DE102020213161A1 - LiDAR system and control method with surface roughness determination - Google Patents
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Abstract
Es wird ein LiDAR-System (1) beschrieben, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend eine Emitteranordnung (2), die mindestens einen Laser (6) umfasst. Eine Detektoranordnung (3) umfasst mindestens eine Detektoreinheit (4), wobei jede Detektoreinheit (4) eine Matrixanordnung von Detektorelementen umfasst. Jede Detektoreinheit (4) ist auf denselben Raumwinkelbereich ausgerichtet wie einer der Laser (6), sodass die Detektoreinheit (4) zumindest das von Umgebungsobjekten reflektierte Laserlicht eines zugeordneten Lasers (6) detektieren kann. Eine Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die von den Detektorelementen detektierten Signale auszuwerten, um die Entfernung von Umgebungsobjekten zu detektieren. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die individuellen Signale der Detektorelemente auszuwerten um ein durch die Reflektion an einer Oberfläche eines Umgebungsobjekts erzeugtes räumliches Speckle-Muster aufzunehmen. Außerdem ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das räumliche Speckle-Muster zu analysieren um eine Oberflächenrauheit der Oberfläche des Umgebungsobjekts zu berechnen. Weiterhin wird ein Steuerverfahren für ein LiDAR-System (1) beschrieben.A LiDAR system (1) is described, in particular for a vehicle, comprising an emitter arrangement (2) which comprises at least one laser (6). A detector arrangement (3) comprises at least one detector unit (4), each detector unit (4) comprising a matrix arrangement of detector elements. Each detector unit (4) is aligned to the same solid angle range as one of the lasers (6), so that the detector unit (4) can at least detect the laser light of an associated laser (6) reflected by surrounding objects. A control unit is set up to evaluate the signals detected by the detector elements in order to detect the distance from surrounding objects. According to the invention, the control unit is set up to evaluate the individual signals of the detector elements in order to record a spatial speckle pattern generated by the reflection on a surface of a surrounding object. In addition, the control unit is set up to analyze the spatial speckle pattern in order to calculate a surface roughness of the surface of the surrounding object. Furthermore, a control method for a LiDAR system (1) is described.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LIDAR-System, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend eine Emitteranordnung, die mindestens einen Laser umfasst, eine Detektoranordnung, die mindestens eine Detektoreinheit umfasst, wobei jede Detektoreinheit eine Matrixanordnung von Detektorelementen umfasst, wobei jede Detektoreinheit auf denselben Raumwinkelbereich ausgerichtet ist wie einer der Laser, sodass die Detektoreinheit zumindest das von Umgebungsobjekten reflektierte Laserlicht eines zugeordneten Lasers detektieren kann und eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die von den Detektorelementen detektierten Signale auszuwerten, um die Entfernung von Umgebungsobjekten zu detektieren.The present invention relates to a LIDAR system, in particular for a vehicle, comprising an emitter arrangement which comprises at least one laser, a detector arrangement which comprises at least one detector unit, each detector unit comprising a matrix arrangement of detector elements, each detector unit being aligned to the same solid angle range such as one of the lasers, so that the detector unit can at least detect the laser light of an associated laser reflected by surrounding objects, and a control unit that is set up to evaluate the signals detected by the detector elements in order to detect the distance from surrounding objects.
Stand der TechnikState of the art
Hoch- und vollautomatisierte Fahrzeuge werden in den nächsten Jahren einen immer größeren Anteil des Straßenverkehrs ausmachen. Alle bekannten Konzepte von automatisierten Fahrzeugen verwenden Sensoren, wie z. B. Kameras, Radar und LiDAR (Light Detection and Ranging). Letztere sind Laserscanner, die einen kurzen Puls Laserlicht aussenden und das von einem Objekt reflektierte Licht erfassen. LiDAR-Systeme berechnen dann den Abstand des Objekts aus der gemessenen Laufzeit bei Flugzeit-LiDAR (englisch: „time of flight“, ToF) oder durch die Detektion von Schwebungs-Frequenzen bei frequenzmoduliertem Dauerstrich-LiDAR (FMCW-LiDAR).Highly and fully automated vehicles will account for an ever larger proportion of road traffic in the coming years. All known concepts of automated vehicles use sensors such. B. cameras, radar and LiDAR (Light Detection and Ranging). The latter are laser scanners that emit a short pulse of laser light and capture the light reflected from an object. LiDAR systems then calculate the distance to the object from the measured transit time in the case of time-of-flight (ToF) LiDAR or by detecting beat frequencies in the case of frequency-modulated continuous-wave LiDAR (FMCW-LiDAR).
LiDAR-Systeme umfassen typischerweise einen Laser, der kurze Lichtpulse aussendet, und einen Detektor, der das reflektierte Laserlicht detektiert. In den meisten Fällen arbeiten LiDAR-Systeme mit mehreren Lasern und mehreren Detektoreinheiten (auch Makropixel genannt), wobei jede Detektoreinheit auf denselben Raumwinkelabschnitt wie einer der Laser ausgerichtet ist.LiDAR systems typically include a laser that emits short pulses of light and a detector that detects the reflected laser light. In most cases, LiDAR systems work with multiple lasers and multiple detector units (also called macropixels), with each detector unit aligned to the same solid angle section as one of the lasers.
Laser emittieren kohärentes Licht, d.h. Lichtwellen mit einer festen Phasenbeziehung über eine bestimmte Zeit und Entfernung (Kohärenzzeit und Kohärenzlänge). Diese Eigenschaft ermöglicht die Interferenz des Lichts, wodurch Interferenzmuster entstehen. Wenn beispielsweise Laserlicht auf raue Oberflächen gestrahlt wird, bildet sich in der Detektorebene ein gepunktetes Interferenzmuster, das Speckle-Muster genannt wird. Als Speckle-Muster, Lichtgranulation oder Lasergranulation oder kurz Speckle werden allgemein die körnigen Interferenzphänomene bezeichnet, die sich bei hinreichend kohärenter Beleuchtung optisch rauer Objektoberflächen (mit Unebenheiten in der Größenordnung der Wellenlänge) beobachten lassen. Speckle-Muster können auch vom menschlichen Auge gesehen werden, wenn man den Fleck eines Lasers auf einer rauen Wand betrachtet - der Laserfleck erscheint dann nicht homogen, sondern eher gemustert mit hellen und dunklen Bereichen.Lasers emit coherent light, i.e. light waves with a fixed phase relationship over a certain time and distance (coherence time and coherence length). This property allows light to interfere, creating interference patterns. For example, when laser light is shined on rough surfaces, a dotted interference pattern called a speckle pattern forms in the detector plane. The granular interference phenomena that can be observed with sufficiently coherent illumination of optically rough object surfaces (with unevenness in the order of magnitude of the wavelength) are generally referred to as speckle patterns, light granulation or laser granulation, or speckle for short. Speckle patterns can also be seen by the human eye when looking at a laser spot on a rough wall - the laser spot then does not appear homogeneous but rather patterned with light and dark areas.
Speckle-Effekte werden insbesondere im Stand der Technik für LiDAR-Systeme eher als ein das Signal-Rauschen-Verhältnis störender Effekt angesehen, den es zu umgehen gilt.In the prior art for LiDAR systems in particular, speckle effects are viewed more as an effect that disrupts the signal-to-noise ratio and that needs to be avoided.
Aus
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß wird ein LiDAR-System der eingangs genannten Art bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist die individuellen Signale der Detektorelemente auszuwerten um ein durch die Reflektion an einer Oberfläche eines Umgebungsobjekts erzeugtes räumliches Speckle-Muster aufzunehmen, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das räumliche Speckle-Muster zu analysieren um eine Oberflächenrauheit der Oberfläche des Umgebungsobjekts zu berechnen.According to the invention, a LiDAR system of the type mentioned is provided, characterized in that the control unit is set up to evaluate the individual signals of the detector elements in order to record a spatial speckle pattern generated by the reflection on a surface of a surrounding object, the control unit being set up to do so to analyze the spatial speckle pattern to calculate a surface roughness of the surface of the surrounding object.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Diese Erfindung stellt einen LiDAR-Sensor bereit, der die Oberflächenrauheit eines Objekts durch Analyse des vom Detektor aufgenommenen Speckle-Musters bestimmt. Bisherige LiDAR-Systeme können oft nur die Entfernung und Geschwindigkeit eines Umgebungsobjekts bestimmen und liefern insofern bisher deutlich weniger Informationen als dies beispielsweise kamerabasierte Sensorsysteme (wenn auch mit mehr Rechenaufwand) durch Bildanalyse können. Das erfindungsgemäße LiDAR-System stellt nun zusätzliche Informationen über Umgebungsobjekte bereit, ohne dass dies eine rechenintensive Bildanalyse wie beispielsweise bei kamerabasierten Sensorsystemen erfordert.This invention provides a LiDAR sensor that determines the surface roughness of an object by analyzing the speckle pattern picked up by the detector. Previous LiDAR systems can often only determine the distance and speed of a surrounding object and in this respect have so far provided significantly less information than, for example, camera-based sensor systems (albeit with more computing effort) through image analysis. The inventive The LiDAR system now provides additional information about surrounding objects without requiring a computationally intensive image analysis, as is the case with camera-based sensor systems, for example.
Der hier vorgestellte LiDAR-Sensor umfasst mindestens einen Laser mit ausreichend langer Kohärenzzeit und mindestens einer Detektoreinheit / einem Makropixel und vorzugsweise ein Objektiv, das das von Umgebungsobjekten reflektierte Laserlicht auf das Makropixel abbildet. Darüber hinaus umfasst jede Detektoreinheit /jedes Makropixel mehrere Detektorelemente / Mikropixel, die in einer Matrixstruktur angeordnet sind. Bei den Detektorelementen kann es sich zum Beispiel um Einzelphotonen-Lawinendioden (SPAD) handeln, aber auch Lawinenphotodioden (APD) oder ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD) sind möglich. Die Mikropixel können dann wie ein Bildsensor zur Erkennung von Mustern innerhalb eines Makropixels wirken.The LiDAR sensor presented here comprises at least one laser with a sufficiently long coherence time and at least one detector unit/macropixel and preferably a lens that images the laser light reflected from surrounding objects onto the macropixel. In addition, each detector unit/each macro-pixel comprises several detector elements/micro-pixels arranged in a matrix structure. The detector elements can be, for example, single-photon avalanche diodes (SPAD), but avalanche photodiodes (APD) or charge-coupled devices (CCD) are also possible. The micro-pixels can then act like an image sensor to recognize patterns within a macro-pixel.
In Flugzeit-LiDAR-Systemen wird beispielsweise zur Messung der Flugzeit das Signal aller Mikropixel innerhalb eines Makropixels kombiniert, um ein ausreichend großes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Insbesondere bei SPAD-Detektoren ist die Kombination mehrerer Mikropixel aufgrund des binären Detektionscharakters der Diode in der Regel notwendig. Zur Abschätzung der Oberflächenrauheit verwendet das erfindungsgemäße LiDAR-System nun aber die Einzelsignale jedes Mikropixels, um das räumliche Speckle-Muster zu messen. Es wird also Information genutzt, die bisher zwar mit aufgenommen wird aber bei der Auswertung z. B. durch Mittelung wieder verworfen wird.In time-of-flight LiDAR systems, for example, the signal from all micro-pixels is combined within a macro-pixel to measure the time of flight in order to obtain a sufficiently high signal-to-noise ratio. In the case of SPAD detectors in particular, the combination of several micropixels is usually necessary due to the binary detection character of the diode. However, to estimate the surface roughness, the LiDAR system according to the invention now uses the individual signals of each micropixel to measure the spatial speckle pattern. So it is used information that has been included but in the evaluation z. B. is discarded again by averaging.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, zur Berechnung der Oberflächenrauheit eines oder mehrere der folgenden Verfahren auszuführen:
- - Texturanalyse-Verfahren,
- - Speckle-Kontrastverfahren,
- - Speckle-Korrelationsverfahren.
- - texture analysis method,
- - speckle contrast method,
- - Speckle correlation method.
In einer Ausführungsform ist mindestens ein Laser ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL-Laser, englisch: vertical-cavity surfaceemitting laser) oder ein Laser mit verteilter Rückkopplung (DBR-Laser, englisch: distributed feedback Laser). Diese Lasertypen lassen sich besonders effektiv in einer kompakten Matrixanordnung anordnen.In one embodiment, at least one laser is a vertical-cavity surface-emitting (VCSEL) laser or a distributed feedback (DBR) laser. These types of lasers can be arranged particularly effectively in a compact matrix arrangement.
Es ist bevorzugt, wenn die Emitteranordnung eine Vielzahl von Lasern in Matrixanordnung und die Detektoranordnung eine Vielzahl von Detektoreinheiten in Matrixanordnung umfasst, wobei jedem Laser mindestens eine Detektoreinheit für denselben Raumwinkelbereich zugeordnet ist. Das LiDAR-System umfasst also eine Lasermatrix und eine Detektormatrix. Jeder Laser kann auf einen anderen Raumwinkelbereich ausgerichtet sein, wobei ein gewisser Überlapp möglich ist. Die Emitteranordnung / Lasermatrix umfasst mehrere Laserdioden (z.B. VCSEL-Laser, DBR-Laser usw.), die in einer Matrixanordnung angeordnet sind. Vorzugsweise ist ein Objektiv / eine Linse vor der Emitteranordnung angeordnet und lenkt das Laserlicht der einzelnen Laser in verschiedene Richtungen. Ein zweites Objektiv ist bevorzugt vor der Detektoranordnung angeordnet und bildet das von Umgebungsobjekten reflektierte Licht auf die Detektoreinheiten ab. Die Detektoreinheiten der Detektoranordnung sind dabei in einer Matrixstruktur ähnlich den Lasern in der Emitteranordnung angeordnet. Das Objektiv ist vorteilhafterweise so gewählt, dass jeweils eine Detektoreinheit das von einem der Laser emittierte und dann zurückreflektierte Licht misst, also jeweils ein Paar aus einem Laser und einer Detektoreinheit / Makropixel einen übereinstimmenden Raumwinkelabschnitt abdeckt.It is preferred if the emitter arrangement comprises a multiplicity of lasers in a matrix arrangement and the detector arrangement comprises a multiplicity of detector units in a matrix arrangement, with each laser being assigned at least one detector unit for the same solid angle range. The LiDAR system thus includes a laser matrix and a detector matrix. Each laser can be aimed at a different solid angle range, with some overlap being possible. The emitter array/laser matrix includes multiple laser diodes (e.g. VCSEL lasers, DBR lasers, etc.) arranged in a matrix array. An objective/lens is preferably arranged in front of the emitter arrangement and directs the laser light of the individual lasers in different directions. A second objective is preferably arranged in front of the detector arrangement and images the light reflected from surrounding objects onto the detector units. The detector units of the detector arrangement are arranged in a matrix structure similar to the lasers in the emitter arrangement. The lens is advantageously chosen so that a detector unit in each case measures the light emitted by one of the lasers and then reflected back, ie a pair of a laser and a detector unit/macropixel covers a corresponding solid angle section.
Jede Detektoreinheit / Makropixel umfasst mehrere Detektorelemente / Mikropixel, die es ermöglichen, bildähnliche Daten innerhalb eines Makropixels zu erfassen, um Speckle-Muster zur Abschätzung der Oberflächenrauheit zu messen. Die erfindungsgemäße Oberflächenrauheitsmethode ist dabei nicht auf das beschriebene statische LiDAR-System beschränkt, sondern kann auch in anderen LiDAR-Konzepten, wie rotierenden Scannern oder Mikrospiegelscannern, verwendet werden.Each detector unit/macro-pixel includes multiple detector elements/micro-pixels, allowing image-like data to be captured within a macro-pixel to measure speckle patterns for surface roughness estimation. The surface roughness method according to the invention is not limited to the static LiDAR system described, but can also be used in other LiDAR concepts, such as rotating scanners or micromirror scanners.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, aus der ermittelten Oberflächenrauheit den Typ des Umgebungsobjekts zu bestimmen. Bei einer Fahrzeuganwendung weisen beispielsweise andere Fahrzeuge (lackierte Oberflächen) eine vergleichsweise geringe Oberflächenrauheit auf während Gebäudewände (Stein, Putz etc.), Bodenbeläge (Stein, Asphalt, etc.), Passanten und Vegetation eine höhere, aber untereinander unterscheidbare Oberflächenrauheit aufweisen.In one embodiment, the control unit is set up to determine the type of the surrounding object from the determined surface roughness. In a vehicle application, for example, other vehicles (painted surfaces) have a comparatively low surface roughness, while building walls (stone, plaster, etc.), floor coverings (stone, asphalt, etc.), pedestrians and vegetation have a higher but distinguishable surface roughness.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, in die Bestimmung des Typs des Umgebungsobjekts weiterhin eine oder mehrere der folgenden Informationen miteinzubeziehen:
- - einen bestimmten Abstand des Umgebungsobjekts,
- - eine bestimmte Raumwinkelgröße des Umgebungsobjekts durch Vergleich der Messungen von benachbarten Detektoreinheiten,
- - eine bestimmte Relativgeschwindigkeit zwischen dem LiDAR-System und dem Umgebungsobjekt. Diese Informationen erlauben es beispielweise eine absolute Größe und Absolutgeschwindigkeit (mit der bekannten Geschwindigkeit des eigenen Fahrzeugs) eines Umgebungsobjekts abzuschätzen und diese Information zusammen mit der bestimmten Oberflächenrauheit zur Unterscheidung des Umgebungsobjekts heranzuziehen.
- - a certain distance of the surrounding object,
- - a certain solid angle size of the surrounding object by comparing the measurements of neighboring detector units,
- - a certain relative speed between the LiDAR system and the surrounding object. This information makes it possible, for example, to estimate an absolute size and absolute speed (with the known speed of one's own vehicle) of a surrounding object and to use this information together with the determined surface roughness to differentiate between the surrounding object.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Steuerverfahren für ein LiDAR-System nach einer der vorstehenden Ausführungsformen bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte:
- - Emittieren von Laserlicht durch den Laser in einen Raumwinkelbereich,
- - Auswerten der individuellen Signale der dem Laser zugeordneten Detektorelemente um ein durch die Reflektion an einer Oberfläche eines Umgebungsobjekts erzeugtes räumliches Speckle-Muster aufzunehmen,
- - Analysieren des räumlichen Speckle-Musters um eine Oberflächenrauheit der Oberfläche des Umgebungsobjekts zu berechnen. Auch das erfindungsgemäße Steuerverfahren erlaubt das Bestimmen der Oberflächenrauheit eines Objekts durch Analyse des vom Detektor aufgenommenen Speckle-Musters. Bisherige Steuerverfahren für ein LiDAR-System können oft nur die Entfernung und Geschwindigkeit eines Umgebungsobjekts bestimmen und liefern insofern bisher deutlich weniger Informationen als dies beispielsweise kamerabasierte Sensorsysteme grundsätzlich könnten. Das erfindungsgemäße Steuerverfahren für ein LiDAR-System stellt nun zusätzliche Informationen über Umgebungsobjekte bereit, ohne dass dies eine rechenintensive Bildanalyse wie beispielsweise bei kamerabasierten Sensorsystemen erfordert.
- - Emission of laser light by the laser in a solid angle range,
- - Evaluation of the individual signals of the detector elements assigned to the laser in order to record a spatial speckle pattern generated by the reflection on a surface of a surrounding object,
- - Analyzing the spatial speckle pattern to calculate a surface roughness of the surface of the surrounding object. The control method according to the invention also allows the surface roughness of an object to be determined by analyzing the speckle pattern recorded by the detector. Previous control methods for a LiDAR system can often only determine the distance and speed of a surrounding object and in this respect have so far provided significantly less information than camera-based sensor systems, for example, could in principle do. The control method according to the invention for a LiDAR system now provides additional information about surrounding objects without requiring a computationally intensive image analysis, as is the case, for example, with camera-based sensor systems.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Analysierens des räumlichen Speckle-Musters zur Berechnung der Oberflächenrauheit mindestens eines der folgenden Verfahren:
- - Texturanalyse-Verfahren,
- - Speckle-Kontrastverfahren,
- - Speckle-Korrelationsverfahren.
- - texture analysis method,
- - speckle contrast method,
- - Speckle correlation method.
Vorzugsweise umfasst das Steuerverfahren den folgenden Schritt nach der Berechnung der Oberflächenrauheit:
- - Bestimmen des Typs des Umgebungsobjekts aus der berechneten Oberflächenrauheit,
- - ein bestimmter Abstand des Umgebungsobjekts,
- - eine bestimmte Raumwinkelgröße des Umgebungsobjekts durch Vergleich der Messungen von benachbarten Detektoreinheiten,
- - eine bestimmte Form des Umgebungsobjekts durch Vergleich der Messungen von benachbarten Detektoreinheiten,
- - eine bestimmte Relativgeschwindigkeit zwischen dem LiDAR-System und dem Umgebungsobjekt. Diese Informationen erlauben es beispielweise eine absolute Größe und Absolutgeschwindigkeit (z. B. mit der bekannten Geschwindigkeit eines mit dem LiDAR-System verbundenen Fahrzeugs) eines Umgebungsobjekts abzuschätzen und diese Information zusammen mit der bestimmten Oberflächenrauheit zur Unterscheidung des Umgebungsobjekts heranzuziehen.
- - determining the type of surrounding object from the calculated surface roughness,
- - a certain distance of the surrounding object,
- - a certain solid angle size of the surrounding object by comparing the measurements of neighboring detector units,
- - a specific shape of the surrounding object by comparing measurements from neighboring detector units,
- - a certain relative speed between the LiDAR system and the surrounding object. This information makes it possible, for example, to estimate an absolute size and absolute speed (e.g. with the known speed of a vehicle connected to the LiDAR system) of a surrounding object and to use this information together with the determined surface roughness to distinguish between the surrounding object.
Es ist bevorzugt, wenn die Schritte des Emittierens von Laserlicht und das Auswerten der individuellen Signale zum Aufnehmen eines räumlichen Speckle-Musters, mindestens zweimal mit unterschiedlichen Leistungseinstellungen des Lasers durchgeführt werden, bevor die bei verschiedenen Leistungen aufgenommenen räumlichen Speckle-Muster analysiert werden um eine Oberflächenrauheit der Oberfläche des Umgebungsobjekts zu berechnen. Insbesondere wenn es sich bei den Detektorelementen um SPAD-Mikropixel handelt, kann es von Vorteil sein, wiederholte Messungen derselben Detektoreinheit mit verschiedenen Laser-Leistungsausgängen durchzuführen. Dies ermöglicht es, eine genauere Intensitätsinformation des Speckle-Musters zu jedem Detektorelement anstelle einer binären Information zu erhalten, was die Speckle-Muster-Analyse erleichtert. Zum Beispiel könnte die Laserleistung logarithmisch ausgehend von der höchstmöglichen Laserleistung verringert werden, bis kein Detektorelement der Detektoreinheit mehr ein Signal erkennt. Die niedrigste Laserleistung, bei der das jeweilige Detektorelement noch ein Signal detektiert, ist dann ein Maß für die Intensität des Signals und es kann für alle Detektorelemente eine Intensitätsverteilung des räumlichen Speckle-Musters ermittelt werden. Für andere Detektorelementtypen wie z. B. APDs oder CCDs kann diese Leistungsvariation des Lasers nicht notwendig sein, wobei jedoch diese auch weniger empfindlich als beispielsweise SPADs sind und daher für die Grundfunktion des LiDAR-Systems, die Entfernungsbestimmung, andere Nachteile aufweisen. Die Leistungsvariation sollte in einer ausreichend kurzen Zeitspanne erfolgen, damit sich das Speckle-Muster nicht durch eine Relativbewegung zwischen Umgebungsobjekt und LiDAR-System verändert.It is preferred if the steps of emitting laser light and evaluating the individual signals to record a spatial speckle pattern are performed at least twice with different power settings of the laser before the spatial speckle patterns recorded at different powers are analyzed for surface roughness of the surface of the surrounding object. Especially when the detector elements are SPAD micropixels, it can be advantageous to perform repeated measurements of the same detector unit with different laser power outputs. This makes it possible to obtain more accurate speckle pattern intensity information for each detector element instead of binary information, which facilitates speckle pattern analysis. For example the laser power could be reduced logarithmically starting from the highest possible laser power until no more detector element of the detector unit detects a signal. The lowest laser power at which the respective detector element still detects a signal is then a measure of the intensity of the signal and an intensity distribution of the spatial speckle pattern can be determined for all detector elements. For other detector element types such. B. APDs or CCDs, this power variation of the laser may not be necessary, although these are also less sensitive than, for example, SPADs and therefore have other disadvantages for the basic function of the LiDAR system, the distance determination. The power variation should take place in a sufficiently short period of time so that the speckle pattern does not change due to a relative movement between the surrounding object and the LiDAR system.
Für das LiDAR-System offenbarte Merkmale sind ebenfalls mit für das erfindungsgemäße Steuerverfahren offenbarten Merkmalen kombinierbar und umgekehrt.Features disclosed for the LiDAR system can also be combined with features disclosed for the control method according to the invention and vice versa.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims and described in the description.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems, -
2 eine Detektoreinheit / Makropixel eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems und -
3 eine Emitteranordnung und eine Detektoreinheit / Makropixel einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems.
-
1 an embodiment of a LiDAR system according to the invention, -
2 a detector unit/macropixel of a LiDAR system according to the invention and -
3 an emitter array and a detector unit/macropixel of an embodiment of a LiDAR system according to the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der
In
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by means of preferred exemplary embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the protective scope of the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3587492T2 (en) | 1984-03-16 | 1994-03-17 | Digital Signal Corp | Frequency modulated laser radar. |
DE60102150T2 (en) | 2000-05-08 | 2004-08-26 | European Community | METHOD FOR IDENTIFYING AN OBJECT |
WO2012019871A1 (en) | 2010-08-09 | 2012-02-16 | Technical University Of Denmark A/S | Vector velocimeter |
US20140055775A1 (en) | 2012-08-23 | 2014-02-27 | Canon Kabushiki Kaisha | Material identification and discrimination |
DE102015006406A1 (en) | 2015-05-19 | 2016-12-08 | SAMTD GmbH & Co. KG | Method and device for the non-invasive determination of a measurand of an analyte in a biological body |
US20170139047A1 (en) | 2015-11-13 | 2017-05-18 | University Corporation For Atmospheric Research | A system and method to measure an atmospheric thermodynamic profile with a compact, all-fiber and eye-safe lidar |
DE102016220468A1 (en) | 2016-10-19 | 2018-04-19 | Robert Bosch Gmbh | Lidar sensor for detecting an object |
DE102018118528A1 (en) | 2017-08-02 | 2019-02-07 | GM Global Technology Operations LLC | Method and device for cross-segment acquisition in a lidar system |
DE102018208356A1 (en) | 2018-05-28 | 2019-11-28 | Robert Bosch Gmbh | Method for determining the condition of a floor |
US20200307692A1 (en) | 2019-03-28 | 2020-10-01 | Volkswagen Aktiengesellschaft | On-road localization methodologies and equipment utilizing road surface characteristics |
-
2020
- 2020-10-19 DE DE102020213161.9A patent/DE102020213161A1/en active Pending
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3587492T2 (en) | 1984-03-16 | 1994-03-17 | Digital Signal Corp | Frequency modulated laser radar. |
DE60102150T2 (en) | 2000-05-08 | 2004-08-26 | European Community | METHOD FOR IDENTIFYING AN OBJECT |
WO2012019871A1 (en) | 2010-08-09 | 2012-02-16 | Technical University Of Denmark A/S | Vector velocimeter |
US20140055775A1 (en) | 2012-08-23 | 2014-02-27 | Canon Kabushiki Kaisha | Material identification and discrimination |
DE102015006406A1 (en) | 2015-05-19 | 2016-12-08 | SAMTD GmbH & Co. KG | Method and device for the non-invasive determination of a measurand of an analyte in a biological body |
US20170139047A1 (en) | 2015-11-13 | 2017-05-18 | University Corporation For Atmospheric Research | A system and method to measure an atmospheric thermodynamic profile with a compact, all-fiber and eye-safe lidar |
DE102016220468A1 (en) | 2016-10-19 | 2018-04-19 | Robert Bosch Gmbh | Lidar sensor for detecting an object |
DE102018118528A1 (en) | 2017-08-02 | 2019-02-07 | GM Global Technology Operations LLC | Method and device for cross-segment acquisition in a lidar system |
DE102018208356A1 (en) | 2018-05-28 | 2019-11-28 | Robert Bosch Gmbh | Method for determining the condition of a floor |
US20200307692A1 (en) | 2019-03-28 | 2020-10-01 | Volkswagen Aktiengesellschaft | On-road localization methodologies and equipment utilizing road surface characteristics |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
PINO, Abdiel ; PLADELLORENS, Josep: Measure of roughness of paper using speckle. In: Optical inspection and metrology for non-optics industries : 3 - 4 August 2009, San Diego, California, United States. Bellingham, Wash. : SPIE, 2009 (Proceedings of SPIE ; 7432). Artikelnummer: 74320E (S. 1-9). - ISBN 978-0-8194-7722-4. DOI: 10.1117/12.825072. URL: https://www.spiedigitallibrary.org/proceedings/Download?fullDOI=10.1117%2F12.825072 [abgerufen am 2020-10-29] |
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