DE102019135771B4 - Device and method for the scanning distance determination of an object - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit• wenigstens einer Lichtquelle (110) zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz;• einem dispersiven Element (131), welches eine Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals bewirkt, wobei Teilsignale des Messsignals unter voneinander verschiedenen Abstrahlwinkeln zu dem Objekt (140) gelenkt werden;• einer Auswerteeinrichtung (160) zur Ermittlung von Werten des Abstandes des Objekts (140) auf Basis von jeweils aus einer Überlagerung der an dem Objekt (140) reflektierten Teilsignale mit einem nicht an dem Objekt (140) reflektierten Referenzsignal resultierenden Schwebungsfrequenzen; und• einer Speichereinheit zur Speicherung der Messzeitpunkte unterschiedlicher Schwebungsfrequenzen;• wobei die Auswerteeinrichtung (160) dazu ausgelegt ist, auf Basis der gespeicherten Messzeitpunkte nachträglich eine eindeutige Zuordnung zwischen aus den jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt (140) vorzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung ferner dazu eingerichtet ist,• die Messung in mehrere Abstandsintervalle zu unterteilen, denen unterschiedliche Orte auf dem Objekt (140) zugeordnet sind, undeine in einem Abtastintervall gemessene Schwebungsfrequenz einem Ort zuzuweisen, der einem n- Abtastintervalle älteren Abtastintervall zugeordnet ist, wobei n=0,1,2,.. ist und proportional mit zunehmender Schwebungsfrequenz ansteigt.Device for the scanning distance determination of an object, with • at least one light source (110) for emitting an optical signal with a time-varying frequency; • a dispersive element (131) which effects an angular distribution of a measurement signal resulting from the optical signal, partial signals of the measurement signal below • an evaluation device (160) for determining values of the distance of the object (140) on the basis of a superimposition of the partial signals reflected on the object (140) with a partial signal not reflected on the object (140) Object (140) reflected reference signal resulting beat frequencies; and • a memory unit for storing the measurement times of different beat frequencies; • the evaluation device (160) being designed to subsequently, on the basis of the stored measurement times, make a clear assignment between the distance values resulting from the respectively measured beat frequencies and the locations on the object belonging to these distance values ( 140), characterized in that the evaluation device is also set up to • subdivide the measurement into several distance intervals to which different locations on the object (140) are assigned, and to assign a beat frequency measured in a sampling interval to a location that corresponds to an n- Sampling intervals is assigned to older sampling intervals, where n = 0,1,2, .. and increases proportionally with increasing beat frequency.
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Gebiet der ErfindungField of invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung können zur Ermittlung von Abständen sowohl bewegter als auch unbewegter Objekte und insbesondere zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines räumlich ausgedehnten dreidimensionalen Objekts verwendet werden.The invention relates to a device and a method for scanning the distance determination of an object. The method or the device can be used to determine distances both from moving and still objects and in particular to determine the topography or shape of a spatially extended three-dimensional object.
Stand der TechnikState of the art
Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein optisches Signal, bei dem die Frequenz kontinuierlich - in einer bevorzugten Form linear - zeitabhängig verändert wird, zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird. Dabei wird der Abstand des Objekts von der Messvorrichtung auf Basis der zu einem bestimmten Zeitpunkt erfassten Differenzfrequenz zwischen dem am Objekt reflektierten Messsignal und einem nicht am Objekt reflektierten Referenzsignal ermittelt.For optical distance measurement of objects, a measuring principle, also known as LIDAR, is known, in which an optical signal, in which the frequency is continuously - in a preferred form linearly - changed as a function of time, is emitted to the object in question and after the object has been reflected back is evaluated. The distance between the object and the measuring device is determined on the basis of the frequency difference between the measuring signal reflected on the object and a reference signal not reflected on the object, detected at a specific point in time.
In der Praxis besteht ein Bedarf, auch bei in größeren Abständen befindlichen (ggf. auch bewegten) Objekten, bei welchen es sich z.B. um Fahrzeuge im Straßenverkehr handeln kann, eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung zu realisieren.In practice, there is a need to realize the most accurate and reliable distance measurement possible, even for objects that are located at greater distances (possibly also moving), which may be vehicles in road traffic, for example.
Ein hierbei auftretendes Problem ist, dass die bei Durchführung des Scanprozesses realisierbare maximale Scangeschwindigkeit durch die Licht- bzw. Signallaufzeit (tof = „time of flight“) begrenzt ist, wobei diese Laufzeit bei einer beispielhaften Distanz von 150m eine Mikrosekunde (µs) beträgt. Bei einer typischen, zur Signalauswertung pro Bildpunkt bzw. Pixel erforderlichen Zeitspanne von etwa 2µs ergibt sich eine maximale Datenrate von 500kHz bzw. 500kPixel/s. Die auf diese Weise bei einer Framerate von 25Hz erzeugbaren, etwa 20kPixel umfassenden Bilder sind für typische Anwendungen wie z.B. im Straßenverkehr zu grob.A problem that arises here is that the maximum scan speed that can be achieved when carrying out the scan process is limited by the light or signal transit time (tof = "time of flight"), this transit time being one microsecond (µs) at an exemplary distance of 150m. With a typical time period of approximately 2 μs required for signal evaluation per image point or pixel, a maximum data rate of 500 kHz or 500 kpixel / s results. The 20kpixel images that can be generated in this way at a frame rate of 25Hz are too coarse for typical applications such as road traffic.
Ein grundsätzlich in Betracht kommender paralleler Einsatz mehrerer LIDAR-Systeme (mit jeweils kleinerem Feld) führt zu einer unerwünschten Vergrößerung der Komplexität und des Kostenaufwandes sowie gegebenenfalls auch zu einem erhöhten Bauraumbedarf.A parallel use of several LIDAR systems (each with a smaller field), which is generally considered, leads to an undesirable increase in complexity and costs and, if necessary, to an increased space requirement.
Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2016 / 0 299 228 A1 verwiesen.For the state of the art, reference is made to US 2016/0299 228 A1 by way of example only.
Aus der US 2018 / 0 024 246 A1 ist ein LIDAR-Messsystem mit Gitterkopplern bekannt, die das Messlicht wellenlängenabhängig in unterschiedliche Richtungen emittieren.US 2018/024246 A1 discloses a LIDAR measuring system with grating couplers which emit the measuring light in different directions as a function of the wavelength.
Die
In der US 2018 / 0 275 249 A1 sind unterschiedliche Scanmuster beschrieben, die von einem LIDAR-Messsystem erzeugt werden.US 2018/0 275 249 A1 describes different scan patterns that are generated by a LIDAR measurement system.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts bereitzustellen, welche auch für ein in vergleichsweise großer Entfernung (z.B. von mehreren 100m) befindliches Objekt eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung ermöglicht.Against the above background, it is an object of the present invention to provide a device and a method for the scanning distance determination of an object, which enables the most accurate and reliable distance measurement possible even for an object located at a comparatively great distance (e.g. several 100m).
Diese Aufgabe wird durch die Vorichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. das Verfahren gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 7 gelöst.This object is achieved by the device according to the features of independent patent claim 1 or the method according to the features of the
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts weist folgende Schritte auf:
- - Aussenden, unter Verwendung wenigstens einer Lichtquelle, eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz;
- - Erzeugen einer Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals durch ein dispersives Element, wobei Teilsignale des Messsignals unter voneinander verschiedenen Abstrahlwinkeln zu dem Objekt gelenkt werden; und
- - Ermitteln von Werten des Abstandes des Objekts auf Basis von jeweils einer Überlagerung der an dem Objekt reflektierten Teilsignale mit einem nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignal resultierenden Schwebungsfrequenzen;
- - wobei die Messzeitpunkte unterschiedlicher Schwebungsfrequenzen gespeichert werden; und
- - wobei auf Basis der gespeicherten Messzeitpunkte eine nachträgliche eindeutige Zuordnung zwischen aus den jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt vorgenommen wird
- - die Messung in mehrere Abstandsintervalle unterteilt wird, denen unterschiedliche Orte auf dem Objekt zugeordnet sind, und
- - wobei eine in einem Abtastintervall gemessene Schwebungsfrequenz einem Ort zugewiesen wird, der einem n Abtastintervalle älteren Abtastintervall zugeordnet ist, wobei n = 0, 1, 2, ..., ist und proportional mit zunehmender Schwebungsfrequenz ansteigt.
- - Emitting, using at least one light source, an optical signal with a frequency that varies over time;
- - Generating an angular distribution of a measurement signal resulting from the optical signal by a dispersive element, partial signals of the measurement signal being directed to the object at radiation angles that differ from one another; and
- Determining values of the distance of the object on the basis of a respective superposition of the partial signals reflected on the object with a reference signal not reflected on the object resulting in beat frequencies;
- - The measurement times of different beat frequencies are stored; and
- - a subsequent unambiguous association between the distance values resulting from the respectively measured beat frequencies and the locations on the object belonging to these distance values being made on the basis of the stored measurement times
- the measurement is subdivided into several distance intervals to which different locations on the object are assigned, and
- a beat frequency measured in a sampling interval is assigned to a location which is assigned to an older sampling interval n sampling intervals, where n = 0, 1, 2, ..., and increases proportionally with increasing beat frequency.
Gemäß einer Ausführungsform wird für eine gemessene Schwebungsfrequenz auf den zugehörigen Abstrahlwinkel des für diese Schwebungsfrequenz jeweils ursächlichen Teilsignals unter Berücksichtigung des Messzeitpunkts der betreffenden Schwebungsfrequenz und dem aus der betreffenden Schwebungsfrequenz resultierenden Abstand des Objekts zurückgerechnet.According to one embodiment, for a measured beat frequency, the associated radiation angle of the partial signal causing this beat frequency is calculated back, taking into account the measurement time of the relevant beat frequency and the distance of the object resulting from the relevant beat frequency.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die Länge eines zeitlichen Abtastintervalls, über welches die Bestimmung der jeweiligen Schwebungsfrequenzen erfolgt, im Bereich von 0.1µs bis 1µs.According to one embodiment, the length of a temporal sampling interval over which the respective beat frequencies are determined is in the range from 0.1 μs to 1 μs.
Der Erfindung geht zunächst von dem Konzept aus, in einer Vorrichtung zur Abstandsermittlung eines Objekts ein Abscannen des Objekts dadurch zu realisieren, dass im Signalweg noch vor dem Objekt über ein dispersives Element eine Winkelverteilung der im von einer Lichtquelle ausgesandten optischen Signal vorhandenen, unterschiedlichen Frequenzen insofern bewirkt wird, als diese Frequenzen bzw. die die jeweiligen Frequenzen aufweisenden Teilstrahlen mit unterschiedlichem Kipp bzw. unter unterschiedlichen Winkeln auf das Objekt gelenkt werden, so dass ein Abscannen des Objekts erzielt wird, ohne dass hierzu bewegliche Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel benötigt werden.The invention is initially based on the concept of realizing a scanning of the object in a device for determining the distance of an object by creating an angular distribution of the different frequencies present in the optical signal emitted by a light source in the signal path in front of the object via a dispersive element is effected when these frequencies or the partial beams having the respective frequencies are directed onto the object at different tilts or at different angles, so that scanning of the object is achieved without the need for moving components such as scanning or deflecting mirrors .
Der erfindungsgemäße Einsatz eines dispersiven Scanners hat hierbei im Vergleich zur Verwendung beweglicher Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel zunächst den Vorteil, dass die jeweiligen Signale aufgrund des Umstandes, dass Ausstrahl- und Empfangsrichtung jeweils wellenlängenabhängig sind und für ein- und denselben Objektort keine Wellenlängenänderung vorliegt (wobei die durch den Dopplereffekt bewirkte Frequenzverschiebung i.A. vernachlässigt werden kann), unabhängig von der Geschwindigkeit des Scanvorgangs stets in den Sender-/Empfängerkanal zurückverlaufen, also vom Objekt zurückkommendes Licht stets in den Empfänger bzw. Detektor gelangt.The use of a dispersive scanner according to the invention has the advantage, compared to the use of movable components such as scanning or deflecting mirrors, that the respective signals due to the fact that the direction of emission and reception are each wavelength-dependent and there is no change in wavelength for one and the same object location (whereby the frequency shift caused by the Doppler effect can generally be neglected), regardless of the speed of the scanning process, always run back into the transmitter / receiver channel, i.e. light returning from the object always reaches the receiver or detector.
Von diesem Prinzip ausgehend beinhaltet die Erfindung nun insbesondere das Konzept, für aus den wie vorstehend beschrieben erzeugten Teilsignalen und deren jeweilige Überlagerung mit dem Referenzsignal erhaltene Schwebungsfrequenzen auch den jeweiligen Zeitpunkt, zu dem die betreffende Schwebungsfrequenz gemessen wird, zu erfassen, um basierend auf dem jeweiligen Messzeitpunkt der betreffenden Schwebungsfrequenz und dem aus der betreffenden Schwebungsfrequenz resultierenden Abstand des Objekts wiederum zurückzurechnen, welcher Abstrahlwinkel - und damit welcher Ort auf dem Objekt - der Schwebungsfrequenz bzw. dem daraus resultierenden, ermittelten Abstand des Objekts zuzuordnen ist.On the basis of this principle, the invention now includes in particular the concept of detecting the respective point in time at which the respective beat frequency is measured for beat frequencies obtained from the partial signals generated as described above and their respective superimposition with the reference signal, in order to be based on the respective To calculate back the measurement time of the relevant beat frequency and the distance of the object resulting from the relevant beat frequency, which radiation angle - and thus which location on the object - is to be assigned to the beat frequency or the resulting, determined distance of the object.
Im Ergebnis kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jeder Schwebungsfrequenz (bzw. jedem Frequenzpeak im FourierSpektrum des erhaltenen Überlagerungssignals) eindeutig sowohl ein Objektabstand als auch ein Abstrahlwinkel bzw. Objektort zugeordnet werden.As a result, in the method according to the invention, each beat frequency (or each frequency peak in the Fourier spectrum of the superimposed signal obtained) can be uniquely assigned both an object distance and a radiation angle or object location.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei zum einen den Vorteil, dass im Vergleich zu einem Laufzeit- bzw. tofbegrenzten Verfahren ein wesentlich schnellerer Scanprozess realisiert werden kann, da infolge der erfindungsgemäßen „nachträglichen“ Zuordnung von Schwebungsfrequenzen bzw. Objektabständen zu Abstrahlwinkeln bzw. Objektorten die Verweildauer eines jeweiligen Messspots auf dem abzuscannenden Objekt ohne Rücksicht auf die Laufzeit des Signals und insbesondere kürzer als diese Laufzeit gewählt werden kann.The method according to the invention has the advantage, on the one hand, that a significantly faster scanning process can be implemented compared to a run-time or tof-limited method, since the inventive "subsequent" assignment of beat frequencies or object distances to Emission angles or object locations, the dwell time of a respective measurement spot on the object to be scanned can be selected regardless of the transit time of the signal and, in particular, shorter than this transit time.
Ein weiterer aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierender Vorteil ist, dass auch bei Erfassung von zwei oder mehr Schwebungsfrequenzen bzw. Frequenzpeaks im FourierSpektrum des Überlagerungssignals aufgrund der vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Zurückrechnung ermittelt werden kann, welcher Frequenzpeak bzw. welche Schwebungsfrequenz zu welchem Abstrahlwinkel bzw. Objektort gehört.Another advantage resulting from the method according to the invention is that even when two or more beat frequencies or frequency peaks are detected in the Fourier spectrum of the superimposed signal, based on the above-described recalculation according to the invention, it can be determined which frequency peak or which beat frequency belongs to which radiation angle or object location .
Infolgedessen können beispielsweise auch Szenarien messtechnisch erfasst werden, bei denen während eines vergleichsweise schnellen Scanprozesses ein in relativ geringem Abstand (von z.B. wenigen Metern) befindliches Objekt wie z.B. eine Hauskante unmittelbar auf ein vergleichsweise weit (z.B. mehrere hundert Meter) entferntes Objekt folgt, da in diesem Falle beide erhaltene Frequenzpeaks eindeutig dem jeweiligen Abstrahlwinkel zugeordnet werden können.As a result, for example, scenarios can also be metrologically recorded in which, during a comparatively fast scanning process, an object located at a relatively short distance (e.g. a few meters) such as the edge of a house immediately follows an object comparatively far (e.g. several hundred meters) away, since in in this case, both frequency peaks obtained can be clearly assigned to the respective emission angle.
Mit anderen Worten beinhaltet die Erfindung das Konzept, in einer mit einem dispersiven Scanner ausgestatteten Vorrichtung zur Abstandsermittlung zugleich Abstände zum Objekt und die jeweils zugehörigen Abstrahlwinkel des dispersiven Scanners zu ermitteln mit der Folge, dass auch Abstände zu mehreren, in unterschiedlicher Entfernung befindlichen Objekten innerhalb ein- und desselben Zeitfensters eindeutig bestimmt werden können.In other words, the invention includes the concept of simultaneously determining distances to the object and the respective associated radiation angles of the dispersive scanner in a device equipped with a dispersive scanner for distance determination, with the result that distances to several objects at different distances are also within a - and the same time window can be clearly determined.
Durch das Merkmal der „Verwendung wenigstens einer Lichtquelle“ soll insbesondere zum Ausdruck gebracht werden, dass zur Erzielung höherer Datenraten auch eine Mehrzahl von parallel betriebenen Lichtquellen (sowie eine Mehrzahl von Detektoren) verwendet werden können.The feature of “using at least one light source” is intended to express in particular that a plurality of light sources operated in parallel (and a plurality of detectors) can also be used to achieve higher data rates.
Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit
- - wenigstens einer Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz;
- - einem dispersiven Element, welches eine Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals bewirkt, wobei Teilsignale des Messsignals unter voneinander verschiedenen Abstrahlwinkeln zu dem Objekt gelenkt werden;
- - einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung von Werten des Abstandes des Objekts auf Basis von jeweils aus einer Überlagerung der an dem Objekt reflektierten Teilsignale mit einem nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignal resultierenden Schwebungsfrequenzen; und
- - einer Speichereinheit zur Speicherung der Messzeitpunkte unterschiedlicher Schwebungsfrequenzen;
- - wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, auf Basis der gespeicherten Messzeitpunkte nachträglich eine eindeutige Zuordnung zwischen aus den jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt vorzunehmen
wobei die Auswerteeinrichtung ferner dazu eingerichtet ist,
- - die Messung in mehrere Abstandsintervalle zu unterteilen, denen unterschiedliche Orte auf dem Objekt (
140 ) zugeordnet sind, und - - eine in einem Abtastintervall gemessene Schwebungsfrequenz einem Ort zuzuweisen, der einem n Abtastintervalle älteren Abtastintervall zugeordnet ist, wobei n = 0, 1, 2, ..., ist und proportional mit zunehmender Schwebungsfrequenz ansteigt.
- - At least one light source for emitting an optical signal with a frequency that varies over time;
- a dispersive element which causes an angular distribution of a measurement signal resulting from the optical signal, partial signals of the measurement signal being directed to the object at different radiation angles;
- an evaluation device for determining values of the distance of the object on the basis of beat frequencies resulting from a superposition of the partial signals reflected on the object with a reference signal not reflected on the object; and
- - A memory unit for storing the measurement times of different beat frequencies;
- - The evaluation device being designed to subsequently make a clear association between the distance values resulting from the respectively measured beat frequencies and the locations on the object belonging to these distance values on the basis of the stored measurement times
wherein the evaluation device is also set up to
- - to divide the measurement into several distance intervals to which different locations on the object (
140 ) are assigned, and - assign a beat frequency measured in a sampling interval to a location which is assigned to an older sampling interval n sampling intervals, where n = 0, 1, 2,..., and increases proportionally with increasing beat frequency.
Gemäß einer Ausführungsform ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m, insbesondere bis zu 200m, weiter insbesondere bis zu 300m, mit der Vorrichtung eine Scanrate von wenigstens 0.6MHz, insbesondere von wenigstens 0.8MHz, weiter insbesondere von wenigstens 1MHz, erzielbar. Unter der Scanrate ist die Anzahl der Pixel, deren Distanz gemessen werden kann, pro Sekunde zu verstehen.According to one embodiment, with the device according to the invention, when detecting object distances of up to 100m, in particular up to 200m, further in particular up to 300m, with the device a scan rate of at least 0.6MHz, in particular of at least 0.8MHz, further in particular of at least 1MHz, achievable. The scan rate is the number of pixels, the distance of which can be measured, per second.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine mit der Vorrichtung erzielbare Scanrate im Vergleich zu einer zweiten Scanrate bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m um einen Faktor von wenigstens zwei, insbesondere um einen Faktor von wenigstens drei, weiter insbesondere um einen Faktor von wenigstens vier, gesteigert, wobei diese zweite Scanrate mit einer alternativen Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts erzielbar ist, wobei bei dieser alternativen Vorrichtung keine nachträgliche Zuordnung zwischen aus jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt auf Basis gespeicherter Messzeitpunkte erfolgt.According to one embodiment, a scan rate that can be achieved with the device is increased by a factor of at least two, in particular by a factor of at least three, further in particular by a factor of at least four, compared to a second scan rate when detecting object distances of up to 100 m, this second scan rate can be achieved with an alternative device for the scanning distance determination of an object, with this alternative device no subsequent assignment takes place between distance values resulting from respectively measured beat frequencies and the locations on the object belonging to these distance values on the basis of stored measurement times.
Gemäß einer Ausführungsform weist das dispersive Element ein AWG auf.According to one embodiment, the dispersive element has an AWG.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.Further refinements of the invention can be found in the description and in the subclaims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the accompanying figures.
FigurenlisteFigure list
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer Vorrichtung zur Abstandsermittlung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar ist; -
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und -
3a-3b weitere Diagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a schematic representation to explain the structure and mode of operation of a device for determining distance with which the method according to the invention can be implemented; -
2 a schematic representation to explain an embodiment of the method according to the invention; and -
3a-3b further diagrams to explain the method according to the invention.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in
Eine Lichtquelle
Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler
Der dem Messsignal entsprechende Strahl weist zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Frequenzen auf und trifft auf ein in der Kollimator- und Scanner-Einheit
Im Signalkoppler
Erfindungsgemäß wird nun zu den für die Überlagerung der jeweiligen Teilsignale mit dem Referenzsignal erhaltenen Schwebungsfrequenzen auch der jeweilige Messzeitpunkt, zu dem die betreffende Schwebungsfrequenz gemessen wird, erfasst, um basierend auf dem Messzeitpunkt der betreffenden Schwebungsfrequenz und dem aus dem Frequenzwert der betreffenden Schwebungsfrequenz resultierenden Abstand des Objekts
Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Konzept anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert.The concept according to the invention is explained below using a specific exemplary embodiment.
Dabei wird lediglich beispielhaft eine lineare Zeitabhängigkeit der Frequenz des von der Lichtquelle
Infolge der erfindungsgemäß verwendeten dispersiven Kollimator- und Scanner-Einheit
Wird das von der Lichtquelle
Beobachtet man im vorstehend erwähnten Messfenster ein Signal der Frequenz 2*κ*d/c, so wurde dieses Signal im Zeitfenster [t-2*d/c, t+τ/n-2*d/c] ausgesandt. Da der zugehörige Winkel aus der Winkel/Zeitabhängigkeit eindeutig bestimmt werden kann, kann eindeutig der Ort des streuenden bzw. reflektierenden Objektes
Einschränkend wird hierbei vorausgesetzt, dass bei typischen Geschwindigkeiten mit Werten von z.B. 100km/h, typischen Messintervallen mit Werten im Bereich von 0.1µs und typischen Lichtlaufzeiten (tof) mit Werten im Bereich von 1µs nur geringfügige Änderungen des Ortes auftreten. Beispielsweise würde sich bei einer Geschwindigkeit von 100km/h der Abstand während der Lichtlaufzeit nur um 28µm verändern, was im Vergleich zu Messfehlern vernachlässigbar ist. Die maximale Detektorfrequenz bestimmt zugleich die maximal detektierbare Entfernung. Licht, welches aus größerer Entfernung zurückgestreut wird, kann nicht mehr erfasst werden. In einem konkreten Ausführungsbeispiel sind gemäß Tabelle 1 für einen beispielhaften Wert der Chirprate κ der Lichtquelle
Tabelle 1:
Bei einer Distanz von 150m entspricht die Verzögerungszeit einem Pixel-Versatz von 12 Pixeln. Beobachtet man nun das Signal in einem Zeitintervall [t, t+0.08 ps], so würde man bei einer Fouriertransformation des Signals gemäß
Bei Verwendung eines konventionellen Scanspiegels würde nur der „lOm-Peak“ beobachtet, da das Licht aus größeren Entfernungen nicht mehr innerhalb der Pixelzeit zum Detektor gelangen würde.When using a conventional scanning mirror, only the “10m peak” would be observed, since the light would no longer reach the detector from greater distances within the pixel time.
Der 150m Peak weist im Ausführungsbeispiel einen Pixel-Versatz von 12 Pixeln auf. Die entsprechende Abstandsberechnung muss daher nicht dem Abstrahlwinkel im Zeitintervall [t, t+0.08 ps], sondern dem Abstrahlwinkel im Intervall [t-0.96 µs, t+0.84 µs] bzw. [t-12*0.08 µs, t+0.08 µs-12*0.08 µs] zugeordnet werden. Analog werden zu den übrigen Peaks die gehörigen Abstrahlwinkel berechnet. Im Ergebnis kann so jedem Frequenzpeak eindeutig ein Abstand und ein Abstrahlwinkel zugeordnet werden.In the exemplary embodiment, the 150 m peak has a pixel offset of 12 pixels. The corresponding distance calculation therefore does not have to use the radiation angle in the time interval [t, t + 0.08 ps], but the radiation angle in the interval [t-0.96 µs, t + 0.84 µs] or [t-12 * 0.08 µs, t + 0.08 µs- 12 * 0.08 µs] can be assigned. The corresponding radiation angles are calculated analogously for the other peaks. As a result, a distance and a radiation angle can be clearly assigned to each frequency peak.
In weiteren Ausführungsformen können zur Durchführung eines zweidimensionalen Scanvorgangs auch - in Kombination mit dem dispersiven Element - eine (oder mehrere) mechanische Komponente(n) wie ein Scan- oder Ablenkspiegel eingesetzt werden. Auf diese Weise kann ein vergleichsweise schnelles dispersives Scannen entlang einer Achse bzw. in einer Raumrichtung mit einem vergleichsweise langsamen mechanischen Scannen in der anderen (typicherweise senkrechten) Raumrichtung kombiniert werden. Legt man wie oben ein 0.5MPixel-Bild zugrunde, entspricht dies bei einem beispielhaft angenommenen quadratischen Bildfeld 707 Pixel * 707 Pixel. Während für den schnellen dispersiven Scanvorgang der Winkel alle 0.08µs (entsprechend der Messzeit im o.g. Beispiel) verändert wird, findet beim vergleichsweise langsamen mechanischen Scannen eine Richtungsänderung nur alle 56µs statt (was im Vergleich zur Laufzeit unkritisch ist).In further embodiments, one (or more) mechanical component (s) such as a scanning or deflecting mirror can also be used - in combination with the dispersive element - to carry out a two-dimensional scanning process. In this way, comparatively fast dispersive scanning along one axis or in one spatial direction can be combined with comparatively slow mechanical scanning in the other (typically vertical) spatial direction. If, as above, a 0.5MPixel image is used as a basis, this corresponds to 707 pixels * 707 pixels, assuming a square image field as an example. While the angle is changed every 0.08µs for the fast dispersive scanning process (corresponding to the measuring time in the above example), with the comparatively slow mechanical scanning a change of direction only takes place every 56µs (which is not critical compared to the running time).
In
Gemäß
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch die herkömmlicherweise mit zunehmendem Objektabstand gegebene Abnahme der bei der scannenden Abstandsermittlung erzielbaren Daten- bzw. Pixelrate entfällt:
- Wenn man etwa in einem einfachen Berechnungsbeispiel von einer Signalauswertungszeit von 1µs ausgeht, ergibt sich für ein herkömmliches Verfahren eine Daten- bzw. Pixelrate vom IMPixel/s. Infolge der Laufzeitbegrenzung würde sich jedoch bei einem Objektabstand von 150m die gesamte, pro Messpunkt erforderliche Messzeit (für Signalauswertung sowie Hin- und Zurücklaufen des Signals zum bzw. vom Objekt) auf tges. = 1µs (Signalauswertungszeit) + 1µs (Laufzeit) = 2µs erhöhen, da für jeden Messpunkt das Zurücklaufen des am Objekt reflektierten Signals abgewartet werden muss. Bei einem Objektabstand von 300m würde sich die gesamte erforderliche Messzeit pro Messpunkt auf tges. = 1µs (Signalauswertungszeit) +2µs (Laufzeit) =3µs erhöhen, etc.
- If, for example, a signal evaluation time of 1µs is assumed in a simple calculation example, a data or pixel rate of IMPixel / s results for a conventional method. As a result of the transit time limitation, however, at an object distance of 150 m, the total measuring time required per measuring point (for signal evaluation and for the signal to and from the object) would be t total. = 1µs (signal evaluation time) + 1µs (running time) = 2µs increase, since for each measuring point you have to wait for the signal reflected on the object to return. With an object distance of 300m, the total required measuring time per measuring point would amount to ttotal. = 1µs (signal evaluation time) + 2µs (runtime) = 3µs increase, etc.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Zurücklaufen des am Objekt reflektierten Signals für die einzelnen Messpunkte nicht abgewartet werden muss (also die Laufzeitbegrenzung entfällt), fällt unabhängig vom Objektabstand für jeden Messpunkt nur die Signalauswertungszeit von 1µs an mit der Folge, dass die im Berechnungsbeispiel insoweit erzielbare Daten- bzw. Pixelrate vom IMPixel/s auch bei Abständen von z.B. mehr als 100m, insbesondere mehr als 200m, erhalten bleibt.Since in the method according to the invention the return of the signal reflected on the object does not have to be waited for for the individual measuring points (i.e. the time limit is not applicable), the signal evaluation time of 1µs is only required for each measuring point regardless of the object distance, with the result that the one achievable in the calculation example The data or pixel rate of the IMPixel / s is maintained even at distances of, for example, more than 100m, in particular more than 200m.
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.Although the invention has also been described on the basis of specific embodiments, numerous variations and alternative embodiments will be apparent to those skilled in the art, for example by combining and / or exchanging features of individual embodiments. Accordingly, it is understood by a person skilled in the art that such variations and alternative embodiments are also included in the present invention and that the scope of the invention is limited only within the meaning of the attached patent claims and their equivalents.
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