DE102019120287A1

DE102019120287A1 - System und verfahren zur verbesserung der entfernungsauflösung in einem lidar-system

Info

Publication number: DE102019120287A1
Application number: DE102019120287.6A
Authority: DE
Inventors: Ronald A. Kapusta; Jianrong Chen
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2020-02-06
Also published as: US20200041651A1; CN110780309A

Abstract

Eine Form eines übertragenen LIDAR-Impulses kann gleichzeitig mit dem Betrieb des LIDAR-Systems gemessen werden, um beispielsweise Variationen in der Form des LIDAR-Impulses beispielsweise aufgrund von Änderungen in Umgebungs- oder Betriebsbedingungen zu berücksichtigen. Die gemessene Form kann dann verwendet werden, um eine Ankunftszeit von LIDAR-Impulsen, die von einem Zielgebiet empfangen werden, mit verbesserter Genauigkeit zu bestimmen.

Description

Gebiet der Offenbarung
Das vorliegende Dokument betrifft allgemein, aber nicht als Beschränkung, die Schätzung einer Distanz zwischen einem Detektionssystem und einem Ziel unter Verwendung eines optischen Senders und eines optischen Empfängers.
Hintergrund
In einem optischen Detektionssystem, beispielsweise einem System zum Bereitstellen von Lichtdetektion und -entfernungsmessung (LIDAR: Light Detection and Ranging), können verschiedene automatisierte Techniken zum Durchführen einer Tiefen- oder Distanzschätzung verwendet werden, um beispielsweise eine Schätzung einer Entfernung zu einem Ziel von einer optischen Baugruppe, beispielsweise einer optischen Sendeempfängerbaugruppe, bereitzustellen. Derartige Detektionstechniken können eine oder mehrere „Laufzeit“-Bestimmungstechniken aufweisen. Eine Distanz zu einem oder mehreren Objekten in einem Sichtfeld kann zum Beispiel geschätzt oder verfolgt werden, indem beispielsweise eine Zeitdifferenz zwischen einem übertragenen Lichtpuls und einem empfangenen Lichtpuls bestimmt wird.
Kurzdarstellung der Offenbarung
LIDAR-Systeme, beispielsweise Kraftfahrzeug-LIDAR-Systeme, können betrieben werden, indem ein oder mehrere Lichtpulse (bzw. Lichtimpulse) in Richtung eines Zielgebiets übertragen werden. Der eine oder die mehreren übertragenen Lichtpulse können einen Teil des Zielgebiets anleuchten. Ein Teil des einen oder der mehreren übertragenen Lichtpulse kann durch den angeleuchteten Teil des Zielgebiets reflektiert und/oder gestreut und durch das LIDAR-System empfangen werden. Das LIDAR-System kann dann eine Zeitdifferenz zwischen den übertragenen und empfangenen Lichtpulsen messen, um beispielsweise eine Distanz zwischen dem LIDAR-System und dem angeleuchteten Teil des Zielgebiets zu bestimmen. Die Distanz kann gemäß dem Ausdruck $d = \frac{t c}{2}$
bestimmt werden, wobei d eine Distanz vom LIDAR-System zum angeleuchteten Teil des Ziels repräsentieren kann, t eine Umlaufzeit repräsentieren kann und c eine Lichtgeschwindigkeit repräsentieren kann. Es kann jedoch mehr als ein Impuls vom angeleuchteten Teil des Ziels für einen einzelnen übertragenen Impuls beispielsweise aufgrund einer Oberfläche eines oder mehrerer Objekte im angeleuchteten Teil des Zielgebiets empfangen werden.
Im Laufe der Zeit kann eine Form des übertragenen Impulses beispielsweise aufgrund variierender Umgebungsparameter, wie etwa Temperatur, Druck oder Luftfeuchtigkeit variieren. Die Form des Impulses kann auch im Laufe der Zeit beispielsweise aufgrund des Alterns des LIDAR-Systems variieren. Die Erfinder haben unter anderem erkannt, dass es vorteilhaft sein kann, eine Form des übertragenen Impulses gleichzeitig mit dem übertragenen Impuls zu messen, um beispielsweise Variationen in der Form des übertragenen Impulses zu berücksichtigen. Die gemessene Form des übertragenen Impulses kann dann verwendet werden, um eine verbesserte Genauigkeit bei der Bestimmung einer Ankunftszeit des empfangenen Impulses bereitzustellen, der vom angeleuchteten Teil des Zielgebiets reflektiert oder gestreut wird.
Bei einem Beispiel kann eine Technik (die beispielsweise unter Verwendung einer Vorrichtung, eines Verfahrens, eines Mittels zum Durchführen von Handlungen oder eines einrichtungslesbaren Mediums einschließlich Anweisungen, die bei Durchführung durch die Einrichtung bewirken können, dass die Einrichtung Handlungen durchführt, implementiert wird) die Verbesserung einer Entfernungsauflösung in einem optischen Detektionssystem aufweisen, wobei die Technik Folgendes aufweist: Übertragen eines ersten Lichtpulses in Richtung eines Zielgebiets unter Verwendung eines Senders, Empfangen eines ersten Teils des ersten übertragenen Lichtpulses vom Sender und Bestimmen eines Zeitprofils des ersten übertragenen Lichtpulses aus dem empfangenen ersten Teil und Empfangen eines zweiten Teils des ersten übertragenen Lichtpulses vom Zielgebiet und Bestimmen einer Ankunftszeit des zweiten empfangenen Teils vom Zielgebiet zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Zeitprofil des ersten übertragenen Lichtpulses.
Bei einem Beispiel kann ein optisches Detektionssystem eine verbesserte Entfernungsauflösung bereitstellen, wobei das System Folgendes aufweist: einen Sender, der dazu ausgebildet ist, einen Lichtpuls in Richtung eines Zielgebiets zu übertragen, einen Empfänger, der dazu ausgebildet ist, einen ersten Teil des übertragenen Lichtpulses vom Sender zu empfangen, und einen Steuerschaltkreis, der dazu ausgebildet ist, ein Zeitprofil des übertragenen Lichtpulses aus dem empfangenen ersten Teil zu bestimmen, wobei der Empfänger dazu ausgebildet ist, einen zweiten Teil des übertragenen Lichtpulses vom Zielgebiet zu empfangen, und der Steuerschaltkreis dazu ausgebildet ist, eine Ankunftszeit des zweiten empfangenen Teils vom Zielgebiet zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Zeitprofil des übertragenen Lichtpulses zu bestimmen.
Diese Kurzdarstellung soll eine Übersicht über den Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung bereitstellen. Es ist nicht beabsichtigt, eine ausschließliche oder erschöpfende Erklärung der Erfindung bereitzustellen. Die ausführliche Beschreibung ist aufgenommen, um weitere Informationen über die vorliegende Patentanmeldung bereitzustellen.
Figurenliste
In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, können gleiche Ziffern ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Ansichten beschreiben. Gleiche Ziffern mit unterschiedlichen Buchstabenzusätzen können unterschiedliche Fälle von ähnlichen Komponenten repräsentieren. Die Zeichnungen veranschaulichen allgemein verschiedene in dem vorliegenden Dokument erörterte Ausführungsformen als Beispiele und nicht als Beschränkungen.

1 veranschaulicht ein Beispiel, das ein LIDAR-System aufweist.
2A veranschaulicht ein Beispiel, das ein LIDAR-System aufweist.
2B veranschaulicht ein Beispiel, das empfangene Impulse in einem LIDAR-System aufweist.
3A und 3B veranschaulichen Aspekte eines Beispiels bezüglich des Betriebs eines LIDAR-Systems.
4 veranschaulicht ein Beispiel bezüglich des Betriebs eines LIDAR-Systems.
5 veranschaulicht ein Beispiel bezüglich des Betriebs eines LIDAR-Systems.
6 veranschaulicht ein Beispiel bezüglich des Betriebs eines LIDAR-Systems.
7 veranschaulicht ein Beispiel bezüglich eines Verfahrens des Betriebs eines LIDAR-Systems.
8 veranschaulicht ein Beispiel, das eine Systemarchitektur und einen entsprechenden Signalfluss beispielsweise zum Implementieren eines LIDAR-Systems aufweist.

Ausführliche Beschreibung
LIDAR-Systeme, beispielsweise Kraftfahrzeug-LIDAR-Systeme, können betrieben werden, indem ein oder mehrere Lichtpulse in Richtung eines Zielgebiets übertragen werden. Der eine oder die mehreren übertragenen Lichtpulse können einen Teil des Zielgebiets anleuchten. Ein Teil des einen oder der mehreren übertragenen Lichtpulse kann durch den angeleuchteten Teil des Zielgebiets reflektiert und/oder gestreut und durch das LIDAR-System empfangen werden. Das LIDAR-System kann dann eine Zeitdifferenz zwischen den übertragenen und empfangenen Lichtpulsen messen, um beispielsweise eine Distanz zwischen dem LIDAR-System und dem angeleuchteten Teil des Zielgebiets zu bestimmen. Die Distanz kann gemäß dem Ausdruck $d = \frac{t c}{2}$
bestimmt werden, wobei d eine Distanz vom LIDAR-System zum angeleuchteten Teil des Ziels repräsentieren kann, t eine Umlaufzeit repräsentieren kann und c eine Lichtgeschwindigkeit repräsentieren kann.
Mehr als ein Impuls kann als Reaktion auf einen einzelnen übertragenen Impuls zum Beispiel aufgrund mehrerer Objekte in dem angeleuchteten Teil des Zielgebiets empfangen werden. Die Form des empfangenen Impulses kann auch verzerrt sein, falls zum Beispiel die Oberfläche des reflektierenden Objekts nicht orthogonal zu dem LIDAR-System ausgerichtet ist. Zusätzlich dazu kann die Form des übertragenen Impulses beispielsweise aufgrund variierender Umgebungsparameter, wie etwa Temperatur, Druck oder Luftfeuchtigkeit, variieren. Die Form des Impulses kann auch im Laufe der Zeit beispielsweise aufgrund des Alterns des LIDAR-Systems variieren. Die Erfinder haben unter anderem erkannt, dass es vorteilhaft sein kann, eine Form des übertragenen Impulses beispielsweise gleichzeitig mit der Erzeugung oder Übertragung des Impulses zu messen, um beispielsweise Variationen in der Form des übertragenen Impulses zu berücksichtigen. Die gemessene Form des übertragenen Impulses kann dann verwendet werden, um eine verbesserte Genauigkeit bei der Bestimmung einer Ankunftszeit des empfangenen Impulses bereitzustellen, der vom angeleuchteten Teil des Zielgebiets reflektiert oder gestreut wird.
1 stellt ein Beispiel für ein LIDAR-System 100 dar. Das LIDAR-System 100 kann einen Steuerschaltkreis 104, einen Illuminator 105, ein Scanelement 106, einen Photodetektor 110, ein optisches System 116, einen lichtempfindlichen Detektor 120 und einen Detektionsschaltkreis 124 aufweisen. Der Steuerschaltkreis 104 kann mit dem Illuminator 105, dem Scanelement 106 und dem Detektionsschaltkreis 124 verbunden sein. Der lichtempfindliche Detektor 120 kann mit dem Detektionsschaltkreis 124 verbunden sein. Während des Betriebs kann der Steuerschaltkreis 104 dem Illuminator 105 und dem Scanelement 106 Anweisungen bereitstellen, um beispielsweise zu bewirken, dass der Illuminator 105 einen Lichtstrahl in Richtung des Scanelements 106 emittiert, und um zu bewirken, dass das Scanelement 106 den Lichtstrahl in Richtung des Zielgebiets 112 lenkt. Ein Teil des durch den Illuminator 105 emittierten Lichtstrahls kann durch den Photodetektor 110 gesammelt werden, um beispielsweise eine Indikation einer zeitlichen Form des emittierten Lichtstrahls mit der Zeit bereitzustellen (z. B. um eine Zeitbereichsrepräsentation des emittierten Lichtstrahls bereitzustellen). Bei einem Beispiel kann der Illuminator 105 einen Laser aufweisen und das Scanelement kann einen Vektorscanner aufweisen, beispielsweise einen elektrooptischen Wellenleiter. Das Scanelement 106 kann einen Winkel des Lichtstrahls basierend auf den empfangenen Anweisungen vom Steuerschaltkreis 104 einstellen. Das Zielgebiet 112 kann einem Sichtfeld des optischen Systems 116 entsprechen. Das Scanelement 106 kann den Lichtstrahl über das Zielgebiet 112 in einer Reihe von gescannten Segmenten 114 scannen.
Das optische System 116 kann zumindest einen Teil des Lichtstrahls vom Zielgebiet 112 empfangen und kann die gescannten Segmente 114 auf den lichtempfindlichen Detektor 120 (z. B. eine CCD) abbilden. Der Detektionsschaltkreis 124 kann das Bild der gescannten Punkte vom lichtempfindlichen Detektor 120 empfangen und verarbeiten, um beispielsweise ein Frame zu bilden. Eine Distanz vom LIDAR-System 100 zum Zielgebiet 112 kann für jeden gescannten Punkt bestimmt werden, indem beispielsweise eine Zeitdifferenz zwischen dem in Richtung des Zielgebiets 112 übertragenen Licht und dem entsprechenden durch den lichtempfindlichen Detektor 120 empfangenen Licht bestimmt wird. Bei einem Beispiel kann das LIDAR-System 100 in einem Kraftfahrzeug installiert sein, um beispielsweise ein autonomes selbstfahrendes Kraftfahrzeug zu unterstützen. Bei einem Beispiel kann das LIDAR-System 100 in einem Blinkmodus betrieben werden, bei dem der Illuminator 105 das gesamte Sichtfeld ohne das Scanelement 106 beleuchten kann.
2A veranschaulicht ein Beispiel für einen Lichtstrahl 202, der durch den Illuminator 105 übertragen werden kann und auf das Zielgebiet 112 einfällt. Das Zielgebiet 112 kann ein erstes Merkmal 204 und ein zweites Merkmal 208 aufweisen. Das erste Merkmal 204 kann vier Oberflächen 204(a), 204(b), 204(c) und 204(d) aufweisen und das zweite Merkmal 208 kann vier Oberflächen 208(a), 208(b), 208(c) und 208(d) aufweisen. Jede der Oberflächen 204(a)-204(d) und 208(a)-208(d) kann einer anderen Distanz zwischen dem Zielgebiet 112 und dem LIDAR-System 100 entsprechen. In 2B entsprechen Lichtpulse 214(a), 214(b), 214(c) und 214(d) und 218(a), 218(b), 218(c) und 218(d) jeweils jeder der in 2A dargestellten Oberflächen 204(a)-204(d) und 208(a)-208(d). Derartige Impulse können durch den lichtempfindlichen Detektor 120 empfangen werden. Lichtpulse, die an dem lichtempfindlichen Detektor 120 von unterschiedlichen Oberflächen eingehen, können unterschiedliche Umlaufzeiten aufweisen. Die unterschiedlichen Umlaufzeiten können unterschiedlichen Abständen zwischen dem LIDAR-System und dem Zielgebiet 112 entsprechen. In dem in den 2A und 2B veranschaulichten Beispiel könnten die durch den lichtempfindlichen Detektor empfangenen Impulse leicht voneinander unterschieden werden, beispielsweise aufgrund dessen, dass eine Impulsbreite im Wesentlichen zeitlich kürzer ist als eine Verzögerung, die mit einem Abstand zwischen nebenliegenden Impulsen assoziiert ist.
3A und 3B veranschaulichen ein Beispiel, bei dem eine Impulsbreite größer als ein Abstand zwischen empfangenen Impulsen sein kann. 3A veranschaulicht ein Beispiel für ein Profil 301 eines einzelnen Impulses. Die Impulsbreite, wie in 3A veranschaulicht, kann eine Breite (z. B. volle Breite bei halbem Maximum) von etwa 25 Nanosekunden aufweisen. 3B veranschaulicht ein Beispiel eines Zeitprofils 311, das zwei empfangenen Impulsen entspricht, mit einer Zeit zwischen empfangenen Impulsen von etwa 3,33 ns, was einer Distanz zwischen den Merkmalen 304(a) und 304(b) des Zielgebiets 112 von etwa 0,5 Metern (m) entspricht. Eine Distanz zwischen einem Merkmal des Zielgebiets 112 und dem LIDAR-System 100 kann gemäß dem $Ausdruck = \frac{t c}{2}$
bestimmt werden, wobei d eine Distanz vom LIDAR-System zu dem Merkmal des Zielgebiets 112 repräsentieren kann, t eine Umlaufzeit repräsentieren kann und c eine Lichtgeschwindigkeit repräsentieren kann.
Der Photodetektor 110 kann einen Teil jedes abgehenden Impulses detektieren, um beispielsweise eine zeitliche Form jedes abgehenden Impulses zu bestimmen. Die abgehenden Impulse können durch die Merkmale 304(a) und 304(b) im Zielgebiet 112 gestreut werden. Der Steuerschaltkreis 104 kann dann die bestimmten zeitlichen Formen verwenden, um eine Ankunftszeit jedes detektierten Impulses zu bestimmen, wobei die detektierten Impulse einem empfangenen Teil der abgehenden Impulse entsprechen können, der von den Merkmalen 304(a) und 304(b) gestreut oder reflektiert wird. Die Markierungen 308(a) und 308(b) können die Distanz vom LIDAR-System 100 zu den Merkmalen 304(a) bzw. 304(b) repräsentieren. Bei einem Beispiel kann der Steuerschaltkreis ein angepasstes Filter verwenden, um die Ankunftszeit jedes detektierten Impulses zu bestimmen. Ein oder mehrere Parameter des angepassten Filters (matched Filters) können basierend auf den bestimmten zeitlichen Formen aktualisiert werden. Das erste Merkmal des Zielgebiets 304(a) kann einer ersten Distanz vom LIDAR-System entsprechen und das zweite Merkmal des Zielgebiets 304(b) kann einer zweiten Distanz vom LIDAR-System entsprechen. Der Steuerschaltkreis kann eine erste Distanz 312(a), die dem ersten empfangenen Impuls entspricht, und eine zweite Distanz 312(b), die dem zweiten empfangenen Impuls entspricht, bestimmen. In dem in 3B veranschaulichten Beispiel kann die erste Distanz vom LIDAR-System 308(a) etwa 0,5 m betragen, die zweite Distanz vom LIDAR-System 308(b) kann etwa 1 m betragen, die bestimmte erste Distanz 312(a) kann etwa 0,24 m betragen und die bestimmte zweite Distanz 312(b) kann etwa 0,99 m betragen. Obwohl das Beispiel in den 3A und 3B die Verwendung eines Modells mit zwei empfangenen Rückimpulsen veranschaulicht, könnte eine beliebige Anzahl von Rückimpulsen detektiert werden.
4 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem ein Merkmal 404 in einem Zielgebiet 112 in einem Winkel geneigt sein kann und sich über einen Bereich von Distanzen vom LIDAR-System 100 erstrecken kann. Eine Reihe von Lichtpulsen kann vom LIDAR-System 100 in Richtung des Merkmals 404 im Zielgebiet 112 emittiert werden. Der Photodetektor 110 kann einen Teil jedes emittierten Lichtpulses detektieren, um beispielsweise eine zeitliche Form jedes emittierten Lichtpulses zu bestimmen.
Die abgehenden Impulse können durch das Merkmal 404 im Zielgebiet 112 reflektiert oder gestreut werden. Der Steuerschaltkreis 104 kann dann die bestimmten zeitlichen Formen verwenden, um eine Ankunftszeit jedes detektierten Impulses zu bestimmen, wobei die detektierten Impulse einem empfangenen Teil der abgehenden Impulse entsprechen können, die vom Merkmal 404 gestreut oder reflektiert werden. Die Markierungen 408 können die Distanzen vom LIDAR-System 100 zu verschiedenen Teilen des Merkmals 404 repräsentieren. Jeder der emittierten Lichtpulse kann einer anderen Distanz vom LIDAR-System 100 zu dem Merkmal 404 entsprechen. Das optische System 116 und der lichtempfindliche Detektor 120 können einen Teil des gestreuten Lichts entsprechend den emittierten Lichtpulsen empfangen, um beispielsweise ein Zeitprofil 411 des empfangenen Lichts zu bilden, wie etwa jenes, das in 4 dargestellt ist. Eine Zeitdifferenz zwischen Licht, das von unterschiedlichen Teilen des Merkmals 404 empfangen wird, kann geringer als eine Breite jedes emittierten Lichtpulses sein. Der Steuerschaltkreis 104 kann dann ein angepasstes Filter an dem Zeitprofil des empfangenen Lichts anwenden. Ein oder mehrere Parameter des angepassten Filters können basierend auf den zeitlichen Formen der emittierten Lichtpulse, wie durch den Photodetektor 110 bestimmt, aktualisiert werden. In dem in 4 veranschaulichten Beispiel kann sich das Merkmal 404 etwa 1 m entfernt vom LIDAR-System 100 befinden und das Merkmal 404 kann eine Ausdehnung von etwa 0,5 m aufweisen. Der Steuerschaltkreis 104 kann ein Modell nutzen, das nur zwei empfangene Lichtpulse einschließt, und kann eine Distanz, die dem ersten empfangenen Lichtpuls entspricht, von etwa 0,86 m und eine Distanz, die dem zweiten empfangenen Lichtpuls entspricht, von etwa 1,58 m schätzen.
5 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem die Merkmale 504(a) und 504(b) in einem Zielgebiet 112 eine oder mehrere Flächen aufweisen können, die unterschiedlichen Distanzen vom LIDAR-System 100 entsprechen. Eine Reihe von Lichtpulsen kann vom LIDAR-System 100 emittiert und durch die Merkmale 504(a) und 504(b) gestreut werden. Der Photodetektor 110 kann einen Teil jedes emittierten Lichtpulses detektieren, um beispielsweise eine zeitliche Form jedes emittierten Lichtpulses zu bestimmen. Jeder der emittierten Lichtpulse kann einer anderen Distanz vom LIDAR-System 100 zu den Flächen an den Merkmalen 504(a) und 504(b) entsprechen. Das optische System 116 und der lichtempfindliche Detektor 120 können einen Teil des gestreuten Lichts entsprechend den emittierten Lichtpulsen empfangen, um beispielsweise ein Zeitprofil des empfangenen Lichts 511 zu bilden, wie etwa jenes, das in 5 dargestellt ist.
Eine Zeitdifferenz zwischen Licht, das von unterschiedlichen Flächen der Merkmale 504(a) und 504(b) empfangen wird, kann geringer als eine Breite jedes emittierten Lichtpulses sein. Die Markierungen 508(a) und 508(b) können die Distanzen vom LIDAR-System 100 zu den Merkmalen 504(a) bzw. 504(b) repräsentieren. Der Steuerschaltkreis 104 kann dann ein angepasstes Filter an dem Zeitprofil des empfangenen Lichts anwenden. Ein oder mehrere Parameter des angepassten Filters können basierend auf den zeitlichen Formen der emittierten Lichtpulse, wie durch den Photodetektor 110 bestimmt, aktualisiert werden. In dem in 5 veranschaulichten Beispiel kann das Merkmal 504(a) Flächen aufweisen, die sich bei Distanzen von etwa 0,1; 0,2; 0,3 und 0,4 m entfernt vom LIDAR-System 100 befinden, und das Merkmal 504(b) kann Flächen aufweisen, die sich bei Distanzen von etwa 1,5; 1,6; 1,7 und 1,8 m entfernt vom LIDAR-System 100 befinden. Der Steuerschaltkreis 104 kann ein Modell nutzen, das nur zwei empfangene Lichtpulse einschließt, und kann basierend auf den empfangenen Lichtpulsen eine Distanz zu einem ersten Objekt 512(a) von etwa 0,26 m und eine Distanz zu einem zweiten Objekt 512(b) von etwa 1,67 m schätzen.
6 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem sich die Merkmale 604(a) und 604(b) in dem Zielgebiet 112 bei unterschiedlichen Distanzen vom LIDAR-System 100 befinden können und sich zusätzlich über unterschiedliche Distanzen erstrecken können. Das Merkmal 604(a) kann sich zum Beispiel über eine erste Distanz erstrecken, das Merkmal 604(b) kann sich über eine zweite Distanz erstrecken und die erste Distanz kann um einen Faktor (z. B. einen Faktor von ungefähr 4) größer als die zweite Distanz sein Eine Reihe von Lichtpulsen kann vom LIDAR-System 100 emittiert und durch die Merkmale 604(a) und 604(b) gestreut werden. Der Photodetektor 110 kann einen Teil jedes emittierten Lichtpulses detektieren, um beispielsweise eine zeitliche Form jedes emittierten Lichtpulses zu bestimmen.
Das optische System 116 und der lichtempfindliche Detektor 120 können einen Teil des gestreuten Lichts entsprechend den emittierten Lichtpulsen empfangen, um beispielsweise ein Zeitprofil des empfangenen Lichts 511 zu bilden, wie etwa jenes, das in 5 dargestellt ist. Eine Anzahl von empfangenen Lichtpulsen, die dem Merkmal 604(a) entspricht, kann größer sein als eine Anzahl von empfangenen Lichtpulsen, die dem Merkmal 604(b) entspricht, beispielsweise aufgrund der Tatsache, dass sich das Merkmal 604(a) über eine größere Distanz als das Merkmal 604(b) erstreckt. Eine Zeitdifferenz zwischen Licht, das von den Merkmalen 604(a) und 604(b) empfangen wird, kann geringer als eine Breite jedes emittierten Lichtpulses sein. Der Steuerschaltkreis 104 kann dann ein angepasstes Filter an dem Zeitprofil des empfangenen Lichts anwenden. Ein oder mehrere Parameter des angepassten Filters können basierend auf den zeitlichen Formen der emittierten Lichtpulse, wie durch den Photodetektor 110 bestimmt, aktualisiert werden. In dem in 6 veranschaulichten Beispiel kann sich das Merkmal 604(a) bei einer Distanz von etwa 0,5 m vom LIDAR-System 100 befinden und das Merkmal 604(b) kann sich bei einer Distanz von etwa 1 m entfernt vom LIDAR-System 100 befinden. Der Steuerschaltkreis 104 kann ein Modell nutzen, das nur zwei empfangene Lichtpulse einschließt, und kann basierend auf den empfangenen Lichtpulsen eine Distanz zu einem ersten Objekt von etwa 0,51 m und eine Distanz zu einem zweiten Objekt von etwa 1,24 m schätzen.
7 veranschaulicht ein Beispiel für ein Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Systems, wie etwa des LIDAR-Systems 100. Bei 710 können ein oder mehrere Lichtpulse in Richtung eines Zielgebiets übertragen werden. Ein Photodetektor kann bei 720 einen ersten Teil des einen oder der mehreren übertragenen Lichtpulse empfangen, um beispielsweise eine Form oder ein Profil des einen oder der mehreren übertragenen Lichtpulse zu bestimmen. Ein lichtempfindlicher Detektor kann bei 730 einen zweiten Teil des einen oder der mehreren übertragenen Lichtpulse empfangen, der durch das Zielgebiet reflektiert oder gestreut werden kann. Die Form oder das Profil, die bzw. das bei 720 bestimmt wird, kann verwendet werden, um bei 740 bei der Bestimmung einer Umlaufzeit des einen oder der mehreren Lichtpulse zu helfen, die in Richtung des Zielgebiets übertragen und dann durch das LIDAR-System empfangen werden, nachdem sie durch ein oder mehrere Merkmale im Zielgebiet gestreut oder reflektiert werden.
8 veranschaulicht ein Beispiel, das eine Systemarchitektur 800 und einen entsprechenden Signalfluss aufweist, um beispielsweise ein LIDAR-System zu implementieren, wie bezüglich anderer Beispiele hierin erwähnt, wie bezüglich 1 oder bezüglich des Betriebs eines LIDAR-Systems gemäß anderen Beispielen besprochen. In dem Beispiel von 8 kann ein Illuminator 105 mit einem Teiler 810 gekoppelt sein, um beispielsweise Lichtpulse zu einem ersten Fenster 820A und zu einem Detektor oder Detektorarray einschließlich beispielsweise einer Photodiode 110A zu lenken. Der Teiler 810 ist in 8 als ein separates Element dargestellt, könnte aber mit der Illuminatorbaugruppe 105 kombiniert werden und könnte ein Merkmal anderer Elemente sein, beispielsweise eine Reflexion vom Übertragungsfenster 820A. Die Photodiode 110A kann ein elektrisches Signal, das einen durch den Illuminator 105 erzeugten Lichtpuls repräsentiert, an eine Signalkette bereitstellen, die einen Transimpedanzverstärker (TIA) 822A und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 830A aufweist, um eine digitale Repräsentation des Lichtpulses bereitzustellen. Eine derartige digitale Repräsentation „REF“ kann als eine Referenzwellenform zur Verwendung bei der Impulsdetektion verwendet werden. Ein Impulsdetektor kann zum Beispiel die digitale Repräsentation REF empfangen und kann nach einer Signaleingabe SIG suchen, um ein Signal zu finden, das der digitalen Repräsentation REF entspricht, wodurch ein angepasstes Filter implementiert wird, wie bezüglich anderer Beispiele hierin erwähnt.
Licht, das als Reaktion auf einen Lichtpuls vom Illuminator 105 durch ein Ziel gestreut oder reflektiert wird, kann durch ein zweites Fenster 820B empfangen werden, wie etwa durch eine Signalkette ähnlich zu der Referenzwellenform-Signalkette. Das empfangene Licht kann zum Beispiel durch eine Photodiode 110B detektiert werden und ein Signal, das das empfangene Licht repräsentiert, kann durch einen TIA 822B verstärkt und durch einen ADC 830B digitalisiert werden. Bei einem Beispiel können die Signalketten, die durch die TIAs 822A und 822B zusammen mit den Photodioden 110A und 110B und den ADCs 830A und 830B definiert werden, angepasst werden. Ein Verstärkungsfaktor und/oder eine Bandbreite und/oder eine Filterung und/oder ein ADC-Timing können zum Beispiel zwischen den beiden Signalketten angepasst werden, um die Verwendung des Impulsdetektors 824 zum Detektieren von gestreuten oder reflektierten Lichtpulsen vom Ziel unter Verwendung der lokal erzeugten Repräsentation der Referenzwellenform zu unterstützen. Der Impulsdetektor 824 kann eine oder mehrere Detektionstechniken unter einer Vielfalt von Detektionstechniken implementieren, beispielsweise als Reaktion auf die Ausgabe des ADC 830A abgestimmt. Ein Beispiel schließt ein angepasstes Filter mit Koeffizienten ein, die beispielsweise adaptiv eingestellt werden können. Bei einem anderen Beispiel kann ein Schwellendetektionsschema verwendet werden, das beispielsweise eine einstellbare Schwelle aufweist.
Die Architektur 800 kann andere Elemente aufweisen. Die digitale Repräsentation der Referenzwellenform kann zum Beispiel zumindest teilweise unter Verwendung eines Referenzwellenformgenerators 826 konstruiert werden, beispielsweise durch das Aggregieren von Repräsentationen mehrerer Übertragungsimpulse oder das Durchführen einer anderen Verarbeitung, um Rauschen zu reduzieren oder die Genauigkeit zu verbessern. Die Rauschentfernung kann beispielsweise unter Verwendung der Rauschentfernungselemente 828A und 828B, die jeweils ein digitales Filter implementieren, durchgeführt werden. Detektierte Empfangsimpulse können verarbeitet werden, um beispielsweise eine Repräsentation eines Betrachtungsfeldes bereitzustellen, das unter Verwendung des gescannt wird.
Verschiedene Anmerkungen
Eine Form eines übertragenen LIDAR-Impulses kann gleichzeitig mit dem Betrieb des LIDAR-Systems gemessen werden, um beispielsweise Variationen in der Form des LIDAR-Impulses beispielsweise aufgrund von Änderungen in Umgebungs- oder Betriebsbedingungen zu berücksichtigen. Die gemessene Form kann dann verwendet werden, um eine Ankunftszeit von LIDAR-Impulsen, die von einem Zielgebiet empfangen werden, mit verbesserter Genauigkeit zu bestimmen.
Jeder der obigen nichtbeschränkenden Aspekte steht für sich alleine oder kann mit verschiedenen Permutationen oder Kombinationen mit einem oder mehreren der anderen Aspekte oder anderen Gegenständen, die in diesem Dokument beschrieben sind, kombiniert werden.
Die obige ausführliche Beschreibung weist Bezugnahmen auf die begleitenden Zeichnungen auf, die einen Teil der ausführlichen Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen veranschaulichend spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung umgesetzt werden kann. Diese Ausführungsformen werden auch allgemein als „Beispiele“ bezeichnet. Derartige Beispiele können Elemente zusätzlich zu jenen gezeigten oder beschriebenen aufweisen. Jedoch beabsichtigen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch Beispiele, bei denen lediglich jene gezeigten oder beschriebenen Elemente bereitgestellt sind. Zudem beabsichtigen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch Beispiele, die eine beliebige Kombination oder Permutation jener gezeigten oder beschriebenen Elemente (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) verwenden, entweder mit Bezug auf ein bestimmtes Beispiel (oder einen oder mehrere Aspekte davon) oder mit Bezug auf andere Beispiele (oder einen oder mehrere Aspekte davon), die vorliegend gezeigt oder beschrieben sind. In dem Fall inkonsistenter Verwendungen zwischen diesem Dokument und beliebigen anderen Dokumenten, die durch Bezugnahme aufgenommen sind, gilt die Verwendung in diesem Dokument.
In diesem Dokument werden die Ausdrücke „ein“, „eine“ oder „einer“ so verwendet, wie in Patentdokumenten üblich ist, dass sie ein/eine/einen oder mehr als eines/eine/einen aufweisen, unabhängig von beliebigen anderen Instanzen oder Verwendungen von „mindestens einem“ oder „einem oder mehr“. In diesem Dokument wird der Ausdruck „oder“ verwendet, um auf ein nicht ausschließendes „oder“ zu verweisen, so dass „A oder B“ „A, aber nicht B“, „B, aber nicht A“ und „A und B“ einschließt, sofern nichts Anderes angegeben ist. In diesem Dokument werden die Ausdrücke „einschließlich“ und „bei dem“ als die Äquivalente der jeweiligen Ausdrücke „aufweisend“ und „wobei“ in einfachem Deutsch verwendet. Außerdem sind die Ausdrücke „einschließlich“ und „aufweisend“ in den folgenden Ansprüchen offene Ausdrücke, das heißt, ein System, eine Einrichtung, ein Artikel, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Prozess, der/die/das Elemente zusätzlich zu jenen aufgelisteten nach einem solchen Begriff in einem Anspruch aufweist, wird immer noch als in den Schutzumfang dieses Anspruchs fallend erachtet. Zudem werden in den folgenden Ansprüchen die Begriffe „erster“, „zweiter“ und „dritter“ usw. lediglich als Kennzeichnungen verwendet, und sollen keine numerischen Anforderungen hinsichtlich ihrer Objekte auferlegen.
Hierin beschriebene Verfahrensbeispiele können zumindest teilweise maschinen- oder computerimplementiert sein. Manche Beispiele können ein computerlesbares Medium oder ein maschinenlesbares Medium aufweisen, das mit Anweisungen codiert ist, die dazu funktionsfähig sind, eine elektronische Einrichtung zum Durchführen von Verfahren, wie in den obigen Beispielen beschrieben, zu konfigurieren. Eine Implementierung derartiger Verfahren kann Code, wie etwa Mikrocode, Assemblersprachencode, Code einer höheren Programmiersprache oder dergleichen aufweisen. Ein derartiger Code kann computerlesbare Anweisungen zum Durchführen verschiedener Verfahren aufweisen. Der Code kann Teile von Computerprogrammprodukten bilden. Ferner kann der Code bei einem Beispiel greifbar auf einem oder mehreren unbeständigen, nichtflüchtigen oder beständigen greifbaren computerlesbaren Medien gespeichert werden, wie etwa während einer Ausführung oder zu anderen Zeiten. Beispiele für diese greifbaren computerlesbaren Medien können unter anderem Festplatten, entfernbare Magnetplatten, entfernbare optische Platten (z. B. Compact-Disks und Digital-Video-Disks), magnetische Kassetten, Speicherkarten oder -sticks, Direktzugriffsspeicher (RAMs), Nurlesespeicher (ROMs) und dergleichen aufweisen.
Die obige Beschreibung soll veranschaulichend und nicht beschränkend sein. Zum Beispiel können die oben beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können, wie etwa von einem Durchschnittsfachmann, bei der Durchsicht der obigen Beschreibung verwendet werden. Die Zusammenfassung ist so bereitgestellt, dass sie 37 C.F.R. §1.72(b) entspricht, um dem Leser zu ermöglichen, das Wesen der technischen Offenbarung schnell herauszufinden. Sie ist mit dem Verständnis vorgelegt, dass sie nicht verwendet wird, um den Schutzumfang oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu beschränken. Auch können bei der obigen Ausführlichen Beschreibung verschiedene Merkmale zusammen gruppiert werden, um die Offenbarung zu optimieren. Dies sollte nicht als die Absicht interpretiert werden, dass ein nicht beanspruchtes offenbartes Merkmal für einen beliebigen Anspruch wesentlich ist. Vielmehr kann der Erfindungsgegenstand in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Ausführungsform liegen. Dementsprechend sind die folgenden Ansprüche hiermit in die Ausführliche Beschreibung als Beispiele oder Ausführungsformen aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich alleine als eine getrennte Ausführungsform steht, und es ist beabsichtigt, dass solche Ausführungsformen miteinander in verschiedenen Kombinationen oder Permutationen kombiniert werden können. Der Schutzumfang der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die angehängten Ansprüche zusammen mit dem vollen Schutzumfang von Äquivalenten, zu welchen solche Ansprüche berechtigen, bestimmt werden.

Claims

Verfahren zur Verbesserung einer Entfernungsauflösung in einem optischen Detektionssystem, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Übertragen eines ersten Lichtpulses in Richtung eines Zielgebiets unter Verwendung eines Senders; Empfangen eines ersten Teils des ersten übertragenen Lichtpulses vom Sender und Bestimmen eines Zeitprofils des ersten übertragenen Lichtpulses aus dem empfangenen ersten Teil; und Empfangen eines zweiten Teils des ersten übertragenen Lichtpulses vom Zielgebiet und Bestimmen einer Ankunftszeit des zweiten empfangenen Teils vom Zielgebiet zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Zeitprofil des ersten übertragenen Lichtpulses.
Verfahren nach Anspruch 1, das Folgendes aufweist: Einstellen eines Koeffizienten eines angepassten Filters zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Zeitprofil des ersten übertragenen Lichtpulses; und Verwenden des angepassten Filters bei der Bestimmung der Ankunftszeit des empfangenen zweiten Teils.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das Folgendes aufweist: Empfangen eines oder mehrerer Lichtpulse vom Zielgebiet; und Bestimmen einer Ankunftszeit von jedem des einen oder der mehreren empfangenen Lichtpulse zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Profil des ersten übertragenen Lichtpulses.
Verfahren nach Anspruch 3, das Empfangen eines oder mehrerer Lichtpulse von einer ersten Oberfläche im Zielgebiet und einer zweiten Oberfläche im Zielgebiet aufweist, wobei Licht, das von der ersten Oberfläche reflektiert wird, zu einer anderen Zeit empfangen wird als Licht, das von der zweiten Oberfläche reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Zeitprofil von Licht, das von der ersten Oberfläche reflektiert wird, ein Zeitprofil von Licht überlappt, das von der zweiten Oberfläche reflektiert wird; und wobei das Verfahren ein Bestimmen der Ankunftszeit des zweiten empfangenen Teils zumindest teilweise basierend auf dem Anpassen des zweiten empfangenen Teils an das bestimmte Profil aufweist.
Verfahren nach einem vorangegangenen Anspruch, das Übertragen eines oder mehrerer zusätzlicher Lichtpulse in Richtung des Zielgebiets und Bestimmen einer Ankunftszeit für jeden des einen oder der mehreren zusätzlichen Lichtpulse zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Profil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, das Folgendes aufweist: als Reaktion auf eine Änderung in einer Umgebungsbedingung, Aktualisieren des bestimmten Profils unter Verwendung von mindestens einem des einen oder der mehreren zusätzlichen Lichtpulse.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, das Folgendes aufweist: als Reaktion auf eine Änderung in einer Betriebsbedingung, Aktualisieren des bestimmten Profils unter Verwendung von mindestens einem des einen oder der mehreren zusätzlichen Lichtpulse.
Verfahren nach einem vorangegangenen Anspruch, das Folgendes aufweist: Übertragen eines zweiten Lichtpulses in Richtung des Zielgebiets unter Verwendung eines Senders; Empfangen eines ersten Teils des zweiten übertragenen Lichtpulses vom Sender und Bestimmen eines Zeitprofils des zweiten übertragenen Lichtpulses aus dem empfangenen ersten Teil; und Empfangen eines zweiten Teils des zweiten übertragenen Lichtpulses vom Zielgebiet und Bestimmen einer Ankunftszeit des zweiten empfangenen Teils des zweiten übertragenen Lichtpulses vom Zielgebiet zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Zeitprofil des zweiten übertragenen Lichtpulses.
Verfahren nach einem vorangegangenen Anspruch, das Folgendes aufweist: Übertragung von N-1 zusätzlichen Lichtpulsen in Richtung des Zielgebiets; Empfangen eines ersten Teils von jedem der N-1 zusätzlichen Lichtpulse und Bestimmen eines Zeitprofils von jedem der N-1 zusätzlichen Lichtpulse; Empfangen eines zweiten Teils eines N-ten übertragenen Lichtpulses vom Zielgebiet und Bestimmen einer Ankunftszeit des zweiten empfangenen Teils des N-ten übertragenen Lichtpulses basierend auf einem Mittelwert der zuvor bestimmten Zeitprofile.
Optisches Detektionssystem mit verbesserter Entfernungsauflösung, wobei das System Folgendes aufweist: einen Sender, der dazu ausgebildet ist, einen Lichtpuls in Richtung eines Zielgebiets zu übertragen; einen Empfänger, der dazu ausgebildet ist, einen ersten Teil des übertragenen Lichtpulses vom Sender zu empfangen; einen Steuerschaltkreis, der dazu ausgebildet ist, ein Zeitprofil des übertragenen Lichtpulses aus dem empfangenen ersten Teil zu bestimmen, wobei der Empfänger dazu ausgebildet ist, einen zweiten Teil des übertragenen Lichtpulses vom Zielgebiet zu empfangen, und der Steuerschaltkreis dazu ausgebildet ist, eine Ankunftszeit des zweiten empfangenen Teils vom Zielgebiet zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Zeitprofil des übertragenen Lichtpulses zu bestimmen.
System nach Anspruch 11, wobei der Steuerschaltkreis dazu ausgebildet ist, einen Koeffizienten eines angepassten Filters zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Zeitprofil des übertragenen Lichtpulses einzustellen und das angepasste Filter bei der Bestimmung der Ankunftszeit des empfangenen zweiten Teils zu verwenden.
System nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Empfänger dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere Lichtpulse vom Zielgebiet zu empfangen, und wobei der Steuerschaltkreis dazu ausgebildet ist, eine Ankunftszeit von jedem des einen oder der mehreren empfangenen Lichtpulse zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Profil des übertragenen Lichtpulses zu bestimmen.
System nach Anspruch 13, wobei der Empfänger dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere Lichtpulse von einer ersten Oberfläche im Zielgebiet und einer zweiten Oberfläche im Zielgebiet zu empfangen, wobei Licht, das von der ersten Oberfläche reflektiert wird, zu einer anderen Zeit empfangen wird als Licht, das von der zweiten Oberfläche reflektiert wird.
System nach Anspruch 14, wobei ein Zeitprofil von Licht, das von einer ersten Oberfläche reflektiert wird, ein Zeitprofil von Licht überlappt, das von der zweiten Oberfläche reflektiert wird; und wobei der Steuerschaltkreis dazu ausgebildet ist, die Ankunftszeit des zweiten empfangenen Teils zumindest teilweise basierend auf einem Anpassen des zweiten empfangenen Teils an das bestimmte Profil zu bestimmen.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der Sender dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere zusätzliche Lichtpulse in Richtung des Zielgebiets zu übertragen, und der Steuerschaltkreis dazu ausgebildet ist, eine Ankunftszeit für jeden des einen oder der mehreren zusätzlichen Lichtpulse zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Profil zu bestimmen.
System nach Anspruch 16, wobei der Steuerschaltkreis dazu ausgebildet ist, das bestimmte Profil unter Verwendung von mindestens einem des einen oder der mehreren zusätzlichen Lichtpulse als Reaktion auf eine Änderung in einer Umgebungsbedingung zu aktualisieren.
System nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Steuerschaltkreis dazu ausgebildet ist, das bestimmte Profil unter Verwendung von mindestens einem des einen oder der mehreren zusätzlichen Lichtpulse als Reaktion auf eine Änderung in einer Betriebsbedingung zu aktualisieren.
System zur Verbesserung einer Entfernungsauflösung in einem optischen Detektionssystem, wobei das System Folgendes aufweist: Mittel zum Übertragen eines Lichtpulses in Richtung eines Zielgebiets unter Verwendung eines Senders; Mittel zum Empfangen eines ersten Teils des übertragenen Lichtpulses vom Sender und Bestimmen eines Zeitprofils des übertragenen Lichtpulses aus dem empfangenen ersten Teil; und Mittel zum Empfangen eines zweiten Teils des übertragenen Lichtpulses vom Zielgebiet und Bestimmen einer Ankunftszeit des zweiten empfangenen Teils vom Zielgebiet zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Zeitprofil des übertragenen Lichtpulses.
System nach Anspruch 19, das Folgendes aufweist: Mittel zum Einstellen eines Koeffizienten eines angepassten Filters zumindest teilweise basierend auf dem bestimmten Zeitprofil des übertragenen Lichtpulses und zum Verwenden des angepassten Filters bei der Bestimmung der Ankunftszeit des empfangenen zweiten Teils.