CN111819469A - 用于lidar接收单元的改进的近程和远程检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机动车辆的LIDAR接收单元(16)的改进的近程和远程检测的方法，其中接收单元(16)具有多个传感器元件(22)，其中所述传感器元件(22)可以被激活和去激活，其中传感器元件(22)的至少一个子集在测量周期内的第一时间点被激活，其中在测量周期内的第二时间点，一个或多个传感器元件被激活和/或一个或多个传感器元件被去激活，所述第二时间点发生在第一时间点之后。此外，描述了一种用于LIDAR接收单元(14)的改进的近程和远程检测的额外方法。此外，还公开了一种LIDAR测量系统(10)。

Description

用于LIDAR接收单元的改进的近程和远程检测的方法

技术领域

本发明涉及一种用于机动车辆的LIDAR接收单元的改进的近程和远程检测的方法。

背景技术

例如，对于根据文献WO 2017081294的LIDAR测量系统，这种LIDAR接收单元是已知的。该LIDAR测量系统具有LIDAR发射单元和LIDAR接收单元。LIDAR发射单元的发射器元件发射光脉冲，光脉冲穿过发射透镜并在物体上反射。反射光脉冲通过接收透镜聚焦到接收单元的传感器元件上，从而可以检测到脉冲。从物体到LIDAR测量系统的距离可以根据光脉冲的飞行时间来确定。由于不同的效应，从同一发射器元件连续发送的多个激光脉冲可以在不同的位置照射到接收单元上。例如，这是由于从近场测量(其中物体离LIDAR测量系统的距离较短)到远场测量(其中物体离LIDAR测量系统的距离较大)的切换。最终，这是由于具有焦平面阵列配置的接收单元和发射单元的这种LIDAR测量系统的空间结构，焦平面阵列配置即发射器元件和传感器元件在平面中的布置以及在相应透镜的焦点处的布置。焦平面阵列配置并没有避免使用将移动性引入LIDAR测量系统或其组件中的组件。接收单元上的入射激光脉冲的局部位移会损害激光的检测。

发明内容

因此，本发明目的是提供一种方法，其中LIDAR接收单元和LIDAR测量系统中的物体的近程和远程检测得到改进。

该目的通过根据权利要求1所述的方法来实现。

该方法特别适用于根据以下实施例的LIDAR接收单元。LIDAR接收单元通常是LIDAR测量系统的一部分。LIDAR测量系统特别适用于机动车辆。在机动车辆上安装多个相同的LIDAR测量系统来监控车辆的整个环境是有利的。

LIDAR测量系统具有LIDAR发射单元、发射透镜以及LIDAR接收单元和接收透镜。此外，LIDAR测量系统方便地配备有电子单元，该电子单元使得评估单元能够评估测量数据，并且能够与机动车辆的其他系统通信以传输数据。尤其是，LIDAR测量系统正好有两个单元，一个用于传感器元件，一个用于发射器元件。

发射单元具有用于发射激光脉冲的多个发射器元件，而接收单元具有用于检测激光脉冲的多个传感器元件。发射器元件方便地形成为垂直腔面发射激光器VCSEL，而传感器元件优选地由单光子雪崩二极管SPAD形成。

传感器元件的表面通常比发射器元件小，并且其激光脉冲投射到接收单元上。结果，激光脉冲可以照射多于一个的传感器元件。此外，由于各种效应，入射激光可以入射到接收单元的不同点。该实际位置被描述为从最佳参考位置的位移，在最佳参考位置，激光在远距离的物体上反射之后在最佳条件下入射到接收单元。位移的大小可以具有一个或多个传感器元件的尺寸。

结果，接收单元上的传感器元件的数量有利地大于发射单元的发射器元件的数量。尤其是，多个传感器元件在概念上被分配给一个发射器元件，其中每个传感器元件可以潜在地从发射器元件接收激光脉冲。

宏单元的传感器元件有利地都是相同类型的，即，例如，仅安装相同的SPAD。类似的情况对于发射单元的发射器元件也是有利的。

发射器元件和传感器元件有利地分别布置在发射单元或接收单元上的芯片上，该芯片也称为发射器芯片和传感器芯片。这种芯片基本上提供了平面表面。然后，该平面表面或其上布置的发射器元件和传感器元件被布置在LIDAR测量系统上相应透镜的焦点处。这种在平面和焦点上的布置也称为焦平面阵列配置FPA。如果所有发射器元件都在发射单元上实现，并且所有传感器元件都在接收单元上实现，这是特别有利的。

具有FPA配置的发射单元和接收单元的LIDAR测量系统优选地被设计成静态的。换句话说，组件安装在固定的位置，使得LIDAR测量系统及其组件不能执行相对运动。这使得LIDAR测量系统具有成本效益，坚固和紧凑。尤其是，LIDAR测量系统也静态地布置在机动车辆上。

传感器元件被组织在宏单元中的接收单元上。每个宏单元具有多个传感器元件，尤其是至少两个传感器元件。有利的是，还可以有更多的传感器元件。传感器元件的数量有利地在五到四十个单位之间。

宏单元被分配给发射单元的发射器元件。这个分配基本上是通过透镜来实现的。发射器元件和传感器元件通过相应的透镜映射到特定的立体角，使得发射器元件和传感器元件监控该立体角。因此，监控与发射器元件相同的立体角的传感器元件被分配给它。因此，宏单元通过它的传感器元件被分配给发射器元件。

发射单元上的发射器元件优选具有平面配置。发射器元件优选以矩阵结构布置在发射单元的发射芯片上，例如以行和列或者以六边形图案布置。宏单元相应地以相同的空间配置布置在接收单元上，使得由发射器元件发射的激光脉冲被成像到相关的宏单元上。

LIDAR测量系统优选地根据扫描程序工作。据此，首先对一系列多对发射器元件和传感器元件的选择执行测量操作。然后对另一系列多对发射器元件和传感器元件执行测量操作。例如，对一行或一排发射器元件及其相关传感器元件执行第一测量操作。然后对另一排或另一行执行相同的测量操作。这意味着与实际相关传感器元件相邻布置的传感器元件不受另一测量操作的影响。

接收单元上的宏单元的传感器元件连接到至少一个读出单元。例如，读出单元可以由时间-数字转换器(也称为TDC)来实现。读出单元读出传感器元件的测量值并将它们存储在存储元件中，该存储元件优选地表示直方图。测量操作优选地根据时间相关单光子计数TCSPC方法来执行。

测量周期基本上从发射单元的发射器元件发射光脉冲开始，并基本上在测量周期到期时结束。该测量周期对应于发射光脉冲到达最大测量范围并返回所需的时间。该光脉冲穿过发射透镜，该透镜将光脉冲导向相应的立体角。在适当的情况下，光脉冲在物体上反射，然后通过接收透镜入射到传感器元件上。

例如，光脉冲的到达时间作为数字值被写入存储元件的直方图。每个检测到的光子都记录在这个直方图中。根据测量系统以及发射和接收单元的配置，该测量周期可以在每次测量中执行一次或多次。在多次通过的情况下，相应地频繁执行所描述的方法。尤其是，在根据TCSPC方法的测量操作中，测量周期被执行多次，例如200次。

使用飞行时间方法，即光脉冲的通过时间，评估单元可以根据测量值确定到物体的距离。测量路径的长度有利地为大约300米，这对应于大约2微秒的激光脉冲的近似传输时间。

一个或多个读出元件可以形成在一个宏单元上。传感器元件相应地连接到该一个(或多个)读出元件。每个传感器元件连接到至少一个读出元件。特别有利的是，一个传感器元件仅连接到单个读出元件。连接意味着读出元件可以读出传感器元件的检测并将来自检测的信息存储在存储元件中。传感器元件只能在它活动时由读出元件读出。特别有利的是，读出元件连接到宏单元的所有传感器元件。然而，这并不排除读出元件还连接到其他宏单元的其他传感器元件的可能性，例如，在测量周期期间不活动的宏单元的传感器元件。

宏单元是一种构造，通常不是基于硬件配置，而是基于控制和评估逻辑来定义的。然而，宏单元可以由特定的硬件配置即传感器元件和读出元件的有意布置和连接来定义。宏单元或其传感器元件有利地覆盖比发射器元件的表面积或入射激光的投射面积更大的面积。这允许补偿由近场和远场效应引起的上述位移。这种位移尤其是由于视差造成的。在这种视差的情况下，位移取决于物体离测量系统的距离。宏单元优选覆盖的面积至少比激光的投射面积或发射器元件的面积大几倍。

传感器元件可以被单独激活和去激活，或者作为分组在一起的多个传感器元件来激活和去激活。第一种变型是特别优选的。分组激活对应于多个传感器元件(优选地是宏单元的子集)的同时激活或去激活。SPAD中的激活和去激活是通过例如升高或降低偏置电压来实现的。去激活的元件不能检测进入的光子，也不能被读出元件读出。入射到活动传感器元件上的光子可以被读出元件读出。

传感器元件的激活和去激活可以是直接的或间接的。在前一种情况下，例如，对于SPAD，施加偏置电压以使其活动。对于去激活，偏置电压相应地降低到阈值以下。在间接激活或去激活的情况下，传感器元件本身一直是活动的，即在前一个示例中，当施加偏置电压时。相反，例如，读出元件被去激活，或者检测到的光子在存储器中的存储被禁止或阻止。

在测量周期期间，传感器元件的至少一个子集在第一时间点被激活。优选地，这些传感器元件都是一个宏单元的一部分。因此，激活宏单元的至少一个传感器元件意味着宏单元也是活动的。第一时间点优选位于测量周期的开始，尤其是在发射器元件发射光脉冲之前、同时或之后。

一旦传感器元件被激活，它们就能检测光子。例如，当发射和反射的激光入射到传感器元件上时，或者当来自环境辐射的光子入射到传感器元件上时，可以进行检测。每个活动传感器元件都增加了背景噪声水平，该背景噪声水平由传感器元件检测到。通过专门激活被照射的传感器元件，可以获得最佳可能的信噪比。然而，随着测量时间的增加，入射激光的位置改变，使得传感器元件仅能够在测量周期的特定时间段内检测发射的激光。

因此，在测量周期内的发生在第一时间点之后的第二时间点，一个或多个传感器元件被激活和/或一个或多个传感器元件被去激活。这些优选地是活动宏单元的传感器元件。这意味着那些能够检测反射激光的传感器元件是活动的。此外，不活动的传感器元件不会导致背景噪声增加。

例如，在测量周期期间，宏单元的所有传感器元件都被激活。对于近场中的测量，反射激光的强度相对较高，因此尽管背景噪声水平高，但入射激光可以容易被检测到。在远场测量中，即在第二时间点，一些传感器元件被去激活，使得背景噪声降低，并且只有能够检测激光的传感器元件是活动的。

尤其是，一个或多个传感器元件可以在第二时间点被激活。替代地，一个或多个传感器元件可以在第二时间点被去激活。在另一个替代方案中，可以同时一个或多个传感器元件被激活且一个或多个其他传感器元件被去激活。除了时间点相同之外，“同时”还包括传感器元件的激活和去激活的序列在时间上接近。

除了例如仅需要单个测量周期的其他方法之外，该方法尤其可以用于执行多个测量周期的TCSPC。

在测量周期的测量时间到期时，传感器元件以及宏单元再次被去激活。在所需数量的测量周期之后，由评估单元评估所得的测量数据。根据检测到的光子的飞行时间，确定物体及其距离。

评估单元可设计为独立组件或接收单元的组成部分。

根据以上陈述，也可以在第三或其他时间点，一个或多个传感器元件被激活和/或一个或多个传感器元件被去激活。

因此，传感器元件的针对性激活和去激活允许对LIDAR测量系统或LIDAR接收单元实现近程检测和远程检测的改进。

例如，这种LIDAR测量系统的常见检测范围是300米，这意味着脉冲到距离300米的物体然后返回的所需传输时间大约为2微秒。

在下文中，解释了该方法的有利实施例。

第一和第二时间点之间的时间间隔的长度特别有利地在50和500纳秒之间，尤其是200纳秒。

时间点之间200纳秒的持续时间大约对应于光脉冲60米的飞行时间，或者30米的测量距离。这代表了很好的比率，以便优化近场检测，同时还能为更长的测量距离保持最佳的信噪比。尤其是，150和350纳秒之间的时间间隔也是特别有利的。

根据测量系统的硬件设计，两个测量范围之间的切换优选发生在指定最大测量范围的5％和50％之间。

有利的是，潜在入射的激光在测量周期的持续时间内在接收单元处经历位移，其中传感器元件形成活动区，并且以活动区跟随该位移的方式被激活和/或去激活。

如上所述，位移是由视差效应引起的。因此，确保至少预期被反射激光照射的传感器元件是活动的。

在一个示例中，接收单元上的预期入射激光点在几行传感器元件上向上移动。在一个变型中，所有的传感器元件于是可以是活动的，其中不再被照射的下半部分在第二时间点被去激活。替代地，从下到上逐行依次去激活单元。也有可能两排始终是活动的，从而依次激活活动排上方的一排，并去激活活动排中的最低一排。

因此，传感器元件并不跟随预期的入射激光点本身，而是激光将到达的那些传感器元件是活动的。

尤其是，这些活动传感器元件形成活动区。该活动区跟随潜在入射激光的位移。该活动区优选由单个宏单元的传感器元件形成。

此外，提出了根据权利要求3所述的用于LIDAR接收单元的改进的近程和远程检测的另一种方法。这种方法也实现了最初陈述的目的。从属权利要求包含对有利实施例的描述。

应用该方法的LIDAR接收单元的基本结构基本上与上述的相同。因此，前面的陈述经适当修改后可以适用于下面描述的方法。测量系统或接收单元之间的差异将在下面详细解释。

这里，同样以焦平面阵列配置实现接收单元和发射单元，焦平面阵列配置的平面被布置在相应透镜的焦点处。此外，宏单元也被分配给发射器元件，或者发射器元件通过相应的透镜映射到接收单元的宏单元上。

接收单元具有多个传感器元件。传感器元件被分配给宏单元，其中宏单元具有至少两个传感器元件。宏单元进一步细分为多个读出单元，至少一个第一读出单元和一个第二读出单元。第一读出单元具有至少一个第一传感器元件和一个第一读出元件，其中至少一个传感器元件连接到第一读出元件。此外，第二读出单元具有至少一个第二传感器元件和一个第二读出元件，其中至少一个第二传感器元件连接到第二读出元件。有利的是，每个读出单元具有多个传感器元件，读出单元的传感器元件的总数对应于较高级宏单元的传感器元件的数量。

如果在读出单元中形成多个传感器元件，则每个传感器元件优选连接到一个读出元件。如果合适，读出单元的所有传感器元件可以连接到相同的读出元件。如果在读出单元中形成多于一个的传感器元件和多于一个的读出元件，则第一传感器元件可以各自连接到专用的第一读出元件或者成组地连接到第一读出元件。这同样适用于第二读出单元及其第二传感器元件及其第二读出元件。一个传感器元件优选连接到一个读出元件，其中读出元件也可以连接到多于一个的传感器元件。读出元件也可以连接到不同宏单元的多于一个的传感器元件。

在测量周期期间，在第一时间点读出单元的至少一个子集被激活。这可以是例如单个读出单元、多个读出单元(如果存在的话)，或者宏单元的所有读出单元。当传感器元件、相关读出元件和存储器单元一起活动时，读出单元是活动的。换句话说，当传感器元件检测到例如来自激光脉冲的入射光子时，读出元件被读出并存储在存储器元件中。例如，可以通过激活和去激活传感器元件以及通过激活和去激活读出单元来控制读出单元。

在测量周期的发生在第一时间点之后的第二时间点，一个读出单元被激活和/或一个读出单元被去激活。因此，一个读出单元可以被激活。替代地，一个读出单元可以被去激活。在另一个替代方案中，一个读出单元被激活，同时另一个读出单元被去激活。可能存在的任何其他读出单元保持其原始状态。

这里提到的时间点以及测量周期基本上对应于关于根据权利要求1所述的方法的上述陈述。因此，上述陈述经适当修改后可适用。

例如，在第一时间点，第一读出单元和第二读出单元被激活，其中在第二时间点，第一读出单元保持活动，而第二读出单元被去激活。这样使得噪声背景较低，从而能够更好地评估测量数据。

每个读出单元只能有一个传感器元件或多个传感器元件是活动的。然而，有利的是，不是读出单元的所有传感器元件都是活动的，而只是其中的一些是活动的。特别有利的是，在测量周期结束时，存储器元件被读出单元填充，然后评估单元根据飞行时间原理确定到被检测物体的距离。

在下文中，描述了该方法的有利实施例。

第一和第二时间点之间的时间间隔的长度特别有利地在150纳秒至500纳秒之间，尤其是200纳秒。

200纳秒的时间段的持续时间大约对应于光脉冲60米的飞行时间。这代表了较好的比率，以便优化近场检测，同时还保持与物体距离更远时的最佳信噪比。尤其是，150和350纳秒之间的时间间隔也是特别有利的。

根据测量系统的硬件设计，两个测量范围之间的切换优选发生在指定最大测量范围的5％和50％之间。

有利的是，潜在入射的激光在测量周期的持续时间内在接收单元处经历位移，其中读出单元形成活动区，并且以活动区跟随该位移的方式被激活和/或去激活。

如上所述，位移是由视差效应引起的。因此，确保至少被预测为被反射激光照射的读出单元是活动的。

在一个示例中，接收单元上的预期入射激光点向上移动穿过几行读出单元元件。在一个变型中，所有读出单元然后可以是活动的，其中不再被照射的下半部分在第二时间点被去激活。替代地，从下到上逐行依次去激活单元。也有可能两排始终是活动的，从而依次地活动的排上方的一排被激活，活动的排中的最低一排被去激活。

因此，读出单元并不跟随预期的入射激光点本身，而是激光将到达的那些读出单元是活动的。

尤其是，这些活动读出单元形成活动区。该活动区跟随潜在入射激光的位移。该活动区优选由单个宏单元的读出单元形成。

除了第一读出单元和第二读出单元之外，还可以类似地形成其他单元，这些单元在相应的另外的时间段中被去激活和/或激活。例如，可以一个接一个地去激活这些单元。

该目的也通过根据权利要求7所述的LIDAR测量系统来实现。

该LIDAR测量系统适用于根据权利要求1至6所述的方法之一，或者根据上述方法中的至少一种方法。这种LIDAR测量系统的物理实施例可以在前面的陈述中找到。

该目的也通过根据权利要求8所述的LIDAR测量系统来实现。

该LIDAR测量系统适用于根据权利要求1至6所述的方法之一，或者根据上述方法中的至少一种方法。这种LIDAR测量系统的结构实施例可以在前面的陈述中找到。

该测量系统具有接收单元，该接收单元具有传感器元件以及其他组件。此外，测量系统有利地具有带有发射器元件的发射单元。测量系统的控制元件现在提供发射器元件和传感器元件的控制。

尤其是，控制元件确保各个元件在正确的时序点被激活和去激活，使得测量操作同步运行。这在一次测量操作中有多个测量周期的情况下尤其重要。这种控制例如由时序发生器形成，该时序发生器提供足够精确的时间测量并精确地指定用于切换元件的时序点。这确保了测量操作在多个测量周期内保持同步，从而获得最佳测量结果。当使用TCSPC方法时，这是特别有利的。

在这种情况下，控制元件可以指定发射器元件和传感器元件的切换时间。替代地，控制元件也可以指定读出单元以及测量系统的其他元件的切换时间。尤其是，控制元件为直方图提供参考时间。

附图说明

下面参考几幅图来解释这些方法的示例。附图中：

图1示出了LIDAR测量系统的示意图；

图2a、图2b示出了具有传感器元件的LIDAR接收单元的细节的示意图；

图3示出了另一配置的LIDAR接收单元的另一变型；

图4示出了测量周期的流程图。

具体实施方式

图1示出了LIDAR测量系统10的示意图。LIDAR测量系统10除了接收单元16和接收透镜18之外，还具有发射单元12和发射透镜14。发射单元12和接收单元16以焦平面阵列配置实现。这意味着发射单元12的发射器元件20和接收单元16的传感器元件22形成在平面表面上。例如，该平面表面可以由芯片形成。此外，单元12和16布置在发射透镜14和接收透镜16的焦平面或焦点处。

发射器元件20优选设计成垂直腔面发射激光器或VCSEL。传感器元件22有利地由单光子雪崩二极管(也称为SPAD)形成。这种配置的优点是不需要移动部件。

发射单元12和接收单元16具有多个发射器元件20或多个传感器元件22，它们由透镜14和18分配给相应的立体角。发射单元和接收单元22各自具有分配给彼此的发射器元件20和传感器元件22。图1示出了一个示例，为了清楚起见放大了，具有两个发射器元件20和两个传感器元件22。在示例图示中，发射单元12仅具有两个发射器元件20a和20b，而接收单元16仅具有两个传感器元件22a和22b。测量系统10中的传感器元件22和发射器元件20的数量通常要高得多。图1基本上可以用来解释视差效应。

在测量周期期间，发射器元件22发射激光，优选地以激光脉冲的形式，该激光通过发射透镜14发射到第一立体角24中。然后，激光脉冲在任何存在的物体上反射，并通过接收透镜18投射到接收单元16上。传感器元件22还通过透镜观察特定的立体角26。

在所示的示例中，角度和纵横比被夸大了。发射器元件20a发射其激光的第一立体角24a具有10度的发散度，并且向上倾斜大约20度。发射器元件20b发射其激光的第一立体角24b没有倾斜，但是也具有10度的发散度。这同样适用于两个传感器元件22a和22b，它们通过具有传感器元件22a的接收透镜18观察到第二立体角26a，该第二立体角在10度的发散度下具有大约20度的向上倾斜，并且传感器元件22b观察到0度的倾斜和10度的发散度的立体角26b。

由于图1的放大表示，很明显立体角24和26之间并不总是有重叠。然而，发射器元件20a被分配给传感器元件22a，发射器元件20b被分配给传感器元件22b。这些立体角在很大的距离上基本上完全重叠。在图1所示的近距范围内，仅示出了小的重叠，并且这也仅发生在区域IV中。在这个近距范围内，不同立体角之间有不同的重叠区域。在第一区域I中，立体角没有重叠。在区域II中，第一立体角24b和第二立体角26a之间第一次出现重叠。如果物体位于离LIDAR测量系统10这个距离处，则接收单元可以检测到反射的激光脉冲。

这同样适用于区域III，其中两个立体角之间仍然存在重叠。重叠在区域II中增加，在区域III中再次减少，在区域III中，重叠在位置2处最大，朝位置3再次减少。立体角24b和26b的重叠从区域IV中的位置3开始，并且在较长的距离处增加到最大重叠。在这个放大的示例性实施例中，朝向位置2并且在区域IV的末端，即在较大的距离，实现了对物体的最佳检测。同样显而易见的是，入射到接收单元16上的激光在物体处被反射，当物体接近时，该激光执行沿着传感器元件22的移动。当物体接近时，投射到接收单元16上的光总是朝向发射单元12移动。在这种情况下，是从传感器元件22b到传感器元件22a。在这个意义上，远距离物体A由传感器元件22b检测，而近场中的物体B由传感器元件22a检测。

在这种测量系统10的特定实施例中，在接收单元16上布置了大体上更多的传感器元件22，使得可以在所有区域上进行连续检测。

因此，发射和反射的激光脉冲由传感器元件22检测，传感器元件22由读出元件28读出，并且所得到的测量数据由评估单元30评估。应用飞行时间原理。在大多数情况下，读出单元28将测量数据临时存储在存储器元件中，评估单元30从该存储器元件接收测量数据。然后，评估的数据可以被传递给车辆的其他组件。

图2a示出了发射单元12和接收单元16。例如，它们一个在另一个上面布置，但是也可以彼此相邻布置。除了发射单元12和接收单元16的发射器元件和传感器元件之外，该图示仅示出了发射单元12和接收单元16的一小部分。发射单元12具有发射器元件20a和20b，接收单元16具有传感器元件22a和22b。传感器元件22被布置在宏单元32中，这里由方框形式的框示出。这里，评估单元30的逻辑细分也对应于例如基于硬件的宏单元32的划分。

接收单元14的传感器元件22比发射单元12的发射器元件20多。这一方面是由于视差效应，另一方面是由于发射器元件20在接收单元16上的映射特性。尤其是，由发射器元件20照射的面积大于传感器元件22的面积。宏单元32由布置在发射器元件的潜在成像区域中的传感器元件22限定。发射器元件20在接收单元16上的成像区域大于发射器元件20本身的表面。这是由于上文所述的效应。

在这种情况下，每个宏单元32具有其自己的独立传感器元件22a和22b。宏单元32a具有传感器元件22a，宏单元32b具有传感器元件22b。然而，传感器元件也可以被分配给几个宏单元。这意味着宏单元可以相互重叠。作为示例，画出圆34，它代表在远距离物体上反射的情况下，发射器元件20a和20b在相应宏单元32a和32b上的理论成像点。此外，虚线圆36被示出作为示例，其示出了近距范围内的成像特性。如上所述，入射到接收单元14上的激光从理论远场位置开始，从远场朝着发射器元件12移动，因此向上移动，因为发射单元12布置在接收单元上方。

图2a中的传感器元件部分用黑色阴影表示，即活动的传感器元件22，或者用阴影线表示，即不活动的传感器元件22。每个传感器元件22可以被单独激活和去激活。在SPAD的情况下，这可以通过提高或降低偏置电压来实现。由于单独激活和去激活的便利性，总是有可能激活预期被激光照射的传感器元件。这能够例如补偿成像误差。

相关宏单元32在测量周期开始时被激活。例如，在测量周期开始时，传感器元件的子集被激活。如果合适，活动宏单元32的所有传感器元件也可以是活动的。尤其是当至少一个相关传感器元件是活动的并且测量数据可以由读出元件28读出时，宏单元32是活动的。读出元件28在图2a和图2b中示出，并且在这种情况下连接到相应宏单元32的所有传感器元件22。

为了改进近场和远场检测，传感器元件22在测量周期的不同时间点被激活和/或去激活，在这种情况下是被去激活。宏单元32的传感器元件22因此可以分成第一传感器元件22x和第二传感器元件22y。如果合适，也可以形成第三或甚至额外的传感器元件。

在测量周期内的第一时间点，优选地在测量周期开始时或开始后不久，宏单元32的第一传感器元件22x和第二传感器元件22y被激活。在图2a中，这由颜色填充表示。活动传感器元件22被完全填充。正是这些活动传感器元件22受到反射激光的最佳照射。仅被部分照射的其他传感器元件被去激活，因此显示为阴影线。这使得能够实现最佳的信噪比，因为只有被照射的传感器元件能够确定有意义的测量值。未被照射或照射差的传感器元件22主要检测会降低信噪比的环境照明，即噪声背景。

通过激活第一和第二传感器元件22x和22y，可以检测到近距范围内的物体。由于物体接近LIDAR测量系统10，所以也可以获得高强度，这可以通过使用多个传感器元件毫无困难地补偿噪声背景的任何增加。随着测量周期持续时间的增加，第一时间段结束，之后第二时间段在第二时间点开始。

在测量周期的第二时间点，第一传感器元件22x保持活动，而第二传感器元件22y被去激活。例如，这可能发生在大约200纳秒之后。这对应于距离大约30米的物体，其中从这个距离开始，可以假设立体角24和26在远场中已经充分重叠。换句话说，随着到物体的距离增加，入射激光脉冲从虚线圆36向圆34移动。

通过去激活现在不再被照射的第二传感器元件22y，可以显著降低背景噪声。这也补偿了反向散射激光强度的降低。

在第一时间段内，传感器元件22x和传感器元件22y对测量有贡献，而在第二时间段内，只有传感器元件22x对测量有贡献。因此，在第一时间段内，传感器元件22x和22y形成活动区。因此，在第二时间段期间，活动区仅包括传感器元件22x。进一步，例如，如果使用第三或第四传感器元件22，则需要相应更多数量的时序点，在这些时序点，传感器元件被依次去激活。

例如，既不是传感器元件22x也不是传感器元件22y的传感器元件22基于校准被去激活。该校准确定例如静态成像误差，例如由于所用透镜的公差或不准确性。这种传感器元件可以在整个测量周期中保持不活动。

图1的附图还示出了控制元件29。该控制单元协调测量周期和测量操作的正确时序顺序。该单元在正确的时间点激活和去激活发射器元件20和传感器元件22。尤其是，这种控制元件29也称为时序发生器。

图4示出了这种测量周期的相应顺序。这是沿着时间轴38绘制的。测量周期从步骤40开始。在步骤42中，第一和第二传感器元件在第一时序点、在测量周期开始时或者稍微偏离测量周期的开始时被激活。在第一时间段38a过去之后，在步骤44中，第二传感器元件在第二时序点被去激活。在第二时间段38b过去之后，测量周期48在步骤46中以剩余的第一传感器元件的去激活而结束。最后，在步骤46中，所有传感器元件被去激活。来自步骤44的第二传感器元件22y的去激活在图2b中示出。显然，只有第一传感器元件22x保持激活，并且传感器元件22y被去激活。

例如，这样的测量周期只能在测量操作期间执行一次。在根据TCSPC程序的测量过程中，这样的测量周期重复多次。

图3示出了另一种变型。LIDAR测量系统10的配置基本上与先前设计变型的LIDAR测量系统10的配置相同。上述陈述经适当修改后，以同样的方式适用。下文将解释差别之处。

宏单元32被分成读出单元50。在这种情况下，宏单元32具有至少一个第一读出单元50a和一个读出单元50b。每个读出单元50具有单独的读出元件28，其连接到读出单元50的传感器元件23。因此，第一读出单元50a的第一传感器元件23a连接到第一读出元件28a，第二读出单元50b的第二传感器元件23b连接到第二读出元件28b。

在该示例性实施例中，为每个读出单元50形成一个读出元件28。然而，根据其他设计变型，还可以在相应的读出单元50中形成另外的读出元件28a和28b。

原则上，第一读出单元50a的读出元件28也可以连接到其他第一读出单元50a的另外的第一传感器元件23a。这同样适用于第二读出单元50b的第二传感器元件23b。

该方法的时序顺序基本上与图2a、图2b和图4以及所附说明的时序顺序相同。然而，激活和去激活的不是传感器元件23本身，而是读出单元50a和50b。因此，在第一时间段中，读出单元50a和50b是活动的，而在第二时间段中，读出单元50b被去激活。

然而，在这种情况下，传感器元件不一定被激活和去激活。读出单元也可以被激活或去激活。这可以通过例如激活或去激活读出元件本身或者通过定义允许读出元件写入存储器的时间窗口来实现。这意味着在第一和/或第二时间段内相应的读出元件仅读出传感器元件的测量数据，并将它们存储在存储器元件中。

在完成测量操作之后，评估单元30使用用于近场的第一和第二传感器元件，并且仅使用用于远场的第一读出单元50a的第一传感器元件23a的测量值，来计算到物体的距离。这也提供了改进的信噪比。

图4可以基本相同地解释。只需要在步骤42、44和46中通过读出单元的激活或去激活来替换传感器元件的激活或去激活。

元件符号

1位置

2位置

3位置

10LIDAR测量系统

12发射单元

14发射透镜

16接收单元

18接收透镜

20a、b发射器元件，VCEL

22a、b传感器元件，SPAD

23a、b传感器元件，SPAD

22x第一传感器元件

22y第二传感器元件

24第一立体角

26第二立体角

28读出元件

28a第一读出元件

28b第二读出元件

29控制元件

30评估单元

32宏单元

32a第一宏单元

32b第二宏单元

34圆

36虚线圆

38时间轴

38a第一时间段

38b第二时间段

40步骤，测量周期开始

42步骤，激活第一和第二传感器元件

44步骤，去激活第二传感器元件

46步骤，去激活第一传感器元件

48步骤，测量周期结束

50读出单元

50a第一读出单元

50b第二读出单元

I第一区域

II第二区域

III第三区域

IV第四区域

A物体

B物体

Claims (8)

1.一种用于LIDAR接收单元(16)的改进的近程和远程检测的方法，

-其中所述接收单元(16)具有多个传感器元件(22)，

-其中所述传感器元件(22)能够直接或间接地被激活和去激活，

-其中在测量周期内的第一时间点，所述传感器元件(22)的至少一个子集被激活，

-其中在所述测量周期内的发生在所述第一时间点之后的第二时间点，一个或多个传感器元件被激活和/或一个或多个传感器元件被去激活。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一时间点和所述第二时间点之间的时间间隔的长度在50至500纳秒之间，尤其是200纳秒。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，潜在的入射激光在所述测量周期的持续时间内在所述接收单元(16)处经历位移，其中所述传感器元件(22)形成活动区，并且以所述活动区跟随该位移的方式被激活和/或去激活。

4.一种用于在LIDAR接收单元(10)处的改进的近程和远程检测的方法，

-其中所述接收单元(16)具有多个传感器元件(22)，

-其中所述宏单元(32)具有至少一个第一读出单元(50a)和一个第二读出单元(50b)，

-其中所述第一读出单元(50a)具有至少一个第一传感器元件(22a)，其连接到第一读出元件(28a)并且

-其中所述第二读出单元(50b)具有至少一个第二传感器元件(22b)，其连接到第二读出元件(28b)，其中

-其中在测量周期内的第一时间点，所述活动宏单元(32)上的读出单元的至少一个子集被激活，

-其中在所述测量周期内的发生在所述第一时间点之后的第二时间点，一个读出单元被激活和/或一个读出单元被去激活。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一时间点和所述第二时间点之间的时间间隔的长度在50至500纳秒之间，尤其是200纳秒。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在所述测量周期的持续时间内，潜在入射激光在所述接收单元(16)处经历位移，其中所述读出单元(50)形成活动区，并且以所述活动区跟随该位移的方式被激活和/或去激活。

7.一种LIDAR测量系统(10)，其使用根据权利要求1至6所述的方法。

8.一种LIDAR测量系统(10)，其包括具有发射器元件(20)的LIDAR发射单元(12)和具有传感器元件(22)的LIDAR接收单元(14)，以及用于在测量操作期间控制传感器元件(22)或读出单元(50)的时间上正确的激活和去激活的控制元件(29)。

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