CN111751819A - 传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器装置(100，200，210，220，230，240)，该传感器装置包括：雷达模块(101)，被配置成发射第一信号并且接收对第一信号的反射，其中，第一信号是雷达信号；传感器模块(300)，被配置成发射和/或接收第二信号，该第二信号不同于雷达信号；以及偏转器(400)，所述偏转器(400)对于雷达信号是透射的并且对于第二信号是偏转的，其中，偏转器(400)以预定角度布置在第一信号的第一光束路径(201)中；并且偏转器(400)被配置成将第二信号的第二光束路径(202)偏转至第一信号的第一光束路径(201)中。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器装置。
背景技术
雷达传感器，特别是简称为FM-CW雷达的调频连续波雷达、或直接飞行时间传感器、或相控阵雷达、或MIMO雷达，可以与其他不同的传感器组合用于获得组合测量或者用于验证所使用的传感器彼此之间的测量。可以与雷达传感器组合的传感器类型是光学传感器，特别是用于光检测和测距的传感器，简称为激光雷达或摄像装置。
雷达传感器和激光雷达传感器具有不同的特性。角度分辨率可以通过雷达传感器的衍射来限制，即在122GHz下为若干度，并且通常>+/-4°，其中，激光雷达传感器显示出约＜0.02°的角度分辨率。
雷达传感器由于带宽大而可以具有很高的深度分辨率(可能<75mm的深度分辨率)，而激光雷达传感器由于在100MHz左右的范围中的实际带宽因此会限制深度分辨率(若干米的深度分辨率)。
两种传感器类型都可以使用不同的技术，即短距离(<50m)，并且通常但不限于FMCW雷达传感器，或者通常是针对激光雷达传感器的直接飞行时间测量。
环境条件也可以不同。例如，雷达传感器可以对雾和灰尘不敏感，但对大雨滴敏感，其中激光雷达传感器可以对雾和灰尘敏感，但对大雨滴相对不敏感。
飞行时间摄像装置可以在带宽(<1MHz)、总打开角度(<30°…40°)或环境光灵敏度方面受到严格限制。机械扫描可以提供较大的打开角度(>>90°)。
诸如雷达传感器、激光雷达传感器和摄像装置的不同技术之间的传感器融合可以提供来自雷达传感器/扫描仪、激光雷达扫描仪和摄像装置的信息。
摄像装置、雷达、激光雷达传感器和/或扫描仪之间的传感器融合需要数学转换操作以覆盖来自传感器的数据。这是因为设备需要安装在不同的位置。这会引入视差错误并且需要对每个安装进行复杂的校准。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于传感器的组合的改进构思。
用于扫描机构的机械部件尤其增加了激光雷达传感器的成本。采用相控阵的雷达扫描仪需要昂贵的信号处理，并且在方向范围和特异性方面受到限制。
本发明的一个构思是通过提供一种包括雷达模块和传感器模块的同轴系统来克服具有单独的雷达和其他传感器模块(如激光雷达扫描仪、摄像装置以及其他)的缺点，其中雷达模块包括包含相控阵雷达和MIMO(多输入多输出)雷达的雷达传感器，并且传感器模块可以包括包含飞行时间摄像装置、摄像装置、光谱仪或超声传感器的激光雷达感测技术。特别是对于农业应用，将雷达传感器的距离测量或者相控阵雷达或MIMO雷达(对诸如灰尘和雾等环境条件不敏感，然而角度分辨率较低)的空间分辨的距离测量与更高的角度分辨率的光学系统诸如激光雷达飞行时间距离传感器、激光雷达飞行时间摄像装置、摄像装置或甚至是光谱仪相结合以获得有关水分、营养状况或植被指数(例如NDVI)的附加信息可以是有利的。
该目的通过一种传感器装置来解决，该传感器装置包括雷达模块，被配置成发射第一信号并且接收对第一信号的反射，其中，第一信号是雷达信号；传感器模块，被配置成发射和/或接收第二信号，该第二信号不同于雷达信号；偏转器，该偏转器对于雷达信号是透射的并且对于第二信号是偏转的，其中，偏转器以预定角度布置在第一信号的光束路径中；并且偏转器被配置成将第二信号的光束路径偏转至第一信号的光束路径中。
第一信号的光束路径可以是第一光束路径，第二信号的光束路径可以是第二光束路径，并且在第二信号被偏转至第一信号的光束路径之后，第一信号和第二信号两者共用的光束路径可以是公共光束路径。
雷达模块可以是具有122GHz或77GHz频率范围的FMCW雷达模块，该雷达模块可以用于在雷达传感器的视场例如+/-4°的打开角度中同时测量到一个对象或若干对象的距离。雷达模块的另一实施方式可以是相控阵雷达或MIMO雷达装置。应用可以是测量从车辆或工具到地面和/或植物的距离，控制工具到地面的距离，或者测量到在车辆或工具周围的车辆和/或对象的距离，而且还测量到在道路交通中车辆和/或对象和/或人的距离。
有利地是沿同一轴同时测量距离(点距离值或空间分辨的距离值)或利用例如在电磁光谱的可见区域或近红外区域中的不同波长或多个波长的其他特性以实现同轴设置，以减少传感器融合的复杂性并且降低与每个具有多个元件例如壳体、电力供应装置等的分离的设备相关的成本。
偏转器可以是镜，并且偏转器布置在雷达模块的第一信号的光束路径中。
偏转器涂层可以选自在雷达波长下具有高透射率和低反射率而在可见光和近红外波长下具有高反射率的材料。可以使用介质涂层或半导体涂层以有效地反射光学波长。
此外，可以选择包含具有波长选择特性的材料的偏转器：在例如2.5mm或4mm的雷达波长下具有高透射率，并且在可见范围和/或近红外范围内具有高反射率。特别地，可以向偏转器的基板应用针对光学波长的衍射结构，以实现反射特性。
在一个实施方式中，传感器模块被配置成经由偏转器发送第二信号并且经由偏转器接收对第二信号的反射。
在一个实施方式中，传感器模块被配置成经由偏转器发送第二信号并且经由接收器模块接收对第二信号的反射。
接收器模块可以被配置成接收对第二信号的反射。这实现了具有较大的孔径的发射器和接收器透镜两者。
在一个实施方式中，传感器模块包括光学传感器或超声传感器。
此外，可以使用摄像装置用作传感器模块，摄像装置例如具有单色成像阵列、RGB成像阵列或具有定位在摄像装置传感器的像素上方的多个所选择的滤光器的成像阵列，以形成高光谱摄像装置，例如以根据红色/NIR波段、水分、疾病等确定归一化差值植被指数(NDVI)。
此外，可以使用光学光谱装置用作传感器模块。该光学光谱装置可以具有照明(有源的)或不具有照明(无源的)。无论哪种方式，可以将装置设计成实现用于某些任务例如确定水分含量、氮含量、NDVI或者在可用波长范围内(例如VIS到NIR)进行连续感测的一些离散频带(用于无源系统的检测器；或者用于有源系统的照明和检测器)。
此外，可以使用超声波传感器代替光学传感器作为传感器模块。在这种情况下，可以省略偏转器涂层。在这种情况下，偏转器可以具有使由雷达波发射的声波偏转的固体材料的性质。
在一个实施方式中，光学传感器包括飞行时间传感器、飞行时间摄像装置、或摄像装置或高光谱摄像装置、或光谱仪模块。
传感器模块可以包括用于独立地沿雷达轴线测量到对象的距离的激光飞行时间传感器或飞行时间摄像装置。
在一个实施方式中，传感器模块被布置成以相对于第一信号的光束路径成90°的角度发射第二信号，并且其中偏转器以45°的角度布置在第一信号的光束路径中。
这允许模块以直角布置，这在生产中可以是有益的。
在一个实施方式中，偏转器包括半导体涂层、或介质涂层、或衍射结构。
在一个实施方式中，偏转器包括包含玻璃或塑料的基板。
选择偏转器基板例如玻璃或塑料以及偏转器涂层例如介质镜或金属涂层，使得雷达信号特别是具有波长在例如2.5mm与4mm之间的雷达波有效地被发射穿过偏转器，仅具有取决于基板的折射率和入射角的轻微横向位移。
在一个实施方式中，针对第一信号的波长特别是针对偏转器基板内的第一信号的波长的1/4的倍数来对针对偏转器校正的厚度进行优化。该校正需要考虑偏转器基板的折射率和入射角。
在一个实施方式中，偏转器的厚度取决于雷达信号，特别是对于偏转器基板、45°入射角以及122GHz和77Ghz的雷达波的示例性选择，偏转器的厚度分别为1.82mm或2.91mm。
可以将偏转器的基板的厚度选择成具有雷达信号的波长的四分之一的厚度的有效厚度，特别是考虑到路径和折射率。附加地或替选地，可以选择在这些波长下具有最小消光的偏转器的基板材料。
在一个实施方式中，传感器装置包括扫描仪模块，该扫描仪模块布置在包括第一光束路径和第二光束路径的公共光束路径中并且能够围绕公共光束路径的公共轴线旋转，该扫描仪模块包括反射器，该反射器被配置成对公共光束路径进行反射。
雷达模块可以与扫描仪模块轴向地对准，扫描仪模块包括具有反射器即镜并且由一个或更多个轴承保持的转子，该镜相对于第一信号的光束路径成45°角。反射器可以包括金属涂层，特别是厚金属涂层，以对第一信号和第二信号进行反射。扫描仪模块的扫描范围超过360°，表现出连续旋转，但由于自由光束路径的机械限制可以有效地限制在270°。
包括扫描仪模块、雷达模块和传感器模块的传感器装置允许扫描超过270°的有效范围，但是出于环境感知的实际目的可以被限制在270°。传感器模块的光学飞行时间传感器可以具有多个通道(发射器、接收器)，以实现若干个扫描计划。对于包括飞行时间摄像装置的摄像装置，可以针对扫描角度来校正图像(可以根据扫描方向来使图像旋转)。根据设置，对于具有多个通道的光学飞行时间传感器，可以需要针对扫描角度的几何校正。
在一个实施方式中，传感器装置包括马达，该马达与扫描仪模块机械地耦接并且被配置成使扫描仪模块旋转。
反射器可以由马达特别是电动马达驱动。马达转子可以被配置成保持反射器。雷达模块的发射器通道可以与转子的旋转轴线对准。
在一个实施方式中，扫描仪模块将对旋转角度的角度反馈提供至评估电子设备和/或雷达模块和/或传感器模块。
在一个实施方式中，马达的转子和扫描仪模块的反射器的基板被机械地组合。这可以提高机械强度。
在一个实施方式中，扫描仪模块是平衡的。
可以是有利地是使整个扫描仪模块平衡，以避免在轴承上的过度负载以及设置中的有害振动。
在一个实施方式中，传感器装置包括接收模块，接收模块与传感器模块电耦接，并且接收模块被配置成接收所发送的第二信号的反射信号，其中该接收反射器被布置成与公共光束路径具有预定距离，并且被布置成与组件的发送侧上的反射器机械地耦接。
传感器装置可以包括传感器模块的轴向偏置，特别是光学飞行时间传感器的轴向偏置，在该轴向偏置中，发射器通道和接收器通道是分隔开的。轴向偏置可以在第二信号的发射光束路径与第二信号的接收光束路径之间包括一定距离。这实现了具有较大的孔径的发射器和接收器透镜两者，而且还降低了对由于由空气中的灰尘、雾和其他小颗粒引起的瑞利散射和/或米氏散射而引起的在可见范围和近红外范围内的光波的背向散射的敏感性。
附图说明
在附图中描绘了本发明的实施方式，并且在下面对其进行详细描述。
图1示出了根据实施方式的传感器装置的示意图；
图2a示出了根据另一实施方式的传感器装置的示意图；
图2b示出了根据另一实施方式的传感器装置的示意图；
图3示出了根据另一实施方式的传感器装置的示意图；
图4示出了根据另一实施方式的传感器装置的示意图；
图5示出了根据另一实施方式的传感器装置的示意图；以及
图6示出了根据另一实施方式的传感器装置的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据一个实施方式的传感器装置100。传感器装置100包括雷达模块101。雷达模块101包括收发器102和信号处理电子器件103。雷达模块101还包括介质透镜104。在另一实施方式中，雷达模块101以另一方式配置。在所描述的实施方式中，雷达模块101是例如适于在122GHz下发出雷达波的FMCW雷达模块。在替选实施方式中，使用相控阵雷达模块或MIMO雷达模块用作雷达模块101，以实现空间分辨的距离测量。对于该替选实施方式，如果有利的话可以省略介质透镜104。
雷达模块101适于沿第一光束路径201发射第一信号。第一信号是雷达波。第一光束路径201可以指向由雷达模块测量的对象。也经由第一光束路径201接收所发射的第一信号的反射。
传感器装置100还包括传感器模块300。传感器模块300被配置成发射第二信号。经由第二光束路径202发射第二信号。第二信号不同于雷达信号。在该实施方式中，第二信号是激光信号。
传感器装置100还包括偏转器400。偏转器400以与第一光束路径201成45°的角度布置在第一光束路径201中。在另一实施方式中，该角度被不同地选择。
偏转器400对于雷达信号是透射的，即，雷达信号在公共公差内不偏转，而是穿过偏转器400，仿佛偏转器400不在第一光束路径201中一样，尽管具有轻微的横向位移201b。用于第一信号的第一光束路径201在偏转器400另一侧继续作为公共光束路径201a。
偏转器400对于第二信号是反射的。因此，第二光束路径202由偏转器400偏转以与公共光束路径201a对准。第一信号和第二信号这两个信号在偏转器400另一侧沿公共光束路径在发送方向上是同轴的。
传感器装置100包括评估电子器件500。评估电子器件500被配置成评估第一信号和第二信号。在另一实施方式中，评估电子器件500位于雷达模块101或传感器模块300中。
图2a示出了根据另一实施方式的传感器装置200。传感器装置200包括如参照图1所描述的雷达模块101和偏转器400。
根据图2a的实施方式，传感器模块300包括摄像装置模块301和摄像装置电子器件302。摄像装置模块301被配置成经由公共光束路径201a和第二光束路径202接收电磁信号。摄像装置模块301可以在可见(VIS)、紫外(UV)、近红外(NIR)或红外(IR)光谱范围内产生空间和/或光谱分辨的图像。摄像装置模块可以包含滤光器和/或其他光谱分辨仪器例如衍射光栅，并且可以是一维或二维阵列。
图2b示出了根据另一实施方式的传感器装置250。传感器装置250包括：雷达模块101；以及耦合传感器模块300的光束的偏转器400。附加的超声模块以及对雷达和光学波长两者是透射的但是对声学信号是反射的偏转器401被依次布置至传感器模块300。
图3示出了包括雷达模块101和偏转器400的传感器装置210。传感器模块300包括发射器303和接收器304。发射器303耦接至信号发生器305，并且接收器304耦接至评估单元306。传感器模块300被配置成经由第二光束路径202发射在光波长范围内(特别是在可见光、紫外线、近红外或红外光范围内)的第二信号，特别是在单个波长、多个波长或由黑体源产生的连续光谱下的激光或LED(发光二极管)信号。
偏转器400包括对由发射器303发射的波长进行反射的金属涂层。在所描述的实施方式中，偏转器400的偏转涂层包括介质层。在另一实施方式中，偏转器400包括半导体层或衍射结构。
经由沿偏转器400另一侧(behind)的发送方向的公共光束路径201a同轴地朝向应被测量的对象发送第一信号和第二信号两者。在图中未描绘的对象对第一和第二信号两者的反射。
第一信号穿过偏转器400朝向雷达模块101反射。第二信号经由偏转器400朝向传感器模块300的接收器304偏转。评估单元306对由接收器304接收的所接收到的光学信号进行评估。评估电子器件500对雷达模块101和传感器模块300的结果进行评估，以提供组合结果。评估可以是距离或光谱响应的确定，或者是空间和/或光谱分辨的距离以及/或者反射率信息的确定。
图4描绘了根据本发明的另一实施方式的传感器装置220。根据图4的传感器装置220包括如上所述的雷达模块101和偏转器400。传感器模块300是声学传感器模块，并且包括声学收发器307。声学收发器307被配置成发射和接收声学信号，特别是超声信号。在该实施方式中，偏转器400对声学信号是反射的，但对雷达信号仍是透射的。
声学收发器307经由第二光束路径202发射声学超声信号作为第二信号，该第二光束路径202由偏转器400偏转至公共信号路径201a中。由待被测量的对象反射的声学信号经由公共光束路径201a返回，并且再次由偏转器400偏转经由第二光束路径202朝向声学收发器307。
图5示出了根据本发明的另一实施方式的传感器装置230。传感器装置230包括如参照图1所描述的雷达模块101、偏转器400和传感器模块300。在另一实施方式中，传感器模块300涉及参照图2a、图3或图4描述的其他传感器模块300中的一个。此外，传感器装置230包括包含反射器502和马达503的扫描仪模块501。该扫描仪模块安装在轴承504中。反射器502对第一信号和第二信号进行反射，即，对雷达信号以及光学信号和/或声学信号。马达503被配置成使反射器502旋转。因此，雷达模块101和传感器模块300两者都可以检测在由反射器502的旋转给定的范围内特别是超过但不限于270°的角度内的对象。马达503的旋转运动和由反射器502引起的公共光束201a的偏转优选地是连续的。由于反射器502的旋转而引起的偏转的变化未示出，并且该偏转的变化的平面垂直于该图的平面。
使扫描仪模块平衡，以得到出色的旋转特性。
图6示出了根据本发明的另一实施方式的传感器装置240。传感器装置240包括如参照图5所述的雷达模块101、偏转器400，传感器模块300和扫描仪模块501。此外，传感器装置240包括接收反射器601。接收反射器601被配置成对第二信号的反射进行反射。接收反射器601被布置成与公共光束路径201a相距一定距离以减少由散射特别是瑞利和/或米氏散射引起的干扰。沿接收反射器601的另一侧(behind)的信号方向配置有用于接收第二信号的反射信号的接收模块602。在该实施方式中，如上所述，从雷达模块发射的第一信号被反射并且由雷达模块101检测。
接收模块602电耦接至传感器模块300，以将所接收到的信号数据呈现给传感器模块300。
Claims (15)
1.一种传感器装置(100，200，210，220，230，240，250)包括：
雷达模块(101)，被配置成发射第一信号并且接收对所述第一信号的反射，其中，所述第一信号是雷达信号；
传感器模块(300)，被配置成发射和/或接收第二信号，所述第二信号不同于雷达信号；以及
偏转器(400)，所述偏转器(400)对于雷达信号是透射的并且对于所述第二信号是偏转的，其中，所述偏转器(400)以预定角度布置在所述第一信号的第一光束路径(201)中；并且
所述偏转器(400)被配置成将所述第二信号的第二光束路径(202)偏转至所述第一信号的所述第一光束路径(201)中。
2.根据权利要求1所述的传感器装置(100，200，210，220，230)，其中，所述传感器模块(300)被配置成经由所述偏转器(400)发送所述第二信号，并且经由所述偏转器(400)接收对所述第二信号的反射。
3.根据权利要求1所述的传感器装置(240)，其中，所述传感器模块(300)被配置成经由所述偏转器(400)发送所述第二信号，并且经由接收模块(602)接收对所述第二信号的反射。
4.根据前述权利要求的一项所述的传感器装置(100，200，210，220，230，240，250)，其中，所述传感器模块(300)包括光学传感器或超声传感器。
5.根据权利要求4所述的传感器装置(100，200，210，230，240，250)，其中，所述光学传感器包括飞行时间传感器、或飞行时间摄像装置、或摄像装置或高光谱摄像装置、或光谱仪模块。
6.根据前述权利要求的一项所述的传感器装置(100，200，210，220，230，240，250)，其中，所述传感器模块(300)被布置成以相对于所述第一信号的第一光束路径(201)成90度的角度发射所述第二信号，并且其中，所述偏转器(400)以45度的角度布置在所述第一信号的第一光束路径(201)中。
7.根据前述权利要求的一项所述的传感器装置(100，200，210，220，230，240，250)，其中，所述偏转器(400)包括：半导体涂层、或介质涂层、或衍射结构、或偏光片。
8.根据前述权利要求的一项所述的传感器装置(100，200，210，220，230，240，250)，其中，所述偏转器(400)包括包含玻璃或塑料的基板。
9.根据前述权利要求的一项所述的传感器装置(100，200，210，220，230，240，250)，其中，所述偏转器(400)的厚度取决于所述第一信号的波长，特别地取决于所述第一信号的波长的1/4。
10.根据前述权利要求的一项所述的传感器装置(100，200，210，220，230，240，250)，其中，所述传感器模块(300)包括光学传感器和超声传感器，所述光学传感器和所述超声传感器以它们相应的公共光束路径201a同轴对准的方式分开放置。
11.根据前述权利要求的一项所述的传感器装置(230，240)，包括扫描仪模块(501)，所述扫描仪模块(501)布置在包括所述第一光束路径(201)和所述第二光束路径(202)的公共光束路径(201a)中并且能够围绕所述公共光束路径(201a)的公共轴线旋转，所述扫描仪模块(501)包括反射器(502)，所述反射器(502)被配置成对所述公共光束路径(201a)进行反射。
12.根据权利要求11所述的传感器装置(230，240)，包括马达(503)，所述马达(503)与所述扫描仪模块(501)机械地耦接，并且所述马达(503)被配置成使所述扫描仪模块(501)旋转并且优选地提供对所述反射器(502)的旋转位置的角度反馈。
13.根据权利要求12所述的传感器装置(230，240)，其中，所述扫描仪模块(501)的所述马达(503)的转子和所述反射器(502)的基板被机械地组合，并且优选地提供对所述反射器(502)和接收反射器(601)组件的旋转位置的角度反馈。
14.根据权利要求11或12所述的传感器装置(230，240)，其中，所述扫描仪模块(501)是平衡的。
15.根据前述权利要求的一项所述的传感器装置(240)，包括接收反射器(601)，所述接收反射器(601)与所述反射器(502)机械地耦接，并且所述接收反射器(601)被配置成使用所述接收模块(602)接收所发送的第二信号的反射信号，其中，所述接收反射器(601)被布置成与所述反射器(502)具有预定距离，并且因此被布置成与所述公共光束路径(201a)具有预定距离，并且其中，所述接收模块(602)与所述传感器模块(300)电耦接。
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