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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Objekterfassung sowie ein LIDAR-System.
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Stand der Technik
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Bei einem LIDAR-System wird ein Licht in einen Erfassungsbereich gesendet und aufgrund einer Zeitdauer, bis eine Reflexion des Lichts erfasst wird, eine Entfernung bis zu einem Objekt bestimmt, an dem die Reflexion stattgefunden hat. Da das Licht gerichtet gesendet wird, ist auch eine Richtung zu dem Objekt bekannt. Dabei wird das Licht als scannender Lichtstrahl bereitgestellt, der mit einer Winkelgeschwindigkeit einen Erfassungsbereich des LIDAR-Scanners abscannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zur Objekterfassung unter Verwendung eines LIDAR-Systems, eine entsprechende Vorrichtung, sowie ein LIDAR-System gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, ein Objekt in kurzer zeitlicher Abfolge mehrmals nacheinander zu beleuchten und so mehrere Entfernungswerte zu erhalten. Die Entfernungswerte können gemittelt werden, um eine Erkennungsgenauigkeit zu verbessern.
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Es wird ein Verfahren zur Objekterfassung unter Verwendung eines LIDAR-Systems vorgestellt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem Schritt des Sendens zu einem ersten Sendezeitpunkt ein in einer Scanrichtung scannender erster Lichtstrahl in einer Emissionsrichtung ausgesendet wird, und in einem Schritt des Zuordnens der Emissionsrichtung eine erste Laufzeit zwischen dem ersten Sendezeitpunkt und einem ersten Empfangszeitpunkt einer ersten Reflexion des ersten Lichtstrahls zugeordnet wird, wobei im Schritt des Sendens zu einem dem ersten Sendezeitpunkt nachfolgenden zweiten Sendezeitpunkt ein in der Scanrichtung scannender und zu dem ersten Lichtstrahl winkelversetzter weiterer Lichtstrahl in der Emissionsrichtung gesendet wird, und im Schritt des Zuordnens der Emissionsrichtung eine zweite Laufzeit zwischen dem zweiten Sendezeitpunkt und einem zweiten Empfangszeitpunkt einer zweiten Reflexion des zweiten Lichtstrahls zugeordnet wird, wobei in einem Schritt des Auswertens Treffer unter Verwendung der der Emissionsrichtung zugeordneten Laufzeiten, d.h. insbesondere der genannten ersten und der zweiten Laufzeit, ausgewertet werden.
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Weiterhin wird eine Vorrichtung vorgestellt, die dazu ausgebildet ist, das Verfahren gemäß dem hier vorgestellten Ansatz in entsprechenden Einrichtungen auszuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern.
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Ferner wird ein LIDAR-System mit einer Vorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Bei einem LIDAR-System wird ein Lichtstrahl in eine Emissionsrichtung beziehungsweise unter einem Emissionswinkel ausgesendet. Der Lichtstrahl wird dabei als aufeinanderfolgende Lichtimpulse ausgesendet und mit einer Winkelgeschwindigkeit in einer Scanrichtung über einen Erfassungsbereich geschwenkt beziehungsweise gescannt. Wenn der Lichtstrahl bei einem Treffer auf ein Objekt trifft, wird Licht des Lichtstrahls gestreut. Ein geringer Teil des gestreuten Lichts wird in entgegengesetzter Richtung zu der Emissionsrichtung zurückgeworfen. Wenn das Objekt retroreflektierend ist, wird das Licht bei einem Treffer weniger stark gestreut und ein größerer Anteil des Lichts in die entgegengesetzte Richtung zurückgeworfen. Das zurückgeworfene Licht wird im LIDAR-System auf einen Sensor gelenkt. Der Sensor stellt einen elektrischen Impuls bereit, wenn mehr als eine bauartbedingte Menge Licht auf den Sensor gefallen ist. Der Impuls markiert also einen Kandidaten für einen Treffer. Der Sensor kann so empfindlich sein, dass ein einzelnes Photon den Impuls auslöst. Bei einer so hohen Empfindlichkeit weist das Signal des Sensors ein Rauschen auf, da auch Impulse auch ohne Treffer ausgelöst werden, also beispielsweise wenn Umgebungslicht auf den Sensor fällt.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden mehrere in der Scanrichtung geringfügig bezüglich ihrer Strahlrichtung divergierend ausgesendete Lichtstrahlen in der Scanrichtung über den Erfassungsbereich geschwenkt, um innerhalb kurzer Zeit mehrmals hintereinander denselben Punkt zu beleuchten beziehungsweise einen Lichtstrahl in derselben Emissionsrichtung zu senden. Die Lichtstrahlen sind dabei winkelversetzt zueinander. Im Idealfall erzeugt jeder Treffer auf einem Objekt eine erfassbare Reflexion. Wenn einer Emissionsrichtung nacheinander mehrere Laufzeiten innerhalb eines Toleranzbereichs zugeordnet werden, ist es wahrscheinlich, dass tatsächlich Treffer auf einem Objekt beziehungsweise Reflexionen an dem Objekt zu den Impulsen am Sensor geführt haben.
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Die Schritte des Sendens und Zuordnens können für weitere Emissionsrichtungen zu weiteren Sendezeitpunkten wiederholt werden. Die Schritte können über den ganzen Erfassungsbereich wiederholt werden. Durch das Schwenken beziehungsweise Scannen der mehreren Lichtstrahlen werden immer mehrere Emissionsrichtungen simultan ausgeleuchtet. Jede Emissionsrichtung wird dabei nacheinander mehrfach beleuchtet.
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Die Reflexionen können auf einer seitlich neben einer Sendeeinrichtung des LIDAR-Systems angeordneten Empfangseinrichtung empfangen werden. Das LIDAR-System kann biaxial ausgeführt sein. Dann kann der erste Lichtstrahl parallel zu einer Empfangsachse, also in Richtung Unendlich gesendet werden. Weitere Lichtstrahlen können die Empfangsachse innerhalb des Erfassungsbereichs schneiden. So kann jeder Lichtstrahl einem Entfernungsbereich zugeordnet sein. Objekte innerhalb dieser Entfernungsbereiche können mit dem jeweilig zugeordneten Lichtstrahl besonders gut erfasst werden. So kann der aus der biaxialen Anordnung resultierende Parallaxeffekt am Sensor kompensiert werden.
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Die erste Reflexion kann in einem dem ersten Lichtstrahl zugeordneten ersten Empfangsbereich einer Empfangseinrichtung empfangen werden. Die zweite Reflexion kann in einem dem zweiten Lichtstrahl zugeordneten zweiten Empfangsbereich der Empfangseinrichtung empfangen werden. Der erste Empfangsbereich und der zweite Empfangsbereich können in der Scanrichtung einen Seitenversatz aufweisen. Der erste Empfangsbereich kann Reflexionen aus der ersten Emissionsrichtung empfangen. Der zweite Empfangsbereich kann zeitgleich Reflexionen aus einer zu der ersten Emissionsrichtung winkelversetzten zweiten Emissionsrichtung empfangen.
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Die Lichtstrahlen, d.h. insbesondere der erste und der zweite Lichtstrahl, können zwischen null Grad und fünf Grad winkelversetzt zueinander gesendet werden. Durch einen solchen spitzen Winkel kann ein kurzer zeitlicher Abstand zwischen den Abtastungen derselben Emissionsrichtung sichergestellt werden.
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Im Schritt des Sendens können die Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Intensitäten gesendet werden. Über unterschiedliche Intensitäten kann auf optische Eigenschaften eines beleuchteten Objekts geschlossen werden. Ab einer Intensitätsschwelle und/oder einer Entfernungsschwelle können beispielsweise nur noch retroreflektierende Objekte erfasst werden. Umgekehrt wird bei niedrigen Intensitäten eine höhere Erkennungsgenauigkeit bei retroreflektierenden Objekten im Nahbereich erreicht.
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Als Lichtstrahlen können Laserstrahlen gesendet werden. Laserstrahlen können besonders gut geformt werden. So kann eine hohe Reichweite erreicht werden.
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Die Lichtstrahlen können über einen quer zu der Scanrichtung ausgerichteten Winkelbereich aufgefächert gesendet werden. Die Reflexionen können über den Winkelbereich winkelaufgelöst empfangen werden. Die Lichtstrahlen können linienförmig sein. Die Linie kann den Winkelbereich überstreichen. Innerhalb des Winkelbereichs können Objekte erfasst werden. Wenn die Scanrichtung im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist, können die Linien im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sein.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale des Verfahrens, der Vorrichtung und des LIDAR-Systems in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt ein Blockschaltbild eines LIDAR-Systems mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 zeigt eine Darstellung von Lichtstrahlen eines LIDAR-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 3 zeigt eine Darstellung eines LIDAR-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines LIDAR-Systems 100 mit einer Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das LIDAR-System 100 weist einen Rotor 104 auf, der mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um eine Rotationsachse rotiert. Auf dem Rotor 104 sind eine Sendeeinrichtung 106 und eine Empfangseinrichtung 108 des LIDAR-Systems 100 angeordnet. Das LIDAR-System 100 ist als koaxiales System aufgebaut. Die Sendeeinrichtung 106 sendet in jeder Winkelstellung φ des Rotors 104 eine Vielzahl von um den Divergenzwinkel α divergierenden Lichtstrahlen 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 in eine Vielzahl von Winkeln 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136 aus. Die Lichtstrahlen 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 können beispielsweise Laserstrahlen sein. Aufgrund der Winkelgeschwindigkeit ω bewegen sich die Lichtstrahlen 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 in eine Scanrichtung 138. Das hier dargestellte LIDAR-System 100 ist dazu ausgebildet, einen Erfassungsbereich von 360 Grad zu erfassen. Dabei scannen die Lichtstrahlen 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 den Erfassungsbereich während einer Umdrehung des Rotors 104 jeweils einmal vollständig. Durch die vielen Lichtstrahlen 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 wird jeder Winkel des Erfassungsbereichs schnell aufeinander abfolgend viele Male kurz hintereinander beleuchtet. Dabei wird eine Vielzahl von Winkeln beziehungsweise ein Kreissektor des Erfassungsbereichs gleichzeitig beleuchtet.
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Hier ist in dem Erfassungsbereich ein Objekt 140 angeordnet. Eine Richtung zu dem Objekt 140 wird hier als Emissionsrichtung 142 bezeichnet. Zu einem ersten Sendezeitpunkt t1 wird der erste Lichtstrahl 110 in die Emissionsrichtung 142 gesendet und trifft auf das Objekt 140. Am Objekt 140 wird der Lichtstrahl 110 gestreut. Ein geringer Anteil des Lichts des ersten Lichtstrahls 110 wird entgegengesetzt zu der Emissionsrichtung 142 in dem Winkel 124 als erste Reflexion 144 zurückgeworfen. Die Empfangseinrichtung 108 registriert zumindest einen ersten Empfangszeitpunkt t1+Δt1 der ersten Reflexion 144 als Treffer.
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Aus dem ersten Sendezeitpunkt t1 und dem ersten Empfangszeitpunkt t1+Δt1 ergibt sich eine erste Laufzeit Δt1. Eine Einrichtung 146 zum Zuordnen der Vorrichtung 102 ordnet die erste Laufzeit Δt1 der ersten Emissionsrichtung 142 zu.
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Zu einem zweiten Sendezeitpunkt t2 hat sich der Rotor 104 um den Divergenzwinkel α weitergedreht. Jetzt wird der zweite Lichtstrahl 112 in die Emissionsrichtung 142 gesendet. In der Emissionsrichtung 142 ist immer noch das Objekt 140 angeordnet. Der zweite Lichtstrahl 112 trifft auf das Objekt 140, wird am Objekt 140 gestreut und ein geringer Anteil des Lichts des zweiten Lichtstrahls 112 wird entgegengesetzt zu der Emissionsrichtung 142 in dem zweiten Winkel 126 als zweite Reflexion 148 zurückgeworfen. Die Empfangseinrichtung 108 registriert zumindest einen zweiten Empfangszeitpunkt t2+Δt2 der zweiten Reflexion 148 als weiteren Treffer.
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Aus dem zweiten Sendezeitpunkt t2 und dem zweiten Empfangszeitpunkt t2+Δt2 ergibt sich eine zweite Laufzeit Δt2. Die Einrichtung 146 zum Zuordnen ordnet die zweite Laufzeit Δt2 ebenfalls der ersten Emissionsrichtung 142 zu.
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Da der Divergenzwinkel α zwischen einem und drei Grad liegt, treffen die Lichtstrahlen 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 so kurz nacheinander auf das Objekt 140, dass eine Relativbewegung zwischen dem Objekt 140 und dem LIDAR-System 100 nur zu einer sehr geringen Änderung der Laufzeiten Δt1, Δt2 führt. Das Objekt 140 wird also quasistatisch erfasst.
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Dieser Ablauf wiederholt sich, bis zu einem Sendezeitpunkt tn der letzte Lichtstrahl 122 in die erste Emissionsrichtung 142 gesendet wird und der letzte Empfangszeitpunkt tn+Δtn der letzten Reflexion registriert wird. Die letzte Laufzeit Δtn wird ebenfalls der Emissionsrichtung 142 zugeordnet.
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Über die Laufzeiten Δt1, Δt2, bis Δtn wird in einem Ausführungsbeispiel ein Mittelwert gebildet, um Ausreißer der Treffer zu erkennen. Die Ausreißer können beispielsweise durch zufällig ausgelöste Impulse an einem Detektor der Empfangseinrichtung 108 entstehen. Dabei wird fälschlicherweise ein Treffer beziehungsweise Empfangszeitpunkt erfasst, obwohl noch keine oder gar keine Reflexion angekommen ist. Durch die Mittelwertbildung wird die Objekterkennung abgesichert.
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Da die Lichtstrahlen 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 gleichzeitig in eine Vielzahl von Emissionsrichtungen gesendet werden, wird der hier vorgestellte Ansatz gleichzeitig auch für die anderen Emissionsrichtungen ausgeführt, solange die Lichtstrahlen 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 in diese Emissionsrichtungen gesendet werden. Dabei wird jeweils mit dem Zuordnen begonnen, wenn der erste Lichtstrahl 110 in die jeweilige Emissionsrichtung gesendet wird. Das Zuordnen endet, wenn der letzte Lichtstrahl 122 in die Emissionsrichtung gesendet worden ist.
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Mit anderen Worten erfolgt bei dem hier vorgestellten Ansatz eine zeitgleiche Emission und Auswertung dicht benachbarter Laserlinien eines scannenden LIDAR-Systems 100.
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Bei einem scannenden LIDAR-System wird ein Laserstrahl in unterschiedliche Emissionswinkel emittiert und wieder empfangen. Aus diesen winkelabhängigen Einzelmessungen kann wiederum ein Umgebungsbild abgeleitet werden. Die benötigte Strahlablenkung kann dabei durch eine geeignete Optik, z. B. einen beweglichen Spiegel oder ein rotierendes System aller Komponenten realisiert werden.
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Alternativ kann eine Ortsauflösung durch die gleichzeitige oder sequentielle Beleuchtung eines größeren Bereichs, z. B. einer Linie und einer empfangsseitigen Unterscheidung anhand einer abbildenden Optik und eines Detektorarrays oder einer Detektorzeile realisiert werden.
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Ein scannendes System kann mit einem Flashansatz kombiniert werden. Besonders vorteilhaft ist die Aussendung einer Linie in Kombination mit einem rotierenden System. Die Linie wird dann anhand einer abbildenden Optik und einer auflösenden Detektorlinie in einzelne Pixel unterteilt.
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Als Detektoren können Einzelphotonendioden SPAD oder Lawinendioden APD verwendet werden.
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Die Performance, also das Signal/Rausch-Verhältnis von SPAD-Detektoren kann durch die Auswertung vieler Einzelmessungen über eine Statistik verbessert werden, was als Concurrence-Detektion bezeichnet werden kann. Aber auch Systeme welche APDs verwenden, können durch die Auswertung mehrerer Messungen verbessert werden.
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Bei üblichen Frameraten von LIDAR-Systemen von kleiner 40 Hz lassen sich diese Mehrfachmessungen jedoch nicht sinnvoll über zwei Frames bzw. Einzelbildern korrelieren, da Objekte in der Zeit zwischen zwei Frames aufgrund einer Bewegung des LIDAR-Systems und/oder der Objekte eine zu große Relativbewegung ausführen. Durch die Relativbewegung werden die Reflexionen an einem Objekt 140 in dieser Zeit bereits auf unterschiedlichen Pixeln abgebildet.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz erfolgen Mehrfachmessungen eines Objekts in kurzen Zeitabständen innerhalb eines Frames.
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Um eine bessere Klassifizierung unterschiedlicher Ziele zu ermöglichen sind neben der reinen Abstandmessung auch Daten zur empfangenen Signalstärke von Vorteil. Dies führt allerdings dazu, dass die Anforderungen an den Dynamikbereich der Detektoren sehr hoch werden, da niederreflektive weit entfernte Objekte sehr viel weniger Signal liefern als hochreflektive nahe Ziele.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz kann bei gleichbleibender Drehfrequenz eines scannenden Systems 100 die Anzahl der erzielbaren Messungen pro Emissionswinkel pro Frame erhöht werden, wodurch das Signal/RauschVerhältnis verbessert werden kann. Alternativ kann die Drehfrequenz für eine höhere Framerate erhöht werden. Eine höhere Drehfrequenz kann vorteilhaft für die Gleichlaufeigenschaften des Motors sein.
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2 zeigt eine Darstellung von Lichtstrahlen 110, 112 von einem LIDAR-System 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das LIDAR-System 100 entspricht im Wesentlichen dem LIDAR-System in 1. Hier sind nur der Rotor 104 und die Empfangseinrichtung 108 des LIDAR-Systems 100 dargestellt. Die nicht dargestellte Sendeeinrichtung des LIDAR-Systems 100 sendet hier der zur Vereinfachung nur zwei divergierende Lichtstrahlen 110, 112 aus. Von der Empfangseinrichtung 108 ist nur ein Detektor 200 dargestellt. Der Detektor 200 weist einen ersten Empfangsbereich 202 und einen zweiten Empfangsbereich 204 auf. Der erste Empfangsbereich 202 ist dem ersten Lichtstrahl 110 zugeordnet. Der zweite Empfangsbereich 204 ist dem zweiten Lichtstrahl 112 zugeordnet. Es sind die durch die Lichtstrahlen 110, 112 beleuchteten Flächen 206, 208 dargestellt. Die Empfangsbereiche 202, 204 und die Flächen 206, 208 sind in der Scanrichtung 138 seitlich zueinander versetzt angeordnet. Beide Empfangsbereiche 202, 204 und beide Flächen 206, 208 sind linienförmig und quer zu der Scanrichtung 138 ausgerichtet. Die Empfangsbereiche 202, 204 weisen zumindest je eine Zeile von quer zu der Scanrichtung 138 nebeneinander angeordneten Sensorelementen auf. Die Sensorelemente lösen die Flächen 206, 208 in einzelne Winkelbereiche auf.
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Die Sensorelemente sind beispielsweise Lawinenfotodioden, die empfindlich genug sein können, einen elektrischen Impuls bereitzustellen, wenn ein einzelnes Photon auf sie fällt. Lawinenfotodioden können auch in einem linearen Betriebsmodus betrieben werden. Dann kann auch eine Intensität des einfallenden Lichts in einem bereitgestellten elektrischen Signal abgebildet werden.
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Das Objekt 140 ist hier in der Scanrichtung 138 vor den Lichtstrahlen 110, 112 dargestellt. Das Objekt 140 wird also noch nicht durch die Lichtstrahlen 110, 112 beleuchtet. Durch die Drehbewegung mit der Winkelgeschwindigkeit ω wird der erste Lichtstrahl 110 das Objekt 140 beleuchten, wenn der erste Lichtstrahl 110 in die Emissionsrichtung 142 ausgerichtet ist. Dann ist auch der erste Empfangsbereich 202 in der Emissionsrichtung 142 angeordnet und die erste Reflexion an dem Objekt 140 wird auf den, den entsprechenden Winkelbereich der ersten Fläche 206 auflösenden Sensorelementen des ersten Empfangsbereichs 202 erfasst und der Emissionsrichtung 142 als erster Treffer zugeordnet.
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Der Rotor 104 dreht die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung 108 weiter. Wenn der zweite Lichtstrahl 112 in der Emissionsrichtung 142 ausgerichtet ist, dann ist auch der zweite Empfangsbereich 204 in der Emissionsrichtung 142 angeordnet. Die zweite Reflexion an dem Objekt 140 wird auf den, den entsprechenden Winkelbereich der zweiten Fläche 208 auflösenden Sensorelementen des zweiten Empfangsbereichs 204 erfasst und der Emissionsrichtung 142 als zweiter Treffer zugeordnet.
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In einem Ausführungsbeispiel weisen der erste Lichtstrahl 110 und der zweite Lichtstrahl 112 unterschiedliche Intensitäten auf. Beispielsweise ist die Intensität des ersten Lichtstrahls 110 größer, als die Intensität des zweiten Lichtstrahls 112. Am selben Objekt 140 resultieren aufgrund der unterschiedlichen Intensitäten unterschiedlich starke Reflexionen. Wenn das Objekt 140 beispielsweise retroreflektierend ist, wird viel Licht in die Richtung zurückgeworfen, aus der das Licht gekommen ist. Diese Lichtmenge kann die Sensorelemente übersteuern. Beispielsweise kann Blooming auftreten, sodass auch unbelichtete Sensorelemente ein elektrisches Signal abgeben, wodurch das Objekt 140 nicht mehr aufgelöst werden kann. Der Lichtstrahl 112 mit der geringeren Intensität wird auch mit einer geringeren Intensität zurückgeworfen. Die geringere Lichtmenge kann durch die Sensorelemente wieder aufgelöst werden.
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Ebenso ist die Lichtintensität einer Reflexion an einem nahen Objekt größer, als die Reflexion am gleichen Objekt in einer größeren Entfernung. Bei nahen Objekten kann die hohe Lichtintensität des ersten Lichtstrahls 110 zu einer zu hohen Intensität der ersten Reflexion führen. Die nahen Objekte können durch die geringere Lichtintensität des zweiten Lichtstrahls 112 aufgelöst werden.
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Durch die Verwendung von Linien 206, 208 mit unterschiedlichen Intensitäten kann eine Sättigung des Empfängers bei Signalen mit hoher Intensität verhindert werden, womit Intensitätswerte auch bei starken Empfangssignalen ermittelt werden können.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden zeitgleich mehrere Laserlinien ausgesendet und ausgewertet. Die Laserlinien können unterschiedliche Intensitäten aufweisen. Die Linien scannen dabei identische Bereiche nacheinander in einem kurzen zeitlichen Abstand ab. Dadurch stehen bei einer Umdrehung mehr Einzelmessungen pro Emissionswinkel zur Mittelung zur Verfügung.
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Des Weiteren können die Linien unterschiedliche Intensitäten aufweisen um Intensitätswerte des reflektierten Signals mit einem hohen Dynamikbereich ermitteln zu können.
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Hier erfolgt eine Parallele Aussendung und Detektion mehrerer Laserlinien, wobei der Abstand der Laserlinien kleiner drei Grad ist, was einem Abstand auf dem Sensor von weniger als 20 Pixel entspricht. Die einzelnen Linien können unterschiedliche Intensitäten aufweisen. Bei biaxialen Systemen kann der Parallaxeffekt reduziert werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf dem Aussenden mehrerer Laserlinien eines scannenden LIDAR-Systems. Die Scanbewegung 138 kann dabei durch Rotation des kompletten LIDAR-Systems 100 aus Laser und/oder Detektor oder aber durch eine Strahlablenkung über ein optisches Element realisiert sein. Die Linien durchlaufen zeitlich versetzt identische Bereiche. Dabei werden die Informationen bei dem Durchlauf der ersten Linie zwischengespeichert und mit den Informationen der zweiten Linie verrechnet sobald diese Informationen verfügbar sind. Die Laserlinien liegen hierbei auf dem Sensor jeweils nur wenige Pixel (< 20) auseinander damit Bewegungen des eigenen Fahrzeuges oder aber auch von der Umgebung die Auflösung des Systems nicht maßgeblich verschlechtern. Größere Abstände zwischen Durchläufen führen zur Verschmierung von mehreren Messungen. Bei dem hier vorgestellten Ansatz kann bei gleichbleibender Drehfrequenz ω die Anzahl der erzielbaren Messpunkte pro Emissionswinkel erhöht werden. Alternativ oder ergänzend kann die Drehfrequenz erhöht werden. Um die gleiche Anzahl von Messpunkten pro Emissionswinkel zu erreichen, wie bei zwei Laserlinien, kann die Drehfrequenz ω verdoppelt werden.
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Die Laserlinien können unterschiedliche Intensitäten aufweisen. Beispielsweise kann die Intensität der ersten Laserlinie größer als die Intensität der zweiten Laserlinie sein. Bei der Laserlinie mit der niedrigen Intensität kann eine Sättigung des Empfängers bei retroreflektierenden Objekten verhindert werden. Dies ist vor allem dann vorteilhaft wenn neben der reinen Abstandsmessung auch eine Aussage über die Intensität der empfangenen Reflexion ermittelt werden soll.
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Technologisch lässt sich die Aussendung mehrerer dicht benachbarter Laserlinien durch das Stapeln von Laserchips und eine anschließende Nahfeldabbildung einfach umsetzen. Eine Leistungsvariation der einzelnen Laserquellen kann auf unterschiedliche Weise z.B. durch Variation der Anzahl der Emitter realisiert werden. Auf der Detektorseite werden zumindest zwei Detektorzeilen mit paralleler Auswertung verwendet. Idealerweise wird ein Detektorarray verwendet.
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Es können auch von einer Linie abweichende beliebige Muster dupliziert und anhand oben beschriebener Vorgehensweise analysiert werden.
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3 zeigt eine Darstellung eines LIDAR-Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das LIDAR-System 100 entspricht im Wesentlichen dem LIDAR-System in 1. Im Gegensatz dazu ist das LIDAR-System 100 als biaxiales System ausgeführt, bei dem die Empfangseinrichtung 108 auf einer zu der Sendeeinrichtung 106 seitlich versetzten optischen Achse empfängt. Die Empfangseinrichtung 108 weist hier einen Detektor 200 mit einem einzelnen Empfangsbereich 202 auf. Dadurch ist ein Empfangswinkelbereich, in dem Reflexionen detektiert werden können gering. Wenn die Lichtstrahlen 110, 122 der Sendeeinrichtung 106 außerhalb des Empfangswinkelbereichs auf ein Objekt treffen, werden die Reflexionen nicht registriert, da sie außerhalb des Empfangsbereichs 202 abgebildet werden. Insbesondere betrifft diese Einschränkung nahe Objekte 300.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz können auch mit einem biaxialen System nahe Objekte 300 erfasst werden. Da die ausgesendeten Lichtstrahlen 110, 122 divergieren, beleuchten die Lichtstrahlen 110, 122 unterschiedliche Entfernungsbereiche des Empfangswinkelbereichs. Dadurch fällt die Reflexion 302 des Lichtstrahls 122 auf den Detektor 200 und wird registriert.
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Die emittierten Linien können so angeordnet sein, dass ein Parallax-Effekt ausgeglichen wird. Die Aussendung mehrerer Laserlinien kann darüber hinaus verwendet werden um den Parallax-Effekt eines biaxialen LIDAR-Systems 100 auszugleichen. Durch den Parallax-Effekt fallen Reflexionen von Objekten 300, die sich in der Nähe eines biaxialen abbildenden LIDAR-Sensors befinden seitlich am Detektor 200 vorbei. Diese Objekte 300 können daher nicht detektiert werden. Durch die Aussendung mehrerer dicht benachbarter Linien lässt sich dies umgehen indem diese Linien derart ausgesendet werden, dass in Abhängigkeit des Objektabstandes der Detektor 200 mehrere Linien analysiert. Das bedeutet, dass der Detektor 200 direkt nach dem Aussenden eines Pulses Reflexe der ersten Linie detektiert und nach einer gewissen Zeit die Reflexe der zweiten Linie. Die Trennung der beiden Objekte kann schließlich über die Zeitinformation beziehungsweise Distanzinformation realisiert werden.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
