DE102020210353A1

DE102020210353A1 - LiDAR system and method for detecting objects using the LiDAR system

Info

Publication number: DE102020210353A1
Application number: DE102020210353.4A
Authority: DE
Inventors: Mirko Hattass
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-02-17

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Detektieren von Objekten (400) in einer Umgebung (300) mithilfe eines LiDAR-Systems (100) beschrieben, bei dem eine Sendeeinrichtung (120) des LiDAR-Systems (100) eine zeitlich strukturierte Lichtstrahlung (200) in Form eines primären Lichtpulses (210) emittiert, der einen aktuellen Detektionsbereich (311) der Umgebung (400) beleuchtet. Dabei wird der von einem Objekt (400) in dem aktuellen Detektionsbereich (311) zurückreflektierte primäre Lichtpuls (210) mithilfe wenigstens eines Retroreflektors (151, 152) reflektiert, um einen sekundären Lichtpuls (230) zu erzeugen, der von dem Objekt (400) in dem aktuellen Detektionsbereich (311) zurückreflektiert wird. Der zurückreflektierten primäre Lichtpuls (220) und der zurückreflektierte sekundäre Lichtpuls (240) werden mithilfe einer Anordnung (140) aus mehreren nebeneinander angeordneten Lichtdetektoren (1411-14113) empfangen, wobei jeder Lichtdetektor (1411-14113) Lichtstrahlung (200) aus jeweils einer anderen Richtung des aktuellen Detektionsbereichs (311) detektiert. Dabei wird eine von einem Lichtdetektor (1411-14113) empfangene Lichtstrahlung (200) einem echten Objekt (400) zugeordnet, wenn der betreffende Lichtdetektor (1411-14113) sowohl den zurückreflektierten primären Lichtpuls (220) als auch den zurückreflektierten sekundären Lichtpuls (240) detektiert. Hingegen wird eine von einem Lichtdetektor (1411-14113) empfangene Lichtstrahlung (200) einem durch unerwünschte Streueffekte erzeugten Scheinreflex zugeordnet wird, wenn der betreffende Lichtdetektor (1411-14113) zwar den zurückreflektierten primären Lichtpuls (220) aber nicht auch den zurückreflektierten sekundären Lichtpuls (240) detektiert.A method for detecting objects (400) in an environment (300) using a LiDAR system (100) is described, in which a transmitting device (120) of the LiDAR system (100) transmits a time-structured light radiation (200) in the form a primary light pulse (210) that illuminates a current detection area (311) of the environment (400). The primary light pulse (210) reflected back by an object (400) in the current detection area (311) is reflected with the aid of at least one retroreflector (151, 152) in order to generate a secondary light pulse (230) which is emitted by the object (400) is reflected back in the current detection area (311). The primary light pulse (220) reflected back and the secondary light pulse (240) reflected back are received using an arrangement (140) of a plurality of light detectors (1411-14113) arranged next to one another, with each light detector (1411-14113) receiving light radiation (200) from a different one Direction of the current detection area (311) detected. A light radiation (200) received by a light detector (1411-14113) is assigned to a real object (400) if the relevant light detector (1411-14113) detects both the primary light pulse (220) reflected back and the secondary light pulse (240) reflected back. detected. On the other hand, a light radiation (200) received by a light detector (1411-14113) is assigned to an apparent reflex produced by undesired scattering effects if the relevant light detector (1411-14113) detects the primary light pulse (220) that is reflected back, but not also the secondary light pulse that is reflected back ( 240) detected.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Objekten in einer Umgebung mithilfe eines LiDAR-Systems sowie das entsprechende LiDAR-System. Ferner beträgt die Erfindung eine Sensoreinrichtung sowie eine Steuereinrichtung für das LiDAR-System.The invention relates to a method for detecting objects in an environment using a LiDAR system and the corresponding LiDAR system. Furthermore, the invention relates to a sensor device and a control device for the LiDAR system.

LiDAR-Systeme werden zur Abstandsmessung für verschiedene Einsatzzwecke verwendet, zum Beispiel in der Vermessung, für militärische Anwendungen, sowie zunehmend auch im Automotive-Bereich (autonomes Fahren) und im Endverbrauchermarkt (Consumer-Markt). Einen wesentlichen Bestandteil eines LiDAR-Systems stellt dabei ein LiDAR-Sensor mit einer speziellen Lichtquelle (vorzugsweise ein Laser) dar, die ein zeitlich strukturiertes Lichtsignal aussendet. Das emittierte Licht wird an Objekten in der Umgebung reflektiert und von einer Empfangseinheit des LiDAR-Sensors detektiert. Die Entfernung des LiDAR-Sensors zum Objekt wird dabei anhand der Laufzeit des Signals berechnet. Ein häufig verwendetes Verfahren stellt das „direct Time-of-Flight“ dar, bei dem ein einzelner Lichtpuls ausgesendet wird und anschließend dessen Laufzeit bestimmt wird. Um einen Laserstrahl über eine Szene zu bewegen, existieren mehrere Verfahren. Der Laser kann hierfür zum Beispiel auf einem Rotor platziert werden, sodass der Laserstrahl periodisch in verschiedene Richtungen bewegt wird und den betrachteten Bereich der Umgebung dabei zeilenweise abtastet.LiDAR systems are used for distance measurement for various purposes, for example in surveying, for military applications, and increasingly also in the automotive sector (autonomous driving) and in the end user market (consumer market). A key component of a LiDAR system is a LiDAR sensor with a special light source (preferably a laser) that emits a time-structured light signal. The emitted light is reflected by objects in the area and detected by a receiving unit of the LiDAR sensor. The distance from the LiDAR sensor to the object is calculated based on the propagation time of the signal. A frequently used method is the "direct time-of-flight", in which a single light pulse is emitted and its transit time is then determined. There are several methods for moving a laser beam across a scene. For this purpose, the laser can be placed on a rotor, for example, so that the laser beam is periodically moved in different directions and scans the observed area of the environment line by line.

Mithilfe einer Parallelisierung des Systems, bei dem gleichzeitig mehrere Pixel erfasst werden, kann Erhöhung der Abtastrate erzielt werden. Für eine möglichst hohe Parallelisierung ist es zum Beispiel möglich einen Lichtstrahl in Form einer vertikalen Linie auszusenden. Wird das zurückreflektierte Licht anschließend auf einen zeit- und ortsauflösenden Detektor abgebildet, kann auf diese Weise gleichzeitig eine gesamte „Spalte“ vermessen werden.The sampling rate can be increased by parallelizing the system, in which several pixels are recorded simultaneously. For the greatest possible parallelization, it is possible, for example, to emit a light beam in the form of a vertical line. If the light reflected back is then imaged on a time- and space-resolving detector, an entire “column” can be measured in this way at the same time.

Allerdings wird dieses Verfahren durch Streueffekte erschwert, die zum Beispiel am Eintrittsfenster des LiDAR-Sensors auftreten. Insbesondere für Objekte hoher Reflektivität, wie zum Beispiel Retroreflektoren, Verkehrsschilder oder Kfz-Kennzeichen, können solche Streueffekte signifikante Probleme im System verursachen. Die zurückreflektierten Lichtstrahlen treffen dabei unter scheinbar sehr großen Feldwinkeln auf die Abbildungsoptik des LiDAR-Sensors auf und werden entsprechend auf Pixel abgebildet, unter denen eigentlich kein Signal zu erwarten wäre. Aufgrund der relativ hohen Lichtstärke, welche eine von einem als Retroreflektor ausgebildeten Objekt zurückgeworfene Lichtstrahlung besitzt, ergibt sich für die besagten Pixel eine ausreichend hohe Signalstärke, um ein Auslösen des Detektors an dieser Stelle zu bewirken. Da hierbei nicht sicher entschieden werden kann, ob der Reflex durch Primärlicht oder durch Streulicht entstanden ist, besitzen hochreflektive Targets daher scheinbar eine große vertikale Ausdehnung. Dieses Phänomen verursacht wiederum Probleme in der späteren Verarbeitung der gemessenen Entfernungsdaten und in der Objekterkennung.However, this method is made more difficult by scattering effects that occur, for example, at the entrance window of the LiDAR sensor. Such scattering effects can cause significant problems in the system, especially for objects with high reflectivity, such as retroreflectors, traffic signs or license plates. The reflected light beams hit the imaging optics of the LiDAR sensor at what appear to be very large field angles and are accordingly imaged on pixels where no signal would actually be expected. Due to the relatively high light intensity, which a light radiation reflected by an object designed as a retroreflector has, the signal intensity for said pixels is sufficiently high to cause the detector to be triggered at this point. Since it is not possible to decide with certainty whether the reflection was caused by primary light or scattered light, highly reflective targets appear to have a large vertical extent. This phenomenon in turn causes problems in later processing of the measured distance data and in object recognition.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit deren Hilfe eine Bearbeitung von falschen Reflexionen unterdrückt bzw. solche falschen Reflexionen eindeutiger identifiziert werden können. Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.The object on which the invention is based can therefore be seen as providing a possibility with the help of which processing of false reflections can be suppressed or such false reflections can be identified more clearly. This object is solved by means of the respective subject matter of the independent claims. Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent subclaims.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Detektieren von Objekten in einer Umgebung mithilfe eines LiDAR-Systems vorgesehen, bei dem zunächst eine Sendeeinrichtung des LiDAR-Systems eine zeitlich strukturierte Lichtstrahlung in Form eines primären Lichtpulses emittiert, der einen aktuellen Detektionsbereich der Umgebung beleuchtet. Der primäre Lichtpuls wird dabei von einem Objekt in dem aktuellen Detektionsbereich zurückreflektiert, wobei der zurückreflektierte primäre Lichtpuls mithilfe wenigstens eines dem LiDAR-System zugeordneten Retroreflektors reflektiert wird, um eine den aktuellen Detektionsbereich erneut beleuchtenden sekundären Lichtpuls zu erzeugen. Der sekundären Lichtpuls wird anschließend von dem Objekt in dem aktuellen Detektionsbereich zurückreflektiert. Dabei werden der zurückreflektierte primäre Lichtpuls und der zurückreflektierte sekundäre Lichtpuls mithilfe einer Detektionsanordnung aus mehreren nebeneinander angeordneten Lichtdetektoren empfangen, wobei jeder Lichtdetektor Lichtstrahlung aus jeweils einer anderen Richtung des aktuellen Detektionsbereichs detektiert. Anschließend wird eine von einem Lichtdetektor empfangene Lichtstrahlung einem echten Objekt zugeordnet, wenn der betreffende Lichtdetektor sowohl in zurückreflektierten primären Lichtpuls als auch den zurückreflektierten sekundären Lichtpuls detektiert. Ferner wird eine von einem Lichtdetektor empfangenen Lichtstrahlung einem durch unerwünschte Streueffekte erzeugten Scheinreflex zugeordnet, wenn der betreffende Lichtdetektor zwar den zurückreflektierten primären Lichtpuls aber nicht auch den zurückreflektierten sekundären Lichtpuls detektiert. Das Verfahren ermöglicht somit die Unterscheidung zwischen einem Reflex, der durch Reflexion des primären Lichtpulses an einem echten Objekt entstanden ist, und einem durch Streulicht entstandenen Reflex. Infolgedessen lassen sich bestimmte mit Streueffekten verbundene Artefakte reduzieren, die insbesondere im Zusammenhang mit hochreflektiven Objekten auftreten. Dazu zählt unter anderem die bei hochreflektiven Objekten nur scheinbar vergrößerte vertikale Ausdehnung. Hierdurch wiederum kann die Verarbeitung der gemessenen Entfernungsdaten und die Objekterkennung verbessert werden. Das Verfahren bietet ferner den Vorteil, dass jede Messung eines Objekts de facto doppelt erfolgt. Dabei können Sättigungseffekte, die bei sehr großen Primärsignalen in den Lichtdetektoren auftreten, mithilfe des sekundären Lichtpulses besser erkannt und die Ausgabesignale der entsprechenden Lichtdetektoren in geeigneter Weise korrigiert werden.According to the invention, a method for detecting objects in an environment using a LiDAR system is provided, in which a transmission device of the LiDAR system first emits a time-structured light radiation in the form of a primary light pulse that illuminates a current detection area of the environment. The primary light pulse is reflected back from an object in the current detection area, with the primary light pulse reflected back being reflected using at least one retroreflector assigned to the LiDAR system in order to generate a secondary light pulse that re-illuminates the current detection area. The secondary light pulse is then reflected back from the object in the current detection area. The primary light pulse that is reflected back and the secondary light pulse that is reflected back are received using a detection arrangement made up of a plurality of light detectors arranged next to one another, with each light detector detecting light radiation from a different direction of the current detection area. A light radiation received by a light detector is then assigned to a real object if the relevant light detector detects both the primary light pulse reflected back and the secondary light pulse reflected back. Furthermore, a light radiation received by a light detector is associated with an apparent reflection produced by undesired scattering effects if the relevant light detector detects the primary light pulse that is reflected back, but not also the secondary light pulse that is reflected back. The method thus enables a distinction to be made between a reflex caused by reflection of the primary light pulse on a real object and a reflex caused by scattered light. As a result, certain with Streueffek ten associated artifacts that occur particularly in connection with highly reflective objects. This includes, among other things, the vertical expansion that only appears to be increased in the case of highly reflective objects. This in turn can improve the processing of the measured distance data and the object recognition. The method also offers the advantage that each measurement of an object is actually done twice. In this case, saturation effects, which occur in the light detectors when the primary signals are very large, can be better recognized with the aid of the secondary light pulse and the output signals of the corresponding light detectors can be corrected in a suitable manner.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine von einem Lichtdetektor der Empfangseinrichtung empfangenen Lichtstrahlung nur dann als ein zurückreflektierter sekundären Lichtpuls behandelt wird, wenn die Zeitdauer zwischen dem Aussenden des zugehörigen primären Lichtpulses und dem Detektieren des betreffenden zurückreflektierten sekundären Lichtpulses durch den betreffenden Lichtdetektor dem Doppelten der Zeitdauer zwischen dem Aussenden des zugehörigen primären Lichtpulses und dem Detektieren des zurückreflektierten primären Lichtpulses durch den betreffenden Lichtdetektor entspricht. Durch den Vergleich der betreffenden Zeitdauern ist es möglich, die zurückreflektierten sekundären Lichtpulse eindeutig zu identifizieren. Somit lassen sich die insgesamt dreimal reflektierten sekundären Lichtpulse eindeutig von den lediglich einmal reflektierten primären Lichtpulsen unterscheiden.In one embodiment, it is provided that a light beam received by a light detector of the receiving device is only treated as a secondary light pulse that is reflected back if the time between the emission of the associated primary light pulse and the detection of the relevant reflected secondary light pulse by the relevant light detector is twice the Corresponds to the length of time between the emission of the associated primary light pulse and the detection of the primary light pulse reflected back by the light detector in question. By comparing the relevant time durations, it is possible to unambiguously identify the secondary light pulses that are reflected back. Thus, the secondary light pulses that are reflected a total of three times can be clearly distinguished from the primary light pulses that are reflected only once.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zuordnung einer von einem Lichtdetektor empfangenen Lichtstrahlung zu einem durch unerwünschte Streueffekte erzeugten Scheinreflex dann erfolgt, wenn der betreffende Lichtdetektor lediglich den zurückreflektierten primären Lichtpuls detektiert, während wenigstens ein anderer Lichtdetektor sowohl den zurückreflektierten primären Lichtpuls als auch den zurückreflektierten sekundären Lichtpuls detektiert, wenn eine Lichtstärke des zurückreflektierten primären Lichtpulses einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt und/oder wenn der zurückreflektierte primäre Lichtpuls von allen Lichtdetektoren der Empfangseinrichtung detektiert wird. Hierdurch wird es möglich, die Anwendung des Verfahrens lediglich auf die Fälle zu beschränken, in denen tatsächlich ein hochreflektives Objekt abgetastet wird. Damit wiederum wird sichergestellt, dass primäre Lichtpulse, die von weniger reflektierten Objekten zurückreflektiert werden und folglich lediglich ein einziges Detektorsignal erzeugen, nicht fälschlicherweise als durch Streueffekte verursachte Artefakte klassifiziert werden.In a further embodiment, it is provided that a light radiation received by a light detector is assigned to an apparent reflection produced by undesired scattering effects when the relevant light detector only detects the primary light pulse that is reflected back, while at least one other light detector detects both the primary light pulse that is reflected back and the secondary light pulse reflected back is detected when a light intensity of the primary light pulse reflected back exceeds a predetermined threshold value and/or when the primary light pulse reflected back is detected by all light detectors of the receiving device. This makes it possible to limit the application of the method to cases in which a highly reflective object is actually scanned. This in turn ensures that primary light pulses, which are reflected back from objects that are less reflected and consequently only generate a single detector signal, are not incorrectly classified as artifacts caused by scattering effects.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zurückreflektierte sekundäre Lichtpuls mithilfe wenigstens eines Lichtdetektors detektiert und zur Korrektur eines Ausgabesignals des betreffenden Lichtdetektors verwendet wird. Hiermit lassen sich Messfehler aufgrund von Sättigungseffekten bei einem sehr großen Primärsignal vermeiden, da solche sehr großen Primärsignale häufig nicht korrekt verarbeitet werden können.A further embodiment provides that the secondary light pulse reflected back is detected with the aid of at least one light detector and used to correct an output signal of the relevant light detector. This allows measurement errors due to saturation effects to be avoided when the primary signal is very large, since such very large primary signals often cannot be processed correctly.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ferner ein LiDAR-System mit einem LiDAR-Sensor und einer Steuereinrichtung vorgesehen. Der LiDAR-Sensor umfasst dabei eine Sendeeinrichtung ausgebildet zum Emittieren einer zeitlich strukturierten Lichtstrahlung in Form eines primären Lichtpulses, wobei der Lichtpuls in einer Umgebung einen aktuellen Detektionsbereich beleuchtet, vorgesehen. Das LiDAR-System umfasst ferner eine Reflektoreinrichtung mit wenigstens einem dem LiDAR-System zugeordneten Retroreflektor, der ausgebildet ist, durch Reflexion des von einem Objekt im aktuellen Detektionsbereich zurückreflektierten primären Lichtpulses einen den aktuellen Detektionsbereich erneut beleuchtenden sekundären Lichtpuls zu erzeugen. Ferner umfasst das LiDAR-System auch eine Empfangseinrichtung umfassend eine Detektoranordnung aus mehreren nebeneinander angeordneten Lichtdetektoren, wobei jeder Lichtdetektor ausgebildet ist, die Lichtstrahlung der zurückreflektierten primären und sekundären Lichtpulse aus jeweils einer anderen, diesem Lichtdetektor individuell zugeordneten Richtung des aktuellen Detektionsbereichs zu detektiert. Die Steuereinrichtung ist dabei ausgebildet, Objekte in der Umgebung durch eine zeitliche und räumliche Auswertung der von der Empfangseinrichtung empfangenen Lichtstrahlung zu detektieren. Ferner ist die Steuereinrichtung auch ausgebildet, eine von einem Lichtdetektor der Empfangseinrichtung empfangenen Lichtstrahlung einem echten Objekt zuzuordnen, wenn der betreffende Lichtdetektor sowohl den zurückreflektierten mehreren Lichtpulsen als auch den zurückreflektierten sekundären Lichtpuls detektiert. Ferner ist die Steuereinrichtung ausgebildet, eine von einem Lichtdetektor der Empfangseinrichtung empfangenen Lichtstrahlung einem durch unerwünschte Streueffekte erzeugten Scheinreflex zuzuordnen, wenn der betreffende Lichtdetektor zwar den zurückreflektierten primären Lichtpuls aber nicht auch den zurückreflektierten sekundären Lichtpuls detektiert. Für das LiDAR-System ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.According to a further aspect, a LiDAR system with a LiDAR sensor and a control device is also provided. In this case, the LiDAR sensor comprises a transmission device designed to emit a time-structured light radiation in the form of a primary light pulse, the light pulse illuminating a current detection area in an environment. The LiDAR system also includes a reflector device with at least one retroreflector assigned to the LiDAR system, which is designed to generate a secondary light pulse that re-illuminates the current detection area by reflecting the primary light pulse reflected back from an object in the current detection area. Furthermore, the LiDAR system also includes a receiving device comprising a detector arrangement made up of a plurality of light detectors arranged next to one another, with each light detector being designed to detect the light radiation of the reflected primary and secondary light pulses from a different direction of the current detection area that is individually assigned to this light detector. The control device is designed to detect objects in the area by evaluating the light radiation received by the receiving device in terms of time and space. Furthermore, the control device is also designed to assign a light radiation received by a light detector of the receiving device to a real object if the relevant light detector detects both the multiple light pulses reflected back and the secondary light pulse reflected back. Furthermore, the control device is designed to assign a light radiation received by a light detector of the receiving device to an apparent reflection produced by undesired scattering effects if the relevant light detector detects the reflected primary light pulse but not also the reflected secondary light pulse. The advantages already mentioned in connection with the method result for the LiDAR system.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der LiDAR-Sensor ein Gehäuse umfasst, und dass der wenigstens eine Retroreflektor im Inneren des Gehäuses angeordnet ist. Diese Unterbringung des Retroreflektors ermöglicht eine besonders einfache Bauweise, die ferner einen Schutz für den wenigstens einen Retroreflektor bietet.In one embodiment it is provided that the LiDAR sensor comprises a housing and that the at least one retroreflector is arranged inside the housing. This accommodation of the retroreflector allows a particularly simple che construction, which also provides protection for the at least one retroreflector.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Retroreflektor in Form einer auf der Innenseite des Gehäuses angeordneten reflektiven Schicht ausgebildet ist. Mithilfe einer solchen reflektiven Beschichtung kann eine besonders große Reflexionsfläche des Retroreflektors erreicht werden. Hierdurch wiederum wird die Rückreflexion der darauf einfallenden Lichtstrahlung verbessert, was zu einem lichtstärkeren Sekundärpuls führt.In one embodiment it is provided that the at least one retroreflector is designed in the form of a reflective layer arranged on the inside of the housing. A particularly large reflection surface of the retroreflector can be achieved with the aid of such a reflective coating. This in turn improves the back-reflection of the incident light radiation, which leads to a secondary pulse with higher light intensity.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Reflektoreinrichtung mehrere diskrete Retroreflektoren umfasst. Mithilfe einzelner Retroreflektoren lassen sich besser vorhandene Bauräume ausnutzen. Damit kann auch bei kleinem Bauraum eine relativ große Reflexionsfläche erreicht werden.In a further embodiment it is provided that the reflector device comprises a plurality of discrete retroreflectors. With the help of individual retroreflectors, existing installation spaces can be better utilized. A relatively large reflection surface can thus be achieved even with a small installation space.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein LiDAR-Sensor für das oben genannte LiDAR-System vorgesehen. Für LiDAR-Sensor ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.According to a further aspect, a LiDAR sensor is provided for the above LiDAR system. The advantages already mentioned in connection with the method result for the LiDAR sensor.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Steuereinrichtung für das oben genannte LiDAR-System vorgesehen, die eingerichtet ist, wenigstens einen Teil der Schritte des oben genannten Verfahrens auszuführen. Auch hierfür ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.According to a further aspect, a control device is provided for the above-mentioned LiDAR system, which is set up to carry out at least some of the steps of the above-mentioned method. This also results in the advantages already mentioned in connection with the method.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:

1 schematisch den Aufbau eines herkömmlichen LiDAR-Systems sowie seine Funktionsweise beim Abtasten eines regulären Objekts;
2 schematisch das LiDAR-System aus 1 beim Abtasten eines hochreflektiven Objekts, bei dem unerwünschte Streueffekte zu fehlerhaften Messergebnissen führen;
3 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Messsignals an einem Detektor-Pixel des LiDAR-Systems aus 1 mit Blickrichtung auf ein echtes Objekt;
4 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Messsignals an einem Detektor-Pixel des LiDAR-Systems aus 1 mit Blickrichtung außerhalb des Objekts;
5 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Messsignals an einem Detektor-Pixel des LiDAR-Systems aus 2 mit Blickrichtung auf das Objekt;
6 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Messsignals an einem Detektor-Pixel des LiDAR-Systems aus Figur zwei mit Blickrichtung außerhalb des Objekts;
7 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems mit einer integrierten Reflektoreinrichtung aus wenigstens einem Retroreflektor;
8 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems mit einer alternativen Reflektoreinrichtung, bei der der Retroreflektor in Form einer die Innenseite des Gehäuses auskleidenden Folie ausgebildet ist;
9 schematisch einen ersten Verfahrensschritt, bei dem mithilfe der Sendeeinrichtung des LiDAR-Systems aus 7 ein primärer Lichtpuls zum Abtasten eines hochreflektiven Objekts erzeugt wird;
10 schematisch einen zweiten Verfahrensschritt, bei dem der primäre Lichtpuls vom hochreflektiven Objekt zum LiDAR-System zurück reflektiert wird;
11 schematisch einen dritten Verfahrensschritt, bei dem durch Reflexion des zurückreflektierten primären Lichtpulses ein sekundärer Lichtpuls erzeugt wird;
12 schematisch einen vierten Verfahrensschritt, bei dem durch Reflexion des sekundären Lichtpulses an dem Objekt ein zurückreflektierter sekundärer Lichtpuls erzeugt wird;
13 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Messsignals an einem Detektor-Pixel mit Blickrichtung auf das hochreflektive Objekt; und
14 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Messsignals an einem Detektor-Pixel mit Blickrichtung außerhalb des hochreflektiven Objekts.

The invention is described in more detail below with reference to figures. show:

1 Schematic of the structure of a conventional LiDAR system and how it works when scanning a regular object;
2 schematically shows the LiDAR system 1 when scanning a highly reflective object where unwanted scattering effects lead to erroneous measurement results;
3 shows a diagram of the time course of the measurement signal at a detector pixel of the LiDAR system 1 facing a real object;
4 shows a diagram of the time course of the measurement signal at a detector pixel of the LiDAR system 1 with line of sight outside the object;
5 shows a diagram of the time course of the measurement signal at a detector pixel of the LiDAR system 2 with the direction of view on the object;
6 schematically shows a diagram with the time profile of the measurement signal at a detector pixel of the LiDAR system from FIG. 2 with the viewing direction outside the object;
7 schematically shows the structure of a LiDAR system according to the invention with an integrated reflector device made of at least one retroreflector;
8th schematically shows the structure of a LiDAR system according to the invention with an alternative reflector device, in which the retroreflector is designed in the form of a film lining the inside of the housing;
9 schematically a first method step, in which using the transmission device of the LiDAR system 7 a primary light pulse is generated for scanning a highly reflective object;
10 schematically a second method step, in which the primary light pulse is reflected back from the highly reflective object to the LiDAR system;
11 schematically a third method step, in which a secondary light pulse is generated by reflection of the primary light pulse reflected back;
12 schematically a fourth method step, in which a back-reflected secondary light pulse is generated by reflection of the secondary light pulse on the object;
13 schematically a diagram with the time course of the measurement signal at a detector pixel looking at the highly reflective object; and
14 shows a diagram of the time course of the measurement signal at a detector pixel viewed from outside the highly reflective object.

Das hier beschriebene Konzept sieht die Verwendung wenigstens eines Retroreflektors Verbindung mit einem LiDAR-System vor, mit dessen Hilfe ein sekundärer Lichtpuls durch Reflexion eines von hochreflektiven Objekten zurückreflektierten primären Lichtpulses erzeugt wird. Der sekundäre Lichtpuls erlaubt dabei eine verbesserte Unterscheidung, ob es sich bei einer detektierten Lichtstrahlung um ein durch Reflexion an einem echten Objekt erzeugtes Signal oder um ein durch Streueffekte erzeugtes und daher nur scheinbar von einem Objekt stammendes Signal handelt.The concept described here provides for the use of at least one retroreflector in connection with a LiDAR system, with the aid of which a secondary light pulse is generated by reflecting a primary light pulse reflected back from highly reflective objects. The secondary light pulse allows an improved differentiation as to whether a detected light radiation is a signal generated by reflection on a real object or a signal generated by scattering effects and therefore only apparently originating from an object.

Hierzu veranschaulicht die 1 zunächst die Funktionsweise eines herkömmlichen LiDAR-Systems 100, das einen LiDAR-Sensor 110 und eine Steuereinrichtung 160 umfasst. Der LiDAR-Sensor 110 umfasst dabei eine Sendeeinrichtung 120 ausgebildet zum Aussenden einer zeitlich strukturierten Lichtstrahlung 200 in Form eines Lichtpulses 210, und eine Empfangseinrichtung 130 ausgebildet zum empfangen der an Objekten 400 in der Umgebung 300 zurückreflektierten Lichtstrahlung 200. Hierzu besitzt die typischerweise gemeinsam mit der Empfangseinrichtung 130 in einem Gehäuse 111 mit einem transparenten Fenster 112 untergebrachte Sendeeinrichtung 120 eine Lichtquelle 121, die beispielsweise in Form eines Lasers ausgebildet sein kann. Bei dem hier beispielhaft gezeigten scannenden LiDAR-System erzeugt die Sendeeinrichtung 120 einen Lichtstrahl 201 in Form einer vertikalen Linie, die einen entsprechend linienförmigen aktuellen Detektionsbereich 310 beleuchtet. Im Betrieb des LiDAR-Systems 100 wird die vertikale Linie 310 mithilfe einer Scanbewegung in einer horizontalen Scanrichtung 320 bewegt, um eine definierten Beobachtungsbereich 310 der Umgebung 300 sukzessive abzutasten. Wie in der 1 beispielhaft anhand von drei Teilstrahlen 210₁, 210₂, 210₃ gezeigt ist, wird der ausgesendete Lichtpuls 210 an einem reflektiven Objekt 400 in der Umgebung 300 reflektiert und gelangt so als zurückreflektierter primärer Lichtpuls 220 nach einer bestimmten Flugzeit (Time-of-Flight) wieder zum LiDAR-Sensor 110. Wie anhand der drei Teilstrahlen 220₁, 220₂, 220₃ gezeigt ist, wird ein Teil des zurückreflektierten Lichtpulses 220 mittels einer Abbildungsoptik 131 der Empfangseinrichtung 130 auf eine Detektoranordnung 140 aus mehreren im vorliegenden Beispiel in vertikaler Richtung untereinander angeordneten Detektoren 141₁ -141₁₃ projiziert. Aufgrund einer solchen Anordnung empfängt jeder Detektor 141₁ - 141₁₃ somit lediglich Lichtstrahlung 200 aus einer bestimmten, diesem Detektor 141₁ - 141₁₃ individuell zugeordneten Richtung. Wie in der 1 mittels einer Schraffur angedeutet ist, lösen folglich lediglich die Detektoren 141₆, 141₇, 141₈ mit einer Blickrichtung auf das jeweilige Objekt 400 aus, während die anderen Detektoren 141₁ - 141₅, 141₉ - 141₁₃ der Detektoranordnung 140 kein Sensorsignal ausgeben.This illustrates the 1 First, the functioning of a conventional LiDAR system 100, which includes a LiDAR sensor 110 and a control device 160. The LiDAR Sensor 110 comprises a transmission device 120 designed to emit a temporally structured light radiation 200 in the form of a light pulse 210, and a receiving device 130 designed to receive the light radiation 200 reflected back from objects 400 in the environment 300. For this purpose, the typically shared with the receiving device 130 in a housing 111 with a transparent window 112 accommodated transmitting device 120 a light source 121, which can be designed for example in the form of a laser. In the scanning LiDAR system shown here as an example, the transmission device 120 generates a light beam 201 in the form of a vertical line, which illuminates a current detection area 310 that is correspondingly linear. During operation of the LiDAR system 100, the vertical line 310 is moved in a horizontal scanning direction 320 with the aid of a scanning movement in order to scan a defined observation area 310 of the surroundings 300 successively. Like in the 1 is shown by way of example using three partial beams 210 ₁ , 210 ₂ , 210 ₃ , the emitted light pulse 210 is reflected on a reflective object 400 in the environment 300 and thus arrives as a reflected primary light pulse 220 after a certain flight time (time-of-flight) back to the LiDAR sensor 110. As shown by the three partial beams 220 ₁ , 220 ₂ , 220 ₃ , part of the light pulse 220 reflected back is projected by means of imaging optics 131 of the receiving device 130 onto a detector arrangement 140 consisting of several in the present example in the vertical direction one below the other arranged detectors 141 ₁ -141 ₁₃ projected. Because of such an arrangement, each detector 141 ₁ - 141 ₁₃ thus only receives light radiation 200 from a specific direction individually assigned to this detector 141 ₁ - 141 ₁₃ . Like in the 1 is indicated by hatching, consequently only the detectors 141 ₆ , 141 ₇ , 141 ₈ trigger with a viewing direction onto the respective object 400 , while the other detectors 141 ₁ - 141 ₅ , 141 ₉ - 141 ₁₃ of the detector arrangement 140 do not emit a sensor signal .

Wie aus der 1 ferner ersichtlich ist, sind die Sendeeinrichtung 120 und die Detektoreinrichtung 140 über entsprechende Signal- und Steuerleitungen mit der Steuereinrichtung 160 verbunden, die den Betrieb des LiDAR-Sensors 110 und eine Auswertung der Sensorsignale steuert und eine Auswertung der Auswerteeinrichtung 161 zum Auswerten der Sensorsignale der Detektoreinrichtungen 140. Die Auswertung der Sensorsignale der einzelnen Detektoren 141₁ - 141₁₃ erlaubt der Steuereinrichtung 160 die Objekte 400 in der Umgebung 300 des LiDAR-Sensors 110 zu detektieren, ihre Entfernung zu bestimmen und sie anhand ihrer Form zu identifizieren. Typischerweise ist wenigstens ein Teil der auf der Steuereinrichtung 160 durchgeführten Verfahren in Form eines Computerprogramms realisiert, welches auf einer geeigneten Speichereinrichtung 162 der Steuereinrichtung 160 abgelegt werden kann. Alternativ zu der hier gezeigten Ausführungsform können die Steuereinrichtung 160 oder auch einzelne ihrer Komponenten grundsätzlich auch innerhalb des LiDAR-Sensors 110 angeordnet sein.How from the 1 As can also be seen, the transmitter device 120 and the detector device 140 are connected via corresponding signal and control lines to the control device 160, which controls the operation of the LiDAR sensor 110 and an evaluation of the sensor signals and an evaluation of the evaluation device 161 for evaluating the sensor signals of the detector devices 140. The evaluation of the sensor signals of the individual detectors 141 ₁ - 141 ₁₃ allows the control device 160 to detect the objects 400 in the surroundings 300 of the LiDAR sensor 110, to determine their distance and to identify them based on their shape. Typically, at least some of the methods carried out on the control device 160 are implemented in the form of a computer program which can be stored on a suitable memory device 162 of the control device 160 . As an alternative to the embodiment shown here, the control device 160 or also individual of its components can in principle also be arranged inside the LiDAR sensor 110 .

Die 2 verdeutlicht die Funktionsweise des LiDAR-Systems 100 aus 1 bei einem verschmutzten Fenster 112. Zur Vereinfachung wurden dabei auf die Darstellung einiger der in 1 gezeigten Komponenten des LiDAR-Systems 100 verzichtet. Wie hierbei anhand der Teilstrahlen 220₂, 220₄ ersichtlich ist, wird ein Teil des von dem hochreflektiven Objekt 400 in Richtung des LiDAR-Sensors 110 zurückreflektierten primären Lichtpulses 210 von Schmutzpartikeln 103 auf der Außenseite des Fensters 112 in Richtung der Eingangsoptik 131 gestreut. Die gestreuten Lichtstrahlen 221₂, 221₄ werden dadurch unter relativ großen Feldwinkeln auf Detektoren 141₁, 141₁₁ mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 abgebildet, die folglich auch keine von dem Objekt 400 zurückreflektierte Lichtstrahlung 200 empfangen sollten. Die Streueffekte führen folglich zur Detektion von Scheinreflexen bzw. scheinbarer Objekte, die scheinbar außerhalb der Blickrichtung des echten Objekts 400 angeordnet sind. Solche Artefakte führen häufig zur Messung einer größeren vertikalen Ausdehnung des abgetasteten Objekts 400.the 2 clarifies the functioning of the LiDAR system 100 1 with a dirty window 112. For the sake of simplicity, some of the in 1 shown components of the LiDAR system 100 omitted. As can be seen here from the partial beams 220 ₂ , 220 ₄ , part of the primary light pulse 210 reflected back by the highly reflective object 400 in the direction of the LiDAR sensor 110 is scattered by dirt particles 103 on the outside of the window 112 in the direction of the input optics 131 . The scattered light beams 221 ₂ , 221 ₄ are thus imaged at relatively large field angles onto detectors 141 ₁ , 141 ₁₁ with a viewing direction outside of the object 400 , which consequently should also not receive any light radiation 200 reflected back from the object 400 . Consequently, the scattering effects lead to the detection of apparent reflections or apparent objects that appear to be arranged outside the viewing direction of the real object 400 . Such artifacts often result in the measurement of a larger vertical extent of the scanned object 400.

Die 3 und 4 veranschaulichen die Detektion des zurückreflektierten Lichtpulses 210 bei verschiedenen Detektoren 141₁ - 141₁₃ des in 1 gezeigten LiDAR-Sensors 110. Dabei zeigt die 3 den zeitlichen Verlauf des von einem Detektor 141₆, 141₇, 141₈ mit Blickrichtung auf das abgetastete Objekt 400 empfangenen Signals S, während die 4 den zeitlichen Verlauf des Signals S bei einem Detektor 141₁ - 141₅, 141₉-141₁₃ mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 illustriert. Hierbei wird ersichtlich, dass der von dem Objekt 400 zurückreflektierte Lichtpuls 210 lediglich von den Detektoren 141₆, 141₇, 141₈ mit Blickrichtung auf das abgetastete Objekt 400 mit genügend Lichtstärke empfangen wird, um die betreffenden Detektoren 141₆, 141₇, 141₈ auch auszulösen. Bei den Detektoren 141₁ - 141₅, 141₉ - 141₁₃ mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 erreicht die Lichtstärke des zurückreflektierten Lichtpulses 210 hingegen nicht die Detektionsschwelle S_D.the 3 and 4 illustrate the detection of the reflected light pulse 210 at different detectors 141 ₁ - 141 ₁₃ of the in 1 LiDAR sensor 110 shown 3 the time course of the signal S received by a detector 141 ₆ , 141 ₇ , 141 ₈ with a view of the scanned object 400 , while the 4 141 ₁ - 141 ₅ , 141 ₉ - 141 ₁₃ with a viewing direction outside of the object 400 illustrates the course of the signal S over time. It can be seen here that the light pulse 210 reflected back by the object 400 is only received by the detectors 141 ₆ , 141 ₇ , 141 ₈ when looking in the direction of the scanned object 400 with sufficient light intensity to detect the relevant detectors 141 ₆ , 141 ₇ , 141 ₈ trigger too. In contrast, in the case of the detectors 141 ₁ - 141 ₅ , 141 ₉ - 141 ₁₃ with a viewing direction outside of the object 400 , the light intensity of the light pulse 210 reflected back does not reach the detection threshold S _D .

In den 5 und 6 veranschaulichen hingegen die Detektion des zurückreflektierten Lichtpulses 210 bei verschiedenen Detektoren 141₁ bis 141₁₃ des verschmutzten LiDAR-Sensors 110 aus 2. Dabei zeigt die 5 den zeitlichen Verlauf des von einem Detektor 141₆, 141₇, 141₈ mit Blickrichtung auf das abgetastete Objekt 400 empfangenen Signals S, während die 6 den zeitlichen Verlauf des Signals S bei einem der beiden Detektoren 141₁, 141₁₁ mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 illustriert. Durch einen Vergleich mit den Signalen aus den 3 und 4 wird ersichtlich, dass der von dem Objekt 400 zurückreflektierte Lichtpuls 210 aufgrund der Streueffekte nunmehr auch bei den betreffenden Detektoren 141₁, 141₁₁ mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 mit einer Lichtstärke oberhalb der Detektionsschwelle S_D empfangen wird. Damit führen die oben beschriebenen Streueffekte bei den betreffenden Detektoren 141₁, 141₁₁ im vorliegenden Fall zur Detektion von Scheinreflexen bzw. scheinbaren Objekten.In the 5 and 6 on the other hand, illustrate the detection of the light pulse 210 reflected back by different detectors 141 ₁ to 141 ₁₃ of the soiled LiDAR sensor 110 2 . The 5 the time course of the signal S received by a detector 141 ₆ , 141 ₇ , 141 ₈ with a view of the scanned object 400 , while the 6 the temporal The course of the signal S in one of the two detectors 141 ₁ , 141 ₁₁ with a viewing direction outside of the object 400 is illustrated. By comparing the signals from 3 and 4 It can be seen that the light pulse 210 reflected back by the object 400 is now also received at the relevant detectors 141 ₁ , 141 ₁₁ with a viewing direction outside of the object 400 due to the scattering effects with a light intensity above the detection threshold S _D . The scattering effects described above in the relevant detectors 141 ₁ , 141 ₁₁ thus result in the detection of apparent reflections or apparent objects in the present case.

In der 7 ist schematisch der Aufbau eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 100 dargestellt, das mit einer zusätzlichen Reflektoreinrichtung 150 ausgestattet ist. Die Reflektoreinrichtung 150 umfasst im vorliegenden Beispiel zwei Retroreflektoren 151, 152, die innerhalb des Gehäuses 111 des LiDAR-Sensors 110 angeordnet sind. Die Retroreflektoren 151, 152, deren reflektierende Seite der Innenseite des Fensters 112 zugewandt ist, sind dabei vorzugsweise derart neben der Sensoreinrichtung 120 und der Eingangsoptik 131 der Empfangseinrichtung 130 angeordnet, dass das Sichtfeld des LiDAR-Sensors 110 durch sie nicht beeinträchtigt wird. Bei den Retroreflektoren 151, 152 kann es sich grundsätzlich auch um eine zusammenhängende Reflektorstruktur handeln. Ebenso ist es möglich eine Vielzahl diskreter Reflektoren ist innerhalb des Gehäuses 111 des LiDAR-Sensors 110 unterzubringen.In the 7 the structure of a LiDAR system 100 according to the invention, which is equipped with an additional reflector device 150, is shown schematically. In the present example, the reflector device 150 comprises two retroreflectors 151, 152, which are arranged within the housing 111 of the LiDAR sensor 110. The retroreflectors 151, 152, whose reflective side faces the inside of the window 112, are preferably arranged next to the sensor device 120 and the input optics 131 of the receiving device 130 in such a way that the field of view of the LiDAR sensor 110 is not impaired by them. In principle, the retroreflectors 151, 152 can also be a continuous reflector structure. It is also possible to accommodate a large number of discrete reflectors within the housing 111 of the LiDAR sensor 110 .

In der 8 ist eine alternative Ausführung der Reflektoreinrichtung 150 gezeigt, bei der der Retroreflektor 153 in Form einer auf der Innenseite des Gehäuses 211 reflektiven Beschichtung ausgebildet ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine aufgeklebte Folie handeln. Die interne Beschichtung kann auf der gesamten Innenseite des Gehäuses 111 ausgenommen des Fensters 112 angeordnet sein. Ferner kann sich die Beschichtung auch lediglich auf bestimmte Bereiche im Inneren des Gehäuses 111 beschränken.In the 8th An alternative embodiment of the reflector device 150 is shown in which the retroreflector 153 is designed in the form of a reflective coating on the inside of the housing 211 . This can be a glued-on film, for example. The internal coating may be arranged on the entire inside of the case 111 except for the window 112 . Furthermore, the coating can also be limited to specific areas inside the housing 111 .

Damit eine möglichst große Empfangsfläche entsteht, können die internen Retroreflektoren grundsätzlich den gesamten Innenraum des LiDAR-Sensors bedecken, sofern die Sende- und Empfangsoptik des LiDAR-Sensors nicht verdeckt wird.In order to create the largest possible receiving area, the internal retroreflectors can basically cover the entire interior of the LiDAR sensor, provided that the transmitting and receiving optics of the LiDAR sensor are not covered.

Im Folgenden wird die Funktionsweise eines LiDAR-Systems 100 mit einem gemäß 7 ausgebildeten LiDAR-Sensor 110 erläutert. Hierzu zeigt die 9 zunächst das Aussenden des primären Lichtpulses 210 durch die Sendeeinrichtung 120 des LiDAR-Sensors 110. Der primäre Lichtpuls 210 trifft dabei auf das im aktuellen Detektionsbereich 310 befindliche Objekt 401 und wird von diesem zurück reflektiert. Wie in der 10 gezeigt ist, trifft der zurückreflektierte primäre Lichtpuls 220 wenigstens teilweise auf den LiDAR-Sensor 110. Anhand der drei Teilstrahlen 220₁, 220₂, 220₃ wird dabei deutlich, dass ein Teil des zurückreflektierten Lichtpulses 220 mittels der Abbildungsoptik 131 der Empfangseinrichtung 130 auf Detektoren 141₆ -141₈ mit Blickrichtungen auf das Objekt 400 projiziert wird. Analog zu der in 2 dargestellten Situation werden auch im vorliegenden Fall zwei Detektoren 141₁, 141₁₁ mit Blickrichtungen außerhalb des Objekts 400 durch gestreute Lichtstrahlung 121₃, 121₅ fälschlicherweise ausgelöst. Wie anhand der Teilstrahlen 220₁, 220₃, 220₅, 220₇ veranschaulicht ist, gelangt ein Teil des zurückreflektierten primären Lichtpulses 210 jedoch auch auf die Retroreflektoren 151, 152, die die Lichtstrahlung jeweils unter dem tatsächlichen Einfallswinkel zurückreflektieren und dabei einen das Objekt 400 erneut beleuchtenden sekundären Lichtpuls 230 erzeugen. Auch die durch Streueffekte an Schmutzpartikeln 103 auf dem Fenster 112 in Richtung der die Retroreflektoren 151, 152 gestreute Lichtstrahlung, wie hier anhand der Teilstrahlen 221₁, 221₆ veranschaulicht ist, durch die Retroreflektoren 151, 152 in dem scheinbaren Empfangswinkel zurückreflektiert. Wie in der 11 anhand der Teilstrahlen 230₁, 230₂, 230₃, 230₄ veranschaulicht ist, trifft ein Teil des sekundären Lichtpulses 230 auf das Objekt 400 und wird von diesen erneut reflektiert, wobei ein zurückreflektierter sekundären Lichtpuls 140 erzeugt wird. Wie in der 12 anhand der Teilstrahlen 240₁ - 240₇ veranschaulicht ist, trifft ein Teil des zurückreflektierten sekundären Lichtpulses 240 erneut auf den LiDAR-Sensor 110 auf. Dabei wird die von dem Objekt 400 direkt auf die Abbildungsoptik 131 zurückreflektierte Lichtstrahlung 240₂, 240₄, 240₆ erneut auf die Detektoren 141₆, 141₇, 141₈ mit Blickrichtung auf das Objekt 400 projiziert. Wie anhand der Teilstrahlen 240₁, 240₃, 240₅, 240₇ veranschaulicht ist, trifft ein weiterer Teil des zurückreflektierten sekundären Lichtpulses 240 in einer Weise auf den LiDAR-Sensor 110 auf, denen nicht zu einer direkten Abbildung auf der Detektoranordnung 140 führt. Lediglich die auf die Schmutzpartikel 103 treffenden Teilstrahlen 240₃, 240₅ werden erneut in Richtung der Eingangsoptik 131 gestreut, die die gestreute Lichtstrahlung 241₃, 241₅ auf die entsprechenden Detektoren 141₁, 141₁₁ projiziert. Aufgrund der mehrfachen Reflexionen weist die gestreute Lichtstrahlung 241₃, 241₅ allerdings eine deutlich reduzierte Lichtstärke auf, die nicht zum Auslösen der entsprechenden Detektoren 141₁, 141₁₁ führt.In the following, the functioning of a LiDAR system 100 with a 7 trained LiDAR sensor 110 explained. This shows the 9 First, the transmission of the primary light pulse 210 by the transmission device 120 of the LiDAR sensor 110. The primary light pulse 210 hits the object 401 located in the current detection area 310 and is reflected back by it. Like in the 10 is shown, the reflected primary light pulse 220 at least partially hits the LiDAR sensor 110. The three partial beams 220 ₁ , 220 ₂ , 220 ₃ make it clear that part of the reflected light pulse 220 is projected onto detectors by means of the imaging optics 131 of the receiving device 130 141 ₆ -141 ₈ is projected onto the object 400 with viewing directions. Analogous to the in 2 In the situation shown, two detectors 141 ₁ , 141 ₁₁ with viewing directions outside of the object 400 are also incorrectly triggered by scattered light radiation 121 ₃ , 121 ₅ in the present case. However, as illustrated by the partial beams 220 ₁ , 220 ₃ , 220 ₅ , 220 ₇ , part of the primary light pulse 210 that is reflected back also reaches the retroreflectors 151, 152, which each reflect the light radiation back at the actual angle of incidence and thereby separate the object 400 generate re-illuminating secondary light pulse 230 . The light radiation scattered in the direction of the retroreflectors 151, 152 due to scattering effects on dirt particles 103 on the window 112, as illustrated here using the partial beams 221 ₁ , 221 ₆ , is reflected back by the retroreflectors 151, 152 in the apparent reception angle. Like in the 11 is illustrated using the partial beams 230 ₁ , 230 ₂ , 230 ₃ , 230 ₄ , part of the secondary light pulse 230 strikes the object 400 and is reflected by it again, with a secondary light pulse 140 being reflected back being generated. Like in the 12 is illustrated using the partial beams 240 ₁ - 240 ₇ , part of the secondary light pulse 240 reflected back impinges on the LiDAR sensor 110 again. The light radiation 240 ₂ , 240 ₄ , 240 ₆ reflected back by the object 400 directly onto the imaging optics 131 is again projected onto the detectors 141 ₆ , 141 ₇ , 141 ₈ with the viewing direction onto the object 400 . As illustrated by the partial beams 240 ₁ , 240 ₃ , 240 ₅ , 240 ₇ , another part of the secondary light pulse 240 that is reflected back impinges on the LiDAR sensor 110 in a way that does not lead to a direct imaging on the detector arrangement 140 . Only the partial beams 240 ₃ , 240 ₅ impinging on the dirt particles 103 are scattered again in the direction of the entrance optics 131 which projects the scattered light radiation 241 ₃ , 241 ₅ onto the corresponding detectors 141 ₁ , 141 ₁₁ . Due to the multiple reflections, however, the scattered light radiation 241 ₃ , 241 ₅ has a significantly reduced light intensity, which does not trigger the corresponding detectors 141 ₁ , 141 ₁₁ .

Die 13 und 14 veranschaulichen die Detektion der zurückreflektierten primären und sekundären Lichtpulse 220, 240 bei den in den 9 bis 12 veranschaulichten Situationen. Dabei zeigt die 13 den zeitlichen Verlauf des von einem Detektor 141₆, 141₇, 141₈ mit Blickrichtung auf das abgetastete Objekt 400 empfangenen Signals S, während die 14 den zeitlichen Verlauf des Signals S bei einem der beiden Detektoren 141₁, 141₁₁ mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 illustriert. Dabei wird ersichtlich, dass analog zu dem in den 5 und 6 illustrierten Fall der von dem Objekt 400 zurückreflektierte primäre Lichtpuls 210 nach Ablauf einer Zeitdauer T, die der Flugzeit des primären Lichtpulses 210 entspricht, sowohl von den Detektoren mit 141₆, 141₇, 141₈ mit Blickrichtung auf das Objekt 400 als auch bedingt durch Streueffekte am Fenster 112 von den Detektoren 141₁, 141₁₁ mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 mit einer Lichtstärke oberhalb der Detektionsschwelle S_D empfangen wird. Während die Detektoren 141₆, 141₇, 141₈ mit Blickrichtung auf das abgetastete Objekt 400 folglich ein echtes Objekt 400 detektieren, kommt es bei den Detektoren 141₁, 141₁₁ mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 lediglich zu einer Detektion von Scheinreflexen bzw. scheinbaren Objekten.the 13 and 14 illustrate the detection of the primary and secondary light pulses 220, 240 reflected back in the case of the 9 until 12 illustrated situations. The 13 the time course of the detector 141 ₆ , 141 ₇ , 141 ₈ with Blickrich direction to the scanned object 400 received signal S, while the 14 11 illustrates the time course of the signal S in one of the two detectors 141 ₁ , 141 ₁₁ with the viewing direction outside of the object 400 . It is evident that, analogously to that in 5 and 6 Illustrated case, the primary light pulse 210 reflected back from the object 400 after a period of time T, which corresponds to the flight time of the primary light pulse 210, both from the detectors with 141 ₆ , 141 ₇ , 141 ₈ with the viewing direction of the object 400 and due to scattering effects is received at the window 112 by the detectors 141 ₁ , 141 ₁₁ with a viewing direction outside of the object 400 with a light intensity above the detection threshold S _D . While the detectors 141 ₆ , 141 ₇ , 141 ₈ consequently detect a real object 400 with a viewing direction onto the scanned object 400 , the detectors 141 ₁ , 141 ₁₁ with a viewing direction outside of the object 400 only detect pseudo reflections or apparent reflections objects.

Im Unterschied hierzu wird der zurückreflektierten sekundären Lichtpuls 240 nach Ablauf einer Zeitdauer 2T, die dem zweifachen der Flugzeit des zurückreflektierten primären Lichtpulses 220 entspricht, lediglich von den Detektoren 141₆, 141₇, 141₈ mit Blickrichtung auf das abgetastete Objekt 400 detektiert, während die Detektoren 141₁, 141₁₁ mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 zu diesem Zeitpunkt Lichtstrahlung des reflektierten sekundären Lichtpulses 240 gar nicht bzw. lediglich mit einer Lichtstärke unterhalb der Detektionsschwelle S_D empfangen.In contrast to this, the secondary light pulse 240 that is reflected back is only detected by the detectors 141 ₆ , 141 ₇ , 141 ₈ with a viewing direction of the scanned object 400 after a period of time 2T has elapsed, which corresponds to twice the flight time of the primary light pulse 220 that is reflected back, while the Detectors 141 ₁ , 141 ₁₁ with a viewing direction outside of the object 400 do not receive light radiation of the reflected secondary light pulse 240 at all or only with a light intensity below the detection threshold S _D at this point in time.

Wie bereits oben beschrieben, wird mithilfe der im LiDAR-Sensor eingebauten Retroreflektoren eine sekundäre Reflexion des von einem Objekt zurückreflektierten primären Lichtstrahls bewirkt. Dieses Licht wird von dem Objekt erneut reflektiert und vom Sensor empfangen. Das Licht, das in Richtung des scheinbaren Retroreflektors gesendet wird, trifft nicht auf das entsprechende Objekt und erzeugt keinen sekundären Lichtpuls.As already described above, the retroreflectors built into the LiDAR sensor cause a secondary reflection of the primary light beam reflected back from an object. This light is reflected back from the object and received by the sensor. The light sent in the direction of the apparent retroreflector does not hit the corresponding object and does not create a secondary light pulse.

Der Sensor wird im Innenraum mit Retroreflektoren ausgestattet, die gerade die Eigenschaft haben, dass einfallendes Licht in die Ursprungsrichtung zurückreflektiert wird. Somit wird das ordentlich empfangene Licht in Form eines sekundären Lichtpulses wieder in Richtung des Objekts zurückreflektierten, während das Streulicht in Richtung des scheinbaren Ursprungs zurückreflektiert wird. Der sekundäre Lichtpuls kann erneut an Objekten gestreut werden, wobei ein echtes Objekt diesen sekundären Lichtpuls erneut auf den Sender zurückwirft, während das in die Richtung des scheinbaren Objekts gestreute Licht nicht erneut reflektiert wird. Dieser Umstand führt zu einem Signal am Detektor auf den jeweiligen Pixeln. Die sekundäre Reflexion des Objektes liegt dabei exakt bei dem doppelten der ursprünglichen Flugzeit. Wird nun bei der Auswertung berücksichtigt, dass bei einer Detektion eines Signals bei einer Flugzeit T auch ein entsprechendes Signal bei der doppelten Flugzeit 2T vorliegt, so kann das entsprechende Signal sicher einem echten Objekt zugeordnet werden. Sofern lediglich bei der einfachen Flugzeit T ein Signal detektiert wird, während bei der doppelten Flugzeit 2T kein Signal vorliegt, so kann angenommen werden, dass es sich bei dem detektierten Signal um einen Scheinreflex handelt.The interior of the sensor is equipped with retroreflectors, which have the property that incident light is reflected back in the direction of origin. Thus, the properly received light will be reflected back towards the object in the form of a secondary light pulse, while the scattered light will be reflected back towards the apparent origin. The secondary light pulse can be scattered again by objects, with a real object reflecting this secondary light pulse back to the transmitter, while the light scattered in the direction of the apparent object is not reflected again. This circumstance leads to a signal at the detector on the respective pixels. The secondary reflection of the object is exactly twice the original flight time. If it is now taken into account in the evaluation that, when a signal is detected at a flight time T, there is also a corresponding signal at twice the flight time 2T, then the corresponding signal can be reliably assigned to a real object. If a signal is only detected at single flight time T, while no signal is present at double flight time 2T, it can be assumed that the detected signal is an apparent reflex.

Grundsätzlich muss berücksichtigt werden, dass Objekte mit einer geringen Reflektivität wahrscheinlich keinen zweiten Reflex erzeugen, da die Signalstärke bei mehrfacher Reflexion nicht mehr ausreichen wird, um einen Detektor ein zweites Mal auszulösen. Es ist somit vorteilhaft, das Verfahren abhängig von der Signalstärke des Primärpulses anzuwenden. Wenn das erste Signal sehr groß ist, liegt der Verdacht nahe, dass es sich um ein hochreflektives Objekt handelt. In diesem Fall wird das oben beschriebene Verfahren angewendet. Ebenso ist das Vorliegen von Signalen auf allen Detektoren ein Anzeichen für einen extrem großen primären Puls und damit für eine hohe Reflektivität des abgetasteten Objekts.Basically, it must be taken into account that objects with a low reflectivity probably do not produce a second reflection, since the signal strength in the case of multiple reflections will no longer be sufficient to trigger a detector a second time. It is therefore advantageous to use the method depending on the signal strength of the primary pulse. If the first signal is very large, the suspicion arises that it is a highly reflective object. In this case, the procedure described above applies. Likewise, the presence of signals on all detectors is an indication of an extremely large primary pulse and thus of high reflectivity of the scanned object.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples. Rather, other variations can also be derived from this by a person skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention.

Claims

Method for detecting objects (400) in an environment (300) using a LiDAR system (100), wherein a transmission device (120) of the LiDAR system (100) transmits a time-structured light radiation (200) in the form of a primary light pulse (210 ) emits, which illuminates a current detection area (311) of the environment (400), the primary light pulse (210) being reflected back from an object (400) in the current detection area (311), the back-reflected primary light pulse (220) using at least of a retroreflector (151, 152, 153) assigned to the LiDAR system (100) in order to generate a secondary light pulse (230) that re-illuminates the current detection area (311), the secondary light pulse (230) being reflected from the object (400 ) is reflected back in the current detection area (311), the primary light pulse (220) reflected back and the secondary light pulse (240) reflected back is received using a detector arrangement (140) made up of a plurality of light detectors (141 ₁ -141 ₁₃ ) arranged next to one another, with each light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) receiving light radiation (200) from a different direction of the current detection area (311), whereby light radiation (200) received by a light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) is assigned to a real object (400) if the light detector in question (141 ₁ -141 ₁₃ ) detects both the primary light pulse (220 ) and the secondary light pulse (240) reflected back, and wherein a light radiation (200) received by a light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) is assigned to an apparent reflection produced by undesired scattering effects if the relevant light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) detects the primary light pulse (220) reflected back, but not the secondary light pulse (240) reflected back.

procedure after claim 1 , wherein a light radiation (200) received by a light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) of the receiving device (140) is only treated as a secondary light pulse (240) reflected back if the time period (2T) between the transmission of the associated primary light pulse ( 210) and the detection of the relevant secondary light pulse (240) reflected back by the respective light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) exactly twice the time duration (T) between the emission of the associated primary light pulse (210) and the detection of the primary light pulse reflected back ( 220) by the respective light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ).

Method according to one of the preceding claims, wherein the assignment of a light radiation (200) received by a light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) to an apparent reflection produced by undesired scattering effects only takes place if the light detector in question (141 ₁ -141 ₁₃ ) only primary light pulse (220) reflected back, while at least one other light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) detects both the primary light pulse (220) reflected back and the secondary light pulse reflected back (240) when a light intensity of the primary light pulse (220) reflected back exceeds a predetermined threshold value and/or when the primary light pulse (220) reflected back is detected by all light detectors (141 ₁ -141 ₁₃ ) of the receiving device (140).

Method according to one of the preceding claims, wherein the secondary light pulse (240) reflected back is received using at least one light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) and used to correct an output signal of the relevant light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ).

LiDAR system (100) a LiDAR sensor (110) and a control device (160), the LiDAR sensor (110) comprising: - a transmitter device (110) designed to emit a temporally structured light radiation (200) in the form of a primary light pulse (210), the primary light pulse (210) illuminating a current detection area (311) in an environment (300), - a reflector device (150) with at least one retroreflector (151, 152, 153) assigned to the LiDAR system (100). ), which is designed to generate a secondary light pulse (230) that illuminates the current detection area (311) again by reflecting the primary light pulse (220) reflected back from an object (400) in the current detection area (311), - a receiving device (120) comprising a detector arrangement (130) from a plurality of light detectors (141 ₁ -141 ₁₃ ) arranged side by side, each light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) being formed, the light radiation (200) of the back reflector oriented primary and secondary light pulses (220, 240) from a different direction of the current detection area (311) individually assigned to this light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ), and wherein the control device (160) is designed to detect objects (400) in the environment (400) by a temporal and spatial evaluation of the light radiation (200) received by the receiving device (130), wherein the control device (160) is also designed to use one of a light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) of the receiving device (140) to assign received light radiation (200) to a real object (400) if the relevant light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) detects both the primary light pulse (220) reflected back and the secondary light pulse (240) reflected back, and wherein the control device (160) is also designed to transmit a light radiation (200) received by a light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) of the receiving device (140) to a through un assign desired scattering effects generated apparent reflection if the relevant light detector (141 ₁ -141 ₁₃ ) does not detect the reflected back primary light pulse (220) but also the reflected back secondary light pulse (240).

LiDAR system (100) after claim 5 , wherein the LiDAR sensor (110) comprises a housing (111), and wherein the at least one retroreflector (151,152,153) is arranged inside the housing (101).

LiDAR system (100) after claim 6 , wherein the at least one retroreflector (151,152,153) is designed in the form of a reflective layer arranged on the inside of the housing (110).

LiDAR system (100) according to one of the Claims 5 until 7 , wherein the reflector device (150) comprises a plurality of discrete retroreflectors (151, 152, 153).

LiDAR sensor (110) for a LiDAR system (100) according to one of Claims 5 until 8th .

Control device (160) for a LiDAR system (100) according to one of Claims 5 until 8th , which is set up, at least part of the steps of the method according to any one of Claims 1 until 4 . to execute.