Die vorliegende Erfindung betrifft ein Multipuls-Lidarsystem zur Erfassung wenigstens eines Objektes in einem Beobachtungsbereich und ein Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Objekts in einem Beobachtungsbereich mithilfe eines Multipuls-Lidarsystems.The present invention relates to a multipulse lidar system for detecting at least one object in an observation area and a method for detecting at least one object in an observation area with the aid of a multipulse lidar system.
Stand der TechnikState of the art
Die DE 10 2017 223 102 A1 offenbart ein Multipuls-Lidarsystem zur Erfassung von Objekten in einem Beobachtungsbereich umfassend: eine Sendeeinrichtung mit wenigstens einer Laserquelle zum Erzeugen eines Sendelaserstrahls aus einer zeitlichen Abfolge von Einzellaserpulsen, welche jeweils einen auf einen Teil des Beobachtungsbereichs begrenzten Raumwinkel beleuchten, und in wenigstens einen Abtastpunkt abtasten; eine Empfangseinrichtung mit einer Detektionsfläche umfassend eine zeilen- oder matrixförmige Subdetektoranordnung aus mehreren in einer ersten Erstreckungsrichtung nebeneinander angeordneten Subdetektoren zum Empfangen des an Objekten im Beobachtungsbereich des Multipuls-Lidarsystems reflektieren und/oder gestreuten Sendelaserstrahls in Form eines Empfangslaserstrahls, wobei die Empfangseinrichtung ausgebildet ist, einen vom Sendelaserstrahl erfassten Abtastpunkt auf der Detektionsfläche in Form eines Bildpunkts abzubilden; eine Scaneinrichtung zum Erzeugen einer Scanbewegung des Sendelaserstrahls in einer Scanrichtung zu einer sukzessiven Abtastung des gesamten Beobachtungsbereichs entlang mehrerer in der Scanrichtung aufeinanderfolgenden Abtastpunkte, wobei die Scanbewegung des Sendelaserstrahls ausgebildet ist, einen Bildpunkt bei zeitlich nacheinander folgenden Einzellaserpulsen jeweils entlang der zeilen- oder matrixförmigen Subdetektoranordnung verschoben auf der Detektionsfläche abzubilden; und eine Steuereinrichtung zum Bestimmen von Entfernungsinformationen der Abtastpunkte anhand von Laufzeiten der jeweiligen Einzellaserpulse, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, Subdetektoren, welche von einem auf der Detektionsfläche aktuell abgebildeten Bildpunkt erfasst werden, zur gemeinsamen Auswertung zu einem dem jeweiligen Bildpunkt individuell zugeordneten Makro-Pixels zu gruppieren.The DE 10 2017 223 102 A1 discloses a multi-pulse lidar system for detecting objects in an observation area, comprising: a transmission device with at least one laser source for generating a transmission laser beam from a temporal sequence of individual laser pulses which each illuminate a solid angle limited to a part of the observation area and scan at least one scanning point; a receiving device with a detection surface comprising a line or matrix-shaped sub-detector arrangement of several sub-detectors arranged next to one another in a first direction of extent for receiving the transmitted laser beam reflected and / or scattered on objects in the observation area of the multi-pulse lidar system in the form of a received laser beam, the receiving device being designed to have a image the scanning point detected by the transmission laser beam on the detection surface in the form of an image point; a scanning device for generating a scanning movement of the transmission laser beam in a scanning direction for successive scanning of the entire observation area along several scanning points following one another in the scanning direction, the scanning movement of the transmission laser beam being formed, one image point shifted along the line or matrix-shaped sub-detector arrangement in the case of individual laser pulses following one another in time map on the detection surface; and a control device for determining distance information of the scanning points on the basis of transit times of the respective individual laser pulses, the control device being designed to assign sub-detectors, which are detected by an image point currently depicted on the detection area, for joint evaluation to a macro-pixel individually assigned to the respective image point group.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Multipuls-Lidarsystem zur Erfassung wenigstens eines Objekts in einem Beobachtungsbereich. Das Multipuls-Lidarsystem umfasst eine Sendeeinrichtung mit wenigstens einer Laserquelle zum Erzeugen eines Sendelaserstrahls aus einer zeitlichen Abfolge von mindestens zwei Einzellaserpulsen, welche jeweils einen auf einen Teil des Beobachtungsbereichs begrenzten Erfassungsbereich beleuchten, eine Empfangseinrichtung mit einer Detektionsfläche umfassend eine zeilen- oder matrixförmige Subdetektoranordnung aus mehreren in einer ersten Erstreckungsrichtung nebeneinander angeordneten Subdetektoren zum Empfangen des am Objekt im Beobachtungsbereich des Multipuls-Lidarsystems reflektierten und/oder gestreuten Sendelaserstrahls in Form eines Empfangslaserstrahls, wobei die Empfangseinrichtung ausgebildet ist, einen vom Sendelaserstrahl erfassten Erfassungsbereich auf der Detektionsfläche in Form eines Bildpunktes abzubilden. Das Multipuls-Lidarsystem umfasst weiterhin eine Scaneinrichtung zum Erzeugen einer Scanbewegung des Senderlaserstrahls und des Empfangslaserstrahls in einer Scanrichtung zu einer sukzessiven Abtastung des gesamten Beobachtungsbereichs entlang mehrerer in der Scanrichtung aufeinanderfolgender Erfassungsbereich und eine Steuereinrichtung zum Bestimmen von Entfernung Informationen der Erfassungsbereiche anhand von Laufzeiten der jeweiligen Einzellaserpulse. Die Steuereinrichtung ist hierbei dazu ausgebildet, einen Winkelbereich des Beobachtungsbereichs auszuwählen und für wenigstens einen ersten Einzellaserpuls, dass dem ein erster Erfassungsbereich beleuchtbar ist, Subdetektoren zur Auswertung zu einem ersten Makro-Pixel zu gruppieren; und für wenigstens einen zweiten Einzellaserpuls, mittels dem ein wenigstens zweiter Erfassungsbereich beleuchtbar ist, Subdetektoren zur Auswertung zu wenigstens einem zweiten Makro-Pixel zu gruppieren. Hierbei ist mittels der Subdetektoren des ersten und des wenigstens einen zweiten Makro-Pixels jeweils der ausgewählte Winkelbereich abbildbar und die Subdetektoren werden jeweils von einem auf der Detektionsfläche aktuell abgebildeten Bildpunkt erfasst.The present invention is based on a multi-pulse lidar system for detecting at least one object in an observation area. The multi-pulse lidar system comprises a transmission device with at least one laser source for generating a transmission laser beam from a time sequence of at least two individual laser pulses, which each illuminate a detection area limited to a part of the observation area, a receiving device with a detection area comprising a line or matrix-shaped sub-detector arrangement of several Sub-detectors arranged next to one another in a first extension direction for receiving the transmitted laser beam reflected and / or scattered on the object in the observation area of the multi-pulse lidar system in the form of a received laser beam, the receiving device being designed to image a detection area captured by the transmitted laser beam on the detection surface in the form of a pixel. The multi-pulse lidar system further comprises a scanning device for generating a scanning movement of the transmitter laser beam and the receiving laser beam in one scanning direction for successive scanning of the entire observation area along several detection areas that follow one another in the scanning direction and a control device for determining distance information from the detection areas based on the transit times of the respective individual laser pulses . The control device is designed to select an angular range of the observation area and to group sub-detectors for evaluation to form a first macro-pixel for at least one first individual laser pulse that can be illuminated in a first detection area; and for at least one second individual laser pulse, by means of which an at least second detection area can be illuminated, to group sub-detectors for evaluation into at least one second macro-pixel. In this case, the selected angular range can be mapped in each case by means of the sub-detectors of the first and the at least one second macro-pixel, and the sub-detectors are each recorded by a pixel currently mapped on the detection area.
Ein Multipuls-Lidarsystem ist ein Lidarsystem, bei dem ein Erfassungsbereich mittels mehrerer kurz hintereinander folgender Einzellaserpulse geringerer Leistung beleuchtet wird. Durch Aufsummieren der Einzelmessungen kann ein geeignetes Detektorsignal mit einem ausreichenden Signal-Rausch-Verhältnis erhalten werden. Im Gegensatz dazu kann ein Singlepuls-Lidarsystem jeden Erfassungsbereich mittels jeweils eines Einzellaserpulses abtasten. Hierfür sind jedoch Einzellaserpulse mit einer relativ hohen Laserleistung nötig, weshalb eine entsprechend leistungsfähige Laserquelle benötigt wird. Ein Multipuls-Lidarsystem hingegen kommt mit einer deutlich geringeren Laserleistung aus.A multi-pulse lidar system is a lidar system in which a detection area is illuminated by means of several individual laser pulses of lower power, which follow one another in rapid succession. By adding up the individual measurements, a suitable detector signal with a sufficient signal-to-noise ratio can be obtained. In contrast to this, a single-pulse lidar system can scan each detection area by means of a single laser pulse. For this, however, individual laser pulses with a relatively high laser power are required, which is why a correspondingly powerful laser source is required. A multi-pulse lidar system, on the other hand, manages with a significantly lower laser power.
Das Multipuls-Lidarsystem kann unter anderem zur Erfassung von Objekten in der Umgebung von Ego-Fahrzeugen verwendet werden. Beim Scannen kann der Sendelaserstrahl dabei sukzessive entlang einer Scanrichtung bewegt werden, wobei die im Beobachtungsbereich befindlichen Objekte erfasst werden können. Eine relative Position eines erfassten Objekts in Bezug auf ein Ego-Fahrzeug kann dabei durch einen entsprechenden Winkel des Sendelaserstrahls und einer mittels Laufzeitmessung der Einzellaserpulse ermittelte Entfernungsinformation ermittelt werden.The multi-pulse lidar system can be used, among other things, to detect objects in the vicinity of ego vehicles. During scanning, the transmission laser beam can be moved successively along a scanning direction, with the objects located in the observation area being able to be detected. A relative position of a detected object in relation to an ego vehicle can be determined by a corresponding angle of the transmitted laser beam and distance information determined by measuring the transit time of the individual laser pulses.
Die Empfangseinrichtung mit der Detektionsfläche ist insbesondere als SPAD-Detektor ausgebildet. SPAD steht hierbei für Single Photon Avalanche Photodiode. Der SPAD-Detektor kann als Subdetektoren sogenannte SPAD-Zellen aufweisen. Eine zeilenförmige Subdetektorandordnung umfasst mehrere in einer ersten Erstreckungsrichtung nebeneinander angeordnete Subdetektoren. Eine matrixförmige Subdetektorandordnung umfasst mehrere in einer ersten Erstreckungsrichtung nebeneinander angeordnete Subdetektoren und mehrere einer zweiten Erstreckungsrichtung hintereinander angeordnete Subdetektoren. The receiving device with the detection surface is designed in particular as a SPAD detector. SPAD stands for Single Photon Avalanche Photodiode. The SPAD detector can have so-called SPAD cells as sub-detectors. A line-shaped sub-detector arrangement comprises a plurality of sub-detectors arranged next to one another in a first direction of extent. A matrix-like sub-detector arrangement comprises several sub-detectors arranged next to one another in a first direction of extent and several sub-detectors arranged one behind the other in a second direction of extent.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass trotz Verwendung mehrerer Pulse für eine Messung dieselbe laterale Auflösung erzielt werden kann, wie bei einem Einzelpuls-Lidarsystem, wobei die Trennfähigkeit von Objekten verbessert ist. Es kann eine bessere Trennfähigkeit von Objekten, insbesondere in horizontaler Richtung erreicht werden. Insbesondere kleinere Objekte, wie beispielsweise verlorene Frachtstücke, in größerer Reichweite, sprich größerer Entfernung vom Multipuls-Lidarsystem können besser erfasst werden. Es kann außerdem verhindert werden, dass viel störendes Hintergrundlicht die Messungen negativ beeinflusst. Die Komponenten des Multipuls-Lidarsystems können zudem einfach implementiert werden. Der Aufwand für die Auswertung der Messdaten, wie z. B. das Bestimmen der Entfernungsinformationen kann geringgehalten werden. Benötigter Speicherplatz und Rechenaufwand können minimal gehalten werden.The advantage of the invention is that, despite the use of several pulses for a measurement, the same lateral resolution can be achieved as with a single-pulse lidar system, with the ability to separate objects being improved. A better ability to separate objects, especially in the horizontal direction, can be achieved. In particular, smaller objects, such as lost items of freight, within a greater range, i.e. greater distance from the multi-pulse lidar system, can be better detected. It can also be prevented that a lot of interfering background light has a negative impact on the measurements. The components of the multi-pulse lidar system can also be easily implemented. The effort involved in evaluating the measurement data, such as B. the determination of the distance information can be kept small. Required storage space and computing effort can be kept to a minimum.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen zweiten Makro-Pixel unabhängig vom ersten Makro-Pixel zu gruppieren. Insbesondere sind Entfernungsinformationen anhand des zweiten Makro-Pixels unabhängig vom ersten Makro-Pixel bestimmbar. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, ein erstes Histogramm für das erste Makro-Pixel zu erstellen und auszuwerten, und ein zweites Histogramm für das zweite Makro-Pixel zu erstellen und auszuwerten, wobei das zweite Histogramm unabhängig vom ersten Histogramm erstellbar und auswertbar ist. Das zweite Histogramm kann ohne Berücksichtigung des ersten Histogramms erstellbar und auswertbar sein. Mit anderen Worten, das erste Histogramm wird nicht zwischengespeichert, sondern kann unberücksichtigt bleiben. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Aufwand für die Auswertung der Messdaten geringgehalten werden kann. Es wird wenig Speicherplatz und Rechenaufwand benötigt.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that the control device is also designed to group the at least one second macro-pixel independently of the first macro-pixel. In particular, distance information can be determined on the basis of the second macro-pixel independently of the first macro-pixel. In particular, the control device is set up to create and evaluate a first histogram for the first macro-pixel and to create and evaluate a second histogram for the second macro-pixel, the second histogram being able to be created and evaluated independently of the first histogram. The second histogram can be created and evaluated without taking the first histogram into account. In other words, the first histogram is not temporarily stored but can be ignored. The advantage of this embodiment is that the effort for evaluating the measurement data can be kept low. Little storage space and computing effort are required.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sendeeinrichtung mehrere Laserquellen umfasst, deren Erfassungsbereiche orthogonal zur Scanrichtung untereinander angeordnet sind. Dabei umfasst die Detektionsfläche für jede Laserquelle eine der jeweiligen Laserquelle individuell zugeordnete Subdetektoranordnung, wobei die Subdetektoranordnungen orthogonal zur Scanrichtung untereinander angeordnet sind. Hierdurch kann die vertikale Auflösung des Lidarsystems erhöht werden.In a further embodiment it is provided that the transmission device comprises a plurality of laser sources, the detection areas of which are arranged one below the other orthogonally to the scanning direction. The detection area for each laser source comprises a sub-detector arrangement individually assigned to the respective laser source, the sub-detector arrangements being arranged one below the other orthogonally to the scanning direction. This allows the vertical resolution of the lidar system to be increased.
Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Objekts in einem Beobachtungsbereich mithilfe eines Multipuls-Lidarsystems. Das Verfahren umfasst die Schritte: Erzeugen eines Sendelaserstrahls in Form einer zeitlichen Abfolge von mindestens zwei Einzellaserpulsen, wobei der Sendelaserstrahl mit jedem einzelnen Laserpuls einen auf einen Teilabschnitt des Beobachtungsbereichs begrenzten Erfassungsbereich beleuchtet; Erzeugen einer Scanbewegung des Senderlaserstrahls und eines Empfangslaserstrahls in einer Scanrichtung, welche eine sukzessive Abtastung des gesamten Beobachtungsbereichs in mehreren in der Scanrichtung aufeinanderfolgenden Erfassungsbereichen bewirkt; Empfangen des durch Reflexion und/oder Streuung des Senderlaserstrahls am Objekt im Beobachtungsbereich erzeugten Empfangslaserstrahl auf einer Detektionsfläche mit einer zeilen-oder matrixförmigen Subdetektoranordnung aus mehreren in einer ersten Erstreckungsrichtung nebeneinander angeordneten Subdetektoren, wobei ein vom Sendelaserstrahl aktuell erfasste Erfassungsbereich auf der Detektionsfläche in Form eines Bildpunktes abgebildet wird; Auswahl eines Winkelbereichs des Beobachtungsbereichs; Gruppieren von Subdetektoren für wenigstens einen ersten Einzellaserpuls, der einen ersten Erfassungsbereich beleuchtet, zu einem ersten Makro-Pixel, und Gruppieren von Subdetektoren für wenigstens einen zweiten Einzellaserpuls, der wenigstens einen zweiten Erfassungsbereich beleuchtet, zu wenigstens einem zweiten Makro-Pixel, wobei die Subdetektoren des ersten und des wenigstens einen zweiten Makro-Pixels jeweils den ausgewählten Winkelbereich abbilden und von einem auf der Detektionsfläche jeweils aktuell abgebildeten Bildpunkt erfasst werden; und Auswerten des ersten und des wenigstens einen zweiten Makro-Pixels zur Bestimmung von Entfernungsinformationen des ausgewählten Winkelbereichs anhand von Laufzeiten der jeweiligen Einzellaserpulse.The invention is also based on a method for detecting at least one object in an observation area with the aid of a multi-pulse lidar system. The method comprises the steps of: generating a transmission laser beam in the form of a time sequence of at least two individual laser pulses, the transmission laser beam illuminating a detection area limited to a section of the observation area with each individual laser pulse; Generating a scanning movement of the transmitter laser beam and a received laser beam in a scanning direction, which causes a successive scanning of the entire observation area in several detection areas successive in the scanning direction; Receiving the received laser beam generated by reflection and / or scattering of the transmitter laser beam on the object in the observation area on a detection surface with a line or matrix-shaped sub-detector arrangement composed of several sub-detectors arranged next to one another in a first direction of extent, with a detection area currently detected by the transmission laser beam on the detection surface in the form of a pixel is mapped; Selection of an angular range of the observation area; Grouping of sub-detectors for at least one first individual laser pulse, which illuminates a first detection area, to form a first macro-pixel, and grouping of sub-detectors for at least one second individual laser pulse, which illuminates at least a second detection area, to form at least one second macro-pixel, the sub-detectors the first and the at least one second macro-pixel each image the selected angular range and are captured by an image point currently depicted on the detection surface; and evaluating the first and the at least one second macro-pixel to determine distance information of the selected angular range on the basis of transit times of the respective individual laser pulses.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gruppieren von Subdetektoren zu wenigstens einem zweiten Makro-Pixel unabhängig von der Gruppierung von Subdetektoren zum ersten Makro-Pixel erfolgt. Insbesondere werden Entfernungsinformationen anhand des zweiten Makro-Pixels unabhängig vom ersten Makro-Pixel bestimmt. Insbesondere wird ein erstes Histogramm für den ersten Makro-Pixel erstellt und ausgewertet, und ein zweites Histogramm für den zweiten Makro-Pixel unabhängig vom ersten Histogramm erstellt und ausgewertet. Das zweite Histogramm kann ohne Berücksichtigung des ersten Histogramms erstellt und ausgewertet werden. Mit anderen Worten, das erste Histogramm wird nicht zwischengespeichert, sondern kann unberücksichtigt bleiben. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Aufwand für die Auswertung der Messdaten geringgehalten werden kann. Es wird wenig Speicherplatz und Rechenaufwand benötigt.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that the grouping of sub-detectors to form at least one second macro-pixel takes place independently of the grouping of sub-detectors to form the first macro-pixel. Especially distance information is determined on the basis of the second macro-pixel independently of the first macro-pixel. In particular, a first histogram for the first macro-pixel is created and evaluated, and a second histogram for the second macro-pixel is created and evaluated independently of the first histogram. The second histogram can be created and evaluated without taking the first histogram into account. In other words, the first histogram is not temporarily stored but can be ignored. The advantage of this embodiment is that the effort for evaluating the measurement data can be kept low. Little storage space and computing effort are required.
Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.The invention is also based on a computer program which is set up to carry out all steps of the method described.
Die Erfindung geht weiterhin aus von einem maschinenlesbaren Speichermedium, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.The invention is also based on a machine-readable storage medium on which the described computer program is stored.
FigurenlisteFigure list
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen:
- 1 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Multipuls-Lidarsystems;
- 2 eine schematische Darstellung eines rotierenden Lidarsystems beim Scannen eines in seinem Beobachtungsbereich angeordneten Fahrzeuges;
- 3 Verdeutlichung der Gruppierung eines ersten und darauffolgender Makro-Pixel;
- 4-6 schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Lidarsystems zur Verdeutlichung des Abtastvorgangs eines Objektes mittels dreier aufeinander folgender Einzellaserpulse;
- 7-9 eine schematische Darstellung eines Abtastvorgangs eines Objekts;
- 10 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erfassung wenigstens eines Objekts in einem Beobachtungsbereich.
In the following, exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail with reference to the accompanying drawings. The same reference symbols in the figures denote elements that are the same or have the same effect. Show it: - 1 schematically, a perspective illustration of an embodiment of the multi-pulse lidar system;
- 2 a schematic representation of a rotating lidar system when scanning a vehicle arranged in its observation area;
- 3 Clarification of the grouping of a first and subsequent macro-pixel;
- 4-6 schematic representations of the lidar system according to the invention to illustrate the scanning process of an object by means of three consecutive individual laser pulses;
- 7-9 a schematic representation of a scanning process of an object;
- 10 an embodiment of the method for detecting at least one object in an observation area.
1 zeigt beispielhaft ein Makro-Lidarsystem 100 mit einem rotierenden Sensorkopf 101, welcher über mehrere in unterschiedlichen Winkeln angeordnete Sende- und Empfangseinheiten verfügt, wobei im vorliegenden Beispiel lediglich die Sendeeinrichtung 110 dargestellt ist. Der Sensorkopf 101 führt dabei eine rotierende Scanbewegung 122 aus, wobei die Rotationsachse 102 im vorliegenden Beispiel parallel zur Z-Achse verläuft. Bei dieser Anordnung wird die horizontale Bildauflösung des Lidarsystems durch die Rotationsbewegung und die Messrate bestimmt. Hingegen wird die vertikale Bildauflösung durch die Anzahl und den jeweiligen Winkelabstand der Empfangseinheiten definiert. Der Sensorkopf 101 führt im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine vollständige Drehung von 360° aus. Für jede Ausführungsform kann die Scanbewegung jedoch auch auf einen definierten Winkelbereich eingeschränkt sein. 1 shows an example of a macro lidar system 100 with a rotating sensor head 101 , which has several transmitting and receiving units arranged at different angles, with only the transmitting device in the present example 110 is shown. The sensor head 101 performs a rotating scanning movement 122 off, the axis of rotation 102 in the present example runs parallel to the Z-axis. With this arrangement, the horizontal image resolution of the lidar system is determined by the rotational movement and the measuring rate. In contrast, the vertical image resolution is defined by the number and the respective angular spacing of the receiving units. The sensor head 101 performs a complete rotation of 360 ° in the present exemplary embodiment. For each embodiment, however, the scanning movement can also be restricted to a defined angular range.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung des Makro-Lidarsystems 100 aus 1 während eines Scanvorgangs, bei dem ein im Beobachtungsbereich 300 des Lidarsystems 100 angeordnetes Objekt 400 (im vorliegenden Fall ein Fahrzeug) mittels einer Laserstrahlung 200 abgetastet wird. Das Lidarsystem 100 weist einen rotierenden Sensorkopf 101 auf, welcher eine Sendeeinrichtung 110 mit wenigstens einer Laserquelle 111 sowie eine Empfangseinrichtung 140 mit einer Detektionsfläche 141 umfasst. Die Detektionsfläche 141 umfasst pro Laserquelle eine zeilen- oder matrixförmige Subdetektoranordnung 143 aus mehreren in einer ersten Erstreckungsrichtung 144 nebeneinander angeordneten Subdetektoren 142n. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der 2 lediglich eine zeilenförmige Subdetektoranordnung 143 mit lediglich drei Subdetektoren 142n dargestellt.The 2 shows a schematic representation of the macro lidar system 100 out 1 during a scanning process in which a 300 of the lidar system 100 arranged object 400 (in the present case a vehicle) by means of laser radiation 200 is scanned. The lidar system 100 has a rotating sensor head 101 on which a transmitting device 110 with at least one laser source 111 as well as a receiving device 140 with a detection area 141 includes. The detection area 141 comprises a line or matrix-shaped sub-detector arrangement for each laser source 143 of several in a first direction of extent 144 side by side arranged sub-detectors 142n . For the sake of clarity, the 2 only a line-shaped sub-detector arrangement 143 with only three sub-detectors 142n shown.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst der Sensorkopf 101 ferner eine optische Abbildungseinrichtung 150. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere optische Linsenelemente handeln, mit deren Hilfe die Laserstrahlen 210, 220 in gewünschter Weise geformt werden. Ferner kann der Sensorkopf 101, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall, einen Strahlenteiler 121 zum Überlagern bzw. Trennen der Sende- und Empfangslaserstrahlen 210, 220 aufweisen. Ein solcher optischer Strahlenteiler 121 kann beispielsweise in Form eines teildurchlässigen Spiegels ausgebildet sein.In the present exemplary embodiment, the sensor head comprises 101 furthermore an optical imaging device 150 . This can be, for example, one or more optical lens elements with the aid of which the laser beams 210 , 220 be shaped in a desired manner. Furthermore, the sensor head 101 , as is the case in the present exemplary embodiment, a beam splitter 121 for superimposing or separating the transmit and receive laser beams 210 , 220 exhibit. Such an optical beam splitter 121 can for example be designed in the form of a partially transparent mirror.
Wie die 2 ferner zeigt, umfasst das Lidarsystem 100 typischerweise auch eine Steuereinrichtung 130 zum Steuern der Sende- und Empfangseinrichtungen 110, 140. Die Steuereinrichtung 130 umfasst im vorliegenden Beispiel auch eine Messeinrichtung zum Ermitteln der Laufzeiten der emittierten und wieder empfangenen Einzellaserpulse sowie eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Entfernungsinformationen der Abtastpunkte anhand der gemessenen Laufzeiten. Je nach Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 130 oder einzelne ihrer Komponenten außerhalb des Sensorkopfes 101 angeordnet und mittels entsprechender Signal- und Datenleitungen mit den jeweiligen Einrichtungen in dem Sensorkopf 101 verbunden sein. Alternativ hierzu können die Steuereinrichtung 130 oder auch einzelne ihrer Komponenten innerhalb des Sensorkopfes 101 untergebracht sein.As the 2 further shows comprises the lidar system 100 typically also a control device 130 for controlling the transmitting and receiving devices 110 , 140 . The control device 130 in the present example also comprises a measuring device for determining the transit times of the emitted and re-received individual laser pulses and an evaluation device for determining distance information from the scanning points on the basis of the measured transit times. Depending on the embodiment, the control device 130 or some of their components outside of the sensor head 101 arranged and by means of corresponding signal and data lines with the respective devices in the sensor head 101 be connected. Alternatively to this can the control device 130 or even some of their components within the sensor head 101 be housed.
Im Betrieb des Lidarsystems 100 erzeugt jede Laserquelle der Sendeeinrichtung 110 einen eigenen Sendelaserstrahl 210 in Form einer zeitlichen Abfolge kurzer Einzellaserpulse. Der Sendelaserstrahl 210 beleuchtet dabei mit jedem Einzellaserpuls einen den Erfassungsbereich 310 des jeweiligen Einzellaserpulses definierenden Raumwinkel, welcher typischerweise nur einen relativ kleinen Ausschnitt des gesamten Beobachtungsbereichs 300 des Lidarsystems 100 darstellt. Erst durch die rotierende Scanbewegung 122 und die damit einhergehende sukzessive Verschiebung der Erfassungsbereiche 310 aufeinander folgender Einzellaserpulse wird eine Abtastung des gesamten Beobachtungsbereichs 300 erzielt. In der 2 ist beispielhaft eine Mess-Sequenz mit drei zeitlich nacheinander emittierten Einzellaserpulsen sowie ihren jeweiligen Erfassungsbereichen 310-1 bis 310-3 dargestellt. Die Erfassungsbereiche 310-1 bis 310-3 sind dabei mittels einer gestrichelten Linie gezeichnet. Die Erfassungsbereiche 310-1 bis 310-3 des Sendelaserstrahls 210 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel kreisförmig dargestellt. Je nach Anwendung kann der Querschnitt des Sendelaserstrahls 210, welcher die Form eines Erfassungsbereichs 310 definiert, jedoch auch anders gestaltet sein, beispielsweise elliptisch oder annähernd quadratisch oder rechteckig. Aufgrund der Scanbewegung 122 des Sensorkopfes 101 werden die einzelnen Einzellaserpulse unter verschiedenen Winkeln emittiert, so dass der Sendelaserstrahl 210 mit seinem jeweils aktuellen Erfassungsbereich 310 in vorgegebenen Winkelschritten über das jeweils abgetastete Objekt 400 wandert.In operation of the lidar system 100 generates each laser source of the transmitter 110 its own transmit laser beam 210 in the form of a chronological sequence of short individual laser pulses. The transmit laser beam 210 illuminates the detection area with each individual laser pulse 310 of the respective individual laser pulse defining solid angle, which is typically only a relatively small section of the entire observation area 300 of the lidar system 100 represents. Only through the rotating scanning movement 122 and the associated gradual shifting of the detection areas 310 consecutive individual laser pulses are scanned over the entire observation area 300 achieved. In the 2 is an example of a measurement sequence with three individual laser pulses emitted one after the other and their respective detection areas 310-1 to 310-3 shown. The detection areas 310-1 to 310-3 are drawn with a dashed line. The detection areas 310-1 to 310-3 of the transmitted laser beam 210 are shown circular in the present embodiment. Depending on the application, the cross-section of the transmitted laser beam 210 which is the shape of a detection area 310 defined, but also designed differently, for example elliptical or approximately square or rectangular. Due to the scanning movement 122 of the sensor head 101 the individual individual laser pulses are emitted at different angles, so that the transmitted laser beam 210 with its current detection area 310 in predetermined angular steps over the object being scanned 400 wanders.
Wie in der 2 gezeigt ist, wird der an dem Objekt 400 reflektierte bzw. von dem Objekt 400 zurück gestreute Sendelaserstrahl 210 in Form eines Empfangslaserstrahls 220 im Sensorkopf 101 empfangen und auf die Detektionsfläche 141 abgebildet. Infolge der Scanbewegung 122 wird ein aktueller Erfassungsbereich 310, bei aufeinander folgenden Laserpulsen jeweils um einen definierten Abstand verschoben auf der Detektionsfläche 141 abgebildet.Like in the 2 shown is the one on the object 400 reflected from or from the object 400 transmitted laser beam scattered back 210 in the form of a receiving laser beam 220 in the sensor head 101 received and on the detection surface 141 pictured. As a result of the scanning movement 122 becomes a current detection area 310 , with successive laser pulses each shifted by a defined distance on the detection surface 141 pictured.
Die 3 zeigt ein Zeitdiagramm, mit dem die Gruppierung eines ersten und darauffolgender Makro-Pixel verdeutlicht wird. Im Unterschied zur 2 weist die Detektionsfläche 141 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine matrixförmige Subdetektoranordnung 143 auf, welche in einer ersten Erstreckungsrichtung 144 insgesamt 21 nebeneinander angeordnete Subdetektoren 142i,j und in einer zweiten Erstreckungsrichtung 145 insgesamt acht hintereinander angeordnete Subdetektoren 142i,j umfasst. Sollen Entfernungsinformationen aus einem bestimmten Winkelbereich 307 des Beobachtungsbereichs 300 erfasst werden, so wird dieser Winkelbereich 307 zunächst ausgewählt. Beispielsweise könnte dieser Winkelbereich 307, oder in anderen Worten dieser Raumwinkel, den Erfassungsbereich 310-1 aus 2 definieren. Die mittleren Subdetektoren 142i,j der Subdetektoranordnung 143, welche beispielhaft zwischen den mit der Klammer 307 markierten zwei senkrechten Linien dargestellt sind, sind im vorliegenden Beispiel dazu ausgebildet, den ausgewählten Winkelbereich 307 abzubilden.The 3 shows a timing diagram with which the grouping of a first and subsequent macro-pixel is clarified. In contrast to the 2 indicates the detection area 141 in the present exemplary embodiment a matrix-shaped sub-detector arrangement 143 on, which in a first direction of extent 144 a total of 21 sub-detectors arranged next to one another 142i , j and in a second direction of extent 145 a total of eight sub-detectors arranged one behind the other 142i , j includes. Shall distance information from a certain angular range 307 of the observation area 300 are detected, this angular range becomes 307 initially selected. For example, this angular range could 307 , or in other words this solid angle, the detection area 310-1 out 2 define. The middle sub-detectors 142i , j of the sub-detector arrangement 143 , which are exemplified between those with the bracket 307 marked two vertical lines are shown, are designed in the present example to the selected angular range 307 map.
Mittels eines ersten Einzellaserpulses wird nun ein erster Erfassungsbereich 310n beleuchtet. Ein an einem Objekt reflektierter bzw. von dem Objekt zurück gestreuter Sendelaserstrahl wird zum Zeitpunkt 301 in Form eines Empfangslaserstrahls empfangen und als Bildpunkt 230n auf die Detektionsfläche 141 abgebildet. Die unterste Subdetektoranordnung 143 verdeutlicht, welche der Subdetektoren 142i,j, die dazu ausgebildet sind, den Winkelbereich 307 abzubilden zum Zeitpunkt 301 jeweils von einem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst werden. Dies sind die dunkel schraffierten Subdetektoren 142i,j-A. Die rechts neben den Subdetektoren 142i,j-A angeordneten Subdetektoren 142i,j-B sind zwar auch dazu ausgebildet, den Winkelbereich 307 abzubilden, werden zum Zeitpunkt 301 jedoch nicht von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst. Die heller schraffierten Subdetektoren 142i,j-C, welche zum Zeitpunkt 301 links neben den Subdetektoren 142i,j-A angeordnet sind, werden zwar von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst, sind jedoch nicht dazu ausgebildet, den Winkelbereich 307 abzubilden. Die Subdetektoren 142i,j-A werden zu einem ersten Makro-Pixel 160n gruppiert. Die Signale der gruppierten Subdetektoren 142i,j-A werden gemeinsam einem dem ersten Makro-Pixel 160-1 zugeordneten Histogramm zugewiesen.A first detection area is now created by means of a first individual laser pulse 310 ad illuminated. A transmitted laser beam reflected on an object or scattered back from the object is at the point in time 301 received in the form of a receiving laser beam and as a pixel 230 AD on the detection surface 141 pictured. The lowest sub-detector array 143 shows which of the sub-detectors 142i , j, which are designed to be the angular range 307 to be mapped at the time 301 one at a time on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD are recorded. These are the dark hatched sub-detectors 142i, yes . The one to the right of the sub-detectors 142i, yes arranged sub-detectors 142i, jB are also designed to use the angular range 307 to be mapped at the time 301 but not from the one on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected. The lighter hatched sub-detectors 142i, jC which at the time 301 to the left of the sub-detectors 142i, yes are arranged, although of the on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected, but are not designed to use the angular range 307 map. The sub-detectors 142i, yes become a first macro pixel 160 n grouped. The signals from the grouped sub-detectors 142i, yes are common to the first macro-pixel 160-1 assigned histogram.
Mittels eines zweiten Einzellaserpulses wird anschließend ein zweiter Erfassungsbereich 310n beleuchtet. Ein an einem Objekt reflektierter bzw. von dem Objekt zurück gestreuter Sendelaserstrahl wird zum Zeitpunkt 302 in Form eines Empfangslaserstrahls empfangen und als Bildpunkt 230n auf die Detektionsfläche 141 abgebildet. Die zweite Subdetektoranordnung 143 von unten verdeutlicht, welche der Subdetektoren 142i,j, die dazu ausgebildet sind, den Winkelbereich 307 abzubilden zum Zeitpunkt 302 jeweils von einem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst werden. Dies sind wiederrum die dunkel schraffierten Subdetektoren 142i,j-A. Wie für den Zeitpunkt 301 beschrieben wurde, werden auch für den Zeitpunkt 302 die dunkel schraffierten Subdetektoren nun zu einem zweiten Makropixel 160-2 gruppiert. Hierbei wird der zweite Makro-Pixel 160-2 unabhängig vom ersten Makro-Pixel 160-1 gruppiert. Die Signale der für den Zeitpunkt 302 gruppierten Subdetektoren 142i,j-A werden gemeinsam einem dem zweiten Makro-Pixel 160-2 zugeordneten Histogramm zugewiesen. Das zweite Histogramm wird hierbei unabhängig vom Histogramm des ersten Makro-Pixels 160-1 erstellt und ausgewertet. Der Aufwand für die Auswertung der Messdaten kann hierdurch gering gehalten werden. Gleiches gilt für die Zeitpunkte 303 bis 306. Der Übersicht halber sind neben dem Zeitpunkt 301 nur für den Zeitpunkt 306 die Subdetektoren 142i,j-A, 142i,j-B und 142i,j-C, sowie der Bildpunkt 230n und der sechste Makro-Pixel 160-6 markiert.A second detection area is then created by means of a second individual laser pulse 310 ad illuminated. A transmitted laser beam reflected on an object or scattered back from the object is at the point in time 302 received in the form of a receiving laser beam and as a pixel 230 AD on the detection surface 141 pictured. The second sub-detector arrangement 143 from below shows which of the sub-detectors 142i, j , which are designed to define the angular range 307 to be mapped at the time 302 one at a time on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD are recorded. Again, these are the dark hatched sub-detectors 142i, yes . As for the time 301 will also be used for the date 302 the dark hatched sub-detectors now become a second macropixel 160-2 grouped. This becomes the second macro pixel 160-2 regardless of the first macro pixel 160-1 grouped. The signals the one for the time 302 grouped sub-detectors 142i, yes are common to the second macro-pixel 160-2 assigned histogram. The second histogram becomes independent of the histogram of the first macro-pixel 160-1 created and evaluated. The effort for evaluating the measurement data can be kept low as a result. The same applies to the times 303 to 306 . For the sake of clarity, next to the time 301 just for the time being 306 the sub-detectors 142i, yes , 142i, jB and 142i, jC , as well as the pixel 230 AD and the sixth macro-pixel 160-6 marked.
3 zeigt hierbei, wie durch eine Scanbewegung in der Scanrichtung 123, durch die eine sukzessiven Abtastung des gesamten Beobachtungsbereichs entlang mehrerer in der Scanrichtung 123 aufeinanderfolgender Erfassungsbereiche 310n ermöglicht wird, der Eindruck entsteht, dass der Bildpunkt 230n über die Subdetektoranordnung 143 wandert. Gleichzeitig entsteht auch der Eindruck, dass die Makropixel 160n über die Subdetektoranordnung 143, wobei sie gleichzeitig ihre Größe ändern. Die Anzahl der Subdetektoren 142i,j-A, welche für die Gruppierung zu den einzelnen Makropixeln 160n verwendet werden können, unterscheidet sich je nach Zeitpunkt 301 bis 306. So nimmt die Anzahl vom Zeitpunkt 301 zum Zeitpunkt 303 zu. Zum Zeitpunkt 303 werden beispielsweise alle Subdetektoren 142i,j, die dazu ausgebildet sind, den Winkelbereich 307 abzubilden, von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst. Zu diesem Zeitpunkt entspricht der Erfassungsbereich 310n dem Winkelbereich 307. Der Erfassungsbereich 310n liegt genau im Winkelbereich 307. Zu diesem Zeitpunkt können in diesem Beispiel alle Subdetektoren 142i,j, die dazu ausgebildet sind, den Winkelbereich 307 abzubilden, zum dritten Makro-Pixel 160-3 gruppiert werden. Vom Zeitpunkt 303 bis zum Zeitpunkt 306 nimmt die Anzahl der Subdetektoren 142i,j-A wieder ab. 3 shows here how by a scanning movement in the scanning direction 123 , by successively scanning the entire observation area along several in the scanning direction 123 successive detection areas 310 ad is made possible, the impression arises that the pixel 230 AD via the sub-detector arrangement 143 wanders. At the same time, there is also the impression that the macropixels 160 n via the sub-detector arrangement 143 , changing their size at the same time. The number of sub-detectors 142i, yes which for the grouping to the individual macropixels 160 n can be used differs depending on the time 301 to 306 . So the number increases from the point in time 301 at the time 303 to. At the time 303 for example all sub-detectors 142i , j, which are designed to be the angular range 307 map of the one on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected. At this point in time, the detection area is the same 310 ad the angular range 307 . The detection area 310 ad lies exactly in the angular range 307 . At this point, in this example, all sub-detectors 142i , j, which are designed to be the angular range 307 map to the third macro pixel 160-3 be grouped. From the time 303 until the time 306 takes the number of sub-detectors 142i, yes off again.
Die 4 bis 6 zeigen schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Lidarsystems zur Verdeutlichung des Abtastvorgangs eines Objektes mittels dreier aufeinander folgender Einzellaserpulse. Hierzu zeigen die 4 bis 6 die bereits in der 2 gezeigte kurze Scansequenz, welche die Abtastung des Fahrzeugs 400 mittels dreier Einzellaserpulse umfasst. Die 4 zeigt dabei eine erste Einzelmessung, bei der das Fahrzeug 400 mittels eines ersten Einzellaserpulses beleuchtet wird. Dieser erste Einzellaserpuls beleuchtet hierbei einen auf einen Teil des Beobachtungsbereichs 300 begrenzten ersten Erfassungsbereich 310-1. Für die in den 4 bis 6 beispielhaft gezeigte Scansequenz entspricht der Erfassungsbereich 310-1 dem ausgewählten Winkelbereich 307. Der in 4 vom Sendelaserstrahl 210 erfasste erste Erfassungsbereich 310-1 wird auf der Detektionsfläche 141 in Form eines Bildpunkts 230n abgebildet. Der Bildpunkt 230n beleuchtet dabei insgesamt 64 der Subdetektoren 142i,j der matrixförmigen Subdetektoranordnung 143, welche in 4 als die dunkel schraffierten Subdetektoren 142i,j-A markiert sind. Der erste Erfassungsbereich 310-1 liegt für die erste Einzelmessung komplett in einem ausgewählten Winkelbereich 307 des Beobachtungsbereichs 300. Mittels aller vom Bildpunkt beleuchteten Subdetektoren 142i,j-A ist somit der ausgewählte Winkelbereich 307 abbildbar. Die Subdetektoren 142i,j-A werden zur Auswertung zu einem ersten Makro-Pixel 160n gruppiert. Dieser erste Makro-Pixel 160n umfasst somit die Subdetektoren 142i,j-A, welche von einem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst werden. Die Signale der gruppierten Subdetektoren 142i,j-A werden gemeinsam einem dem ersten Makro-Pixel 160n zugeordneten Histogramm 170n zugewiesen.The 4th to 6th show schematic representations of the lidar system according to the invention to illustrate the scanning process of an object by means of three consecutive individual laser pulses. To this end, the 4th to 6th which is already in the 2 Shown short scan sequence, which is the scanning of the vehicle 400 by means of three individual laser pulses. The 4th shows a first single measurement in which the vehicle 400 is illuminated by means of a first single laser pulse. This first individual laser pulse illuminates a part of the observation area 300 limited first detection area 310-1 . For those in the 4th to 6th The scanning sequence shown as an example corresponds to the detection area 310-1 the selected angle range 307 . The in 4th from the transmit laser beam 210 captured first detection area 310-1 will be on the detection surface 141 in the form of a pixel 230 AD pictured. The pixel 230 AD illuminates a total of 64 of the sub-detectors 142i , j of the matrix-shaped sub-detector arrangement 143 , what a 4th than the dark hatched sub-detectors 142i, yes are marked. The first detection area 310-1 lies completely in a selected angular range for the first individual measurement 307 of the observation area 300 . By means of all sub-detectors illuminated by the image point 142i, yes is therefore the selected angle range 307 mapable. The sub-detectors 142i, yes become a first macro pixel for evaluation 160 n grouped. That first macro-pixel 160 n thus includes the sub-detectors 142i, yes which of one on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD are recorded. The signals from the grouped sub-detectors 142i, yes are common to the first macro-pixel 160 n assigned histogram 170 n assigned.
Bei dem in der 5 gezeigten Verfahrensstand ist der Sendelaserstrahl 210 infolge der Scanbewegung 122 in Scanrichtung 123 weitergewandert. Der aktuelle emittierte zweite Einzellaserpuls weist daher einen um einen bestimmten Winkelbetrag in Scanrichtung 123 verschobenen Erfassungsbereich 310-2 auf. Infolge dessen verschiebt sich auch die Position des ersten Bildpunkts 230n auf der Detektionsfläche 141 um einen definierten Betrag. Die Verschiebung des Bildpunkts 230n hängt dabei unmittelbar von den Abbildungseigenschaften der optischen Komponenten sowie der jeweiligen Winkeldifferenz zwischen den Einzelmessungen und damit von der Scangeschwindigkeit und der Messrate ab. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind diese Parameter so aufeinander abgestimmt, dass der Bildpunkts 230n bei nachfolgenden Einzelmessungen auf der Detektionsfläche jeweils um eine Strecke verschoben abgebildet wird, welche möglichst exakt der lateralen Breite der Subdetektoren 142i,j entspricht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Subdetektoren 142i,j-A stets eindeutig einem der Makro-Pixel 160n zugeordnet werden können. Dies gilt auch für Ausführungsformen, bei denen die Schritte, mit denen die Bildpunkte 230n bei nachfolgenden Einzelmessungen verschoben auf der Detektionsfläche abgebildet werden, einem ganzzahligen Vielfachen der lateralen Breite der Subdetektoren 142i,j betragen. Abhängig von der jeweiligen Anwendung können die entsprechenden Parameter des Lidarsystems jedoch auch so ausfallen, dass die Schritte, mit denen die Bildpunkte bei nachfolgenden Einzelmessungen verschoben auf der Detektionsfläche abgebildet werden, jeweils einem Bruchteil der lateralen Breite der Subdetektoren betragen. Darüber hinaus können auch Lidarsysteme realisiert werden, bei denen die Verschiebung der Bildpunkte 230n auf der Detektionsfläche in keinem rationalen Verhältnis zu der lateralen Breite der Subdetektoren 142i,j steht.The one in the 5 The status of the procedure shown is the transmitted laser beam 210 as a result of the scanning movement 122 in the scanning direction 123 hiked on. The currently emitted second individual laser pulse therefore has a certain angular amount in the scanning direction 123 shifted detection area 310-2 on. As a result, the position of the first pixel also shifts 230 AD on the detection surface 141 by a defined amount. The shift of the pixel 230 AD depends directly on the imaging properties of the optical components as well as the respective angular difference between the individual measurements and thus on the scanning speed and the measuring rate. In the present exemplary embodiment, these parameters are coordinated with one another in such a way that the image point 230 AD in subsequent individual measurements on the detection surface is shown shifted by a distance that is as exactly as possible the lateral width of the sub-detectors 142i , j corresponds to. This ensures that the sub-detectors 142i, yes always clearly one of the macro pixels 160 n can be assigned. This also applies to embodiments in which the steps with which the pixels 230 AD are mapped shifted on the detection surface in subsequent individual measurements, an integral multiple of the lateral width of the sub-detectors 142i , j amount. Depending on the respective application, the corresponding parameters of the lidar system can, however, also be such that the steps with which the pixels are mapped on the detection surface in a shifted manner in subsequent individual measurements each amount to a fraction of the lateral width of the sub-detectors. In addition, lidar systems can also be implemented in which the shifting of the image points 230 AD on the detection area in no rational relation to the lateral width of the sub-detectors 142i , j stands.
Der in 5 vom Sendelaserstrahl 210 erfasste erste Erfassungsbereich 310-2 wird auf der Detektionsfläche 141 in Form eines Bildpunkts 230n abgebildet. Der Bildpunkt 230n beleuchtet dabei insgesamt 64 der Subdetektoren 142i,j der matrixförmigen Subdetektoranordnung 143. Jedoch liegt der zweite Erfassungsbereich 310-2 für die zweite Einzelmessung nicht mehr komplett im ausgewählten Winkelbereich 307 des Beobachtungsbereichs 300. Nur noch die 56 Subdetektoren 142i,j-A, die dazu ausgebildet sind, den Winkelbereich 307 abzubilden, werden von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst. Die heller schraffierten Subdetektoren 142i,j-C, welche in 5 rechts neben den Subdetektoren 142i,j-A angeordnet sind, werden zwar von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst, sind jedoch nicht dazu ausgebildet, den Winkelbereich 307 abzubilden. Die links neben den Subdetektoren 142i,j-A angeordneten Subdetektoren 142i,j-B sind zwar dazu ausgebildet, den Winkelbereich 307 abzubilden, werden aktuell jedoch nicht von dem auf der Detektionsfläche 141 abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst. Die Subdetektoren 142i,j-A werden zu einem zweiten Makro-Pixel 160n gruppiert. Der zweite Makro-Pixel 160n umfasst entsprechend nur noch Informationen aus dem Teilbereich 308 des ausgewählten Winkelbereichs 307. Die Signale der gruppierten Subdetektoren 142i,j-A werden gemeinsam einem dem zweiten Makro-Pixel 160n zugeordneten zweiten Histogramm 170n zugewiesen. Das zweite Histogramm 170n wird hierbei unabhängig vom Histogramm des ersten Makro-Pixels erstellt und ausgewertet.The in 5 from the transmit laser beam 210 captured first detection area 310-2 will be on the detection surface 141 in the form of a pixel 230 AD pictured. The pixel 230 AD illuminates a total of 64 of the sub-detectors 142i , j of the matrix-shaped sub-detector arrangement 143 . However, the second detection area is 310-2 for the second single measurement no longer completely in the selected angular range 307 of the observation area 300 . Only the 56 sub-detectors 142i, yes , which are designed to define the angular range 307 to be mapped by the one on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected. The lighter hatched sub-detectors 142i, jC , what a 5 to the right of the sub-detectors 142i, yes are arranged, although of the on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected, but are not designed to use the angular range 307 map. The one to the left of the sub-detectors 142i, yes arranged sub-detectors 142i, jB are designed to use the angular range 307 to be mapped, are currently not from the one on the detection area 141 pictured pixel 230 AD detected. The sub-detectors 142i, yes become a second macro pixel 160 n grouped. The second macro pixel 160 n accordingly only includes information from the sub-area 308 of the selected angle range 307 . The signals from the grouped sub-detectors 142i, yes are common to the second macro-pixel 160 n assigned second histogram 170 n . The second histogram 170 n is created and evaluated independently of the histogram of the first macro-pixel.
Die 6 zeigt einen Verfahrensstand während einer dritten Einzelmessung, welche nach der in 5 dargestellten zweiten Einzelmessung folgt. Hierbei ist der Sendelaserstrahl infolge der Scanbewegung um einen weiteren Winkelbetrag nach rechts gewandert, so dass der zugehörigen Erfassungsbereich 310-3 nunmehr um einen weiteren Betrag gegenüber der in der 4 gezeigten ersten Einzelmessung gewandert ist. Infolge dessen verschiebt sich auch die Position des aktuellen Bildpunkts 230n auf der Detektionsfläche 141 um einen definierten Betrag. Die Verschiebung beträgt gegenüber der Situation aus 5 dem zweifachen der lateralen Breite der Subdetektoren 142i,j. Der aktuelle Bildpunkt 230n beleuchtet dabei insgesamt 64 der Subdetektoren 142i,j der matrixförmigen Subdetektoranordnung 143. Jedoch liegt der dritte Erfassungsbereich 310-3 für die dritte Einzelmessung noch weniger im ausgewählten Winkelbereich 307 des Beobachtungsbereichs 300. Nur noch die 40 Subdetektoren 142i,j-A, die dazu ausgebildet sind, den Winkelbereich 307 abzubilden, werden von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst. Die heller schraffierten Subdetektoren 142i,j-C, welche in 6 rechts neben den Subdetektoren 142i,j-A angeordnet sind, werden zwar von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst, sind jedoch nicht dazu ausgebildet, den Winkelbereich 307 abzubilden. Die links neben den Subdetektoren 142i,j-A angeordneten Subdetektoren 142i,j-B sind zwar dazu ausgebildet, den Winkelbereich 307 abzubilden, werden aktuell jedoch nicht von dem auf der Detektionsfläche 141 abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst. Die Subdetektoren 142i,j-A werden zu einem dritten Makro-Pixel 160n gruppiert. Der dritte Makro-Pixel 160n umfasst entsprechend nur noch Informationen aus dem Teilbereich 309 des ausgewählten Winkelbereichs 307. Die Signale der gruppierten Subdetektoren 142i,j-A werden gemeinsam einem dem dritten Makro-Pixel 160n zugeordneten Histogramm 170n zugewiesen. Das dritte Histogramm 170n wird hierbei unabhängig vom Histogramm des ersten Makro-Pixels und unabhängig vom Histogramm des zweiten Makro-Pixels erstellt und ausgewertet.The 6th shows a process status during a third individual measurement, which after the in 5 The second individual measurement shown follows. Here, as a result of the scanning movement, the transmission laser beam has moved to the right by a further angular amount, so that the associated detection area 310-3 now by a further amount compared to that in the 4th has hiked the first individual measurement shown. As a result, the position of the current pixel is also shifted 230 AD on the detection surface 141 by a defined amount. The shift is compared to the situation 5 twice the lateral width of the sub-detectors 142i , j. The current pixel 230 AD illuminates a total of 64 of the sub-detectors 142i , j of the matrix-shaped sub-detector arrangement 143 . However, the third detection area is 310-3 for the third individual measurement even less in the selected angular range 307 of the observation area 300 . Only the 40 sub-detectors 142i, yes , which are designed to define the angular range 307 to be mapped by the one on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected. The lighter hatched sub-detectors 142i, jC , what a 6th to the right of the sub-detectors 142i, yes are arranged, although of the on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected, but are not designed to use the angular range 307 map. The one to the left of the sub-detectors 142i, yes arranged sub-detectors 142i, jB are designed to use the angular range 307 to be mapped, are currently not from the one on the detection area 141 pictured pixel 230 AD detected. The sub-detectors 142i, yes become a third macro pixel 160 n grouped. The third macro pixel 160 n accordingly only includes information from the sub-area 309 of the selected angle range 307 . The signals from the grouped sub-detectors 142i, yes are common to the third macro-pixel 160 n assigned histogram 170 n assigned. The third histogram 170 n is created and evaluated independently of the histogram of the first macro-pixel and independently of the histogram of the second macro-pixel.
Die 7 bis 9 zeigen eine schematische Darstellung eines Abtastvorgangs eines in einem ausgewählten Winkelbereichs 307 befindlichen Objekts 400. Es wird der Zusammenhang zwischen der rotierenden Scanbewegung und der Verschiebung der Makropixel 160n über die Detektionsfläche 141 der Subdetektoranordnung 143 und die gleichzeitig veränderliche Größe der Makro-Pixel 160n verdeutlicht. Hierzu zeigen die 7 bis 9 eine drei Einzelmessungen umfassende Sequenz des Scanvorgangs. Dargestellt ist jeweils eine vereinfachte Ausführungsform des Sensorkopfes 101, wobei die Laserstrahlen 235 ohne Umlenkung durch einen Strahlenteiler mittels einer optischen Abbildungseinrichtung 150 direkt auf die Detektionsfläche 141 abgebildet werden. Der emittierte Sendelaserstrahl 210 erfasst ein im ausgewählten Winkelbereich 307 befindliches Objekt 400. Der Sendelaserstrahl 210 wird am Objekt 400 zurück reflektiert und in Form eines Empfangslaserstrahls vom Sensorkopf 101 des Lidarsystems 100 wieder empfangen. Es wird ein Bildpunkts 230n auf der Detektionsfläche 141 abgebildet. Zur besseren Veranschaulichung ist die Detektionsfläche 141, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zweidimensionale Subdetektoranordnung 143 in Form einer 12×8-Matrix ausgebildet ist, sowohl in der Seitenansicht als auch in einer Draufsicht dargestellt. Im vorliegenden Beispiel wird der Bildpunkt 230n bei jeder der in den 7 bis 9 gezeigten Einzelmessungen auf einem mittleren Bereich der Subdetektoranordnung 143 abgebildet. Dieser Bereich ist mittels des dicken Rands markiert. Beispielswiese sind nur die in diesem Bildpunkt 230n angeordneten Subdetektoren 142i,j aktiviert.The 7th to 9 show a schematic representation of a scanning process in a selected angular range 307 located object 400 . It becomes the connection between the rotating scanning movement and the displacement of the macropixels 160 n over the detection area 141 the sub-detector arrangement 143 and the simultaneously variable size of the macro pixels 160 n made clear. To this end, the 7th to 9 a sequence of the scanning process comprising three individual measurements. A simplified embodiment of the sensor head is shown in each case 101 , with the laser beams 235 without deflection by a beam splitter by means of an optical imaging device 150 directly on the detection surface 141 can be mapped. The emitted laser beam 210 captures a in the selected angular range 307 located object 400 . The transmit laser beam 210 is on the object 400 reflected back and in the form of a receiving laser beam from the sensor head 101 of the lidar system 100 received again. It becomes a pixel 230 AD on the detection surface 141 pictured. The detection area is for better illustration 141 , which in the present embodiment is a two-dimensional sub-detector arrangement 143 is in the form of a 12 × 8 matrix, shown both in the side view and in a top view. In the present example, the pixel 230 AD with each of the 7th to 9 Individual measurements shown on a central area of the sub-detector arrangement 143 pictured. This area is marked with the thick border. For example, only those are in this pixel 230 AD arranged sub-detectors 142i , j activated.
7 zeigt für die erste Einzelmessung, welche der Subdetektoren 142i,j, die dazu ausgebildet sind, den Winkelbereich 307 abzubilden, von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst werden. Dies sind die acht Subdetektoren 142i,j-A. Die acht links neben den Subdetektoren 142i,j-A angeordneten Subdetektoren 142i,j-B sind zwar auch dazu ausgebildet, den Winkelbereich 307 abzubilden, werden bei der ersten Einzelmessung jedoch nicht von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst. Die Subdetektoren 142i,j-B sind beispielsweise aktuell nicht aktiviert. Die acht rechts neben den Subdetektoren 142i,j-A angeordneten Subdetektoren 142i,j-C werden zwar von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst, sind jedoch nicht dazu ausgebildet, den Winkelbereich 307 abzubilden. Die acht Subdetektoren 142i,j-A werden zu einem ersten Makro-Pixel 160n gruppiert. Die Signale der gruppierten Subdetektoren 142i,j-A werden gemeinsam einem dem ersten Makro-Pixel 160n zugeordneten Histogramm zugewiesen. 7th shows for the first single measurement which of the sub-detectors 142i , j, which are designed to be the angular range 307 map of the one on the detection surface 141 currently shown Pixel 230 AD are recorded. These are the eight sub-detectors 142i, yes . The eight to the left of the sub-detectors 142i, yes arranged sub-detectors 142i, jB are also designed to use the angular range 307 However, in the first individual measurement, they are not different from the one on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected. The sub-detectors 142i, jB are currently not activated, for example. The eight to the right of the sub-detectors 142i, yes arranged sub-detectors 142i, jC are of the one on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected, but are not designed to use the angular range 307 map. The eight sub-detectors 142i, yes become a first macro pixel 160 n grouped. The signals from the grouped sub-detectors 142i, yes are common to the first macro-pixel 160 n assigned histogram.
Die 8 zeigt die Anordnung aus 7 bei der anschließenden zweiten Einzelmessung. Dabei ist der Sendelaserstrahl 210 infolge der Scanbewegung 122 in Scanrichtung 123 weitergewandert. In 8 sind die 16 Subdetektoren 142i,j-A dazu ausgebildet, den Winkelbereich 307 abzubilden und werden von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst. The 8th shows the arrangement 7th in the subsequent second individual measurement. Here is the transmit laser beam 210 as a result of the scanning movement 122 in the scanning direction 123 hiked on. In 8th are the 16 sub-detectors 142i, yes designed to the angular range 307 map and be different from that on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected.
Die 16 Subdetektoren 142i,j-A werden zu einem zweiten Makro-Pixel 160n gruppiert. Das zweite Makro-Pixel 160n wird unabhängig vom ersten Makropixel gruppiert. Die Signale der gruppierten Subdetektoren 142i,j-A werden gemeinsam einem dem zweiten Makro-Pixel 160n zugeordneten Histogramm zugewiesen. Der zweite Makro-Pixel 160n ist somit in Scanrichtung 123 verschoben und ist größer, sprich umfasst eine höhere Anzahl Subdetektoren 142i,j-A, als der erste Makro-Pixel 160n . Das zweite Histogramm wird unabhängig vom Histogramm des ersten Makro-Pixels erstellt und ausgewertet.The 16 Sub-detectors 142i, yes become a second macro pixel 160 n grouped. The second macro pixel 160 n is grouped independently of the first macropixel. The signals from the grouped sub-detectors 142i, yes are common to the second macro-pixel 160 n assigned histogram. The second macro pixel 160 n is therefore in the scanning direction 123 shifted and is larger, i.e. includes a higher number of sub-detectors 142i, yes , as the first macro pixel 160 n . The second histogram is created and evaluated independently of the histogram of the first macro pixel.
Die 9 zeigt die Anordnung aus den 7 und 8 bei der anschließenden dritten Einzelmessung. Dabei ist der Sendelaserstrahl 210 infolge der Scanbewegung 122 in Scanrichtung 123 weitergewandert. In 9 sind die acht Subdetektoren 142i,j-A dazu ausgebildet, den Winkelbereich 307 abzubilden und werden von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst. Die acht rechts neben den Subdetektoren 142i,j-A angeordneten Subdetektoren 142i,j-B sind zwar auch dazu ausgebildet, den Winkelbereich 307 abzubilden, werden bei der dritten Einzelmessung jedoch nicht von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst. Die Subdetektoren 142i,j-B sind beispielsweise aktuell nicht aktiviert. Die acht links neben den Subdetektoren 142i,j-A angeordneten Subdetektoren 142i,j-C werden zwar von dem auf der Detektionsfläche 141 aktuell abgebildeten Bildpunkt 230n erfasst, sind jedoch nicht dazu ausgebildet, den Winkelbereich 307 abzubilden. Die acht Subdetektoren 142i,j-A werden zu einem dritten Makro-Pixel 160n gruppiert. Das dritte Makro-Pixel 160n wird unabhängig vom ersten Makropixel und auch unabhängig vom zweiten Makro-Pixel gruppiert. Die Signale der gruppierten Subdetektoren 142i,j-A werden gemeinsam einem dem dritten Makro-Pixel 160n zugeordneten Histogramm zugewiesen. Der dritte Makro-Pixel 160n ist somit in Scanrichtung 123 verschoben und ist kleiner, sprich umfasst eine geringere Anzahl Subdetektoren 142i,j-A, als der zweite Makro-Pixel 160n . Das dritte Histogramm wird unabhängig vom Histogramm des ersten Makro-Pixels und auch unabhängig vom Histogramm des zweiten Makro-Pixels erstellt und ausgewertet.The 9 shows the arrangement from the 7th and 8th in the subsequent third individual measurement. Here is the transmit laser beam 210 as a result of the scanning movement 122 in the scanning direction 123 hiked on. In 9 are the eight sub-detectors 142i, yes designed to the angular range 307 map and be different from that on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected. The eight to the right of the sub-detectors 142i, yes arranged sub-detectors 142i, jB are also designed to use the angular range 307 are not mapped to the third individual measurement on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected. The sub-detectors 142i, jB are currently not activated, for example. The eight to the left of the sub-detectors 142i, yes arranged sub-detectors 142i, jC are of the one on the detection surface 141 currently displayed image point 230 AD detected, but are not designed to use the angular range 307 map. The eight sub-detectors 142i, yes become a third macro pixel 160 n grouped. The third macro pixel 160 n is grouped independently of the first macro-pixel and also independently of the second macro-pixel. The signals from the grouped sub-detectors 142i, yes are common to the third macro-pixel 160 n assigned histogram. The third macro pixel 160 n is therefore in the scanning direction 123 shifted and is smaller, i.e. includes a smaller number of sub-detectors 142i, yes , as the second macro pixel 160 n . The third histogram is created and evaluated independently of the histogram of the first macro-pixel and also independently of the histogram of the second macro-pixel.
Die 10 zeigt noch einmal zusammengefasst ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens 1000 zur Erfassung wenigstens eines Objekts in einem Beobachtungsbereich mithilfe eines Multipuls-Lidarsystems. Das Verfahren 1000 startet im Schritt 1001. Es umfasst die weiteren Schritte: Erzeugen 1002 eines Sendelaserstrahls in Form einer zeitlichen Abfolge von Einzellaserpulsen, wobei der Sendelaserstrahl mit jedem Einzellaserpuls einen auf einen Teilabschnitt des Beobachtungsbereichs begrenzten Erfassungsbereich beleuchtet; Erzeugen 1003 einer Scanbewegung des Sendelaserstrahls in einer Scanrichtung, welche eine sukzessive Abtastung des gesamten Beobachtungsbereichs in mehreren in der Scanrichtung aufeinanderfolgenden Erfassungsbereichen bewirkt; Empfangen 1004 eines durch Reflexion und/oder Streuung des Sendelaserstrahls am Objekt im Beobachtungsbereich erzeugten Empfangslaserstrahls auf einer Detektionsfläche mit einer zeilen- oder matrixförmigen Subdetektoranordnung aus mehreren in einer ersten Erstreckungsrichtung nebeneinander angeordneten Subdetektoren, wobei ein vom Sendelaserstrahl aktuell erfasster Erfassungsbereich auf der Detektionsfläche in Form eines Bildpunkts abgebildet wird; Auswahl 1005 eines Winkelbereichs des Beobachtungsbereichs; Gruppieren 1006 von Subdetektoren für wenigstens einen ersten Einzellaserpuls, der einen ersten Erfassungsbereich beleuchtet, zu einem ersten Makro-Pixel, und Gruppieren 1007 von Subdetektoren für wenigstens einen zweiten Einzellaserpuls, der wenigstens einen zweiten Erfassungsbereich beleuchtet, zu wenigstens einem zweiten Makro-Pixel, wobei die Subdetektoren des ersten und des wenigstens einen zweiten Makro-Pixels jeweils den ausgewählten Winkelbereich abbilden und von einem auf der Detektionsfläche jeweils aktuell abgebildeten Bildpunkt erfasst werden; und Auswerten 1008 des ersten und des wenigstens einen zweiten Makro-Pixels zur Bestimmung von Entfernungsinformationen des ausgewählten Winkelbereichs anhand von Laufzeiten der jeweiligen Einzellaserpulse. Das Verfahren endet im Schritt 1009.The 10 shows once again, in summary, an exemplary embodiment of the method 1000 for detecting at least one object in an observation area with the aid of a multi-pulse lidar system. The procedure 1000 starts in step 1001 . It includes the following steps: Generate 1002 a transmission laser beam in the form of a time sequence of individual laser pulses, the transmission laser beam illuminating a detection area limited to a partial section of the observation area with each individual laser pulse; Produce 1003 a scanning movement of the transmission laser beam in a scanning direction, which causes successive scanning of the entire observation area in several detection areas that follow one another in the scanning direction; Receive 1004 a received laser beam generated by reflection and / or scattering of the transmitted laser beam on the object in the observation area on a detection surface with a line or matrix-shaped sub-detector arrangement made up of several sub-detectors arranged next to one another in a first direction of extent, with a detection area currently detected by the transmitted laser beam being mapped onto the detection surface in the form of a pixel becomes; selection 1005 an angular range of the observation range; Group 1006 of sub-detectors for at least one first individual laser pulse, which illuminates a first detection area, to form a first macro-pixel, and grouping 1007 from sub-detectors for at least one second single laser pulse, which illuminates at least one second detection area, to at least one second macro-pixel, the sub-detectors of the first and at least one second macro-pixel each imaging the selected angular area and one currently imaged on the detection area Image point are captured; and evaluation 1008 the first and the at least one second macro-pixel for determining distance information of the selected angular range on the basis of transit times of the respective individual laser pulses. The process ends in step 1009 .
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DE 102017223102 A1 [0002]DE 102017223102 A1 [0002]
