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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Sperrspannungsgrenzwerts zum Betreiben einer Detektoreinheit eines aktiven optischen Sensorsystems, wobei die Detektoreinheit eine in Sperrrichtung betreibbare erste Photodiode enthält. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines an oder in einem Kraftfahrzeug montierten aktiven optischen Sensorsystems, ein aktives optisches Sensorsystem, ein Kraftfahrzeug, ein Computerprogramm sowie ein computerlesbares Speichermedium.
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Aktive optische Sensorsysteme, beispielsweise Lidarsysteme, die auch als Laserscanner bezeichnet werden können, können beispielsweise an Kraftfahrzeugen montiert werden, um vielfältige Funktionen elektronischer Fahrzeugführungssysteme oder Fahrerassistenzsysteme zu realisieren. Diese Funktionen beinhalten Abstandsmessungen, Abstandsregelalgorithmen, Spurhalteassistenten, Objekterkennungsfunktionen, Objektverfolgungsfunktionen und so weiter.
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In bekannten aktiven optischen Sensorsystemen werden beispielsweise Photodioden, wie etwa Lawinenphotodioden (englisch: „Avalanche Photodiodes“, APDs), als optische Detektoren verwendet. Die Photodioden können dabei in Sperrrichtung betrieben werden. Es liegt also eine Sperrspannung über dem pn-Übergang an, sodass bei einfallender Strahlung Elektronen-Loch-Paare entstehen, die durch das elektrische Feld aufgrund der Sperrspannung getrennt und in einen Detektorstrom konvertiert werden, der wiederum proportional zur Intensität der einfallenden Strahlung ist.
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Um die Empfindlichkeit solcher Detektoren voll auszunutzen, ist es vorteilhaft, den Betrag der Sperrspannung möglichst hoch zu wählen, ohne die Durchbruchsspannung zu überschreiten. Würde die Durchbruchsspannung überschritten, würde dies zu einem exzessiven Stromfluss durch den pn-Übergang führen, der den Detektor zerstören könnte.
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In bekannten Lidarsystemen wird die Sperrspannung beispielsweise abhängig von Rauschmessungen eingestellt. Dabei werden die Sperrspannung und damit die Empfindlichkeit des Detektors so weit erhöht, bis ein identifiziertes Rauschniveau einen akzeptablen Maximalwert überschreitet.
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Dabei ist jedoch nicht sichergestellt, dass die Sperrspannung in einem sicheren Bereich gehalten wird, sodass die Gefahr eines Überschreitens der Durchbruchsspannung hier gegeben ist.
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Lawinenphotodioden können beispielsweise bei 90 % der Durchbruchsspannung oder sogar darüber hinaus betrieben werden. Die Durchbruchsspannung kann dabei teileabhängig und auch mit der Temperatur variieren. Es ist daher von Vorteil, die Sperrspannung auf einen sicheren Bereich zu beschränken.
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In anderen Systemen wird eine Dunkelstrommessung durchgeführt und basierend auf den Ergebnissen dieser Messung sowie der Durchbruchsspannung wird ein Wert für die maximale Sperrspannung bestimmt.
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Hierbei ist es jedoch von Nachteil, dass der Grenzwert in einer Testumgebung bestimmt werden muss, nämlich bei Dunkelheit.
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In Dokument
US 7,112,777 B2 wird ein Verfahren zum Schutz optischer Empfänger vor Überlastsituationen beschrieben. Ein Betriebsparameter einer Photodiode wird dabei überwacht und es wird festgestellt, ob der überwachte Parameter darauf hinweist, dass die Photodiode in einem potentiellen Überlastzustand ist.
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Es findet jedoch vorab keine Begrenzung einer Sperrspannung auf einen definierten Sperrspannungsgrenzwert statt. Die Überlastsituation lässt sich also nicht proaktiv vermeiden.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zum Bestimmen eines Sperrspannungsgrenzwerts für eine Detektoreinheit eines aktiven optischen Sensorsystems anzugeben, um eine möglichst hohe Detektorempfindlichkeit zu erreichen, ohne dass die Durchbruchsspannung des Detektors erreicht wird und ohne dass dafür spezielle Testumgebungen erforderlich sind.
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Diese Aufgabe wird vorliegend gelöst durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen und weitere Ausgestaltungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, die Sperrspannung in einer Vielzahl aufeinanderfolgender Messzyklen schrittweise zu erhöhen und einen Sperrspannungsgrenzwert zu bestimmen, indem festgestellt wird, ob eine charakteristische Funktion der Sperrspannung ein lokales Extremum aufweist.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Sperrspannungsgrenzwerts zum Betreiben einer Detektoreinheit eines aktiven optischen Sensorsystems angegeben, wobei die Detektoreinheit eine in Sperrrichtung betreibbare erste Photodiode enthält. Mittels der Detektoreinheit wird während einer Vielzahl aufeinanderfolgender Messzyklen jeweils eine erste Messung durchgeführt, wobei bei der ersten Messung mittels der ersten Photodiode Licht erfasst wird und basierend auf dem erfassten Licht ein erstes Sensorsignal erzeugt wird. Ein Betrag einer Sperrspannung der ersten Photodiode wird dabei erhöht, sodass sich der Betrag der Sperrspannung für Messungen zweier direkt aufeinanderfolgender Messzyklen der Vielzahl aufeinanderfolgender Messzyklen um einen vorgegebenen, insbesondere konstanten, Wert unterscheidet. Mittels einer Recheneinheit, beispielsweise einer Recheneinheit des aktiven optischen Sensorsystems, wird basierend auf den ersten Sensorsignalen sämtlicher erster Messungen bestimmt, ob eine vorgegebene, von der Sperrspannung abhängige, eindimensionale charakteristische Funktion ein lokales Extremum aufweist. Der Sperrspannungsgrenzwert wird mittels der Recheneinheit basierend auf einer dem lokalen Extremum entsprechenden Extremstelle bestimmt, wenn, insbesondere nur wenn, mittels der Recheneinheit festgestellt wurde, dass die charakteristische Funktion das lokale Maximum aufweist.
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Ein aktives optisches Sensorsystem weist definitionsgemäß eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht beziehungsweise von Lichtimpulsen auf, wobei die Lichtquelle insbesondere als Laser ausgestaltet sein kann. Des Weiteren weist ein aktives optisches Sensorsystem, insbesondere die Detektoreinheit, definitionsgemäß wenigstens einen optischen Detektor, insbesondere die erste Photodiode, auf, um reflektierte Anteile des ausgesendeten Lichts zu erfassen.
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Hier und im Folgenden kann der Begriff „Licht“ derart verstanden werden, dass davon grundsätzlich elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich, im infraroten Bereich und/oder im ultravioletten Bereich umfasst ist. Dementsprechend kann auch der Begriff „optisch“ derart verstanden werden, dass er sich auf Licht nach diesem Verständnis bezieht.
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Das Licht, welches von dem aktiven optischen Sensorsystem ausgesendet wird, kann insbesondere infrarotes Licht, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 905 nm, ungefähr 905 nm, 1.200 nm oder ungefähr 1.200 nm beinhalten. Unter diesen Wellenlängenangaben kann jeweils ein Wellenlängenbereich mit einer breiteren Verteilung verstanden werden, welche für die entsprechende Lichtquelle typisch ist.
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Im vorliegenden Fall des aktiven optischen Sensorsystems kann es sich bei der Lichtquelle beispielsweise um eine Laserquelle handeln. Die genannten Wellenlängen können, im Rahmen üblicher Toleranzen, beispielsweise Maximalwellenlängen des Laserspektrums entsprechen.
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Das aktive optische Sensorsystem kann insbesondere als Lidarsystem, auch als Laserscanner bezeichnet, ausgestaltet sein.
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Die erste Photodiode kann insbesondere als Lawinenphotodiode, APD, ausgestaltet sein. Neben der ersten Photodiode kann die Detektoreinheit eine oder mehrere weitere Photodioden, insbesondere Lawinenphotodioden, aufweisen.
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Das aktive optische Sensorsystem kann beispielsweise eine Ablenkvorrichtung, beispielsweise mit einem beweglichen oder drehbar gelagerten Spiegel, beinhalten, um von der Lichtquelle erzeugte Lichtpulse kontrolliert abzulenken. In alternativen Ausführungsformen kann die Ablenkvorrichtung ein um eine oder zwei Achsen kippbares oder schwenkbares Spiegelelement zum Ablenken des Lichts aufweisen. Das Spiegelelement kann beispielsweise als mikroelektromechanisches System, MEMS, ausgestaltet sein.
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Insbesondere entspricht eine Longitudinalachse des Sensorsystems, welche beispielsweise eine x-Achse eines Sensorkoordinatensystems definiert, einer Aussenderichtung des Lichts bei einem Aussendewinkel von 0 Grad, also beispielsweise bei einer Neutralstellung der Ablenkvorrichtung. Die Ablenkvorrichtung kann von der Neutralstellung abweichende Stellungen einnehmen, um die Lichtpulse abzulenken, sodass die Lichtpulse innerhalb einer Sendeebene aus dem Sensorsystem austreten.
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Eine Querachse des Sensorsystems, welche beispielsweise eine y-Achse des Sensorkoordinatensystems definiert, liegt innerhalb der Sendeebene und steht beispielsweise senkrecht auf der Longitudinalachse, welche per Konstruktion ebenfalls innerhalb der Sendeebene liegt. Eine Normalachse des Sensorsystems steht senkrecht auf der Longitudinalachse und der Querachse des Sensorsystems. Die Normalachse des Sensorsystems definiert beispielsweise eine z-Achse des Sensorkoordinatensystems.
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Mit anderen Worten ist eine Blickrichtung oder Aussenderichtung des Sensorsystems bei Neutralstellung der Ablenkvorrichtung gleich der x-Achse des Sensorkoordinatensystems. Die Sendeebene ist durch die xy-Ebene des Sensorkoordinatensystems gegeben. Das Sensorsystem kann Licht mit unterschiedlichen Aussendewinkeln innerhalb der Sendeebene aussenden.
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Eine Einfallsrichtung des von der ersten Photodiode erfassten Lichts kann insbesondere aus einer Position und/oder Orientierung der ersten Photodiode innerhalb des Sensorsystems und einer momentanen Position der Ablenkvorrichtung, insbesondere einer Drehposition des Spiegels, bestimmt werden. Die Drehposition des Spiegels kann beispielsweise mittels eines Drehgebers erfasst werden, der mit einer Welle gekoppelt ist, die sich zusammen mit dem Spiegel um die Drehachse des Spiegels dreht.
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Dabei kann die Ablenkvorrichtung beispielsweise nicht nur zum Ablenken des ausgesendeten Lichtpulses innerhalb der Sendeebene dienen, sondern auch zum Ablenken des reflektierten Lichts derart, dass er die Detektoreinheit beziehungsweise die erste Photodiode gelenkt wird.
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Indem der Betrag der Sperrspannung der ersten Photodiode wie beschrieben erhöht wird, ergibt sich, dass der Betrag der Sperrspannung für jede Messung um den vorgegebenen Wert größer ist als bei der entsprechenden vorhergehenden Messung des vorhergehenden Messzyklus.
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Das lokale Extremum ist insbesondere ein lokales Extremum der charakteristischen Funktion als Funktion der Sperrspannung.
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Da die Sperrspannung in diskreten Schritten verändert wird, ist die charakteristische Funktion insbesondere eine diskrete Funktion der Sperrspannung. Das Extremum kann also insbesondere durch Bestimmen eines entsprechenden Differenzenquotienten der charakteristischen Funktion bestimmt werden.
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Die Werte der charakteristischen Funktion werden dabei basierend auf Messwerten, also basierend auf den entsprechenden ersten Sensorsignalen, bestimmt und die so erhaltenen Messwerte werden als Funktion der Sperrspannung interpretiert.
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Das Licht, welches während der Messungen von der ersten Photodiode erfasst wird, kann beispielsweise wenigstens zum Teil Licht entsprechen, das mittels der Lichtquelle ausgesendet wurde und von einem Objekt außerhalb des Sensorsystems oder von einem internen Objekt innerhalb des Sensorsystems, beispielsweise von Gehäusekomponenten oder sonstigen Komponenten des Sensorsystems, in Richtung der Detektoreinheit reflektiert wurde.
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Wird in der beschriebenen Art und Weise festgestellt, dass die charakteristische Funktion in dem entsprechenden Bereich der Sperrspannungen, für die die ersten Messungen durchgeführt wurden, das lokale Extremum aufweist, erfolgen insbesondere keine weiteren Messungen beziehungsweise keine weiteren Messzyklen und insbesondere erfolgt keine weitere Erhöhung der Sperrspannung.
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Der Sperrspannungsgrenzwert kann also insbesondere als Maximalwert für die Sperrspannung verstanden werden, für den ein sicherer Betrieb mit hoher Wahrscheinlichkeit gewährleistet werden kann und der insbesondere kleiner ist als die Durchbruchsspannung.
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Gemäß einem Verfahren nach dem verbesserten Konzept kann also ein Sperrspannungsgrenzwert identifiziert werden, der einen sicheren Betrieb der Detektoreinheit bei möglichst hoher Empfindlichkeit erlaubt, ohne dass die Durchbruchsspannung erreicht wird.
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Da die Bestimmung des Sperrspannungsgrenzwerts basierend auf den ersten Sensorsignalen erfolgt, kann das Verfahren vorteilhafter Weise bei normalen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden. Insbesondere ist es nicht notwendig, eine spezifische Testumgebung vorzusehen, beispielsweise um Dunkelheit zu gewährleisten.
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Nach dem verbesserten Konzept wird ausgenutzt, dass ein lokales Extremum der charakteristischen Funktion auf eine gewisse Nähe der Sperrspannung zur Durchbruchsspannung hinweist.
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Beispielsweise kann die Extremstelle gleich dem Sperrspannungsgrenzwert sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem verbesserten Konzept wird mittels der Recheneinheit für jede der ersten Messungen eine erste Echopulsweite des entsprechenden ersten Sensorsignals bestimmt und die charakteristische Funktion wird basierend auf den so bestimmten ersten Echopulsweiten bestimmt.
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Die ersten Sensorsignale weisen insbesondere Signalpulse auf, die auch als Echos bezeichnet werden können. Eine Pulsweite, also eine Zeitdauer, während der die Amplitude des entsprechenden ersten Sensorsignals oberhalb eines vordefinierten Grenzwerts ist, wird auch als Echopulsweite bezeichnet.
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Beispielsweise kann die charakteristische Funktion der Echopulsweite als Funktion der Sperrspannung entsprechen. Alternativ kann die charakteristische Funktion einer, insbesondere diskreten, ersten oder zweiten Ableitung der Echopulsweite als Funktion der Sperrspannung entsprechen.
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Ein Extremum der Echopulsweite beziehungsweise der ersten oder zweiten Ableitung der Echopulsweite weist auf eine starke Änderung oder Änderungsrate der Echopulsweite hin, was wiederum als Anzeichen für eine entsprechende Nähe zur Durchbruchsspannung gewertet werden kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet jede der ersten Messungen eine Vielzahl von ersten Einzelmessungen. Für verschiedene erste Einzelmessungen der Vielzahl von ersten Einzelmessungen wird Licht aus verschiedenen Einfallsrichtungen mittels der ersten Photodiode erfasst und es wird ein zugehöriges erstes Einzelsignal für die entsprechende Einzelmessung erzeugt. Für jedes erste Einzelsignal wird mittels der Recheneinheit eine entsprechende erste Echopulsweite bestimmt. Die charakteristische Funktion wird mittels der Recheneinheit basierend auf einer statistischen Kenngröße, insbesondere basierend auf einem Mittelwert oder einem Medianwert, der ersten Echopulsweiten der ersten Einzelsignale bestimmt.
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Mit anderen Worten entspricht jede erste Einzelmessung einer anderen Einfallsrichtung des von der ersten Photodiode erfassten Lichts.
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Im Falle eines Sensorsystems mit einer Ablenkeinheit, die, wie oben beschrieben, einen rotierenden Spiegel aufweist, entspricht jede der verschiedenen Einfallsrichtungen einer anderen Drehposition des Spiegels. Die verschiedenen Einfallsrichtungen können beispielsweise als verschiedene horizontale Ablenkwinkel interpretiert werden.
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Die charakteristische Funktion kann beispielsweise dem Mittelwert oder Medianwert über die verschiedenen ersten Echopulsweiten der ersten Einzelsignale, also über die verschiedenen Einfallsrichtungen oder horizontalen Ablenkwinkel entsprechen, beziehungsweise einer diskreten ersten oder zweiten Ableitung davon.
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Indem die charakteristische Funktion, und dementsprechend der Sperrspannungsgrenzwert, basierend auf verschiedenen Einfallsrichtungen des Lichts ermittelt wird, wird ein robusterer beziehungsweise zuverlässiger Sperrspannungsgrenzwert ermittelt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die Detektoreinheit eine in Sperrrichtung betreibbare zweite Photodiode. Mittels der Detektoreinheit wird während der Vielzahl der aufeinanderfolgenden Messzyklen jeweils eine zweite Messung durchgeführt, bei der mittels der zweiten Photodiode Licht erfasst wird und basierend auf dem erfassten Licht ein zweites Sensorsignal erzeugt wird. Während jedem der Messzyklen ist dabei ein Betrag der Sperrspannung der zweiten Photodiode gleich dem jeweiligen Betrag der Sperrspannung der ersten Photodiode. Mittels der Recheneinheit wird basierend auf den ersten Sensorsignalen und basierend auf den zweiten Sensorsignalen bestimmt, ob die charakteristische Funktion das lokale Extremum aufweist.
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Durch die Verwendung mehrerer Photodioden wird, wie oben beschrieben, zusätzlich zu den verschiedenen horizontalen Ablenkwinkeln, eine vertikale Ortsauflösung des Sensorsystems erzielt. Durch die Berücksichtigung der zweiten Photodiode beziehungsweise der entsprechenden zweiten Sensorsignale zum Bestimmen der charakteristischen Funktion beziehungsweise des Sperrspannungsgrenzwerts wird ein universellerer beziehungsweise zuverlässigerer Sperrspannungsgrenzwert erreicht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mittels der Recheneinheit für jede der zweiten Messungen eine zweite Echopulsweite des entsprechenden zweiten Sensorsignals bestimmt und die charakteristische Funktion wird basierend auf den so bestimmten zweiten Echopulsweiten und den ersten Echopulsweiten bestimmt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet jede der zweiten Messungen eine Vielzahl von zweiten Einzelmessungen, wobei für verschiedene zweite Einzelmessungen der Vielzahl von zweiten Einzelmessungen Licht aus verschiedenen Einfallsrichtungen mittels der zweiten Photodiode erfasst wird und ein zugehöriges zweites Einzelsignal erzeugt wird. Für jedes zweite Einzelsignal wird mittels der Recheneinheit eine entsprechende zweite Echopulsweite bestimmt. Die charakteristische Funktion wird mittels der Recheneinheit basierend auf einer statistischen Kenngröße, insbesondere basierend auf einem Mittelwert oder Medianwert, der zweiten Echopulsweiten der zweiten Einzelsignale bestimmt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mittels der Recheneinheit eine Summe der statistischen Kenngröße der ersten Echopulsweiten der ersten Echosignale und der statistischen Kenngröße der zweiten Echopulsweiten der zweiten Einzelsignale bestimmt und die charakteristische Funktion wird abhängig von der Summe bestimmt.
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Mit anderen Worten werden die statistischen Kenngrößen addiert und die charakteristische Funktion wird abhängig von der resultierenden Summe bestimmt.
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Die charakteristische Funktion kann beispielsweise der Summe entsprechen oder einer Funktion, welche die von der Summe abhängt oder die Summe enthält. Die charakteristische Funktion kann einer diskreten ersten oder zweiten Ableitung der Summe entsprechen beziehungsweise der Funktion, die von der Summe abhängt oder die Summe enthält.
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Das aktive optische Sensorsystem, insbesondere die Detektoreinheit, kann eine oder mehrere weitere in Sperrrichtung betreibbare Photodioden beinhalten.
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In verschiedenen Ausgestaltungsformen des Verfahrens können die beschriebenen Schritte für alle Photodioden durchgeführt werden. Die charakteristische Funktion wird dann insbesondere basierend auf den Echopulsweiten aller Einzelsignale aller Photodioden bestimmt. Insbesondere kann für alle Echopulsweiten der einzelnen Photodioden eine entsprechende statistische Kenngröße bestimmt werden und die statistischen Kenngrößen können summiert werden. Die charakteristische Funktion wird dann abhängig von der Summe bestimmt.
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Mit anderen Worten enthält die Detektoreinheit gemäß zumindest einer Ausführungsform eine Vielzahl in Sperrrichtung betreibbarer Photodioden, wobei die Vielzahl von Photodioden die erste Photodiode und die zweite Photodiode enthält. Für jede der Photodioden wird mittels der Detektoreinheit während der Vielzahl aufeinanderfolgender Messzyklen jeweils eine Messung durchgeführt, bei der mittels der entsprechenden Photodiode Licht aus verschiedenen Einfallsrichtungen erfasst wird und basierend daraus zugehörige Einzelsignale erzeugt werden. Dabei wird der Betrag der Sperrspannung aller Photodioden so erhöht, dass sich der Betrag der Sperrspannung für Messungen zweier direkt aufeinanderfolgender Messzyklen für alle Photodioden um den vorgegebenen Wert unterscheidet. Für jedes Einzelsignal aller Photodioden wird mittels der Recheneinheit eine entsprechende Echopulsweite bestimmt. Mittels der Recheneinheit wird für jede Photodiode ein statistischer Kennwert, insbesondere ein Mittelwert oder Medianwert, über alle Echopulsweiten, die zu unterschiedlichen Einfallsrichtungen gehören, gebildet. Die statistischen Kennwerte beziehungsweise Mittelwerte oder Medianwerte für alle Photodioden werden mittels der Recheneinheit summiert und die charakteristische Funktion wird mittels der Recheneinheit abhängig von den gemittelten und summierten Echopulsweiten beziehungsweise abhängig von den summierten statistischen Kennwerten bestimmt.
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In verschiedenen Ausgestaltungsformen des Sensorsystems, in denen der rotierende Spiegel vorgesehen ist, können sowohl eine Vorderseite des Spiegels als auch eine Rückseite des Spiegels genutzt werden, um Licht in Richtung der Detektoreinheit zu lenken. In solchen Ausgestaltungsformen können die verschiedenen Spiegelseiten analog zu verschiedenen Photodioden behandelt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird während eines weiteren Messzyklus im Anschluss an die Vielzahl aufeinanderfolgender Messzyklen eine weitere erste Messung durchgeführt, bei der mittels der ersten Photodiode Licht erfasst wird und basierend darauf ein weiteres erstes Sensorsignal erzeugt wird, wenn, insbesondere nur dann wenn, mittels der Recheneinheit nicht festgestellt wurde, dass die charakteristische Funktion das lokale Extremum aufweist oder wenn mittels der Recheneinheit festgestellt wurde, dass die charakteristische Funktion das lokale Extremum nicht aufweist. Der Betrag der Sperrspannung der ersten Photodiode wird für die weitere Messung um den vorgegebenen Wert erhöht, insbesondere bezüglich der Sperrspannung der vorherigen Messung, also der letzten Messung der Vielzahl aufeinanderfolgender Messzyklen.
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Mit anderen Worten wird zunächst die Vielzahl der Messzyklen durchgeführt, dann wird, wie oben beschrieben, mittels der Recheneinheit bestimmt, ob innerhalb der Vielzahl von Messzyklen das lokale Extremum auftritt und, falls dies nicht der Fall ist, wird die weitere Messung in dem weiteren Messzyklus durchgeführt. Insbesondere wird die weitere Messung nicht durchgeführt, wenn bereits aufgrund der ersten Messungen der Vielzahl von Messzyklen festgestellt wurde, dass das lokale Extremum vorliegt.
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In entsprechenden Ausführungsformen wird in dem weiteren Messzyklus bezüglich der zweiten Photodiode und gegebenenfalls der weiteren Photodioden analog verfahren, wie bezüglich der ersten Photodiode beschrieben.
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Insbesondere wird also die Sperrspannung solange um jeweils den vorgegebenen Wert schrittweise erhöht, bis das lokale Extremum identifiziert werden kann, und die Messzyklen beziehungsweise die Messungen werden dann nicht mehr weiter fortgeführt. Dadurch kann ein möglichst hoher Wert für den Sperrspannungsgrenzwert bestimmt werden und dennoch verhindert werden, dass die Durchbruchsspannung erreicht wird.
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Mit anderen Worten erfolgt die Prüfung, ob das lokale Extremum vorliegt, basierend auf einer weiteren Vielzahl von Messzyklen, welche aus der Vielzahl von Messzyklen und dem weiteren Messzyklus besteht, falls basierend auf der Vielzahl von Messzyklen noch nicht bestimmt wurde, dass das lokale Extremum vorliegt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mittels der Recheneinheit basierend auf einem bei der weiteren Messung erzeugten ersten Sensorsignal bestimmt, ob die charakteristische Funktion ein weiteres lokales Extremum aufweist und der Sperrspannungsgrenzwert wird mittels der Recheneinheit basierend auf einer dem weiteren lokalen Extremum entsprechenden Extremstelle bestimmt, wenn mittels der Recheneinheit festgestellt wurde, dass die charakteristische Funktion das weitere lokale Extremum aufweist.
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Hierbei ist anzumerken, dass der Ausdruck „weiteres lokales Extremum“ nicht impliziert, dass die charakteristische Funktion in diesem Fall mehrere lokale Extrema aufweist. Im Gegenteil wird das Vorliegend des weiteren Extremums nur dann geprüft, wenn das lokale Extremum nicht gefunden wurde. Mit anderen Worten entspricht das lokale Extremum einem basierend auf den Messungen während der Vielzahl von Messzyklen identifizierten Extremum, während das weitere Extremum einem Extremum basierend auf der Vielzahl von Messzyklen und dem weiteren Messzyklus entspricht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die bisher beschriebenen Verfahrensschritte des Verfahrens nach dem verbesserten Konzept für verschiedene Temperaturen, insbesondere Umgebungstemperaturen der Detektoreinheit, wiederholt. Für jede Temperatur wird ein entsprechender Sperrspannungsgrenzwert wie beschrieben bestimmt. In einem produktiven Betrieb des aktiven optischen Sensorsystems wird dann der Sperrspannungsgrenzwert entsprechend der tatsächlichen Umgebungstemperatur der Detektoreinheit gewählt.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines aktiven optischen Sensorsystems, insbesondere eines an einem oder in einem Kraftfahrzeug montierten aktiven optischen Sensorsystems, angegeben. Das aktive optische Sensorsystem weist eine Detektoreinheit auf, die eine in Sperrrichtung betreibbare erste Photodiode enthält. Ein Sperrspannungsgrenzwert wird mittels eines Verfahrens zum Bestimmen eines Sperrspannungsgrenzwerts nach dem verbesserten Konzept bestimmt und während des Betriebs des aktiven optischen Sensorsystems wird eine Sperrspannung der ersten Photodiode, und gegebenenfalls aller weiteren Photodioden der Detektoreinheit, entsprechend dem Sperrspannungsgrenzwert eingestellt.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum wenigstens teilweisen automatischen Führen eines Kraftfahrzeugs angegeben. Dazu wird ein in oder an dem Kraftfahrzeug montiertes aktives optisches Sensorsystem gemäß einem Verfahren zum Betreiben eines aktiven optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept betrieben. Während des Betriebs des Sensorsystems werden abhängig von einer Umgebung des Kraftfahrzeugs mittels des aktiven optischen Sensorsystems Sensordaten erzeugt. Mittels eines Steuerungssystems des Kraftfahrzeugs, beispielsweise mittels eines Steuergeräts des Kraftfahrzeugs, werden abhängig von den Sensordaten Steuerungsdaten erzeugt, um das Kraftfahrzeug wenigstens teilweise automatisch zu steuern.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein aktives optisches Sensorsystem angegeben, das eine Detektoreinheit aufweist, welche eine in Sperrrichtung betreibbare erste Photodiode enthält. Die Detektoreinheit ist dazu eingerichtet, insbesondere angesteuert durch eine Steuereinheit des Sensorsystems, während einer Vielzahl aufeinanderfolgender Messzyklen jeweils eine erste Messung durchzuführen, wobei die erste Photodiode dazu eingerichtet ist, für die jeweilige erste Messung Licht zu erfassen und basierend darauf ein erstes Sensorsignal zu erzeugen. Das Sensorsystem weist die Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, einen Betrag einer Sperrspannung der ersten Photodiode zu erhöhen, sodass sich der Betrag der Sperrspannung für Messungen zweier direkt aufeinanderfolgender Messzyklen um einen vorgegebenen Wert unterscheidet. Das Sensorsystem, beispielsweise die Steuereinheit, weist eine Recheneinheit auf, die dazu eingerichtet ist, basierend auf den ersten Sensorsignalen zu bestimmen, ob eine von der Sperrspannung abhängige eindimensionale charakteristische Funktion ein lokales Extremum aufweist und basierend auf einer dem lokalen Extremum entsprechenden Extremstelle einen Sperrspannungsgrenzwert zu bestimmen, wenn festgestellt wurde, dass die charakteristische Funktion das lokale Extremum aufweist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Sensorsystems ist das Sensorsystem als Lidarsystem oder Laserscanner ausgestaltet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die erste Photodiode als Lawinenphotodiode ausgestaltet.
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Weitere Ausführungsformen eines aktiven optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept folgen direkt aus den verschiedenen Verfahren nach dem verbesserten Konzept und umgekehrt. Insbesondere kann ein aktives optisches Sensorsystem nach dem verbesserten Konzept dazu programmiert oder eingerichtet sein, ein Verfahren nach dem verbesserten Konzept durchzuführen oder das Sensorsystem führt ein solches Verfahren durch.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein elektronisches Fahrzeugführungssystem zur wenigstens teilweise automatischen Steuerung eines Kraftfahrzeugs angegeben, das ein aktives optisches Sensorsystem nach dem verbesserten Konzept aufweist.
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Unter einem elektronischen Fahrzeugführungssystem kann hier und im Folgenden ein elektronisches System verstanden werden, das dazu eingerichtet ist, das Kraftfahrzeug vollautomatisch oder vollautonom zu führen oder zu steuern, insbesondere ohne dass ein Eingriff in eine Steuerung durch einen Fahrer erforderlich ist. Das Kraftfahrzeug beziehungsweise das elektronische Fahrzeugführungssystem führt dabei gegebenenfalls erforderliche Lenk-, Brems- und/oder Beschleunigungsmanöver selbsttätig und vollautomatisch durch. Insbesondere kann das elektronische Fahrzeugführungssystem zur Implementierung eines vollautomatischen oder vollautonomen Fahrmodus des Kraftfahrzeugs nach Stufe 5 der Klassifizierung gemäß SAE J3016 dienen. Unter einem elektronischen Fahrzeugführungssystem kann auch ein Fahrerassistenzsystem (englisch: „advanced driver assistance system‟, ADAS) verstanden werden, welches den Fahrer bei einer teilweise automatisierten oder teilautonomen Fahrt des Kraftfahrzeugs unterstützt.
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Insbesondere kann das elektronische Fahrzeugführungssystem zur Implementierung eines teilweise automatisierten oder teilautonomen Fahrmodus des Kraftfahrzeugs nach einer der Stufen 1 bis 4 gemäß der SAE J3016-Klassifizierung dienen. Hier und im Folgenden bezieht sich „SAE J3016“ auf die entsprechende Norm in der Version vom Juni 2018.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird ein Computerprogramm mit Befehlen angegeben. Wenn die Befehle durch ein aktives optisches Sensorsystem, insbesondere durch eine Recheneinheit des aktiven optischen Sensorsystems, nach dem verbesserten Konzept ausgeführt werden, veranlassen die Befehle das aktive optische Sensorsystem dazu, ein Verfahren zum Bestimmen eines Sperrspannungsgrenzwerts oder ein Verfahren zum Betreiben eines aktiven optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept durchzuführen.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird ein computerlesbares Speichermedium angegeben, auf dem ein Computerprogramm nach dem verbesserten Konzept gespeichert ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als erfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von denen abweichen.
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In den Figuren zeigen:
- 1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einer beispielhaften Ausgestaltungsform eines aktiven optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept;
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines aktiven optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept;
- 3 ein Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zum Bestimmen eines Sperrspannungsgrenzwerts nach dem verbesserten Konzept;
- 4 ein Diagramm, das schematisch Echopulsweiten als Funktion einer Sperrspannung und eines Einfallswinkels zeigt;
- 5 ein Diagramm, das eine statistische Kenngröße als Funktion einer Sperrspannung und eines Lagenindex zeigt;
- 6 ein Beispiel für eine eindimensionale sperrspannungsabhängige Funktion;
- 7 ein Beispiel für eine weitere eindimensionale sperrspannungsabhängige Funktion; und
- 8 ein Diagramm, das schematisch eine Temperaturabhängigkeit eines Sperrspannungsgrenzwerts zeigt.
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 dargestellt, das ein aktives optisches Sensorsystem 2 nach dem verbesserten Konzept aufweist.
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Die Funktionsweise des aktiven optischen Sensorsystems 2 wird im Folgenden anhand der übrigen Figuren 2 bis 8 genauer erläutert. Das Sensorsystem 2 ist insbesondere als Lidarsystem ausgestaltet.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines aktiven optischen Sensorsystems 2 nach dem verbesserten Konzept gezeigt.
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Das Sensorsystem 2 weist eine Sendeeinheit 9 auf, die beispielsweise eine Laserlichtquelle, insbesondere einen Laser zum Erzeugen infraroter Lichtpulse enthält.
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Des Weiteren weist das Sensorsystem 2 eine Detektoreinheit 3 auf, die beispielsweise eine oder mehrere Lawinenphotodioden 3a, 3b, 3c aufweist.
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Das Sensorsystem 2 weist eine Steuereinheit 5 auf, um die Sendeeinheit 9 zum Aussenden des Lichts anzusteuern.
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Das Sensorsystem 2 weist außerdem eine Ablenkvorrichtung auf, die einen Spiegel 8 enthält. Die Ablenkvorrichtung weist außerdem eine Welle 10 auf, die mit dem Spiegel 8 verbunden und entlang einer Rotationsachse angeordnet ist und drehbar gelagert ist. Dementsprechend ist der Spiegel 8 um die Rotationsachse drehbar.
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Optional weist das Sensorsystem 2 eine Linse 7 auf, die zwischen der Detektoreinheit 3 und dem Spiegel 8 angeordnet ist.
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Ein Motor (nicht gezeigt) des Sensorsystems 2 kann die Welle 10 und den Spiegel 8 in Rotation versetzen, sodass sich dieser mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit um die Rotationsachse dreht. Die Sendeeinheit 9 ist dazu eingerichtet, Licht in Richtung eines Objekts 11 auszusenden. Das Licht wird von dem Objekt 11 beispielsweise zum Teil reflektiert und das reflektierte Licht 4 kann auf den Spiegel 8 treffen, der es, je nach Drehposition oder Winkelposition, auf eine der Photodioden 3a, 3b, 3c lenkt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Photodioden 3a, 3b, 3c in 2 lediglich beispielhaft gleich drei gewählt wurde. In konkreten Ausgestaltungen des Sensorsystems 2 kann die Detektoreinheit 3 auch weniger und insbesondere auch mehr als drei Photodioden beinhalten. Zudem kann je nach Ausgestaltungsform des Sensorsystems 2 der Spiegel 8 auf Vorder- und Rückseite reflektierend sein oder nur auf einer Seite.
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In 3 ist schematisch ein Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zum Bestimmen eines Sperrspannungsgrenzwerts nach dem verbesserten Konzept dargestellt.
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In 3 sind insbesondere Verfahrensschritte S1 bis S6 dargestellt, die gemäß dem Verfahren in der Reihenfolge S1 bis S6 wiederholt für unterschiedliche Werte der Sperrspannung V durchgeführt werden. Die einzelnen Wiederholungen werden mit dem Index i gekennzeichnet, die entsprechende Sperrspannung dann mit Vi. In 3 und auch in den restlichen Figuren stellt L einen Diodenindex oder Lagenindex dar. Unterschiedliche Werte für L entsprechen also unterschiedlichen Photodioden 3a, 3b, 3c oder entsprechenden Lagen des Sensorsystems 2. In diesem Kontext wird darauf hingewiesen, dass im Folgenden davon ausgegangen wird, dass der Spiegel 8 nur auf einer Seite reflektierend ist. Für Ausgestaltungsformen, in denen Vorder- und Rückseite des Spiegels reflektierend sind, gilt das im Folgenden Erläuterte analog. Insbesondere können die beiden Spiegelseiten genauso berücksichtigt werden wie die verschiedenen Photodioden 3a, 3b, 3c, sodass sich in solchen Ausführungsformen die Anzahl der möglichen Werte für den Diodenindex L verdoppelt.
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Der Betrag der Sperrspannung V wird bei der Durchführung der einzelnen Wiederholungen i schrittweise um einen konstanten Wert erhöht. Dabei beginnt das Verfahren mit einem minimalen Betrag für die Sperrspannung V und der Betrag wird dann für jede Wiederholung i entsprechend erhöht. Je nach Ausgestaltungsform der Photodioden 3a, 3b, 3c können unterschiedliche Spannungsbereiche relevant sein. Für Lawinenphotodioden basierend auf Silizium kann der Betrag beziehungsweise der minimale Betrag für die Sperrspannung in der Größenordnung zwischen 100 und 200 V liegen und der Betrag der schrittweisen Erhöhung kann beispielsweise in der Größenordnung zwischen 1 und 5 Volt liegen.
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Im Folgenden werden die Schritte S1 bis S6 des Verfahrens genauer beschrieben, wobei davon ausgegangen wird, dass bereits eine Vielzahl von Wiederholungen i durchgeführt wurde. Der Betrag der Sperrspannung V wird also erhöht, sodass dieser nun den Betrag Vi aufweist.
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In Schritt S1 werden dann mittels aller Photodioden 3a, 3b, 3c entsprechende Einzelmessungen durchgeführt, wobei der Spiegel 8 rotiert, sodass für jeden horizontalen Einfallswinkel α und für jede Photodiode 3a, 3b, 3c eine entsprechende Einzelmessung durchgeführt wird. Dementsprechend erzeugt die Detektoreinheit 3 im Schritt S1 für jeden Diodenindex L und für jeden Einfallswinkel α ein entsprechendes Einzelsignal. Die Anzahl der Einzelsignale ist also für ein gegebenes i gleich dem Produkt der Anzahl der möglichen Einfallswinkel α mit der Anzahl der Diodenindizes L.
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Die Recheneinheit 6 bestimmt für jedes der Einzelsignale eine Echopulsweite EPW, indem es den entsprechenden Signalpuls der Einzelsignale mit einem vorgegebenen konstanten Amplitudengrenzwert vergleicht. Die Zeitdauer des Signalpulses oberhalb des Amplitudengrenzwertes entspricht der Echopulsweite EPW.
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Damit ergibt sich für gegebenen Lagenindex L ein Messergebnis, wie es schematisch und beispielhaft in 4 dargestellt ist.
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In 4 ist auf der horizontalen Achse der Einfallswinkel α aufgetragen und auf der vertikalen Achse der Betrag der Sperrspannung V, wobei der Betrag der Sperrspannung V von oben nach unten ansteigt. Die Echopulsweite EPW ist durch verschiedene Schraffuren dargestellt, wobei die Echopulsweite EPW umso höher ist, je dichter die Schraffur ist.
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Für jedes L entsprechen die Ergebnisse des Verfahrensschrittes S1 daher einer der Darstellungen in der 4.
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In Schritt S2 wird mittels der Recheneinheit 6 für jedes L bei dem aktuellen Betrag der Sperrspannung Vi eine statistische Kenngröße über alle Einfallswinkel α berechnet. Insbesondere mittelt die Recheneinheit 6 alle Echopulsweiten für gegebenes L beziehungsweise für gegebenes L und gegebene Sperrspannung Vi über alle Einfallswinkel α.
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Ein Ergebnis dieser Mittelung ist schematisch in 5 dargestellt. Hier ist auf der vertikalen Achse die über Einfallswinkel α gemittelte Echopulsweite EPW aufgetragen und die übrigen Achsen entsprechen Diodenindex L und Sperrspannung V.
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In Schritt S3 werden die gemittelten Werte für die Echopulsweite EPW über alle Diodenindizes L summiert. Es ergibt sich eine Funktion f, die unabhängig von Einfallswinkel α und Diodenindex L ist und nur noch von dem Betrag der Sperrspannung V abhängt. Diese Funktion f ist beispielhaft in 6 dargestellt.
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In Schritt S4 bestimmt die Recheneinheit 6 eine diskrete erste Ableitung f' der Funktion f, insbesondere durch Bildung eines entsprechenden Differenzenquotienten. Die diskrete Ableitung f' ist in 7 schematisch dargestellt.
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In Schritt S5 ermittelte die Recheneinheit 6, ob die erste Ableitung f' ein lokales Extremum, insbesondere ein lokales Maximum, zeigt. In 7 ist dies der Fall und die entsprechende Extremstelle ist mit Vmax und einer vertikalen Linie gekennzeichnet.
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Wird in Schritt S6 festgestellt, dass das lokale Extremum vorliegt, so wird das Verfahren mit Schritt S7 weitergeführt.
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Ist dies hingegen nicht der Fall, so wird der Wiederholungsindex i um 1 erhöht und entsprechend wird der Betrag der Sperrspannung von Vi auf Vi +1. Dann werden die Verfahrensschritte S1 bis S5 wie beschrieben wiederholt.
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In Schritt S7 wird, nachdem die Extremstelle Vmax identifiziert wurde, der Sperrspannungsgrenzwert für die Photodioden 3a, 3b, 3c dem Wert der Extremstelle Vmax gleichgesetzt.
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Das Maximum der ersten Ableitung f' deutet auf eine starke Änderung der Funktion f hin und dementsprechend auf eine starke Änderung der gemittelten und summierten Echopulsweite EPW. Es ist daher vorteilhaft, die Sperrspannung für die Photodioden 3a, 3b, 3c auf den Maximalwert Vmax zu begrenzen, um zu verhindern, dass die Photodioden 3a, 3b, 3c die Durchbruchsspannung erreichen. Gleichzeitig ermöglicht es das beschriebene Vorgehen, einen möglichst hohen Sperrspannungsgrenzwert zu identifizieren.
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In verschiedenen Ausgestaltungsformen kann es vorteilhaft sein, statt dem Maximum der ersten Ableitung f' ein Maximum einer zweiten diskreten Ableitung der Funktion f zu identifizieren und die entsprechende Extremstelle als Sperrspannungsgrenzwert zu berücksichtigen.
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Wenn das Sensorsystem 2 aktiviert ist, können die beschriebenen Schritte S1 bis S7 zur Festlegung des Sperrspannungsgrenzwerts Vmax beispielsweise alle wiederholt werden, während sich die Temperatur des Sensorsystems 2, insbesondere die Umgebungstemperatur der Detektoreinheit 3 und damit die Sperrschichttemperatur der Photodioden 3a, 3b, 3c, erhöht. Die Temperaturerhöhung kann dabei beispielsweise auf den Betrieb des Sensorsystems 2, insbesondere der Sendeeinheit 9, zurückgehen.
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So kann also für verschiedene Umgebungstemperaturen jeweils ein entsprechender Sperrspannungsgrenzwert Vmax bestimmt werden, wie dies schematisch in 8 dargestellt ist. In 8 ist auf der horizontalen Achse die Umgebungstemperatur T der Detektoreinheit 3 aufgetragen und steigt von links nach rechts an. Der Betrag des Sperrspannungsgrenzwertes Vmax ist auf der vertikalen Achse aufgetragen und steigt von oben nach unten an.
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Aus 8 ist erkennbar, dass der Zusammenhang zwischen Vmax und der Temperatur T näherungsweise linear ist, sodass der Betrag des Sperrspannungsgrenzwertes Vmax mit steigender Temperatur ansteigt. Dementsprechend kann mittels der Recheneinheit 6 beispielsweise eine Ausgleichsgerade identifiziert werden, um entsprechende Abschätzungen für den Sperrspannungsgrenzwert Vmax auch für nicht explizit getestete Temperaturen T angeben zu können.
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Wie beschrieben, ermöglicht es das verbesserte Konzept, die Sperrspannung auf einen sicheren Bereich zu begrenzen und dabei das Potential möglichst hoher Sensorempfindlichkeit auszunutzen.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird weder eine strikt dunkle Umgebung benötigt, noch müssen die entsprechenden Schritte in einer Dunkelphase durchgeführt werden. Es werden stattdessen reguläre Scanpunkte verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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