DE102018203584A1 - Operating Procedures for a LiDAR System, LiDAR System Control Unit, LiDAR System and Work Device - Google Patents

Operating Procedures for a LiDAR System, LiDAR System Control Unit, LiDAR System and Work Device Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Betriebsverfahren für ein LiDAR-System (1) vom Flashtyp, bei welchem aufeinanderfolgend Pulse erzeugten Primärlichts (57) in ein Sichtfeld (50) zu dessen Beleuchtung ausgesandt werden, aus dem Sichtfeld (50) stammendes Sekundärlicht (58) empfangen, detektiert und ausgewertet wird und eine Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts (57) ausgesandt werden, eine Anzahl Pulsen des Primärlichts (57) in einer Gruppe von Pulsen und/oder ein oder mehrere einen jeweiligen Puls des Primärlichts (57) charakterisierende Pulsparameter zeitlich variiert werden.

Figure DE102018203584A1_0000
The present invention relates to operating methods for a flash type LiDAR system (1) in which pulses of primary light (57) successively emitted into a field of view (50) for illumination thereof receive secondary light (58) from the field of view (50), and a sampling frequency at which pulses or groups of pulses of the primary light (57) are emitted, a number of pulses of the primary light (57) in a group of pulses and / or one or more a respective pulse of the primary light (57) characterizing pulse parameters are varied over time.
Figure DE102018203584A1_0000

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für ein LiDAR-System, insbesondere vom Flashtyp, eine Steuereinheit für ein LiDAR-System, ein LiDAR-System als solches sowie eine Arbeitsvorrichtung, welche mit einem LiDAR-System ausgebildet ist, insbesondere ein Fahrzeug.The present invention relates to a method of operating a LiDAR system, in particular of the flash type, a control unit for a LiDAR system, a LiDAR system as such, and a working device which is formed with a LiDAR system, in particular a vehicle.

Zur Umfelderkennung von Arbeitsvorrichtungen und insbesondere von Fahrzeugen werden vermehrt so genannte LiDAR-Systeme eingesetzt, welche ausgebildet sind, ein Sichtfeld mit Licht oder Infrarotstrahlung zu beaufschlagen und von dem Sichtfeld zurückgeworfene Strahlung zur Analyse des Sichtfeldes und zur Detektion von darin enthaltenen Objekten zu erfassen und auszuwerten.So-called LiDAR systems, which are designed to apply light or infrared radiation to a field of view and to detect and evaluate radiation reflected back from the field of view for analysis of the field of view and for detection of objects contained therein, are increasingly used for detecting the surroundings of working devices and in particular vehicles ,

Um bei gepulst betriebenen LiDAR-Systemen - also insbesondere bei LiDAR-Systemen vom Flashtyp - ein Übersprechen und Störungen durch andere Signalquellen zu reduzieren, wird zum Beispiel auf ein aufwendiges pulssequenzcodiertes Vorgehen für den Betrieb des jeweiligen LiDAR-Systems mit einem entsprechenden steuertechnischen Mehraufwand in der Senderoptik und der Empfängeroptik zurückgegriffen.To reduce crosstalk and interference from other signal sources in pulse-operated LiDAR systems-in particular, in the case of LiDAR systems of the flash type-an elaborate pulse-sequence-coded procedure is used, for example, for operating the respective LiDAR system with a corresponding additional tax expenditure in the Transmitter optics and the receiver optics are used.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für ein LiDAR-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit verhältnismäßig geringem Aufwand ein Übersprechen und Störungen durch andere Signalquellen reduziert und damit eine verbesserte Kanaldiskriminierung erreicht werden können. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass ein Betriebsverfahren für ein LiDAR-System geschaffen wird, bei welchem (i) aufeinanderfolgend Pulse erzeugten Primärlichts in ein Sichtfeld zu dessen Beleuchtung ausgesandt werden, (ii) aus dem Sichtfeld stammendes Sekundärlicht empfangen, detektiert und ausgewertet wird und (iii) eine Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts ausgesandt werden, eine Anzahl von Pulsen des Primärlichts in einer Gruppe von Pulsen und/oder ein oder mehrere einen jeweiligen Puls des Primärlichts charakterisierende Pulsparameter zeitlich variiert werden. Durch das senderseitige Variieren der Abtastrate oder Abtastfrequenz, der Gestalt der Gruppen ausgesandter Pulse des Primärlichts und/oder der Gestalt der einzelnen Pulse des Primärlichts wird die Wahrscheinlichkeit dafür reduziert, dass die vom betrachteten LiDAR-System ausgesandte Pulse oder Pulsgruppen vergleichbar sind mit Pulsen oder Pulsgruppen einer Fremdquelle. Selbst beim Detektieren von Signalen einer Fremdquelle können diese dann mit höherer Wahrscheinlichkeit als Fremdsignale identifiziert und von der Berücksichtigung ausgeschlossen werden.The operating method according to the invention for a LiDAR system with the features of claim 1 has the advantage that reduced with relatively little effort crosstalk and interference from other signal sources and thus improved channel discrimination can be achieved. This is inventively achieved with the features of claim 1, characterized in that an operating method for a LiDAR system is provided, in which (i) successively pulses generated primary light are emitted in a field of view for its illumination, (ii) receive secondary light originating from the field of view and (iii) a sampling frequency at which pulses or groups of pulses of the primary light are emitted, a time period of a number of pulses of the primary light in a group of pulses and / or one or more pulse parameters characterizing a respective pulse of the primary light become. The transmitter-side variation of the sampling rate or sampling frequency, the shape of the groups of emitted pulses of the primary light and / or the shape of the individual pulses of the primary light reduces the probability that the pulses or pulse groups emitted by the LiDAR system under consideration are comparable to pulses or pulse groups a foreign source. Even when detecting signals from a foreign source, they can then be identified with greater probability as extraneous signals and excluded from consideration.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Erfindungsgemäß können einer vorteilhaften Ausführungsform des vorgestellten Betriebsverfahrens mit der Abtastfrequenz der zeitliche Abstand von Pulsen oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts und/oder der zeitliche Abstand von Pulsen des Primärlichts innerhalb einer Gruppe von Pulsen zeitlich variiert werden.According to an advantageous embodiment of the presented operating method with the sampling frequency, the time interval of pulses or groups of pulses of the primary light and / or the time interval of pulses of the primary light within a group of pulses can be varied over time.

Zusätzlich oder alternativ können gemäß einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als Pulsparameter eine Pulsweite, eine Pulsform und/oder Pulszeitfunktion eines auszusendenden Pulses des Primärlichts zeitlich variiert werden.Additionally or alternatively, according to another embodiment of the method according to the invention as a pulse parameter, a pulse width, a pulse shape and / or a pulse time function of a pulse to be emitted of the primary light can be varied over time.

Beim zeitlichen Variieren der Abtastfrequenz, der Gestalt von Pulsgruppen, der Anzahl von Pulsen in einer Pulsgruppe und/oder eines einen jeweiligen Puls des Primärlichts charakterisierenden Pulsparameters bieten sich vielfältige Möglichkeiten an.When temporally varying the sampling frequency, the shape of pulse groups, the number of pulses in a pulse group, and / or a pulse parameter characterizing a respective pulse of the primary light, there are many possibilities.

Ganz allgemein können eine Abtastfrequenz und/oder ein oder mehrere Pulsparameter in ihrem Wert zumindest abschnittsweise monoton oder streng monoton ansteigend, zumindest abschnittsweise monoton oder streng monoton abfallend, ansteigend und/oder abfallend nach einer linearen oder quadratischen Funktion oder einer Funktion höherer Ordnung, stochastisch, auf der Grundlage von Pseudozufallszahlen und/oder auf der Grundlage einer vorbestimmten Auslesetabelle zeitlich variiert werden.Quite generally, a sampling frequency and / or one or more pulse parameters may be at least partially monotonically or strictly monotonically increasing, at least partially monotone or strictly monotonically decreasing, increasing and / or decreasing according to a linear or quadratic function or a function of higher order, stochastically, be varied on the basis of pseudo-random numbers and / or on the basis of a predetermined read-out table.

Auch sind beliebige Kombinationen dieser Vorgehensweisen denkbar.Also, any combinations of these approaches are conceivable.

Nicht unter allen Betriebsumständen ist eine komplexe zeitliche Variation erforderlich. Wenn zum Beispiel keine Störsignale auftreten oder zu erwarten sind kann das Maß an zeitlicher Variation deutlich reduziert werden. Es sind auch Ausführungsformen denkbar, bei welchen die zeitliche Variation zumindest temporär entfällt.Not under all operating circumstances, a complex temporal variation is required. If, for example, no interfering signals occur or are to be expected, the amount of temporal variation can be significantly reduced. Embodiments are also conceivable in which the temporal variation is at least temporarily eliminated.

Zum Steuern eines derartigen Vorgehens ist es bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens vorgesehen, dass ein Auftreten von Störsignalen empfängerseitig detektiert wird und eine Abtastfrequenz und/oder ein oder mehrere Pulsparameter von Pulsen des Primärlichts in ihrem Wert in Abhängigkeit vom Auftreten empfängerseitiger Störsignale und/oder einer entsprechenden Bewertung zeitlich variiert werden.To control such a procedure, it is provided in a preferred embodiment of the operating method according to the invention that an occurrence of interfering signals is detected on the receiver side and a sampling frequency and / or one or more pulse parameters of pulses of the primary light in their value depending on the occurrence of receiver-side noise and / or be varied over a corresponding evaluation.

Um die Detektionsqualität und/oder Detektionswahrscheinlichkeit empfängerseitig zu steigern, ist es gemäß einer anderen bevorzugten Fortbildung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens vorgesehen, dass empfängerseitig beim Detektieren im Hinblick auf eine etwaige zeitliche Variation (i) einer Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts ausgesandt werden, (ii) einer Anzahl von Pulsen des Primärlichts in einer Gruppe von Pulsen und/oder (iii) eines einen jeweiligen Puls des Primärlichts charakterisierenden Pulsparameters zur Korrelation signalangepasst gefiltert wird. In order to increase the detection quality and / or detection probability on the receiver side, it is provided according to another preferred development of the operating method according to the invention that the receiver side when detecting with respect to a possible temporal variation (i) a sampling frequency, with which pulses or groups of pulses of the primary light emitted (ii) a number of pulses of the primary light in a group of pulses and / or (iii) a pulse parameter characterizing a respective pulse of the primary light are filtered in a signal-matched manner for correlation.

Dabei kann insbesondere auch dasjenige Steuersignal zum Einsatz kommen, mit welchem die Lichtquelle der Senderoptik oder deren Treibereinrichtung gesteuert wird.In this case, in particular, that control signal can also be used with which the light source of the transmitter optics or its driver device is controlled.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Steuereinheit für ein LiDAR-System vom Flashtyp geschaffen. Diese ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für ein Leader-System auszuführen.In accordance with another aspect of the present invention, a control unit for a flash type LiDAR system is also provided. This is adapted to carry out the operating method according to the invention for a Leader system.

Des Weiteren schlägt die vorliegende Erfindung auch ein LiDAR-System vom Flashtyp als solches vor. Dieses ist mit einer Senderoptik zum Erzeugen und Aussenden von Pulsen von Primärlicht in ein Sichtfeld zu dessen Beleuchtung, mit einer Empfängeroptik zum Empfangen, Detektieren und Auswerten von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Senderoptik und/oder der Empfängeroptik ausgebildet.Furthermore, the present invention also proposes a flash type LiDAR system as such. This is with a transmitter optics for generating and emitting pulses of primary light in a field of view to its illumination, with a receiver optics for receiving, detecting and evaluating secondary light from the field of view and with a control unit according to the invention for controlling the operation of the transmitter optics and / or the receiver optics educated.

Schließlich schafft die vorliegende Erfindung auch eine Arbeitsvorrichtung, welche mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System ausgebildet ist.Finally, the present invention also provides a working device which is formed with a LiDAR system according to the invention.

Bei der Arbeitsvorrichtung kann es sich um ein Fahrzeug handeln, zum Beispiel ein Kraftfahrzeug. Denkbar ist jedoch auch die Ausgestaltungsform als Roboter oder dergleichen.The working device may be a vehicle, for example a motor vehicle. However, it is also conceivable embodiment as a robot or the like.

Figurenlistelist of figures

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.

  • 1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems.
  • 2 und 3 zeigen in schematischer Form Amplituden-Zeitdiagramme zur Charakterisierung erfindungsgemäß zeitlich variierter Verläufe von Pulsen ausgesandten Primärlichts bei einer senderseitigen Variation der Abtastrate bzw. der Pulszeitfunktion.
Embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
  • 1 shows in the form of a schematic block diagram an embodiment of the LiDAR system according to the invention.
  • 2 and 3 show in a schematic form amplitude-time diagrams for the characterization according to the invention temporally varied waveforms of pulses emitted primary light at a transmitter-side variation of the sampling rate or the pulse time function.

Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. The following are with reference to the 1 to 3 Embodiments of the invention and the technical background described in detail. Identical and equivalent as well as equivalent or equivalent elements and components are designated by the same reference numerals.

Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.Not in every case of their occurrence, the detailed description of the designated elements and components is reproduced.

Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.The illustrated features and other properties can be isolated in any form from each other and combined with each other, without departing from the gist of the invention.

1 zeigt nach Art eines Blockdiagramms in schematischer Weise eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1. 1 shows in the manner of a block diagram schematically an embodiment of the LiDAR system according to the invention 1 ,

Das in 1 dargestellte und für den Flashbetrieb oder Pulsbetrieb eingerichtete LiDAR-System 1 besteht neben einer Steuer- und Auswerteeinheit 40 aus der dem Betrieb des LiDAR-Systems 1 zu Grunde liegenden optischen Anordnung 10 mit einer Lichtquelleneinheit 65, zum Beispiel mit einer oder mit mehreren Lichtquellen 65-1, einer Senderoptik 60, einer Empfängeroptik 30 und einer Detektoranordnung 20. Die Steuerung des Betriebs des LiDAR-Systems 1 sowie die Auswertung der durch das LiDAR-System 1 empfangenen Signale erfolgt durch die Steuer- und Auswerteeinheit 40.This in 1 illustrated and set up for flash operation or pulsed LiDAR system 1 exists next to a control and evaluation unit 40 from the operation of the LiDAR system 1 underlying optical arrangement 10 with a light source unit 65 , for example, with one or more light sources 65 - 1 , a transmitter optics 60 , a receiver optics 30 and a detector assembly 20 , The control of the operation of the LiDAR system 1 and the evaluation of the signals received by the LiDAR system 1 are performed by the control and evaluation unit 40 ,

Im Betrieb wird durch Steuerung und Veranlassung mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 40 über eine Steuerleitung 42 die Lichtquelleneinheit 65 zur Erzeugung und Ausgabe primären Lichts oder Primärlichts 57 in Form von Pulsen oder Gruppen von Pulsen veranlasst. Das Primärlicht 57 wird mittels einer Strahlformungsoptik 66 entsprechend dem Anwendungsfall modelliert und dann mittels einer sendeseitigen Ablenkoptik 62 in ein Sichtfeld 50 mit einem darin enthaltenen Objekt 52 einer Szene 53 ausgesandt.In operation, by control and instigation by means of the control and evaluation unit 40 via a control line 42 the light source unit 65 for generating and outputting primary light or primary light 57 in the form of pulses or groups of pulses. The primary light 57 is by means of a beam shaping optics 66 modeled according to the application and then by means of a transmitting-side deflection optics 62 in a field of view 50 with an object contained within 52 a scene 53 sent.

Bei der vorliegenden Erfindung liegt der Fokus auf einem Pulsbetrieb der Lichtquelleneinheit 65 und der jeweiligen Lichtquellen 65-1, zum Beispiel in Form von gepulsten Laserquellen.In the present invention, the focus is on a pulsed operation of the light source unit 65 and the respective light sources 65 - 1 , for example in the form of pulsed laser sources.

Das aus dem Sichtfeld 50 und vom Objekt 52 reflektierte Licht wird auch als sekundäres oder Sekundärlicht 58 bezeichnet und in der Empfängeroptik 30 mittels eines Objektivs 34 aufgenommen, gegebenenfalls von einer vorgesehenen Sekundäroptik 35 weiterbehandelt und dann an eine Detektoranordnung 20 mit einem oder mit mehreren Sensorelementen oder Detektorelementen 22 übertragen. Die Sensorelemente 22 der Detektoranordnung 20 erzeugen ihrerseits das Sekundärlicht 58 repräsentierende Signale, die mittels einer Steuer- und Messleitung 41 an die Steuer- und Auswerteeinheit 40 übertragen werden.That out of the field of vision 50 and the object 52 reflected light is also called secondary or secondary light 58 designated and in the receiver optics 30 by means of a lens 34 including, where appropriate, an intended secondary optic 35 further treated and then to a detector array 20 with one or more Sensor elements or detector elements 22 transfer. The sensor elements 22 the detector assembly 20 in turn generate the secondary light 58 representing signals by means of a control and measurement line 41 to the control and evaluation unit 40 be transmitted.

Die Ausführungsform der Steuer- und Auswerteeinheit 40 gemäß 1 besteht aus einem übergeordneten Steuersystem 100, welches mittels eines Busses 101 mit einer Sendeeinheit 70, einer Empfangseinheit 80 und einer Korrelationseinheit 90 verbunden ist.The embodiment of the control and evaluation unit 40 according to 1 consists of a higher-level tax system 100 which by means of a bus 101 with a transmitting unit 70 , a receiving unit 80 and a correlation unit 90 connected is.

Es können das Steuersystem 100 und die Einheiten 70, 80 und 90 tatsächlich als separate Komponenten innerhalb der Steuer- und Auswerteeinheit 40 ausgebildet sein.It can be the tax system 100 and the units 70 . 80 and 90 actually as separate components within the control and evaluation unit 40 be educated.

Es kann jedoch ein LiDAR-System 1 ausgebildet sein, bei welchem ein oder mehrere der Komponenten der Steuer- und Auswerteeinheit 40 miteinander kombiniert und integriert ausgebildet sind, so dass die Darstellung gemäß 1 nur der Darstellung der vorhandenen Komponenten dem Grundsatz nach dient, die konkrete Architektur dadurch jedoch nicht unbedingt widergespiegelt wird und von der Darstellung aus 1 abweichen kann.However, it may be formed a LiDAR system 1, wherein one or more of the components of the control and evaluation 40 combined and integrated, so that the representation according to 1 only the representation of the existing components in principle serves, but the concrete architecture is not necessarily reflected by this and the presentation 1 may differ.

Erfindungsgemäß liegt der Fokus beim Betrieb des LiDAR-Systems auf dem Pulsprinzip, bei welchem das Sichtfeld 50 im Impulsbetrieb der Lichtquelleneinheit 65 mit den Lichtquellen 65-1 mit dem Primärlicht 57 beleuchtet und untersucht wird.According to the invention, the focus in the operation of the LiDAR system is on the pulse principle, in which the field of view 50 in pulse mode of the light source unit 65 with the light sources 65 - 1 with the primary light 57 illuminated and examined.

Erfindungsgemäß wird dabei zur Erhöhung der Detektionswahrscheinlichkeit und zur Vermeidung falscher Detektionen senderseitig eine zeitliche Variation der Abtastrate oder Abtastfrequenz der Pulse des Primärlichts 57 und/oder von Pulsparametern der Pulse des Primärlichts 57 durchgeführt, zum Beispiel indem über die Steuer- und Auswerteeinheit 40 eine entsprechende Ansteuerung der Lichtquelleneinheit 65 und insbesondere der einen oder der mehreren Lichtquellen 65-1 erfolgt, gegebenenfalls über eine Ansteuerung eines Lichtquellentreibers, der Bestandteil der Lichtquelleneinheit 65 sein kann und hier nicht explizit dargestellt ist.In accordance with the invention, in order to increase the detection probability and to avoid false detections, a temporal variation of the sampling rate or sampling frequency of the pulses of the primary light is provided on the transmitter side 57 and / or pulse parameters of the pulses of the primary light 57 carried out, for example, by the control and evaluation unit 40 a corresponding control of the light source unit 65 and in particular the one or more light sources 65 - 1 takes place, optionally via a control of a light source driver, the component of the light source unit 65 can be and is not explicitly shown here.

Die 2 und 3 zeigen in schematischer Form Graphen 120 und 130 im Sinne von Amplituden-Zeitdiagrammen zur Charakterisierung zeitlich variierter Verläufe des ausgesandten Primärlichts 57 - aufgefasst als Sendesignal Tx als Funktion der Zeit T - bei einer erfindungsgemäßen senderseitigen Variation der Abtastrate bzw. der Pulszeitfunktion.The 2 and 3 show in schematic form graphs 120 and 130 in the sense of amplitude-time diagrams for characterizing temporally varied courses of the emitted primary light 57 - understood as a transmission signal Tx as a function of time T - in a transmitter-side variation of the sampling rate or the pulse time function according to the invention.

Auf den jeweiligen Abszissen 121, 131 der Graphen 120, 130 ist die Zeit t als Parameter und auf der jeweiligen Ordinate 122, 132 die Sendesignalamplitude Tx als Funktion der Zeit t aufgetragen. Es ergeben sich die mit den Spuren 123, 133 dargestellten Sendepulsfolgen.On the respective abscissa 121 . 131 the graph 120 . 130 is the time t as a parameter and on the respective ordinate 122 . 132 the transmit signal amplitude Tx plotted as a function of time t. The results with the tracks 123 . 133 transmitted pulse trains shown.

Bei der der 2 zu Grunde liegenden Steuerung im Sinne einer erfindungsgemäßen zeitlichen Variation bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für ein LiDAR-System 1 werden Einzelpulse 57-1 erzeugt und in Form von Pulsgruppen 123-1 bis 123-4 mit zeitlichen Abständen T1 bis T3 ausgesandt, wobei jede einzelne Pulsgruppe 123-1 bis 123-4 als ein Sendesignal des Primärlichts 57 aufgefasst werden kann.At the 2 Underlying control in terms of temporal variation according to the invention in one embodiment of the operating method according to the invention for a LiDAR system 1 are individual pulses 57 - 1 generated and in the form of pulse groups 123 - 1 to 123 - 4 with time intervals T1 to T3 emitted, each individual pulse group 123 - 1 to 123 - 4 as a transmission signal of the primary light 57 can be understood.

Dabei werden bei der Ausführungsform gemäß 2 die ersten beiden Pulsgruppen 123-1 und 123-2 von Einzelpulsen 57-1 gebildet. Die dritte Pulsgruppe 123-3 weist drei identische Einzelpulse 57-1 in einem identischen zeitlichen Abstand Δt3 auf.In the case of the embodiment according to FIG 2 the first two pulse groups 123 - 1 and 123 - 2 of single pulses 57 - 1 educated. The third pulse group 123 - 3 has three identical single pulses 57 - 1 at an identical time interval .DELTA.t3 on.

Dies ist nicht obligatorisch, bei einer alternativen Ausgestaltungsform könnte der zeitliche Abstand zwischen den Einzelpulsen 57-1 in einer Pulsgruppe variiert werden.This is not mandatory, in an alternative embodiment, the time interval between the individual pulses 57 - 1 be varied in a pulse group.

Die vierte Pulsgruppe 123-4 besteht aus identischen Einzelpulsen 47-1 in einem konstanten zeitlichen Abstand Δt4. Dieser zeitliche Abstand Δt4 kann mit dem vorangehend zeitlichen Abstand Δt3 identisch sein, aber auch dies ist nicht zwingend.The fourth pulse group 123 - 4 consists of identical single pulses 47 - 1 at a constant time interval Δt4 , This time interval Δt4 can with the previous time interval .DELTA.t3 be identical, but even this is not mandatory.

Die Pulsgruppen 123-3 bis 123-4 besitzen zueinander zeitliche Abstände T1 bis T3, die hier in etwa konstant gewählt sind. Alternativ können die zeitlichen Abstände T1 bis T3 erfindungsgemäß auch unterschiedliche Werte aufweisen und variiert werden.The pulse groups 123 - 3 to 123 - 4 have time intervals with each other T1 to T3 , which are chosen to be approximately constant here. Alternatively, the time intervals T1 to T3 According to the invention also have different values and can be varied.

Die in der Spur 123 bei der Ausführungsform gemäß 2 verwendeten Einzelpulse 57-1 sind identisch zueinander gewählt. Auch hier bieten sich erfindungsgemäß Variationsmöglichkeiten an, nämlich durch unterschiedliche Ausgestaltung der Einzelpulse 57-1.The in the lane 123 in the embodiment according to 2 used single pulses 57 - 1 are chosen identical to each other. Here, too, offer variation possibilities according to the invention, namely by different design of the individual pulses 57 - 1 ,

Denkbare Variationsmöglichkeiten der Einzelpulse werden durch die Spur 133 des Graphen 130 aus 3 veranschaulicht.Conceivable variations of the individual pulses are through the track 133 of the graph 130 out 3 illustrated.

Hier besteht das gesamte Sendesignal der Spur 133 aus einer Abfolge von einzelnen Pulsen, welche aus einem Satz unterschiedlicher Einzelpulse 57-1 bis 57-4 ausgewählt sind. Diese Einzelpulse 57-1 bis 57-4 unterscheiden sich voneinander ausschließlich durch ihre jeweilige Pulsweite t1 bis t4, welche in dieser Reihenfolge eine monoton ansteigende Reihe bilden, sie besitzt jedoch eine identische Amplitude.Here is the entire transmission signal of the track 133 from a sequence of individual pulses, which consists of a set of different individual pulses 57 - 1 to 57 - 4 are selected. These individual pulses 57 - 1 to 57 - 4 differ from each other exclusively by their respective pulse width t1 to t4 which form a monotonously increasing series in this order, but has an identical amplitude.

Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert: These and other features and characteristics of the present invention will be further elucidated with reference to the following statements:

Eine typische Problemstellung bei LiDAR-Systemen, insbesondere jedoch bei Flash-LiDAR-Ansätzen, ist die Übersprechproblematik. Baugleiche Systeme, aber auch bereits solche, die in Wellenlängenbereich (Bandpassfilterung) und Zeitverhalten (z.B. gepulstes TOF-Verfahren) hohe technologische Überlappungen aufweisen, können sich gegenseitig beeinflussen und somit auf Grund gegenseitiger Blendung (z.B. Detektorsättigung, Blooming) zu gestörten Messungen (z.B. verrauschte 3D-Punktewolken) führen. Zudem ist durch ungewollte oder böswillige Fremdlichteinwirkung die Bereitschaft eines LiDAR-Systems unmittelbar angreifbar (Jamming).A typical problem with LiDAR systems, but especially with Flash LiDAR approaches, is the crosstalk problem. Identical systems, but even those that have high technological overlaps in wavelength range (bandpass filtering) and time response (eg pulsed TOF method), can influence each other and thus due to mutual glare (eg detector saturation, blooming) to disturbed measurements (eg noisy 3D point clouds). In addition, the readiness of a LiDAR system can be directly attacked by unwanted or malicious external light exposure (jamming).

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine höhere Robustheit gegenüber der Übersprechproblematik baugleicher, gegenseitig beeinflussbarer oder von extern störbarer LiDAR-Systeme erreicht werden, indem eine variable Abtastrate und/oder variable Pulsmerkmale (z.B. der Pulsweite, Pulszeitfunktion) verwendet werden. Diese wären typischerweise durch eine unmittelbare Ansteuerung des Emitters bereits einfach möglich und erfordern im Vergleich zu codierten Beleuchtungsverfahren (Codeüberlagerung auf das LiDAR-Abtastverhalten) keine zusätzlichen Schaltungen und keine Elemente der Kryptografie.With the present invention, a higher robustness to the crosstalk problem of identically constructed, mutually influenceable or externally disturbable LiDAR systems is to be achieved by using a variable sampling rate and / or variable pulse characteristics (for example the pulse width, pulse time function). These would typically be easily accomplished by direct control of the emitter, and require no additional circuitry or elements of cryptography as compared to coded illumination techniques (code superposition on the LiDAR sampling behavior).

Ein Kernaspekt der Erfindung ist das Vorsehen einer intelligenten Steuerung oder Regelung der Abtastrate und/oder der Pulsform eines LiDAR-Systems 1, insbesondere hinsichtlich einer maximal zulässigen Variabilität.A key aspect of the invention is the provision of intelligent control or regulation of the sampling rate and / or the pulse shape of a LiDAR system 1, in particular with regard to maximum permissible variability.

Hierbei können sowohl eine der aktuellen Messsituation angepasste, höhere oder niedrigere Abtastrate eingestellt werden oder etwa durch einen Zufallsparameteralgorithmus bzw. eine vorgegebene Abtastfrequenz-/Pulsweitenrampe (Frequenz-/Pulsweiten-Sweep) ein von Ego-Sensor - also dem Sensor eines betrachteten LiDAR-System 1 - zu Fremdsensor unterschiedliches Zeitverhalten erreicht werden. Ziel hierbei ist es, über die Zeit als zusätzlichen Freiheitsgrad die Wahrscheinlichkeit einer gegenseitigen Beeinflussung von LiDAR-Systemen in der Straßenapplikation (viele Sensoren, häufig gleiche Wellenlängen und Funktionsprinzipien, ähnliche Bauhöhen, etc.) zu minimieren.In this case, both a higher or lower sampling rate adapted to the current measurement situation can be set or, for example, by a random parameter algorithm or a predetermined sampling frequency / pulse width ramp (frequency / pulse width sweep) of an ego sensor - ie the sensor of a considered LiDAR system 1 - To different sensor different timing can be achieved. The goal here is to minimize over time as an additional degree of freedom the likelihood of a mutual influence of LiDAR systems in the road application (many sensors, often the same wavelengths and operating principles, similar heights, etc.).

Einige wesentliche Vorteile, die sich bei der Erfindung einstellen, sind:

  • - eine Verringerung oder gar Minimierung der Wahrscheinlichkeit eines Übersprechens baugleicher oder ähnlicher LiDAR-Systeme,
  • - eine Variabilität der Abtastrate (z.B. im Bereich etwa 10 Hz bis etwa 30 Hz) und ausgewählter Pulsformparameter, um unterschiedliche Auflösungen der Tiefeninformation oder Belichtungszeiten zu ermöglichen,
  • - eine Möglichkeit, in der Tiefe interessante Objekte besonders häufig abzutasten, beispielsweise um deren Existenz oder Maße zu plausibilisieren,
  • - Möglichkeiten, besonders gering reflektierende Objekte länger zu beleuchten, um ein höheres Signal-zu-Rauschverhältnis zu erhalten, beispielsweise durch Mittelung vieler von diesem Objekt reflektierter Pulse im Detektor (dabei mittelt sich das Rauschen in der Regel tendenziell zu Null, wogegen sich das Nutzsignal durch die Mittelung aus dem Rauschen stärker erhebt),
  • - ein optimierbares zeitliches Systemverhalten hinsichtlich einer aktuell vorliegenden Messsituation und
  • - ein vergleichsweise geringer Realisierungsaufwand (keine Codegenerierung, keine Dechiffrierung, keine zusätzlichen Schaltungen, da direkt durch den Lasertreiberansteuerung realisierbar).
Some of the significant advantages of the invention are:
  • a reduction or even minimization of the likelihood of crosstalk of identical or similar LiDAR systems,
  • a variability of the sampling rate (eg in the range of about 10 Hz to about 30 Hz) and selected pulse shape parameters in order to allow different resolutions of the depth information or exposure times,
  • a possibility to scan objects of interest very often, for example to make their existence or dimensions plausible,
  • - Possibilities to illuminate particularly low-reflection objects longer in order to obtain a higher signal-to-noise ratio, for example by averaging many of this object reflected pulses in the detector (while the noise tends to average tends to zero, whereas the useful signal by averaging out of the noise),
  • an optimizable temporal system behavior with regard to a currently present measurement situation and
  • - A relatively low implementation effort (no code generation, no deciphering, no additional circuits, as directly by the laser driver control feasible).

Mit Hilfe einer Steuerung oder einer Regelung soll das nach aktuellem Stand der Technik zeitinvariante Abtast- und Beleuchtungserhalten eines LiDAR-Sensors 1 durch einen zeitvarianten, hinsichtlich minimaler Übersprechwahrscheinlichkeit optimierten Zeitverlauf der Abtastfrequenz (siehe 2) und der Pulsform (siehe 3) ersetzt werden. Hierbei umfasst eine Steuerung eine feste Vorgabe des Zeitverhaltens, beispielsweise über linear oder nach Funktionen höherer Ordnung ansteigenden oder sinkenden Abtastfrequenzen oder Pulsformparametern (z.B. Pulsweite oder Pulszeitfunktion). Eine Regelung hingegen umfasst eine Rückmessung ausgewählter Parameter, z.B. der Übersprechhäufigkeit, Interpretation der aktuellen Messsituation hinsichtlich der Objekt- oder Fremdsensoranzahl, der Erfolgs-/Misserfolgsrate einer Messung („false positives“, „false negatives“), der im jeweiligen Abstand benötigten Anzahl von Einzelmessungen (Histogrammbildung), des Existenzwahrscheinlichkeit kleiner Objekte in bestimmten Entfernungen, der Fahrzeugeigengeschwindigkeit oder ähnlicher Parameter zur Optimierung des LiDAR-Systemzeitverhaltens.With the help of a controller or a control to the current state of the art time-invariant scanning and lighting of a LiDAR sensor 1 by a time-variant, with regard to minimal crosstalk probability optimized time course of the sampling frequency (see 2 ) and the pulse shape (see 3 ) be replaced. In this case, a controller comprises a fixed specification of the time response, for example, via linear or higher-order functions increasing or decreasing sampling frequencies or pulse shape parameters (eg pulse width or pulse time function). On the other hand, a regulation comprises a back measurement of selected parameters, eg the crosstalk frequency, interpretation of the current measurement situation with regard to the number of object or foreign sensors, the success / failure rate of a measurement ("false positives", "false negatives"), the number of times required in the respective distance Single measurements (histogram formation), the likelihood of small objects at certain distances, the vehicle's own speed or similar parameters for optimizing the LiDAR system time behavior.

Damit ergibt sich erstmalig die Möglichkeit, im Falle einer zu häufigen Störung des Ego-Sensors beispielsweise die eigene Abtastrate gering und verstärkt zufällig zu gestalten und besonders kurze Pulse zu verwenden, während bei geringer Störhäufigkeit eine höhere und regelmäßigere Abtastrate und längere Pulse verwendet werden könnten. Die Einstellung des erwünschten Zeitverhaltens erfolgt unmittelbar über Ansteuerung des Lasertreibers und ggf. zusätzlich des Detektormoduls.This results for the first time in the case of a too frequent disturbance of the ego-sensor, for example, the own sampling rate to make small and amplified random and to use very short pulses, while at low frequency interference higher and more regular sampling rate and longer pulses could be used. The setting of the desired time behavior takes place directly via activation of the laser driver and possibly additionally of the detector module.

Zur besseren Unterscheidung von Signalen bei LiDAR-Systemen mit insbesondere identischer Phasenlage in den Sendesignalen ist es möglich, bei CW-basierten LiDAR-Systeme 1 durch Variation der Phase und/oder der Wellenform und/oder durch Modulation einer höher frequenten Trägerwelle und/oder mittels unterschiedlich steiler oder zufällig vorzeichengedrehter Frequenzrampen eine Unterscheidung zu anderen CW-basierten LiDAR-Systemen auszubilden.For better differentiation of signals in LiDAR systems with in particular identical phase position in the transmission signals, it is possible in CW-based LiDAR systems 1 by varying the phase and / or the waveform and / or by modulating a higher-frequency carrier wave and / or by means of different steep or random waveform-rotated frequency ramps to form a distinction to other CW-based LiDAR systems.

Claims (10)

Betriebsverfahren für ein LiDAR-System (1) vom Flashtyp, bei welchem - aufeinanderfolgend Pulse erzeugten Primärlichts (57) in ein Sichtfeld (50) zu dessen Beleuchtung ausgesandt werden, - aus dem Sichtfeld (50) stammendes Sekundärlicht (58) empfangen, detektiert und ausgewertet wird und - eine Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts (57) ausgesandt werden, eine Anzahl von Pulsen des Primärlichts (57) in einer Gruppe von Pulsen und/oder ein oder mehrere einen jeweiligen Puls des Primärlichts (57) charakterisierende Pulsparameter zeitlich variiert werden.Operating method for a flash type LiDAR system (1) in which - Successively pulses generated primary light (57) are emitted in a field of view (50) for its illumination, - From the field of view (50) derived secondary light (58) received, detected and evaluated and a sampling frequency at which pulses or groups of pulses of the primary light (57) are emitted, a number of pulses of the primary light (57) in a group of pulses and / or one or more pulse parameters characterizing a respective pulse of the primary light (57) in time be varied. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, bei welchem mit der Abtastfrequenz der zeitliche Abstand von Pulsen oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts (57) und/oder der zeitliche Abstand von Pulsen des Primärlichts (52) innerhalb einer Gruppe von Pulsen zeitlich variiert werden.Operating procedure after Claim 1 in which the sampling frequency is used to temporally vary the time interval of pulses or groups of pulses of the primary light (57) and / or the time interval of pulses of the primary light (52) within a group of pulses. Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem als Pulsparameter eine Pulsweite, eine Pulsform und/oder Pulszeitfunktion eines auszusendenden Pulses des Primärlichts (57) zeitlich variiert werden.Operating method according to one of the preceding claims, in which a pulse width, a pulse shape and / or pulse time function of a pulse to be emitted of the primary light (57) are varied in time as the pulse parameter. Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine Abtastfrequenz und/oder ein oder mehrere Pulsparameter in ihrem Wert zumindest abschnittsweise monoton oder streng monoton ansteigend, zumindest abschnittsweise monoton oder streng monoton abfallend, ansteigend und/oder abfallend nach einer linearen oder quadratischen Funktion oder einer Funktion höherer Ordnung, stochastisch, auf der Grundlage von Pseudozufallszahlen und/oder auf der Grundlage einer vorbestimmten Auslesetabelle zeitlich variiert werden.Operating method according to one of the preceding claims, wherein a sampling frequency and / or one or more pulse parameters at least partially monotonically or strictly monotonically increasing, at least partially monotonous or strictly monotonically decreasing, increasing and / or decreasing according to a linear or quadratic function or a Higher-order function, stochastic, may be varied in time based on pseudo-random numbers and / or on the basis of a predetermined read-out table. Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem - ein Auftreten von Störsignalen empfängerseitig detektiert wird und - eine Abtastfrequenz und/oder ein oder mehrere Pulsparameter von Pulsen des Primärlichts (57) in ihrem Wert in Abhängigkeit vom Auftreten der empfängerseitigen Störsignale zeitlich variiert werden.Operating method according to one of the preceding claims, in which - An occurrence of interference signals is detected on the receiver side and - A sampling frequency and / or one or more pulse parameters of pulses of the primary light (57) in their value in dependence on the occurrence of the receiver-side noise signals are varied in time. Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem empfängerseitig beim Detektieren im Hinblick eine etwaige zeitliche Variation (i) einer Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts (57) ausgesandt werden, (ii) einer Anzahl von Pulsen des Primärlichts (57) in einer Gruppe von Pulsen und/oder (iii) eines einen jeweiligen Puls des Primärlichts (57) charakterisierenden Pulsparameters zur Korrelation signalangepasst gefiltert wird.Method of operation according to one of the preceding claims, in which on the receiver side in detecting a possible temporal variation (i) of a sampling frequency with which pulses or groups of pulses of the primary light (57) are emitted, (ii) a number of pulses of the primary light (57 ) is filtered in a group of pulses and / or (iii) a pulse parameter characterizing a respective pulse of the primary light (57) in a signal-matched manner for correlation. Steuereinheit (40) für ein LiDAR-System (1) vom Flashtyp, welche eingerichtet ist, ein Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.Control unit (40) for a flash type LiDAR system (1) arranged to perform an operation method according to any one of Claims 1 to 6 perform. LiDAR-System (1) vom Flashtyp, mit: - einer Senderoptik (60) zum Erzeugen und Aussenden von Pulsen von Primärlicht (57) in ein Sichtfeld (50) zu dessen Beleuchtung, - einer Empfängeroptik (30) zum Empfangen, Detektieren und Auswerten von Sekundärlicht (58) aus dem Sichtfeld (50) und - einer Steuereinheit nach Anspruch 7 zum Steuern des Betriebs der Senderoptik (60) und/oder der Empfängeroptik (30).A flash type LiDAR system (1) comprising: transmitter optics (60) for generating and emitting pulses of primary light (57) into a field of view (50) for illumination thereof; receiver optics (30) for receiving, detecting and evaluating secondary light (58) from the field of view (50) and - a control unit according to Claim 7 for controlling the operation of the transmitter optics (60) and / or the receiver optics (30). Arbeitsvorrichtung, welche mit einem LiDAR-System (1) nach Anspruch 8 ausgebildet ist.Working device, which with a LiDAR system (1) after Claim 8 is trained. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 9, welche als Fahrzeug ausgebildet ist.Working device after Claim 9 , which is designed as a vehicle.
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