DE102020213163A1 - LiDAR-System mit Störquellen-Erkennung - Google Patents

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Holger Maris Gilbergs
Simon Bell
Johannes Richter
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Abstract

Es wird ein LiDAR-System (1) mit Störquellen-Erkennung beschrieben, insbesondere für ein Fahrzeug. Eine Emittereinheit (2) und eine Detektoreinheit sind vorgesehen, sodass reflektiertes Licht zum Abtasten einer Umgebung detektiert werden kann. Durch ein Fenster (4) gelangt das von der Emittereinheit (2) ausgesandte Licht aus einem Gehäuse und das von der Umgebung reflektierte Licht in das Gehäuse. Störquellen im Fenster können im Stand der Technik nur schwer ermittelt werden. Erfindungsgemäß ist mindestens ein sekundärer Detektor (5) vorgesehen, der an einer Auskoppelfläche (6) des Fensters (4) angebracht ist. Der sekundäre Detektor (5) ist dazu eingerichtet, sich innerhalb des Fensters (4) ausbreitendes Streulicht zu detektieren. Das LiDAR-System (1) umfasst eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, durch den mindestens einen sekundären Detektor (5) detektiertes Streulicht (SL) auszuwerten, um Störquellen (7, 8) auf oder in dem Fenster (4) zu detektieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System mit Störquellen-Erkennung, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend eine Emittereinheit umfassend mindestens eine Lichtquelle, eine Detektoreinheit umfassend mindestens einen primären Detektor, der dazu eingerichtet ist, reflektiertes Licht mindestens eines von der Emittereinheit ausgesandten Lichtstrahls zum Abtasten einer Umgebung zu detektieren um Umgebungsobjekte zu erfassen, und ein Gehäuse umfassend ein Fenster, durch das von der Emittereinheit ausgesandtes Licht aus dem Gehäuse und von der Umgebung reflektiertes Licht in das Gehäuse gelangt.
  • Stand der Technik
  • LiDAR-Systeme (LiDAR, englisch für „light detection and ranging“) arbeiten, indem sie einen Lichtstrahl aussenden und den Teil des Lichts erfassen, der von der Umgebung reflektiert wird. Typischerweise sind die Emitter- und Detektoreinheit durch ein Fenster (Glas oder jedes andere Material von optischer Qualität mit oder ohne zusätzliche Beschichtungen) vor Umgebungseinflüssen geschützt. Störquellen wie z. B. Kratzer, Schmutz oder Wassertropfen auf oder in diesem Fenster können den optischen Pfad stören und die Signalqualität verschlechtern. Von Natur aus ist diese Verschlechterung nicht ohne weiteres von äußeren Einflüssen auf das Signal-Rausch-Verhältnis zu unterscheiden (wie Sonnenlicht oder Umgebungsobjekte mit geringem Reflexionsvermögen). Das Fenster kann beispielsweise eine Glasscheibe oder Kunststoffscheibe sein, die bevorzugt zumindest für (Nah-)Infrarotlicht im Wesentlichen transparent ist.
  • Das Fenster ist ein lichtbrechendes optisches Element, das das Signallicht zweimal durchläuft. Einmal, wenn es in die Umgebung emittiert wird, und noch einmal auf dem Weg zurück zur Detektoreinheit. Bei einer trockenen und glatten Oberfläche werden im Wesentlichen alle Photonen entweder durch das Fenster durchgelassen oder zum Inneren des Sensors zurückreflektiert. Störquellen auf oder innerhalb des Fensters reduzieren oder blockieren aber lokal die Durchlässigkeit des Fensters und können so die Funktion des LiDAR-Systems empfindlich stören.
  • Im Stand der Technik wird beispielsweise eine softwarebasierte Abschätzung der Reichweitenreduktion im Sichtfeld verwendet, die jedoch nur eine langsame Erkennung von Verschmutzungen zulässt (mit Verzögerungen im Bereich von Minuten und länger). Für hochautomatisierte Fahrzeuge nach Level 4 oder 5 ist jedoch eine Erkennung im Sekundenbereich oder schneller erforderlich, um schnell genug auf die geänderte Verfügbarkeit des Sensors reagieren zu können.
  • Aus der US 2018/0143298 ist ein LiDAR-System bekannt, dass eine derartige softwarebasierte Vergleichslösung vorschlägt. Es werden mehrere Sensoren verwendet um eine Umgebung um einen Teil eines Fahrzeugs herum zu überwachen. Die Ausgabe der Sensoren wird verglichen, um festzustellen, ob einer der Sensoren blockiert ist. Diese Feststellung kann durch den Vergleich der Ausgabe eines Sensors mit einem anderen erfolgen, durch die Feststellung, ob die Ausgabe eines Sensors innerhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt, oder durch den Vergleich der Eigenschaften mehrerer Sensorausgaben miteinander. Wenn festgestellt wird, dass ein Sensor blockiert ist, kann das System einen Befehl an ein Reinigungssystem senden, um die Blockierung automatisch zu beseitigen. Diese Lösung erfordert aber eine standardisierte Umgebung oder zumindest den Stillstand des Fahrzeugs um eine direkte Vergleichbarkeit der Messungen der Sensoren mit schneller Störquellenerkennung zu ermöglichen. Im Fahrbetrieb wird der direkte Vergleich durch die ständige Veränderung der Umgebung erschwert und es ist in der Regel eine Langzeitmessung erforderlich um z. B. durch einen gemittelten Vergleich der Sensordaten über die Zeit eine Störquelle zu identifizieren.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein LiDAR-System der eingangs genannten Art bereitgestellt, umfassend mindestens einen sekundären Detektor, der an einer Auskoppelfläche des Fensters angebracht ist, wobei der sekundäre Detektor dazu eingerichtet ist, das sich innerhalb des Fensters ausbreitende Streulicht zu detektieren, und wobei das LiDAR-System eine Steuereinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, durch den mindestens einen sekundären Detektor detektiertes Streulicht auszuwerten, um Störquellen auf oder in dem Fenster zu detektieren.
  • Vorteile der Erfindung
  • Unebenheiten der Oberfläche des Fensters, Wassertropfen oder Verschmutzungen können eine Streuung des Lichts in mehrere Richtungen oder die Reflexion in unbeabsichtigte Richtungen verursachen. Im Falle von Kratzern (d. h. die Streuung findet im Inneren des optischen Materials des Fensters statt) und Wassertropfen (Reflexionen an der Grenzfläche Wasser/Luft können in einem weiten Winkelbereich zu Rückreflexionen in das Material führen) kann ein Teil des Lichts einen Winkel relativ zur (lokalen) Fensteroberfläche haben, der kleiner ist als der Winkel der totalen internen Reflexion. Ein Teil des durch derartige permanente Störquellen (z. B. Kratzer, Risse) oder temporäre Störquellen (z. B. Wassertropfen, Schmutz) erzeugten Streulichts breitet sich also quer zur Haupttransmissionsrichtung innerhalb des Fensters aus und erreicht (teilweise nach einer oder mehreren inneren Totalreflektionen) die Außenkanten des Fensters. Als Haupttransmissionsrichtung ist hier die (lokal) senkrecht auf der Fensterfläche stehende Richtung gemeint, in der das emittierte Signallicht im Wesentlichen durch das Fenster läuft.
  • In diesem Fall bleibt dieser Teil des Lichts innerhalb des Fensters - das also gewissermaßen als Wellenleiter fungiert - und tritt an der Auskoppelfläche aus dem Fenster aus. Ein an dieser Auskoppelfläche des Fensters angebrachter Detektor ist dazu eingerichtet, das sich innerhalb des Fensters ausbreitende Streulicht zu detektieren. Der sekundäre Detektor ist also im Gegensatz zum Stand der Technik so angeordnet, dass er nur Licht detektiert, das sich im Wesentlichen senkrecht zur Haupttransmissionsrichtung innerhalb des Fensters ausbreitet. Dadurch kann der sekundäre Detektor einen höheren Anteil an Streulicht im Verhältnis zum aus der Umgebung zurückreflektierten Nutzlicht detektieren als wäre er in Richtung der Haupttransmissionsrichtung durch das Fenster ausgerichtet. Die Steuereinheit wertet dann das durch den sekundären Detektor detektierte Streulicht aus, um Störquellen auf oder in dem Fenster zu detektieren.
  • Der Begriff „an einer Auskoppelfläche des Fensters angebracht“ ist hier so zu verstehen, dass der mindestens eine sekundäre Detektor vorzugsweise an einer Seitenfläche oder Seitenkante des Fensters angebracht ist. Die Auskoppelfläche kann aber auch an einer Außenseite des Fensters entgegen der Haupttransmissionsrichtung durch das Fenster und angrenzend an eine Seitenfläche oder Seitenkante des Fenster angeordnet sein. Im letzteren Fall erreicht den sekundären Detektor ebenfalls praktisch nur Streulicht, sofern sich der sekundäre Detektor außerhalb des vom emittierten Laserlicht abgedeckten Bereichs des Fensters befindet.
  • Die Auskoppelfläche selbst kann also z. B. an einer Seitenkante des Fensters oder in einem Randbereich der Außenseite des Fensters angeordnet sein. Die Auskoppelfläche kann eine angeraute Oberfläche des Fensters sein. Der sekundäre Detektor kann in direktem Kontakt mit der Fensteroberfläche angeordnet sein oder die Licht-Einkopplung kann über ein dazwischen angeordnetes Material mit an das Fenstermaterial angeglichenem Brechungsindex erfolgen.
  • Das Fenster kann beispielsweise die Form eines flachen Quaders aufweisen, wobei mindestens ein sekundärer Detektor an einer Auskoppelfläche, alternativ mehrere sekundäre Detektoren an mehreren Auskoppelflächen angebracht ist. Das Fenster kann aber auch die Form eines dünnen Zylinderschalenabschnitts aufweisen (siehe auch 3), wobei der mindestens eine sekundäre Detektor vorzugsweise an einer Auskoppelfläche angebracht ist, die senkrecht zur Polarrichtung (in Kreiszylinderkoordinaten parallel zu einer r-z-Ebene) verläuft. Letztere Lösung ist für LiDAR-Systeme, die einen großen Winkelbereich abdecken, z. B. mittels eines rotierenden Spiegels, zu bevorzugen. Die erste Lösung kann bevorzugt sein, wenn das LiDAR-System nur einen begrenzen Winkelbereich abdeckt, z. B. als empfindlicherer Ferndetektor im Zusammenspiel mit anderen Nahfeld-Detektoren eines Fahrzeugs.
  • Das Streulicht, das den mindestens einen sekundären Detektor an einer Auskoppelfläche des Fensters erreicht, kann mehrere Ursprünge haben. Es kann entweder von außen (Sonnenlicht, Kunstlicht) oder von innen (Lichtquelle des LiDAR-Systems) in das Fenster eingekoppelt werden. Der Begriff „Streulicht“ ist in dieser Anmeldung so zu verstehen, dass er alles Licht beschreibt, dass durch eine Störquelle im oder auf dem Fenster abgelenkt / reflektiert / gebrochen wurde, z. B. also auch an einem Wassertropfen reflektiertes Licht. Das externe Licht kann zwar grundsätzlich zur Detektion von Störquellen verwendet werden, die Verwendung der inneren Lichtquelle bietet jedoch mehrere Vorteile, die in den nachfolgenden Ausführungsformen näher erläutert werden.
  • Das erfindungsgemäße LiDAR-System ermöglicht durch die Verwendung des sekundären Detektors ein wirksameres und schnelleres Detektieren von Störquellen auch im Betrieb des LiDAR-Systems also zum Beispiel in einer Fahrsituation eines mit dem LiDAR-System ausgestatteten Fahrzeugs. Die Störquellenerkennung ist auch insbesondere weniger umgebungsabhängig als der Stand der Technik, da primär oder ausschließlich von der internen Lichtquelle stammendes Streulicht verwendet werden kann und aus der Umgebung zurückreflektiertes Licht oder sonstiges externes Licht für die Störquellenerkennung nicht notwendig ist.
  • Die Steuereinheit kann so eingerichtet sein, dass erst bei einer vorgegebenen oder adaptiv nachgeregelten Mindestintensität des Streulichts eine Störquelle identifiziert wird. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise eine sehr leichte Verschmutzung der Oberfläche des Fensters, eine temporäre intensive externe Lichtquelle oder ein stark reflektierendes Umgebungsobjekt, die jeweils zu einer (teilweise temporären) Erhöhung des Streulichts im Fenster führen können, nicht als problematische Störquelle identifiziert werden und beispielsweise einen Fehlalarm auslösen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das LiDAR-System eine zumindest teilweise schwenkbare Strahloptik, die zumindest dazu eingerichtet ist, mindestens einen von der Emittereinheit ausgesandten Lichtstrahl zum Abtasten einer Umgebung in verschiedene Richtungen abzulenken und von der Umgebung reflektiertes Licht zur Detektoreinheit abzulenken, wobei der mindestens eine Lichtstrahl durch die Ablenkung der Strahloptik durch verschiedene Abschnitte des Fensters transmittiert wird, und wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die momentane Ablenkposition der Strahloptik mit der Intensität des von dem sekundären Detektor detektierten Streulichts zu korrelieren um eine Position einer Störquelle auf oder in dem Fenster zu berechnen. In LiDAR-Systemen ist es regelmäßig deutlich ökonomischer und weniger aufwendig, den LiDAR-Sensor selbst oder Elemente seiner Strahloptik schwenken / rotieren zu lassen, um die Umgebung auf Hindernisse abzutasten, als für jeden Winkelabschnitt eigene Emitter und Detektoren des LiDAR-Sensors bereitzustellen. Die Umgebungsabtastung erfolgt dabei häufig mit einer Flugzeitmethode (Time-of-Flight, ToF), bei der die Zeitdifferenz zwischen Lichtsignalemission und Detektion gemessen wird um die Entfernung zu Umgebungsobjekten zu bestimmen. In dieser Ausführungsform ist die Steuereinheit zumindest dazu eingerichtet eine eindimensionale Positionsbestimmung von Störquellen (entlang der Schwenkrichtung des Lichtstrahls) durchzuführen. Für eine möglichst genaue Positionsbestimmung einer Störquelle ist die Steuereinheit bevorzugt bezüglich des Verhältnisses von Ablenkposition der Strahloptik relativ zur erwarteten Intensität des Streulichts kalibriert. Liegt die Störquelle beispielsweise relativ nah am sekundären Detektor, wäre bei einer Störquelle eine höhere Intensität zu erwarten als wenn eine identische Störquelle weiter entfernt liegt und daher rein geometrisch sowie aufgrund der mehrfachen Reflexion des Streulichts weniger Streulicht den / die sekundären Detektor(en) erreichen.
  • Bevorzugt umfasst das LiDAR-System mindestens zwei sekundäre Detektoren, die an Auskoppelflächen an unterschiedlichen Positionen des Fensters angeordnet sind, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, aus den Intensitätsunterschieden der von den sekundären Detektoren detektierten Streulichtsignale eine Position einer Störquelle auf oder in dem Fenster zu berechnen. Sind zwei oder mehr sekundäre Detektoren an unterschiedlichen Positionen entlang von einer oder mehrerer Auskoppelfläche(n) angeordnet, so ist eine umso höhere Streulicht-Intensität zu erwarten, je näher die Störquelle zu dem jeweiligen sekundären Detektor liegt. Die Steuereinheit kann dann dazu eingerichtet sein eine (eindimensionale oder zweidimensionale) Position der Störquelle aus den verschiedenen Intensitätssignalen der sekundären Detektoren zu berechnen. Wenn gleichzeitig mehrere Störquellen auf dem Fenster (z. B. eine Vielzahl von Regentropfen) vorliegen wird eine Positionsbestimmung allein durch den Vergleich der Streulichtintensitäten allerdings erheblich erschwert oder sogar unmöglich. Weist das LiDAR-System wie in der vorherigen Ausführungsform eine zumindest teilweise schwenkbare Strahloptik aufweist, ist jedoch in jedem Fall zumindest eine eindimensionale Positionsbestimmung der Störquelle(n) durch Korrelation mit dem Ablenkwinkel des Lichtstrahls möglich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform emittiert die mindestens eine Lichtquelle in einem eingeschränkten Wellenlängenbereich, insbesondere ist die Lichtquelle ein Laser, der im nahen Infrarot emittiert, wobei zwischen der Auskoppelfläche und dem mindestens einen sekundären Detektor ein Wellenlängen-Filter, insbesondere ein Bandpassfilter, angeordnet ist, der zumindest im Wellenlängenbereich der Lichtquelle durchlässig ist. Diese Ausführungsform erlaubt es Einflüsse von externem Licht (z. B. Sonnenlicht, externe Lichtquellen), das nicht durch Störquellen auf dem oder in dem Fenster verursacht wird, zu reduzieren und damit die Störquellenerkennung der LiDAR-Systems genauer zu machen. Der Bandpassfilter hat vorzugsweise eine Halbwertsbreite um eine Zentralwellenlänge (z. B. um die Wellenlänge der Lichtquelle) von weniger als 50 nm, bevorzugter von weniger als 25 nm, besonders bevorzugt von weniger als 15 nm. Nahinfrarot ist hier als der Wellenlängenbereich von 780 nm bis 3 µm zu verstehen.
  • Um zwischen Außen- und Innenlicht zu unterscheiden, können also zwei Kriterien verwendet werden. Das eine ist die Wellenlänge des Lichts. Ein Bandpassfilter mit einer hohen Transmission in der Wellenlänge des LiDAR-Systems vor dem sekundären Detektor wird hauptsächlich das vom LiDAR-System emittierte Licht durchlassen. Das andere ist das Timing (bei LiDAR-Systemen, die auf Laufzeitmessungen basieren), da bekannt ist, wann ein emittierter Lichtimpuls an dem Fenster ankommt und wie lang seine Dauer ist.
  • Es ist bevorzugt, wenn mindestens ein sekundärer Detektor eine Lawinenphotodiode, eine Einzelphotonen-Lawinendiode, ein Galliumarsenid-Detektor oder ein Indiumgalliumarsenid-Detektor ist. Diese Detektortypen weisen eine hohe Empfindlichkeit auf und erleichtern so die Erkennung auch kleiner Störquellen die wenig Streulicht produzieren. Alternativ können aber auch gewöhnliche Fotodioden verwendet werden, insbesondere wenn die Kosten gering sein sollen und die Lichtintensität der Lichtquelle hoch genug ist, sodass auch ausreichend Streulicht durch die Störquellen erzeugt wird. Galliumarsenid-Detektoren oder Indiumgalliumarsenid-Detektoren sind besonders geeignet, wenn die Lichtquelle ein Laser bei 1550 nm Wellenlänge ist, der insbesondere eine bessere Augensicherheit aufweist als kurzwelligere Infrarotlaser.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Steuereinheit eine Datenbank, die dazu eingerichtet ist, mehrere zeitlich versetzte Messergebnisse der Streulicht-Messungen zu speichern, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, durch einen Vergleich der zeitlich versetzten Messergebnisse temporäre Störquellen von permanenten Störquellen zu unterscheiden. So kann beispielsweise nach einem Neustart des LiDAR-Systems eine neue Messung von Störquellen durchgeführt werden und mit der letzten zuvor gespeicherten Messung verglichen werden um festzustellen, ob eventuell zuvor festgestellte Störquellen verschwunden sind (z. B. weil Regentropfen auf dem Fenster zwischenzeitlich verdunstet sind).
  • Bevorzugt umfasst das LiDAR-System eine Reinigungseinheit, die dazu eingerichtet ist, zumindest eine Außenseite des Fensters zu reinigen um temporäre Störquellen zu entfernen. Die Reinigungseinheit kann eine Flüssigkeitsdüse umfassen, die beispielsweise eine Reinigungsflüssigkeit auf das Fenster auftragen kann. Die Reinigungseinheit kann ein oder mehrere mechanische Reinigungsmittel, wie z. B. Scheibenwischer, umfassen. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein die Reinigungseinheit zu aktivieren, wenn eine vordefinierte Menge an Streulicht (gegebenenfalls abhängig vom Ablenkwinkel einer Strahloptik) von dem sekundären Detektor detektiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit auch ein Warnsignal an den Benutzer (z. B. den Fahrer eines Fahrzeugs) abgeben, sodass dieser eine Reinigung, z. B. per Tastendruck oder Sprachbefehl, starten kann.
  • In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, nach Abschluss einer Fensterreinigung durch die Reinigungseinheit eine Störquellen-Messung durchzuführen und die erhaltenen Messergebnisse zumindest mit den letzten davor gespeicherten Messergebnissen zu vergleichen um temporäre Störquellen von permanenten Störquellen zu unterscheiden. Ist die Störquelle nach der Reinigung verschwunden, so kann die Steuereinheit von einer temporären Störquelle (z. B. Schmutz oder Wassertropfen) ausgehen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, eine Fehlermeldung auszugeben wenn eine permanente Störquelle identifiziert wird, die einen Benutzer über das Vorliegen der permanenten Störquelle informiert. Ist die Störquelle nach einer Reinigung nach wie vor vorhanden, so kann die Steuereinheit entweder eine erneute Reinigung durch die Reinigungseinheit starten oder den Benutzer über das wahrscheinliche Vorliegen einer Beschädigung des Fensters informieren (z. B. über ein optisches und / oder akustisches Warnsignal).
  • Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, aus der Intensität des detektierten Streulichts eine Größe und / oder Art der Störquelle auf oder in dem Fenster zu berechnen. Die Intensität des vom sekundären Detektor gemessenen Streulichts ist nicht nur abhängig vom Abstand zwischen Störquelle und sekundärem Detektor, sondern auch von der Größe (und Art) der Störquelle. Sofern der Abstand zur Störquelle berechnet werden kann (wenn das LiDAR-System eine zumindest teilweise schwenkbare Strahloptik aufweist und / oder mehrere sekundäre Detektoren umfasst), kann die Steuereinheit aus der Intensität des Streulichts die Größe (und gegebenenfalls die Art) der Störquelle berechnen. Wassertropfen können von Oberflächendefekten unterschieden werden, wenn das LiDAR-System wie bereits beschrieben über eine Reinigungseinheit verfügt, um das Wasser von der Oberfläche zu entfernen. Unmittelbar nach dem Trocknen des Fensters wird das verbleibende Streulicht mit hoher Wahrscheinlichkeit durch Oberflächendefekte verursacht. Oberflächendefekte verursachen ein wiederholbares Signal am sekundären Detektor, während sich die Auswirkungen von Wasser / Schmutz mit der Zeit ändern (z. B. können sich Tröpfchen durch Regen oder Gischt ansammeln, Tröpfchen können sich auf der Oberfläche bewegen, Tröpfchen können trocknen, Wasser / Schmutz kann mit einer Reinigungseinheit entfernt werden).
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems ohne Störquellen auf oder in dem Fenster,
    • 2 die erste Ausführungsform mit Störquellen auf und in dem Fenster,
    • 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems mit Störquellen in dem Fenster,
    • 4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems mit Störquellen auf und in dem Fenster.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-System 1 mit Störquellen-Erkennung, insbesondere für ein Fahrzeug. Eine Emittereinheit 2 umfasst mindestens eine Lichtquelle (z. B. einen Laser). Das LiDAR-System 1 umfasst auch eine Detektoreinheit (nicht dargestellt) umfassend mindestens einen primären Detektor, der dazu eingerichtet ist, reflektiertes Licht mindestens eines von der Emittereinheit 2 ausgesandten Lichtstrahls 3 zum Abtasten einer Umgebung zu detektieren, um Umgebungsobjekte zu erfassen. Ein Gehäuse umfasst ein Fenster 4, durch das von der Emittereinheit ausgesandtes Licht aus dem Gehäuse und von der Umgebung reflektiertes Licht in das Gehäuse gelangt.
  • Das LiDAR-System 1 umfasst mindestens einen sekundären Detektor 5, der an einer Auskoppelfläche (Seitenkante) 6 des Fensters 4 angebracht ist. Der sekundäre Detektor 5 ist dazu eingerichtet, sich innerhalb des Fensters 4 ausbreitendes Streulicht SL zu detektieren. 2 zeigt im Gegensatz zu 1 eine Situation mit Störquellen 7, 8 auf und in dem Fenster 4, die jeweils Streulicht SL erzeugen. Ein Teil dieses Streulichts SL erreicht wie dargestellt z. B. über innere Totalreflektion den sekundären Detektor 5.
  • LiDAR-System 1 umfasst außerdem eine Steuereinheit (nicht dargestellt), die dazu eingerichtet ist, durch den mindestens einen sekundären Detektor 5 detektiertes Streulicht SL auszuwerten, um Störquellen 7, 8 auf oder in dem Fenster 4 zu detektieren. Bei der Störquelle 7 handelt es sich um einen Kratzer oder Riss in der Oberfläche des Fensters 4, während die Störquelle 8 ein Wassertropfen, also eine temporäre Störquelle ist.
  • Die mindestens eine Lichtquelle emittiert in einem eingeschränkten Wellenlängenbereich und ist bevorzugt ein Laser, der z. B. im nahen Infrarot emittiert, was sich in der Praxis für LiDAR-System als vorteilhaft herausgestellt hat. Zwischen der Auskoppelfläche (Seitenkante) 6 und dem mindestens einen sekundären Detektor 5 ist ein Wellenlängen-Filter 9, z. B. ein Bandpassfilter, angeordnet, der zumindest im Wellenlängenbereich der Lichtquelle durchlässig ist.
  • 1 und 2 zeigen lediglich beispielhaft ein ebenes Fenster 4 das z. B. quaderförmig sein kann, aber auch andere ebene Formen wie z. B. ein Kreiszylinder oder ein elliptischer Zylinder sind vorstellbar, wobei der oder die sekundären Detektoren 5 jeweils entlang einer Auskoppelfläche (kurzen Seitenkante) 6 (die hier parallel zur Durchgangsrichtung des Lichtstrahls 3 verläuft) angeordnet sind, sodass sie Streulicht, dass sich senkrecht zur Durchgangsrichtung des Lichtstrahls 3 ausbreitet detektieren können.
  • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 in Draufsicht, wobei entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Hier hat das Fenster 4 beispielhaft die Form einer halben Kreiszylinderschale, das LiDAR-System 1 tastet also etwas weniger als 180° einer Umgebung ab. Es sind aber auch größere oder kleinere Winkelbereiche vorstellbar, wobei das Fenster 4 dann einen entsprechend größeren oder kleineren Polarwinkelbereich einnehmen kann.
  • Das LiDAR-System 1 umfasst hier eine schwenkbare Strahloptik 10, die zumindest dazu eingerichtet ist, mindestens einen von der Emittereinheit (die hier nicht dargestellt ist und z. B. in einer Ebene unterhalb oder oberhalb des dargestellten Drehspiegels der Strahloptik 10 angeordnet ist) ausgesandten Lichtstrahl 3 zum Abtasten einer Umgebung in verschiedene Richtungen abzulenken und von der Umgebung reflektiertes Licht zur Detektoreinheit abzulenken. Der mindestens eine Lichtstrahl 3 wird durch die Ablenkung der Strahloptik 10 zu verschiedenen Zeitpunkten t = t1, t2, t3, t4, t5 durch verschiedene Abschnitte des Fensters 4 transmittiert. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die momentane Ablenkposition der Strahloptik 10 mit der Intensität des von dem sekundären Detektor 5 detektierten Streulichts SL zu korrelieren um eine Position einer Störquelle 7 auf oder in dem Fenster 4 zu berechnen. So wird der sekundäre Detektor 5 um den Zeitpunkt t = t4 einen Anstieg und dann ein Abfallen der Intensität des Streulichts SL detektieren, der zu den übrigen Zeitpunkten t = t1, t2, t3, t5 nicht messbar ist. Daraus kann die Steuereinheit schließen, dass eine Störquelle 7 bei dem Abschnitt des Fensters 4 vorliegt, der dem Drehwinkel der Strahloptik 10 zum Zeitpunkt t = t4 entspricht. Aus der Intensität des Streulichts SL kann die Steuereinheit dann auch zusätzlich die Größe der Störquelle berechnen (unter Beachtung der Abhängigkeit der Intensität des Streulicht SL vom Abstand zwischen Störquelle 7 und sekundären Detektor 5.
  • 4 zeigt eine zur ersten Ausführungsform ähnliche dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 in Draufsicht, wobei entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Auskoppelfläche 6 ist hier im Gegensatz zu 1 und 2 aber an einer Außenseite des Fensters 4 entgegen der Haupttransmissionsrichtung durch das Fenster und angrenzend an eine Seitenfläche oder Seitenkante des Fenster 4 angeordnet. Hier erreicht den sekundären Detektor 5 ebenfalls praktisch nur Streulicht obwohl er entgegen der der Haupttransmissionsrichtung des Fensters 4 angeordnet ist, da sich der sekundäre Detektor (wie eingezeichnet) außerhalb des vom emittierten Lichtstrahl 3 abgedeckten Bereichs des Fensters 4 befindet.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2018/0143298 [0005]

Claims (10)

  1. LiDAR-System (1) mit Störquellen-Erkennung, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend: - eine Emittereinheit (2) umfassend mindestens eine Lichtquelle, - eine Detektoreinheit umfassend mindestens einen primären Detektor, der dazu eingerichtet ist, reflektiertes Licht mindestens eines von der Emittereinheit (2) ausgesandten Lichtstrahls (3) zum Abtasten einer Umgebung zu detektieren um Umgebungsobjekte zu erfassen, und - ein Gehäuse umfassend ein Fenster (4), durch das von der Emittereinheit (2) ausgesandtes Licht aus dem Gehäuse und von der Umgebung reflektiertes Licht in das Gehäuse gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass das LiDAR-System (1) mindestens einen sekundären Detektor (5) umfasst, der an einer Auskoppelfläche (6) des Fensters (4) angebracht ist, wobei der sekundäre Detektor (5) dazu eingerichtet ist, sich innerhalb des Fensters (4) ausbreitendes Streulicht zu detektieren, und wobei das LiDAR-System (1) eine Steuereinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, durch den mindestens einen sekundären Detektor (5) detektiertes Streulicht (SL) auszuwerten, um Störquellen (7, 8) auf oder in dem Fenster (4) zu detektieren.
  2. LiDAR-System (1) nach Anspruch 1, umfassend eine zumindest teilweise schwenkbare Strahloptik (10), die zumindest dazu eingerichtet ist, mindestens einen von der Emittereinheit (2) ausgesandten Lichtstrahl (3) zum Abtasten einer Umgebung in verschiedene Richtungen abzulenken und von der Umgebung reflektiertes Licht zur Detektoreinheit abzulenken, wobei der mindestens eine Lichtstrahl (3) durch die Ablenkung der Strahloptik (10) durch verschiedene Abschnitte des Fensters (4) transmittiert wird, und wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die momentane Ablenkposition der Strahloptik (10) mit der Intensität des von dem sekundären Detektor (5) detektierten Streulichts (SL) zu korrelieren um eine Position einer Störquelle (7, 8) auf oder in dem Fenster (4) zu berechnen.
  3. LiDAR-System (1) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend mindestens zwei sekundäre Detektoren (5), die an Auskoppelflächen (6) an unterschiedlichen Positionen des Fensters (4) angeordnet sind, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, aus den Unterschieden des von den sekundären Detektoren (5) detektierten Streulichtsignale eine Position einer Störquelle (7, 8) auf oder in dem Fenster (4) zu berechnen.
  4. LiDAR-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Lichtquelle in einem eingeschränkten Wellenlängenbereich emittiert, insbesondere ein Laser ist, der im nahen Infrarot emittiert, und wobei zwischen der Auskoppelfläche (6) und dem mindestens einen sekundären Detektor (5) ein Wellenlängen-Filter (9), insbesondere ein Bandpassfilter, angeordnet ist, der zumindest im Wellenlängenbereich der Lichtquelle durchlässig ist.
  5. LiDAR-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein sekundärer Detektor (5) eine Lawinenphotodiode, eine Einzelphotonen-Lawinendiode, ein Galliumarsenid-Detektor oder ein Indiumgalliumarsenid-Detektor ist.
  6. LiDAR-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit eine Datenbank umfasst, die dazu eingerichtet ist, mehrere zeitlich versetzte Messergebnisse der Streulicht-Messungen zu speichern, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, durch einen Vergleich der zeitlich versetzten Messergebnisse temporäre Störquellen (8) von permanenten Störquellen (7) zu unterscheiden.
  7. LiDAR-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Reinigungseinheit, die dazu eingerichtet ist, zumindest eine Außenseite des Fensters (4) zu reinigen um temporäre Störquellen (8) zu entfernen.
  8. LiDAR-System (1) nach Anspruch 6 und 7, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, nach Abschluss einer Fensterreinigung durch die Reinigungseinheit eine Störquellen-Messung durchzuführen und die erhaltenen Messergebnisse zumindest mit den letzten davor gespeicherten Messergebnissen zu vergleichen um temporäre Störquellen (8) von permanenten Störquellen (7) zu unterscheiden.
  9. LiDAR-System (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, wenn eine permanente Störquelle (7) identifiziert wird eine Fehlermeldung auszugeben, die einen Benutzer über das Vorliegen der permanenten Störquelle (7) informiert.
  10. LiDAR-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist aus der Intensität des detektierten Streulichts eine Größe und / oder Art der Störquelle (7, 8) auf oder in dem Fenster (4) zu berechnen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102006045916A1 (de) 2006-09-28 2008-04-03 Pepperl + Fuchs Gmbh Optischer Sensor zum Nachweis von Objekten und Testverfahren für den Verschmutzungsgrad eines optischen Sensors
US20180143298A1 (en) 2016-11-21 2018-05-24 Nio Usa, Inc. Sensor surface object detection methods and systems
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