DE102019114377A1

DE102019114377A1 - Verfahren zur tiefenabbildung basierend auf einem optischen quadrantendetektionsschema

Info

Publication number: DE102019114377A1
Application number: DE102019114377.2A
Authority: DE
Inventors: Emanuel Mordechai; Tzvi Philipp
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-02-27
Also published as: CN110857991A; US20200064478A1

Abstract

Ein Fahrzeug, ein Lidar-System und ein Verfahren zum Abbilden eines interessierenden Felds. Ein Laser beleuchtet ein interessierendes Feld mit einem Quelllichtimpuls. Ein Quadrantendetektor empfängt einen reflektierten Impuls, der eine Reflexion des Quellimpulses von dem interessierenden Feld ist. Ein Prozessor bestimmt ein dreidimensionales Bild des interessierenden Felds anhand eines Orts des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor und einer Laufzeit für den reflektierten Impuls. Der Prozessor navigiert ferner mittels des dreidimensionalen Bilds das Fahrzeug durch das interessierende Feld.

Description

EINFÜHRUNG
Die Gegenstandsoffenbarung bezieht sich auf Lidar-Systeme und insbesondere auf ein Verfahren zur Tiefenabbildung mittels eines Lidar-Systems unter Verwendung eines optischen Quadrantendetektors.
Ein Lidar-System kann in einem Fahrzeug verwendet werden, um die Navigation des Fahrzeugs zu unterstützen. Häufig schließt das Lidar-System ein mechanisches System zum Ausrichten des Lichts über ein Sichtfeld ein. Die Auflösung solcher Bilder ist daher auf die Abtastraten solcher mechanischen Systeme beschränkt. Außerdem erfordern solche Systeme in der Regel relativ lange Lichtimpulse. Solche Systeme erfordern im Allgemeinen Anordnungen von Sensoren in zwei Dimensionen, deren Anzahl an Messpixeln die Systemauflösung begrenzt. Es besteht daher die Sorge, dass solche Impulse sich Augensicherheitsbeschränkungen annähern oder diese überschreiten können. Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Lidar-System zum Bestimmen von Tiefen- und Winkelparametern für Ziele in einem Sichtfeld ohne die Verwendung mechanischer Abtastvorrichtungen und mit reduzierter Impulsdauer und -leistung bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Verfahren zum Abbilden eines interessierenden Felds offenbart. Das Verfahren schließt das Beleuchten, über einen Laser, eines interessierenden Felds mit einem Quelllichtimpuls, das Empfangen, an einem Quadrantendetektor, eines reflektierten Impulses, der eine Reflexion des Quellimpulses von dem interessierenden Feld ist, und das Bestimmen eines dreidimensionalen Bilds des interessierenden Felds anhand eines Orts des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor und einer Laufzeit für den reflektierten Impuls ein. Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale schließt das Verfahren ferner das mehrmalige Abtasten des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor ein, um einen Parameter des interessierenden Felds bei einer Vielzahl von Tiefen innerhalb des interessierenden Felds zu bestimmen. Das Verfahren schließt ferner das Bestimmen einer Winkellage eines Ziels innerhalb des interessierenden Felds anhand des Orts des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor ein. Das Verfahren schließt ferner das Bestimmen des Orts des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor durch Vergleichen von Lichtintensitäten an Quadranten des Quadrantendetektors ein. Das Verfahren schließt ferner das Bestimmen einer Tiefe eines Ziels innerhalb des interessierenden Felds anhand einer dem reflektierten Impuls zugeordneten Laufzeit ein. Das Verfahren schließt ferner das Synchronisieren des Lasers mit dem Quadrantendetektor ein. Das Verfahren schließt ferner das Navigieren eines Fahrzeugs durch das interessierende Feld mittels des dreidimensionalen Bilds ein.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist ein Lidar-System offenbart. Das Lidar-System schließt einen Laser, einen Quadrantendetektor und einen Prozessor ein. Der Laser ist dazu konfiguriert ist, ein interessierendes Feld mit einem Quelllichtimpuls zu beleuchten. Der Quadrantendetektor ist dazu konfiguriert, einen reflektierten Impuls, der eine Reflexion des Quellimpulses von dem interessierenden Feld ist, zu empfangen. Der Prozessor ist dazu konfiguriert, ein dreidimensionales Bild des interessierenden Felds anhand eines Orts des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor und einer Laufzeit für den reflektierten Impuls zu bestimmen.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale tastet der Quadrantendetektor den reflektierten Impuls mehrmals ab, um einen Parameter des interessierenden Felds bei einer Vielzahl von Tiefen innerhalb des interessierenden Felds zu bestimmen. Der Prozessor ist ferner dazu konfiguriert, eine Winkellage eines Ziels innerhalb des interessierenden Felds anhand des Orts des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor zu bestimmen. Der Prozessor ist ferner dazu konfiguriert, den Ort des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor durch Vergleichen von Lichtintensitäten an den Quadranten des Quadrantendetektors zu bestimmen. Der Prozessor ist ferner dazu konfiguriert, eine Tiefe eines Ziels innerhalb des interessierenden Felds anhand einer dem reflektierten Impuls zugeordneten Laufzeit zu bestimmen. Ein Lasertreiber synchronisiert den Laser mit dem Quadrantendetektor. Ein Raummodulator ist dazu konfiguriert, Signale herauszufiltern, die von zwei oder mehr Zielen stammen, die in einem gleichen Abstand von dem Quadrantendetektor vorliegen und die im Winkel unterscheidbar sind.
In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist ein Fahrzeug offenbart. Das Fahrzeug schließt einen Laser, einen Quadrantendetektor und einen Prozessor ein. Der Laser ist dazu konfiguriert ist, ein interessierendes Feld mit einem Quelllichtimpuls zu beleuchten. Der Quadrantendetektor ist dazu konfiguriert, einen reflektierten Impuls, der eine Reflexion des Quellimpulses von dem interessierenden Feld ist, zu empfangen. Der Prozessor ist dazu konfiguriert, ein dreidimensionales Bild des interessierenden Felds anhand eines Orts des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor und einer Laufzeit für den reflektierten Impuls zu bestimmen und das Fahrzeug mittels des dreidimensionalen Bilds durch das interessierende Feld zu navigieren.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale tastet der Quadrantendetektor den reflektierten Impuls mehrmals ab, um einen Parameter des interessierenden Felds bei einer Vielzahl von Tiefen innerhalb des interessierenden Felds zu bestimmen. Der Prozessor ist ferner dazu konfiguriert, eine Winkellage eines Ziels innerhalb des interessierenden Felds anhand des Orts des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor zu bestimmen. Der Prozessor ist ferner dazu konfiguriert, den Ort des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor durch Vergleichen von Lichtintensitäten an den Quadranten des Quadrantendetektors zu bestimmen. Der Prozessor ist ferner dazu konfiguriert, eine Tiefe eines Ziels innerhalb des interessierenden Felds anhand einer dem reflektierten Impuls zugeordneten Laufzeit zu bestimmen. Ein Lasertreiber synchronisiert den Laser mit dem Quadrantendetektor.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leicht ersichtlich.
Figurenliste
Andere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen lediglich beispielhaft in der folgenden ausführlichen Beschreibung, wobei die ausführliche Beschreibung sich auf die Zeichnungen bezieht, in denen:

1 ein autonomes Fahrzeug einschließlich eines Lidar-Systems gemäß einer Ausführungsform zeigt,
2 einen optischen Quadrantendetektor offenbart, der geeignet ist zur Verwendung in dem Lidar-System von 1;
3 eine Detailansicht des Lidar-Systems zeigt;
4 einen veranschaulichenden Quellimpuls zeigt, der durch den Laser des Lidar-Systems erzeugt wird;
5 einen veranschaulichenden reflektierten Impuls zeigt, der durch Reflexion des Quellimpulses von einem Ziel in einem interessierenden Feld des Lidar-Systems gebildet wird;
6 verschiedene bereichsabhängige Intensitätsmessungen veranschaulicht, die an den Quadranten des optischen Quadrantendetektors erhalten werden; und
7 ein veranschaulichendes Tiefenbild zeigt, das unter Verwendung von Werten der mittels des Lidar-Systems bestimmten Parameter gebildet werden kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es sei klargestellt, dass in den Zeichnungen durchweg entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale kennzeichnen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt 1 ein autonomes Fahrzeug 10. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das autonome Fahrzeug 10 ein sogenanntes Stufe-Vier- oder Stufe-Fünf-Automatisierungssystem. Ein Stufe-Vier-System weist auf „hohe Automatisierung“ hin, die sich auf die fahrmodusspezifische Ausführung aller Aspekte der dynamischen Fahraufgabe durch ein automatisiertes Fahrsystem bezieht, selbst wenn ein menschlicher Fahrer nicht angemessen auf eine Aufforderung zum Eingreifen reagiert. Ein Stufe-Fünf-System weist auf „Vollautomatisierung“ hin, die sich auf die Vollzeitausführung aller Aspekte der dynamischen Fahraufgabe durch ein automatisiertes Fahrsystem unter allen Fahrbahn- und Umgebungsbedingungen bezieht, die von einem menschlichen Fahrer gehandhabt werden können.
Das autonome Fahrzeug 10 schließt im Allgemeinen mindestens ein Navigationssystem 20, ein Antriebssystem 22, ein Getriebesystem 24, ein Lenksystem 26, ein Bremssystem 28, ein Sensorsystem 30, ein Aktorsystem 32 und eine Steuerung 34 ein. Das Navigationssystem 20 bestimmt einen Trajektorieplan für automatisiertes Fahren des autonomen Fahrzeugs 10. Das Antriebssystem 22 stellt Leistung zum Erzeugen einer Antriebskraft für das autonome Fahrzeug 10 bereit und kann in verschiedenen Ausführungsformen einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine wie etwa einen Fahrmotor und/oder ein Brennstoffzellenantriebssystem einschließen. Das Getriebesystem 24 ist dazu konfiguriert, Leistung von dem Antriebssystem 22 auf die Räder 16 und 18 des autonomen Fahrzeugs 10 gemäß auswählbaren Drehzahlverhältnissen zu übertragen. Das Lenksystem 26 beeinflusst eine Position der Räder 16 und 18. Obwohl es zu Veranschaulichungszwecken als ein Lenkrad 17 einschließend dargestellt ist, schließt das Lenksystem 26 in einigen Ausführungsformen, die innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung in Betracht gezogen werden, möglicherweise kein Lenkrad 17 ein. Das Bremssystem 28 ist dazu konfiguriert, Bremsmoment an die Räder 16 und 18 bereitzustellen.
Das Sensorsystem 30 schließt ein Lidar-System 40 ein, das Ziele in einer äußeren Umgebung des autonomen Fahrzeugs 10 wahrnimmt und ein Tiefenbild der Umgebung bereitstellt. Im Betrieb sendet das Lidar-System 40 einen Quelllichtimpuls 48 aus, der durch ein oder mehrere Ziele 50 in dem Sichtfeld des Lidar-Systems 40 als reflektierter Impuls 52 zu dem autonomen Fahrzeug 10 zurückreflektiert wird.
Das Aktorsystem 32 schließt einen oder mehrere Aktoren ein, die ein oder mehrere Fahrzeugmerkmale wie etwa, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, das Antriebssystem 20, das Getriebesystem 22, das Lenksystem 24 und das Bremssystem 26 steuern.
Die Steuerung 34 schließt einen Prozessor 36 und eine computerlesbare Speichervorrichtung oder ein computerlesbares Speichermedium 38 ein. Das computerlesbare Speichermedium schließt Programme oder Anweisungen 39 ein, die bei Ausführung durch den Prozessor 36 das Lidar-System 40 betreiben, um Daten wie etwa Orts- und Tiefendaten eines Ziels 50 zu erhalten. Das computerlesbare Speichermedium 38 kann ferner Programme oder Anweisungen 39 einschließen, die bei Ausführung durch den Prozessor 36 das Navigationssystem 20 und/oder das Aktorsystem 32 gemäß von dem Lidar-System 40 erhaltenen Daten betreiben, um das autonome Fahrzeug 10 in Bezug auf das Ziel 50 zu navigieren.
In verschiedenen Ausführungsformen betreibt die Steuerung 34 das Lidar-System 40, um einen Parameter wie Winkellage und Tiefe des Ziels 50 anhand des reflektierten Impulses 52 zu bestimmen. Diese Parameter können entweder allein oder in Kombination mit anderen Parametern (z. B. Doppler) verwendet werden, um eine prädiktive Karte der Umgebung für Navigationszwecke zu erhalten. Das Navigationssystem 20 erstellt eine Trajektorie für das autonome Fahrzeug 10 basierend auf Daten aus dem Lidar-System 40 und beliebigen anderen Parametern. Die Steuerung 34 kann die Trajektorie an den Aktor 32 zum Steuern des Antriebssystems 20, des Getriebesystems 22, des Lenksystems 24 und/oder der Bremse 26 bereitstellen, um das Fahrzeug 10 in Bezug auf das Ziel 50 zu navigieren.
2 offenbart einen optischen Quadrantendetektor 200, der geeignet ist zur Verwendung in dem Lidar-System 40 von 1. Der optische Quadrantendetektor 200 schließt eine empfindliche Region 202 einschließlich einer Vielzahl von Photodioden PD₁ , PD₂ , PD₃ , PD₄ ein, die vier verschiedene Quadranten Q₁ , Q₂ , Q₃ bzw. Q₄ bestimmen. Die Gruppierung der Photodioden in Quadranten ermöglicht es dem optischen Quadrantendetektor 200, einen Ort bestimmen zu können, an dem ein Lichtstrahl, wie etwa der reflektierte Impuls 52, auf den optischen Quadrantendetektor 200 trifft. Genauer ist der optische Quadrantendetektor 200 in der Lage, einen Ort eines zentralen Punkts des reflektierten Impulses 52 zu bestimmen. Wenn mindestens ein Teil des reflektierten Impulses 52 einen gegebenen Quadranten beleuchtet, erzeugen die Photodioden des Quadranten einen Strom mit einer Größe proportional zur Intensität des in dem Quadranten auftreffenden Lichts. Die Quadranten Q₁ , Q₂ , Q₃ und Q₄ erzeugen den zugeordneten Strom I₁ , I₂ , I₃ bzw. I₄ . Die Ströme I₁ , I₂ , I₃ und I₄ können zum Bestimmen des Orts des reflektierten Impulses 52 innerhalb der empfindlichen Region 202 verwendet werden.
Eine x-Koordinate einer Mitte des reflektierten Impulses 52 kann durch Vergleichen des Stroms, der durch auf der rechten Hälfte (I_R ) des optischen Quadrantendetektors 200 (d. h. den Quadranten Q1 und Q4) auftreffendes Licht erzeugt wird, mit dem Strom, der durch auf der linken Hälfte (II) des optischen Quadrantendetektors 200 (d. h. den Quadranten Q2 und Q3) auftreffendes Licht erzeugt wird, bestimmt werden, wie in Gl. (1) ausgedrückt: $X = k_{x} \frac{I_{R} - I_{L}}{I_{R} + I_{L}}$
wobei I_R = I₁ + I₄ und I_L = I₂ + I₃. Als zeitveränderliche Variable ausgedrückt, ist die x-Koordinate (hinsichtlich der Quadrantenströme I₁ , I₂ , I₃ und I₄ ) gegeben durch: $X (t) = k_{x} \frac{[I_{1} (t) + I_{4} (t)] - [I_{2} (t) + I_{3} (t)]}{[I_{1} (t) + I_{4} (t)] + [I_{2} (t) + I_{3} (t)]}$
In ähnlicher Weise kann die y-Koordinate der Mitte des Lichtstrahls 204 durch Vergleichen des Stroms, der durch auf der oberen Hälfte (I_U ) des optischen Quadrantendetektors 200 (d. h. den Quadranten Q1 und Q2) auftreffendes Licht erzeugt wird, mit dem Strom, der durch auf der unteren Hälfte (I_D ) des optischen Quadrantendetektors 200 (d. h. den Quadranten Q3 und Q4) auftreffendes Licht erzeugt wird, bestimmt werden, wie durch Gl. (3) ausgedrückt: $Y = k_{y} \frac{I_{U} - I_{D}}{I_{U} + I_{D}}$
wobei I_U = I₁ + I₂ und I_D = I₃ + I₄. Als zeitveränderliche Variable ausgedrückt, ist die y-Koordinate (hinsichtlich der Quadrantenströme I₁ , I₂ , I₃ und I₄ ) gegeben durch: $Y (t) = k_{y} \frac{[I_{1} (t) + I_{2} (t)] - [I_{3} (t) + I_{4} (t)]}{[I_{1} (t) + I_{2} (t)] + [I_{3} (t) + I_{4} (t)]}$
In verschiedenen Ausführungsformen weist der optische Quadrantendetektor 200 einen hohen Grad an Positions- oder Winkelauflösung auf. Diese Auflösung kann in verschiedenen Ausführungsformen weniger als 0,01 Grad betragen. Der optische Quadrantendetektor 200 zeigt ferner eine breite Spektralempfindlichkeit über die sichtbare, Nahinfrarot-(NIR-), Kurzwellen-Infrarot-(SWIR-), Mittelwellenlängen-Infrarot-(MWIR-) und Langwellen-Infrarot-(LWIR-)Region des elektromagnetischen Spektrums. Der optische Quadrantendetektor 200 kann aus Silicium, Germanium, InGaAs, Quecksilbercadmiumtellurid (MCT) oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Der optische Quadrantendetektor 200 weist eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit im Vergleich zu einer Dauer eines reflektierten Impulses 52, der an dem optischen Quadrantendetektor 200 empfangen wird, auf.
Bei Verwendung in dem Lidar-System 40 können die x-Koordinate und die y-Koordinate des reflektierten Impulses 52 verwendet werden, um eine Winkellage des Ziels 50, das den reflektierten Impuls 52 erzeugt, sowie ein Tiefenbild des Ziels 50 zu bestimmen, wie nachstehend in Bezug auf 3 bis 7 erörtert wird.
3 zeigt eine Detailansicht des Lidar-Systems 40 von 1. Das Lidar-System 40 erzeugt einen Quellimpuls 48 unter Verwendung verschiedener Beleuchtungsausrüstung wie eines Lasertreibers 302, eines Lasers 304 und Beleuchtungsoptik 306. Der Lasertreiber 302 setzt den Laser 304 in Betrieb, um einen Lichtimpuls mit einer ausgewählten Zeitdauer zu erzeugen. Das Licht von dem Laser 304 tritt durch die Beleuchtungsoptik 306 hindurch, die in verschiedenen Ausführungsformen eine Zerstreuungslinse sein kann. Die Beleuchtungsoptik 306 streut das Laserlicht winklig über ein ausgewähltes interessierendes Feld 308, um den Quellimpuls 48 zu bilden. Die Winkelausdehnung des Quellimpulses 48 bestimmt ein interessierendes Feld 308 für das Lidar-System 40.
Das Lidar-System 40 schließt ferner Empfängerausrüstung ein, die Empfängeroptik 310 und den optischen Quadrantendetektor 200 von 2 einschließt. Der Quellimpuls 48 wird von dem Ziel 50 und/oder anderen Zielen in dem interessierenden Feld 308 reflektiert, um den reflektierten Impuls 52 zu bilden. Der reflektierte Impuls 52 wird auf die Empfängeroptik 310 gelenkt. Die Empfängeroptik 310 fokussiert den reflektierten Impuls 52 auf den optischen Quadrantendetektor 200. Der optische Quadrantendetektor 200 wird mit dem Laser 304 durch einen Synchronisationsimpuls synchronisiert, der von dem Lasertreiber 302 an den optischen Quadrantendetektor 20 gesendet wird, nachdem ein Signal an den Laser 304 zum Erzeugen eines Lichtimpulses gesendet wurde. Wenn der Laser 304 mit dem optischen Quadrantendetektor 200 synchronisiert ist, kann mindestens eine Ankunftszeit oder Laufzeit (TOF) des reflektierten Impulses 52 bestimmt werden.
In einer zusätzlichen Ausführungsform können die Beleuchtungsoptik 306, die Empfängeroptik 310 oder beide einen Raummodulator 320 einschließen. Der Raummodulator 320 kann verwendet werden, um Signale herauszufiltern, die von zwei oder mehr Zielen oder Objekten 50 stammen, die in einem gleichen Abstand von dem Lidar-System 40 oder dem optischen Quadrantendetektor 200 vorliegen und die im Winkel unterscheidbar sind.
4 zeigt einen veranschaulichenden Quellimpuls 48, der durch den Laser 302 des Lidar-Systems 40 erzeugt wird. Der Quellimpuls 48 ist ein Impuls mit einer ausgewählten Impulsdauer. In verschiedenen Ausführungsformen besitzt der Quellimpuls 48 eine Dauer von etwa 1 Nanosekunde (ns) bis etwa 5 ns. In dem veranschaulichenden Beispiel von 4 wird der Quellimpuls 48 zu dem Zeitpunkt t = 0 ausgelöst und endet etwa zu dem Zeitpunkt t = 2 Nanosekunden, mit einem Spitzenwert bei etwa 1 Nanosekunde.
5 zeigt einen veranschaulichenden reflektierten Impuls 52, der durch Reflexion des Quellimpulses 48 von dem Ziel 50 in dem interessierenden Feld 308 des Lidar-Systems 40 gebildet wird. Der reflektierte Impuls 52 wird im Vergleich zu dem Quellimpuls 48 zeitlich gespreizt. In 5 wird der veranschaulichende reflektierte Impuls 52 über eine Zeitdauer von etwa t = 10 ns bis etwa t = 2000 ns gespreizt. Die zeitliche Spreizung des reflektierten Impulses 52 ist auf die Reflexion des Quellimpulses 48 von Oberflächen des Ziels 50 bei unterschiedlichen Tiefen des Ziels 50 zurückzuführen. Eine Tiefe der reflektierenden Oberfläche steht in Beziehung zu einem Bereich der reflektierenden Oberfläche in Bezug auf das Lidar-System 40. Unter Bezugnahme auf 3 zur Veranschaulichung wird der Quellimpuls 48 von der Oberfläche A des Ziels 50 vor der Reflexion von der Oberfläche B des Ziels 50 reflektiert. Unter Rückbezugnahme auf 5 tritt die Ankunftszeit der Reflexion von Oberfläche A zu dem Zeitpunkt t_A auf, während die Ankunftszeit der Reflexion von Oberfläche B zu dem Zeitpunkt t_B auftritt. Die Differenz in der Tiefe oder der Abstand zwischen Oberfläche A und Oberfläche B in einer Richtung parallel zu der Richtung des Quellimpulses 48 wird daher an dem optischen Quadrantendetektor 200 in eine Zeitdifferenz des Reflexionsstrahls 52 umgesetzt.
Es wird angemerkt, dass der optische Quadrantendetektor 200 eine schnelle Abtastantwortzeit im Vergleich zu der Zeitdauer des reflektierten Impulses 52 aufweist. In verschiedenen Ausführungsformen beträgt die Antwort des optischen Quadrantendetektors 200 weniger als einige 100 Picosekunden. Daher kann der optische Quadrantendetektor 200 den reflektierten Impuls 52 mehrmals während der gesamten Dauer des reflektierten Impulses 52 abtasten. Jede Abtastung des reflektierten Impulses 52 stellt Informationen an einer reflektierenden Oberfläche bei einer ausgewählte Tiefe des Ziels 50, einer Winkellage der reflektierenden Oberfläche und einer Lichtintensität bei der bestimmten Tiefe bereit. Eine Vielzahl von Abtastungen dieser Parameter kann daher verwendet werden, um ein Tiefenbild des interessierenden Felds 308 zu erstellen.
6 veranschaulicht verschiedene bereichsabhängige Intensitätsmessungen, die an den Quadranten des optischen Quadrantendetektors 200 erhalten werden. Aufgrund der mehreren reflektierenden Oberflächen in dem interessierenden Feld 50 ändert sich jedes Mal, wenn der optische Quadrantendetektor 200 den reflektierten Impuls 52 abtastet, die Intensität an jedem Quadranten. Der optische Quadrantendetektor 200 bestimmt zeitabhängige x(t)- und y(t)-Koordinaten. Die Zeit der x- und y-Koordinaten steht in Beziehung zu der Laufzeit (TOF) des reflektierten Impulses 52, die bezogen ist auf einen Bereich durch Gl. (5): $r = c \times T O F / 2$
wobei r der Bereich des Ziels ist und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Somit können die zeitabhängigen Koordinaten x(t) und y(t) so neu geschrieben werden, dass sie von Bereichs- oder Tiefenmessungen abhängig sind. 6 zeigt die Lichtintensitäten als Funktion einer Bereichsvariable für jeden der vier Quadranten des optischen Quadrantendetektors 200.
7 zeigt ein veranschaulichendes Tiefenbild, das unter Verwendung von Werten von mittels des hierin offenbarten Lidar-Systems 40 bestimmten Parametern gebildet werden kann. Die x- und y-Koordinaten werden verwendet, um Winkelinformationen des interessierenden Felds 308 hinsichtlich Elevation θ, Azimut φ sowie Bereich R und Intensität I zu bestimmen, wie in Gl. (6) ausgedrückt: $[x (t), y (t)] \overset{R = \frac{c \times T o F}{2}}{\Leftrightarrow} [x (R), y (R)] \to P_{n} {θ, ϕ, R, I}$
Das über das Lidar-System bestimmte Bild kann an das Navigationssystem 20, 1 des Fahrzeugs 10 bereitgestellt werden, um die Navigation des Fahrzeugs in Bezug auf das Ziel 50 zu unterstützen.
Obwohl die vorstehende Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird für den Fachmann verständlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon gegen Äquivalente ausgetauscht werden können, ohne von ihrem Schutzumfang abzuweichen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang davon abzuweichen. Daher soll die vorliegende Offenbarung nicht auf die offenbarten besonderen Ausführungsformen beschränkt sein, sondern schließt alle innerhalb des Schutzumfangs davon liegenden Ausführungsformen ein.

Claims

Beansprucht wird:
Verfahren zum Abbilden eines interessierenden Felds, umfassend: Beleuchten, über einen Laser, eines interessierenden Felds mit einem Quelllichtimpuls; Empfangen, an einem Quadrantendetektor, eines reflektierten Impulses, der eine Reflexion des Quellimpulses von dem interessierenden Feld ist; und Bestimmen eines dreidimensionalen Bilds des interessierenden Felds anhand eines Orts des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor und einer Laufzeit für den reflektierten Impuls.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das mehrmalige Abtasten des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor, um einen Parameter des interessierenden Felds bei einer Vielzahl von Tiefen innerhalb des interessierenden Felds zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Parameter eine Winkellage eines Ziels innerhalb des interessierenden Felds ist, ferner umfassend das Bestimmen der Winkellage anhand des Orts des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor durch Vergleichen von Lichtintensitäten an Quadranten des Quadrantendetektors.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Parameter eine Tiefe eines Ziels innerhalb des interessierenden Felds ist, ferner umfassend das Bestimmen der Tiefe anhand einer dem reflektierten Impuls zugeordneten Laufzeit.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Synchronisieren des Lasers mit dem Quadrantendetektor.
Lidar-System, umfassend: einen Laser, der dazu konfiguriert ist, ein interessierendes Feld mit einem Quelllichtimpuls zu beleuchten; einen Quadrantendetektor, der dazu konfiguriert ist, einen reflektierten Impuls, der eine Reflexion des Quellimpulses von dem interessierenden Feld ist, zu empfangen; und einen Prozessor, der dazu konfiguriert ist, ein dreidimensionales Bild des interessierenden Felds anhand eines Orts des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor und einer Laufzeit für den reflektierten Impuls zu bestimmen.
Lidar-System nach Anspruch 6, wobei der Quadrantendetektor den reflektierten Impuls mehrmals abtastet, um einen Parameter des interessierenden Felds bei einer Vielzahl von Tiefen innerhalb des interessierenden Felds zu bestimmen.
Lidar-System nach Anspruch 7, wobei der Parameter eine Winkellage eines Ziels innerhalb des interessierenden Felds ist und der Prozessor ferner dazu konfiguriert ist, die Winkellage anhand des Orts des reflektierten Impulses an dem Quadrantendetektor durch Vergleichen von Lichtintensitäten an den Quadranten des Quadrantendetektors zu bestimmen.
Lidar-System nach Anspruch 7, wobei der Parameter eine Tiefe eines Ziels innerhalb des interessierenden Felds ist und der Prozessor ferner dazu konfiguriert ist, die Tiefe anhand einer dem reflektierten Impuls zugeordneten Laufzeit zu bestimmen.
Lidar-System nach Anspruch 6, ferner umfassend einen Lasertreiber, der den Laser mit dem Quadrantendetektor synchronisiert.