DE102019211741A1

DE102019211741A1 - Detection of reflective objects

Info

Publication number: DE102019211741A1
Application number: DE102019211741.4A
Authority: DE
Inventors: Ralf Beuschel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-08-06
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2021-02-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lidar-Messvorrichtung (12) zum Detektieren eines Objekts (14) in einer Umgebung eines Fahrzeugs (10), mit: einem Sender (18) zum Aussenden eines Lichtsignals; einem Empfänger (20) zum Empfangen des Lichtsignals nach einer Reflexion an dem Objekt; einer 2D-Scannereinheit (22) zum Abtasten eines Sichtfelds (16) der Lidar-Messvorrichtung durch Ablenken des Lichtsignals in mehreren Zeilen (Z1, Z2, Z3); einer Kombinationseinheit (24) zum Überleiten des Lichtsignals vom Sender zu der 2D-Scannereinheit und zum Überleiten des Lichtsignals von der 2D-Scannereinheit zum Empfänger; und einer Anpassungseinheit (26) zum Anpassen eines effektiven Querschnittsprofils (P) des Lichtsignals in einer Vertikalrichtung orthogonal zu den mehreren Zeilen, sodass in einem Mittelpunkt des Querschnittsprofils eine effektive Relativleistung ein Maximum aufweist und an allen Stellen innerhalb eines Querschnittsbereichs mit einem Durchmesser entsprechend einem vordefinierten Anteil an einem Zeilenabstand der mehreren Zeilen die effektive Relativleistung mindestens 0,1 Prozent des Maximums beträgt. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug (10) mit einer Lidar-Messvorrichtung (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche.The present invention relates to a lidar measuring device (12) for detecting an object (14) in the vicinity of a vehicle (10), having: a transmitter (18) for emitting a light signal; a receiver (20) for receiving the light signal after reflection from the object; a 2D scanner unit (22) for scanning a field of view (16) of the lidar measuring device by deflecting the light signal in several lines (Z1, Z2, Z3); a combination unit (24) for transferring the light signal from the transmitter to the 2D scanner unit and for transferring the light signal from the 2D scanner unit to the receiver; and an adaptation unit (26) for adapting an effective cross-sectional profile (P) of the light signal in a vertical direction orthogonal to the plurality of rows, so that an effective relative power has a maximum in a center of the cross-sectional profile and at all locations within a cross-sectional area with a diameter corresponding to a predefined Part of a line spacing of the several lines the effective relative performance is at least 0.1 percent of the maximum. The present invention further relates to a vehicle (10) having a lidar measuring device (12) according to one of the preceding claims.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lidar-Messvorrichtung zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug mit einer Lidar-Messvorrichtung.The present invention relates to a lidar measuring device for detecting an object in the surroundings of a vehicle. The present invention further relates to a vehicle with a lidar measuring device.

Moderne Fahrzeuge (Autos, Transporter, Lastwagen, Motorräder etc.) verfügen über eine Vielzahl von Sensoren, die dem Fahrer Informationen zur Verfügung stellen und einzelne Funktionen des Fahrzeugs teil- oder vollautomatisiert steuern. Über Sensoren werden die Umgebung des Fahrzeugs sowie andere Verkehrsteilnehmer erfasst. Basierend auf den erfassten Daten kann ein Modell der Fahrzeugumgebung erzeugt werden und auf Veränderungen in dieser Fahrzeugumgebung reagiert werden.Modern vehicles (cars, vans, trucks, motorcycles, etc.) have a large number of sensors that provide the driver with information and control individual functions of the vehicle partially or fully automatically. The surroundings of the vehicle and other road users are recorded by sensors. Based on the recorded data, a model of the vehicle environment can be generated and changes in this vehicle environment can be reacted to.

Ein wichtiges Sensorprinzip für die Erfassung der Umgebung ist dabei die Lidartechnik (light detection and ranging). Ein Lidarsensor basiert auf der Aussendung von Lichtsignalen und der Detektion des reflektierten Lichts. Mittels einer Laufzeitmessung kann ein Abstand zum Ort der Reflexion berechnet werden. Zudem ist die Ermittlung einer Relativgeschwindigkeit möglich. Hierbei können sowohl unmodulierte Pulse als auch frequenzmodulierte Signale (Chirps) verwendet werden. Durch eine Auswertung der empfangenen Reflexionen kann eine Detektion eines Ziels erfolgen. Hinsichtlich der technischen Realisierung des Lidarsensors wird zwischen scannenden und nichtscannenden Systemen unterschieden. Ein scannendes System basiert dabei zumeist auf Mikrospiegeln und einer Abtastung der Umgebung mit einem Lichtspot, wobei man von einem koaxialen System spricht, wenn der gesendete und empfangene Lichtpuls über denselben Mikrospiegel abgelenkt werden. Bei nichtscannenden Systemen sind mehrere Sende- und Empfangselemente statisch nebeneinanderliegend angeordnet (insb. sog. Focal Plane Array-Anordnung).Lidar technology (light detection and ranging) is an important sensor principle for detecting the surroundings. A lidar sensor is based on the emission of light signals and the detection of the reflected light. A distance to the point of reflection can be calculated using a transit time measurement. It is also possible to determine a relative speed. Both unmodulated pulses and frequency-modulated signals (chirps) can be used here. A target can be detected by evaluating the reflections received. With regard to the technical implementation of the lidar sensor, a distinction is made between scanning and non-scanning systems. A scanning system is mostly based on micromirrors and a scanning of the surroundings with a light spot, whereby one speaks of a coaxial system when the transmitted and received light pulses are deflected by the same micromirror. In the case of non-scanning systems, several transmitting and receiving elements are arranged statically next to one another (in particular so-called focal plane array arrangement).

In diesem Zusammenhang werden in der WO 2018/127789 A1 Lidarsysteme und Verfahren zum Detektieren und Klassifizieren von Objekten offenbart. In einer Implementierung kann das Lidarsystem einen oder mehrere Oberflächenwinkel eines Objekts basierend auf einer oder mehreren zeitlichen Verzerrungen in reflektierten Signalen detektieren. In weiteren Ausführungsformen kann das Lidarsystem Objekte basierend auf Reflexionsfingerabdrücken, Oberflächenwinkelfingerabdrücken oder anderen gemessenen Eigenschaften identifizieren. Andere gemessene Eigenschaften können dabei die Oberflächenzusammensetzung eines Objekts, die Umgebungsbeleuchtung, Detektionsunterschiede zwischen mehreren Abtastzeitpunkten und Konfidenzwerte mehrerer Detektionscharakteristika umfassen.In this context, the WO 2018/127789 A1 Lidar systems and methods for detecting and classifying objects are disclosed. In one implementation, the lidar system can detect one or more surface angles of an object based on one or more temporal distortions in reflected signals. In further embodiments, the lidar system can identify objects based on reflective fingerprints, surface angle fingerprints, or other measured properties. Other measured properties can include the surface composition of an object, the ambient lighting, detection differences between several sampling times and confidence values of several detection characteristics.

Eine Herausforderung im Bereich der scannenden Lidarsensoren liegt in der Detektion von kleineren und/oder weit entfernten Objekten. Moderne Lidarsysteme realisieren Auflösungen von 0,1° in Horizontal- und Vertikalrichtung. Hierbei entspricht die Spotgröße eines Lidarsystems der effektiven Apertur einer Lidar-Distanzmessung in Horizontal- und Vertikalrichtung, orthogonal zur Abstandsmessung. Die effektive Spotgröße ist dabei durch den Überlapp zwischen dem ausgeleuchteten Bereich und dem Detektor definiert. Beim Design eines Lidarsystems kann durch eine kleine Spotgröße von beispielsweise 0,01° der Störeinfluss von Umgebungslicht reduziert werden und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden, wenn eine Messung in einer hellen Umgebung durchgeführt werden soll. Zudem bewirkt eine kleine Spotgröße auf entfernten Objekten eine geringe Aufweitung und ein starkes Rücksignal. Nachteilig an der Verwendung einer kleinen Spotgröße ist das Auftreten von örtlichen Aliaseffekten (beispielsweise bei Zäunen). Wenn auf der anderen Seite eine große Spotgröße verwendet wird, beispielsweise mit einer Divergenz des ausgesendeten Laserstrahls von 0,1°, werden diese örtlichen Aliaseffekte zwar vermindert, andererseits ist der Störeinfluss von Umgebungslicht größer und es ergibt sich eine größere Aufweitung an nicht-vertikalen Objekten.A challenge in the field of scanning lidar sensors is the detection of smaller and / or distant objects. Modern lidar systems achieve resolutions of 0.1 ° in the horizontal and vertical directions. The spot size of a lidar system corresponds to the effective aperture of a lidar distance measurement in the horizontal and vertical directions, orthogonal to the distance measurement. The effective spot size is defined by the overlap between the illuminated area and the detector. When designing a lidar system, a small spot size of 0.01 °, for example, can reduce the interference from ambient light and improve the signal-to-noise ratio if a measurement is to be carried out in a bright environment. In addition, a small spot size on distant objects causes a slight expansion and a strong return signal. The disadvantage of using a small spot size is the occurrence of local aliasing effects (for example in the case of fences). If, on the other hand, a large spot size is used, for example with a divergence of the emitted laser beam of 0.1 °, these local aliasing effects are reduced, but on the other hand the interference from ambient light is greater and there is a greater expansion of non-vertical objects .

Hinsichtlich der detektierten Objekte können mit einer kleineren Spotgröße daher verbessert entfernte Objekte mit geringer Reflektivität detektiert werden. Demgegenüber ist die Detektion kleinerer Objekte schwierig, auch wenn diese beispielsweise als stark reflektierende Objekte bzw. Retroreflektoren ausgebildet sind und grundsätzlich genug Licht zurückwerfen würden, da kleinere Objekte in Lücken zwischen die einzelnen Spots fallen können. Gerade solche Retroreflektoren, wie beispielsweise Nummernschilder anderer Fahrzeuge oder Fahrbahnbegrenzungen, sind jedoch oft relevant, um ein vollständiges Abbild der Umgebung zu erzeugen.With regard to the detected objects, distant objects with low reflectivity can therefore be better detected with a smaller spot size. In contrast, the detection of smaller objects is difficult, even if they are designed, for example, as highly reflective objects or retroreflectors and would in principle reflect enough light, since smaller objects can fall into gaps between the individual spots. Such retroreflectors, such as license plates of other vehicles or lane boundaries, are however often relevant in order to generate a complete image of the environment.

Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen Ansatz zum verbesserten Detektieren von Objekten bereitzustellen. Einerseits sollen kleinere, stark reflektierende Objekte (insb. Retroreflektoren) auch in größeren Distanzen zuverlässig erkannt werden, andererseits soll auch bei Tageslicht eine zuverlässige Detektion ermöglicht werden. Insbesondere sollen stark reflektierende Objektemit hoher Zuverlässigkeit erfasst werden.On the basis of this, the present invention has the object of providing an approach for the improved detection of objects. On the one hand, smaller, highly reflective objects (especially retroreflectors) should be reliably detected even at greater distances, and on the other hand, reliable detection should also be made possible in daylight. In particular, highly reflective objects should be detected with high reliability.

Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt eine Lidar-Messvorrichtung zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs, mit:

einem Sender zum Aussenden eines Lichtsignals;
einem Empfänger zum Empfangen des Lichtsignals nach einer Reflexion an dem Objekt;
einer 2D-Scannereinheit zum Abtasten eines Sichtfelds der Lidar-Messvorrichtung durch Ablenken des Lichtsignals in mehreren Zeilen;
einer Kombinationseinheit zum Überleiten des Lichtsignals vom Sender zu der 2D-Scannereinheit und zum Überleiten des Lichtsignals von der 2D-Scannereinheit zum Empfänger; und
einer Anpassungseinheit zum Anpassen eines effektiven Querschnittsprofils des Lichtsignals in einer Vertikalrichtung orthogonal zu den mehreren Zeilen, sodass in einem Mittelpunkt des Querschnittsprofils eine effektive Relativleistung ein Maximum aufweist und an allen Stellen innerhalb eines Querschnittsbereichs mit einem Durchmesser entsprechend einem vordefinierten Anteil an einem Zeilenabstand der mehreren Zeilen die effektive Relativleistung mindestens 0,1 Prozent des Maximums beträgt.

To achieve this object, the present invention relates in a first aspect to a lidar measuring device for detecting an object in the surroundings of a vehicle, with:

a transmitter for emitting a light signal;
a receiver for receiving the light signal after reflection from the object;
a 2D scanner unit for scanning a field of view of the lidar measuring device by deflecting the light signal in several lines;
a combination unit for transferring the light signal from the transmitter to the 2D scanner unit and for transferring the light signal from the 2D scanner unit to the receiver; and
an adaptation unit for adapting an effective cross-sectional profile of the light signal in a vertical direction orthogonal to the plurality of lines, so that an effective relative power has a maximum in a center point of the cross-sectional profile and at all points within a cross-sectional area with a diameter corresponding to a predefined proportion of a line spacing of the plurality of lines the effective relative performance is at least 0.1 percent of the maximum.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit einer Lidar-Messvorrichtung wie zuvor beschrieben.In a further aspect, the present invention relates to a vehicle with a lidar measuring device as described above.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann das Fahrzeug entsprechend der für die Lidar-Messvorrichtung in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.Preferred embodiments of the invention are described in the dependent claims. It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention. In particular, the vehicle can be designed in accordance with the configurations described for the lidar measuring device in the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in einer Lidar-Messvorrichtung eine Anpassung eines effektiven Querschnittsprofils des Lichtsignals vorgenommen wird. Es wird ein Lichtsignal erzeugt und detektiert und ein Leistungs-Querschnittsprofil wird vor der Detektion angepasst. Das angepasste effektive Querschnittsprofil hat im Mittelpunkt ein Maximum in der effektiven Relativleistung, das von einem Bereich mit einer effektiven Relativleistung von mindestens 0,1 Prozent des Maximums umgeben ist. Hierbei entspricht der Durchmesser des umgebenden Querschnittsbereichs einem vordefinierten Anteil an einem Zeilenabstand der mehreren Zeilen, die von der 2D-Scannereinheit abgetastet werden. Erfindungsgemäß wird also in Abhängigkeit des Zeilenabstands vorgegeben, wie groß der umgebende Bereich ist.According to the invention it is provided that an adaptation of an effective cross-sectional profile of the light signal is carried out in a lidar measuring device. A light signal is generated and detected and a power cross-sectional profile is adapted before the detection. The adapted effective cross-sectional profile has a maximum in the effective relative power in the center, which is surrounded by an area with an effective relative power of at least 0.1 percent of the maximum. Here, the diameter of the surrounding cross-sectional area corresponds to a predefined proportion of a line spacing of the several lines that are scanned by the 2D scanner unit. According to the invention, the size of the surrounding area is therefore specified as a function of the line spacing.

Durch die Anpassungseinheit wird ein Querschnittsprofil des Lichtsignals erzeugt, das einerseits eine Detektion von weit entfernten bzw. dunklen Objekten auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen (insb. bei Tageslicht) ermöglicht und andererseits eine zuverlässige Erfassung stark reflektierender Objekte erlaubt. Durch das Maximum im Mittelpunkt des Querschnittsprofils werden die Vorteile einer kleinen Spotgröße hinsichtlich des reduzierten Einflusses von Umgebungslicht und der geringeren Divergenz realisiert. Durch die Verwendung des umgebenden Querschnittsbereichs mit einer effektiven Relativleistung von mindestens 0,1 Prozent des Maximums können auch kleinere stark reflektierende Objekte detektiert werden, die sich an ungünstigen Positionen (beispielsweise zwischen Zeilen der 2D-Scannereinheit) befinden. Für stark reflektierende Objekte ist es ausreichend, eine geringere Leistung zu verwenden, da diese eine Reflektivität aufweisen, die um Größenordnungen größer als eine Reflektivität von dunklen Objekten ist. Es ergibt sich eine zuverlässige Detektion stark reflektierender Objekte, auch wenn diese klein sind und/oder sich an einer ungünstigen Stelle befinden, obwohl größere Objekte auch in größeren Entfernungen bei Tageslicht detektiert werden können. Die Zuverlässigkeit bei der Objektdetektion wird gesteigert.The adaptation unit generates a cross-sectional profile of the light signal which, on the one hand, enables the detection of distant or dark objects even under unfavorable ambient conditions (especially in daylight) and, on the other hand, enables highly reflective objects to be reliably detected. The maximum in the center of the cross-sectional profile realizes the advantages of a small spot size with regard to the reduced influence of ambient light and the lower divergence. By using the surrounding cross-sectional area with an effective relative power of at least 0.1 percent of the maximum, even smaller, highly reflective objects can be detected that are in unfavorable positions (for example between lines of the 2D scanner unit). For highly reflective objects, it is sufficient to use a lower power, since these have a reflectivity that is orders of magnitude greater than the reflectivity of dark objects. The result is a reliable detection of highly reflective objects, even if they are small and / or are in an unfavorable location, although larger objects can also be detected at greater distances in daylight. The reliability of object detection is increased.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Anpassungseinheit einen Diffusor. Die Anpassungseinheit kann beispielsweise mittels eines Diffusors realisiert werden. Ein Diffusor ist dabei ein optisches Bauteil, das eine Streuung des Lichts bewirkt. Um das gewünschte Querschnittsprofil des Lichtsignals zu erzeugen, wird ein entsprechend ausgebildeter Diffusor verwendet. Es ergibt sich eine technisch einfache und kostengünstige Möglichkeit zum erfindungsgemäßen Anpassen des effektiven Querschnittsprofils.In a preferred embodiment, the adaptation unit comprises a diffuser. The adaptation unit can be implemented, for example, by means of a diffuser. A diffuser is an optical component that causes the light to be scattered. An appropriately designed diffuser is used to generate the desired cross-sectional profile of the light signal. A technically simple and inexpensive possibility of adapting the effective cross-sectional profile according to the invention results.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Diffusor als holographischer Diffusor ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist der Diffusor in eine Linse integriert und vorzugsweise als behandelte Oberfläche der Linse ausgebildet. Weiter zusätzlich oder alternativ ist der Diffusor als diffraktives optisches Element ausgeführt. Es ist möglich, unterschiedliche Arten von Diffusoren zu verwenden, um die Funktion der Anpassungseinheit umzusetzen. Einerseits kann ein separates Bauteil verwendet werden, das zusätzlich in den Strahlengang eingebracht wird. Andererseits kann eine ohnehin im Strahlengang vorhandene Linse entsprechend angepasst werden, beispielsweise durch eine Oberflächenbehandlung. Durch die Verwendung eines zusätzlichen Bauteils können die gewünschten Eigenschaften präzise hergestellt werden. Durch die Integration des Diffusors in eine ohnehin vorhandene Linse können Vorteile hinsichtlich der Kosten und des benötigten Bauraums realisiert werden.In a preferred embodiment, the diffuser is designed as a holographic diffuser. Additionally or alternatively, the diffuser is integrated into a lens and is preferably designed as a treated surface of the lens. Furthermore, additionally or alternatively, the diffuser is designed as a diffractive optical element. It is possible to use different types of diffusers to implement the function of the matching unit. On the one hand, a separate component can be used, which is also introduced into the beam path. On the other hand, a lens that is already present in the beam path can be adapted accordingly, for example by a surface treatment. By using an additional component, the desired properties can be precisely produced. By integrating the diffuser in a lens that is already present, advantages in terms of costs and the required installation space can be realized.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Anpassungseinheit zwischen 2D-Scannereinheit und Kombinationseinheit angeordnet. Grundsätzlich kann die Anpassungseinheit an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein. Insbesondere kann die Anpassungseinheit nur auf das ausgesendete Lichtsignal oder nur auf das empfangene Lichtsignal wirken. Bevorzugt wird die Anpassungseinheit an einer Stelle in der Lidar-Messvorrichtung angeordnet, die sowohl für das ausgesendete Lichtsignal als auch für das empfangene Lichtsignal wirkt. Bei einer koaxialen Lidar-Messvorrichtung, also einer Lidar-Messvorrichtung, bei der sowohl das ausgesendete Lichtsignal als auch das empfangene Lichtsignal über denselben Mikrospiegel geleitet werden, ist es vorteilhaft, wenn die Anpassungseinheit an einer Stelle angeordnet ist, an der sie sowohl vom ausgesendeten als auch vom empfangenen Lichtsignal passiert wird. Es ergibt sich eine einfache Umsetzbarkeit.In a preferred embodiment, the adaptation unit is arranged between the 2D scanner unit and the combination unit. In principle, the adaptation unit can be arranged at different points. In particular, the adaptation unit can only act on the emitted light signal or only on the received light signal. The adaptation unit is preferably arranged at a point in the lidar measuring device which acts both for the transmitted light signal and for the received light signal. In the case of a coaxial lidar measuring device, that is to say a lidar measuring device in which both the transmitted light signal and the received light signal are passed via the same micromirror, it is advantageous if the adaptation unit is arranged at a point where it is both from the transmitted and from the is also passed by the received light signal. It is easy to implement.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Anpassungseinheit zweiteilig ausgebildet und umfasst eine senderseitige Teileinheit zum Anpassen des effektiven Querschnittsprofils und eine empfängerseitige Teileinheit zum Anpassen des effektiven Querschnittsprofils. Es ist möglich, dass die Anpassung sowohl senderseitig als auch empfängerseitig durchgeführt wird. Die durch die beiden Teileinheiten bewirkte Anpassung des Querschnittsprofils addiert sich zu dem zuvor beschriebenen gewünschten effektiven Querschnittsprofil. Durch die Verwendung zweier Teileinheiten ergibt sich eine kostengünstige Umsetzbarkeit sowie eine präzise Einstellbarkeit des gewünschten Querschnittsprofils.In a preferred embodiment, the adaptation unit is designed in two parts and comprises a sub-unit on the transmitter side for adapting the effective cross-sectional profile and a sub-unit on the receiver side for adapting the effective cross-sectional profile. It is possible for the adaptation to be carried out both on the transmitter side and on the receiver side. The adaptation of the cross-sectional profile brought about by the two sub-units adds up to the desired effective cross-sectional profile described above. The use of two sub-units results in inexpensive implementation and precise adjustability of the desired cross-sectional profile.

In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der vordefinierte Anteil mindestens 0,8, vorzugsweise mindestens 0,9 und sehr bevorzugt mindestens 0,95. Der Anteil bezieht sich dabei auf den Zeilenabstand der mehreren Zeilen der 2D-Scannereinheit, wobei dieser zumeist als Winkel angegeben ist. Wenn die 2D-Scannereinheit das Sichtfeld der Lidar-Messvorrichtung beispielsweise in voneinander um 0,1° beabstandeten Zeilen abtastet, kann der Querschnittsbereich, innerhalb dessen eine effektive Relativleistung mindestens 0,1 Prozent des Maximums beträgt, beispielsweise 0,09° betragen. Durch einen hohen Anteil kann eine gute Abdeckung des gesamten Sichtfelds bewirkt werden.In a preferred embodiment, the predefined proportion is at least 0.8, preferably at least 0.9 and very preferably at least 0.95. The proportion relates to the line spacing of the multiple lines of the 2D scanner unit, this being usually specified as an angle. If the 2D scanner unit scans the field of view of the lidar measuring device, for example in lines spaced 0.1 ° apart, the cross-sectional area within which an effective relative power is at least 0.1 percent of the maximum can be, for example, 0.09 °. With a high proportion, good coverage of the entire field of vision can be achieved.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Anpassungseinheit zum Anpassen des effektiven Querschnittsprofils des Lichtsignals ausgebildet, sodass eine effektive Gesamtleistung in einem inneren Teilbereich des Querschnittsbereichs größer ist als eine effektive Gesamtleistung in einem äußeren Teilbereich. Der äußere Teilbereich hat dabei einen drei- bis zehnmal größeren Durchmesser als der innere Teilbereich. Der innere Teilbereich weist vorzugsweise einen Durchmesser von 0,008° bis 0,05° auf. Der äußere Teilbereich weist dabei vorzugsweise einen Durchmesser von 0,08° bis 0,15° auf. Es ergibt sich ein Ausgleich zwischen Reichweite bzw. Widerstandsfähigkeit gegen Störlicht und Abdeckung eines möglichst großen Anteils des Sichtfelds der Lidar-Messvorrichtung. Eine zuverlässige Detektion stark reflektierender Objekte kann annähernd im gesamten Sichtfeld der Lidar-Messvorrichtung realisiert werden. In a preferred embodiment, the adaptation unit is designed to adapt the effective cross-sectional profile of the light signal, so that an effective total power in an inner sub-area of the cross-sectional area is greater than an effective total power in an outer sub-area. The outer sub-area has a three to ten times larger diameter than the inner sub-area. The inner portion preferably has a diameter of 0.008 ° to 0.05 °. The outer partial area preferably has a diameter of 0.08 ° to 0.15 °. This results in a balance between range or resistance to stray light and coverage of the largest possible portion of the field of view of the lidar measuring device. A reliable detection of strongly reflective objects can be realized almost in the entire field of view of the lidar measuring device.

In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Zeilenabstand zwischen 0,05° und 0,15°, vorzugsweise 0,1°. Durch die Abtastung des Sichtfelds der Lidar-Messvorrichtung in Zeilen, die voneinander um 0,1° beabstandet sind, kann eine hochauflösende Abbildung der Umgebung erzeugt werden. Zudem können die anfallenden Daten nahezu in Echtzeit verarbeitet werden, um hohe Aktualisierungsraten zu ermöglichen.In a preferred embodiment, the line spacing is between 0.05 ° and 0.15 °, preferably 0.1 °. By scanning the field of view of the lidar measuring device in lines that are spaced apart by 0.1 °, a high-resolution image of the environment can be generated. In addition, the resulting data can be processed almost in real time to enable high update rates.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Lidar-Messvorrichtung eine Kollimationslinse, die zwischen Sender und Anpassungseinheit angeordnet ist. Der Sender ist zum Aussenden eines Lasersignals ausgebildet. Die Kollimationslinse ist zum Erzeugen eines gaußförmigen effektiven Querschnittsprofils des Lasersignals ausgebildet. Zunächst wird mittels einer Kollimationslinse demnach ein gaußförmiges effektives Querschnittsprofil eines Lasersignals erzeugt. Dieser gaußförmige effektive Querschnitt kann dann in der Anpassungseinheit entsprechend des gewünschten effektiven Querschnittsprofils angepasst werden. Eine zuverlässige Objektdetektion kann erreicht werden.In a preferred embodiment, the lidar measuring device comprises a collimation lens, which is arranged between the transmitter and the adaptation unit. The transmitter is designed to transmit a laser signal. The collimation lens is designed to generate a Gaussian effective cross-sectional profile of the laser signal. First a Gaussian effective cross-sectional profile of a laser signal is generated by means of a collimation lens. This Gaussian effective cross section can then be adapted in the adaptation unit in accordance with the desired effective cross-sectional profile. Reliable object detection can be achieved.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Kombinationseinheit einen optischen Zirkulator. Ein optischer Zirkulator bewirkt eine annähernd verlustfreie Trennung zwischen gesendetem Lichtsignal und empfangenem Lichtsignal. Eine Gesamtleistung kann minimiert werden.In a preferred embodiment, the combination unit comprises an optical circulator. An optical circulator creates an almost loss-free separation between the transmitted light signal and the received light signal. An overall performance can be minimized.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die 2D-Scannereinheit als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet und umfasst einen zweidimensional ansteuerbaren Mikrospiegel zum Ablenken des Lichtsignals. Ein MEMS-System reagiert schnell und bewirkt eine zuverlässige und präzise Ablenkung des Lichtsignals.In a preferred embodiment, the 2D scanner unit is designed as a microelectromechanical system (MEMS) and comprises a two-dimensionally controllable micromirror for deflecting the light signal. A MEMS system reacts quickly and causes a reliable and precise deflection of the light signal.

Unter einem effektiven Querschnittsprofil wird hierin derjenige Teil des Querschnittsprofils eines Lichtsignals verstanden, der für die Objektdetektion relevant ist und ausgewertet wird bzw. werden kann. Das Querschnittsprofil stellt eine Angabe der Leistung bzw. Intensität innerhalb eines Lichtstrahls (Lichtsignal) dar. Das effektive Querschnittsprofil ergibt sich dabei aus einer Betrachtung eines Querschnittsprofils eines gesendeten Lichtsignals, eines empfangenen Lichtsignals und einem Aufbau bzw. einer Datenverarbeitung beim Auslesen des Detektors. Eine effektive Relativleistung stellt eine Angabe auf einer normierten Skala dar. Insbesondere soll eine Angabe hinsichtlich des Verhältnisses zwischen einer Lichtleistung an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Lichtsignals bzw. innerhalb des Querschnitts des Lichtsignals gemacht werden. Die effektive Relativleistung bezieht sich dabei insbesondere auf die detektierte Leistung am Empfänger. Die erfindungsgemäße effektive Relativleistung kann einerseits durch eine Anpassung des ausgesendeten Lichtsignals und andererseits durch eine Anpassung des empfangenen Lichtsignals bzw, eine Anpassung des Empfängers (Detektors) selbst erzeugt werden. Ein Sichtbereich der Lidar-Messvorrichtung entspricht einem von der Lidar-Messvorrichtung einsehbaren Bereich. Insbesondere ist ein Sichtbereich durch eine Angabe eines Winkels in Vertikalrichtung und eines Winkels in Horizontalrichtung in Bezug auf die Lidar-Messvorrichtung bzw. in Bezug auf das Fahrzeug festgelegt. Eine Auflösung der 2D-Scannereinheit beschreibt insbesondere eine Winkelangabe zwischen zwei benachbarten Zeilen bzw. Spalten bei der Abtastung des Sichtfelds. Eine Umgebung eines Fahrzeugs umfasst insbesondere einen von dem Fahrzeug aus sichtbaren Bereich im Umfeld des Fahrzeugs.An effective cross-sectional profile is understood here to mean that part of the cross-sectional profile of a light signal which is relevant for object detection and is or can be evaluated. The cross-sectional profile is an indication of the power or intensity within a light beam (light signal). The effective cross-sectional profile results from a consideration of a cross-sectional profile of a transmitted light signal, a received light signal and a structure or structure. data processing when reading out the detector. An effective relative power is an indication on a standardized scale. In particular, an indication should be made with regard to the ratio between a light power at different points within the light signal or within the cross section of the light signal. The effective relative power relates in particular to the power detected at the receiver. The effective relative power according to the invention can be generated on the one hand by adapting the emitted light signal and on the other hand by adapting the received light signal or adapting the receiver (detector) itself. A viewing area of the lidar measuring device corresponds to an area that can be seen by the lidar measuring device. In particular, a field of view is determined by specifying an angle in the vertical direction and an angle in the horizontal direction with respect to the lidar measuring device or with respect to the vehicle. A resolution of the 2D scanner unit describes, in particular, an indication of the angle between two adjacent rows or columns when scanning the field of view. The surroundings of a vehicle include in particular an area in the surroundings of the vehicle that is visible from the vehicle.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einer Lidar-Messvorrichtu ng;
2 eine schematische Darstellung eines Detektionsvorgangs eines kleineren Objekts;
3 eine schematische Darstellung eines gaußförmigen effektiven Querschnittsprofils eines Lasersignals;
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß angepassten effektiven Querschnittsprofils eines Lichtsignals;
5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lidar-Messvorrichtung; und
6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lidar-Messvorrichtung.

The invention is described and explained in more detail below with reference to a few selected exemplary embodiments in conjunction with the accompanying drawings. Show it:

1 a schematic representation of a vehicle according to the invention with a lidar measuring device;
2 a schematic representation of a detection process of a smaller object;
3 a schematic representation of a Gaussian effective cross-sectional profile of a laser signal;
4th a schematic representation of an effective cross-sectional profile of a light signal adapted according to the invention;
5 a schematic representation of a lidar measuring device according to the invention; and
6th a schematic representation of a further embodiment of a lidar measuring device according to the invention.

In der 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 mit einer Lidar-Messvorrichtung 12 zum Detektieren eines Objekts 14 in einer Umgebung des Fahrzeugs dargestellt. Die Darstellung entspricht einer seitlichen Schnittansicht. Die Lidar-Messvorrichtung 12 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in das Fahrzeug 10 integriert. Beispielsweise kann die Lidar-Messvorrichtung 12 im Bereich einer Stoßstange des Fahrzeugs 10 montiert sein und dazu ausgebildet sein, Objekte vor dem Fahrzeug 10 innerhalb eines Sichtfelds 16 zu detektieren. In der Darstellung ist die Ausdehnung des Sichtfelds 16 in Vertikalrichtung angedeutet. Das Objekt 14 in der Umgebung des Fahrzeugs 10 kann beispielsweise ein Nummernschild, ein Autoreifen, ein Verkehrszeichen, eine Fahrbahnbegrenzung, ein statisches Infrastrukturobjekt oder auch ein anderes Fahrzeug sein.In the 1 is schematically a vehicle according to the invention 10 with a lidar measuring device 12 for detecting an object 14th shown in an environment of the vehicle. The representation corresponds to a side sectional view. The lidar measuring device 12 is in the illustrated embodiment in the vehicle 10 integrated. For example, the lidar measuring device 12 in the area of a bumper of the vehicle 10 be mounted and designed to be objects in front of the vehicle 10 within a field of view 16 to detect. The representation shows the extent of the field of view 16 indicated in the vertical direction. The object 14th around the vehicle 10 can be, for example, a license plate, a car tire, a traffic sign, a lane boundary, a static infrastructure object or another vehicle.

Erfindungsgemäß ist es insbesondere vorgesehen, dass die Zuverlässigkeit bei der Detektion kleiner und stark reflektierender Objekte bzw. retroreflektierender Objekte verbessert wird. Hierzu wird eine Anpassung eines effektiven Querschnittsprofils des Lichtsignals vorgenommen. Durch die Anpassung wird eine Abdeckung des Sichtfelds 16 verbessert, sodass auch kleine Objekte detektiert werden können, die an ungünstigen Stellen angeordnet sind, sofern diese stark reflektieren.According to the invention it is provided in particular that the reliability in the detection of small and highly reflective objects or retroreflective objects is improved. For this purpose, an adaptation of an effective cross-sectional profile of the light signal is carried out. The adjustment will cover the field of view 16 improved, so that even small objects can be detected that are arranged in unfavorable places, provided that they reflect strongly.

Grundsätzlich sind Abstandsmessungen einer scannenden Lidar-Messvorrichtung (1D oder 2D) in alle Abtastrichtungen dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem unterworfen. Nach diesem Theorem muss das Eingangssignal in seiner Bandbreite auf die halbe Abtastfrequenz begrenzt werden vor dem Abtastvorgang, um Aliaseffekte zu vermeiden. Wenn beispielsweise eine zweidimensionale Abtastung mit einer Auflösung von 0,1° in Horizontalrichtung und 0,1° in Vertikalrichtung und einer Spotgröße von 0,01° erfolgt, wird dieses Abtasttheorem verletzt und es kommt zu Aliaseffekten. Eine besonders nachteilige Folge von Aliaseffekten kann darin bestehen, dass kleine Objekte nicht detektiert werden und sozusagen durch das Raster fallen. Um dieses Problem zu lösen, könnte im Falle einer 0,1 °-Auflösung in Horizontal- und Vertikalrichtung eine Spotgröße von beispielsweise 0,2° verwendet werden. Diese große Spotgröße würde eine Tiefpassfilterung vor der Abtastung bewirken. Hierdurch könnte sichergestellt werden, dass kleine Objekte zuverlässig detektiert werden.Basically, distance measurements of a scanning lidar measuring device (1D or 2D) in all scanning directions are subject to the Nyquist-Shannon scanning theorem. According to this theorem, the input signal must be limited in its bandwidth to half the sampling frequency before the sampling process in order to avoid aliasing effects. If, for example, a two-dimensional scan is performed with a resolution of 0.1 ° in the horizontal direction and 0.1 ° in the vertical direction and a spot size of 0.01 °, this scanning theorem is violated and aliasing effects occur. A particularly disadvantageous consequence of aliasing effects can be that small objects are not detected and fall through the grid, so to speak. To solve this problem, a spot size of, for example, 0.2 ° could be used in the case of a 0.1 ° resolution in the horizontal and vertical directions. This large spot size would cause low pass filtering prior to scanning. This could ensure that small objects are reliably detected.

In der 2 ist die grundsätzliche Problemstellung schematisch illustriert. Die vertikale Dimension spiegelt die Zeilenabstände zwischen einzelnen Zeilen Z1, Z2, Z3 der 2D-Scannereinheit in einem bestimmten Abstand von beispielsweise 100 m von der Lidar-Messvorrichtung wider. Die effektive Relativleistung des Lichtsignals bzw. die Sensitivitätsverteilung beim Abtasten ist in der horizontalen Dimension abgetragen. Wenn ein Objekt 14, wie beispielsweise ein Nummernschild, detektiert werden soll, ist es möglich, dass dieses Objekt 14 in eine Lücke zwischen zwei Zeilen Z1, Z2 fällt und damit eine zuverlässige Detektion nicht sichergestellt werden kann. Das Objekt 14 liegt also zwischen den oberen beiden Zeilen Z1, Z2 und wird von keinem Spot getroffen.In the 2 the basic problem is illustrated schematically. The vertical dimension reflects the line spacing between individual lines Z1, Z2, Z3 of the 2D scanner unit at a certain distance of, for example, 100 m from the lidar measuring device. The effective relative power of the light signal or the sensitivity distribution during scanning is plotted in the horizontal dimension. When an object 14th , such as a license plate, is to be detected, it is possible that this object 14th falls into a gap between two lines Z1, Z2 and therefore reliable detection cannot be ensured. The object 14th is therefore between the upper two lines Z1, Z2 and is not hit by any spot.

Das erfindungsgemäße Konzept basiert darauf, dass eine direkte Anwendung des Abtasttheorems auf einen Scanvorgang eines Lidar-Systems nicht zielführend ist, da eine kleinere Spotgröße in den meisten Fällen Vorteile hat, insbesondere bei der Detektion von entfernten und dunklen Objekten, wie beispielsweise Autoreifen auf der Fahrbahn. Gerade stark reflektierende Objekte wie Nummernschilder haben jedoch Reflexionseigenschaften, die um mehrere Größenordnungen höher sind als diffus reflektierende Objekte wie z. B. Stoff, Fahrbahnoberflächen oder Räder. Es ist daher ausreichend, ein stark reflektierendes Objekt mit einer sehr geringen Leistung auszuleuchten, die beispielsweise lediglich 0,1 % einer für das Ausleuchten eines dunkleren Objekts benötigten Leistung im selben Abstand entspricht. Vergleichbar kann auch der Detektor entsprechend weniger sensitiv ausgebildet sein, um ein stark reflektierendes Objekt bzw. einen Retroreflektor zu detektieren.The concept according to the invention is based on the fact that a direct application of the scanning theorem to a scanning process of a lidar system is not expedient, since a smaller spot size has advantages in most cases, especially when detecting distant and dark objects such as car tires on the roadway . Highly reflective objects such as license plates, however, have reflective properties that are several orders of magnitude higher than diffusely reflective objects such as. B. fabric, road surfaces or wheels. It is therefore sufficient to illuminate a highly reflective object with a very low power, which corresponds, for example, to only 0.1% of the power required for illuminating a darker object at the same distance. Comparably, the detector can also be designed to be correspondingly less sensitive in order to detect a highly reflective object or a retroreflector.

Das erfindungsgemäß angepasste effektive Querschnittsprofil des Lichtsignals ermöglicht es also, zwei an sich widersprüchliche Anforderungen zu erfüllen: Einerseits wird ein Großteil der Signalleistung (beispielsweise 90 %) auf einen kleinen Bereich im Mittelpunkt des Querschnittsprofils konzentriert (beispielsweise 0,01°). Andererseits wird die verbleibende Signalleistung (beispielsweise 10 %) über einen größeren umgebenden Querschnittsbereich verteilt (beispielsweise 0,1°). Die Anpassung kann dabei senderseitig oder empfängerseitig erfolgen. Die effektive Relativleistung kann also sowohl auf der Seite des Senders als auch auf der Seite des Empfängers eingestellt werden. Das erzeugte Spotprofil bzw. Sensitivitätsprofil hat einen Hochpunkt (Maximum) im Mittelpunkt (vergleichbar zu einem herkömmlichen gaußförmigen Leistungsquerschnitt) und einen umgebenden flachen Bereich, der beispielsweise dreibis zehnmal größer ist, aber weniger als die Hälfte der Amplitude aufweist.The effective cross-sectional profile of the light signal adapted according to the invention therefore makes it possible to meet two inherently contradicting requirements: On the one hand, a large part of the signal power (for example 90%) is concentrated in a small area in the center of the cross-sectional profile (for example 0.01 °). On the other hand, the remaining signal power (for example 10%) is distributed over a larger surrounding cross-sectional area (for example 0.1 °). The adaptation can take place on the transmitter side or on the receiver side. The effective relative power can therefore be set on the side of the transmitter as well as on the side of the receiver. The generated spot profile or sensitivity profile has a high point (maximum) in the center (comparable to a conventional Gaussian power cross-section) and a surrounding flat area that is, for example, three to ten times larger but less than half the amplitude.

In den 3 und 4 ist schematisch ein effektives Querschnittsprofil P eines Lichtsignals in Vertikalrichtung orthogonal zu den mehreren Zeilen einer 2D-Scannereinheit dargestellt. Auf der vertikalen Achse ist dabei die effektive Relativleistung abgetragen. Auf der horizontalen Achse ist die räumliche Verteilung orthogonal zu den Zeilen der 2D-Scannereinheit (also in Vertikalrichtung bzgl. der 2D-Scannereinheit bzw. bzgl. des Fahrzeugs) abgebildet. In den dargestellten Beispielen ist auf der Horizontalachse ein Zeilenabstand d der Zeilen der 2D-Scannereinheit abgetragen. Die dargestellte effektive Relativleistung kann dabei insbesondere der Leistung des ausgesendeten Lichtsignals entsprechen. Es ist aber auch möglich, dass eine Sensitivität des Empfängers entsprechend eingestellt ist oder das empfangene Lichtsignal angepasst wird.In the 3 and 4th an effective cross-sectional profile P of a light signal is shown schematically in the vertical direction orthogonal to the multiple lines of a 2D scanner unit. The effective relative power is plotted on the vertical axis. On the horizontal axis, the spatial distribution is mapped orthogonally to the lines of the 2D scanner unit (that is, in the vertical direction with respect to the 2D scanner unit or with respect to the vehicle). In the examples shown, a line spacing d of the lines of the 2D scanner unit is plotted on the horizontal axis. The shown effective relative power can correspond in particular to the power of the emitted light signal. However, it is also possible that a sensitivity of the receiver is set accordingly or that the received light signal is adapted.

In der 3 ist ein gaußförmiges effektives Querschnittsprofil P eines Lichtsignals bzw. eines Lasersignals abgebildet. Ein solches effektives Querschnittsprofil P wird oft generiert und verwendet. Wie dargestellt, weist das Profil ein Maximum M_G im Mittelpunkt auf. Die effektive Relativleistung fällt beidseitig des Maximums M_G schnell ab, wodurch große Detektionslücken entstehen können. Im Vergleich zum Zeilenabstand d gibt es also relevante Bereiche, in denen eine Detektion nicht möglich ist, da die effektive Relativleistung weniger als 0,1 % des Maximums beträgt.In the 3 a Gaussian effective cross-sectional profile P of a light signal or a laser signal is shown. Such an effective cross-sectional profile P is often generated and used. As shown, the profile has a maximum M _G in the center. The effective relative power drops rapidly on both sides of the maximum M _G , as a result of which large detection gaps can arise. In comparison to the line spacing d, there are therefore relevant areas in which detection is not possible, since the effective relative power is less than 0.1% of the maximum.

In der 4 ist demgegenüber ein erfindungsgemäß angepasstes effektives Querschnittsprofil P dargestellt. Das Querschnittsprofil P weist ein Maximum M_A im Mittelpunkt sowie einen breiten Querschnittsbereich, in dem die effektive Relativleistung mindestens 0,1 % des Maximums beträgt, auf. Im dargestellten Beispiel erstreckt sich dieser Querschnittsbereich über den vollen Zeilenabstand d.In the 4th In contrast, an effective cross-sectional profile P adapted according to the invention is shown. The cross-sectional profile P has a maximum M _A in the center and a broad cross-sectional area in which the effective relative power is at least 0.1% of the maximum. In the example shown, this cross-sectional area extends over the full line spacing d.

In den 5 und 6 sind zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lidar-Messvorrichtung 12 schematisch dargestellt. Die Lidar-Messvorrichtung 12 umfasst einen Sender 18 zum Aussenden eines Lichtsignals und einen Empfänger 20 zum Empfangen des Lichtsignals nach einer Reflexion an dem Objekt. Der Sender 18 ist insbesondere als Laserquelle ausgebildet. Einerseits ist es möglich, dass ein gepulstes Signal verwendet wird. Andererseits kann auch ein frequenzmoduliertes Signal (Chirpsignal) verwendet werden. Der Empfänger 20 entspricht insbesondere einem Fotodetektor, der dazu ausgebildet ist, das Lichtsignal nach der Reflexion am Objekt zu empfangen und hierdurch eine Detektion des Objekts zu ermöglichen.In the 5 and 6th are two embodiments of the lidar measuring device according to the invention 12 shown schematically. The lidar measuring device 12 includes a transmitter 18th for emitting a light signal and a receiver 20th for receiving the light signal after reflection on the object. The transmitter 18th is designed in particular as a laser source. On the one hand, it is possible that a pulsed signal is used. On the other hand, a frequency-modulated signal (chirp signal) can also be used. The recipient 20th corresponds in particular to a photodetector which is designed to receive the light signal after reflection on the object and thereby enable the object to be detected.

Weiterhin umfasst die Lidar-Messvorrichtung eine 2D-Scannereinheit 22, um das Sichtfeld der Lidar-Messvorrichtung 12 abzutasten. Die 2D-Scannereinheit 22 kann insbesondere als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet sein. Ebenfalls ist es möglich, dass ein (oder mehrere) Galvanometer verwendet wird. Ein Mikrospiegel wird angesteuert, um das Lichtsignal an unterschiedliche Positionen auszusenden und entsprechend Detektionen der unterschiedlichen Positionen zu empfangen. Insbesondere wird dabei ein Sichtfeld der Lidar-Messvorrichtung 12 zeilenweise abgetastet. Es gibt insoweit eine schnelle Horizontalachse und eine langsamere Vertikalachse, die jeweils von zugehörigen Aktoren ansteuerbar sind. Die 2D-Scannereinheit 22 bietet insbesondere eine entsprechende Steuerschnittstelle, um die vertikale und horizontale Bewegung des Spiegels ansteuern zu können. Insbesondere kann für die Achsen festgelegt werden, welcher Winkel zwischen zwei Zeilen bzw. Spalten verwendet werden soll. Beispielsweise kann eine normale Auflösung 0,1 ° x 0,1 ° in Horizontal- und Vertikalrichtung betragen. Der Zeilenabstand entspricht insoweit einer Winkelangabe.The lidar measuring device also includes a 2D scanner unit 22nd to adjust the field of view of the lidar measurement device 12 to feel. The 2D scanner unit 22nd can in particular be designed as a microelectromechanical system (MEMS). It is also possible for one (or more) galvanometers to be used. A micromirror is activated in order to transmit the light signal to different positions and to receive corresponding detections of the different positions. In particular, a field of view of the lidar measuring device is used 12 scanned line by line. To this extent, there is a fast horizontal axis and a slower vertical axis, each of which can be controlled by associated actuators. The 2D scanner unit 22nd In particular, it offers a corresponding control interface in order to be able to control the vertical and horizontal movement of the mirror. In particular, it can be specified for the axes which angle is to be used between two rows or columns. For example, a normal resolution can be 0.1 ° x 0.1 ° in horizontal and Be vertical. The line spacing corresponds to an angle specification.

Weiterhin umfasst die Lidar-Messvorrichtung 12 eine Kombinationseinheit 24. Die Kombinationseinheit 24 kann als Zirkulator ausgebildet sein. Ebenfalls ist es möglich, dass die Kombinationseinheit 24 einem Strahlteiler (Beamsplitter) entspricht. Die Verwendung eines Strahlteilers hat den Nachteil, dass ein Signalanteil verloren geht. Furthermore, the lidar measuring device comprises 12 a combination unit 24 . The combination unit 24 can be designed as a circulator. It is also possible that the combination unit 24 corresponds to a beam splitter. The disadvantage of using a beam splitter is that part of the signal is lost.

Allerdings ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Reaktionsgeschwindigkeit und hinsichtlich des Fertigungsaufwands.However, there are advantages with regard to the speed of reaction and with regard to the manufacturing costs.

Dadurch, dass für das gesendete Lichtsignal und für das empfangene Lichtsignal zwischen 2D-Scannereinheit 22 und Kombinationseinheit 24 derselbe Pfad verwendet wird, wird die dargestellte Lidar-Messvorrichtung 12 auch als Koaxiallidar-Messvorrichtung bzw. als Lidar-Messvorrichtung in Koaxialbauweise bezeichnet.The fact that for the transmitted light signal and for the received light signal between the 2D scanner unit 22nd and combination unit 24 the same path is used, the illustrated lidar measurement device becomes 12 also referred to as a coaxial lidar measuring device or as a coaxial lidar measuring device.

Zum Umsetzen der erfindungsgemäßen Anpassungseinheit gibt es mehrere Implementierungsalternativen. Einerseits kann nur auf der Seite des Senders 18 ein angepasstes effektives Querschnittsprofil (Spotprofil) verwendet werden. Der Empfänger 20 weist eine im Wesentlichen einheitliche Sensitivität über die gesamte Fläche auf. Diese Ausführungsform bewirkt eine verbesserte Energieeffizienz, da Laserleistung eingespart werden kann, hat jedoch den Nachteil, dass eine hohe Sensitivität gegenüber Umgebungslicht besteht.There are several implementation alternatives for implementing the adaptation unit according to the invention. The one hand can only be on the side of the transmitter 18th an adapted effective cross-sectional profile (spot profile) can be used. The recipient 20th has an essentially uniform sensitivity over the entire area. This embodiment results in improved energy efficiency, since laser power can be saved, but has the disadvantage that there is high sensitivity to ambient light.

Andererseits ist es möglich, dass lediglich auf der Empfängerseite eine entsprechende Anpassung des effektiven Querschnittsprofils des Lichtsignals erfolgt. Der Sender 18 ist dann dazu ausgebildet, ein Lichtsignal mit im Wesentlichen gleichförmigem Querschnitt auszusenden. Dies bewirkt, dass auch bei Vorhandensein von Umgebungslicht eine hohe Reichweite realisiert werden kann, hat aber den Nachteil, dass eine höhere Laserleistung erforderlich ist. Zuletzt besteht eine Möglichkeit darin, dass sowohl der Sender 18 als auch der Empfänger 20 dazu ausgebildet sind, ein Lichtsignal mit entsprechend angepasstem effektiven Querschnittsprofil zu verwenden. Dies führt zu einer Leistungsersparnis und zu einer reduzierten Auswirkung von Umgebungslicht.On the other hand, it is possible that a corresponding adaptation of the effective cross-sectional profile of the light signal takes place only on the receiver side. The transmitter 18th is then designed to emit a light signal with a substantially uniform cross section. This has the effect that a long range can be achieved even in the presence of ambient light, but has the disadvantage that a higher laser power is required. Finally, one possibility is that both the sender 18th as well as the recipient 20th are designed to use a light signal with a correspondingly adapted effective cross-sectional profile. This leads to a power saving and a reduced impact of ambient light.

In der 5 ist in diesem Zusammenhang beispielhaft dargestellt, dass die Anpassungseinheit 26 zwischen 2D-Scannereinheit 22 und Kombinationseinheit 24 angeordnet sein kann. An dieser Stelle kann in der Anpassungseinheit 26 sowohl eine Anpassung des ausgesendeten Lichtsignals als auch eine Anpassung des empfangenen Lichtsignals nach der Reflexion am Objekt erfolgen.In the 5 is exemplified in this context that the adjustment unit 26th between 2D scanner unit 22nd and combination unit 24 can be arranged. At this point, the adjustment unit 26th Both an adaptation of the emitted light signal and an adaptation of the received light signal take place after the reflection on the object.

In der 6 ist dargestellt, dass die Anpassungseinheit 26 zwei Teileinheiten 26a, 26b umfassen kann. Eine senderseitige Teileinheit 26a ist dabei zum Anpassen des effektiven Querschnittsprofils des ausgesendeten Lichtsignals auf der Seite des Empfängers 20 ausgebildet. Die empfängerseitige Teileinheit ist dabei zum Anpassen des effektiven Querschnittsprofils des empfangenen Lichtsignals ausgebildet. Sowohl das in der 5 gezeigte Beispiel als auch das in der 6 gezeigte Beispiel umfassen damit eine erfindungsgemäße Anpassung des effektiven Querschnittsprofils auf Seiten des Senders und des Empfängers.In the 6th is shown that the adjustment unit 26th two sub-units 26a , 26b may include. A sub-unit on the transmitter side 26a is for adapting the effective cross-sectional profile of the emitted light signal on the receiver side 20th educated. The subunit on the receiver side is designed to adapt the effective cross-sectional profile of the received light signal. Both that in the 5 example shown as well as the one in the 6th The example shown thus include an adaptation according to the invention of the effective cross-sectional profile on the part of the transmitter and the receiver.

Als Anpassungseinheit 26 kann insbesondere ein Diffusor vorgesehen sein. In einem koaxialen FMCW- oder Puls-Lidarsystem kann beispielsweise der Laserstrahl (Lichtsignal) durch eine normale Kollimationslinse geleitet werden, wodurch ein gaußförmiges Querschnittsprofil erzeugt wird. Ein Diffusor kann als separates Bauteil (Softdiffusor) oder auch als Teil einer ohnehin vorhandenen Linse implementiert werden. Durch den Diffusor wird zunächst die Spotgröße des Beleuchtungssystems vergrößert. Ein kleiner Anteil des empfangenen Lichtsignals wird von außerhalb eines Zentralbereichs zu dem Zentralbereich geleitet. Der Diffusor kann beispielsweise als leicht mattierte Oberfläche einer Linse ausgebildet sein. Hierzu kann beispielsweise ein Ätz- oder Beschichtungsprozess eingesetzt werden. Zudem kann alternativ oder zusätzlich ein holographischer Diffusor verwendet werden. Ebenfalls ist es möglich, ein diffraktives optisches Element bzw. einen Beamshaper zu verwenden.As an adjustment unit 26th In particular, a diffuser can be provided. In a coaxial FMCW or pulse lidar system, for example, the laser beam (light signal) can be passed through a normal collimation lens, thereby generating a Gaussian cross-sectional profile. A diffuser can be implemented as a separate component (soft diffuser) or as part of an existing lens. The diffuser first increases the spot size of the lighting system. A small portion of the received light signal is conducted from outside a central area to the central area. The diffuser can be designed, for example, as a slightly matted surface of a lens. For example, an etching or coating process can be used for this purpose. In addition, a holographic diffuser can alternatively or additionally be used. It is also possible to use a diffractive optical element or a beam shaper.

Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.The invention has been comprehensively described and explained with reference to the drawings and the description. The description and explanation are to be understood as examples and not restrictive. The invention is not limited to the disclosed embodiments. Other embodiments or variations will become apparent to those skilled in the art after using the present invention and after carefully analyzing the drawings, the disclosure and the following claims.

In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.In the claims, the words “comprising” and “having” do not exclude the presence of further elements or steps. The undefined article “a” or “an” does not exclude the presence of a plural. A single element or a single unit can perform the functions of several of the units mentioned in the patent claims. An element, a unit, an interface, a device and a system can be implemented partially or completely in hardware and / or in software. The mere mention of some measures in several different dependent patent claims should not be understood to mean that a combination of these measures is not also can be used advantageously. Reference signs in the claims are not to be understood as restrictive.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: Fahrzeugvehicle
1212: Lidar-MessvorrichtungLidar measuring device
1414th: Objektobject
1616: SichtfeldField of view
1818th: SenderChannel
2020th: Empfängerreceiver
2222nd: 2D-Scannereinheit2D scanner unit
2424: KombinationseinheitCombination unit
2626th: AnpassungseinheitAdjustment unit
26a26a: senderseitige Teileinheitsub-unit on the transmitter side
26b26b: empfängerseitige TeileinheitSub-unit on the receiver side

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

WO 2018/127789 A1 [0004]

Claims

Lidar measuring device (12) for detecting an object (14) in the surroundings of a vehicle (10), comprising: a transmitter (18) for emitting a light signal; a receiver (20) for receiving the light signal after reflection from the object; a 2D scanner unit (22) for scanning a field of view (16) of the lidar measuring device by deflecting the light signal in several lines (Z1, Z2, Z3); a combination unit (24) for transferring the light signal from the transmitter to the 2D scanner unit and for transferring the light signal from the 2D scanner unit to the receiver; and an adaptation unit (26) for adapting an effective cross-sectional profile (P) of the light signal in a vertical direction orthogonal to the plurality of rows, so that an effective relative power has a maximum in a center of the cross-sectional profile and at all points within a cross-sectional area with a diameter corresponding to a predefined proportion at a line spacing of several lines the effective relative power is at least 0.1 percent of the maximum.

Lidar measuring device (12) according to Claim 1 , wherein the adaptation unit (26) comprises a diffuser.

Lidar measuring device (12) according to one of the preceding claims, wherein the diffuser is designed as a holographic diffuser; is integrated into a lens and is preferably designed as a treated surface of the lens; and or is designed as a diffractive optical element.

Lidar measuring device (12) according to one of the preceding claims, wherein the adaptation unit (26) is arranged between 2D scanner unit (22) and combination unit (24).

Lidar measuring device (12) according to one of the preceding claims, wherein the adaptation unit (26) is designed in two parts and comprises a transmitter-side sub-unit for adapting the effective cross-sectional profile (P) and a receiver-side sub-unit for adapting the effective cross-sectional profile.

Lidar measuring device (12) according to one of the preceding claims, wherein the predefined proportion is at least 0.8, preferably at least 0.9 and very preferably at least 0.95.

Lidar measuring device (12) according to one of the preceding claims, wherein the adaptation unit (26) is designed to adapt the effective cross-sectional profile (P) of the light signal so that an effective total power in an inner sub-area of the cross-sectional area is greater than an effective total power in an outer one Section; the outer portion is three to ten times larger in diameter than the inner portion; and the inner portion preferably has a diameter of 0.008 ° to 0.05 ° and the outer portion preferably has a diameter of 0.08 ° to 0.15 °.

Lidar measuring device (12) according to one of the preceding claims, wherein the line spacing is between 0.05 ° and 0.15 °, preferably 0.1 °.

Lidar measuring device (12) according to one of the preceding claims, with a collimation lens which is arranged between the transmitter (18) and the adaptation unit (26), wherein the transmitter is designed to transmit a laser signal; and the collimation lens is designed to generate a Gaussian effective cross-sectional profile (P) of the laser signal.

Lidar measuring device (12) according to one of the preceding claims, wherein the combination unit (24) comprises an optical circulator.

Lidar measuring device (12) according to one of the preceding claims, wherein the 2D scanner unit (22) is designed as a microelectromechanical system, MEMS, and comprises a two-dimensionally controllable micromirror for deflecting the light signal.

Vehicle (10) with a lidar measuring device (12) according to one of the preceding claims.