[发明专利]激光雷达系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

激光雷达(Light Detection and Ranging)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EP 0 648 340 B1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。

发明内容

根据本发明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。根据本发明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)。

根据本发明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。