DE102021112709A1

DE102021112709A1 - LiDAR laser scanner

Info

Publication number: DE102021112709A1
Application number: DE102021112709.2A
Authority: DE
Inventors: Johann Hipp
Original assignee: Triple In GmbH
Current assignee: Triple In Holding Ag Ch
Priority date: 2021-05-17
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2041-05-18
Also published as: DE102021112709B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen LiDAR Laser-Scanner zur Erfassung eines Zielobjekts in einem Überwachungsgebiet im Freien mit einer Mehrzahl von Lasern als Sender (8) und einer Mehrzahl von Photosensoren als Empfänger (12) mit optischen Elementen (10, 14) zur Strahlführung ins Überwachungsgebiet und von reflektiertem Licht zu den Empfängern (12); einer Scan-Vorrichtung zur gesteuerten Abtastung eines das Überwachungsgebiet überstreichenden Winkelbereichs mit von den Sendern (8) abgestrahlten Laser-Impulsen und zum Empfang von resultieren Echosignalen durch die Empfänger (12) und zur periodischen Wiederholung der Abtastung; einer Auswerteelektronik zur Bestimmung der Laufzeit von mit den Empfängern aus dem Überwachungsgebiet empfangenen Echosignalen in Echtzeit; und einem Auswerterechner zur Auswertung der empfangenen Echosignale in Echtzeit; dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerterechner dazu eingerichtet ist, die Leistung atmosphärischer Echosignale zu ermitteln und durch Auswertung der Leistung der atmosphärischen Echosignale die aktuelle Transmission der Atmosphäre im Überwachungsgebiet zu bestimmen, auf Basis der aktuellen Transmission eine aktuell sichere Reichweite des LiDAR Laser-Scanners zu bestimmen und permanent dessen Funktionssicherheit zu überprüfen, indem überprüft wird, ob die aktuell sichere Reichweite größer als eine vorgegebene minimale Reichweite ist.The invention relates to a LiDAR laser scanner for detecting a target object in an outdoor surveillance area with a plurality of lasers as transmitters (8) and a plurality of photo sensors as receivers (12) with optical elements (10, 14) for beam guidance into the surveillance area and of reflected light to the receivers (12); a scanning device for the controlled scanning of an angular range covering the surveillance area with laser pulses emitted by the transmitters (8) and for the reception of resulting echo signals by the receivers (12) and for the periodic repetition of the scanning; evaluation electronics for determining the propagation time of echo signals received by the receivers from the surveillance area in real time; and an evaluation computer for evaluating the received echo signals in real time; characterized in that the evaluation computer is set up to determine the power of atmospheric echo signals and to determine the current transmission of the atmosphere in the monitoring area by evaluating the power of the atmospheric echo signals, to determine a currently safe range of the LiDAR laser scanner on the basis of the current transmission and to permanently check its functional reliability by checking whether the currently safe range is greater than a specified minimum range.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen LiDAR Laser-Scanner zur Erfassung eines Zielobjekts in einem Überwachungsgebiet im Freien mit
einer Mehrzahl von Lasern als Sender und einer Mehrzahl von Photosensoren als Empfänger und mit optischen Elementen zur Strahlführung ins Überwachungsgebiet und von reflektiertem Licht zu den Empfängern,
einer Scan-Vorrichtung zur gesteuerten sukzessiven Abtastung eines das Überwachungsgebiet überstreichenden Winkelbereichs mit von den Sendern abgestrahlten Laser-Impulsen und zum Empfang von resultieren Echosignalen aus dem Überwachungsgebiet und zur periodischen Wiederholung der Abtastung,
einer Auswerteelektronik zur Bestimmung der Laufzeit von mit den Empfängern aus dem Überwachungsgebiet empfangenen Echosignalen in Echtzeit, und
einem Auswerterechner zur Auswertung der empfangenen Echosignale in Echtzeit.The present invention relates to a LiDAR laser scanner for detecting a target object in an outdoor surveillance area
a plurality of lasers as transmitters and a plurality of photo sensors as receivers and with optical elements for beam guidance into the surveillance area and reflected light to the receivers,
a scanning device for the controlled successive scanning of an angular range covering the surveillance area with laser pulses emitted by the transmitters and for receiving the resulting echo signals from the surveillance area and for periodically repeating the scanning,
evaluation electronics for determining the propagation time of echo signals received by the receivers from the surveillance area in real time, and
an evaluation computer for evaluating the received echo signals in real time.

Die Abkürzung LiDAR steht für „Light Detection and Ranging“, worunter die sukzessive Abtastung eines Winkelbereichs mit Laser-Impulsen und die jeweilige Messung der Laufzeit von Echosignalen verstanden wird, wodurch durch die Abtastung ein Entfernungsprofil (ortsabhängiger Abstand von Reflexionspunkten von dem Laser-Scanner) gewonnen wird.The abbreviation LiDAR stands for "Light Detection and Ranging", which means the successive scanning of an angular range with laser pulses and the respective measurement of the transit time of echo signals, whereby a distance profile (location-dependent distance of reflection points from the laser scanner) is generated by the scanning. is won.

Ein LiDAR Laser-Scanner mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist aus DE 10 2016 113 149 A1 bekannt, wobei der Laser-Scanner nicht ausdrücklich für den Einsatz unter Freiluftbedingungen beschrieben ist. Der Laser-Scanner hat eine Mehrzahl von Lasern als Sender und eine Mehrzahl von Photosensoren als Empfänger; in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Reihe von vier Lasern und eine Reihe von vier Photosensoren vorhanden. Die sukzessive Abtastung erfolgt durch eine Scan-Vorrichtung, die einen Drehspiegel umfasst, der schrittweise um ein oder mehr Winkelinkremente gedreht wird, um so die von den Lasern anvisierten Punkte schrittweise zu versetzen. Eine Auswerteelektronik bestimmt für empfangene Echosignale in Echtzeit die Laufzeit zwischen Aussendung der Laser-Impulse und Empfang der jeweiligen Echosignale. Ein Auswerterechner wertet die empfangenen Echosignale und deren jeweilige Laufzeit in Echtzeit aus. Demgemäß wird aus jeder der periodisch wiederholten Abtastungen ein Entfernungsprofil gewonnen. Dadurch können Informationen über das von dem Laser-Scanner abgetastete Überwachungsgebiet gewonnen werden, insbesondere ob sich darin ein Zielobjekt vor dem Laser-Scanner befindet. Die Abtastungen werden mit hoher Frequenz wiederholt.A LiDAR laser scanner having the features of the preamble of claim 1 is made DE 10 2016 113 149 A1 known, whereby the laser scanner is not expressly described for use under outdoor conditions. The laser scanner has a plurality of lasers as transmitters and a plurality of photo sensors as receivers; in the described embodiment there is a bank of four lasers and a bank of four photosensors. The incremental scanning is performed by a scanning device that includes a rotating mirror that is incrementally rotated by one or more angular increments so as to incrementally offset the points targeted by the lasers. For received echo signals, evaluation electronics determine in real time the transit time between the transmission of the laser pulses and the receipt of the respective echo signals. An evaluation computer evaluates the echo signals received and their transit time in real time. Accordingly, a range profile is obtained from each of the periodically repeated scans. As a result, information about the monitored area scanned by the laser scanner can be obtained, in particular whether there is a target object in front of the laser scanner. The samples are repeated at high frequency.

Daneben sind auch Scan-Vorrichtungen bekannt, mit denen Abtastungen über einen Raumwinkelbereich durchgeführt werden können, d.h. ein zweidimensionales Entfernungsbild aufnehmbar ist. Dazu kann z.B. wieder eine Reihe von vier Lasern verwendet werden, die in einer ersten Scansequenz sukzessive in einer Richtung senkrecht zu der linearen Längsrichtung der Reihe von Lasern bewegt werden, wodurch vier parallele, auf Abstand zueinander liegende Abtastlinien ausgenommen werden. Darauf wird ein Abtastschritt unter Bewegung der Laser zu einem Schritt in Richtung der linearen Anordnung der Reihe von Lasern durchgeführt und danach die zuerst beschriebene Scansequenz wiederholt, wodurch eine weitere Reihe von vier parallelen Abtastlinien versetzt zu den ersten vier Abtastlinien aufgenommen wird. Durch Wiederholung der beschriebenen Scanschritte ist schließlich ein zusammenhängendes Raumwinkelgebiet durch eng nebeneinander liegende parallele Abtastlinien abgedeckt.In addition, scanning devices are also known with which scans can be carried out over a solid angle range, i.e. a two-dimensional distance image can be recorded. For example, a row of four lasers can be used again, which in a first scan sequence are moved successively in a direction perpendicular to the linear longitudinal direction of the row of lasers, whereby four parallel, spaced apart scan lines are removed. A scanning step is then performed moving the lasers to a step in the direction of the linear array of the array of lasers, and thereafter the first described scanning sequence is repeated, thereby acquiring another series of four parallel scan lines offset from the first four scan lines. By repeating the scanning steps described, a coherent solid angle area is finally covered by parallel scanning lines lying close together.

Beispielsweise können auch vier Laser in Scanrichtung angeordnet werden und so getriggert werden, dass sie sich ebenfalls zu einem 2D-Scan ergänzen. Die Empfänger werden dabei ebenfalls als Arrays ausgebildet. Die Scan-Rate würde dabei wesentlich gesteigert werden, weil in diesem Fall vier Laser zum Scan beitrügen.For example, four lasers can also be arranged in the scanning direction and triggered in such a way that they also complement each other to form a 2D scan. The receivers are also designed as arrays. The scan rate would be significantly increased because four lasers contribute to the scan in this case.

Weitere Scan-Vorrichtungen arbeiten sind z.B. ohne optische Scanner mit Arrays von Lasern und Receivern. Die Arrays können dabei linear oder flächig angeordnet werden, was z.B. mit Vcsel-Laser-Arrays und Photodioden-Arrays möglich ist.Other scanning devices that work are e.g. without optical scanners with arrays of lasers and receivers. The arrays can be arranged in a linear or two-dimensional manner, which is possible, for example, with Vcsel laser arrays and photodiode arrays.

Derartige LiDAR Laser-Scanner werden unter anderem zur Überwachung von Arbeitsbereichen in Industrie- und Logistikanlagen eingesetzt, in denen zum Beispiel Roboter oder autonom fahrende Geräte arbeiten, die Zielobjekte zur Kollisionsvermeidung durch den Laser-Scanner erfassen sollen und diese Hindernisse durch steuernde Eingriffe in die Abläufe in der Anlage umgehen sollen.Such LiDAR laser scanners are used, among other things, to monitor work areas in industrial and logistics systems in which, for example, robots or autonomously driving devices work, which are intended to detect target objects with the laser scanner to avoid collisions and these obstacles by controlling interventions in the processes to be handled in the plant.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll ein unter Freiluftbedingungen „sicher“ funktionierender LiDAR Laser-Scanner realisiert werden. Die funktionelle Sicherheit von elektrischen/elektronischen/programmierbaren elektronischen Systemen wird nach der aus der internationalen Norm IEC 61508 hervorgegangenen Sicherheitsnorm EN 61508 in vier Sicherheitsanforderungsstufen von 1 bis 4 eingeteilt, die auch als Sicherheitsstufen oder Sicherheits-Integritätslevel (SIL) bezeichnet werden. Die Sicherheitsanforderungen dienen in der Industrie dem Schutz der Gesundheit der Beschäftigten, der Umwelt und von Gütern. Die Sicherheitsanforderungsstufe stellt ein Maß für die Zuverlässigkeit des Systems in Abhängigkeit von der Gefährdung dar. Prozesse mit einer geringeren Gefährdung werden durch einen Sicherheitskreis mit geringerem Level aufgebaut als Prozesse mit höherer Gefährdung, bei denen z.B. Menschen getötet werden können. Die notwendige SIL kann durch eine Gefährdungs- und Risikoanalyse ermittelt werden. SIL 4 stellt hierbei eine derart hohe Sicherheitsanforderungsstufe dar, dass sie in der Praxis in den meisten Bereichen nicht relevant ist, so etwa im Bereich von Maschinen und Fahrzeugen. Zu den typischen Sicherheitsfunktionen gehört die Überwachung gefährlicher Bewegungen (z.B. von Robotern, autonom fahrenden Fahrzeugen etc.), wozu ein LiDAR Laser-Scanner eingesetzt werden kann.In connection with the present invention, a LiDAR laser scanner that functions “safely” under outdoor conditions is to be implemented. The functional safety of electrical/electronic/programmable electronic systems is divided into four safety requirement levels from 1 to 4, which are also referred to as safety levels or safety integrity levels (SIL), according to the safety standard EN 61508, which emerged from the international standard IEC 61508. In industry, the safety requirements serve to protect the health of employees, the environment and goods. The safety integrity level provides a measure of the dependability of the system of the hazard. Processes with a lower hazard are set up by a safety circuit with a lower level than processes with a higher hazard, in which, for example, people can be killed. The necessary SIL can be determined by a hazard and risk analysis. SIL 4 represents such a high safety requirement level that it is not relevant in practice in most areas, such as in the area of machines and vehicles. Typical safety functions include the monitoring of dangerous movements (e.g. robots, autonomous vehicles, etc.), for which a LiDAR laser scanner can be used.

Es gibt bisher kein Beispiel für eine Zertifizierung eines ES-PE (elektro-sensitive protective equiment) nach der Sicherheitsstufe SIL 3 und es gibt derzeit keine gültige Norm für den Freiluftbereich. Unter realistischen Gesichtspunkten soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein freilufttauglicher Laser-Scanner realisiert werden, der das Sicherheitslevel SIL 2 erfüllt.So far, there is no example of a certification of an ES-PE (electro-sensitive protective equipment) according to the safety level SIL 3 and there is currently no valid standard for the outdoor area. From a realistic point of view, in connection with the present invention, a laser scanner that is suitable for outdoor use and that satisfies the SIL 2 safety level is to be implemented.

Ein Sicherheitsaspekt, der für einen unter Freiluftbedingungen zum Einsatz kommenden LiDAR Laser-Scanner zu beachten ist, ist die in Betracht zu ziehende Veränderung von atmosphärischen Bedingungen (Regen und Schneefall mit unterschiedlicher Intensität, Nebel, Staub, Rauch etc.). Mit zunehmender Intensität von atmosphärischen Störungen nimmt die sichere Reichweite des Laser-Scanners ab, da der Transmissionsgrad in der Atmosphäre zwischen dem Laser-Scanner und einem möglichen Zielobjekt im Überwachungsgebiet abnimmt und daher die sichere Reichweite abnimmt; als sichere Reichweite wird hier die maximale Entfernung bezeichnet, bei der die auf Basis des Transmissionsgrads der Atmosphäre und einer angenommenen minimalen Reflektivität des Zielobjekts erwartete Intensität des Echosignals des Zielobjekts größer als eine vorgegebene minimale Nachweisintensität des Laser-Scanners ist. Für die Reflektivität kann ein minimaler Wert angegeben werden, weil Reflektivitäten für praktisch alle Oberflächen größer als 2% sind. Es wäre daher eine wichtige Sicherheitsanforderung an den Laser-Scanner für den Freilufteinsatz, wenn der Laser-Scanner selbst die unter den aktuellen atmosphärischen Bedingungen sichere Messreichweite erfassen könnte und eine Warnmeldung ausgeben könnte, wenn diese aktuelle sichere Reichweite kleiner als eine vorgegebene minimale Reichweite ist.A safety issue to consider for a LiDAR laser scanner used in an outdoor environment is the change in atmospheric conditions to be considered (rain and snowfall of varying intensity, fog, dust, smoke, etc.). With increasing intensity of atmospheric disturbances, the safe range of the laser scanner decreases, since the transmittance in the atmosphere between the laser scanner and a possible target object in the surveillance area decreases and therefore the safe range decreases; the safe range is the maximum distance at which the intensity of the echo signal of the target object, based on the transmittance of the atmosphere and an assumed minimum reflectivity of the target object, is greater than a predetermined minimum detection intensity of the laser scanner. A minimum value can be specified for the reflectivity because reflectivities are greater than 2% for practically all surfaces. It would therefore be an important safety requirement for the laser scanner for outdoor use if the laser scanner itself could detect the safe measurement range under the current atmospheric conditions and issue a warning message if this current safe range is less than a specified minimum range.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen LiDAR Laser-Scanner so auszugestalten, dass ein Überwachungsgebiet an freier Luft unter Berücksichtigung der atmosphärischen Bedingungen so überwacht wird, dass der LiDAR Laser-Scanner automatisch erkennt, falls wegen atmosphärischer Störungen nicht mehr das gesamte Überwachungsgebiet sicher überwachbar ist.It is the object of the present invention to design a LiDAR laser scanner in such a way that a surveillance area in the open air is monitored, taking into account the atmospheric conditions, in such a way that the LiDAR laser scanner automatically recognizes if the entire surveillance area can no longer be reliably monitored due to atmospheric disturbances is.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient der LiDAR Laser-Scanner mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.The LiDAR laser scanner with the features of patent claim 1 serves to solve this problem. Advantageous embodiments of the invention are listed in the dependent claims.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Auswerterechner dazu eingerichtet, eine Sicherheitsanalyse der atmosphärischen Bedingungen durchzuführen. Dafür ist der Auswerterechner dazu eingerichtet, die Leistung atmosphärischen Echosignale zu ermitteln und durch Auswertung der Leistung der atmosphärischen Echosignale die aktuelle Transmission der Atmosphäre im Überwachungsgebiet zu bestimmen, auf Basis der aktuellen Transmission eine aktuell sichere Reichweite des LiDAR Laser-Scanners zu bestimmen und permanent dessen Funktionssicherheit zu überprüfen, indem überprüft wird, ob die aktuell sichere Reichweite größer als eine vorgegebene minimale Reichweite istAccording to the present invention, the evaluation computer is set up to carry out a safety analysis of the atmospheric conditions. For this purpose, the evaluation computer is set up to determine the power of atmospheric echo signals and to determine the current transmission of the atmosphere in the monitoring area by evaluating the power of the atmospheric echo signals, to determine a currently safe range of the LiDAR laser scanner based on the current transmission and to permanently determine it To check functional safety by checking whether the current safe range is greater than a specified minimum range

In einer bevorzugten Ausführungsform werden bei der Prüfung der Funktionssicherheit zunächst räumlich zusammenhängende Echosignale als Profil eines Zielobjektes erkannt und bei der weiteren Sicherheitsanalyse unterdrückt und die verbleibenden Echosignale als atmosphärische Echosignale behandelt. Ein Zielobjekt ist mit seinen Echosignalen als räumlich zusammenhängendes Profil erkennbar, da für die Praxis relevante Zielobjekte eine gewisse räumliche Ausdehnung haben und daher bei der Abtastung eine Mehrzahl von Echosignalen an benachbarten Punkten erzeugen. Zur weiteren Durchführung der Sicherheitsanalyse ist der Auswerterechner dazu eingerichtet, die nach der Unterdrückung von Echosignalen eines Zielobjektes verbleibenden atmosphärischen Echosignale über den abgetasteten Winkelbereich zu summieren. Diese Maßnahme ist deswegen gerechtfertigt, da bei praktisch relevanten atmosphärischen Verhältnissen die atmosphärischen Bedingungen über die Blickrichtungen im Überwachungsgebiet nicht variieren, d.h. etwaiger Regen oder Schnee fällt in den Blickrichtungen über das Überwachungsgebiet in allen Blickrichtungen bis auf statistische Fluktuationen in gleicher Dichte.In a preferred embodiment, spatially related echo signals are first recognized as a profile of a target object when checking the functional safety and are suppressed in the further safety analysis and the remaining echo signals are treated as atmospheric echo signals. A target object can be identified with its echo signals as a spatially coherent profile, since target objects that are relevant in practice have a certain spatial extent and therefore generate a plurality of echo signals at adjacent points during scanning. To carry out the safety analysis further, the evaluation computer is set up to add up the atmospheric echo signals remaining after the echo signals of a target object have been suppressed over the scanned angle range. This measure is justified because under practically relevant atmospheric conditions, the atmospheric conditions do not vary over the viewing directions in the monitoring area, i.e. any rain or snow falls in the viewing directions over the monitoring area in all viewing directions except for statistical fluctuations in the same density.

In der bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner ist zur Prüfung der Funktionssicherheit des LiDAR Laser-Scanners dazu eingerichtet, die über den Winkelbereich summierten Echosignale zu analysieren und die mittlere reflektierte Leistung der Echosignale als Funktion der Entfernung auszuwerten, indem die aufgenommene Kurve der mittleren Leistung als Funktion der Entfernung mit für verschiedene Transmissionen vorab bestimmten Kurven der mittleren erwartbaren Leistung als Funktion der Entfernung verglichen wird und daraus die aktuelle Transmission der Atmosphäre im Überwachungsgebiet bestimmt wird.In the preferred embodiment, the evaluation computer is set up to check the functional reliability of the LiDAR laser scanner, to analyze the echo signals summed up over the angular range and to evaluate the mean reflected power of the echo signals as a function of the distance by using the recorded curve of the mean power as a function of the range is compared with curves of the average expected power as a function of the range, which are predetermined for different transmissions and from this the current transmission of the atmosphere in the monitoring area is determined.

In der bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner zur Prüfung der Funktionssicherheit dazu eingerichtet, unter Annahme einer minimalen Reflektivität des Zielobjektes eine aktuell sichere Reichweite, bei der die auf Basis der bestimmten Transmission und der minimalen Reflektivität resultierende Intensität der Echosignale des Zielobjekts größer als eine vorgegebene minimale Nachweisintensität des LiDAR Laser-Scanners ist, zu bestimmen und eine Warnmeldung zu erzeugen, wenn die aktuell sichere Reichweite kleiner als die vorgegebene minimale Reichweite ist.In the preferred embodiment, the evaluation computer is set up to check the functional reliability, assuming a minimum reflectivity of the target object, a currently safe range at which the intensity of the echo signals of the target object resulting from the determined transmission and the minimum reflectivity is greater than a predetermined minimum detection intensity of the LiDAR laser scanner is to determine and generate an alert when the current safe range is less than the specified minimum range.

Durch die Erzeugung der Warnmeldung ist es möglich, einen im Überwachungsgebiet überwachten Prozess zu unterbrechen, beispielsweise den Betrieb einer Anlage oder eines Fahrzeugs anzuhalten, wenn der LiDAR Laser-Scanner bei der Sicherheitsanalyse der atmosphärischen Bedingungen feststellt, dass die aktuell sichere Reichweite kleiner als die vorgegebene minimale Reichweite ist, die benötigt wird, um das gesamte Überwachungsgebiet zu überwachen.By generating the warning message, it is possible to interrupt a process being monitored in the surveillance area, for example stopping the operation of a facility or a vehicle, if the LiDAR laser scanner, during the safety analysis of the atmospheric conditions, determines that the current safe range is less than the specified one is the minimum range required to cover the entire surveillance area.

Die sichere Reichweite ist durch die Anwendung vorgegeben und durch einen Sicherheitsabstand bestimmt, der den größten Abstand vom Sensor im Überwachungsgebiet darstellt. Der Sicherheitsabstand entspricht einer Distanz, über die Objekt sicher gemessen werden können. „Sicher messen“ bedeutet, dass jede Messung mit einer Messschwelle von 4,5 NEP (Noise Equivalant Power) erfolgreich ist. Das Echosignal muss diesen Wert (minimale Nachweisintensität) überschreiten.The safe range is given by the application and determined by a safety distance, which represents the greatest distance from the sensor in the surveillance area. The safety distance corresponds to a distance over which the object can be safely measured. "Measure reliably" means that every measurement with a measurement threshold of 4.5 NEP (Noise Equivalent Power) is successful. The echo signal must exceed this value (minimum detection intensity).

Die Stärke des Echosignals wird durch folgende Parameter bestimmt: Leistung der Laser-Impulse, Reflektivität des Zielobjekts, Abstand des Zielobjekts, Transmission über die optische Strecke zum Zielobjekt und zurück einschließlich atmosphärische Transmission und Transmission des sensorinternen optischen Weges.The strength of the echo signal is determined by the following parameters: power of the laser pulses, reflectivity of the target object, distance from the target object, transmission over the optical path to the target object and back including atmospheric transmission and transmission of the sensor's internal optical path.

Die Leistung der Laser-Impulse ist fest vorgegeben. Für die Reflektivität des Zielobjekts wird ein minimal annehmbarer Wert angenommen, so dass praktisch jedes vorkommende Zielobjekt detektiert werden kann. Als Abstand wird der Sicherheitsabstand (größter möglicher Abstand im Überwachungsgebiet) verwendet. Darüber hinaus geht nur noch die bestimmte atmosphärische Transmission in die Berechnung ein.The power of the laser pulses is fixed. A minimum acceptable value is assumed for the reflectivity of the target object, so that practically every target object that occurs can be detected. The safety distance (largest possible distance in the surveillance area) is used as the distance. In addition, only the determined atmospheric transmission is included in the calculation.

Durch die Sicherheitsanalyse der atmosphärischen Bedingungen und die damit erfolgende Prüfung der Funktionssicherheit wird überprüft, ob die aktuell sichere Reichweite die Überwachung des gesamten Überwachungsgebietes erlaubt. Wenn ja, ist die sichere Funktionsweise des LiDAR Laser-Scanners gewährleistet. Wenn nein, ist keine sichere Messung möglich und die Sicherheitsfunktion nicht gewährleistet, so dass auf eine entsprechende Warnmeldung hin der überwachte Prozess gestoppt werden kann.The safety analysis of the atmospheric conditions and the resulting functional safety check is used to check whether the currently safe range allows the monitoring of the entire surveillance area. If so, the safe functioning of the LiDAR laser scanner is guaranteed. If not, reliable measurement is not possible and the safety function is not guaranteed, so that the monitored process can be stopped when a corresponding warning message is issued.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner zur Prüfung der Funktionssicherheit dazu eingerichtet, das Vorhandensein einzelner unterscheidbarer Reflexionssignale zu prüfen und, falls ja, jeweils die reflektierte Leistung der Reflexionssignale als Funktion der Entfernung auszuwerten, indem die Verteilung der reflektierten Leistungen als der Funktion der Entfernung als Kurve ausgewertet wird. Die Kurve der Leistung als Funktion der Entfernung wird im Auswerterechner dann mit den experimentellen Kurven der Leistung als Funktion der Entfernung unter Heranziehung wenigstens eines Kurvenparameters ausgewertet und auf Grundlage des Kurvenparameters oder der Kurvenparameter der aktuell bestimmten Kurve und des Kurvenparameters oder der Kurvenparameter der experimentellen Kurven die aktuelle Transmission bestimmt.In a preferred embodiment, the evaluation computer for checking the functional reliability is set up to check the presence of individual, distinguishable reflection signals and, if so, to evaluate the reflected power of the reflection signals as a function of the distance by the distribution of the reflected power as a function of the distance as curve is evaluated. The curve of power as a function of distance is then evaluated in the evaluation computer with the experimental curves of power as a function of distance using at least one curve parameter and based on the curve parameter or curve parameters of the currently determined curve and the curve parameter or curve parameters of the experimental curves current transmission determined.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner zur Prüfung der Funktionssicherheit dazu eingerichtet, falls keine einzelnen atmosphärischen Reflexionssignale auflösbar sind, die mittlere reflektierte Leistung pro Zeitintervall als Funktion der Entfernung als Kurve auszuwerten und die Kurve der Leistung als Funktion der Entfernung mit experimentellen Kurven der Leistung der Funktion der Entfernung unter Heranziehung wenigstens eines Kurvenparameters auszuwerten und auf Grundlage des Kurvenparameters oder der Kurvenparameter der aktuell bestimmten Kurve und des Kurvenparameters oder der Kurvenparameter der experimentellen Kurven die aktuelle Transmission zu bestimmen. (Dies soll den Fall von Nebel, Staub oder Rauch abdecken)In a preferred embodiment, the evaluation computer is set up to check the functional reliability, if no individual atmospheric reflection signals can be resolved, to evaluate the average reflected power per time interval as a function of distance as a curve and compare the curve of the power as a function of distance with experimental curves of the power of the Evaluate a function of distance using at least one curve parameter and determine the current transmission based on the curve parameter or curve parameters of the currently determined curve and the curve parameter or curve parameters of the experimental curves. (This is to cover the case of fog, dust or smoke)

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner zur Prüfung der Funktionssicherheit dazu eingerichtet, als Kurvenparameter die maximale Leistung zu verwenden, die als Leistung am Maximalpunkt der Kurve definiert ist.In a preferred embodiment, the evaluation computer for checking the functional reliability is set up to use the maximum power, which is defined as the power at the maximum point of the curve, as the curve parameter.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner zur Prüfung der Funktionssicherheit dazu eingerichtet, als Kurvenparameter eine Kurvenbreite um das Maximum zu verwenden, insbesondere die Breite der Kurve auf halber Höhe in Bezug auf die Höhe am Maximalpunkt der Kurve zu verwenden.In a further preferred embodiment, the evaluation computer for checking the functional reliability is set up to use a curve width around the maximum as a curve parameter, in particular to use the width of the curve at half the height in relation to the height at the maximum point of the curve.

Des Weiteren können auch beide der zuvor genannten Kurvenparameter bei der Sicherheitsanalyse in Kombination verwendet werden.Furthermore, both of the previously mentioned curve parameters can also be used in combination in the safety analysis.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Sender in einer linearen Anordnung angeordnet. Die Scan-Vorrichtung ist dazu ausgestaltet, die Mehrzahl von Sendern in Richtung von deren linearer Ausdehnung in einem vorgegebenen Schrittmuster linear zu versetzen, um in einem zweidimensionalen Scan-Vorgang ein Profil eines Zielobjekts aufzunehmen.In a preferred embodiment, multiple transmitters are arranged in a linear array. The scanning device is designed to linearly displace the plurality of transmitters in the direction of their linear extent in a predetermined step pattern in order to record a profile of a target object in a two-dimensional scanning process.

In einer alternativen Ausführungsform ist die Scan-Vorrichtung dazu ausgestaltet, um die Mehrzahl von Sendern und Empfängern in sukzessiven Abtastsequenzen so zu bewegen, dass ein dreidimensionales Raumwinkelsegment abgetastet wird. In diesem Fall kann die Mehrzahl von Sendern eine lineare Anordnung von Sendern aufweisen und die Scan-Vorrichtung eine Abtastsequenz senkrecht zur Längsrichtung der linearen Anordnung durchführen, so dass pro Abtastsequenz eine der Mehrzahl von Sendern und Empfängern entsprechende Mehrzahl von linearen, parallel zueinander liegenden Scanprofilen erzeugt wird. Die Scan-Vorrichtung ist weiter dazu ausgestaltet, weitere Abtastsequenzen in Richtung der linearen Anordnung der Mehrzahl der Sender versetzt durchzuführen, um das dreidimensionale Raumwinkelsegment mit linearen, parallel zueinander liegenden Scanprofilen abzudecken.In an alternative embodiment, the scanning device is designed to move the plurality of transmitters and receivers in successive scanning sequences such that a three-dimensional solid angle segment is scanned. In this case, the plurality of transmitters can have a linear arrangement of transmitters and the scanning device can carry out a scanning sequence perpendicular to the longitudinal direction of the linear arrangement, so that a plurality of linear, mutually parallel scan profiles corresponding to the plurality of transmitters and receivers are generated per scanning sequence becomes. The scanning device is further designed to carry out further scanning sequences offset in the direction of the linear arrangement of the plurality of transmitters in order to cover the three-dimensional solid angle segment with linear scan profiles lying parallel to one another.

In einer alternativen Ausführungsform einer Scan-Vorrichtung sind die Laser als Array angeordnet und senden vertikal zur Array-Ebene. Die Laser des Arrays werden so getriggert, dass sie sich ebenfalls zu einem 2D-Scan ergänzen. Parallel dazu ist ein Empfänger-Array angeordnet, und beide Arrays sind zueinander justiert. In diesem Fall ist keine Drehspiegel-Vorrichtung erforderlich, die schrittweise verstellt wird.In an alternative embodiment of a scanning device, the lasers are arranged as an array and transmit vertically to the array plane. The array's lasers are triggered in such a way that they also complement each other to form a 2D scan. A receiver array is arranged parallel to this, and both arrays are adjusted to one another. In this case, no rotating mirror device is required, which is adjusted step by step.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind an einem die Mehrzahl von Sendern schützenden Fenster eine Lichtquelle und ein Lichtempfänger gegenüber einem Reflektor angeordnet, wobei die Prüfeinheit dazu eingerichtet ist, in Testintervallen die Lichtquelle zu betätigen und das durch das Fenster gesendete und von dem Reflektor reflektierte Licht mit dem Lichtempfänger bezüglich der empfangene Lichtintensität auszuwerten, um festzustellen, ob das Fenster eine vorgegebene minimale Transmission hat, und eine Alarmmeldung zu erzeugen, falls das Fenster eine geringere als die vorgegebene minimale Transmission hat.In a preferred embodiment, a light source and a light receiver are arranged opposite a reflector on a window protecting the plurality of transmitters, the test unit being set up to actuate the light source at test intervals and transmit the light transmitted through the window and reflected by the reflector to the Evaluate light receivers in terms of received light intensity to determine if the window has a predetermined minimum transmission and generate an alarm message if the window has less than the predetermined minimum transmission.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Auswerteelektronik und der Auswerterechner jeweils zweifach als doppelte Auswerteketten vorhanden und durch unabhängig voneinander arbeitende, unterschiedliche Hardware-Komponenten aufgebaut und mit unabhängig voneinander programmierten Auswertungsalgorithmen programmiert, die Prüfeinheit ist dazu eingerichtet, die Auswertungsresultate der beiden Auswerteketten zu vergleichen und eine Alarmmeldung zu erzeugen, wenn die Auswertungsresultate um mehr als ein vorgegebenes Maß voneinander abweichen.In a preferred embodiment, the evaluation electronics and the evaluation computer are each present twice as double evaluation chains and are constructed using different hardware components that work independently of one another and are programmed with evaluation algorithms programmed independently of one another. The test unit is set up to compare the evaluation results of the two evaluation chains and To generate an alarm message if the evaluation results deviate from each other by more than a predetermined amount.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner dazu eingerichtet, eine auf eine Abdeckung des LiDAR Laser-Scanners hinweisende Warnmeldung zu erzeugen, wenn über den gesamten das Überwachungsgebiet überstreichenden Winkelbereich oder einen zusammenhängenden Teilbereich davon keine Echosignale erfassbar sind. In diesem Fall ist davon auszugehen, dass das Sichtfeld des LiDAR Laser-Scanners in das Überwachungsgebiet durch ein Hindernis ganz oder teilweise blockiert ist.In a preferred embodiment, the evaluation computer is set up to generate a warning message indicating that the LiDAR laser scanner is covered if no echo signals can be detected over the entire angular range covering the monitored area or a coherent sub-range thereof. In this case, it can be assumed that the LiDAR laser scanner's field of view in the surveillance area is partially or completely blocked by an obstacle.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Darstellung einer Ansicht eines LiDAR Laser-Scanners ist, der eine einen Winkelbereich überstreichende Abtastsequenz von Laser-Impulsen aussendet,
2 eine schematische Darstellung des LiDAR Laser-Scanners und der gemessenen Entfernungen bei der Abtastung des Zielobjekts aus 1 ist,
3a und 3b die Verteilung atmosphärischer Echosignale als Funktion der Entfernung vom LiDAR Laser-Scanner zeigen,
3c und 3d die Verteilung der Leistung der Echosignale als Funktion der Entfernung zeigen, wobei die Kurve in 3d einer geringeren Dichte von atmosphärischen Störungspartikeln (Regentropfen, Schneeflocken) und somit eine höhere Transmission entspricht als die Kurve in 3c, und
4a eine schematische Darstellung eines LiDAR Laser-Scanners bei der Abtastung eines Überwachungsgebiets zeigt, in dem die Atmosphäre quasi-homogen für Reflexionen durch Mikropartikel (Nebel, Rauch) sorgt,
4b und 4c die Kurven der Leistung der erfassten Reflexionen als Funktion der Entfernung für den Fall höherer Mikropartikeldichte (geringere Transmission) und in 4c für den Fall geringerer Mikropartikeldichte (höhere Transmission) zeigt.

The invention is described below using exemplary embodiments in the drawings, in which:

1 Fig. 12 is a schematic representation of a view of a LiDAR laser scanner emitting a scanning sequence of laser pulses spanning an angular range,
2 shows a schematic representation of the LiDAR laser scanner and the measured distances when scanning the target object 1 is,
3a and 3b show the distribution of atmospheric echo signals as a function of distance from the LiDAR laser scanner,
3c and 3d show the distribution of the power of the echo signals as a function of distance, with the curve in 3d corresponds to a lower density of atmospheric disturbance particles (raindrops, snowflakes) and thus a higher transmission than the curve in 3c , and
4a shows a schematic representation of a LiDAR laser scanner scanning a surveillance area in which the atmosphere provides quasi-homogeneous reflections from microparticles (fog, smoke),
4b and 4c the curves of the power of the detected reflections as a function of distance for the case of higher microparticle density (lower transmission) and in 4c for the case of lower microparticle density (higher transmission).

1 zeigt eine schematische Ansicht eines LiDAR Laser-Scanners 2, wobei schematisch eine einen Winkelbereich 20 überdeckende Abtastung eines Überwachungsgebiets mit Laser-Impulsen 18 gezeigt ist, die jeweils durch einen Pfeil dargestellt sind. Zur Erzeugung der Laserimpulse der Abtastsequenz ist der Laser-Scanner mit einem Sender 8 in Form eines oder mehrerer Laser und einer Senderoptik 10 versehen, die den Lichtstrahl des Lasers auf eine der Spiegelflächen 6 eines Polygons 4 richtet, von der der Lichtstrahl in einen durch die Winkelstellung des Polygons 4 bestimmten Winkel in das Untersuchungsgebiet reflektiert wird. In diesem Fall hat das Polygon 4 vier Spiegelflächen 6. Das Polygon 4 ist drehbar aufgehängt und mit einem Antrieb und einem Encoder versehen. Zusammen mit dem Antrieb und dem Encoder bildet das Polygon 4 eine Scan-Vorrichtung, die eine Abtastsequenz durch Drehung des Polygon 4 in Winkelschritten um jeweils die halbe Schrittweite der Schritte der Strahlablenkung zwischen zwei aufeinander folgenden Laser-Impulsen 18 in dem überstrichenen Winkelbereich 20 ausführt. 1 FIG. 12 shows a schematic view of a LiDAR laser scanner 2, a scanning of a surveillance area with laser pulses 18 covering an angular range 20 being shown schematically, each of which is represented by an arrow. To generate the laser pulses of the scanning sequence, the laser scanner is equipped with a transmitter 8 in Provided form of one or more lasers and a transmitter optics 10, which directs the light beam of the laser to one of the mirror surfaces 6 of a polygon 4, from which the light beam is reflected in a certain by the angular position of the polygon 4 angle in the examination area. In this case, the polygon 4 has four mirror surfaces 6. The polygon 4 is rotatably suspended and provided with a drive and an encoder. Together with the drive and the encoder, the polygon 4 forms a scanning device that executes a scanning sequence by rotating the polygon 4 in angular steps by half the increment of the steps of the beam deflection between two consecutive laser pulses 18 in the swept angular range 20.

Ferner ist schematisch ein Empfänger 12 (Photosensor) mit einer Empfängeroptik 14 vorhanden; allerdings ist die Darstellung in 1 insoweit rein schematisch, denn der Empfänger 12 und die Empfängeroptik 14 müssten tatsächlich viel näher an dem Sender 8 und der Senderoptik 10 liegen, so dass reflektierte Strahlen 32, die von einem Zielobjekt 30 zurückgeworfen werden, durch das Fenster 16 des Laser-Scanners zurück und über die Spiegelfläche 6 und die Empfängeroptik 4 zu dem Empfänger 12 gelangen können (außer den am Zielobjekt 30 reflektierten Laserimpulsen 32 ist der weitere Strahlengang dieser reflektierten Impulse in 1 nicht dargestellt). Falls mehrere Laser verwendet werden, müssen entsprechend mehrere Empfänger vorhanden sein.Furthermore, a receiver 12 (photosensor) with a receiver optics 14 is schematically present; however, the representation in 1 purely schematic in this respect, because the receiver 12 and the receiver optics 14 would actually have to be much closer to the transmitter 8 and the transmitter optics 10, so that reflected beams 32, which are thrown back from a target object 30, back through the window 16 of the laser scanner and can reach the receiver 12 via the mirror surface 6 and the receiver optics 4 (apart from the laser pulses 32 reflected on the target object 30, the further beam path of these reflected pulses is in 1 not shown). If several lasers are used, several receivers must be available accordingly.

Zu jedem ausgesendeten Laser-Impuls 18 können bei Empfang eines zugehörigen Echosignals eine Laufzeit und daraus die Entfernung des Reflexionspunktes bestimmt werden. Die dazu benötigten Komponenten, wie Auswerteelektronik und Auswerterechner, sind in 1 nicht dargestellt.For each emitted laser pulse 18, upon receipt of an associated echo signal, a transit time and from this the distance of the reflection point can be determined. The components required for this, such as evaluation electronics and evaluation computer, are in 1 not shown.

In Bezug auf weitere Einzelheiten zum Aufbau und zur Funktionsweise derartiger LiDAR Laser-Scanner wird beispielhaft auf die Veröffentlichungen DE 10 2016 113 149 A1 , EP 1 522 870 A1 und EP 1 901 093 A1 verwiesen.With regard to further details on the structure and functioning of such LiDAR laser scanners, reference is made to the publications as an example DE 10 2016 113 149 A1 , EP 1 522 870 A1 and EP 1 901 093 A1 referred.

2 zeigt schematisch das Ergebnis der in 1 dargestellten Abtastung des Überwachungsgebiets mit Laser-Impulsen 18. Dargestellt ist eine räumliche X-Koordinate, die sich entlang der Abtastrichtung der Abtastsequenz erstreckt, und eine Koordinate der Entfernung R vom Laser-Scanner 2. Durch Sterne 34 sind schematisch empfangene Echosignale 32 von Laser-Impulsen 18 dargestellt, die am Zielobjekt 30 reflektiert worden sind. Demgemäß liegen die Echosignale der reflektierten Laser-Impulse bei gleichem Abstand R, da die reflektierende Frontfläche des Zielobjekts 30 über die Frontfläche gleiche Abstände zum Laser-Scanner 2 hat. Ferner liegen die Echosignale 34 räumlich in Abtastrichtung X dicht nebeneinander, da sie von dicht nebeneinander liegenden Reflexionspunkten an der Frontfläche des Zielobjekts 30 stammen. Demgemäß können diese Echosignale als räumlich zusammenhängendes Profil eines Zielobjektes erkannt werden. Derartige Echosignale eines Zielobjekts werden in der nachfolgend beschriebenen Analyse der atmosphärischen Bedingungen unterdrückt, da darin nur atmosphärische Reflexionen berücksichtig werden sollen. 2 shows schematically the result of the in 1 illustrated scanning of the monitored area with laser pulses 18. Shown is a spatial X-coordinate, which extends along the scanning direction of the scanning sequence, and a coordinate of the distance R from the laser scanner 2. The stars 34 are schematically received echo signals 32 from laser Pulses 18 shown, which have been reflected from the target object 30. Accordingly, the echo signals of the reflected laser pulses are at the same distance R, since the reflecting front surface of the target object 30 is at the same distance from the laser scanner 2 over the front surface. Furthermore, the echo signals 34 are spatially close together in the scanning direction X, since they originate from reflection points on the front surface of the target object 30 that are close together. Accordingly, these echo signals can be recognized as a spatially connected profile of a target object. Such echo signals from a target object are suppressed in the analysis of the atmospheric conditions described below, since only atmospheric reflections are to be taken into account therein.

In den 3a bis 3d sind verschiedene Darstellungen für eine Situation gezeigt, in der die Atmosphäre im Überwachungsgebiet einzelne Partikel, die atmosphärische Echosignale erzeugen, wie etwa Regentropfen oder Schneeflocken, enthält. Zur Durchführung der Sicherheitsanalyse wird angenommen, dass die Partikel (Regentropfen oder Schneeflocken) im Überwachungsgebiet bis auf statistische Fluktuationen gleich verteilt sind. Unter dieser Annahme können die empfangenen Echosignale für alle Laser-Impulse 18 über den Winkelbereich der Abtastsequenz summiert werden, da die atmosphärische Situation in allen Blickrichtungen die gleiche ist. Damit ergibt sich für die empfangenen atmosphärischen Echosignale 36 in 3a eine Häufigkeitsverteilung als Histogramm, wobei die X-Achse des Histogramms die Entfernung R vom Laser-Scanner 2 ist und die Anzahl der Einträge in jedem Intervall von R in 3a schematisch durch die Anzahl der Sternsymbole dargestellt ist.In the 3a until 3d different representations are shown for a situation in which the atmosphere in the surveillance area contains individual particles that produce atmospheric echo signals, such as raindrops or snowflakes. To carry out the safety analysis, it is assumed that the particles (raindrops or snowflakes) are evenly distributed in the monitoring area, except for statistical fluctuations. Under this assumption, the received echo signals for all laser pulses 18 can be summed over the angular range of the scanning sequence since the atmospheric situation is the same in all viewing directions. This results in 36 in for the received atmospheric echo signals 3a a frequency distribution as a histogram, where the X-axis of the histogram is the distance R from the laser scanner 2 and the number of entries in each interval from R in 3a is represented schematically by the number of star symbols.

Mit zunehmender Anzahl von Echosignalen nimmt die Häufigkeitsverteilung des Histogramms aus 3a schließlich eine gleichmäßigere Verteilung an, die durch eine Kurve wie in 3b dargestellt werden kann, wobei bei der Verteilung in 3b noch einige statistische Fluktuationen zu erkennen sind. Bei noch höherer Anzahl von Echosignalen nimmt die Häufigkeitsverteilung dann die Form einer zunehmend glatten Kurve an.As the number of echo signals increases, the frequency distribution of the histogram decreases 3a finally assume a more uniform distribution represented by a curve as in 3b can be represented, with the distribution in 3b some statistical fluctuations can still be seen. With an even higher number of echo signals, the frequency distribution then assumes the form of an increasingly smooth curve.

Zu jedem atmosphärischen Echosignal wird dann in der Sicherheitsanalyse die zugehörige reflektierte Impulsleistung bestimmt. In der Praxis wird die reflektierte Impulsleistung des Echosignals durch die aus der Impulsbreite des Echosignals bestimmt, die annähernd proportional zur reflektierten Impulsleistung ist. Die reflektierte Leistung der Echosignale der gesendeten Laser-Impulse ist proportional zu 1/R².The associated reflected pulse power is then determined for each atmospheric echo signal in the safety analysis. In practice, the reflected pulse power of the echo signal is determined by the pulse width of the echo signal, which is approximately proportional to the reflected pulse power. The reflected power of the echo signals of the transmitted laser pulses is proportional to 1/R ² .

In 3c ist die Verteilung der reflektierten Leistungen der Echosignale als Funktion von deren Entfernung R dargestellt. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass bei einer hohen Anzahl von Echosignalen, die zum Beispiel durch die Überlagerung einer Vielzahl von aufeinander folgenden Abtastungen generiert werden können, die Verteilung der reflektierten Leistungen als der Funktion der Entfernung zu einer Kurve als Funktion der Entfernung konvergiert, wobei die Kurve für jeden Wert R die mittlere reflektierte Leistung bei diesem Wert R repräsentiert.In 3c shows the distribution of the reflected power of the echo signals as a function of their distance R. In this context, it should be noted that with a large number of echo signals, which can be generated, for example, by superimposing a large number of successive scans, the distribution of the reflected powers as a function of range converge to a curve as a function of range, the curve representing for each value R the mean reflected power at that value R.

Die in 3c dargestellte Kurve der reflektierten Leistung der Echosignale als Funktion der Entfernung R zeigt die Situation für eine relativ hohe Dichte von atmosphärischen Partikeln (Regentropfen, Schneeflocken) und spiegelt demgemäß eine relativ niedrige Transmission wieder.In the 3c The curve shown of the reflected power of the echo signals as a function of the distance R shows the situation for a relatively high density of atmospheric particles (raindrops, snowflakes) and accordingly reflects a relatively low transmission.

3d zeigt die entsprechende Kurve der Leistung der reflektierten Echosignale als Funktion der Entfernung R für eine atmosphärische Situation, in der gegenüber 3c eine relativ niedrigere Dichte von atmosphärischen Partikeln Echosignale erzeugt und in der demgemäß die Transmission in der Atmosphäre höher ist als in der Situation von 3c. Wie zu erkennen ist, ist im Falle niedrigerer Partikeldichte und demgemäß höherer Transmission die Kurve der Leistung als Funktion der Entfernung R flacher und hat eine größere Impulsbreite 42. 3d shows the corresponding curve of the power of the reflected echo signals as a function of the distance R for an atmospheric situation in which the opposite 3c a relatively lower density of atmospheric particles produces echo signals and in which accordingly the transmission in the atmosphere is higher than in the situation of 3c . As can be seen, in the case of lower particle density and consequently higher transmission, the curve of power as a function of distance R is flatter and has a larger pulse width 42.

Demzufolge ist es möglich, für verschiedene Transmissionen die Kurve der reflektierten Leistung als Funktion der Entfernung R wie in 3c und 3d durch Kurvenparameter wie die Amplitude 40 im Maximum und die Kurvenbreite 42 zu charakterisieren.Consequently, for different transmissions it is possible to plot the curve of reflected power as a function of distance R as in 3c and 3d to be characterized by curve parameters such as the amplitude 40 at the maximum and the curve width 42.

Daher ist es möglich, für eine Reihe von atmosphärischen Partikeldichten vorab die entsprechenden resultierenden Kurven der reflektierten Leistung als Funktion der Entfernung zu bestimmen und deren Kurvenparameter wie die Kurvenbreite 42 und die Amplitudenhöhe 40 im Maximum vorab zugeordnet zu der zugehörigen Partikeldichte und der sich daraus ergebenden Transmission zu speichern.It is therefore possible to predetermine the corresponding resulting curves of the reflected power as a function of distance for a series of atmospheric particle densities and to preassign their curve parameters such as the curve width 42 and the maximum amplitude height 40 to the associated particle density and the resulting transmission save.

Im laufenden Betrieb des Laser-Scannens wird dann eine aktuell aufgenommene Kurve der atmosphärischen Reflexionen im Hinblick auf die Kurvenparameter der Kurvenbreite 42 und der Amplitudenhöhe im Maximum ausgewertet. Durch Bezugnahme auf die entsprechenden Kurvenparameter der für bekannte Partikeldichten und Transmissionen vorab bestimmten Kurven kann dann die aktuell gegebene atmosphärische Transmission bestimmt werden, wobei entweder die vorab bestimmte Kurve mit den nächstliegende Werten für die Kurvenbreite 42 und Amplitudenhöhe 40 im Maximum ausgewählt wird und die für diese bekannte Transmission als aktuell vorliegende Transmission bestimmt wird; alternativ kann auch zwischen vorab bekannten Kurven benachbarter Transmissionswerte interpoliert werden, um die aktuell vorliegende Transmission zu bestimmen.During the ongoing operation of the laser scanning, a currently recorded curve of the atmospheric reflections is then evaluated with regard to the curve parameters of the curve width 42 and the maximum amplitude height. By referring to the corresponding curve parameters of the curves predetermined for known particle densities and transmissions, the currently given atmospheric transmission can then be determined, either selecting the predetermined curve with the closest values for the curve width 42 and amplitude height 40 at the maximum and those for these known transmission is determined as the currently available transmission; alternatively, it is also possible to interpolate between previously known curves of adjacent transmission values in order to determine the currently present transmission.

Durch die so bestimmte aktuelle Transmission kann eine Sicherheitsanalyse der atmosphärischen Bedingungen durch geführt werden. Unter Annahme einer minimalen Reflektivität des Zielobjektes wird eine aktuell sichere Reichweite bestimmt, bei der die auf Basis der bestimmten Transmission und der minimalen Reflektivität resultierende Intensität der Echosignale des Zielobjekts größer als eine vorgegebene minimale Nachweisintensität des LiDAR Laser-Scanners ist. Wenn die so vom Auswerterechner bestimmte aktuell sichere Reichweite kleiner als die vorgegebene minimale Reichweite ist, wird eine Warnmeldung erzeugt, die anzeigt, dass eine sichere Funktionsweise des Laser-Scanners nicht mehr gewährleistet ist.With the current transmission determined in this way, a safety analysis of the atmospheric conditions can be carried out. Assuming a minimum reflectivity of the target object, a currently safe range is determined at which the intensity of the echo signals of the target object resulting from the determined transmission and the minimum reflectivity is greater than a specified minimum detection intensity of the LiDAR laser scanner. If the currently safe range determined by the evaluation computer is less than the specified minimum range, a warning message is generated which indicates that safe functioning of the laser scanner can no longer be guaranteed.

Der Auswerterechner ist dazu eingerichtet, eine modifizierte Auswertungsweise der atmosphärischen Reflexionen anzuwenden, wenn die Abstände der atmosphärischen Reflexionspunkte unterhalb des Auflösungsvermögens des Laser-Scanners liegen und der Laser-Scanner daher eine quasi-kontinuierliche Reflexion in der Atmosphäre im Überwachungsgebiet erfasst. Dies ist der Fall für atmosphärische Bedingungen mit einer extrem großen Dichte von sehr kleinen Reflexionspartikeln, wie dies im Fall von Nebel, Staub oder Rauch gegeben ist. 4a illustriert die Situation, in der Nebel die Sicht im Überwachungsgebiet behindert. Die dargestellten Punkte sollen die Anzahl der Reflexionen im Nebel als Funktion des Abstands R vom Laser-Scanner 2 symbolisieren. Die mit zunehmendem R zunehmende Dichte der Punkte symbolisiert so die mit wachsendem R mit R² zunehmende Anzahl von Reflexionen an Nebeltröpfen. Diese Reflexionen an Nebeltröpfchen sind für den Laser-Scanner allerdings wie bereits erwähnt nicht auflösbar, sondern jede Kugelsegmentschale 50 liefert einen Reflexionsimpuls ähnlich dem von einem festen Objekt. Jede weitere Kugelsegmentschale liefert leicht versetzt einen ähnlichen reflektierten Impuls, der sich dem ersten überlagert. Dadurch entsteht eine Überlagerung von Impulsen aller Kugelsegmentschalen des durchlaufenden Volumens, die sich zu einem verbreiterten Impuls überlagern.The evaluation computer is set up to use a modified method of evaluating the atmospheric reflections if the distances between the atmospheric reflection points are below the resolution of the laser scanner and the laser scanner therefore detects a quasi-continuous reflection in the atmosphere in the monitoring area. This is the case for atmospheric conditions with an extremely high density of very small reflective particles, as is the case with fog, dust or smoke. 4a illustrates the situation where fog obscures visibility in the surveillance area. The points shown are intended to symbolize the number of reflections in the fog as a function of the distance R from the laser scanner 2. The increasing density of the points with increasing R thus symbolizes the increasing number of reflections from fog droplets with increasing R with R ² . However, as already mentioned, these reflections from fog droplets cannot be resolved by the laser scanner; rather, each spherical segment shell 50 supplies a reflection pulse similar to that from a solid object. Each additional spherical segment shell delivers a similar reflected impulse, which is superimposed on the first one. This creates a superimposition of impulses from all spherical segment shells of the volume passing through, which are superimposed to form a broadened impulse.

In diesem Fall wird nicht die Leistung einzelner atmosphärischer Echosignale bestimmt, sondern die pro Zeitintervall empfangene reflektierte Leistung erfasst und als Funktion der Entfernung R ausgewertet.In this case, the power of individual atmospheric echo signals is not determined, but the reflected power received per time interval is recorded and evaluated as a function of the distance R.

In 4b ist die reflektierte Leistung als Funktion der Entfernung für eine Situation mit dichtem Nebel dargestellt, und in 4c ist die entsprechende Kurve der Leistung als Funktion der Entfernung für eine Situation mit weniger dichtem Nebel dargestellt. Es ist wiederum zu erkennen, dass bei höherer Reflexionsdichte und entsprechend niedrigerer Transmission (dichter Nebel in 4b) die Amplitudenhöhe 40 und die Kurvenbreite 42 sich von den entsprechenden Kurvenparametern im Fall einer geringeren Dichte von Reflexionspunkten (leichterer Nebel in 4c) unterscheidet, in der die Amplitudenhöhe 40 niedriger und die Kurvenbreite 42 höher ist als im Fall von 4b. Auch in diesem Fall ist es also möglich, für eine Sequenz von bekannten Partikeldichten (Nebeltröpfchendichte, Rauchpartikeldichte) vorab eine Reihe von dabei zu erwartenden Kurven der erfassten reflektierten Leistung als Funktion der Entfernung R zu bestimmen und zu den bekannten Transmissionen die resultierenden Kurvenparameter der Kurven abzuspeichern. Im Fall einer aktuell gemessenen Kurve der reflektierten Leistung als Funktion der Entfernung in Nebelsituationen kann dann unter Heranziehung der Kurvenparameter der aktuell bestimmten Kurve und der entsprechenden Kurvenparameter der vorab bestimmten Kurven für bekannte Transmissionen die aktuell vorliegende Transmission bestimmt werden. Dazu kann die am besten im Hinblick auf die Kurvenparameter 40 und 42 passende Kurve der vorab bestimmten Kurven selektiert und die zugehörige bekannte Transmission als aktuell bestimmte Transmission verwenden werden. Alternativ können auch die Kurvenparameter zweier vorab bestimmter Kurven mit benachbarten Transmissionswerten verwendet werden, um die aktuelle Transmission durch Interpolation zu bestimmen.In 4b the reflected power is plotted as a function of distance for a dense fog situation, and in 4c Figure 1 shows the corresponding power versus range curve for a less dense fog situation. It can again be seen that with higher reflection density and correspondingly lower transmission (dense fog in 4b) the amp litudenhöhe 40 and the curve width 42 differ from the corresponding curve parameters in the case of a lower density of reflection points (lighter fog in 4c ) in which the amplitude level 40 is lower and the curve width 42 higher than in the case of FIG 4b . In this case, too, it is possible to determine a series of expected curves of the detected reflected power as a function of the distance R for a sequence of known particle densities (fog droplet density, smoke particle density) in advance and to save the resulting curve parameters of the curves for the known transmissions . In the case of a currently measured curve of the reflected power as a function of the distance in fog situations, the currently present transmission can then be determined using the curve parameters of the currently determined curve and the corresponding curve parameters of the previously determined curves for known transmissions. For this purpose, the curve of the previously determined curves that best fits with regard to the curve parameters 40 and 42 can be selected and the associated known transmission can be used as the currently determined transmission. Alternatively, the curve parameters of two previously determined curves with adjacent transmission values can also be used to determine the current transmission by interpolation.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102016113149 A1 [0003, 0037]
EP 1522870 A1 [0037]
EP 1901093 A1 [0037]

Claims

LiDAR laser scanner for detecting a target object in an outdoor surveillance area with a plurality of lasers as transmitters (8) and a plurality of photo sensors as receivers (12) and with optical elements (10, 14) for beam guidance into the surveillance area and reflected light to the receivers (12), a scanning device for the controlled scanning of an angular range covering the surveillance area with laser pulses emitted by the transmitters (8) and for the reception of resulting echo signals from the surveillance area by the receiver (12) and for the periodic repetition of the scanning, evaluation electronics for determining the propagation time of echo signals received by the receivers from the surveillance area in real time, and an evaluation computer for evaluating the received echo signals in real time, characterized in that the evaluation computer is set up to determine the power of atmospheric echo signals and by evaluation the power of the atmospheric echo signals to determine the current transmission of the atmosphere in the monitoring area, to determine a currently safe range of the LiDAR laser scanner based on the current transmission and to permanently check its functional reliability by checking whether the currently safe range is greater than one predetermined minimum range is.

LiDAR laser scanners claim 1 , characterized in that the evaluation computer for checking the functional reliability is set up to recognize spatially related echo signals as a profile of a target object, to suppress these echo signals of the target object and to treat the remaining echo signals as atmospheric echo signals, to sum the atmospheric echo signals over the angular range, to evaluate the average reflected power of the echo signals as a function of distance by comparing the recorded curve of the average power as a function of distance with curves of the average power as a function of distance expected for different transmissions and from this the current transmission of the atmosphere in the surveillance area is determined, and assuming a minimum reflectivity of the target object, the currently safe range at which the intensity of the echo signals of the target resulting from the determined transmission and the minimum reflectivity object is greater than a predetermined minimum detection intensity of the LiDAR laser scanner and generate an alert if the current safe range is less than the predetermined minimum range.

LiDAR laser scanners claim 2 , characterized in that the evaluation computer for checking the functional safety is set up to check whether individual atmospheric reflection signals can be distinguished and, if so, to evaluate the reflected power of the reflection signals as a function of the distance by the distribution of the reflected power as a function of the distance is evaluated as a curve, and the power versus distance curve is evaluated with the experimental power versus distance curves using at least one curve parameter (40, 42) and based on the curve parameter or parameters of the currently determined curve and the Curve parameters or the curve parameters (40, 42) of the experimental curves the current transmission is determined.

LiDAR laser scanners claim 3 , characterized in that the evaluation computer is set up to check the functional reliability, if no individual atmospheric reflection signals can be resolved, to evaluate the average reflected power per time interval as a function of distance as a curve and the power curve as a function of distance with experimental power curves to evaluate as a function of the distance using at least one curve parameter and to determine the current transmission on the basis of the curve parameter or the curve parameters (40, 42) of the currently determined curve and the curve parameter or the curve parameters of the experimental curves.

LiDAR laser scanner according to one of the claims 3 until 4 , characterized in that the evaluation computer for checking the functional reliability is set up to use the maximum power as the curve parameter (40), which is defined as the power at the maximum point of the curve.

LiDAR laser scanner according to one of the claims 3 until 5 , characterized in that the evaluation computer for checking the functional reliability is set up to use a curve width around the maximum as a curve parameter (42), in particular to use the width of the curve halfway up in relation to the height at the maximum point of the curve.

LiDAR laser scanner according to one of the preceding claims, characterized in that the plurality of transmitters are arranged in a linear array and that the scanning device is configured to linearize the plurality of transmitters in the direction of their linear array in a predetermined stepping pattern offset to record a profile of a target object in a two-dimensional scan process.

LiDAR laser scanner according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the scanning device is adapted to move the plurality of transmitters and receivers in successive scanning sequences such that a three-dimensional solid angle segment is scanned.

LiDAR laser scanners claim 8 , characterized in that the plurality of transmitters have a linear array of transmitters and in that the scanning device carries out a scanning sequence perpendicular to the longitudinal direction of the linear array, so that per scanning sequence a plurality of linear, parallel to one another, corresponding to the plurality of transmitters and receivers Scan profiles is generated, and further scanning sequences are carried out offset in the direction of the linear arrangement of the plurality of transmitters in order to cover the three-dimensional solid angle segment with linear scan profiles lying parallel to one another.

LiDAR laser scanner according to one of the preceding claims, characterized in that a light source and a light sensor are arranged on a window (16) protecting the plurality of transmitters, the test unit being set up to actuate the light source at test intervals and the Evaluate the amount of light received by the window from the light sensor to determine if the window has a predetermined minimum transmission and generate an alarm if the window has less than the predetermined minimum transmission.

LiDAR laser scanner according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation electronics and the evaluation computer are each present twice as double evaluation chains and are constructed by independently working, different hardware components and are programmed with independently programmed evaluation algorithms, and that the test unit is set up to compare the evaluation results of the two evaluation chains and to generate an alarm message if the evaluation results deviate from one another by more than a predetermined amount.

LiDAR laser scanner according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation computer is set up to generate a warning message indicating that the LiDAR laser scanner is covered if no echo signals can be detected over the entire angular range covering the surveillance area or a contiguous sub-range thereof are.

A LiDAR laser scanner as claimed in any one of the preceding claims, characterized in that the scanning device comprises transmitter and receiver arrays which are activated so as to thereby effect the scans of the surveillance area.