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Die Erfindung betrifft ein Sendermodul für eine Entfernungsmessung mit Lichtsignalen, sowie eine LiDAR-Einrichtung mit einem solchen Sendermodul und ein Verfahren zur Entfernungsmessung mit Lichtsignalen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus
WO17081294 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Distanzmessung bekannt. Nach diesem Verfahren wird unter Verwendung einer Sendematrix zum Aussenden von Messimpulsen und einer Empfangsmatrix zum Empfang dieser an einem Objekt reflektierten Messimpulse nur Untermengen der Senderelemente der Sendermatrix aktiviert.
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Vorteile der Erfindung:
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Das erfindungsgemäße Sendermodul für eine Entfernungsmessung mit Lichtsignalen, die erfindungsgemäße LiDAR-Einrichtung mit einem solchen Sendermodul sowie das Verfahren zur Entfernungsmessung mit Lichtsignalen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass nunmehr durch die Modulation der Pulsenergien in Abhängigkeit vom Abtasten der Umgebung eine Dynamikerweiterung erreicht wird. Dies ermöglicht im Gegensatz zum vorgenannten Stand der Technik, einen sogenannten Silizium-Photo-Multiplier zu verwenden, der eine Vielzahl von SPADs (single photon avalanche diodes) aufweist. Dies reduziert die Komplexität als auch Preisanforderungen und vermeidet aufwändige Optiken.
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Mehrere APDs (Avalanche Photo Diode) bzw. SPADs können zu einem sogenannten Silizium-Photomultiplier zusammengefügt werden, in dem die SPADs in einem Feld zusammengeschaltet sind. Je nach Anwendung können dabei einzelne lichtempfindliche Elemente, also einzelne SPADs, in entsprechender Erwartung angesteuert werden, aber es können auch alle SPADs eines Silizium-Photomultipliers (SIPM) angesteuert werden. Diese SPADs sind parallel zusammengeschaltet, so dass ein Summationssignal der einzelnen SPADs als Ausgangssignal des Silizium-Photomultipliers verwendet wird.
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Das erfindungsgemäße Sendermodul für eine Entfernungsmessung mit Lichtsignalen weist wenigstens ein lichtemittierendes Element auf, das die Lichtsignale ausgibt. Weiterhin ist eine Vorrichtung vorgesehen, die ein Abtasten durch die Lichtsignale der Umgebung um die Senderschaltung ermöglicht. Eine Ansteuerschaltung des Sendermoduls die das wenigstens eine lichtemittierende Element derart ansteuert, dass die Lichtsignale in Pulsen ausgegeben werden, wobei eine Pulsenergie in Abhängigkeit vom Abtasten der Umgebung festgelegt wird, ist vorgesehen.
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Unter dem Sendermodul wird baulich eine Einheit verstanden, die die Lichtsignale ausgibt. Dieses Sendermodul kann baulich mit einem Empfangsmodul bspw. in einem Gehäuse vereinigt sein. Es kann jedoch auch in einem separaten Gehäuse oder auch verteilt in seine Komponenten vorliegen.
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Die Entfernungsmessung mit Lichtsignal wird vorliegend mit der sogenannten Time-of-flight-Methode durchgeführt. Nach der Time-of-flight-Methode wird nach den Grundregeln der Physik die Entfernung zum Objekt durch die Lichtsignale zweimal durchmessen nämlich hin und zurück und dann durch die verstrichene Zeit geteilt. Dafür ist dann auch eine Synchronisierung mit der Emission der Lichtsignale notwendig. D. h. es gibt eine Verbindung zwischen dem Sendermodul und dem Empfangsmodul, um dem Empfangsmodul mitzuteilen, wann das jeweilige Lichtsignal bzw. Impuls ausgesendet wurde.
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Bei dem lichtemittierenden Element handelt es sich üblicherweise um Halbleiterlaser, die bspw. im Infrarot Lichtsignale emittieren. Diese Halbleiterlaser können bspw. als Heterostrukturen oder Doppelheterostrukturen in Halbleitertechnologie hergestellt sein. Alternativ sind auch andere Laser oder Lichtquellen möglich.
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Die Vorrichtung, die ein Abtasten der Umgebung um die Senderschaltung ermöglicht, kann bspw. eine mikromechanische Einrichtung sein, die einen Spiegel bewegt, mit dem die Lichtsignale entsprechend in verschiedenen Richtungen der Umgebung versandt werden. Damit wird ein Abtasten dieser Umgebung ermöglicht. Die Vorrichtung kann, wie oben angegeben, mikromechanisch ausgeführt sein. Es ist jedoch auch eine andere Ausführung möglich, insbesondere können anstatt eines Spiegels auch ein halbdurchlässiger Spiegel oder andere Ablenkeinrichtungen vorgesehen sein.
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Die Ansteuerschaltung, die softwaretechnisch oder hardwaremäßig oder aus einer Kombination daraus vorliegt, steuert das wenigstens eine lichtemittierende Element an. Dazu ist bspw. die Ansteuerschaltung mit dem Halbleiterlaser oder dem Laserarray verbunden. Die Lichtsignale werden in Pulsen ausgegeben. Dies macht insbesondere die Auswertung nach dem Time-of-flight-Prinzip einfach. Diese Energie in den Pulsen wird nun in Abhängigkeit vom Abtasten der Umgebung festgelegt. D. h. die Pulsenergie wird variiert. Bspw. kann in eine Richtung eine entsprechende Abfolge von Pulsen mit unterschiedlichen Pulsenergien abgefeuert werden. In die nächste Richtung kann dann wieder diese Abfolge abgefeuert werden. Damit kann eine Dynamikerweiterung bspw. erreicht werden.
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Der dynamische Empfangsbereich eines Silizium-Photo-Multipliers mit bspw. 50 SPAD-Zellen ist unzureichend für solche LiDAR-Anwendungen. Eine größere Dynamik erfordert eine größere Anzahl von SPAD-Zellen für einen Silizium-Photo-Multiplier. Dies macht jedoch die Lichtempfangseinrichtung größer, was sich in höherem Preis oder größerer Optik ausdrückt. Erfindungsgemäß wird die Dynamikerweiterung durch die Variation oder Modulation der Pulsenergie beim Abtasten durch die Impulse erreicht. Die Impulsenergie ist das Produkt aus der Maximallichtleistung im Impuls und der Impulsdauer. Variiert man jetzt pro Scanrichtung die Impulse bzgl. ihrer Energie ermöglicht dies in jeder Scanrichtung eine Dynamikerweiterung.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass eine LiDAR-Einrichtung mit einem solchen Sendermodul vorliegt. Dabei kann dann das Empfangsmodul mit einem Silizium-Photo-Multiplier, der eine Mehrzahl von SPADs aufweist, kombiniert werden. Damit sind die Vorteile des Silizium-Photo-Multiplier und einer kompakten Einrichtung verbunden.
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Vorteilhaft ist auch, dass ein Verfahren zur Entfernungsmessung mit Lichtsignalen vorliegt, das das wenigstens eine lichtemittierende Element nutzt, um die Lichtsignale auszugeben. Eine Vorrichtung liegt vor, die mit diesen Lichtsignalen die Umgebung um die Sendereinrichtung abtastet, und es liegt eine Ansteuerschaltung vor, die das wenigstens eine lichtemittierende Element derart ansteuert, dass die Lichtsignale in Pulsen ausgegeben werden, wobei die eine Pulsenergie dieser Pulse in Abhängigkeit vom Abtasten der Umgebung festgelegt wird.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Sendermodule bzw. LiDAR-Einrichtungen bzw. des Verfahrens zur Entfernungsmessung mit Lichtsignalen möglich.
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Vorteilhaft ist, dass für eine Abtastrichtung mehrere Lichtimpulse mit unterschiedlichen Energien ausgegeben werden. Dies ermöglicht, dass in einer Scanrichtung eine solche Dynamikerweiterung bereits erreicht wird.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass die Energie durch einen Spannungswert bspw. eine Treiberspannung und/oder die Impulsdauer festgelegt wird. Dies kann elektronisch bzw. softwaretechnisch erreicht werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass eine Energieänderungsfrequenz kleiner oder gleich als die doppelte Frequenz für eine Änderung der Abtastrichtung ist. Dies ermöglicht, dass pro Scanrichtung mehrere Impulse ausgegeben werden.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass die Energie zwischen einem Maximalwert und einem Fünftel dieses Maximalwerts schwankt. D. h. es gibt Impulse, die einen vorgegebenen Maximalwert erreichen, aber es gibt auch Impulse, die nur bis zu einem Fünftel dieses Maximalwerts absinken.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass unter einem vorbestimmten Wert für die Energie eine Impulswiederholfrequenz für die Lichtsignale erhöht wird. Das bedeutet, dass für eher niedrigere Impulsenergien mehrere Impulse mit dieser gleichen Energie versendet werden, um das Messergebnis zu verbessern und besser abzusichern.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass die Vorrichtung wenigstens ein Spiegel aufweist, der zur Abtastung der Umgebung bewegt wird. Solche mikromechanischen Spiegel sind bspw. aus
DE 10 2008 064 652 A1 bekannt. Diese können elektrisch angesteuert werden und rasch bewegt werden.
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Vorteilhaft ist auch, dass das Verfahren für eine Abtastrichtung mehrere Lichtimpulse mit unterschiedlichen Energien ausgibt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 eine beispielhafte Konfiguration von LiDAR-Einrichtungen in einem Fahrzeug,
- 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen LiDAR-Einrichtung,
- 3 ein Leistungszeitdiagramm mit beispielhaften Impulsen,
- 4 ein Diagramm mit unterschiedlichen Impulsen in verschiedenen Scanrichtungen,
- 5 ein Blockschaltbild für die Impulsformung,
- 6 ein erstes Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 7 ein zweites Flussdiagramm mit einem Teilaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 zeigt ein Fahrzeug V, das sich in die Richtung R bewegt. Das Fahrzeug V weist die LiDAR-Module Li1 bis Li6 auf. Diese LiDAR-Module erfassen die Umgebung des Fahrzeugs V. Daher wird das Objekt OB durch das LiDAR-Modul Li1 erfasst. Durch eine Entfernungsbestimmung und entsprechende Charakterisierung anhand der Bewegungsparameter des Objekts ist es möglich, auf eine mögliche Kollision zu schließen und entsprechende Bewegungen des Fahrzeugs V zu beeinflussen, um nicht mit dem Objekt OB zu kollidieren.
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Die LiDAR-Module Li1 bis Li6 weisen eine erfindungsgemäße Empfängeranordnung auf und eine Sendereinrichtung, die wie oben beschrieben mit einem Laserarray die Laserimpulse versendet, um die am Objekt OB reflektierten Laserimpulse dann mit einem SPAD-Array zu empfangen und dann entsprechend mit der zeitkorrelierten Photonenzählung auszuwerten, um die Entfernung zwischen dem Objekt OB und dem Fahrzeug V zu bestimmen. Dafür wird die Time-of-Flight-Methode verwendet.
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2 zeigt in einem Blockschaltbild die erfindungsgemäße LiDAR-Einrichtung. Ein Laser L wird von einem Lasertreiber LD angesteuert. Damit werden die Laserimpulse geformt. Der Lasertreiber LD ist weiterhin mit einer Ansteuerung AS für den Spiegel MEMS verbunden, der diesen in Abhängigkeit von den Impulsen ansteuert, damit die Impulse entsprechend abgelenkt werden, um ein Abtasten der Umgebung zu ermöglichen. Der Lasertreiber LD ist weiterhin mit einer Empfangsschaltung ES des Empfängermoduls verbunden. Damit wird diese Empfängerschaltung ES mit dem Silizium-Photo-Multiplier SIPM auf die ausgesandten Impulse synchronisiert. Denn nur dann ist klar, wie lange die ausgesandten Lichtimpulse brauchen, um wieder beim Silizium-Photo-Multiplier empfangen zu werden nach einer Reflexion am Objekt OB.
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Erfindungsgemäß werden die Impulse, die der Laser L versendet, durch den Lasertreiber LD in Abhängigkeit von der Scanrichtung variiert bzgl. deren Pulsenergie. Dadurch kann wie oben dargestellt eine Dynamikerweiterung erreicht werden.
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3 zeigt in einem Leistungszeitdiagramm beispielhaft eine solche Impulsfolge, die pro Scanrichtung ausgesandt wird. Dabei wird jeder Impuls dieser Impulsfolge mit einer anderen Impulsenergie versehen. Vorliegend ist nur die Amplitude variiert und nicht die Impulsbreite. Diese kann jedoch auch verändert werden, um die Impulsenergie zu variieren.
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In 4 zeigt nun, wie in verschiedenen Scanrichtungen, die zeitlich nacheinander durchlaufen werden, Impulsfolgen versandt werden. Wiederum wird nur die Amplitude variiert und nicht die Impulsbreite, die jedoch auch variiert werden kann. Bei besonders niedrigen Impulsenergien werden vorliegend zumindest zwei Impulse mit derselben Impulsenergie versandt. Erst dann erfolgt eine Anhebung der Impulsenergie. Dies liegt daran, um bei diesen niedrigen Impulsenergien aufgrund des schwachen Signals eine Verbesserung der Interpretation des Signalergebnisses in der Empfängerschaltung zu erreichen. Die Scanrichtungen sind vorliegend mit den Bezugszeichen 40 bis 43 gekennzeichnet. Es sind deutlich mehr Scanrichtungen als vorliegend eingezeichnet möglich.
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5 zeigt in einem einfachen Blockschaltbild, wie ein Impuls geformt IF wird nämlich nach der Treiberspannung VD und/oder der Impulsbreite Δt. Entsprechend dessen wird der Impuls geformt und an den Laser weitergegeben, damit ein entsprechendes Lichtsignal ausgegeben wird.
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6 zeigt in einem ersten Flussdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren. In Verfahrensschritt 600 erfolgt die Impulsformung nach einem vorbestimmten Programm und in Abhängigkeit von der Scanrichtung. Dann erfolgt entsprechend die Lichtemission, wobei dann die imitierten Signale in Verfahrensschritt 602 durch die Vorrichtung, die das Abtasten der Umgebung erlaubt, abgelenkt wird.
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In 7 ist ein Teilaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In Verfahrensschritt 700 wird die Einstellung der Scanrichtung vorgenommen. Dies wird durch eine Ansteuerung bspw. eines MEMS-Spiegels erreicht. In Verfahrensschritt 701 erfolgt die Impulsformung, wie oben dargestellt, mit unterschiedlichen Impulsenergien. In Verfahrensschritt 702 erfolgt dann die Versendung dieser Lichtimpulse in der vorbestimmten Scanrichtung mit unterschiedlichen Impulsenergien. Dies kann auch als Shots bezeichnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- Ob
- Objekt
- Li1-Li6
- Lidarmodule
- R
- Richtung
- V
- Fahrzeug
- SiPM
- Siliziumphotomultiplier
- ES
- Empfängerschaltung
- MEMS
- Spiegel
- L
- Laser
- LD
- Lasertreiber
- AS
- Ansteuerschaltung
- P
- Impulsleistung
- t
- Zeit
- 40-43
- Scanrichtung
- VD
- Treiberspannung
- Δt
- Impulsbreite
- IF
- Impulsformung
- 600-602
- Verfahrensschritte
- 700-702
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 17081294 A1 [0002]
- DE 102008064652 A1 [0020]
