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Die
Erfindung betrifft ein Testsystem für Lidarsensoren.
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Zum
Testen von Lidarsensoren, insbesondere solcher, die nach dem Laufzeitverfahren
arbeiten, sind folgende Möglichkeiten
bekannt:
- – Test
der Sensoren mit Zielen bestimmter Reflektivität und bekanntem Abstand.
- – Test
der Sensoren durch Einspielung elektrischer Signale in Schaltungsteile.
- – Fahr-
und Flugtests gegenüber
verschiedenen Zielen und in bestimmten Umweltverhältnissen wie
z. B. Nebel starker Regen oder innerhalb von Wolken.
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Alle
diese Verfahren haben den Nachteil, dass insbesondere die Fahrsituationen
und die Umweltbedingungen nicht gut reproduzierbar sind und für die Tests
ein hoher Aufwand erforderlich ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes System
zum Testen von Lidarsensoren anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung basiert auch auf dem Gedanken, ein Testsystem zu erstellen,
das in der Lage ist, synthetische Signale und/oder durch Sensoren
aufgenommene Signale in einen Lidarsensor einzubringen. Die Signale
sind jederzeit wiederholbar und beispielsweise in ihren Zeitabläufen, Amplituden und/oder
ihrer Winkellage veränderbar,
ohne dass ein Eingriff in den zu tes tenden Sensor notwendig ist. Der
Sensor ist dabei vorteilhafterweise über alle Komponenten inklusive
der Software testbar. Dabei soll der Sensor vorzugsweise weder geöffnet noch, beispielsweise
aus dem Fahrzeug oder einem sonstigen Träger, ausgebaut werden müssen.
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Ein
erfindungsgemäßes Testsystem
umfasst eine Triggereinheit, durch welche als Reaktion auf den Empfang
eines Signals eines zu testenden Lidarsensors ein Signalgenerator
derart angesteuert wird, dass durch eine Signalerzeugungseinheit
des Signalgenerators ein, insbesondere hinsichtlich der Leistungsdichte,
der Pulsform, der zeitlichen Zuordnung und/oder dem zeitlichem Pulsabstand
vorgegebenes, synthetisches oder aufgezeichnetes Lichtsignal erzeugt
wird und insbesondere in die Optik eines zu testenden Lidarsensors
eingespeist wird.
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Dadurch
wird erreicht, dass Lidarsensoren durch reproduzierbare optische
Signale getestet werden können.
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Im
Rahmen der Erfindung fallen unter synthetisch erzeugte Signale auch
Signale, die durch einen Pulsgenerator erzeugt werden.
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Vorzugsweise
umfasst das die Signalerzeugungseinheit zur Erzeugung optischer
Signale eine Laserdiode mit nachgeschaltetem Bandpassfilter und Diffuser,
um die Laserdiode auch als Leuchtdiode zu betreiben. Dadurch kann
mit einer einzigen Laserdiode ein sehr hoher Dynamikumfang realisiert
werden.
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Besonders
bevorzugt ist ein Testsystem mit einer Vielzahl von Laserdiodenanordnungen,
die beispielsweise jeweils eine Laserdiode, eine Optik und einen
Bandpassfilter enthalten, durch welche zumindest ein Diffusor bestrahlt
wird. Dadurch können Mehrkanalsensoren
in unterschiedlichen Kanälen oder
Kanalgruppen getestet werden.
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Vorzugsweise
sind Laserdiodenanordnungen der Vielzahl von Laserdiodenanordnungen
hinsichtlich ihrer Leistungsbereiche verschieden. Dadurch kann der
Dynamikbereich weiter vergrößert werden.
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Alternativ
oder ergänzend
dazu sind Laserdiodenanordnungen der Vielzahl von Laserdiodenanordnungen
hinsichtlich ihres Wellenlängenspektrums unterschiedlich.
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Besonders
vorteilhaft ist ein Testsystem, das derart eingerichtet ist, dass
durch diese eine Szene, Begegnungen, Annäherungen und sonstige Verkehrssituationen
simuliert werden. Dadurch können im
zu testenden Sensor gegebenenfalls auch dort installierte Objektzuordnungs-
und Verfolgungsalgorithmen getestet werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die folgenden Figuren näher
erläutert:
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1 zeigt
ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Testsystems samt zu testendem
Sensor;
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2 zeigt
einen Ausschnitt eines vereinfachten Blockschaltbildes eines Testsystems
samt zu testendem Sensor;
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3 zeigt einen Ausschnitt eines vereinfachten
Blockschaltbildes eines Testsystems samt zu testendem Sensor (3a)
samt alternativer Signalerzeugungseinheit (3b);
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4 zeigt
zeitliche Signalverläufe;
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5 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eine Optikeinheit;
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6 zeigt
einen Ausschnitt eines vereinfachten Blockschaltbildes eines Testsystems;
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7 zeigt
einen Ausschnitt eines vereinfachten Blockschaltbildes eines Testsystems
mit mehreren Signalgeneratoren.
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Das
Testsystem umfasst, wie in 1 gezeigt,
einen Signalgenerator 101, in dem eine Sendeeinheit 102 durch
einen D/A-Wandler 103 angesteuert wird. Ein schneller Datenspeicher
(inkl. seiner Zeitsteuerung) 104 wird über einen Mikroprozessor 105 geladen.
Der Mikroprozessor 105 ist mit einem Steuer- und Auswerterechner 115 oder
einem Bus-System 123 über
die Schnittstelle 109 verbunden.
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Der
zu testende Sensor 117, insbesondere ein an sich bekannter
Lidarsensor, besteht im einfachsten Fall aus einem Sender 118,
der über
die Optik 120 abstrahlt, und dem Empfänger 119 mit der Optik 122.
Das Sendesignal des Sensors 117 wird von der Triggereinheit 108 des
Testsystems empfangen und startet die Zeitsteuerung in der Einheit 104 und damit
die Signalausgabe des D/A-Wandlers 103, der die Sendeeinheit 102 ansteuert,
die ihrerseits das in seiner zeitlichen Lage, Impulsform und Leistungsdichte
genau definierbare optische Signal über die Optik 121 auf
die Empfangsoptik 122 des zu testenden Sensors 117 abgibt.
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Da
bei den optischen Abstandssensoren Abstände im Bereich von nahezu 0
m bis über
5000 m vorkommen, und die Signale damit einen Dynamikumfang von
ca. 1:106 aufweisen, und außerdem sehr
schelle Signaländerungen
simuliert werden sollen, soll die Sendeeinheit 102 ohne
sonst übliche
mechanisch schaltbare Dämpfungsglieder
oder sonstige mechanische Vorkehrungen aufgebaut werden. Dies wird
dadurch erreicht, dass, wie in 2 gezeigt, nach
dem schnellen D/A-Wandler 103 mit einer Datenrate im Bereich zwischen
150 MHz und ca. 6 GHz ein entsprechender Stromwandler 201 verwendet wird,
der eine für
CW geeignete Laserdiode 202 ansteuert. Diese Laserdiode
wird bei niedriger Ausgangsleistung als Leuchtdiode betrieben und
bei höherer
Ausgangsleistung als Laserdiode, um einen großen Dynamikbereich zu realisieren.
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Da
beim Betrieb der Laserdiode als Leuchtdiode sowohl das Strahlprofil
als auch die Bandbreite der Wellenlänge anders ist als im Laserbetrieb,
wird beides entsprechend stabilisiert. Die dazu notwendigen Maßnahmen
werden anhand von 2 näher erläutert.
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Die
Laserdiodeneinheit wird entsprechend 1 über die
Einheiten 103 und 104 angesteuert. Die Einheit 102 besteht
aus der Laserdiode 202, vor der ein Bandpassfilter 203 angebracht
ist, um die gewünschte
Bandbreite der Wellenlänge
auch im untersten Bereich des Leuchtdiodenbetriebes zu gewährleisten.
Zur Erzielung einer homogenen Leuchtdichte, über der durch die Optik 121 abgebildeten Fläche, wird
nach dem Bandpassfilter 203 ein Diffusor 204 angebracht.
Die abstrahlende Fläche
wird durch eine Blende 205 begrenzt. Der Diffusor 204 besteht
beispielsweise aus einer Mattscheibe oder einem Material mit Volumenstreuung,
beispielsweise einer Teflonscheibe oder einer Milchglasscheibe oder einem
System aus Fresnel- oder Mikro-Linsen.
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Die
abstrahlende Fläche 204 wird über die Optik 121 auf
den Empfänger 119 des
zu untersuchenden Sensor 117 abgebildet. Zur Eichung der Ausgangsleistung
wird in den Strahlengang 210 nach der Blende 205 ein
halbdurchlässiger
Spiegel 212 angebracht. Dieser kann insbesondere aus einer
reflektierenden Punktematrix bestehen, um von der Wellenlänge unabhängig zu
sein. Mit diesem Spiegel 212 wird ein Teil der Leistung über den
Strahlengang 211 durch die Optik 207 auf den Detektor 208 geleitet.
Dessen Ausgangsstrom wird über
die Verstärkeranordnung 209 auf
die Auswerteschal tung 107 geleitet. Durch die annähernd parallele
Abbildung der Diffusorfläche 204 über die
Optik 121 auf die Empfangsoptik 122 des Empfängers 118 des
Sensors 117 unter Test, wird nach dem Empfängerfilter 214 auf
die Empfangsdiode des Sensors 215 eine über die Flächen und Brennweiten der Optiken 121 und 122 genau
bestimmbare Leistungsdichte erzeugt. Ist der Sensor unter Test 117 so
aufgebaut, dass er über
die gleiche Optik 122 auch sein Sendesignal über beispielsweise
die Laserdiode 219, die Zwischenoptik 218 und
den halbdurchlässigen
Spiegel 217 abgibt, kann der Detektor 208 über eine
schnelle Umschaltung in der Signalkonditionierung 209 auch
als Triggereinheit für
die Zeitsteuerung 104 über
die Verbindung 220 dienen. Das optische Signal gelangt über den
halbdurchlässigen
Spiegel 212, den beispielsweise diffusen Reflektor 206 über die
Optik 211 auf den Detektor 208. Die Bereitschaltung
erfolgt über den
Mikroprozessor 105 über
den Bus 124.
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Die
Sendeeinrichtung 102 kann entsprechend 3a auch
so ausgebildet sein, dass auf den Diffusor 204 mehrere
Leuchtdioden oder Laserdioden 202a, 202b und 202c mit
den entsprechenden Optiken 220a, 220b und 220c,
sowie mit den Bandpassfiltern 203a, 203b und 203c abgebildet
werden. Damit kann entweder durch Verwendung verschiedener Dioden
der Dynamikumfang wesentlich erweitert werden, indem beispielsweise
eine der Dioden mit einem Leistungspulser angesteuert wird und damit Lichtleistungen
im Bereich von 100 W möglich
sind, während
eine andere Diode Leistungen im Bereich von 1 nW abstrahlt.
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Eine
andere Möglichkeit
ist es, einen Signalsimulator mit unterschiedlichen Wellenlängen, beispielsweise
810 nm, 905 nm und 1550 nm, auszuführen, da jede der Dioden eine
spezifische Wellenlänge abstrahlt,
die durch das zugehörige
Bandpassfilter bis herunter zum Leuchtdiodenbetrieb konstant gehalten
wird. In der 3a sind beispielsweise drei solcher
Anordnungen gezeigt. Die Anzahl der Dioden kann auch wesentlich
höher sein.
Auch eine Kombination aus verschiedenen Wellenlängen und Leistungsbereichen
ist möglich.
Dabei können
auch sehr schmalbandige Filter verwendet werden, und die Wellenlängen der
Dioden sehr eng zusammenliegen, um beispielsweise die Wellenlängenabhängigkeit
der Sensoren unter Test zu prüfen.
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Die
Fläche
des Diffusors 204 wird, wie in 2 dargestellt,
durch die Blende 205 begrenzt. Zur Leistungsmessung wird
der halbdurchlässige
Spiegel 212 verwendet, der einen Teil der Ausgangsleistung über die
Optik 207 auf den Detektor 208 abgibt. Die Leistungsmessung
erfolgt wie in 2 dargestellt. Die Abbildung
des Diffusors 204 auf den zu testenden Sensor erfolgt über die
Optik 121. Bei Sensoren unter Test, die die gleiche Optik
für Sender
und Empfänger
benützen,
wird der halbdurchlässige Spiegel 212 zugleich
dazu benützt,
die Ausgangsleistung des Sensors auf den Detektor 222 zu
leiten, der dann das Testsystem triggert.
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Damit
auch Sensoren mit mehreren Kanälen getestet
werden können,
wird alternativ dazu der Diffusor 204, wie in 3b dargestellt, über mehrere Anordnungen
aus Laser-Leuchtdioden 202a, 202b und 202c mit
ihren Optiken 220a, 220b und 220c sowie
den zugehörigen
Filtern 203a, 203b und 203c so angestrahlt,
dass auf dem Diffusor beispielsweise drei verschiedene Flächen 223, 224 und 225 entstehen.
Damit können
die einzelnen Bereiche mit unterschiedlichen Signalen beaufschlagt
werden. Dabei sind die Bandpassfilter identisch in ihrem Durchlassbereich.
Zur Verbesserung der Trennung der einzelnen Bereiche kann vor dem
Diffusor 204 eine weitere Blende 226 eingeführt werden.
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Dadurch,
dass die Signale für
die Simulation im Rechner im Rahmen des Dynamikumfanges frei gewählt werden
können,
sind beispielsweise die in 4 dargestellten
zeitlichen Signalverläufe
erzeugbar. Als Signal kann ein von einem Sensor aufgenommenes Signal
mit der Amplitudendarstellung 301 und dem Abstand oder
der Zeit 302 mit einem Nebelsignal 303 und ei nem
Zielsignal 304 so simuliert werden wie es aufgenommen wurde,
aber auch mit verkleinerter oder vergrößerter Amplitude. Es besteht auch
die Möglichkeit
entsprechend der Amplitudendarstellung 301a und der Zeit 302a das
Nebelsignal 303 in der ursprünglichen Form bis zu Entfernung 305 zu
simulieren. Ab der Entfernung 305 kann entweder aus einem
realen von einem anderen Sensor aufgenommenen Signal oder synthetisch
ein Rauschen 306 sowie ein sehr kleines Zielsignal 307 simuliert
werden. Entsprechend der Amplitudendarstellung 301b und
der Zeit 302b kann aber auch ein reales Signal mit hoher
Amplitude 308 bis zu einem definierten Zeitpunkt 309 simuliert
werden und nach diesem Zeitpunkt 309 mehrere Zielsignale 310, 311 und 312 so
kurz nacheinander abgegeben werden, dass sowohl die Zielseparation
und/oder auch die Empfindlichkeit nach einem Ziel beurteilt werden können. Ein
Vorteil des Systems liegt darin, dass sowohl direkt aufgezeichnete
als auch synthetische Signale oder Kombinationen daraus simuliert
werden können.
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Wird
entsprechend 5 der Abstand der Leucht- und
oder Laserdiode 202 zum Diffusor 401 so groß gewählt, dass
eine große
homogene Streufläche 402 entsteht,
kann eine Blende 403 mit entsprechender Fläche z. B.
mit rechteckiger Form 404 verwendet werden, bei der dann
mehrkanalige Sensoren getestet werden können, wobei die Zuordnung der
Kanäle
durch die Lage des Triggerempfängers 108 erfolgen
kann oder an der Einheit 104 werden mehrere Triggerempfänger nach
der Bauweise 108 angeschlossen.
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Das Übersprechen
zwischen den Kanälen des
Sensors unter Test kann durch Fehlzuordnung der Trigger und Sendeeinheit
getestet werden. Umfasst der zu testende Mehrkanal-Sensor einen
sehr großen
Winkelbereich, können
entsprechend 6 mehrere Simulatoreinheiten,
die über
eine Steuereinheit 506 von einem Rechner 508 gesteuert
werden, den Sensor 117 beaufschlagen, der mit dem Rechner 507 über den
Bus 509 beurteilt wird.
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Dabei
hat, wie in 7 gezeigt, jedes System (beispielsweise 101a)
seinen Triggerempfänger (beispielsweise 108a).
Die optische Trennung der Triggersignale und Empfangssignale am
Sensor 117 wird durch eine Trenn- und Absorptionsplatte 505 zwischen
Sende- und Empfangseinheit erreicht. Die einzelnen Simulationssysteme
beispielsweise 101a, 101b und 101c werden über die
Steuereinheit 506 über
das Bussystem 510 angesteuert. Die Auslösung des Simulationssignals
erfolgt über
den jeweiligen Trigger (beispielsweise 108a) zeitrichtig.
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Dadurch
kann ein großer
Winkelbereich (beispielsweise 501) durch beispielsweise
drei Einheiten mit den Winkelbereichen 502, 503 und 504 aufgeteilt werden.
Durch diese Erweiterung ist bei allen Sensoren die Analyse ihrer
Funktion mit unterschiedlichen Amplituden, Impulsformen und überlagertem
Rauschen möglich.
Die entsprechenden Laserdioden 202 können neben dem Strom, der die
Signale und das Rauschen darstellt, im Rahmen der Simulation auch
mit einem kontinuierlichen Strom angesteuert werden. Damit wird
dem Signal ein Gleichlichtanteil überlagert, der im Sensor unter
Test ein erhöhtes Rauschen
erzeugt. Neben der Untersuchung der einzelnen Sensoren mit einem
oder mehreren Kanälen im
Hinblick auf ihre Funktion des Analogteils und der Auswertealgorithmen
ist durch Darstellung der Ziele in ihrer Annäherung pro Kanal und durch
die Darstellung des Überganges
in den nächsten
Kanal auch die Prüfung
entsprechender Trackingalgorithmen möglich.