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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laufzeitkalibrierung eines Lidarsensors, der eine gepulste Lichtquelle, eine Detektorfläche mit einer Vielzahl von opto-elektronischen Elementen zum Empfang von an Objekten reflektierten Lichtpulsen der Lichtquelle und zur Umwandlung dieser Lichtpulse in elektronische Signale sowie eine elektronische Auswerteschaltung zur Detektion der Lichtpulse und zur Messung der Laufzeiten derselben aufweist, bei welchem Verfahren die gemessenen Laufzeiten im Hinblick auf die Laufzeiten der elektronischen Signale in der Auswerteschaltung korrigiert werden, indem bei zumindest einzelnen der Lichtpulse ein Teil des Lichts mit einem Strahlteiler an der Lichtquelle ausgekoppelt wird und Detektionszeitpunkte der ausgekoppelten Lichtpulse als Zeitreferenz benutzt werden.
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Stand der Technik
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Lidarsensoren werden beispielsweise in Fahrerassistenzsystemen für Kraftfahrzeuge zur Erfassung des Verkehrsumfelds eingesetzt, beispielsweise zur Ortung von vorausfahrenden Fahrzeugen und anderen Hindernissen.
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Die elektro-optischen Elemente der Detektorfläche sind in einer Zeile oder flächig angeordnet und sind für Licht empfindlich, das aus einer für das jeweilige Element spezifischen Richtung empfangen wurde, so dass man ein eindimensionales oder zweidimensionales Bild erhält. Durch Messung der Laufzeiten der Lichtpulse lassen sich auch die Abstände der reflektierenden Objekte bestimmen, so dass man ein in der Tiefe aufgelöstes zweidimensionales oder dreidimensionales Bild der Umgebung erhält.
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Die gemessenen Signallaufzeiten sind jedoch nicht nur von den Abständen der Objekte abhängig, sondern auch von den Eigenschaften der Auswerteschaltung, da auch die Weiterleitung der elektronischen Signale in der Auswerteschaltung eine gewisse Zeit erfordert, so dass die letztlich gemessenen Detektionszeitpunkte um die Laufzeit der elektronischen Signale in der Auswerteschaltung verzögert sind. Es ist deshalb üblich, bei der Herstellung der Lidarsensoren am Ende der Fertigungslinie eine Kalibrierung vorzunehmen, bei der die Laufzeit der elektronischen Signale bestimmt wird.
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Allerdings können sich die Laufzeiten der elektronischen Signale in der Auswerteschaltung aufgrund von Temperaturänderungen oder Alterungseffekten im Laufe der Zeit verändern. Bei einem bekannten Verfahren werden diese Effekte dadurch erfasst und kompensiert, dass Lichtpulse unmittelbar an der Lichtquelle mit einem Strahlteiler ausgekoppelt und auf eine Referenzfläche gelenkt werden, die ebenso wie die Detektorfläche mit opto-elektronischen Elementen zum Empfang des ausgekoppelten Lichts bestückt sind. Die Detektionszeitpunkte der ausgekoppelten Lichtpulse auf der Referenzfläche können dann als Zeitreferenz benutzt werden, allerdings nur unter der Voraussetzung, dass zwischen der Detektorfläche und der Referenzfläche sowie den zugehörigen elektronischen Verbindungen zur Auswerteschaltung eine hohe Symmetrie besteht, so dass die Laufzeiten der elektronischen Signale von der Detektorfläche und der Referenzfläche hinreichend übereinstimmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine einfachere Laufzeitkalibrierung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Detektorfläche über ein lichtstreuendes System mit dem ausgekoppelten Licht ausgeleuchtet und zur Detektion der ausgekoppelten Lichtpulse benutzt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit keine Referenzfläche benötigt. Über das lichtstreuende System wird die Detektorfläche großflächig beleuchtet, so dass die einzelnen opto-elektronischen Elemente auf der Detektorfläche jeweils zwei Lichtpulse empfangen, nämlich einmal den ausgekoppelten Lichtpuls, der praktisch keine optische Signallaufzeit aufweist, und zum anderen einen Lichtpuls, der an einem Objekt reflektiert wurde und deshalb um eine entsprechende optische Signallaufzeit verzögert ist. Die Detektionszeitpunkte der ausgekoppelten Lichtpulse liefern dann für jedes opto-elektronische Element auf der Detektionsfläche eine Zeitreferenz, die es gestattet, die Laufzeit der elektronischen Signale für jedes einzelne Element zu kompensieren. Auf diese Weise wird eine räumlich hoch aufgelöste Laufzeitkalibrierung mit vergleichsweise wenigen opto-elektronischen Elementen ermöglicht, nämlich nur mit den opto-elektronischen Elementen der Detektorfläche.
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Das Verfahren ermöglicht einen einfachen Aufbau des Lidarsensors, da für die Kalibrierung lediglich der Strahlteiler und das lichtstreuende System benötigt werden. Die Kalibrierung kann bei Bedarf jederzeit aktualisiert werden und kann auch fortlaufend während des laufenden Messbetriebs durchgeführt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Anhand der Signale einer Triggerschaltung für die Lichtquelle, beispielsweise einen Halbleiterlaser, lassen sich die Zeitpunkte, an denen die Lichtpulse emittiert werden, genauer, die Zeitpunkte der ansteigenden Flanken der Lichtpulse, relativ genau bestimmen. Diese Information kann bei der Kalibrierung dazu benutzt werden, ein Zeitfenster festzulegen, innerhalb dessen die Detektion der ausgekoppelten Lichtpulse zu erwarten ist. Auf diese Weise lassen sich die als Zeitreferenz dienenden Detektionssignale von den an den Objekten reflektierten Signalen sowie von Störsignalen, beispielsweise aufgrund der Einstreuung von Fremdlicht, unterscheiden.
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Die Auswerteschaltung enthält elektronische Zeitmesseinrichtungen, beispielsweise sogenannte TDCs (Time to Digital Converter), mit denen die Detektionszeitpunkte pixelweise gemessen werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Lichtquelle in einem Modus betrieben werden, indem sie Doppelpulse emittiert, deren zeitlicher Abstand genau bekannt ist. Durch Vergleich mit dem gemessenen zeitlichen Abstand zwischen den zugehörigen Detektionszeitpunkten kann dann auch eine etwaige Drift der Zeitmesseinrichtungen erkannt und kompensiert werden.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Lidarsensor, der für die Durchführung des oben beschriebenen Kalibrierverfahrens eingerichtet ist.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines Lidarsensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Kalibrierverfahrens;
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3 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Kalibrieren von Zeitmesseinrichtungen; und
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4 eine Skizze eines Lidarsensors gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel.
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Der in 1 gezeigte Lidarsensor weist eine optische Einheit 10 und einen elektronischen Teil mit einer Auswerteschaltung 12 und einer Triggerschaltung 14 für eine Lichtquelle 16, vorzugsweise eine Laser-Lichtquelle wie etwa einen Halbleiterlaser, in der optischen Einheit 10 auf.
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Die optische Einheit 10 weist ein Gehäuse 18 auf, das die Lichtquelle 16 sowie weitere Komponenten der optischen Einheit aufnimmt. Ein von der Lichtquelle 16 erzeugter Laserstrahl 20 wird über einen Strahlteiler 22 in der Form eines teildurchlässigen Spiegels und über ein Austrittsfenster 24 des Gehäuses 18 in die Umgebung emittiert. Üblicherweise wird der Laserstrahl 20 mit Hilfe eines hier nicht gezeigten Ablenksystems periodisch abgelenkt, so dass er einen bestimmten Winkelbereich oder Raumwinkelbereich überstreicht. Wenn der Laserstrahl auf Objekte in diesem Winkelbereich oder Raumwinkelbereich trifft, wird ein Teil des Lichts reflektiert und von einem Objektiv 26 der optischen Einheit 10 empfangen und auf eine Detektorfläche 28 fokussiert, die eine Vielzahl opto-elektronischer Elemente 30 aufweist. Wenn der Laserstrahl 20 nur eindimensional abgelenkt wird, sind die opto-elektronischen Elementen 30 in einer Zeile angeordnet. Wenn der Laserstrahl zweidimensional abgelenkt wird und somit einen gewissen Raumwinkelbereich überstreicht, sind die opto-elektronischen Elemente 30 zweidimensional auf der Detektorfläche 28 angeordnet, so dass man ein zweidimensionales Bild der Umgebung erhält.
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Das an jedem Punkt (Pixel) der Detektorfläche 28 empfangene optische Signal wird durch das dort vorhandene elektro-optische Element 30, beispielsweise ein CCD-Element, in ein elektronisches Signal umgewandelt. Die elektronischen Signale werden an die Auswerteschaltung 12 übermittelt und dort weiter ausgewertet.
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Die Lichtquelle 16 wird durch die Triggerschaltung 14 so angesteuert, dass sie eine Folge kurzer Lichtpulse abgibt, die beispielsweise eine Dauer in der Größenordnung von einigen Nanosekunden haben. Die Auswerteschaltung 12 erhält von der Triggerschaltung 14 Triggerpulse T, die den Beginn jedes Lichtpulses anzeigen. Für jedes opto-elektronische Element 30 weist die Auswerteschaltung 12 einen Auswertungskanal 32 auf, der eine Detektorschaltung 34 zur Detektion des Lichtpulses und mindestens eine Zeitmessschaltung 36 aufweist, mit der beispielsweise der zeitliche Abstand zwischen dem Detektionssignal der Detektorschaltung 34 und dem zugehörigen Triggerpuls gemessen werden kann. Die Detektorschaltung 34 kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass sie das elektronische Signal, das bereits im zugehörigen opto-elektronischen Element 30 digitalisiert worden sein kann, mit einem Schwellenwert vergleicht um so den Beginn eines empfangenen Lichtpulses zu erkennen.
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Da jedoch die Signalweiterleitung und Signalverarbeitung in der Auswerteschaltung 12 eine gewisse Zeit beansprucht, die gegenüber der optischen Signallaufzeit, also der Laufzeit der Lichtpulse von Lidarsensor zum Objekt und zurück zum Lidarsensor, nicht vernachlässigt werden kann, ist eine Kalibrierung hinsichtlich der elektronischen Signallaufzeiten erforderlich. Zu diesem Zweck wird ein Teil des Lichts des gepulsten Laserstrahls 20 mit Hilfe des Strahlteilers 22 ausgekoppelt und auf ein lichtstreuendes System 38 gelenkt, das beispielsweise durch eine Streuscheibe gebildet werden kann. Die Streuscheibe ist so angeordnet, dass sie das vom Strahlteiler 22 ausgekoppelte Licht diffus auf die Detektorfläche 28 lenkt, so dass diese im wesentlichen gleichmäßig ausgeleuchtet wird. Sobald die Lichtquelle 16 einen Lichtpuls emittiert, empfängt somit jedes opto-elektronische Element 30 auf der Detektorfläche 28 praktisch ohne Verzögerung (da die optischen Weglängen innerhalb der optischen Einheit 10 vernachlässigbar klein sind) einen ausgekoppelten Lichtpuls von dem lichtstreuenden System 38. Erst mit einer gewissen Verzögerung, die vom Abstand des jeweils georteten Objekts abhängig ist, trifft dann an demselben opto-elektronischen Element 30 auch der reflektierte Lichtpuls ein. Beide Lichtpulse (bzw. deren ansteigende Flanken) werden von der Detektorschaltung 34 des zugehörigen Auswertungskanals detektiert.
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Der Detektionszeitpunkt des ausgekoppelten Lichtpulses dient als Zeitreferenz für die Laufzeitmessung. Auf diese Weise ist es möglich, die Laufzeitmessungen in allen Auswertungskanälen hinsichtlich der Laufzeit der elektronischen Signale zu korrigieren, wie nachfolgend anhand der 2 näher erläutert werden soll.
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In 2 zeigt die obere Kurve 38 den Verlauf eines einzelnen Pulses des von der Lichtquelle 16 emittierten Laserstrahls als Funktion der Zeit t. Die nächsttiefere Kurve 40 zeigt den zeitlichen Verlauf des zugehörigen Triggerpulses T, wie er in einer der Zeitmessschaltungen 36 empfangen wird. Zwischen den Kurven 38 und 40 besteht ein Zeitversatz tt, der der Signallaufzeit des Triggersignals von der Triggerschaltung 14 zu der betreffenden Zeitmessschaltung 36 entspricht. Die Kurve 42 in 2 gibt die Stärke des von der Detektorschaltung 34 detektierten Signals an.
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Auf der unten in 2 gezeigten Zeitskala markiert ein Zeitpunkt T1 die ansteigende Flanke des Pulses des Laserstrahls, und ein Zeitpunkt T2 markiert die ansteigende Flanke des zugehörigen Triggerpulses. Zu einem noch späteren Zeitpunkt T3 hat die Detektionsschaltung 34 des betreffenden Auswertungskanals den Beginn des ausgekoppelten Lichtpulses detektiert, der über das lichtstreuende System 38 auf die Detektorfläche 28 gelangt ist. Der am Objekt reflektierte und über das Objektiv 26 auf die Detektorfläche fokussierte Lichtpuls wird zum Zeitpunkt T4 detektiert.
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Zum Zeitpunkt T5 endet der durch die Kurve 38 repräsentierte Lichtpuls und damit auch der durch den Strahlteiler 22 ausgekoppelte Lichtpuls, der über die Streuscheibe auf die Detektorfläche gelangt ist. Das Ende dieses Lichtpulses wird jedoch aufgrund der Laufzeit des elektronischen Signals erst zum Zeitpunkt T6 detektiert. Zum Zeitpunkt T7 wird dann auch der Abfall des Lichtpulses detektiert, der vom Objekt zur Detektorfläche 28 zurückgelaufen ist.
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Der zeitliche Abstand zwischen den Zeitpunkten T2 und T3 ist in 2 mit tk bezeichnet. Die Zeit, die das elektronische Signal benötigt, um von der Detektorfläche 28 zum Eingang der Zeitmessschaltung 36 zu gelangen, ist durch den Abstand zwischen den Zeitpunkten T1 und T3 gegeben, hat also die Länge tt + tk. Diese Zeit kann jedoch mit der Zeitmessschaltung nicht direkt gemessen werden. Messbar ist vielmehr nur die Zeit tk zwischen dem Eintreffen des Triggerpulses T und der Detektion des ausgekoppelten Lichtpulses.
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Direkt messbar ist aber auch die Zeit zwischen der Detektion des ausgekoppelten Lichtpulses bei T3 und der Detektion des eigentlichen Ortungssignals, d.h., des am Objekt reflektierten Lichtpulses bei T4. Diese Zeit ist hier mit to bezeichnet und gibt unmittelbar die optische Signallaufzeit an, aus der der Abstand d des Objekts berechnet werden kann: d = cto/2, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.
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Solange ein Teil jedes Lichtpulses mit Hilfe des Strahlteilers 22 ausgekoppelt wird, kann somit die optische Signallaufzeit to direkt gemessen werden, so dass die Kalibrierung hinsichtlich der Laufzeit des elektronischen Signals gleichsam automatisch erfolgt.
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Dazu ist es lediglich erforderlich, dass der Sprung der Kurve 42 bei T3 eindeutig dem ausgekoppelten Lichtpuls zugeordnet werden kann. Die Laufzeit tt des Triggerpulses und die Laufzeit des elektronischen Signals von der Detektorfläche 28 zur Zeitmessschaltung 36 sind zumindest ungefähr bekannt, so dass sich die Differenz tk zwischen diesen Zeitdauern abschätzen lässt. Sobald der Triggerpuls zum Zeitpunkt T2 an der Zeitmessschaltung eintrifft, ist es deshalb möglich, ein Zeitfenster 44 zu bestimmen (zentriert auf den Zeitpunkt T3) innerhalb dessen die ansteigende Flanke des auskoppelten Lichtpulses zu erwarten ist. Wenn dann die Detektorschaltung 34 innerhalb dieses Zeitfensters tatsächlich einen signifikanten Anstieg des empfangenen Signals feststellt, so kann mit großer Sicherheit geschlossen werden, dass es sich dabei um den Beginn des ausgekoppelten Lichtpulses handelt.
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Der zeitliche Abstand zwischen den Zeitpunkten T2 und T4 ist in 2 mit tm bezeichnet. Auch diese Größe tm ist messbar, so dass eine alternative Möglichkeit, die optische Signallaufzeit to zu bestimmen, auch darin besteht, tm und tk zu messen und diese Größen voneinander zu subtrahieren.
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Wenn die Kalibrierung nicht ständig durchgeführt werden soll, sondern nur von Zeit zu Zeit, ist es möglich, den Strahlteiler 22 zu entfernen oder unwirksam zu machen, so dass entsprechend mehr Intensität für den emittierten Laserstrahl 20 zur Verfügung steht. Wenn die Zeit tk einmal gemessen und gespeichert wurde, kann to immer noch als Differenz tm – tk bestimmt werden, auch wenn keine Lichtpulse ausgekoppelt werden und somit der Zeitpunkt T3 nicht detektierbar ist.
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Mit den hier beschriebenen Kalibrierverfahren, ist es beispielsweise möglich Temperaturänderungen des Lidarsensors im Bereich –40 °C bis +100 °C und die dadurch bedingten Laufzeitänderungen zu kompensieren, so dass die Objektabstände mit einer räumlichen Auflösung von einigen cm oder noch höherer Auflösung gemessen werden können.
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3 illustriert eine Möglichkeit, auch die Zeitmessschaltungen 36 in 1 zu testen und erforderlichenfalls zu kalibrieren. Die obere Kurve in 3 illustriert zwei aufeinanderfolgende Lichtpulse 46. Dabei kann es sich um zwei reguläre Lichtpulse der Lichtquelle 16 handeln oder auch um einen speziell zu Testzwecken erzeugten Doppelpuls. Entscheidend ist, dass die Triggerschaltung 14 so ausgebildet ist, dass der zeitliche Abstand td zwischen den Lichtpulsen 46 (zwischen deren ansteigenden Flanken) mit hoher Genauigkeit reproduzierbar und bekannt ist. Die untere Kurve in 3 zeigt zwei zugehörige Pulse 46' in dem elektronischen Signal, das die Detektorschaltung 34 an die Zeitmessschaltung 36 liefert und das durch den Empfang des ausgekoppelten Lichts auf der Detektorfläche 28 verursacht wird. Beide Pulse 46' sind gegenüber den Lichtpulsen 46 um das gleiche Zeitintervall (tt + tk) verzögert. Wenn die Zeitmessschaltung 36 korrekt arbeitet, sollte deshalb der von dieser Zeitmessschaltung gemessene Abstand tdm zwischen den Pulsen 46' gleich dem bekannten Abstand td sein. Wenn dies nicht der Fall ist, so deutet dies auf eine Drift oder einen sonstigen Fehler in der Zeitmessschaltung hin, der durch eine entsprechende Kalibrierung (z.B. Multiplikation mit einem Kalibrierungsfaktor) korrigiert werden kann.
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Sofern die Länge der Lichtpulse 46 genau bekannt ist, kann alternativ auch der zeitliche Abstand zwischen der ansteigenden und der abfallenden Flanke eines einzelnen Pulses geprüft werden.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Lidarsensors mit einem Strahlteiler 22', dessen halbdurchlässiger Spiegel oszillierend schwenkbar ist und somit zugleich den Ablenkspiegel zum Verschwenken des Laserstrahls 20 bilden kann. Die Lichtquelle 16 ist in diesem Fall so angeordnet, dass der in die Umgebung emittierte Laserstrahl am Spiegel reflektiert wird, während der ausgekoppelte Strahl durch den Spiegel hindurchgeht, ohne nennenswert abgelenkt zu werden.
