。相应的模式在穿过透镜时没有成像到单个清晰的点上，而是成像到与该点偏离的具有较大面积的强度分布上。尤其，通过观察者的眼睛的晶状体聚焦的相干激光射束对于相应的传播模式在射束源成像时相比于在应用理想高斯射束时的情况在视网膜上“更不清晰”地成像。由此，所聚焦的射束功率分布到视网膜的较大的面积上，从而每个面积单元的射束负荷与此相比被降低(较小的功率密度)。因此，仅仅在相比于在高斯射束的情况下更大的总功率时才局部达到组织的破坏阈值。这可以用于，尽管相比于现有技术提高的激光功率也眼睛安全地运行根据本专利技术的激光雷达系统。通过应用专门的射束轮廓(也即相应的传播模式)可以因此实现在视网膜上的视在源(scheinbareQuelle)的较大的角度延展，由此可以提高可进入的射束(GZS)的通过眼睛安全规范IEC60825-1预给定的边界值。此外，在专门的射束轮廓的成像中，将由眼睛捕获的功率分配到较大的范围上，由此，商ZS/GZS(ZS＝可进入的射束)变得更小。因此可以实现具有提高的发送功率的眼睛安全的系统，这又积极地影响系统的性能(作用距离)。射入透镜的光集束到成像面的单个点上原本是对于平面波的特殊情况。然而，具有高斯射束轮廓(通常情况)的激光射束在射束腰(Strahltaille)中实际上具有平的波阵面并且在其他位置相应于具有极其大的曲率半径的球形波，其越过瞳孔因此同样是接近平的。平面波的假定因此是完全合理的。优选地，根据本专利技术使用的传播模式是埃尔米特-高斯模式、拉盖尔-高斯模式或因斯-高斯模式。在此涉及对于不同边界条件(完整的组的正交本征函数)近轴Helmholtz方程的众所周知的解(分别构成模式系列)。尤其在此涉及具有两个阶数的近轴Helmholtz方程的解析解，其中，对于相应的基本模式，两个阶数分别等于0。埃尔米特-高斯模式是沿射束的传播方向具有矩形射束横截面(相应于矩形边界条件)的近轴Helmholtz方程的稳定解的系列。埃尔米特-高斯模式可以作为近轴Helmholtz方程的解析解在笛卡尔坐标中借助于两个埃尔米特多项式的乘积HI×Hm来表示。各个埃尔米特-高斯模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光雷达系统，所述激光雷达系统包括用于产生相干激光射束(12)的激光射束源(10)，其特征在于，所述激光雷达系统构造用于基本上以传播模式发出由所述激光雷达系统发射的激光射束(12)，所述传播模式相应于具有两个阶数的近轴Helmholtz方程的解析解，其中，所述两个阶数中的至少一个大于0。

【技术特征摘要】
2017.08.07 DE 102017213706.11.一种激光雷达系统，所述激光雷达系统包括用于产生相干激光射束(12)的激光射束源(10)，其特征在于，所述激光雷达系统构造用于基本上以传播模式发出由所述激光雷达系统发射的激光射束(12)，所述传播模式相应于具有两个阶数的近轴Helmholtz方程的解析解，其中，所述两个阶数中的至少一个大于0。2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述传播模式是埃尔米特-高斯模式、拉盖尔-高斯模式或因斯-高斯模式。3.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统，其中，所述传播模式是拉盖尔-高斯模式，作为近轴Helmholtz方程的在圆柱形坐标中通过所分配的具有阶数p和I的拉盖尔多项式的稳定解，其中，p等于0，并且I大于0。4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光雷达系统，其中，由所述激光雷达系统发射的激光射束(12)基本上以唯一的传播模式传播。5.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·拉姆斯特纳，A·弗雷德里克森，T·格拉夫，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE