DE102016011299A1

DE102016011299A1 - Codierte Laserlicht-Pulssequenzen für LIDAR

Info

Publication number: DE102016011299A1
Application number: DE102016011299.9A
Authority: DE
Inventors: Florian Petit
Original assignee: Blickfeld GmbH
Current assignee: Blickfeld GmbH
Priority date: 2016-09-19
Filing date: 2016-09-19
Publication date: 2018-03-22
Also published as: JP2019529916A; WO2018050906A2; US20190353787A1; EP3516418A2; WO2018050906A3

Abstract

Ein Laserscanner (101) mit mindestens einer Laserlichtquelle und einem Detektor ist eingerichtet, um einen codierten ersten Pulszug (201, 202) und einen codierten zweiten Pulszug (201, 202) zu senden. Ein Bildpunkt eines LIDAR-Bilds wird basierend auf dem ersten Pulszug (201, 202) und dem zweiten Pulszug (201, 202) bestimmt. Es können CDMA-Techniken eingesetzt werden, um die Pulszüge in Messsignalen des Detektors zu erkennen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verschieden Beispiele der Erfindung betreffen eine Vorrichtung mit einer Recheneinheit, die eingerichtet ist, um einen ersten Pulszug und einen zweiten Pulszug von Laserlicht zu erkennen, um jeweils einen zugehörigen Entfernungswert eines Umfeldobjekts zu erhalten. Manche Beispiele betreffen LIDAR-Techniken.
HINTERGRUND
Die Entfernungsmessung von Objekten ist in verschiedenen Technologiefeldern erstrebenswert. Zum Beispiel kann es im Zusammenhang mit Anwendungen des autonomen Fahrens erstrebenswert sein, Objekte im Umfeld von Fahrzeugen zu erkennen und insbesondere einen Abstand zu den Objekten zu ermitteln.
Eine Technik zur Entfernungsmessung von Objekten ist die sogenannte LIDAR-Technologie (engl. Light detection and ranging; manchmal auch LADAR). Dabei wird gepulstes Laserlicht von einem Emitter ausgesendet. Die Objekte im Umfeld reflektieren das Laserlicht. Diese Reflexionen können anschließend gemessen werden. Durch Bestimmung der Laufzeit des Laserlichts kann ein Abstand zu den Objekten bestimmt werden.
Um die Objekte im Umfeld ortsaufgelöst zu erkennen, kann es möglich sein, das Laserlicht zu scannen. Je nach Abstrahlwinkel des Laserlichts können dadurch unterschiedliche Objekte im Umfeld erkannt werden.
In manchen Anwendungsfällen werden LIDAR-Techniken in Fahrzeugen, beispielsweise Personenkraftfahrzeugen, eingesetzt. Damit können zum Beispiel Techniken des autonomen Fahrens implementiert werden. Im Allgemeinen sind verschiedene Fahrerassistenzfunktionalitäten basierend auf LIDAR-Daten mit Abstands- bzw. Tiefeninformation denkbar.
Bei der Anwendung im Straßenverkehr oder generell im Umfeld mit Personen kann es erforderlich sein, bestimmte Erfordernisse an die Augensicherheit einzuhalten. Deshalb kann die Leistung des Laserlichts begrenzt sein. Außerdem kann es erforderlich sein, besonders kleine und kostengünstige Laserlichtquellen zu verwenden, beispielsweise Festkörper-Laserdioden. Auch deshalb kann die Leistung des Laserlichts begrenzt sein. Außerdem kann es signifikante Hintergrundstrahlung geben, z. B. durch die tiefstehende Sonne, etc.
Weil die Leistung des Laserlichts oftmals begrenzt ist, kann bei weiter entfernt angeordneten Umfeldobjekten die Intensität des reflektierten Laserlichts stark abnehmen. Deshalb kann die Entfernung, in der Umfeldobjekte noch basierend auf LIDAR-Techniken gemessen werden können (Messentfernung), limitiert sein und z. B. im Bereich von 100–300 m liegen.
Andererseits kann es aber im Zusammenhang mit Fahrerassistenzfunktionalitäten bei hohen Geschwindigkeiten erstrebenswert sein, eine besonders hohe Messentfernung bereitzustellen.
Zum Beispiel sind aus KIM, Gunzung; EOM, Jeongsook; PARK, Yongwan. A hybrid 3D LIDAR imager based on pixel-by-pixel scanning and DS-OCDMA. In: SPIE OPTO. International Society for Optics and Photonics, 2016. S. 975119–975119-8 theoreitische Betrachtungen bekannt, um pro Bildpunkt eines LIDAR-Bilds jeweils einen eindeutig codierten Pulszug zu verwenden. Solche Techniken benötigen aber besonders lange Pulszüge und ermöglichen nicht das Erhöhen der Messentfernung.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken zur Entfernungsmessung von Objekten basierend auf Laserlicht. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, die zumindest einige der oben genannten Einschränkungen und Nachteile lindern oder beheben.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
In einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung einen Laserscanner. Der Laserscanner weist mindestens eine Laserlichtquelle und einen Detektor auf. Der Laserscanner ist eingerichtet, um Laserlicht in verschiedene Winkelbereiche zu senden. Weiterhin ist der Laserscanner eingerichtet, um reflektiertes Laserlicht zu detektieren. Die Vorrichtung umfasst auch eine Recheneinheit, die eingerichtet ist, um den Laserscanner anzusteuern, um einen codierten ersten Pulszug des Laserlichts zu senden und um mindestens einen codierten zweiten Pulszug des Laserlichts zu senden. Die Recheneinheit ist weiterhin eingerichtet, um den ersten Pulszug in Messsignalen des Detektors zu erkennen und derart einen ersten Entfernungswert eines Umfeldobjekts zu erhalten. Die Recheneinheit ist auch eingerichtet, um den mindestens einen zweiten Pulszug in den Messsignale des Detektors zu erkennen und um derart mindestens einen zweiten Entfernungswert des Umfeldobjekts zu erhalten. Die Recheneinheit ist weiterhin eingerichtet, um einen mit einem bestimmten Winkelbereich assoziierten Bildpunkt eines LIDAR-Bilds basierend auf dem ersten Entfernungswert und dem mindestens einen zweiten Entfernungswert zu bestimmen.
In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Senden eines codierten ersten Pulszugs von Laserlicht und das Senden mindestens eines codierten zweiten Pulszugs von Laserlicht. Das Verfahren umfasst auch das Erkennen des ersten Pulszugs in Messsignalen, um derart einen Entfernungswert eines Umfeldobjekts zu erhalten. Das Verfahren umfasst auch das Erkennen des mindestens einen zweiten Pulszugs in den Messsignalen, um derart einen zweiten Entfernungswert des Umfeldobjekts zu erhalten. Das Verfahren umfasst auch das Bestimmen eines Bildpunkts eines LIDAR-Bilds basierend auf dem ersten Entfernungswert und dem mindestens einen zweiten Entfernungswert.
In einem Beispiel umfasst ein Computerprogramm-Produkt Steueranweisungen, die von einem Prozessor ausgeführt werden können. Ausführen der Steueranweisungen bewirkt, dass der Prozessor ein Verfahren ausführt. Das Verfahren umfasst das Senden eines codierten ersten Pulszugs von Laserlicht und das Senden mindestens eines codierten zweiten Pulszugs von Laserlicht. Das Verfahren umfasst auch das Erkennen des ersten Pulszugs in Messsignalen, um derart einen Entfernungswert eines Umfeldobjekts zu erhalten. Das Verfahren umfasst auch das Erkennen des mindestens einen zweiten Pulszugs in den Messsignalen, um derart einen zweiten Entfernungswert des Umfeldobjekts zu erhalten. Das Verfahren umfasst auch das Bestimmen eines Bildpunkts eines LIDAR-Bilds basierend auf dem ersten Entfernungswert und dem mindestens einen zweiten Entfernungswert.
In einem Beispiel umfasst ein Computerprogramm Steueranweisungen, die von einem Prozessor ausgeführt werden können. Ausführen der Steueranweisungen bewirkt, dass der Prozessor ein Verfahren ausführt. Das Verfahren umfasst das Senden eines codierten ersten Pulszugs von Laserlicht und das Senden mindestens eines codierten zweiten Pulszugs von Laserlicht. Das Verfahren umfasst auch das Erkennen des ersten Pulszugs in Messsignalen, um derart einen Entfernungswert eines Umfeldobjekts zu erhalten. Das Verfahren umfasst auch das Erkennen des mindestens einen zweiten Pulszugs in den Messsignalen, um derart einen zweiten Entfernungswert des Umfeldobjekts zu erhalten. Das Verfahren umfasst auch das Bestimmen eines Bildpunkts eines LIDAR-Bilds basierend auf dem ersten Entfernungswert und dem mindestens einen zweiten Entfernungswert.
In einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung einen Laserscanner. Der Laserscanner mindestens umfasst zwei Laserlichtquellen und einen Detektor. Der Laserscanner ist eingerichtet, um Laserlicht in verschiedene Winkelbereich zu senden und um reflektiertes Laserlicht zu detektieren. Die Vorrichtung umfasst auch eine Recheneinheit, die eingerichtet ist, um einen codierten ersten Pulszug von Laserlicht einer ersten Laserlichtquelle zu senden und um einen codierten zweiten Pulszug von Laserlicht einer zweiten Laserlichtquelle zu senden. Das Senden des ersten Pulszugs und des zweiten Pulszugs erfolgt zumindest teilweise zeitparallel. Die Recheneinheit ist außerdem eingerichtet, um den ersten Pulszug in Messsignalen des Detektors zu erkennen und derart einen ersten Entfernungswert für Umfeldobjekte zu erhalten. Die Recheneinheit ist ferner eingerichtet, um den zweiten Pulszug in den Messsignalen zu erkennen und derart einen zweiten Entfernungswert für Umfeldobjekte zu erhalten. Die Recheneinheit ist eingerichtet, um einen ersten Bildpunkt eines LIDAR-Bilds basierend auf dem ersten Entfernungswert zu bestimmen und um einen zweiten Bildpunkt des LIDAR-Bilds basierend auf dem zweiten Entfernungswert zu bestimmen.
Beispielsweise können verschiedenen Laserlichtquellen Laserlicht derselben Frequenz aussenden. Mittels solcher Techniken kann das Erfassen der Messsignale für unterschiedliche Winkelbereiche im Coderaum gemultiplext werden. Es kann derselbe Detektor für unterschiedliche Bildpunkte zeitparallel Messsignale erfassen. Außerdem kann lediglich ein besonders schmalbandiger Wellenlängenfilter zur Unterdrückung von Umgebungslicht verwendet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 illustriert schematisch eine Vorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen mit einem Laserscanner und einer Recheneinheit.
2 illustriert schematisch den Laserscanner gemäß verschiedener Ausführungsformen.
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsformen.
4 illustriert schematisch das Senden von Laserlicht in verschiedene Winkelbereiche mittels einer Umlenkeinheit des Laserscanners gemäß verschiedener Ausführungsformen.
5 illustriert schematisch ein LIDAR-Bild mit mehreren Bildpunkten gemäß verschiedener Ausführungsformen.
6 illustriert schematisch einen ersten Pulszug und einen zweiten Pulszug jeweils mit mehreren Pulsen des Laserlichts gemäß verschiedener Ausführungsformen.
7 illustriert schematisch einen ersten Pulszug und einen zweiten Pulszug jeweils mit mehreren Pulsen des Laserlichts gemäß verschiedener Ausführungsformen.
8 illustriert schematisch einen ersten Pulszug und einen zweiten Pulszug jeweils mit mehreren Pulsen des Laserlichts gemäß verschiedener Ausführungsformen.
9 illustriert schematisch einen Detektor in Form eines Einzelphotonen-Lawinendioden-Arraydetektors gemäß verschiedener Ausführungsformen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
Nachfolgend werden verschiedene Techniken zum Scannen von Laserlicht beschrieben. Die nachfolgend beschriebenen Techniken können zum Beispiel das eindimensionale oder zweidimensionale Scannen von Laserlicht ermöglichen. Das Scannen kann wiederholtes Aussenden des Laserlichts unter unterschiedlichen Abstrahlwinkeln bzw. Winkelbereichen bezeichnen. Das wiederholt Umsetzen eines bestimmten Winkelbereichs kann eine Wiederholrate des Scannens bestimmen. Die Menge der Winkelbereiche kann einen Scanbereich bzw. einen Bildbereich definieren. Das Scannen kann das wiederholte Abtasten von unterschiedlichen Scanpunkten in der Umgebung mittels des Laserlichts bezeichnen. Für jeden Scanpunkt können Messsignale ermittelt werden.
Zum Beispiel kann kohärentes oder inkohärentes Laserlicht verwendet werden. Es wäre möglich, polarisiertes oder unpolarisiertes Laserlicht zu verwenden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das Laserlicht gepulst verwendet wird. Zum Beispiel können kurze Laserpulse mit Pulslängen im Bereich von Femtosekunden oder Pikosekunden oder Nanosekunden verwendet werden. Die Maximalleistung einzelner Pulse kann im Bereich von 50 W–150 W liegen, insbesondere für Pulslängen im Bereich von Nanosekunden. Beispielsweise kann eine Pulsdauer im Bereich von 0,5–3 Nanosekunden liegen. Das Laserlicht kann eine Wellenlänge im Bereich von 700–1800 nm aufweisen. Als Laserlichtquelle kann zum Beispiel eine Festkörper-Laserdiode verwendet werden. Beispielsweise könnte als Laserlichtquelle die Diode SPL PL90_3 der Firma OSRAM Opto Semiconductors GmbH, Leibnizstraße 4, D-93055 Regensburg oder eine vergleichbare Festkörper-Laserdiode verwendet werden.
In verschiedenen Beispielen ist der Scanbereich eindimensional definiert. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass der Laserscanner das Laserlicht mittels einer Umlenkeinheit nur entlang einer einzigen Scanachse scannt. In anderen Beispielen ist der Scanbereich zweidimensional definiert. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass der Laserscanner das Laserlicht mittels der Umlenkeinheit entlang einer ersten Scanachse und entlang einer zweiten Scanachse scannt. Die erste Scanachse und die zweite Scanachse sind dabei verschieden voneinander. Beispielsweise könnten die erste und zweite Scanachse orthogonal zueinander orientiert sein.
In manchen Beispielen kann ein zweidimensionaler Scanbereich durch eine einzige Umlenkeinheit mit zwei oder mehr Freiheitsgraden der Bewegung implementiert werden. Dies kann bedeuten, dass eine erste Bewegung der Umlenkeinheit gemäß der ersten Scanachse und eine zweite Bewegung der Umlenkeinheit gemäß der zweiten Scanachse beispielsweise durch einen Aktuator bewirkt wird, wobei die erste Bewegung und die zweite Bewegung örtlich und zeitlich überlagert sind.
In anderen Beispielen kann der zweidimensionale Scanbereich durch mehr als eine einzige Umlenkeinheit implementiert werden. Dann wäre es zum Beispiel möglich, dass für zwei Umlenkeinheit jeweils ein einziger Freiheitsgrad der Bewegung angeregt wird. Das Laserlicht kann zunächst von einer ersten Umlenkeinheit abgelenkt werden und dann von einer zweiten Umlenkeinheit abgelenkt werden. Die beiden Umlenkeinheiten können also im Strahlengang hintereinander angeordnet sein. Dies bedeutet, dass die Bewegungen der beiden Umlenkeinheit nicht örtlich überlagert sind. Zum Beispiel kann ein entsprechender Laserscanner zwei beabstandet voneinander angeordnete Spiegel oder Prismen aufweisen, die jeweils individuell verstellt werden können.
In verschiedenen Beispielen ist es möglich, dass der Laserscanner unterschiedliche Freiheitsgrade der Bewegung zum Scannen des Laserlichts resonant betreibt. Ein solcher Laserscanner wird manchmal auch als resonanter Laserscanner bezeichnet. Insbesondere kann ein resonanter Laserscanner verschieden sein von einem Laserscanner, der zumindest einen Freiheitsgrad der Bewegung schrittweise (engl. stepped) betreibt. In manchen Beispielen wäre es zum Beispiel möglich, dass eine erste Bewegung – die einer ersten Scanachse entspricht – und eine zweite Bewegung – die einer zweiten Scanachse entspricht, die verschieden von der ersten Scanachse ist – jeweils resonant bewirkt werden.
In verschiedenen Beispielen wird zum Scannen des Laserlichts ein bewegliches Ende einer Faser als Umlenkeinheit verwendet. Beispielsweise können Lichtfasern verwendet werden, die auch als Glasfasern bezeichnet werden. Dabei ist es aber nicht erforderlich, dass die Fasern aus Glas hergestellt sind. Die Fasern können zum Beispiel aus Kunststoff, Glas oder einem anderen Material hergestellt sein. Beispielsweise können die Fasern aus Quarzglas hergestellt sein. Beispielsweise können die Fasern ein 70 GPa Elastizität-Modul aufweisen oder ein Elastizität-Modul im Bereich von 40 GPa–80 GPa, vorzugsweise im Bereich 60–75 GPa.. Beispielsweise können die Fasern bis zu 4% Materialdehnung ermöglichen. In manchen Beispielen weisen die Fasern einen Kern auf, in welchem das eingespeiste Laserlicht propagiert und durch Totalreflektion an den Rändern eingeschlossen ist (Lichtwellenleiter). Die Faser muss aber keinen Kern aufweisen. In verschiedenen Beispielen können sogenannte Einmoden-Lichtfasern (engl. single mode fibers) oder Mehrmoden-Lichtfasern (engl. multimode fibers) verwendet werden. Die verschiedenen hierin beschriebenen Fasern können zum Beispiel einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es wäre zum Beispiel möglich, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Fasern einen Durchmesser aufweisen, der nicht kleiner als 50 μm ist, optional nicht < 150 μm ist, weiter optional nicht < 500 μm ist, weiter optional nicht < 1 mm ist. Der Durchmesser kann aber auch < 1 mm sein, optional < 500 μm, weiter optional kleiner 150 μm. Zum Beispiel können die verschiedenen hierin beschriebenen Fasern verbiegbar bzw. krümmbar ausgestaltet sein, d. h. flexibel. Dazu kann das Material der hierin beschriebenen Fasern eine gewisse Elastizität aufweisen.
Beispielsweise könnte das bewegliche Ende der Faser in einer oder zwei Dimensionen bewegt werden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das bewegliche Ende der Faser gegenüber einer Fixierstelle der Faser verkippt wird; dies resultiert in einer Krümmung der Faser. Dies kann einem ersten Freiheitsgrad der Bewegung entsprechen. Alternativ oder zusätzlich wäre es möglich, dass das bewegliche Ende der Faser entlang der Faserachse verdreht wird (Torsion). Dies kann einem zweiten Freiheitsgrad der Bewegung entsprechen. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen ist es jeweils möglich, eine Torsion des beweglichen Endes der Faser alternativ oder zusätzlich zu einer Krümmung des beweglichen Endes der Faser zu implementieren. In anderen Beispielen könnten auch andere Freiheitsgrade der Bewegung implementiert werden. Durch das Bewegen des beweglichen Endes der Faser kann erreicht werden, dass Laserlicht unter verschiedenen Winkeln abgestrahlt wird. Dadurch kann ein Umfeld mit dem Laserlicht gescannt werden. Je nach Amplitude der Bewegung des beweglichen Endes können unterschiedlich große Scanbereiche implementiert werden.
In verschiedenen Beispielen kann am beweglichen Ende der Faser mindestens ein optisches Element angebracht sein, beispielsweise ein Spiegel, ein Prisma und/oder eine Linse, wie etwa eine Linse mit Gradientenindex (GRIN-Linse). Mittels des optischen Elements ist es möglich, dass Laserlicht aus der Laserlichtquelle umzulenken. Beispielsweise könnte der Spiegel durch einen Wafer, etwa einen Silizium-Wafer, oder ein Glassubstrat implementiert sein. Beispielsweise könnte der Siegel eine Dicke im Beriech von 0,05 μm–0,1 mm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke von 25 μm oder 50 μm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke im Bereich von 25 μm bis 75 μm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel quadratisch, rechtecksförmig, elliptisch oder kreisförmig ausgebildet sein.
Beispielsweise könnte der Spiegel einen Durchmesser im Bereich von 3 mm bis 6 mm aufweisen.
In verschiedenen Beispielen können LIDAR-Techniken angewendet werden. Die LIDAR-Techniken können dazu genutzt werden, um eine ortsaufgelöste Entfernungsmessung von Objekten im Umfeld durchzuführen. Zum Beispiel kann die LIDAR-Technik Laufzeitmessungen des gepulsten Laserlichts zwischen dem beweglichen Ende der Faser, dem Objekt und einem Detektor umfassen. Alternativ oder zusätzlich könnten auch Techniken der strukturierten Beleuchtung verwendet werden.
In verschiedenen Beispielen kann die LIDAR-Technik im Zusammenhang mit einer Fahrerassistenzfunktionalität für ein Kraftfahrzeug implementiert werden. Eine den Laserscanner beinhaltende Vorrichtung kann deshalb im Kraftfahrzeug angeordnet sein. Beispielsweise könnte ein tiefenaufgelöstes LIDAR-Bild erstellt werden und an ein Fahrerassistenzsystem des Kraftfahrzeugs übergeben werden. Damit können zum Beispiel Techniken des unterstützten Fahrens oder des autonomen Fahrens implementiert werden.
Verschiedenen Beispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es grundsätzlich erstrebenswert sein kann, eine möglichst große Messentfernung zu erreichen. Dabei kann die Messentfernung durch die maximale Leistung der Pulse begrenzt sein, die von einer Laserlichtquelle – wie beispielsweise einer Festkörper-Laserdiode – bereitgestellt werden kann. Alternativ oder zusätzlich wäre es auch möglich, dass die Messentfernung durch bestimmte Erfordernisse der Augensicherheit begrenzt ist.
Verschiedenen Beispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es erstrebenswert sein kann, anstatt besonders langer Pulse – z.B. mit einer Pulslänge im Bereich von 50–100 ns – einen Pulszug mit mehreren kurzen Pulsen – z. B. mit Pulslängen im Bereich von 0,5–4 ns – zu verwenden: dann werden pro Zeiteinheit mehrere Flanken der Pulse erhalten, wodurch insgesamt die Messgenauigkeit, mit welcher ein Entfernungswert eines Objekts im Umfeld bestimmt werden kann, erhöht werden kann.
Verschiedenen Beispielen liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass es erstrebenswert sein kann, mehr als einen einzelnen Pulszug zu betrachten: derart können mehrere mit den verschiedenen Pulszügen assoziierte Entfernungswerte des Objekts im Umfeld bestimmt werden, wodurch wiederum die Messgenauigkeit erhöht werden kann.
In verschiedenen Beispielen werden nachfolgend Techniken beschrieben, um eine genaue Bestimmung der Entfernungswerte auch bei signifikanten Rauschpegel, zum Beispiel aufgrund von Sonneneinstrahlung bzw. Umgebungslicht, durchzuführen. Außerdem werden in verschiedenen Beispielen nachfolgend Techniken beschrieben, die eine Interferenz zwischen unterschiedlichen Laserscanner reduzieren können. Solche Techniken können insbesondere im Zusammenhang mit der Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung im Straßenverkehr, wo mehrere Fahrzeuge jeweils mit der LIDAR-Technik ausgerüstet sein können, vorteilhaft sein.
Verschiedene hierin beschriebene Beispiele beruhen darauf, dass für einen Bildpunkt eines LIDAR-Bilds mehrere Pulszüge bzw. Pulsfolgen (engl. pulse train) jeweils mit mehreren Pulsen des Laserlichts gesendet und empfangen werden. Zum Beispiel könnten eine Anzahl von zwei oder drei oder vier oder zehn Pulszügen pro Bildpunkt berücksichtigt werden. Durch das Verwenden von Pulszügen kann das Signal-zu-Rausch Verhältnis erhöht werden, weil jeder Pulszug mehrere Pulse aufweist. Durch das Verwenden von mehreren Pulszügen kann das Signal-zu-Rausch Verhältnis weiter erhöht werden, weil eine noch größere Anzahl von Pulsen verwendet wird.
In manchen Beispielen sind verschiedene Pulszüge unterschiedlich codiert. Dadurch ist es möglich, einen zweiten Pulszug auszusenden, bevor der vorangehend ausgesendete erste Pulszug empfangen wird. In anderen Worten ist es möglich, dass mehr als ein einzelner Pulszug zu einem bestimmten Zeitpunkt im Umfeld der Vorrichtung propagiert. Dadurch ist es möglich, eine besonders hohe Bildwiederholrate zu implementieren, mit welcher LIDAR-Bilder bereitgestellt werden.
Um unterschiedliche Pulszüge trennen zu können, kann es möglich sein, Techniken des Codemultiplexen (engl. Code Division Multiplex, CDM oder Code Division Multiple Access, CDMA) zu verwenden. Beispielsweise können die Codierungen unterschiedliche Pulszüge orthogonal zueinander sein. Dadurch kann eine Trennung der unterschiedlichen Pulszüge insbesondere auch bei unbekannten Entfernungen zum reflektierenden Objekt stattfinden.
1 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Laserscanner 101. Der Laserscanner 101 ist eingerichtet, um Laserlicht aus einer Laserlichtquelle in einer Umgebung der Vorrichtung 100 abzustrahlen. Dabei ist der Laserscanner 101 eingerichtet, um das Laserlicht zumindest entlang einer Scanachse zu scannen. Der Laserscanner kann insbesondere Pulszüge des Laserlichts aussenden. In manchen Beispielen ist der Laserscanner 101 eingerichtet, um das Laserlicht entlang einer ersten und einer zweiten Scanachse zu scannen. Z. B. könnte der Laserscanner 101 eine Umlenkeinheit resonant bewegen, z. B. zwischen zwei Umkehrpunkten der Bewegung.
Die Vorrichtung 100 umfasst auch eine Recheneinheit 102. Beispiele für eine Recheneinheit 102 umfassen einen Analogschaltkreis, eine digitale Schaltung, einen Mikroprozessor, einen FPGA und/oder einen ASIC. Die Recheneinheit 102 kann Logik implementieren. In manchen Beispielen kann die Vorrichtung 100 auch mehr als eine Recheneinheit umfassen, die die Logik verteilt implementieren.
Beispielsweise kann die Recheneinheit 102 den Laserscanner 101 ansteuern. Die Recheneinheit 102 kann beispielsweise einen oder mehrere Betriebsparameter des Laserscanner 101 einstellen. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen kann die Recheneinheit 102 unterschiedliche Betriebsmodi des Laserscanners 101 aktivieren. Ein Betriebsmodus kann dabei durch einen Satz von Betriebsparametern des Laserscanners 101 definiert sein.
Beispiele für Betriebsparameter umfassen: die Verwendung von orthogonal oder teilweise orthogonal oder pseudo-orthogonal kodierten Pulszüge; die Anzahl der Pulse pro Pulszug; die Einhüllende der Pulse der Pulszüge, die z. B. Gauß-förmig sein kann; die Anzahl der Pulszüge pro Bildpunkt eines LIDAR-Bilds; die Länge der Pulszüge; die Länge einzelner Pulse der Pulszüge; der Abstand zwischen einzelnen Pulszügen; eine Totzeit; etc.
Zum Beispiel könnten solche und andere Betriebsparameter in Abhängigkeit von a prioi Wissen über die Entfernung zu einem Umfeldobjekt verändert werden. Zum Beispiel könnte das a priori Wissen aus vorangegangen erfassten LIDAR-Bildern erhalten werden. Beispielsweise könnte das Apriori wissen mittels Sensorfusion von anderen Umfeldsensoren eines Kraftfahrzeugs erhalten werden, wie beispielsweise einem Ultraschallsensor, eine TOF-Sensor, einem Radar-Sensor und/oder einer Stereokamera.
Die Recheneinheit 102 ist weiterhin eingerichtet, um eine Abstands- bzw. Entfernungsmessung durchzuführen. Dazu kann die Recheneinheit Messsignale vom Laserscanner 101 empfangen. Diese Messsignale bzw. Rohdaten können indikativ für eine Laufzeit von Pulsen des Laserlichts zwischen Senden und Empfangen sein. Diese Messsignale können weiterhin einen assoziierten Winkelbereich des Laserlichts indizieren. Basierend darauf kann die Recheneinheit 102 ein LIDAR-Bild erzeugen, das beispielsweise einer Punktwolke mit Tiefeninformation entspricht. Optional wäre es möglich, dass die Recheneinheit 102 z. B. eine Objekterkennung basierend auf dem LIDAR-Bild durchführt. Dann kann die Recheneinheit 102 das LIDAR-Bild ausgeben. Die Recheneinheit 102 kann wiederholt neue LIDAR-Bilder erzeugen, z. B. mit einer der Scanfrequenz entsprechenden Bildwiderholrate. Die Bildwiderholrate kann z. B. im Bereich 20–100 Hz liegen.
2 illustriert Aspekte in Bezug auf den Laserscanner 101. Insbesondere illustriert 2 einen Laserscanner 101 gemäß verschiedener Beispiele in größerem Detail.
In dem Beispiel der 2 umfasst der Laserscanner 101 eine Laserlichtquelle 111. Beispielsweise kann die Laserlichtquelle 111 ein Diodenlaser sein. In manchen Beispielen kann die Laserlichtquelle 111 ein Oberflächenemitter (engl. vertical-cavity surface-emitting laser; VCSEL) sein. Die Laserlichtquelle 111 sendet Laserlicht 191 aus, welches durch die Umlenkeinheit 112 um einen bestimmten Ablenkwinkel umgelenkt wird. In manchen Beispielen kann eine Kollimatoroptik für das Laserlicht 191 im Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle 111 und der Umlenkeinheit 112 angeordnet sein (engl. pre-scanner optics). In anderen Beispielen könnte, alternativ oder zusätzlich, die Kollimatoroptik für das Laserlicht 191 auch im Strahlengang hinter der Umlenkeinheit 112 angeordnet sein (engl. post-scanner optics).
Die Umlenkeinheit könnte z. B. einen Spiegel oder ein Prisma umfassen. Beispielsweise könnte die Umlenkeinheit ein rotierendes Mehrfacetten-Prisma umfassen.
Der Laserscanner 101 kann eine oder mehrere Scanachsen implementieren (in 2 ist nur eine Scanachse dargestellt, nämlich in der Zeichenebene). Durch das Bereitstellen von mehreren Scanachsen kann ein zweidimensionaler Scanbereich implementiert werden.
Ein zweidimensionaler Scanbereich kann es ermöglichen, die Entfernungsmessung der Objekte im Umfeld mit großem Informationsgehalt durchzuführen. Typischerweise kann derart neben einer horizontalen Scanachse auch eine vertikale Scanachse – in Bezug auf ein globales Koordinatensystem, in welchem das Kraftfahrzeug angeordnet ist – implementiert werden. Insbesondere im Vergleich zu Referenzimplementierungen, die eine vertikale Auflösung nicht durch Scannen, sondern vielmehr durch ein Array von mehreren Laserlichtquellen, die gegeneinander versetzt sind und unter unterschiedlichen Winkeln auf eine Umlenkeinheit Laserlicht emittieren, kann derart ein weniger komplexes System mit weniger Bauteilen und/oder eine höhere vertikale Auflösung erreicht werden. Außerdem kann es in verschiedenen Beispielen möglich sein, entsprechende Betriebsparameter des Laserscanners 101, die mit der vertikalen Scanachse assoziiert sind, flexibel zum Beispiel in Abhängigkeit des Fahrtzustands des Fahrzeugs anzupassen. Dies ist oftmals bei einer festen Verbauung eines Arrays von Laserlichtquellen nicht oder nur eingeschränkt möglich.
Zum Scannen des Laserlichts 191 weist die Umlenkeinheit 112 mindestens einen Freiheitsgrad der Bewegung auf. Jeder Freiheitsgrad der Bewegung kann eine entsprechende Scanachse definieren. Die entsprechende Bewegung kann durch einen Aktuator 114 betätigt bzw. angeregt werden.
Um mehrere Scanachsen zu implementieren, wäre es in manchen Beispielen möglich, dass mehr als eine Umlenkeinheit vorhanden ist (in 2 nicht dargestellt). Dann kann das Laserlicht 191 sequenziell die verschiedenen Umlenkeinheiten durchlaufen. Jede Umlenkeinheit kann einen entsprechenden zugeordneten Freiheitsgrad der Bewegung aufweisen, der einer zugehörigen Scanachse entspricht. Manchmal wird eine solche Anordnung als Scannersystem bezeichnet.
Um mehrere Scanachsen zu implementieren, wäre es in weiteren Beispielen möglich, dass die einzelne Umlenkeinheit 112 mehr als einen einzigen Freiheitsgrad der Bewegung aufweist. Zum Beispiel könnte die Umlenkeinheit 112 mindestens zwei Freiheitsgrade der Bewegung aufweisen. Entsprechende Bewegungen können durch den Aktuator 114 angeregt werden. Z. B. kann der Aktuator 114 die entsprechenden Bewegungen individuell, aber zeitparallel oder gekoppelt anregen. Dann wäre es möglich, durch Bewirken der Bewegungen in zeitlicher und örtlicher Überlagerung zwei oder mehr Scanachsen zu implementieren.
Durch das Überlagern der ersten Bewegung und der zweiten Bewegung im Ortsraum und im Zeitraum kann eine besonders hohe Integration des Laserscanners 101 erreicht werden. Dadurch kann der Laserscanner 101 mit geringem Bauraum implementiert werden. Dies ermöglicht eine flexible Positionierung des Laserscanners 101 im Kraftfahrzeug. Außerdem kann erreicht werden, dass der Laserscanner 101 vergleichsweise wenig Bauteile aufweist und damit robust und kostengünstig hergestellt werden kann.
Beispielsweise könnte ein erster Freiheitsgrad der Bewegung der Rotation eines Spiegels entsprechen und ein zweiter Freiheitsgrad der Bewegung einer Verkippung des Spiegels entsprechen. Beispielsweise könnte ein erster Freiheitsgrad der Rotation eines Mehrfacetten-Prismas entsprechen und ein zweiter Freiheitsgrad der Verkippung des Mehrfacetten-Prismas entsprechen. Beispielsweise könnte ein erster Freiheitsgrad der Transversalmode einer Faser entsprechen und ein zweiter Freiheitsgrad der Bewegung der Torsionsmode der Faser entsprechen. Die Faser könnte ein entsprechendes bewegliches Ende aufweisen. Beispielsweise könnte ein erster Freiheitsgrad der Bewegung einer ersten Transversalmode einer Faser entsprechen und ein zweiter Freiheitsgrad der Bewegung einer zweiten Transversalmode der Faser entsprechen, die z. B. orthogonal zur ersten Transversalmode ist.
In manchen Beispielen ist es möglich, dass sowohl die erste Bewegung gemäß einem ersten Freiheitsgrad der Bewegung, der einer ersten Scanachse entspricht, als auch die zweite Bewegung gemäß einem zweiten Freiheitsgrad der Bewegung, der einer zweiten Scanachse entspricht, resonant bewirkt wird. In anderen Beispielen ist es möglich, dass zumindest eine der ersten Bewegung und der zweiten Bewegung nicht resonant bewirkt wird, sondern vielmehr diskret bzw. gestuft bewirkt wird.
Wenn sowohl die erste Bewegung, als auch die zweite Bewegung resonant bewirkt werden, kann eine sogenannte Überlagerungs-Figur, manchmal auch Lissajous-Figur, für das Scannen entlang der ersten Scanachse und der zweiten Scanachse erhalten werden. Wenn sowohl die erste Bewegung, als auch die zweite Bewegung resonant bewirkt werden, kann ein besonders robustes und einfaches System für den Laserscanner umgesetzt werden. Beispielsweise kann der Aktuator einfach implementiert werden.
Der Aktuator 114 ist typischerweise elektrisch betreibbar. Der Aktuator 114 könnte magnetische Komponenten und/oder piezoelektrische Komponenten umfassen. Beispielsweise könnte der Aktuator eine Rotationsmagnetfeldquelle umfassen, die eingerichtet ist, um ein als Funktion der Zeit rotierendes magnetisches Feld zu erzeugen. Der Aktuator 114 könnte zum Beispiel Biegepiezokomponenten umfassen.
In manchen Beispielen könnte anstatt einer Umlenkeinheit 112 auch ein auf einem Substrat – etwa Silizium – integriert gefertigtes Array aus mehreren Emitterstrukturen – beispielsweise Lichtwellenleitern – verwendet werden, wobei die mehreren Emitterstrukturen Laserlicht in einer bestimmten Phasenbeziehung aussenden. Durch Variieren der Phasenbeziehung des Laserlichts, welches durch die verschiedenen Emitterstrukturen ausgesendet wird, kann dann ein bestimmter Abstrahlwinkel durch konstruktive und destruktive Interferenz eins gestellt werden. Solche Anordnungen werden auch manchmal als optisches Array mit Phasenbeziehung (engl. optical phased array, OPA) bezeichnet. Siehe M. J. R. Heck „Highly integrated optical phased arrays: photonic integrated circuits for optical beam shaping and beam steering" in Nanophotonics (2016).
Der Laserscanner 101 umfasst auch einen Detektor 113. Beispielsweise kann der Detektor 113 durch eine Fotodiode implementiert sein. Beispielsweise kann der Detektor 113 durch ein Fotodioden-Array implementiert sein und damit mehrere Detektorelemente aufweisen. Beispielsweise kann der Detektor 113 ein oder mehrere Einzelphotonen-Lawinendioden (engl. single photon avalance diode, SPAD) aufweisen.
Der Detektor 113 ist eingerichtet, um von Objekten (in 2 nicht dargestellt) im Umfeld der Anordnung 100 reflektiertes sekundäres Laserlicht 192 zu detektieren. Basierend auf einer Laufzeitmessung zwischen dem Aussenden eines Pulses des primären Laserlichts 191 durch die Laserlichtquelle 111 und dem Detektieren des Pulses durch den Detektor 113 kann dann eine Entfernungsmessung der Objekte durchgeführt werden. Solche Techniken könnten beispielsweise auch kombiniert werden oder ersetzt werden mit strukturierter Beleuchtung, bei der anstatt von Pulsen des Laserlichts 191 kontinuierliches Laserlicht verwendet werden kann.
In dem Beispiel der 2 weist der Detektor 113 eine eigene Blende 113A auf. In anderen Beispielen wäre es möglich, dass der Detektor 113 dieselbe Blende verwendet, die auch für das Abstrahlen des primären Laserlichts 191 verwendet wird. Dann kann eine besonders hohe Sensitivität erzielt werden.
Optional könnte der Laserscanner 101 auch eine Positioniervorrichtung aufweisen (in 2 nicht dargestellt). Die Positioniervorrichtung kann eingerichtet sein, um ein Signal auszugeben, das indikativ für den Abstrahlwinkel ist, mit welchem das Laserlicht abgestrahlt wird. Dazu wäre es zum Beispiel möglich, dass die Positioniervorrichtung eine Zustandsmessung des Aktuators 114 und/oder der Umlenkeinheit 112 vornimmt. Die Positioniervorrichtung könnte beispielsweise auch direkt das primäre Laserlicht 191 messen. Die Positioniervorrichtung kann im Allgemeinen den Abstrahlwinkel optisch messen, z. B. basierend auf dem primären Laserlicht 191 und/oder Licht einer Leuchtdiode. Beispielsweise könnte die Positioniervorrichtung einen positionssensitiven Detektor (engl. position sensitive device, PSD) aufweisen, der z. B. eine PIN-Diode, ein CCD-Array oder ein CMOS-Array aufweist. Dann könnte das primäre Laserlicht 191 und/oder Licht aus einer Leuchtdiode über die Umlenkeinheit 112 auf den PSD gerichtet werden, sodass der Abstrahlwinkel mittels des PSD gemessen werden kann. Alternativ oder zusätzlich könnte die Positioniervorrichtung auch ein Faser-Bragg-Gitter aufweisen, dass zum Beispiel innerhalb der Faser, die die Umlenkeinheit 112 ausbildet, angeordnet ist: durch eine Krümmung und/oder Torsion der Faser kann sich die Länge des Faser-Bragg-Gitters ändern und dadurch die Reflektivität für Licht einer bestimmten Wellenlänge verändert werden. Dadurch kann der Bewegungszustand der Faser gemessen werden. Daraus lässt sich auf den Abstrahlwinkel zurück schließen.
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Beispiele. In Block 5001 wird zunächst ein erster Pulszug umfassend Pulse von Laserlicht gesendet. Beispielsweise kann der erste Pulszug in einen Winkelbereich gesendet. Das Senden des ersten Pulszugs kann dabei einer bestimmten Stellung der Umlenkeinheit des Laserscanners 101 entsprechen. Der erste Pulszug kann eine bestimmte Anzahl von Laserpulsen aufweisen.
Der erste Pulszug ist codiert. Dies bedeutet, dass der erste Pulszug zum Beispiel eine binäre Leistungsmodulation der Pulse aufweisen kann: eine binäre Leistungsmodulation kann bedeuten, dass einzelne Pulse eine Amplitude von eins (beliebige Einheiten) und weitere Pulse eine Amplitude von null aufweisen. Es wäre aber auch möglich, dass der erste Pulszug eine Leistungsmodulation höherer Ordnung aufweist: dabei wären verschiedene Zwischenwerte der Amplitude zwischen eins (beliebige Einheiten) und null möglich. Die Codierung kann bedeuten, dass die Modulation der Amplitude gemäß einer bestimmten Codesequenz erfolgt, z. B. basierend auf einem Spreizcode. Dies bedeutet, dass die Amplituden verschiedener Pulse des Pulszugs über eine bekannte Funktion voneinander abhängig sind.
Durch die Codierung des ersten Pulszuges ist es möglich, den ersten Pulszug in Messsignale des Detektors 113 besonders zuverlässig und genau zu erkennen. Insbesondere kann Interferenz mit Pulszügen fremder Laserscanner reduziert werden, da diese z. B. anders und insbesondere orthogonal codiert sein können.
In Block 5002 wird ein zweiter Pulszug gesendet. Beispielsweise könnte der zweite Pulszug in denselben Winkelbereich gesendet werden, in welchen auch der erste Pulszug gesendet wird. Beispielsweise wäre es möglich, dass der erste Pulszug und der zweite Pulszug mit unterschiedlichen Laserlichtquellen zumindest teilweise zeitparallel ausgesendet werden. Es wäre aber auch möglich, dass der erste Pulszug und der zweite Pulszug seriell ausgesendet werden, wobei ein und dieselbe Laserlichtquelle verwendet werden kann.
In manchen Beispielen wäre es möglich, dass ein Zeitabstand zwischen dem Senden des ersten Pulszugs und des zweiten Pulszugs, d. h. zwischen Blöcken 5001 und 5002, vergleichsweise kurz im Vergleich zu einer Scangeschwindigkeit der Umlenkeinheit 112 ist. Dies bedeutet, dass sich die Umlenkeinheit 112 zwischen dem Ausführen der Blöcke 5001 und 5002 nicht oder nicht signifikant weiterbewegt haben kann. Deshalb kann es möglich sein, trotz des seriellen Sendens des ersten Pulszugs und des zweiten Pulszugs, sowohl den ersten Pulszug, als auch den zweiten Pulszug in denselben Winkelbereich auszusenden. Damit können mittels des ersten Pulszug und des zweiten Pulszug redundante Informationen über die Entfernung zu einem in dem Winkelbereich angeordneten Objekt erhalten werden. Dadurch kann die Messgenauigkeit erhöht werden.
Dann wird in Block 5003 ein erster Entfernungswert für ein Objekt basierend auf dem ersten Pulszug erhalten. Block 5003 kann das Empfangen des mit dem ersten Pulszug assoziierten Laserlichts mittels des Detektors 113 umfassen. Außerdem kann Block 5003 das Erkennen des ersten Pulszugs in den Messsignalen des Detektors umfassen. Zum Erkennen des ersten Pulszugs in den Messsignalen können zum Beispiel Techniken des CDMA eingesetzt werden. Zum Beispiel wäre es möglich, dass die Messsignale mit einer entsprechenden Sendesignalform des ersten Pulszugs korreliert werden. Für einen bestimmten Zeitpunkt kann dann ein Maximum der Korrelation erhalten werden: dieses Maximum entspricht typischerweise einem Zeitpunkt, zu welchem der erste Pulszug mit hoher Wahrscheinlichkeit empfangen wurde, beispielsweise einem Beginn des Pulszugs, der Mitte des Pulszugs oder dem Ende des Pulszugs, etc. Aus einem Vergleich des Zeitpunkts, zu welchem der erste Pulszug gesendet wurde, mit dem Zeitpunkt, zu welchen der erste Pulszug empfangen wurde, kann dann ein Entfernungswert bestimmt werden.
In manchen Beispielen wäre es möglich, dass Block 5002 vor dem Detektieren in Block 5003 ausgeführt wird. Dies bedeutet, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt sowohl die Pulse des ersten Pulszug, als auch die Pulse des zweiten Pulszug propagieren bzw. in-flight sind. Dadurch können besonders viele Pulszüge zum Bestimmen eines Bildpunkts berücksichtigt werden. Dies ist möglich, da trotz einer hohen Scangeschwindigkeit des Laserscanners pro Bildpunkt des LIDAR-Bilds Messsignale für viele Pulszüge erhalten werden können. Dadurch kann eine hohe Messgenauigkeit erzielt werden. Außerdem kann eine hohe Messentfernung erreicht werden.
Dann wird in Block 5004 ein zweiter Entfernungswert für das Objekt basierend auf dem zweiten Pulszug erhalten. Block 5004 kann das Empfangen des mit dem zweiten Pulszug assoziierten Laserlichts umfassen. In Block 5004 kann der zweite Pulszug in den Messsignalen gemäß entsprechenden Techniken, wie sie obenstehend in Bezug auf Block 5003 für den ersten Pulszug beschrieben wurden, erkannt werden.
In manchen Beispielen wäre es möglich, dass der erste Pulszug und der zweite Pulszug in den Blöcken 5003 und 5004 zumindest teilweise zeitlich überlappend detektiert werden. Dies kann bedeuten, dass zumindest ein Puls des ersten Pulszug mit zumindest einem Puls des zweiten Pulszug zeitlich überlappend detektiert wird. Dennoch kann es aufgrund der Codierung des ersten Pulszug und des zweiten Pulszug möglich sein, eine Trennung der Messsignale, die zu dem ersten Pulszug gehören und der Messsignale, die zu dem zweiten Pulszug gehören, vorzunehmen. In diesem Zusammenhang wäre es insbesondere möglich, dass die erste Codierung des ersten Pulszugs orthogonal zu der zweiten Codierung des zweiten Pulszugs ist. Die erste Codierung und die zweite Codierung können zum Beispiel als binäre Leistungsmodulation oder Leistungsmodulation höherer Ordnung implementiert werden.
Schließlich wird in Block 5005 ein Bildpunkt des LIDAR-Bilds bestimmt. Der Bildpunkt des LIDAR-Bilds kann durch eine Entfernung des Objekts im entsprechenden Winkelbereich charakterisiert sein. Optional könnte der Bildpunkt auch eine Geschwindigkeit des Objekts indizieren. In Block 5005 wird der Bildpunkt basierend auf dem ersten Entfernungswert aus Block 5003 sowie basierend auf dem zweiten Entfernungswert aus Block 5004 bestimmt. Dies ist möglich, da beide Entfernungswerte mit demselben Winkelbereich und damit mit demselben Objekt assoziiert sind. Durch die Verwendung des ersten Entfernungswerts sowie des zweiten Entfernungswerts kann eine höhere Messgenauigkeit erzielt werden. Beispielsweise könnte ein Mittelwert gebildet werden. Beispielsweise könnte eine Standardabweichung als Messungenauigkeit berücksichtigt werden.
4 illustriert Aspekte in Bezug auf den Laserscanner 101. Insbesondere illustriert 4 Aspekte in Bezug auf die Umlenkeinheit 112. In dem Beispiel der 4 ist die Umlenkeinheit 112 durch einen Spiegel implementiert. In dem Beispiel der 4 ist dargestellt, wie einfallendes Laserlicht 191 je nach Winkelstellung der Umlenkeinheit 112 in unterschiedliche Winkelbereiche 190-1, 190-2 gesendet wird. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Umlenkeinheit 112 kontinuierlich bewegt wird. Zum Beispiel könnte die Umlenkeinheit 112 eine resonante Bewegung mit einer bestimmten Scanfrequenz durchführen. Beispielsweise könnte die Umlenkeinheit 112 eine resonante Bewegung zwischen zwei Umkehrpunkten durchführen.
In 4 ist ferner schematisch illustriert, dass das Laserlicht 191 gepulst gesendet wird (Abfolge der vertikalen Striche). Insbesondere ist in 4 dargestellt, dass ein Pulszug ausgesendet wird.
5 illustriert Aspekte in Bezug auf ein LIDAR-Bild 199. Das LIDAR-Bild umfasst Bildpunkte 196 (in dem Beispiel der 5 sind lediglich neun Bildpunkte 196 dargestellt, jedoch könnte das LIDAR-Bild eine größere Anzahl von Bildpunkten aufweisen, zum Beispiel nicht weniger als 1000 Bildpunkte oder nicht weniger als 1.000.000 Bildpunkte).
Unterschiedliche Bildpunkte 196 des LIDAR-Bilds 199 sind mit den unterschiedlichen Winkelbereichen 190-1, 190-2 assoziiert. Jeder Bildpunkt 196 indiziert einen Entfernungswert und optional weitere Information.
6 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Pulszug 201 sowie einen weitere Pulszug 202 des Laserlichts 191, 192. Insbesondere illustriert 6 Aspekte in Bezug auf den Zeitverlauf der Pulszüge 201, 202. In dem Beispiel der 6 wird zunächst der Pulszug 201 gesendet. Dann wird der Pulszug 202 gesendet. Es wäre aber auch möglich, die Pulszüge 201, 202 zumindest teilweise zeitparallel zu senden, z. B. indem mehrere Laserlichtquellen verwendet werden.
Die Pulse 205 weisen eine bestimmte Länge 251 (zum Beispiel als Halbwertsbreite der Pulse 205 definiert) auf. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen können die Pulse 205 der Pulszüge eine Länge im Bereich von 200 ps bis 4 ns aufweisen, optional im Bereich von 500 ps bis 2 ns. Eine solche Pulsdauer kann Vorteile in Bezug auf die erwartete Anzahl von Photonen in dem reflektierten Laserlicht 192 für typische Leistungen der Laserlichtquelle 111 und typische Messentfernungen aufweisen.
In dem Beispiel der 6 ist ferner ein Zeitabstand 252 zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen des Pulszugs 201 dargestellt. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen kann der Zeitabstand 252 zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen 205 im Bereich von 5 ns bis 100 ns liegen, optional im Bereich von 10 ns bis 50 ns, weiter optional im Bereich von 20 bis 30 ns. Ein solcher Zeitabstand 252 kann insbesondere im Zusammenhang mit einer Abkühlzeit einer Emitter Fläche einer Festkörper-Laserdiode Vorteile aufweisen.
In dem Beispiel der 6 weist der Pulszug 201 eine Anzahl von vier Pulsen 205 auf. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen wäre es zum Beispiel möglich, dass der Pulszug 201 eine Anzahl von 2–30 Pulsen aufweist, optional von 8–20 Pulsen. Eine solche Anzahl von Pulsen hat insbesondere Vorteile in Bezug auf eine Dimensionierung der Länge des Pulszugs in Bezug auf eine Geschwindigkeit der Umlenkeinheit 112 bzw. auf eine Bildwiederholrate, mit welcher aufeinanderfolgende LIDAR-Bilder erfasst werden.
Zum Beispiel könnte Pulszug 201 eine Länge 261 von 80 ns bis 500 ns aufweisen, optional von 120 ns bis 200 ns: dies kann Allgemein für die verschiedenen hierin beschriebenen Pulszüge gelten. Beispielsweise könnte eine Scanfrequenz, mit welcher die Umlenkeinheit 112 bewegt wird, im Bereich von 500 Hz bis 2 kHz liegen. Deshalb kann beispielsweise angenommen werden, dass für eine Zeitdauer im Bereich von Mikrosekunden die Umlenkeinheit 112 Laserlicht 191 in denselben Winkelbereich 190-1, 190-2 sendet. Bei einer entsprechend kürzeren Dimensionierung der Länge 261 des Pulszugs 201 kann erreicht werden, dass pro Winkelbereich 190-1, 190-2 mehr als ein einzelner Pulszug 201, 202 gesendet werden kann.
Beispielsweise könnte in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen die Länge 261 der Pulszüge nicht länger als 0,01% der Periodendauer der Scanbewegung der Umlenkeinheit 112 betragen, optional nicht länger als 0,001%, weiter optional nicht länger als 0,0001%.
Zum Beispiel werden in dem Beispiel der 6 zwei Pulszüge 201, 202 in denselben Winkelbereich 190-1, 190-2 gesendet. Der Pulszug 202 weist einen Zeitabstand 253 vom Pulszug 201 auf. In manchen Beispielen könnte der Zeitabstand 253 vergleichsweise klein implementiert werden, zum Beispiel gleiche oder zumindest in derselben Größenordnung wie der Zeitabstand 252. Zum Beispiel könnte der Zeitabstand 253 geringer als 50% der Länge 261 des Pulszugs 201 sein, optional geringer als 20%, weiter optional geringer als 5%. Eine solche Implementierung weist den Vorteil auf, dass sich die Umlenkeinheit 112 zwischen den Pulszügen 201, 202 nicht oder nicht signifikant bewegt. In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, dass der Zeitabstand 253 größer implementiert wird, zum Beispiel mehr als zehnmal so groß wie der Zeitabstand 252, optional mehr als hundertmal so groß, weiter optional mehr als 1000 mal so groß. Derart können zwischen aufeinanderfolgen Pulszügen 201, 202 Totzeiten vorgesehen werden, die bewirken, dass die Laserlichtquelle 111 abkühlen kann. Außerdem können einzelne Detektorelemente des Detektors 113 regenerieren (engl. quenching).
6 illustriert auch Aspekte in Bezug auf einen Tastgrad (engl. duty cycle; d. h. An-Zeit zu Periodendauer) der Pulszüge 201, 202. In dem Beispiel der 6 beträgt der Tastgrad der Pulszüge 201, 202 in etwa 50%, weil die Zeitdauern 251 und 252 in etwa gleich sind. Ein solch hoher Tastgrad kann bewirken, dass die Pulszüge 201, 202 eine große Anzahl von Pulsen 205 aufweisen können. Dadurch kann eine hohe Genauigkeit beim Erkennen der Pulszüge 201, 202 in den Messsignalen des Detektors 113 erzielt werden.
In verschiedenen Beispielen wäre es möglich, dass der Tastgrad der Pulszüge 201, 202 jeweils signifikant größer ist, als ein z. B. thermisch begrenzter Tastgrad, welchen die Laserlichtquelle 111 über einen längeren Zeitraum – zum Beispiel in der Größenordnung von Mikrosekunden, Millisekunden oder Sekunden – erreichen kann. Beispielsweise wäre es deshalb möglich, dass der Tastgrad der Pulszüge 201, 202 mindestens um einen Faktor zehn größer ist, als ein Tastgrad, mit welchem die Laserlichtquelle 111 gemittelt über den Zeitraum mehrerer LIDAR-Bilder betrieben wird, optional um mindestens einen Faktor 100, weiter optional um mindestens einen Faktor 1000.
Um dennoch einer Beschädigung der Laserlichtquelle 111 zu vermeiden können Totzeiten vorgesehen sein. Während der Totzeit in kann die Laserlichtquelle 111 eingerichtet sein, um kein Laserlicht 191 auszusenden. Während der Totzeiten ist eine Abkühlung der Laserlichtquelle 111 möglich. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Totzeiten jeweils an Umkehrpunkten der z. B. resonanten Bewegung der Umlenkeinheit 112 angeordnet sind. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Totzeiten zwischen zwei aufeinanderfolgend erfassten LIDAR-Bildern angeordnet sind. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Totzeiten zwischen aufeinanderfolgenden Pulszügen angeordnet sind.
7 illustriert Aspekte Bezug auf eine Pulszug 201 sowie einen weiteren Pulszug 202 des Laserlichts 191, 192. Insbesondere illustriert 7 Aspekte in Bezug auf die Codierung der Pulszüge 201, 202.
Das Beispiel der 7 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 6. In dem Beispiel der 7 weisen die Pulszüge 201, 202 eine binäre Leistungsmodulation als Codierung auf. Zum Beispiel ist in dem Beispiel der 7 die Amplitude des zweiten Pulses 205 des Pulszugs 201 gleich null; hingegen ist die Amplitude des dritten Pulses 205 des Pulszugs 202 gleich 0.
Im Allgemeinen kann es erstrebenswert sein, dass die Amplituden der Pulse 205 der Pulszüge 201, 202 orthogonal zueinander codiert sind (in 7 nicht dargestellt). Dazu könnten Spreizsequenzen verwendet werden. Beispiele für Sequenzen sind z. B. Gold-Sequenzen, Barker-Sequenzen, Kasami-Sequenzen, Walsh-Hadamard-Sequenzen, Zaddof-Chu-Sequenzen, etc. Dabei kann orthogonal auch eine pseudoorthogonale Codierung bezeichnen, wie sie z. B. durch trunkierte Walsh-Hadamard-Sequenzen etc. erhalten werden können. Der Sequenz-Raum zur Codierung könnte zum Beispiel eine Mächtigkeit im Bereich von 10–100 aufweisen, optional im Bereich von ca. 20. Im Allgemeinen kann eine orthogonale Codierung im hier verwendeten Sinne auch eine teilweise orthogonale Codierung bezeichnen.
Durch die orthogonale Codierung der verschiedenen Pulszüge 201, 202 kann erreicht werden, dass auch zeitüberlappend detektierte Pulszüge 201, 202 zuverlässig in den Messsignalen des Detektors 113 erkannt werden können. Damit ist es möglich, den Zeitabstand 253 aufeinanderfolgender folgen 201, 202 besonders gering zu dimensionieren: derart ist es wiederum möglich, besonders viele Pulszüge 201, 202 pro Bildpunkt des LIDAR-Bilds zum Bestimmen zugehörige Entfernungswerte zu berücksichtigen. Dadurch kann die Messgenauigkeit erhöht werden.
8 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Pulszug 201 sowie einen weiteren Pulszug 202 des Laserlichts 191, 192. Insbesondere illustriert 8 Aspekte in Bezug auf die Codierung der Pulszüge 201, 202. Das Beispiel der 8 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 7. In dem Beispiel der 8 wird jedoch keine binäre Leistungsmodulation für die Pulse 205 zum Erzeugen der Codierung verwendet. Vielmehr wird in dem Beispiel der 8 eine Leistungsmodulation höherer Ordnung verwendet: beispielsweise können in dem Szenario der 8 die Amplituden der Pulse 205 die Werte eins, 0,5 sowie null (beliebige Einheiten) annehmen. Es wären auch noch höhere Ordnungen der Leistungsmodulation denkbar bzw. andere Zwischenwerte für die Amplitude der Pulse.
In den Beispielen der 7 und 8 wurde jeweils eine Leistungsmodulation der Pulse 205 zum Erzeugen der Codierung beschrieben. In verschiedenen Beispielen wäre es alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass die Amplitude und/oder die Phase und/oder die Länge 252 der einzelnen Pulse 205 innerhalb der Sequenz 201 moduliert wird.
In den Beispielen der 6–8 wurde eine Implementierung dargestellt, in welcher zwei Pulszüge 201, 202 verwendet werden, um Entfernungswerte für einen bestimmten Bildpunkt des LIDAR-Bilds zu ermitteln. In anderen Beispielen könnte aber auch eine größere Anzahl von Pulszügen 201, 202 pro Bildpunkt verwendet werden, beispielsweise eine Anzahl von nicht weniger als vier Pulszügen 201, 202, optional nicht weniger als acht Pulszügen 201, 202, weiter optional nicht weniger als zwölf Pulszügen 201, 202.
9 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Detektor 113. In dem Beispiel der 9 könnte der Detektor 113 z. B. als Einzelphotonen-Lawinendioden Detektorarray, d. h. SPAD, ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass der Detektor 113 eine Anzahl von Detektorelementen 301 umfasst. Diese Detektorelemente 301 sind matrixartig angeordnet. Der Detektor 113 ist eingerichtet, um ein Messsignal 302 auszugeben. Das Messsignal 302 entspricht überlagerten Detektorsignalen der einzelnen Detektorelemente 301.
Die verschiedenen Detektorelemente 301 können nach dem Detektieren eines einzelnen Photons eine gewisse Totzeit zur Regeneration aufweisen. Aufgrund der großen Anzahl von Detektorelementen 301 – beispielsweise nicht weniger als 1000, optional nicht weniger als 5000, weiter optional nicht weniger als 10.000 – kann jedoch immer eine genügend große Anzahl von Detektorelementen 301 vorhanden sein, die bereits zur Detektion eines oder mehrerer Photonen ist. Deshalb ist es auch möglich, Pulse 205 mehrerer Pulszüge 201, 202 zeitüberlagert bzw. in schneller Abfolge mittels des Detektors 113 zu detektieren.
Zusammenfassend wurden voranstehend Techniken beschrieben, bei denen eine besonders hohe Messgenauigkeit zum Bestimmen eines LIDAR-Bilds durch Verwendung mehrerer Pulszüge von Laserlicht pro Bildpunkt des LIDAR-Bilds erzielt werden kann. Zur Vermeidung von Zweideutigkeiten können die verschiedenen Pulszüge eine orthogonale Codierung aufweisen. Es ist möglich, die verschiedenen Pulszüge durch CDMA-Techniken zu trennen.
Solche Techniken, die auf der Verwendung mehrerer Pulszüge beruhen, können insbesondere dann erstrebenswert sein, wenn das vermessene Objekt in einer großen Entfernung angeordnet ist. Dies ist der Fall, da die Intensität des sekundären Laserlichts in einem solchen Fall vergleichsweise gering ist und zum Beispiel in der Größenordnung der Intensität des Umgebungslichts liegen kann.
In manchen Beispielen wäre es möglich, dass die Verwendung mehrerer Pulszüge nur bedarfsorientiert aktiviert wird. Beispielsweise wäre es möglich, dass basierend auf a priori Wissen über den Entfernungswert des Umfeldobjekts wahlweise mehrere Pulszüge verwendet werden oder aber ein oder mehrere nicht codierte Pulse des Laserlichts individuell gesendet werden. Z. B. kann bei besonders nah angeordneten Objekten lediglich ein einzelner Puls oder eine nicht-codierte Abfolge von Pulsen verwendet werden: in einem solchen Fall wird eine hohe Intensität des reflektierten Laserlichts erwartet. Dann ist es nicht erforderlich codierte Pulszüge zu verwenden.
Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.
Zum Beispiel wurden obenstehend Techniken beschrieben, bei welchen verschiedene Pulszüge mit Laserlicht von einer einzelnen Laserlichtquelle seriell ausgesendet werden. In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, dass verschiedene Pulszüge zumindest teilweise zeitüberlappend mit Laserlicht aus mehr als einer Laserlichtquelle gesendet werden.
Zum Beispiel wurden obenstehend Techniken beschrieben, bei welchen das Laserlicht verschiedener Pulszüge in denselben Winkelbereich gesendet wird, sodass redundante Information über die Entfernung eines Objekts im Umfeld erhalten werden kann. In anderen Beispielen wäre es jedoch auch möglich, dass verschiedene Pulszüge zumindest teilweise zeitüberlappend in unterschiedliche Winkelbereiche gesendet werden. Dann kann Information über die Entfernung von Objekten im Umfeld erhalten werden, die unterschiedlichen Bildpunkten eines LIDAR-Bilds zugeordnet werden kann. Dadurch kann das Erfassen des LIDAR-Bilds besonders zügig implementiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

KIM, Gunzung; EOM, Jeongsook; PARK, Yongwan. A hybrid 3D LIDAR imager based on pixel-by-pixel scanning and DS-OCDMA. In: SPIE OPTO. International Society for Optics and Photonics, 2016. S. 975119–975119-8 [0009]
M. J. R. Heck „Highly integrated optical phased arrays: photonic integrated circuits for optical beam shaping and beam steering” in Nanophotonics (2016) [0067]

Claims

Vorrichtung (100), die umfasst: – einen Laserscanner (101) mit mindestens einer Laserlichtquelle und einem Detektor (113), wobei der Laserscanner (101) eingerichtet ist, um Laserlicht zu senden und um reflektiertes Laserlicht (191, 192) zu detektieren, und – eine Recheneinheit (102), die eingerichtet ist, um den Laserscanner (101) anzusteuern, um einen codierten ersten Pulszug (201, 202) des Laserlichts (191, 192) zu senden und um mindestens einen codierten zweiten Pulszug (201, 202) des Laserlichts (191, 192) zu senden, wobei die Recheneinheit (102) eingerichtet ist, um den ersten Pulszug (201, 202) in Messsignalen des Detektors (113) zu erkennen und derart einen ersten Entfernungswert eines Umfeldobjekts zu erhalten und um den mindestens einen zweiten Pulszug (201, 202) in den Messsignalen des Detektors (113) zu erkennen und derart mindestens einen zweiten Entfernungswert des Umfeldobjekts zu erhalten, wobei die Recheneinheit (102) weiterhin eingerichtet ist, um einen Bildpunkt (196) eines LIDAR-Bilds (199) basierend auf dem ersten Entfernungswert und dem mindestens einen zweiten Entfernungswert zu bestimmen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei eine Leistungsmodulation der Pulse (205) des ersten Pulszugs (201, 202) eine erste Codierung definiert, wobei eine Leistungsmodulation der Pulse (205) des mindestens einen zweiten Pulszugs (201, 202) mindestens eine zweite Codierung definiert, wobei die erste Codierung orthogonal zur mindestens einen zweiten Codierung ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Recheneinheit (102) eingerichtet ist, um den ersten Pulszug (201, 202) und den mindestens einen zweiten Pulszug (201, 202) basierend auf einer Korrelation der Messsignale mit der entsprechenden Sendesignalform zu erkennen.
Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Pulse (205) des ersten Pulszugs (201, 202) und/oder die Pulse (205) des mindestens einen zweiten Pulszugs (201, 202) eine Länge (251) im Bereich von 200 ps bis 4 ns aufweisen, optional im Bereich von 500 ps bis 2 ns, und/oder wobei ein Zeitabstand (252) zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen (205) des ersten Pulszugs (201, 202) und/oder des mindestens einen zweiten Pulszugs (201, 202) im Bereich von 5 ns bis 100 ns liegt, optional im Bereich von 10 ns bis 50 ns.
Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der erste Pulszug (201, 202) und/oder der mindestens eine zweite Pulszug (201, 202) eine Anzahl von 2–30 Pulsen (205), optional von 8–20 Pulsen (205) aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein Tastgrad des ersten Pulszugs (201, 202) und/oder des mindestens einen zweiten Pulszugs (201, 202) mindestens um einen Faktor 10 größer ist, als ein Tastgrad, mit welchem die mindestens eine Laserlichtquelle gemittelt über den Zeitraum mehrerer LIDAR-Bilder betrieben wird, optional mindestens um einen Faktor 100, weiter optional mindestens um einen Faktor 1000.
Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (102) eingerichtet ist, um den Laserscanner (101) anzusteuern, um den mindestens einen zweiten Pulszug (201, 202) zu senden, bevor der erste Pulszug (201, 202) detektiert wird.
Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein Zeitabstand zwischen dem ersten Pulszug (201, 202) und dem mindestens einen zweiten Pulszug (201, 202) geringer ist, als 50% der Länge des ersten Pulszugs (201, 202), optional geringer als 20%, weiter optional geringer als 5%.
Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche wobei der Detektor (113) eingerichtet ist, um den ersten Pulszug (201, 202) und den mindestens einen zweiten Pulszug (201, 202) zumindest teilweise zeitüberlappend zu detektieren.
Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (102) eingerichtet ist, um den Laserscanner (101) basierend auf a-priori Wissen über den Entfernungswert des Umfeldobjekts eine wahlweise anzusteuern, um den codierten ersten Pulszug (201, 202) des Laserlichts (191, 192) zu senden und um den codierten mindestens einen zweiten Pulszug (201, 202) des Laserlichts (191, 192) zu senden, oder um mindestens einen nichtcodierten Puls des Laserlichts (191, 192) zu senden.