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Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung, bei denen die optischen Eigenschaften von Umgebungssensoren bei der Erfassung unter definierten Laborbedingungen und bei voller Reichweite untersucht werden können. Insbesondere betrifft die Erfindung Vorrichtungen und Verfahren zum Testen von LiDAR-Systemen.
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Stand der Technik
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Light-Detection-and-Ranging-Systeme, kurz LiDAR-Systeme, werden sich in den nächsten Jahren bei der Realisierung hochautomatisierter Fahrfunktionen etablieren. Hierbei wird Licht in die Umgebung des Systems ausgesandt und aus dem daraus zurückreflektierten Licht ein genaues Abbild der Umgebung erstellt. Die wesentlichen Komponenten eines solchen LiDAR-Systems sind eine Sendereinheit zur gerichteten Aussendung des zur Erfassung genutzten Lichtes und eine Empfängereinheit zur Detektion des Reflexionssignals.
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Bei der Sendereinheit handelt es sich zumeist um eine einzelne Lichtbeziehungsweise Laserquelle, deren gerichteter Strahl über eine mechanische Ablenkvorrichtung die Umgebung systematisch abrastert beziehungsweise abtastet. Es gibt jedoch auch sogenannte Flash-LiDAR-Systeme, bei denen ein intensiver Lichtpuls die Umgebung großflächig anstrahlt. Solche Systeme können mit oder ohne eine Ablenkvorrichtung zur Vergrößerung des FOV aufgebaut sein. Bei der Empfängereinheit kann es sich systemabhängig insbesondere um einen zur jeweiligen Abstrahlrichtung nachgeführten Einkanaldetektor (zum Beispiel APD) oder einen Bildsensor mit einer Vielzahl photoempfindlicher Bereiche (Pixel) handeln.
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Das Sichtfeld (field of view - FOV) des LiDAR-Systems wird über einzelne Kanäle erfasst. Dieses ergibt sich bei abrasternden Systemen im Allgemeinen durch die Anzahl an möglichen Rasterpositionen. Bei Flash-LiDAR-Systemen ist die Anzahl an Kanälen zumeist über die Pixelanzahl des Bildsensors festgelegt. Über die Dichte der einzelnen Kanäle wird die maximale Auflösung des Systems definiert. Die einzelnen Kanäle können also sowohl durch die Sendereinheit als auch über die Empfängereinheit festgelegt sein. Es sind jedoch auch hybride LiDAR-Systeme möglich, bei denen die einzelnen Kanäle durch die Sendereinheit und die Empfängereinheit gemeinsam festgelegt werden.
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Die typische maximale Abtastentfernung, das heißt die maximale Reichweite, für die eine Umgebungserfassung möglich ist, liegt bei etwa 100 m. Auf diese Entfernung wird bei starren Flash-LiDAR-Systemen typischerweise ein FOV mit einer maximalen horizontalen Breite von 12 m und einer vertikalen Höhe von 6 m erfasst. Insbesondere LiDAR-Systeme mit einer mechanischen Ablenkvorrichtung können jedoch auch eine horizontale 360°-Erfassung mit einem vertikalen Winkelbereich von über 90° ermöglichen. Insbesondere langreichweitige Umgebungssensoren, beispielsweise ein automotives LiDAR-System für Fahrerassistenzfunktionen oder für Funktionen des automatisierten Fahrens werden mit hoher Reichweite spezifiziert, funktionsabhängig jedoch typischerweise zwischen 60 m (Assistenzfunktionen) bis 180 m (automatisiertes Fahren).
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Bei der Entwicklung von LiDAR-System zur Umgebungserfassung müssen diese auf deren reale Erfassungseigenschaften, teilweise auch unter genau definierten Laborbedingungen, hin getestet werden. Reichweitentests für solche Umfeldsensoren werden in der Regel in offener Umgebung (zum Beispiel auf angemieteten Erprobungsbahnen) durchgeführt, da im industriellen Umfeld selten vollständig geleerte und gezielt ausgestattete Räume mit entsprechenden Raumdimensionen auffindbar sind beziehungsweise nur unter hohem Aufwand bereitgestellt werden können.
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Um Systeme zur Umgebungserfassung unter definierten Laborbedingungen testen zu können, beispielsweise ausgewählte Performance-Parameter gegenüber messbaren Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchte oder Hintergrundlicht, müssen meist für diese Aufgabe eigens neue Labore aufgebaut werden. Dies ist selbst bei einer hypothetischen Verfügbarkeit eines geeigneten Raumes sehr zeit- und kostenintensiv. Bisher müssen die oben angegeben Reichweiten daher zum Teil real in einem entsprechend großen klimakontrollierten Testlabor abgebildet werden, um unter Laborbedingungen solche reichweitenbezogenen Systemtests durchführen zu können.
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Daher können LiDAR-Systeme mit großen horizontalen und/oder vertikalen FOV über lange Sensorreichweiten aufgrund des mit großen Testlaboren verbundenen Aufwands nur in freier Umgebung bei meist nicht definierten und nicht veränderbaren Umweltbedingungen validiert werden. Die dafür benötigten Testlabore müssten hierbei an jeden zu validierenden Umfeldsensor in Größe und Form der verfügbaren Laborfläche angepasst werden. Lange Testlabore von durchschnittlich 100 m sind schwierig unterzubringen und bei einer Neuerstellung sehr kosten- und raumintensiv. Zudem können nicht als augensicher zertifizierte Prototypen aufgrund von Arbeitssicherheitsvorschriften bislang nicht in voller Reichweite getestet werden (Lasersicherheitsanforderungen).
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung nach Anspruch 1, sowie ein entsprechendes Verfahren zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung nach Anspruch 9 zur Verfügung gestellt.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung, insbesondere langreichweitigen LiDAR-Systemen, umfasst ein für die Strahlung eines zu testenden Systems transparentes Medium mit einer Brechzahl größer als der von Luft, wobei bei dem Medium entlang einer Längsachse mit einer Länge von mindestens 5 m an einem Ende ein Einkoppelbereich und an dem anderen Ende ein Endbereich ausgebildet sind und in dem Medium bei einer Einkopplung der Strahlung des zu testenden Systems in den Einkoppelbereich eine räumliche Verkürzung der maximalen Abtastentfernung des Systems gegenüber einer Ausbreitung in Luft erreicht wird.
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Unter dem Begriff LiDAR werden im Rahmen dieser Anmeldung auch laserbasierte Systeme (teilweise auch als LaDAR bezeichnet) mit erfasst. Bei einem System zur Umgebungserfassung kann es sich jedoch auch um ein Radar-System oder ähnliche Systeme auf Basis einer Abtastung der Umgebung mit elektromagnetischer Strahlung handeln. Bei einem Radar-System erfolgt beispielsweise eine zu einem LiDAR-System analoge Abtastung der Umgebung mit elektromagnetischen Wellen im Radiobereich. Die Abtaststrahlung muss jedoch nicht aus elektromagnetischen Wellen bestehen. Auf akustischen Wellen basierende Systeme zur Umgebungserfassung sind beispielsweise Sonar-Systeme. Die hierbei verwendete Strahlung liegt zumeist im Ultraschallbereich. Eine Brechzahl kann hierbei vollkommen analog zur Brechzahl bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen definiert werden.
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Die Erfindung ist daher auf sämtliche Systeme zur Umgebungserfassung anwendbar, bei denen eine räumliche Verkürzung der maximalen Abtastentfernung des Systems gegenüber einer Ausbreitung in Luft über eine Erhöhung der Brechzahl des Ausbreitungsmediums erreicht werden kann. Auch wenn im Rahmen dieser Erfindung insbesondere auf LiDAR-Systeme Bezug genommen wird, sind die anderen Systeme zur Umgebungserfassung entsprechend mitzulesen.
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Als LiDAR-Strahlung kommt im Automotive-Bereich insbesondere Strahlung aus dem nicht-sichtbaren Spektralbereich zum Einsatz. Aufgrund der geringeren Anforderungen an die Augensicherheit wird dabei zumeist Strahlung im nahinfraroten Spektralbereich, insbesondere mit Wellenlängen von etwa 800 nm bis zu etwa 2 µm verwendet. Das Medium sollte für die Strahlung vorzugsweise eine möglichst geringe Dämpfung aufweisen. Eine gegenüber einer Ausbreitung in Luft abweichende Dämpfung des Mediums kann bei der Auswertung der Testergebnisse mit erfasst werden. Insofern ist das Merkmal der Transparenz qualitativ auszulegen, das heißt, ein Medium gilt als transparent für die Strahlung, wenn die Strahlung vom Einkoppelbereich zum Endbereich transmittiert werden kann.
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Neben den optischen Eigenschaften des Mediums sind jedoch auch dessen weitere Eigenschaften, insbesondere dessen mechano-optische (beziehungsweise mechano-akkustische) Eigenschaften zu beachten und bei der Auswertung der Testergebnisse mit zu berücksichtigen. Beispielsweise kann sich eine Temperaturerhöhung des Mediums auch auf dessen Brechzahl und/oder als eine starke thermische Ausdehnung auswirken und somit die temperaturabhängigen Erfassungseigenschaften des Systems stärker beeinflussen, als dies in Luft zu erwarten wäre.
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Die zu testende Strahlung kann in das Medium entlang einer Längsachse mit einer Länge von mindestens 5 m über den Einkoppelbereich in das Medium eingekoppelt werden. Entlang der Längsachse ist am anderen Ende des Mediums ein Endbereich ausgebildet. Die Länge des Mediums kann je nach Testerfordernis kürzer oder länger als die durch das Medium verkürzte maximale Abtastentfernung des Systems sein. Eine kürzere Mediumlänge wäre beispielsweise für das ausschließliche Testen der Erfassungseigenschaften für Objekte innerhalb der spezifizierten Abtastentfernung des LiDAR-Systems sinnvoll. Eine längere Mediumlänge gestattet das Testen einer Vielzahl von unterschiedlichen Systemen zur Umgebungserfassung.
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Das Medium braucht nicht monolithisch aufgebaut sein. Äquivalent hierzu ist eine modulare Anordnung aus kleineren Elementen, welche ein durchgehendes erfindungsgemäßes Medium ausbilden. Zur Vermeidung von Reflexionen an den Grenzflächen ist eine entsprechende Antireflexbeschichtung für die Elemente bevorzugt. Ein erfindungsgemäßes Medium könnte beispielsweise modular aus kompakten Würfeln aufgebaut sein. Diese könnten je nach Testsituation unterschiedlich in einem Laborraum o.ä. angeordnet werden.
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Um eine maximale Verkürzung der Abtastentfernung zu erreichen, sollte die Brechzahl des Mediums möglichst hoch gewählt werden. Beispielsweise liegt die (optische) Brechzahl n von Luft unter Normalbedingungen bei etwa 1 (n = 1,000277 bei λ = 589 nm). Mögliche Materialien für das Medium zum Testen eines LiDAR-Systems sind daher PMMI, Quarzglas, Halit, PS, PC, Epoxidharz, Flintglas, Kohlenstoffdisulfid, Kunststoffglas, Diiodmethan, Rubin (Aluminiumoxid), Mineralglas, Glas, Bleikristall, Zirkon, Schwefel, Zinksulfid, Diamant, Anatas, Siliciumcarbid oder Rutil (Materialien nach ansteigender Brechzahl bei A = 589 nm geordnet). Die Länge des Mediums beträgt vorzugsweise mindestens 5 m, bevorzugter mindestens 10 m und noch bevorzugter mindestens 25 m.
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Vorteile der Erfindung
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Ein typisches Quarzglas (fused silica) kann beispielsweise für eine LiDAR-Strahlung bei einer Wellenlänge von etwa 950 nm einen Transmissionsgrad von ungefähr 0,9998 cm-1 (~0,1 dB/m) bei einer Brechzahl von n = 1,45 aufweisen. In Luft beträgt bei dieser Wellenlänge die entsprechende Brechzahl n = 1.000274 und die Dämpfung liegt bei etwa 0,01 dB/m. Im Medium erfolgt somit eine um den Faktor 1,45 liegende räumliche Verkürzung der Ausbreitung der LiDAR-Strahlung gegenüber einer Ausbreitung in Luft. Bei einer angenommenen maximalen Abtastentfernung von 100 m in Luft kann somit für Quarzglas die Länge des erforderlichen Freiraums auf eine Länge von unter 70 m reduziert werden. Die Abschwächung der LiDAR-Strahlung beträgt dabei pro Durchlauf durch das Medium etwa 7 dB, was einer Abschwächung der ausgesandten Strahlung auf etwa 20 % entspricht. In Luft würde eine entsprechende Abschwächung auf lediglich 80 % erfolgen.
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Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich somit auch langreichweitige Umgebungssensoren unter definierten Laborbedingungen bei voller Reichweite untersuchen beziehungsweise testen. Dies ermöglicht das Testen aller Raumwinkel auch bei langen Sensorreichweiten, ohne entsprechend lange Testgelände beziehungsweise Testlabore zur Verfügung zu haben. Eine solche Vorrichtung ist kostengünstig herstellbar, da bereits PMMI oder Glas als Medium eine signifikante Verkürzung der erforderlichen Testumgebung ergeben können. Das Volumen, in dem die Ausbreitung der Strahlung stattfindet, bleibt im Medium über lange Zeit unverändert, insbesondere frei von Verschmutzungen und ohne eine dadurch bedingte Veränderung der optischen Eigenschaften. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können reichweitenbezogene Tests unter definierten Laborbedingungen und bei vollwertiger Laserschutzumgebung realisiert werden. Durch einen vollständigen Einschluss der untersuchten Strahlung in das Medium tritt keine Mehrwegausbreitung über Raumwände auf. Es können Öffnungen zum Ein- und Auskoppeln der Sensorsignale senkrecht zur Längsachse eingebracht werden. Zudem ist das Prinzip durch geeignete Wahl des Ausbreitungsmediums, auch zum Beispiel auf Ultraschall- oder Radarbasierte Umgebungssensoren, übertragbar.
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Vorzugsweise umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen Detektor, welcher die eingekoppelte Strahlung am Endbereich des Mediums detektiert. Bei dem Detektor kann es sich um einen Einkanaldetektor oder einen Mehrkanaldetektor handeln. Der Detektor kann den gesamten Endbereich des Mediums oder auch nur Abschnitte davon erfassen. Über eine solche Detektoranordnung können beispielsweise die Intensität und das Strahlprofil der ausgesandten Strahlung erfasst werden.
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Ebenfalls bevorzugt ist, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen Reflektor umfasst, welcher die eingekoppelte Strahlung am Endbereich reflektiert. Die am Reflektor reflektierte Strahlung kann dann erneut das Medium durchlaufen und von einer Empfängereinheit des zu testenden LiDAR-Systems detektiert werden. Eine solche Anordnung erlaubt das Testen der Erfassungseigenschaften bei maximaler Abtastentfernung des Systems. Insbesondere können hierbei die Sendereinheit und die Empfängereinheit eines zu testenden LiDAR-Systems in ihrem Zusammenspiel untersucht werden. Ein entsprechender Reflektor kann auch mit einem Detektor kombiniert sein. Es kann sich hierbei insbesondere um unterschiedliche Komponenten handeln. Es kann sich jedoch auch um eine kombinierte Komponente handeln, bei der beispielsweise die Oberfläche des Detektors einen Teil der einfallenden Strahlung reflektiert.
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Vorzugsweise umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens ein in das Medium eingebettetes reflektierendes Element zur Simulation einer realen Testumgebung. Hierbei kann es sich um simulierte Umgebungsobjekte wie Personen, Häuser, Bäume oder Fahrzeuge handeln. Diese können naturgemäß nachgebildet sein oder auch als abstrakte Reflexionsobjekte (zum Beispiel einfache Spiegel) im Medium vorliegen. Die naturgemäße Nachbildung kann dabei sowohl die Form des simulierten Objektes als auch deren physikalische Eigenschaften (zum Beispiel Dichte, Oberflächentextur oder -beschaffenheit) umfassen. Eine solche Ausführungsform gestattet die vollständige Abbildung einer realitätsnahen Umgebungserfassung unter definierten Laborbedingungen. Ebenfalls möglich ist die (auch zusätzliche) Einbettung von Detektoren in das Medium.
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Vorzugsweise kann das Medium den Sichtbereich, FOV, eine Vielzahl von Kanälen oder nur eines einzelnen Kanals des Systems umfassen. Dies bedeutet insbesondere, dass sich das Medium über den kompletten FOV des Systems oder nur über Teilbereiche daraus erstrecken kann. Bei einer kompletten Erstreckung würden somit alle Kanäle des Systems in das Medium eingekoppelt werden. Da dies insbesondere bei 360°-Systemen zu einer erheblichen Mediumgröße führen kann, ist es eventuell praktikabler, nur einen Teilbereich des FOV durch das Medium abzudecken und das System wiederholt über unterschiedliche Teilbereiche zu vermessen. Beispielsweise könnte das System hierfür in Bezug zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gedreht beziehungsweise gekippt werden. Während ein Teilbereich des FOV vorzugsweise mehrere Kanäle umfasst, kann das Medium auch derart verkleinert werden, dass lediglich ein einzelner Kanal vom Medium erfasst wird. Je nach Art des zu testenden Systems kann dabei unter einem Kanal beispielsweise eine spezifische Abstrahlrichtung bei einer mechanischen Ablenkvorrichtung oder der FOV zum Beispiel eines einzelnen Pixels eines Bildsensors verstanden werden. Näheres zur Definition eines Kanals findet sich im Abschnitt zum Stand der Technik.
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Vorzugsweise vergrößern sich die Abmessungen des Mediums senkrecht zur Längsachse, das heißt in horizontaler oder vertikaler Richtung bezogen auf das FOV, vom Einkoppelbereich zum Endbereich hin. Alternativ kann das Medium quaderförmig ohne eine Anpassung an das FOV von zu testenden Systemen ausgebildet sein (zum Beispiel planparalleler Aufbau). Da hierbei jedoch zumeist große Raumbereiche von der Abtaststrahlung nicht erfasst werden, kann zur Einsparung des erforderlichen Platzbedarfs auf diese Bereiche verzichtet werden. Da sich das typische FOV eines Systems zur Umgebungserfassung mit zunehmendem Abstand vom System öffnet (Öffnungswinkel), können die Abmessungen des Mediums entsprechend angepasst werden. Insbesondere können sich hierbei die lokalen Abmessungen des Mediums senkrecht zur Längsachse in horizontaler und vertikaler Richtung unterscheiden (zum Beispiel konischer Aufbau). Dies entspricht unterschiedlichen maximalen Ausdehnungen in horizontaler und vertikaler Richtung.
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Vorzugsweise umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein Verstellsystem, dazu ausgebildet, die gegenseitige räumliche Lage von Medium und zu testendem System zu verändern. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Medium lediglich einen Teilbereich des FOV oder nur einen einzelnen Kanal eines zu testenden Systems umfasst. Um zu vermeiden, dass nach jedem abgeschlossenen Test eine manuelle Neuausrichtung des Systems erfolgen muss, kann eine Neuausrichtung durch ein entsprechendes Verstellsystem erfolgen. Dieses kann beispielsweise das zu testende System entsprechend drehen oder kippen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die gegenseitige räumliche Lage dadurch zu beeinflussen, dass die Lage des Mediums in Bezug zum zu testenden LiDAR-System verändert wird. Beispielsweise kann das Medium über das Verstellsystem in seiner Höhe beziehungsweise dem Höhenwinkel verstellt werden. Die beiden genannten Verstellmöglichkeiten können selbstverständlich auch bei Bedarf kombiniert werden. In diesem Fall kann das erfindungsgemäße Verstellsystem die räumliche Lage sowohl des Mediums als auch des zu testenden LiDAR-Systems unabhängig oder abhängig voneinander beeinflussen.
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Vorzugsweise umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vielzahl von identischen oder voneinander abweichenden Medien. Dies bedeutet, dass beispielsweise auch mehrere nicht zusammenhängende Teilbereiche des FOV eines zu testenden Systems zeitgleich mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung getestet werden können. Insbesondere, wenn die Medien jeweils nur einzelne Kanäle eines zu testenden LiDAR-Systems abdecken, kann durch eine entsprechende Kanalzusammenstellung die Testumgebung auf das Notwendigste beschränkt werden, ohne dass ungenutzte Bereiche des Mediums vorhanden sind. Voneinander abweichende Medien sind beispielsweise dann sinnvoll, wenn in einzelnen Bereichen eines FOV unterschiedliche Anforderungen an die Umgebungserfassung gestellt werden. Bei Systemen zur Umgebungserfassung in Fahrzeugen kann ein Teil des FOV auf den Boden gerichtet sein. In diesem Bereich wird demzufolge nicht die maximale Abtastentfernung realisiert, da ein Teil der ausgesandten LiDAR-Strahlung vorab von der Straße reflektiert wird. Für diese Teilbereiche des FOV kann es sinnvoll sein, ein alternatives Medium mit einer anderen Brechzahl zu verwenden.
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Die Kombination unterschiedlicher Brechzahlen kann auch innerhalb eines einzelnen Mediums realisiert werden. Ein solches Medium wird analog zu Gradientenlinsen als Gradientenmedium (oder GRIN-Medium) bezeichnet. Insbesondere kann in einem zu schmalen oder zu niedrigen Testlabor von der Raummitte zu den horizontalen oder zu den vertikalen Raumgrenzen hin ein zunehmendes Brechzahlprofil in dem Medium realisiert werden. Dies ermöglicht, dass selbst bei einem erfindungsgemäß reduzierten Raumerfordernis durch entsprechende Auslegung nicht die volle Raumbreite oder Raumhöhe im Labor vorhanden sein müssen.
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Ein weiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung, insbesondere von LiDAR-Systemen, gekennzeichnet durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst das Einkoppeln der Strahlung des zu testenden Systems in den Einkoppelbereich des Mediums, wobei eine räumliche Verkürzung der maximalen Abtastentfernung des Systems gegenüber einer Ausbreitung in Luft erreicht wird, und das Vermessen der Erfassungseigenschaften des Systems.
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Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren das Verändern der gegenseitigen räumlichen Lage des Mediums und des zu testenden Systems. Eine solche Lageveränderung kann entweder manuell oder über ein erfindungsgemäßes Verstellsystem erfolgen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Umgebungserfassung gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine schematische Darstellung der typischen Abmessungen einer Testumgebung gemäß dem Stand der Technik,
- 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung,
- 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung,
- 5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung,
- 6 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung, und
- 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Umgebungserfassung gemäß dem Stand der Technik. Bei der gezeigten Vorrichtung kann es sich insbesondere um ein LiDAR-System 10 handeln.
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Innerhalb des Sichtbereichs, FOV, des Systems 10 wird eine Abtaststrahlung in die Umgebung des Systems 10 ausgesendet. Eine Erfassung der Umgebung erfolgt dabei üblicherweise über einzelne Kanäle 12, welche in den Abbildungen vereinfacht als gerade Sichtlinien innerhalb des gezeigten FOV-Bereichs dargestellt werden. Hierbei kann es beispielsweise um die einzelne Positionen eines mechanischen Ablenksystems zur Steuerung des Abtaststrahls handeln. Objekte im Erfassungsbereich des Systems 10, das heißt innerhalb des durch die maximale Abtastentfernung Z des Systems 10 bestimmten Bereichs, stellen im weitesten Sinne reflektierende Elemente 22 dar, an denen eine einfallende Abtaststrahlung zum System 10 zurückreflektiert wird. Aus einem gemessenen Laufzeitunterschied zwischen der Aussendung und dem Empfang der Strahlung kann der genaue Abstand zwischen dem reflektierenden Element 22 und dem System 10 bestimmt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der typischen Abmessungen einer Testumgebung gemäß dem Stand der Technik. In der Darstellung sind insbesondere die Aufsicht (obere Abbildung) und die Seitenansicht (untere Abbildung) eines Laborraumes zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung gezeigt. Es wird angenommen, dass die Abmessungen der spezifizierten Sensorreichweite beziehungsweise dem vollständigen FOV eines zu testenden Systems 10 entsprechen. Die maximale Abtastentfernung Z liegt im gezeigten Beispiel bei 100 m. Die maximale Ausdehnung des Raums am Ende des Erfassungsbereichs beträgt in horizontaler Richtung 12 m und in vertikaler Richtung 6 m. Das zum Testen im Labor benötigte freie Raumvolumen würde somit bei über 7200 m3 liegen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung. Die Vorrichtung umfasst ein für die Strahlung eines zu testenden Systems 10 (zum Beispiel ein LiDAR-/LaDAR-, Radar-, oder Sonar-System) transparentes Medium 20 mit einer Brechzahl größer als der von Luft, wobei bei dem Medium 20 entlang einer Längsachse L mit einer Länge von mindestens 5 m an einem Ende ein Einkoppelbereich A und an dem anderen Ende ein Endbereich B ausgebildet ist und in dem Medium 20 bei einer Einkopplung der Strahlung des zu testenden Systems 10 in den Einkoppelbereich A eine räumliche Verkürzung der maximalen Abtastentfernung Z des Systems 10 gegenüber einer Ausbreitung in Luft erreicht wird. Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Detektor 30, welcher die eingekoppelte Strahlung am Endbereich B detektiert und/oder einen Reflektor 40, welcher die eingekoppelte Strahlung am Endbereich B reflektiert. Auf eine explizite Darstellung einzelner Kanäle 12 wurde verzichtet. Eine Kanalzuordnung könnte sich bei der gezeigten Abbildung jedoch auch beispielsweise aus der Anordnung der verschieden Detektoren 30 beziehungsweise Reflektoren 40 ergeben. Die Vorrichtung kann jedoch auch einen einzelnen Bildsensor zu Detektion mehrerer Kanäle des Systems 10 umfassen.
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Bei dieser Ausführungsform deckt das Medium 20 nur einen Teilbereich des FOV des Systems 10 ab, das heißt, das Medium 20 umfasst den Sichtbereich einer Vielzahl von Kanälen 12, jedoch nicht aller Kanäle 12. Zudem weist das Medium 20 eine sich öffnende Struktur auf, bei der sich die Abmessungen des Mediums 20 senkrecht zur Längsachse L vom Einkoppelbereich A zum Endbereich B hin vergrößern.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung. Die Darstellung entspricht weitgehend der Darstellung in 3. Die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten daher entsprechend. Im Unterschied zur 3 weist die Vorrichtung nicht nur ein einzelnes Medium 20 auf, sondern eine Vielzahl von identischen oder voneinander abweichenden Medien 20, wobei jedes einzelne Medium 20 den Sichtbereich, FOV, nur eines einzelnen Kanals 12 des Systems 10 umfasst. Dies hat den Vorteil, dass die Vorrichtung flexibel an die jeweiligen Testerfordernisse angepasst werden kann.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung. Die Darstellung entspricht weitgehend der Darstellung in 4. Die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten daher entsprechend. Im Unterschied zur 4 ist jedoch nur ein einzelnes, den Sichtbereich, FOV, nur eines einzelnen Kanals 12 des Systems 10 umfassendes, Medium 20 vorhanden. Über ein Verstellsystem 50, welches dazu ausgebildet ist, die gegenseitige räumliche Lage von Medium 20 und zu testendem System 10 zu verändern, können die einzelnen Kanäle 12 des Systems 10 nacheinander getestet werden. In der Darstellung ist die mögliche Veränderung der Höhenlage des Mediums 20 dargestellt. Alternativ oder zusätzlich kann das Verstellsystem zur Testung unterschiedlicher Kanäle 12 jedoch auch die räumliche Lage des Systems 10 in Bezug auf das Medium 20 verändern.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung. Bei dieser Ausführungsform füllt das Medium 20 den gesamten FOV des Systems 10 aus. Es handelt sich dabei um eine quaderförmige Anordnung, bei der ein Großteil des Mediums 20 nicht in das FOV des Systems 20 fällt. Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt jedoch darin, dass auch eventuell auftretende Mehrfachreflexionen bei der Strahlungsausbreitung realistisch in einer Simulationsumgebung abgebildet und untersucht werden können. Das Medium kann zudem raumfüllend in einem Testlabor ausgebildet werden. Für die Simulation einer realen Testumgebung umfasst die Vorrichtung mindestens ein in das Medium 20 eingebettetes reflektierendes Element 22.
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7 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Testen von Systemen zur Umgebungserfassung. Der erste Schritt ist das Einkoppeln der Strahlung S10 eines zu testenden Systems 10 in den Einkoppelbereich A des Mediums 20 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei eine räumliche Verkürzung der maximalen Abtastentfernung Z des Systems 10 gegenüber einer Ausbreitung in Luft erreicht wird, und anschließend das Vermessen der Erfassungseigenschaften S20 des Systems 10. Optional kann als weiterer Schritt das Verändern der gegenseitigen räumlichen Lage S30 des Mediums 20 und des zu testenden Systems 10 erfolgen.
