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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mitigation von Streulichteffekten in einem Lidar mit einem zweidimensionalen Empfänger-Array.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Mitigation von Streulichteffekten in einem Lidar mit einem zweidimensionalen Empfänger-Array.
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Aus der
DE 10 2020 006 072 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Lidars bekannt. Dabei wird auf Signalebene vor und während einer Generierung einer Punktwolke aus mittels des Lidars erfassten Signalen eine zeitliche Pulserfassung durchgeführt, in welcher als zeitliche Informationen eine Höhe und Zeitdauer mittels des Lidars empfangener Pulse ermittelt werden. Anhand der zeitlichen Informationen werden solche empfangenen Pulse ermittelt, welche mit einer einen Sollwert überschreitenden Wahrscheinlichkeit auf Reflexionen von hoch reflektiven Umgebungsobjekten basieren. Anhand einer Auswertung der empfangenen Pulse hinsichtlich ihrer Höhe und bei Erfassung einer Stufe im Signalverlauf des jeweiligen Pulses wird zwischen Doppelechos, Geisterzielen und Originaldetektionen eines Umgebungsobjekts unterschieden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Vorrichtung und ein neuartiges Verfahren zur Mitigation von Streulichteffekten in einem Lidar mit einem zweidimensionalen Empfänger-Array anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 2 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Vorrichtung zur Mitigation von Streulichteffekten in einem Lidar mit einem zweidimensionalen Empfänger-Array zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Empfänger-Array größer dimensioniert ist, als dies für eine Zielanwendung des Lidars erforderlich ist. Dabei sind zusätzliche Empfängerzellen im Empfänger-Array vorgesehen, welche bei einem üblichen Betrieb des Lidars nicht von einem Laser-Emitter des Lidars beleuchtet sind. Die Vorrichtung weist eine Auswerteeinheit auf, welche ausgebildet ist, ein durch Streulicht hervorgerufenes Übersprechen an den zusätzlichen Empfängerzellen zu detektieren.
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Für automatisierte, insbesondere hochautomatisierte und autonome Fahrfunktionen eines Fahrzeugs sind zu einer Umgebungserfassung des Fahrzeugs Lidare als redundante Sensoren und zu einer genauen geometrischen Abtastung der Umgebung erforderlich. Insbesondere beim autonomen Fahren stellt das Lidar häufig die Basis für die Umgebungserfassung dar, wobei beispielsweise Kameras als Basis für eine Szeneninterpretation verwendet werden. Um eine verlässliche Umgebungserfassung zu ermöglichen, muss das Lidar eine hohe Auflösung und ein großes Sichtfeld aufweisen. Hierbei handelt es sich jedoch um zwei konträre Ziele, welche nur durch eine Parallelisierung einer Messung erreicht werden können. Hierzu wird das Empfänger-Array verwendet. Dies kann beispielsweise durch einen Linienscanner mit einem so genannten SPAD-Empfänger (SPAD = Single-photon Avalanche Diode) realisiert werden. Dabei wird ein gesamtes vertikales Sichtfeld gleichzeitig beleuchtet und eine vertikale Auflösung im Empfänger realisiert. Eine horizontale Auflösung wird durch eine entsprechende zeitliche Abtastung realisiert. Befindet sich jedoch ein hoch reflektives Element im Sichtbereich des Lidars, so wirft dieses so viel Licht in das Lidar zurück, dass kleinste Streuzentren im optischen Pfad, beispielsweise bestehend aus Linsen, einem Front-Cover, einem Spiegel, Verschmutzungen, Wassertropfen auf dem Front-Cover usw., das Licht auf andere Winkelbereiche streuen, wodurch ein optisches Übersprechen entsteht. Hierbei handelt es sich nicht um eine Erfassung tatsächlich vorhandener Ziele, so dass falsche Systemreaktionen ausgelöst werden können. Auch können sich in diesen Falschdetektionen verdeckte echte Ziele befinden, wodurch diese schwieriger zu erkennen sind.
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Durch die bei der vorliegenden Vorrichtung genutzte Verwendung und intelligente Verschaltung eines Empfänger-Arrays, welches größer ist als zwingend notwendig, können Aufbautoleranzen ausgeglichen werden und eine Trennschärfe und/oder Auflösung im Betrieb verbessert werden. Gleichzeitig kann aus den typischerweise inaktiven zusätzlichen Empfängerzellen das durch Streulicht hervorgerufene Übersprechen, auch als Cross-Talk bezeichnet, identifiziert und quantifizieren werden. Je nach gewählter Routine kann der Cross-Talk auch gezielt aus der mittels des Lidars erzeugten Punktewolke entfernt werden. Somit können eine Trennfähigkeit des Lidars und daraus folgend dessen Zuverlässigkeit, insbesondere bei widrigen Witterungsbedingungen und dichterem Verkehr, das heißt in Situationen mit vielen Retroreflektoren, wie es in der Stadt häufig der Fall ist, signifikant verbessert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine Anordnung mit einem Retroreflektor, einem Lidar und einem Objekt,
- 2 schematisch Lichtstrahlung und ein optisches Element,
- 3 schematisch Lichtstrahlung und einen Empfangspfad eines Lidars,
- 4 schematisch einen Aufbau eines Lidars und
- 5 schematisch eine Intensität reflektierter Laserimpulse in Abhängigkeit von Reihen eines Empfänger-Arrays eines Lidars.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Anordnung mit einem Retroreflektor 1, einem Lidar 5 und einem Objekt 2 dargestellt. 2 zeigt Lichtstrahlung LS und ein optisches Element 3. In 3 sind Lichtstrahlung LS und ein Empfangspfad 4 eines Lidars 5 mit einem Gehäuse 4.1, drei optischen Elementen 4.2 bis 4.4 und einem Empfänger 4.5, insbesondere einem in 4 näher dargestellten zweidimensionalen Empfänger-Array 5.3, dargestellt.
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Die auf das optische Element 3 gemäß 2 und auf die optischen Elemente 4.2 bis 4.4 treffende Lichtstrahlung LS wird an Unebenheiten und Verschmutzungen gestreut, so dass sich die Lichtstrahlung LS in die optischen Elemente 3, 4.2 bis 4.4 durchdringendes Licht L1 und Streulicht L2 aufteilt.
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Befindet sich ein hoch reflektives Element im Sichtbereich des Lidars 5, beispielsweise wie in 1 dargestellt ein Retroreflektor 1, so wirft dieses so viel Lichtstrahlung LS in das Lidar 5 zurück, dass kleinste Streuzentren im optischen Pfad bzw. Empfangspfad 4, beispielsweise bestehend aus Linsen, einem Front-Cover, einem Spiegel, Verschmutzungen, Wassertropfen auf dem Front-Cover usw., die Lichtstrahlung LS auf andere Winkelbereiche streuen, wodurch ein optisches Übersprechen, auch als Cross-Talk bezeichnet, entsteht. Hierbei handelt es sich nicht um eine Erfassung tatsächlich vorhandener Ziele, so dass falsche Systemreaktionen ausgelöst werden können. Auch können sich in diesen Falschdetektionen verdeckte echte Ziele befinden, wodurch diese schwieriger zu erkennen sind.
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Zur Mitigation derartiger Streulichteffekte in einem Lidar 5 mit einem zweidimensionalen Empfänger-Array 5.3 ist vorgesehen, dass das Empfänger-Array 5.3 größer dimensioniert ist, als dies für eine Zielanwendung des Lidars 5 erforderlich ist. Hierzu sind zusätzliche Empfängerzellen im Empfänger-Array 5.3 vorgesehen, welche bei einem üblichen Betrieb des Lidars 5 nicht von einem Laser-Emitter 5.1 des Lidars 5 beleuchtet sind. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche ausgebildet ist, ein durch Streulicht L2 hervorgerufenes Übersprechen an den zusätzlichen Empfängerzellen zu detektieren.
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Diese größere Dimensionierung ermöglicht eine Kompensation von Aufbaufehlern durch entsprechende Wahl aktiver Empfangselemente und eine Kompensation von „Überstreif”-Effekten bei der Messung selbst. Insbesondere bei so genannten SPAD-Empfängern wird eine Empfangsqualität durch Statistik generiert, wobei typischerweise ein so genanntes Mehrschussverfahren angewendet wird. Hierzu sendet bzw. schießt der Laser-Emitter 5.1 mehrfach Laserpulse aus, welche zusammen ausgewertet werden. Zwischen einem ersten und einem letzten Laserpuls dreht sich eine Spiegeloptik des Lidars 5 weiter, was zu einem horizontalen Verschmieren führt. Wird nun beim Empfänger 4.5 der aktive Bereich horizontal nachgestellt, so zielt der Empfänger 4.5 stets auf den gleichen Raumwinkel. Es werden also unterschiedliche Zellen je Laserpuls in die Auswertung aufgenommen. Dies ist in 4 näher dargestellt.
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Bei beiden Methoden existieren stets „inaktive“ Empfangszellen, welche für den normalen Betrieb nicht ausgewertet und auch nicht vom Laser beleuchtet werden. Sobald nun ein optisches Übersprechen vorliegt, werden diese inaktiven Empfangszellen ebenfalls vom Laser beleuchtet. Man kann also aus der Auswertung dieser inaktiven Empfangszellen besonders zuverlässig ein Übersprechen bzw. Cross-Talk ermitteln, da im Normalfall nichts auf diesen Empfängerzellen abgebildet wird.
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4 zeigt einen Aufbau eines Lidars 5 mit einem Laser-Emitter 5.1, einem Polygonspiegel 5.2 und einem Empfänger-Array 5.3.
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Der Polygonspiegel 5.2 wird zu einer horizontalen Abtastung, das heißt einer Ablenkung ausgesendeter Lichtstrahlung LS im Azimut, verwendet. Gleichzeitig wird ein vollständiger vertikaler Schnitt eines Sichtfelds beleuchtet und Lichtstrahlung LS auf dem multidimensionalen Empfänger-Array 5.3 gesammelt. In diesem Fall besteht der Empfänger 4.5 beispielsweise aus mehreren kleinen Empfängern, zum Beispiel so genannten SPAD-Zellen. Mehrere dieser Empfänger davon bilden einen einzigen Empfänger 4.5 für ein gegebenes Vertikal-/Höhenpixel. Dies geschieht, um ein Signal-Rausch-Verhältnis und damit eine Erfassungsreichweite des Lidars 5 zu erhöhen.
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Wenn SPAD-Empfänger verwendet werden, müssen mehrere Einzelschüsse bzw. Laserpulse verwendet werden, um Rückmeldungen einer einzelnen Messung zu erzeugen. Das bedeutet, dass der Laser-Emitter 5.1 n-mal schießt, wobei die SPAD-Empfänger eine Statistik über diese n Schüsse bzw. Laserpulse aufbauen, um in 5 näher dargestellte Echos E1 bis En innerhalb einer horizontalen Schicht zu erzeugen. Die Größe dieser Schicht wird durch eine Bewegung des Polygonspiegels 5.2 und einen Rundlauf der n Laserpulse definiert. Um Auswirkungen eines Beschusses mit Laserpulsen über das Objekt 2 aufgrund des Multi-Shot-Ansatzes zu verringern, der im Wesentlichen eine horizontale Auflösung und Trennbarkeit verringert, kann der Empfänger 4.5 abgetastet werden. Das bedeutet, dass beim einem ersten Schuss ein linker Bereich des Empfänger-Arrays 5.3 (schräge Schraffur von oben links nach unten rechts) und beim letzten Schuss ein rechter Bereich des Empfänger-Arrays 5.3 (schräge Schraffur von oben rechts nach unten links) ausgewertet wird. Auf diese Weise zeigt der Empfänger 4.5 immer in den gleichen Winkel.
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Außerdem gibt es Empfängerzellen, die im Empfänger 4.5 während des Betriebs nicht verwendet werden. Diese Empfängerzellen werden verwendet, um Fertigungstoleranzen auszugleichen, indem nur die Empfängerzellen ausgewertet werden, die in Bezug auf ein Ziel-Sichtfeld korrekt positioniert sind. Wenn beispielsweise ein Fehler vorliegt, der eine leichte Neigung nach unten verursacht, wird ein aktiver Empfangsbereich stärker nach oben gewählt. Beide Effekte führen zu Empfängerzellen, die zwar im Betrieb ausgewertet werden können, dies jedoch nicht erfolgt, da der Laser-Emitter 5.1 sie nicht beleuchtet, es sei denn, es liegt Übersprechen vor. Daraus folgen zwei Möglichkeiten, ein solches Übersprechen zu ermitteln.
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Gemäß einer ersten Methode, einer so genannten Vollechoerzeugung, werden die Signale so ausgewertet, als wären die Empfängerzellen aktiv und würden für den normalen Betrieb des Lidars 5 verwendet. Auf diese Weise können durch Übersprechen verursachte Echos in der Entfernung lokalisiert werden und es werden wertvolle Informationen hinzugefügt, welche in ursprünglichen Detektionen eine Quelle für Übersprechen sind. Auf diese Weise können durch Übersprechen verursachte Echos in den eigentlichen Daten identifiziert und entfernt werden, indem ihre Attribute, wie zum Beispiel Abstand, Intensität I (siehe 5) und/oder Pulsbreite mit den detektierten Übersprechechos in den inaktiven Empfängerzellen verglichen werden.
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Gemäß einer zweiten Methode, einer so genannten reduzierten Verarbeitung, werden die inaktiven Empfängerzellen nur hinsichtlich einer Rauschleistung über den gesamten Zeitabschnitt der Messung bewertet (zeitliche Integration). Erfolgt ein Vergleich dieser Rauschleistung mit einem Grundrauschen der aktiven Empfängerzellen, kann das allgemeine Vorhandensein von Übersprechen durch eine erhöhte Rauschleistung auf den inaktiven Empfängerzellen gegenüber den aktiven Empfängerzellen erkannt werden.
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In 5 ist eine Intensität I reflektierter Laserimpulse in Abhängigkeit von Reihen R eines Empfänger-Arrays 5.3 eines Lidars 5, das heißt in Abhängigkeit einer Position auf dem Empfänger-Array 5.3, zur Schätzung einer Punktspreizfunktion dargestellt.
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Dabei sind vom Empfänger-Array 5.3 detektierte Echos E1 bis En sowie ein Schwellwert S zur Findung hoch reflektiver Reflexionen dargestellt. Auf einer abfallenden Seite wird ein Gauß-Fit GF angelegt, welcher beispielsweise gemäß
ermittelt wird.
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Eingerahmte Echos E1 bis En stellen valide Echos E1 bis En dar, welche um mehr als eine Sicherheitsmarge vom Gauß-Fit GF abweichen und so erhalten bleiben. Invalide Echos E1 bis En können dagegen entfernt oder markiert bzw. geflaggt werden. Die Sicherheitsmarge kann einerseits durch einen Fehler des Gauß-Fits GF und andererseits durch Erfahrungswerte ergänzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020006072 A1 [0003]
