DE102017220774B4

DE102017220774B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Distanz zu einem Objekt

Info

Publication number: DE102017220774B4
Application number: DE102017220774.4A
Authority: DE
Inventors: Maik BEER; Olaf Schrey; Werner Brockherde; Jennifer Ruskowski; Bedrich Hosticka; Jan Haase
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2037-11-22
Also published as: DE102017220774A1

Abstract

Verfahren (100) zum Bestimmen einer Distanz D zu einem Objekt (204) mittels einer Lichtlaufzeitmessung, wobei das Verfahren (100) die folgenden Schritte aufweist:(101) Aussenden eines Lichtsignals (202a), Empfangen eines an dem Objekt (204) reflektierten Anteils (202b) des ausgesendeten Lichtsignals (202a), Erzeugen eines Lichtempfangsereignissignals basierend auf dem Empfang eines reflektierten Anteils (202b) des ausgesendeten Lichtsignals (202a) und Erstellen (102) eines ersten Histogramms (211A-C), welches einen ersten Zeitabschnitt (211T) aufweist und eine Vielzahl von Lichtempfangsereignissignalen (2141) in diesem ersten Zeitabschnitt (211T) enthält,Ausführen (103) einer ersten Laufzeitbestimmung des Lichtsignals (202a) unter Verwendung des ersten Histogramms (211A-C) und anschließendes Ausführen (104) einer zweiten Laufzeitbestimmung des Lichtsignals (202a) unter Verwendung eines zweiten Histogramms (212D-F), wobei die zweite Laufzeitbestimmung auf einem Ergebnis (215) der ersten Laufzeitbestimmung basiert, und das zweite Histogramm (212D-F) einen zweiten Zeitabschnitt (212T) aufweist, der ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Zeitabschnitts (211T) des ersten Histogramms (211A-C) ist, wobei die zweite Laufzeitbestimmung beinhaltet:Erstellen des zweiten Histogramms (212D-F), wobei der zweite Zeitabschnitt (212T) des zweiten Histogramms (212D-F) die zeitliche Position des in der ersten Laufzeitbestimmung detektierten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewerts (301) beinhaltet, Erzeugen einer zweiten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion in dem zweiten Histogramm (212D-F) und Detektieren eines zweiten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewerts des empfangenen reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals innerhalb der zweiten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion zum Zwecke einer gegenüber der ersten Laufzeitbestimmung genaueren zweiten Laufzeitbestimmung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Distanz zu einem Objekt mittels einer Lichtlaufzeitmessung, ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens zum Bestimmen einer Distanz zu einem Objekt mittels einer Lichtlaufzeitmessung, und eine entsprechende Vorrichtung zum Bestimmen einer Distanz zu einem Objekt mittels einer Lichtlaufzeitmessung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise als eine Vorschrift zur Datenauswertung in einer laufzeitbasierten Distanzmessung verwendet werden.
Beispielsweise bietet die CMOS-Bildsensorik (CMOS, engl.: Complementary metal-oxidesemiconductor) effektive Möglichkeiten, um Messsignale in hoher Geschwindigkeit in Echtzeit aufzunehmen. Dies ist von großem Nutzen bei der Aufnahme von dreidimensionalen (3D) Distanzbildern in zeitkritischen Systemen. Pulslaufzeitverfahren und Verfahren mit kontinuierlich moduliertem Licht dienen hierbei der berührungslosen Tiefenerfassung. Dazu wird die Laufzeit von z.B. Infrarot-Laserlicht, das von einer aktiven Strahlungsquelle emittiert und von einem Zielobjekt reflektiert wurde, durch Detektion der Restintensität gemessen. Man spricht in diesem Zusammenhang von Light Detection and Ranging (LIDAR).
Ein Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Distanzmessung liegt in der Minimierung des Messfehlers durch Ausnutzung statistischer Vorschriften. Vorgehensweisen und Vorschriften zur Realisierung eines optimalen Regel- und Auswertealgorithmus werden beschrieben. Mögliche Anwendungsgebiete sind beispielsweise Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), Autonomes Fahren, Sicherheitsüberwachung, Avionik und Medizintechnik.
Eine hochgenaue und zuverlässige Bestimmung der Distanz ist in vielen Anwendungsfällen unverzichtbar. So müssen beim Notbremssystem im Automobil Distanzen zu sich vor dem Auto befindlichen Objekten in Echtzeit und zuverlässig erkannt werden. Ein guter und fehlerfreier Algorithmus zur Rohdatenverarbeitung und Sensorsteuerung ist Grundvoraussetzung für den Einsatz von LIDAR-Systemen in sicherheitskritischen Anwendungen und macht deren Einsatz als solchen somit erst möglich. Ein weiterer Einsatzbereich ist die Überwachung von Gefahrbereichen an Maschinen und Anlagen in der Industrie. Hierbei kann eine falsche Messung zu hohem Sach- oder Personenschaden führen. Grundsätzlich ist eine effiziente und zuverlässige Distanzerfassung in vielen Anwendungen von Vorteil um die Leistung und Verfügbarkeit eines Systems oder einer Anlange zu steigern.
Die US 2017 / 052 065 A1 beschreibt ein Verfahren zur Messung von Lichtereignissen, wobei zunächst in einer Grobmessung ein sequentieller Window Sweep ausgeführt wird, bei dem zunächst mehrere Zeitfenster der Reihe nach ausgetestet werden (basierend auf einer ersten Sequenz von Erfassungsperioden). Eines dieser mehreren getesteten Zeitfenster, in dem voraussichtlich der Eintreffzeitpunkt des zurückreflektierten Lichts liegt, wird dann für die weitere Verarbeitung ausgewählt. Hierbei wird in einer Feinmessung dann nur noch das vorab ausgewählte Zeitfenster angewendet, um alle anschließenden Lichtereignisse (zweite Sequenz von Erfassungsperioden) innerhalb dieses ausgewählten Zeitfensters zu erfassen.
Die WO 2016 / 063 028 A1 beschreibt das Erfassen von Streulicht, um einen Gegenstand oder eine Person zu erfassen, die sich nicht im direkten Sichtbereich (non-line of sight) der Kamera befindet. Diesbezüglich beschreibt die WO 2016 / 063 028 A1 lediglich das generelle Prinzip einer Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung in Histogrammen.
Die US 5 102 219 A1 beschreibt ein allgemeines Konzept einer Laufzeitmessung unter Verwendung einer digitalen Abtastung mit einem Tiefpass- bzw. Bandpassfilter zur Mittelwertfilterung.
Zum Messen von Lichtereignissen sind außerdem Single-Photon Avalanche Dioden (SPAD) bekannt. SPADs sind Avalanche Photodioden, die über ihrer Durchbruchspannung betrieben werden. In diesem sogenannten Geiger-Bereich reicht bereits ein einzelnes Photon aus, welches im aktiven Bereich der Diode absorbiert wird und einen freien Ladungsträger generiert, um zum Durchbruch der Diode und damit zu einem makroskopischen Stromfluss durch die Diode zu führen. SPADs ermöglichen so die Detektion einzelner Photonen.
Existierende SPAD-basierte 3D-Sensoren basieren auf verschiedenen Prinzipien. Bei dem im Folgenden betrachteten direkten Verfahren wird die Laufzeit eines Laserpulses von der Emission über die Reflexion am Zielobjekt bis zur Detektion im Sensor mittels eines elektronischen Zeitmessers (z. B. Time-to-Digital-Converter, TDC) erfasst. Dabei wird die Zeitmessung mit der Emission eines kurzen Laserpulses gestartet und mit dem Empfang des reflektierten Pulses gestoppt [1]. Das Stoppen der Zeitmessung erfolgt im First-Photon-Verfahren mit dem ersten Photon, welches nach dem Start durch den Sensor detektiert wird. Im Idealfall entspricht die gemessene Zeit der Lichtlaufzeit und kann über $d = \frac{c t}{2}$
direkt in die Distanz zwischen Sensor und Zielobjekt umgerechnet werden.
Um statistische Schwankungen zu eliminieren, können in der Regel zunächst mehrere dieser Zeitmarken in einem Histogramm gesammelt werden, aus welchen im Anschluss unter Verwendung eines geeigneten Software-Algorithmus die wahre Lichtlaufzeit ermittelt wird.
Aufgrund dieser Vorgehensweise hat der Algorithmus einen großen Einfluss auf die Präzision, Zuverlässigkeit und Effizienz der Distanzmessung. Ein idealer Algorithmus muss so gestaltet sein, dass er mit einer minimalen Anzahl an Laserpulsen gute Resultate möglichst unabhängig von der Intensität des reflektieren Laserpulses erzielt. Eine Minimierung der Pulszahl erlaubt eine höhere Framerate. Weiterhin muss der Algorithmus in der Lage sein, zu erkennen, wann eine Messung nicht mehr möglich ist und in diesem Fall die Messdaten als ungültig markieren. Dies kann beispielsweise durch die Ausgabe negativer Distanzwerte erfolgen.
In der Literatur finden sich nur sehr wenige Informationen über die zur Laufzeitermittlung verwendeten Algorithmen. In [2] wird ein Algorithmus zur Bestimmung mehrerer Maxima im Histogramm vorgestellt. Dabei erfolgt zunächst eine Filterung mittels eines FIR-Filters, dessen Impulsantwort experimentell ermittelt wurde und der Form des emittierten Laserpulses entspricht. Anschließend erfolgt die Bestimmung von bis zu drei lokalen Maxima. Wird das First-Photon-Verfahren verwendet, ist die Form des empfangen Pulses im Histogramm eine Funktion der Pulsintensität.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bekannte laufzeitbasierte Verfahren zum Bestimmen einer Distanz zu einem Objekt zu verbessern, sodass diese Verfahren effizienter ausführbar sind und genauere Ergebnisse liefern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, durch ein Computerprogramm mit den Merkmalen von Anspruch 13 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 14 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer Distanz zu einem Objekt mittels einer Lichtlaufzeitmessung weist unter anderem einen Schritt des Aussendens eines Lichtsignals auf. Ferner weist das Verfahren einen Schritt des Empfangens eines an dem Objekt reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals auf. Basierend auf dem Empfang eines reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals wird ein Lichtempfangsereignissignal erzeugt. Ein Lichtempfangsereignissignal kann einen gemessenen Zeitwert zwischen dem Aussenden des Lichtsignals und dem Empfangen des an dem Objekt reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals aufweisen. Diese Zeitwerte beziehungsweise Lichtempfangsereignissignale können in einem Histogramm gesammelt und entsprechend angeordnet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit als einen weiteren Schritt ein Erstellen eines ersten Histogramms auf, wobei das erste Histogramm einen ersten Zeitabschnitt - der auch als ein erster Betrachtungszeitraum bezeichnet werden kann - aufweist und eine Vielzahl von in diesem ersten Zeitabschnitt generierten Lichtempfangsereignissignalen enthält. Erfindungsgemäß beinhaltet das Verfahren ein Ausführen einer ersten Laufzeitbestimmung des Lichtsignals unter Verwendung des ersten Histogramms. Dabei handelt es sich um eine erste grobe Laufzeitbestimmung des Lichtsignals. Zeitlich an die erste Laufzeitbestimmung anschließend wird erfindungsgemäß eine zweite Laufzeitbestimmung des Lichtsignals ausgeführt, und zwar unter Verwendung eines zweiten Histogramms. Erfindungsgemäß hängen die erste und die anschließende zweite Laufzeitbestimmung miteinander zusammen, indem die zweite Laufzeitbestimmung auf einem Ergebnis der ersten Laufzeitbestimmung basiert. Anders ausgedrückt verwendet die zweite Laufzeitbestimmung ein Ergebnis der ersten Laufzeitbestimmung und verarbeitet dieses Ergebnis weiter. Außerdem ist der zweite Zeitabschnittder auch als ein zweiter Betrachtungszeitraum bezeichnet werden kann - des zweiten Histogramms ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Zeitabschnitts (Betrachtungszeitraum) des ersten Histogramms. Das heißt, die Laufzeit des Lichtsignals wird zuerst grob unter Verwendung eines ersten Histogramms ermittelt, wodurch man eine grobe Abschätzung des ungefähren Eintreffzeitpunkts des reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals abschätzen kann. Eine um diesen grob abgeschätzten ungefähren Eintreffzeitpunkt herum befindliche Zeitspanne wird dann als der zweite Zeitabschnitt für das zweite Histogramm verwendet. Das heißt, der zweite Zeitabschnitt (Betrachtungszeitraum) des zweiten Histogramms ist ein kleiner Teil beziehungsweise ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Zeitabschnitts (Betrachtungszeitraum) des ersten Histogramms. In anderen Worten ist der betrachtete Zeitabschnitt des zweiten Histogramms kleiner als der betrachtete Zeitabschnitt des ersten Histogramms und beinhaltet den in der ersten Laufzeitbestimmung grob abgeschätzten Eintreffzeitpunkt des reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals. Erfindungsgemäß wird also zuerst eine grobe Laufzeitbestimmung (erste Laufzeitbestimmung) durchgeführt. Anschließend wird, basierend auf dem Ergebnis der groben Laufzeitbestimmung, eine feine Laufzeitbestimmung (zweite Laufzeitbestimmung) durchgeführt, deren Ergebnisse näher an der wahren Laufzeit des Lichtsignals sind als die Ergebnisse der vorherigen groben Laufzeitbestimmung. Die Erfindung stellt somit beispielsweise einen Algorithmus zur Ermittlung der wahren Laufzeit eines Lichtsignals unter Verwendung eines Histogramms bereit, wobei das Histogramm die gemessenen Zeitwerte zwischen Lichtemission und Lichtempfang (zum Beispiel mittels Detektion des ersten Photons) enthält. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt beispielsweise eine Verbesserung der Zuverlässigkeit, Präzision und Reichweite der Laufzeitmessung, insbesondere bei Verwendung des direkten Verfahrens.
Erfindungsgemäß beinhaltet die zweite Laufzeitbestimmung ein Erstellen des zweiten Histogramms, wobei der zweite Zeitabschnitt (Betrachtungszeitraum) des zweiten Histogramms die zeitliche Position des in der ersten Laufzeitbestimmung detektierten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewerts (z.B. Maximum) beinhaltet. Hierbei wird in dem zweiten Histogramm eine zweite Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion erzeugt. Innerhalb dieser zweiten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion wird dann ein zweiter vorbestimmter Wahrscheinlichkeitsdichtewert des empfangenen reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals detektiert, und zwar zum Zwecke einer gegenüber der ersten Laufzeitbestimmung genaueren zweiten Laufzeitbestimmung. In anderen Worten kann auch in der zweiten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ein vorbestimmter Wahrscheinlichkeitsdichtewert, zum Beispiel ein Maximum, detektiert werden. Da jeder Wahrscheinlichkeitsdichtewert der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion zeitabhängig ist, ist dem zweiten detektierten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewert (z.B. Maximum) eine bestimmte zeitliche Position innerhalb des zweiten Zeitabschnitts (Betrachtungszeitraum) des zweiten Histogramms zugeordnet. Diese zeitliche Position kann ein Zeitpunkt oder eine Zeitspanne sein.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels kann die erste Laufzeitbestimmung ein Erzeugen einer ersten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion in dem ersten Histogramm aufweisen. Diese erste Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion bildet somit die Wahrscheinlichkeitsdichte der Einzelwahrscheinlichkeiten des Vorkommens von Lichtereignissen, beziehungsweise von Lichtempfangsereignissignalen, zu einem bestimmten Zeitpunkt beziehungsweise innerhalb eines bestimmten Betrachtungszeitraums (d.h. erster Zeitabschnitt) ab. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Verfahren außerdem ein Detektieren eines ersten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewerts des empfangenen reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals innerhalb der ersten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion. Bei dem vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewert kann es sich beispielsweise um ein Maximum innerhalb der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion handeln. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der vorbestimmte Wahrscheinlichkeitsdichtewert, beispielsweise ein Maximum, erreicht wird, ist die Wahrscheinlichkeit des Eintreffens eines ersten Photons entsprechend groß, z.B. maximal. Somit kann der Eintreffzeitpunkt des empfangenen reflektierten Anteils des Lichtsignals abgeschätzt werden. Da jeder Wahrscheinlichkeitsdichtewert zeitabhängig ist, ist dem ersten detektierten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewert (z.B. Maximum) eine bestimmte zeitliche Position innerhalb des ersten Zeitabschnitts (Betrachtungszeitraum) des ersten Histogramms zugeordnet. Diese zeitliche Position bestimmt somit den geschätzten Eintreffzeitpunkt. Die zeitliche Position kann ein Zeitpunkt oder eine Zeitspanne sein.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels kann vor der ersten Laufzeitbestimmung eine Mittelwertfilterung des ersten Histogramms durchgeführt werden. Hierfür kann ein Filter mit konstanter Filterbreite N eingesetzt werden. In dem gefilterten Histogramm können anschließend unerwünschte Hintergrundereignisse (d.h. von Hintergrundlicht verursachte Empfangsereignisse) reduziert oder entfernt werden. Hierfür werden unerwünschte Hintergrundlichtempfangsereignissignale in dem gefilterten ersten Histogramm von den Lichtempfangsereignissignalen in dem gefilterten ersten Histogramm subtrahiert. Durch eine Eliminierung von Hintergrundereignissen wird die Resistenz gegen hohes Hintergrundlicht gesteigert und so der erfassbare Dynamikbereich des Signal-Hintergrund-Verhältnisses (SBR) erhöht. Eine höhere Reichweite des Messsystems für variable Zielobjektcharakteristika wird damit erreicht.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels kann die konstante Filterbreite N der zeitlichen Halbwertsbreite des ausgesendeten Lichtsignals entsprechen.
Um die zuvor erwähnten unerwünschten Hintergrundereignisse von den Lichtsignalereignissen zu reduzieren beziehungsweise zu entfernen, kann die Ereignisrate der Hintergrundereignisse mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden. Gemäß eines derartigen Ausführungsbeispiels kann eine Ereignisrate der Hintergrundlichtempfangsereignissignale aus dem ersten Histogramm geschätzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Ereignisrate der Hintergrundlichtempfangsereignissignale mittels einer über eine definierte Zeitspanne ausgeführten Hintergrundlichtereigniszählung bestimmt werden.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels kann der zweite Zeitabschnitt des zweiten Histogramms die dreifache zeitliche Länge des ausgesendeten Lichtsignals aufweisen.
Somit kann in der zweiten Laufzeitbestimmung das Lichtsignal auch dann zeitlich umfasst werden, wenn die vorangegangene erste Laufzeitbestimmung ungenau war.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels kann ein drittes Histogramm erstellt werden, wobei das dritte Histogramm einen dritten Zeitabschnitt - der auch als ein dritter Betrachtungszeitraum bezeichnet werden kann - aufweist, der zeitlich vor dem zweiten Zeitabschnitt des zweiten Histogramms liegt. Der dritte Zeitabschnitt des dritten Histogramms kann ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Zeitabschnitts (Betrachtungszeitraum) des ersten Histogramms sein. Beispielsweise kann der dritte Zeitabschnitt des dritten Histogramms den ersten Zeitabschnitt des ersten Histogramms bis zum zeitlichen Beginn des zweiten Zeitabschnittes des zweiten Histogramms umfassen. Unter Verwendung des dritten Histogramms kann beispielsweise eine Hintergrundereignisrate ermittelt werden. Da der Betrachtungszeitraum des dritten Histogramms zeitlich vor dem Betrachtungszeitraum des zweiten Histogramms liegt, enthält das dritte Histogramm den im zweiten Histogramm beinhalteten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitswert (z.B. Maximum) nicht. Somit kann im dritten Histogramm eine Hintergrundereignisrate ohne Beachtung des vorbestimmten Wahrscheinlichkeitswerts (z.B. Maximum) ermittelt werden. Der vorbestimmte Wahrscheinlichkeitswert (z.B. Maximum) nimmt somit keinen Einfluss auf die Ermittlung der Hintergrundereignisrate. Die Ermittlung der Hintergrundereignisrate unter Verwendung des dritten Histogramms kann somit wesentlich genauere Ergebnisse liefern als die Ermittlung der Hintergrundereignisrate unter Verwendung des ersten Histogramms, denn im Betrachtungszeitraum des ersten Histogramms ist der vorbestimmte Wahrscheinlichkeitswert (z.B. Maximum) ja noch enthalten. Um auszuwählen, ob die Hintergrundereignisrate unter Verwendung des dritten Histogramms bestimmt werden soll, kann gemäß dieses Ausführungsbeispiels zwischen der ersten und der zweiten Laufzeitbestimmung überprüft werden, ob die Anzahl von Bins - auch als Klassen eines Histogramms bezeichnet - des dritten Histogramms einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Wenn das Ergebnis der Überprüfung positiv ist, das heißt wenn die Anzahl der Bins den vorbestimmten Grenzwert überschreitet, dann kann gemäß dieses Ausführungsbeispiels eine Ereignisrate von Hintergrundlichtempfangsereignissignalen in dem dritten Histogramm bestimmt werden. Unterschreitet nämlich die Anzahl der Bins im dritten Histogramm den festgelegten Grenzwert (z.B. 25), so kann auf die Bestimmung der Ereignisrate der Hintergrundlichtempfangsereignissignale innerhalb des dritten Histogramms verzichtet werden, da aufgrund der geringen Anzahl verfügbarer Bins die Varianz bei der Bestimmung zu hoch wäre. In diesem Fall könnte dann, anstatt die Hintergrundereignisrate in der zweiten Laufzeitbestimmung unter Verwendung des dritten Histogramms zu bestimmen, die zuvor in der ersten Laufzeitbestimmung unter Verwendung des ersten Histogramms bestimmte Hintergrundereignisrate verwendet werden.
Zur Bestimmung der Ereignisrate der Hintergrundlichtempfangsereignissignale kann gemäß eines Ausführungsbeispiels die Ereignisrate der Hintergrundlichtempfangsereignissignale aus dem dritten Histogramm geschätzt werden. Da das empfange Lichtsignal nicht in dem für die Schätzung relevanten dritten Betrachtungszeitraum des dritten Histogramms liegt, wird die Schätzung nicht mehr durch das empfangene Lichtsignal verfälscht. Alternativ oder zusätzlich kann die Ereignisrate der Hintergrundlichtempfangsereignissignale mittels einer über eine definierte Zeitspanne ausgeführten Hintergrundlichtereigniszählung bestimmt werden.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels kann zwischen der ersten und der zweiten Laufzeitbestimmung eine Ereignisrate von Lichtempfangsereignissignalen bestimmt werden, wobei die Ereignisrate der Lichtempfangsereignissignale in dem zweiten Histogramm geschätzt wird, wobei zur Schätzung ein zeitlicher Abschnitt betrachtet wird, innerhalb dessen sich der detektierte erste vorbestimmte Wahrscheinlichkeitsdichtewert (z.B. Maximum) befindet. Die Ereignisrate kann demnach also geschätzt werden, und zwar im relevanten Zeitbereich, in dem zuvor der erste vorbestimmte Wahrscheinlichkeitsdichtewert (z.B. Maximum) detektiert wurde. Hierfür kann die Wahrscheinlichkeit eines Lichtempfangsereignissignals im relevanten Zeitbereich des zweiten Histogramms betrachtet, und im Falle einer gepulsten Lichtquelle mit der Lichtpulszahl multipliziert werden, um die Ereignisanzahl zu erhalten.
Mit der ermittelten Ereignisanzahl beziehungsweise Ereignisrate kann eine Optimalfilterung des zweiten Histogramms durchgeführt werden. Eine Optimalfilterung entspricht einer Filterung des zweiten Histogramms mittels eines Filters, dessen Impulsantwort der gewünschten beziehungsweise erwarteten Signalform gleicht. Gemäß eines derartigen Ausführungsbeispiels kann zur Bestimmung der hierfür nötigen Filterkoeffizienten zwischen der ersten und der zweiten Laufzeitbestimmung eine gesuchte Signalform des empfangenen reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals im zweiten Histogramm ermittelt werden.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels können die in dem ersten Histogramm bestimmten Hintergrundlichtempfangsereignissignale oder die in dem dritten Histogramm bestimmten Hintergrundlichtempfangsereignissignale von den Lichtempfangsereignissignalen des zweiten Histogramms subtrahiert werden. Hierüber erhält man wiederum eine Reduktion beziehungsweise Entfernung der unerwünschten Hintergrundereignisse von den Lichtempfangsereignissen. Da die in dem dritten Histogramm bestimmten Hintergrundlichtempfangsereignissignale genauer sind als die in dem ersten Histogramm bestimmten Hintergrundlichtempfangsereignissignale sind vorzugsweise die in dem dritten Histogramm bestimmten Hintergrundlichtempfangsereignissignale von den Lichtempfangsereignissignalen im zweiten Histogramm zu subtrahieren. Wenn aber beispielsweise, wie zuvor erwähnt, ein festgelegter Grenzwert der Bins im dritten Histogramm nicht überschritten wird, dann können die zuvor in dem ersten Histogramm bestimmten Hintergrundlichtempfangsereignissignale von den Lichtempfangsereignissignalen des zweiten Histogramms subtrahiert werden.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels kann die Lichtlaufzeitmessung mittels eines direkten Laufzeitverfahrens ausgeführt werden, wobei die Laufzeit des Lichtsignals vom Aussenden über die Reflexion an dem Objekt bis zum Empfangen des an dem Objekt reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals mittels eines elektronischen Zeitmessers (z.B. Time-to-Digital-Converter, TDC) erfasst wird. Dabei kann die Zeitmessung mit der Emission eines kurzen Lichtpulses gestartet und mit dem Empfang des reflektierten Pulses gestoppt werden. Das Stoppen der Zeitmessung kann im First-Photon-Verfahren mit dem ersten Photon, welches nach dem Start durch den Sensor detektiert wird, erfolgen. Im Idealfall entspricht die gemessene Zeit der Lichtlaufzeit und kann über $d = \frac{c t}{2}$
direkt in die Distanz zwischen Sensor und Zielobjekt umgerechnet werden.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels kann das ausgesendete Lichtsignal ein gepulstes Laserlicht, und insbesondere ein gepulstes Infrarot-Laserlicht, sein. Aufgrund der Strahlbündelung des Laserlichts eignet sich dieses Licht besonders gut zur Laufzeitmessung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wie es oben beschrieben wurde, wenn dieses Programm auf einem Computer oder einem Signalprozessor abläuft.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um das oben beschriebene Verfahren auszuführen. Dabei handelt es sich um eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Distanz zu einem Objekt mittels einer Lichtlaufzeitmessung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist unter anderem eine Lichtaussendevorrichtung auf, die ausgebildet ist, um ein Lichtsignal auszusenden. Außerdem weist die Vorrichtung eine Lichtempfangsvorrichtung auf, die ausgebildet ist, um einen an dem Objekt reflektierten Anteil des ausgesendeten Lichtsignals zu empfangen, und um ein Lichtempfangsereignissignal basierend auf dem Empfang eines reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner eine Auswertevorrichtung auf, die ausgebildet ist, um ein erstes Histogramm und ein zweites Histogramm zu erstellen. Wie bereits zuvor beschrieben wurde, weist das erste Histogramm einen ersten Zeitabschnitt - der auch als erster Betrachtungszeitraum bezeichnet werden kann - auf. In diesem ersten Zeitabschnitt enthält das erste Histogramm eine Vielzahl von Lichtempfangsereignissignalen. Das zweite Histogramm weist einen zweiten Zeitabschnitt - der auch als zweiter Betrachtungszeitraum bezeichnet werden kann - auf. Der zweite Zeitabschnitt ist ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Zeitabschnitts des ersten Histogramms. Erfindungsgemäß ist die Auswertevorrichtung ausgebildet, um eine erste Laufzeitbestimmung des Lichtsignals unter Verwendung des ersten Histogramms und eine anschließende zweite Laufzeitbestimmung des Lichtsignals unter Verwendung des zweiten Histogramms auszuführen, wobei die zweite Laufzeitbestimmung auf einem Ergebnis der ersten Laufzeitbestimmung basiert. Bei der ersten Laufzeitbestimmung handelt es sich um eine grobe Laufzeitbestimmung. Das Ergebnis der groben ersten Laufzeitbestimmung wird dann in der zweiten Laufzeitbestimmung weiterverarbeitet und verfeinert. Bei der zweiten Laufzeitbestimmung handelt es sich um eine feine Laufzeitbestimmung, deren Ergebnis genauer ist als das Ergebnis der groben ersten Laufzeitbestimmung. Dies ergibt sich unter anderem dadurch, dass das Ergebnis der groben ersten Laufzeitbestimmung als Ausgangpunkt bzw. Anfangswert zur Berechnung der zweiten Laufzeitbestimmung verwendet wird.
Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Verfahren, in der Art wie es oben beschrieben ist, vollständig von der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt werden. Dabei ist insbesondere die Auswertevorrichtung dazu ausgebildet, um die jeweiligen Verfahrensschritte auszuführen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Blockdiagramm zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2A ein schematisches Blockdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2B eine schematische Darstellung von Histogrammen zur Verarbeitung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
2C eine schematische Ansicht von Histogrammen zur Darstellung der zeitlichen Verteilung der einzelnen Betrachtungszeiträume,
3 ein Rohdatenhistogramm zur Darstellung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion eines Lichtempfangsereignissignals über der Zeit,
4 das Rohdatenhistogramm aus 3 nach Abzug von geschätzten und tatsächlichen Hintergrundereignissen,
5 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der einzelnen beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik, wobei das Diagramm die mit dem jeweiligen Verfahren zu erreichende Reichweite in Abhängigkeit der Hintergrundereignisrate zeigt,
7A ein Diagramm zur Veranschaulichung der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik, wobei Qualitätswerte in Abhängigkeit der Distanz bei einer Ereignisrate von 37 MHz aufgetragen sind,
7B ein Diagramm zur Veranschaulichung der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik, wobei Qualitätswerte in Abhängigkeit der Distanz bei einer Ereignisrate von 18,1 MHz aufgetragen sind,
7C ein Diagramm zur Veranschaulichung der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik, wobei Qualitätswerte in Abhängigkeit der Distanz bei einer Ereignisrate von 2,3 MHz aufgetragen sind, und
7D ein Diagramm zur Veranschaulichung der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik, wobei Qualitätswerte in Abhängigkeit der Distanz bei einer Ereignisrate von 115 kHz aufgetragen sind.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Verfahrensschritte, die in Blockdiagrammen abgebildet sind, können auch in einer anderen als der abgebildeten Reihenfolge ausführbar sein. Alles was innerhalb dieses Dokuments mit Bezug auf eine Vorrichtung gesagt ist, gilt gleichsam auch für das hierin beschriebene Verfahren und anders herum. Außerdem werden nachfolgend Lichtsignale exemplarisch am Beispiel von Laserpulsen beschrieben. Es können aber auch andere Arten von Lichtsignalen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehungsweise in dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt werden.
1 zeigt schematisch ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Bestimmen einer Distanz zu einem Objekt mittels einer Lichtlaufzeitmessung.
In Block 101 wird ein Lichtsignal ausgesendet und ein an dem Objekt reflektierter Anteil des ausgesendeten Lichtsignals wird empfangen. Basierend auf dem Empfang dieses reflektierten Anteils wird ein Lichtempfangsereignissignal erzeugt. Das Lichtempfangsereignissignal ist ein Signal, das erzeugt wird, sobald der reflektierte Anteil empfangen wurde. Bei dem reflektierten Anteil kann es sich beispielsweise um ein erstes Photon handeln, das detektiert wird. Der Empfang eines Lichtsignals (z.B. erstes Photon) wird auch als Ereignis bezeichnet. Das Lichtempfangsereignissignal weist somit also darauf hin, dass ein Empfangsereignis des ausgesendeten Lichtsignals stattgefunden hat.
Ein Lichtempfangsereignissignal kann als Information insbesondere einen gemessenen Zeitwert zwischen dem Aussenden des Lichtsignals und dem Empfangen des an dem Objekt reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals beinhalten. Die Lichtempfangsereignissignale können in einem Histogramm gesammelt und darin entsprechend Ihres Zeitwerts angeordnet werden.
In Block 102 wird daher ein erstes Histogramm erstellt, welches einen ersten Zeitabschnitt aufweist und eine Vielzahl - also zwei oder mehr - von Lichtempfangsereignissignalen aufweist. Das erste Histogramm weist eine Zeitachse auf, auf der der erste Zeitabschnitt - der auch als ein erster Betrachtungszeitraum bezeichnet werden kann - angeordnet ist. In dem ersten Histogramm werden die Lichtempfangsereignissignale ihrem jeweiligen Lichtempfangszeitpunkt zugeordnet. Das erste Histogramm weist somit eine Vielzahl von Zeitmarken auf, zu denen ein Lichtempfangsereignis detektiert wurde.
Um statistische Schwankungen zu eliminieren werden in der Regel mehrere dieser Zeitmarken in dem ersten Histogramm gesammelt, aus welchen im Anschluss unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die wahre Lichtlaufzeit ermittelt werden kann. Wird hierbei das First-Photon-Verfahren unter Verwendung einer gepulsten Lichtquelle angewandt, so betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der wahren Pulslaufzeit aus einem Histogramm, welches die gemessenen Zeitwerte zwischen Pulsemission und der Detektion des ersten Photons enthält.
In Block 103 wird demgemäß eine erste Laufzeitbestimmung unter Verwendung des ersten Histogramms ausgeführt. Wie nachfolgend näher beschrieben wird, kann die erste Laufzeitbestimmung auch als eine grobe Laufzeitbestimmung bezeichnet werden, da hier zunächst eine erste grobe Bestimmung der Lichtlaufzeit stattfindet.
In Block 104 wird dann, im Anschluss an die erste Laufzeitbestimmung, eine zweite Laufzeitbestimmung durchgeführt. Die zweite Laufzeitbestimmung wird unter Verwendung eines zweiten Histogramms ausgeführt. Dieses zweite Histogramm kann dieselben Werte, d.h. Lichtempfangsereignissignale, wie das erste Histogramm enthalten. Allerdings weist das zweite Histogramm einen kleineren Betrachtungszeitraum als das erste Histogramm auf. Genauer gesagt werden im Betrachtungszeitraum des zweiten Histogramms nur die Teile des ersten Histogramms betrachtet, in denen zuvor die zeitliche Position des Lichtempfangsereignisses entsprechend der groben ersten Laufzeitbestimmung ermittelt wurde. Das zweite Histogramm ist also ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Histogramms. Oder etwas genauer ausgedrückt, der zweite Zeitabschnitt - der auch als zweiter Betrachtungszeitraum bezeichnet werden kann - des zweiten Histogramms ist ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Zeitabschnitts - der auch als erster Betrachtungszeitraum bezeichnet werden kann - des ersten Histogramms.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren in Block 104 derart ausgeführt, dass die zweite Laufzeitbestimmung des Lichtsignals auf dem Ergebnis der vorangegangenen ersten Laufzeitbestimmung basiert. Das Ergebnis der groben ersten Laufzeitbestimmung ist, wie oben beschrieben wurde, eine grobe zeitliche Position des empfangenen reflektierten Lichtanteils, d.h. des Lichtempfangsereignissignals. Die zweite Laufzeitbestimmung verwendet diese grobe zeitliche Position des empfangenen reflektierten Lichtanteils als Ausgangswert und verfeinert die Detektion der zeitlichen Position, sodass der wahre Eintreffzeitpunkt des empfangenen reflektierten Lichtanteils noch genauer bestimmt werden kann als mittels der ersten Laufzeitbestimmung. Deshalb wird die zweite Laufzeitbestimmung auch als eine feine Laufzeitbestimmung bezeichnet.
2A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 200 zum Bestimmen einer Distanz D zu einem Objekt 204.
Hierfür weist die Vorrichtung 200 eine Lichtaussendevorrichtung 201 auf. Die Lichtaussendevorrichtung 201 ist ausgebildet, um ein Lichtsignal 202a auszusenden. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein gepulstes Lichtsignal handeln.
Die Vorrichtung 200 weist eine Lichtempfangsvorrichtung 203 auf. Die Lichtempfangsvorrichtung 203 ist ausgebildet, um einen an dem Objekt 204 reflektierten Anteil 202b des ausgesendeten Lichtsignals 202a zu empfangen.
Die Lichtempfangsvorrichtung 203 ist außerdem ausgebildet, um, basierend auf dem Empfang eines reflektierten Anteils 202b, ein Lichtempfangsereignissignal zu erzeugen. Das heißt, wenn die Lichtempfangsvorrichtung 203 einen reflektierten Anteil 202b empfängt, erzeugt sie ein Lichtempfangsereignissignal. Das Lichtempfangsereignissignal kann als Information einen gemessenen Zeitwert zwischen dem Aussenden des Lichtsignals 202a und dem Empfangen des an dem Objekt 204 reflektierten Anteils 202b des ausgesendeten Lichtsignals 202a beinhalten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 weist ferner eine Auswertevorrichtung 205 auf. Die Auswertevorrichtung 205 kann mit der Lichtaussendevorrichtung 201 und/oder mit der Lichtempfangsvorrichtung 203 kabelgebunden und/oder kabellos zum Zwecke des Datenaustauschs verbunden sein. Die Auswertevorrichtung 205 kann das Lichtempfangsereignissignal von der Lichtempfangsvorrichtung 203 empfangen.
Die Auswertevorrichtung 205 ist ausgebildet, um ein erstes Histogramm 211 und ein zweites Histogramm 212 basierend auf den empfangenen Lichtempfangsereignissignalen zu erstellen. Das erste Histogramm 211 weist einen ersten Zeitabschnitt (Betrachtungszeitraum) 211_T auf. Das erste Histogramm 211 weist außerdem eine Vielzahl von Lichtempfangsereignissignalen 214₁ auf. Das erste Histogramm 211 bildet die Häufigkeitsdichte von mittels der Lichtempfangsvorrichtung 203 detektierten Lichtempfangsereignissen, d.h. die Häufigkeitsdichte von Lichtempfangsereignissignalen, über die Zeit beziehungsweise über deren jeweiligen Eintreffzeitpunkt ab. Das erste Histogramm 211 enthält somit eine Vielzahl von Lichtempfangsereignissignalen 214₁ in dem ersten Zeitabschnitt 211_T.
Das zweite Histogramm 212 weist einen zweiten Zeitabschnitt 212_T (Betrachtungszeitraum) auf. Der zweite Zeitabschnitt 212_T ist ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Zeitabschnitts 211_T (Betrachtungszeitraum) des ersten Histogramms 211.
Die Auswertevorrichtung 205 ist ausgebildet, um eine erste Laufzeitbestimmung des Lichtsignals 202a unter Verwendung des ersten Histogramms 211 auszuführen. Ein Ergebnis 215 der ersten Laufzeitbestimmung kann eine Schätzung der zeitlichen Position des Lichtereignisses (Eintreffen des Lichtsignals) in dem Betrachtungszeitraum des ersten Histogramms 211 sein.
Erfindungsgemäß ist die Auswertevorrichtung 205 ausgebildet, um nach der ersten Laufzeitbestimmung eine zweite Laufzeitbestimmung des Lichtsignals 202a unter Verwendung des zweiten Histogramms 212 auszuführen. Erfindungsgemäß basiert die zweite Laufzeitbestimmung dabei auf dem Ergebnis 215 der vorangegangenen ersten Laufzeitbestimmung.
2B zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 200, wobei der Übersichtlichkeit wegen hier nur die einzelnen Histogramme abgebildet sind. Strukturell kann die Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels aus 2A identisch zu dem zweiten Ausführungsbeispiel aus 2B sein. Allerdings ist die Auswertevorrichtung 205 in dem zweiten Ausführungsbeispiel in 2B ferner ausgebildet, um optional ein drittes Histogramm 213 zu erstellen.
Das dritte Histogramm 213 weist einen dritten Zeitabschnitt 213_T (Betrachtungszeitraum) auf. Der dritte Zeitabschnitt 213_T ist ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Zeitabschnitts 211_T (Betrachtungszeitraum) des ersten Histogramms 211. Der dritte Zeitabschnitt 213_T des dritten Histogramms 213 kann zeitlich vor dem zweiten Zeitabschnitt 212_T des zweiten Histogramms 212 liegen.
Wie später detailliert an einem Ausführungsbeispiel beschrieben wird, kann mittels des dritten Histogramms 213 eine Bestimmung 217 der Hintergrundereignisrate durchgeführt werden. Dabei werden Lichtanteile, die aus dem Hintergrund stammen von Lichtanteilen, die von dem reflektierten Anteil 202b des ausgesendeten Lichtsignals 202a stammen abgezogen. Das Ergebnis dieser Bestimmung der Hintergrundereignisrate mittels des dritten Histogramms 213 kann von dem Ergebnis der Bestimmung der Lichtereignisrate mittels des zweiten Histogramms 212 abgezogen werden. Da dieser Schritt jedoch optional ist, sind die entsprechenden Merkmale in 2B in Strichlinien dargestellt.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, ist der Betrachtungszeitraum 212_T des zweiten Histogramms 212 ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Histogramms 211. Dabei befindet sich in dem Betrachtungszeitraum 212_T des zweiten Histogramms 212 ein vorbestimmter Wahrscheinlichkeitsdichtewert, beispielsweise ein Minimum, ein Maximum, oder ein beliebiger Wert dazwischen. Der Betrachtungszeitraum 213_T des dritten Histogramms 213 kann nun ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Histogramms 211 sein, der jedoch zeitlich vor dem soeben erwähnten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewert (z.B. Maximum) liegt. Der Betrachtungszeitraum 213_T des dritten Histogramms 213 kann somit also vor dem soeben genannten Betrachtungszeitraum 212_T des zweiten Histogramms 212 liegen. Eine zeitliche Überschneidung der Betrachtungszeiträume 212_T, 213_T des zweiten und dritten Histogramms 212, 213 wäre denkbar.
2C zeigt die zeitliche Verteilung der Betrachtungszeiträume 211_T, 212_T, 213_T des ersten, zweiten und dritten Histogramms 211, 212, 213 nochmals etwas detaillierter. Die Indizes A, D und G hinter den Bezugszeichen des jeweiligen Histogramms 211, 212, 213 in 2C werden in dem weiter unten aufgeführten Beispiel näher erläutert.
Es ist in 2C jedoch deutlich zu erkennen, dass in dem Betrachtungszeitraum 211_T des ersten Histogramms 211 der Betrachtungszeitraum 212_T des zweiten Histogramms 212, und optional der Betrachtungszeitraum 213_T des dritten Histogramms 213, angeordnet ist.
In dem ersten Histogramm 211 kann ein vorbestimmter Wahrscheinlichkeitswert, wie zum Beispiel ein Maximum, 301 vorhanden sein. Der Betrachtungszeitraum 212_T des zweiten Histogramms 212 kann einen zeitlichen Bereich um den vorbestimmten Wahrscheinlichkeitswert 301 herum umfassen und dabei den vorbestimmten Wahrscheinlichkeitswert 301 beinhalten. Der Betrachtungszeitraum 212_T des zweiten Histogramms 212 kann dabei beispielsweise die dreifache zeitliche Länge 3N des ausgesendeten Lichtsignals 202a aufweisen.
Der Betrachtungszeitraum 213_T des dritten Histogramms 213 hingegen kann einen zeitlichen Bereich vor dem vorbestimmten Wahrscheinlichkeitswert 301 umfassen und den vorbestimmten Wahrscheinlichkeitswert 301 somit nicht beinhalten. In anderen Worten kann also im Betrachtungszeitraum 213_T des dritten Histogramms 213 derjenige Teil des ersten Histogramms 211 betrachtet werden, der zeitlich vor dem zweiten Betrachtungszeitraum 212_T des zweiten Histogramms 212 liegt. Das dritte Histogramm 213 ist also ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Histogramms 211. Oder etwas genauer ausgedrückt, der dritte Zeitabschnitt 213_T - der auch als dritter Betrachtungszeitraum bezeichnet werden kann - des dritten Histogramms 213 ist ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Zeitabschnitts 211_T - der auch als erster Betrachtungszeitraum bezeichnet werden kann - des ersten Histogramms 211.
Im Folgenden wird ein konkretes Ausführungsbeispiel zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gepulste Lasersignale lediglich exemplarisch als eine Art von Lichtsignalen genannt. Es können aber auch nicht gepulste beziehungsweise kontinuierliche Lichtsignale in dem erfindungsgemäßen Verfahren Verwendung finden. Auch die Bemaßungen der in allen hierin beschriebenen Figuren abgebildeten Diagramme sind lediglich als beispielhaft zu verstehen.
In dem nachfolgend beschriebenen Beispiel wird das direkte Laufzeitverfahren für die Messung der Distanz D zu einem Objekt 204 verwendet. Dabei wird die Zeit zwischen der Emission eines kurzen Pulses aus einer gepulsten Laserquelle (Lichtaussendevorrichtung) 201 und der Ankunft des ersten reflektierten und am Sensor (Lichtempfangsvorrichtung) 203 detektierten Photons 202b bestimmt.
Um statistische Fehler zu minimieren und Ereignisse, welche aus dem Hintergrundlicht anstatt dem reflektierten Laserpuls resultieren, korrigieren zu können, wird eine Anzahl N_puls dieser Zeitwerte in einem Histogramm gesammelt, aus welchem anschließend die wahre Pulslaufzeit ermittelt wird. Zur Bestimmung der wahren Laufzeit aus dem gefüllten Histogramm, ist eine Vielzahl verschiedener Möglichkeiten denkbar. Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Bestimmung der wahren Laufzeit mittels einer Filterung des Histogramms, einer Subtraktion von Hintergrundereignissen sowie der Bestimmung der zeitlichen Position des Maximums.
Erste Laufzeitbestimmung
Im Folgenden wird zunächst die erste Laufzeitbestimmung unter Verwendung des ersten Histogramms 211 beschrieben. Die erste Laufzeitbestimmung wird auch als eine grobe Laufzeitbestimmung bezeichnet. Während der ersten Laufzeitbestimmung durchläuft das erste Histogramm 211 mehrere Verfahrensschritte und wird dabei modifiziert. Um die modifizierten Stadien des ersten Histogramms 211 auseinander halten zu können, werden diese einzelnen Stadien des ersten Histogramms 211 nachfolgend mit den Bezugszeichen 211A, 211B und 211C gekennzeichnet. Die erste Laufzeitbestimmung wird nachfolgend auch als Algorithmus bezeichnet.
Die Eingangsgröße des Algorithmus stellt die Folge A von N_Bin Werten dar, welche den Zählwerten des Histogramms 211 entsprechen. Die Anzahl der Bins N_Bin ergibt sich aus der zeitlichen Breite der Bins, welche in der Regel durch die Zeitmesseinrichtung definiert ist, und der Reichweite des Systems.
Im ersten Schritt erfolgt eine grobe Bestimmung der Pulslaufzeit. Dafür wird das Rohdatenhistogramm (erstes Histogramm) 211A $A = {a_{1}, a_{2}, \dots, a_{N_{Bin}}}$
zunächst mittels eines Mittelwertfilters mit konstanter Breite N, welche auch der Halbwertsbreite des emittierten Laserpulses entspricht, entsprechend $B = {b_{1}, b_{2}, \dots, b_{N_{Bin}}} mit b_{m} = \frac{1}{N} \sum_{k = m}^{m + N - 1} a_{k}$
gefiltert. Um zu verhindern, dass die zeitliche Position des Maximums im gefilterten Histogramm B (erstes Histogramm 211 B) durch Hintergrundereignisse verfälscht wird, wird im nächsten Schritt von jedem Bin des gefilterten Histogramms 211B der Anteil an Hintergrundereignissen subtrahiert.
Hierfür wird zunächst aus dem Rohdatenhistogramm A (211A) die Ereignisrate des Hintergrundlichtes geschätzt. Zu diesem Zweck wird die Wahrscheinlichkeit eines Hintergrundereignisses ohne Berücksichtigung von lasergenerieten Ereignissen betrachtet, welche sich über die Integration der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des ersten detektierten Ereignisses über die gesamte Länge des Histogramms 211A berechnen lässt. Da das Hintergrundlicht auf den betrachteten Zeitskalen als konstant angenommen werden kann, ist die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion durch eine Exponentialverteilung gegeben.
Wird die Wahrscheinlichkeit mit der Anzahl akkumulierter Laserpulse N_Puls multipliziert, ergibt sich die Anzahl erfasster Ereignisse zu $N_{Ph} = N_{Puls} \int_{0}^{N_{Bin} T_{Bin}} λ_{B} exp (- λ_{B} t) d t = N_{Puls} (1 - exp (- λ_{B} N_{Bin} T_{Bin}))$
aus welcher sich durch Umstellung nach der Ereignisrate λ_B die Gleichung zur Ratenschätzung zu ${\hat{λ}}_{B} = - ln (1 - \frac{N_{Ph}}{N_{Puls}}) \frac{1}{N_{Bin} T_{Bin}} mit N_{Ph} = \sum_{i = 1}^{N_{Bin}} a_{i}$
mit der Binbreite T_Bin ableiten lässt.
Die Anzahl detektierter Photonen N_Ph ist dabei durch die Summe über den Vektor des Histogramms A (211A) gegeben. Da bei der Schätzung nach Gleichung (4) die lasergenerierten Ereignisse im Rohdatenhistogramm 211A vernachlässigt werden, wird die Hintergrundereignisrate aufgrund der höheren Anzahl detektierter Photonen in der Regel höher als der tatsächliche Wert geschätzt.
Dies stellt jedoch kein Problem für die weitere Auswertung dar, da in diesem Fall von den vorderen Bins ein höherer Wert subtrahiert wird, was zu negativen Werten führt. Dagegen werden Bins bei größeren Zeiten weniger stark reduziert. Im Allgemeinen zeigt sich auch in diesem Fall eine verbesserte Detektion des Maximums gegenüber dem lediglich gefilterten Histogramm B(211B).
Weiterhin kann es bei intensivem Hintergrund oder einer hohen Ereignisrate des reflektierten Laserpulses dazu kommen, dass N_Ph = N_Puls gilt. Da dies in einer unendlichen Hintergrundereignisrate resultieren würde, kann die Ereignisrate erfindungsgemäß auf einen maximalen Wert begrenzt werden. Die Wahl des Limits hängt dabei von den zu erwartenden Hintergrundraten λ_B,exp ab. Da dies besonders bei sehr großen Histogrammen, d. h. N_BinT_Binλ_B,exp >> 1, auftritt, ist es zudem sinnvoll in diesem Fall die Hintergrundereignisrate nur aus einem Teilbereich des Rohdatenhistogramms A (211A), d. h. N_Bin < N_Bin,true in Gleichung (4), zu schätzen.
Somit erhält man ein um den Hintergrund reduziertes erstes Histogramm 211C. Für das um den Hintergrund reduzierte Histogramm 211C gilt $C = {c_{1}, c_{2}, \dots, c_{N_{Bin}}} mit c_{m} = b_{m} - {\hat{λ}}_{B} exp (- {\hat{λ}}_{B} m T_{Bin}) T_{Bin} N_{Puls}$
In 3 ist die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (durchgezogene Linie) 300 des ersten Ereignisses für eine Ereignisrate des Hintergrundes und Laserpulses von je 10 MHz, einer Laufzeit von 100 ns und einer Pulsbreite von 25 ns dargestellt. Weiterhin ist als zweite Kurve (gestrichelte Linie) 302 die Funktion ohne Laserpuls berechnet worden.
Das Diagramm in 3 zeigt, dass ohne eine Subtraktion des Hintergrundes das Maximum 301 mit hoher Wahrscheinlichkeit bei deutlich kürzerer Zeit als der wahren Pulslaufzeit gefunden würde. Wird nun der Hintergrund aus dem gezeigten Kurvenlauf mittels Gleichung (4) ermittelt, so ergibt sich eine geschätzte Ereignisrate von 11,6 MHz.
Dass die höher geschätzte Rate kein Problem für die Datenauswertung darstellt, zeigt 4. Hier sind die Differenzen der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen 400, 402 mit der tatsächlichen Hintergrundereignisrate (durchgezogene Linie) 400 sowie mit dem Schätzwert (gestrichelte Linie) 402 dargestellt.
Dabei zeigt sich, dass durch den höheren Schätzwert negative Werte im vorderen Bereich 401 der gestrichelten Kurve 402 entstehen. Außerdem wird der hintere Bereich 403 der gestrichelten Kurve 402 weniger stark reduziert. Da sich im Wesentlichen die hohen Werte im vorderen Bereich 401 negativ auf die Detektion des Maximums 301 auswirken, entsteht durch den erhöhten Schätzwert kein Nachteil.
In den 3 und 4 ist jeweils eine Legende eingezeichnet. Hierbei steht „HG“ für Hintergrund, „LAS“ für Laser und „HG Est.“ für Hintergrund estimated, also für den geschätzten Hintergrundwert.
Das Suchen des Maximums 301 im resultierenden Histogramm C (211C) entsprechend $T_{TOF, coarse} = (i_{coarse} - 0,5) T_{Bin} mit i_{coarse} = index (max (C))$
liefert einen groben Wert für die Laufzeit des emittierten Laserpulses und liefert für den Sonderfall eines ideal rechteckförmigen Laserpulses mit geringer Ereignisrate bereits gute Resultate.
Für beliebige Formen des Laserpulses und Ereignisraten kann die Form des Filters erfindungsgemäß an den Puls angepasst werden, da es sonst zu einer Verschiebung des Maximums 301 und somit zu einer verfälschten Distanzmessung kommen kann.
Da die Form des Pulses im Histogramm eine Funktion der lasergenerierten Ereignisrate ist, ist es für eine optimale Filterung vorteilhaft diese Rate zu bestimmen. Da diese nicht direkt aus dem Rohdatenhistogramm A (211A) ermittelt werden kann, wird der bisherige Algorithmus um zusätzliche Schritte für eine genauere Laufzeitbestimmung ergänzt.
Hierbei handelt es sich um die zweite Laufzeitbestimmung, die auch als feine Laufzeitbestimmung bezeichnet wird.
Zweite Laufzeitbestimmung
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße zweite Laufzeitbestimmung unter Verwendung des zweiten Histogramms 212, sowie die optionale Bestimmung einer Hintergrundereignisrate unter Verwendung eines dritten Histogramms 213, beschrieben. Die zweite Laufzeitbestimmung wird auch als eine feine Laufzeitbestimmung bezeichnet. Während der zweiten Laufzeitbestimmung durchläuft das zweite Histogramm 212 mehrere Verfahrensschritte und wird dabei modifiziert. Um die modifizierten Stadien des zweiten Histogramms 212 auseinander halten zu können, werden diese einzelnen Stadien des zweiten Histogramms 212 nachfolgend mit den Bezugszeichen 212D, 212E und 212F gekennzeichnet. Das dritte Histogramm 213 durchläuft keine Modifikationen, weshalb es nachfolgend nur mit der Bezeichnung 213G gekennzeichnet wird. Die zweite Laufzeitbestimmung wird nachfolgend auch als Algorithmus bezeichnet.
Alle Schritte des Algorithmus aus dem oberen Abschnitt „Erste Laufzeitbestimmung“ bleiben erhalten. Die feine Laufzeitbestimmung setzt an den letzten Punkt dessen an und beginnt daher mit dem Index des Maximums 301 im Histogramm i_coarse. Zur Präzisierung der Laufzeitmessung wird im Weiteren nur der Teil 212D des ersten Rohdatenhistogramms 211A betrachtet, in welchem die zeitliche Position des Laserpulses entsprechend der groben Laufzeitermittlung ermittelt wurde. D. h. wir betrachten $D = {d_{1}, d_{2}, \dots, d_{3 N}} mit d_{i} = a_{i + i_{coarse} - N}$
Das hier erhaltene zweite Histogramm 212D ist also ein zeitlicher Ausschnitt des oben beschriebenen ersten Histogramms 211A. Genauer gesagt handelt es sich hierbei um einen zeitlichen Ausschnitt, der sich um das in der ersten Laufzeitbestimmung detektierte Maximum 301 herum befindet.
Der nun betrachtete Abschnitt bzw. zeitliche Ausschnitt 212D umfasst beispielsweise die dreifache Länge des emittierten Laserpulses um auch bei einer ungenauen ersten Laufzeitbestimmung den Puls zu umfassen.
Dieser Bereich (zweites Histogramm 212D) wird nun mittels eines Optimalfilters, d. h. die Impulsantwort des Filters gleicht der gesuchten Signalform im zweiten Histogramm, gefiltert. Hierfür kann die Ereignisrate des Laserpulses aus dem Bereich des Rohdatenhistogramms 212D nach Gleichung (7) geschätzt werden.
Da die Position des Laserpulses aus der ersten Laufzeitbestimmung bereits grob bekannt ist, kann optional zunächst eine zweite Schätzung der Hintergrundereignisrate durchgeführt werden. Dafür wird der dritte Zeitbereich des dritten Histogramms 213, welcher den ersten Zeitbereich des ersten Histogramms 211A bis zum Beginn des zweiten Zeitbereichs 212_T des zweiten Histogramms 212D umfasst, betrachtet. Da das zweite Histogramm 212D den in der ersten Laufzeitbestimmung detektierten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewert 301, z.B. ein Maximum, beinhaltet, liegt der betrachtete dritte Zeitbereich 213_T des dritten Histogramms 213 zeitlich vor dem Maximum 301. D. h. es wird $G = {g_{1}, g_{2}, \dots, g_{k}} mit g_{i} = a_{i} und k = i_{coarse} - N$
betrachtet. Dieses dritte Histogramm 213 mit dem im Vergleich zum ersten Betrachtungszeitraum des ersten Histogramms 211 verringerten zeitlichen Abschnitt (Betrachtungszeitraum) wird mit dem Bezugszeichen 213G gekennzeichnet.
Da nun der empfange Laserpuls nicht mehr in dem für die Schätzung des Hintergrunds relevanten Bereich (der zeitliche Bereich vor dem Maximum 301) liegt, wird die Schätzung nicht mehr durch den Laserpuls verfälscht.
Unterschreitet die Anzahl der Bins im Histogramm G (213G) einen festgelegten Grenzwert (z.B. 25), wird auf die zweite Schätzung der Ereignisrate des Hintergrundes verzichtet, da aufgrund der geringen Anzahl verfügbarer Bins die Varianz des Schätzwertes zu hoch wäre.
Wird jedoch die zweite Hintergrundschätzung durchgeführt, so gilt für diese zweite Hintergrundschätzung in Analogie zu Gleichung (4) ${\hat{λ}}_{B} = - ln (1 - \frac{N_{Ph}}{N_{Puls}}) \frac{1}{(i_{coarse} - N - 1) T_{Bin}} mit N_{Ph} = \sum_{i = 1}^{i_{coarse} - N - 1} g_{i}$
Unter Zuhilfenahme dieser Schätzung wird nun die Ereignisrate des Laserpulses (d.h. Lichtempfangsereignisrate) bestimmt. Hierfür wird analog zur Hintergrundereignisratenschätzung die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses (Lichtempfangsereignissignal) im relevanten Zeitbereich des Histogramms 212D betrachtet und mit der Laserpulszahl multipliziert um die Ereignisanzahl zu erhalten. Für eine beliebige Form des Laserpulses λ_A(t) gilt $N_{Ph} = N_{Puls} exp (- λ_{B} (i_{coarse} - N - 1) T_{Bin}) (1 - exp (- λ_{B} 3 N - \int_{0}^{N T_{Bin}} λ_{A} (t) d t))$
was umgeformt nach der Laserpulsereignisrate λ_A(t) $\int_{0}^{N T_{Bin}} λ_{A} (t) d t = - ln (1 - \frac{N_{Ph}}{N_{Puls} exp (- λ_{B} (i_{coarse} - N - 1) T_{Bin})}) - λ_{B} 3 N$
ergibt. Mit Hilfe dieser Rate erfolgt nun eine Optimalfilterung des Teilhistogramms 212D.
Zur Bestimmung der Filterkoeffizienten φ_i muss dafür zunächst die erwartete Signalform im Histogramm 212D ermittelt werden. Die Verteilung des ersten Ereignisses im Histogramm 212D lässt sich durch Lösen von $P_{1} (t) = λ (t) (1 - \int_{0}^{t} P_{1} (t) d t)$
berechnen, wobei λ(t) der zeitabhängigen Ereignisrate entspricht. Bei konstantem Hintergrund gilt $λ (t) = λ_{B} + λ_{A} (t - T_{TOF})$
Anschließend wird das Rohdatenhistogramm D (212D) entsprechend $E = {e_{1}, e_{2}, \dots, e_{k}} mit e_{m} = \frac{1}{\sum_{i = 1}^{N} φ_{i}} \sum_{k = m}^{m + N - 1} d_{k} φ_{k - m}$
mit den Filterkoeffizienten $φ_{k} = P_{1} (t - T_{TOF} + (k - 1) T_{Bin}$
gefiltert. Man erhält das gefilterte zweite Histogramm, das mit dem Bezugszeichen 212E gekennzeichnet wird. Um auch hier eine Verschiebung des Maximums im gefilterten Histogramm E (212E) aufgrund von Hintergrundereignissen zu vermeiden, werden analog zu Gleichung (5) die Hintergrundereignisse subtrahiert. Hierfür wird - falls erfolgt - die Rate aus der zweiten, präziseren Hintergrundschätzung gemäß Gleichung (9) verwendet. $F = {ƒ_{1}, ƒ_{2}, \dots, ƒ_{a N}} mit ƒ_{m} = e_{m} - {\hat{λ}}_{B} exp (- {\hat{λ}}_{B} (m + i_{coarse} - N) T_{Bin}) T_{Bin} N_{Puls}$
Man erhält das um den Hintergrund reduzierte zweite Histogramm 212, das mit dem Bezugszeichen 212F gekennzeichnet wird. Der Wert für die gemessene Laufzeit wird nun aus dem Maximum des Histogramms 212F entsprechend Gleichung (17) ermittelt: ${\hat{T}}_{T O F} = (index (max (F)) + i_{coarse} - N) T_{Bin}$
Durch Multiplikation mit der halben Lichtgeschwindigkeit wird abschließend aus der bestimmten Laufzeit die Distanz ermittelt.
Alternative Bestimmung der Hintergrundereignisrate
In dem obigen Beispiel wurde zur Bestimmung der Hintergrundereignisrate lediglich beispielhaft eine Schätzung der Hintergrundereignisrate erwähnt. Als Alternative zur Schätzung der Hintergrundereignisrate aus dem Rohdatenhistogramm entsprechend Gleichung (4) für die erste Laufzeitbestimmung beziehungsweise entsprechend Gleichung (9) für die zweite Laufzeitbestimmung wäre auch eine direkte Messung dieser Rate möglich, beispielsweise wenn der Sensor (Lichtempfangsvorrichtung) 203 eine Zählung von Ereignissen unterstützt.
Erfindungsgemäß kann nach dieser Alternative eine Ereigniszählung über eine definierte Zeitspanne ohne aktive Laserquelle (Lichtaussendevorrichtung) 201 durchgeführt werden. Aus der Anzahl der erfassten Ereignisse sowie der Messdauer kann anschließend die Rate bestimmt werden. Aus effizienztechnischen Gründen ist es zudem vorteilhaft, die Zählung der Ereignisse zwischen den Messungen der Lichtlaufzeit durchzuführen, da in der Regel zwischen Laufzeitmessungen ohnehin eine gewisse Pause zur Datenverarbeitung, Datenauslese oder bauartbedingt durch den Laser 201 einzuhalten ist. Somit führt die zusätzliche Messung der Ereignisrate zu keiner Reduktion der Framerate.
Eine weitere Möglichkeit liegt in der Erzeugung eines zusätzlichen Rohdatenhistogramms ohne Laserquelle 201. Dadurch beeinflusst der Laserpuls im Histogramm nicht die Schätzung, wodurch diese präziser wird.
Nachdem die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich anhand des obigen Beispiels beschrieben wurden, zeigt 5 zusammenfassend ein Ablaufdiagramm 500 des erfindungsgemäßen Verfahrens mit allen Schritten, wie sie oben beschrieben wurden.
5 zeigt das Ablaufdiagramm 500 des erfindungsgemäßen Algorithmus zur Ermittlung der Pulslaufzeit aus dem Histogramm der akkumulierten Zeitwerte im direkten laufzeitbasierten Distanzmessverfahren. Die einzelnen Schritte des Algorithmus sind dabei durch Blöcke dargestellt, wobei jedem Block die zugehörige Rechenvorschrift mittels der Nummer der jeweiligen mathematischen Gleichung in Klammern zugeordnet ist. Die Unterteilung des Algorithmus in die grobe und feine Laufzeitbestimmung ist mittels einer Schraffierung der entsprechenden Blöcke kenntlich gemacht, wobei die der ersten Laufzeitbestimmung zugehörigen Blöcke schraffiert sind, und die der zweiten Laufzeitbestimmung zugehörigen Blöcke nicht schraffiert sind. Zudem sind zum besseren Verständnis die Namen der Vektoren oder Variablen an den Übergangspfeilen notiert, wobei der Buchstabe A dem ersten Histogramm 211A, der Buchstabe B dem modifizierten ersten Histogramm 211 B, der Buchstabe C dem modifizierten ersten Histogramm 211C, der Buchstabe D dem zweiten Histogramm 212D, der Buchstabe E dem modifizierten zweiten Histogramm 212E, der Buchstabe F dem modifizierten zweiten Histogramm 212F und der Buchstabe G dem dritten Histogramm 213G entspricht.
Um die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber einer konventionellen, einfachen Varianten der Histogrammauswertung aufzuzeigen, wurden Rohdatenhistogramme mittels einer Simulation erzeugt und anschließend ausgewertet, welche nachfolgend mit Bezug auf die 6 und 7A bis 7D näher beschrieben werden.
Für die Simulation werden ein konstanter Hintergrund sowie ein rechteckiger Laserpuls angenommen. Zur Gegenüberstellung der Algorithmen werden die Kenngrößen Mittelwert und Standardabweichung aus jeweils 100 Rohdatenhistogrammen ermittelt. In jedem dieser Histogramme werden die Ankunftszeiten des ersten Ereignisses von 400 Messzyklen aufsummiert. Aus dem Mittelwert x und der Standardabweichung σ wird eine Kenngröße für die Qualität der Messung entsprechend $F O M (d) = \frac{| \bar{x} (d) - d | + σ}{d}$
berechnet. Dieser Vorgang wird für verschiedene Distanzen und Ereignisraten wiederholt. Dabei wird für jede Ereignisrate des Hintergrundes die maximale Reichweite durch Festlegung eines Grenzwertes für die Kenngröße FOM ermittelt. Als Grenzwert gilt ein Wert von 10 %, d. h. liegt die Summe aus relativer Mittelwertabweichung und relativer Standardabweichung darüber, gilt die Messung als fehlgeschlagen.
6 zeigt die ermittelten Reichweiten (y-Achse) aufgetragen über der Ereignisrate (x-Achse) des Hintergrundes, da diese von der Distanz unabhängig ist. Die Ereignisrate des Laserpulses gleicht der des Hintergrundes bei einer Distanz von 14 m und skaliert mit d^-2. Dementsprechend ist das Signal-Hintergrund-Verhältnis SBR (engl.: Signal to Background Ratio) gegeben zu $S B R (d) = {(\frac{14 m}{d})}^{2}$
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in dem in 6 abgebildeten Diagramm anhand der mit durchgezogenen Linien dargestellten Kurve 601 abgebildet. Im Vergleich dazu repräsentiert die in Strichlinien dargestellte Kurve 602 den Stand der Technik.
Das erfindungsgemäße Verfahren 601 zeigt eine deutliche Verbesserung der Reichweite gegenüber dem einfachen Mittelwertfilter 602. So lässt sich bei optimalen Bedingungen für den einfachen Mittelwertfilter 602 immer noch eine Steigerung der Reichweite von 10m (Datenpunkt 603) auf 15 m (Datenpunkt 604) erreichen. Bei höheren Raten fällt der Unterschied mit 9 m (vergleiche Datenpunkte 605, 606) noch größer aus, da der hohe Hintergrund ohne entsprechende Hintergrundsubtraktion den Puls ab einer gewissen Distanz überragt und eine zuverlässige Messung verhindert.
Neben der Simulation wurden die beiden Filter (Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik) auch auf Grundlage realer Messdaten verglichen. Die Ergebnisse werden nachfolgend mit Bezug auf die 7A bis 7D diskutiert.
Hierfür wurden die Rohdatenhistogramme bei der Messung eines Zielobjektes aus weißem Papier in einer Distanz von 5 m bis 25 m in Schritten von 5 m aufgenommen. Für jede Distanz wurden 200 Datensätze aufgezeichnet, aus welchen anschließend durch die Anwendung der entsprechenden Filteralgorithmen 200 Distanzwerte ermittelt wurden. Aus diesen Distanzwerten wurden im Weiteren der Mittelwert und die Standardabweichung berechnet.
Analog zum Vergleich mittels simulierter Messdaten wird die Kenngröße nach Gleichung (18) für den Vergleich herangezogen. Zur Variation der Hintergrundereignisrate werden Parameter des Sensors variiert. Hierbei zeigen die 7A bis 7D den Verlauf der FOM über der Distanz für die vier verschiedenen Hintergrundereignisraten 37 MHz, 18,1 MHz, 2,3 MHz und 115 kHz.
Dabei zeigt sich, dass sich besonders bei hohen Hintergrundereignisraten eine deutliche Verbesserung der Reichweite erzielen lässt. So ist bei einer Rate von 37 MHz (7A) eine Messung mit einfachem Mittelwertfilter (Kurve 703 in durchgezogenen Linien) überhaupt nicht möglich, während mit dem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurven 701 und 702) noch gemessen werden kann.
Am deutlichsten ist der Unterschied bei einer Rate von 18,1 MHz (7B). Hier wird mit dem einfachen Mittelwertfilter (Kurve 703 in durchgezogenen Linien) bereits bei einer Distanz von 5 m der exemplarische Grenzwert von FOM = 10 % überschritten, während mit dem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurven 701 und 702) nach diesem Kriterium eine Reichweite von 21,5 m erreicht wird.
Bei geringeren Raten (7C und 7D) zeigt sich dagegen nur ein geringer Unterschied zwischen den betrachteten Auswertemethoden. Es zeigt sich damit, dass das erfindungsgemäße Verfahren besonders bei hohen Ereignisraten des Hintergrundes eine Verbesserung darstellt und so der messbare Dynamikbereich erweitert werden kann.
Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein Rohdatenhistogramm im direkten laufzeitbasierten Distanzmessverfahren kann als Programmcode in allen gängigen Programmiersprachen erfolgen. Dazu werden die in Abschnitt oben gezeigten und beschriebenen mathematischen Funktionen in die Syntax der verwendeten Programmiersprache umgesetzt.
Eine weitere Möglichkeit stellt die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens als graphischen Code dar. Bei dieser Umsetzung werden die hierin beschriebenen mathematischen Operationen durch entsprechende grafische Funktionsblöcke der jeweiligen visuellen Programmiersprache repräsentiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich nach der Implementierung in einer beliebigen Syntax-basierten oder visuellen Programmiersprache auf jeder beliebigen elektronischen Datenverarbeitungsanlage ausführen. Dazu gehören u.a. Mikrocontroller, Mikroprozessoren, programmierbare Logikbausteine und Computer.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen-lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
QUELLEN

[1] P. Seitz and A. J. P. Theuwissen, Eds., Single-photon imaging. Heidelberg; New York: Springer, 2011.
[2] C. Niclass, M. Soga, H. Matsubara, M. Ogawa, and M. Kagami, „A 0.18-µm CMOS SoC for a 100-m-Range 10-Frame/s 200 x 96-Pixel Time-of-Flight Depth Sensor,“ IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 49, no. 1, pp. 315-330, Jan. 2014.

Claims

Verfahren (100) zum Bestimmen einer Distanz D zu einem Objekt (204) mittels einer Lichtlaufzeitmessung, wobei das Verfahren (100) die folgenden Schritte aufweist: (101) Aussenden eines Lichtsignals (202a), Empfangen eines an dem Objekt (204) reflektierten Anteils (202b) des ausgesendeten Lichtsignals (202a), Erzeugen eines Lichtempfangsereignissignals basierend auf dem Empfang eines reflektierten Anteils (202b) des ausgesendeten Lichtsignals (202a) und Erstellen (102) eines ersten Histogramms (211A-C), welches einen ersten Zeitabschnitt (211_T) aufweist und eine Vielzahl von Lichtempfangsereignissignalen (214₁) in diesem ersten Zeitabschnitt (211_T) enthält, Ausführen (103) einer ersten Laufzeitbestimmung des Lichtsignals (202a) unter Verwendung des ersten Histogramms (211A-C) und anschließendes Ausführen (104) einer zweiten Laufzeitbestimmung des Lichtsignals (202a) unter Verwendung eines zweiten Histogramms (212D-F), wobei die zweite Laufzeitbestimmung auf einem Ergebnis (215) der ersten Laufzeitbestimmung basiert, und das zweite Histogramm (212D-F) einen zweiten Zeitabschnitt (212_T) aufweist, der ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Zeitabschnitts (211_T) des ersten Histogramms (211A-C) ist, wobei die zweite Laufzeitbestimmung beinhaltet: Erstellen des zweiten Histogramms (212D-F), wobei der zweite Zeitabschnitt (212_T) des zweiten Histogramms (212D-F) die zeitliche Position des in der ersten Laufzeitbestimmung detektierten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewerts (301) beinhaltet, Erzeugen einer zweiten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion in dem zweiten Histogramm (212D-F) und Detektieren eines zweiten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewerts des empfangenen reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals innerhalb der zweiten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion zum Zwecke einer gegenüber der ersten Laufzeitbestimmung genaueren zweiten Laufzeitbestimmung.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die erste Laufzeitbestimmung beinhaltet: Erzeugen einer ersten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (300) in dem ersten Histogramm (211A-C) und Detektieren eines ersten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewerts (301) des empfangenen reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals innerhalb der ersten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (300).
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren (100) ferner die folgenden Schritte aufweist: vor der ersten Laufzeitbestimmung, Ausführen einer Mittelwertfilterung des ersten Histogramms (211A-C) mittels eines Filters mit konstanter Filterbreite N und Subtrahieren von Hintergrundlichtempfangsereignissignalen in dem ersten Histogramm (211A-C), wobei beim Subtrahieren die Hintergrundlichtempfangsereignissignale von den Lichtempfangsereignissignalen subtrahiert werden.
Verfahren (100) nach Anspruch 3, wobei die konstante Filterbreite N der zeitlichen Halbwertsbreite des ausgesendeten Lichtsignals entspricht.
Verfahren (100) nach Anspruch 3 oder 4, wobei eine Ereignisrate der Hintergrundlichtempfangsereignissignale aus dem ersten Histogramm (211A-C) geschätzt wird, oder wobei die Ereignisrate der Hintergrundlichtempfangsereignissignale mittels einer über eine definierte Zeitspanne ausgeführten Hintergrundlichtereigniszählung bestimmt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Zeitabschnitt (212_T) des zweiten Histogramms (212D-F) die dreifache zeitliche Länge des ausgesendeten Lichtsignals aufweist.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) ferner die folgenden Schritte aufweist: zwischen der ersten und der zweiten Laufzeitbestimmung, Erstellen eines dritten Histogramms (213G), wobei das dritte Histogramm (213G) einen dritten Zeitabschnitt (213_T) aufweist, der zeitlich vor dem zweiten Zeitabschnitt (212_T) des zweiten Histogramms (212D-F) liegt, und Überprüfen, ob eine Anzahl von Bins des dritten Histogramms (213G) einen vorbestimmten Grenzwert (i) überschreitet, und bei einem positiven Ergebnis der Überprüfung Bestimmen einer Ereignisrate von Hintergrundlichtempfangsereignissignalen innerhalb des dritten Histogramms (213G).
Verfahren (100) nach Anspruch 7, wobei das Verfahren (100) ferner die folgenden Schritte aufweist: zwischen der ersten und der zweiten Laufzeitbestimmung, Bestimmen einer Ereignisrate von Lichtempfangsereignissignalen, wobei die Ereignisrate der Lichtempfangsereignissignale in dem zweiten Histogramm (212D-F) geschätzt wird, wobei zur Schätzung ein zeitlicher Abschnitt betrachtet wird, innerhalb dessen sich der detektierte erste vorbestimmte Wahrscheinlichkeitsdichtwert (301) befindet.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei das Verfahren (100) ferner die folgenden Schritte aufweist: zwischen der ersten und der zweiten Laufzeitbestimmung, Ermitteln einer gesuchten Signalform des empfangenen reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals im zweiten Histogramm (212D-F), und Ausführen einer Filterung des zweiten Histogramms (212D-F) mittels eines Filters, dessen Impulsantwort der ermittelten Signalform gleicht.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Verfahren (100) ferner die folgenden Schritte aufweist: Subtrahieren von den in dem ersten Histogramm (211A-C) bestimmten Hintergrundlichtempfangsereignissignalen, von den in dem dritten Histogramm (213G) bestimmten Hintergrundlichtempfangsereignissignalen, oder von den mittels einer über eine definierte Zeitspanne ausgeführten Hintergrundereigniszählung bestimmten Hintergrundlichtempfangsereignissignalen, wobei beim Subtrahieren die jeweiligen Hintergrundlichtempfangsereignissignale von den Lichtempfangsereignissignalen des zweiten Histogramms (212D-F) subtrahiert werden
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtlaufzeitmessung mittels eines direkten Laufzeitverfahrens ausgeführt wird, wobei die Laufzeit des Lichtsignals (202a) vom Aussenden über die Reflexion an dem Objekt (204) bis zum Empfangen des an dem Objekt reflektierten Anteils (202b) des ausgesendeten Lichtsignals (202a) mittels eines elektronischen Zeitmessers erfasst wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ausgesendete Lichtsignal (202a) ein gepulstes Laserlicht, und insbesondere ein gepulstes Infrarot-Laserlicht, ist.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wenn dieses Programm auf einem Computer oder einem Signalprozessor abläuft.
Vorrichtung (200) zum Bestimmen einer Distanz D zu einem Objekt (204) mittels einer Lichtlaufzeitmessung, wobei die Vorrichtung (200) aufweist: eine Lichtaussendevorrichtung (201) zum Aussenden eines Lichtsignals (202a), eine Lichtempfangsvorrichtung (203) zum Empfangen eines an dem Objekt (204) reflektierten Anteils (202b) des ausgesendeten Lichtsignals (202a) und zum Erzeugen eines Lichtempfangsereignissignals basierend auf dem Empfang eines reflektierten Anteils (202b) des ausgesendeten Lichtsignals (202a), eine Auswertevorrichtung (205), die ausgebildet ist, um ein erstes Histogramm (211A-C) und ein zweites Histogramm (212D-F) zu erstellen, wobei das erste Histogramm (211A-C) einen ersten Zeitabschnitt (211_T) aufweist und eine Vielzahl von Lichtempfangsereignissignalen (214₁) in diesem ersten Zeitabschnitt (211_T) enthält, und wobei das zweite Histogramm (212D-F) einen zweiten Zeitabschnitt (212_T) aufweist, der ein zeitlicher Ausschnitt des ersten Zeitabschnitts (211_T) des ersten Histogramms (211A-C) ist, und wobei die Auswertevorrichtung (205) ausgebildet ist, um eine erste Laufzeitbestimmung des Lichtsignals unter Verwendung des ersten Histogramms (211A-C) und eine anschließende zweite Laufzeitbestimmung des Lichtsignals unter Verwendung des zweiten Histogramms (212D-F) auszuführen, wobei die zweite Laufzeitbestimmung auf einem Ergebnis (215) der ersten Laufzeitbestimmung basiert, wobei die zweite Laufzeitbestimmung beinhaltet: Erstellen des zweiten Histogramms (212D-F), wobei der zweite Zeitabschnitt (212_T) des zweiten Histogramms (212D-F) die zeitliche Position des in der ersten Laufzeitbestimmung detektierten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewerts (301) beinhaltet, Erzeugen einer zweiten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion in dem zweiten Histogramm (212D-F) und Detektieren eines zweiten vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsdichtewerts des empfangenen reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtsignals innerhalb der zweiten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion zum Zwecke einer gegenüber der ersten Laufzeitbestimmung genaueren zweiten Laufzeitbestimmung.