调节用于测量车辆速度的自混合激光传感器系统的方法 |
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| 申请号 | CN201080004994.4 | 申请日 | 2010-01-18 | 公开(公告)号 | CN102292646A | 公开(公告)日 | 2011-12-21 |
| 申请人 | 皇家飞利浦电子股份有限公司; | 发明人 | M.卡派; A.M.范德李; B.恩格尔布雷赫特; M.舍曼; C.海因克斯; H.门希; | ||||
| 摘要 | 该方法基于确定 传感器 关于相对于该传感器运动的表面的取向、并且然后在横向速度较小而前向速度较大时获取数据。然后，确定传感器相对于前向速度方向的取向，并且使用所测量的传感器相对于参考表面和前向速度方向的取向来校正随后测量的速度数据。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种调节用于测量车辆相对于参考表面运动的速度的自混合激光传感器的方法，该方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 调节用于测量车辆速度的自混合激光传感器系统的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种调节用于测量车辆速度的自混合激光传感器系统的方法、一种对应的激光自混合传感器、一种调节用于测量车辆速度的自混合激光传感器系统的计算机程序、一种包括该计算机程序的数据存储介质、一种与该数据存储介质耦接的自混合激光传感器系统、以及一种包括该自混合激光传感器系统和该数据存储介质的车辆。 背景技术[0002] 传统的车辆速度测量设备需要另外的独立参考速度来校准该测量设备。例如，在US2006/0265112 A1中，公开了一种用于校准具有多个车轮的车辆的速度的方法和系统。该方法包括以下步骤：基于与多个车轮相关联的平均轮胎尺寸，感测第一车辆速度；基于全球定位数据，感测第二车辆速度；以及自动校准第一车辆速度和第二车辆速度的速度。当第一车辆速度和第二车辆速度不是直接确定的并且不是独立的时，该校准方法是不准确的。 [0003] 预期基于自混合激光多普勒干涉测量法的机动车对地速度感测日益重要，尤其是改进ESP和其它汽车安全系统。 [0005] 对于汽车安全系统，不断地监视汽车的动态。当前，安全系统使用测量每单个车轮的转数的车轮传感器的输入、以及来自具有例如多轴加速度计和陀螺仪的中央传感器箱的几个输入信号。所记录的动力学数据不幸地是不完整的。当前，仅能够测量汽车车体的加速度和旋转、以及从车轮的转数推导的汽车的前向速度。然而，没有可用的测量汽车获得的相对于道路的速度的商用传感器系统。 [0006] 这样的汽车的对地速度测量将（1）导致直接的而非推导的前向速度的测量，以及（2）允许获得（give access to）汽车的横向速度。尤其，汽车获得的横向速度对于汽车安全系统而言是非常有用的控制参数，其使得当前安全系统的显著改进成为可能。 [0007] 原则上，可以采用几种技术来测量对地速度。例如，可以考虑雷达（RADAR）、基于照相机的图像识别技术、或激光多普勒干涉测量法。然而，这些技术需要能够应对在机动车中典型地面临的强烈变化条件（例如，诸如下雨、或下雪之类的恶劣天气），需要具有可管理的尺寸，以及需要是成本有效的。首次，已经认识到一种技术，即，使用自混合干涉原理的激光传感器，其归结为激光多普勒干涉测量法，其满足所有这些机动车的特有需求。 [0008] SMI传感器合并了以某一角度指向道路的激光器。当激光束照射道路时，其将沿所有方向被反射。当道路相对于激光器运动（即，其上安装有激光器的汽车相对于道路运动）时，反射光的频率与入射激光束的频率稍有不同。该频率偏移是所谓的多普勒偏移，并且与向着激光束方向的道路的速度分量成比例。当一小部分该反射的、多普勒偏移的激光再次进入激光器腔时，其将与“未受干扰的”激光器腔的光混合，导致干涉图案。该干涉图案将再次准确地以多普勒频率周期性地改变。激光器腔内部的这些改变的干涉图案导致激光功率波动；以此方式，可以依据激光功率来确定多普勒频率以及因而确定道路速度。 [0009] 为了测量汽车相对于道路的二维速度向量，需要两个激光束。而且，需要知道激光束与道路之间的准确角度、以及激光束与汽车之间的准确角度，以便将多普勒频率偏移与汽车速度关联。 [0010] 应用多普勒干涉来测量汽车的对地速度的问题在于以下事实：对于速度测量而言，必须知道传感器相对于道路的准确取向以及传感器相对于前进方向的准确取向。然而，由于激光传感器被安装到汽车车体，因此其取向以及因而入射激光束的角度将由于悬架振动而不断地改变。仿真已经示出5厘米的平衡悬架位置的小偏差导致不可接受的测量误差。然而，悬架系统的动作是不可预测的，并且由此其导致不可接受的低的测量准确度。这同样也适用于传感器相对于前向或前进方向未配准的情况。 发明内容[0012] 如在权利要求中定义的本发明的解决方案基于确定传感器关于相对于传感器运动的表面的取向、并且然后在横向速度较小且前向速度较大时获取数据。然后，确定传感器相对于前向速度的方向的取向，并且使用所测量的传感器相对于参考表面和前向速度方向的取向来校正随后测量的速度数据。 [0013] 借助于一种调节用于测量车辆相对于参考表面运动的速度的自混合激光传感器的方法来实现该目的。该方法包括以下步骤：－确定由从该表面反射回并再次进入至少一个激光器的腔的激光的多普勒引起的相移造成的自混合强度振荡（intensity oscillation）的频率， －依据所述自混合强度振荡的频率计算速度， －使用自混合激光传感器的至少第一激光束确定传感器相对于参考表面和预定运动方向的取向，确定传感器的取向的步骤包括以下步骤：确定车辆的运动方向是否与预定运动方向一致；获得车辆沿预定运动方向的运动的速度数据；以及基于所述车辆沿预定运动方向的运动的所述速度数据来计算变换。 [0014] 该方法还包括以下步骤：通过向所测量的速度数据应用变换，基于所确定的传感器取向，来调节借助于自混合激光传感器所确定的速度数据。 [0015] 用于确定相对于参考表面运动的速度的对应激光自混合速度传感器包括：用于确定由从该表面反射回并再次进入至少一个激光器的腔的激光的多普勒引起的相移造成的自混合强度振荡的频率的电路， 用于依据自混合强度振荡来确定沿至少一个预定方向的速度的电路，以及 用于使用自混合激光传感器的至少第一激光束来确定传感器相对于参考表面的取向的电路。该电路包括用于确定车辆的运动方向与预定运动方向是否一致、获得所述车辆沿所述预定运动方向的运动的速度数据、并且基于用于车辆沿预定运动方向的运动的速度数据来计算变换的电路。 [0016] 此外，提供用于通过向所测量的速度数据应用变换来基于所确定的传感器取向而调节借助于自混合激光传感器所确定的速度数据的电路。 [0017] 所测量的运动方向与预定方向的一致可能不准确。相反，一般地，在满足阈值条件的情况下，已经假设为一致。例如，在所测量的横向速度落在阈值以下的情况下，可以假设所测量的速度主要是沿着前向方向的速度，而没有横向速度分量的实质贡献。下面更详细地提出这些和其它准则。 [0018] 此外，可以将本发明实现为一种调节用于测量车辆相对于参考表面运动的速度的自混合激光传感器系统的计算机程序、或一种包括该计算机程序的数据存储介质。该计算机程序包括用于测量车辆相对于参考表面运动的速度的自混合激光传感器系统的程序代码部件，以便当计算机程序在控制自混合激光传感器系统的计算机上运行时执行如上所述的方法的步骤。然后，如上所述的自混合激光传感器系统可以耦接到数据存储介质，从而执行根据本发明的方法。 [0019] 预定运动方向具体地可以为前向方向。因此，在汽车或摩托车的情况下，如果车辆正向前直行行驶，则前向方向为实际运动方向。 [0020] 传感器系统相对于运动表面的未配准可能由相对于参考表面未配准以及相对于速度向量未配准两者引起。根据本发明的方法用来补偿这两种未配准。如果向速度数据应用变换，则可以明确地提取横向运动分量和前向运动分量。 [0021] 根据本发明的优选实施例，通过至少三个激光束来确定速度，每个激光束相对于参考表面的垂向具有不同的方位角。已经示出三个激光束的布置允许正确确定几乎独立于传感器系统的未配准的运动向量。然而，本发明允许清楚地在实际的横向速度分量和前向速度分量之间进行区分。 [0022] 由于在应用通过根据本发明的校准方法获得的变换之后已知激光束相对于参考表面和前向速度方向的准确取向，因此本发明的方法还允许以增加的准确度进行测量，这是因为可以独立于多于一个激光束地确定前向速度。 [0023] 因此，优选地提出使用多轴激光传感器。根据本发明的这种系统包括至少三个激光器，在它们之间具有已知且恒定的（即例如整体式（monolithically）固定的）角度。它们之间这些已知的良好固定的角度具有令人惊讶的优点，即：可以依据三个多普勒频率来准确地计算前向（forward）速度分量和横向（lateral）速度分量，并且没有干扰测量结果的振动。 [0024] 可以将由传感器i 测量的多普勒频率fi写为：（公式1） 这里，Mik描述传感器i和速度分量vk的角度配置，N是速度向量的维度。 [0025] 假设：应用O个激光传感器来测量N维速度向量，则依据所有多普勒频率的速度向量的估计 被给出为：（公式2） -1 这里，M 是公式1中矩阵M的逆。当O至少等于或大于N 时，即当使用至少O个传感器来确定N维速度向量时，上面的公式仅具有唯一解。如果O>N，则可以拟合（最小平方误差）vk的估计，由于拟合的统计误差平均而产生更准确的测量。 [0026] 公式1和公式2示出了矩阵M 如何将传感器坐标系统（在其中确定频率）与必须在其中确定速度的坐标系统联系。然而，在大多数应用中，速度测量是远程的/非接触的，并且因此传感器的坐标系统不被固定到速度坐标系统。 [0027] 如上所述，在对地速度应用中，目标是测量车辆相对于道路的二维速度向量。因此，原则上需要两个传感器来测量汽车的vforward和vlateral。在该应用中，两个传感器瞄准下方，以不同的方位角注视表面。如公式1所描述的，（利用比例常数）将速度向量投影到由两个传感器所跨越的“频率”平面上。 [0028] 然而，发现：由于悬架系统的动作的原因，这样的系统不能以非常高的准确度确定汽车的二维速度向量。悬架系统的动作以未知且不可控的方式改变两个坐标系统的取向，并且直接影响测量。 [0029] 利用三个激光传感器，可以在三维世界中确定二维速度向量。额外的激光传感器不用于通过统计平均而提高准确度，而是用于对于一阶而言使得测量对频率和速度坐标轴的未配准不敏感，这在该应用中比统计平均多得多地增加准确度。增加一个传感器，公式2变为：通过写下在三个激光传感器所跨越的三维中的角配置、并确定该方阵的逆来容易地确定矩阵M的逆。仅需要所得到的方阵的前两行来确定目标的二维运动。然而，如果传感器相对于前向方向和表面两者取向，则例如由于转向动作，在通常的前向速度和附加的横向分量之间的区分仍会出现混淆。 [0030] 具体地，如果已知传感器相对于前进方向的取向，则激光的信号包含冗余信息。当使用多个激光并且已知感兴趣的角度（例如，由于校准、或通过存储关于先前操作的信息、或者自校准）时，则这些激光至少部分地提供要感测的速度的冗余信息。对于感测激光的非耦接阵列，由每个激光看到的斑纹图案与其它激光看到的斑纹图案相独立。结果，观测是独立的，并且独立观测的简单组合可以降低总体均方根误差，其与组合的观测的数量的平方根成比例。 [0031] 具体地，当确定每个激光束相对于表面和前进方向的角度时，可以依据具有沿着运动的方向分量的每个激光束确定运动的沿着表面的（具体地，沿着前进方向）的速度分量。 [0032] 这与向量加法不同，在向量加法中，每个激光提供速度向量的一个分量。因此，与通过激光束的运动信号的简单向量加法来确定速度向量相比，当可以组合速度信号以获得更准确的速度信号时，可以获得显著提高的准确度。因此，本发明提出了提供一种激光自混合速度传感器，其用于确定沿着激光自混合速度传感器运动的表面沿着预定方向的速度，该激光自混合速度传感器包括在其中安装有至少一个激光器的激光设备单元。该激光设备产生以相对彼此整体固定的角度发射的至少三个激光束。每个激光束倾斜地射向表面，并且例如相对于前进方向以不同的方位角发射、测量至少三个激光束中的每一个。激光自混合速度传感器还包括用于确定由从表面反射回并再次进入至少一个激光器的腔的至少三个激光束中每一个的激光的多普勒引起的相移造成的自混合强度振荡的频率的电路。此外，为了推导更准确的速度测量，提供用于依据自混合强度振荡来确定沿着预定方向的速度的电路，其包括：用于依据至少三个激光束中每一个的自混合振荡来冗余地确定沿着预定方向的速度的电路，以及用于根据依据所述至少三个激光束的速度测量来计算沿着预定方向的速度的电路。 [0034] 具体地，冗余确定意味着：由于已知激光设备单元的取向的原因，可以从每个激光束中提取沿着预定方向的速度，并且然后可以将结果组合。预定方向可以是前进或前向方向、以及相对于其的横向方向。具体地，可以同时依据每个激光束来确定沿着前进方向的前向速度以及横向速度。 [0035] 为了提供具有已知取向和固定角度的激光束布置的目的，本发明还提供一种激光自混合速度传感器，用于确定沿着传感器运动的表面沿着预定前进方向的速度，该激光自混合速度传感器包括：激光设备单元，在其中安装了至少一个激光器，该激光设备产生： 相对彼此以整体固定的角度发射的至少三个激光束。每个激光束射向表面，并且至少三个激光束中的每一个具有不同的方位角。 [0036] 激光自混合速度传感器还包括：用于确定由从表面反射回且再次进入至少一个激光器的腔的至少三个激光束中的每一个的激光的多普勒引起的相移造成的自混合强度振荡的频率的电路；以及用于依据自混合强度振荡而确定沿着前进方向的速度的电路。 [0037] 激光自混合速度传感器还包括用于相对于前进方向检测实际传感器取向与激光自混合速度传感器的参考取向的偏差的电路。通过比较至少三个激光束中的至少两个激光束的自混合振荡频率、或者从这两个激光束的自混振荡频率推导的参数，来检测该偏差。从自混合振荡频率推导的参数可以例如是与相应的自混合振荡频率对应的速度分量。 [0038] 此外，提供用于补偿由于该偏差的至少三个激光束中至少一个的自混合信号的频率中的偏差的电路。 [0039] 以此方式，获得前向速度的准确值，并且同样可以计算横向速度的准确值。 [0040] 发现三个多普勒频率和前向与横向速度之间的关系在一阶上独立于该多轴系统的角度变化。也可以通过至少三个传感器来确定被定义为（例如由道路上的车辆的高度确定的）传感器距运动表面的距离的时间导数的垂直速度，但仍受振动的影响，在一阶上受预定速度影响。 [0041] 激光自混合速度传感器可以包括三个激光二极管，这三个独立的激光二极管中的每一个产生至少三个激光束之一。根据该实施例，对于每个激光，可以独立地检测自混合振荡，由此便利了对于相应激光束的强度振荡的分配。 [0042] 替代使用具有多个激光的多轴激光系统，还可以通过例如一个或多个棱镜或光栅将单个激光束分裂和偏转。因此，根据本发明的改进，激光自混合速度传感器包括分束器，其从单个激光产生至少三个激光束中的至少两个。 [0043] 在此情况下，激光功率同时以两个或更多个多普勒频率波动。再次，这些多普勒频率之间的关系具有令人惊讶的结果，即：前向速度和横向速度变得独立于由于汽车悬架的动作而引起的角度变化。尽管在该实施例中，自混合信号在激光强度方面是叠加的，但是另一方面，单个激光的优点在于：可以更容易地使单个激光的波长稳定。 [0044] 通过用于检测与所述激光自混合速度传感器的参考取向的偏差的电路可以容易地确定与参考取向的偏差，该电路包括用于将自混合振荡频率进行比较、具体地用于检测至少三个激光束中的两个的自混合振荡频率之间的差或者从这两个激光束的自混合振荡频率推导的参数之间的差的电路。例如，如果其中两个激光包括相对于参考前进方向相同量的方位角，则实际前进方向与该方向的偏差根据该量而导致不同的方位角。因此，自混合多普勒引起的频率将稍有不同。具体地，较小的方位角导致较高的自混合振荡频率。在一阶上，两个频率之间的差直接与传感器相对于参考取向的旋转角度成比例。 [0045] 相对于运动表面的垂向测量的三个激光束之间的方位角优选地为至少60o，特别o优选地为大约120，从而提供对沿着表面横向的位移的高灵敏度。 [0046] 考虑准确的角度配置，已经进一步发现：激光束以由激光束照射尽可能大的表面的方式照射道路时，它是有利的。此外，三个或更多激光束之间的角度应当使得：激光束共同跨越由从汽车车体到道路的观看角度所定义的尽可能大的半球。以此方式，多普勒频率的测量误差的影响被最小化。此外，对于更大的极角，斑纹振荡的频率降低。为了提供大的o观看角度和大的被照射表面区域，以相对于表面法向测量的至少60 的极角来发射至少三个激光束中的至少一个或多个（优选地每一个）。 [0047] 根据本发明的改进，激光自混合速度传感器可以沿着表面的法向方向发射另外的激光束。再次，该激光束可以从另一激光束分裂而来，或者可以由单独的激光器产生。沿着其它激光束的法向或中心轴（诸如具体地以三角架形式配置的激光束的中心轴）的附加激光束的添加可以进一步支持误差检测和补偿。 [0048] 这样的另外的激光束的具体优点在于：可以预期用于反射到这样的激光束中的高信号，使得可以准确地跟踪中心激光束的自混合信号的相位。当然，在上面的示例中，当前进方向与该激光束垂直时，该激光束不应报告任何位移。如果运动仅仅具有沿着表面的分量，则仅仅由于斑纹转换引起的随机相位变动将造成自混合强度波动。因此，如果在该轴上发现任何与多普勒有关的自混合强度振荡，则这是安装误差的直接指示。 [0049] 然而，在许多系统中，例如由于振动，实际上存在多于一维的运动分量。将通过所有激光束来检测这样的不希望的运动，并且例如垂直激光束能够以高灵敏度检测振动。这例如在打印机应用中是有用的，在打印机应用中，在线性输送期间纸张的振动造成纸张的附加的高度波动。在这点上，所检测的垂直速度可以被有利地用于校正横向速度的值。垂直运动还影响横向速度的测量，这是因为激光束具有垂直方向分量。因此，根据本发明的又一改进，激光自混合速度传感器包括：用于依据至少一个激光束的自混合振荡来确定沿着所述表面法向的垂直运动的电路，以及用于补偿所测量的横向速度中由垂直运动引起的横向速度分量的电路。 [0050] 激光自混合设备可以以极高准确度提供位移测量。相对测量误差与所覆盖的距离成反比，并且对于传感器和相对于传感器运动的对象之间的短距离（在1米的量级）而言，该相对测量误差可以小于0.01%。在斑纹（speckle）转换时，该误差与相位不确定性的均方根相加（root mean square addition）成比例，这是因为这些相位不确定性是不相关的。这导致用于180度的典型相位不确定性的相对误差的以下公式：1/2 err=λ*sin(α)/(L/Lspeckle) /L 其中，λ是激光波长，α是光相对于运动方向的角度，L是位移，而Lspeckle是平均斑纹尺寸。对于典型数量：α=30度, λ=850nm, L=1m以及Lspeckle=20µm，这导致大约0.01%的误差。 [0051] 根据本发明的简单改进，可以通过适当的电路来对速度值求平均，以便推导更准确的运动报告。 [0052] 然而，根据本发明的另一方面，在位移测量在大多数时间趋于准确的（通常，至少80％的时间）、并且然后在斑纹交界处出现突然的短的（像跳跃那样的）偏差的意义下，可以使用斑纹处的随机相位跳跃的属性。在这些交界处，所报告的速度严重偏离先前的速度和随后的速度，这是因为速度是位移对时间的导数，其中位移由斑纹信号的相位来指示。此外，在斑纹交界处，信号强度崩溃式地降低（collapse）并且再次出现。 [0053] 使用这些属性可能检测这些转换并且通过它们作出推断。由于速度报告通常是正确的，这意味着：对于所添加的每个激光，由于斑纹交界处的相位跳跃而引起的误差可以被降低几乎一个数量级。因此，如果将多激光的数据进行比较，则这些误差不再支配系统性能。因此，根据本发明的一个实施例，提出了具有优选地以三脚架形式配置的多激光束的激光自混合设备，其还包括：用于检测在斑纹引起的强度振荡的交界处至少三个激光束中的至少一个的自混合多普勒引起的强度振荡的相位跳跃或极小值的电路、以及用于校正依据在斑纹引起的强度振荡的交界处从多普勒引起的强度振荡的频率推导的信号的偏差的电路，该偏差由相位跳跃引起。 [0054] 因此，根据本发明的另一方面，提供了一种用于确定相对于参考表面运动的速度的激光自混合速度传感器，该传感器包括：至少两个（优选地至少三个）激光器， 用于确定由从表面反射回且再次进入至少一个激光器的腔的激光的多普勒引起的相移造成的自混合强度振荡的频率的电路， 用于依据所述自混合强度振荡确定沿着至少一个预定方向的速度的电路，以及用于检测相位跳跃或极小值并且用于校正偏差的上述电路。本发明的该实施例分别独立于传感器取向的校准或未配准的校正。因此，根据本发明的另一方面，可以在具有或不具有用于确定传感器相对于参考表面的取向的电路的情况下采用该多激光速度传感器。 [0055] 此外，当多激光具有冗余信息时，则可以同时处理所有这些源的信息，并且取决于信息的可靠性选择源。为此目的，用于校正在斑纹交界处的速度信号的偏差的电路可以包括用于在从至少三个激光束推导的至少两个速度信号之间进行选择的电路，由此如果检测到在一个速度信号的对应自混合强度振荡中的斑纹交界，则该电路拒绝该速度信号。 [0056] 此外，在信号处理中，与位移源的简单选择不同，可以使用数学加权函数，其中加权因子得自评估源信号。可以通过适当的电路来具体地应用加权函数，以便消除斑纹交界处的速度确定中的误差。因此，根据本发明的改进，提供一种用于对至少三个激光束中的至少一个的速度值进行加权并且依据加权后的速度来计算速度值的电路，由此实现准确度的相当大的提高。 [0057] 例如，如果获得了三个速度值，则可以依据它们与从三个速度计算而来的平均值的偏差来对速度值进行加权，其中，最低的加权因子被分配给具有最大偏差的速度值。然后，依据加权后的值来计算沿着预定方向的速度值。关于速度值的加权，不强制性地确定斑纹交界，这是因为加权函数可能向受斑纹交界影响的相应速度信号应用低权重。此外，可以以多种方式（例如，通过对先前确定的速度值求平均）来计算平均值或参考值。 [0058] 另一种可能性是依赖于自混合振荡的幅度或相位来应用加权因子或速度值的选择。因此，加权函数或源选择可以基于在斑纹转换期间的相位导数与没有斑纹转换时的平均相位导数（＝速度）的比较。 [0059] 另外或替换地，加权函数或源选择可以基于确定自混合信号幅度，其在斑纹转换时经过极小值。 [0060] 此外，通过斑纹交界作出推断的一种可能性是采用以下电路，该电路延迟信号处理、并且使用来自斑纹转换之前和之后的数据来确定斑纹转换附近的实际速度值。具体地，可以响应于由用于检测至少三个激光中的至少一个的自混合多普勒引起的强度振荡的相位跳跃或极小值的电路进行的斑纹交界的检测，来执行该推断。通常，低成本半导体激光器的波长不稳定；对于800nm源而言，在实践中，可以预期0.08 nm/℃量级的、或每℃ 0.01%的波长漂移。因此，热漂移也可能支配该系统误差。 [0061] 这可以通过添加冷却器元件和热敏电阻使激光波长稳定来解决，如在其它激光应用中通常做的。然而，在数量级上，这比激光自混合传感器自身成本更高，并且因此寻求另一解决方案。对于模式被频率选择性元件（例如，光栅）锁定的激光器情况，激光波长主要由该元件确定。该元件继而通常被集成在激光器晶体中，并且该元件的失谐对波长漂移负主要责任。因此，波长漂移一般是可预测的，并且使用位移报告和激光波长之间的已知关系，可以对传感器的温度漂移进行数学补偿。这要求测量传感器温度，诸如使用热敏电阻或通过使用传感器自身来测量温度。应注意，影响激光波长的另一因素是激光电流。激光电流将激光加热超过环境温度，这改变设备中的载流子浓度，从而影响也确定激光波长的晶体折射率。因此，当激光电路不恒定时，补偿也可以有利地包括激光电流。 [0062] 确定热漂移的另一方法是在一个或多个激光束的光路中包括参考表面。当激光被调制时，这样的表面造成起伏（也参见其它自混合的专利），并且这些起伏的相位和频率将随着激光温度改变而漂移。由此，通过在光学配准中使用参考表面进行的相位和/或频率的测量可以用于支持传感器准确度。此外，当来自外表面的反射足够强时，则其可以被用来将激光模式锁定到更准确的频率（例如在外腔激光器中），以便提高波长稳定性。 [0063] 因此，包括以下电路一般是有利的：用于（例如通过参考表面直接和间接地）测量激光的温度的电路、以及用于分别依赖于由温度漂移引起的波长漂移或依赖于所测量的温度来校正速度信号的电路。 [0064] 用于确定由多普勒引起的相移造成的自混合强度振荡的频率的电路优选地包括负反馈电路，具体地，锁相环电路（PLL）和/或锁频环电路（FLL）。这些电路可以具体地执行正交幅度解调。关于本发明，这些电路是有利的，这是因为用于FLL或PLL的多普勒旋转频率的反馈信号可以基于将所有源的信号处理为更准确的速度。这样，反馈值已经被校正，并且因此产生了非常准确的反馈信号。因此，根据本发明的另一实施例，用于确定由多普勒引起的相移造成的自混合强度振荡的频率的电路包括锁相环或锁频环（或更一般地为负反馈电路）、以及用于依据从至少三个激光束的至少两个获得的自混合多普勒引起的频率的组合而产生反馈信号的电路。 [0065] 为了校正具有三个激光束的激光自混合传感器的测量数据，本发明方法还有利地包括：通过沿相对彼此线性独立的方向发射的至少第二激光束和第三激光束来确定传感器的取向，并且借助于将传感器的取向配准为与参考表面平行的坐标变换来调节第一激光束和速度数据。 [0066] 同样，可以不依赖于所采用的激光束数量来补偿速度的垂直分量。为此目的，通过包括测量车辆的与参考表面垂直的垂直速度，来确定传感器的取向。然后，借助于坐标变换来调节速度数据，使得调节后的平均垂直速度为零。 [0067] 存在确定车辆的预定运动方向（具体地，前向方向）的几种可能性。根据本发明的一个改进，采用附加传感器来确定该方向。适当地，可以使用方向盘传感器、用于测量横向加速度的加速度传感器、或罗盘。还可以比较车轮速度传感器的旋转速度数据。 [0068] 甚至可以在没有外部传感器的情况下确定预定方向。由于平均而言车辆大多数时间向前直行行驶，可以计算包括方向信息的速度数据的平均。因此，方向的平均值则表示预定运动方向。 [0069] 可替代地或附加地，可以使得如根据本发明提出的校准依赖于所测量的速度值。通常，车辆行驶越快，方向盘运动越小。因此，一般在较高速度时横向分量与前向速度的比率较小。因此，如果响应于超过预定速度而执行获得用于车辆沿着预定运动方向的运动的速度数据以计算调节参数的步骤，则是有利的。同样，如果在给定的前向速度下横向速度变小或接近平均值，则同样可以假设车辆向前直行行驶。相应地，在两种情况下，响应于对于速度分量的测量超过或低于预定阈值，而执行获得用于车辆沿着预定运动方向的运动的速度数据的步骤。 [0070] 变换的确定可以通过如下步骤来实现：－确定第一变换，其将传感器坐标系统的平面配准为平行于参考表面，以及－确定第二变换，其绕传感器坐标系统的垂直方向旋转传感器坐标系统的平面使得横向速度的量最小化。第一变换可以基于分别从三个激光获得的距离测量、或与参考表面垂直的速度的测量。 [0071] 相应地，基于用于车辆沿着预定运动方向的运动的速度数据来计算变换的步骤可以有利地包括以下步骤：-确定激光和参考表面之间的三个距离，并依据这三个距离计算变换，其中，该变换将中心坐标的速度与参考表面的速度配准。通过向激光波长应用调制并且测量所得到的自混合振荡，可以容易地确定参考表面到相应激光的距离。激光波长的调制可以通过调制激光电流来实现。除了其它效果外，激光电流的调制还导致激光功率的调制，并且随其而来的激光器腔的温度的调制。然后，激光波长响应于依赖温度的腔长度而改变。 [0072] 有利地执行第二变换的旋转，使得平均横向速度为零。 [0073] 确定变换的另一种可能性为：-确定第一变换，其使沿传感器坐标系统的与参考表面垂直的方向的前向速度的分量最小化，或者使与参考表面垂直的速度的量最小化， -确定第二变换，其使横向速度的分量最小化，以及 -确定第三变换，其使运动的横向分量和垂直分量之间的相关性最小化。 [0074] 利用第三变换，补偿了绕沿着实际前向方向的轴的倾斜，这难以通过其它手段来执行，这是因为两个分量大多数时间都较小，并且因此“串扰”是可忽略的。 [0075] 在两种情况下，将变换进行组合以便获得应用于随后测量的数据的总变换。 [0076] 如果多于一次地执行根据本发明的校准，则一般是有利的，这是因为：传感器相对于前向方向的取向可能例如由于车辆正在输送的负载的量或分布而最终改变。 [0077] 取决于安装位置，传感器相对于车辆的取向可能最终改变。例如，如果传感器被安装在汽车的保险杠中，保险杠可能由于撞击而变形。此外，如果车轮将释放它们的适当配准，作为整体的底盘取向将改变，造成稍微旋转的前向行驶方向。取决于负载分布（乘客、大篷车（caravan）、满的vs.空的油罐），汽车可能前偏、后偏、或侧偏。所有这些长期变化（相对于传感器的典型输出速率（<10 ms）而言长）都可能通过适当的校准而被补偿。例如，可以以定期间隔、以及/或者在每次车辆超出预定速度时执行校准。 [0079] 本发明的这些和其它方面将从下文中描述的实施例中显而易见，并且将参考下文中描述的实施例来阐述本发明的这些和其它方面。在附图中：图1示出了激光束相对于运动表面的几何布置的透视图。 [0080] 图2示出了相对于前向方向具有旋转未配准的布置的顶视图。 [0081] 图3示出了相对于运动表面的法向未配准的布置的侧视图。 [0082] 图4示出了使用双激光布置的前向速度和横向速度的测量的仿真的图。 [0083] 图5示出了使用具有如图1所示的三个激光的激光布置的前向速度和横向速度的测量的仿真的图。 [0084] 图6示出了三个激光的自混合强度振荡的三个示例性曲线。 [0085] 图7示出了调节自混合激光传感器的方法的流程图。 [0086] 图8到图11示出了接受器例程的流程图。 [0087] 图12和图13示出了校准例程的两个实施例的流程图。 具体实施方式[0088] 在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”不排除多个。 [0089] 在相互不同的从属权利要求中叙述措施的起码事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。 [0090] 单个单元或设备可能实现在权利要求中叙述的几个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述特定措施的起码事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。 [0092] 计算机程序可以存储/分布在与其它硬件一起被提供的或者作为其它硬件的一部分被提供的适当介质（诸如光学存储介质或固态介质）上，而且还可以以其它形式分布，诸如经由因特网或者其它有线或无线电信系统分布。 [0093] 权利要求中的附图标记不应被解释为限制这些权利要求的范围。 [0094] 图1示出了相对于运动表面10具有三个激光束2, 4, 6的本发明优选实施例的布置。表面10相对于激光设备单元5主要沿着前向方向8运动，激光设备单元5产生激光束2, 4, 6，激光束2, 4, 6相对于彼此以整体固定的角度并且倾斜地朝向表面10被发射。 [0095] 所有激光束以不同的方位角2, 4, 6被发射，所述不同的方位角是相对于沿着表面的方向（例如，相对于前向方向8）测量的。图1中示出了前向方向8和激光束4之间的方位角15。在图1的实施例中，激光束2的投影沿着前向方向8延伸，使得该激光束和前向方向8之间的方位角为零。 [0096] 除了沿着前向方向8的运动之外，沿着横向方向9的横向运动最终可能出现，例如如果车辆沿曲线行驶。该运动对于像主要沿前进方向运动的车辆那样的系统而言是典型的。在车辆的情况下，可以具体地将根据本发明的传感器用作对地速度传感器，其也是本发明的最优选应用。 [0097] 此外，激光束倾斜地指向表面10，使得激光束2, 4, 6具有沿着表面10的方向分量。如从图1中可以看出的，由于不同的方位角和相对于表面10的法向14的倾斜方向的原因，激光束2, 4, 6形成三角架配置。 [0098] 具体地，如果极角16较大，优选地至少为60o，在这点上是有利的。较大的极角不仅增加沿相应激光束反射回的光的多普勒引起的相移，而且降低斑纹效应，这是因为激光束照射更大的表面区域使得与斑纹有关的相移被部分平均。 [0099] 如果已知激光传感器相对于前向方向8和表面10的取向，则确定激光束的极角16和方位角。在此情况下，可以从每个激光束中提取沿着前向方向8的前向速度，这是由于所有激光束2, 4, 6的方向都具有沿着前向方向10的分量。然后，可以将结果组合以便获得更准确的速度结果。例如，可以简单地对来自三个激光束的运动报告求平均。 [0100] 同样，可以依据每个激光的信号来计算例如由于转弯时汽车的横向漂移而引起的横向速度。通过以下电路来执行速度确定：用于确定由从表面反射回的激光的多普勒引起的相移造成的自混合强度振荡的频率的电路、以及用于依据激光束2, 4, 6每一个的自混合振荡而冗余地确定沿着预定方向（即，前向方向8）的速度的电路、以及用于依据冗余测量而计算沿着预定方向的速度的电路。 [0101] 然而，尤其地，由于安装不准确，实际传感器安装取向可能偏离参考取向。在图1的示例中，由准确地沿着前向方向8指向的激光束（其中三角架配置的中心轴与表面法向一致）来定义参考取向。 [0102] 作为示例，图2示出了具有传感器的旋转未配准的布置的顶视图。如从该图中可以看到的，激光设备单元相对于参考取向旋转了角度18，在参考取向中，激光束2和前向方向之间的方位角为零，或者激光束2在表面10上的投影与前向方向8一致。 [0103] 对于激光束2的沿着前向方向的运动，由激光束4和6报告的位移差在一阶上与传感器安装的角度18的旋转成比例。具体地，在图2的布置中，激光束4和前向方向8之间的角度19小于激光束6和前向方向8之间的角度20。因此，激光束4将比激光束6报告更高的前向速度，或者将分别以更高的多普勒引起的自混合强度振荡频率被调制。 [0104] 由该旋转未配准引起的测量误差可以有利地被以下电路处理，即：用于通过比较自混合振荡频率而检测实际传感器取向相对于参考取向的偏差的电路，以及用于补偿由该偏差导致的三个激光束2, 4, 6中至少一个的自混合信号的频率中的偏差的电路。具体地，如果通过比较激光束4和6的自混合频率而确定了旋转角度18，则可以通过由该旋转生成的适当因子来校正自混合频率或对应的速度值。然而，需要将安装误差与实际横向速度区分开，这是因为：如果车辆沿着弯道行驶，则例如可能出现该安装误差。 [0105] 类似地，可以补偿在图3的侧视图中示出的未配准。在此情况下，激光设备单元的中心轴13相对于沿着表面法向14的参考取向被倾斜了角度22。由激光束2报告的位移或速度、以及激光束4和6报告的位移或速度的比较给出了关于传感器沿着运动方向倾斜的信息。可以进行一个或多个这样的测量，并且可以产生用于位移报告的误差补偿。尤其是，该倾斜影响垂直速度和前向速度的混合。因此，即使没有例如由于底盘振动而引起的垂直运动，如果车辆沿着前向方向运动，也将报告非零的垂直速度。稍后参考图7到13描述根据本发明的补偿过程。 [0106] 如图3中所示，该实施例的激光设备单元产生沿着激光束2，4，6的类三角架布置的中心轴13的附加激光束7，可以进一步支持误差检测和补偿。只要传感器（附加激光束7反之亦然）相对于表面10的法向14倾斜，该激光束将在相对于表面10的横向运动上展示出多普勒引起的自混合振荡。因此，如果附加激光束7的振荡信号与其它激光束2, 4, 6的运动报告相关，则可以以高灵敏度检测倾斜。 [0107] 此外，指向表面法线14的另外的激光束7对于检测振动而言是有用的，即，以高灵敏度检测沿着表面法向14的运动。这便利了依据受到振动影响的其它激光束的自混合信号所获得的速度值的校正，这是因为这些激光束的方向也具有沿着法向14的分量。 [0108] 图4和图5示出了前向速度和横向速度的测量的仿真。图4示出了使用双激光布置的测量，其中，一个激光的投影指向沿着前向方向，而另一激光的投影指向沿着与前向方向垂直的方向。 [0109] 曲线24示出了测量的前向速度，而曲线25示出了实际（统一）的前向速度。曲线26示出了测量的横向速度，而曲线27示出了实际（也是统一）的横向速度。除了横向运动之外，传感器另外还与表面垂直地振动。在测量信号中振动清楚可见，这是由于激光束具有与表面垂直的方向的分量。具体地，如从曲线中显而易见的，测量误差相当大。 [0110] 与此相对照，如图1中示意性示出的三激光束配置允许校正由振动（诸如例如汽车悬架相对于路面的振动）产生的运动报告的偏差。这在图5的仿真测量中展示。以高准确度确定横向速度和前向速度两者，而没有振动运动的任何影响。 [0111] 如果检测并补偿了斑纹转换处的相位跳跃，则可以进一步提高测量准确度。为了对此进行图示，图6示出了三个激光的自混合强度振荡的三个示例性曲线。所有的自混合强度振荡都是多普勒引起的定期振荡和更低频率的与斑纹相关的随机振荡的叠加。曲线30是激光2的自混合信号。该曲线示出具有分别比激光束4和6的其它曲线31、32更高频率的多普勒引起的振荡。这是由于以下事实：激光束2到表面10的投影指向沿着前向方向，而激光束4和6的投影相对于前向方向倾斜地延伸。 [0112] 斑纹转换的交界（interface）的特征在于：自混合振荡的崩溃式地降低的强度（collapsing intensity）以及多普勒引起的振荡的相位跳跃。然而，为简化起见，在图6的曲线中未描绘相位跳跃。清楚地，曲线30和31中每个在图6的时间轴上的大约时间“0”处展示出斑纹交界，而根据曲线32的信号在时间“2”处具有斑纹转换。 [0113] 可以通过评估振荡幅度和/或多普勒引起的振荡的相位，来容易地识别斑纹转换。现在，适当的电路可以校正在斑纹引起的强度振荡的交界处由多普勒引起的强度振荡的频率推导的速度信号的偏差。 [0114] 一种可能性是在曲线30, 31, 32的信号中进行选择。具体地，在时间“0”，仅依据来自曲线32的信号来计算速度，这是因为其它曲线展示出斑纹转换，从而预期依据曲线32推导的速度值更准确。同样，在时间“2”，依据两个曲线30和31计算速度，而忽略曲线32的信号。 [0115] 另一种可能性是应用加权函数。例如，可以根据振荡强度来选择加权因子。因此，在时间“0”，将用于速度计算的最高权重分配给曲线32，而在时间“2”，该曲线将被以用于计算的最低权重而包括。 [0116] 图7示出了调节如例如图1所示的自混合激光传感器的过程的简化流程图。该过程基于以下步骤：确定由从表面反射回并再次进入激光器的腔的激光束2, 4, 6的激光的多普勒引起的相移造成的自混合强度振荡的频率，－依据自混合强度振荡的频率来计算速度，以及 －使用激光束2, 4, 6的信号，确定传感器相对于参考表面和预定运动方向（作为前向方向5）的取向。确定传感器的取向的步骤包括以下步骤：确定车辆的运动方向是否与预定运动方向一致，获得用于所述车辆沿所述预定运动方向的运动的速度数据，以及基于用于所述车辆沿预定运动方向（即前向方向8）的运动的所述速度数据来计算变换。 [0117] 在已经执行了图7所示的过程之后，使用在校准过程中确定的变换来调节速度数据。 [0118] 在步骤40中，启动该过程。例如，可以在启动车辆时和/或预定时间间隔之后开始校准过程。 [0119] 然后，在处理41中，读出激光传感器，以便依据自混合振荡来确定速度信号。将速度信号输入至接受器例程41。在接受器例程42内，判定是否可以假设所测量的速度值与沿着方向8的前向速度一致。如上面已经表明的，一致不必是准确的。相反，接受器例程41测试一个或多个阈值条件。下面关于图8到图11描述一些有利的可能例程。该例程还可以采用外部数据43，例如来自方向盘（steering wheel）传感器、加速度传感器、罗盘（compass）、车轮旋转速度数据等。 [0120] 如果接受器例程42确认一致，则存储步骤41的数据（步骤44），并且将步骤41的数据用于校准例程（步骤45）。 [0121] 图8示出了接受器例程42的第一实施例。 [0122] 在接受器例程42已经开始（步骤420）之后，例如，响应于根据图7的过程的开始40，在子例程421、422中执行双重测试。判定子例程421测试数据是否满足置信度准则。具体地，可以测试是否已经获取了足够的数据以计算具有足够统计置信度值的平均速度值。 此外，在子例程422中，测试速度是否超过预定阈值，例如100 km/h。如果不满足相应准则，子例程421、422中每个拒绝数据（步骤423）。 [0123] 如果满足足够的统计置信度和足够的速度这两个准则，则接受数据（步骤424），并且将存储数据以用于校准（图7中的步骤44）。 [0124] 图9示出了图8的实施例的变型。在此变型中，替代图8的子例程422，使用子例程425。子例程422和425两者相似：将速度分量与阈值比较。然而，在子例程425中，电路确定横向速度vx是否足够接近平均横向速度 [0125] 在图10的实施例中，除了子例程421之外，还执行子例程426，其采用外部数据43。例如，假设：如果来自方向盘传感器的数据指示方向盘处于中间位置，则车辆正向前直行行驶。另一示例可以是使用GPS数据。在GPS数据指示向前直行运动的情况下，如果还满足子例程421中测试的置信度条件，则接受数据。 [0126] 在图11的变型中，采用基于从每个激光到路面的距离的校准来用于随后的校准，以便确定传感器取向。具体地，除了子例程421之外，子例程427确定总速度是否为零（|v| = 0），即，车辆是否运动，或者由于汽车振动所引起的垂直运动是否低于预定阈值a。如果满足这两个条件，则接受从激光束获取的距离数据d1, d2, d3，并将其用于确定相对于路面的传感器取向。 [0127] 下面，关于图12和13描述校准例程45的两个示例性实施例。 [0128] 校准可以是基于由接受器发送到校准电路的数据而不断运行的，或者可以在一旦具有校准数据的缓存器被填充时就不时地开始。 [0129] 如果可以测量距离，则经由距离数据确定两个校准角度，否则校准还可以仅基于前向速度vx和垂直速度vz的动态。 [0130] 图12中描绘的流程图的校准例程基于以下步骤：确定第一变换，其将传感器坐标系统的平面配准为平行于参考表面；以及确定第二变换，其绕传感器坐标系统的垂直方向旋转传感器坐标系统的平面，使得横向速度的量最小化。 [0131] 该过程在步骤450初始化，例如，响应于图9到11中所示的例程的步骤424。 [0132] 沿着激光束2, 4, 6进行的距离测量被输入（步骤451）到处理452中，其中，绕x轴和z轴旋转传感器坐标系统，直至由该变换所变换的距离值指示变换后的xy平面（即，由前向速度和横向速度的方向跨越的平面）平行于道路表面。同样可以利用垂直速度的速度值来执行处理452。如关于图3所解释的，如果传感器系统相对于参考表面的表面法向倾斜，则激光束将报告垂直速度分量。因此，处理452还可以被设计来旋转垂直轴，直至垂直速度分量的平均值消失。 [0133] 传感器取向的最后未知变量是其相对于车辆在该xy平面中的行驶方向的配准。对于该目的，将按照第一变换调节的横向速度vx的数据输入（步骤454）到判定例程455中。 然后，在该例程454和测试例程455中，（绕z轴）旋转xy平面，使得横向速度的量 [0134] 图13示出了校准例程45的另一实施例的流程图。该实施例基于以下步骤：-确定第一变换，其使沿传感器坐标系统的与参考表面（在汽车作为车辆的情况下，诸如道路）垂直的方向的前向速度的分量最小化，或者使与参考表面垂直的速度的量最小化，-确定第二变换，其使横向速度的分量最小化，以及 -确定第三变换，其使运动的横向分量和垂直分量之间的相关性最小化。 [0135] 在例程45已经开始（步骤450）之后，将横向速度vx和前向速度vz的数据457输入到第一处理458。该处理458绕x轴（即，沿着横向速度的方向的轴）旋转传感器系统。在判定例程459中，判定该旋转是否导致足够小的垂直速度分量vz。相应地，处理458和判定例程459一起确定第一变换，其使沿传感器坐标系统的与道路垂直的方向的前向速度的分量最小化。 [0136] 然后，在处理460和判定例程461中，关于z轴（即，绕与参考表面垂直的方向）旋转传感器坐标系统，直至所变换的速度值的横向速度 [0137] 最后，在处理462和判定例程463中，使横向速度值和垂直速度值之间的相关性最小化，或者迫使其为零。 [0138] 然后，过程在步骤464结束，由此产生作为第一、第二和第三变换的组合的变换。然后可以将变换应用于随后测量的数据。 [0140] 附图标记列表2, 4, 6, 7 激光束 5 激光设备单元 8 前向方向 9 横向方向 10 表面 13 束2, 4, 6的中心轴 14 表面法向 15, 18, 19, 20 方位角 16 极角 22 倾斜角 24 测量的前向速度 25 实际前向速度 26 测量的横向速度 27 实际横向速度 30, 31, 32 自混合强度振荡 40 用于调节自混合激光传感器的初始化步骤 41 读出激光传感器的处理 42 接受器例程 43 外部数据 44 存储在处理41中获取的数据的步骤 45 校准过程 420 接受器例程42的开始 421, 422, 425, 426, 427 接受器例程42的判定子例程 423 拒绝数据的步骤 424 接受数据的步骤 450 校准例程45的开始 451, 453, 457 数据 452, 454, 458, 460, 462 旋转传感器坐标系统的处理 455, 459, 461, 463 判定子例程 464 校准例程45的停止。 |
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