DE10057392B4

DE10057392B4 - Optisches System

Info

Publication number: DE10057392B4
Application number: DE10057392A
Authority: DE
Inventors: Holger Dipl.-Ing. Schanz
Original assignee: ADC Automotive Distance Control Systems GmbH
Current assignee: ADC Automotive Distance Control Systems GmbH
Priority date: 2000-11-18
Filing date: 2000-11-18
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2020-11-19
Also published as: DE10057392A1

Abstract

1) Optisches System,
mit einer Meßeinheit (3), deren Sendeeinheit (4) zur Entfernungsmessung ein optisches Signal als Sendesignal (13) emittiert und deren Empfangseinheit (5) ein optisches Signal als Reflexionssignal (14) detektiert,
und mit einer Steuereinheit (7), die aufgrund einer Laufzeitmessung des optischen Signals (13, 14) die Entfernung (dz) zwischen einem Bezugsobjekt (1) und sich im Beobachtungsbereich befindlichen Zielobjekten (2) und/oder die Geschwindigkeit der sich im Beobachtungsbereich befindlichen Zielobjekte (2) bestimmt,
wobei die Empfangseinheit (5) mindestens ein Meßelement (9) zur Detektion eines Meßsignals (E1) und mindestens ein mindestens einem Meßelement (9) zugeordnetes, zu den zugeordneten Meßelementen (9) identisches Referenzelement (8) zur Detektion eines Referenzsignals (E2) aufweist,
wobei das Referenzelement (8) und die zugeordneten Meßelemente (9) so in der Meßeinheit (3) angeordnet sind, daß das Referenzelement (8) als Referenzsignal (E2) das Sendesignal (13) detektiert und die zugeordneten Meßelemente (9) als Meßsignal (E1) sowohl das Sendesignal (13) als auch das...

Description

Optische Systeme können zur Bestimmung der Entfernung eines Bezugsobjekts zu bewegten oder ruhenden Objekten (Zielobjekten) und/oder zur Bestimmung der Geschwindigkeit von bewegten oder ruhenden Objekten (Zielobjekten) für unterschiedliche Beobachtungsbereiche (Entfernungsbereiche) eingesetzt werden. Anwendungen finden diese optischen Systeme insbesondere in Beobachtungsbereichen mit geringer Entfernung zwischen dem Bezugsobjekt und den Zielobjekten ("Nahbereich", bsp. je nach Anwendung bis 20 m oder 250 m Entfernung), bsp. zur Erfassung des ein Kraftfahrzeug umgebenden Verkehrsraums, d.h. zur Bestimmung der Entfernung (des Abstands) eines Kraftfahrzeugs als Bezugsobjekt zu vorausfahrenden, nachfolgenden oder entgegenkommenden Fahrzeugen oder sonstigen Reflexionsobjekten und/oder der Geschwindigkeit von vorausfahrenden, nachfolgenden oder entgegenkommenden Fahrzeugen oder sonstigen Reflexionsobjekten. Das von der Sendeeinheit einer Meßeinheit emittierte Sendesignal (dieses wird als optisches Signal insbesondere im infraroten (IR) Spektralbereich oder im sichtbaren Spektralbereich emittiert) wird nach der Reflexion an den sich im Beobachtungsbereich befindlichen Zielobjekten von der Empfangseinheit der Meßeinheit detektiert und dieses optische Signal als Empfangssignal (Reflexionssignal) von einer Steuereinheit (Auswerteeinheit) nach der Signalverarbeitung (Weiterverarbeitung) hinsichtlich der Laufzeit ausgewertet; hieraus kann dann insbesondere die gewünschte Entfernungsinformation und/oder Geschwindigkeitsinformation gewonnen werden. Das Sendesignal kann entweder kontinuierlich emittiert werden ("continuous wave" cw), wobei die Sendefrequenz des Sendesignals variiert (d.h. durch Frequenzmodulation (FM) einen bestimmten Modulationsverlauf aufweist) und gleichzeitig das Empfangssignal detektiert wird oder aber pulsförmig emittiert werden, wobei als Sendesignal Sendepulse mit bestimmter Pulsdauer emittiert und in den Pulspausen zwischen zwei Sendepulsen die Reflexionssignale der vorausgehenden Sendepulse als Empfangssignale detektiert werden.
Bei der Messung durch das optische System und damit für die Bestimmung der Entfernung der Zielobjekte ist einerseits ein hoher Signalpegel (eine hohe Leistung) des Sendesignals erwünscht, andererseits eine hohe Empfindlichkeit für das Empfangssignal (aufgrund der geringen Leistung des Empfangssignals). Hierdurch bedingt sind insbesondere Probleme hinsichtlich des Übersprechens des Sendesignals zur Empfangseinheit, wodurch das Empfangssignal nur stark eingeschränkt oder überhaupt nicht detektiert werden kann. Sendeeinheit und Empfangseinheit müssen daher optisch gut voneinander getrennt werden, was einen hohen Aufwand und hohe Kosten verursacht.

In der Offenlegungsschrift DE 3429062 A1 wird eine Vorrichtung zur Messung der Laufzeit von elektromagnetischen Wellen vorgestellt, bei der ausschließlich von einem Objekt in der Umgebung der Vorrichtung reflektiertes Licht von der Empfangseinheit detektiert wird. Dazu sind Sende- und Empfangseinheit nicht nebeneinander angeordnet, sondern die Sendeeinheit ist rückversetzt zur Empfangseinheit positioniert. Das gesendete Signal passiert am Anfang einer Messstrecke einen Strahlteiler, und wird von einem Objekt am Ende der Messstrecke zurück auf den Strahlteiler reflektiert. Der Strahlteiler ist so ausgerichtet, dass nur der vom Objekt reflektierte Strahl auf den Empfänger umgelenkt wird.

Eine Sende- und Empfangsvorrichtung im sichtbaren Spektralbereich wird in DE 198 55296 C1 beschrieben. In dieser Anordnung verhindert ein undurchsichtiges Rohr, das den Sendestrahl umgibt, ein optisches Übersprechen zwischen Sender und Empfänger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System anzugeben, mit dem eine Bestimmung der Entfernung zwischen einem Bezugsobjekt und Zielobjekten und/oder die Geschwindigkeit von Zielobjekten auf einfache Weise und mit geringen Kosten ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird mit dem optischen System gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des optischen Systems sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.

Beim vorgeschlagenen optischen System wird eine Laufzeitmessung optischer Signale unter Verwendung einer Empfangseinheit durchgeführt, die zwei in Reihe geschaltete identische Empfangselemente aufweist; das eine Empfangselement dient als Meßelement für das Meßsignal, d.h. für das aus einem bestimmten Beobachtungsbereich herrührende Reflexionssignal als externes Empfangssignal, das andere Empfangselement dient als Referenzelement für das Sendesignal. Sendeeinheit und Empfangseinheit werden in der Meßeinheit nicht räumlich und damit auch nicht optisch voneinander getrennt; weiterhin wird das Meßelement so in der Empfangseinheit der Meßeinheit angeordnet, daß es das externe Empfangssignal (und damit das vom Sendesignal herrührende Reflexionssignal) gut detektieren kann und das Referenzelement so in der Empfangseinheit der Meßeinheit angeordnet, daß es kein externes Empfangssignal (und damit kein Reflexionssignal) detektiert kann. Demzufolge wird vom Meßelement als Meßsignal sowohl das Sendesignal als auch das externe Empfangssignal detektiert, vom Referenzelement als Referenzsignal dagegen nur das Sendesignal. Meßelement und zugehöriges Referenzelement werden so miteinander verbunden, daß am Verbindungspunkt der beiden hintereinander geschalteten Empfangselemente (d.h. am Knotenpunkt von Meßelement und zugehörigem Referenzelement) durch Subtraktion der dort anstehenden detektierten Signale Meßsignal und Referenzsignal das Sendesignal eliminiert wird, d.h. als Differenzsignal bleibt das externe Empfangssignal übrig. Falls die Empfangseinheit mehrere Meßelemente als Empfangselemente aufweist, kann für jedes Meßelement ein Referenzelement vorgesehen werden oder es kann mehreren Meßelementen ein Referenzelement zugeordnet werden, wobei Meßelemente und Referenzelement auf geeignete Weise angeordnet und miteinander verbunden werden (bsp. über einen Multiplexer oder eine Sternpunktschaltung), so daß als Differenzsignal das externe Empfangssignal übrigbleibt.

Nach einer Signalverstärkung und Signalwandlung des aus einem bestimmten Entfernungsbereich herrührenden Reflexionssignals als externem Empfangssignal wird das verstärkte und digital gewandelte Empfangssignal weiterverarbeitet und hieraus die gewünschte Information bezüglich der Entfernung und ggf. der Geschwindigkeit der Zielobjekte abgeleitet.

Durch geeignete Maßnahmen wird die Empfangscharakteristik der Meßelemente und der zugeordneten Referenzelemente aneinander angeglichen, so daß das Sendesignal im Meßelement und im zugeordneten Referenzelement den gleichen Signalpegel (die gleiche Amplitude des Empfangssignals) hervorruft; insbesondere wird für das Meßelement und das Referenzelement der gleiche Typ von Empfangselement verwendet, zusätzlich kann ein Abgleich der Empfangscharakteristiken von Meßelement und Referenzelement mit einem vorgegebenen Empfangssignal mit definierter Leistung (Amplitude) erfolgen.

Bsp. sind die im sichtbaren Spektralbereich oder infraroten Spektralbereich arbeitenden Empfangselemente (Meßelement und Referenzelement) als Empfangsdioden (bsp. PIN-Dioden) oder als Fotoempfänger oder als Fototransistoren ausgebildet, die für die Wellenlänge des Sendesignals bzw. des Reflexionssignals als Empfangssignal empfindlich sind. Das Sendesignal wird von mindestens einem Sendeelement einer Sendeeinheit der Meßeinheit im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich emittiert, bsp. von einer Sendediode oder insbesondere von einem Halbleiterlaser.

Vorzugsweise wird zur Entfernungsbestimmung zwischen dem Bezugsobjekt und den Zielobjekten ein Pulsverfahren eingesetzt, d.h. die Ermittlung der Laufzeit von Pulsen als optischem Signal dient als Grundlage zur Entfernungsmessung zwischen dem Bezugsobjekt und den Zielobjekten.

Vorteilhafterweise besitzt das optische System einen einfachen und kompakten Aufbau, da Sendeeinheit und Empfangseinheit in der Meßeinheit nicht optisch und damit nicht räumlich voneinander getrennt werden müssen und somit der ansonsten hierfür benötigte Platzbedarf entfällt; gleichzeitig können die Reflexionssignale (die externen Empfangssignale) gut detektiert werden, wodurch ein zuverlässiger Einsatz des optischen Systems mit einem großen Anwendungsbereich gewährleistet wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel, ein in einem Kraftfahrzeug implementiertes optisches System zur Bestimmung der Entfernung mittels IR-Pulse, im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Hierbei zeigt
1 eine schematische Darstellung des der Entfernungsbestimmung zugrundeliegenden Prinzips mit einem Blockschaltbild des optischen Systems,
2 den zeitlichen Verlauf unterschiedlicher Signale in der Empfangseinheit.
Im Nahbereich eines Kraftfahrzeugs kann die Entfernung und/oder die Geschwindigkeit von im Beobachtungsbereich befindlichen Zielobjekten, d.h. der Abstand zwischen dem eigenen Kraftfahrzeug und vorausfahrenden, entgegenkommenden oder nachfolgenden Fahrzeugen, Personen und sonstigen Reflexionsobjekten und/oder die Geschwindigkeit von vorausfahrenden, entgegenkommenden oder nachfolgenden Fahrzeugen, Personen und sonstigen Reflexionsobjekten, als Basis für Fahrerassistenzsysteme Verwendung finden. Die Entfernung und/oder Geschwindigkeit muß eindeutig und mit hoher Auflösung bestimmt werden: bsp. beträgt der gewünschte Entfernungseindeutigkeitsbereich 10 m, die gewünschte Entfernungsauflösung 0.5 m und die gewünschte Geschwindigkeitsauflösung 1 m/s. Gemäß der 1 wird das optische System aus Meßeinheit 3 (Sendeeinheit 4 und Empfangseinheit 5) und Steuereinheit 7 (Auswerteeinheit) mit den Abmessungen von bsp. 65 mm × 30 mm × 25 mm an einer je nach Anwendungsfall vorgegebenen Position im oder am Kraftfahrzeug 1 implementiert.
In mehreren Meßphasen eines Meßvorgangs wird von der Sendeeinheit 4 der Meßeinheit 3 ein pulsförmiges Sendesignal 13 als optisches Signal im infraroten (IR) Spektralbereich mit der Wellenlänge von bsp. 850 nm emittiert; das durch Reflexion an den sich im durch das Sendesignal 13 erfaßten Entfernungsbereich und Winkelbereich befindlichen Zielobjekten 2 (bsp. den vorausfahrenden Fahrzeugen oder den sich vor dem Bezugsobjekt 1 befindlichen Hindernissen) erhaltene Reflexionssignal 14 wird von der Empfangseinheit 5 der Meßeinheit 3 als analoges Empfangssignal detektiert. Von einer Steuereinheit 7 (die gleichzeitig als Auswerteeinheit fungiert) wird die zeitliche Steuerung der Laufzeitmessungen vorgenommen und das Empfangssignal hinsichtlich der Laufzeit ausgewertet; aus den Reflexionssignalen verschiedener Meßphasen wird die Entfernungsinformation und aus den Reflexionssignalen aufeinanderfolgender Meßvorgänge die Geschwindigkeitsinformation gewonnen, d.h. die Entfernung dz zwischen dem Kraftfahrzeug als Bezugsobjekt 1 und Reflexionsobjekten als Zielobjekt 2 und/oder die Geschwindigkeit der Reflexionsobjekte als Zielobjekt 2.
Die Sendeeinheit 4 der Meßeinheit 3 weist bsp. ein als gepulsten IR-Halbleiterlaser ausgebildetes Sendeelement 6 auf, wobei der IR-Halbleiterlaser ein pulsförmiges Sendesignal 13 mit einer Leistung von bsp. 10 W und einer Wellenlänge von bsp. 850 nm emittiert.
Die Empfangseinheit 5 der Meßeinheit 3 weist zur Detektion des Reflexionssignals 14 bsp. ein Meßelement 9 als Empfangselement auf und ein zum Meßelement 9 identisches Empfangselement als Referenzelement 8. Die beiden identischen Empfangselemente Meßelement 9 und Referenzelement 8 sind bsp. als IR-Empfangsdioden ausgebildet, bsp. als PIN-Dioden, die für die Wellenlänge des Sendesignals 13 bzw. Reflexionssignals 14 als externes Empfangssignal von bsp. 850 nm empfindlich sind. Da die Sendeeinheit 4 der Meßeinheit 3 und die Empfangseinheit 5 der Meßeinheit 3 optisch nicht voneinander getrennt sind, wird das Sendesignal 13 auch in die Empfangseinheit 5 der Meßeinheit 3 eingespeist. Durch eine entsprechende Anordnung von Referenzelement 8 und Meßelement 9 wird gewährleistet, daß nur das Meßelement 9 das Reflexionssignal 14 als externes Empfangssignal detektieren kann; d.h. vom Referenzelement 8 wird als Referenzsignal E2 nur das Sendesignal 13 (Leistung bsp. 10 W) detektiert, vom Meßelement 9 dagegen als Meßsignal E1 die Summe aus Sendesignal 13 (Leistung bsp. 10 W) und Reflexions signal 14 (Leistung bsp. 1 nW). Durch Subtraktion von Meßsignal E1 und Referenzsignal E2 am Verbindungspunkt der beiden hintereinander geschalteten Empfangselemente Referenzelement 8 und Meßelement 9 wird das Differenzsignal ΔE gebildet. In der 2 sind die zeitlichen Verläufe von Meßsignal E1, Referenzsignal E2 und Differenzsignal ΔE (nicht-maßstäblich) dargestellt.
Mittels der der Meßeinheit 3 nachgeschalteten Steuereinheit 7 (Auswerteeinheit) werden die Ergebnisse der Reflexionsmessungen ausgewertet und hieraus die Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten der Zielobjekte 2 abgeleitet und ggf. mittels Plausibilitätsbetrachtungen korrigiert. Hierzu wird von der Verstärkereinheit 10 das Differenzsignal ΔE analog verstärkt und von der Wandlereinheit 11 (bsp. ein A/D-Wandler) in ein digitales Signal gewandelt, das entsprechend ausgewertet wird.
Je nach Anordnung des optischen Systems im Kraftfahrzeug 1 und der Auswertung bzw. Verarbeitung der Meßergebnisse sind unterschiedliche Anwendungen als Fahrerassistenzsystem denkbar.

Claims

1) Optisches System, mit einer Meßeinheit (3), deren Sendeeinheit (4) zur Entfernungsmessung ein optisches Signal als Sendesignal (13) emittiert und deren Empfangseinheit (5) ein optisches Signal als Reflexionssignal (14) detektiert, und mit einer Steuereinheit (7), die aufgrund einer Laufzeitmessung des optischen Signals (13, 14) die Entfernung (dz) zwischen einem Bezugsobjekt (1) und sich im Beobachtungsbereich befindlichen Zielobjekten (2) und/oder die Geschwindigkeit der sich im Beobachtungsbereich befindlichen Zielobjekte (2) bestimmt, wobei die Empfangseinheit (5) mindestens ein Meßelement (9) zur Detektion eines Meßsignals (E1) und mindestens ein mindestens einem Meßelement (9) zugeordnetes, zu den zugeordneten Meßelementen (9) identisches Referenzelement (8) zur Detektion eines Referenzsignals (E2) aufweist, wobei das Referenzelement (8) und die zugeordneten Meßelemente (9) so in der Meßeinheit (3) angeordnet sind, daß das Referenzelement (8) als Referenzsignal (E2) das Sendesignal (13) detektiert und die zugeordneten Meßelemente (9) als Meßsignal (E1) sowohl das Sendesignal (13) als auch das Reflexionssignal (14) detektieren, wobei das Referenzelement (8) und die zugeordneten Meßelemente (9) so miteinander verbunden sind, daß ein Differenzsignal (ΔE) als Differenz des Meßsignals (E1) und des Referenzsignals (E2) gebildet wird, und wobei die Steuereinheit (7) zur Laufzeitmessung das Differenzsignal (ΔE) auswertet.

Optisches System nach Anspruch 1, bei dem das Differenzsignal (ΔE) in der Steuereinheit (7) durch eine Verstärkereinheit (10) verstärkt und durch eine Wandlereinheit (11) in ein digitales Empfangssignal gewandelt wird, und bei dem das digitale Empfangssignal von der Steuereinheit (7) ausgewertet wird.

Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Laufzeitmessung in mehreren aufeinanderfolgenden Meßphasen eines Meßvorgangs durchgeführt wird, in denen durch das mindestens eine Meßelement (9) jeweils die Reflexionssignale (14) aus einem bestimmten Entfernungsbereich detektiert werden.

Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Referenzelement (8) und die zugeordneten Meßelemente (9) als Empfangsdioden ausgebildet sind.

Optisches System nach Anspruch 4, bei dem das Referenzelement (8) und die zugeordneten Meßelemente (9) als PIN-Dioden ausgebildet sind.

Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Sendeeinheit (4) als Sendesignal (13) ein pulsförmiges Signal im infraroten Spektralbereich emittiert.

Optisches System nach Anspruch 6, bei dem die Sendeeinheit (4) einen Halbleiterlaser zur Generierung des Sendesignals (13) aufweist.