发明概述
本发明的目的是改进用于测量距离的方法和设备,使得可以在不改变时间预算的情况下增加最大检测范围,而在不改变检测的可能性的情况下可以降低测量脉冲的峰值功率,并避免了内部或外部脉冲的干扰。
借助于光学测量距离的方法解决了上述目的,在该方法中,在第一发射时间借助于发射单元的发射元件在第一测量间隔期间发射第一多个测量脉冲,在第二发射时间借助于发射单元的发射元件在第二测量间隔期间发射第二多个测量脉冲。反射的测量脉冲在接收时间通过分配给发射元件的接收单元的接收元件来接收。
该方法包括确定每个接收到的测量脉冲的第一飞行时间量。由此通过使用第一发射时间来确定飞行时间。以这种方式确定的时间形成第一数量的飞行时间。为此,优选从每个接收到的测量脉冲的接收时间中减去每个第一发射时间。
以相同的方式确定第二飞行时间量。详细地,该方法包括通过使用第二发射时间来确定每个接收到的测量脉冲的第二飞行时间量,即优选地,从相应的接收到的测量脉冲的接收时间中减去每个第二发射时间。
优选分别相对于相应的测量间隔的开始时间确定发射时间。优选地,关于第一测量间隔的开始时间来确定接收时间。
因此,优选在发射时间考虑接收时间的所有组合。因此,也从接收时间中减去发射时间,该接收时间在时间上比所述接收时间晚。在这种情况下,例如即使发射时间迟于接收时间,(接收时间相对于第一测量间隔的开始时间)大于发射时间(相对于第二测量间隔的开始时间)。然而,可以容易且有效地确定正确的飞行时间。因此可以放弃脉冲的发射和接收序列的困难和复杂的比较。
该方法还包括为接收元件创建至少一个直方图,以及在直方图中输入第一飞行时间量和/或第二飞行时间量。换句话说,可以为每个测量间隔创建至少一个直方图,尤其是恰好一个直方图。测量间隔可以进一步输入到普通的直方图中。可以进一步添加单独创建的直方图,以形成公共直方图。
本发明的方法尤其借助于包括多个发射元件的发射单元和包括多个接收元件的接收单元来实施。发射单元的每个发射元件特别地分配给测量区域的限定的子区域,换言之分配给测量区域的房间元件。接收单元也是如此。测量区域的子区域同样被分配给每个接收元件。这导致在发射单元的发射元件和接收单元的接收元件之间的明确分配。从哪个接收元件因此接收到测量脉冲这一事实,可以得出关于反射对象的反射了测量脉冲的位置的结论。
反射的测量脉冲是先前已发出的测量脉冲,因此其传播方向由于在对象上的反射而发生了变化。反射的测量脉冲因此可以理解为发射的测量脉冲的回波。测量脉冲到其上被反射的对象的飞行时间尤其通过该方法来确定,并且由相应的测量脉冲所覆盖的到对象的距离由所述飞行时间借助光速来确定。
距离的光学测量的特征在于,距离是通过使用光学信号(这里是光学测量脉冲)确定的。术语“距离”应被理解为范围。测量脉冲所覆盖的距离应理解为发射测量脉冲的发射元件与反射了该测量脉冲的对象之间的路径,加上对象与接收到相应反射的测量脉冲的接收元件之间的路径。该方法尤其包括考虑发射元件和接收元件的确切位置,尤其是相对于彼此的确切位置。由于至少一个对象通常是三维对象,因此该对象的某些区域可以布置得更近,而该对象的其他区域可以布置得更远,术语“到对象的距离”是指到对象的至少一个点的范围,即,测量脉冲已经撞击并且所述测量从其上反射的点。飞行时间应理解为上述距离所需的测量脉冲的时间。
该方法优选地用于测量用于车辆的无人驾驶或驾驶辅助的距离。
测量脉冲尤其是电磁信号,尤其是光信号。该信号优选具有不源自人眼可见区域的波长。出于安全原因,优选使用不可见的红外线。由于测量脉冲是电磁信号,因此知道了测量脉冲的速度,因此可以借助光速从测量脉冲的飞行时间得出测量脉冲已经覆盖了哪些路径的结论。
在确定第一飞行时间量时,将以非常特定的方式评估接收到的测量脉冲。因为接收时间与所有可能的发射时间相关,所以进行多次补偿,其中补偿应理解为基于发射时间的直方图中接收到的测量脉冲的接收时间的偏移。换句话说,每个测量脉冲分别通过每个貌似真实的或可能的发射时间进行补偿,从而将所有结果输入到直方图中。
这样,由于接收时间被正确的发射时间所补偿,因此每个测量脉冲仅产生一个“正确的输入”。但是,由于用“不正确的发射时间”,即其他测量脉冲的发射时间补偿了测量脉冲的接收时间,因此也导致多个“不正确的输入”。但是,由于在一个测量区域内发射了多个测量脉冲这一事实,这些发射时间中的哪一个是正确的是未知的。这通过本方法解决。它增加了直方图中的条目,从而“正确补偿”的条目仅在一个位置重叠。由于补偿了“不正确的发射时间”而导致的所有其他飞行时间,另外在该正确位置附近对称地显示为直方图中的干扰。因此,一个测量脉冲的第一飞行时间量和第二飞行时间量包括所有可能的飞行时间,其中只有一个是“正确的”,因为正确的发射时间构成了确定的基础。
因此可以确定到反射了测量脉冲的对象的正确距离。该方法尤其包括基于直方图确定距离,该直方图可以特别地分配给接收元件。这尤其是通过确定存在大多数条目的飞行时间来进行。这尤其对应于“正确的”飞行时间,通过考虑光速根据“正确的”飞行时间,可以很容易地确定距离。
由于发出了多个测量脉冲,但可以明确解决相应的歧义,因此可以在不更改时间预算的情况下增加最大检测范围和/或减小测量脉冲的峰值功率,而同时不会改变检测的可能性。特别地,每时间单位的测量脉冲的增加增加了检测的可能性和信噪比。因此,本发明能够解决时间预算的限制(例如,基于对用于检测具有运动的场景的图像序列的要求)和能量的限制(基于眼睛的安全性)。
在测量间隔内发射的多个测量脉冲也可以理解为脉冲序列。该术语尤其是指测量脉冲的时间序列,其由测量脉冲的数量、其脉冲长度以及测量脉冲之间的时间顺序的脉冲距离确定。然而,在本方法中,如现有技术所知,即使将测量脉冲理解为脉冲序列,也未将单个飞行时间分配给整个脉冲序列。取而代之的是,分别评估每个测量脉冲,并将一个正确的和多个“不正确的飞行时间”分配给该测量脉冲。
第一测量间隔和第二测量间隔尤其不同。它们优选各自具有开始时间和结束时间,其中开始时间和/或结束时间优选地不重合。
第一和/或第二测量间隔优选地具有长度,其中该长度适合于测量区域的单个长度或双倍长度。特别地,测量间隔具有相同的长度,其中,以这样的方式选择测量间隔的长度,即,其对应于测量脉冲一次(即到测量区域的末端)或两次(即到达测量区域的末端并再次返回)完全穿过测量区域所需的时间。
因此,测量间隔的长度对应于发射窗口,在该发射窗口中发射测量脉冲。可以接收测量脉冲的检测间隔可以与相应的,优选地第一测量间隔同时开始。
检测间隔的长度可以进一步对应于测量间隔的长度的两倍或四倍。该方法尤其包括存储测量间隔的发射时间,使得接收时间可以与它们相关。
可以为每个测量间隔分配一个检测间隔。然后,检测区域尤其与随后的,特别是第二测量间隔重叠或完全包围它。
共同的检测间隔可以进一步分配给几个测量间隔,尤其是第一测量间隔和第二测量间隔。然后,检测间隔从第一测量间隔的开始时间开始,并且优选在第二测量间隔或最后一个测量间隔的结束时间后也经过另一个测量间隔的周期之后结束。
第一测量间隔和第二测量间隔由此可以重叠。因此,第二测量间隔的开始点早于第一测量间隔的结束时间。第一测量间隔和第二测量间隔尤其直接彼此跟随。
第一测量间隔和第二测量间隔可以进一步在时间上彼此间隔开,因此不能直接彼此跟随。因此,第二测量间隔的开始时间晚于第一测量间隔的结束时间,由此,检测间隔和第二测量间隔至少重叠。特别地,检测区域总是包括第二测量间隔。这意味着,尽管测量间隔的测量脉冲仍在传播并且由于优选为两倍长的检测间隔而仍可以被检测到,但是在发射新的测量脉冲之后已经可以跟随新的测量间隔。因此,相邻测量脉冲的脉冲序列同时“在空中”。
该方法优选地包括在另外的测量间隔中进行进一步的测量,其中相邻的测量间隔在时间上直接彼此跟随。
直方图尤其包括测量间隔的长度。特别是,直方图中仅输入大于0且小于测量间隔长度的飞行时间。
特别地,在测量间隔中可以发射相同数量的测量脉冲,例如数量为N。由于可以在一个测量间隔中接收在该测量间隔期间发射的测量脉冲以及在先前的测量间隔期间发射的测量脉冲这一事实,可以接收0到2N个测量脉冲,其中N是每个时间间隔发出的测量脉冲的数量。
在测量间隔期间发射的多个测量脉冲中的相邻测量脉冲可以进一步优选地彼此具有随机距离。特别地,第一测量间隔和第二测量间隔或相邻测量间隔的测量脉冲的发射时间可以不同。由于在一个序列中各个测量脉冲的位置的随机性,因此在序列期间对于自身相邻序列的干扰以及来自外部的干扰的评估以及因此距离的确定是鲁棒的。它们分布在直方图上。
由于发射时间的随机性,直方图中的不正确条目也会随机分布,从而使重叠的正确条目清晰可见。
进一步优选地,在第一或第二测量间隔期间发射的多个测量脉冲可以被编码。因此,在第一测量间隔或第二测量间隔中发射的至少两个测量脉冲是不同的,特别是其脉冲形状不同。每个测量脉冲尤其可以与任何其他测量脉冲不同,但是也只能是两个不同的编码状态。测量脉冲的脉冲长度可能会进一步不同。因此,编码状态可以理解为脉冲形状和/或脉冲长度。
如上所述,基于状态,可以创建每个编码状态一个直方图。为此,该方法可以包括存储所发射的测量脉冲的编码状态和确定所接收的测量脉冲的编码状态。对于每个接收到的测量脉冲的第一飞行时间量的确定仅考虑具有相同编码状态的测量脉冲的发射时间。第二飞行时间量也是如此。然后为每个编码状态创建一个独立的直方图,在该直方图中输入相应编码的接收到的测量脉冲的飞行时间。由于测量脉冲已经可以根据其编码状态进行区分,因此各个直方图中的条目因此减少。
测量区域可以优选地分为至少一个短部分、中间部分和远部分。短部分是空间上的下一段,优选地直接与用于执行该方法的设备相邻,而远部分代表最后的段,换句话说,是在测量区域末端的段。中间部分位于短部分与远部分之间。测量区域的前三分之一可以例如代表短部分,中间三分之一可以代表中间部分,而后三分之一可以代表远部分。每个接收元件特别是具有成像区域,特别是感光区域,其中可以将感光区域划分为不同的区域,特别是取决于反射测量脉冲的测量区域的部分。因此,来自短部分、中间部分和远部分的反射测量脉冲在接收元件的不同区域处被接收。
换句话说,存在成像区域的偏移,在该偏移处在接收元件上产生脉冲,即,根据在其上反射了测量脉冲的对象的范围。偏移是由视差误差引起的。
可以将测量间隔的短间隔和接收元件的短区域分配给短部分,可以将测量间隔的中间间隔和接收元件的中间区域分配给中间部分,并且可以将测量间隔的远间隔和接收元件的远区域分配给远部分。这对应于测量间隔的时间部分,相应的飞行时间落入测量间隔的部分中,这些测量间隔的时间部分在范围上变化。测量间隔的前三分之一可以代表短间隔,中间三分之一可以代表中间间隔,最后三分之一可以代表远间隔。
可以分别控制接收元件的成像区域的不同区域。接收元件的短区域可以优选地被形成为比接收元件的中间区域和远区域的敏感度低。这样做的目的是防止短区域“眩目”,例如因为高反射对象位于非常近的范围内。
可以基于第一测量间隔的短间隔、中间间隔和远间隔来控制接收元件的短区域、中间区域和远区域。当且仅当测量在相应的短间隔、中间间隔或远间隔中时,才激活接收元件的不同区域。详细地,在短间隔期间激活短区域,在中间间隔期间激活中间区域,并且在远间隔期间激活远区域。在其他地方,相应的区域被停用。
尤其是仅在第一测量间隔的基础上进行控制,其中,第二测量间隔的测量脉冲的发射对区域的激活没有影响。然而,可能有利的是,在第二测量间隔的相应的短间隔中停用接收元件的所有区域,从而避免眩目。
在第二测量间隔之后可以特别是跟随着第三测量间隔,基于该第三测量间隔来控制区域。因此,每个第二测量间隔优选地分别控制接收元件的区域的激活或停用,而位于它们之间的测量间隔除了在相应的短间隔期间所有区域的停用之外不影响控制。
借助于该方法,特别是对于发射单元的多个发射元件和接收单元的相应接收元件,特别是所有发射元件和接收元件,执行上述步骤。换句话说,多个发射元件在发射时间在测量间隔中发射相应的测量脉冲,并且在每种情况下在接收时间由相应的接收元件接收,其中,在每种情况下针对每个接收元件接收的测量脉冲而确定第一飞行时间量和第二飞行时间量。由此在每种情况下为所有接收元件创建对应的直方图。
在另一方面,本发明涉及用于执行上述方法的设备。因此,该设备形成为执行根据本发明的方法。
该设备尤其包括发射单元和接收单元。发射单元尤其包括发射元件,并且接收单元包括接收元件,尤其是传感器像素。优选地,发射元件和接收元件分别在发射矩阵或接收矩阵处被组合。矩阵尤其可以理解为三维的,尤其是板状的本体,在该三维的本体的一个表面上布置有相应的元件。
该设备尤其是扫描设备,优选是LIDAR传感器。在每种情况下,发射元件优选是激光器,特别是VCSEL。发射元件还可以是激光二极管、光纤激光器或LED。发射元件可以进一步包括可寻址液晶。发射单元可以进一步是光相控阵。发射元件可以单独控制。
接收元件特别是线性或非线性检测器,特别是阵列,优选焦平面阵列,特别是ADP阵列,最优选SPAD阵列的形式。该阵列可以进一步包括基于量子点的量子膜结构。
接收元件可以分别被单独控制或激活。每个接收元件特别地包括不同的区域,特别是用于从测量区域的短部分接收测量脉冲的短区域,用于从测量区域的中间部分接收测量脉冲的中间区域以及用于从测量区域的远部分接收测量脉冲的远区域。可以分别控制或激活不同的区域并对不同的区域进行评估。
进一步优选地,该设备包括至少一个评估单元,该评估单元优选地被形成为确定第一飞行时间量和第二飞行时间量,并创建直方图。评估单元可以进一步被配置为从直方图读取距离。
该设备可以进一步包括控制单元,该控制单元被配置为控制发射单元、接收单元和评估单元。
本发明还涉及计算机程序产品,该计算机程序产品包括计算机可读存储设备,在该计算机可读存储设备上存储有程序,该程序在被加载到计算机的存储器中之后使得计算机能够任选地与上述设备一起执行上述方法。本发明还涉及计算机可读存储设备,在该计算机可读存储设备上存储有程序,该程序在被加载到计算机的存储器中之后使得计算机能够任选地与上述设备一起执行上述方法。
发明详述
在图1中示出了根据本发明的方法100的流程图。
方法100包括在第一发射时间在第一测量间隔10期间发射101第一多个测量脉冲13,以及在第二发射时间在第二测量间隔11期间发射101第二多个测量脉冲13。方法100包括在接收时间借助于分配给发射元件的接收单元的接收元件接收103反射的测量脉冲。
在此,可以预先将接收元件的短区域和相应的测量间隔的短间隔分配给测量区域的短部分。可以将测量间隔的中间间隔和接收元件的中间区域进一步分配给测量区域的中间部分,并且可以将接收元件的远区域和测量间隔的远间隔分配104给测量区域的远部分。可以基于第一测量间隔10的短间隔、中间间隔和远间隔来控制105短区域、中间区域和远区域。
方法100包括针对每个接收到的测量脉冲的第一飞行时间量的确定106和第二飞行时间量的确定107。方法100还包括为接收元件创建108直方图,并且在直方图15中输入第一飞行时间量和/或第二飞行时间量。该方法还可以包括根据直方图15确定109距离。
图2示意性地示出了相对于时间12绘制的两个直接连续的测量间隔,即第一测量间隔10和第二测量间隔11。还示出了与第一测量间隔10同时开始的检测间隔10a,但是其长度是第二测量间隔11的两倍,因此也延伸了第二测量间隔11。检测间隔10a可以分配给第一测量间隔10或两个测量间隔作为共同的检测间隔10a。在图2中清楚地显示了测量间隔的长度30和检测间隔10a的长度31。在每个测量间隔中都会发射三个测量脉冲13,随机选择这三个测量脉冲13的时间间隔。
在图3中以简化的方式示出了在接收到两个测量脉冲13,第一测量脉冲13a和第二测量脉冲13b之后的第一测量间隔10的第一测量的直方图15的创建。图中以简化的方式示出,因为两个测量脉冲13源自相同的测量间隔,并且因为假定在先前的测量间隔中没有发射测量脉冲。换句话说,这是关于时间的第一测量间隔10。
在图3的部分a)中可以清楚地看到两个测量脉冲13的发射时间,即第一测量脉冲13a的第一发射时间14a和第二测量脉冲13b的第二发射时间14b。
从第一测量间隔10的起点开始,在时间12上绘制条目16的直方图15显示在图3的部分b)中。直方图中的位置将在不考虑发射时间的情况下输入,用阴影表示。换句话说,这是两个接收到的测量脉冲的“未校正”测量接收时间,即第一测量脉冲13a的第一接收时间17a和第二测量脉冲13b的第二接收时间17b。
直方图15底部的短箭头表示这些“未校正位置”在第一测量脉冲13a的第一发射时间14a的偏移。上面示出的较长的箭头示出了到第二测量脉冲13b的第二发射时间的相应的偏移19。偏移确保了关于不同发射时间的补偿。换句话说,考虑所有可能的发射时间,因为它们从接收时间中减去了。不输入阴影条目,而输入由补偿确定的其他飞行时间。因此,总体上确定了四个飞行时间,这些飞行时间形成了第一飞行时间量,并且被输入到各个位置。可以清楚地看到两个条目在一个位置上如何重叠,即在每种情况下分别基于第一测量脉冲13a的接收的条目和基于第二测量脉冲13b的接收的条目在一个位置上如何重叠。这标记了正确的飞行时间20,而不正确的飞行时间21围绕直方图15中的正确飞行时间20对称地分布。
在图4中示出第二测量间隔11的第二测量。在部分a)中可以看到第二测量间隔11的第一测量脉冲13c的第一发射时间14c和第二测量间隔11的第二测量脉冲13d的第二发射时间14d。
在图4的部分b)中示出了通过阴影示出的接收时间,即用于第一测量脉冲13c的第一接收时间27a和用于第二测量脉冲13d的第二接收时间27b,如何在直方图中得到补偿。补偿通过相应的偏移进行,即首先通过到第一测量间隔10的第一发射时间14a的相应的偏移18,到第一测量间隔10的第二发射时间14b的偏移19,到第二测量间隔11的第一发射时间14c的偏移28,以及到第二测量间隔11的第二发射时间14d的偏移29。在每种情况下,通过从相应的接收时间中减去相应的发射时间来进行补偿。
再次可以清楚地看到,在每种情况下基于两个测量脉冲的条目在飞行时间的正确位置如何重叠,而所有其他条目在它们周围对称分布。由于补偿了相同测量间隔的测量脉冲的发射时间,因此形成了第一数量,其中与先前测量间隔的发射时间相比,形成了第二飞行时间量。
图3和图4的不同测量值的直方图15示于图5,其中部分a)显示了图3的第一测量间隔10的第一测量的直方图15,而部分b)显示了图4的第二测量间隔11的第二测量的直方图15。
部分c)显示了两个测量的重叠直方图15,这清楚地表明,所有接收到的测量脉冲的条目在每种情况下如何都能在正确的位置处重叠,并且正确的飞行时间20并因此距离如何通过确定最大值,可以通过简单的方式从直方图中读取。
附图标记列表
10第一测量间隔
10a检测间隔
11第二测量间隔
12时间
13测量脉冲
13a第一测量间隔的第一测量脉冲
13b第一测量间隔的第二测量脉冲
13c第二测量间隔的第一测量脉冲
13d第二测量间隔的第二测量脉冲
14a第一测量间隔的第一发射时间
14b第一测量间隔的第二发射时间
14c第二测量间隔的第一发射时间
14d第二测量间隔的第二发射时间
15直方图
16条目
17a第一测量间隔的第一接收时间
17b第一测量间隔的第二接收时间
18到第一测量间隔的第一发射时间的偏移
19到第一测量间隔的第二发射时间的偏移
20正确的飞行时间
21不正确的飞行时间
27a第二测量间隔的第一接收时间
27b第二测量间隔的第二接收时间
28到第二测量间隔的第一发射时间的偏移
29到第二测量间隔的第二发射时间的偏移
30测量间隔的长度
31检测间隔的长度
100方法
101在第一发射时间在第一测量间隔期间发射第一多个测量脉冲
102在第二发射时间在第二测量间隔期间发射第二多个测量脉冲
103在接收时间通过分配给发射元件的接收单元的接收元件接收反射的测量脉冲
104将测量间隔的短间隔和接收元件的短区域分配给测量区域的短部分,将测量间隔的中间间隔和接收元件的中间区域分配给测量区域的中间部分,将测量间隔的远间隔以及接收元件的远区域分配给测量区域的远部分
105基于第一测量间隔的短间隔、中间间隔和远间隔来控制短区域、中间区域和远区域
106确定每个接收到的测量脉冲的第一飞行时间量
107确定每个接收到的测量脉冲的第二飞行时间量
108创建用于接收元件的直方图以及输入第一飞行时间量和/或第二飞行时间量
109根据直方图确定距离